金属材料任务四之活动2

1、2022-3-25任务四任务四 钢的热处理钢的热处理 钢在加热及冷却时的组织转变建议：4课时学习活动2学习目的与要点学习目的与要点学习重点与难点学习重点与难点熟悉并掌握钢在加热、冷却时的（温度对组织转变的影响） 组织转变过程（相变温度、A的形成、长大）。熟悉并掌握P、B下、B上、M转变及残余A以及相变组织对金属材料性能的影响 钢在加热、冷却时的（温度对组织转变的影响）组织转变过程（相变温度、A的形成、长大）、（A等温转变、A连续冷却转变）P、B下、B上、M转变及残余A各相变及其相变组织对金属材料性能的影响一、钢在加热时的转变 1、固态相变类型：扩散性相变、半扩散性相变、非扩散性相变2、奥氏体的

2、形成：钢加热到临界点以上的温度，形成奥氏体的 过程又称奥氏体化 奥氏体是碳在-Fe中的间隙型固溶体，具有面心立方晶格，在光镜下通常是多边形晶粒组织。 在钢的各种组织中，奥氏体的比体积最小，线膨胀系数大，热导率低。奥氏体的屈服强度很低，塑性很好，易于变形加工成形，钢的锻造和轧制均在奥氏体状态下进行。重点钢的奥氏体化 皆转为奥氏体 （A） 钢的奥氏体化相图 牢记该图并融会贯通 奥氏体生核 奥氏体长大 残余渗碳体溶解 奥氏体均匀化 钢的奥氏体化加热温度曲线 亚共析钢需加热到Ac3以上，共析钢需加热到Ac1以上，过共析钢需加热到Accm以上，才能得到成分均匀单一的奥氏体组织。 3、A晶粒长大与影响因素

3、 在钢加热奥氏体化以后，若继续保温或升温，奥氏体晶粒将会长大。奥氏体晶粒的长大机制与再结晶晶粒长大机制相似，小晶粒被吞并，大晶粒长大以及晶界平直化。 加热温度越高奥氏体晶粒长大速度越快，保温时间越长晶加热温度越高奥氏体晶粒长大速度越快，保温时间越长晶粒长得越大粒长得越大。 钢中奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后的组织和性能。奥氏体晶粒细小，则其转变产物的晶粒也较细小，性能较好；反之，转变产物的晶粒则粗大，而且其性能也较差。打比方，说明。详细解析 4、奥氏体晶粒度的概念：晶粒度N表示，晶粒度通常分8级评定，1级最粗，8级最细，若比10级还细，则为超细晶粒。晶粒度级别与晶粒大小的关系为：(a)刚刚完

4、成奥氏体化的晶粒大小称为“起始晶粒度”。(b)“实际晶粒度”是在具体的加热温度、保温时间的条件下获得的晶粒大小。(c)“本质晶粒度”表明奥氏体晶粒长大倾向(经93010，保温38 小时后测得奥氏体晶粒大小) 晶粒度大小在晶粒度大小在58级为本质细晶粒钢，级为本质细晶粒钢，14级为本质粗晶级为本质粗晶粒钢。粒钢。使用标准粒度对照图表 钢的标准晶粒号加热温度与奥氏体晶粒长大关系详细分析5、影响晶粒度的因素 (1)加热温度和时间的影响：加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒度越粗大。 (2)含C量的影响 (3)残余渗碳体 (4)合金元素的影响 选用含有一定合金元素的钢 大多数合金元素，如r、Mo、T

5、等，在钢中均可以形成难溶于奥氏体的碳化物，如Cr7C3、C、Mo2C、VC、TiC等，分布在晶粒边界上，阻碍奥氏体晶粒长大； Al：形成不溶于A的氧化物和氮化物； Si，Ni，Co促进石墨化，自由存在元素Cu等阻碍奥氏体晶粒长大； Mn、P加速A长大。二、钢在冷却时的转变 1、过冷奥氏体在不同的温度区间会发生三种不同的转变。 1)在A1550C区间发生珠光体转变，转变的产物是珠光体(P)，其硬度值较低，在1140HRC之间； 2)550CMs点区间发生贝氏体转变，产物是贝氏体(B)，硬度值较高在4055HRC之间； 3)在Ms点以下将发生马氏体转变，得到马氏体(M)，马氏体的硬度很高，可达到6

