Chapter9钢的热处理

1、第九章第九章 钢的热处理原理钢的热处理原理本章主要内容本章主要内容n 9-1 热处理概述热处理概述n 9-2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变n 9-3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变n 9-4 钢在回火时的转变钢在回火时的转变本章目的本章目的n 1 阐明钢的热处理的基本原理阐明钢的热处理的基本原理n 2 揭示钢在热处理过程中工艺揭示钢在热处理过程中工艺组织性能的变化规律组织性能的变化规律本章重点本章重点（1）C曲线的实质、分析和应用曲线的实质、分析和应用（2）过冷奥氏体冷却转变及回火转变的）过冷奥氏体冷却转变及回火转变的各种组织的本质、形态和性能特点各种组织的本质、形态和性能特点 (3)

2、马氏体高强度高硬度的本质马氏体高强度高硬度的本质提出问题1.改变成分可以改变材料的性能，还有没有改变成分可以改变材料的性能，还有没有其他手段可以改变材料的性能呢？其他手段可以改变材料的性能呢？2.一把含碳量一把含碳量1.0%的高碳锯条不经过的高碳锯条不经过任任何处理能使用吗？何处理能使用吗？ 1. 热处理的定义热处理的定义( ：金属或：金属或合金在固态下于一定介质中加热到一合金在固态下于一定介质中加热到一定温度，保温一定时间，以一定速度定温度，保温一定时间，以一定速度冷却下来的一种综合工艺。冷却下来的一种综合工艺。一、一、 热处理的作用热处理的作用TtT保温保温t保温保温V冷却冷却V加热加热四

3、个重要参数四个重要参数V加热加热、 T保温保温、 t保温保温、V冷却冷却 三个基本过程：加热、保温、冷却三个基本过程：加热、保温、冷却 9-1 热处理概述热处理概述例：例：45#钢，钢，840加热，不同方式冷却加热，不同方式冷却冷却方式冷却方式随炉冷却随炉冷却空气冷却空气冷却油冷油冷水冷却水冷却HRC1518182440505260组织组织P+FP+F（少）（少）组织细组织细M+PM应用广泛应用广泛 汽车零件汽车零件80%；工模具、轴承；工模具、轴承100%均需热处理均需热处理2. 热处理的作用热处理的作用(n提高材料的机械性能，延长机器零件的提高材料的机械性能，延长机器零件的使用寿命。使用寿

4、命。 钳工用的錾子钳工用的錾子-不热处理，使用时刃口很快卷刃。刃口不热处理，使用时刃口很快卷刃。刃口局部加热到一定温度，保温以后水冷，即使用锤子经局部加热到一定温度，保温以后水冷，即使用锤子经常敲打，也不易发生卷刃和崩裂。常敲打，也不易发生卷刃和崩裂。 降低结构重量，节省材料和能源。降低结构重量，节省材料和能源。n消除铸锻焊等热加工工艺造成的缺陷、消除铸锻焊等热加工工艺造成的缺陷、残余应力，细化晶粒，消除偏析，使钢残余应力，细化晶粒，消除偏析，使钢的组织和性能更加均匀。的组织和性能更加均匀。n改善金属的切削加工性。改善金属的切削加工性。 如高速钢制钻头，必须经预先热处理，改善组织，如高速钢制钻

5、头，必须经预先热处理，改善组织，降低硬度降低硬度(达到达到207255HBW), 这样才能进行机这样才能进行机加工。加工后的钻头必须经最终热处理，提高钻加工。加工后的钻头必须经最终热处理，提高钻头的硬度头的硬度(达到达到6065HRC)和耐磨性。和耐磨性。n提高工件表面的抗磨损、耐腐蚀等特殊物提高工件表面的抗磨损、耐腐蚀等特殊物料化学性能。料化学性能。n制定正确的热处理工艺规范，保证热处制定正确的热处理工艺规范，保证热处理质量，必须了解钢在不同加热和冷却理质量，必须了解钢在不同加热和冷却条件下的组织变化规律。钢中组织转变条件下的组织变化规律。钢中组织转变的规律，就是热处理的原理。的规律，就是热

6、处理的原理。二、热处理与相图二、热处理与相图n钢为什么可以进行热处理？钢为什么可以进行热处理？n是不是所有金属材料都可以进行热处理呢？是不是所有金属材料都可以进行热处理呢？1. 热处理的条件热处理的条件(1) 有固态相变有固态相变(2) 加热时溶解度显著变化的合金加热时溶解度显著变化的合金2. 相图相图+LL + + LACDBEFFGELL+ + + L + 为什么钢能热处理为什么钢能热处理?共析钢共析钢 +Fe3C共共析转变析转变-相变相变 C溶解度显著变化溶解度显著变化在通过在通过GS线（线（A3线）或线）或ES线（线（Acm线）时，分别从奥氏线）时，分别从奥氏体中析出铁素体和渗碳体。体

7、中析出铁素体和渗碳体。所以钢可以进行热处理，热所以钢可以进行热处理，热处理温度区间处理温度区间 A1 T TNJEFLL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%6.69FeT JNHA1Fe3C铁碳相图铁碳相图PSK线(A1线)实际上，钢进行热处实际上，钢进行热处理时组织转变并不按理时组织转变并不按相图上所示的平衡温相图上所示的平衡温度进行，通常有不同度进行，通常有不同程度的滞后现象，即程度的滞后现象，即实际转变温度要偏离实际转变温度要偏离平衡的临界温度。图平衡的临界温度。图中表示钢加热和冷却中表示钢加热和冷却速度对临界温度的影速度对临界温度的影响。响。n在研究钢的相变

8、和制定热处理工艺时，不仅要考虑温度的因素，还必须考虑时间和速度的影响。 如钢从奥氏体状态以不同的速度冷却时，将形成不同的产物，获得不同的组织和性能。 缓慢冷却时，相变温度高，碳、铁原子扩散充分，形成珠光体组织。 较快冷却时，相变温度低，铁原子扩散困难而碳原子尚能进行扩散，形成贝氏体。 更快速度冷却时，相变温度更低，碳、铁原子扩散困难，形成马氏体。三、固态相变的特点n金属固态相变与液态结晶相比， 相同：相变驱动力-新旧两相之间的自由能差； 都包含形核和长大两个过程。 不同：(一)相变阻力 (二)新相晶核与母相存在一定位向关系 (三)母相晶体缺陷对相变起促进作用 (四)易于出现过度相为固态相变产生

