真空热处理-金属固态相变基础-主要类型和基本特征
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作者:鼎言热处理
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发布时间: 2019-10-30
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金属固态相变的主要类型
金属固态相变的类型很多:按相变过程中原子的运动特点可将固态相变分为扩散型相变和非扩散型相变;按平衡状态分为平衡相变和非平衡相变;按热力学分为一级相变和二级相变
1.按相变过程中原子的运动特点分类
(1)扩散型相变。扩散型相变一般均借助于原子的热激活运动而进行扩散型相变大致有以下几种:①脱溶分解;②共析转变;③有序化转变;④块状转变⑤多形性转变;⑥调幅分解。
脱溶分解是指由过饱和固溶体中析出新相的过程,如图2-1(a)所示。当单相固溶体冷却到固溶曲线以下时,a变成β原子过饱和的固溶体,以a’表示。β原子以新相β的形式从过饱和的a相中析出。脱溶分解后的a相晶体结构与a相同,但成分更接近平衡状态,这过程可以表示为:
a’→a+β
(图2-1）
共析转变是指冷却时一个固溶体(γ)分解为与相晶体结构不同的两个新相a和β混合物的相变,可表示为：
γ→a+β
（图2-2）
图2-1(b)表示了这种相变的类型。钢在冷却时由奥氏体转变为珠光体(铁素体与渗碳体的混合物)即属于共析转变
有序化转变是指固溶体组元原子从无序排列到有序排列的转变过程,可表示为：
a(无序)→a’(有序)
(图2-3)
在FeCo、FeNi、AuCu、Mn-Ni、TiNi、CuZn等合金系中会发生这种转变,如图2-1(c)所示
块状转变中新相的成分与母相一样,但晶体结构不同,如图2-1(d)所示。例如,纯铁或低碳钢在一定的冷却速度下,Y相可以转变为与之具有相同成分而形貌呈块状的a相新相的长大是通过原子的短程扩散而实现的。在纯铁、铜锌等合金中就会发生块状转变。
图21(e)所示的多形性转变是指发生在纯金属中的晶体结构的转变,如纯铁中8→y→a转变。这种转变本身在生产上没有多少实际意义,但以此转变为基础的铁的固溶体固态相变是钢的热处理的基础。
另外,某些合金在高温下具有均匀单相固溶体,但冷却到某一温度范围时可分解成为与原固溶体结构相同但成分不同的两个微区,如a→a1+a2,这种转变称为调幅分解。调幅分解的特点是:在转变初期形成的两个微区之间并无明显界面和成分突变,但是通过扩散,最终使原来的单相固溶体分解成两个共格相
(2)非扩散型相变。非扩散型相变是指转变前后组元原子的运动不超过一个原子间距的转变。在通常情况下,非扩散到相变是在足够快的冷却速度下(即淬火),由原子没有来得及进行扩散型相变而引起的。通过淬火使钢硬化是最重要的一种热处理工艺,广泛用于生产,其转变产物称为马氏体,而这种非扩散型相变称为马氏体转变。马氏体转变不仅在钢中发生,也在许多有色金属中发生,如TiNi、 Cu-Zn-Si、CuZn、CuMn、 Ni-Mn-Ga等合金系。
此外,钢中还有一种介于马氏体转变与珠光体转变之间的转变,称为贝氏体转变。此时铁原子扩散已经极其困难,但碳原子还能扩散,故可以称为半扩散型相变。其转变产物也是a相和碳化物的混合物,称为贝氏体,但形态和分布与珠光体不同。根据贝氏体转变设计的贝氏体钢具有优异的强度和突出的韧性,近年来有很大进步。
2.按平衡状态分类
根据金属材料的平衡状态,也可将固态相变分为平衡相变和非平衡相变。
（1）平衡相变。在缓慢加热或冷却时所发生的能获得符合平衡相图的平衡组织的相变称为平衡相变。前面介绍的多形性转变、平衡脱溶分解、共析转变、有序化转变等均属于平衡相变
(2)非平衡相变。若加热或冷却速率很快,上述平衡相变将被抑制,固态材料可能发生某些平衡相图上不能反映的转变,并获得被称为不平衡或亚稳态的组织,这种转变称为非平衡相变。马氏体转变、贝氏体转变、非平衡脱溶分解以及后续章节要详细介绍的伪共析转变均属于非平衡相变。就热处理工艺而言,非平衡相变具有更为重要的意义
3.按热力学分类
根据相变前后热力学函数的变化,可将固态相变分为一级相变和二级相变
