第1章导论
20世纪中叶兴起应用系统科学的方法研究自然界的复杂性问题[1]?按照科学技术哲学的理论,金属及合金是开放的复杂系统,其固态相变复杂多变?但是,在近代物理冶金研究中,由于条件的限制,将金属视为简单性问题,或将复杂性问题进行简单化处理,以便得出一定的规律性,这在当时是必要的?然而,实际上,金属?合金和钢,尤其是合金钢,都是复杂系统,属于复杂性问题,用研究简单性问题的方法往往难以得出精确的结论?
本书遵照科学技术哲学原理,阐明金属及合金的复杂性,指出各种金属?合金?钢及其合金钢都是复杂的整合系统,原子?晶格?相?组织是组成系统各个层次的要素,这些要素之间的非线性相互作用,使固态相变?组织形貌和性能等具有了复杂的物理实质和变化规律[2]?奥氏体是钢中的重要组成相之一,将钢加热到临界点(A1)以上,得到单一奥氏体状态,或奥氏体+碳化物等多相的整合状态,再以各种方式冷却到临界点以下,在不同的过冷度下,过冷奥氏体将分别发生各类复杂的相变?钢中的固态相变是迄今为止最为复杂的相变?过冷奥氏体从高温区到低温区的转变,即先共析铁素体析出(Ar3)?二次渗碳体析出(Arcm)→共析分解(珠光体转变)→贝氏体相变→马氏体相变是一个复杂的整合系统,是一个逐级演化的过程,各相变产物的组织结构具有复杂性和多样性,且相互之间存在密切的联系?20世纪的研究,忽视了这一系统的整体性和关联性,对于珠光体转变?贝氏体相变?马氏体相变三者之间的整合关系缺乏应有的关注,没能建立完整的理论体系,应当以系统整合的方法研究过冷奥氏体的转变规律,尤其是中温区的贝氏体相变,具有过渡性,其组织结构?动力学?相变机制等各方面与马氏体相变?珠光体转变都有着千丝万缕的联系?马氏体相变与贝氏体相变存在密切的关系,但以往都孤立地进行切变机制的研究,没有将其视为过冷奥氏体整合系统中的一个子系统,因此陷入重重误区?
本书以大量新的试验事实和理论分析,全面?系统?结合实际地研究和阐述了金属整合系统中各类相变的演化规律?
1.1固态相变的分类
分类是根据研究对象的共同点和差异点,将对象划分为不同种属的方法?材料组织结构转变极为复杂,种类繁多?在固态下发生相变重结晶的组织结构转变属于固态相变,而塑性变形虽然引起组织变化,但不改变晶体结构,不属于固态相变?
按相变的平衡状态可以分为平衡相变和非平衡相变;按热力学分类,可分为一级相变和多级相变;按原子的迁移特征分类,可分为扩散型相变和无扩散型相变等?
1.1.1按平衡状态分类
1. 平衡转变
定义:在极为缓慢的加热或冷却条件下形成符合状态图平衡组织的相转变,属于平衡转变?平衡转变一般有下列七种?
1) 纯金属的同素异构转变
定义:纯金属在温度和压力改变时,由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程,称为同素异构转变?
金属的多形性是金属固态相变复杂性的根源?许多固态金属元素和非金属元素具有多种晶体结构,从元素周期表中查出具有多形性的元素均列在表1-1中?
表1-1元素的多形性
表1-1列举了12种金属元素和两种非金属元素的多种晶型?当金属元素形成金属间化合物和碳化物等化合物时晶型还会有许多复杂的变化?
不同的晶体结构存在于不同的温度和压力下,如铁有α-Fe(bcc)?γ-Fe(fcc)?δ-Fe(bcc)三种状态,两种晶体结构?增加压力时,可以产生另一种新的晶体结构,如室温下,在超高压条件下,α-Fe转变为密排六方的ε-Fe(hcp),见图1-1?
图1-1纯铁的温度-压力相平衡图
从表1-1可见,Fe?Mn?U?Np是具有复杂多变的晶型的四种元素?国民经济中应用最广泛的铁及铁基合金是典型的具有多形性转变的金属,是人类开发利用较早并对社会文明发挥了突出作用的金属?
纯铁的同素异构转变和铁基固溶体的多形性转变导致复杂多变的固态相变?
