第二章热处理原理剖析

1、第二章热处理原理剖析1 （二）、粒状珠光体的形成、组织与性能（二）、粒状珠光体的形成、组织与性能 粒状珠光体是通过粒状珠光体是通过 碳化物的球化而获碳化物的球化而获 得的；（得的；（FFe C 粒粒） ） 、组织、组织 右图所示，是粒状右图所示，是粒状 的碳化物均匀弥散的碳化物均匀弥散 地分布在铁素体基地分布在铁素体基 体上；体上； 第二章热处理原理剖析 由过冷奥氏体直接分解而成：由过冷奥氏体直接分解而成： 条件：过共析钢加热到条件：过共析钢加热到 稍上： 稍上： 、奥氏体、奥氏体（成分不均匀）：（成分不均匀）： 、未溶渗碳体：、未溶渗碳体： 、过冷到、过冷到 以下一个很小 以下一个很小 的过

2、冷度时：的过冷度时： 由片状珠光体球化而成：由片状珠光体球化而成：如图如图 所示：所示： 通过淬火和高温回火得到：通过淬火和高温回火得到： 第二章热处理原理剖析 第二章热处理原理剖析 渗碳体球化的原因：渗碳体球化的原因： 在略高于在略高于A1温度保温时，第二相颗粒温度保温时，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近曲率半径大的渗碳体平面处的奥氏体含 碳量低。碳量低。 导致扩散破坏界面平衡为恢导致扩散破坏界面平衡为恢 复平衡尖角处的渗碳体溶

3、解，曲率半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，曲率半径增大，而平面处的渗碳体长大，曲率半 径减小，渗碳体球化。径减小，渗碳体球化。 第二章热处理原理剖析 n渗碳体颗粒的大小由奥氏体转变温度而渗碳体颗粒的大小由奥氏体转变温度而 定，低细小。定，低细小。 n渗碳体颗粒的形态取决于奥氏体化温度渗碳体颗粒的形态取决于奥氏体化温度 n（1）奥氏体化得到碳浓度不均匀或未溶）奥氏体化得到碳浓度不均匀或未溶 的渗碳体质点；的渗碳体质点； n（2）在）在A1下较高温度范围内缓冷。下较高温度范围内缓冷。 n淬火回火粒状珠光体。淬火回火粒状珠光体。 第二章热处理原理剖析 、性能：、性能：

4、 粒状珠光体的性能与渗碳体颗粒的大小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；多，则钢的硬度、强度也就越高； 与片状珠光体相比，粒状珠光体具有更与片状珠光体相比，粒状珠光体具有更 高的韧性和塑性，高的韧性和塑性，而硬度降低而硬度降低，适于改，适于改 善钢的切削加工性。善钢的切削加工性。 141+0.11（单位体积（单位体积F/Fe3C相界面）相界面） 第二章热处理原理剖析 第二章热处理原理剖析 （三）先共析相的析出：（三）先共析相的析出： n亚（过）共析钢有先共析相的析出；亚（过）共析钢有先共析相的析

5、出； n在实际冷却条件下：在实际冷却条件下：如图所示如图所示： 其中：其中： 线：渗碳体在过冷奥氏体中的饱 线：渗碳体在过冷奥氏体中的饱 和溶解度极限；和溶解度极限； 线：铁素体在过冷奥氏体中的饱 线：铁素体在过冷奥氏体中的饱 和溶解度极限；和溶解度极限； n在在 、 、 线下同时析出渗碳体和铁素 线下同时析出渗碳体和铁素 体，称为伪珠光体（伪共析区）体，称为伪珠光体（伪共析区） 第二章热处理原理剖析 第二章热处理原理剖析 故：故： 冷却速度越快，先共析量越少；冷却速度越快，先共析量越少；C曲线曲线 含碳量越低，先共析铁素体的量越多；含碳量越低，先共析铁素体的量越多； 生产中的应用：生产中的应

