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热处理原理、工艺及设备热处理原理、工艺及设备Principles,TechnologyandEquipmentsfor HeatTreatment第一部分第一部分 热处理原理（热处理原理（4 4）Principlesfor HeatTreatment44 钢的马氏体转变钢的马氏体转变重点重点v马氏体转变的主要特点；马氏体转变的主要特点；v马氏体的力学性能；马氏体的力学性能；v钢及铁合金中马氏体的组织形态。钢及铁合金中马氏体的组织形态。难点难点v马氏体转变的特点；马氏体转变的特点；v影响马氏体转变的因素。影响马氏体转变的因素。44 钢的马氏体转变钢的马氏体转变44 钢的马氏体转变钢的马氏体转变4.14.1 马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构马氏体：马氏体：C在在-Fe中的过饱和间隙固溶体中的过饱和间隙固溶体。钢的成分不同，钢的成分不同，M晶体结构不同晶体结构不同vC0.01的碳钢和无碳的铁基合金，的碳钢和无碳的铁基合金，M为体心立为体心立方结构（方结构（BCC）；v0.011；vC1.4%的高碳钢，的高碳钢，M为体心斜方结构为体心斜方结构（BCP）,特点是特点是c/a1和和b/a1。M只有晶格改组而无成分变化，只有晶格改组而无成分变化，C全部固全部固溶于溶于M中；含中；含C不同，晶格常数不同。不同，晶格常数不同。4.14.1 马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构4.14.1 马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构4.14.1 马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构B.C.C.晶胞晶体间隙晶胞晶体间隙(Interstice）四面体间隙八面体间隙4.14.1 马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构种4.14.1 马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构4.14.1 马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构BCC晶体间隙间隙晶体间隙间隙4.14.1 马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构马氏体晶格模型及碳的位置马氏体晶格模型及碳的位置4.24.2 马氏体的组织形态马氏体的组织形态经淬火获得马氏体组织是钢件强韧化经淬火获得马氏体组织是钢件强韧化的重要基础，由于钢的成分及热处理条的重要基础，由于钢的成分及热处理条件不同，所获得的马氏体形态和亚结构件不同，所获得的马氏体形态和亚结构亦不同，继而对钢的组织和机械性能产亦不同，继而对钢的组织和机械性能产生影响。钢及铁合金中存在的几种典型生影响。钢及铁合金中存在的几种典型的马氏体组织：的马氏体组织：v板条马氏体板条马氏体v片状马氏体片状马氏体v其它马氏体（其它马氏体（薄板状、蝶状马氏体薄板状、蝶状马氏体）4.2.14.2.1 板条马氏体板条马氏体（高温高温M、低碳、低碳M、群集、群集M、111M）4.2.14.2.1 板条马氏体板条马氏体面称为惯析面（或惯习面）。它在相变过程面称为惯析面（或惯习面）。它在相变过程中不发生应变，也不转动。中不发生应变，也不转动。M在在一定的结晶面上形成，此结晶一定的结晶面上形成，此结晶4.2.14.2.1 板条马氏体板条马氏体4.2.14.2.1 板条马氏体板条马氏体4.2.14.2.1 板条马氏体板条马氏体4.2.14.2.1 板条马氏体板条马氏体4.2.14.2.1 板条马氏体板条马氏体4.2.24.2.2 片状马氏体片状马氏体钢钢4.2.24.2.2 片状马氏体片状马氏体低温马氏体。低温马氏体。