热处理原理部分.ppt

1、徐州工程学院工程材料,改善钢的性能，主要有两条途径： 一是合金化，这是下金属材料部分的内容； 二是热处理，这是本课程要研究的内容。,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,TITANIC,建造中的Titanic,TITANIC沉没与船体材料的质量直接有关,徐州工程学院工程材料,Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,碳化物液析是在钢锭凝固过程中由于树枝状偏析而产生的亚稳共晶莱氏体。经热压力加工破碎成不规则的小块状碳化物，并沿着延伸方向呈链状或条状分布。,徐州工程学院工程材料,课程学时：64学时 课程特点：专业基础课 金

2、属材料热处理基本知识 热加工工艺制定 不同类型零件（牌号）热处理工艺 热处理失效分析 先进热处理技术 考试形式：闭卷,徐州工程学院工程材料,参考书目：,徐州工程学院工程材料,参考网站： （1）重庆大学精品课程： （2）热处理论坛： ,徐州工程学院工程材料,能力培养：,徐州工程学院工程材料,获得有关热处理方面的基本理论知识； 熟悉常用工程材料或典型机械零件的热 处理工艺特点； 熟悉材料金相制备及金相分析，具备分 析热处理缺陷的初步能力； 学生具有合理选用机械工程材料并妥善 安排其热处理工艺路线的初步能力。,徐州工程学院工程材料,1. 热处理将钢在固态下以一定的方式进行加热、保温，然后采取合适的方

3、式冷却，让其获得所需要的组织结构和性能的工艺。,一. 热处理概念,徐州工程学院工程材料,曲轴常用的强化处理：轴颈中频感应淬火处理、氮化处理,徐州工程学院工程材料,任何热处理工艺一般都可归纳为由加热、保温和冷却三个阶段组成的工艺过程。热处理工艺可用“温度时间”坐标图表示，即热处理工艺曲线,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,2. 热处理特点 热处理区别于铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。,铸造,轧制,3. 热处理适用范围 适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。,徐州工程学院工程材料,有固态相变 加热时

4、溶解度显著变化的合金,+L,L + ,+ ,L,徐州工程学院工程材料,4. 热处理分类 热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理。热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热处理工艺。,(a)940淬火+220回火（板条M回+A少） (b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板条M+条状F+A少） (e)940淬火+780淬火+220回火（板条M回+条状F+A少） (f)780淬火+220回火（板条M回+块状F）,20CrMnTi钢不同热处理工艺的显微组织,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,2003 Brooks/Cole, a divis

5、ion of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,徐州工程学院工程材料,5. 临界温度与实际转变温度 铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象。钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示；冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。由于加热冷却速度直接影响转变温度，一般手册中的数据是以3050/h 的速度加热或冷却时测得。,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料

6、,加热是热处理的第一道工序。加热分两种： (1) 在A1以下加热，不发生相变； (2) 在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。,钢坯加热,二. 加热转变过程,徐州工程学院工程材料,1. 奥氏体的形成过程 奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步: 奥氏体的形核，奥氏体的长大，残余Fe3C溶解，奥氏体均匀化。,徐州工程学院工程材料,奥氏体形成的热力学条件 G = GG p0,共析钢奥氏体形成热力学条件图,徐州工程学院工程材料,奥氏体晶核形成 奥氏体晶核主要在F和Fe3C的相界面形核，其次在珠光体团界、F亚结构(嵌镶块) 界面形核。这样能满足：(1)能量起伏；(2)结构起伏；(3

7、)成分起伏三个条件。,徐州工程学院工程材料,奥氏体晶核长大 晶核通过碳原子的扩散向 和Fe3C方向长大。 【晶体结构】体心立方 复杂斜方 面心立方 【含碳量】 0.0218% 6.67% 0.77%,奥氏体长大过程是依靠原子扩散完成的，原子扩散包括：(1)Fe原子自扩散完成晶格改组；(2)C原子扩散使奥氏体晶核向相和Fe3C相两侧推移并长大。,徐州工程学院工程材料,【C 原子扩散】一旦奥氏体晶核出现，则在奥氏体内部的C%分布就不均匀。 C1与Fe3C相接的奥氏体的C%； C2与F相接的奥氏体的C%； C3与Fe3C相接的F的C%； C4与奥氏体相接的F的C%；,T1温度下由于C1、C2、C3、

8、C4 不同导致奥氏体晶核形成时，C原子扩散，扩散的结果破坏了T1温度下C%的浓度平衡，迫使与奥氏体相接的F和Fe3C溶解恢复T1温度下C%的浓度平衡，历经“破坏平衡”“建立平衡”，奥氏体晶核长大。,徐州工程学院工程材料,C1与Fe3C相接的奥氏体的C%； C2与F相接的奥氏体的C%； C3与Fe3C相接的F的C%； C4与奥氏体相接的F的C%；,徐州工程学院工程材料,【奥氏体晶格改组】 一般认为，平衡加热过热度很小时，通过Fe 原子自扩散完成晶格改组。 【奥氏体晶核的长大速度】 奥氏体晶核向F和Fe3C两侧的推移速度是不同的。相界面向F 一侧的推移速度比向Fe3C一侧的推移速度快，但是通常片状

9、珠光体的F片厚度比Fe3C片厚度大7倍，所以奥氏体等温形成时，总是F先消失，Fe3C剩余。,徐州工程学院工程材料,残余Fe3C溶解 铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，而先消失。结束后，还有相当数量的Fe3C尚未溶解，这些Fe3C被称为残余Fe3C。残余的Fe3C随时间延长溶解直至消失。,徐州工程学院工程材料,奥氏体成分均匀化 在原来Fe3C的部位，C%较高，而原来F部位C%较低，必须经过适当的保温后，奥氏体中的C%才能趋于均匀。,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析 或二次Fe3C的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到

