《金属固态相变及应用》康煜平.2007

湘寒月

内容简介
本书主要介绍了金属材料固态相变的基本规律和金属材料在加热和冷却过程中固态相变，组织性能之间的具体联系，详细阐述了固态相变原理在退火、正火、淬火、回火、固溶处理和时效等基本热处理工艺中的具体应用以及热处理工艺对固态金属材料组织与性能的影响规律。

本书可作为金属材料工程、材料成形与控制工程、机械等专业的本科生教材，也可供相关技术人员参考。
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本书主要介绍了金属材料固态相变的基本规律和金属材料在加热和冷却过程中固态相变?组织?性能之间的具体联系，详细阐述了固态相变原理在退火、正火、淬火、回火、固溶处理和时效等基本热处理工艺中的具体应用以及热处理工艺对固态金属材料组织与性能的影响规律。
本书可作为金属材料工程、材料成形与控制工程、机械等专业的本科生教材，也可供相关技术人员参考。
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前言
《金属固态相变及应用》是金属材料工程专业的专业课之一。其教学目的和任务是，使学生通过本课程的学习，掌握金属固态相变的基本原理，熟悉金属材料在加热和冷却过程中发生固态相变的基本规律及其在退火、正火、淬火、回火、固溶处理和时效中的具体应用，了解金属固态相变?组织?性能之间的具体联系，熟悉主要的热处理工艺及其对金属材料固态组织与性能的影响规律，为从事与金属固态相变有关的研究和技术工作打下专业理论基础。

第1章为固态相变概论，主要从整体上介绍金属固态相变的一般规律。第2、3、5、6、9、10章为固态相变各论，分别介绍钢中奥氏体的形成、珠光体转变、马氏体相变、贝氏体相变、回火转变和脱溶沉淀。在第3章介绍珠光体转变之后，紧接着第4章介绍与珠光体转变理论的应用密切相关的退火和正火。第7章介绍过冷奥氏体转变动力学图，实际上是对珠光体、马氏体、贝氏体相变动力学的总结。在第5～7章介绍马氏体相变、贝氏体相变和过冷奥氏体转变动力学图之后，紧接着第8章就介绍与马氏体相变和贝氏体相变理论的应用密切相关的淬火。第9章将回火转变理论及其在回火工艺中的应用一并介绍。第10章则将脱溶沉淀理论及其在固溶处理和时效工艺中的应用合在一起介绍。

在编著过程中，作者力图使本书具有标准化程度高、内容覆盖面宽、可使用范围广的特点。书中所涉及的热处理名词术语和材料牌号基本都采用了最新国家标准，以使其标准化程度高；书中内容既涉及固态相变原理也涉及固态相变的应用，既涉及钢也涉及铸铁和有色合金，以使其内容覆盖面宽；书中既注意理论知识的系统阐述，又注意工艺参数选择和操作的指导，以使其使用范围广，不但可以作为高等院校金属材料工程专业本科生的专业教材，而且也可以作为工程技术人员的专业参考书。

本书由沈阳工业大学康煜平教授主编，其中第1章由辽宁工业大学常伟副教授编写，第2、3章、第8、9章由沈阳工业大学康煜平教授编写，第4、5章由沈阳工业大学任英磊教授编写，第6章由沈阳工业大学杨林教授编写，第7章由沈阳工业大学张松教授和张春华副教授编写，第10章由沈阳工业大学邱克强教授编写。吴伟副教授为各章编写了思考题，郭全英工程师提供了部分金相照片资料，耿新工程师为全书绘制了插图。

在本书编著过程中，得到了沈阳工业大学刘正教授、陈立佳教授、刘丽荣博士和王鑫硕士的帮助；另外，书中参考并引用了一些文献和资料的有关内容，在此，谨对上述朋友、同事和援引文献的作者们一并表示衷心的感谢！

本书是根据金属材料专业教学改革后新的教学大纲编写的，讲授时可以根据需要有所取舍，有些内容可以作为学生自学阅读材料。

由于本书将原来的金属热处理原理与金属热处理工艺两门专业课合在一起介绍，实属一种新的尝试，所以在内容的取舍和前后顺序的编排上可能多有不当之处。又因作者水平有限，书中疏漏和不足在所难免，敬请读者不吝批评指正。

