钢的热处理原理.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,主要参考文献,1,、夏立芳主编，金属热处理工艺学。哈尔滨工业大学出版社。,2,、哈尔滨工业大学,崔忠圻,主编,.,金属学与热处理,.,机械工业出版社,.1995.,3,、谭家骏,.,金属材料及热处理专业知识解答。国防工业出版社。,TG1-44/2,第三章 钢的热处理原理,3.1,概述,3.2,钢在加热时的转变,3.3,钢在冷却时的转变,3.1,概述,一、热处理的作用,1,、,热处理,：热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却下来的一种热加工工艺（如图,3-1,）,。,图,3-1,热处理工艺曲线示意图,2,、热处理的目的：,改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能。通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。,热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省材料和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命，做到一个顶几个、顶十几个。,3,、热处理的作用,恰当的热处理工艺可以,消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使钢的组织和性能更加均匀,。,热处理也是机器零件加工工艺过程的重要工序。,例如用高速钢制造钻头，必须先经过预备热处迎，改善锻件毛坯组织、降低硬度（达,207255HB,），这佯才能进行切削加工。加工后的成品钻头又必须进行最终热处理，提高钻头的硬度,(,达到,HRC6065,),和耐磨性并进行精磨，以切削其它金属。,此外，通过,热处理还可使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能,。,钢经热处理后性能之所以发生如此重大的变化，是由于经过不同的加热和冷却过程，钢的内部组织结构发生了变化。因此要制定正确的热处理工艺规范，保证热处理质量，必须了解钢在不同,加热,和,冷却,条件下的组织变化规律。,钢中组织转变的规律，就是热处理的原理,。,4.,热处理,的分类,热处理的种类是由金属在加热冷却过程中,组织结构的不同变化来决定,。按应用特点，常用的热处理工艺大致可分为：,（,1,）,普通热处理,：退火、正火、淬火、回火等；,（,2,）,化学热处理,：渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗金属（如,Al,、,Si,、,Cr,）等；,（,3,）,特种热处理,：表面热处理、真空热处理、形变热处理、时效等。,二、热处理与相图,钢为什么可以进行热处理,?,是不是所有金属材料都能进行热处理呢,?,这个问题与合金相图有关。,原则,上只有在加热或冷却时发生,溶解度显著变化,或者发生类似纯铁的,同素异构转变,，即,有固态相变发生的合金才能进行热处理,。,纯金属、某些单相合金等不能用热处理强化，只能采用加工硬化的方法。,在图,3-2a,相图,中，位于,F,点以左的合金,，在固态加热或冷却过程中均无相变发生，因此,不能进行热处理,。,（,a,）（,b,）,图,3-2,合金相图,成分在,FF,之间的合金,加热时可使过剩相,全部溶解，形成均匀的,相,；冷却时过剩相,在,相中的溶解度又会发生显著变化。如果合金从,相状态快速冷却，会得到过饱和的,固溶体，随后再加热时，过剩相,又会从,固溶体中析出。因此该成分的合金在加热或冷却时将全部,参与热处理过程,。