西北工业大学 材料科学基础课件 第八章_固态相变

1、第八章 固态相变,1,第八章 固态相变,第一节 概 述,一 固态相变的特点 1 界面类型:错配度=（-）/ 完全共格界面：=0，应变能和界面能接近于零； 弹性应变共格界面：0.05，界面能 0.1 J/m2，应变能增加； 半共格界面：0.050.25，界面能 0.5 J/m2，应变能降低； 非共格界面：0.25，界面能 1.0 J/m2，应变能进一步降低。,2,第九章 固态相变 第一节 概 述,界面能依共格界面、半共格界面和非共格界面的顺序而递增 应变能恰恰相反。,第一节 概 述,一 固态相变的特点 界面能 固-固两相界面能远比液-固两相界面能高： 一部分是形成新相界面时，因同类键、异类键的结

2、合强度和数量变化引起的化学能； 另一部分是由界面原子的不匹配产生的点阵畸变能 界面能依共格界面、半共格界面和非共格界面的顺序而递增,3,第八章 固态相变 第一节 概 述,第一节 概 述,一 固态相变的特点 应变能:包括共格应变能和体积应变能。 共格应变能：共格界面新旧两相点阵常数差异引起的应变能。 体积应变能：由于新相与母相的比容不同，固态相变时新相的生成必然受到周围母相的约束而产生弹性应变而增加的应变能。 新相与母相的比容差别越大，则体积应变能越大。 单位体积应变能的大小还与新相的几何形状有关。,4,第八章 固态相变 第一节 概 述,球状应变能最大，针状次之，片状（盘状）应变能最小。,第一节

3、 概 述,一 固态相变的特点 2 位向关系 当两相界面为共格或半共格时，新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系。新相的某一晶面和晶向分别与母相的某一晶面、晶向平行。一般是新旧两相原子密度最大的晶面互相平行，原子密度最大的晶向互相平行。如：钢由奥氏体转变为正方马氏体: 111/110 ，/ 。,5,第八章 固态相变 第一节 概 述,第一节 概 述,一 固态相变的特点 3 惯习现象 * 新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。 惯习方向 （母相） 惯习面 原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界面发展。,6,第八章 固态相变 第一节 概 述,第一节 概 述,一 固态相变的特点 3 惯习现象,7,

4、第八章 固态相变 第一节 概 述,魏氏组织（白色片状）,第一节 概 述,二 固态相变的分类 1 按相变过程中原子迁移情况 （1）扩 散 型：依靠原子的长距离扩散；相界面非共格。（如珠光体、奥氏体转变，Fe,C都可扩散。） （2）非扩散型：旧相原子有规则地、协调一致地通过 切变转移到新相中；相界面共格、原子间的相邻 关系不变；化学成分不变。（如马氏体转变，Fe,C都不扩散。） （3）半扩散型：既有切变，又有扩散。（如贝氏体转变，Fe切变，C扩散。）,8,第八章 固态相变 第一节 概 述,第一节 概 述,二 固态相变的分类 2 按相变方式分类 （1）有核相变：有形核阶段，新相核心可均匀形成，也可择

5、优形成。大多数固态相变属于此类。 （2）无核相变：无形核阶段，以成分起伏作为开端，新旧相间无明显界面，如调幅分解。,9,第八章 固态相变 第一节 概 述,第二节 固态相变的形核,一 均匀形核 1 形核的能量条件 GnGv+n2/3+ nEs 临界晶核形核功： G*=4 /27 33 /(Gv+Es)2,10,第八章 固态相变 第二节 形核长大,第二节 固态相变的形核,一 均匀形核 1 形核时的能量变化 （1）相变驱动力:体积自由能Gv （2）相变阻力:界面能,应变能Es,11,具有低表面能和高应变能的共格/半共格晶核：为了降低应变能，新相倾向于呈盘状和片状； 具有高表面能和低应变能的非共格晶核

6、： 为了降低表面能，新相倾向于呈球状。 若相变后应变能显著增加，则新相趋向于呈片状或针状。,第八章 固态相变 第二节 形核长大,第一节 概 述,一 均匀形核 相变阻力大：界面能增加 额外弹性应变能：比体积差 扩散困难（新、旧相化学成分不同时） 固态相变困难 固态相变均匀形核的可能性很小，非均匀形核（依靠晶体缺陷）是主要的形核方式。,12,第八章 固态相变 第一节 概 述,第二节 固态相变的形核,二 非均匀形核 表面能高，降低G* （1）晶界形核 新相在母相表面部分界面重建，降低 界面能,13,第八章 固态相变 第二节 形核长大,结构混乱，易扩散，利于扩散相变,第二节 固态相变的形核,二 非均匀

