chapter 5 nonequilibrium solid transformation in steels

1、将钢在固态下通过不同的方式加热、将钢在固态下通过不同的方式加热、保温和冷却，可以改变钢的组织结保温和冷却，可以改变钢的组织结构，从而改变其性能。构，从而改变其性能。 Microstructure of pearlite formed at different isothermal hold temperature: (a) 655,(b) 600. (c) 534,(b) 487. Note that the morphologies of the two-phase structure are similar but their spacing decrease with decreasin

2、g isothermal hold temperature.珠光体珠光体临界温度与实际转变温度临界温度与实际转变温度钢加热时的实际转变温度钢加热时的实际转变温度分别用分别用Ac1、Ac3、Accm表示；冷却时的实际转变表示；冷却时的实际转变温度分别用温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。表示。由于加热冷却速度直接影由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手响转变温度，因此一般手册中的数据是以册中的数据是以30-50/h 的速度加热或冷却时测得的速度加热或冷却时测得的。的。l加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在是在A1以下加热，不发生相变；

3、另一种是以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化奥氏体化（austenization)。 l一、一、奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程l奥氏体化也是形核和长大的过程，奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现以分为四步。现以共析钢为例说明：共析钢为例说明：l第一步第一步 奥氏体晶核形成奥氏体晶核形成nucleation of austenite：首先在首先在 与与Fe3C相界形核。相界形核。l第二步第二步 奥氏体晶核长大奥氏体晶核长大growth of austenite nucleus ： 晶核通晶核

4、通过碳原子的扩散向过碳原子的扩散向 和和Fe3C方向长大。方向长大。l第三步第三步 残余残余Fe3C溶解溶解dissolution of remained Fe3C : 铁素体的铁素体的成分成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。残余的结构更接近于奥氏体，因而先消失。残余的Fe3C随保温随保温时间延长继续溶解直至消失。时间延长继续溶解直至消失。l第四步第四步 奥氏体成分均匀化奥氏体成分均匀化homogenizing：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。温度，温度，共析钢奥氏体化曲线（共析钢

5、奥氏体化曲线（875退火）退火）l亚共析钢和过共析钢的奥亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本氏体化过程与共析钢基本相同相同。但由于先共析。但由于先共析 或二或二次次Fe3C的存在，要获得全的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应部奥氏体组织，必须相应加热到加热到Ac3或或Accm以上以上。l冷却是热处理更重要的工序冷却是热处理更重要的工序。l一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程l处于临界点处于临界点A1以下的奥氏体称以下的奥氏体称过冷奥氏体过冷奥氏体(undercooling austenite)。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。过冷奥氏体是非稳定

6、组织，迟早要发生转变。随随过冷度不同，过冷奥氏体将发生过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体珠光体(pearlite)转变转变、贝氏贝氏体体(bainite)转变转变和和马氏体马氏体(martensite)转变转变三种类型转变。三种类型转变。l现以共析钢为例说明：现以共析钢为例说明： l 珠光体转变珠光体转变Pl1、珠光体的组织形态、珠光体的组织形态及性能及性能l过冷奥氏体在过冷奥氏体在 A1到到 550间将转变为珠光间将转变为珠光体类型组织体类型组织，它是，它是铁铁素体素体(ferrite)与渗碳体与渗碳体(cementite)片层相间片层相间的机械混合的机械混合物物l片间距越小，钢的强度、硬度

7、越高，而塑片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。性和韧性略有改善。 l2、珠光体转变过程、珠光体转变过程l珠光体转变也是形核和长大的过程。珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥 长大，形成一个珠光体团长大，形成一个珠光体团(domain)。l珠光体转变是扩散型转变。珠光体转变是扩散型转变。氏体的含碳氏体的含碳量下降，促量下降，促进了铁素体进了铁素体形核，两者形核，两者相间形核并相间形核并pearlitel 贝氏体贝氏体(bainite)转变转变Bainite is a tw

8、o-phase microstructure that can be formed in carbon steel by rapid cooling austenite to between 400C and 550C, followed by a time holding at this temperature. This is generally done by quenching into a bath of liquid tin or lead and holding the steel in this bath. Transformation to bainite is by pre

