【基于固態(tài)相變的退火技術(shù)】 鐵絲退火技術(shù)

　　金屬的固態(tài)相變退火是金屬熱加工的一種形式，在金屬機(jī)械加工中得到較為廣泛的運(yùn)用。其對(duì)相關(guān)操作人員有著一定的技術(shù)要求，需要操作人員對(duì)整個(gè)固態(tài)相變退火的技藝有足夠的了解。文章將就固態(tài)相變的退火技術(shù)進(jìn)行相關(guān)的探討。
　　金屬材料能否進(jìn)行基于固態(tài)相變的退火，其先決條件是它們?cè)诠虘B(tài)下有無(wú)相變，而這可根據(jù)合金狀態(tài)圖及合金的成分來(lái)確定。顯然，無(wú)同素異型轉(zhuǎn)變的純金屬和單相固液溶體合金不可能進(jìn)行這獎(jiǎng)退火。如果合金系狀態(tài)圖上有固態(tài)相變而且合金成分又位于有固態(tài)相變發(fā)生的成分范圍（包括純金屬），則該合金或純金屬原則卜可進(jìn)行這類(lèi)退火。當(dāng)然，并非具有固態(tài)相變的金屬和合金在實(shí)際上都能采用基于固態(tài)相變的退火。如果退火時(shí)發(fā)生的相變不能使金屬合金的組織、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生明顯的符合需要的變化，或者這些變化進(jìn)行得極其緩慢，則該金屬合金在實(shí)際上就不能采用這類(lèi)熱處理形式。
　　
　　1.固態(tài)相變的基本類(lèi)型
　　我們所說(shuō)的固態(tài)變相一般是指那些在轉(zhuǎn)變過(guò)程中不僅有組織變化，而且有晶格類(lèi)型變化，或（和）有序度變化，或相組成物化學(xué)成分變化，或某種物理性質(zhì)躍變的固態(tài)轉(zhuǎn)變。有些固態(tài)轉(zhuǎn)變只有組織變化而尤其他變化，如單相固溶體合金的均勻化過(guò)程，以及無(wú)同素異型轉(zhuǎn)變的純金屬和大多數(shù)單相固溶液合金在冷變形后的回復(fù)，再結(jié)晶過(guò)程，金屬合金內(nèi)部就只有組織變化，即只有晶粒、亞晶粒大小和形狀的變化；許多固態(tài)轉(zhuǎn)變除了有組織變化之外，還有其他（一種或幾種）變化，如一些純金屬的同素異型轉(zhuǎn)變既有組織變化，又有晶格類(lèi)型的變化；脫溶和共析轉(zhuǎn)變除了有組織變化之外，還有晶格類(lèi)型的變化以及相組成物化學(xué)成分的變化，如果脫溶相是化合物，還可能發(fā)生有序度的變化等，這些固態(tài)轉(zhuǎn)變就屬于固態(tài)相變。
　　
　　2.固態(tài)相變時(shí)體系的能量變化和形核功
　　和任何物質(zhì)組態(tài)的自發(fā)轉(zhuǎn)變一樣，金屬合金的固態(tài)相變也是由高自由能轉(zhuǎn)向低自由能組態(tài)轉(zhuǎn)變。如果體系自由能以等壓G表示，則發(fā)生相變時(shí)應(yīng)△G＜0，△G為新相與舊相的自由能差。與液相結(jié)晶及固體熔化相比，固態(tài)相變時(shí)的能量變化多―項(xiàng)應(yīng)該變能增量。而應(yīng)變能是相變的阻力，加之固態(tài)下原子擴(kuò)散緩慢，所以，固態(tài)相變需要較大的過(guò)冷度或過(guò)熱度，以增大相變驅(qū)動(dòng)力。但是冷卻時(shí)，很大的過(guò)冷度可能抑制擴(kuò)散型相變的發(fā)生，只是將高溫相態(tài)固定至室溫，即在冷卻過(guò)程中不發(fā)生任何相變，或者是在巨大的驅(qū)動(dòng)力作用下發(fā)生另―類(lèi)相變――無(wú)擴(kuò)散刑相變。
　　
　　3.界面能和應(yīng)變能對(duì)固態(tài)相變的影響
