《热处理原理》PPT课件.ppt

1,（二）、粒状珠光体的形成、组织与性能,粒状珠光体是通过碳化物的球化而获得的；（FFeC粒） 、组织 右图所示，是粒状的碳化物均匀弥散地分布在铁素体基体上；,、形成：,由过冷奥氏体直接分解而成： 条件：过共析钢加热到稍上：,、奥氏体（成分不均匀）： 、未溶渗碳体： 、过冷到以下一个很小 的过冷度时：,由片状珠光体球化而成：如图所示： 通过淬火和高温回火得到：,渗碳体球化的原因： 在略高于A1温度保温时，第二相颗粒的溶解度与其曲率半径有关。曲率半径小的渗碳体尖角处的奥氏体含碳量高，而靠近曲率半径大的渗碳体平面处的奥氏体含碳量低。 导致扩散破坏界面平衡为恢复平衡尖角处的渗碳体溶解，曲率半径增大，而平面处的渗碳体长大，曲率半径减小，渗碳体球化。,渗碳体颗粒的大小由奥氏体转变温度而定，低细小。 渗碳体颗粒的形态取决于奥氏体化温度 （1）奥氏体化得到碳浓度不均匀或未溶的渗碳体质点； （2）在A1下较高温度范围内缓冷。 淬火回火粒状珠光体。,、性能： 粒状珠光体的性能与渗碳体颗粒的大小有关，渗碳体的颗粒越细，相界面就越多，则钢的硬度、强度也就越高； 与片状珠光体相比，粒状珠光体具有更高的韧性和塑性，而硬度降低，适于改善钢的切削加工性。,141+0.11（单位体积F/Fe3C相界面）,（三）先共析相的析出： 亚（过）共析钢有先共析相的析出； 在实际冷却条件下：如图所示： 其中： 线：渗碳体在过冷奥氏体中的饱和溶解度极限； 线：铁素体在过冷奥氏体中的饱和溶解度极限； 在、线下同时析出渗碳体和铁素体，称为伪珠光体（伪共析区）,故： 冷却速度越快，先共析量越少；C曲线 含碳量越低，先共析铁素体的量越多； 生产中的应用： 低碳钢轧后喷雾、水冷，增加珠光体的量，提高强度； 高碳钢轧后空冷，消除网状渗碳体； 珠光体组织的应用： 高碳钢的铅浴淬火获得索氏体，冷拔获得高强度的钢丝；,五、马氏体转变,马氏体： 钢中：碳在Fe中的过饱和固溶体； 一般：凡是相变基本特征属于马氏体型的转变产物都称为马氏体。马氏体转变（在较低温度下发生的无扩散相变）是一种有效的强化手段。,（一）、马氏体的形成条件 、马氏体形成条件 马氏体是低温转变产物，要形成马氏体: （）冷却速度必须大于淬火临界冷却速度； （）过冷奥氏体必须过冷到一定的温度点以下才能发生马氏体转变。,、马氏体形成的热力学条件,（）、相变驱动力：仍是新相和母相的自由能差 -,（）、相变阻力大： 温度低于奥氏体并不是马上转变为马氏体，而是温度必须降到点以下，转变才能发生，这是因为: 、马氏体转变是一个共格界面的转变，而奥氏体和马氏体的比容差又特别大。因而转变的弹性应变能非常大，则构成了大的相变阻力。 G- G体+（G表+ G弹）,、马氏体具有高密度的位错和孪晶，形成这些缺陷需要大的外加能量。 Ms的物理意义：奥氏体和马氏体两相自由能差达到相变所需的最小驱动力值时的温度。即开始发生马氏体转变的温度。,（二）马氏体的晶体结构、组织和性能 、马氏体的晶体结构 钢中马氏体的本质：是碳在-Fe中的过饱和间隙固溶体 。含碳量最大可以达到2.11% 第一种：体心立方结构 （当含碳量很低或不含碳时） 第二种：体心正方结构 （当含碳量较高或很高时）晶格常数：；90,马氏体的晶体结构,其中；c / a叫轴比，也叫做马氏体的正方度， c / a=1+0.046c，马氏体中的含碳量越高，正方度越大，合金元素对正方度的影响不大。 还有六方晶格-马氏体，原子菱面排列的-马氏体，反常轴比的马氏体等。