金属中的相变和热处理
6.1.1 固态相变及其分类
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。可以通过计算该相的自由能，或者是利用相图来衡量某一种相是否稳定。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。
6.1.2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晶核，而是冷到更低的温度后才产生铁素体晶核，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)。
6.1.3 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。
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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。
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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。
6.1.4 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
动画的小结：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。
温度与时间共同作用
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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图(Isothermal Cooling Transformation Diagram)。
和解酒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
6.2 Fe-C合金中的固态相变祝愿语
6.2.1 奥氏体向珠光体转变
Fe—C合金（即钢铁材料）是最重要的工业应用材料之一。利用热处理工艺改善其性能是最重要的控制方法。Fe—C合金中的固态相变规律就是热处理工艺的基础。同时Fe—C合金中所得到的相变规律也是比较成熟的规律，熟练的掌握这些规律，对研究其他的材料也有极其重要的指导意义。
我们已经知道共析转变就是下面的反应:
在727oC时，奥氏体（0.77%C）铁素体(0.02%C)+渗碳体Fe3C(6.67%C) 从反应式就可以知道这是典型的扩散型相变,（想一想为什么？）其转变的过程见动画，继续点击按钮可以连续观察转变过程直至终了。
相变过程说明
奥氏体过冷到727oC以下在奥氏体晶界首先形成Fe3C晶核。Fe3C是高碳相必须依靠周
围的奥氏体不断地供碳使它长大。随Fe3C核的横向长大在它两侧的奥氏体形成贫碳区。为铁素体的形成创造了条件，在侧面的贫碳区就形成铁素体晶核。
图6.2-1 珠光体光学显微镜照片
贫碳区形成使铁素体的晶核长大。因铁素体是贫碳相，随着它的长大必有一部分碳排出
使相邻的奥氏体中富碳，又为Fe3C形核创造了条件，就在富碳区形成Fe3C核。如此反复形成层片状分布的组织。且铁素体与Fe3C同时向纵深长大形成珠光体组织。层片状分布大致分别相同的区域称为珠光体团。显然这是典型的扩散型相变。
转变规律的具体应用举例
应用例1：利用转变规律控制珠光体的片间距（一片铁素体与一片Fe3C厚度的总和，它是影响珠光体强度硬度重要参数）根据上述的转变过程可以知道珠光体的转变受碳的扩散控制。当转变温度降低，碳扩散困难，同时使铁素体周围的富碳区及Fe3C的贫碳区尺寸均减少。因此形成的晶核也细小。且因为扩散慢使长大的速度慢，因此铁素体与Fe3C片的厚度也减少，即片间距下降。
6.2.2 奥氏体向贝氏体转变
试验结果表明：如果将共析钢过冷到550oC—230oC之间并没有产生片间距更细的珠光体，而是产生了另一种新组织称为贝氏体(Bainite）。它也是由铁素体加碳化物组成，但碳化物是非层片状分布的。这是因为珠光体转变是受碳在奥氏体中的扩散控制，同时铁原子也要发生扩散。如果过冷度很大，转变的温度达到相当的低，使铁原子无法发生扩散，同时碳的扩散也受到影响，显然不可能发生珠光体转变了，就会使转变的规律发生变化，产生贝氏体组织。
由于形成的温度不同使贝氏体的形貌有所不同，又将贝氏体分成上贝氏体(Upper Bainite)与下贝氏体(Lower Bainite)。
图6.2-3 上贝氏体组织图6.2-4 下贝氏体组织
两种典型贝氏体组织的金相形貌见图6.2—3与图6.2—4。
上贝氏体组织说明
上贝氏体在500—350oC形成，从图6.2-3可见在光学显微镜下呈羽毛状，电镜照片表明，它是由平行分布的铁素体片和分布在片间的断续而细小的渗碳体片共同组成。