10、Ac3或Accm以上。,徐州工程学院工程材料,一切影响形核率I和长大速度G的因素均影响珠光体奥氏体的因素。,二、影响奥氏体形成速度的因素,徐州工程学院工程材料,1、加热温度的影响 加热温度T升高，过热度T增大，相变驱动力G增大，原子扩散速度增加，形核率I 和长大速度G 均增加；奥氏体等温形成的孕育期变小，相变完成时间变短；奥氏体向F一侧推移速度比向Fe3C一侧推移速度快，F 消失瞬间残余Fe3C 量增加，奥氏体中C%降低，相变不平衡程度增加。,徐州工程学院工程材料,2、原始组织的影响 (1) 原始组织越细，碳化物越分散，珠光体的层片间距越小，相界面越多，形核率I 越大，同时碳的浓度梯度增加，长

11、大速度G 均增加； (2) 和粒状珠光体相比，片状珠光体相界面大而薄，易于溶解，因此原始组织为片状珠光体形成速度比粒状珠光体快。,徐州工程学院工程材料,3、合金元素的影响 (1)不影响珠光体转变奥氏体机制； (2)影响碳化物稳定性； (3)影响扩散系数。 强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等降低扩散系数，从而使残余碳化物溶解及奥氏体均匀化速度减小。非强碳化物形成元素Co、Ni 等使扩散系数增大，扩散速度提高。,徐州工程学院工程材料,非强碳化物形成元素Ni、Mn、Cu 可降低A1点使过热度T 增加、相变驱动力G 增大，形核率I增大、G增大，强碳化物形成元素Cr、Mo、Ti、W可降低A1提高，T降

12、低，G降低，形核率I降低，G降低金元素在钢中分布不均匀。,徐州工程学院工程材料,三、奥氏体晶粒长大及其影响因素,奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时晶粒细小均匀。随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这也是一个自发的过程。,徐州工程学院工程材料,奥氏体晶粒大小用晶粒度表示，通常分8 级评定，1 级最粗，8 级最细。若晶粒度在10以上则称“超细晶粒”。晶粒度级别与晶粒大小的关系为： 式中，n放大100 倍视野中单位面积内晶粒个数(个/平方英寸，1 平方英寸=6.45平方厘米)；N晶粒度级别，奥氏体晶粒度有三种，即起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度。,徐州工程学院工程材料,本

13、质晶粒度 钢在加热时奥氏体晶粒的长大倾向，通常将钢加热到93010奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒保留到室温来判断钢的本质晶粒度。晶粒度为1-4级的是本质粗晶粒钢，5-8级的是本质细晶粒钢，前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。,起始晶粒度 奥氏体化刚结束时的晶粒大小，此时晶粒细小均匀。随加热温度升高或保温时间延长，会出现晶粒长大的现象。,实际晶粒度 在某一具体热处理下得到的奥氏体的晶粒度。它直接影响钢的性能。,徐州工程学院工程材料,1.本质晶粒度的测定 （1） 渗碳法 将试样加热到93010，渗碳8小时获得不低于1mm的渗层，缓冷后在渗层的过共析钢部分形成网状Fe3C，借助于网状Fe3C进行晶

14、粒度评定。 （2） 氧化法 将样品抛光，在无氧化条件下加热93010，使晶粒充分长大，然后在氧化气氛下短时间氧化，由于晶界比晶内容易氧化，冷却后试样抛光和腐蚀，即可把氧化的晶界网清晰地显示出来进行晶粒度评定。,徐州工程学院工程材料,一般用Al 脱氧或者含有Ti、Zr、V、Nb、Mo、W 等元素的钢都是本质细晶粒钢，因为这些元素能够形成难溶于奥氏体的细小碳化物质点，阻止奥氏体晶粒长大，而只用Si、Mn 脱氧的钢或者沸腾钢一般都为本质粗晶粒钢。,本质晶粒度与钢的成分和冶炼时的脱氧方法有关,徐州工程学院工程材料,2. 影响奥氏体晶粒长大的因素 晶界的能量高，在一定温度下奥氏体晶粒会发生相互吞并的现象

15、，大晶粒吞并小晶粒，使总的晶界面积减小，界面能降低，因此奥氏体晶粒长大在一定条件下是一个自发过程。晶粒长大动力和阻力相互作用使晶界推移，实现奥氏体晶粒长大。主要有以下几点因素：,徐州工程学院工程材料,【晶粒长大动力】奥氏体晶粒长大的动力为其晶粒大小的不均匀性，长大驱动力G与晶粒大小和界面能大小可用下式表示： 单位奥氏体晶界的界面能(比界面能)； r 晶界曲率半径。可见界面能越大，晶粒尺寸越小，则奥氏体晶粒长大驱动力 G越大，即晶粒的长大倾向越大，晶界易于迁移。,徐州工程学院工程材料,【晶界阻力】在实际金属材料中，晶界或晶内存在很多细小难熔的沉淀析出粒子，晶界推移过程中遇到沉淀析出粒子时将发生弯

