钢的热处理原理与马氏体相变强化(上)

1、第第5 5章章 钢的热处理与马氏体相变强化钢的热处理与马氏体相变强化机械工程材料机械工程材料 热处理定义 钢的热处理是将钢在固态下加热到预定钢的热处理是将钢在固态下加热到预定温度，保温一定时间，然后以预定方式冷却温度，保温一定时间，然后以预定方式冷却到室温的热加工工艺。到室温的热加工工艺。第第5 5章章 钢的热处理与马氏体相变强化钢的热处理与马氏体相变强化第第5 5章章 钢的热处理与马氏体相变强化钢的热处理与马氏体相变强化5.1 钢的热处理原理钢的热处理原理5.2 钢的热处理工艺钢的热处理工艺5.1 钢的热处理原理钢的热处理原理5.1 钢的热处理原理钢的热处理原理5.1.1 钢在加热时的组织转

2、变钢在加热时的组织转变5.1.2 钢的过冷奥氏体转变曲线钢的过冷奥氏体转变曲线5.1.3 钢的珠光体转变钢的珠光体转变5.1.6 钢的回火转变及时效钢的回火转变及时效5.1.1 碳钢在加热时的组织转变碳钢在加热时的组织转变5.1.4 钢的马氏体转变钢的马氏体转变5.1.5 钢的贝氏体转变钢的贝氏体转变5.1.7 钢的淬透性和淬硬性钢的淬透性和淬硬性9408208607807407009001.01.21.40.80.60.40.2Wc/%T/A A1 1A AcmcmA A3 3G GS S1. 1. 钢的临界点钢的临界点A Ac1c1 加热时珠光体向奥氏体加热时珠光体向奥氏体 开始转变温度开

3、始转变温度A Ar1r1 冷却时奥氏体向珠光体冷却时奥氏体向珠光体 开始转变温度开始转变温度A Ac3c3 加热时先共析铁素体全加热时先共析铁素体全 部溶入奥氏体的终了温度部溶入奥氏体的终了温度A Ar3r3 冷却时奥氏体开始析出冷却时奥氏体开始析出 先共析铁素体的温度先共析铁素体的温度A Accmccm 加热时加热时Fe3CII全部溶入全部溶入 奥氏体的终了温度奥氏体的终了温度A Arcmrcm 冷却时奥氏体开始析出冷却时奥氏体开始析出 Fe3CII的温度的温度5.1.1 碳钢在加热时的组织转变碳钢在加热时的组织转变A Ar1r1A Ac1c1A Arc1rc1A AccmccmA Ac3c

4、3A Ar3r3eSVGGGG2. 奥氏体形成时的热力学条件奥氏体形成时的热力学条件奥氏体形成时的总自由能变化为：奥氏体形成时的总自由能变化为：GP-TT0（727）T1温度温度/GAGP自由能自由能G G GV V新相与母相体积自由能差新相与母相体积自由能差 G GS S形成形成A所增加的界面能所增加的界面能 G Ge e相变阻力（高温时值很小）相变阻力（高温时值很小）5.1.1 碳钢在加热时的组织转变碳钢在加热时的组织转变3. 奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程5.1.1 碳钢在加热时的组织转变碳钢在加热时的组织转变3. 奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程5.1.1 碳钢在加热时的组织转变碳钢

5、在加热时的组织转变4.4.奥氏体的形成速度及影响因素奥氏体的形成速度及影响因素1）加热温度的影响）加热温度的影响a加热温度加热温度T升高，促进扩散过程，升高，促进扩散过程，A形成速度增加；形成速度增加；b加热温度加热温度T升高，升高，P和和A两相自由能差变大，相变驱动两相自由能差变大，相变驱动力增加，力增加，A形核率和长大速度都急剧增加。形核率和长大速度都急剧增加。2）原始组织的影响）原始组织的影响原始组织越细，原始组织越细，A形核率越大，形核率越大，A形成速度越快；形成速度越快；3）化学成分的影响）化学成分的影响钢中含碳量越高，钢中含碳量越高，A形成速度越快；合金元素不改变奥形成速度越快；合

6、金元素不改变奥氏体化过程，但影响氏体化过程，但影响A形成速度。形成速度。5.1.1 碳钢在加热时的组织转变碳钢在加热时的组织转变14级级粗晶粒粗晶粒1 1）奥氏体的晶粒度表示方法）奥氏体的晶粒度表示方法5 5. .奥氏体的晶粒度及影响因素奥氏体的晶粒度及影响因素 奥氏体的晶粒大小用晶粒度表示，世界各国对钢产品统一奥氏体的晶粒大小用晶粒度表示，世界各国对钢产品统一使用与标准金相图片相比较的方法来确定晶粒度级别。通使用与标准金相图片相比较的方法来确定晶粒度级别。通常将晶粒度分为八级：常将晶粒度分为八级：58级级细晶粒细晶粒起始晶粒度起始晶粒度实际晶粒度实际晶粒度本质晶粒度本质晶粒度A转变刚刚完成，

7、即转变刚刚完成，即A晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。一般起始晶粒比较细小，它大小。一般起始晶粒比较细小，它取决于形核率取决于形核率N和长大速度和长大速度G：n0=1.01(N/G)1/2钢在某一具体的热处理或热加工条钢在某一具体的热处理或热加工条件下获得的奥氏体实际晶粒大小。件下获得的奥氏体实际晶粒大小。它决定于具体的加热温度和保温时它决定于具体的加热温度和保温时间，一般比起始晶粒大，对钢热处间，一般比起始晶粒大，对钢热处理后的性能有直接影响。理后的性能有直接影响。 根据标准试验方法（根据标准试验方法（YB27-64），），在在930 10下保温下保温38h后测定

