第八章 钢的热处理原理.ppt

第八章 钢的热处理原理8.1 概述一、热处理的作用n热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却下来的一种热加工工艺。其工艺曲线如图所示。热处理的作用（目的）n通过热处理可以改变钢的内部组织结构，从而改善其工艺性能和使用性能，充分挖掘钢材的潜力，延长零件的使用寿命，提高产品质量，节约材料和能源。n正确的热处理工艺还可以消除钢材经铸造、锻造、焊接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，使组织和性能更加均匀。n热处理是机器零件加工工艺过程中的重要工序。n可使工作表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能。最终热处理和预备热处理n在生产工艺流程中，工件经切削加工等成形工艺而得到最终的形状和尺寸后，再进行的赋于工件所需使用性能的热处理称为最终热处理。n而将热加工后为随后冷拔、冲压和切削加工或最终热处理作好组织准备的热处理称为预备热处理。热处理的应用n热处理是一种重要的金属加工工艺，在机械制造工业中被广泛地应用着。例如：汽车、拖拉机工业中需要进行热处理的零件占70-80，机床工业中占60-70 ，而轴承及各种工模具则达100。如果把预备热处理也包括进去，几乎所有的零件都需要进行热处理。二、热处理与相图n钢之所以能进行热处理，是由于钢在固态下具有相变（溶解度显著变化或类似纯铁的同素异构转变），在固态下不发生相变的纯金属或某些合金则不能用热处理的方法强化，只能采用加工硬化（形变强化）的方法。钢的临界温度n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，但是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来进行的，而原予的迁移需要时间，没有足够的时间，转变就不能充分进行，其结果只能得到不稳定的非平衡组织（过渡型组织）。冷却速度对钢从奥氏体冷却转变的影响n缓慢冷却：珠光体P(+Fe3C）温度较高，C，Fe扩散充分，接近平衡浓度n较快冷却：贝氏体B(+Fe3C）Fe原子扩散难，C尚能扩散，相中C浓度比平衡浓度高，Fe3C的分散度大。n很快冷却（水冷淬火）：马氏体M Fe，C扩散能力极低，不能分解为+Fe3C，只能形成成分与相同的相(相）,这种C在Fe中的过饱和固溶体叫做马氏体。三 固态相变的特点n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。n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著不同的特点固态相变的特点n相变阻力大 体积变化增加应变能，扩散困难，需要更大的过冷度。n新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系n母相晶体缺陷对相变有促进作用n易出现过渡相（亚稳定相）：M，Fe3C四 固态相变的类型根据生核和长大的特点n扩散型相变：P转变n非扩散（切变）型相变：M转变n过渡型相变：B转变8.2 钢在加热时的转变n为了使钢在热处理后获得所需要的组织和性能，大多数热处理工艺都必须先将钢加热至临界温度以上，获得奥氏体组织，然后再以适当方式（或速度）冷却，以获得所需要的组织和性能。通常把钢加热获得奥氏体的转变过程称为奥氏体化过程。n加热时形成的奥氏体的化学成分、均匀性、晶粒大小以及加热后未溶入奥氏体中的碳化物、氮化物等过剩相的数量、分布状况等都对钢的冷却转变过程及转变产物的组织和性能产生重要的影响。因此，研究钢在加热时奥氏体的形成过程具有重要的意义。一、共析钢奥氏体的形成过程n 珠光体是由含碳量很高（Wc6.69）、具有复杂晶格的渗碳体和含碳量很低（0.0218）、具有体心立方晶格的铁素体组成的，要转变为含碳量介于二者之间、具有面心立方晶格的奥氏体，三者的含碳量和晶体结构都相差很大。因此，奥氏体的形成过程包括碳的扩散重新分布和铁素体向奥氏体的晶格重组。珠光体向奥氏体的转变过程n共析钢的珠光体到奥氏体的转变包括以下四个阶段：奥氏体形核、奥氏体长大、剩余渗碳体溶解和奥氏体均匀化。1 奥氏体的形核n奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成。这是因为在相界面上碳浓度分布不均匀，位错密度较高、原子排列不规则，处于能量较高的状态，容易获得奥氏体形核所需要的浓度起伏、结构起伏和能量起伏。