《合金钢中的相变》PPT课件.ppt

Chapter 5 合金钢中相变,第一节 合金元素对钢加热时转变的影响 第二节 合金元素对过冷奥氏体分解的影响 第三节 合金元素对淬火钢回火转变的影响,主要内容,第一节 合金元素对钢在加热时转变的影响 合金钢加热时奥氏体化过程包括： 1转变； 2碳化物、氮化物或金属间化合物在奥氏体中的溶解； 3奥氏体晶粒的再结晶。 奥氏体的形成可以按两种相互竞争的相变机制进行： 1晶体学无序机制： 相新晶粒的形成相对于原始相来说，改变了大小和取向。 2晶体学有序机制： 相以切变的方式转变为相，所以两相的大小和取向有一定的关系。,决定相变机制的主要因素是： 原始组织的类型以及它们之间精确的晶体学有序性。 一、原始无序组织（铁素体碳化物）,原始无序的组织发生无序的重结晶机制。奥氏体形成的无序机制如图所示。,二、原始有序组织（马氏体、贝氏体）钢中的组织遗传性 对原始有序组织加热高于Ac3，可能导致形成的奥氏体晶粒与原始晶粒具有相同的形状、大小和取向，称为钢的组织遗传性。,合金化和加热速度对出现组织遗传性的影响如下：,钢的合金化程度越高，加热速度越快，越容易在钢中出现组织遗传性。 原始有序组织在加热和冷却时，钢的重结晶示意图如图所示。,由图可见： 1当足够快地加热淬火钢时，将按晶体学有序机制形成奥氏体，得到粗晶组织。 2在中等加热速度下，马氏体完全分解发生在过渡之前，不会出现组织遗传性。这时的过渡与再结晶过程重合，晶粒得到细化。 3当加热温度高于Tp，发生再结晶，此时奥氏体晶粒形态发生变化。,碳化物和氮化物在奥氏体中的溶解规律 各种碳化物和氮化物在奥氏体中的溶解度与1/T的关系如图所示：,最稳定的化合物的溶解度最低。由图可知： 1强碳化物形成元素组成的稳定碳化物，如TiC、NdC、VC等只有在高温下才溶于奥氏体。 2碳化物的溶解度随温度的降低而下降，因此，如果有足够数量的合金元素存在的话，合金碳化物将在随后的冷却过程中发生沉淀。 弱的碳化物形成元素可降低强碳化物的稳定性，加速其溶解，如锰加入含Nd、V、Ti的钢中，能促进强碳化物的溶解。,奥氏体晶粒长大 合金元素对奥氏体晶粒的影响如下： 1机械阻碍论 由于晶界上有众多的高度弥散的化合物质点，这些质点机械地阻碍了奥氏体晶粒的长大。 这些高度弥散的化合物可以是一些稳定的碳化物、也可以是一些氮化物、或者是非金属夹杂物。 2合金元素对奥氏体界面能的影响 合金元素溶入奥氏体之后，改变了奥氏体的界面能，因而改变了奥氏体的长大倾向。,3合金元素对原子间结合强度的影响 合金元素溶入奥氏体后改变了原子间的结合强度，从而引起了激活能和铁的自扩散系数的变化。 综合上述三个理论，则能够较好地解释下列事实： 1单相的晶粒比晶粒易于长大。 Fe原子结合强度小于Fe，因而Fe的自扩散系数大于Fe的自扩散系数，因此单相的相晶粒比相晶粒易于长大。 2C、B的溶入奥氏体，促进晶粒长大。 C、B的溶入显著地降低了Fe点阵的结合力，增加了Fe原子的自扩散系数，所以促进奥氏体晶粒的长大。 3碳化物形成元素（Ti V Zr Nb W Mo） 碳化物形成元素与碳结合成碳化物，使碳保持在固溶体之外，从而削弱了C降低点阵结合力的影响，所以阻碍奥氏体晶粒的粗化。,第二节 合金元素对过冷奥氏体分解的影响,一、合金元素对过冷奥氏体稳定性的影响 合金元素对C曲线的影响分为以下两种： 1合金元素加入后，C曲线仍然保持与碳钢相同的形式，只是位置有所改变。 非碳化物形成元素属于这种类型：Ni、Al、Si、Cu、Co 2合金元素加入后，不仅使C曲线位置移动，而且使C曲线的形状改变。 