16、曲，导致晶界面积增大，晶界能量升高，阻碍晶界推移，起钉扎晶界作用，所以，沉淀析出粒子的存在是晶界移动的阻力。当沉淀析出粒子的体积百分数一定时，则粒子越细小，分散度越高，对晶界移动的阻力就越大。,徐州工程学院工程材料,析出颗粒对黄铜晶界的钉扎,Nb、Ti对奥氏体晶粒的影响,徐州工程学院工程材料,(1) 加热温度和保温时间：加热温度越高、保温时间越长，形核率I越大，长大速度G越大，奥氏体晶界迁移速度越大，其晶粒越粗大。 (2) 加热速度：加热速度快，奥氏体实际形成温度高，形核率增高，由于时间短奥氏体晶粒来不及长大，可获得细小的起始晶粒度。,徐州工程学院工程材料,(3) 合金元素 【C%的影响】C%

17、高，C 在奥氏体中的扩散速度以及Fe 的自扩散速度均增加，奥氏体晶粒长大倾向增加，但C%超过一定量时，由于形成Fe3C，阻碍奥氏体晶粒长大。 【合金元素影响】强碳化物形成元素Ti、Zr、V、W、Nb 等熔点较高，它们弥散分布在奥氏体中阻碍奥氏体晶粒长大；非碳化物形成元素Si、Ni等对奥氏体晶粒长大影响很小。,徐州工程学院工程材料,3. 加热过程中的缺陷 （1）过热 由于加热工艺不当，加热温度过高、保温时间过长等，而引起实际奥氏体晶粒粗大，在随后的淬火或正火得到十分粗大的组织，从而使钢的机械性能严重恶化，此现象称为过热。 通过正火、退火的重结晶可以消除过热组织，非平衡组织则难以消除。,徐州工程学

18、院工程材料,徐州工程学院工程材料,（2）过烧 加热温度过高，不仅引起奥氏体晶粒粗大，而且晶界局部出现氧化或熔化，导致晶界弱化，称为过烧。钢过烧后性能严重恶化，淬火时形成龟裂。通过正火、退火的重结晶不能消除过烧组织。过烧组织无法恢复，只能报废，因此在工作中要避免过烧的发生。,徐州工程学院工程材料,（3）脱碳 钢在加热时，表层的碳与介质（或气氛）中的氧、氢、二氧化碳及水蒸气等发生反应，降低了表层碳浓度称为脱碳，脱碳钢淬火后表面硬度、疲劳强度及耐磨性降低，而且表面形成残余拉应力易形成表面网状裂纹脱碳层的组织特征： 脱碳层由于碳被氧化，反映在化学成分上其含碳量较正常组织低；反映在金相组织上其渗碳体的数

19、量较正常组织少；反映在力学性能上其强度或硬度较正常组织低。,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,表面,心部,徐州工程学院工程材料,（4）氧化 加热时，钢表层的铁及合金与元素与介质（或气氛）中的氧、二氧化碳、水蒸气等发生反应生成氧化物膜的现象称为氧化。高温，一般570度以上，工件氧化后尺寸精度和表面光亮度恶化，具有氧化膜的淬透性差的钢件易出现淬火软点。 为了防止氧化和减少脱碳的措施有：采用盐浴炉加热、采用保护气氛加热，如净化后的惰性气体、控制炉内碳势。,徐州工程学院工程材料,氧化铁皮结构，根据氧化程度的不同，生成几种不同的铁的氧化物FeO、Fe3O4、 Fe203。

20、 氧化铁皮的形成过程也是氧和铁两种元索的扩散过程，氧由表面向铁的内部扩散而铁外部扩散，外层氧的浓度大，铁的浓度小，生成铁的高价氧化物。所以氧化铁皮的结构实际分层的，最靠近铁层的是FeO，依次向外是Fe304和Fe203。,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,水冷壁的作用是吸收炉膛中高温火焰或烟气的辐射热量，在管内产生蒸汽或热水，并降低炉墙温度，保护炉墙。锅炉中有4050甚至更多的热量由水冷壁所吸收。,徐州工程学院工程材料,钢经奥氏体化后，迅速冷至临界点A1线以下，等温保持时过冷奥氏体发生的转变。 等温转变曲线反映过冷奥氏体在不同过冷度下等温温度、保持时间与转变产物所占的百分数（转变开始

21、及转变终止）的关系曲线，称“TTT图”，又称为“C曲线”。 T time； T temperature； T transformation，,一. 等温冷却转变,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,（1）先将T8钢制成若干试样，在760780加热和保温使之得到均匀的奥氏体；,（2）再将得到的奥氏体试样分成几组进行等温冷却，其方法如下：分别放入低于A1温度以下的各个不同温度进行等温冷却；,（3）然后分别测定出来在不同温度等温条件下奥氏体转变开始和终了时间；在温度时间坐标上分别找出不同温度下转变开始和转变结束的时间；,（4）把具有相同意义的点连接起来。,1. C曲线的建立,徐州工程学院工程

22、材料,A1,徐州工程学院工程材料,2. 过冷奥氏体等温转变曲线的分析,徐州工程学院工程材料,（1）奥氏体等温转变图的基本类型 C曲线有三个转变区，即珠光体、贝氏体和马氏体转变区； C曲线有五条线，即A1、第一条C曲线、第二条C曲线、Ms和Mf。 A1线以上奥氏体稳定存在；以下奥氏体变成亚稳定存在的过冷奥氏体。第一条C曲线为奥氏体转变P、B开始线，第二条C曲线为奥氏体转变P、B终了线；Ms为马氏体转变开始线，Mf为马氏体转变终了线。,徐州工程学院工程材料, 单C形曲线：碳钢亚共析钢、共析钢及过共析钢，含Si、Ni、Cu、Co 钢等。 双C形曲线：加入使珠光体转变温度范围上升的Cr、Mo、W、V