8、的奥氏体晶粒大后测定的奥氏体晶粒大小。如果晶粒度为小。如果晶粒度为14级则称为本质粗晶级则称为本质粗晶粒钢，如果晶粒度为粒钢，如果晶粒度为58级则称为本质细级则称为本质细晶粒钢。本质晶粒度表示钢在一定条件下晶粒钢。本质晶粒度表示钢在一定条件下A晶粒长大倾向性。晶粒长大倾向性。2 2）奥氏体的晶粒度概念）奥氏体的晶粒度概念5 5. .奥氏体的晶粒度及影响因素奥氏体的晶粒度及影响因素3 3）影响奥氏体晶粒长大的因素）影响奥氏体晶粒长大的因素加热温度加热温度保温时间保温时间 加热速度加热速度 化学成分化学成分加热温度对A体晶粒度影响最为显著，随着温度升高，晶粒急剧长大；在一定温度下，随着保温时间延长

9、，A晶粒长大，但到一定程度后，延长保温时间晶粒不再明显长大。加热速度越大，加热速度越大，A转变的过热度越大，形转变的过热度越大，形核率越高，起始晶粒越细。如果保温时间核率越高，起始晶粒越细。如果保温时间较短，则晶粒来不及长大。较短，则晶粒来不及长大。如果高温下延如果高温下延长保温时间，晶粒很容易长大。长保温时间，晶粒很容易长大。 含碳量的影响：含碳量的影响：在一定含量之内，随着在一定含量之内，随着C含量增加，含量增加，A晶粒长晶粒长大倾向增大，但当含碳量超过某一限度时，大倾向增大，但当含碳量超过某一限度时，A晶粒反而变得细小。晶粒反而变得细小。合金元素的影响：合金元素的影响：钢种加入适量的形成

10、难熔化合物的元素，如钢种加入适量的形成难熔化合物的元素，如Ti、Zr、V、Al、Nb、Ta等，可强烈阻止等，可强烈阻止A晶粒长大，使晶粒长大，使A晶粒粗化温度提高。晶粒粗化温度提高。钢种加入不生成化合物的元素，如钢种加入不生成化合物的元素，如Si、Ni、Cu等，对等，对A晶粒长大的影响不明显。晶粒长大的影响不明显。Mn、P、N等元素溶入等元素溶入A后，削弱后，削弱 -Fe原子结原子结合力，加速合力，加速Fe原子扩散，促进原子扩散，促进A晶粒长大。晶粒长大。5 5. .奥氏体的晶粒度及影响因素奥氏体的晶粒度及影响因素过冷奥氏体的过冷奥氏体的冷却方式冷却方式等温冷却等温冷却连续冷却连续冷却过冷奥氏

11、体过冷奥氏体 在临界温度在临界温度A1以下处于不稳定状态的奥氏体以下处于不稳定状态的奥氏体5.1.2 钢的过冷奥氏体转变曲线钢的过冷奥氏体转变曲线1 1）曲线的建立）曲线的建立1. 1. 过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体等温转变曲线5.1.2 钢的过冷奥氏体转变曲线钢的过冷奥氏体转变曲线A1：表示钢的临界点，即表示钢的临界点，即A与与P的平衡温度；的平衡温度；Ms：马氏体转变开始温度；马氏体转变开始温度；Mf：马氏体转变终了温度；马氏体转变终了温度；两条两条C曲线：左为过冷曲线：左为过冷A转变开始线，右为过冷转变开始线，右为过冷A转变终了线转变终了线A1线以上为线以上为A稳定区，稳定区，MsM

12、f之间为之间为M转变区，两条转变区，两条C曲线之间的曲线之间的区域为过冷区域为过冷A转变区，在该区域内过冷转变区，在该区域内过冷A向珠光体或贝氏体转变。向珠光体或贝氏体转变。C曲线左侧曲线左侧A1和和Ms之间为过冷之间为过冷A区，表明过冷区，表明过冷A转变需要孕育期。转变需要孕育期。孕育期孕育期在在A1温度以下，过冷奥氏体转变开始线与纵坐标之间温度以下，过冷奥氏体转变开始线与纵坐标之间的水平距离称为过冷奥氏体在该温度下的孕育期，其长短表示过冷的水平距离称为过冷奥氏体在该温度下的孕育期，其长短表示过冷奥氏体稳定性的高低。在孕育期最短的温度区域，奥氏体稳定性的高低。在孕育期最短的温度区域，C曲线左

13、凸，俗称曲线左凸，俗称C曲线的鼻子，它是两相间体积自由能差与原子扩散系数综合作用的曲线的鼻子，它是两相间体积自由能差与原子扩散系数综合作用的结果。结果。 2）TTT曲线分析曲线分析1. 1. 过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体等温转变曲线a含碳量的影响含碳量的影响对于亚共析钢和过共析钢，过冷奥氏体转变开始线前多一条先共析相析对于亚共析钢和过共析钢，过冷奥氏体转变开始线前多一条先共析相析出线。出线。亚共析钢过冷奥氏体等温转变曲线中的亚共析钢过冷奥氏体等温转变曲线中的F-P转变部分随着转变部分随着A中含中含C量增加量增加逐渐右移；而过共析钢中的逐渐右移；而过共析钢中的Fe3C-P转变部分则随转变部分

14、则随A中含中含C量的增加而逐渐左量的增加而逐渐左移。移。随着过冷随着过冷A中碳含量增加，中碳含量增加，B转变右移，转变右移，Ms和和Mf降低。降低。4545 T10T103）影响）影响TTT曲线的因素曲线的因素b合金元素的影响合金元素的影响一般除一般除Co、Al外，所有合金元素溶入外，所有合金元素溶入A中都使中都使C曲线右移，过冷曲线右移，过冷A稳定稳定性增加，并使性增加，并使Ms点降低。点降低。c奥氏体状态的影响奥氏体状态的影响A晶粒越细小，则晶界总面积越大，有利于新相形核和原子扩散，使晶粒越细小，则晶界总面积越大，有利于新相形核和原子扩散，使P转变线左移，但对转变线左移，但对B转变转变 不