(1)一级相变。相变时新旧两相的化学势相等,但化学势的一级偏微商不等的相变称为级相变。设a代表旧相,β代表新相,μ为化学势、T为温度、ρ为压力,则有：
2.金属固态相变的基本特征
金属固态相变与液态金属结晶一样,其相变驱动力也来自新相与母相的自由能差,也通过形核与长大两个过程来完成。但因相变前后均为固态,故有以下几个特点
界面和界面能
固态相变时,母相和新相均为固相,故其界面与固/液界面不同。通常固/固界面可以按结构特点分为共格界面、半共格界面和非共格界面三种,如图2-2所示。共格界面是指界面两侧的两个相的原子能一一对应、相互匹配。半共格界面是指由于界面两侧的原子间距不同,放在界面上只有部分原子能够依靠弹性畸变保持匹配,在不能匹配的位置将形成刃型位错。非共格界面是指由于两相的原子间距差别太大,在界面上两侧原子不能保持匹配。界面上原子排列的不规则性将导致界面能的升高,因此非共格界面能最高,半共格界面次之,共格界面能最低。
界面能的大小对新相的形核、长大以及转变后的组织形态有很大影响。若新相具有和母相相同的点阵结构和近似的点阵常数,则新相可以与母相形成低能量的共格界面。此时,新相将成针状,以保持共格界面,使界面能保持最低。如新相与母相的晶体结构不同,这时新相与母相之间可能存在一个共格或半共格界面,而其他面则是高能的非共格界面。为了降低能量,新相的形态将是一个圆盘。圆盘面为共格界面,而圆盘的边为非共格界面。对于非共格新相,所有的界面都是高能界面,因此其平衡形状大致为球形,但也不排除由于不同方向的界面能差异而形成多面体。
惯习面和新、旧两相间的位向关系
新相可能是针状,也可能是片状或颗粒状。针状新相的长轴以及片状新相的主平面通常平行于母相的某一晶面。该晶面称为惯习面,通常用母相的晶面指数表示。惯习面的存在是为了减小两相的界面能。由于一个晶面族包括若干在空间互成一定角度的晶面,故沿惯习面形成的针状及片状新相将成一定角度或相互平行。
惯习面的存在表明新相与母相存在一定晶体学位向关系。因为两相的晶体各自相对于惯习面的位向关系是确定的,它们彼此间的位向关系也就确定了,结果是两相的某些低指数晶向和某些低指数晶面相互平行。
例如,低碳钢发生马氏体转变时,马氏体总是在奥氏体的111γ上形成,所以111γ就是惯习面;碳钢中a相的晶面常与y相的（111）a平行;相的(11)晶向又常与y相的(110)y晶向平行。这种晶体学位向关系可以记为(110}a∥111γ(111）a//(110)γ。
一般来说,当新相与母相之间为共格或半共格界面时,两相间必然存在一定的晶体学位向关系;若两相间无一定的位向关系;则其界面必定为非共格的。但有时两相间虽然存在定的晶体学位向关系,但未必具有共格或半共格界面,这是新相在长大过程中,其界面的共格性已被破坏所致
弹性应变能
除了界面能,弹性应变能也对固态相变有重要影响。弹性应变能是指当新相与母相间存在点阵错配和体积错配时引起的应变能,如图23所示。点阵错配是指新相和母相的晶体结构和位向相同,但点阵常数不同,由此在所形成的共格界面附近产生应变能,称为共格应变能。显然,这种共格应变能以共格界面最大,半共格界面次之,而在共格界面为零。体积错配是指新相和母相的比体积不同,故固态转变时必将发生体积变化,新相受到周围母相的约束以致不能自由涨缩,因此产生比体积差弹性应变能。图2-4给出了在非共格界面条件下,比体积差应变能与新相几何形状之间的关系。由图中可以看出,新相呈球状时应变能最大,盘(片)状最小,针(棒)状居中。
固态相变的阻力由界面能和弹性应变能构成,与液态金属的结晶相比,固态相变的阻力由于增加了弹性应变能这一项而变大。但在固态相变中究竞是界面能为主还是弹性应变能为主,取决于具体情况。如过冷度很大,新相尺寸很小,单位体积新相的界面积很大,则界面能起主导作用,两相界面易取共格方式以降低界面能,因界面能的降低可以超过共格应变能的增加,从而降低总的形核阻力。当过冷度很小,新相尺寸较大,界面能不起主要作用,易形成非共格界面。此时若两者比体积差较大,则弹性应变能起主导作用,新相为盘(片)状以降低弹性应变能;若两相比体积差不大,弹性应变能作用不大,则形成球状以降低界面能。
晶体缺陷