4.2.24.2.2 片状马氏体片状马氏体4.2.24.2.2 片状马氏体片状马氏体4.2.24.2.2 片状马氏体片状马氏体4.2.34.2.3 其他马氏体形态其他马氏体形态4.2.34.2.3 其他马氏体形态其他马氏体形态4.2.34.2.3 其他马氏体形态其他马氏体形态4.2.34.2.3 其他马氏体形态其他马氏体形态4.2.44.2.4 工业用钢淬火工业用钢淬火马氏体形态马氏体形态低碳钢：低碳钢：C0.2%的低碳钢和低碳低合的低碳钢和低碳低合金钢，金钢，M基本为板条基本为板条M；中碳钢：中碳钢：45、40Cr等中碳钢，淬火后一等中碳钢，淬火后一般为板条般为板条M与针状与针状M的混合组织；的混合组织；高碳钢：高碳钢：T8、T12等高碳钢，淬火组织等高碳钢，淬火组织为未溶为未溶Fe3C质点加隐晶质点加隐晶M（隐晶隐晶M：板：板条与片状条与片状M的组成物。的组成物。）4.2.54.2.5 MM与与的结晶学位向关系的结晶学位向关系马氏体是在奥氏体一定的结晶面上形马氏体是在奥氏体一定的结晶面上形成的，此面称为成的，此面称为惯习面惯习面，它在转变过程，它在转变过程中保持不变形和不转动。它随着钢的成中保持不变形和不转动。它随着钢的成分以及马氏体的形成温度等而不同。分以及马氏体的形成温度等而不同。通过均匀切变形成的马氏体与母相奥通过均匀切变形成的马氏体与母相奥氏体直径存在严格的位向关系。在钢中氏体直径存在严格的位向关系。在钢中已经发现的位向关系有已经发现的位向关系有K-S关系关系、西山西山关系关系和和G-T关系关系。4.2.54.2.5 MM与与的结晶学位向关系的结晶学位向关系4.2.54.2.5 MM与与的结晶学位向关系的结晶学位向关系4.2.54.2.5 MM与与的结晶学位向关系的结晶学位向关系4.34.3 马氏体相变热力学马氏体相变热力学相变相变4.34.3 马氏体相变热力学马氏体相变热力学T0温度温度自由能自由能GGGGMsGAsG0马氏体和奥氏体的自由能与温度的关系马氏体和奥氏体的自由能与温度的关系4.34.3 马氏体相变热力学马氏体相变热力学4.34.3 马氏体相变热力学马氏体相变热力学4.34.3 马氏体相变热力学马氏体相变热力学4.34.3 马氏体相变热力学马氏体相变热力学4.34.3 马氏体相变热力学马氏体相变热力学4.34.3 马氏体相变热力学马氏体相变热力学4.34.3 马氏体相变热力学马氏体相变热力学4.34.3 马氏体相变热力学马氏体相变热力学4.44.4 马氏体相变动力学马氏体相变动力学4.44.4 马氏体相变动力学马氏体相变动力学4.44.4 马氏体相变动力学马氏体相变动力学4.44.4 马氏体相变动力学马氏体相变动力学4.44.4 马氏体相变动力学马氏体相变动力学-15T T4.44.4 马氏体相变动力学马氏体相变动力学4.44.4 马氏体相变动力学马氏体相变动力学4.54.5 影响影响马氏体转变点的因素马氏体转变点的因素4.54.5 影响影响马氏体转变点的因素马氏体转变点的因素4.54.5 影响影响马氏体转变点的因素马氏体转变点的因素N4.54.5 影响影响马氏体转变点的因素马氏体转变点的因素4.54.5 影响影响马氏体转变点的因素马氏体转变点的因素4.54.5 影响影响马氏体转变点的因素马氏体转变点的因素。4.54.5 影响影响马氏体转变点的因素马氏体转变点的因素4.54.5 影响影响马氏体转变点的因素马氏体转变点的因素4.54.5 影响影响马氏体转变点的因素马氏体转变点的因素；4.54.5 影响影响马氏体转变点的因素马氏体转变点的因素4.54.5 影响影响马氏体转变点的因素马氏体转变点的因素4.54.5 影响影响马氏体转变点的因素马氏体转变点的因素4.54.5 影响影响马氏体转变点的因素马氏体转变点的因素4.54.5 影响影响马氏体转变点的因素马氏体转变点的因素4.54.5 影响影响马氏体转变点的因素马氏体转变点的因素4.54.5 影响影响马氏体转变点的因素马氏体转变点的因素如图如图4-22所示，所示，S4.54.5 影响影响马氏体转变点的因素马氏体转变点的因素4.64.6 淬火钢中的残余淬火钢中的残余及其作用及其作用一、残余奥氏体的产生及其影响因素一、残余奥氏体的产生及其影响因素1、残余奥氏体的产生、残余奥氏体的产生残余奥氏体：残余奥氏体：M转变不能进行到底，即转变不能进行到底，即不可能获得不可能获得100%的的M，余下的这部分，余下的这部分未转变的奥氏体称为残余奥氏体未转变的奥氏体称为残余奥氏体(AR)。