康煜平2007年4月
目录
1金属固态相变概论1
1?1金属固态相变的主要类型1
1?1?1平衡转变1
1?1?2非平衡转变2
1?1?3固态相变的其他分类3
1?2金属固态相变的主要特点3
1?2?1相界面3
1?2?2弹性应变能4
1?2?3原子的迁移率5
1?2?4晶体缺陷5
1?2?5亚稳过渡相5
1?2?6位向关系5
1?2?7惯习面6
1?3固态相变时的形核6
1?3?1均匀形核6
1?3?2非均匀形核7
1?4固态相变时的晶核长大8
1?4?1新相长大机理8
1?4?2新相长大速度9
1?5金属固态相变的动力学11
1?5?1Johnson?Mehl方程11
1?5?2Avrami方程11
1?5?3扩散型相变的等温转变动力学图12
思考题12
2钢中奥氏体的形成13
2?1奥氏体及其形成条件13
2?1?1奥氏体的组织结构13
2?1?2奥氏体的性能14
2?1?3奥氏体的形成条件14
2?2奥氏体的形成机理15
2?2?1共析钢平衡组织向奥氏体的转变机理15
2?2?2非共析钢奥氏体的形成17
2?2?3非平衡组织向奥氏体的转变18
2?3奥氏体形成动力学18
2?3?1共析钢奥氏体等温形成动力学18
2?3?2亚共析钢奥氏体等温形成动力学21
2?3?3奥氏体形成的影响因素21
2?4连续加热时奥氏体的形成22
2?4?1奥氏体转变的临界温度23
2?4?2奥氏体转变的临界温度范围23
2?4?3奥氏体转变的速度23
2?4?4奥氏体晶粒23
2?4?5奥氏体成分的不均匀性24
2?5奥氏体晶粒的长大及控制24
2?5?1奥氏体晶粒度的概念24
2?5?2奥氏体晶粒长大的特点25
2?5?3奥氏体晶粒长大的影响因素25
2?5?4细化奥氏体晶粒的措施27
2?6组织遗传和断口遗传27
2?6?1组织遗传27
2?6?2断口遗传29
2?7奥氏体转变的应用举例30
2?7?1奥氏体不锈钢的固溶处理30
2?7?2高锰钢的水韧处理30
2?7?3高速钢淬火加热时的奥氏体晶粒度控制31
思考题32
3珠光体转变33
3?1珠光体的组织结构33
3?1?1珠光体的组织形态33
3?1?2片状珠光体的晶体学35
3?2珠光体转变机制35
3?2?1珠光体转变的热力学条件35
3?2?2片状珠光体形成机制36
3?2?3粒状珠光体形成机制38
3?3先共析转变和伪共析转变40
3?3?1先共析转变40
3?3?2魏氏组织42
3?3?3伪共析转变45
3?4珠光体转变动力学45
3?4?1珠光体的形核率及长大速度45
3?4?2珠光体等温转变动力学曲线46
3?4?3珠光体等温转变动力学图47
3?4?4影响珠光体转变动力学的因素47
3?5珠光体的力学性能50
3?5?1片状珠光体的力学性能50
3?5?2粒状珠光体的力学性能52
3?5?3铁素体加珠光体的力学性能52
3?5?4形变珠光体的力学性能53
3?6钢中碳化物的相间沉淀55
3?6?1相间沉淀组织55
3?6?2相间沉淀机理55
3?6?3相间沉淀条件57
3?6?4相间沉淀钢的强化机制及应用58
思考题60
4退火和正火61
4?1退火的目的和分类61
4?2钢的退火62
4?2?1完全退火62
4?2?2不完全退火64
４?２?３等温退火65
４?２?４球化退火66
4?2?5钢的退火缺陷和应对措施70
4?3正火71
4?3?1钢的正火72
4?3?2铸铁的正火73
4?4有色金属(合金)的退火75
4?4?1多相化退火75
4?4?2重结晶退火76
4?5扩散退火77
4?5?1均匀化退火77
4?5?2钢的预防白点退火80
４?5?３钛合金的真空除氢退火81
４?6基于回复和再结晶的退火81
４?6?１再结晶退火81
４?6?２消除应力退火82
思考题83
5马氏体相变84
5?1马氏体相变的主要特征85
5?1?1表面浮凸效应和切变共格性85
5?1?2马氏体转变的无扩散性86
5?1?3惯习面和一定的位向关系87
5?1?4亚结构88
5?1?5转变的非恒温性和不完全性88
5?1?6马氏体转变的可逆性89
5?2马氏体的晶体结构89
5?2?1马氏体可能的晶体结构89
5?2?2一般钢中马氏体的晶体结构89
5?2?3马氏体的异常正方度90
5?3马氏体的组织形态和亚结构91
5?3?1钢中马氏体的组织形态和亚结构91
5?3?2影响马氏体形态及亚结构的因素95
5?4马氏体相变热力学96
5?4?1Fe?C合金马氏体相变的热力学条件96
5?4?2Ms点的物理意义及其影响因素97
5?5马氏体相变动力学100
5?5?1降温形成马氏体的动力学100
5?5?2等温形成马氏体的动力学101
5?5?3爆发形成马氏体的动力学103
5?5?4热弹性马氏体转变动力学103
5?5?5奥氏体稳定化104
5?6马氏体相变机制106
5?6?1马氏体的形核106
5?6?2马氏体相变的切变模型107
5?6?3马氏体的长大110
5?7马氏体的性能110
5?7?1马氏体的硬度和强度110
5?7?2马氏体的塑性和韧性113
5?7?3马氏体相变诱发塑性114
5?7?4马氏体的物理性能115
5?7?5高碳马氏体的显微裂纹116