9、cipitation of carbides in a very fine feathery or lath configuration.l1、贝氏体的组织形态及贝氏体的组织形态及性能性能l过冷奥氏体在过冷奥氏体在550- 230 (Ms)间将转变为间将转变为贝氏体类型组织，贝氏贝氏体类型组织，贝氏体用符号体用符号B表示。表示。l根据其组织形态不同，根据其组织形态不同，贝氏体贝氏体又分为又分为上贝氏体上贝氏体(B上上)和和下贝氏体下贝氏体(B下下)。上贝氏体上贝氏体下贝氏体下贝氏体l 上贝氏体上贝氏体 upper Bainitel形成温度为形成温度为550-350。l在光镜下呈在光镜下呈羽毛状

10、。羽毛状。l在电镜下为在电镜下为不连续棒状不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。的铁素体条之间。光镜下光镜下电镜下电镜下l下贝氏体下贝氏体lower Bainitel形成温度为形成温度为350-Ms。l在光镜下呈在光镜下呈竹叶状。竹叶状。光镜下光镜下电镜下电镜下l在电镜下为在电镜下为细片状碳细片状碳化物分布于铁素体针化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长内，并与铁素体针长轴方向呈轴方向呈55-60角。角。l上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。l下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较下

11、贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强好，具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。化组织之一。 上贝氏体上贝氏体贝氏体组织的透射电镜形貌贝氏体组织的透射电镜形貌下贝氏体下贝氏体l2、贝氏体转变过程、贝氏体转变过程l贝氏体转变也是形贝氏体转变也是形核和长大的过程。核和长大的过程。l发生贝氏体转变时，发生贝氏体转变时，首先在奥氏体中的首先在奥氏体中的贫碳区形成铁素体贫碳区形成铁素体晶核，其含碳量介晶核，其含碳量介于奥氏体与平衡铁于奥氏体与平衡铁素体之间，为素体之间，为过饱过饱和铁素体。和铁素体。l当转变温度较高当转变温度较高（550-35

12、0) 时，条片状铁素体从时，条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条间析出间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成短棒，奥氏体消失，形成B上上 。上贝氏体转变过程上贝氏体转变过程l贝氏体转变属半扩散型转变贝氏体转变属半扩散型转变，即只有碳原子扩散而，即只有碳原子扩散而铁原子不扩散，铁原子不扩散，晶格类型改变是通过切变实现晶格类型改变是通过切变实现的。的。 l当转变温度较低（当转变温度较低（350- 230) 时，铁素体在晶界或时，铁素体在晶界或晶内某

13、些晶面上长成针状，由于碳原子扩散能力低，晶内某些晶面上长成针状，由于碳原子扩散能力低，其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。 下贝氏体转变下贝氏体转变l 马氏体马氏体(martensite)转变转变 Martensite is a metastable phase formed when austenite is cooled so rapidly that carbide precipitation is suppressed. 用用M表示。表示。马氏体组织马氏体组织lH

14、igh cooling rates - quenchingRapid cooling with water or oillDiffusion of carbon inhibitedNeither ferrite nor pearlite have sufficient time to formlShear transformationBody centred tetragonal structureCarbon evenly distributedl1、马氏体的晶体结构、马氏体的晶体结构l马氏体具有体心正方马氏体具有体心正方(BCT body centered tetragonal)晶格晶格（

15、a=bc）l轴比轴比c/a 称马氏体的正方度称马氏体的正方度。lC% 越高，正方度越大，正方畸变越严重。越高，正方度越大，正方畸变越严重。l当当0.25%C时，时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格。，此时马氏体为体心立方晶格。l2、马氏体的形态、马氏体的形态morphologyl马氏体的形态分马氏体的形态分板条板条(lath)和和针状针状(needle)两类。两类。l 板条马氏体板条马氏体l立体形态为细长的扁棒状立体形态为细长的扁棒状l在光镜下板条马氏体为一在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织。束束的细条组织。光镜下光镜下电镜下电镜下l每束内条与条之间尺每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行