　　固態(tài)相變時(shí)隨著新相的形成，體系的界面能和應(yīng)變能增加。但是如果形成不同類(lèi)型的相界，界面能和應(yīng)變能增加的程度是不同的。不難理解，因?yàn)榻缑婺芎蛻?yīng)變能的增加是相變的阻力，相變將向界面能和應(yīng)變能增加較小的方向發(fā)展，因此界面能喝應(yīng)變能的大小對(duì)固態(tài)相變的形核、長(zhǎng)大至新相的形狀和最終組織形態(tài)將有很大的影響。
　　根據(jù)金屬學(xué)原理已知，根據(jù)相界原子排列的特點(diǎn)，固態(tài)金屬的相界主要有三種：共格相界、半共格相界、非共格相界。共格相界通常是指具有點(diǎn)陣彈性畸變的共格相界；半共格相界則可以認(rèn)為是有彈性畸變的共格相界和位錯(cuò)所組成，它類(lèi)似小角度晶界；非共格相界則與大角度相界相似。
　　
　　4.非均勻形核
　　固態(tài)相變時(shí)，除少數(shù)情況是均勻形核外，大多數(shù)都是非均勻形核，即新相晶核常常在母相中的不連續(xù)處優(yōu)先形成。
　　4.1晶界形核
　　晶界（以及亞晶界）有利于形核，其可能原因主要有：
　　（1）晶界具有較高的能量。晶界是母相中的現(xiàn)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，這部分晶界的能量可以釋放出來(lái)提供形核的需要，因此式應(yīng)寫(xiě)成△G=-△G1+△Gs+△GE-△GB
　�。�2）晶界形核寸變能增暈較小。晶界原子排列較為紊亂，結(jié)構(gòu)較“松”，形核時(shí)出現(xiàn)的相變應(yīng)變可以較快地為塑性流變所松馳，形核的應(yīng)變能較小，這就減小了相變阻力，使形核（以及隨后的長(zhǎng)大）比較容易。
　�。�3）晶界上原子易于擴(kuò)散。不難理解，對(duì)于擴(kuò)散型相變，只要母相中的一個(gè)原子轉(zhuǎn)移至臨界晶核上去，就會(huì)發(fā)生真正的形核過(guò)程，這種原子的轉(zhuǎn)移就是擴(kuò)散，而我們知道，在較低溫度范圍內(nèi)，品界擴(kuò)散比晶內(nèi)擴(kuò)散快得多。
　�。�4）晶界卜可能富集有利于形核的元素。在合金中存在著非平衡偏析的情況下，晶界附近一般具有較高的溶質(zhì)濃度。如果新相含有較高的溶質(zhì)濃度，這種富集于晶界的溶質(zhì)元素就為晶界形核創(chuàng)造了有利的成分起伏條件。因?yàn)槭欠瞧胶馄�析，晶界能較高，這也就為新相的形成創(chuàng)造廠有利的能雖起伏條件，即可以減少形核功。
　　在通常情況下，晶界往往富集雜質(zhì)。當(dāng)雜質(zhì)在晶界的富集提高晶界能時(shí)，雜質(zhì)也有助于晶界形核。
　　4.2位錯(cuò)形核
　　實(shí)驗(yàn)證明，在位錯(cuò)處易于形核，例如在光學(xué)金相顯效鏡卜就可以觀察到AgCl中Ag沉淀在位錯(cuò)線上；許多加工材在隨后熱處理時(shí)，新相晶核往往在滑移帶以及滑移帶相交處（包含著大量位錯(cuò)）形成。位錯(cuò)促進(jìn)形核的主要原因主要有：
　�。�1）位錯(cuò)能最可提供形核需要。位錯(cuò)周?chē)�存在著�?yīng)力場(chǎng)而具行能址。如果在位錯(cuò)處形成非共格晶核，位錯(cuò)就會(huì)消失，位錯(cuò)能量將被釋放出來(lái)以提供形核的需要。如果外形核時(shí)位錯(cuò)不消失，而是參與構(gòu)成相界的一部分，這樣就可以降低形成相界所需的能量。