23、等合金元素，加入使贝氏 体转变温度下降的合金元素。随着合金元素的增加，珠光体和贝氏体转变C曲线逐渐分离。并且使珠光体转变速度减慢，对贝氏体转变速度影响较小。,徐州工程学院工程材料, 双C形曲线：加入使珠光体转变温度范围上升的Cr、Mo、W、V 等合金元素，或加入使贝氏体转变温度下降的合金元素。 随着合金元素的增加，珠光体和贝氏体转变C曲线逐渐分离。并且使贝氏体转变速度减慢，对珠光体转变速度影响较小。 合金元素的加入，使B、P 转变的C曲线分离，分别使B、P转变的最小孕育期变长。,徐州工程学院工程材料,4. 只有贝氏体转变的C曲线：合金元素Mn、Cr、Ni、W、Mo 的加入，使扩散型的珠光体相变

24、受到极大阻碍。贝氏体钢18Cr2Ni4WA、18Cr2Ni4MoA 5. 只有珠光体转变的C曲线：在中碳高Cr 钢 3Cr13、3Cr13Si以及4Cr13 等钢中出现。 6. 在马氏体转变的Ms 点以上整个温度区间不出现C曲线：这类钢通常为奥氏体钢，高温下稳定的奥氏体组织能全部过冷至室温。也可能有过剩碳化物的高温析出。,徐州工程学院工程材料,处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。,3. 过冷奥氏体的等温转变产物及转变过程,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,（一）

25、珠光体转变 1. 过冷奥氏体在 A1到 550 间将转变为珠光体类型组织， 是铁素体与渗碳体片层相间的 机械混合物。,珠光体,索氏体,托氏体,根据片层 厚薄不同， 细分为珠光 体、索氏体 和托氏体。,徐州工程学院工程材料,(1) 珠光体(P) 形成温度 为A1-650，片层较厚 在500光镜下可辨。,光镜下形貌,电镜下形貌,三维珠光体如同包心菜,徐州工程学院工程材料,(2) 索氏体S 形成温度为600650，片层较薄800-1000 光镜下可辨。,电镜形貌,光镜形貌,徐州工程学院工程材料,(3) 托氏体T 形成温度为600-550，片层极薄，电镜下可辨。,徐州工程学院工程材料,P、S、T组织区

26、别,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,珠光体P，S0=15004500。光镜下观察到F与 Fe3C呈层片状。 索氏体S，S0=8001500。光镜下难以区分F与 Fe3C呈层片状，电镜下观察到F与Fe3C的片层。 屈氏体T，极细的珠光体。S0=300800。光镜 下无法分辨F与Fe3C的层片，呈黑球状，电镜下 观察到F与Fe3C的片层。 珠光体片层间距S0的大小，取决于过冷度T 而与原奥氏体晶粒尺寸大小无关。,徐州工程学院工程材料,P、S、T三种组织无 本质区别，只是形态上 的粗细之分，因此其界 限也是相对的。,片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。,徐州工程学院工程

27、材料,2、珠光体转变过程 珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶 核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其 两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核， 两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。珠光 体转变是扩散型转变。,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,珠光体转变过程,徐州工程学院工程材料,(1) 由于 AP是在较高温度形成，Fe和 C 原 子能够长程扩散，AP 是扩散型相变； (2) 由于缺陷形核，相变消耗的能量较小，在 较小过冷度T条件下 AP相变即可发生即满 足：,徐州工程学院工程材料,C1与铁素体相接的奥氏体C% C2与Fe3C相接的奥氏体 C% C3与奥氏体相接的铁素体C

28、% C4与Fe3C相接的铁素体 C%,徐州工程学院工程材料,1. 形核 (1)奥氏体晶界；(2)奥氏体晶内(奥氏体 晶内有不均匀或未溶 Fe3C 时)。满足(1)能量起 伏；(2)结构起伏；(3)成分起伏三个条件。 2. 长大以 Fe3C 领先 相讨论，当珠光体晶核 在奥氏体晶界形成，A、 F和 Fe3C三相共存时， 过冷奥氏体中存在C浓 度不均匀。,徐州工程学院工程材料,片状Fe3C的表面积大于同体积的粒状 Fe3C， 从能量考虑，Fe3C球化是一个自发过程， 根据 胶态平衡理论， 第二相质点的溶解度与质点的 曲率半径有关，曲率半径越小，其溶解度越高。 片状 Fe3C 的尖角处溶解度高于平面

29、处的溶解 度，使得周围铁素体与 Fe3C尖角接壤处的碳浓 度大于与平面接壤处的碳浓度，引起碳的扩散。 如此不断进行，最终形成了各处曲率半径相近 的粒状Fe C。,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,3. 珠光体等温转变的动力学图 (1) 有孕育期，且孕育期随温度变化有极小值； (2) 温度降低，转变速度增加，对应鼻温转变温 度时转变速度最大，高于或低于该温度，转变速度均降低。 (3) 转变时间增加，转变量增加，当转变量超过 50%后，转变量降低AP时对 A产生压应力抑 制 AP 转变，压应力下 C、Fe 原子扩散和晶格 改组困难。,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,三、影响珠