n珠光体群边界也可能成为奥氏体的形核部位。n在快速加热时，由于过热度大，奥氏体临界晶核半径小，相变所需的浓度起伏小，这时，也可能在铁素体亚晶界上形核。C在A和F中的扩散n实验研究发现，由于奥氏体的长大速度受碳的扩散控制，并与相界面碳浓度差有关。铁素体与奥氏体相界面碳浓度差（）远小于渗碳体与奥氏体相界面上的碳浓度差（）。在平衡条件下，一份渗碳体溶解将促使几份铁素体转变。因此，铁素体向奥氏体转变的速度远比渗碳体溶解速度快得多。转变过程中珠光体中总是铁素体首先消失。当铁素体全部转变为奥氏体时，可以认为，奥氏体的长大即完成。但此时仍有部分渗碳体尚未溶解，剩余在奥氏体中。这时奥氏体的平均碳浓度低于共析成分。3 剩余渗碳体溶解n铁素体消失以后，随着保温时间延长或继续升温，剩余在奥氏体中的渗碳体通过碳原子的扩散，不断溶入奥氏体中，使奥氏体的碳浓度逐渐趋于共析成分。一旦渗碳体全部消失，这一阶段便告结束。4 奥氏体成分均匀化n当剩余渗碳体全部溶解时，奥氏体中的碳浓度仍是不均匀的。原来是渗碳体的区域碳浓度较高，继续延长保温时间或继续升温，通过碳原子的扩散，奥氏体碳浓度逐渐趋于均匀化。最后得到均匀的单相奥氏体。至此，奥氏体形成过程全部完成。亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程n亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同，当加热温度仅超过Ac1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Ac3或Accm ，并保温足够的时间，才能获得均匀的单相奥氏体。二、影响奥氏体的形成速度的因素n孕育期：共析钢加热到 以上某一温度等温，奥氏体并不是立即出现，而是需要保温一定时间才开始形成，这段时间称为孕育期，这是因为形成奥氏体晶核需要原子的扩散，而扩散需要一定的时间。随着等温温度的升高，原子扩散速度加快，孕育期缩短。n从图中还可以看出，奥氏体形成所需的时间较短，剩余渗碳体溶解所需的时间较长，而奥氏体均匀化所需时间更长。n与共析钢相比，过共析钢的碳化物溶解和奥氏体均匀化所需的时间要长得多。影响奥氏体的形成速度的因素n奥氏体的形成是通过形核和长大过程进行的，整个过程受原子扩散所控制。因此，一切影响扩散、影响形核与长大的因素都影响奥氏体的形成速度。主要因素如加热温度、原始组织和化学成分等。研究这些因素，对制订热处理工艺具有重要意义。1 加热温度，保温时间和加热速度n一方面，由于珠光体转变为奥氏体的过程是扩散相变过程，随着加热温度的升高，原子扩散系数增加，特别是碳在奥氏体中的扩散系数增加，加快了奥氏体的形核和长大速度。同时加热温度升高，奥氏体中的碳浓度梯度加大，故原子扩散速度加快。n另一方面，加热温度升高，奥氏体与珠光体的自由能差增大，相变驱动力增大，所以，随奥氏体形成温度的升高，奥氏体的形核率和长大速度急剧增加，因此，转变的孕育期和转变所需时间显著缩短，加热温度越高，转变孕育期和完成转变的时间越短。n保温时间：保温时间越长，A形成速度越快n加热速度 连续加热，加热速度越快，孕育期越短，A开始转变的温度和转变终了温度越高，转变终了所需要的时间越短。加热速度较慢，转变将在较低温度下进行。2 原始组织的影响n在化学成分相同的情况下，随原始组织中碳化物分散度的增大，不仅铁素体和渗碳体相界面增多，加大了奥氏体的形核率；而且由于珠光体片层间距减小，使奥氏体中的碳浓度梯度增大，使碳原子的扩散距离减小，这些都使奥氏体的长大速度增加。因此，钢的原始组织越细，则奥氏体的形成速度越快。3 化学成分的影响1）Cn钢中含碳量越高，奥氏体的形成速度越快。这是因为随含碳量增加，渗碳体的数量相应地增加，铁素体和渗碳体相界面的面积增加，因此增加了奥氏体形核的部位，增大奥氏体的形核率。同时，碳化物数量增加，又使碳的扩散距离减小，以及随奥氏体中含碳量增加，碳和铁原子的扩散系数将增大，从而增大奥氏体的长大速度。2）合金元素的影响n合金元素不改变奥氏体化的过程，但影响奥氏体的形成速度。一般来说，合金元素可从以下几个方面影响奥氏体的形成速度。n首先，合金元素影响了碳在奥氏体中的扩散速度，碳化物形成元素(Cr,W,Mo,V,Ti)大大减小了碳在奥氏体中的扩散速度，故显著减慢了奥氏体的形成速度。非碳化物形成元素（Co，Ni)能增加碳在奥氏体中的扩散速度，因而，加快了奥氏体的形成速度。而Al,Si,Mn等元素对碳在奥氏体中的扩散速度影响不大，故对奥氏体的形成速度无明显影响。