7、形核 新相生成处位错消失，能量释放，提 高驱动力 （2）位错形核 新相生成处位错不消失，可作为半共 格界面的形成部分 易于发生偏聚（气团），有利于成分 起伏，易于扩散，有利于发生扩散型 相变,14,第八章 固态相变 第二节 形核长大,第二节 固态相变的形核,二 非均匀形核 促进扩散 新相生成处空位消失，提供能量 （3）空位形核 空位群可凝结成位错促进形核 （在过饱和固溶体的脱溶析出过程 中，空位作用更明显。）,15,第八章 固态相变 第二节 形核长大,第二节 固态相变的形核,二 非均匀形核 2 非均匀形核的能量变化 G nGv +n2/3+ nEs - GD GD晶体缺陷导致系统降低的能量。,

8、16,2h,第八章 固态相变 第二节 形核长大,第三节 固态相变的晶核长大,17,第八章 固态相变 第二节 形核长大,对扩散型相变来说，新相长大分为界面控制和扩散控制的两种过程。 界面控制：新旧两相成分相同，通过相界面附近原子的短程迁移进行长大，如同素异构转变、再结晶； 扩散控制：新旧两相成分不同，通过原子的长程扩散进行长大，如脱熔相的长大、共析转变。,第三节 固态相变的晶核长大,晶核生长机制 （1）非共格界面,18,第八章 固态相变 第二节 形核长大,第三节 固态相变的晶核长大,1 晶核生长机制,19,第八章 固态相变 第二节 形核长大,第三节 固态相变的晶核长大,2 晶核生长速率 （1）界

9、面控制长大 新相生成时无成分变化(只有结构、 有序度变化）短程输送 u=exp(-Q/kT)1-exp(-Gv/kT),20,第八章 固态相变 第二节 形核长大,晶核长大速率是扩散系数D和相变驱动力Gv的综合影响。,第三节 固态相变的晶核长大,2 晶核生长速率 新相生成时有成分变化 远程扩散 （2）扩散控制长大 u=dx/dt=(C/x)D/(C-C),21,第八章 固态相变 第二节 形核长大,第三节 固态相变的晶核长大,3 相变动力学 f=1-exp(-btn) f 转变量（体积分数）； b-常数，取决于相变温度、母相 成分和晶粒大小等； n-常数，取决于相变类型和形核 位置； t-时间。,

10、22,第八章 固态相变 第二节 形核长大,TTT 曲线,第四节 扩散型相变示例,一 脱熔转变 脱熔转变概念：当固溶体因温度变化等而呈过饱和状态时，将自发地发生分解过程，其所含的过饱和溶质原子通过扩散而形成新相析出，此过程称为脱溶。相图中具有溶解度变化的体系，从单相区经过溶解度饱和线进入两相区时，就要发生脱溶分解。 许多热处理过程都与过饱和固溶体的脱熔有关， 奥氏体析出铁素体的先共析转变、铁素体中析出渗碳体、淬火后的时效处理、回火处理都是典型的脱熔转变。,23,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,第四节 扩散型相变示例,一 脱熔转变,24,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,第四节 扩散

11、型相变示例,一 脱熔转变 新相的脱溶通常以形核和生长方式进行。温度高时发生平衡脱溶，析出平衡的第二相；如温度较低，可能先形成亚稳的过渡相；如快速冷却至室温或低温(称为淬火或称固溶处理)，还可能保持原先的过饱和固溶体而不分解，但这种亚稳态很不稳定，在一定条件下会发生脱溶析出过程（沉淀或时效），生成亚稳的过渡相。 由于固态中原子扩散速率低尤其在温度较低时更为困难，故脱溶过程难以达到平衡，脱溶产物往往以亚稳态的过渡相存在。,25,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,第四节 扩散型相变示例,固态相变的特点：易出现过渡相 * 固态相变阻力大，直接转变困难 协调性中间产物（过渡相） Fe3C +(3F

12、e+C) 例 M +Fe3C,26,第八章 固态相变 第一节 概 述,第四节 扩散型相变示例,一 脱熔转变 按照系统自由焓取最低原则，脱熔相应为平衡相。但实际发生的过程中，相当多的情况都是介稳平衡的，但它并非过程终态，在一定的条件下，介稳相会转变为平衡相，形成所谓脱熔贯序现象。在工业生产过程中，工艺目标或实际可能获得的状态，几乎都是脱熔贯序中的介稳状态，而并非平衡状态。,27,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,第四节 扩散型相变示例,一 脱熔转变 A1-Cu合金的时效（脱熔转变） Al-Cu合金加热到550保温，得到单相固溶体，淬火后于130保温进行时效处理，随保温时间延长的脱熔贯序为：