30、光体转变动力学的因素 1.化学成分的影响 (1)C% a)亚共析钢：C%增加，先析 F 形核率降低，先析 F 形核率降低，F 长大 需要扩散离去的C%增高，使奥氏体转变为珠光体的孕育期增大，导致珠光体 转变速度降低。 b)过共析钢：C%增加，Fe3C的形核率增加，孕育期减小，使奥氏体转变 为珠光体的孕育期减小，导致奥氏体转变为珠光体的转变速度提高。 (2)合金元素 a)降低C在奥氏体中的扩散速度；b)降低 Fe原子的自扩散(晶格改组)速度；c) 对临界点的影响。除Mn、Ni外，均使 A1点升高，T增大，孕育期减小，“C” 曲线左移。d)对相界面阻碍作用。对于亚共析钢合金元素Mn、Mo 等阻碍

31、/ 相界面的移动，降低先析F形成速度，使奥氏体转变为珠光体的孕育期提高。 e)强碳化物形成元素V、Ti、Zr、Nb等溶入奥氏体中稳定奥氏体，使“C”曲 线右移。,徐州工程学院工程材料,2.奥氏体成分均匀性和过剩相溶解情况的影响 奥氏体成分不均匀，珠光体转变的形核率高，C原子扩散速度高，长大速度快；未溶 Fe3C 多，可作为领先相晶核存在使珠光体转变的形核率提高，加 速其长大速度。 3.奥氏体化温度和时间的影响 奥氏体化温度高时间长，奥氏体晶粒粗大且奥氏体化均匀，使“C”曲线 右移， 珠光体转变的孕育期、 形核率和长大速度均降低， 珠光体形成速度降低。 4.应力和塑性变形的影响 奥氏体化时拉应力

32、或塑性变形，易使点阵畸变和位错增高，促进 C、Fe 原子扩散及点阵重构，促进珠光体的形核长大。奥氏体化时压应力，原子迁移 阻力增大，C、Fe原子扩散困难，减慢珠光体形成速度。,徐州工程学院工程材料,4. 亚(过)共析钢先析相的形态 （1）亚共析钢 与原奥氏体无共格关系： 铁素体呈等轴状奥氏体晶粒较细，等温温 度较高，冷却速度较慢； 网状铁素体，奥氏体晶粒较大，冷却速度较快。 与原奥氏体有共格关系：片针状铁素体，奥氏体晶粒粗大，成分均匀，冷却速度适中。,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,（2） 过共析钢 与原奥氏体无共格关系： 粒状Fe3C，球化 工艺； 与原奥氏体有共格关系：网状Fe

33、3C，奥氏体晶粒较大且成分均匀，冷却速度缓慢；片针状Fe3C奥氏体晶粒粗大，成分均匀，冷却速度缓慢。,徐州工程学院工程材料,3. 魏氏组织W 工业上将先共析的片(针)状铁素体或片(针)状 碳化物加珠光体组织称魏氏组织。前者称-Fe 魏氏组织，后者称碳化物魏氏组织。 (1)一次魏氏组织F：从奥氏体中直接析出片状， 截面呈针状，分布的F称一次魏氏组织F。 (2)二次魏氏组织F：从原奥氏体晶界上首先析出 网状F，再从网状 F上长出的片状 F称二次魏氏组 织 F。,徐州工程学院工程材料,钢中常见的是二次魏氏组织 F。亚共析钢魏氏 组织 F 单个是片、针状的，整体分布形态为： (1)羽毛状；(2)三角状

34、；(3)两者混合型的。 YB31-64规定亚共析钢魏氏组织评级标准为05 共6级。过共析钢， (1)一次魏氏组织碳化物：白色针状，基体珠光体组织。(2)二次魏氏组织碳化物：网状碳化物上长出针状碳化物，基体为珠光体。 魏氏组织形成特征，(1)钢的成分0.6%；(2)奥 氏体晶粒粗大；(3)冷却速度适中。,徐州工程学院工程材料,珠光体的机械性能 珠光体的机械性能取决于(1)层片间距S0；(2)珠光体团尺寸；(3)F亚结构。 1.珠光体层片间距 S0 S0 减小，相界面增多，相界面阻碍位错运动的能力增加，变形抗力提高，强 度提高；另外S0减小，Fe3C变薄，易弯曲和滑移使塑性提高。 2.珠光体团尺寸

35、 珠光体团尺寸与珠光体形成温度和原奥氏体晶粒尺寸有关珠光体形成温 度低和奥氏体晶粒尺寸细小导致珠光体团尺寸小， 单位体积内片层排列方向增 多，应力集中可能性降低，导致强度和塑性提高；反之强度和塑性降低。 3.铁素体亚结构 铁素体亚结构为位错，亚结构尺寸越细，位错的量越多，受 Fe3C 阻碍变 形抗力越高，强度越高。 4.粒状珠光体性能 同一成分钢， P 粒相界面P 片少， 强度低； 塑性好是因为 F呈连续分布， Fe3C 颗粒分布在 F基体上， 对位错阻碍作用小。 因此P 粒表现出(1)切削加工性能好； (2)冷塑性变形性能好；(3)加热时变形或开裂倾向小。,徐州工程学院工程材料,(二) 贝氏

36、体转变 贝氏体是过冷奥氏体在中温区转变的产物，由钢的冷却转变图C曲线，其转变温度位于珠光体温度和马氏体转变温度之间，因此称为中温转变。这种转变的动力学特征和产物的组织形态，兼有扩散型转变和非扩散型转变的特征，称为半扩散型相变。 一般将具有一定过饱和度的相和Fe3C组成的非层状组织称为贝氏体。,徐州工程学院工程材料,1. 贝氏体的组织形态 过冷奥氏体在550 230至Ms间将转变为 贝氏体类型组织，贝氏 体用符号B表示. 根据其组织形态不 同，贝氏体又分为上贝 氏体B上和下贝氏体B下.,上贝氏体,下贝氏体,徐州工程学院工程材料,（1）上贝氏体 形成温度为550 350。在光镜下呈 羽毛状，在电镜

