第四章++材料的相变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

Pb WSn(%) Sn
G
t/s
70% Sn的过共晶合金的结晶过程分析
概括起来，过共晶合金平衡结晶过程为：
t1温度以上： 液态 L70 L
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t1~ t2温度： 液相中析出 ， t2温度时发生共晶反应： L61.9 t2温度以下： 初 Ⅱ
97.5
室温组织： 初 + Ⅱ + （+）共晶
一、相律
在恒压下，在纯固态或纯液态情况下，出现的相数 小于等于主元数。在液固共存（恒温）条件下出现 的相数小于等于主元数加一。因而，对二元合金， 固态下出现的相数为1或2，液固共存（恒温）条件 下恒温下出现的相数为2或3。
二、二元匀晶相图的分析
匀晶转变：在一定温度范围内由液相结 晶出单相的固溶体的结晶过程。 二元匀晶相图：指两组元在液态和固态 均无限互溶时的二元合金相图。 具有这类相图的合金系主要有Ni-Cu、 Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。
标注在温度— 成分坐标中 无限缓冷下测各 合金的冷却曲线 连接各相变点
确定各合金 的相变温度
确定相
如：0%Cu、20%Cu、40%Cu、60%Cu、80%Cu、100%Cu 六组合金。
Cu20% Cu60%Cu80% Cu Ni Cu40%
1600
1500
1400
1400 1300
L
（L+ ）
T
Ni
WCu(%)
Cu
将铸件加热到低于固相线100~200℃的温 度，进行长时间保温，使偏析元素充分进行扩 散，以达到成分均匀化。
设A、B组元的熔点分别为1450℃和1080℃，它们 在液态和固态都无限互溶，则这两种组元组成的 二元相图叫作二元 相图；先结晶的固溶体 中含 组元多，后结晶的固溶体中含 组元多，这种成分不均匀现象称为 ， 通过 工艺可以减轻或消除这种现 象。

1＝ 2 1 2 P T P T 1 2 T P T P
(V 1 V 2 ) (-S 1 S 2 )
h
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• 一级相变的结论：
在一级相变时，系统的化学势有连续变 化，而熵（S）和体积（V）却有不连续变
化。即相变时有相变潜热，并伴随有体积 改变。如图所示。晶体熔化、升华；液体
典型相变
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• （1）按热力学条件分类 • 按照自由能对温度和压力的偏导函数在相
变点的数学特征——连续或非连续，将相 变分为一级相变二级相变和高级相变。
• n级相变：在相变点系统的化学势的第（n1）阶导数保持连续，而其n阶导数不连续。
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• （一）按热力学条件分类
（1）一级相变
特征：体系由一相变为另一相时，如两相的 化学势相等，但化学势的一级偏微商（一 级导数）不相等的相变称为一级相变，即：
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• （2)相变的意义
• 对于一定的热力学条件，只有当某相的自由能位 最低时，该相才是稳定的且处于平衡态；
• 若某相的自由能虽然并不处于最低，然而与最低 自由能态具有能垒相分隔，则该相处于亚稳平衡 态；
• 若不存在这种能垒，则体系处于非稳定态，这种 状态是不稳定的，它一定会转变为平衡态或亚稳 态。
第四章 材料的相变
同济大学材料科学与工程学院 王德平 教授
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4.1 相变的概念及其分类
• 4.1.1相变的基本概念
（1）相变的定义：
• 相变是随自由能变化而发生的相的结构的变化。
• 相变过程是物质从一个相转变为另一个相的过程。一般相变前后 相的化学组成不变。
• 狭义上讲：相变仅限于同组成的两相之间的结构变化。
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