,、马氏体的组织形态： （）板条状马氏体 （低碳马氏体、位错马氏体） 光学显微镜下：平行的板条状；如图所示： 大角度晶界：束与束 小角度晶界：板条与板条 立体形态：椭圆断面的柱状晶体；在板条间有残余奥氏体存在； 电镜下：板条内有大量的位错(0.3-0.91012cm-2)，且分布不均匀，形成胞状亚结构；如图所示； 故板条马氏体又叫位错马氏体，,特点：形成后立即发生不同程度的分解，即自回火； 板条马氏体是低、中碳钢、不锈钢中的一种典型的马氏体组织；故板条马氏体又叫低碳马氏体；,23,（）片状马氏体 (高碳马氏体、孪晶马氏体）,立体形态：双凸透镜形； 光学显微镜下：竹叶状、针状：互成一定的角度，如图所示；所以马氏体片的最大尺寸取决于奥氏体晶粒的大小： 隐晶马氏体：当最大尺寸的马氏体细小到光学显微镜下分辨不清时的片状马氏体叫做隐晶马氏体； 电镜下：内部为大量的微细孪晶，故片状马氏体又叫作孪晶马氏体，,常出现在高碳钢中，当含碳量大于0.6 易出现，故又叫高碳马氏体； 当含碳量大于1.4时，马氏体片中，可看到“中脊线”，如图所示； 重要特点：存在大量的显微裂纹；,（）影响马氏体形态的主要因素： 化学成分：最主要为中的含碳量： 在碳钢中： 0.2，淬火后得到板条马氏体； 1.0，淬火后得到片状马氏体； 0.21.0之间，淬火后得到片状马氏体与板条马氏体的混合组织； ：易形成片状马氏体；,影响的因素： ）含碳量；故低碳钢易形成板条马氏体，高碳钢易形成片状马氏体；如图所示； ）合金元素：除Co、Al外，均使，但效果不太明显；,30,、马氏体的性能,马氏体性能的显著特点是高硬度和高强度。 马氏体的硬度值主要取决于钢的含碳量，而与合金元素的关系是间接的；（合金元素对硬度的影响不大，但强度可提高） 当含碳量小于0.6%时，马氏体硬度随着含碳量的增加而迅速增加，当含碳量大于0.6%时，由于淬火后残余奥氏体增多，使钢的硬度反而降低。如图所示；,马氏体的强化机理为： 固溶强化：主要是碳原子的固溶强化； 亚结构强化（相变强化）：高密度的位错和孪晶； 时效强化（沉淀强化）：碳原子的偏聚和碳化物的析出。 原始晶粒尺寸越细，马氏体条、片越细，强度硬度越高；,塑性和韧性：一般低碳板条马氏体的强度和硬度低于高碳片状马氏体，但塑性和韧性要高于片状马氏体； 原因： 片状马氏体：微细孪晶破坏了滑移系；碳浓度高，晶格畸变大；显微裂纹多，内应力大；所以脆性大； 板条状马氏体：位错密度不均匀；碳浓度低，晶格畸变小，有自回火；无显微裂纹，内应力小；所以塑性、韧性好；,马氏体淬火时，产生较大内应力的原因： 马氏体的比容是钢中各组织中最大的一种(0.12708-0.13061)，奥氏体的比容是各组织中最小的一种(0.12227)，当奥氏体向马氏体转变时，引起的体积膨胀非常大。,34,（三）、马氏体转变的特点,、马氏体转变的非扩散性 马氏体转变是在温度很低的情况下进行的，因而铁、碳和合金元素的原子都不发生扩散，而是通过集体的切变、有规律、近程的迁移来完成相变的。速度快。 Fe-Ni合金，-20-195 ，每片形成时间为510-5 5 10-7S。,、马氏体转变的切变共格性 马氏体转变时，预先抛光的试样表面出现倾动，产生表面浮凸（见下图），说明马氏体相变是在切变共格的界面（惯习面）上进行的。,惯习面是一个尺寸形状不变的平面，且不发生转动。 切变理论-G-T模型（两次切变理论）,（1）、沿惯习面均匀切变宏观变形-浮凸-复杂三棱结构。 （2）、宏观不均匀切变-在马氏体的（112）面的11-1 方向上发生1213的切变。滑移位错或孪生-孪晶 -体心立方,、马氏体转变具有一定的位向关系和惯习面： 关系: (1.4%碳钢) 110111 111110 西山关系： (1.4%碳钢, Fe-Ni30%合金) 110111 110 211 惯习面：W0.6时，（111） W（0.61.4）时，（225） W.4时，（259） 有时可能出现两种惯习面中脊面,、马氏体转变是在一个温度范围内进行的,等温转变：特殊合金-但进行不彻底。 变温转变：一般钢的马氏体转变在一定的范围内完成，马氏体的转变量是温度的函数。等温转变不能使转变进行到底。 说明：马氏体的转变量只取决于转变温度，而与保温时间无关；如图所示： 转变没有孕育期； 随着温度的降低，不断的增多，但先形成的并不长大； 冷却到点，转变结束，但仍然有存在；,、马氏体转变的不完整性 马氏体转变不可能获得百分之百的。 