37、下为 不连续棒状的渗碳体 分布于自奥氏体晶界 向晶内平行生长的铁 素体条之间。,光镜,电镜,徐州工程学院工程材料,过饱和的平行条状相和夹于相条间的断续 条状Fe3C的混合物，形状如羽毛，在原奥氏体晶界形核，沿晶界一侧或两侧向晶内长大。 (1) 形成温度：中高碳钢350550；又称高温贝氏体；形成温度低，相条变薄，碳化物弥散度增大，细化晶粒。 (2) 光镜下，相呈条状或针状，少数呈椭圆状或矩形；电镜下清晰可见断续条状Fe3C分布于相条间，也可能分布在相条内。 (3) C%增加，相条增多、变薄，Fe3C量增加、变细，碳化物由粒状链珠状断续条状。,徐州工程学院工程材料,当转变温度较高550350时，

38、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 变宽，碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条 间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成B上 。,上贝氏体转变过程,徐州工程学院工程材料,首先在过冷奥氏体晶界处或晶界附近贫碳区生 成贝氏体 相晶核，并且成排地向晶粒内长大。 同时条状 相长大前沿的 C 原子不断两侧扩散 而且 相多余的 C 也将通过扩散向两侧的界面移动。由于 C 在相中的扩散速度大于在奥氏体中的扩散速度，在较低温度下，C在晶界处发富集当富集的 C浓度相当高时，在条状相间形成 Fe3C，转变为典型的上贝氏体。,徐州工程学院工程材料,（2） 下贝氏体 形成温度为350- Ms。光

39、镜呈竹叶状,光镜下,电镜下,在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内与铁素体针长轴方向呈55-60,徐州工程学院工程材料,过饱和的片状相和其内部沉淀 Fe3C 的混合物形状为针状或竹叶状。各针状物间有一定交角。碳化物细小、弥散，呈粒状和细片状排列成行，与相长轴方向成5565。 (1) 形成温度：中高碳钢350Ms； (2) 光镜下相呈暗黑色针状或片状，各针状有 一定交角；电镜下可见排列成行的粒状、片状Fe3C分布于相条内，与相长轴方向交成5560。 (3) 下贝氏体 相内含有过饱和 C 原子，其固溶 量比上贝氏体高。上贝氏体的相平行，下贝氏 体的 相有交角。,徐州工程学院工程材料,贝氏体转变属半

40、扩散型转变，只有碳原子扩散 而铁原子不扩散，晶格类型改变通过切变实现。,当转变温度较低350230时，铁素体在晶界 或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 素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。,下贝氏体转变,徐州工程学院工程材料,如果贝氏体转变温度比较低时，首先在奥氏体晶界或晶粒内部某些贫碳区形成相晶核，并按切变共格方式长大成片状或透镜状。由于转变温度较低，C原子扩散困难，较难迁移至晶界，和相共格长大的同时， C原子只能在相的某些亚晶界或晶面上沉淀为细片状碳化物，当一片 相长大时，会促发其它方向片状相形成，从而形成典型的下贝氏体。,徐州工

41、程学院工程材料,上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。下 贝氏体除了强度硬度较高外，塑性韧性较好，具 有良好的综合力学性能，常用的强化组织之一。,上贝氏体,贝氏体组织的透射电镜形貌,下贝氏体,徐州工程学院工程材料,2. 贝氏体转变过程 贝氏体转变也是形核 和长大的过程。 发生贝氏体转变时首 先在奥氏体中的贫碳区 形成铁素体晶核，其含 碳量介于奥氏体与平衡 铁素体之间，为过饱和 铁素体。,徐州工程学院工程材料,3. 钢中贝氏体的机械性能 钢中贝氏体的机械性能主要取决其显微组织形 态，即取决于 相和 Fe3C的显微组织形态。 相的显微组织形态 (1)贝氏体相中相对细晶的呈条状上贝氏体或 呈针状下贝

42、氏体比相对粗晶的呈块状粒状贝氏体 具有较高的强度和硬度。 贝氏体转变温度降低，相由块状条状针 片状。,徐州工程学院工程材料,(2)贝氏体中相晶粒(亚晶粒)越小，强度越 高，韧性越好。可以通过控制：过冷奥氏体晶 粒大小；控制冷却速度来控制相晶粒大小。 (3)与平衡状态的相对比，贝氏体中相过饱和度大，导致固溶强化引起强度增加，但塑性和韧性降低很少。 (4)贝氏体中相的亚结构为缠结位错(相变应变产生的)，而且下贝氏体比上贝氏体位错密度高，因此强度比上贝氏体高。,徐州工程学院工程材料,碳化物的显微组织形态 (1) 碳化物尺寸相同时，其含量(取决于钢的含碳量)越多，强度和硬度越高，塑性和韧性越低。 (2

43、) 成分一定时，贝氏体转变温度降低，碳化物尺寸减小，数量增加，即弥散分布，强度高韧性高，因此下贝氏体比上贝氏体性能好得多。 (3) 粒状碳化物不易产生应力集中，韧性好；上贝氏体碳化物呈断续杆状的脆性大；下贝氏体碳化物呈细片状强度高。,徐州工程学院工程材料,(三) 马氏体转变 当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织。马氏体转变是强化钢的重要途径之一。 1. 马氏体的晶体结构 碳在-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。,马氏体组织,徐州工程学院工程材料,马氏体具有体心正方晶格（a=bc）轴比c/a 称马氏体的正方度。C% 越高，正方度越大，正