,成分位于,D,点以右的合金,，有部分,相残留未溶解，这部分组织,不参与热处理过程,。,如果相图,3-2a,中的溶解度曲线变成垂直线,DF,，表示,溶解度不随温度而变化,，那么所有合金在固态下均无相变发生，,因此不能进行热处理,。,在图,3-2b,所示的一类相图中，所有合金在常温下的组织均由（,+,）,相组成。半加热至共析温度以上时，,和,相将全部转变为,固溶体，随后在冷却过程中通过共析转变温度，,相又会发生相变重结晶过程。因此,这类合金可以进行热处理,。,以,F e-Fe,3,C,相图为例说明钢的固态转变,。,共析钢加热至,Fe-Fe,3,C,相图,PSK,线,(A,1,线,),以上全部转变为奥氏体，亚、过共折钢则必须加热到,GS,线,(As,线,),和,ES,线,(Acm,线,),以上才能获得单相奥氏体。钢从奥氏体状态缓慢冷却至,A,1,线以下，将,发生共析转变，形成珠光体,。而在通过,A,3,线或,Acm,线时，则分别从奥氏体中析出过剩相铁素体和渗碳体。,因为钢具有共析转变这一重要特性,，象纯铁具有同素异构转变一样，碳钢在加热或冷却过程中越过上述临界点就要发生固态相变，所以能进行热处理。,Fe-Fe,3,C,相图,F e-Fe,3,C,相图,实际上钢进行热处理时其组织转变并不按铁碳相图上所示的平衡温度进行，通常都有不同程度的滞后现象。即,实际转变温度要偏离平衡的临界温度,。加热或冷却速度越快，则滞后现象越严重。,图,3-3,加热与冷却速度为,0.125/min,时,对临界点,A,1,、,A,3,和,Acm,的影响,常把加热时的临界温度标以“,c”,如,Ac,1,，,Ac,3,，,Ac,cm,常把冷却时的临界温度标以“,r”,如,Ar,1,，,Ar,3,，,Ar,cm,虽然铁碳相图对研究钢的相变和制定热处理工艺有重要参考价值，但对钢进行热处理时不仅要考虑,温度因素,，还必须考虑,时间,和,速度,的重要影响。,因为,所有的固态转变过程都是通过原子的迁移进行的,，而原子的迁移需要时间，没有足够的时间，转变就不能充分进行，其结果将得不到稳定的平衡组织，而只能得到不稳定的过渡型组织。,例如，钢从奥氏体状态以不同速度冷却时，将形成不同的转变产物，获得不同的组织和性能。,冷却速度比很慢，产物为珠光体,P,；,冷却速度比较快，产物为贝氏体,B,；,冷却速度比很快，产物为马氏体,M,。,三、固态相变的特点,金属固态相变与液态结晶相比，有一些规律是相同的。例如，,相变的驱动力,都是新、旧两相之间的,自由能差,；相变都包含,形核,和,长大,两个基本过程。,但是，固态相变是由固相转变为固相，新相和母相都是晶体，因此又与结晶有着显若不同的特点。,1.,相变阻力大,固态相变时，由于新、旧两相,比容不同,，,母相,转变为新相时要产生体积变化，或者由于新、旧两相相界面不匹配而,引起弹性畸变,。故新相必然受到母相的约束，不能自由胀缩而,产生应变,。,此外，固态相变时,原子,的,扩散,更为,困难,，这是固态相变阻力大的又一个原因。,2.,新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系,固态相变时，为了,减小,新、旧两相之间的,界面能,，新相与母相晶体之间往往存在一定的晶体学位向关系。,3.,母相晶体缺陷对相变起促进作用,母相中各种,晶体缺陷,，如晶界、相界、位借、空位等各种点、线、面缺陷,对相变,有明显的,促进作用,。新相晶核往往优先在这些缺陷处形成。,这是由于,在缺陷周围晶格有,畸变,，,自由能较高,，因此,容易,在这些区域首先,形成晶核,。实验表明，母相晶粒越细，晶界越多，晶内缺陷越多，则转变速度越快。,4.,易于出现过渡相,过渡相是一种亚稳定相，其成分和结构界于新相和母相之间。