第七章钢淬火和回火

1、中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院 第七章 钢的淬火和回火 （1） 7.1 7.1 马氏体相变的基本理论马氏体相变的基本理论 7.2 7.2 钢中的马氏体相变钢中的马氏体相变 7.3 7.3 钢的淬火钢的淬火中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院引言Times of cool-weapons or hot-weaponsPerformance of the quenched and/or tempered steels. 钢的淬火冷却方式及回火辽阳三道壕出土的西汉钢剑具有神奇的高强度、高硬度，金相组织为淬火马氏体。但现代工程中，通常不直接应用M，一般为发

2、挥潜力而采用再加热保温：时效/回火。What is the change in microstructure?中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院7.1 7.1 马氏体相变的基本理论马氏体相变的基本理论 德国冶金学家Adolph Martens首先在钢中观察到M。当钢的奥氏体以大于临界淬火速度冷却到从Ms点以下时，在显微镜下可看到一种针状组织，成分无变化。这种转变称M转变。马氏体组织可在纯金属和许多有色金属中出现。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院7.1.1 7.1.1 马氏体相变的基本特征马氏体相变的基本特征1 1无扩散性无扩散性 : : 替代式原子

3、的移动不超过一个原子间距。间隙式可能扩散（碳扩散不是M转变的控制因素）。 原子协同运动，相邻关系不变。 晶体结构变化 化学成分不变化 切变式位移切变式位移中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院2 2表面浮凸和形状改变表面浮凸和形状改变相变过程中发生宏观切应变金相表现：浮凸Cu-18Zn-14Al合金M相变前后OM中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院3 3惯习面及其不应变性惯习面及其不应变性 Fe0.51.4C 225 钛合金 344 孪生切变 马氏体相变有宏观应变 惯习面无宏观可测的应变4 4新、旧相之间有位向关系新、旧相之间有位向关系 K-S关系（1.4

4、%钢）： 111/110M (101) /(110)M N关系（Fe30%Ni合金 ）：西山关系 111/110M和(211) /(110)M ) 不变平面应变不变平面应变中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院5 5马氏体内往往有亚结构马氏体内往往有亚结构 高密度位错或细微孪晶 （铁基合金） 孪晶或层错（有色合金） 应变在宏观上均匀，微观不均匀。 -M内的细微亚结构是相变时局部不均匀切应变的结果。新旧相之间的比容差异引起共格相界点阵弹性畸变和相界张应力，只依靠协调塑性变形来松弛。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院6 6马氏体相变的可逆性马氏体相变的可逆性

5、 钢中M + Fe3C，但碳钢中奥氏体与马氏体间的可逆反应难以观察到，因为马氏体在加热过程中易分解。有色合金中如铜合金、钛合金SMA中马氏体转变的可逆性易测But for some alloys, e.g. Co-Ni alloy, the martensitic transformation Fcchcp is irreversible. And the surfacerelieves formed during forward transformation will not disappear upon the reverse transformation.Is the formation

6、 of relief reversible?中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院OM, SEM, TEM images for the Lath martensite in 0.13wt.%C Steel quenched from 1273K中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院TTE 无 T2TE 中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院7.1.3 7.1.3 马氏体相变的形核马氏体相变的形核形核位置形核位置 ：非均匀形核，有利形核的位置（如A孪晶及晶界、变形带的交叉处 、原马氏体位置）。位置不随意。一种观点：一种观点：依靠冷却获得驱动

7、力晶体缺陷胚芽(类马氏体结构)弗兰克(Frank)模型: 非热激活 位错圈扩张 110 , 225 产生新位错圈554 Ref.：Olson and Cohen层错形核：FCC to HCP in Co and Ni- Cr stainless steel.M胚芽的Frank模型中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院7.1.4 7.1.4 马氏体相变的晶体学马氏体相变的晶体学1 1经典理论经典理论 贝茵(E C Bain) 模型：沿一个轴适当 收缩，沿另两个轴适当膨胀。 能解释无扩散性及结构转变，但不能 解释惯习面及其不变平面应变特征。 随后发展了多个模型，但有局限！2 2马

8、氏体相变晶体学的唯象理论马氏体相变晶体学的唯象理论 ( (三三过程过程) )Bain关系中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院2) 新点阵产生点阵不变的切变，以得到一个零畸变平面.沿M的x1方向的膨胀收缩至原始位置形成OAB零畸变平面。微细区域的周期性滑移或孪生 3) 马氏体点阵作刚性转动，使零畸变平面回到原始位置，以获得无畸变、不转动的平面，即惯习面OAB惯习面1) 母相中产生改变点阵的形变，特定结 构单位转变成马氏体点阵的晶胞。 贝茵形变，点阵变化 点阵不变应变中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院7.1.5 7.1.5 马氏体相变的动力学马氏体相变的动