9、的单位体积应变能，为固态相变产生的单位体积应变能， E2；E和和分布为金属的弹性模量和线应变。设新相半径分布为金属的弹性模量和线应变。设新相半径为为r的球体，可求得新相的临界晶核半径的球体，可求得新相的临界晶核半径rk和临界形和临界形核功核功Gk分别为：分别为：(一)相变阻力VSGVGV233162VkkGGGr固态相变时，系统总的自由能变化为：固态相变时，系统总的自由能变化为：233162VkkGGGr与液态金属结晶相比，临界晶核半径和临界形核功较大，由与液态金属结晶相比，临界晶核半径和临界形核功较大，由于应变能的作用，使固态相变阻力增大，比液态金属结晶难于应变能的作用，使固态相变阻力增大，

10、比液态金属结晶难的多。固态相变时原子扩散更为困难。的多。固态相变时原子扩散更为困难。(二二)新相晶核与母相存在一定位向关系新相晶核与母相存在一定位向关系n固态相变时，为了减小新旧两相之间的界面能，固态相变时，为了减小新旧两相之间的界面能，新相与母相晶体之间往往存在一定的晶体学位向新相与母相晶体之间往往存在一定的晶体学位向关系。如一定温度下关系。如一定温度下-Fe转变为转变为-Fe时，新相与时，新相与母相存在如下晶体学位向关系：母相存在如下晶体学位向关系： 并且新相往往在母相某一特定晶面上形成，母相并且新相往往在母相某一特定晶面上形成，母相的这个面称为惯习面，这种现象称为惯习现象。的这个面称为惯

11、习面，这种现象称为惯习现象。(三)母相晶体缺陷对相变起促进作用n固态相变时，母相中各种晶体缺陷，如晶界、相界、位错、空位等对相变有明显的促进作用。由于缺陷周围晶格有畸变，自由能高，因此容易在这些区域首先形成晶核。母相晶粒越细，晶界越多，晶内缺陷越多，则转变越快。(四四)易于出现过渡相易于出现过渡相n过渡相是一种亚稳定相，其成分和结构界于过渡相是一种亚稳定相，其成分和结构界于新旧两相之间。由于固态相变阻力大，原子新旧两相之间。由于固态相变阻力大，原子扩散困难，尤其当转变温度较低，新旧相成扩散困难，尤其当转变温度较低，新旧相成分相差很远时，难以形成稳定相。过渡相时分相差很远时，难以形成稳定相。过渡

12、相时为了克服相变阻力而形成的一种协调性中间为了克服相变阻力而形成的一种协调性中间转变产物。转变产物。四、固态相变的类型四、固态相变的类型按相变过程中原子迁移情况按相变过程中原子迁移情况n （1）扩散型：依靠原子的长距离扩散；相界面非共格。）扩散型：依靠原子的长距离扩散；相界面非共格。 （如珠光体、奥氏体转变，（如珠光体、奥氏体转变，Fe,C都可扩散）都可扩散） n（2）非扩散型：旧相原子有规则地、协调一致地通过）非扩散型：旧相原子有规则地、协调一致地通过 切变转移到新相中；相界面共格、原子间的相邻关切变转移到新相中；相界面共格、原子间的相邻关 系不变；化学成分不变。系不变；化学成分不变。 （如

13、马氏体转变，（如马氏体转变，Fe,C都不扩散。）都不扩散。）n（3）半扩散型：既有切变，又有扩散。）半扩散型：既有切变，又有扩散。 （如贝氏体转变，（如贝氏体转变，Fe切变，切变，C扩散。）扩散。） 9-2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 9-3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变 9-4 钢在回火时的转变钢在回火时的转变热处理三个阶段：加热、保温、冷却。通常把钢热处理三个阶段：加热、保温、冷却。通常把钢加热获得奥氏体的转变过程称为加热获得奥氏体的转变过程称为“奥氏体化奥氏体化”。由加热转变所得的奥氏体组织状态，其中包括奥氏体由加热转变所得的奥氏体组织状态，其中包括奥氏体晶粒的大小、形状、空间

14、取向、亚结构、成分及其均晶粒的大小、形状、空间取向、亚结构、成分及其均匀性等，均将直接影响在随后的冷却过程中所发生的匀性等，均将直接影响在随后的冷却过程中所发生的转变及转变所得产物和性能。因此，弄清钢的加热转转变及转变所得产物和性能。因此，弄清钢的加热转变过程，即奥氏体的形成过程是非常重要的。变过程，即奥氏体的形成过程是非常重要的。 9-2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变一、共析钢奥氏体的形成过程一、共析钢奥氏体的形成过程 以共析钢为例说明奥氏体的形成过程。从珠光体向奥氏以共析钢为例说明奥氏体的形成过程。从珠光体向奥氏体转变的转变方程，体转变的转变方程， + Fe3C 碳含量碳含量C% 0.

15、0218 6.69 0.77 晶格类型晶格类型 体心立方体心立方 复杂斜方复杂斜方 面心立方面心立方我们可以看出：我们可以看出：珠光体向奥氏体转变包括珠光体向奥氏体转变包括铁原子的点阵改铁原子的点阵改组组，碳原子的扩散碳原子的扩散和和渗碳体的溶解渗碳体的溶解。 共析珠光体向奥氏体转变包括共析珠光体向奥氏体转变包括奥氏体的形核奥氏体的形核、奥氏体奥氏体的长大的长大、残余渗碳体溶解残余渗碳体溶解和和奥氏体成分均匀化奥氏体成分均匀化四个阶四个阶段。段。 以上共析碳钢珠光体向奥氏体等温形成过程，可以以上共析碳钢珠光体向奥氏体等温形成过程，可以用下图形象地表示出来。用下图形象地表示出来。 1、奥氏体的形

