第四章 材料相变2

第四章 马氏体相变随着科学技术的发展和人们对材料性能的要求越来越高，材料相变的研究也成为了一个热门的领域。

其中，固态相变是最为基础和广泛的相变形式之一。

在这其中，马氏体相变是一个相对特殊和有意义的相变过程。

一、马氏体相变的定义和分类马氏体相变，是指在含碳钢中，当钢经过一定的热处理过程后，在室温下形成一种具有变形性能的组织结构。

其核心原理是在高温下形成一种奥氏体，然后通过快速冷却过程，在室温下形成一种具有弹性、变形及塑性的马氏体组织结构。

根据马氏体相变的不同起始组织结构，其可以分为两种类型：一类是由完全奥氏体组成的马氏体相变，另一类是由贝氏体（以及在贝氏体上产生马氏体）组成的马氏体相变。

1.完全奥氏体马氏体相变当钢经过高温处理后，在其细小的晶粒中，完全转化为奥氏体组织。

通过钢的快速冷却 （通常在水、油、盐水等介质中进行），奥氏体中的部分碳原子被固溶，在马氏体的组织中重新排列，最终形成一种具有高强度和塑性的马氏体组织结构。

这种马氏体相变过程，称为完全奥氏体马氏体相变。

2.贝氏体马氏体相变贝氏体正常情况下是由冷却慢、回火温度低的钢中形成的。

它是由一种由铁与铁素体间化合物构成的细小晶粒组成的组织，这种组织强度比较低，韧性高，且具有较高的弹性变形和形变能力。

当这种钢经过高温处理后，由于组织发生了相变，大量贝氏体消失，而代替它的则是奥氏体组织。

这样在快速冷却的过程中，就会在奥氏体中形成一定数量的针状马氏体组织结构。

二、马氏体相变的影响因素马氏体相变的过程涉及到多个变量和影响因素，其中最重要的一些因素包括：1.冷却速度作为一种固态相变过程，马氏体相变的核心就是快速冷却过程。

通常来说，冷却速度越快，产生的马氏体组织也就越细小，强度也就越高。

2.合金元素含量合金元素在钢制造中有着重要的作用。

它们可以调节钢的合金成分和钢的性能，使钢的性能得到提升。

其中，加入Cr、Ni、Mn等元素可以有效地提高马氏体相变的开始和结束温度，这有利于得到良好的马氏体组织结构。

晶核形成： 自发形核（均匀形核）； 非自发形核（非均匀形核）。 晶核长大： 平面状长大； 树枝状长大。
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4.1纯金属的结晶

形核与长大：
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4.1纯金属的结晶

树枝状长大
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4.1纯金属的结晶

影响形核和长大的因素：
过冷度 难熔杂质

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4.1纯金属的结晶

晶粒度：单位体积或单位面积上的晶粒 数目/晶粒尺寸。晶粒 平衡结晶过程：
ＬＬ＋
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1.匀晶相图

杠杆定律：结晶过程中的成分变化和两 相相对量的变化。 两相区中Q/QＬ＝ab/bc
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1.匀晶相图

原因：固相中原子扩散速 度慢，跟不上结晶速度
晶内偏析（属于微观偏析）
枝晶偏析
消除办法：高温扩散退火
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2.共晶相图
亚共晶合金
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2.共晶相图

亚共晶合金L L+ (M+N )+ M L
L+
(M+N )+ M 冷却 曲线
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2.共晶相图

亚共晶合金L L+ (M+N )+ M
( M+ N )
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2.共晶相图

亚共晶合金L L+ (M+N )+ M 过共晶合金L L+ (M+N )+ N
液相线与固相线之间为 两相区，液相与固相平 衡共存
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4.2.1二元合金相图与凝固（结晶）
相图的分类： 匀晶相图 共晶相图 包晶相图 其它相图