与液态金属不同,固态金属中存在各种晶体缺陷,如位错、空位、晶界或亚晶界。一般来说,固态相变时新相晶核总是优先在这些晶体缺陷处形成。这是因为晶体缺陷处是能量起伏、结构起伏和成分起伏最大的区域。在这些区域形核时,原子扩散激活能低,扩散速度快,相变应力也容易松弛。
金属固态相变的类型很多:按相变过程中原子的运动特点可将固态相变分为扩散型相变和非扩散型相变;按平衡状态分为平衡相变和非平衡相变;按热力学分为一级相变和二级相变
1.按相变过程中原子的运动特点分类
(1)扩散型相变。扩散型相变一般均借助于原子的热激活运动而进行扩散型相变大致有以下几种:①脱溶分解;②共析转变;③有序化转变;④块状转变⑤多形性转变;⑥调幅分解。
脱溶分解是指由过饱和固溶体中析出新相的过程,如图2-1(a)所示。当单相固溶体冷却到固溶曲线以下时,a变成β原子过饱和的固溶体,以a’表示。β原子以新相β的形式从过饱和的a相中析出。脱溶分解后的a相晶体结构与a相同,但成分更接近平衡状态,这过程可以表示为:
a’→a+β
(图2-1）
共析转变是指冷却时一个固溶体(γ)分解为与相晶体结构不同的两个新相a和β混合物的相变,可表示为：
γ→a+β
（图2-2）
图2-1(b)表示了这种相变的类型。钢在冷却时由奥氏体转变为珠光体(铁素体与渗碳体的混合物)即属于共析转变
有序化转变是指固溶体组元原子从无序排列到有序排列的转变过程,可表示为：
a(无序)→a’(有序)
(图2-3)
在FeCo、FeNi、AuCu、Mn-Ni、TiNi、CuZn等合金系中会发生这种转变,如图2-1(c)所示
块状转变中新相的成分与母相一样,但晶体结构不同,如图2-1(d)所示。例如,纯铁或低碳钢在一定的冷却速度下,Y相可以转变为与之具有相同成分而形貌呈块状的a相新相的长大是通过原子的短程扩散而实现的。在纯铁、铜锌等合金中就会发生块状转变。
图21(e)所示的多形性转变是指发生在纯金属中的晶体结构的转变,如纯铁中8→y→a转变。这种转变本身在生产上没有多少实际意义,但以此转变为基础的铁的固溶体固态相变是钢的热处理的基础。
另外,某些合金在高温下具有均匀单相固溶体,但冷却到某一温度范围时可分解成为与原固溶体结构相同但成分不同的两个微区,如a→a1+a2,这种转变称为调幅分解。调幅分解的特点是:在转变初期形成的两个微区之间并无明显界面和成分突变,但是通过扩散,最终使原来的单相固溶体分解成两个共格相
(2)非扩散型相变。非扩散型相变是指转变前后组元原子的运动不超过一个原子间距的转变。在通常情况下,非扩散到相变是在足够快的冷却速度下(即淬火),由原子没有来得及进行扩散型相变而引起的。通过淬火使钢硬化是最重要的一种热处理工艺,广泛用于生产,其转变产物称为马氏体,而这种非扩散型相变称为马氏体转变。马氏体转变不仅在钢中发生,也在许多有色金属中发生,如TiNi、 Cu-Zn-Si、CuZn、CuMn、 Ni-Mn-Ga等合金系。
此外,钢中还有一种介于马氏体转变与珠光体转变之间的转变,称为贝氏体转变。此时铁原子扩散已经极其困难,但碳原子还能扩散,故可以称为半扩散型相变。其转变产物也是a相和碳化物的混合物,称为贝氏体,但形态和分布与珠光体不同。根据贝氏体转变设计的贝氏体钢具有优异的强度和突出的韧性,近年来有很大进步。
2.按平衡状态分类
根据金属材料的平衡状态,也可将固态相变分为平衡相变和非平衡相变。
（1）平衡相变。在缓慢加热或冷却时所发生的能获得符合平衡相图的平衡组织的相变称为平衡相变。前面介绍的多形性转变、平衡脱溶分解、共析转变、有序化转变等均属于平衡相变
(2)非平衡相变。若加热或冷却速率很快,上述平衡相变将被抑制,固态材料可能发生某些平衡相图上不能反映的转变,并获得被称为不平衡或亚稳态的组织,这种转变称为非平衡相变。马氏体转变、贝氏体转变、非平衡脱溶分解以及后续章节要详细介绍的伪共析转变均属于非平衡相变。就热处理工艺而言,非平衡相变具有更为重要的意义
3.按热力学分类
根据相变前后热力学函数的变化,可将固态相变分为一级相变和二级相变
(1)一级相变。相变时新旧两相的化学势相等,但化学势的一级偏微商不等的相变称为级相变。设a代表旧相,β代表新相,μ为化学势、T为温度、ρ为压力,则有：
2.金属固态相变的基本特征
金属固态相变与液态金属结晶一样,其相变驱动力也来自新相与母相的自由能差,也通过形核与长大两个过程来完成。但因相变前后均为固态,故有以下几个特点
