《金属的相变规律》课件

变规金属的相律本演示文稿深入探讨金属相变规律我们将介绍相变的基本原理，固态相变的类型，以及相变在金属材料热处理和合金设计中的应用此外，我们还将讨论相变的观察与表征方法，相变模拟与预测，以及相变研究的前沿领域希望通过本次演示，能够帮助大家全面了解金属相变规律，并掌握其在工程实践中的应用课程概述课标1程目2主要内容理解金属相变的基本概念和热相变基础、固态相变类型、扩力学、动力学原理；掌握固态散型相变、非扩散型相变、金相变类型及其特征；能够应用属中的典型相变、相变与热处相变规律指导金属材料热处理理、时效硬化、相变与合金设和合金设计；了解相变观察与计、相变的观察与表征、相变表征方法，以及相变模拟与预模拟与预测、相变的工程应用测技术、相变研究前沿习3学方法课堂讲解与讨论相结合；案例分析与实践操作相结合；文献阅读与研究报告相结合；积极思考，主动提问，深入理解相变规律；注重理论联系实际，学以致用变础第一章相基义变质变类相的定相的本相的分相是指系统中物理性质和化学性质均匀的相变是指物质从一种相转变为另一种相的根据相变过程中热力学性质的变化，可将部分，相与相之间存在明显的界面金属过程，伴随着物理性质和化学性质的变化相变分为一级相变和二级相变一级相变材料中常见的相有固相、液相、气相固金属材料的相变通常发生在固态，通过伴随着焓、熵、体积等性质的突变，如熔相又可分为不同的晶体结构，如奥氏体、改变温度、压力或成分等条件来实现化、凝固、沸腾、凝结等二级相变则没铁素体、马氏体等有这些性质的突变，如铁磁性转变、超导转变等热础力学基吉布斯自由能相平衡条件吉布斯自由能（G）是描述系统热相平衡是指系统中各相的吉布斯自力学状态的重要参数，定义为G=由能相等的状态对于二元合金系H-TS，其中H为焓，T为温度，S统，相平衡条件可以用相图来表示为熵在恒温恒压条件下，系统总相图中的相界线表示不同相区之是趋向于吉布斯自由能最小的状态间的平衡关系图相的基本概念相图是描述系统在不同温度、压力或成分下相平衡关系的图常见的相图有二元相图、三元相图等相图中包含相区、相界线、三相点等重要信息，可以用来分析合金的相变过程动础力学基论形核理形核是指新相在母相中形成的过程形核分为均匀形核和非均匀形核均匀形核是指新相在母相中随机形成，而非均匀形核是指新相在母相中的缺陷处形成长论大理长大是指新相在形核后不断增大的过程长大速率取决于界面迁移速率，而界面迁移速率又受到扩散、界面能等因素的影响变相速率相变速率是指单位时间内发生相变的量相变速率受到温度、过冷度、成分等因素的影响通常用C曲线来描述相变速率与温度的关系态变类第二章固相型级变级变马变一相二相氏体相一级相变伴随着焓、熵、体积等性质的突变二级相变没有焓、熵、体积等性质的突变，马氏体相变是一种特殊的固态相变，通过切例如，金属的熔化、凝固过程就是一级相但存在热容、磁化率等性质的奇异例如，变机制发生，不需要原子扩散马氏体相变变一级相变需要克服形核势垒，因此通常铁磁性材料的居里点转变就是二级相变二具有速度快、无扩散、可逆等特点马氏体存在过冷或过热现象级相变不需要克服形核势垒，因此转变速率相变是钢铁材料强化的重要手段较快态变固相的特征结构变晶体化1固态相变通常伴随着晶体结构的变化，如面心立方（FCC）到体心立方（BCC）的转变晶体结构的变化会影响材料的力学性能、物理性能和化学性能变成分化2有些固态相变伴随着成分的变化，如析出相的形成成分的变化会导致材料的组织结构发生改变，从而影响其性能界面特性3固态相变过程中会形成新的界面，如相界、晶界等界面的特性，如界面能、界面迁移速率等，会影响相变的动力学过程扩变第三章散型