15、大。不大。过冷过冷A晶粒越粗大使晶粒越粗大使Ms点升高，加快点升高，加快M转变。转变。过冷过冷A成分越均匀，稳定性越高，相变孕育期越长。成分越均匀，稳定性越高，相变孕育期越长。 3）影响）影响TTT曲线的因素曲线的因素1）曲线的建立）曲线的建立2. 过冷奥氏体连续转变曲线过冷奥氏体连续转变曲线5.1.2 钢的过冷奥氏体转变曲线钢的过冷奥氏体转变曲线2）曲线分析）曲线分析2. 过冷奥氏体连续转变曲线过冷奥氏体连续转变曲线PP+MM下临界下临界冷却速度冷却速度上临界上临界冷却速度冷却速度共析钢过冷共析钢过冷A连续冷却转变曲线最简单，它包括过冷连续冷却转变曲线最简单，它包括过冷A转变开始、转变终了和

16、转变终止三条线转变开始、转变终了和转变终止三条线在冷却速度较慢时，只发生在冷却速度较慢时，只发生P转变，最终得到转变，最终得到100%P。在中等冷却速度下，在转变开始线上开始得到在中等冷却速度下，在转变开始线上开始得到P，在终在终止线后珠光体转变不再进行，剩余止线后珠光体转变不再进行，剩余A在在Ms点以下发生点以下发生M转转变，室温下得到（变，室温下得到（P+M）组织。组织。Vk表示过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解，表示过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解，全部冷至全部冷至Ms以下发生以下发生M转变的最小冷却速度，称为上临转变的最小冷却速度，称为上临界冷却速度或临界淬火速度。界冷却速度或临

17、界淬火速度。Vk表示过冷表示过冷A全部得到全部得到P的最大冷却速度，称为下的最大冷却速度，称为下临界冷却速度。临界冷却速度。 片状，奥氏体分解片状，奥氏体分解珠珠光光体体形形态态珠光体（珠光体（P）是铁素体（是铁素体（F）和渗碳体（和渗碳体（Fe3C）两相的机械混两相的机械混合物，按组织形态可分为片状珠光体和粒状珠光体两种。合物，按组织形态可分为片状珠光体和粒状珠光体两种。粒状，调制处理或者球化退火粒状，调制处理或者球化退火5.1.3 钢的珠光体转变钢的珠光体转变片片状状珠珠光光体体珠光体珠光体片间距约为片间距约为450150nm，形成于形成于A1650范围内，在光学显微镜下可清晰地范围内，在

18、光学显微镜下可清晰地分辨出铁素体和渗碳体层片状组织。分辨出铁素体和渗碳体层片状组织。索氏体索氏体片间距约为片间距约为15080nm，形成于形成于650600范围内，只有在范围内，只有在800倍以上的光学倍以上的光学显微镜下观察才能分辨出铁素体和渗碳体层显微镜下观察才能分辨出铁素体和渗碳体层片状组织。片状组织。 屈氏体屈氏体片间距约为片间距约为8030nm，形成于形成于600550范围内，在光学显微镜下已经很范围内，在光学显微镜下已经很难分辨出铁素体和渗碳体层片状组织。难分辨出铁素体和渗碳体层片状组织。5.1.3 钢的珠光体转变钢的珠光体转变珠光体团直径及片间距对共析钢强度的影响珠光体团直径及片

19、间距对共析钢强度的影响 片状珠光体性能片状珠光体性能珠光体团直径及片间距对共析钢塑性的影响珠光体团直径及片间距对共析钢塑性的影响 共析钢强度和韧性随形成温度的变化关系共析钢强度和韧性随形成温度的变化关系颗颗粒粒状状珠珠光光体体颗粒状珠光体是铁素体基体上分布着粒状渗碳体的颗粒状珠光体是铁素体基体上分布着粒状渗碳体的组织，它在工业用高碳钢中经常遇到。粒状珠光体组织，它在工业用高碳钢中经常遇到。粒状珠光体一般是经球化退火或淬火后经中、高温回火得到。一般是经球化退火或淬火后经中、高温回火得到。 5.1.3 钢的珠光体转变钢的珠光体转变颗粒状珠光体的力学性能：颗粒状珠光体的力学性能：1）粒状珠光体的力学

20、性能主要取决于渗碳体颗粒的）粒状珠光体的力学性能主要取决于渗碳体颗粒的大小、形态和分布。大小、形态和分布。Fe3C颗粒越细，相界越多，则钢颗粒越细，相界越多，则钢的强度、硬度越高；碳化物越接近于等轴状、分布越的强度、硬度越高；碳化物越接近于等轴状、分布越均匀，则钢的韧性越好。均匀，则钢的韧性越好。2）在成分相同的条件下，粒状珠光体比片状珠光体）在成分相同的条件下，粒状珠光体比片状珠光体硬度稍低，但塑性较好。硬度稍低，但塑性较好。3）在硬度相同的情况下，粒状珠光体比片状珠光体）在硬度相同的情况下，粒状珠光体比片状珠光体具有良好的拉伸性能。具有良好的拉伸性能。5.1.3 钢的珠光体转变钢的珠光体转

21、变颗颗粒粒状状珠珠光光体体1）片状珠光体）片状珠光体珠光体转变是扩散型相变，包括形核和晶核长大两个珠光体转变是扩散型相变，包括形核和晶核长大两个基本过程。铁素体和渗碳体都可作为领先相在奥氏体晶界基本过程。铁素体和渗碳体都可作为领先相在奥氏体晶界形核，然后通过扩散过程长大。形核，然后通过扩散过程长大。3. 珠光体的形成过程珠光体的形成过程2）颗粒状珠光体）颗粒状珠光体对于过冷奥氏体直接分解形成的粒状珠光体，是由于对于过冷奥氏体直接分解形成的粒状珠光体，是由于A转转变时温度低，变时温度低，A有部分未溶解的渗碳体，在保温过程中这部分有部分未溶解的渗碳体，在保温过程中这部分渗碳体球化，在随后冷却过程中