16、寸大致相同并呈平行排列，一个奥氏体晶排列，一个奥氏体晶粒内可形成几个取向粒内可形成几个取向不同的马氏体束。不同的马氏体束。l在电镜下，板条内的在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度亚结构主要是高密度的位错，的位错， =1012/cm2，又称又称位错马氏体位错马氏体。SEMTEMl 针状马氏体针状马氏体l立体形态为双凸透镜形的立体形态为双凸透镜形的片状片状。显微组织为针状。显微组织为针状。l在电镜下，亚结构主要是在电镜下，亚结构主要是孪晶孪晶，又称，又称孪晶马氏体孪晶马氏体。电镜下电镜下电镜下电镜下光镜下光镜下l 马氏体的形态主要取马氏体的形态主要取决于其含碳量决于其含碳量lC%小于小于0.2%时

17、，时，组织组织几乎全部是几乎全部是板条马氏体板条马氏体。lC%大于大于1.0%C时时几乎几乎全部是全部是针状马氏体针状马氏体。lC%在在0.21.0%之间之间为为板条与针状的混合组织板条与针状的混合组织。马氏体形态与含碳量的关系马氏体形态与含碳量的关系0.45%C0.2%C1.2%Cl3、马氏体的性能马氏体的性能l高硬度高硬度是马氏体组织是马氏体组织性能的主要特点。性能的主要特点。l马氏体的硬度主要取马氏体的硬度主要取决于其含碳量。决于其含碳量。l含碳量增加，其硬度含碳量增加，其硬度增加。增加。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

18、响不大。合金元素对马氏体硬度的影响不大。马氏体硬度、韧性与含碳量的关系马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C%l马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。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。针针状马氏体脆性大，状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性。板条马氏体具有较好的塑性和韧性。针状马氏体针状马氏体板条马氏体板条马氏体马氏体的透射电镜形貌马氏体的透射电镜形貌Time (Seconds)Temperat

19、ure(Deg C)1101001000MsMartensiteUpper bainiteLower bainiteMfPearlite (+ ferrite)100%Ac10%A + F + PA + BAusteniteA + MAustenizationPearliteBainite: Upper Bainite, Lower BainiteMartensite: Dislocation martensiteTwin martensitel降温形成降温形成l马氏体转变开始的温度马氏体转变开始的温度用用Ms 表示。表示。l马氏体转变终了温度马氏体转变终了温度用用Mf 表示表示.l只要温度达

20、到只要温度达到Ms以下以下即发生马氏体转变。即发生马氏体转变。l在在Ms以下，随温度下以下，随温度下降，转变量增加，冷降，转变量增加，冷却中断，转变停止。却中断，转变停止。MfMsM(50%)M(90%)l高速长大高速长大l马氏体形成速度极快，马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大瞬间形核，瞬间长大。l当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的马氏体产生裂纹。马氏体产生裂纹。l 转变不完全转变不完全 l即使冷却到即使冷却到Mf 点，点，也不可能获得也不可能获得100%的马氏体，总有部的马氏体，总有部分奥氏体未能转变分奥氏体未能转变而残留下来，称而残

21、留下来，称残余奥氏体残余奥氏体，用，用A 或或 表示。表示。lMs、Mf 与冷速无关，与冷速无关，主要取决于奥氏体中的合主要取决于奥氏体中的合金元素含量（包括碳含量）金元素含量（包括碳含量）。l马氏体转变后，马氏体转变后，A 量随含碳量的增加而增加量随含碳量的增加而增加，当当含碳量达含碳量达0.5%后，后，A量才显著量才显著。含含 碳碳 量量 对对 马马 氏体氏体转转 变变 温温 度度 的的 影响影响含碳含碳 量对残余奥量对残余奥氏体氏体 量的影响量的影响转变转变类型类型转变转变产物产物形成温形成温度，度， 转变转变机制机制显微组织特征显微组织特征HRC获得获得工艺工艺珠珠光光体体PA1650

