基于固态相变的退火技术

来源:用户上传      作者: 陆建军

　　金属的固态相变退火是金属热加工的一种形式，在金属机械加工中得到较为广泛的运用。其对相关操作人员有着一定的技术要求，需要操作人员对整个固态相变退火的技艺有足够的了解。文章将就固态相变的退火技术进行相关的探讨。
　　金属材料能否进行基于固态相变的退火，其先决条件是它们在固态下有无相变，而这可根据合金状态图及合金的成分来确定。显然，无同素异型转变的纯金属和单相固液溶体合金不可能进行这奖退火。如果合金系状态图上有固态相变而且合金成分又位于有固态相变发生的成分范围（包括纯金属），则该合金或纯金属原则卜可进行这类退火。当然，并非具有固态相变的金属和合金在实际上都能采用基于固态相变的退火。如果退火时发生的相变不能使金属合金的组织、结构和性能发生明显的符合需要的变化，或者这些变化进行得极其缓慢，则该金属合金在实际上就不能采用这类热处理形式。
　　
　　1.固态相变的基本类型
　　我们所说的固态变相一般是指那些在转变过程中不仅有组织变化，而且有晶格类型变化，或（和）有序度变化，或相组成物化学成分变化，或某种物理性质跃变的固态转变。有些固态转变只有组织变化而尤其他变化，如单相固溶体合金的均匀化过程，以及无同素异型转变的纯金属和大多数单相固溶液合金在冷变形后的回复，再结晶过程，金属合金内部就只有组织变化，即只有晶粒、亚晶粒大小和形状的变化；许多固态转变除了有组织变化之外，还有其他（一种或几种）变化，如一些纯金属的同素异型转变既有组织变化，又有晶格类型的变化；脱溶和共析转变除了有组织变化之外，还有晶格类型的变化以及相组成物化学成分的变化，如果脱溶相是化合物，还可能发生有序度的变化等，这些固态转变就属于固态相变。
　　
　　2.固态相变时体系的能量变化和形核功
　　和任何物质组态的自发转变一样，金属合金的固态相变也是由高自由能转向低自由能组态转变。如果体系自由能以等压G表示，则发生相变时应△G＜0，△G为新相与旧相的自由能差。与液相结晶及固体熔化相比，固态相变时的能量变化多―项应该变能增量。而应变能是相变的阻力，加之固态下原子扩散缓慢，所以，固态相变需要较大的过冷度或过热度，以增大相变驱动力。但是冷却时，很大的过冷度可能抑制扩散型相变的发生，只是将高温相态固定至室温，即在冷却过程中不发生任何相变，或者是在巨大的驱动力作用下发生另―类相变――无扩散刑相变。
　　
　　3.界面能和应变能对固态相变的影响
　　固态相变时随着新相的形成，体系的界面能和应变能增加。但是如果形成不同类型的相界，界面能和应变能增加的程度是不同的。不难理解，因为界面能和应变能的增加是相变的阻力，相变将向界面能和应变能增加较小的方向发展，因此界面能喝应变能的大小对固态相变的形核、长大至新相的形状和最终组织形态将有很大的影响。
　　根据金属学原理已知，根据相界原子排列的特点，固态金属的相界主要有三种：共格相界、半共格相界、非共格相界。共格相界通常是指具有点阵弹性畸变的共格相界；半共格相界则可以认为是有弹性畸变的共格相界和位错所组成，它类似小角度晶界；非共格相界则与大角度相界相似。
　　
　　4.非均匀形核
　　固态相变时，除少数情况是均匀形核外，大多数都是非均匀形核，即新相晶核常常在母相中的不连续处优先形成。
　　4.1晶界形核
　　晶界（以及亚晶界）有利于形核，其可能原因主要有：
　　（1）晶界具有较高的能量。晶界是母相中的现成界面，其上有界面能。如果新相晶核在晶界上形成，晶界某一部分消失，这部分晶界的能量可以释放出来提供形核的需要，因此式应写成△G=-△G1+△Gs+△GE-△GB
　　（2）晶界形核寸变能增晕较小。晶界原子排列较为紊乱，结构较“松”，形核时出现的相变应变可以较快地为塑性流变所松驰，形核的应变能较小，这就减小了相变阻力，使形核（以及随后的长大）比较容易。