22、作为颗粒状珠光体的晶核，渗渗碳体球化，在随后冷却过程中作为颗粒状珠光体的晶核，渗碳体依附于他们生长，从而形成颗粒状珠光体。碳体依附于他们生长，从而形成颗粒状珠光体。3. 珠光体的形成过程珠光体的形成过程 钢从奥氏体状态快速冷却至钢从奥氏体状态快速冷却至MS点以点以下，扩散分解受到抑制，直接发生马氏体下，扩散分解受到抑制，直接发生马氏体转变。这种转变属于低温转变，转变产物转变。这种转变属于低温转变，转变产物马氏体（马氏体（M）为碳在）为碳在 -Fe中的过饱和间隙中的过饱和间隙式固溶体，具有很高的强度和硬度。式固溶体，具有很高的强度和硬度。5.1.4 钢的马氏体转变钢的马氏体转变1. 马氏体转变的

23、条件马氏体转变的条件板条马氏体是低、中碳钢、马氏体时效钢、不板条马氏体是低、中碳钢、马氏体时效钢、不锈钢等铁基合金中形成的一种典型马氏体组织。锈钢等铁基合金中形成的一种典型马氏体组织。板条马氏体组织由许多成群的、相互平行排列板条马氏体组织由许多成群的、相互平行排列的板条所组成，每个板条为一个单晶，尺寸约的板条所组成，每个板条为一个单晶，尺寸约为为 。板条之间一般以小角度晶界相间。相邻的。板条之间一般以小角度晶界相间。相邻的板条之间往往存在厚度约为板条之间往往存在厚度约为1020nm1020nm的薄壳状残的薄壳状残余奥氏体。许多相互平行的板条组成一个板条束，余奥氏体。许多相互平行的板条组成一个板

24、条束，一个奥氏体晶粒内有几个板条束。板条马氏体的亚一个奥氏体晶粒内有几个板条束。板条马氏体的亚结构为高密度位错，所以又称位错马氏体。结构为高密度位错，所以又称位错马氏体。2. 马氏体的组织形态马氏体的组织形态1）板条状马氏体）板条状马氏体 片状马氏体是在中高碳钢及其合金中形成的一种典型的片状马氏体是在中高碳钢及其合金中形成的一种典型的马氏体组织。马氏体组织。 片状马氏体的空间形态呈双凸透镜状，由于与试样磨面片状马氏体的空间形态呈双凸透镜状，由于与试样磨面相截，在光学显微镜下呈针状或竹叶状，故又称针状马氏体。相截，在光学显微镜下呈针状或竹叶状，故又称针状马氏体。片状马氏体的最大尺寸取决于原奥氏体

25、晶粒大小。片状马氏体的最大尺寸取决于原奥氏体晶粒大小。 片状马氏体内部亚结构主要是孪晶，其中脊背就是高密片状马氏体内部亚结构主要是孪晶，其中脊背就是高密度的微细孪晶区。度的微细孪晶区。 由于马氏体高速形成时相互撞击，使得片状马氏体中有由于马氏体高速形成时相互撞击，使得片状马氏体中有很多显微裂纹，所以增加了钢的脆性。很多显微裂纹，所以增加了钢的脆性。 2. 马氏体的组织形态马氏体的组织形态2）片状马氏体）片状马氏体2. 马氏体的组织形态马氏体的组织形态板条马氏体板条马氏体片状马氏体片状马氏体1）成分：随着钢中含碳量增加，板条马氏）成分：随着钢中含碳量增加，板条马氏体数量降低，片状马氏体数量增加。

26、体数量降低，片状马氏体数量增加。2）温度：）温度：200时，为板条马氏体；时，为板条马氏体； 200时，为片状马氏体。时，为片状马氏体。3. 影响马氏体形态的因素影响马氏体形态的因素5.1.4 钢的马氏体转变钢的马氏体转变 -Fe-Fe为体心立方结构，为体心立方结构，由于碳的过饱和，使由于碳的过饱和，使c c轴轴伸长，伸长，a a轴缩短，发生正轴缩短，发生正方畸变，因此马氏体具有方畸变，因此马氏体具有体心正方结构。体心正方结构。c/ac/a称为称为正方度，含碳量越大则正正方度，含碳量越大则正方度越大。方度越大。3. 马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构5.1.4 钢的马氏体转变钢的马氏体转变1 1

27、）马氏体的硬度和强度）马氏体的硬度和强度高硬度和高强度是马氏体的显著特点。马氏体硬度随含碳量增高硬度和高强度是马氏体的显著特点。马氏体硬度随含碳量增加而升高，但在加而升高，但在0.6%C0.6%C时达到最大值，随后由于残余奥氏体的时达到最大值，随后由于残余奥氏体的增加，硬度反而降低。增加，硬度反而降低。马氏体高硬度、高强度的原因：马氏体高硬度、高强度的原因：固溶强化。马氏体为碳在固溶强化。马氏体为碳在 -Fe中的过饱和固溶体；中的过饱和固溶体；相变强化。马氏体转变时，在晶体内造成晶格缺陷密度很高的亚相变强化。马氏体转变时，在晶体内造成晶格缺陷密度很高的亚结构，如板条马氏体中的高密度位错，片状马

28、氏体中的孪晶，它结构，如板条马氏体中的高密度位错，片状马氏体中的孪晶，它们阻碍位错运动，造成强化；们阻碍位错运动，造成强化；时效强化。马氏体形成以后，由于一般钢的时效强化。马氏体形成以后，由于一般钢的Ms点都在室温以上，点都在室温以上，因此淬火过程中及在室温停留时，或在外力作用下，都会发生自因此淬火过程中及在室温停留时，或在外力作用下，都会发生自发回火，即碳原子和合金元素原子向位错及其他晶体缺陷处扩散发回火，即碳原子和合金元素原子向位错及其他晶体缺陷处扩散偏聚，或碳化物弥散析出，钉扎位错，造成强化。偏聚，或碳化物弥散析出，钉扎位错，造成强化。1. 晶界强化。原奥氏体晶粒大小及板条马氏体束大小的

