合金固态相变

金属材料是当今重要的材料，金属的相变和组织决定着材料的性能。这也是各种金属材料表面处理、热处理甚至合金成分设计的基础。了解合金成分与相的变化，才能得到适宜应用环境的材料。

 

金属等固态材料在温度或压力等外界条件发生变化时，内部组织或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态的转变，这种转变称为固态相变。固态相变理论是金属材料工程技术的理论基础，也是材料科学的重要支柱。近年来，随着先进分析、表征手段的提升以及一些理论模型的引入，使人们对材料成分、结构以及性能的认知更加全面和深入，固态相变理论更加丰富，不仅研制出大量新型金属结构材料，也极大地促进了相变控制技术的发展。本书在继承以往成熟理论的基础上，增加了近年来国内外固态相变领域的一些新发现和新理论，以期能对发掘传统材料的性能潜力、开发新型金属材料以及完善固态相变理论起到推动作用。

白静，东北大学秦皇岛分校河北省电介质与电解质功能材料实验室，副教授，副主任，作者长年从事铁磁形状记忆合金的成分设计和性能优化的研究。目前在此研究领域中积累了较丰富的研究基础。作者于2015年入选河北省“三三三人才工程”第三层次。

在科研方面，作者作为项目负责人主持国家自然基金面上项目1项；国家自然科学基金青年基金1项；河北省自然基金项目1项。

 

