(材料科学与工程基础第11章翻译.doc

第十一章 相变 一、学习目的 材料的性能取决于材料的组织，而材料的组织可以通过热处理过程中的相变实现。改进的相图可以描述某些相变的时间和温度的依赖关系。如何使用这些相图来设计一些合金的热处理过程，使其在室温下产生特定的力学性质非常重要。例如，共析组成(0.76 wt% C)的Fe-C合金，根据不同的热处理过程，其抗拉强度可在700MPa和2000MPa之间变化。 二、本章的主要内容 1、典型固-固相变中，画出其部分转变对时间对数的示意图；给出描述这一行为的方程式。 2、简单描述下列存在于钢合金中的微组元的显微组织：精细珠光体，粗状珠光体，球状体，贝氏体，马氏体和回火马氏体。 3、下列每个微组元的一般的力学特性：精细珠光体， 粗状珠光体，球状体，贝氏体，马氏体和回火马氏体。根据显微组织(或晶体结构)，简要解释这些行为。 4、根据某些Fe-C合金的等温转变(或连续冷却转变)图，设计一个热处理工艺，使其最终产生指定的显微组织。 5、利用相图描述和解释，用于沉淀硬化金属合金的两个热处理工艺。 6、在恒温下进行沉淀热处理时，画出室温下的强度(或硬度)对时间对数的示意图。根据沉淀硬化机理，解释曲线的形状。 7、画出晶体、半晶体和无定形聚合物的比容对温度的示意图，注释玻璃转变和熔化温度。（相变=转化） 11.1简介 许多材料的力学和其它性质取决于其微观结构，而其往往是相变产生的。在这一章的第一部分我们讨论相变的基本原则。接下来，我们从事相变在铁-碳合金的微观结构的发展中扮演什么，以及其他合金，和微细结构的变化是如何影响力学性能。最后，我们论述结晶、熔化、和聚合物的玻璃化转换。 金属相变---------------------------------------------------------------------------- 金属材料的多功能性的原因之一在于他们所拥有的力学性能的宽范围，是通过各种方法处理是可达到的。在第8章中讨论的三个强化机理，叫做，晶粒细化、固溶强化和应变硬化。可用其他技术，其中力学性能都依赖于显微结构特征。 显微结构同时在单和两相中发展的合金通常涉及相变的很多类型---在相的性质和数量中改造。这一章的第一部分致力于有关包括固体的相变一些基本原则浅谈。因为大多数相变不会在瞬间发生，反应进度的时间依从或相变率方面考虑。紧接着的是铁碳合金的两相微观结构发展的讨论。修改后的相图的介绍其允许从特定的热处理导致的微观结构的确定。最后，提出其他微观组织还有珠光体，并对每个进行了力学性能讨论。 11.2 基本概念 各种相变对材料的加工是重要的，他们通常涉及一些微观结构的改变。这次讨论的目的，这些变化可分为三类。在一个组中只是单纯的扩散型相变其中相的组成和数量都没有变化出现。这些包括纯金属的凝固、同素异形变化、再结晶和晶粒生长(见 8.13 和 8.14 节)。 在扩散型相变的另一种类型，相的组成有一些改变和经常在相的数目中出现；最后的显微结构通常包括两个相。共析反应，10.19节中所述，是这种类型；在节 11.5进一步注意它。 相变的第三类型是非扩散型相变，其中有亚稳相产生。第11.5节的讨论，马氏体相变，在钢合金中可能发生，属于此类。 11.3 固态反应的动力学 因为障碍物阻止反应的进程和使它依赖于时间，所以大多数固态相变不会瞬间发生。例如，由于大多数相变涉及最后一个新相（其组成或晶体结构不同于母相）的形成，一些原子重排由经扩散是必须的。扩散是一种时间相依的现象，在6.4节中讨论。新相的形成的第二个障碍是母相和子相间创造的相界能的增加。 从微观角度来看，伴随着相变的第一个过程是成核的现象----新相的很小（往往亚微观的) 粒子或核的形成，其有不断长大的能力。这些核的形成的有利位置是不完整点，特别是晶界。第二阶段是长大，是其核的尺寸的增加；在此过程中，当然，父相的一些体积会消失。如果这些新相粒子的长大允许进行直至到达平衡，则相变完成。 预计将，相变率（其中，通常被称为相变的动力学）的时间依赖是材料热处理的一个重要考虑因素。根据许多动力学研究，已发生的反应的分数作为时间的函数来衡量，同时温度保持不变。相变过程通常被确定通过金相试验或新相中特殊的一些物理属性（如电导率)数量测量。数据绘制为相变材料的分数对时间的对数。类似s形的曲线，其图11.1中代表大多数固态反应的典型动力学的行为。成核与长大阶段在图中所示。 对于固态相变在图11.1中显示其动力学行为，相变的分数y是时间 t 的函数，如下所示： y=1-exp(-kt^n) （11.1） 其中 k 和 n 是特定反应时间独立的常量。上面的表达式通常被称为阿弗拉密方程。 按惯例，相变率 r作为相变过程完成一半所需要的时间t 的倒数采纳，或 r=1/t