钢的淬火和回火分析.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,#,中南大学,金属材料热处理,MSE_,材料科学与工程学院,第七章,钢的淬火和回火,（,1）,7.1,马氏体相变的基本理论,7.2,钢中的马氏体相变,7.3,钢的淬火,引言,Times of cool-weapons or hot-weapons,Performance of the quenched and/or tempered steels.,钢的淬火冷却方式及回火,辽阳三道壕出土的西汉钢剑具有神奇的高强度、高硬度，金相组织为淬火马氏体。但现代工程中，通常不直接应用,M,，一般为发挥潜力而采用再加热保温：时效,/,回火。,What is the change in microstructure?,7.1,马氏体相变的基本理论,德国冶金学家,Adolph Martens,首先在钢中观察到,M,。当钢的奥氏体以大于临界淬火速度冷却到从,M,s,点以下时，在显微镜下可看到一种针状组织，成分无变化。这种转变称,M,转变。马氏体组织可在纯金属和许多有色金属中出现。,7.1.1,马氏体相变的基本特征,1,无扩散性,:,替代式原子的移动不超过一个原子间距。间隙式可能扩散（碳扩散不是,M,转变的控制因素）。,原子协同运动，相邻关,系不变。,晶体结构变化,化学成分,不,变化,切变式位移,2,表面浮凸和形状改变,相变过程中发生宏观切应变,金相表现：,浮凸,Cu-18Zn-14Al,合金,M,相变前后,OM,3,惯习面及其不应变性,Fe0.51.4C 225,钛合金,344,孪生切变,马氏体相变有宏观应变,惯习面无宏观可测的应变,4,新、旧相之间有位向关系,K-S,关系,（,1.4%,钢）,：,111,/110,M,(101),/(110),M,N,关系（,Fe30%Ni,合金）：西山关系,111,/110,M,和,(211),/(110),M,),不变平面应变,5,马氏体内往往有亚结构,高密度位错或细微孪晶（铁基合金）,孪晶或层错（有色合金）,应变在宏观上均匀，微观不均匀。,-M,内的细微亚结构是相变时局部不均匀切应变的结果。新旧相之间的比容差异引起共格相界点阵弹性畸变和相界张应力，只依靠协调塑性变形来松弛。,6,马氏体相变的可逆性,钢中,M,+Fe,3,C,，,但碳钢中奥氏体与马氏体间的可逆反应难以观察到，因为马氏体在加热过程中易分解。有色合金中如铜合金、钛合金,SMA,中马氏体转变的可逆性易测,But for some alloys,e.g.Co-Ni alloy,the martensitic,transformation Fcchcp is irreversible.And the surface,relieves formed during forward transformation will not,disappear upon the reverse transformation.,Is the formation of relief reversible?,OM,SEM,TEM images for the,Lath martensite in 0.13wt.%C,Steel quenched from 1273K,TT,E,无,T,2,T,E,7.1.3,马氏体相变的形核,形核位置：,非均匀形核，有利形,核的位置（如,A,孪晶及晶界、变形带,的交叉处、原马氏体位置）。位置,不随意。,一种观点：,依靠冷却获得驱动力,晶体缺陷,胚芽,(,类马氏体结构,),弗兰克Frank),模型,:,非热激活,位错圈扩张,110,225,产生新位错圈,554,Ref.,：,Olson and Cohen,层错形核：,FCC to HCP in Co and Ni-,Cr stainless steel.,M,胚芽的,Frank,模型,7.1.4,马氏体相变的晶体学,1,经典理论,贝茵,(E C Bain),模型：沿一个轴适当,收缩，沿另两个轴适当膨胀。,能解释无扩散性及结构转变，但不能,解释惯习面及其不变平面应变特征。,随后发展了多个模型，但有局限！