Fe-C合金中加入合金元素形成Fe-M-C系合金,构成合金钢及铁基合金,形成多种代位固溶体?间隙固溶体?碳化物和金属间化合物等,导致复杂多变的固态相变?
2) 多形性转变
定义:金属固溶体中的同素异构转变称为多形性转变?
纯金属中溶入溶质元素形成固溶体时,也发生同素异构转变,如奥氏体是碳及合金元素溶入γ-Fe的固溶体,奥氏体能转变为α-铁素体?δ-铁素体?同素异构转变和多形性转变是固态相变的主要类型,是固态相变的根源之一?
3) 共析转变
定义:冷却时,固溶体同时分解为两个不同成分和结构的相的固态相变称为共析转变?可以用反应式γ→α+β表示?共析分解生成的两个相的结构和成分都与反应相不同,如钢中的珠光体转变A→F+Fe3C,是一分为二的过程,是两相共析?共生的过程?
4) 包析转变
定义:冷却时由两个固相合并转变为一个固相的固态相变过程称为包析转变?用α+β→γ表示?在Fe-B系中,于910℃发生γ+Fe2B→α的包析反应?此外,在Mg-Zn系?Cu-Zn系合金中也有包析转变?
5) 平衡脱溶
定义:在高温相中固溶了一定量的合金元素,当温度降低时溶解度下降,在缓慢冷却的条件下,过饱和固溶体将析出新相,此过程称为平衡脱溶?在这个转变中,母相不消失,但随着新相的析出,母相的成分和体积分数不断变化,新相的成分?结构与母相不同?例如,在缓慢冷却的条件下,奥氏体中析出二次渗碳体,铁素体中析出三次渗碳体,属于这种转变?
6) 调幅分解
定义:某些合金在高温时形成单相的均匀固溶体,缓慢冷却到某一温度范围内时,通过上坡扩散,分解为两相,其结构与原固溶体相同,但成分不同,是成分不均匀的固溶体,这种转变称为调幅分解?用反应式α→α1+α2表示?
7) 有序化转变
定义:在平衡条件下,固溶体中各组元原子的相对位置由无序到有序的转变过程称为有序化转变?铁-铝合金和金-铜合金和铜-锌合金等合金系中都可以发生有序化转变,如在铁铝系平衡图中,铝含量为0~36%的Fe-Al合金存在有序-无序转变,铝含量为13.9%~20%的Fe-Al合金,从700℃以上的无序α相缓冷下来时,发生α→β1(Fe3Al)的转变,Fe3Al为有序固溶体,具有体心立方结构?
2. 非平衡转变
在非平衡加热或冷却条件下,平衡转变受到抑制,将发生平衡图上不能反映的转变类型,获得不平衡组织或亚稳状态的组织?钢和有色合金中都能发生不平衡转变,如钢中可以发生伪共析转变?马氏体相变和贝氏体相变等?
1) 伪共析转变
如图1-2所示,当奥氏体过冷到阴影区时,奥氏体同时满足了析出铁素体和渗碳体的条件,无论是亚共析钢,还是
图1-2伪共析转变示意图
过共析钢,都能够获得单一的珠光体组织?这种珠光体组织中铁素体和渗碳体的比例与平衡共析转变得到的珠光体不同,若是亚共析钢冷却得到的伪珠光体,其中的铁素体含量较多;若是过共析钢,则其伪珠光体中的渗碳体量较多?
定义:某些非共析成分的钢,当奥氏体以较快的速度冷却时,发生同时析出铁素体和渗碳体的共析转变,形成伪珠光体组织,称为伪共析转变?
含V?Ti的低碳合金钢空冷时发生的“相间沉淀”是一种特殊的伪共析转变?
2) 马氏体相变
定义:马氏体相变是过冷的母相中所有原子集体协同位移,无扩散地进行晶格重构,转变为一种新相的一级相变?
如在钢中,将奥氏体以较大的冷却速度过冷到低温区,原子难以扩散,则奥氏体以无扩散方式发生转变,得到马氏体组织,如板条状马氏体和片状马氏体等?
3) 贝氏体相变
定义:钢中的贝氏体相变是过冷奥氏体在中温区发生的过渡性相变,形成以条片状贝氏体铁素体为基体,内部存在亚单元和较高密度位错亚结构,在贝氏体铁素体基体上可能分布着渗碳体?ε-碳化物或残留奥氏体等相的整合组织?
