1、金属学原理章金属学原理章第1页/共150页第2页/共150页第3页/共150页PP)()(TTTT)()(PPSTP)(VPT)(已知条件：第4页/共150页第5页/共150页PP)()(TTTT)()(PPP22P22)()(TTT22T22)()(PPPTPT22第6页/共150页TCTHTTSTPPPP22)(1)()(VKPVVVPVPTTT22)()()(VTVVVTVPTTP2)()(已知条件：第7页/共150页第8页/共150页第9页/共150页第10页/共150页第11页/共150页第12页/共150页第13页/共150页 弹性应变能的存在是固态相变的主要特点盘(碟)状球形ac
2、棒(针)状100.10.0100.51相对弹性应变能新相形状与相对弹性应变能的关系c/a第14页/共150页第15页/共150页第16页/共150页自由能G母相状态GP固态相变势垒与过渡相的产生状态过渡相状态 稳定新相状态GSG*SG*MGPSGPM母相P过渡相M稳定新相SGM第17页/共150页2EV3V36161dGdGdGEVV*4GGd2EVV3*)(316GGG相变自由能变化G：新相临界核心尺寸d*：临界形核功G*：*V*2exp()exp()exp()GQIn a pkTkTGQK dkT均匀形核率I：第18页/共150页-+0Gdd*d 2d 3(GV+GEV)/6G*G形核功G
3、随球形新相核胚尺寸d的变化 第19页/共150页第20页/共150页第21页/共150页2EV3V3c6dGdGdGEVV*c4GGd2EVV3*c)(32GGG核胚形状为立方体：第22页/共150页12EVV3e)(6HGGHG2EVV3212EVV31*e)(316)(316GGGGGEVV1*4GGHEVV2*4GGLEVV3*4GGW12/HL13/HW核胚形状为三个方向尺寸分别为L、W、H的椭球体：第23页/共150页DEVVGAGVGVG第24页/共150页IkTQQkTGALkTGAkTQLpanIiiiii)exp()1(exp)()exp()exp()(g*g*V第25页/共
4、150页新相B母相 晶界面形核示意图母相晶界)coscos32(2131AB21cos0.00.51.01.52.01E-41E-30.010.11A1B/晶界面形核与均匀形核的临界形核功比值A1随B/比值的变化曲线 第26页/共150页第27页/共150页 位错线上形核时，自由能变化、临界核心尺寸、临界形核功分别为：AddGdG2V3d61)1(1 22/1V*dGd)1(1 22/1VdGd4122VGA*2/32/32V30*d*d)1()1(316)()(GGdGdGG第28页/共150页-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.00.20.40.60.81.0Gd*/G*dG
5、位错线上与均匀形核的临界形核功比值/G*与参量的关系第29页/共150页 位错线上形核率Id为：位错线上形核时，原子迁移激活能Qd一般仅为晶内扩散激活能 Q的三分之二，由此将进一步显著提高位错线上形核的形核率。IkTGkTQQddbkTGkTQbpanI)1(1 exp)exp()1(exp()exp(*2/3d2*2*d2*2/3d2*dVd第30页/共150页化学稳定性较高的第二相如微合金碳氮化物的沉淀析出相变中，位错线上非均匀形核是最主要的形核方式*dG*cdG*edG*dG第31页/共150页空位处形核难以直接观测，作用存在争议。第32页/共150页)exp(*kTGexp()QkT第
6、33页/共150页1.形核率达到稳定值之前的形核率I(t)随时间t的变化规律为：（0为孕育期）2.对于相变自由能随溶质过饱和度变化很大时，形核率将随时间迅速衰减为零，形核率随时间变化的规律可表示为：（1为有效形核时间）相变过程中所形成的总的核心数目为：)exp()(0tItI)exp()(1tItI011d)exp(IttIN第34页/共150页第35页/共150页:)exp(1)exp(akTGkTQu第36页/共150页)(akTGDuexp()QDukT第37页/共150页第38页/共150页温度母相析出相母相0TCMC0CN析出相溶质浓度urRCNCMC0母相 析出相长大过程中溶质原子