合金元素的影响n其次，合金元素改变了钢的临界温度，故改变了奥氏体转变时的过热度，从而改变了奥氏体与珠光体的自由能差，因此改变了奥氏体的形成速度。降低A1 点的元素，如Ni,Mn,Cu等，相对增大过热度，将增大奥氏体的形成速度。提高A1 点的元素，如Cr,W,Mo,V,Si等，相对地降低过热度，将减慢奥氏体的形成速度。合金元素的影响n第三，合金元素在珠光体中分布是不均匀的，在平衡组织中，如等碳化物形成元素主要集中于共析碳化物中，而等非碳化物形成元素主要存在于共析铁素体中。碳化物完全溶解后，合金元素在钢中的分布仍是极不均匀的，因此，合金钢的奥氏体均匀化过程，除了碳在奥氏体中的均匀化外，还包括了合金元素的均匀化。但在相同条件下，合金元素在奥氏体中的扩散速度比碳的扩散速度慢103倍，甚至104倍。此外，碳化物形成元素，特别是强碳化物形成元素强烈阻碍碳的扩散。n因此，合金钢奥氏体化要比碳钢缓慢得多。所以，合金钢热处理时，加热温度要比碳钢高，保温时间也需要延长。三、奥氏体的晶粒大小及其影响因素n奥氏体的晶粒大小是评定钢加热质量的重要指标之一。奥氏体的晶粒大小对钢的冷却转变及转变产物的组织和性能都有重要的影响。因此，需要了解奥氏体晶粒度的概念及影响奥氏体晶粒度的因素。1 奥氏体的晶粒度n奥氏体的晶粒大小用晶粒度来表示。表示晶粒大小的理想方法是晶粒的平均体积、平均直径或单位体积内含有的晶粒数，但要测定这样的数据是很麻烦的。所以，目前世界各国对钢铁产品几乎统一使用与标准金相图片相比较的方法来确定晶粒度的级别。通常把晶粒度分为八级，各级晶粒度的晶粒大小如图所示。n晶粒度级别与晶粒大小有如下关系：n通常1-4级为粗晶粒，5-8级为细晶粒，8级以外的晶粒称为超粗或超细晶粒。还可定为半级奥氏体晶粒度的概念有以下三种：1)起始晶粒度。奥氏体转变刚刚完成，其晶粒边界刚刚相互接触时的奥氏体晶粒大小称为奥氏体的起始晶粒度。一般情况，起始晶粒总是十分细小均匀的。起始晶粒大小决定于形核率和长大速度，可用下式表示2)实际晶粒度n钢在某一具体的热处理或热加工条件下获得的奥氏体的实际晶粒的大小称为奥氏体的实际晶粒度。它决定于具体的加热温度和保温时间。实际晶粒一般总比起始晶粒大。实际晶粒度对钢热处理后的性能有直接影响。3）本质晶粒度n根据标准试验方法（YB27-64)在（93010）保温3-8h后测定的奥氏体晶粒大小称为本质晶粒度。如晶粒度为1-4级，称为本质粗晶粒钢，晶粒度为5-8级，则为本质细晶粒钢。n本质晶粒度表示钢在一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向性。n钢的本质晶粒度与钢的脱氧方法和化学成分有关。脱氧Al，Si，Mn；碳化物形成元素奥氏体晶粒度的标准试验方法nWc0.35-0.60的碳钢和合金钢，将试样加热到（86010），保温1h后淬入冷水或盐水中，然后测定奥氏体晶粒度。2 影响晶粒长大的因素n奥氏体晶粒长大基本上是一个奥氏体晶界迁移的过程，其实质是原子在晶界附近的扩散过程。所以一切影响原子扩散迁移的因素都能影响奥氏体晶粒长大。1）加热温度和保温时间的影响n所示。奥氏体形成后随着加热温度升，晶粒急剧长大。这是由于晶粒长大是通过原子扩散进行的，而扩散速度随温度升高呈指数关系增加。在影响奥氏体晶粒长大的诸因素中，温度的影响最显著。在一定温度下，随保温时间延长，奥氏体晶粒长大。在每一个温度下都有一个加速长大期，当奥氏体晶粒长大到一定尺寸后，继续延长保温时间，晶粒不再明显长大。2）加热速度的影响n实际生产中有时采用高温快速加热、短时保温的方法，可以获得细小的晶粒。因为加热速度越大，奥氏体转变时的过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，则奥氏体的形核率越高，起始晶粒越细。由于在高温下保温时间短，奥氏体晶粒来不及长大，因此，可以获得细晶粒组织。但是，如果在高温下长时间保温，晶粒则很容易长大。3）含碳量的影响n钢中含碳量对奥氏体晶粒长大的影响很大。含碳量在一定范围之内，随含碳量的增加，奥氏体晶粒长大的倾向增大。但是含碳量超过某一限度时，奥氏体晶粒反而变得细小。这是因为随着含碳量的增加，碳在钢中的扩散速度以及铁的自扩散速度均增加，故加速了奥氏体晶粒长大的倾向性。但是，当碳含量超过一定限度以后，钢中出现二次渗碳体，随着含碳量的增加，二次渗碳体数量增多，渗碳体可以阻碍奥氏体晶界的移动，故奥氏体晶粒反而细小。4）合金元素的影响n钢中加入适量的形成难熔化合物的合金元素，如Ti，Zr，V，Al，Nb等，强烈地阻碍奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒粗化温度升高。