44、方畸变越严重。当0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格。,徐州工程学院工程材料,马氏体是C 在-Fe 中的过饱和间隙式固溶体。具有体心立方点阵，C%极低钢 。随着C%提高，马氏体点阵常数c增大，a减小，正方度c / a增大，马氏体为C在-Fe中的过饱和固溶体。 C 原子处于Fe 原子组成的扁八面体间隙中心，此间隙在短轴方向的半径为0.19，碳原子半径为0.77，室温下C 在-Fe 中的溶解度为0.008%，但钢中马氏体的含碳量远远此数。,徐州工程学院工程材料,2. 马氏体的形态 马氏体的形态分板条和针状两类。 （1）板条马氏体 立体形态为细长的扁棒状在光镜下板条马氏体为一束束的细

45、条组织。,徐州工程学院工程材料,每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列，一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束 在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错=1012/cm2,又称位错马氏体。,徐州工程学院工程材料, 显微结构 板条马氏体的示意图， 一个原奥氏体晶粒内可以有35个马氏体板条束，图中A、B、C、D，一个板条束内又可以分成几个平行的板条块如B区域；板条块间成大角晶界，块界长尺寸方向与板条马氏体边界平行。板条单晶板条块板条束马氏体晶粒。稠密的板条单晶之间夹着高度变形、非常稳定、厚度约200的残余奥氏体。,徐州工程学院工程材料, 与 C%的关系 马氏体的显微组织随合金成分的变化而

46、改变。 C%0.3% 板条束和板条块比较清楚； 0.3%C%0.5% 板条束清楚而板条块不清楚； 0.6%C%0.8 % 无法辨认板条束和板条块，板条混杂生长，板条组织逐渐消失并向片状马氏体组织过渡。,徐州工程学院工程材料, 与奥氏体晶粒的关系。试验表明，奥氏体晶 粒越大，板条束越大，而一个原奥氏体晶粒内板 条束个数基本不变，奥氏体晶粒大小对板条宽度几乎没影响。 与冷却速度的关系。冷却速度越大，板条束和块宽同时减小，组织变细，因此提高冷却速度有利于细化马氏体晶粒。,徐州工程学院工程材料,（2）针状马氏体 立体形态为双凸透镜形的片状。组织为针状，在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。,电镜

47、下,电镜下,光镜下,徐州工程学院工程材料,常见于淬火高、中碳钢。空间形态呈凸透镜片形状，试样磨面相截在显微镜下呈针状或竹叶状，又称针状马氏体或竹叶状马氏体。 显微结构 马氏体片间相互不平行，先形成的第一片马氏体贯穿整个原奥氏体晶粒，将奥氏体晶粒分成两部分，使后形成的马氏体片大小受到限制，因此马氏体片的大小不同。,徐州工程学院工程材料, 与 C%的关系 片状马氏体的组织形态随合金成分的变化而改变。对于碳钢： C%0.3% 板条马氏体； 0.3%C%1.0% 板条马氏体和片状马氏体混合组织； 1.0%时C% 全部为片状马氏体组织。随着C%增加，残余奥氏体的含量逐渐增加。 Cr、Mo、Mn、Ni增加

48、形成孪晶马氏体倾向。,徐州工程学院工程材料, 与奥氏体晶粒的关系。奥氏体晶粒越大，马氏体片越大。 片状马氏体存在显微裂纹。,徐州工程学院工程材料,片状马氏体显微裂纹是其形成时产生的，先形成的第一片马氏体贯穿整个原奥氏体晶粒，将奥氏体晶粒分成两部分，使后形成的马氏体片大小受到限制，后形成的马氏体片不断撞击先形成的马氏体，由于马氏体形成速度极快，相互撞击，产生相当大的应力场， 另外由于片状马氏体含碳量较高，不能通过滑移或孪生等变形方式消除应力，因此片状马氏体出现显微裂纹。,出现显微裂 纹原因,徐州工程学院工程材料,值得提出的是：板条马氏体板条之间夹角很小，基本相互平行，相互撞击的几率很小，即使偶有

49、撞击，由于残余奥氏体的存在可以缓解应力，板条马氏体没有出现显微裂纹。,徐州工程学院工程材料,(3) 形态变化 主要取决于其含碳量，C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体。 C%大于1.0%C时几乎全部针状马氏体。 C%在0.21.0%之间为板条与针状的混合组织。,马氏体形态与含碳量的关系,0.45%C,0.2%C,1.2%C,徐州工程学院工程材料,45钢正常淬火组织,先形成的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒，但不能穿过晶界。后形成的马氏体片不能穿过先形成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小。,原始奥氏体晶粒细，转变后的马氏体片也细。当最大马氏体片细到光镜下无法分辨时，该马氏体称隐晶马氏体

50、。,徐州工程学院工程材料,3. 马氏体的性能 高硬度是马氏体性能的主要特点。马氏体的硬度主要取决于其含碳量，含碳量增加，其硬 度增加。,当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。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,徐州工程学院工程材料,马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。 马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构。针状马氏体脆性大，板条马氏体有较好塑性韧性。,针状马氏体,板条马氏体,马氏体的透射电镜形貌,徐州工程学院工程材料,4. 马氏体转变的特点 马氏体转是变形核和长大的过程。主要特点是： (1) 无扩散性 铁和碳原子都