4.64.6 淬火钢中的残余淬火钢中的残余及其作用及其作用残余奥氏体产生的原因残余奥氏体产生的原因v大量大量M形成后，剩余的形成后，剩余的被分割成一块块被分割成一块块很小的区域，它们被周围的很小的区域，它们被周围的M包围而承受包围而承受巨大的各向压力，从而阻止其继续转变。巨大的各向压力，从而阻止其继续转变。v很多工业用钢的很多工业用钢的Mf点均处于室温以下，而点均处于室温以下，而通常淬火又只淬到室温为止，因而由于冷通常淬火又只淬到室温为止，因而由于冷却不充分也必然会形成一定数量的残余奥却不充分也必然会形成一定数量的残余奥氏体，占钢中氏体，占钢中AR的主要部分。的主要部分。4.64.6 淬火钢中的残余淬火钢中的残余及其作用及其作用2、残余奥氏体的影响因素、残余奥氏体的影响因素AR量主要决定于奥氏体的化学成分。量主要决定于奥氏体的化学成分。奥氏体的含碳量越高，奥氏体的含碳量越高，Ms点越低，钢淬火后点越低，钢淬火后的的AR越多；越多；合金元素和其它因素：凡降低合金元素和其它因素：凡降低Ms点的因素均点的因素均提高余提高余AR量；量；在保证得到完全淬火组织的冷速范围内，冷在保证得到完全淬火组织的冷速范围内，冷却速度越慢，却速度越慢，AR量越多（量越多（如油淬比水淬后如油淬比水淬后的的AR多多），），这是这是的的热稳定化热稳定化所造成的所造成的。4.64.6 淬火钢中的残余淬火钢中的残余及其作用及其作用Ms和和Mf与碳质量分数的关系与碳质量分数的关系4.64.6 淬火钢中的残余淬火钢中的残余及其作用及其作用C质量分数对残余质量分数对残余A的影响的影响4.64.6 淬火钢中的残余淬火钢中的残余及其作用及其作用3、残余奥氏体的减少措施、残余奥氏体的减少措施为了减少淬火至室温后钢中的为了减少淬火至室温后钢中的AR量，可量，可将其继续冷却至零下（将其继续冷却至零下（通常冷却到通常冷却到78或该钢的或该钢的Mf 点以下点以下）进行处理，即）进行处理，即冷处理冷处理。但要注意的是，冷处理必需是。但要注意的是，冷处理必需是在淬火后立即进行；在淬火后立即进行；调整钢的成分。调整钢的成分。4.64.6 淬火钢中的残余淬火钢中的残余及其作用及其作用二、奥氏体的热稳定化二、奥氏体的热稳定化1、残余奥氏体的热稳定化现象、残余奥氏体的热稳定化现象使使转变为转变为M能力减弱的一切现象，均可称能力减弱的一切现象，均可称为为的稳定化的稳定化。化学稳定化：化学稳定化：因化学成分引起因化学成分引起的稳定化；的稳定化；机械稳定化（或加工稳定化）：机械稳定化（或加工稳定化）：由于塑性变由于塑性变形而引起形而引起的稳定化；的稳定化；热稳定化热稳定化(或陈化稳定或陈化稳定):在在M形成温度范围内形成温度范围内的保温的保温(或冷却中断或冷却中断)而引起的而引起的的稳定化。的稳定化。4.64.6 淬火钢中的残余淬火钢中的残余及其作用及其作用热稳定化（或陈化稳定）热稳定化（或陈化稳定）室温下停留不同时间室温下停留不同时间的热稳定化现象的热稳定化现象4.64.6 淬火钢中的残余淬火钢中的残余及其作用及其作用热稳定化程度用热稳定化程度用热稳定化滞后温度热稳定化滞后温度表表征，表示从停止冷却的温度开始到重新征，表示从停止冷却的温度开始到重新发生发生M转变所需要降低的温度。转变所需要降低的温度。热稳定化与热稳定化与Ms点以下停留的温度和时点以下停留的温度和时间有关：间有关：v在某一温度下停留的时间越长，在某一温度下停留的时间越长，的热稳的热稳定化现象越严重，最终所得的定化现象越严重，最终所得的M越少；越少；v停留时间相同时，停留的温度越低停留时间相同时，停留的温度越低,的的热稳定化现象越严重，最终所得的热稳定化现象越严重，最终所得的M越少。越少。