,因固态相变阻力大，原子扩散困难，尤其当转变温度较低，新、旧相成分相差很远对，难以形成稳定相。,过渡相是为了克服相变阻力而形成的一种协调性中间转变产物。,上述固态相变的特点都是由固态介质区别于液态介质的一些基本特性决定的。,固态转变过程表现出的这些特征都受控于下述的基本规律，即,固态转变一方面力求使自由能尽可能降低，另一方面又力求沿着阻力最小、做功最少的途径进行,。,四、固态相变的类型,无论是液态金属结晶，还是固态金属各种类型的相变都是通过,生核,和,长大,两个基本过程,进行的。,根据固态相变过程中生核和长大的特点，可将固态相变分为三类。,第一类是扩散型相变。,在这类相变过程中，新相的生核和长大,主要依靠原子进行长距离的扩散,，或者说，相变是依靠,相界面的扩散移动,而进行的。,相界面是非共格的,。,珠光体转变和奥氏体转变等都属于这一类相变,。,第二类是非扩散型相变，或切变型相变,。,在这类相变过程中，,新相的成长,不是通过扩散，,而是通过类似塑性变形过程中的滑移和孪生那样，产生切变和转动而进行的,。,在相变过程中，旧相小的原子有规则地、集体地循序转移到新相中，,相界面是共格的,，转变前后各原子间的相邻关系不发生变化，化学成分也不发生变化。,马氏体转变就属于这种类型的相变。,第三类是介于上述两类转变之间的一种过渡型相变。,这类相变接近于马氏体转变，铁素体晶格改组是按照切变机构进行的，同时在相变过程中还伴着碳原子的扩散。,贝氏体转变就属于这种类型的相变,。,3.2,钢在加热时的转变,热处理通常是由,加热,、,保温,和,冷却,三个阶段组成的。,大多数热处理过程，首先必须把钢加热到奥氏体状态，然后以适当的方式冷却以获得所期望的组织和性能。,奥氏体化,：通常把钢加热获得奥氏体的转变过程称为“奥氏体”化。,加热时形成奥氏体的,化学成分,、,均匀化程度,及,晶粒大小,直接影响钢冷却后的组织和性能。,因此，研究钢在加热时的组织转变规律，控制和改进加热规范以改变钢在高温下的组织状态，对于充分挖掘钢材性能潜力、保证热处理产品质量有重要意义。,一、共析钢奥氏体的形成过程,若共析钢的原始组织为片状珠光体，当加热至,Ac,1,以上温度时,，,珠光体转变为奥氏体,。,这种转变可用下式表示,：,这一过程是由碳的质量分数很高、具有正交晶格的,渗碳体和,碳的质量分数很低、具有体心立方晶格的,铁素体转变为,碳的质量分数介于二者之间、具有面心立方晶格的,奥氏体,。,因此，奥氏体的形成过程就是铁晶格的改组和铁、碳原子的扩散过程。通常,将这一过程以及奥氏体在冷却时的转变过程称做“相变重结晶”,。,奥氏体的形成由下列四个基本过程组成：,奥氏体形核,、,奥氏体长大,、,剩余渗碳体溶解,和,奥氏体成分均匀化（,见图,3-4,所示）。,图,3-4,共析钢中奥氏体形成过程示意图,1.,奥氏体的形核,将钢加热到,Ac,1,以上某一温度,保温时，珠光体处于不稳定状态，通常首先在,铁素体和渗碳体相界面,上,形成奥氏体晶核,。,这是由于铁素体和渗碳体相界面上碳浓度分布不均匀，原子排列不规则，易于产生,浓度和结构起伏区,，为奥氏体形核创造了有利条件。珠光体群边界也可成为奥氏体的形核部位。在快速加热时，由于过热度大，也可以在铁素体亚晶边界上成核。,某些研究者认为，当过热度很大或在超快速加热条件下，,的,晶格改组是,在存有共格界条件下的,切变机构,。碳原子从渗碳体扩散进入按切变机构形成的片状,相区域中，使这些区域成为能长大的奥氏体晶核。,2.,奥氏体的长大,奥氏体晶核形成以后即开始长大。,晶粒长大是通过,渗碳体的溶解,、,碳在奥氏体和铁素体中的扩散,和,铁素体继续向奥氏体转变,而进行的，其长大机制示于图,3-5,。