物，阻碍晶粒长大。其中Ti，Zr，Nb的作用显著，Al 的作用最小。不形成化合物的合金元素如Si，Ni，Cu等对奥氏体晶粒长大的影响不明显。Mn，P，C，N等元素溶入奥氏体后，削弱-Fe原子间的结合力，加速Fe原子的自扩散，从而促进奥氏体晶粒长大。5)钢的原始组织的影响n一般来说，钢的厚始组织越细，碳化物弥散度越大，则奥氏体的起始晶粒越细小。细珠光体与粗珠光体相比，总是易于获得细小而均匀的奥氏体起始晶粒度。在相向的加热条件下和球状珠光体相比，片状珠光体在加热时奥氏体晶粒易于粗化，因为片状碳化物表面积大，溶解快，奥氏体形成速度也快，奥氏体形成后较早地迸入晶粒长大阶段。n对于原始组织为非平衡组织的钢，采用快速加热，短时保温的工艺方法，或者多次快速加热冷却的方法，便可获得非常细小的实际晶粒尺寸。7.3 钢在冷却时的转变n一、概述n1 研究冷却转变的意义n钢的加热转变是为了获得均匀、细小的奥氏体晶粒。然而得到高温奥氏体组织不是最终目的。钢从奥氏体状态的冷却过程是热处理的关键工序。因为钢的性能最终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。n 钢在铸造、锻造、焊接以后，也要经历由高温到室温的冷却过程。虽然不作为一个热处理工序，但实质上也是一个冷却转变过程，正确控制这些过程，有利于减小或防止热加工缺陷。2 过冷奥氏体n如果将奥氏体状态的钢冷却到A1温度以下，由于在此温度下奥氏体的自由能比铁素体与渗碳体两相混合物的自由能高，在热力学上处于不稳定状态。因此奥氏体将发生分解，向珠光体或其它组织转变，在临界温度以下处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体。3 奥氏体的冷却方式n在热处理生产中，奥氏体的冷却方式可分为两大类：一种是等温冷却，将奥氏体状态的钢迅速冷至临界点以下某一温度保温一定时间，使奥氏体在该温度下发生组织转变，然后再冷至室温；另一种是连续冷却，将奥氏体状态 的钢以一定速度冷至室温，使奥氏体在一个温度范围内发生连续转变。后者是热处理中常见的冷却方式。两种冷却方式的比较n过冷奥氏休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。虽然这种冷却方式在生产上广泛采用，但分析起来却比较困难。主要因素是冷却速度。n钢在等温冷却的情况下，可以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。n加热也要两种方式，比较。二、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线1 过冷奥氏体等温转变曲线的建立n过冷奥氏体的转变，同加热相变一样，也是一个生核和长大过程。过冷奥氏体的转变过程和转变速度可用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。n由于过冷奥氏体在转变过程中伴随体积膨胀、磁性转变以及组织和其它性能的变化，因此可以采用膨胀法、磁性法、金相硬度法等来测定过冷奥氏体等温转变曲线。n教材以金相硬度法为例介绍共析钢过冷奥氏体等温转变曲线的建立过程。过冷奥氏体等温转变曲线的建立n将共析钢加工成10X1.5圆片状试样，并分成若干组，每组试样5-10 个。首先选一组试样加热至奥氏体化后，置于一定温度的恒温盐浴槽中冷却，停留不同时间之后，逐个取出试样，迅速淬入盐水中激冷，使尚未转变的奥氏体转变为马氏体，因此，马氏体量即未转变的过冷奥氏体量。显然，等温时间不同，转变产物量就不同。再用金相法确定在给定温度下，保持一定时间后的转变产物类型和转变量的百分数。一般将奥氏体转变量为1-3 所需的时间定为转变开始时间，而把转变量为95-98 所需的时间定为转变终了的时间。由一组试样可以测出一个等温温度下转变开始和转变终了的时间。多组试样在不同等温温度下进行试验，将各温度下的转变开始点和终了点都绘在温度 时间半对数坐标系中，并将不同温度下的转变开始点和转变终了点分别连接成曲线，就可以得到共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线。C曲线（TTT曲线）n过冷奥氏体等温转变曲线可综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下的等温转变过程：转变开始和转变终了时间、转变产物的类型以及转变量与时间、温度之间的关系等。