22、扩扩散散型型粗片状，粗片状，F、Fe3C相间分布相间分布5-20退火退火S650600细片状，细片状，F、Fe3C相间分布相间分布20-30正火正火T600550极细片状，极细片状，F、Fe3C相间分布相间分布30-40贝贝氏氏体体B上上550350半扩半扩散型散型羽毛状，短棒状羽毛状，短棒状Fe3C分布于分布于过饱和过饱和F条之间条之间40-50B下下350MS竹叶状，细片状竹叶状，细片状Fe3C分布于分布于过饱和过饱和F针上针上50-60等温等温淬火淬火马马氏氏体体M针针MSMf无扩无扩散型散型针状针状60-65淬火淬火M*板条板条MSMf板条状板条状50淬火淬火l过冷奥氏体的转变方式有过

23、冷奥氏体的转变方式有等温转变等温转变(isothermal transformation)和和连续冷却转变连续冷却转变(continuous cooling transformation)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l过冷奥氏体的等温转过冷奥氏体的等温转变图变图是是表示奥氏体急表示奥氏体急速冷却到临界点速冷却到临界点A1 以以下在各不同温度下的下在各不同温度下的保温过程中转变量与保温过程中转变量与转变时间的关系曲线。转变时间的关系曲线。又称又称C 曲线曲线、S 曲线曲线或或TTT曲线。曲线。 过冷奥氏体的等温转变图过冷奥氏体的等温转变图(

24、Time-Temperature-Transformation diagram)l1、C曲线的建立曲线的建立l以共析钢为例：以共析钢为例：l取一批小试样并取一批小试样并进行奥氏体化。进行奥氏体化。l将试样分组淬入将试样分组淬入低于低于A1 点的不同温点的不同温度的盐浴中，隔一度的盐浴中，隔一定时间取一试样淬定时间取一试样淬入水中。入水中。 l测定每个试样的转变测定每个试样的转变量，确定各温度下转变量，确定各温度下转变量与转变时间的关系。量与转变时间的关系。l将各温度下转变开始将各温度下转变开始时间及终了时间标在温时间及终了时间标在温度度时间坐标中，并分时间坐标中，并分别连线。别连线。l转变开始

25、点的连线称转变开始点的连线称转转变开始线变开始线。转变终了点转变终了点的连线称的连线称转变终了线转变终了线。lA1-Ms 间及转间及转变开始线以左变开始线以左的区域为的区域为过冷过冷奥氏体区。奥氏体区。l转变终了线以转变终了线以右及右及Mf以下为以下为转变产物区。转变产物区。l两线之间及两线之间及Ms与与Mf之间为之间为转转变区变区。时间时间温度温度A1MSMfA过冷过冷APBMAMABAP转变开始线转变开始线转变终了线转变终了线l2、C 曲线的分析曲线的分析l 转变开始线与纵坐转变开始线与纵坐标之间的距离为标之间的距离为孕育孕育期期(incubation time)。l孕育期越小，过冷奥孕育

26、期越小，过冷奥氏体稳定性越小。氏体稳定性越小。l孕育期最小处称孕育期最小处称C 曲曲线的线的“鼻尖鼻尖”。碳钢。碳钢鼻尖处的温度为鼻尖处的温度为550。l在鼻尖以上在鼻尖以上, 温度较高，温度较高，相变驱动力小。相变驱动力小。l在鼻尖以下，温度较在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。低，扩散困难。从而从而使奥氏体稳定性增加。使奥氏体稳定性增加。 l C曲线明确表示了曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物。度下的等温转变产物。l 过冷奥氏体连续冷却转变图过冷奥氏体连续冷却转变图l过冷奥氏体连续冷却转变图又过冷奥氏体连续冷却转变图又称称CCT(Continuous-Cooling-Transformation)曲线曲线，是通过测定不同冷，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。速下过冷奥氏体的转变量获得的。共析钢共析钢CCTCCT曲线曲线过共析钢过共析钢CCTCCT曲线曲线亚共析钢亚共析钢CCTCCT曲线曲线l1、共析钢的共析钢的CCT曲线曲线l共析钢的共析钢的CCT曲线没曲线没有贝氏体转变区有贝氏