7、的浓度分布固溶度曲线第39页/共150页RrrCCCDtru)(ddMN第40页/共150页2/1)(DtRMNM0)(2CCCCkk)2erfc()4exp(21121312/121第41页/共150页2/14)/(k3/13/1)4()4(1kkkk 2/13)(k2/122/12)4(2kkk不变扩散场近似 不变尺寸近似解 线性梯度近似 第42页/共150页0.010.11101E-41E-30.010.1131-kR=(Dt)1/21E-41E-30.010.110.010.111042-kR=(Dt)1/2 球形析出相长大动力学第43页/共150页2/1)(DtSk)2erfc()4
8、exp(12112/12/12k2/14)211(2kk不变尺寸近似解 线性梯度近似 第44页/共150页1E-30.010.11101E-30.010.11421-kS=(Dt)1/2 薄片状析出相长大动力学 第45页/共150页第46页/共150页)3exp(143tIuX0.11100.00.20.40.60.81.0Transformation Fraction Xtime,log ttfts典型的Johnson-Mehl相转变量-时间曲线 第47页/共150页)exp(1nBtX0.11101000.00.20.40.60.81.0Transformation Fraction Xt
9、ime,logtn=1n=2n=3n=4不同时间指数的Avrami相转变量时间曲线 第48页/共150页nntt76644.1)95.0ln05.0lnlog(1logsfnntt66107.2)99.0ln01.0lnlog(1log01.099.01转变量作为相变的开始，而99转变量作为相变的完成 5转变量作为相变的开始，而95转变量作为相变的完成 第49页/共150页第50页/共150页相变形核长大微观机制与动力学方程时间指数第51页/共150页相变形核长大微观机制与动力学方程时间指数第52页/共150页95%完成T1T35%开始T2温度时间，log t0.111010010000.00
10、.20.40.60.81.0T2T3Transformation Fraction Xtime,log tT1第53页/共150页第54页/共150页2/1sf2/12/1f2/1sff)(32d)(1fsttDtttDttNNRttf*exp()2GRnkTTG/*第55页/共150页2/1sf2/1f)(ttDRnIR21f第56页/共150页1.7664/0.950.050.05(101)nttt2/102/1)2()(Ck第57页/共150页第58页/共150页362152102SVJ/m1035.1/m10m)106.2(MPa400005.021GbG第59页/共150页对形变诱导
11、铁素体相变起作用的形变储能与轧制温度和应变速率的关系图 第60页/共150页)2ln(1)1(4/)2ln(1)1(42232SVbddGbddbdGbGSGSVG不同微区直径形变储能的变化第61页/共150页超平衡析出量平衡析出量时间t沉淀析出量超平衡固溶度析出现象SG第62页/共150页12lg()2.26 6770/14NbCNT12lg()1.936570/14NbCNT(J/mol)318.63829)/20033.0(10lnSTTRTG第63页/共150页SLSLSLmmmmmmmm()()GGGHHT SSHHHHTTTTTTT 第64页/共150页*SLexp()exp()G
12、QIn p nkTkT第65页/共150页332VSL2 3coscos()()64dGGd*SLcV4dG 33*SL2V162 3coscos()3()4GfGG非均第66页/共150页SL1vGT2exp(/)vbT23()vT第67页/共150页qT QkA T4QE T第68页/共150页SL/kCCL液相线固相线C0C0/kkC0成分温度k1第69页/共150页第70页/共150页第71页/共150页第72页/共150页cos cosm第73页/共150页第74页/共150页第75页/共150页nK下屈服点上屈服点dd1ddnnKnKun第76页/共150页第77页/共150页第7
13、8页/共150页第79页/共150页第80页/共150页第81页/共150页第82页/共150页第83页/共150页P处开始发生再结晶峰值应变 P峰值应力 P谷底应力 V谷底应变 V第84页/共150页第85页/共150页移动，且部分再结晶区面积减小完全再结晶区部分再结晶区无再结晶区时间 t温度 T第86页/共150页第87页/共150页第88页/共150页Pexp()sinh()nQZARTP0mnKD ZdyrDCZ第89页/共150页第90页/共150页多将具有较强作用，常采用应变诱导析出的微合金碳氮化物，850-1000 Nb(CN)容易形变诱导析出，因而能有效阻止或推迟再结晶。第91