29、影响。晶界强化。原奥氏体晶粒大小及板条马氏体束大小的影响。2 2）马氏体的塑性和韧性）马氏体的塑性和韧性片状马氏体具有高强度、高硬度，但韧性很差，是硬脆相；板片状马氏体具有高强度、高硬度，但韧性很差，是硬脆相；板条马氏体除具有高强度、高硬度外，还具有相当的塑性和韧性。条马氏体除具有高强度、高硬度外，还具有相当的塑性和韧性。5. 马氏体的性能马氏体的性能5.1.4 钢的马氏体转变钢的马氏体转变1）马氏体转变条件）马氏体转变条件l 过冷奥氏体的冷却速度必须大于上临界冷却速度过冷奥氏体的冷却速度必须大于上临界冷却速度Vk;l 奥氏体必须深度过冷（温度低于奥氏体必须深度过冷（温度低于Ms点）点）;2）

30、马氏体转变为无扩散型相变）马氏体转变为无扩散型相变马氏体转变过程中马氏体转变过程中Fe的晶格由面心立方向体心立方变化是通过的晶格由面心立方向体心立方变化是通过切变方式完成的，转变速度极快，切变过程中切变方式完成的，转变速度极快，切变过程中M与与A保持共格保持共格3）马氏体转变为降温转变）马氏体转变为降温转变马氏体转变是在温度范围内进行，转变量需要通过不断地降温马氏体转变是在温度范围内进行，转变量需要通过不断地降温来增加。因为多数钢的点在室温以下，因此，钢快冷到室温时来增加。因为多数钢的点在室温以下，因此，钢快冷到室温时仍有部分未转变的奥氏体称为残余奥氏体记为仍有部分未转变的奥氏体称为残余奥氏体

31、记为Ar。6. 马氏体转变的特点马氏体转变的特点5.1.4 钢的马氏体转变钢的马氏体转变 贝氏体转变是介于珠光体和马氏体转变贝氏体转变是介于珠光体和马氏体转变之间的一种转变，又称中温转变。其转变特之间的一种转变，又称中温转变。其转变特点具有珠光体转变和马氏体转变的某些共同点具有珠光体转变和马氏体转变的某些共同特征，如特征，如 相形成的无扩散性及碳化物析出相形成的无扩散性及碳化物析出的扩散性。转变产物为贝氏体（的扩散性。转变产物为贝氏体（B）是含碳是含碳过饱和的铁素体和碳化物的机械混合物。过饱和的铁素体和碳化物的机械混合物。 5.1.5 钢的贝氏体转变钢的贝氏体转变1. 贝氏体转变条件贝氏体转变

32、条件u温度范围：温度范围： 550550230230（MsMs）u转变特征：半扩散型转变转变特征：半扩散型转变u转变过程：分步进行转变过程：分步进行1. 贝氏体转变条件贝氏体转变条件C C从从F F中析出中析出切变切变A(fcc)A(fcc)F(bcc)F(bcc)550550350350 上贝氏体上贝氏体 B上上 350350230230 下贝氏体下贝氏体 B下下 1）上贝氏体）上贝氏体中高碳钢大约在中高碳钢大约在550-350550-350之间形成上贝氏体，特点是铁之间形成上贝氏体，特点是铁素体呈大致平行的条束状，自奥氏体晶界一侧或两侧向素体呈大致平行的条束状，自奥氏体晶界一侧或两侧向A晶

33、晶界内伸展，渗碳体分布于铁素体条之间，在光学显微镜下观界内伸展，渗碳体分布于铁素体条之间，在光学显微镜下观察呈羽毛状。察呈羽毛状。2）下贝氏体）下贝氏体对于中高碳钢，下贝氏体形成于对于中高碳钢，下贝氏体形成于350-Ms点之间，典型的点之间，典型的下贝氏体由含碳过饱和的片状铁素体和其内部沉淀的碳化物下贝氏体由含碳过饱和的片状铁素体和其内部沉淀的碳化物组成的机械混合物。在光学显微镜下呈黑色针状或竹叶状。组成的机械混合物。在光学显微镜下呈黑色针状或竹叶状。2. 贝氏体的组织形态贝氏体的组织形态5.1.5 钢的贝氏体转变钢的贝氏体转变1）上贝氏体形成温度较高，其中铁素体粗大，塑性抗力低，）上贝氏体形

34、成温度较高，其中铁素体粗大，塑性抗力低，上贝氏体中的上贝氏体中的Fe3C分布在铁素体条之间，易于引起脆断。分布在铁素体条之间，易于引起脆断。因此，上贝氏体强度和韧性均较低。因此，上贝氏体强度和韧性均较低。2）下贝氏体中铁素体细小，分布均匀，在铁素体内又析出细）下贝氏体中铁素体细小，分布均匀，在铁素体内又析出细小弥散的化合物，加之铁素体内含有过饱和碳和高密度位小弥散的化合物，加之铁素体内含有过饱和碳和高密度位错，所以下贝氏体不但强度高，而且韧性也好。错，所以下贝氏体不但强度高，而且韧性也好。3. 贝氏体的力学性能贝氏体的力学性能5.1.5 钢的贝氏体转变钢的贝氏体转变回回 火火 淬火后钢的组织由

35、马氏体（淬火后钢的组织由马氏体（M M）和残余奥氏体（）和残余奥氏体（ArAr）组成，是）组成，是不稳定组织，有自发向铁素体和渗碳体平衡组织转变的倾向不稳定组织，有自发向铁素体和渗碳体平衡组织转变的倾向将淬火钢加热到低于的某一温度，保温一定时将淬火钢加热到低于的某一温度，保温一定时间，使淬火组织转变为稳定的回火组织，然后间，使淬火组织转变为稳定的回火组织，然后以适当方式冷却到室温的热处理工艺。以适当方式冷却到室温的热处理工艺。 回火目的回火目的 1.1.消除淬火时产生的残余内应力，提高材料的消除淬火时产生的残余内应力，提高材料的塑性和韧性；塑性和韧性；2.2.使材料获得良好的综合力学性能；使材

