金属热处理第章

金属热处理第章第1页，共42页，2023年，2月20日，星期四钢及铁合金中马氏体的组织形态一、板条状(位错型)马氏体常见于：低碳钢、中碳钢、马氏体时效钢等亚结构：高密度的位错板条状马氏体由若干20~35m、位向大致平行的板条群组成(A)相邻的马氏体条大致平行，位向差较小，平行的马氏体条组成一个板条群，复习第2页，共42页，2023年，2月20日，星期四二、片状马氏体常见于淬火高、中碳钢及高镍合金钢中显微组织呈双凸透镜片状，且马氏体片间不平行片状马氏体的亚结构主要为孪晶特征：M片间不平行复习第3页，共42页，2023年，2月20日，星期四先形成的第一片M贯穿整个A晶粒，因此片状M的大小不一。有明显的中脊亚结构可分为：以中脊为中心的相变孪晶区、无孪晶区，随Ms点降低，孪晶区增大惯习面:{225}、{259}复习第4页，共42页，2023年，2月20日，星期四复习第5页，共42页，2023年，2月20日，星期四四、影响马氏体形态及其内部亚结构的因素1、化学成分奥氏体的含碳量是主要影响因素Fe-C合金中，C<0.3%时为板条状马氏体，C>1.0%时为片状马氏体，之间为混合组织。合金元素中，凡能缩小相区的合金元素均能促使得到板条状马氏体，反之得到片状马氏体。能显著降低马氏体层错能的合金元素将促使转化为马氏体。复习第6页，共42页，2023年，2月20日，星期四随形成温度降低，马氏体的形状按照板条状—混合（蝶状）—片状—薄片状的顺序转化；亚结构由位错逐步转化为孪晶。由于马氏体相变是在一定的温度范围内进行的，所以可能转变为几种不同形态的马氏体。2、马氏体的形成温度复习第7页，共42页，2023年，2月20日，星期四第七节奥氏体的稳定化定义：奥氏体向马氏体转变的迟滞现象。分类：热稳定化机械稳定化1、A的热稳定化定义：淬火时缓慢冷却、或冷却过程中停留，引起A稳定性提高，使M转变迟滞的现象。热稳定化程度：用滞后温度间隔或某一温度下的残余A增量表示。第8页，共42页，2023年，2月20日，星期四热稳定化温度上限：Mc等温温度越高，淬火后获得的马氏体量就越少，则奥氏体的稳定化程度就越高。已转变马氏体量越多，热稳定化程度越高。等温停留时间越长，热稳定化程度就越高，如图等温温度越高，达到最大热稳定化程度所需时间越短等温温度超过Mc，随等温温度的升高，奥氏体稳定化程度下降——反稳定化。第9页，共42页，2023年，2月20日，星期四影响A稳定化的因素：化学成分钢中的碳、氮含量增高可使奥氏体的热稳定化程度增大钢中的碳化物形成元素铬、钼、钒等有促进热稳定化的作用奥氏体热稳定化机制：C、N原子向晶体点阵缺陷处偏聚而钉扎了位错，强化了奥氏体，使马氏体相变阻力增大的意义：为获得额外的化学驱动力以克服由于C、N原子钉扎位错界面而增加的相变阻力所需的过冷度。第10页，共42页，2023年，2月20日，星期四反稳定化之一：等温温度超过一定限度后，随等温温度的升高，奥氏体稳定化程度将产生下降甚至消失的现象。反稳定化之二：将已经热稳定化的奥氏体加热到一定温度以上时，由于原子热运动增加，位错界面处偏聚的溶质原子又会扩散离去，使热稳定化作用下降或消失。反稳定化温度因钢种和热处理工艺不同而异。热稳定化是可逆的。原因：溶质原子的热运动第11页，共42页，2023年，2月20日，星期四2、奥氏体的机械稳定化Md：形变诱发M相变开始点，在此温度以上对A进行塑性变形，将引起A稳定化——机械稳定化低于Md点的塑性变形可诱发马氏体相变，并使未转变的奥氏体产生稳定化。M相变引起A的机械稳定化Md第12页，共42页，2023年，2月20日，星期四在低于Ms点等温时，奥氏体的热稳定化和由相变引起的机械稳定化同时存在