,2,马氏体相变晶体学的唯象理论,(,三过程,),Bain,关系,2),新点阵产生点阵不变的切变，以得到一个零畸变平面,.,沿,M,的,x1,方向的膨胀收缩至原始位置形成,OAB,零畸变平面。,微细区域的周期性滑移或孪生,3),马氏体点阵作刚性转动，使零畸变平面回到原始位置，以获得无畸变、不转动的平面，即惯习面,OAB,惯习面,1),母相中产生改变点阵的形变，特定结,构单位转变成马氏体点阵的晶胞。,贝茵形变，点阵变化,点阵不变应变,7.1.5,马氏体相变的动力学,变温马氏体,随着温度降低，马氏体量增加。有效晶核取决于,T,，靠长大,非热激活形核,+,非热学性界面迁移：,马氏体与基体之间的共格界面遭到破坏,不需原子扩散,自发形变引起的基体加工硬化,位错，切变，长大快,多数碳钢,多数合金钢,恒温马氏体,Ms,点以下的温度停留，马氏体数量依靠新核与长大逐渐增加。共格应变，诱发新的,M,核心形成，热激活，长大快但相变慢。,爆发型马氏体,自触发，,形成速度极快,M,等温转变动力学,爆发型,M,转变曲线,7.2,钢中的马氏体相变,7.2.1,钢中马氏体的晶体结构、组织形态和力学性能,1.,马氏体的晶体结构,M,：,碳在,-Fe,中的过饱和、间隙式固溶体。含,C,量低时为,BCC,；高时为,BCT,（有时仍保持,BCC,结构）。,还有正交或其它,M,。,C,占据,BCC,中的八面体间隙,2,马氏体的组织形态,Type 1:Lath martensite,低碳钢、,低碳合金钢、,马氏体时效钢,不锈钢,Sub-microstructure:high-,density dislocations,束内条间可能有,310nm,薄,膜,A,，在低,C,的,中可富,C,达,0.41.04%C,。可见铁原,子切变可容许,C,扩散。,Schematic structure of lath M,别名：位错,M,位错源于点阵不变切变，为相变亚结构。,OM,：,Fe-32Ni,合金,M,电镜照片,Fe-32Ni,合金中的片状,M,，,500X,Type 2:,Twin M,（片状,M,）,协调相变体积效应,协作亚结构,中脊面为中心,片边复杂的位错组列,在,M,周围有少量参余,A,OM,中片状,M,的组织示意图,影响马氏体形态的因素,含碳量,:,C%,增加,片状增多,1.0,时,全为片状马氏体,A,中含,C,量对,M,形态的影响,Lath martensite in the 2.25Cr-1Mo low alloyed steel quenched in water after austenizing.,合金元素：,Cr,、,Mo,、,Co,、,Ni%,增加,片状增加,Lenticular martensite in Fe-32%Ni alloy.,工艺参数：形成温度高,板条状；形成温度低,片状,是否与,Ms,有关？,温度对滑移与孪生临界切应力的影响,LM stands for lath martensiteTM for twin martensite,and C for carbides in Fe1.4C1.6Cr1.5Al0.35Si0.42Mn heating at 900,O,C for,30min,then quenched in water.,(Continued),heated at 900,O,C,for 60min,then quenched,There are many other types of M in various alloys,Question,?,To analyze the effect of T for austenization on M formation in different carbon steels.,3,Mechanical properties of M,(1)Strengthening:,From solid solution,间隙原子,:,非对称畸变中心,(,碳原子,),的非均匀应力场会与位错产生强烈的交互作用，因而强烈阻碍位错运动，导致强化。