第九章 固态相变2

(按照原冶金工业部标准(YB27-64)规定，晶粒度分8级，1级最 粗，8级最细。一般把G≤4的称为粗晶粒，5~8级的称为细晶 粒。)
奥氏体晶粒度可以通过放大100倍后与标准评级图对比来评定， 也可以通过直接测量方法测定。
②奥氏体晶粒长大
• 在加热过程中，当珠光体向奥氏体的转变刚刚完成时，奥氏 体晶粒的大小称为奥氏体的“起始晶粒度”。起始晶粒一般比 较细小，但随着加热温度的升高或保温时间的延长，晶粒将不 断长大。通常把在某一具体热处理条件下获得的奥氏体晶粒大 小称为“实际晶粒度”，它直接影响钢热处理后的组织与性能。
•有固态相变的合金，是能施以热处理的必要条件，这样才能 经不同的热处理获得不同的组织结构，具有不同的性能。
•热处理原理：钢在不同加热和冷却条件下的组织与性能的变化 规律。
•热处理分类
• 根据加热、冷却方式的不同及钢的组织变化特点的不同，将热 处理工艺分类如下：
普通热处理：退火、正火、淬火和回火 表面热处理：表面淬火、化学热处理 其他热处理：控制气氛热处理、真空热处理、形变热处理、 复合热处理。
②奥氏体晶核长大
当稳定的奥氏体晶核形成后就开始逐渐长大。它一面与渗碳体 相连，另一面与铁素体相连，晶核的长大是新相奥氏体的相界面 同时向渗碳体和铁素体方向推移的过程。它是依靠铁、碳原子的 扩散，使其邻近的渗碳体不断溶解和铁素体晶格改组为面心立方 来完成。
③残余渗碳体的完全溶解
由于铁素体的碳浓度和结构都与奥氏体相近，造成铁素体向奥 氏体的转变快于渗碳体向奥氏体的溶解，从而使铁素体先于渗碳 体消失。铁素体完全消失后仍有部分渗碳体没有溶解，随着保温 时间的增长，未溶解的渗碳体将不断地向奥氏体溶解，直到全部 消失。
T2～T3过程 继续冷却时。在2～3点温度范围内，α固溶体不发生变化。
T3以下
B在α固溶体中呈过饱和状态，因此，多余的B就以β固溶体的 形式从α固溶体中析出。随着温度的降低，α固溶体对B的固溶 度逐渐减少，所以这一析出过程将不断进行，α和β两相的成分 分别沿着固溶线CF和DG变化。冷却至室温时，成分为F的α相 与成分为G的β相维持平衡。
• 对成分不同的钢加热时，其晶粒长大的倾向也不同，主要取 决于钢的成分和冶炼条件。用铝脱氧或含有铌、钒、钛等元素 的钢，在一定温度(930±10℃)以下加热时晶粒长大倾向较小， 一般可以获得较细小的奥氏体实际晶粒。用来表示加热时奥氏 体晶粒长大倾向的晶粒度称为“本质晶粒度”，其大小按标准 试验方法测定。
（2）脱溶沉淀方式
①连续脱溶沉淀 脱溶沉淀过程中邻近沉淀物的母相溶质浓度连续变化者称为
连续脱溶沉淀。 连续脱溶沉淀形成的沉淀相结构及点阵常数与母相相近时，沉 淀相与母相可能形成共格或半共格界面，并与母相有一定的取 向关系(惯习面通常是基体的低指数晶面)，多呈针状或条状， 相互按一定交角分布。完全共格时将以孤立的圆盘形或立方形 颗粒析出；当沉淀相与基体的结构相差很大，它们之间的界面 不共格时，沉淀相一般呈等轴状或球状，与母相无一定取向关 系．当过冷度较小时，脱溶沉淀的热力学驱动力较小，沉淀相 均匀形核较困难。
从一种固溶体中析出另一种固溶体的过程称为脱溶，也就是过饱 和固溶体的分解。
从过饱和固熔体中析出一个成分不同的新相或形成熔质原子富集 的亚稳过渡相的过程称为脱熔。
固溶体的溶解度随温度变化的合金都可能发生脱溶沉淀。