6、0HRC以上。共析钢共析钢等温冷却转变曲线（等温冷却转变曲线（C曲线）曲线）TTT高温转变 ：在A1550之间中温转变：550Ms(230 )之间低温转变：在Ms (230 ) Mf(50 )之间2、珠光体的形成及其组织 1)粒状P 温度：A1线附近长时间保温 Fe3C 以粒状分布于F 基体上形成的混合组织。采用球化处理工艺可以得到粒状珠光体组织。Fe3C 的量由钢的C%决定；Fe3C 的尺寸、形状由球化工艺决定。 Fe3C 以粒状分布于F 基体上 (a)珠光体在Al650C区间形成，片间距约大于0.4m；(b)索氏体在650600C之间形成，片间距较小约0.40.2m；(c)屈氏体形成温度在

7、600550C，片间距小于0.2m。2)片状P 首先在奥氏体晶界处形成Fe3C的核心，然后不断长大，周围奥氏体将发生晶格改组转变为铁素体，铁素体的生成促使渗碳体的长大和形核，长大的渗碳体可以分枝，它们共同生长的结果便得到层片的分布。在一个奥氏体晶粒中可能有数处形核，各自分别发展成不同的领域，直到奥氏体完全消失。此外，渗碳体形核与原奥氏体有一定的位向关系，所以珠光体在奥氏体中常为几种特定方向。 3) P的性能 珠光体组织的基体是铁素体，其硬度与屈服强度很低，塑性很好，靠硬而脆的渗碳体分散在其中来强化。因此珠光体的力学性能主要取决于渗碳体的分散度(即珠光体的片间距)和渗碳体的形状。 P、S、T下显

8、微组织相图 珠光体 3800 索氏体 8000 屈氏体 8000 强硬度强硬度： P粒粒P S T3、马氏体组织形态及性能 钢中的马氏体是碳在Fe中的过饱和固溶体，具有体心正方晶格 1）马氏体转变的主要特点 （1）过冷A冷到Ms点以下发生(共析钢230C)；（2）无扩散型相变 ,具有瞬时性;（3）沿一定的惯析面及位向关系切变共格形核;正方度c/a（4）马氏体转变具有不完全性残A;（5）在一个温度范围内完成的（Ms-Mz）;（6）马氏体形成时体积膨胀, 在钢中造成很大的内应力 。2）钢中马氏体的组织形态 （1）板条状马氏体 （2）片状马氏体 板条状马氏体 片状马氏体 低碳钢马氏体 高碳钢马氏体3

9、）马氏体高硬度高强度的原因：（1）相变强化（位错，孪晶）；（2）碳原子固溶强化等。种类 含C量 形态 亚结构 强化方式M板 1.0% 双凸镜状 孪晶 固溶和孪晶强化4）马氏体的塑性和韧性与马氏体的亚结构有密切的关系，同样强度的板条马氏体的塑性和韧性比片状马氏体要好得多。（1）片状马氏体的亚结构主要是孪晶，孪晶使马氏体中的滑移系显著地减少(仅有体心立方金属的14)，使滑移困难，强度升高而塑性和韧性严重下降；（2）片状马氏体C过饱和大，c/a大，畸变大，残余应力大。4、贝氏体组织形态及性能 1）贝氏体的产生 钢中的贝氏体转变是钢经奥氏体化后，过冷到珠光体转变和马氏体转变之间的中温温度发生的转变，又

10、称中温转变（550C-Ms）。 在贝氏体转变的温度区间，铁和合金元素的原子已经很难扩散，只有碳原子可以扩散，因此，贝氏体为半扩散型相变。 贝氏体是由过饱和铁素体和渗碳体两相组成的混合物，钢中贝氏体的形态比较复杂，最常见的基本形态是上贝氏体和下贝氏体。2）组织形态 （1）上贝氏体的形成温度比较高，对于共析钢约在550350C之间，在光镜下可以看到上贝氏体呈羽毛状。上贝氏体是由大致平行的板条状铁素体和分布在板条间的不连续的渗碳体组成的。 （2）下贝氏体的形成温度是在中温区的下部，对于共析钢约为350240C之间。在光镜下下贝氏体呈黑针状。下贝氏体的铁素体片中分布有细片状碳化物，碳化物的取向与铁素体