6、用： 低碳钢轧后喷雾、水冷，增加珠光体的量，提低碳钢轧后喷雾、水冷，增加珠光体的量，提 高强度；高强度； 高碳钢轧后空冷，消除网状渗碳体；高碳钢轧后空冷，消除网状渗碳体； 珠光体组织的应用：珠光体组织的应用： 高碳钢的铅浴淬火获得索氏体，冷拔获得高高碳钢的铅浴淬火获得索氏体，冷拔获得高 强度的钢丝；强度的钢丝； 第二章热处理原理剖析 五、马氏体转变五、马氏体转变 第二章热处理原理剖析 第二章热处理原理剖析 、马氏体形成的热力学条件、马氏体形成的热力学条件 第二章热处理原理剖析 （）、相变阻力大：（）、相变阻力大： 温度低于 温度低于 奥氏体并不是马上转变为 奥氏体并不是马上转变为 马氏体，而是

7、温度必须降到点以下，转马氏体，而是温度必须降到点以下，转 变才能发生，这是因为变才能发生，这是因为: 、马氏体转变是一个共格界面的转、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。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，则构成了大因而转变的弹性应变能非常大，则构成了大 的相变阻力。的相变阻力。 G- G体 体+（ （G表 表+ G弹弹） ） 第二章热处理原理剖析 、马氏体具有高密度的位错和孪晶，、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。形成这些缺陷需要大的外加能量。 n Ms的物理意义：奥氏体和马氏体两相的物理意义：奥氏体

8、和马氏体两相 自由能差达到相变所需的最小驱动力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值时的温度。即开始发生马氏体转变 的温度。的温度。 第二章热处理原理剖析 （二）马氏体的晶体结构、组织和性能（二）马氏体的晶体结构、组织和性能 、马氏体的晶体结构、马氏体的晶体结构 钢中马氏体的本质：是碳在钢中马氏体的本质：是碳在-Fe中的中的 过饱和间隙固溶体过饱和间隙固溶体 。含碳量最大可以达到。含碳量最大可以达到 2.11% 第一种：体心立方结构（当含碳量第一种：体心立方结构（当含碳量 很低或不含碳时）很低或不含碳时） 第二种：第二种：体心正方结构体心正方结构（当含碳量（当含碳

9、量 较高或很高时）晶格常数：较高或很高时）晶格常数：； 90 第二章热处理原理剖析 马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构 第二章热处理原理剖析 第二章热处理原理剖析 、马氏体的组织形态：、马氏体的组织形态： （）板条状马氏体（低碳马氏体、位错马（）板条状马氏体（低碳马氏体、位错马 氏体）氏体） 光学显微镜下：平行的板条状；光学显微镜下：平行的板条状；如图所示如图所示： 大角度晶界：束与束大角度晶界：束与束 小角度晶界：板条与板条小角度晶界：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；余奥氏体存在； 电镜下：板条内有大量的位错电镜下

10、：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；且分布不均匀，形成胞状亚结构；如图所示如图所示； 故板条马氏体又叫位错马氏体，故板条马氏体又叫位错马氏体， 第二章热处理原理剖析 第二章热处理原理剖析 第二章热处理原理剖析 故板故板 条马氏体又叫低碳马氏体；条马氏体又叫低碳马氏体； 第二章热处理原理剖析23 （）片状马氏体（）片状马氏体 (高碳马氏体、孪晶马氏体）高碳马氏体、孪晶马氏体） 双凸透镜形；双凸透镜形； 第二章热处理原理剖析 第二章热处理原理剖析 第二章热处理原理剖析 第二章热处理原理剖析 第二章热处理原理剖析 第二章热处理原理剖析 第二章热处理

11、原理剖析30 、马氏体的性能、马氏体的性能 马氏体性能的显著特点是高硬度和高马氏体性能的显著特点是高硬度和高 强度。强度。 马氏体的硬度值主要取决于钢的含碳量，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）对硬度的影响不大，但强度可提高） n当含碳量小于当含碳量小于0.6%时，马氏体硬度随着时，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，使钢时，由于淬火后残余奥氏体增多，使钢 的硬度反而降低。的硬度反而降低。如