碳化物形成元素属于这种类型：Cr、Mo、W、V等。,过冷奥氏体的等温分解曲线可分为六种基本类型：,a）碳素钢以及不含碳化物形成元素的低合金钢。 特点：珠光体和贝氏体转变没有分开。 b，d）含碳化物形成元素的合金钢。 特点：分解曲线分成珠光体和贝氏体转变两部分。b图对应于含碳量为0.4-0.5%的结构钢；d图对应于含碳量较高的工具钢。 c）CrNiMo和CrNiW含碳量在0.15-0.25%。 特点：珠光体转变区，过冷奥氏体十分稳定，图上不出现珠光体转变区，而在贝氏体转变区，稳定性很小。 e）高Cr钢 特点：只有珠光体转变，不出现贝氏体转变。 f）高合金奥氏体钢 特点：不出现珠光体和贝氏体转变。,二、合金元素对珠光体转变的影响 珠光体转变是典型的形核和长大过程。不同的合金元素可以对形核率N和长大速率G产生不同的影响。例如：Mo和Ni同时降低N和G；而Co和Al同时提高N和G。 为了完成合金奥氏体的共析分解，除了C的扩散以外，还需要合金元素的扩散再分配。也就是在渗碳体和铁素体与奥氏体之间的界面上，合金元素产生再分配。 即在渗碳体中固溶度高的那些合金元素将扩散到渗碳体中去，而非碳化物形成元素不存在此情况。 说明： 1当合金元素的成分达到临界含量，渗碳体将被其合金碳化物所取代。 2强碳化物形成元素Nb、Ti、V当其含量低于0.1%时也可能优先形成合金碳化物。,三、合金元素对贝氏体转变的影响 合金钢中贝氏体组织中的碳化物是合金碳化物，而且其合金元素的平均含量接近于奥氏体中合金元素的含量，所以，贝氏体转变时只有碳原子的扩散，而没有合金元素的扩散。 合金元素对贝氏体转变的影响主要通过以下两个途径： 1对碳原子扩散速度的影响。 2对转变速度的影响。 根据不同合金元素的作用特点，可以分为以下几种情况： 1Cr、Mn、Ni等合金元素对贝氏体转变有较大的滞缓作用（孕育期延长）。（如下图a所示） 原因：1.这三种元素降低转变温度； 2.降低和间的自由能差，从而减慢其转变速度。,2. Mo、W、V对贝氏体转变的滞缓作用较弱。（如下图b所示） 原因：1.虽然这三种元素升高转变温度，而且还加大和间的自由差； 2.但是降低了碳原子的扩散速度，所以其滞缓作用并不明显。,合金元素对1.0%C碳钢的影响,四、合金元素对马氏体转变的影响 除Co、Al以外，大多数固溶于奥氏体的合金元素均降低马氏体转变温度。,Ms和Mf点的下降，使得室温下将保留更多的残余奥氏体量。,合金元素对1.0%C碳钢1150淬火后残余奥氏体含量的影响,第三节 合金元素对淬火钢回火转变的影响 回火是将淬火钢加热到临界点Ac1以下某一温度，保温后以适当方式冷却至室温的一种热处理工艺。 钢的淬火组织是马氏体残余奥氏体，均为亚稳定状态。马氏体是C在相中的过饱和固溶体，随回火温度的升高，C要从马氏体中析出形成碳化物及其聚集长大；残余奥氏体处于过冷状态，趋于向铁素体和渗碳体（碳化物）的稳定状态转化。淬火钢回火时，进行： 一、马氏体的分解 马氏体的分解实际上就是C在过饱和的固溶体中的脱溶，所以，合金元素对马氏体分解的影响就是影响C在固溶体中的活度。,如图所示，碳化物形成元素（Cr、W、V、Nb）强烈推迟马氏体的分解（即从中析出碳）。其原因是由于这些元素降低了碳在固溶体中的活度。 非碳化物形成元素和弱碳化物形成元素对马氏体的分解影响较弱。,（1）碳钢，（2）含非碳化物形成元素的钢，（3）含碳化物形成元素的钢中，碳从马氏体中析出的基本规律,二、特殊碳化物的形成及其聚集长大； 马氏体回火时，随回火温度的升高，合金元素发生明显扩散时，非碳化物形成元素离开碳化物，碳化物形成元素向渗碳体富集，形成合金渗碳体。