,图,3-5,共析钢奥氏体晶核长大示意图,（,a,）奥氏体相界面推移示意图,（,b,）在,t,1,温度下奥氏体形核时各相的碳浓度,碳,在奥氏体中扩散,的同时，碳,在铁素体中也进行着扩散,(,见图,3-5a,),，这是,由于,分别与渗碳体和奥氏体相接触的铁素体两个相界面之间也存在着,碳浓度,差,C,-C,-C,-,，,扩散的结果也使与奥氏体相接触的铁素体碳浓度升高，促使铁素体向奥氏体转变，从而也能,促进奥氏体长大,。,实验表明，由于铁素体与奥氏体相界面上的浓度,差,(C,-,-,C,-,),远小于渗碳体与奥氏体相界面上的浓度,差,(C,Fe3C,-C,-,C,),，,使铁素体向奥氏体的转变速度比渗碳体溶解的速度快得多。因此,珠光体中的铁素体总是首先消失,。,当铁素体一且全部转变为奥氏体时，可以认为珠光体向奥氏体的转变基本完成，但是仍有部分剩余渗碳体尚未溶解，说明奥氏体化过程仍在继续。,3.,剩余渗碳体的溶解,铁素体消失后,，在,t,1,温度下,继续保温或继续加热时，随着碳在奥氏体中继续扩散，剩余渗碳体不断向奥氏体中溶解。,4.,奥氏体成分的均匀化,当渗碳体刚全部溶入奥氏体后，奥氏体内碳浓度仍是不均匀的,，原来是渗碳体的地方碳浓度较高，而原来是铁素体的地方碳浓度较低，,只有经过长时间的保温或继续加热，让碳原子进行充分地扩散才能获得成分均匀的奥氏体,。,当奥氏体化温度不高，但保温时间足够长时，可获得极细小而又均匀的奥氏体晶粒。,亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共折钢基本相同。,但是加热温度仅,超过,Ac,1,时,，只能使原始组织中的珠光体转变为奥氏体，仍保留一部分先共析铁素体或先共析渗碳体。只有当加热温度超过,Ac,3,或,Ac,cm,并保温足够时间后，才能获得均匀的单相奥氏体。,二、影响奥氏体形成速度的因素,奥氏体的形成,是通过形核与长大过程进行的，整个过程,受原子扩散所控制,。,因此，凡是影响扩散、影响形核与长大的一切因素，都会影响奥氏体的形成速度。,1.,加热温度和保温时间,奥氏体等温形成图,：将研究的钢试样迅速加热到,Ac,1,以上各个不同,的温度保温，记录各个温度下珠光体向奥氏体转变开始、铁素体消失、渗碳体全部溶解和奥氏体成分均匀化所需要的时间,，绘制在转变温度和时间坐标图上即可得到（见图,3-6,）,。,图,3-6,共析钢奥氏体等温形成图,孕育期：,在,Ac,1,以上,温度保温时，奥氏体并不立即出现，而是保温一段时间后才开始形成，这段时间称为孕育期。,这是由于,形成奥氏体晶核需要原子的扩散,，而,扩散需要,一定的,时间,。,随着,温度升高,，原子扩散速率加快，,相变,驱动力,增加,，奥氏体形核率和长大速度增大，转变的,孕育期,和,转变完成时间,缩短,。,加热温度越高，转变的孕育期和完成转变的时间越短，即奥氏体的形成速率越快。,在诸多因素中，,温度的作用最为显著,。,2.,原始组织的影响,钢的原始组织为片状珠光体时，铁索体和渗碳体组织越细，它们的,相界面越多,，则,形成奥氏体的晶核越多,，晶核,长大速度越快,，因此可加速奥氏体的形成过程。,若预先经球化处理，使原始组织为渗碳体为球状，因铁素体和渗碳体的,相界面减少,，则,将减慢,奥氏体的,形成速度,。,如共析钢的原始组织为淬火马氏体、正火索氏体等非平衡组织时，则等温奥氏休化,曲线如图,3-7,所示,。,时间,/s,图,3-7,不同原始组织共析钢等温奥氏体曲线,1,-,淬火态,2-,正火态,3-,球化态,由图可见，奥氏体化最快的是原为淬火状态的钢，其次是正火状态的钢，最慢的是球化退火状态的钢。,这是因为,淬火状态的钢,在,A,1,点,以上升温过程中已经分解为微细化状珠光体，,组织最弥散,，,相界面最多,，有利于奥氏体的形核与长大，所以,转变最快,。,正火态的纲片状珠光体共相界面也很多，所以转变也很快。,球化退火态的粒状珠光体，其,相界面最少,，因此,奥氏体化最慢,。