13、 G.P,28,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,第四节 扩散型相变示例,一 脱熔转变 A1-Cu合金的时效（脱熔转变） Al-Cu合金加热到550保温，得到单相固溶体，淬火后于130保温进行时效处理，随保温时间延长的脱熔贯序为： G.P,29,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,第四节 扩散型相变示例,一 脱熔转变 A1-Cu合金的时效（脱熔转变） Al-Cu合金加热到550保温，得到单相固溶体，淬火后于130保温进行时效处理，随保温时间延长的脱熔贯序为： G.P,30,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,第四节 扩散型相变示例,A1-Cu合金的时效脱熔贯序为： G.P 相：

14、A1-Cu合金固溶体（面心立方） G.P：圆盘状的熔质原子Cu富集区，与母相完全共格。 ：成分接近CuAl2，圆片状过渡相（脱熔相），正方点阵，与母相共格，强化作用最强。 ：成分接近CuAl2，圆片状过渡相（脱熔相），与母相呈半共格关系，强化作用减弱。 ：平衡相， CuAl2。与母 相呈非共格关系，强 化作用显著减弱。,31,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,第四节 扩散型相变示例,二 脱熔类型 根据脱熔过程中母相成分变化的特点，脱熔过程分为连续脱熔和不连续脱熔。,32,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,第四节 扩散型相变示例,脱溶组织形貌（连续脱熔）,33,第八章 固态相变 第四

15、节脱溶与调幅分解,第四节 扩散型相变示例,二 脱熔类型 连续脱熔：如果脱熔是在母相中各处同时发生，且随新相的形成母相成分连续变化，但其晶粒外形及位向均不改变，则称之为连续脱熔。如时效、回火等。 析出相的形态取决于析出相的结构和点阵常数与母相的接近程度，若两相能保持共格关系，析出相呈圆盘形，针状；若不存在共格关系，则呈等轴状。 另外，连续脱熔还可能只呈现在某一局部区域，如脱熔物优先在晶界、滑移带、非共格孪晶界和位错处形成。,34,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,第四节 扩散型相变示例,二 脱熔类型 连续脱熔：均匀脱熔,35,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,第四节 扩散型相变示例,

16、二 脱熔类型 连续脱熔： 不均匀脱熔,36,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,第四节 扩散型相变示例,二 脱熔类型 不连续脱熔：多发生在过饱和度很大的置换固熔体中，是从母相中同时析出片层相间的两个相：+，与共析转变相类似。是过饱和固溶体，是仍含有一定过饱和度的相，是脱熔相。与结构相同，但成分不同，有界面分开，故称不连续脱熔。由于脱熔产物是靠着晶界突出的胞状组织，又称胞状脱熔。脱熔胞长大时，熔质原子只需在界面附近扩散(短程扩散)，双相胞向未发生成分变化的母相中生长，所以不连续脱熔的生长速率很快。 胞状脱熔使材料机械性能变坏，不希望发生。,37,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,第四节

17、 扩散型相变示例,二 脱熔类型 不连续脱熔：,38,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,第四节 扩散型相变示例,脱溶动力学 开始析出的是细小脱熔相，总的界面能高，组织不稳定，有自发长大的趋向。长大过程为：小颗粒不断减小，大颗粒不断长大，总的界面自由能降低。,39,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,第四节 扩散型相变示例,四 调幅分解 调幅分解：指过饱和固溶体在一定温度下分解成结构相同、成分不同的两个相的过程。调幅分解是自发的脱溶过程。它不需形核，而是通过溶质原子的上坡扩散形成结构相同而成分呈周期性波动的纳米尺度共格微畴，以连续变化的溶质富集区与贫化区彼此交替地均匀分布于整体中。,40

18、,4h,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,第四节 扩散型相变示例,四 调幅分解 1 调幅分解的热力学条件 拐点内的合金发生调幅分解； 拐点外的合金发生脱熔分解。,41,4h,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,第四节 扩散型相变示例,四 调幅分解 2 调幅分解的特点：上坡扩散,42,4h,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,第五节 无扩散型相变示例,相变以切变方式进行，所有原子运动协同一致，相邻原子的相对位置不变，称为协同型相变：如孪生、马氏体转变。,43,第八章 固态相变 第三节钢中相变,第五节 无扩散型相变示例,马氏体转变 （1）转变特点 无扩散性。 切变共格与表面浮凸。 惯