下贝氏体组织说明
下贝氏体在350—230oC形成，从图6.2-4可见在光学显微镜呈黑色针状，电镜照片表明，针的基体是铁素体，内部分布着细小的碳化物（图6.2-5）。
贝氏体转变的基本规律
根据实验的结果，贝氏体相变有如下的规律：
贝氏体转变也是形核与长大的过程。因相变是由一种成分的奥氏体分解出铁素体及碳化物两相组织，转变必有碳的扩散，但铁原子与合金元素不发生扩散。且在许多的钢种中存在转变的不完全性。
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图6.2—5 下贝氏体电子显微镜照片
由于形成温度较低，碳原子扩散困难使得贝氏体中的碳化物的尺寸比珠光体中的碳化物细小，铁素体中碳的过饱和度增加。
贝氏体的组织形态主要决定于形成温度，还与奥氏体中的含碳量有关。为了得到下贝氏体，奥氏体中的含碳量需达到中碳以上。
6.2.3 奥氏体向马氏体转变
当高温的奥氏体获得极大的过冷（对共析钢要过冷到230oC以下）造成碳无法扩散，碳化物无法从奥氏体中析出，就形成一种非平衡的新组织。试验表明，虽然碳无法从奥氏体中扩散出来，但是奥氏体仍然从原来γ—Fe的FCC结构转变成α—Fe的BCC结构。因为没有碳化物的析出，所以碳就过饱和地溶解在BCC结构中将晶格拉长变成了BCT结构。钢中形成的这种碳在α—Fe中过饱和的固溶体就被称为马氏体（Martensite）。有两种典型的组织：板条马氏体与片状马氏体。
板条马氏体组织说明
光学显微镜下的特征是：束状组织，每一束内有条，条与条间以小角度晶界分开，而束与束间有较大的夹角。
图6.2-6 板条马氏体组织
片状马氏体组织说明
光学显微镜下的特征是：细针状或竹叶状，片与片之间以一定的夹角相交。一个重要的规律是：奥氏体的晶粒越粗大，马氏体的片也越粗大。
图6.2-7 片状马氏体组织
筑梦路上马氏体转变特征
对马氏体的转变机理目前尚不完全清楚。但根据大量的试验结果可归纳出以下的转变特征(相对于扩散性相变具有的一些特点)：
图6.2—7 粗大的片状马氏体组织
因为转变温度很低，相变驱动力大，使铁原子发生迁移，奥氏体由原来的FCC结构变成
BCC结构。Fe原子的移动时是以马氏体与母相的界面为固定的平面，每一个原子均相对于相邻的原子以相同的矢量移动，且移动的距离不超过原子间距，移动后仍然保持原有的近邻关系。这种方式称为切变。（见动画）
因转变的温度很低，碳及合金元素均无法扩散，造成原奥氏体中的化学成分与马氏体中
的化学成分完全一致，这一特征称为无扩散性。
马氏体的形成的速度极快。只要有过冷度到马氏体开始转变的温度（Ms点）会立即以高
速形成相当数量的马氏体，在一般的钢中如果在Ms点以下的某一温度延长时间，马氏体的数量不会增加。只有不断的降温，马氏体的数量才可以不断的增加。一旦到了马氏体转变终了温度（Mf点）再降温马氏体的数量也不再增加。这种特征称为变温形成瞬时长大。
根据变温形成瞬时长大特征可知，即使到了Mf点（一般在室温以下）也会有一部分奥氏体不发生转变，而保留下来，称为残余奥氏体。此特征称为转变不完全性。
.2.4 习题
6.2-1根据马氏体的转变规律并联系固态相变的TTT图分析，马氏体的转变TTT图是否也是C形？
6.2-2马氏体的转变特征的无扩散性是否指在相变过程中所有原子不发生迁移？
6.2-3 对照马氏体切变共格的特征并根据珠光体转变的机理说明珠光体转变时，原子是如何移动的？
6.2-4 将钢奥氏体化后快冷到室温（如水冷）可以得到马氏体。根据马氏体转变的不完全性可以知道必有一部分残余的奥氏体存在。可否根据马氏体转变的基本规律提出进一部减少残余奥氏体的方法？
6.2-5 珠光体团也对其性能有一定的影响。请根据珠光体的转变规律分析，如何能够细化珠光体团？（提示：根据珠光体的形核位置并结合奥氏体的组织进行思考）
6.2-6 请根据珠光体的转变规律分析在两侧形成铁素体后有无可能铁素体迅速地长
大将包围起来？
6.2-7 根据贝氏体的转变规律为了得到下贝氏体应从哪几方面进行控制？
习题答案：阅读笔记格式
6.2-1 马氏体转变动力学曲线不会是C型。因为马氏体转变不是扩散型相变。
6.2-2 马氏体转变的无扩散性并不是指原子不发生迁移，而是指在马氏体转变过程中原子的迁移是按
切变的方式进行，这种切变方式的原子迁移与珠光体转变中的原子迁移完全不同。
6.2-3 珠光体是扩散性的相变，原子运动情况与马氏体完全不同，相界面向母相推移以散乱的方式由母相转移到新相，每一个原子的移动方向是任意的，相邻原子移超过原子间距，原子的近邻关系被破坏。
6.2-4 冷处理。即对奥氏体进行快速冷却得到马氏体后，立即将材料放入冰箱中继续冷却。
6.2-5 因为珠光体在奥氏体的晶界形核，所以如果奥氏体的晶粒细化则形核率高，且珠光体的团也不易长大。
6.2-6 因为铁素体是低碳相，在它向纵向长大时必向片前端的奥氏体中排碳，这就给