控制脱溶沉淀的方法：
①沉淀相的体积分数和弥散度由冷却速度控制． ②先进行固溶处理．然后重新加热至两相区保温(时效) 使沉淀相得以析出，沉淀相的体积分数和弥散度由时 效温度和保温时间控制．
(1)脱溶沉淀过程
脱溶沉淀过程受溶质扩散控制，在沉淀过程中可能形成一系 列介稳相(过渡相)。
wCu=0.045的Al- Cu合
金 室温平衡组织为α+θ， 加热到550℃保温均匀化 后，急速冷却到室温可 得到过饱和固溶体α0。 然后再加热到130℃保温 进行时效处理，将发生 下α0→列α析1+出GP过区程→α2＋θ″(GPII)→α3+θ′→α平衡+θ 9-2-1 Al- Cu相图一角
θ′过渡相也在基体的{100}面上形成，具有正方结构，点阵常数
a=b=0.404 nm,c=0.58 nm,其名义成分为CuAl2,与θ相一样。
θ相具有正方形结构，点阵常数为a=b=0.607 nm,c=0.487
nm,这种平衡沉淀相与基体完全失去共格。
图9-2-2
随着合金含铜量的增加，时效硬化效果更明显，并且硬度的 峰值总是与θ″和θ′共存的组织对应。θ″组织消失，硬度明显 下降。
（2）奥氏体晶粒长大及其控制
• 将钢加热到临界点以上时，刚形成的奥氏体晶粒都很细小，如 果继续升温或保温，便会引起奥氏体晶粒长大。 • 长大是大晶粒吞并小晶粒，使晶界总面积减小，表面能降低的 自发过程。 • 钢中奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后的组织和性能。奥 氏体晶粒细小，则其转变产物的晶粒也较细小，其性能也较好， 强度和韧性都较高；反之，转变产物的晶粒粗大，其性能则较差。
• 为了获得一定尺寸的奥氏体晶粒，可以同时控制加热温度和 保温时间，比较而言，加热温度作用更大。因此对其必须严格 控制。
• 通常根据钢的临界点、工件尺寸以及装炉量等来确定合理的 加热规程。
Ⅱ加热速度
• 加热速度越快，过热度越大，奥氏体实际形成温度越高，形 核率和长大速率越大，而且前者大于后者，因此可以获得细小 的起始晶粒。由于温度较高且晶粒细小，反使晶粒易于长大， 因此保温时间不能太长，否则晶粒反而更粗大。所以生产中常 采用快速加热和短时保温的方法来细化晶粒，甚至可以获得超 细晶粒。
Ⅲ钢的化学成分
•在一定含碳量范围内，随着奥氏体中含碳量的增加，促进碳在 奥氏体中的扩散速率和铁原子自扩散速率的提高，因此，晶粒长 大倾向增加。含碳超过一定量后，碳能以未溶碳化物存在，起到 第二相粒子对晶粒长大的阻碍作用，反而使奥氏体晶粒长大倾向 减少。
•钢中合金元素的影响可以归纳为几类：
强烈阻碍晶粒长大的元素有Al、V（钒）、Ti (钛)、Zr (锆)、 Nb (铌)等，每一元素都有一个最佳含量范围。
①奥氏体晶粒度
•奥氏体晶粒度是衡量晶粒大小的尺度。
•晶粒大小有两种表示方法：
一是用晶粒尺寸表示。例如，晶粒截面的平均直径或平均面积， 或者单位面积内的晶粒数目等；
二 是 用 晶 粒 度 级 别 指 数 G 来 表 示 ， n=2G-1 ， 其 中 ， n 为 放 大 100倍时，每645mm2(1英寸2)面积内的晶粒数。可见，晶粒 越细，n越大，G也越大。
④奥氏体均匀化
当残余渗碳体溶解到刚好完毕时，奥氏体中碳浓度并不均匀， 原来渗碳体处的含碳量比原来铁素体处要高。只有经过长时间 的碳原子扩散，奥氏体中碳浓度才会趋向于均匀化，最后得到 单相均匀的奥氏体。至此，奥氏体转变过程全部完成。