19、习面及位向关系。 转变是在一个温度范围内进行的。 转变不完全（有残余奥氏体）。,44,第八章 固态相变 第三节钢中相变,第五节 无扩散型相变示例,马氏体转变 （1）马氏体结构与形态：马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体，碳存在于八面体间隙中。,45,第八章 固态相变 第三节钢中相变,第五节 无扩散型相变示例,（2）马氏体结构与形态,46,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,Smith W F. Founda

20、tions of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E,第八章 固态相变 第三节钢中相变,第五节 无扩散型相变示例,1 马氏体相变的晶体学 （1）马氏体相变后的表面浮凸。,47,第八章 固态相变 第三节钢中相变,马氏体相变的惯习面:,（1）低碳马氏体一般为 (111)。 （2）片状马氏体一般为 (225)或 (259) 。,第五节 无扩散型相变示例,1 马氏体相变的晶体学 （1）马氏体相变为不变平面应变：母相中任一直线相变后仍为直线，平面仍为平面(图a),图b和图c观察不到。,48,第八章 固态相变 第三节钢中相变,第五节 无扩散

21、型相变示例,1 马氏体相变的晶体学 任一点的位移与该点距离此不变平面（惯习面）的距离成正比。,49,第八章 固态相变 第三节钢中相变,第五节 无扩散型相变示例,1 马氏体相变的晶体学 马氏体相变中新旧相之间的晶体学位向关系,50,第八章 固态相变 第三节钢中相变,（1）Wc1.4%的碳钢，马氏体与奥氏体之间具有西山关系： 111 / 110 M ， 211 / 011 M,第五节 无扩散型相变示例,1 马氏体相变的晶体学 马氏体的亚结构,51,第八章 固态相变 第三节钢中相变,（1）低碳钢、中碳钢、不锈钢淬火形成板条马氏体（位错马氏体）,第五节 无扩散型相变示例,1 马氏体相变的晶体学 马氏体

22、的组织结构,52,第八章 固态相变 第三节钢中相变,（2）高碳钢（碳含量大于0.6%)淬火形成片状马氏体 （孪晶马氏体）,第五节 无扩散型相变示例,1 马氏体相变的晶体学 马氏体的组织结构,53,第八章 固态相变 第三节钢中相变,（1）低碳钢、中碳钢、不锈钢淬火形成板条马氏体 （2）高碳钢（碳含量大于0.6%)淬火形成片状马氏体,第五节 无扩散型相变示例,2 马氏体相变的晶体学表象理论,54,第八章 固态相变 第三节钢中相变,第五节 无扩散型相变示例,3 马氏体相变的形核及动力学,55,第八章 固态相变 第三节钢中相变,（1）马氏体的转变是一个形核及长大的过程。 （2）转变温度范围：Ms-Mf

23、。在Ms-Mf范围内，温度越低，马氏体转变量越多。,第五节 无扩散型相变示例,3 马氏体相变的形核及动力学,56,第八章 固态相变 第三节钢中相变,（3）马氏体转变动力学：等温转变马氏体，变温转变马氏体、形变诱发马氏体。 （4）残余奥氏体。,第六节 钢的热处理原理,热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。,图7-1 热处理工艺曲线示意图,6.1 钢在加热时的转变,1. 转变临界温度 实际热处理加热和冷却时的相变是在不完全平衡的条件下进行的，相变温度与平衡相变点之间有一定差异。加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温，而且加热和冷却速

24、度愈大偏差愈大。,图7-2 加热和冷却速度对临界点的影响,6.1 钢在加热时的转变,2. 奥氏体的形成 （1）奥氏体的形成过程 钢加热时奥氏体的形成过程包括生核和长大两个基本过程。以共析钢为例，珠光体向奥氏体的转变，包括奥氏体晶核的形成、奥氏体晶核的长大、剩余渗碳体的溶解和奥氏体成分的均匀化等过程 。,6.1 钢在加热时的转变,（1）奥氏体的形成过程,图7-3 共析钢奥氏体形成过程示意图,6.1 钢在加热时的转变,（2）影响奥氏体转变的因素 加热温度,图7-5 共析钢的奥氏体化曲线,6.1 钢在加热时的转变,（2）影响奥氏体转变的因素 加热速度,图7-6 加热速度对奥氏体转变的影响,6.1 钢

25、在加热时的转变,（2）影响奥氏体转变的因素 钢中碳质量分数 合金元素 原始组织,6.1 钢在加热时的转变,3. 奥氏体的晶粒度及其 影响因素 奥氏体晶粒细时，退火组织亦细，则强度、塑性、韧性较好；淬火马氏体也细，因而韧性得到改善。,图7-7 奥氏体晶粒大小对转变产物晶粒大小的影响,3. 奥氏体的晶粒度及其影响因素,（1）奥氏体晶粒度 生产上一般采用标准晶粒度等级图用比较的方法来测定钢的奥氏体晶粒大小。晶粒度通常分8级，14级为粗晶粒度；58级为细晶粒度；超过8级的为超细晶粒度。,3. 奥氏体的晶粒度及其影响因素,（1）奥氏体晶粒度,图7-8 标准晶粒度等级示意图,3. 奥氏体的晶粒度及其影响因