第1章  固态相变概论1

1.1固态相变的分类与特征3

1.1.1固态相变的分类3

1.1.2固态相变的一般特征6

1.1.3固态相变的基本结构特征8

1.1.4相的稳定性11

1.2相变驱动力与形核驱动力17

1.2.1相变驱动力17

1.2.2形核驱动力19

1.3固态相变的形核19

1.3.1均质形核20

1.3.2非均质形核22

1.4新相长大27

1.4.1界面过程控制的新相长大27

1.4.2长程扩散控制的新相长大30

1.4.3相变动力学32

第2章  奥氏体的形成34

2.1奥氏体及其组织结构34

2.1.1奥氏体34

2.1.2奥氏体的组织结构34

2.2奥氏体形成机理35

2.2.1奥氏体的形核35

2.2.2奥氏体的长大37

2.2.3残留碳化物的溶解和奥氏体成分均匀化39

2.3奥氏体形成动力学41

2.3.1奥氏体等温形成动力学41

2.3.2连续加热时奥氏体形成动力学45

2.3.3影响奥氏体形成速率的因素47

2.4奥氏体晶粒度及其控制48

2.4.1奥氏体晶粒度48

2.4.2影响奥氏体晶粒度的因素48

2.5奥氏体的性能与奥氏体钢的发展51

2.5.1奥氏体的性能51

2.5.2奥氏体钢的发展52

第3章  珠光体转变55

3.1珠光体及其组织结构55

3.1.1珠光体55

3.1.2片状珠光体56

3.1.3粒状珠光体59

3.2珠光体转变机理60

3.2.1珠光体转变的热力学条件60

3.2.2共析钢的珠光体转变机理61

3.2.3亚(过)共析钢的珠光体转变机理63

3.3珠光体转变动力学65

3.3.1珠光体的形核与长大65

3.3.2珠光体转变动力学图67

3.3.3影响珠光体转变动力学的因素67

3.4珠光体的力学性能与珠光体钢的发展73

3.4.1珠光体的力学性能73

3.4.2珠光体钢的发展75

第4章  马氏体转变79

4.1马氏体转变的基本特征80

4.1.1无扩散性80

4.1.2切变共格和表面浮凸81

4.1.3惯析面和位向关系81

4.2马氏体转变的晶体学83

4.3马氏体转变热力学85

4.4马氏体转变动力学86

4.4.1马氏体转变温度86

4.4.2马氏体形核86

4.4.3马氏体形核的试验观察86

4.5马氏体的晶体结构90

4.5.1钢中马氏体的物理本质90

4.5.2体心立方马氏体［w(C)＜0.2％］91

4.5.3体心正方马氏体［w(C)=0.2％～1.9％］92

4.5.4碳原子在马氏体点阵中的位置及分布92

4.6马氏体的显微组织及亚结构93

4.6.1板条状马氏体94

4.6.2片状马氏体96

4.7马氏体的性能98

4.7.1马氏体的硬度98

4.7.2马氏体高硬度、高强度的本质98

4.7.3马氏体形态及大小对强度的影响99

4.7.4马氏体的韧性100

4.8几点特殊说明的概念101

4.8.1奥氏体的热稳定化101

4.8.2残余奥氏体104

4.8.3马氏体相变的特征温度105

4.8.4热弹性马氏体107

第5章贝氏体转变127

5.1贝氏体及其组织结构127

5.1.1贝氏体127

5.1.2上贝氏体128

5.1.3下贝氏体129

5.1.4其他种类贝氏体132

5.2贝氏体转变机理135

5.2.1切变机理135

5.2.2台阶机理136

5.3贝氏体转变的动力学138

5.3.1贝氏体转变动力学的特点138

5.3.2贝氏体转变动力学图139

5.3.3影响贝氏体转变动力学的因素140

5.4贝氏体的力学性能与贝氏体钢的发展141

5.4.1贝氏体的力学性能141

5.4.2贝氏体钢的发展143

第6章  有色合金的脱溶沉淀与时效146

6.1概述146

6.1.1固溶、脱溶及时效146

6.1.2脱溶的分类148

6.1.3脱溶沉淀的微观组织149

6.2时效硬化154

6.2.1时效硬化机制154

6.2.2影响时效硬化的因素156

6.3铝合金的时效159

6.3.1铝及铝合金159

6.3.2铝合金的时效特点162

6.3.3几种铝合金的时效164

6.3.4铝合金的应用与发展前景172

6.4镁合金的时效174

6.4.1镁及镁合金174

6.4.2镁合金的时效特点176

6.4.3几种镁合金的时效177

6.4.4镁合金的应用与发展前景186

第7章  铜合金中的相和相变188

7.1铜及铜合金188

7.1.1纯铜的性质188

7.1.2铜合金的分类190

7.2铜合金中的相191

7.2.1固溶体191

7.2.2中间相196

7.3铜合金中的相变198

7.3.1无序-有序转变199

7.3.2调幅分解201

7.3.3时效转变202

7.3.4共析转变204

7.3.5马氏体相变207

7.3.6脱溶转变208

7.3.7贝氏体相变210

7.4铜合金材料的应用211

7.4.1铜在电气工业中的应用211

7.4.2铜在电子工业中的应用212

7.4.3铜在交通运输方面的应用212

7.4.4铜在轻工业方面的应用213

参考文献214

 

金属等固态材料在温度或压力等外界条件发生变化时，内部组织或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态的转变，这种转变称为固态相变。固态相变理论是金属材料工程技术的理论基础，也是材料科学的重要支柱之一。近年来，随着分析和表征手段的进步以及理论模型的引入，人们对材料成分、结构以及性能的认知更加全面和深入，固态相变理论也更加丰富，不仅研制出了大量新型金属结构材料，而且相变控制技术也有了极大的发展。本书在继承以往成熟理论的基础上，增加了近年来国内外固态相变领域的一些新发现和新理论，以期能对发掘传统材料的性能潜力、开发新型金属材料以及完善固态相变理论起到推动作用。

本书共分为7章，第1章为固态相变概论，主要从整体上介绍固态相变的基础知识，使读者初步了解固态相变理论；第2～5章分别介绍钢中奥氏体的形成、珠光体转变、马氏体转变及贝氏体转变；第6章介绍了脱溶沉淀理论以及铝合金、镁合金在固溶处理和时效处理中的沉淀过程；第7章主要介绍了铜合金中的相和相变。

本书第1、4章由白静编写，第2、3、5章由杨静编写，第6章由叶杰编写，第7章由郑润国编写，权力伟、顾江龙、王锦龙、石少锋、刘叠、陈明菊、付守军、李娜娜也参加了资料整理工作，白静负责全书的统稿。本书的出版得到了东北大学秦皇岛分校资源与材料学院的大力支持，在此深表感谢。

在编著本书的过程中，参考并引用了一些书刊、文献等资料的有关内容，谨此致谢。由于作者水平有限，书中难免存在不妥之处，敬请广大读者批评指正。

白静

2019年11月