2 过冷奥氏体等温转变曲线的分析nA1：水平虚线nMs：M转变开始温度nMf：M转变终了温度n A1和Ms线之间有两条曲线，左侧一条为过冷奥氏体转变开始线，右侧一条为过冷奥氏体转变终了线。C曲线的分区nA1线以上是奥氏体稳定区。nMs线至Mf线之间的区域为马氏体转变区，过冷奥氏体冷却至Ms线以下将发生马氏体转变。n过冷奥氏体转变开始线与转变终了线之间的区域为过冷奥氏体转变区，在该区域过冷奥氏体向珠光体或贝氏体转变。n在转变终了线右侧的区域为过冷奥氏体转变产物区。nA1线以下，Ms线以上以及纵坐标与过冷奥氏体转变开始线之间的区域为过冷奥氏体区，过冷奥氏体在该区域内不发生转变，处于亚稳定状态。孕育期，鼻子和转变时间n在A1 温度以下，过冷奥氏体转变开始线与纵坐标之间的水平距离为过冷奥氏体在该温度温度下的孕育期，孕育期的长短表示过冷奥氏体稳定性的高低。在A1温度 以下，随等温温度降低，孕育期缩短，过冷奥氏体转变速度增大，在550 左右共析钢的孕育期最短，转变速度最快。此后，随等温温度下降，孕育期又不断增加，转变速度减慢。n在孕育期最短的温度区域，曲线向左凸，俗称曲线的鼻子。n过冷奥氏体转变终了线与纵坐标之间的水平距离则表示在不同温度下转变完成所需要的总时间。转变所需的总时间随等温温度的变化规律也和孕育期的变化规律相似。为什么过冷奥氏体的孕育期和转变速度与等温温度之间具有这种变化规律呢？n这是因为过冷奥氏体的稳定性同时由两个因素控制：一个是旧相与新相之间的自由能差；另一个是原子的扩散系数。等温温度越低，过冷度越大，自由能差也越大，则加快过冷奥氏体的转变速度；但原子扩散系数却随等温温度降低而减小，从而减慢过冷奥氏体的转变速度。高温时，自由能差起主导作用；低温时，原子扩散系数起主导作用。处于“鼻尖”温度时，两个因素综合作用的结果，使转变孕育期最短，转变速度最大。三 影响过冷奥氏体等温转变曲线的因素1 含碳量的影响n贝氏体转变部分则都随含碳量的增加向右移。n另外，随奥氏体中含碳量的增加，Ms，Mf点降低。n亚共析钢过冷奥氏体等温转变曲线中的铁素体珠光体转变部分随奥氏体中含碳量的增加逐渐向右移，过共析钢中的珠光体转变线则随含碳量的增加逐渐向左移。2 合金元素的影响。n一般来说，除Co和Al（WAl2.5%)以外的所有合金元素，溶入奥氏体中都增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线向右移，并使Ms点降低。其中Mo的影响最强烈，W，Mn，Ni的影响也很明显，Si和Al的影响较小。钢中加入微量的B可以明显地提高过冷奥氏体的稳定性，但随含碳量的增加，B的作用逐渐减小。Co降低过冷奥氏体的稳定性，使C曲线向左移动。碳化物形成元素n碳化物形成元素，主要有 Cr,Mo,W,V,Ti等，溶入奥氏体中除在不同程度上降低珠光体和贝氏体的转变速度，使C曲线向右移动外，还能改变其形状。其中有些合金元素升高到珠光体转变的温度范围，降低贝氏体转变的温度范围，使珠光体和贝氏体两种转变温度范围相互分离，形成两个鼻子，其间出现了一个过冷奥氏体的稳定区。n非碳化物或弱碳化物形成元素，如Ni,Mn,Si,Cu,B等，只是不同程度地降低珠光体和贝氏体的转变速度，使过冷奥氏体等温转变曲线向右移动，但不改变其形状。n应该指出合金元素只有溶入奥氏体中才会对过冷奥氏体的转变产生重要影响。如碳化物形成元素未溶入奥氏体，不但不会增加过冷奥氏体的稳定性，反而由于存在未溶的碳化物起到非均匀晶核的作用，促进过冷奥氏体的转变，使过冷奥氏体等温转变曲线向左移。n如果钢中同时含有几种合金元素时，其综合作用比单一元素的作用要更加复杂。n碳及常见合金元素对过冷奥氏体等温转变曲线的形状、位置及Ms点的影响可用上图来概括表示。3 奥氏体状态的影响n奥氏体晶粒细小，晶界总面积增加，有利于新相的形核和原子的扩散，因此有利于先共析转变和珠光体转变，使珠光体转变线左移。但晶粒度对贝氏体转变和马氏体转变的影响不大，晶粒粗大，反而使Ms点升高，加快马氏体转变。n奥氏体的均匀程度对过冷奥氏体等温转变曲线的位置也有影响，奥氏体成分越均匀，则奥氏体越稳定，新相形核和长大过程中所需要的时间就越长，C曲线就越往右移。奥氏体状态的影响n因此，奥氏体化温度越高，保温时间越长，则形成的奥氏体晶粒越粗大，奥氏体的成分也越均匀，从而增加奥氏体的稳定性，使过冷奥氏体等温转变曲线向右移。反之，奥氏体化温度越低，保温时间越短，则奥氏体晶粒越细，未溶第二相越多，奥氏体越不稳定，使过冷奥氏体等温转变曲线向左移。4 应力和塑性变形的影响n 在奥氏体状态下承受拉应力将加速奥氏林的等温转变，而加等向压应力则会阻碍这种转变。