16、核、奥氏体的形核（1）形核条件）形核条件 Ac1以上。以上。 （2）形核部位）形核部位铁素体和渗碳体的相界面上优先形核；快速加热过热度铁素体和渗碳体的相界面上优先形核；快速加热过热度较大时，在铁素体内的亚晶界上也都可以成为形核部位。较大时，在铁素体内的亚晶界上也都可以成为形核部位。2、奥氏体的长大、奥氏体的长大 奥氏体晶核形成后便开始长大。奥氏体长大的机制可做如下的解释。奥氏体晶核形成后便开始长大。奥氏体长大的机制可做如下的解释。奥氏体晶核的长大奥氏体晶核的长大3、剩余渗碳体的溶解、剩余渗碳体的溶解珠光体向奥转变过程中，总是铁素体首先消失，将有一珠光体向奥转变过程中，总是铁素体首先消失，将有一

17、部分渗碳体残留下来。直到渗碳体全部溶入奥氏体中，部分渗碳体残留下来。直到渗碳体全部溶入奥氏体中，此阶段便告结束。此阶段便告结束。 4、奥氏体成分均匀化、奥氏体成分均匀化珠光体转变为奥氏体时，在残留渗碳体刚刚完全溶珠光体转变为奥氏体时，在残留渗碳体刚刚完全溶入奥氏体的情况下，入奥氏体的情况下，C在奥氏体中的分布是不均匀在奥氏体中的分布是不均匀的。只有继续加热或保温，借助于的。只有继续加热或保温，借助于C原子的扩散才原子的扩散才能使整个奥氏体中碳的分布趋于均匀。能使整个奥氏体中碳的分布趋于均匀。 二、影响奥氏体形成速度的因素二、影响奥氏体形成速度的因素1. 1. 加热温度和保温时间加热温度和保温时

18、间 在低温下长时间加热和在高温下短时间加热都可以得到相同的在低温下长时间加热和在高温下短时间加热都可以得到相同的奥氏体状态。奥氏体状态。2.2. 原始组织的影响原始组织的影响 如果钢的化学成分相同，原始组织中碳化物的分散度越大，如果钢的化学成分相同，原始组织中碳化物的分散度越大，相界面越多，形核率便越大；珠光体片间距离越小，奥氏体相界面越多，形核率便越大；珠光体片间距离越小，奥氏体中碳浓度梯度越大，扩散速度便越快；碳化物分散度越大，中碳浓度梯度越大，扩散速度便越快；碳化物分散度越大，使得碳原子扩散距离缩短，奥氏体晶体长大速度增加。使得碳原子扩散距离缩短，奥氏体晶体长大速度增加。 3. 化学元素

19、的影响化学元素的影响 （1 1） 碳含量碳含量 钢中碳含量越高，奥氏体的形成速度越快。增加了奥氏体的钢中碳含量越高，奥氏体的形成速度越快。增加了奥氏体的形核部位，同时碳的扩散距离相对减小。形核部位，同时碳的扩散距离相对减小。 （2） 合金元素的影响合金元素的影响通过对碳扩散速度影响奥氏体的形成速度通过对碳扩散速度影响奥氏体的形成速度 合金元素改变钢的临界点和碳在奥氏体中的溶解度合金元素改变钢的临界点和碳在奥氏体中的溶解度合金元素的均匀化合金元素的均匀化 三、奥氏体晶粒度及影响因素三、奥氏体晶粒度及影响因素1 奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度 奥氏体晶粒度是奥氏体晶粒大小的量度奥氏体晶粒度是奥氏体晶粒大

20、小的量度以单位面积内晶粒的个数或每个晶粒的平均面以单位面积内晶粒的个数或每个晶粒的平均面积或平均直径来描述晶粒的大小。积或平均直径来描述晶粒的大小。计算式为计算式为N = 2 G-1 G：晶粒度级别：晶粒度级别N：1平方英寸视场中所包含的平均晶粒数平方英寸视场中所包含的平均晶粒数奥氏体晶粒度测定奥氏体晶粒度测定标准试验：标准试验：如，对于如，对于wc=0.35%0.60%的碳钢与合金钢，将试的碳钢与合金钢，将试样加热到（样加热到（86010），保温，保温1h后淬入冷水或盐后淬入冷水或盐水中，然后测定奥氏体晶粒度。水中，然后测定奥氏体晶粒度。2. 影响奥氏体晶粒长大的因素影响奥氏体晶粒长大的因素

21、（1） 加热温度和保温时间加热温度和保温时间T、 t ，A 晶粒长大晶粒长大T 的影响远大于的影响远大于 t。（2） 加热速度加热速度-快速加热，短时保温的超细化工快速加热，短时保温的超细化工艺如高频加热，激光加热等艺如高频加热，激光加热等（3） 钢的化学成分的影响钢的化学成分的影响 碳及合金元素的影响碳及合金元素的影响（4）钢的原始组织的影响）钢的原始组织的影响 原始组织越细小，奥氏原始组织越细小，奥氏体晶粒越细小。体晶粒越细小。 9-3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变 冷却过程冷却过程热处理工艺的关键部分，对热处理工艺的关键部分，对控制热处理以后的组织与性能起着极大作用，控制热处理以后的

22、组织与性能起着极大作用，不同的冷却速度获不同的组织与性能不同的冷却速度获不同的组织与性能一、概述二、共析钢过冷奥氏体的等温转变图三、影响过冷奥氏体的等温转变的因素四、珠光体转变五、马氏体转变六、贝氏体转变七、共过冷奥氏体的连续冷却转变图及其应用过冷奥氏体的转变方式有过冷奥氏体的转变方式有和和两种。两种。 两种冷却方式两种冷却方式示意图示意图1等温冷却等温冷却2连续冷却连续冷却一、概述一、概述在临界温度以下存在且不稳定的、将要发生在临界温度以下存在且不稳定的、将要发生转变的奥氏体，叫做转变的奥氏体，叫做过冷奥氏体过冷奥氏体。过冷奥氏体等温转变图过冷奥氏体等温转变图TTTTTT图或图或C C曲线是