26、素,奥氏体的晶粒度有两种： 实际晶粒度 本质晶粒度 原冶金工业部标准中规定，钢加热到93010，保温8h，冷却后测得的晶粒度为本质晶粒度。,图7-9 本质细晶粒和本质粗晶粒,3. 奥氏体的晶粒度及其影响因素,（2）影响奥氏体晶粒度的因素 加热温度和保温时间 钢的成分,图7-10 奥氏体形成及其晶粒长大示意图,6.2 钢在冷却时的转变,冷却的方式通常有两种： （1）等温处理 将钢迅速冷却到临界点以下的给定温度，进行保温，使其在该温度下恒温转变。 （2）连续冷却 将钢以某种速度连续冷却，使其在临界点以下变温连续转变。,6.2 钢在冷却时的转变,1. 过冷奥氏体的等温转变 （1）共析钢过冷奥氏体的等

27、温 转变,图7-11 共析钢等温转变图,（1）共析钢过冷奥氏体的等温转变,共析钢过冷奥氏体等温转变C曲线包括三个转变区： 高温转变在A1550之间，转变产物为珠光体，此温区称珠光体转变区。 中温转变在550Ms之间，过冷奥氏体的转变产物为贝氏体（B），此温区称贝氏体转变区。 低温转变温度低于Ms点（230），过冷奥氏体的转变产物为马氏体（M），因此低温转变区称为马氏体转变区。,（2）非共析钢过冷奥氏体的等温转变,与共析钢C曲线不同的是，亚共析钢C曲线在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素体的转变开始线。亚共析钢随着含碳量的减少，C曲线位置往左移，同时Ms、Mf线往上移。,图7-12 45钢过冷A

28、等温转变曲线,（2）非共析钢过冷奥氏体的等温转变,过共析钢C曲线的上部为过冷A中析出二次渗碳体（Fe3CII）开始线。在一般热处理加热条件下，过共析钢随着含碳量的增加，C曲线位置向左移，同时Ms、Mf线往下移。,图7-13 T10钢过冷A的等温转变曲线,（3）影响过冷奥氏体等温转变的因素, 合金元素 除钴以外，所有合金元素的溶入均增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。,图7-14 合金元素对碳钢C曲线的影响,（3）影响过冷奥氏体等温转变的因素, 加热温度和时间,(a) 加热温度为840 (b)加热温度为950 图7-15 在不同奥氏体化温度时的C曲线,2.过冷奥氏体的连续冷却转变,（1）共析钢

29、过冷奥氏 体的连续冷却转变 共析钢过冷A连续冷却转变曲线中没有奥氏体转变为贝氏体的部分，在连续冷却转变时得不到贝氏体组织。,图7-16 共析钢的连续冷却转变曲线,（1）共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变,图7-17 共析钢的等温转变曲线和连续 冷却转变曲线的比较及转变组织,（2）非共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变,亚共析钢过冷A在高温时有一部分将转变为铁素体，亚共析钢过冷A在中温转变区会有少量贝氏体（上B）产生。,图718 亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变,（2）非共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变,在高温区，过共析钢过冷A首先析出二次渗碳体，而后转变为其他组织组成物。由于奥氏体中碳含量高，所以油冷、水

30、冷后的组织中应包括残余奥氏体。与共析钢一样，其冷却过程中无贝氏体转变。,图7-19 过共析钢过冷A的连续冷却转变,6.3 珠光体转变,共析成分的奥氏体过冷到珠光体转变区内等温停留时，将发生共析转变，形成珠光体。珠光体转变可以写成如下的共析反应式: 0.77%C 0.0218%C 6.69%C 面心立方 体心立方 复杂斜方,6.3 珠光体转变,1. 片状珠光体的形成,图7-20 共析钢奥氏体向珠光体等温转变过程示意图,1. 片状珠光体的形成,珠光体的形成机理有两种：一种是“分片形成机理”，另一种是“分枝形成机理”。,图7-21 珠光体分片形成示意图,1. 片状珠光体的形成,图7-22 珠光体分枝