这是因为奥氏体比体积最小，发生转变时总是伴随比体积的增大；尤其是马氏体转变更为剧烈。所以 加拉应力促进奥氏休转变。而在等向压应力下，原子迁移阻力增大，使C、Fe原子扩散和晶格改组变得困难，从而减慢奥氏体的转变。n对奥氏体进行塑性变形亦有加速奥氏体转变的作用。这是由于塑性变形使点阵畸变加剧，并使位错密度增高，有利于C和Fe原子的扩散和晶格改组。同时形变还有利于碳化物弥散质点的析出，使奥氏体中碳和合金无素贫化，因而促进奥氏体的转变。此外，由于形变会细化奥氏体晶粒，或者增加亚结构，因此，奥氏体在高温或低温进行形变也会显著影响珠光体转变速度。一般来说，形变量越大，奥氏体向珠光体转变速度越快，珠光体转变线越向左移。四 珠光体转变n珠光体转变是过冷奥氏体在临界温度A1 以下比较高的温度范围内进行的转变，共析钢约在A1550温度之间发生，又称为高温转变。珠光体转变是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的相变过程，因此珠光体转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组。由于相变在较高温度下发生，铁、碳原子都能进行扩散，所以珠光体转变是典型的扩散型相变。n按渗碳体的形态，珠光体分为片状珠光体和粒状珠光体两种。一）片状珠光体的形成、组织和性能n由FeFe3C相图可知，Wc077的奥氏体在近于平衡的缓慢冷却条件下形成的珠光体是由渗碳体和铁素体组成的片层相间的组织。在较高奥氏体化温度下形成的均匀奥氏体于A1550之间温度等温也能形成片状珠光体。1 片状珠光体的形成n片状P的形成，也是通过形核和长大两个基本过程进行的。n珠光体由铁素体和渗碳体两相组成，其形核自然包括这两相的形核过程。F和Fe3C谁会成为领先相呢？n两相都可能成为领先相。如果奥氏体很均匀，F和Fe3C的核心大多在奥氏体的晶界上形成。？n因为这些区域缺陷较多，能量较高，原子容易扩散，容易满足形核所需要的成分起伏、能量起伏和结构起伏条件。片状珠光体的形成机制n成片形成机制：早期认为，首先在奥氏体晶界上形成渗碳体核心，核刚形成时可能与奥氏体保持共格关系，为减小形核时的应变能而呈片状。n分枝形成机制：近年来，P形成层片状是渗碳体以分枝形式长大的结果。2 珠光体团和珠光体片间距n若干大致平行的铁素体和渗碳体片组成一个 珠光体领域或珠光体团，在一个奥氏体晶粒内，可形成几个珠光体团。n珠光体团中相邻的两片渗碳体（或铁素体）之间的距离称为珠光体的片间距，用S0表示，它是用来衡量珠光体组织粗细程度的一个主要指标。n珠光体片间距的大小主要取决于过冷度，即珠光体的形成温度，而与奥氏体晶粒度和均匀性无关。过冷度越大，珠光体的形成温度越低，片间距越小。共析钢珠光体片间距与过冷度之间的关系可用以下经验公式来表达。3 珠光体的分类n根据珠光体片间距大小不同，可将珠光体分为三种。n珠光体P：一般所谓的片状珠光体是指在光学显微镜下能明显分辨出铁素体和渗碳体层片状组织形态的珠光体。它的片间距大约0.6-1.0um，形成于A1-650 温度范围内。n索氏体S：如果形成温度较低，在650-600为温度范围内形成的珠光体，其片间距较小，约为0.25-0.3um ，只有在高倍的光学显微镜下才能分辨出铁素体和渗碳体的片层形态，这种片状珠光体称为索氏体。n托氏体T：如果形成温度更低，在600-550 温度范围内形成的珠光体，其片间距极细，约为0.1-0.15um，在光学显微镜下根本无法分辨其层片状特征，只有在电子显微镜下才能分辨出铁素体和渗碳体的片层形态，这种极细的珠光体称为托氏体。P、S、T的比较n无论珠光体、索氏体，还是屈氏体都属于珠光体类型的组织。它们的本质是相同的，都是铁素体和渗碳体组成的片层相间的机械混合物。它们的界限也是相对的，它们之间的差别只是片间距的大小不同而已。但是与珠光体不同，索氏体和托氏体属于奥氏体在较快速度冷却时得到的不平衡组织。4 片状珠光体的力学性能n片状珠光体的力学性能主要决定于片间距和珠光体团的直径。珠光体的片间距和珠光体团的直径对强度和塑性的影响如图所示。可以看出，珠光体团的直径和片间距越小，钢的强度和硬度越高，当片间距小于150nm时，随片间减小，钢的塑性显著增加。珠光体团和片间距的尺寸减小，相界面增多，对位错运动的阻碍增大，塑性变形抗力增大，故强度、硬度提高。片间距减小能提高塑性，这是因为渗碳体片很薄时，在外力作用下可以滑移，产生塑性变形，也可以产生弯曲。此外，片间距较小时，珠光体中的层片状渗碳体是不连续的，层片状的铁素体并未完全被渗碳体所隔离，因此，使塑性提高。