,马氏体中溶入替代溶质原子导致强化,From aging,碳原子在马氏体界面、孪晶界面及其他点阵缺陷处偏聚或生成,IMC,From microstructures:Sub-structures and primary A grain,高密度位错、细微孪生，且碳原子往往偏聚于位错、板条界面或,孪晶面上，阻碍位错运动。,原始,A,晶粒尺寸影响,M,的晶粒尺寸。,Fe-Ni-C,合金,M,在,0,O,C,时的流变,应力和含碳量之间的关系,(2)Plasticity and toughness,在相同强度下，板条状马氏体的塑性和韧性均优于片状马氏体（含碳量、原始晶粒大小）,含,0.17%C,与,0.35%C,的铬钢,经淬火和回火后的性能,Fe-Ni-C,合金的强度、塑性、韧性,1,：,Ms=-25,O,C;2:Ms=350,O,C,Reasoning:,a.,板条状位错易沿滑移面运动，片状晶机械孪生变形受相变孪晶制约。,b.,板条状晶中的条界和领域界阻止裂纹扩展，片状晶中的孪晶界造成位错塞积，使孪晶界产生应力集中而出现微裂纹。,c.,平行的板在长大过程中不会互相冲撞，互成一定角度的片状晶在高速长大时可能互相冲撞，产生微裂纹。,d.,板条状晶中含有高密度位错，位错处的碳原子偏聚区或优先析出的碳化物相对地比较细小、均匀。片状晶中碳原子偏聚于孪晶界，碳化物沉淀也多集中于孪晶界，在外力作用下，微裂纹易于沿孪晶界扩展。,e.,板条,M,低脆性转变温度、低缺口敏感,7.2.2,钢中马氏体相变的一些基本规律,1,马氏体相变的温度范围及其影响因素,M,s,M,f,含,C%,增大，,M,转变点下降,。,SSSS from higher C content!,C%0.8%,下降慢,合金元素，降低,M,s,（,Al,、,Co,提高,M,s,）,奥氏体化温度高,，,M,s,高,?,(Thermal Stress helps shear strain!But if the amount of defects,reduces,nucleation of M will be more difficult!),冷却速度一般很少影响,Ms,2,马氏体相变的速度,:,10,-7,s for a piece of M,3,惯习面、孪晶面和位向关系,惯习面,:,板条状,111,，,recently 557,片状,:change with alloy,e.g.0.51.4 C%225,1.51.8 C%259,For same steel,when TMs,259,changes to,225,with T increase.,片状,M,的形态会由于惯析面不同而略有差异。,孪晶面,:,片状,112,M,110,位向关系,:,K-S,关系或近,K-S,关系,4,Remained Austenite,存在原因：未转变的奥氏体,高密度位错等晶体缺陷（协作形变）,相变阻力增大（缺陷间的交互作用）,影响因素：温度、含,C,量、合金元素、冷却速度。,例如,:,上世纪,90,年代开发的高合金,超级,M,钢,Fe-0.5Mn-0.2Si-12Cr-6Ni-,2.5Mo-0.2Cu-0.05N-0.01C,中，淬火,后常含大量残余,A,.,作用：影响热处理质量,冷处理,连续冷却时,M,量随温度的变化,Fe-C,合金淬火至室温后的残余,A,量,5,奥氏体的热稳定化,概念：奥氏体在冷却过程中因等温停留而使其继续转变成马氏体时呈现迟滞现象。停留的温度可高可低,!,影响因素：间隙溶质原子,（、,N),、淬火空位、等温停留的应力弛豫，,Fe-Ni,中不出现。？慢速冷和快冷,意义,:,损害钢的性能,6,塑性变形和应力对马氏体相变的影响,(TM,d,),外加应力促进或阻碍马氏体形成,大变形，降低,M,S,，残奥氏体增多；,小变形，促进,M,形成。切应力分量！,应力诱发,A,机械稳定化 矛盾？,M,d,M,s,M,f,G,1.27C,钢的热稳定化,Relationship between stress and temperature for martensitic transformation,其它物理场也可能导致马氏体相变，,如磁致形状记忆合金中利用该种效应，,Ni-Mn-Ga,合金。,可能两种,M,（斜方，,L2,1,）,90,年代初发现。,M,转变应变分平行与垂直于惯习面的应变：多向应力是否迎合？