相扩散方程扩散方程描述了原子在固体中扩散的规律2最常用的扩散方程是菲克第一定律和菲扩克第二定律扩散方程可以用来计算扩散散机制速率、扩散距离等扩散是指原子在固体中迁移的过程常1见的扩散机制有空位扩散、间隙扩散、置换扩散等扩散机制的选择取决于原扩散系数子的大小、电荷等因素扩散系数是指原子在单位浓度梯度下的扩散速率扩散系数受到温度、成分、晶体3结构等因素的影响扩散系数越大，扩散速率越快扩变实散型相例转变共析1奥氏体分解为铁素体和渗碳体时效硬化2析出相强化过回火程3降低淬火钢的硬度扩散型相变是指通过原子扩散来实现相变的過程扩散型相变的速率较慢，需要较高的温度和较长的时间回火过程、时效硬化、共析转变等都是典型的扩散型相变扩变第四章非散型相马转变马马态氏体特征氏体形成机制氏体形马氏体转变是一种特殊的固态相变，通过马氏体形成机制包括切变机制、位错机制马氏体的形态受到成分、温度、应力等因切变机制发生，不需要原子扩散马氏体等切变机制是指母相晶格发生切变，形素的影响常见的马氏体形态有板条状马转变具有速度快、无扩散、可逆等特点成马氏体晶格位错机制是指位错在母相氏体、针状马氏体、片状马氏体等中运动，形成马氏体晶核马变动氏体相力学变1Ms点2相速度Ms点是指马氏体相变开始的温马氏体相变速度非常快，接近度Ms点受到成分、晶粒尺寸声速这是因为马氏体相变不、应力等因素的影响Ms点越需要原子扩散，而是通过切变高，马氏体相变越容易发生机制来实现响3影因素影响马氏体相变的因素包括成分、温度、应力等成分会影响Ms点和马氏体形态；温度会影响马氏体相变速率；应力会诱发马氏体相变变第五章金属中的典型相转变奥氏体化珠光体奥氏体化是指将金属材料加热到奥珠光体转变是指奥氏体在冷却过程氏体相区，使其转变为奥氏体的过中分解为铁素体和渗碳体的过程程奥氏体化是钢铁材料热处理的珠光体是钢铁材料中常见的组织结重要环节构贝转变氏体贝氏体转变是指奥氏体在冷却过程中分解为铁素体和渗碳体的另一种过程贝氏体具有比珠光体更高的强度和韧性过奥氏体化程形成机制奥氏体化是通过原子扩散来实现的在加热过程中，铁原子和碳原子从铁素体和渗碳体中扩散到奥氏体晶核中，使奥氏体晶核不断长大响影因素影响奥氏体化的因素包括加热温度、加热时间、成分等加热温度越高，奥氏体化速率越快；加热时间越长，奥氏体化越完全；成分会影响奥氏体相区的范围长晶粒大奥氏体晶粒在加热过程中会长大奥氏体晶粒尺寸会影响钢铁材料的力学性能通常需要控制奥氏体晶粒尺寸，以获得良好的综合性能转变珠光体层间响形成机制片距影因素珠光体转变是通过原子珠光体的层片间距是指影响珠光体转变的因素扩散来实现的在冷却铁素体层片和渗碳体层包括冷却速率、奥氏体过程中，碳原子从奥氏片之间的距离层片间晶粒尺寸、成分等冷体中扩散到渗碳体晶核距越小，珠光体的强度却速率越快，珠光体转中，铁原子则留在铁素越高层片间距受到冷变温度越低，层片间距体晶核中，形成铁素体却速率的影响冷却速越小；奥氏体晶粒尺寸和渗碳体交替排列的层率越快，层片间距越小越小，珠光体转变速率片状组织越快；成分会影响珠光体的形成温度和层片间距贝转变氏体形成机制1贝氏体转变是一种介于扩散型相变和非扩散型相变之间的相变贝氏体转变需要原子扩散，但扩散距离较短贝氏体转变的晶核形成过程类似于马氏体转变组织特征2贝氏体的组织特征包括板条状铁素体和碳化物根据碳化物在铁素体中的分布情况，可将贝氏体分为上贝氏体和下贝氏体上贝氏体的碳化物分布在铁素体晶界上，下贝氏体的碳化物分布在铁素体晶内别与珠光体的区3贝氏体和珠光体都是奥氏体分解的产物，但它们的形成机制和组织特征不同珠光体是通过原子长程扩散形成的，而贝氏体是通过原子短程扩散