,近年来,研究,低、中碳合金钢非平衡组织加热相变的,结果表明,，,采用淬火马氏体、回火马氏体、贝氏体等原始组织，不但加速奥氏体化过程，而且改变形成奥氏体的相形态,。,若将淬火态组织以较快速度加热到较高温度转变时，可以全部形成颗粒状奥氏体，而且形核率很高，可以得到较平衡态组织加热时更细小的奥氏体晶粒。如果反复进行这种处理，可以得到,超细化的奥氏体晶粒,，从而显著,改善钢的机械性能,。,3.,化学成分的影响,（,1,）,碳,：钢中的含碳量越高，奥氏体形成速度越快。,这是因为钢中的含碳量越高，原始组织中渗碳体数量越多，从而,增加了,铁素体和渗碳体的,相界面,，使奥氏体的,形核率增大,。此外，碳的质量分数增加又使碳在奥氏体中的,扩散速度增大,，从而,增大奥氏体长大速度,。,（,2,）,合金元素,Me,合金元素影响碳在奥氏体中的扩散。,A,：,Co,、,Ni,提高碳在,中的扩散；,B,：,Si,、,Al,、,Mn,等影响不大；,C,：,Cr,、,Mo,、,W,、,V,等碳化物形成元,素显著减低,碳在,中的扩散。,Me,在铁素体和碳化物中分布不均匀,合金元素在,中的扩散比,C,小得多，合金钢的奥氏体均匀化时间比碳钢长得多。,三、奥氏体晶粒大小及其影响因素,钢在加热后形成的,奥氏体组织,，特别是奥氏体,晶粒大小,对冷却转变后钢的,组织和性能有着重 要的影响,。,一般奥氏体,晶粒越细小,，钢热处理后,强度越高，塑性越好，冲击则性越高,。,奥氏体化温度过高或保温时间过长，奥氏体,晶粒长大,，显著,降低,钢的,冲击韧性、减小裂纹扩展功,和,提高脆性转折温度,。此外，晶粒粗大的钢,淬火时变形和开裂倾向增大,。,1.,奥氏体,晶粒度,奥氏体晶粒度是衡量晶粒大小的尺度。,奥氏体晶粒大小常以单位面积内晶粒的数目或以每个晶粒的平均面积与平均直径描述。,晶粒度级别,N,与,晶粒大小关系：,n=2,N-1,n,表示放大,100,时每平方英寸（,6.45cm,2,）视野,中观察到的平均晶粒数。,为了研究钢在热处理时奥氏体晶粒度的变化，必须弄清,三种不同晶粒度的概念,。,起始晶粒度,：,钢在临界温度以上奥氏体形成刚结束，其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。,本质晶粒度,：,表示钢在一定条件下奥氏体晶粗长大的倾向性。,标准,试验法,(YB27-64,),，即将钢加热,到,930,，,保温,28h,后测定其,晶粒大小。如晶粒度在,14,级，称为本质细晶粒钢,，如在,58,级，则称为本质粗晶粒钢,。,时间,t/,图,3-8,奥氏体晶粒长大示意图,实际晶粒度,：,指钢在某一具体热处理加热条件下所获得的奥氏体晶粒大小。,显然,的实际晶粒尺寸要比起始晶粒大。,实际晶粒度与钢件具体的热处理条件有关。,2.,影响,奥氏体晶粒大小的因素,加热温度和保温时间的影响,加热速度的影响,钢的化学成分的影响,钢的原始组织的影响,加热温度和保温时间的影响,加热温度越高，保温时间越长，则奥氏体晶粒越粗大。,图,3-9,加热温度和保温时间对,晶粒大小的影响,C,=0.48%,Mn,=0.82%,的钢,加热速度的影响,加热速度越快，过热度越大，,奥氏体的实际形成温度越高，形核率和长大速度越大，则,的起始晶粒越细小。,图,3-10,加热速度对,晶粒大小的影响,a40,钢，,b 10,钢,钢的化学成分的影响,在一定的含碳量范围内，随着奥氏体中碳的含量的增加，由于碳在奥氏体中和铁中的自扩散速度增大，晶粒长大倾向增加。但当含碳量超过一定量以后，碳能以末溶碳化物的形式存在，奥氏体晶粒长大受到第二相的阻碍作用，反使奥氏体晶粒长大倾向减小。,若用铝脱氧或在钢中加入适量,的,Ti,、,V,、,Zr,、,Nb,等,强碳化物,形成元素,时，可以得到本质细晶粒钢，,减小奥氏体晶粒长大倾向,。