12、图所示；如图所示； 第二章热处理原理剖析 n马氏体的强化机理为：马氏体的强化机理为： 固溶强化：主要是碳原子的固溶强化；固溶强化：主要是碳原子的固溶强化； 亚结构强化（相变强化）：高密度的位亚结构强化（相变强化）：高密度的位 错和孪晶；错和孪晶； 时效强化（沉淀强化）：碳原子的偏聚时效强化（沉淀强化）：碳原子的偏聚 和碳化物的析出。和碳化物的析出。 原始晶粒尺寸越细，马氏体条、片越细，原始晶粒尺寸越细，马氏体条、片越细， 强度硬度越高；强度硬度越高； 第二章热处理原理剖析 第二章热处理原理剖析 第二章热处理原理剖析34 （三）、马氏体转变的特点（三）、马氏体转变的特点 、马氏体转变的非扩散性、

13、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，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，因而铁、碳和合金元素的原子都不发生扩散， 而是通过而是通过集体的切变、有规律、近程的迁移集体的切变、有规律、近程的迁移来来 完成相变的。速度快。完成相变的。速度快。 Fe-Ni合金，合金，-20-195 ，每片形成时，每片形成时 间为间为510-5 5 10-7S。 第二章热处理原理剖析 、马氏体转变的切变共格性、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

14、动，产生表面浮凸（见下图），说明马氏体相变 是在是在切变共格的界面切变共格的界面（惯习面惯习面）上进行的。上进行的。 第二章热处理原理剖析 n惯习面惯习面是一个尺寸形状不变的平面，是一个尺寸形状不变的平面， 且不发生转动。且不发生转动。 n切变理论切变理论-G-T模型（两次切变理论）模型（两次切变理论） （1）、沿惯习面均匀）、沿惯习面均匀 切变切变宏观变形宏观变形-浮凸浮凸 -复杂三棱结构。复杂三棱结构。 （2）、宏观不均匀切）、宏观不均匀切 变变-在马氏体的（在马氏体的（112） 面的面的11-1 方向上发生方向上发生 1213的切变。滑的切变。滑 移移位错或孪生位错或孪生-孪晶孪晶 -体

15、心立方体心立方 第二章热处理原理剖析 、马氏体转变具有一定的位向关系和惯习面：、马氏体转变具有一定的位向关系和惯习面： 关系关系: (1.4%碳钢碳钢) 110 111 111 110 西山关系：西山关系： (1.4%碳钢碳钢, Fe-Ni30%合金合金) 110 111 110 211 惯习面：惯习面：W0.6时，（时，（111） W（0.61.4）时，（）时，（225） W.4时，（时，（259） 有时可能出现两种惯习面有时可能出现两种惯习面中脊面中脊面 第二章热处理原理剖析 、马氏体转变是在一个温度范围内进行的、马氏体转变是在一个温度范围内进行的 第二章热处理原理剖析 第二章热处理原理剖

16、析 第二章热处理原理剖析 、马氏体转变的不完整性、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。马氏体转变不可能获得百分之百的。 在在MsMf范围内的变温转变，即使冷却到范围内的变温转变，即使冷却到Mf以下，以下， 得不到得不到100%M，存在残余奥氏体（用，存在残余奥氏体（用 表示）。 表示）。 影响残余奥氏体的因素：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；含中的含碳量：越高，则残余奥氏体的量增加；含 碳碳0.6-1.0%，小于小于10%，含碳，含碳1.3-1.5%， 为为 30-50% 合金元素：使残余奥氏体的量增加；合金元素：使残余奥氏体的量增加； 冷处理

17、：冷处理： 第二章热处理原理剖析 第二章热处理原理剖析 第二章热处理原理剖析 第二章热处理原理剖析 7、马氏体转变的可逆性、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某些有色金属奥氏体和马氏体可互相进 行可逆转变。行可逆转变。 MsMf范围内，范围内，AM； AsAf范围内，范围内，M A。 一般一般As大于大于Ms，两者相差很小的合金，两者相差很小的合金， 如如Au-Cd，In-Ti，Cu-Al-热弹性马氏体热弹性马氏体- -形状记忆合金的基础。形状记忆合金的基础。 第二章热处理原理剖析 （四）马氏体转变的应用举例（四）马氏体转变的应用举例 1、低碳钢和低碳合金钢、低碳钢和低碳合