少量的塑性变形可以促进马氏体转变，大量的塑性变形可产生奥氏体机械稳定化现象

塑性变形温度越低、形变量越大、奥氏体的层错能越低，则奥氏体的机械稳定化效应越大

原因：塑性变形引入的晶体缺陷会破坏母相和新相间的共格关系。第13页，共42页，2023年，2月20日，星期四第八节马氏体的性能一、马氏体具有高硬度和高强度3--M硬度随含碳量而增2--高于Ac1淬火，残余A减少1--高于Ac3(Accm)淬火，碳化物溶入A使Ms降低，残余A增多第14页，共42页，2023年，2月20日，星期四马氏体具有高硬度、高强度的原因:1、相变强化：切变时产生的大量微观缺陷使马氏体的强度升高2、固溶强化：淬火后马氏体中的间隙碳原子在析出前使强度升高的现象。碳含量小于0.4%时，固溶强化效果显著。固溶强化原因：马氏体中的间隙为扁八面体，C原子的溶入产生的畸变偶极应力场与位错交互作用。第15页，共42页，2023年，2月20日，星期四-60C以上形成的含碳M都可发生时效强化——马氏体的自回火。C>0.4%时，碳原子可通过时效强化使马氏体强度升高，时效强化由碳原子扩散偏聚钉扎位错引起。Ms点高于室温的钢，在淬火过程中伴随着自回火现象。3、时效强化：淬火形成的马氏体在室温下通过碳原子的扩散，产生碳原子偏聚和析出，从而产生的强化现象。第16页，共42页，2023年，2月20日，星期四4、形变强化：马氏体在外力作用下因塑性变形而产生的加工硬化现象碳含量越高，加工硬化率越高第17页，共42页，2023年，2月20日，星期四5、孪晶对马氏体强度的贡献C<0.3%的铁碳合金，主要靠碳原子钉扎位错来强化马氏体；C>0.3%的马氏体，除了碳原子的固溶强化以外，还附加了孪晶对强度的贡献。孪晶使有效滑移系减少，引起强化。第18页，共42页，2023年，2月20日，星期四6、原始奥氏体晶粒大小和马氏体板条群大小对马氏体强度的影响原始奥氏体晶粒越细小，板条马氏体束越小，则马氏体的强度越高-细晶强化；但提高不大。当奥氏体晶粒细化到15级以上时，才能明显的提高马氏体的强度。第19页，共42页，2023年，2月20日，星期四小结：1）Fe-C合金马氏体的强化主要靠其中的C原子的固溶强化作用；2）淬火过程中伴随马氏体的时效（自回火）有显著的强化作用；3）马氏体的相变强化可使屈服强度提高一倍多4）随马氏体中碳和合金元素含量的增加，孪晶亚结构将有附加的强化作用。结论：马氏体的强度主要取决于它的含碳量第20页，共42页，2023年，2月20日，星期四二、马氏体的韧性低碳位错型马氏体具有良好的韧性、较高的强度、较低的脆性转折温度和缺口敏感性；高碳孪晶型马氏体具有高的强度，但韧性很差；结论：马氏体的强度主要取决于它的含碳量，

马氏体的韧性主要取决于它的亚结构；马氏体的强韧化途径：以各种途径强化马氏体，使其亚结构仍然保持位错型。马氏体的形态和Ms点直接有关，Ms点越高，马氏体的韧性和塑性越好。第21页，共42页，2023年，2月20日，星期四三、马氏体的相变诱发塑性相变诱发塑性：金属及合金在M相变过程中塑性增大，往往在低于母相屈服极限的条件下即发生了塑性变形的现象发生在高强度亚稳A中图中A的屈服强度为137MPa第22页，共42页，2023年，2月20日，星期四马氏体相变诱发的塑性可以显著提高钢的韧性马氏体相变诱发塑性的原因：马氏体形成可减小塑性变形引起的应力集中，可防止裂纹的形成和抑制裂纹扩展发生塑性变形的区域，有马氏体的形变强化作用，使已变形的区域难以继续变形，可抑制颈缩现象。应用：

Md>20ºC>Ms的钢，具有高的强度和塑性第23页，共42页，2023年，2月20日，星期四思考题何谓钢中奥氏体热稳定化现象？何谓反稳定化？简述马氏体具有高硬度、高强度的原因第24页，共42页，2023年，2月20日，星期四第九节马氏体可逆转变和形状记忆效应马氏体相变具有可逆性，将马氏体向高温相的转变称为逆转变或反相变；已发现具有可逆马氏体转变的合金有：