在MsMf范围内的变温转变，即使冷却到Mf以下，得不到100%M，存在残余奥氏体（用表示）。 影响残余奥氏体的因素： 中的含碳量：越高，则残余奥氏体的量增加；含碳0.6-1.0%，小于10%，含碳1.3-1.5%， 为30-50% 合金元素：使残余奥氏体的量增加； 冷处理：,、奥氏体的稳定化： 在外界条件的影响下，向的转变呈现迟滞的现象； 奥氏体的热稳定化：在淬火中慢冷或中间停留造成的稳定化；如图所示； 从图中可知： ）在某一温度停留时间越长，热稳定化程度越大 ）转变中断温度越低，转变再开始的滞后温度越大，残余奥氏体的量增加；,奥氏体的机械稳定化：在淬火中受到塑变、压应力而造成的稳定化； Md-形变马氏体点MS； 小于Md，形变可诱发马氏体相变：,7、马氏体转变的可逆性 某些有色金属奥氏体和马氏体可互相进行可逆转变。 MsMf范围内，AM； AsAf范围内，M A。 一般As大于Ms，两者相差很小的合金，如Au-Cd，In-Ti，Cu-Al-热弹性马氏体-形状记忆合金的基础。,（四）马氏体转变的应用举例 1、低碳钢和低碳合金钢采用强烈淬火板条马氏体。 2、中碳低合金钢或中碳合金钢高温加热淬火板条马氏体加少量的片状马氏体。 3、高碳钢件低温快速短时加热淬火隐晶马氏体和碳化物。 4、焊接件一般含碳量小于0.2%，中碳钢焊接必须采取预热和缓冷，多层焊。 5、中锰耐磨铸铁。,47,六、贝氏体（）转变,贝氏体是一种半扩散型的中温转变产物，转变温度位于珠光体转变温度之下，马氏体之上 贝氏体：是过饱和的铁素体和碳化物的机械混合物。 与珠光体转变和马氏体转变有相似之处，有不同之处。有扩散有切变。 下贝氏体具有优良的综合机械性能，生产中采用等温淬火获得。,（一）、贝氏体的组织形态 、上贝氏体（上） 形成温度：600350 低倍形态：羽毛状 高倍形态：断续的短棒状的渗碳体分布在铁素体基体上,与珠光体和板条马氏体的区别： 上贝氏体中的铁素体含过饱和的碳；有位错缠结存在，铁素体条较宽，随转变温度的下降而减小。Fe3C是断续的，条状的，主轴平行于铁素体条。 上贝氏体中的铁素体与马氏体中的板条马氏体相似，但位错密度小2-3个数量级。约108-109cm-2。,、下贝氏体（下） 形成温度：350 低倍形态：针状或竹叶状 高倍形态：在片状的铁素体上分布着细小弥散的碳化物，且碳化物与片的主轴成5565角。有位错，密度大于上贝氏体。无挛晶。,51,、粒状贝氏体（粒）,一般在低、中碳合金钢中常常产生 形成温度：在上贝氏体形成温度以上和贝氏体转变温度以下形成的. 金相形态：在铁素体的基体上分布着不规则的颗粒状小岛，这些小岛可能是富碳的奥氏体区，也可能是奥氏体的转变产物，如珠光体型、贝氏体型或马氏体型转变产物。,（二）贝氏体的性能 是一种强韧性很好的组织，一般下贝氏体的强韧性要远远高于上贝氏体。 如图，在上贝氏体形成温度范围，对应的冲击韧性指标出现低谷，而在下贝氏体产生的温度范围，贝氏体的冲击韧性值很高。 原因：上贝氏体粗大的羽毛在晶界处，割裂了晶界的连续型，弱化了晶界，而下贝氏体是随机分布的，且尺寸较小。,性能取决于F和碳化物的形态及分布 形成温度越低，贝氏体中的铁素体变细，含碳量增加；碳化物的尺寸变小，数量增加，形态由断续的杆状或层状变为细片状。 下贝氏体，铁素体内沉淀细小的碳化物，位错密度高，强度高，韧性好。 粒状贝氏体，粒状或针状铁素体上分布着许多小岛，强化作用。 因此，贝氏体的强度，硬度提高。,54,（三）、贝氏体转变特点,、贝氏体转变是一个形核与核长大的过程 需要一个孕育期，上贝氏体的领先相是铁素体，铁素体晶核首先在贫碳的奥氏体晶界上形成，下贝氏体的领先相也是铁素体，但可在奥氏体晶粒内部形成。,、贝氏体转变是一个半扩散型相变 贝氏体转变中，铁和合金元素的原子不发生扩散，而只有碳等小原子发生扩散。,、贝氏体中铁素体的形成是按马氏体的转变机制来完成的 贝氏体相变时也出现