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固态相变的基本概念与规律

晨怡热管 2007-2-20 1:29:10

    掌握固态相变的规律,可以采用措施控制相变过程以获得预期的组织结构,从而获得预期的性能。因此固态相变的规律是热处理的基础。本节重点讨论扩散型相变。

    我们已经建立起这样的概念,材料随温度的变化可以有液相,固相。在固相中又可能发生结构变化产生新相。衡量某一种相是否稳定的可计算该相的自由能,或者是利用相图。我们利用 Fe-C相图,以奥氏体转变为铁素体为例,说明扩散型固态相变的一些基本规律

文本框: 相变过程基本现象总结

铁素体在奥氏体晶界形成很小的颗粒,称为形核Nucleation)

奥氏体冷却到GS线时并不产生铁素体核,而是冷到更低的温度后才产生铁素体核,称为过冷(Supercooling)

铁素体在奥氏体晶界形核后就向奥氏体推移,奥氏体不断变成铁素体,称为长大(Growing)

 文本框: 基本现象的说明  

 为什么要过冷 

    新相形核时要产生新的表面,因此需要提供表面能Surface Energy)。另外,要在一种固相中产生另一种新的固相,必然要在母相中产生较大的应变,需要提供能量克服 应变能Strain Energy这种能量的提供,来源于新相与旧相的自由能差。过冷度越大,即新相形成温度越低,则新相与旧相的自由能差也就越大,用来克服相变阻力(表面能与应变能)的能量也就越多。

为什么在晶界形核 

    新相在母相的晶界处形核可以减少形核所需的能量。

  为什么是扩散型相变

    因为铁素体是BCC结构,且含碳量很低,而奥氏体是FCC结构且含碳量较高,所以奥氏体要长大变成铁素体,必然要发生铁原子与碳原子的扩散

文本框: 扩散型固态相变的速率

扩散型固态相变的形核与长大均与扩散有关,扩散结果取决于温度与时间。所以转变速率及转变量与时间及温度有密切的关系。

时间与转变速度的关系

    动画的小结:一定的温度下停留一段时间,开始转变。这段时间被称为 孕育期(Incubation Period)。随时间的延长转变的速度是先快而后慢.

温度与转变速度的关系

小结:因为温度对扩散有重要的影响,所以温度会强烈的影响扩散型固态相变的转变速率。对于降温过程中产生新相的的固态相变而言,温度对转变速率的影响规律是:随转变温度的下降,转变的速率是先快后慢。

不同温度对应的转变率与时间的关系

温度与时间共同作用
为了同时反映出温度与时间对转变速度的影响以温度为纵座标,时间为横座标,将每一个温度下的转变开始的时间及转变终了的时间,均在温度与时间的座标图上表示出来得到转变动力学曲线,称为 TTT(Isothermal Cooling Transformation Diagram)
扩散型固态相变的速率
    从图我们可以清楚的看到随转变温度的下降转变速率越来越快,到了某一温度时,转变速度达到最快。温度再降低则转变速度又减慢。出现这一现象是因为新相在低温下是稳定相,所以温度越低,新相越稳定,即新相的自由能越低,新旧相的自由能差增加,故使形核速率与长大速率均加快。但温度下降扩散变慢,又使形核与长大过程也越来越慢,当这一因素起主要作用时,形核速度与长大的速度均随温度的降低而下降,因此转变速率出现极值。
 
固态相变的基本规律总结

温度变化往往带来固态相变的发生。因此控制转变温度是控制固态相变的重要因素之一。

固态相变的基本过程是新相的形核与长大。新相的形核一般需要过冷(或过热)新相的晶核一般在母相的晶界(或其他的缺陷如位错处)形成。

对于降温过程中产生新相的扩散型固态相变而言,其转变动力学的规律是转变的速率随温度的变化出现极值,在同一温度下,随时间延长转变量增加。

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