Fe-Ni，Fe-Mn，Au-Cd，Cu-Al，Cu-Au，Ni-Ti等第25页，共42页，2023年，2月20日，星期四一、马氏体的逆转变Fe-Ni合金：As比Ms高420C，Ms=-30C，马氏体相变驱动力很大Au-Cd合金：As比Ms高16C，Ms=58C，马氏体相变的驱动力很小，马氏体核胚突然形成并迅速长大到一定尺寸。如果相变驱动力不足以克服使一片马氏体充分成长时所需的弹性变形能及其他的能量消耗时，马氏体片在未长大到其极限尺寸之前就会停止长大，共格关系不被破坏，当温度继续降低时，马氏体随之长大。第26页，共42页，2023年，2月20日，星期四Au-Cd合金中，在马氏体片形成之后，由于新相和母相的比容不同，在新相和母相之间产生的弹性变形随着马氏体片的长大而增大，在一定温度下，当弹性应变能和共格界面能与相变的化学驱动力相等时，新相和母相即达到了一种热弹性平衡状态，这时相变会自然停止。因形变未超过弹性极限，若继续降温，马氏体片又继续长大；当温度升高时，马氏体片又会缩小，称这种马氏体为热弹性马氏体。热弹性马氏体相界面推移很快，并能够和降温同步第27页，共42页，2023年，2月20日，星期四二、热弹性马氏体马氏体相变为热弹性的重要条件是：在相变的全过程中，新相和母相必须始终维持共格，所以相变时应具有较小的体积变化、较小的形状应变切应力，母相具有高的弹性。较小的相变驱动力。相变应是完全可逆的，即逆相变可以恢复到母相原来的点阵结构和原来的位向，所以要求晶体为有序点阵结构。第28页，共42页，2023年，2月20日，星期四

三、伪弹性具有热弹性马氏体相变的合金，在Ms点以上，Md点以下施加应力，会诱发马氏体相变，并产生宏观应变；当应力减少或撤销时，立即发生逆转变，同时宏观应变消失，这种现象称为伪弹性。若应力诱发马氏体相变的逆转变滞后，当外加应力降低到零时，不能完全逆转变，则剩余的马氏体可通过加热使其发生逆转变，同时宏观应变继续恢复。第29页，共42页，2023年，2月20日，星期四四、形状记忆效应形状记忆效应：将完全或部分马氏体相变的试样加热到Af点以上时，则其恢复到原来母相状态下所给予的形状。被记忆住的只是母相。即：一定形状的合金在某种条件下经任意塑性变形，然后加热到该种材料固有的某一临界点以上时，又完全恢复其原来的形状的现象。第30页，共42页，2023年，2月20日，星期四大多数形状记忆合金，由应力诱发相变所产生的塑性应变，部分以伪弹性恢复，部分在形状记忆阶段恢复。具有热弹性马氏体可逆转变的合金中，马氏体内部的变形方式一般为孪生(即非滑移变形）变形，这种界面的反向移动容易导致原来位向的完全恢复，所以产生记忆效应。第31页，共42页，2023年，2月20日，星期四第32页，共42页，2023年，2月20日，星期四记忆材料的三个条件：必须是热弹性的马氏体马氏体的塑性变形方式为孪生奥氏体与马氏体必须都是有序点阵该合金的特点：母相时很硬，马氏体时很软。记忆材料的用途：宇宙飞船的形状记忆合金天线形状记忆合金结构件形状记忆合金人工心脏热敏装置和安全装置：火灾报警器、记忆铆钉等第33页，共42页，2023年，2月20日，星期四第34页，共42页，2023年，2月20日，星期四应用举例：1970年，美国将Ti-Ni记忆合金制成宇宙飞船天线步骤：在母相状态下制成一定形状使温度下降，发生马氏体相变发射时天线在马氏体状态下折叠成很小的形状，放到宇宙飞船的某一小空间当飞船到达一定位置后，天线受太阳光的热而伴随着马氏体的逆转变，形状渐渐完全恢复到原来的形状要求：天线的使用温度应高于记忆效应的发生温度，可通过调整合金的化学成分来满足要求。第35页，共42页，20