材料强韧化课件

機械工程材料的強韌化

4.1工程材料的強韌化概論

1.固溶強化2.形變強化（加工硬化）3.細晶強化4.第二相強化

5.複合強化—馬氏體強化4.1.1工程材料的強化機制

細晶強化提高鋼純淨度控軋與控冷形變熱處理馬氏體強韌化下貝氏體強韌化4.1.2

工程材料的強韌化1.金屬材料的強韌化化學成分組織結構性能機械零件工作條件製備與加工工藝失效分析貫穿本課程的“綱”—綱舉目張

4.2鋼鐵材料熱處理原理

（“兩個過程”—“五大轉變”）

加熱保溫冷卻溫度/℃時間熱處理的一般過程1.鐵碳合金相圖是鋼加熱轉變的理論依據4.2.1鋼在加熱時的轉變平衡臨界點

A1（PSK線）

A3（GS線）

Acm（ES線）實際加熱時

Ac1Ac3Accm實際冷卻時

Ar1Ar3Arcm2.奧氏體化過程共析碳鋼的A化過程非共析鋼的奧氏體化過程亞：AC1~AC3>AC3P+F→A+F→A

過：AC1~ACCm>ACCmP+Fe3CⅡ→A+Fe3CⅡ→A3.

奧氏體晶粒長大及其控制

（1）奧氏體晶粒度

（2）注意區分三種奧氏體晶粒度起始晶粒度

剛剛完成奧氏體化的晶粒大小實際晶粒度

在某一具體的加熱條件下獲得的晶粒大小本質晶粒度

鋼在規定加熱條件下（加熱到930+-10℃，保溫3～8h）的奧氏體晶粒長大傾向性。

本質細晶粒鋼本質粗晶粒鋼(3)奧氏體晶粒大小的控制

加熱條件：（加熱溫度，保溫時間）加熱速度化學成分：碳:Wc↑,A粗，但有未溶Fe3C存在時，阻礙A長大。合金元素：除Mn和P都會阻礙A長大。(3)奧氏體晶粒大小的控制過冷奧氏體等溫冷卻轉變曲線（TTT曲線）過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線（CCT曲線）溫度時間121——等溫冷卻2——連續冷卻A1鋼奧氏體過冷奧氏體轉變加熱>Ac1冷卻<A14.2.2奧氏體在冷卻時的轉變（冷卻過程，P、M、B轉變）1.過冷奧氏體等溫冷卻轉變曲線（C曲線或TTT曲線）(1)C曲線的建立(以共析鋼為例）(2)C曲線分析A1MsA→PA→BA→M溫度/℃時間/s550奧氏體過冷奧氏體Mf珠光體轉變貝氏體轉變馬氏體轉變過渡區轉變終了線轉變開始線轉變產物區（3）影響C曲線的因素①碳品質分數的影響（a）亞共析鋼（b）共析鋼（c）過共析鋼與共析鋼相比，亞共析鋼和過共析鋼C曲線的上部各多一條先共析相的析出線。在正常加熱條件下，共析鋼的過冷奧氏體最穩定，C曲線的位置最靠右。Ms與Mf點隨碳品質分數的增加而下降。除Co外，凡溶入A的Me，都能增加A’的穩定性，使C曲線右移。除Co和Al外，凡溶入A的Me均能使Ms

與Mf

點下降。（a）Co（b）Ni（c）Cr

③奧氏體化條件的影響

奧氏體化溫度提高和保溫時間延長，使奧氏體成分均勻、晶粒粗大、未溶碳化物減少，增加了過冷奧氏體的穩定性，使C曲線右移。

②合金元素的影響2.過冷奧氏體轉變產物的組織與性能

(1)珠光體（P）轉變(A1～550℃，高溫轉變或擴散型相變)①定義與分類片狀P和球化體（粒狀珠光體）②珠光體的組織形態與性能②珠光體的組織形態與性能（a）500×（b）8000×P（珠光體）→（c）1000×（d）19000×←S（索氏體）（e）200×（f）19000×T（托氏體）→②珠光體的組織形態與性能#P片層間距與轉變溫度、性能關係片狀珠光體的性能②珠光體的組織形態與性能球化體（粒狀珠光體）片狀P與球化體力學性能對比片狀P與球化體切削性能比較

球化體與片狀P相比：

i當碳含量相同時，球化體的強度、硬度低，塑韌性好；可切削加工性好，冷擠壓成形性也好，加熱淬火時變形、開裂傾向也小；

ii當硬度相同時，球化體的綜合力學性能好（不易產生應力集中、裂紋）。

因此，高碳鋼在機械加工和最終熱處理之前，常要求材料先經球化退火處理，以獲得均勻的球化體組織。(2)貝氏體型轉變(550℃～Ms

中溫轉變或半擴散型相變)

貝氏體是碳化物分佈在碳過飽和的鐵素體基體上的兩相混合物。過冷奧氏體在550℃～350℃之間轉變形成的產物稱上貝氏體（上B)。上B呈羽毛狀,小片狀的滲碳體分佈在成排的鐵素體片之間。

過冷奧氏體在350℃～Ms之間的轉變產物稱下貝氏體(下B)。下B在光學顯微鏡下為黑色針狀,在電子顯微鏡下可看到在鐵素體針內沿一定方向分佈著細小的碳化物(Fe2.4C)顆粒。