31、形成示意图,2. 粒状珠光体的形成,粒状珠光体的形成机理完全不同于片状珠光体。粒状珠光体既可以由过冷奥氏体直接分解而成，也可以由片状珠光体球化而成，还可以由淬火组织回火而形成。,图7-23 粒状珠光体,3. 珠光体的组织和性能,珠光体是铁素体和渗碳体的共析混合物。根据共析渗碳体的形状，珠光体分为片状珠光体和粒状珠光体两种。根据共析渗碳体的大小，又可分为珠光体、索氏体和屈氏体三种 。,3. 珠光体的组织和性能,片层间距是片状珠光体的一个主要指标，是指珠光体中相邻两片渗碳体的平均距离。片层间距的大小主要取决于过冷度。,表7-2 共析钢的珠光体转变产物,3. 珠光体的组织和性能,片状珠光体的性能主要

32、取决于片层间距。片层间距越小，则珠光体的强度和硬度越高，同时塑性和韧性也变好。,图7-25 共析钢珠光体的机械性能 与片层间距和转变温度的关系,3. 珠光体的组织和性能,共析渗碳体的形状对于珠光体的性能也有重要影响，在相同的硬度下，粒状珠光体比片状珠光体的拉伸性能好得多。,图7-26 共析钢在相同硬度下片状珠光体 与粒状珠光体的性能比较,6.4 马氏体转变,当奥氏体的冷却速度大于上临界冷速时，便过冷到马氏体点Ms以下，发生马氏体转变，形成马氏体。 马氏体转变发生在比较低的温度区内，而且是在连续冷却过程中进行的。马氏体转变是典型的非扩散型相变，也称为切变型相变。,1.马氏体的组织、结构和性能,（

33、1）马氏体的晶体结构 马氏体是碳在 中的过饱和固溶体，具有体心正方晶格。其中，c轴比其他两个a轴长一些，轴比c/a称为马氏体的正方度。,图7-27 马氏体的体心正方晶格,1.马氏体的组织、结构和性能,（2）马氏体的组织形态 马氏体的形态一般分板条状和针状（或片状）两种其形态决定于奥氏体的碳质量分数。,图7-28 马氏体形态与碳含量的关系,1.马氏体的组织、结构和性能,（2）马氏体的组织形态,图7-29 低碳马氏体的组织形态,1.马氏体的组织、结构和性能,（2）马氏体的组织形态,图7-30 高碳马氏体的组织形态,1.马氏体的组织、结构和性能,（3）马氏体的性能 马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体

34、的碳质量分数。,图7-31 马氏体的硬度与其碳质量分数的关系,1.马氏体的组织、结构和性能,马氏体强化的原因主要有以下几方面： 碳对马氏体的固溶强化作用。 马氏体的亚结构对强化和硬化的作用。 马氏体形成后，碳及合金元素向位错和其他晶体缺陷处偏聚或析出，使位错难以运动，造成时效硬化。 马氏体条或马氏体片的尺寸越小，则马氏体的强度越高，这实质上是由于相界面阻碍位错运动而造成的，属于界面结构强化。,1.马氏体的组织、结构和性能,马氏体塑性、韧性主要取决于其亚结构。 片状马氏体：微细孪晶不利于滑移，使脆 性增大；碳质量高，畸变 大，淬火应力较大，存在显 微裂纹。脆性大。 板条马氏体：高密度位错不均匀，

35、存在低密度 区，位错可运动；碳质量低，自回火，畸 变很小，淬火应力很小，不存在显 微裂纹。韧性好。 总之：片状马氏体很硬很脆；板条马氏体又韧又强。,2.马氏体转变的特点,（1）奥氏体向马氏体的转变为非扩散型转 变。 （2）马氏体的形成速度极快（小于10-7s）。 （3）马氏体转变是不彻底的，总要残留少量奥 氏体 。 （4）马氏体形成时体积膨胀。,6.5 贝氏体转变,共析成分的奥氏体过冷到大约550240的中温区内保温，便发生奥氏体向贝氏体的转变，形成贝氏体。钢在等温淬火过程中发生的转变就是贝氏体转变。,1.贝氏体的组织和性能,（1）贝氏体组织 贝氏体是奥氏体在中温区的共析产物，是由含碳过饱和的

36、铁素体和碳化物组成的两相混合物，其组织和性能都不同于珠光体。,图7-35 上贝氏体的形态,1.贝氏体的组织和性能,（1）贝氏体组织,图7-36 下贝氏体的形态,1.贝氏体的组织和性能,（2）贝氏体性能,图7-38 共析钢的机械性能与等温转变温度的关系,2. 贝氏体的形成过程,奥氏体向贝氏体的转变属于半扩散型转变。在贝氏体形成过程中，铁原子不扩散而碳原子还有一定的扩散能力。 （1）上贝氏体的形成过程,图7-39 上贝氏体形成机制示意图,2. 贝氏体的形成过程,（2）下贝氏体的形成过程,图7-40 下贝氏体形成机制示意图,7 钢的热处理工艺,按照应用特点，常用热处理工艺可大致分为下列几类： 1.普