,钢的原始组织的影响,钢的原始组织越细，碳化物弥散程度越大，奥氏体的起始晶粒越细小，,细的珠光体比粗易于获得均匀细小的奥氏体起始晶粒。,相同加热条件下，与球状珠光体相比，片状珠光体加热时奥氏体晶粒易于粗化,。,3.3,钢在冷却时的转变,一、概述,钢的最终性能是,取决于奥氏体冷却转变后的组织,。,因此，研究不同冷却条件下钢中奥氏体组织的转变规律，对于正确制定钢的热处理冷却工艺、获得预期的性能具有重要的实际意义。,在热处理生产中，钢在奥氏体化后通常有两种冷却方式：,连续冷却,等温冷却,图,3-11,过冷奥氏体在连续冷却时的转变是在一个温度范围内发生的，其过冷度是不断变化的。因而可以,获得,粗细不同或类型不同的,混合组织,。这种冷却方式在生产上广泛采用，但分析起来却比较困难。,钢等温冷却时可控制温度和时间这两个因素，分别研究温度和时间对过冷奥氏体转变的影响，从而有助于弄清过冷奥氏体的,转变过程及转变产物的组织和性能,，并能方便地测定过冷奥氏体等温转变曲线。,二、共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线,过冷奥氏体在,临界温度,A,1,点以下,冷却时，由于,过冷度不同,，将,转变为不同类型的组织,，可能分解为珠光体、贝氏体、马氏体。,那么，共析钢从奥氏体状态冷却至,A,1,点以下不同温度值时,将得到什么样的,转变产物,，转变的过程和速度又怎样呢？,过冷奥氏体的转变是一个,生核,和,长大,过程。这个过程发生的时间，可用所谓,等温转变动力学曲线,，即转变量和转变时间的关系曲线来描述。,该转变动力学曲线可以反映过冷奥氏体的,转变过程,和,转变速度,。,由于过冷奥氏体在转变过程中有体积膨胀和磁性转变，有组织和性能的变化，因此，可以用膨胀法、磁性法和金相,硬度法等多种方法显示出过冷奥氏体恒温转变过程。,现以金相,硬度法为例，测定共析钢恒温转变动力学曲线。,图,3-12,共析钢过冷,奥氏体等温转变曲线的建立,根据显微观察、定量分析和硬度测定，即可确定过冷奥氏休,在,A,1,点以下,不同温度保温不同时间时，转变产物类型及转变的体积分数。,过冷奥氏体等温转变图,C-,曲线即,TTT,图或,IT,图。,过冷奥氏体连续转变图,CT,图或,CCT,图。用于表示在不同温度下产物转变量与时间关系。,研究表明，根据转变温度和转变产物不同，共析钢,曲线由上至下可分为,三个区,：,A,1,550,：珠光体转变区,550 Ms,：贝氏体转变区,MsM,f,：马氏体,转变区,珠光体转变是在不大过冷度的高温阶段发生的，属于扩散型相变；,马氏体转变是在很大过冷的低温阶段发生的，属于非扩散型相交；,贝氏体转变是中温区间的转变，属于半扩以型转变。,孕育期的长短表示,过冷奥氏体稳定性,的高低。,由,-,曲线可知，共析钢约在,550,左右孕育期最短，表示过冷奥氏体最不稳定，转变速度最快,，称,-,曲线的“鼻子”。,过冷奥氏体具有这种特征是由于过冷奥氏体转变速度与形核率和生长速度有关，而,形核率和生长速度又取决于过冷度,。,临界冷却速度,：将和,C-,曲线,鼻子相切的奥氏体冷却速度定义为,临界冷却速度。,当实际冷却速度小于临界冷却速度时，过冷奥氏体将发生扩散型分解，形成珠光体等类型的组织。,三、影响过冷奥氏体等温转变的因素,（,1,）奥氏体成分的影响,含碳量,合金元素,（,2,）奥氏体状态的影响,（,3,）应力和塑性变形的影响,（,1,）奥氏体成分的影响,含碳量,：随,含碳量越高,马氏体转变为温度,Ms,越低。,亚共析钢,C-,曲线右移，过冷,稳定性增大,过共析钢,C-,曲线左移，过冷,稳定性减小,合金元素,总的来说，除,Co,和,Al,（,Al%2.5%,）以外的合金元素，当其溶入奥氏体中后，都增大过冷奥氏体的稳定性，使,C-,曲线右移。