36、料获得良好的综合力学性能；3.3.促进残余奥氏体向稳定的平衡组织转变促进残余奥氏体向稳定的平衡组织转变, ,稳定稳定工件尺寸，使其在使用中不发生变化。工件尺寸，使其在使用中不发生变化。5.1.6 钢的回火转变及时效钢的回火转变及时效1. 基本概念基本概念1）马氏体中碳的偏聚）马氏体中碳的偏聚2回回火火转转变变过过程程及及组组织织 2）马氏体分解）马氏体分解3）残余奥氏体（）残余奥氏体（Ar）转变）转变4）碳化物转变）碳化物转变5）渗碳体聚集长大及）渗碳体聚集长大及 相回复、再结晶相回复、再结晶1）马氏体中碳的偏聚）马氏体中碳的偏聚在在20-10020-100范围回火，引起范围回火，引起C、N等

37、间等间隙原子向缺陷处偏聚，导致马氏体中隙原子向缺陷处偏聚，导致马氏体中碳浓度降低，正方度也下降。碳浓度降低，正方度也下降。5.1.6 钢的回火转变及时效钢的回火转变及时效1）马氏体中碳的偏聚）马氏体中碳的偏聚2回回火火转转变变过过程程及及组组织织 2）马氏体分解）马氏体分解3）残余奥氏体（）残余奥氏体（Ar）转变）转变4）碳化物转变）碳化物转变5）渗碳体聚集长大及）渗碳体聚集长大及 相回复、再结晶相回复、再结晶2）马氏体分解）马氏体分解当回火温度超过当回火温度超过80-35080-350时，马氏体将时，马氏体将发生分解，该过程与钢的含碳量及回火发生分解，该过程与钢的含碳量及回火温度有关。温度有

38、关。钢的组织由有一定过饱和的钢的组织由有一定过饱和的固溶体和与其保持共格关系的固溶体和与其保持共格关系的 碳化物组碳化物组成，这种组织称为回火马氏体（成，这种组织称为回火马氏体（M）。）。5.1.6 钢的回火转变及时效钢的回火转变及时效1）马氏体中碳的偏聚）马氏体中碳的偏聚2回回火火转转变变过过程程及及组组织织 2）马氏体分解）马氏体分解3）残余奥氏体（）残余奥氏体（Ar）转变转变4）碳化物转变）碳化物转变5）渗碳体聚集长大及）渗碳体聚集长大及 相回复、再结晶相回复、再结晶3）残余奥氏体（）残余奥氏体（Ar）转变转变 在在200-350200-350温度区间回火时，淬火钢温度区间回火时，淬火钢

39、中的残余奥氏体将发生分解，形成中的残余奥氏体将发生分解，形成 相相和碳化物的机械混合物，称回火马氏体和碳化物的机械混合物，称回火马氏体或下贝氏体。或下贝氏体。5.1.6 钢的回火转变及时效钢的回火转变及时效1）马氏体中碳的偏聚）马氏体中碳的偏聚2回回火火转转变变过过程程及及组组织织 2）马氏体分解）马氏体分解3）残余奥氏体（）残余奥氏体（Ar）转变转变4）碳化物转变）碳化物转变5）渗碳体聚集长大及）渗碳体聚集长大及 相回复、再结晶相回复、再结晶4）碳化物转变）碳化物转变 在在300-400300-400间回火，间回火， 碳化物转变成碳化物转变成与基体无共格关系的颗粒状，此时钢与基体无共格关系的

40、颗粒状，此时钢的组织由饱和的针状的组织由饱和的针状 相和细小颗粒状相和细小颗粒状渗碳体组成，成为回火屈氏体。渗碳体组成，成为回火屈氏体。5.1.6 钢的回火转变及时效钢的回火转变及时效1）马氏体中碳的偏聚）马氏体中碳的偏聚2回回火火转转变变过过程程及及组组织织 2）马氏体分解）马氏体分解3）残余奥氏体（）残余奥氏体（Ar）转变转变4）碳化物转变）碳化物转变5）渗碳体聚集长大及）渗碳体聚集长大及 相回复、再结晶相回复、再结晶5）渗碳体聚集长大及）渗碳体聚集长大及 相回复、再结晶相回复、再结晶当回火温度升高到当回火温度升高到400400以上时，在马以上时，在马氏体中发生回复和再结晶过程，生成氏体中

41、发生回复和再结晶过程，生成新的等轴晶粒，同时渗碳体一定程度新的等轴晶粒，同时渗碳体一定程度粗化。最后形成等轴的粗化。最后形成等轴的相和颗粒状碳相和颗粒状碳化物的混合物化物的混合物, 回火索氏体。回火索氏体。5.1.6 钢的回火转变及时效钢的回火转变及时效1）马氏体中碳的偏聚）马氏体中碳的偏聚2回回火火转转变变过过程程及及组组织织 2）马氏体分解）马氏体分解3）残余奥氏体（）残余奥氏体（Ar）转变转变4）碳化物转变）碳化物转变5）渗碳体聚集长大及）渗碳体聚集长大及 相回复、再结晶相回复、再结晶5.1.6 钢的回火转变及时效钢的回火转变及时效回火马氏体回火马氏体回火屈氏体回火屈氏体回火索氏体回火索