23、获得曲线是获得等温转变组织的主要依据，是等温淬火获得等温转变组织的主要依据，是等温淬火获得马氏体组织或贝氏体组织的主要依据。马氏体组织或贝氏体组织的主要依据。(Time-Temperature-Transformation diagram)过冷奥氏体过冷奥氏体由于过冷奥氏体在转变过程中有体积膨胀和磁性由于过冷奥氏体在转变过程中有体积膨胀和磁性转变，有组织和性能的变化，因此可用转变，有组织和性能的变化，因此可用膨胀法、磁膨胀法、磁性法、电阻法、热分析法、金相性法、电阻法、热分析法、金相-硬度法硬度法显示出过冷显示出过冷奥氏体恒温转变过程。奥氏体恒温转变过程。以金相以金相-硬度法为例，测定共析钢等

24、温转变动力学硬度法为例，测定共析钢等温转变动力学曲线。曲线。二、共析钢过冷奥氏体的等温转变图二、共析钢过冷奥氏体的等温转变图过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体的等温转变图是表示奥氏体急速冷图是表示奥氏体急速冷却到临界点却到临界点A1 以下在各以下在各不同温度下的保温过程不同温度下的保温过程中转变量与转变时间的中转变量与转变时间的关系曲线关系曲线.又称又称C曲线、曲线、S 曲线或曲线或TTT曲线。曲线。A1-Ms 间及转变开间及转变开始线以左区域为过始线以左区域为过冷奥氏体区。冷奥氏体区。转变终了线以右及转变终了线以右及Mf以下为转变产物以下为转变产物区。区。两线之间及两线之间及Ms与与Mf之间为转

25、变区。之间为转变区。时间时间温度温度A1MSMfA过冷过冷PBMAMABAP转变开始线转变开始线转变终了线转变终了线奥氏体奥氏体 转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。 孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小. 孕育期最小处称孕育期最小处称C 曲线的曲线的“鼻尖鼻尖”。碳钢鼻尖处。碳钢鼻尖处的温度为的温度为550。 在鼻尖以上在鼻尖以上, 温度较高，相变驱动力小温度较高，相变驱动力小. 在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而使奥氏在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而使奥氏体稳定性增加。体稳定性增加。 C 曲线的分析曲线的分析 C曲线

26、明确表示曲线明确表示了过冷奥氏体在不同了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产温度下的等温转变产物。物。 不同温度下转变产物不同不同温度下转变产物不同 高温转变产物高温转变产物(A1550)珠光体珠光体( P)扩散型扩散型 (3) 转变产物转变产物中温转变产物中温转变产物(550MS) 贝氏体贝氏体( B)半扩散型半扩散型低温转变产物低温转变产物(MSMf)马氏体马氏体( M)非扩散型非扩散型 存在孕育期存在孕育期-过冷奥氏体等温分解所需的准备过冷奥氏体等温分解所需的准备时间，代表时间，代表 A过冷过冷稳定性稳定性 存在鼻点存在鼻点-孕育期最短，孕育期最短， A过冷过冷最不稳定最不稳定 T转转，产

27、物硬度，产物硬度 马氏体是过冷奥氏体连续冷却中的一种转变组马氏体是过冷奥氏体连续冷却中的一种转变组织，非等温转变产物。将其画入，使过冷奥氏织，非等温转变产物。将其画入，使过冷奥氏体等温转变曲线更完备、实用体等温转变曲线更完备、实用亚共析钢转变式亚共析钢转变式 过共析钢转变式过共析钢转变式 AF先共析先共析 + P A Fe3C先共析先共析 + P三、影响三、影响 过冷奥氏体等温转变的因素过冷奥氏体等温转变的因素影响影响C曲线位置和形状的因素都影响过冷奥氏曲线位置和形状的因素都影响过冷奥氏体等温转变。体等温转变。 （一）（一） 奥氏体成分的影响奥氏体成分的影响1. 含碳量（含碳量（指溶入奥氏体中

28、的指溶入奥氏体中的C）(1)亚共析钢：亚共析钢：C%，C 曲线右移曲线右移(2) 过共析：过共析：C%，Ac1Accm时，时，左移左移 Accm以上时，右移。以上时，右移。A中含碳越高，中含碳越高，Ms和和Mf点越低。点越低。0.9%C0.9C+0.5Mn0.9C+1.2Mn 0.9+2.8MnTT0.5C0.5C+2%Cr0.5C+4%Cr0.5C+8%Cr 除除Co、Al（WAl2.5%）外，其它合金元素溶）外，其它合金元素溶解到奥氏体中后，随解到奥氏体中后，随Me%，C曲线右移曲线右移 ，并使，并使Ms点降低。点降低。2. 合金元素合金元素TMsCo,AlNi,Si,Cu,MnSiNi,

29、Cu,MnCo, Al 外所有合外所有合金元素金元素非碳化物形成元素非碳化物形成元素只改变只改变C曲线位置：曲线位置： 如如Co, Al, Ni, Cu, SiT中强碳化物形成中强碳化物形成元素元素 Cr 的影响的影响 强碳化物形成元素强碳化物形成元素W,Mo,V,Ti,Nb 等的影响等的影响强碳化物形成元素的影响强碳化物形成元素的影响W,Mo,V,Ti,Nb 等改变等改变C 曲线位置和形态曲线位置和形态 （二）（二） 奥氏体状态的影响奥氏体状态的影响晶粒越细小，奥氏体越不稳定，晶粒越细小，奥氏体越不稳定，C曲线左移；曲线左移；奥氏体成分越不均匀，越不稳定，奥氏体成分越不均匀，越不稳定，C曲线

30、左曲线左移。移。（三）（三） 应力和塑性变形应力和塑性变形拉应力和塑性变形促进奥氏体转变，压应拉应力和塑性变形促进奥氏体转变，压应力阻碍转变。力阻碍转变。n过冷奥氏体在过冷奥氏体在 A A1 1到到 550550间将转变为珠光体类型组织。间将转变为珠光体类型组织。四、珠光体转变四、珠光体转变珠光体转变珠光体转变:AP（F+Fe3C）n转变特点转变特点（1）扩散型相变（高温转变）扩散型相变（高温转变）（2）相变过程中具有铁基体的晶格改组（面心）相变过程中具有铁基体的晶格改组（面心体心）体心）（3）相变过程中碳原子的重新分布形成新相；）相变过程中碳原子的重新分布形成新相；珠光体的组织形态有两种：珠