切应力分量与惯析面取向是否一致,!,Fe-2.96Ni,在单向压应力增加，,Ms,点升高，转变时间变短,(Acta Mater.,2009),。,7.3,钢的淬火：,M,和,B,淬火,7.3.1,淬火加热温度,亚共析碳钢,A,C3,+(3050),过共析碳钢保持,Carbide,A,C1,+(3050),合金钢：均匀化，可高,T,A,C3,(A,ccm,)+(3050),亚温淬火、完全淬火,将钢加热至临界点,(A,C1,，,A,C3,),以上的一定温度、保温，后快,速冷却，使奥氏体发生,M,或,B,转变。本节介绍,M,淬火。,问题：,粗大晶粒怎么办？过共析钢还有网状,CM,怎办？,碳钢的淬火温度范围,7.3.2,淬火冷却,既要考虑获得,M,（快冷，避,免,A,稳定化），又要工件不,开裂。,临界冷却速度取决于钢中,A,的稳定性。,碳钢与合金钢？,理想淬火冷却速度,“,鼻尖,”,温度,介质水、盐水、碱水和油,理想的淬火冷却,半,M,硬度与,C,含量的关系,7.3.3,钢的淬透性,钢接受淬火,(,奥氏体转变成马氏体,),的,能力。合理选用钢材及制订热处理,工艺的依据。,淬透层深度,:,淬火钢件表面至内部马氏,体组织占,50,处的距离,.,淬透层深,=,淬透性好,对应于淬硬层深度，但,不等于淬硬性。,淬透性与过冷,A,的稳定性有关,淬硬性,:,钢在正常淬火条件下所能达到的最高硬度。直接反映于半马氏体组织的硬度。,Related to composition of steel,，,e.g.hardness of quenched carbon steel increases with C concentration,。,淬透性指数：,1.J3515,/,据淬火顶端,15mm,的硬度,35HRC,2.,临界淬透直径,意义,:,半,M,组织距淬火顶端距离,选钢材,选冷却,淬透性高的钢材,淬透性低的钢材,Jominy hardenability Test,Hardness HRc,Distance from the quenched end,末端淬火法,淬透性曲线,洛氏硬度值水冷端距离关系曲线,另,:,临界淬透直径,芯部半马氏体,几种低碳,M,钢淬的透性指标,淬透直径,钢号,热处理,临界直径,(mm),加热,T/,O,C,冷却介质,95%M,50%M,15,940,10%NaCl,6,11-13,20,900,10%NaCl,8-7,12-15,25,880,10%NaCl,7-8,14-18,20Mn,880,10%NaCl,7-9,13-16,20Cr,880,10%NaCl,12-15,28-32,15MnB,880,油,15-18,20S:MnVB,900,10%NaOH,35-40,20S:MnMoV,900,10%NaOH,40-45,20S:Mn2MoV,880,10%NaOH,160-170,在低碳钢中掺如合金元素可提高其淬透性。合金元素的作用：固溶强化、降低,Ms,点、减少自回火、增加回火抗力、提高淬透性。但应注意，过低的,Ms,点会使,M,转变困难。,7.3.4,淬火方法,(,冷却方式,),1,单液淬火,一种淬火介质，冷却至室温。,介质：水、油、空气,(,静止空气,或风,),或喷雾等,适应：碳钢水淬；合金钢油淬。,优缺点：操作简单，容易实现机,械化和自动化；缺点是淬火时钢,件内外温差大，淬火应力大，易,导致变形、开裂，故常用于形状,简单零件的淬火。,各种基本淬火冷却,2,双液淬火,先快冷至接近,Ms,点，然后立即较慢冷却。,用于高碳工具钢,降低淬火应力，减少变形和开裂，但停留时间难以掌握。,3,分级淬火,先在温度约为,Ms,点的熔盐或熔碱中等温保持一定时间，待,内外温度一致后再移置于空气,(,或油,),中冷却。,形状复杂、截面不均匀零件、尺寸较小的钢件、小型精密零,件等。,淬火应力小、变形小；但熔盐或熔碱的冷却能力较小，等温,时间受限制。,4,等温淬火：,获得下,B,组织,Question:,参照,Fe-C,相图，试分析,Fe-1.2C,钢经图示热处理后的组织变化？,T,t,900,O,C,700750,O,C,空冷,水冷,800,O,C,