如果钢中的珠光体是在连续冷却过程中形成的，则转变产物的片间距大小不等。高温形成的珠光体片间距较大，低温形成的较小。这种片间距不等的珠光体在外力作用下将引起不均匀的塑性变形，并导致应力集中，从而使钢的强度和塑性都降低。5 片状珠光体的应用n 片状珠光体组织在工业是的主要应用之一是铅浴淬火获得高强度的绳用钢丝、琴钢丝和某些弹簧钢丝。铅浴淬火可使高碳钢获得细珠光体（即索氏体）组织，再经深度冷拔，获得高强度钢丝。索氏体具有良好的冷拔性能，这是由于其片间距小，滑移可沿最短途径进行，加上渗碳体很薄（0.002um），在强烈变形时能够弹件弯曲，使塑性变形能力增强。片状珠光体经塑性变形提高钢丝强度的原因是位错密度增大和亚晶粒的细化。二）粒状珠光体的形成、组织和性能n粒状珠光体组织是渗碳体呈颗粒状分布在连续的铁素体基体中。粒状珠光体组织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形成。原始组织不同，其形成粒状珠光体的机理也不同。1 粒状珠光体的形成1）由过冷奥氏体直接形成时n钢加热时的奥氏体化程度是过冷奥氏体是否形成粒状珠光体的先决条件。如果片状珠光体、奥氏体化温度较低（略高于A1温度），形成成分不均匀的奥氏体，使奥氏体中存在大量未溶解的渗碳体和富碳微区。此时，渗碳体已不是完整的片状，而变得凹凸不平、厚薄不均，有的地方已经溶解断开。保温时，未溶渗碳体逐渐球化。然后缓冷至A1 以下，在较小的过冷度时，加热时已经形成的颗粒状渗碳体质点将成为非自发晶核，促进渗碳体的析出和长大，周围奥氏体转变为铁素体。同时，奥氏体中的富碳微区也可以成为渗碳体析出的核心。最终得到粒状珠光体组织。2）球化退火得到粒状Pn在生产上片状P或片状P网状Fe3CII可通过球化退火工艺得到粒状P。n球化退火工艺分两类：一类是利用上述原理，将钢奥氏体化，通过控制奥氏体化温度和时间，使奥氏体的碳浓度分布砂均匀或保留大量未溶渗碳体质点，并在A1以下较高温度范围内缓冷，获得粒状P；另一类是将钢加热至略低于A1温度长时间保温，得到粒状P。此时，片状P球化的驱动力是F和Fe3C之间相界面(或界面能)的减少。2 粒状珠光体的力学性能n粒状珠光体的力学性能主要取决于渗碳体颗粒的大小、形态与分布。一般来说，当钢的成分一定时，渗碳体颗粒越细，相界面越多，则钢的硬度和强度越高。碳化物越接近等轴状、分布越均匀，则钢的韧性越好。粒状珠光体和片状珠光体性能比较n在成分相同的条件下，粒状珠光体比片状珠光体的硬度稍低，但塑性较好。粒状珠光体硬度稍低的原因是由于其铁素体和渗碳体的相界面比片状珠光体少。粒状珠光体塑性好是因为铁素体连续分布，渗碳体呈颗粒状分布在铁素体基体上，对位错运动阻碍较小。n在硬度相同的条件下，粒状珠光体比片状珠光体具有良好的拉伸性能。因此，许多重要的机器零件都要通过热处理获得碳化物呈颗粒状的回火索氏体组织。n同时，粒状珠光体还具有较好的切削加工性能、冷成型性能、可再加工性能及淬火工艺性能。n含碳量越高，片状P工艺性能越差，所以高碳钢具有粒状P组织，才利于切削加工和淬火；中碳和低碳钢的冷挤压成形加工也要求具有粒状P的原始组织。三）伪共析体n由偏离共析成分的过冷奥氏体所形成的珠光体称为伪共析体或伪珠光体。n亚、过共析钢从奥氏体态冷却时的冷却速度越快，转变温度越低，则P转变之间析出的先共析铁素体或渗碳体越少，伪珠光体越多。n由亚、过共析钢的C曲 线，随着过冷度增大，析出先共析相时间缩短，先共析相量减少，P量 增多。当过冷至鼻温附 近，将直接形成全部P组织。伪珠光体的应用n 在热处理生产中，为了提高低碳钢板的强度，可采用热轧后立即水冷或喷雾冷却的方法减少先共析铁素体量，增加珠光体量。对于存在网状二次渗碳体的过共析钢，可以采用加快冷却速度的方法（如从奥氏体状态空冷），抑制先共析渗碳体的析出，从而消除网状二次渗碳体。五 马氏体转变n钢从奥氏体化状态快速冷却，抑制其扩散性分解，在较低温度下（低于Ms点）发生的转变为马氏体转变。马氏体转变属于低温转变。转变产物为马氏体组织。钢中马氏体是C在Fe中的过饱和固溶体，具有很高的强度和硬度。马氏体转变是钢件热处理强化的主要手段。由于马氏体转变发生在较低温度下，此时，铁原子和碳原子都不能进行扩散，碳在马氏体转变过程中的的晶格改组是通过切变方式完成的，因此，马氏体转变是典型的非扩散型相变。一）马氏体的晶体结构、组织和性能1 马氏体的晶体结构nM本质是C在Fe中过饱和的间隙固溶体。nM一般有两种晶体结构：体心立方：如含碳极微的低碳钢和无碳合金钢中的M体心正方：在含碳较高的钢中出现。n碳分布在体心立方晶格的c轴上，引起c轴伸长，a轴缩短，使体心立方晶格发生正方畸变。