42、氏体2. 回火转变过程及组织回火转变过程及组织5.1.6 钢的回火转变及时效钢的回火转变及时效1 1）强度和硬度）强度和硬度随回火温度的升高，钢的强度和硬随回火温度的升高，钢的强度和硬度下降度下降2 2）塑性和韧性）塑性和韧性随回火温度的升高，钢随回火温度的升高，钢的塑性和韧性提高的塑性和韧性提高3. 淬火钢回火后的力学性能淬火钢回火后的力学性能5.1.6 钢的回火转变及时效钢的回火转变及时效二次硬化现象二次硬化现象在含有较多碳化物形成元素在含有较多碳化物形成元素的合金钢中，在的合金钢中，在500回火时渗回火时渗碳体溶解，形成细小、弥散分布碳体溶解，形成细小、弥散分布的合金碳化物。在回火过程中

43、还的合金碳化物。在回火过程中还能发生残余奥式体向马氏体转变能发生残余奥式体向马氏体转变的二次淬火现象。这可使某些钢的二次淬火现象。这可使某些钢的硬度在回火后有所升高，形成的硬度在回火后有所升高，形成二次硬化。二次硬化。3. 淬火钢回火后的力学性能淬火钢回火后的力学性能第一类回火脆性第一类回火脆性淬火碳钢在淬火碳钢在200-400温度范围内回火，温度范围内回火，室温冲击韧度出现低谷，叫第一类回火脆性（或回火马氏体室温冲击韧度出现低谷，叫第一类回火脆性（或回火马氏体脆性脆性TM6），它几乎在所有钢中出现。），它几乎在所有钢中出现。原因：片状碳化物沉淀理论；杂质原因：片状碳化物沉淀理论；杂质元素晶界

44、偏聚理论；残留奥氏体薄元素晶界偏聚理论；残留奥氏体薄膜分解理论。膜分解理论。防止方法：避免在脆化温度范围内防止方法：避免在脆化温度范围内回火；加热重新淬火回火；加热重新淬火3. 淬火钢回火后的力学性能淬火钢回火后的力学性能回火脆性回火脆性防止方法：重新回火，回火后快速防止方法：重新回火，回火后快速冷却，可避免回火脆性发生；另外，冷却，可避免回火脆性发生；另外，在 钢 中 加 入在 钢 中 加 入 W （ 1 % ） 、） 、 M o（0.5%）等合金元素，可有效地等合金元素，可有效地抑制这类回火脆性的产生。抑制这类回火脆性的产生。第二类回火脆性第二类回火脆性某些合金钢在某些合金钢在350-52

45、5350-525范围内回火，范围内回火，或在稍高温度回火后缓慢冷却后出现的脆性，叫或在稍高温度回火后缓慢冷却后出现的脆性，叫第二类回火第二类回火脆性（或马氏体脆性（或马氏体高温回火脆性）。高温回火脆性）。原因：原因：As、Sn、Sb等合金元素在原等合金元素在原奥氏体晶界上偏聚，或以碳化物形奥氏体晶界上偏聚，或以碳化物形式析出，降低了晶界强度。式析出，降低了晶界强度。回火脆性回火脆性3. 淬火钢回火后的力学性能淬火钢回火后的力学性能淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力, 它是钢的固有属它是钢的固有属性，取决于钢的临界冷却速度、过冷奥氏体的稳定性。淬透性，取决于

46、钢的临界冷却速度、过冷奥氏体的稳定性。淬透性的大小用钢在一定条件下淬火所获得的淬透层深度来表示性的大小用钢在一定条件下淬火所获得的淬透层深度来表示 1. 钢的淬透性钢的淬透性5.1.7 钢的淬透性和淬硬性钢的淬透性和淬硬性淬硬性是指钢淬火后形成的淬火态组织（淬硬性是指钢淬火后形成的淬火态组织（M+ArM+Ar）所达）所达到的最高硬度，即钢在淬火时的硬化能力。钢的淬硬到的最高硬度，即钢在淬火时的硬化能力。钢的淬硬性取决于马氏体含碳量和残余奥氏体数量。性取决于马氏体含碳量和残余奥氏体数量。 5.1.7 钢的淬透性和淬硬性钢的淬透性和淬硬性2. 钢的淬硬性钢的淬硬性第第5 5章章 钢的热处理与马氏体

47、相变强化钢的热处理与马氏体相变强化5.1 钢的热处理原理钢的热处理原理5.2 钢的热处理工艺钢的热处理工艺5.2 钢的热处理工艺钢的热处理工艺5.2.1 钢的热处理工艺种类钢的热处理工艺种类 5.2.3 钢的淬火钢的淬火 5.2 钢的热处理工艺钢的热处理工艺5.2.2 钢的退火和正火钢的退火和正火 5.2.4 钢的回火钢的回火 5.2.5 钢的热处理组织观察钢的热处理组织观察 5.2.1 钢的热处理工艺种类钢的热处理工艺种类 钢的热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的钢的热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。时间，然后以预定

48、的方式冷却到室温的一种热加工工艺。 5.2.1 钢的热处理工艺种类钢的热处理工艺种类 表面热处理表面热处理普通热处理普通热处理其他热处理其他热处理退退火火正正火火淬淬火火回回火火表表面面淬淬火火化化学学热热处处理理控控制制气气氛氛热热处处理理真真空空热热处处理理形形变变热热处处理理1. 基本概念基本概念退退火火正正火火将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。平衡状态组织的热处理工艺。 将钢加热到或以上适当温度，保温一定时间，将钢加热到或以上适当温度，保温一定

49、时间，使它完全奥氏体化，然后在空气中冷却，以使它完全奥氏体化，然后在空气中冷却，以得到珠光体组织的热处理工艺。得到珠光体组织的热处理工艺。正火可以看作是退火的特殊形式。正火可以看作是退火的特殊形式。5.2.2 钢的退火和正火钢的退火和正火2) )消除残余内应力，防止钢件在淬火时产生变形或开裂消除残余内应力，防止钢件在淬火时产生变形或开裂1) )调整硬度，以便进行切削加工。钢件经铸造或锻造等调整硬度，以便进行切削加工。钢件经铸造或锻造等热加工后，硬度经常偏高或偏低，而且不均匀，严重热加工后，硬度经常偏高或偏低，而且不均匀，严重影响切削加工，而适当退火或正火后可使钢件硬度调影响切削加工，而适当退火