9、力学变温马氏体变温马氏体 随着温度降低，马氏体量增加。有效晶核取决于T，靠长大 非热激活形核+非热学性界面迁移： 马氏体与基体之间的共格界面遭到破坏 不需原子扩散 自发形变引起的基体加工硬化 位错，切变，长大快多数碳钢多数合金钢中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院恒温马氏体恒温马氏体 Ms点以下的温度停留，马氏体数量依靠新核与长大逐渐增加。共格应变，诱发新的M核心形成，热激活，长大快但相变慢。爆发型马氏体爆发型马氏体 自触发， 形成速度极快M等温转变动力学爆发型M转变曲线中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院7.2 7.2 钢中的马氏体相变钢中的马氏体相变

10、7.2.1 7.2.1 钢中马氏体的晶体结构、组织形态和力学性能钢中马氏体的晶体结构、组织形态和力学性能1. 1. 马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构 M：碳在-Fe中的过饱和、间隙式固溶体 。含C量低时为BCC；高时为BCT（有时仍保持BCC结构）。 还有正交或其它还有正交或其它M。C占据BCC中的八面体间隙中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院2 2马氏体的组织形态马氏体的组织形态 Type 1: Lath martensite 低碳钢、 低碳合金钢、 马氏体时效钢 不锈钢 Sub-microstructure: high- density dislocations束内条间

11、可能有310nm薄膜A，在低C的中可富C达0.41.04%C。可见铁原子切变可容许C扩散。Schematic structure of lath M中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院别名：位错别名：位错M位错源于点阵不变切变，为相变亚结构。 OM：中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Fe-32Ni合金M电镜照片 Fe-32Ni合金中的片状M，500XType 2: Twin M（片状M） 协调相变体积效应协作亚结构 中脊面为中心 片边复杂的位错组列 在M周围有少量参余A OM中片状M的组织示意图中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院影

12、响马氏体形态的因素影响马氏体形态的因素 含碳量: C%增加, 片状增多 1.0时, 全为片状马氏体A中含C量对M形态的影响 中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Lath martensite in the 2.25Cr-1Mo low alloyed steel quenched in water after austenizing.合金元素：合金元素：CrCr、MoMo、CoCo、Ni%Ni%增加增加, , 片状增加片状增加中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Lenticular martensite in Fe-32%Ni alloy.中南大学中南大

13、学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院工艺参数：形成温度高工艺参数：形成温度高, , 板条状；板条状； 形成温度低形成温度低, , 片状片状 是否与是否与Ms有关？有关？温度对滑移与孪生临界切应力的影响温度对滑移与孪生临界切应力的影响中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院LM stands for lath martensite, TM for twin martensite, and C for carbides in Fe1.4C1.6Cr1.5Al0.35Si0.42Mn heating at 900OC for 30min then quenched in wat

14、er.中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院(Continued), heated at 900OC for 60min then quenchedThere are many other types of M in various alloysQuestion?To analyze the effect of T for austenization on M formation in different carbon steels.中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院3Mechanical properties of M (1) Strengthenin

15、g: From solid solution 间隙原子: 非对称畸变中心(碳原子)的非均匀应力场会与位错产生强烈的交互作用，因而强烈阻碍位错运动，导致强化。 马氏体中溶入替代溶质原子导致强化 From aging 碳原子在马氏体界面、孪晶界面及其他点阵缺陷处偏聚或生成IMCFrom microstructures: Sub-structures and primary A grain 高密度位错、细微孪生，且碳原子往往偏聚于位错、板条界面或 孪晶面上，阻碍位错运动。 原始A晶粒尺寸影响M的晶粒尺寸。 Fe-Ni-C合金M在0OC时的流变 应力和含碳量之间的关系中南大学中南大学金属材料热处理MS

16、E_材料科学与工程学院(2) Plasticity and toughness 在相同强度下，板条状马氏体的塑性和韧性均优于片状马氏体 （含碳量、原始晶粒大小）含0.17%C与0.35%C的铬钢 经淬火和回火后的性能Fe-Ni-C合金的强度、塑性、韧性1：Ms=-25OC; 2: Ms=350OC中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Reasoning:a. 板条状位错易沿滑移面运动，片状晶机械孪生变形受相变孪晶制约。b. 板条状晶中的条界和领域界阻止裂纹扩展，片状晶中的孪晶界造成位错塞积，使孪晶界产生应力集中而出现微裂纹。 c. 平行的板在长大过程中不会互相冲撞，互成一定角

17、度的片状晶在高速长大时可能互相冲撞，产生微裂纹。d. 板条状晶中含有高密度位错，位错处的碳原子偏聚区或优先析出的碳化物相对地比较细小、均匀。片状晶中碳原子偏聚于孪晶界，碳化物沉淀也多集中于孪晶界，在外力作用下，微裂纹易于沿孪晶界扩展。e. 板条M低脆性转变温度、低缺口敏感 中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院7.2.2 7.2.2 钢中马氏体相变的一些基本规律钢中马氏体相变的一些基本规律 1 1马氏体相变的温度范围及其影响因素马氏体相变的温度范围及其影响因素 MsMf 含C%增大，M转变点下降。SSSS from higher C content! C%0.8%,下降慢 合