界面和界面能
固态相变时,母相和新相均为固相,故其界面与固/液界面不同。通常固/固界面可以按结构特点分为共格界面、半共格界面和非共格界面三种,如图2-2所示。共格界面是指界面两侧的两个相的原子能一一对应、相互匹配。半共格界面是指由于界面两侧的原子间距不同,放在界面上只有部分原子能够依靠弹性畸变保持匹配,在不能匹配的位置将形成刃型位错。非共格界面是指由于两相的原子间距差别太大,在界面上两侧原子不能保持匹配。界面上原子排列的不规则性将导致界面能的升高,因此非共格界面能最高,半共格界面次之,共格界面能最低。
界面能的大小对新相的形核、长大以及转变后的组织形态有很大影响。若新相具有和母相相同的点阵结构和近似的点阵常数,则新相可以与母相形成低能量的共格界面。此时,新相将成针状,以保持共格界面,使界面能保持最低。如新相与母相的晶体结构不同,这时新相与母相之间可能存在一个共格或半共格界面,而其他面则是高能的非共格界面。为了降低能量,新相的形态将是一个圆盘。圆盘面为共格界面,而圆盘的边为非共格界面。对于非共格新相,所有的界面都是高能界面,因此其平衡形状大致为球形,但也不排除由于不同方向的界面能差异而形成多面体。
惯习面和新、旧两相间的位向关系
新相可能是针状,也可能是片状或颗粒状。针状新相的长轴以及片状新相的主平面通常平行于母相的某一晶面。该晶面称为惯习面,通常用母相的晶面指数表示。惯习面的存在是为了减小两相的界面能。由于一个晶面族包括若干在空间互成一定角度的晶面,故沿惯习面形成的针状及片状新相将成一定角度或相互平行。
惯习面的存在表明新相与母相存在一定晶体学位向关系。因为两相的晶体各自相对于惯习面的位向关系是确定的,它们彼此间的位向关系也就确定了,结果是两相的某些低指数晶向和某些低指数晶面相互平行。
例如,低碳钢发生马氏体转变时,马氏体总是在奥氏体的111γ上形成,所以111γ就是惯习面;碳钢中a相的晶面常与y相的（111）a平行;相的(11)晶向又常与y相的(110)y晶向平行。这种晶体学位向关系可以记为(110}a∥111γ(111）a//(110)γ。
一般来说,当新相与母相之间为共格或半共格界面时,两相间必然存在一定的晶体学位向关系;若两相间无一定的位向关系;则其界面必定为非共格的。但有时两相间虽然存在定的晶体学位向关系,但未必具有共格或半共格界面,这是新相在长大过程中,其界面的共格性已被破坏所致
弹性应变能
除了界面能,弹性应变能也对固态相变有重要影响。弹性应变能是指当新相与母相间存在点阵错配和体积错配时引起的应变能,如图23所示。点阵错配是指新相和母相的晶体结构和位向相同,但点阵常数不同,由此在所形成的共格界面附近产生应变能,称为共格应变能。显然,这种共格应变能以共格界面最大,半共格界面次之,而在共格界面为零。体积错配是指新相和母相的比体积不同,故固态转变时必将发生体积变化,新相受到周围母相的约束以致不能自由涨缩,因此产生比体积差弹性应变能。图2-4给出了在非共格界面条件下,比体积差应变能与新相几何形状之间的关系。由图中可以看出,新相呈球状时应变能最大,盘(片)状最小,针(棒)状居中。
固态相变的阻力由界面能和弹性应变能构成,与液态金属的结晶相比,固态相变的阻力由于增加了弹性应变能这一项而变大。但在固态相变中究竞是界面能为主还是弹性应变能为主,取决于具体情况。如过冷度很大,新相尺寸很小,单位体积新相的界面积很大,则界面能起主导作用,两相界面易取共格方式以降低界面能,因界面能的降低可以超过共格应变能的增加,从而降低总的形核阻力。当过冷度很小,新相尺寸较大,界面能不起主要作用,易形成非共格界面。此时若两者比体积差较大,则弹性应变能起主导作用,新相为盘(片)状以降低弹性应变能;若两相比体积差不大,弹性应变能作用不大,则形成球状以降低界面能。
晶体缺陷
与液态金属不同,固态金属中存在各种晶体缺陷,如位错、空位、晶界或亚晶界。一般来说,固态相变时新相晶核总是优先在这些晶体缺陷处形成。这是因为晶体缺陷处是能量起伏、结构起伏和成分起伏最大的区域。在这些区域形核时,原子扩散激活能低,扩散速度快,相变应力也容易松弛。
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