31、光体的组织形态有两种：片状珠光体片状珠光体和和粒状珠光体粒状珠光体（一）片状珠光体的形成、组织和性能（一）片状珠光体的形成、组织和性能1. 片状珠光体的形成片状珠光体的形成 含碳量含碳量0.77%的奥氏体在近于平衡的缓慢冷却条件下形成的奥氏体在近于平衡的缓慢冷却条件下形成的珠光体是有渗碳体和铁素体组成的片层相间的组织。的珠光体是有渗碳体和铁素体组成的片层相间的组织。2. 片状珠光体的组织片状珠光体的组织光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌珠光体、索氏体和托氏体。珠光体、索氏体和托氏体。珠光体珠光体形成温度为形成温度为A1650，片层较厚，片层较厚，500倍光镜下可辨，倍光镜下可辨，用符号用

32、符号P表示表示.n索氏体索氏体形成温度为形成温度为650600，片层层间距较细，约为片层层间距较细，约为0.250.3m，在，在800-1000倍光镜下倍光镜下可辨，用符号可辨，用符号S 表示表示。电镜形貌电镜形貌n托 氏 体托 氏 体 形 成 温 度 为形 成 温 度 为 6 0 0 550，片层极薄，片层极薄， 只有只有0.10.15m，只有在，只有在电镜下电镜下可辨，用符号可辨，用符号T 表示。表示。3. 片状珠光体的性能片状珠光体的性能n片状珠光体的力学性能主要取决于珠光体片状珠光体的力学性能主要取决于珠光体的片间距。的片间距。n共析钢珠光体的硬度和断裂强度随片间距共析钢珠光体的硬度和

33、断裂强度随片间距的缩小而增大。的缩小而增大。n片状珠光体的塑性也随片间距的减小而增片状珠光体的塑性也随片间距的减小而增大。大。获得粒状珠光体的途径：获得粒状珠光体的途径：由过冷奥氏体直接分解而成；由过冷奥氏体直接分解而成；可由片状珠光体球化而成；可由片状珠光体球化而成；可由淬火组织回火形成可由淬火组织回火形成。（二）球（粒）状珠光体（二）球（粒）状珠光体与片状珠光体相比，粒状珠光体的硬度和强度较低，与片状珠光体相比，粒状珠光体的硬度和强度较低，塑性和韧性较好。粒状珠光体的冷变形性能、可加塑性和韧性较好。粒状珠光体的冷变形性能、可加工性能以及淬火工艺性能都比片状珠光体好。工性能以及淬火工艺性能都

34、比片状珠光体好。（三）伪共析组织（三）伪共析组织 (1)定义：偏离共析成分的定义：偏离共析成分的A过冷过冷形成的珠光体形成的珠光体 (2)形成条件：下图红线区形成条件：下图红线区GSEGE+ Fe3Cx1x2A3AcmA1Twc 通过加快钢冷却速度，通过加快钢冷却速度，可获得强硬度较好的伪共可获得强硬度较好的伪共析组织析组织亚共析钢热轧后即水冷或喷雾冷却亚共析钢热轧后即水冷或喷雾冷却F先先% ，P%， bV冷冷，(正火代替退火正火代替退火)，抑制，抑制Fe3C先先消除网状渗碳体消除网状渗碳体(3) 应用应用五、五、 马氏体转变马氏体转变n当奥氏体过冷到当奥氏体过冷到MsMs以下将转变以下将转变

35、为马氏体类型组织。为马氏体类型组织。n马氏体转变是强化钢的重要途马氏体转变是强化钢的重要途径之一。径之一。（一）马氏体的晶体结构、组织（一）马氏体的晶体结构、组织和性能和性能1. 1. 马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构n碳在碳在 -Fe-Fe中的过饱和固溶体，中的过饱和固溶体，用用M M表示。表示。马氏体组织马氏体组织l马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中. .n钢中马氏体具有两种类型结构：体心立方和体心正方晶钢中马氏体具有两种类型结构：体心立方和体心正方晶格（格（a=a=bcbc）n含碳量较高时，为体心正方；低碳或无碳时为体心立方。含碳量较

36、高时，为体心正方；低碳或无碳时为体心立方。n轴比轴比c/a c/a 称马氏体的正方度。称马氏体的正方度。2. 马氏体的组织形态马氏体的组织形态n 马氏体的形态分马氏体的形态分板条板条和和片状片状两类。两类。板条马氏体板条马氏体：低碳钢、中：低碳钢、中碳钢碳钢n 在光镜下板条马氏体为在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织。板条一束束的细条组织。板条内的亚结构主要是高密度内的亚结构主要是高密度的位错，又称的位错，又称位错马氏体位错马氏体。光镜下光镜下电镜下电镜下片状马氏体片状马氏体： 高碳钢高碳钢n立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。n在电镜下，亚

37、结构主要是孪晶，又称在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体孪晶马氏体。n马氏体的形态主要取决于马氏体的形态主要取决于奥氏体的含碳量奥氏体的含碳量，与马氏体转变开，与马氏体转变开始温度有关。始温度有关。电镜下电镜下光镜下光镜下含碳量wc0.2%，板条马氏体；含碳量wc1.0%，片状马氏体。n高硬度是马氏体性能的主要特点。高硬度是马氏体性能的主要特点。n马氏体的硬度主要取决于其含碳量。马氏体的硬度主要取决于其含碳量。l当含碳量大于当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。时，其硬度趋于平缓。l合金元素对马氏体硬度的影响不大。合金元素对马氏体硬度的影响不大。l马氏体强化的原因：马氏体强化的原因：过

38、饱和碳引起的固溶强化、相变强化过饱和碳引起的固溶强化、相变强化以及时效强化。以及时效强化。l马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式，马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式，针状马针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性。3. 马氏体的性能马氏体的性能1. 马氏体相变具有无扩散性马氏体相变具有无扩散性l马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。2. 切变共格性与表面浮凸现象切变共格性与表面浮凸现象3.具有特定的惯习面和位向关系具有特定的惯习面和位向关系4. 在一个温度范围内进行的在一个温度范围内进行的不可能获