因此，马氏体具有体心正方结构。轴比c/a称为马氏体的正方度。随含碳量增加，晶格常数c增加，a略有减小，马氏体的正方度则不断增大。c，a，c/a和与钢中的含碳量呈线性关系示。合金元素对马氏体的正方度影响不大。由于马氏体的正方度取决于马氏体的含碳量，故马氏体的正方度可用来表示马氏体中碳的过饱和程度。n一般说，含碳量低于0.25 的板条马氏体的正方度很小，c/a1 ，为体心立方晶格。2 M的组织形态n研究表明，马氏体的组织形态有多种多样，其中板条马氏体和片状马氏体最为常见。1）板条状马氏体n板条马氏体是低、中碳钢及马氏体时效钢、不锈钢等铁基合金中形成的一种典型马氏体组织。图是低碳钢中的板条马氏体组织，是由许多成群的、相互平行排列的板条所组成，故称为板条马氏体。板条状马氏体n板条马氏体的空间形态是扁条状的。每个板条为一个单晶体，它们之间一般以小角晶界相间。相邻的板条之间往往存在薄壳状的残余奥氏体，残余奥氏体的含碳量较高，也很稳定，它们的存在对钢的力学性能产生有益的影响。许多相互平行的板条组成一个板条束，一个奥氏体晶粒内可以有几个板条束（通常3-5个）。采用选择性浸蚀时（如用溶液）在一个板条束内有时可以观察到若干个黑白相间的板条块，块间呈大角晶界，每个板条块由若干板条组成。图为板条马氏体显微组织构成的示意图。位错马氏体n透射电镜观察表明，板条马氏体内有大量的位错，位错密度高达 。这些位错分布不均，相互缠结，形成胞状亚结构，称为位错胞。因此板条状马氏体又称为位错马氏体。2 片状马氏体n片状马氏体是在中、高碳钢及WNi29的Fe-Ni合金中形成的一种典型马氏体组织。高碳钢中典型的片状马氏体组织见图。片状马氏体显微组织示意图片状马氏体显微组织n片状马氏体的空间形态呈双凸透镜状，由于与试样磨面相截，在光学显微镜下则呈针状或竹叶状，故又称为针状马氏体。如果试样磨面恰好与马氏体片平行相切，也可以看到马氏体的片状形态。马氏体片之间互不平行，呈一定角度分布。在原奥氏体晶粒中首先形成的马氏体片贯穿整个晶粒，但一般不穿过晶界，将奥氏体晶粒分割。以后陆续形成的马氏体片由于受到限制而越来越小，如图所示。马氏体片的周围往往存在着残余奥氏体。片状马氏体的最大尺寸取决于原始奥氏体晶粒大小，奥氏体晶粒越粗大，则马氏体片越大，当最大尺寸的马氏体片小到光学显微镜无法分辨时，便称为隐晶马氏体。在生产中正常淬火得到的马氏体，一般都是隐晶马氏体。孪晶马氏体n片状马氏体内部的亚结构主要是孪晶。孪晶间距约为5-10nm，因此片状马氏体又称为孪晶马氏体。但孪晶仅存在于马氏体片的中部，在片的边缘则为复杂的位错网络。图为片状马氏体薄膜试样在透射电镜下所观察到的组织。n在含碳量大于1.4%的钢中可以看到马氏体的中脊面，如图所示。在电子显微镜下可以看清楚，这个中脊面是密度很高的微细孪晶区。片状马氏体的显微裂纹n在电子显微镜下还可以观察到片状马氏体中存在大量的显微裂纹，如图所示。这些显微裂纹是由于马氏体高速形成时互相撞击，或马氏体与晶界撞击造成的。马氏体片越大，显微裂纹就越多。显微裂纹的存在增加了高碳钢的脆性。3）影响马氏体形态的因素n实验证明，钢的马氏体形态主要取决于马氏体的形成温度，而马氏体的形成温度又主要取决于奥氏体的化学成分，即碳和合金元素的含量。其中碳的影响最大。对碳钢来说，随着含碳量的增加，板条马氏体数量相对减少，片状马氏体的数量相对增加，奥氏体的含碳量对马氏体形态的影响如图 所示。由图可见，含碳量小于0.2%的奥氏体几乎全部形成板条马氏体，而含碳量大于1.0%的奥氏体几乎只形成片状马氏体。含碳量为0.2%-1.0%的奥氏体则形成板条马氏体和片状马氏体的混合组织。影响马氏体形态的因素n一般认为板条马氏体大多在200以上形成，而片状马氏体主要在200以下形成。含碳量为0.2-1.0的奥氏体在马氏体区较高温度先形成板条马氏体，然后在较低温度形成片状马氏体。碳浓度越高，则板条马氏体的数量越少，而片状马氏体的数量越多。n溶入奥氏体中的合金元素除Co，Al外大多数都使Ms点下降，因而都促进片状马氏体的形成。Co虽然提高Ms点，但也促进片状马氏体的形成。Cr，Mo等影响较大，Ni影响较小。n如果在Ms点以上不太高的温度下进行塑性变形，将会显著增加板条马氏体的数量。3 马氏体的性能1）力学性能A)马氏体的硬度和强度n钢中马氏体力学性能的显著 特点是具有高硬度和高强度。马氏体的硬度主要取决于马 氏体的含碳量。马氏体的硬度随含碳量的增加而升高，当含碳量达到0.6时，淬火钢硬度接近最大值，含碳量进一步增加，虽然马氏体的硬度会有所提高，但由于残余奥氏体量增加，反而使钢的硬度有所下降。合金元素对马