37、通热处理 包括退火、正火、淬火和回火 等。 2.表面热处理和化学热处理 表面热处理包括感应加热淬火、火焰加热淬火和电接触加热淬火等；化学热处理包括渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗硫、渗硅、渗铝、渗铬等。 3.其他热处理 包括可控气氛热处理、真空热处理、形变热处理等。,7.1 钢的普通热处理,1退火 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（一般为随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。 根据处理的目的和要求不同，钢的退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等等。,1退火,(a)加热温度范围 (b)工艺曲线 图7-41 碳钢各种退火和正火

38、工艺规范示意图,1退火,（1） 完全退火 完全退火又称重结晶退火，是把钢加热至Ac3以上2030, 保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却）, 以获得接近平衡组织的热处理工艺。亚共析钢经完全退火后得到的组织是F+P。,1退火,（1） 完全退火 完全退火的目的在于，通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，以提高性能；或使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态的组织，以降低硬度，改善切削加工性能。由于冷却速度缓慢，还可消除内应力。,1退火,（1） 完全退火 表7-3 45钢锻造后与完全退火后的机械性能比较,1退火,（2）等温退火 等温退火是将钢件或毛坯加热到高于

39、Ac3（或Ac1）的温度, 保温适当时间后, 较快地冷却到珠光体区的某一温度, 并等温保持, 使奥氏体转变为珠光体组织, 然后缓慢冷却的热处理工艺。,1退火,（3）球化退火 球化退火为使钢中碳化物球状化的热处理工艺。 球化退火主要用于过共析钢, 如工具钢、滚珠轴承钢等，目的是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前先正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能，并为以后的淬火作组织准备。,1退火,（3）球化退火,图7-42 球化退火组织,1退火,（4） 扩散退火 为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线的温度，长时间保温并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为

40、扩散退火或均匀化退火。,1退火,(5) 去应力退火 为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退火，称为去应力退火。去应力退火是将钢件加热至低于Ac1的某一温度(一般为500650), 保温, 然后随炉冷却, 这种处理可以消除约50%80%的内应力, 不引起组织变化。,2正火,钢材或钢件加热到Ac3(对于亚共析钢)和Accm(对于过共析钢)以上3050, 保温适当时间后, 在自由流动的空气中均匀冷却的热处理称为正火。正火后的组织：亚共析钢为F+S, 共析钢为S, 过其析钢为S+Fe3CII。,2正火,正火与完全退火的主要差别在于冷却速度快些，目的是使钢

41、的组织正常化，所以亦称常化处理，一般应用于以下方面： （1）作为最终热处理 （2）作为预先热处理 （3）改善切削加工性能,3淬火,将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火是钢的最重要的强化方法。,3淬火,（1）淬火工艺 淬火温度的选定 在一般情况下，亚共析钢的淬火加热温度为Ac3以上3050；共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上3050。,图7-43 钢的淬火温度范围,（1）淬火工艺, 加热时间的确定 加热时间包括升温和保温两个阶段的时间。 淬火冷却介质 常用的冷却介质是水和油。 水在生产上主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。

42、淬火用油为各种矿物油(如锭子油、变压器油等）。油一般用作合金钢的淬火介质。,（1）淬火工艺, 淬火方法 常用的淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火等。,1-单介质淬火 2-双介质淬火 3-分级淬火 4-等温淬火 图7-44 不同淬火方法示意图,（2）钢的淬透性, 钢的淬透性及其测定方法 钢接受淬火时形成马氏体的能力叫做钢的淬透性。不同成分的钢淬火时形成马氏体的能力不同，容易形成马氏体的钢淬透性高（好），反之则低（差）。 淬透性可用“末端淬火法”来测定。,（2）钢的淬透性, 钢的淬透性及其测定方法,(a) 试样尺寸及冷却方法 (b) 淬透性曲线的测定 图7-45 用末端淬火法测定

43、钢的淬透性,（2）钢的淬透性,在实际生产中, 往往要测定淬火工件的淬透层深度。所谓淬透层深度即是从试样表面至半马氏体区(马氏体和非马氏体组织各占一半)的距离。 在同样淬火条件下, 淬透层深度越大, 则反映钢的淬透性越好。,（2）钢的淬透性,半马氏体组织比较容易由显微镜或硬度的变化来确定。半马氏体组织和马氏体一样, 硬度主要与其碳质量分数有关, 而与合金元素质量分数的关系不大。,(a) 45钢和40Cr钢的淬透性曲线 (b) 半马氏体硬度与碳含量的关系曲线 图7-47 利用淬透性曲线比较钢的淬透性,（2）钢的淬透性,钢淬火后硬度会大幅度提高，能够达到的最高硬度称为钢的淬硬性，它主要决定于马氏体的