,（,2,）奥氏体,状态的影响,主要与钢的,原始组织,和,奥氏体化条件,有关。,原始组织,影响奥氏体的均匀性，从而影响奥氏体的等温转变。而且原始组织越细，单位体积内晶界越多，使奥氏体分解时形核率增大，降低,稳定性，使,C-,曲线左移。,奥氏体化温度,和,保温时间,对奥氏体晶粒大小和成分均匀性有很大的影响。奥化温度越高，保温时间越长，晶粒越粗大，成份越均匀，提高,的稳定性，使,C-,曲线右移。,（,3,）应力和塑性变形的影响,承受,拉应力,将加速奥氏体的等温转变，承受压应力则阻碍份分解。这是因为,奥氏体的比容最小，转变时比容总是增大,，尤其是马氏体转变时更为剧烈；而压应力下原子迁移困难，,使,C,、,Fe,扩散和晶格改组困难,。,塑性变形,也加速奥氏体转变。因塑变使,点阵畸变,加剧并使,位错密度增高,，有利于,C,、,Fe,原子的扩散和晶格改组。同时还利于碳化物弥散质点的析出使,奥氏体中,C,和,Me,的贫化，促进奥氏体的转变。,四、珠光体的转变,过冷奥氏体在,A,1,550,温度区间的转变产物为珠光体。属于扩散型转变。,根据,奥化温度,和,程度,不同，过冷奥氏体可以形成,片状,和,粒状,珠光体。它们的形成条件、组织和性能均不同。,珠光体形成片状结构是因为渗碳体以分枝形式长大的结果,。,由单个珠光体领域发展并占据一个区域近似球状的为珠光体球团。,图,3-13,渗碳体分枝长大的情况,a,渗碳体分枝的金相照片,b,渗碳体分枝长大示意图,图,3-14,珠光体,球团示意图,图,3-15,珠光体片间距示意图,按片层间距不同可将珠光体分为珠光体,(P),、索氏体,(S),、屈氏体,(T),。它们无本质区别，也无严格限制：,P,较粗，片距较大；,S,较细，,T,最细，片间距最小。,片间距不同对钢的性能有重要影响：间距约小，相界面越大，对位错运动的阻碍越大，强度和硬度越高。,珠光体,P,：,A,1,650 HB170-200,折,HRC15-20 1000,屈氏体,T,：,600550 HRC35-40 2000,(a),珠光体,(b),索氏体,(c),屈氏体,图,3-16,片状珠光体组织形态,图,3-17,珠光体,的片间距与硬度关系,图,3-18,粒状珠光体组织,500,图,3-19,五、马氏体转变,钢从奥氏体状态快速冷却，在较低温度下发生的无扩散型相变叫做,马氏体转变,。,马氏体相变是,强化金属,的重要手段之一。,钢在淬火时发生强化和硬化是由于形成了马氏体。,1,、马氏体的形成条件,马氏体是高温奥氏体快速冷却，在,抑制其,扩散性分解的条件下形成的,。,（,1,）过冷奥氏体必须以,大于临界淬火速度,的速度,冷却，以,避免发发生奥氏体向珠光体,和贝氏体转变,。,（,2,）过冷奥氏体必须过冷却到,一定温度,Ms,点以下,才能开始发生马氏体转变，这是,由马氏体转变的,热力学条件决定,的。,图,3-20,马氏体和,奥氏体的自由能与温度关系,G,马氏体转变的,化学推动力,系统自由能变化,马氏体转变时除了形成新的界面而增加,界面能,外，还增加了生成新相时界面滑动所消耗的,弹性能,，,而弹性能很大，是,M,转变的主要阻力,。为了补偿界面能和弹性能的增加，须有足够的,T,，使奥氏体过冷到,Ms,以下，使,2.,马氏体的晶体结构、组织和性能,（,1,）马氏体的晶体结构,马氏体是碳在,-Fe,中,过饱和的间隙固溶体,。,在平衡状态下，,20,时,-Fe,中,C,0,.00218%,，而在快冷下，由于,Fe,、,C,原子失去扩散能力，,M,中的含,C,量与,A,中的相同，可达,2,.11%,。,马氏体一般有,两种类型的结构,：,体心立方,：,含,C,低的低碳钢或无,C,合金的,M,体心正方,：,含,C,高的高碳钢中的,M,正方度用于表示,M,中碳的过饱和度。