和切变机制共同作用形成的贝氏体的强度和韧性比珠光体更高变热处第六章相与理正火正火是指将金属材料加热到一定温度，保2温一定时间，然后空冷的热处理工艺正退火火的目的是细化晶粒，均匀组织，提高强退火是指将金属材料加热到一定温度，度和韧性1保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺退火的目的是降低硬度，提高塑性，消除残余应力，细化晶粒，改善组淬火织淬火是指将金属材料加热到一定温度，保3温一定时间，然后快速冷却的热处理工艺淬火的目的是提高硬度和耐磨性过退火程球化退火1使碳化物呈球状完全退火2消除内应力结再晶退火3提高塑性退火过程包括加热、保温和冷却三个阶段加热速率要适当，以避免产生过大的热应力保温时间要足够长，以保证组织转变充分冷却速率要缓慢，以避免产生残余应力再结晶退火、完全退火、球化退火是三种常用的退火工艺过正火程组织变正火温度冷却速度演正火温度是指将金属材料加热到的温度正火的冷却速度是指金属材料从正火温度正火的组织演变过程包括奥氏体化、奥氏正火温度通常高于奥氏体化温度30-50℃冷却到室温的速率正火通常采用空冷体分解和晶粒长大三个阶段在奥氏体化正火温度过高会导致晶粒粗大，影响力空冷的冷却速度比炉冷快，可以获得更细阶段，金属材料转变为奥氏体；在奥氏体学性能；正火温度过低会导致组织转变不的晶粒和更均匀的组织分解阶段，奥氏体分解为铁素体和珠光体充分；在晶粒长大阶段，晶粒尺寸逐渐增大过淬火程临1界冷却速度2淬透性临界冷却速度是指使奥氏体完淬透性是指金属材料淬硬的深全转变为马氏体所需的最小冷度淬透性越高，金属材料表却速度临界冷却速度越高，面到心部的硬度梯度越小合淬火难度越大合金钢的临界金元素的加入可以提高淬透性冷却速度比碳钢低，更容易淬火应3残余力淬火过程中会产生残余应力残余应力包括压应力和拉应力压应力可以提高金属材料的疲劳强度，拉应力则会降低疲劳强度需要采取措施消除或降低残余应力时第七章效硬化处固溶理固溶处理是指将金属材料加热到单相区，保温一定时间，然后快速冷却的热处理工艺固溶处理的目的是使合金元素固溶于基体中，形成过饱和固溶体GP区形成GP区是指在时效初期形成的富溶质原子区GP区的尺寸很小，只有几个原子大小GP区的形成会导致材料的强度和硬度略有提高变析出相演随着时效时间的延长，GP区会逐渐转变为中间相和稳定相析出相的尺寸和分布会影响材料的强度和韧性需要控制析出相的演变过程，以获得最佳的综合性能时效硬化机理强强强切割化回旋化界面化当位错滑移时，会切割GP区或中间相，需当位错滑移时，会绕过较大的析出相，形成析出相与基体之间存在界面界面会阻碍位要克服额外的阻力，从而提高材料的强度位错环，从而提高材料的强度回旋强化对错的滑移，从而提高材料的强度界面强化切割强化对析出相的尺寸和分布有一定要求析出相的尺寸和间距有一定要求对界面的特性有一定要求变设计第八章相与合金变强强变诱发相化析出化相塑性相变强化是指利用相变过程中产生的组织析出强化是指利用析出相来提高材料的强相变诱发塑性是指在应力作用下发生相变结构来提高材料的强度和韧性例如，马度例如，铝合金、镁合金、钛合金等都，从而提高材料的塑性TRIP钢就是利用氏体钢、双相钢、TRIP钢等都是利用相变是利用析出强化原理设计的相变诱发塑性原理设计的TRIP钢在变形强化原理设计的过程中，奥氏体转变为马氏体，从而吸收大量的能量，提高塑性变强实相化例马钢钢氏体双相马氏体钢是指通过淬火工艺获得马双相钢是指由铁素体和马氏体两种氏体组织的钢马氏体钢具有很高相组成的钢双相钢具有较高的强的强度和硬度，但塑性和韧性较差度和良好的塑性双相钢的