•亚共析钢和过共析钢的奥氏体转化过程同共析钢基本相同。
•由于二者完成珠光体向奥氏体转变后分别存在先共析铁素体和 二次渗碳体，要获得全部单一奥氏体组织，必须相应的加热到 Ac3和Accm以上温度，使它们全部转化为奥氏体。常称这种加 热为“完全奥氏体化”。如果在钢的上、下临界点之间加热，会 得到奥氏体和先共析相。这种加热称为“部分奥氏体化”。
• 根据在零件生产过程中所处的位置和作用不同来分类 预备热处理：清除前道工序的缺陷，改善其工艺性能，确保
后续加工顺利进行。 最终热处理：赋予工件所要求的使用性能的热处理。
图9-3-1
在具体热处理操作中，因为实际加热或冷却速度较快，因此存 在过热或过冷现象，使实际温度偏离平衡状态的平衡相变点。速 度越快，偏离程度越大。
③奥氏体晶粒大小的控制
Ⅰ加热温度和保温时间
• 加热温度越高，晶粒长大速率越快，最终晶粒尺寸越大。
• 在给定温度下，随保温时间延长，晶粒不断长大。但随时间延 长晶粒长大速度越来越慢，且晶粒不会无限制地长大，而是趋 于一个稳定尺寸。
• 总之，加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大，因 为这与原子扩散密切相关。
2. 钢在加热时的转变
•加热是热处理的首道工序，使其组织转变。 •（1）奥氏体的形成
共析钢的室温组织是珠光体，即铁素体和渗碳体两相组成的 机械混合物。
• 珠光体向奥氏体的转变，是由化学成分和晶格都不相同的两相， 转变为另一种化学成分和晶格的过程，因此，在转变过程中必须 进行碳原子的扩散和铁原子的晶格重构，即发生相变。
•热处理的主要目的：一是消除前道工序产生的某些缺陷，改 善钢材的工艺性能，确保后续加工顺利进行；二是提高零件或 工具的使用性能。
•热处理的作用：通过适当的热处理可以显著提高钢的力学性 能，充分发挥钢材的性能潜力，保证零件的内在质量，延长零 件的使用寿命。恰当的热处理工艺可以消除铸、锻、焊件等的 某些缺陷，改善其工艺性能。因此，热处理在现代工业中占有 重要地位。
脱熔顺序为：GP区→θ″过渡相→θ′过渡相→θ平衡相
GP区是与基体共格的熔质原子富集区,为圆片状,其厚度为0.3～ 0.6 nm,直径为8 nm。在母相的{100}面上形成。
θ″过渡相也是圆盘状，其厚度为2 nm,直径为40 nm，在母相 的{100}面上形成。具有正方结构，点阵常数为
a=b=0.404nm,c=0.768nm。θ″相与基体完全共格。
《材料科学基础》 《Foundations of Materials Science》
第九章 固态相变
按质点迁移特征分类 扩散型相变的特点是在相变过程中，存在着原子（或离子）的 扩散运动。 扩散型相变是通过热激活原子运动而产生的，要求温度足够高， 原子活动能力足够强。 如晶型转变、熔体中析晶、气-固、液-固相变和有序-无序转 变都属于扩散型相变。 无扩散型相变则在相变过程中不存在原子（或离子）的扩散运 动。无扩散型相变的特点是相变中原子不发生扩散，原子作有规 则的近程迁移，以使点阵改组；相变中参加转变的原子运动是协 调一致的，相邻原子的相互位置不变，因此也被称为“协同性” 转变。 如在低温下进行的纯金属同素异构转变以及一些合金中的马氏 体转变等。