,图,3-21,马氏体的体心正方晶格示意图,此外，在复杂的铁基合金中，低温下可能形成其他晶体结构的马氏体，例如六方晶格的,-,马氏体，原子呈菱面体排列的,-,马氏体，以及具有反常轴比的马氏体，其他的正方度,c/a,与含碳的关系不符合上述关系。,图,3-22,马氏体的点阵常数与含碳量的关系,（,2,）马氏体的组织形态,由于钢的种类、化学成分及热处理条件不同，淬火马氏体的组织形态及精细结构多种多样，,基本的形态有两种,，即,板条状马氏体,和,片状马氏体,。,板条状马氏体,板条状马氏体是在低、中碳钢、马氏体时效钢、不锈钢等铁合金中形成的一种典型的马氏体组织。,板条马氏体又称为,位错马氏体,。（位错密度达,0.30.9 10,12,cm,-2,）,图,3-23,C,=0.2%,的钢的马氏体组织,1000,图,3-24,板条马氏体显微组织示意图,图,3-25,板条马氏体的薄膜透射组织,15000,图,3-25,板条马氏体中的位错胞,36000,片状马氏体,高碳钢（,C,0.6%,），,Ni,30%,的不锈钢及一些有色金属和合金中淬火时常出现片状马氏体组织。,片状马氏体又称为,孪晶马氏体,。（片状马氏体中心部位有大量的微细孪晶，,易于腐蚀，称中脊线；边缘区有高密度的位错,）,图,3-26,高碳马氏体的典型组织,500,图,3-27,高碳型片状马氏体组织示意图,图,3-28,片状马氏体的电镜组织,图,3-29,片状马氏体亚结构示意图,奥氏体向马氏体转变时形成板条,M,还是片状,M,主要取决于转变的温度,T,，而转变温度主要取决于奥氏体的,化学成分,（,C,和,Me,的含量），其中,含碳量的影响最大,。,当,C,1.0%,的则形成片状马氏体；,0,.2%,C,1.0%,的则形成混合组织。,钢中加入,合金元素,会改变形成马氏体的形态。如,Cr,、,Mo,、,Ni,（降低,Ms,）和,Co,（升高,Ms,）都,加剧形成孪晶马氏体的倾向,。,（,3,）马氏体的性能,显著的特点是具有,高硬度,和,高强度,。,马氏体的硬度主要,取决于含碳量,。,硬度随,C,的增加而增高,。,当,C,0.4%,碳素钢，,在贝氏体较高温度范围内（,600350,）形成,上贝氏体,B,上,在贝氏体较低温度范围内（,350,Ms,）形成,下贝氏体,B,下,高碳钢贝氏体的典型特征呈,羽毛状,。,图,3-35,上贝氏体的显微组织,a,）,B,上,金相显微组织（羽毛状）,b,）,B,上,透射电镜组织,4000,图,3-36,下贝氏体显微组织,a,）,B,下,光学显微组织,b,）,B,下,电子显微镜组织,2.,贝氏体的性能,主要取决于其组织形态。组织形态与温度有关。,B,上,形成温度较高，铁素体晶粒和碳化物颗粒较粗大，他们的分布有明显方向性。,B,下,形成温度较低，铁素体细小而均匀分布，其内有沉淀析出细小、多量且弥散的,-,碳化物，故位错密度高。,图,3-37,等温转变温度对共析钢机械性能的影响,近年来，在,一些低碳钢、中碳合金钢中还发现一种粒状贝氏体。其形成温度一般在,B,上,形成温度以上和,Bs,以下的温度范围内，,组织特征是在大块或针状铁素体内分布一些颗粒状小岛,。,一般来说，,随着贝氏体形成温度的降低,，贝氏体中铁素体晶粒变细、含碳量变高，而渗碳体尺寸减小，数量增多，形态也从断续杆状或层片状向细片状变化，故,强度和硬度增加,。,图,3-38 25Cr2MoV,钢颗粒状贝氏体,1000,3.,贝氏体,转变的特点,（,1,）转变,是一个形核与长大过程,（,2,）转变是按马氏体转变机构进行的,（,3,）贝氏体中碳化物的分布与温度有关,图,3-39,贝氏体转变示意图,a,）无碳化物贝氏体,b,）上贝氏体,c,）下贝氏体,本章小结,重点是固态相变过程及其特点,温度对组织形态和性能的影响,提高材料性能的方法,材料化学成分对温度要求与组织、性能的影响,