4.64.6 淬火钢中的残余淬火钢中的残余及其作用及其作用2、热稳定化的本质、热稳定化的本质说法一：说法一：在等温停留时，钢中间隙式固溶的在等温停留时，钢中间隙式固溶的碳原子（碳原子（N、C）与）与中的位错发生交互作用，中的位错发生交互作用，结果位错被结果位错被C原子钉扎，形成柯氏气团，因原子钉扎，形成柯氏气团，因而阻碍而阻碍M的形成。的形成。说法二：说法二：低温停留引起的应力松弛（低温停留引起的应力松弛（淬火应淬火应力或力或M形成时由应变产生的应力形成时由应变产生的应力）将使）将使M的的有效核胚消失。有效核胚消失。4.64.6 淬火钢中的残余淬火钢中的残余及其作用及其作用说法三：说法三：C原子在原子在M晶胚与晶胚与相界面上偏相界面上偏聚，阻碍晶胚发展聚，阻碍晶胚发展M的获得能力；或者的获得能力；或者C原子扩散至应变中心使核胚不易激活原子扩散至应变中心使核胚不易激活等。等。总之，母相的强化，有利于形核的缺总之，母相的强化，有利于形核的缺陷组态的改变以及形核应力的松弛，均陷组态的改变以及形核应力的松弛，均可导致可导致的热稳定化。的热稳定化。4.64.6 淬火钢中的残余淬火钢中的残余及其作用及其作用三、残余奥氏体的作用三、残余奥氏体的作用1、有益作用、有益作用与硬脆的与硬脆的M共存时，有减震作用，可提高冷共存时，有减震作用，可提高冷模钢与低温用钢的韧性；模钢与低温用钢的韧性；在交变应力作用下，可提高轴承钢的疲劳强在交变应力作用下，可提高轴承钢的疲劳强度；度；可防止齿轮的齿面发生点腐蚀可防止齿轮的齿面发生点腐蚀(1025)；淬火钢中保留约淬火钢中保留约15%AR，虽降低硬度，但可，虽降低硬度，但可提高钢的韧性与塑性。提高钢的韧性与塑性。4.64.6 淬火钢中的残余淬火钢中的残余及其作用及其作用2、有害作用、有害作用软而粘软而粘,耐磨性差耐磨性差,降低耐磨损件的寿降低耐磨损件的寿命命;不稳定，易产生时效变形与时效开裂；不稳定，易产生时效变形与时效开裂；易产生磨削裂纹；易产生磨削裂纹；易转变为易转变为M而提高脆性；而提高脆性；降低淬火硬度与工具钢的疲劳强度；降低淬火硬度与工具钢的疲劳强度；降低硬磁钢的磁感强度。降低硬磁钢的磁感强度。4.74.7 马氏体转变的特征马氏体转变的特征非扩散型转变非扩散型转变M转变时，过冷度很大，温度很低，转变时，过冷度很大，温度很低，C、Fe的活动能力很低。由的活动能力很低。由FCC到到BCC点阵的重构是由点阵的重构是由Fe原子沿原子沿A的一定晶面，的一定晶面，集体的、有规律的、近程的迁动所完成集体的、有规律的、近程的迁动所完成的。原来与母相相邻的两个原子转变后的。原来与母相相邻的两个原子转变后仍然相邻，他们之间的相对位移不超过仍然相邻，他们之间的相对位移不超过一个原子间距。一个原子间距。C原子原地不动，过饱原子原地不动，过饱和地留在新组成的晶胞中。和地留在新组成的晶胞中。4.74.7 马氏体转变的特征马氏体转变的特征M晶胞与母相晶胞与母相A的关系的关系M的晶格示意图的晶格示意图4.74.7 马氏体转变的特征马氏体转变的特征形成速度很快形成速度很快：A冷却到冷却到Ms点以下后，瞬点以下后，瞬时转变为马氏体。随着温度下降，过冷时转变为马氏体。随着温度下降，过冷A不不断转变为马氏体，是一个断转变为马氏体，是一个连续冷却的转变过连续冷却的转变过程程。例如：在。例如：在20195之间，每片之间，每片M形形成的时间约为成的时间约为510-5510-7S，故不能观察，故不能观察到到M形成的过程。形成的过程。转变不彻底，总留有残余转变不彻底，总留有残余A：残余奥氏体残余奥氏体的含量与的含量与Ms、Mf的位置有关。奥氏体中的碳的位置有关。奥氏体中的碳含量越高，则含量越高，则Ms、Mf越低，残余越低，残余A含量越高。含量越高。W(C)0.6%时，残余时，残余A可忽略；可忽略；W(C)0.6%时，转变产物中要标出残余时，转变产物中要标出残余A。4.74.7 马氏体转变的特征马氏体转变的特征体积膨胀体积膨胀：过冷：过冷AM时，晶格由时，晶格由FCC改改组为组为BCC，体积发生膨胀，在钢中造成很大，体积发生膨胀，在钢中造成很大的内应力，严重时导致开裂。的内应力，严重时导致开裂。