14、页/共150页第92页/共150页第93页/共150页d()dmDvBt110mmDDKt第94页/共150页CdDAfC32()62dDfz第95页/共150页第96页/共150页第97页/共150页第98页/共150页第99页/共150页第100页/共150页第101页/共150页0.16 0.36 第102页/共150页10m纵向 横向 第103页/共150页第104页/共150页第105页/共150页第106页/共150页屈服的本质是位错大规模滑移，故提高材料屈服强度的关键在于如何阻止位错滑移位错与晶体显微缺陷之间的相互作用是提高材料屈服强度的根本机理第107页/共150页材料成分材料
15、成分加工工艺加工工艺显微缺显微缺陷组织陷组织性能性能组织性能关系合金化原理工艺学材料学性能学金属学分析测试技术性能测定第108页/共150页第109页/共150页第110页/共150页2/1CCPCKRP CC Rk C第111页/共150页MMPMkR第112页/共150页Alloy Mass，%Y I E LD STRENGTH INCREMENT,MPaYIELD STRENGTH INCREMENT,MPa第113页/共150页第114页/共150页2/1DP2GbR第115页/共150页第116页/共150页2/1yGPDkR第117页/共150页第118页/共150页第119页/共
16、150页dCOrowan MechanismCutting Mecanism第120页/共150页)22.1ln(3728.02/1PPbddfKGbR)417.2ln(89952/1PPddfR第121页/共150页第122页/共150页第123页/共150页第124页/共150页晶粒细化64-10析出强化位错强化20%珠光体屈服强度P+53N+30Sn+17C+10Si+8Mn-5Al-27屈服强度转折温度(ITT),15MPa第125页/共150页第126页/共150页第127页/共150页2/1C2PSC)1()2(aES第128页/共150页2C2PSC)1()2(SEa第129页/
17、共150页第130页/共150页第131页/共150页第132页/共150页 材料中连续软相的存在将明显地使材料的屈服强度降低，但其断裂强度或抗拉强度却不会降低甚至会有所升高。第133页/共150页共同点：微裂纹的形成都与位错运动受阻造成位错塞积有关，而阻止位错运动的障碍主要是晶界、孪晶界和第二相，这些理论模型也都可推导出抗拉强度与晶粒尺寸的Hall-Petch形式的关系式区别：Smith理论更偏重于第二相特别是晶界碳化物网膜的作用第134页/共150页第135页/共150页最佳控制条件下仅使之在固态析出第136页/共150页积塑性变形功迅速下降第137页/共150页2M1M1M1M2M2M1
18、M1M)1(TSfTSfTSfTSfTS),min(2M1MYSYSYS 第138页/共150页第139页/共150页出第140页/共150页第141页/共150页 IF钢中主要固溶元素对力学性能指标的影响的回归结果 第142页/共150页第143页/共150页第144页/共150页2/1y0PPDkRR2/1T0mmDkRR第145页/共150页第146页/共150页第二相提高材料的屈服强度和提高抗拉强度的规律基本类似，第二相体积分数的影响规律完全一致，但第二相尺寸的影响规律稍有不同（当第二相尺寸很小时，提高屈服强度的作用比提高抗拉强度的作用效果更大一些）。2/12/1PdfTSddfYSln12/1PO2/12/1PCdfYS 第147页/共150页010002000300040005000600070008000900010000纯纯铁铁单单晶晶固固溶溶微微量量碳碳的的铁铁素素体体细细化化晶晶粒粒后后的的铁铁素素体体冷冷加加工工硬硬化化低低碳碳钢钢共共析析钢钢(珠珠光光体体)共共析析钢钢(贝贝氏氏体体)低低合合金金马马氏氏体体钢钢形形变变处处理理马马氏氏体体钢钢冷冷拉拉钢钢丝丝理理想想强强度度钢钢铁铁种种类类强强度度，MPa第148页/共150页第149页/共150页感谢您的观看！感谢您的观看！第150页/共150页