　�。�2）位錯(cuò)線上溶質(zhì)原子的偏聚可能利于形核。在固體溶液中，溶質(zhì)原子易偏聚于刃型位錯(cuò)線上而形成柯垂耳氣團(tuán)。如果從固溶體中析出的新相晶核具有較高的溶質(zhì)濃度，新相將優(yōu)先偏聚了溶質(zhì)原子的位錯(cuò)線上形成，因?yàn)榭麓苟鷼鈭F(tuán)為新相的形核提供了成分起伏的有利條件。此外，柯垂耳氣團(tuán)與母相之間既有半共格界面，又有共格界面。當(dāng)半共格形核時(shí)，位錯(cuò)可以作為新相與母相之間半共格界面的組成部分。當(dāng)共格形核時(shí)，如果氣團(tuán)的曲率半徑大于或等于新相晶核的臨界半徑，氣團(tuán)就可能會(huì)作為新相晶核而長(zhǎng)大，由此可見(jiàn)從原子偏聚方向考慮，位錯(cuò)的確對(duì)形核有促進(jìn)作用，而且所需要的形核功比在完整晶體中的小。
　　4.3空位形核
　　空位和空位群對(duì)形核的促進(jìn)作用已經(jīng)被許多事實(shí)所證明，特別是在過(guò)飽和固溶體分解時(shí)尤為顯著。當(dāng)固溶處理時(shí)，高溫下產(chǎn)生的大最空位也被過(guò)飽和地保留下來(lái)，這種過(guò)飽和空位對(duì)隨后固溶體分解的形核有促進(jìn)作用。這可能是由于：空位促進(jìn)溶質(zhì)原子的擴(kuò)散；空位和空位群具有能量，增加了形核的驅(qū)動(dòng)力，以致空位本身就可作為形核位置；空位群可以“凝結(jié)”成位錯(cuò)，而位錯(cuò)有利于形核。
　　
　　5.習(xí)慣面和位向關(guān)系
　　實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，許多合金系固態(tài)相變時(shí)，新相往往在母相中的特定晶面形成。母相的這一晶面稱(chēng)為慣習(xí)畫(huà)。慣習(xí)面的存在，是由于新相這種形成方式可使新、舊相界面為低能界面，即可降低界面能以咸小相變阻力。根據(jù)前述，這種低能界畫(huà)實(shí)則為共格相界或半共格相界。顯然，相界兩側(cè)的點(diǎn)陣，即新相與舊相之間必然具有一定的結(jié)晶學(xué)位向關(guān)系。
　　慣習(xí)慚和位向關(guān)系的存在對(duì)相變產(chǎn)物的組織形態(tài)有重要的影響。比如在―定條件下，某些合金系中先共析相的析出和過(guò)飽和固體溶液的脫溶轉(zhuǎn)變，只要相變不受干擾，由于新相沿慣習(xí)面以共格或者半共格方式形成，并選擇可使體系自由能最低的一定方向發(fā)展，盡管新相長(zhǎng)大到一定的尺寸后相界的共格性會(huì)遭到破壞，相變結(jié)束后新相的顯微組織仍會(huì)表現(xiàn)出某種規(guī)則性紋理狀的特征。
　　
　　6.結(jié)語(yǔ)
　　基于固態(tài)相變的退火技術(shù)在金屬熱加工中有著重要的作用，為了保證金屬的加工能夠到達(dá)相關(guān)的要求和標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)的技術(shù)人員和操作人員必須要遵循一定的原則進(jìn)行操作，并且在操作中根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，不斷的發(fā)現(xiàn)并探索更合理的操作技術(shù)，保證金屬加工的質(zhì)量。
　　
　　參考文獻(xiàn)
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　　[2] 俞德剛. 貝氏體相變理論進(jìn)展近況[J]. 金屬熱處理學(xué)報(bào)，1996（S1）.
　　[3] 劉宗昌. 鋼中相變的自組織[J]. 金屬熱處理，2003（02）.
　　
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