合金碳化物的形成方式一般有两种： 1在预先存在的合金渗碳体颗粒处原位形核。 碳化物形成元素向渗碳体富集，当其浓度超过在合金渗碳体中的溶解度时，合金渗碳体就在原位转变成特殊碳化物。 原位形核的条件是：渗碳体中必须溶解较多的合金元素，从而保证特殊碳化物的形成。由于Cr在渗碳体中的溶解度高达20，因此在Cr钢中合金碳化物的原位形核较常见。,（M马氏体；0回火马氏体；MxCy特殊碳化物）,2在铁素体基体中直接形核。 含强碳化物形成元素的钢中，在回火过程中直接从相中析出特殊碳化物，同时伴随着渗碳体的溶解，可使HRC和强度提高（二次硬化效应）。 如 V，Nb, Ti等都属于此类型。,M 淬火马氏体;,0 回火马氏体.,下图为质量分数分别为0.3%C和2.1%V的钒钢1250淬火，不同温度回火2小时，碳化物成分、结构和硬度的变化：,从图中可以看出： 1温度低于500时，V仍固溶于马氏体，强烈阻碍马氏体的分解。 2温度高于500时，直接从马氏体基体相中析出VC，直到700度时VC全部析出，Fe3C全部溶解。,三、残余奥氏体的分解 降低马氏体转变温度的合金元素，均增加淬火钢中的残余奥氏体量；而升高马氏体转变温度的合金元素，则降低残余奥氏体量。 如图所示为40CrNiMo和30CrMo钢淬火态试样中的少量残余奥氏体量与温度的关系。,从图中可以看出：残余奥氏体的转变仅发生在高于200 ，并且在300 左右转变完成，更高温度回火后，渗碳体变为显微组织中的重要组成。,在淬火的高合金钢中，残余奥氏体可能在回火冷却过程中转变为马氏体。 在回火过程中从残余奥氏体中析出合金碳化物，从而贫化残余奥氏体中的碳和合金元素，导致其马氏体转变温度高于室温，因而在冷却的过程中转变为马氏体。这种现象称为二次淬火。,四、相的回复与再结晶 淬火钢随着回火温度的提高，发生位错的重新分布与消失，位错形成网络，构成亚晶界，产生多边化亚结构并开始再结晶。 五、弥散强化 淬火钢回火时，有两个相反的因素影响强度： 1马氏体的分解，导致弱化。 2. 特殊碳化物质点的弥散析出导致强化（弥散质点可有效阻碍位错运动）。,淬火钢回火时，（1）弥散碳化物质点析出和（2）马氏体的分解 及其（3）总效果 a） b） a） 图： ，钢的强度的总变化存在强度上升的峰值。 b）图： ，钢的强度的总变化不存在峰值，只能观察到缓慢的弱化过程。,对某种相组成的弥散质点，其强化与弱化的作用取决于形成弥散相所含的合金元素量。,如图所示： 1V0时，无VC析出，所以VC0。 2V0.25%时， 因而500600 回火后曲线几乎为水平线。 3. V0.25%时， 曲线上可观察到强度的上升，称为二次硬化峰。,弥散硬化：弥散质点数量很多时，强度曲线上的二次强化峰很明显，这种现象称为弥散硬化。 弥散强化：弥散质点数量较少时，强度曲线出现缓慢下降，这种现象称为弥散强化。 注意：二次硬化峰也与回火时残余奥氏体转变为马氏体（二次淬火）相联系，这样，二次硬化峰常常可能由弥散强化和二次淬火所决定。,六、合金钢的回火脆性 （一）第一类回火脆性 淬火钢在250400 回火后出现的脆性，称为低温回火脆性，又叫第一类回火脆性。 产生第一类回火脆性的原因： 1由于马氏体分解时沿马氏体板条或片的界面析出断续的碳化物，降低晶界的断裂强度； 2杂质元素在原奥氏体晶界的偏聚，使晶界强度进一步降低； 3板条相界残余奥氏体薄膜的失稳分解。 抑制第一类回火脆性的方法： 1推迟Fe3C的形核与长大； 2减少杂质元素的含量或改变其分布； 3. 增加残余奥氏体的稳定性。,（二）第二类回火脆性 在450650