50、或正火后可使钢件硬度调整到，且比较均匀，从而改善切削加工性能；整到，且比较均匀，从而改善切削加工性能； 2退退火火和和正正火火的的目目的的3) )细化晶粒，改善组织，提高力学性能；细化晶粒，改善组织，提高力学性能；4) )为最终热处理（淬火为最终热处理（淬火+回火）作好组织上的准备。回火）作好组织上的准备。 5.2.2 钢的退火和正火钢的退火和正火3退退火火的的种种类类 1）完全退火）完全退火将钢加热到将钢加热到 Ac3 +Ac3 +（30305050），保温足够时保温足够时间，使组织完全奥氏体化后缓慢冷却，以获得间，使组织完全奥氏体化后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。接近平衡组织的

51、热处理工艺。5.2.2 钢的退火和正火钢的退火和正火目的：主要用于亚共析钢，使中碳以上的钢软目的：主要用于亚共析钢，使中碳以上的钢软化以便于切削加工，并可消除内应力。化以便于切削加工，并可消除内应力。2）不完全退火）不完全退火 将钢加热至将钢加热至Ac1Ac3之间，保温后缓慢冷却，之间，保温后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。以获得接近平衡组织的热处理工艺。5.2.2 钢的退火和正火钢的退火和正火目的：主要应用于大批量生产的亚共析钢锻件，目的：主要应用于大批量生产的亚共析钢锻件，使珠光体片间距增大，硬度有所降低，内应力使珠光体片间距增大，硬度有所降低，内应力有所减小。有所减小。3退退火

52、火的的种种类类 3）球化退火）球化退火将过共析钢加热到将过共析钢加热到 Ac1 +Ac1 +（30305050），保温，保温，使片状渗碳体转变为球状或颗粒状珠光体的热使片状渗碳体转变为球状或颗粒状珠光体的热处理工艺。处理工艺。5.2.2 钢的退火和正火钢的退火和正火目的：球化退火主要用于共析刚钢和过共析钢，目的：球化退火主要用于共析刚钢和过共析钢，目的在于降低硬度、改善切削加工性能，并为目的在于降低硬度、改善切削加工性能，并为后面的淬火作组织的准备（所得到的组织为球后面的淬火作组织的准备（所得到的组织为球状珠光体）。状珠光体）。3退退火火的的种种类类 4）扩散退火（均匀化退火）扩散退火（均匀化

53、退火） 将钢加热到将钢加热到AcAc3 3或或AccmAccm以上以上(150(150300)300)，长时，长时间保温，然后随炉缓慢冷却的热处理工艺。间保温，然后随炉缓慢冷却的热处理工艺。5.2.2 钢的退火和正火钢的退火和正火目的：使钢中各种元素的原子在奥氏体中进行目的：使钢中各种元素的原子在奥氏体中进行充分扩散，以消除晶内偏析，使成分均匀化。充分扩散，以消除晶内偏析，使成分均匀化。3退退火火的的种种类类 5）再结晶退火）再结晶退火 将冷变形后的工件加热到再结晶温度以上（将冷变形后的工件加热到再结晶温度以上（A1温度以下），保温适当时间，通过再结晶使冷温度以下），保温适当时间，通过再结晶使

54、冷变形过程中产生的晶体学缺陷基本消失，重新变形过程中产生的晶体学缺陷基本消失，重新形成均匀的等轴晶粒，以消除形变强化效应及形成均匀的等轴晶粒，以消除形变强化效应及残余应力。残余应力。5.2.2 钢的退火和正火钢的退火和正火3退退火火的的种种类类 弹壳生产过程中的退火弹壳生产过程中的退火5.2.2 钢的退火和正火钢的退火和正火退火退火退火退火局部局部退火退火6）去应力退火）去应力退火 为了去除工件塑性变形加工、切削加工或焊接为了去除工件塑性变形加工、切削加工或焊接造成的内应力及铸件内存在的残余应力而进行造成的内应力及铸件内存在的残余应力而进行的退火。去应力退火加热范围较宽，一般在稍的退火。去应力

55、退火加热范围较宽，一般在稍低于再结晶温度下进行，所以又叫低温退火。低于再结晶温度下进行，所以又叫低温退火。5.2.2 钢的退火和正火钢的退火和正火3退退火火的的种种类类 1 1）作为低中碳结构钢的预备热处理，改善）作为低中碳结构钢的预备热处理，改善切削加工性能，为淬火作组织准备；切削加工性能，为淬火作组织准备；2）消除中碳钢中热加工缺陷；）消除中碳钢中热加工缺陷； 3）消除过共析中的网状二次渗碳体，为球）消除过共析中的网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备；化退火作组织准备； ；4）提高普通结构钢的力学性能，作为其最）提高普通结构钢的力学性能，作为其最终热处理工艺。终热处理工艺。 ；5.2.2

56、钢的退火和正火钢的退火和正火4正正火火的的用用途途 将钢加热到临界点将钢加热到临界点Ac3或或Ac1以上一定以上一定温度，保温一定时间，然后以大于临界温度，保温一定时间，然后以大于临界冷却速度冷却速度Vc的速度冷却，以得到马氏体的速度冷却，以得到马氏体组织的热处理工艺。组织的热处理工艺。1. 基本概念基本概念淬淬火火5.2.3 钢的淬火钢的淬火淬火现象淬火现象5.2.3 钢的淬火钢的淬火淬火现象淬火现象5.2.3 钢的淬火钢的淬火淬火加热介质介质过烧过烧AC3或AC1+30氧化氧化脱碳脱碳正火正火报废报废余量、保余量、保护气氛、护气氛、真空真空淬火冷却淬火冷却过热过热5.2.3 钢的淬火钢的淬火淬火加热温度的选择以得到