上貝氏體(a)光學顯微照片500×

(b)電子顯微照片5000×

下貝氏體

(a)光學顯微照片500倍(b)電子顯微照片12000倍（3）馬氏體轉變(Ms

～Mf

低溫轉變或無擴散型相變)馬氏體轉變是強化鋼的重要途徑之一。馬氏體是碳在

-Fe中的過飽和固溶體,用M表示.馬氏體轉變時，奧氏體中的碳全部保留到馬氏體中.馬氏體具有體心正方晶格（a=b≠c）軸比c/a

稱馬氏體的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸變越嚴重。①晶體結構特點②組織形態特徵馬氏體的形態分板條和針狀兩類。板條馬氏體立體形態為細長的扁棒狀在光鏡下板條馬氏體為一束束的細條組織。光鏡下電鏡下每束內條與條之間尺寸大致相同並呈平行排列，一個奧氏體晶粒內可形成幾個取向不同的馬氏體束。在電鏡下，板條內的亞結構主要是高密度的位錯，

=1012/cm2,又稱位錯馬氏體。SEMTEM

針片狀馬氏體立體形態為雙凸透鏡形的片狀。顯微組織為針狀。在電鏡下，亞結構主要是孿晶，又稱孿晶馬氏體。電鏡下電鏡下光鏡下馬氏體的形態主要取決於其含碳量C%小於0.2%時，組織幾乎全部是板條馬氏體。C%大於1.0%時幾乎全部是針狀馬氏體.C%在0.2~1.0%之間為板條與針狀的混合組織。馬氏體形態與含碳量的關係0.45%C0.2%C1..2%C45鋼正常淬火組織先形成的馬氏體片橫貫整個奧氏體晶粒，後形成的馬氏體片不能穿過先形成的馬氏體片，所以越是後形成的馬氏體片越細小.原始奧氏體晶粒細，轉變後的馬氏體片也細。當最大馬氏體片細到光鏡下無法分辨時，該馬氏體稱隱晶馬氏體.③馬氏體的性能高硬度是馬氏體性能的主要特點。馬氏體的硬度主要取決於其含碳量。含碳量增加，其硬度增加。當含碳量大於0.6%時，其硬度趨於平緩。合金元素對馬氏體硬度的影響不大。馬氏體硬度、韌性與含碳量的關係C%馬氏體強化的主要原因是過飽和碳引起的固溶強化.此外，馬氏體轉變產生的組織細化也有強化作用。馬氏體的塑性和韌性主要取決於其亞結構形式。針狀馬氏體脆性大，板條馬氏體的塑性和韌性較好。針狀馬氏體板條馬氏體馬氏體的透射電鏡形貌④馬氏體轉變的特點馬氏體轉變也是形核和長大過程。其主要特點是：⑴無擴散性

鐵和碳原子都不擴散，因而馬氏體的含碳量與奧氏體的含碳量相同。⑵共格切變性由於無擴散，晶格轉變是以切變機制進行的。使切變部分的形狀和體積發生變化，引起相鄰奧氏體隨之變形，在預先拋光的表面上產生浮凸現象.

馬氏體轉變切變示意圖馬氏體轉變產生的表面浮凸⑶降溫形成馬氏體轉變開始的溫度稱上馬氏體點，用Ms表示.馬氏體轉變終了溫度稱下馬氏體點，用Mf表示.只要溫度達到Ms以下即發生馬氏體轉變。在Ms以下，隨溫度下降,轉變量增加，冷卻中斷,轉變停止。MfMsM(50%)M(90%)⑷高速長大馬氏體形成速度極快，瞬間形核，瞬間長大。當一片馬氏體形成時，可能因撞擊作用使已形成的馬氏體產生裂紋。⑸轉變不完全

’即使冷卻到Mf點，也不可能獲得100%的馬氏體，總有部分奧氏體未能轉變而殘留下來，稱殘餘奧氏體，用Ar表示。Ms、Mf與冷速無關，主要取決於奧氏體中的合金元素含量（包括碳含量）。馬氏體轉變後，Ar

量隨含碳量的增加而增加,當含碳量達0.5%後，Ar量才顯著。含碳量對馬氏體轉變溫度的影響含碳量對殘餘奧氏體量的影響

3.

過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線（CCT曲線）（1）CCT曲線及分析（2）CCT與C曲線比較4.

過冷奧氏體轉變曲線的應用（1）C曲線的應用4.

過冷奧氏體轉變曲線的應用（2）CCT曲線的應用4.

過冷奧氏體轉變曲線的應用

（2）CCT曲線的應用4.2.3淬火鋼在回火時的轉變淬火:

將鋼A化後快冷獲得M（B下）回火:將淬火鋼重新加熱到A1點以下某一溫度，保溫一定時間，冷卻下來。回火的目的：（1）穩定組織（M、AR→F+Fe3C)

；（2）↓淬火應力（熱應力；組織應力）;（3）獲得所需要的組織和性能

1.回火時的組織、結構變化

M、AR→F+Fe3C100～200℃M分解——析出ε碳化物

M中WC↓c/a↓M回內應力↓200～300