39、得不可能获得100%的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称残余奥氏体，用下来，称残余奥氏体，用A 或或 表示。残余奥氏体的数量与表示。残余奥氏体的数量与奥氏体中的含碳量有关。奥氏体中的含碳量有关。5. 具有可逆性具有可逆性（二）（二） 马氏体转变的主要特点马氏体转变的主要特点（a）取向关系）取向关系马氏体与奥氏体之间存在下列位向关系：马氏体与奥氏体之间存在下列位向关系：K-S关系：关系：Fe-C合金合金 1.4%C011111 ；111011西山关系（西山关系（N）关系：）关系：30%Ni的的Fe-Ni合金和合金和Fe-C合金合金1.4%C：011

40、111 ；011211 （b）惯习面）惯习面马氏体转变时，惯习面随奥氏体的含碳量不同而不同：马氏体转变时，惯习面随奥氏体的含碳量不同而不同：0.6%C 为为1110.6-1.4%C 为为2251.4%C 为为259惯习面随马氏体形成温度（惯习面随马氏体形成温度（Ms）降低有向高指数变化的趋势）降低有向高指数变化的趋势350 111350-100 225100 259六、贝氏体（六、贝氏体（B）转变）转变n贝氏体转变：贝氏体转变：钢在珠光体转变温度以下、马氏体转变温钢在珠光体转变温度以下、马氏体转变温度以上度以上(550- Ms)范围内，过冷奥氏体发生的组织转变。范围内，过冷奥氏体发生的组织转变

41、。（又（又称中温转变）称中温转变）n贝氏体：由铁素体和碳化物组成的双相组织。贝氏体：由铁素体和碳化物组成的双相组织。n贝氏体转变机制：切变贝氏体转变机制：切变扩散混合机制扩散混合机制n扩散：碳化物的析出扩散：碳化物的析出n（碳可以在铁素体中扩散，而铁不能）（碳可以在铁素体中扩散，而铁不能）n切变：基体晶格的改组切变：基体晶格的改组n（新相与母相之间保持共格关系）（新相与母相之间保持共格关系）（一）（一）贝氏体的组织形态贝氏体的组织形态上贝氏体（上贝氏体（B上上）下贝氏体（下贝氏体（B下下）对于对于c0.4的碳素钢中，的碳素钢中， B上上和和B下下约以约以350为界为界上贝氏体上贝氏体下贝氏体下

42、贝氏体B上上组织组织图图9-52(45) B上上的显微组织的显微组织a）金相组织）金相组织 500X (羽毛状羽毛状) b）透射电镜组织）透射电镜组织 4000XB上上组织分析组织分析B上上：铁素体铁素体（又称（又称BF） 渗碳体渗碳体铁素体铁素体：板条状平行生长，条板条状平行生长，条较宽，其宽度随形成温度的较宽，其宽度随形成温度的下降而变细。下降而变细。BF含过饱和的含过饱和的碳，存在位错缠结，其形态碳，存在位错缠结，其形态和亚结构与板条和亚结构与板条M相似。相似。渗碳体渗碳体：在相邻铁素体条间存：在相邻铁素体条间存在，不连续、短杆状，其主在，不连续、短杆状，其主轴方向与轴方向与F板条长轴方

43、向平行板条长轴方向平行B下下组织的分析组织的分析n B下下形态形态：呈针状或针叶状（与片状呈针状或针叶状（与片状M相似）相似）n B下下相组成物：相组成物：铁素体碳化物铁素体碳化物(FeXC)铁素体：内部含有过饱和的碳，其固溶量随形成温度的降低而铁素体：内部含有过饱和的碳，其固溶量随形成温度的降低而增高，增高，c高达高达0.3。碳化物碳化物(FeXC) （也称也称- -碳化物碳化物） ： 具有六方结构，成份不具有六方结构，成份不定定 ，平行排列，并与平行排列，并与F长轴呈长轴呈5565取取向向nB下下形核位置：少数在形核位置：少数在A晶界上，多数在晶界上，多数在A晶粒内部晶粒内部nB下下亚结构

44、：高密度位错（比亚结构：高密度位错（比B上上高），不存在孪晶高），不存在孪晶(回忆片状回忆片状M组织组织)(二二) B的性能的性能nB的性能取决于组织形态。（双相组织）的性能取决于组织形态。（双相组织）n其组织形态与转变温度有关。其组织形态与转变温度有关。n变化规律为：变化规律为：n一般温度愈低，一般温度愈低，nBF的晶粒愈细、含碳量愈高；的晶粒愈细、含碳量愈高；n碳化物的尺寸减小、数量增多。碳化物的尺寸减小、数量增多。n其形态由短杆状向细片状变化其形态由短杆状向细片状变化。强度、硬度增加强度、硬度增加B上上：（形成温度较高）：（形成温度较高）n铁素体晶粒和碳化物颗粒较粗大，碳化物呈短杆状平行

45、分铁素体晶粒和碳化物颗粒较粗大，碳化物呈短杆状平行分布于铁素体板条之间，两个相的分布具有明显的方向性。布于铁素体板条之间，两个相的分布具有明显的方向性。400 550 ：冲击韧性低，硬度也低冲击韧性低，硬度也低工程材料中回避其形成工程材料中回避其形成B下下：（形成温度较低）：（形成温度较低）n铁素体晶粒和碳化物颗粒细小，在铁素体晶粒和碳化物颗粒细小，在BF内部沉淀析出内部沉淀析出细小弥散分布的细小弥散分布的-碳化物碳化物(FeXC)，位错密度很高。位错密度很高。具有良好的综合力学性能具有良好的综合力学性能强度高，韧性好强度高，韧性好（三）贝氏体转变特点（三）贝氏体转变特点n1. 贝氏体转变是一