第五章：溶液（溶体）理论—二组元相
3.溶体的性质 微观分布：a. b. c.
I AB 0 时，无序分布 I AB 0 时，短程有序 I AB 0 时，偏聚状态
4.偏摩尔量与化学位 化学势：偏摩尔吉布斯自由能
G i ni T , P ^
化学位反映了某一组元从某一相中逸出的能力，某一 组元在某一相中的化学位越高，它从这一相迁移到另一相 中的倾向越大。 利用 G m X 截距法可求得偏摩尔量（化学位） 多相平衡中，各个组分在各相中的化学位相等。
b.条件：每个组元在各个相中的化学位相等
3.两个重要定律 a.相律：F =c-p+2 推导：对于c个组元，p个相的某体系，可以独立变化的总 数为p（c-1）+2；平衡条件的限制条件数c（p-1） 所以，F= p（c-1）+2-c（p-1）=c-p+2 b.溶质分配定律：
第六章：二元体系相平衡及其热力学
G , , G 为整个任意量溶液的 ni T , P ^ 容量性质
物理意义：某一组元浓度的改变对溶液性质的影响。 ① 只有广度性质才有偏摩尔量，但偏摩尔量是强度性质。 ② 纯物质的偏摩尔量就是它的摩尔量 ③ 任何偏摩尔量都是T、P和组元的函数 ④ 集合式：
G, G1n1 G2n2
对于理想溶液，恒温恒压下，溶质溶解平衡时：
i0 ( ) i0 ( )
RT
Xi k e Xi
对于正规溶体：

XB k e XB
0 ( 0GB GB ) ( I AB I AB ) RT
致谢
I AB 0
第六章：二元体系相平衡及其热力学
1.混合物的自由能 a.在 Gm X 曲线中：

第2章 钢中奥氏体形成
2.5 奥氏体晶粒长大及其控制
三、影响奥氏体晶粒长大的因素 4 合金元素的影响： 钢中加入形成难熔化合物的合金元素，奥氏体中存在很多弥散分布的 稳定化合物，阻碍奥氏体晶粒长大。
用Al脱氧的钢，形成的AlN阻在奥氏体晶粒长大，属于本质细晶粒钢。 用Si和Mn脱氧的钢，不形成难溶第二相，属于本质粗晶粒钢。
二、长大速度 随相变温度升高，碳在奥氏体中的扩散系数增大。 随相变温度升高，碳在奥氏体中的浓度梯度增大。 随相变温度升高，Cγ-α 与Cα -γ之差减小， Cγ-c与Cc-γ之差减小。 随相变温度升高，奥氏体长大速度增大。所以奥氏体形成速度随形 成温度升高而单调增大。 三、奥氏体等温形成动力学曲线 等温形成动力学曲线：在一定温度下，转变量与转变时间的关系曲线。 等温形成图：转变量与转变温度和时间的关系曲线，TTT图。 亚共析钢和过共析钢的等温形成图。
第2章 钢中奥氏体形成
2.5 奥氏体晶粒长大及其控制
三、影响奥氏体晶粒长大的因素 2 加热速度的影响： 加热速度提高，奥氏体形成温度提高，形核率和长大速率都提高， 但形核率和长大速率之比增大，所以起始晶粒细小。如果保温时间 过长，由于起始晶粒小，温度高，晶粒长大速度快，所以只有快速 加热、短时保温才能获得细小的实际奥氏体晶粒。 3 钢中碳含量的影响： 在一定的碳含量范围内，随碳含量的增加，碳原子和铁原子的扩散 速度提高，促进奥氏体晶粒长大；但碳含量过高，二次渗碳体不能 全部溶解，形成第二相质点，阻碍奥氏体晶粒长大。
n = 1.01(N/G)1/2
n为1mm2面积内的晶粒数。
第2章 钢中奥氏体形成
2.5 奥氏体晶粒长大及其控制
二、奥氏体晶粒长大原理 在一定温度下，奥氏体晶粒发生相互合并或吞并，降低晶界总面积， 使体系自由能降低，是一个自发进行的过程。