11、片的长轴约成5565角。铁素体中有较高密度的位错。具有更大的过饱和度。 上贝氏体 下贝氏体 3）贝氏体的力学性能 （1）贝氏体中的铁素体晶粒细小，位错密度高，有一定的过饱和度，所以强度和硬度较高。贝氏体中的渗碳体是强化相，渗碳体的数量越多，贝氏体的强度和硬度越高，而塑性、韧性越差。（2）上贝氏体中的铁素体板条较宽，比珠光体的片间距还大，渗碳体分布在F之间，不仅塑性变形抗力低，而且易于裂纹传播，因此上贝氏体的抗拉强度和断裂强度较低，韧性较差。（3）下贝氏体中的铁素体片比较细薄，片内有较高密度的位错，而且碳化物弥散分布在铁素体片中，片间距小，因此，下贝氏体具有较高的强度和较好的韧性，特别是其韧脆转

12、变温度较低。5、过冷A冷却转变曲线图 1）TTT图（1）TTT图的建立 过冷奥氏体等温转变曲线又称TTT图或C曲线。a.图中左边的曲线是转变开始线，右边的曲线是转变完了线。b.它的上部向A1线无限趋近，它的下部与Ms线相交。Ms点是奥氏体开始向马氏体转变的温度。c.过冷奥氏体开始转变需要经过一段孕育期，在550500C等温时孕育期最短，转变最快，称为C曲线的“鼻子”。 例：对共析钢进行等温冷却测定，可获得过冷奥氏体等温转变曲线（也称C曲线）。 步骤： 对共析钢进行一系列不同过冷度的等温冷却实验，如700、650、600、550C等。 测出过冷奥氏体在恒温下转变开始时间。 测出过冷奥氏体在恒温下

13、转变终了时间 在温度 时间坐标中把开始时间、终了时间 分别连接起来。完成上述步骤后，即可画出共析钢C曲线！共析钢等温曲线绘制 共析钢过冷奥氏体等温转变曲线 2）过冷A产物在TTT图中的分布APSBMAAAABMMA1TAA上下sf-1000100200300400500600700800温度/时 间 /sP转变范围B转变范围M转变范围C3） 影响TTT图的因素： （1）C的影响 a.亚共析钢 b.过共析钢 （2）合金元素的影响 （3）加热温度和保温时间 6、过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT） 在绝大多数情况下奥氏体转变是在连续冷却的条件下进行的。因此，研究过冷奥氏体连续冷却转变图(CCT图)

14、，有更大的实际意义。过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT） 在绝大多数情况下奥氏体转变是在连续冷却的条件下进行的。因此，研究过冷奥氏体连续冷却转变图(CCT图)，有更大的实际意义。 不同冷却速度下，过冷奥氏体开始转变的时间和温度不同，冷却速度越快，开始转变所需的时间越短，转冷却速度越快，开始转变所需的时间越短，转变温度越低变温度越低: (a) 在连续冷却条件下，共析碳钢不发生贝氏体转变共析碳钢不发生贝氏体转变。若冷却速度小于小于33.4C/s时时，奥氏体将全部转变成珠光体，(b) 若冷却速度在3、2曲线之间，则奥氏体冷却到500C时，已有相当一部分奥氏体转变为珠光体，而尚未转变的而尚未转变的奥氏体将停止转变，直到冷却到奥氏体将停止转变，直到冷却到Ms点以下发生马氏体点以下发生马氏体转变。转变。(c) 若冷却速度大于大于140C/s，过冷奥氏体将不会发生分解转变，将一直冷却到将一直冷却到Ms点以下发生马氏体转变点以下发生马氏体转变。临界冷却速度(意义？)。 总 结 钢在加热时的（温度对组织转变的影响）组织转变过程（相变温