5?8热弹性马氏体与形状记忆效应117
5?8?1有色合金中的弹性马氏体117
5?8?2形状记忆效应119
5?8?3形状记忆效应的晶体学机制120
5?8?4伪弹性和超弹性122
5?8?5双程形状记忆效应的本质123
5?8?6形状记忆合金及应用实例124
思考题126
6贝氏体相变127
6?1贝氏体相变的基本特征127
6?1?1贝氏体相变的温度范围127
6?1?2贝氏体相变的产物127
6?1?3贝氏体相变动力学128
6?1?4贝氏体相变的扩散性128
6?1?5晶体学特征128
6?2贝氏体的组织结构128
6?2?1上贝氏体128
6?2?2下贝氏体129
6?2?3无碳化物贝氏体130
6?2?4粒状贝氏体131
6?2?5其他类型贝氏体132
6?3贝氏体相变机制133
6?3?1贝氏体相变的切变机制133
6?3?2贝氏体的形成过程135
6?3?3贝氏体相变的台阶机制137
6?4贝氏体相变动力学138
6?4?1贝氏体等温转变动力学138
6?4?2贝氏体相变时碳的扩散139
6?4?3影响贝氏体相变动力学的因素139
6?5贝氏体的力学性能141
6?5?1影响贝氏体力学性能的因素141
6?5?2贝氏体的强度和硬度142
6?5?3贝氏体的韧性142
思考题143
7过冷奥氏体转变动力学图144
7?1过冷奥氏体等温转变动力学图144
7?1?1过冷奥氏体等温转变动力学图的基本形式144
7?1?2TTT图的测定方法145
7?1?3TTT图的影响因素147
7?1?4TTT图的基本类型148
7?1?5过冷奥氏体等温转变动力学图的应用150
7?2过冷奥氏体连续转变动力学图151
7?2?1过冷奥氏体连续转变动力学图的基本形式151
7?2?2改型CCT图152
7?2?3过冷奥氏体连续转变动力学图的测定154
7?2?4过冷奥氏体连续转变动力学图的应用154
思考题156
8淬火158
8?1淬火加热158
8?1?1淬火加热温度的确定158
8?1?2加热时间的确定160
8?1?3加热介质的选择161
8?2淬火介质162
8?2?1在有物态变化的介质中的冷却过程 162
8?2?2在无物态变化的介质中的冷却过程 163
8?2?3常用的淬火介质 163
8?2?4影响淬火介质冷却能力的因素166
8?3钢的淬透性167
8?3?1淬透性与淬硬性167
8?3?2淬透性的测定方法169
8?3?3淬透性的应用171
8?4淬火工艺172
8?4?1常用的淬火工艺173
8?4?2其他淬火工艺175
8?4?3冷处理176
8?5表面淬火176
8?5?1表面淬火的目的、分类及应用 176
8?5?2淬硬层的深度及硬度梯度177
8?5?3感应加热表面淬火177
8?5?4其他加热表面淬火181
8?6淬火缺陷183
8?6?1淬火变形183
8?6?2淬火裂纹183
8?6?3其他淬火缺陷184
思考题185
9钢的回火转变及回火187
9?1淬火钢回火时的组织转变187
9?1?1碳原子的偏聚187
9?1?2马氏体的分解188
9?1?3残余奥氏体的转变191
9?1?4渗碳体的形成191
9?1?5α相回复再结晶和碳化物的聚集长大192
9?2碳钢回火后的力学性能194
9?3合金元素对回火转变的影响196
9?3?1回火抗力的提高196
9?3?2二次淬火197
9?3?3二次硬化198
９?３?４合金钢回火时碳化物的转变199
9?4回火脆性200
9?4?1第一类回火脆性200
9?4?2第二类回火脆性203
9?5钢的回火工艺206
9?5?1回火温度的确定207
9?5?2回火保温时间的确定208
9?5?3回火后的冷却209
9?5?4回火缺陷209
思考题210
10脱溶沉淀及时效211
10?1概述211
10?1?1固溶、脱溶及时效211
10?1?2脱溶沉淀的条件212
10?1?3脱溶的分类212
10?2脱溶沉淀热力学及脱溶沉淀过程213
10?2?1脱溶沉淀热力学213
10?2?2脱溶沉淀过程215
10?2?3脱溶相的粗化218
10?3脱溶沉淀后的显微组织218
10?3?1连续脱溶（continuous precipitation）的显微组织218
10?3?2不连续脱溶的显微组织220
10?3?3脱溶过程中显微组织变化序列221
10?4脱溶沉淀过程动力学222
10?4?1脱溶沉淀等温动力学图的特点222
10?4?2等温脱溶沉淀动力学图的影响因素223
10?5脱溶沉淀时性能的变化224
10?5?1冷时效与温时效224
10?5?2时效硬化机制225
10?5?3回归现象227
10?6调幅分解228
10?6?1调幅分解的热力学条件228
10?6?2调幅分解过程229
10?6?3调幅分解组织与性能230
10?7固溶处理及时效工艺232
10?7?1合金固溶处理后性能的变化232
10?7?2固溶处理和时效参数对材料性能的影响233
10?7?3固溶处理规程的选择234
10?7?4时效规程的选择235
10?7?5主要合金的固溶处理?时效规程236
10?7?6铁基合金的固热处理?时效规程242
思考题243
参考文献244