化学成分不变化学成分不变：过冷过冷AM时，时，只发生点只发生点阵结构的变化，母相阵结构的变化，母相A与新相与新相M具有完全相具有完全相同的化学成分。同的化学成分。切变共格性切变共格性：新旧相之间共一个切变平面：新旧相之间共一个切变平面新旧相之间具有一定的位向关系新旧相之间具有一定的位向关系。需要很大的过冷度（需要很大的过冷度（几百几百）。）。4.74.7 马氏体转变的特征马氏体转变的特征M转变在一个温度范围内进行转变在一个温度范围内进行：一般的工：一般的工业用钢及合金钢，业用钢及合金钢，M转变是连续冷却（即变转变是连续冷却（即变温）过程中进行的，到温）过程中进行的，到Ms以下才能发生以下才能发生M转转变，一直到变，一直到Mf转变停止，故是一个温度范围转变停止，故是一个温度范围内的转变。内的转变。具有可逆性具有可逆性：某些铁合金和有色金属中，：某些铁合金和有色金属中，冷却时，过冷冷却时，过冷AM，加热时，加热时，MA；而；而一般碳钢中，加热时不发生一般碳钢中，加热时不发生MA，而是分，而是分解为铁素体和碳化物。解为铁素体和碳化物。1111应力对应力对M转变有很大的影响。转变有很大的影响。4.84.8 马氏体的性能特点马氏体的性能特点一、一、M的硬度与强度的硬度与强度M是钢中最强、最是钢中最强、最硬的组织。硬的组织。碳质量碳质量分数越高，分数越高，M硬度硬度越高。越高。4.84.8 马氏体的性能特点马氏体的性能特点马氏体强化原因马氏体强化原因v由于过饱和的碳间隙式固溶而造成的固溶由于过饱和的碳间隙式固溶而造成的固溶强化强化（合金元素也有一定的固溶强化作用）（合金元素也有一定的固溶强化作用）。固溶的固溶的C原子越多，强化作用越大；原子越多，强化作用越大；v由于一般钢的由于一般钢的Ms点均在室温以上，所以点均在室温以上，所以钢在淬火过程中、室温停留期间以及外力钢在淬火过程中、室温停留期间以及外力作用下，都将发生作用下，都将发生“自回火自回火”过程而导致过程而导致钢的沉淀强化或时效硬化钢的沉淀强化或时效硬化（包括（包括C原子沿原子沿晶格缺陷的偏聚以及碳化物的弥散析出）；晶格缺陷的偏聚以及碳化物的弥散析出）；4.84.8 马氏体的性能特点马氏体的性能特点vM转变过程中所产生的亚结构引起的强转变过程中所产生的亚结构引起的强化：化：如如M中存在的高密度位错以及微细中存在的高密度位错以及微细孪晶等，由于它们对位错运动的阻碍作孪晶等，由于它们对位错运动的阻碍作用，对用，对M的强化有较明显的影响；的强化有较明显的影响；vM晶体（晶体（原奥氏体晶粒原奥氏体晶粒）尺寸对其强度）尺寸对其强度也有影响，也有影响，M晶体尺寸越小晶体尺寸越小（或原奥氏（或原奥氏体晶粒约小）体晶粒约小），强度越高。，强度越高。4.84.8 马氏体的性能特点马氏体的性能特点二、二、M的塑性和韧性的塑性和韧性马氏体的塑性和韧性与其碳含量（或马氏体的塑性和韧性与其碳含量（或形态）密切相关。形态）密切相关。v高碳马氏体高碳马氏体：由于过饱和度大、内应力高：由于过饱和度大、内应力高和存在孪晶结构，并容易形成显微裂纹，和存在孪晶结构，并容易形成显微裂纹，所以硬而脆，塑性、韧性极差，但晶粒细所以硬而脆，塑性、韧性极差，但晶粒细化得到的隐晶马氏体却有一定的韧性。化得到的隐晶马氏体却有一定的韧性。v低碳马氏体低碳马氏体：由于过饱和度小，内应力低：由于过饱和度小，内应力低和存在位错亚结构，则不仅强度高，塑性、和存在位错亚结构，则不仅强度高，塑性、韧性也较好。韧性也较好。4.84.8 马氏体的性能特点马氏体的性能特点高碳高碳M中的显微裂纹中的显微裂纹4.84.8 马氏体的性能特点马氏体的性能特点三、马氏体的物理性能三、马氏体的物理性能马氏体的比容比奥氏体大，当奥氏体转马氏体的比容比奥氏体大，当奥氏体转变为马氏体时，体积会膨胀。变为马氏体时，体积会膨胀。马氏体是铁磁相，在磁场中呈磁性；奥马氏体是铁磁相，在磁场中呈磁性；奥氏体为顺磁相，在磁场中无磁性。氏体为顺磁相，在磁场中无磁性。马氏体晶格畸变严重，因此电阻率高。马氏体晶格畸变严重，因此电阻率高。4.84.8 马氏体的性能特点马氏体的性能特点钢中的钢中的C含量与比容的关系含量与比容的关系