20世纪,贝氏体相变理论研究分为两个学派:切变学派和扩散学派,学术观点不同,激烈地争论近40年而无果?21世纪以来,刘宗昌等为统一两派观点,对贝氏体相变理论进行了整合,指出贝氏体相变是过渡性相变,原子既不是切变位移,也不是扩散位移,而是碳原子长程扩散,铁原子和替换原子在界面上非协同热激活跃迁位移而实现的相变[3]?
4) 不平衡脱溶
与平衡脱溶不同,合金固溶体在高温下溶入了较多的合金元素,之后快冷,得到过饱和固溶体?然后在室温或加热到其溶解度曲线以下的温度进行等温保持,从过饱和固溶体中析出一种新相,这就是不平衡脱溶沉淀?
定义:合金经高温固溶处理后,在室温或加热到某一温度等温,过饱和固溶体中脱溶析出新相的过程,称为不平衡脱溶?
以碳原子过饱和的马氏体,重新加热到Fe-Fe3C相图的固溶线PQ以下的某一温度(A1以下)等温,过饱和的α相中将析出Fe3C或其他碳化物等新相,如ε-Fe2.4C?η-Fe2C和χ-Fe5C2等不平衡相,都是Fe3C的过渡相?这也属于过饱和固溶体的不平衡脱溶沉淀,也是一种不平衡转变?
5) 块状相变
块状相变也是一种不平衡转变?如在冷却速度足够快时,γ相可能通过块状相变的机制转变为α相?块状相变与马氏体转变不同,虽然转变前后的新相和旧相成分相同,属于无扩散相变,但新相形态和亚结构不同于马氏体?块状相变时,新相与旧相的交界面处原子进行热激活跃迁位移,转变产物呈块状或条片状?纯铁?Fe-Ni?Fe-Mn?Cu-Zn和Ti-Ag等合金中均发现了块状相变[3]?
定义:母相通过相界原子的热激活跃迁而形核-长大的成分不改变的无扩散相变,形成块状新相的一级相变?
1.1.2按原子迁移特征分类
固态相变发生相的晶体结构的改造或化学成分的调整,需要原子迁移才能完成?按其迁移特征分为扩散型相变和无扩散型相变?
1. 扩散型相变
在相变时,新旧相界面处,在化学位差的驱动下,旧相原子单个地?无序地?统计地越过界面进入新相?在新相中,原子打乱重排,新旧相原子排列顺序不同,界面不断向旧相推移?扩散型相变又分为界面控制和体扩散控制两种?
1) 界面控制的扩散型相变
纯金属的多形性转变只是晶体结构的变化,而不发生成分的改变?新相的形成仅需要旧相原子越过界面,并成为新相的一员,是依靠原子自扩散完成的?因此,界面推移速度取决于最前沿的原子跃过相界面的频率和新旧相原子化学位差?
近年来,有人认为纯铁发生γ→α转变时,相界面上的原子就近转入新相,而母相原子替补式地进入相界面,如此循环下去,相界面则不断向母相一侧迁移,新相不断长大?
2) 体扩散控制的扩散型相变
在这种相变中,由于新相成分与母相不同,相界面的迁移除了受界面机制控制外,还必须满足溶质原子重新分布的要求?因此,其界面的迁移需要溶质原子在母相晶格中长程扩散?这就是体扩散控制的扩散型相变?
2. 无扩散型的马氏体相变
马氏体相变属无扩散相变,新旧相的结构不同,但化学成分相同?界面处母相一侧的原子不是单个地?无序地?统计地跃过相界面进入新相,而是集体协同位移?相界面在推移过程中保持共格或半共格关系?
金属固态相变具有自组织机制,扩散与无扩散的原子跃迁方式是在外界条件变化时通过系统自组织调节的?如一定成分的奥氏体在Ar1温度下,以扩散方式进行共析分解;而温度降至Ms点时,则以无扩散方式进行马氏体转变;而在Bs与Ms之间温度,则发生贝氏体相变?贝氏体相变具有过渡性质[3]?
1.1.3按热力学分类
热力学分类是按温度和压力对自由焓的偏导函数在相变点的数学特征,即连续或非连续,将相变分为一级相变和二级相变等?
在相变温度下,两相的自由焓及化学位均相等,即Gα= Gβ,μα=μβ?如果相变时的化学位的一级偏导数不等,则称为一级相变?即
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