46、个形核与长大过程贝氏体转变是一个形核与长大过程n2. 贝氏体中铁素体的形成是按马氏体转变机制贝氏体中铁素体的形成是按马氏体转变机制进行的进行的n3. 贝氏体中碳化物的分布与形成温度有关贝氏体中碳化物的分布与形成温度有关（四）魏氏组织及性能（四）魏氏组织及性能定义：在奥氏体晶粒较粗大，冷却速度相对较快时，钢中定义：在奥氏体晶粒较粗大，冷却速度相对较快时，钢中先共析相先共析相(先共析铁素体或先共析渗碳体先共析铁素体或先共析渗碳体)以针状或片状形以针状或片状形态从原奥氏体晶界沿奥氏体一定晶面往晶内平行或规则生态从原奥氏体晶界沿奥氏体一定晶面往晶内平行或规则生长，并与片状珠光体混合存在，该组织称为长，

47、并与片状珠光体混合存在，该组织称为魏氏组织魏氏组织。wc1.2%在铸造、在铸造、热轧、锻造后的空冷，焊缝热轧、锻造后的空冷，焊缝或热影响区空冷，或温度过或热影响区空冷，或温度过高以较快速度冷却时。高以较快速度冷却时。铁素体魏氏组织铁素体魏氏组织渗碳体魏氏组织渗碳体魏氏组织 铁素体魏氏组织形成条件铁素体魏氏组织形成条件A晶粒粗大；冷速适当；一定的含碳量范围晶粒粗大；冷速适当；一定的含碳量范围（0.150.35%）。）。 缓慢：缓慢：Fe扩散扩散网状网状F 过快：过快：C来不及扩散，抑制来不及扩散，抑制F形成形成 总体：冷速较大时易形成总体：冷速较大时易形成 魏氏组织的机械性能：魏氏组织的机械性能

48、： 韧性韧性，重要工件需评级。，重要工件需评级。消除方法：正火消除方法：正火七、过冷奥氏体连续冷却转七、过冷奥氏体连续冷却转变图及其应用变图及其应用实际上在连续冷却时，过冷实际上在连续冷却时，过冷A是在一个温度范围内发生转变的，是在一个温度范围内发生转变的，过冷过冷A在连续冷却转变过程中得到的往往是不均匀的混合组织。在连续冷却转变过程中得到的往往是不均匀的混合组织。连续冷却转变图通常称为连续冷却转变图通常称为CCT图（图（Continuous Cooling Transformation)（一）（一）CCT图的建立图的建立最常用的方法是综合热分析、金相、硬度和膨胀法等多种方法最常用的方法是综合

49、热分析、金相、硬度和膨胀法等多种方法一同，测定某种钢的连续冷却转变图。一同，测定某种钢的连续冷却转变图。 试样为试样为310mm ，在试样上焊，在试样上焊Pt-PtRh温差热电偶，温差热电偶，A化后，以不同的速度冷却，用快速膨胀仪，测量长度的变化，化后，以不同的速度冷却，用快速膨胀仪，测量长度的变化，找出转变开始和终了的温度和时间，获得连续冷却转变曲线。找出转变开始和终了的温度和时间，获得连续冷却转变曲线。n共析钢CCT曲线只有珠光体转变区和马氏体转变区，说明共析钢连续冷却时没有贝氏体形成。n临界淬火速度，过冷奥氏体过冷至Ms点一下发生马氏体转变的最小冷却速度。vc(二二)连续冷却转变图分析连

50、续冷却转变图分析1、共析碳钢和过共析碳钢的连续冷却转变图，只有高温区的、共析碳钢和过共析碳钢的连续冷却转变图，只有高温区的P转变和低温区的转变和低温区的M转变，而无中温区的转变，而无中温区的B转变，亚共析碳钢可转变，亚共析碳钢可以有以有B转变。亚共析钢和过共析钢有先共析相转变。亚共析钢和过共析钢有先共析相F和和Cem析出线，析出线，由于先共析相的析出，可以改变由于先共析相的析出，可以改变A的的C含量，从而使随后在低含量，从而使随后在低温区发生温区发生M转变的转变的Ms发生相应的变化。发生相应的变化。2、合金钢的、合金钢的CCT图，可以有图，可以有P转变无转变无B转变或只有转变或只有B转变无转变

51、无P转转变等多种不同的情况，具体的情况由加入的合金元素种类和数变等多种不同的情况，具体的情况由加入的合金元素种类和数量而定。量而定。3、在等温条件下合金元素推迟过冷、在等温条件下合金元素推迟过冷A的等温转变，在连续冷却的等温转变，在连续冷却条件下，合金元素也降低过冷条件下，合金元素也降低过冷A的转变速度，使的转变速度，使CCT曲线右移。曲线右移。连续冷却转变图分析连续冷却转变图分析4、A晶粒度对晶粒度对CCT图的影响规律是，图的影响规律是，A晶粒粗大晶粒粗大CCT图移向右图移向右下方。下方。5、不论、不论P转变，还是转变，还是B转变的连续冷却转变曲线，都只有相当转变的连续冷却转变曲线，都只有相

52、当于于C曲线的上半部分。曲线的上半部分。6、连续冷却时，在一定的冷却条件下，、连续冷却时，在一定的冷却条件下，A在高温区的转变不能在高温区的转变不能完成，余下的完成，余下的A则在中温区及低温的则在中温区及低温的M转变区继续转变，最终转变区继续转变，最终得到混合组织。由于在高温和中温区的转变，会改变余下得到混合组织。由于在高温和中温区的转变，会改变余下A的的C含量，从而使含量，从而使Ms发生相应的变化。发生相应的变化。（三）（三）CCT曲线和曲线和TTT曲线比较曲线比较n连续冷却过程可看成是无数个温度相差连续冷却过程可看成是无数个温度相差很小的等温转变过程。很小的等温转变过程。n转变产物是不同温

53、度下等温转变组织的转变产物是不同温度下等温转变组织的混合。混合。n由于冷却速度的影响，使连续冷却转变由于冷却速度的影响，使连续冷却转变又有不同于等温转变的特点。又有不同于等温转变的特点。1、共析钢和过共析钢中连续冷却时不出现贝氏体、共析钢和过共析钢中连续冷却时不出现贝氏体转变，这是由于奥氏体碳浓度高，是贝氏体孕育转变，这是由于奥氏体碳浓度高，是贝氏体孕育期大大延长，连续冷却时贝氏体来不及转变，同期大大延长，连续冷却时贝氏体来不及转变，同样，在某些合金钢中，连续冷却时不出现珠光体样，在某些合金钢中，连续冷却时不出现珠光体转变也是这个原因。转变也是这个原因。2、连续冷却转变曲线位于等温转变曲线的右