　　（3）晶界上原子易于扩散。不难理解，对于扩散型相变，只要母相中的一个原子转移至临界晶核上去，就会发生真正的形核过程，这种原子的转移就是扩散，而我们知道，在较低温度范围内，品界扩散比晶内扩散快得多。
　　（4）晶界卜可能富集有利于形核的元素。在合金中存在着非平衡偏析的情况下，晶界附近一般具有较高的溶质浓度。如果新相含有较高的溶质浓度，这种富集于晶界的溶质元素就为晶界形核创造了有利的成分起伏条件。因为是非平衡偏析，晶界能较高，这也就为新相的形成创造厂有利的能虽起伏条件，即可以减少形核功。
　　在通常情况下，晶界往往富集杂质。当杂质在晶界的富集提高晶界能时，杂质也有助于晶界形核。
　　4.2位错形核
　　实验证明，在位错处易于形核，例如在光学金相显效镜卜就可以观察到AgCl中Ag沉淀在位错线上；许多加工材在随后热处理时，新相晶核往往在滑移带以及滑移带相交处（包含着大量位错）形成。位错促进形核的主要原因主要有：
　　（1）位错能最可提供形核需要。位错周围存在着应力场而具行能址。如果在位错处形成非共格晶核，位错就会消失，位错能量将被释放出来以提供形核的需要。如果外形核时位错不消失，而是参与构成相界的一部分，这样就可以降低形成相界所需的能量。
　　（2）位错线上溶质原子的偏聚可能利于形核。在固体溶液中，溶质原子易偏聚于刃型位错线上而形成柯垂耳气团。如果从固溶体中析出的新相晶核具有较高的溶质浓度，新相将优先偏聚了溶质原子的位错线上形成，因为柯垂耳气团为新相的形核提供了成分起伏的有利条件。此外，柯垂耳气团与母相之间既有半共格界面，又有共格界面。当半共格形核时，位错可以作为新相与母相之间半共格界面的组成部分。当共格形核时，如果气团的曲率半径大于或等于新相晶核的临界半径，气团就可能会作为新相晶核而长大，由此可见从原子偏聚方向考虑，位错的确对形核有促进作用，而且所需要的形核功比在完整晶体中的小。
　　4.3空位形核
　　空位和空位群对形核的促进作用已经被许多事实所证明，特别是在过饱和固溶体分解时尤为显著。当固溶处理时，高温下产生的大最空位也被过饱和地保留下来，这种过饱和空位对随后固溶体分解的形核有促进作用。这可能是由于：空位促进溶质原子的扩散；空位和空位群具有能量，增加了形核的驱动力，以致空位本身就可作为形核位置；空位群可以“凝结”成位错，而位错有利于形核。
　　
　　5.习惯面和位向关系
　　实验发现，许多合金系固态相变时，新相往往在母相中的特定晶面形成。母相的这一晶面称为惯习画。惯习面的存在，是由于新相这种形成方式可使新、旧相界面为低能界面，即可降低界面能以咸小相变阻力。根据前述，这种低能界画实则为共格相界或半共格相界。显然，相界两侧的点阵，即新相与旧相之间必然具有一定的结晶学位向关系。
　　惯习惭和位向关系的存在对相变产物的组织形态有重要的影响。比如在―定条件下，某些合金系中先共析相的析出和过饱和固体溶液的脱溶转变，只要相变不受干扰，由于新相沿惯习面以共格或者半共格方式形成，并选择可使体系自由能最低的一定方向发展，尽管新相长大到一定的尺寸后相界的共格性会遭到破坏，相变结束后新相的显微组织仍会表现出某种规则性纹理状的特征。
　　
　　6.结语
　　基于固态相变的退火技术在金属热加工中有着重要的作用，为了保证金属的加工能够到达相关的要求和标准，相关的技术人员和操作人员必须要遵循一定的原则进行操作，并且在操作中根据自己的经验，不断的发现并探索更合理的操作技术，保证金属加工的质量。
　　
　　参考文献
　　[1] 刘宗昌. 贝氏体相变的过渡性[J]. 材料热处理学报，2003（02）.
　　[2] 俞德刚. 贝氏体相变理论进展近况[J]. 金属热处理学报，1996（S1）.
　　[3] 刘宗昌. 钢中相变的自组织[J]. 金属热处理，2003（02）.
　　
　　（作者单位：广西百纳工程咨询有限公司 广西百色 533000）

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