18、金元素，降低Ms（Al、Co提高Ms） 奥氏体化温度高，Ms高? (Thermal Stress helps shear strain! But if the amount of defects reduces, nucleation of M will be more difficult!) 冷却速度一般很少影响Ms 2 2马氏体相变的速度马氏体相变的速度: : 10-7s for a piece of M中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院3 3惯习面、孪晶面和位向关系惯习面、孪晶面和位向关系 惯习面: 板条状 111，recently 557 片状: change w

19、ith alloy, e.g. 0.51.4 C% 225, 1.51.8 C% 259 , For same steel, when TMs, 259changes to 225with T increase. 片状M的形态会由于惯析面不同而略有差异。孪晶面: 片状 112M 110位向关系: K-S关系或近K-S关系中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院4Remained Austenite 存在原因：未转变的奥氏体高密度位错等晶体缺陷（协作形变）相变阻力增大（缺陷间的交互作用）影响因素：温度、含C量、合金元素、冷却速度。 例如:上世纪90年代开发的高合金超级M钢Fe-0

20、.5Mn-0.2Si-12Cr-6Ni-2.5Mo-0.2Cu-0.05N-0.01C中，淬火后常含大量残余A.作用：影响热处理质量冷处理 连续冷却时M量随温度的变化Fe-C合金淬火至室温后的残余A量中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院5 5奥氏体的热稳定化奥氏体的热稳定化 概念：奥氏体在冷却过程中因等温停留而使其继续转变成马氏体时呈现迟滞现象 。停留的温度可高可低!影响因素：间隙溶质原子（、N)、淬火空位、等温停留的应力弛豫，Fe-Ni中不出现。？慢速冷和快冷意义: 损害钢的性能6 6塑性变形和应力对马氏体相变的影响塑性变形和应力对马氏体相变的影响 (TMd)外加应力促进

21、或阻碍马氏体形成大变形，降低MS，残奥氏体增多；小变形，促进M形成。切应力分量！应力诱发 A机械稳定化 矛盾？MdMsMfG1.27C钢的热稳定化中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Relationship between stress and temperature for martensitic transformation中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院其它物理场也可能导致马氏体相变，如磁致形状记忆合金中利用该种效应，Ni-Mn-Ga合金。可能两种M（斜方，L21）90年代初发现。M转变应变分平行与垂直于惯习面的应变：多向应力是否迎合？切应力分

22、量与惯析面取向是否一致! Fe-2.96Ni在单向压应力增加，Ms点升高，转变时间变短(Acta Mater., 2009)。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院7.3 7.3 钢的淬火：钢的淬火：M M和和B B淬火淬火7.3.1 7.3.1 淬火加热温度淬火加热温度 亚共析碳钢 AC3+(3050) 过共析碳钢保持Carbide AC1+(3050) 合金钢：均匀化，可高T AC3(Accm)+(3050) 亚温淬火、完全淬火将钢加热至临界点(AC1， AC3)以上的一定温度、保温，后快速冷却，使奥氏体发生M或B转变。本节介绍M淬火。问题：粗大晶粒怎么办？过共析钢还有网

23、状CM怎办？碳钢的淬火温度范围中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院7.3.2 7.3.2 淬火冷却淬火冷却既要考虑获得M（快冷，避免A稳定化），又要工件不开裂。临界冷却速度取决于钢中A的稳定性。碳钢与合金钢？理想淬火冷却速度“鼻尖”温度介质: 水、盐水、碱水和油理想的淬火冷却中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院半M硬度与C含量的关系7.3.3 7.3.3 钢的淬透性钢的淬透性 钢接受淬火(奥氏体转变成马氏体)的能力。合理选用钢材及制订热处理工艺的依据。淬透层深度淬透层深度: : 淬火钢件表面至内部马氏 体组织占50处的距离. 淬透层深=淬透性好 对应于淬

24、硬层深度，但 不等于淬硬性。 淬透性与过冷A的稳定性有关中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院淬硬性: 钢在正常淬火条件下所能达到的最高硬度。直接反映于半马氏体组织的硬度。Related to composition of steel，e.g. hardness of quenched carbon steel increases with C concentration。淬透性指数： 1. J3515/据淬火顶端15mm的硬度35HRC 2. 临界淬透直径 意义:半M组织距淬火顶端距离选钢材选冷却淬透性高的钢材淬透性低的钢材中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Jominy hardenability TestHardness HRcDistance from the quenched end末端淬火法末端淬火法淬透性曲线洛氏硬度值水冷端距离关系曲线另另: 临界淬透直径临界淬透直径芯部半马氏体芯部半马氏体中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院几种低碳几种低碳M M钢淬的透性指标钢淬的透性指标淬透直径淬透直径钢号热处理