强度和需要通过回火工艺来提高塑性和塑性可以通过控制铁素体和马氏体韧性的比例来调节钢TRIPTRIP钢是指具有相变诱发塑性效应的钢TRIP钢的组织包括铁素体、贝氏体和残余奥氏体在变形过程中，残余奥氏体转变为马氏体，从而吸收大量的能量，提高塑性变观第九章相的察与表征术金相技金相技术是指通过光学显微镜来观察金属材料组织结构的技术金相技术可以用来分析晶粒尺寸、相界、析出相等组织特征电显术子微技电子显微技术是指通过电子显微镜来观察金属材料组织结构的技术电子显微技术的分辨率比光学显微镜更高，可以观察到更细微的组织特征，如位错、原子排列等线X射衍射X射线衍射是指利用X射线来分析金属材料晶体结构的技术X射线衍射可以用来测定晶格常数、晶粒尺寸、残余应力等进术先表征技针辐原位TEM3D原子探同步射原位TEM是指在透射电3D原子探针是指能够以同步辐射是指利用同步子显微镜下实时观察相原子分辨率来分析材料辐射光源进行材料分析变过程的技术原位成分和结构的技术3D的技术同步辐射具有TEM可以用来研究相变原子探针可以用来研究高亮度、高能量、高分的动力学过程，如形核析出相的成分、尺寸、辨率等特点，可以用来、长大、界面迁移等分布等研究材料的电子结构、原子排列等变拟预测第十章相模与热计场动力学算相法分子力学热力学计算是指利用热力学原理来计算相相场法是指利用连续介质理论来模拟相变分子动力学是指利用分子动力学方法来模平衡、相转变温度等的技术热力学计算过程的技术相场法可以用来研究相变的拟原子运动的技术分子动力学可以用来可以用来预测合金的相图，指导合金设计动力学过程，如形核、长大、界面迁移等研究相变的微观机制，如原子扩散、晶格畸变等变应相的工程用热处艺优钢铁发理工化新型材料开通过研究相变规律，可以优化热处通过研究相变规律，可以开发新型理工艺，提高材料的强度、韧性、钢铁材料，满足不同工程领域的需耐磨性等性能例如，可以控制冷求例如，可以设计TRIP钢，提却速度，获得细小的珠光体组织，高汽车的安全性提高钢的强度变增材制造中的相控制在增材制造过程中，材料会经历快速的加热和冷却过程，容易产生残余应力通过控制相变过程，可以降低残余应力，提高零件的质量变相研究前沿纳变米尺度相纳米尺度材料具有独特的相变规律纳米尺度材料的相变温度、相变速率等与宏观材料不同研究纳米尺度相变有助于开发新型纳米材料变快速相快速相变是指在极短时间内发生的相变快速相变在激光加工、薄膜生长等领域具有重要应用研究快速相变有助于开发新型快速相变材料变极端条件下的相极端条件是指高温、高压、强磁场等条件在极端条件下，材料的相变规律与常温常压下不同研究极端条件下的相变有助于理解物质的本质总结课顾变规1程要点回2相律的重要性本课程主要介绍了金属相变的相变规律是金属材料科学的重基础知识、固态相变类型、扩要组成部分掌握相变规律可散型相变、非扩散型相变、金以更好地理解金属材料的组织属中的典型相变、相变与热处结构和性能，指导金属材料的理、时效硬化、相变与合金设热处理和合金设计，开发新型计、相变的观察与表征、相变金属材料模拟与预测以及相变的工程应用等内容3未来研究方向未来相变研究将朝着纳米尺度、快速相变、极端条件等方向发展随着表征技术和模拟技术的进步，人们将能够更深入地理解相变规律，开发出性能更优异的金属材料阅读参考文献与延伸本演示文稿的参考文献包括以下几本书籍和期刊文章•《金属学原理》•《材料科学与工程》•《金属热处理》•Acta Materialia•Materials Scienceand EngineeringA•Scripta Materialia希望大家通过阅读这些参考文献，能够更深入地了解金属相变规律。