54、下方。、连续冷却转变曲线位于等温转变曲线的右下方。这说明连续冷却转变的温度低，孕育期长。这说明连续冷却转变的温度低，孕育期长。3、用、用TTT曲线来估计连续冷却过程是不合适的。曲线来估计连续冷却过程是不合适的。（四）连续冷却转变图应用（四）连续冷却转变图应用n1. 从从CCT曲线上可以获得真实的钢的曲线上可以获得真实的钢的临界淬火速度临界淬火速度n2. CCT曲线是制订正确冷却规范的依曲线是制订正确冷却规范的依据据n3. 根据根据CCT曲线可以估计淬火以后钢曲线可以估计淬火以后钢件的组织和性能件的组织和性能 9-4 钢在回火时的转变钢在回火时的转变淬火淬火：钢加热到钢加热到AC3或或AC1以上

55、，保温，以上，保温， VV临界临界，M 或或 B回火回火：淬火钢加热到低于临界点淬火钢加热到低于临界点A1的某温度，保温后以适的某温度，保温后以适 当方式冷却到室温的热处理工艺。当方式冷却到室温的热处理工艺。n套用热处理定义：套用热处理定义：n加热温度：低于临界点加热温度：低于临界点A1n保温时间保温时间：2h左右左右n冷却方式：适当方式冷却方式：适当方式回火的原因回火的原因淬火钢的组织主要是淬火钢的组织主要是M或或M+A （残余残余A）M或或A 在室温下都处于亚稳定状态在室温下都处于亚稳定状态M或或A 趋于向铁素体加渗碳体趋于向铁素体加渗碳体(碳化物碳化物)的稳定状态转化。的稳定状态转化。并

56、且淬火钢中内应力很大。并且淬火钢中内应力很大。残余奥氏体处于过冷状态残余奥氏体处于过冷状态马氏体处于含碳过饱和状态马氏体处于含碳过饱和状态回火目的回火目的（1）调整钢强硬度与塑韧性的配合，获要）调整钢强硬度与塑韧性的配合，获要求的性能求的性能（2）降低内应力，防止工件变形或开裂）降低内应力，防止工件变形或开裂（3）稳定组织，防尺寸变化）稳定组织，防尺寸变化 一、回火过程中的组织转变回火过程中的组织转变1. M中碳的偏聚中碳的偏聚2. M的分解的分解3. A 的转变的转变4. 碳化物的转变碳化物的转变5. Fe3C的聚集长大和的聚集长大和相回复、再结晶相回复、再结晶1. M中碳的偏聚中碳的偏聚n

57、偏聚：偏聚：从不同的位置集中到某个部位；迁移（扩散）从不同的位置集中到某个部位；迁移（扩散）n碳的起始位置：淬火碳的起始位置：淬火M中过饱和的碳原子处于体心中过饱和的碳原子处于体心 立方晶格扁八面体间隙位置（受压）。立方晶格扁八面体间隙位置（受压）。n偏聚条件：偏聚条件：n 温度：温度：80-100(低温低温)n碳的偏聚的位置：碳的偏聚的位置：n含碳量：低于含碳量：低于0.25n位错线附近：形成位错线附近：形成“柯氏气团柯氏气团”n含碳量：高于含碳量：高于0.25n位错线附近：形成位错线附近：形成“柯氏气团柯氏气团” （少量（少量C)n垂至于垂至于C轴的（轴的（100）面：碳原子偏聚区（大量）

58、面：碳原子偏聚区（大量C)2. M的分解的分解n分解：由分解：由1个相变成个相变成2个相个相nM:单相（过饱和的单相（过饱和的固溶体）固溶体）n条件条件n温度：高于温度：高于80n分解：分解：M 相相 碳化物碳化物n多余的碳原子与多余的碳原子与Fe形成化合物：形成化合物： 碳化物碳化物n母相由过饱和状态转变为饱和状态；母相由过饱和状态转变为饱和状态；n正方度正方度c/a度减小，直到度减小，直到c/a 1回火马氏体：低碳回火马氏体：低碳相和弥散分布的，并与之保持相和弥散分布的，并与之保持共格关系的共格关系的 碳化物构成的组织碳化物构成的组织0.20.3% C偏聚、有序偏聚、有序化、化合形成化、化

59、合形成正方度正方度c/a的变化曲线的变化曲线分析：回火温度愈高，正方度减小得愈快，所用的分解时间短分析：回火温度愈高，正方度减小得愈快，所用的分解时间短M分解的分类（高碳钢，根据回火温度）分解的分类（高碳钢，根据回火温度）两相式分解两相式分解：80-150，碳原子扩散能力低，碳原子扩散能力低，M的分解只能依的分解只能依靠靠 碳化物在碳化物在M晶体内不断生核、析出，而不能依靠其长大进晶体内不断生核、析出，而不能依靠其长大进行。紧靠行。紧靠 碳化物周围形成贫碳区，远离碳化物周围形成贫碳区，远离 碳化物的碳化物的M仍保仍保持较高的碳浓度，因此组织中除了持较高的碳浓度，因此组织中除了 碳化物外，还有碳

60、浓度不碳化物外，还有碳浓度不同的两种同的两种相。相。连续式分解连续式分解：150-350，碳原子扩散能力增强，碳原子扩散能力增强， 碳化物能碳化物能从较远处获得碳原子而长大，最终碳浓度达到基本一致或从较远处获得碳原子而长大，最终碳浓度达到基本一致或M的碳浓度连续地降低。的碳浓度连续地降低。自回火自回火定义：含碳量低于定义：含碳量低于0.2的板条的板条M在淬火冷却时发在淬火冷却时发生碳原子偏聚到位错线附近的现象。生碳原子偏聚到位错线附近的现象。 则在则在100-200回火时不形成回火时不形成 碳化物。碳化物。不进行专门的人工加热，而是不进行专门的人工加热，而是“自己主动自己主动”利用淬火冷却时的