44、碳质量分数。,（2）钢的淬透性, 影响淬透性的因素 钢的淬透性由其临界冷却速度决定。临界冷却速度越小，即奥氏体越稳定，则钢的淬透性越好。因此，凡是影响奥氏体稳定性的因素，均影响钢的淬透性。 (a) 碳质量分数 (b) 合金元素 (c) 奥氏体化温度 (d) 钢中未溶第二相,（2）钢的淬透性, 淬透性曲线的应用 利用淬透性曲线, 可比较不同钢种的淬透性。淬透性不同的钢材经调质处理后, 沿截面的组织和机械性能差别很大。,(a) 40CrNiMo完全淬透; (b) 40Cr钢淬透较大厚度; (c) 40钢淬透较小厚度 图7-48 淬透性不同的钢调质后 机械性能的比较,4回火,钢件淬火后, 为了消除内

45、应力并获得所要求的组织和性能, 将其加热到Ac1以下某一温度, 保温一定时间, 然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。,4回火,根据回火温度的高低，一般将回火分为三种： （1）低温回火 回火温度为150250。在低温回火时，从淬火马氏体内部会析出碳化物（Fe2,4C）薄片，马氏体的过饱和度减小。部分残余奥氏体转变为下贝氏体, 但量不多。所以低温回火后组织为回火马氏体残余奥氏体。 低温回火的目的是降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度和高耐磨性。主要用于处理各种高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳和表面淬火的零件。,4回火,（2）中温回火 回火温度为350500，得到铁素体基体与大量弥散分布

46、的细粒状渗碳体的混合组织，叫做回火屈氏体(回火T)。铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗大。 回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35HRC45HRC。主要用于处理各类弹簧。,4回火,（3）高温回火 回火温度为500650, 得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织, 称回火索氏体。,图7-49 回火索氏体 500,（3）高温回火,回火索氏体(回火S)综合机械性能最好, 即强度、塑性和韧性都比较好，硬度一般为25HRC35HRC。 通常把淬火加高温回火称为调质处理，各种重要的机器结构件，特别是受交变载荷的零件，如连杆、轴、齿轮等广泛采用调质处理

47、工艺。,4回火,随着回火温度的升高, 碳钢的硬度、强度降低，塑性提高，但回火温度太高，则塑性会有所下降。,图7-50 钢的硬度随回火温度的变化,4回火,图7-51 钢机械性能与回火温度的关系,4回火,图7-52 淬火钢中马氏体的碳含量、残余奥氏体量、内应力 及碳化物粒子大小与回火温度的关系,7.2 钢的表面热处理,仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理, 也叫表面淬火。按照加热的方式，有感应加热、火焰加热、电接触加热和电解加热等表面热处理，最常用的是前两种。,1感应加热表面热处理,图7-53 感应加热表面淬火示意图,1感应加热表面热处理,表面淬火一般用于中碳钢和中碳低合

48、金钢,如45、40Cr、40MnB钢等。这类钢经预先热处理(正火或调质)后表面淬火, 心部保持较高的综合机械性能, 而表面具有较高的硬度(50HRC)和耐磨性。,2火焰加热表面热处理,火焰加热表面淬火，是用乙炔氧或煤气氧等火焰加热工件表面，然后进行淬火。,图7-54 火焰加热表面淬火示意图,7.3 钢的化学热处理,化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。 按照表面渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等。化学热处理能有效地提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性能以及

49、疲劳强度等。,7.3 钢的化学热处理,钢件表面化学成分的改变，取决于处理过程中发生的以下三个基本过程： 1. 介质的分解 2. 表面吸收 3. 原子扩散,1渗碳,（1）渗碳的目的 为了增加表层的碳质量分数和获得一定的碳浓度梯度, 钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面的工艺称为渗碳。 渗碳使低碳(碳质量分数0.15%0.30%)钢件表面获得高碳浓度（碳质量分数约1.0%），在经过适当淬火和回火处理后，可提高表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，而使心部仍保持良好的韧性和塑性。,1渗碳,（2）渗碳方法 常用的是气体渗碳方法。将工件装在密封的渗碳炉中，加热到900950，向炉内滴入易分解的有机液体（如煤油、苯、甲醇等），或直接通入渗碳气体（如煤气、石油液化气等），通过下列反应产生活性碳原子，使钢件表面渗碳： 2COCO