51、不扩散，因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。,徐州工程学院工程材料,(2) 降温形成 马氏体转变开始的温度用Ms 表示，马氏体转变终了温度用Mf 表示。,只要温度达到Ms以下即发生马氏体转变。在Ms以下，随温度下降，转变量增加，冷却中断，转变停止。,徐州工程学院工程材料,马氏体形成温度，随着马氏体形成温度的降低马氏体的形态将按下列顺序转化：板条状蝶状透镜片状薄板状。由于马氏体转变在MsMf温度范围内进行，对于一定成分奥氏体，可能有： Ms点高(C%0.3%)的钢：板条状马氏体； Ms点略低的钢：板条状和片状混合的马氏体； Ms点更低的钢：板条状马氏体不再能形成，转变为片状马氏体； Ms点极

52、低的钢：片状马氏体不再能形成，转变为薄板状马氏体。,徐州工程学院工程材料,(3) 高速长大 马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大，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。,(4) 转变不完全 即使冷却到Mf 点也不可能获得100%的马氏体，总有部分奥氏体未能转变，而残留下来，称残余奥氏体，A 或 表示。,徐州工程学院工程材料,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,Figure 12.1

53、4 Formation of quench cracks caused by residual stresses produced during quenching. The figure illustrates the development of stresses as the austenite transforms to martensite during cooling.,徐州工程学院工程材料,Ms、Mf 与冷速无关，取决于奥氏体中的合金元素含量，包括碳含量，马氏体转变后A 量随含碳量的增加而增加，当含碳量达0.5%后，A量显著。,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,（1）奥

54、氏体连续冷却转变曲线 许多热处理工艺是在连续冷却过程中完成的， 如炉冷退火、空冷正火、水冷淬火等。连续冷却过程要先后通过各个转变温度区，可能先后发生几种转变。 冷却速度不同，可能发生的转变也不同，各种转变的相对量也不同，因而得到的组织和性能也不同。,过冷奥氏体等温转变曲线的分析,徐州工程学院工程材料,在实际生产中，热处理的冷却多采用连续冷却。过冷奥氏体连续冷却转变图对于确定热处理工艺及选材更具有实际意义。 过冷奥氏体连续冷却转变图CCT-Continuous Cooling Transformation曲线，通过测定不同冷却速度下过冷奥氏体的转变量和转变时间的关系获得。CCT反映在连续冷却条件

55、下过冷奥氏体的转变规律，分析转变产物组织与性能的依据，是制订热处理工艺的重要参考资料。,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,连续冷却C曲线与等温冷却C曲线的比较 连续冷却过程可以看成是由无数个微小的等温过程组成，在经过 每一个温度时都停留一个微小时间，连续冷却转变就是这些微小等 温过程孕育、发生和发展的。所以说等温转变是连续冷却转变的基 础。共析钢连续冷却C曲线与等温冷却C曲线的比较:, 连续冷却C 曲线位于等温C 曲线的右下方。因为连续冷却的转变温度均比等温转变的温度低一些，所以连续冷却到这个温度进行转变时，需要较长的孕育期。, 连续冷却转变是发生在一定的温度范围内，所以冷却转变获得

56、的组织是不均匀的，先转变的组织较粗，后转变的组织较细。,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,徐州工程学院工程材料,图中Ps线为过冷奥氏体转变为珠光体的开始线，Pf为转变终了线，两线之间为转变过渡区。KK线为转变的中止线，当冷却曲线碰到此线时，过冷奥氏体就中止向珠光体型组织转变，继续冷却一直保持到Ms点以下，使剩余的奥氏体转变为马氏体。,Vk称为CCT曲线的临界冷却速度，它是获得全部马氏体组织（实际还含有一小部分残余奥氏体）的最小冷却速度。,B转变线 消失？,徐州工程学院工程材料,以不同的冷却速度连续冷却时，过冷奥氏体将会转变为不同的组织。根据连续冷却曲线与CCT曲线交点的位置，可以判断

57、连续冷却转变的产物。,当冷却速度小于VK1时，连续冷却转变得到珠光体组织P；,冷却速度大于VK时，连续冷却转变得到马氏体组织M。,冷却速度大于VK1而小于VK时，连续冷却转变将得到珠光体马氏体组织P+M；,徐州工程学院工程材料,炉冷V1比较缓慢，相当于随炉冷却（退火的冷却方式），它分 别与C曲线的转变开始和转变终了线相交，这两点位于C曲线上部珠光体转变区域，转变产物为珠光体，硬度170220HBS。,徐州工程学院工程材料,空冷V2相当于在空气中冷却（正火的冷却方式），它分别与C曲线的转变开始线和转变终了线相交，位于C曲线珠光体转变区域中下部分，故可判断其转变产物为索氏体，硬度2535HRC。,

58、徐州工程学院工程材料,油冷V3相当于在油中的冷却（在油中淬火的冷却方式），与C 曲线的转变开始线相交，没有与转变终了线相交，所以仅有一部分过冷奥氏体转变为屈氏体，其余部分在冷却至Ms线以下转变为马氏体组织。因此，转变产物应是屈氏体和马氏体的混合组织，硬度4555HRC。,徐州工程学院工程材料,水冷V4相当于在水中冷却（在水中淬火的冷却方式），它不与 C曲线相交，过冷奥氏体将直接冷却至Ms以下进行马氏体转变。最 后得到马氏体和残余奥氏体组织，硬度5565HRC。,徐州工程学院工程材料,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. T

59、homson Learning is a trademark used herein under license.,Figure 12.16 The CCT diagram (solid lines) for a 1080 steel compared with the TTT diagram (dashed lines).,徐州工程学院工程材料,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,Figure 12.17 The CCT diagram for a low-al