18、金钢采用强烈淬火采用强烈淬火板板 条马氏体。条马氏体。 2、中碳低合金钢或中碳合金钢、中碳低合金钢或中碳合金钢高温加热淬高温加热淬 火火板条马氏体加少量的片状马氏体。板条马氏体加少量的片状马氏体。 3、高碳钢件、高碳钢件低温快速短时加热淬火低温快速短时加热淬火隐晶马隐晶马 氏体和碳化物。氏体和碳化物。 4、焊接件一般含碳量小于、焊接件一般含碳量小于0.2%，中碳钢焊接必，中碳钢焊接必 须采取预热和缓冷，多层焊。须采取预热和缓冷，多层焊。 5、中锰耐磨铸铁。、中锰耐磨铸铁。 第二章热处理原理剖析47 六、贝氏体（）转变六、贝氏体（）转变 贝氏体是一种半扩散型的中温转变产物，贝氏体是一种半扩散型的

19、中温转变产物， 转变温度位于珠光体转变温度之下，马氏转变温度位于珠光体转变温度之下，马氏 体之上体之上 贝氏体：是过饱和的铁素体和碳化物的贝氏体：是过饱和的铁素体和碳化物的机机 械械混合物。混合物。 与珠光体转变和马氏体转变有相似之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。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，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。生产中采用等温淬火获得。 第二章热处理原理剖析 （一）、贝氏体的组织形态（一）、贝氏体的组织形态 、上贝氏体（、上贝氏体（上 上） ） 形成温度：形成温度：600350 低倍形态：羽

20、毛状低倍形态：羽毛状 高倍形态：断续的短棒状高倍形态：断续的短棒状 的渗碳体分布在铁素体基体上的渗碳体分布在铁素体基体上 第二章热处理原理剖析 n与珠光体和板条马氏体的区别：与珠光体和板条马氏体的区别： n上贝氏体中的铁素体含过饱和的碳；有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，随转变位错缠结存在，铁素体条较宽，随转变 温度的下降而减小。温度的下降而减小。Fe3C是断续的，条是断续的，条 状的，主轴平行于铁素体条。状的，主轴平行于铁素体条。 n上贝氏体中的铁素体与马氏体中的板条上贝氏体中的铁素体与马氏体中的板条 马氏体相似，但位错密度小马氏体相似，但位错密度小2-3个数

21、量级。个数量级。 约约108-109cm-2。 第二章热处理原理剖析 、下贝氏体（、下贝氏体（下 下） ） 形成温度：形成温度：350 低倍形态：针状或竹叶状低倍形态：针状或竹叶状 高倍形态：在片状高倍形态：在片状 的铁素体上分布着细小弥散的的铁素体上分布着细小弥散的碳化物，且碳化碳化物，且碳化 物与片的主轴成物与片的主轴成5565角。有位错，密度大于角。有位错，密度大于 上贝氏体。无挛晶。上贝氏体。无挛晶。 第二章热处理原理剖析51 、粒状贝氏体（、粒状贝氏体（粒 粒） ） n 一般在低、中碳合金钢一般在低、中碳合金钢 中常常产生中常常产生 形成温度形成温度：在上贝氏体形成：在上贝氏体形成

22、温度以上和贝氏体转变温度温度以上和贝氏体转变温度 以下形成的以下形成的. 金相形态金相形态：在铁素体的基体：在铁素体的基体 上分布着不规则的颗粒状小上分布着不规则的颗粒状小 岛，这些小岛可能是富碳的岛，这些小岛可能是富碳的 奥氏体区，也可能是奥氏体奥氏体区，也可能是奥氏体 的转变产物，如珠光体型、的转变产物，如珠光体型、 贝氏体型或马氏体型转变产贝氏体型或马氏体型转变产 物。物。 第二章热处理原理剖析 性能取决于性能取决于F和碳化物的形态及分布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，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增加，形态由断续的杆状或层状变为细 片状。片状。 下贝氏体，铁素体内沉淀细小的碳化物，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。位错密度高，强度高，韧性好。 粒状贝氏体，粒状或针