钢的热处理原理与马氏体相变强化上教学文案.ppt

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1、钢的热处理原理与马氏体钢的热处理原理与马氏体相变强化上相变强化上热处理定义 钢钢的的热热处处理理是是将将钢钢在在固固态态下下加加热热到到预预定定温温度度，保保温温一一定定时时间间，然然后后以以预预定定方方式式冷冷却却到室温的热加工工艺。到室温的热加工工艺。第第5 5章章 钢的热处理与马氏体相变强化钢的热处理与马氏体相变强化第第5 5章章 钢的热处理与马氏体相变强化钢的热处理与马氏体相变强化5.1 钢钢的的热处热处理原理理原理5.2 钢钢的的热处热处理工理工艺艺5.1 钢钢的的热处热处理原理理原理5.1 钢钢的的热处热处理原理理原理5.1.1 钢钢在加在加热时热时的的组织转变组织转变5.1.2

2、钢钢的的过过冷奥氏体冷奥氏体转变转变曲曲线线5.1.3 钢钢的珠光体的珠光体转变转变5.1.6 钢钢的回火的回火转变转变及及时时效效5.1.1 碳碳钢钢在加在加热时热时的的组织转变组织转变5.1.4 钢钢的的马马氏体氏体转变转变5.1.5 钢钢的的贝贝氏体氏体转变转变5.1.7 钢钢的淬透性和淬硬性的淬透性和淬硬性9408208607807407009001.01.21.40.80.60.40.2Wc/%T/A A1 1A AcmcmA A3 3G GS S1.1.钢的临界点钢的临界点A Ac1c1 加热时珠光体向奥氏体加热时珠光体向奥氏体 开始转变温度开始转变温度A Ar1r1 冷却时奥氏体

3、向珠光体冷却时奥氏体向珠光体 开始转变温度开始转变温度A Ac3c3 加热时先共析铁素体全加热时先共析铁素体全 部溶入奥氏体的终了温度部溶入奥氏体的终了温度A Ar3r3 冷却时奥氏体开始析出冷却时奥氏体开始析出 先共析铁素体的温度先共析铁素体的温度A Accmccm 加热时加热时Fe3CII全部溶入全部溶入 奥氏体的终了温度奥氏体的终了温度A Arcmrcm 冷却时奥氏体开始析出冷却时奥氏体开始析出 Fe3CII的温度的温度5.1.1 碳碳钢钢在加在加热时热时的的组织转变组织转变A Ar1r1A Ac1c1A Arc1rc1A AccmccmA Ac3c3A Ar3r32.奥氏体形成时的热力

4、学条件奥氏体形成时的热力学条件奥氏体形成时的总自由能变化为：奥氏体形成时的总自由能变化为：GP-TT0（727）T1温度温度/GAGP自自由由能能G G GV V新相与母相体积自由能差新相与母相体积自由能差 G GS S形成形成A所增加的界面能所增加的界面能 G Ge e相变阻力（高温时值很小）相变阻力（高温时值很小）5.1.1 碳碳钢钢在加在加热时热时的的组织转变组织转变3.奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程5.1.1 碳碳钢钢在加在加热时热时的的组织转变组织转变3.奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程5.1.1 碳碳钢钢在加在加热时热时的的组织转变组织转变4.4.奥氏体的形成速度及影响因素奥氏体

5、的形成速度及影响因素1）加热温度的影响）加热温度的影响a加热温度加热温度T升高，促进扩散过程，升高，促进扩散过程，A形成速度增加；形成速度增加；b加加热热温温度度T升升高高，P和和A两两相相自自由由能能差差变变大大，相相变变驱驱动动力增加，力增加，A形核率和长大速度都急剧增加。形核率和长大速度都急剧增加。2）原始组织的影响）原始组织的影响原始组织越细，原始组织越细，A形核率越大，形核率越大，A形成速度越快；形成速度越快；3）化学成分的影响）化学成分的影响钢钢中中含含碳碳量量越越高高，A形形成成速速度度越越快快；合合金金元元素素不不改改变变奥奥氏氏体化过程，但影响体化过程，但影响A形成速度。形成

6、速度。5.1.1 碳碳钢钢在加在加热时热时的的组织转变组织转变14级级粗晶粒粗晶粒1 1）奥氏体的晶粒度表示方法）奥氏体的晶粒度表示方法5 5.奥氏体的晶粒度及影响因素奥氏体的晶粒度及影响因素 奥氏体的晶粒大小用晶粒度表示，世界各国对钢产品统一奥氏体的晶粒大小用晶粒度表示，世界各国对钢产品统一使用与标准金相图片相比较的方法来确定晶粒度级别。通常使用与标准金相图片相比较的方法来确定晶粒度级别。通常将晶粒度分为八级：将晶粒度分为八级：58级级细晶粒细晶粒起始晶粒度起始晶粒度实际晶粒度实际晶粒度本质晶粒度本质晶粒度A转转变变刚刚刚刚完完成成，即即A晶晶粒粒边边界界刚刚刚刚相相互互接接触触时时的的晶晶

7、粒粒大大小小。一一般般起起始始晶晶粒粒比比较较细细小小，它它取取决于形核率决于形核率N和长大速度和长大速度G：n0=1.01(N/G)1/2钢在某一具体的热处理或热加工条钢在某一具体的热处理或热加工条件下获得的奥氏体实际晶粒大小。件下获得的奥氏体实际晶粒大小。它决定于具体的加热温度和保温时它决定于具体的加热温度和保温时间，一般比起始晶粒大，对钢热处间，一般比起始晶粒大，对钢热处理后的性能有直接影响。理后的性能有直接影响。根根据据标标准准试试验验方方法法（YB27-64），在在930 10下下保保温温38h后后测测定定的的奥奥氏氏体体晶晶粒粒大大小小。如如果果晶晶粒粒度度为为14级级则则称称为为

8、本本质质粗粗晶晶粒粒钢钢，如如果果晶晶粒粒度度为为58级级则则称称为为本本质质细细晶晶粒粒钢钢。本本质质晶晶粒粒度度表表示示钢钢在在一一定定条条件件下下A晶粒长大倾向性。晶粒长大倾向性。2 2）奥氏体的晶粒度概念）奥氏体的晶粒度概念5 5.奥氏体的晶粒度及影响因素奥氏体的晶粒度及影响因素3 3）影响奥氏体晶粒长大的因素）影响奥氏体晶粒长大的因素加热温度加热温度保温时间保温时间 加热速度加热速度 化学成分化学成分加热温度对A体晶粒度影响最为显著，随着温度升高，晶粒急剧长大；在一定温度下，随着保温时间延长，A晶粒长大，但到一定程度后，延长保温时间晶粒不再明显长大。加加热热速速度度越越大大，A转转变

9、变的的过过热热度度越越大大，形形核核率率越越高高，起起始始晶晶粒粒越越细细。如如果果保保温温时时间间较较短短，则则晶晶粒粒来来不不及及长长大大。如如果果高高温温下下延延长保温时间，晶粒很容易长大。长保温时间，晶粒很容易长大。含碳量的影响：含碳量的影响：在在一一定定含含量量之之内内，随随着着C含含量量增增加加，A晶晶粒粒长长大大倾倾向向增增大大，但但当当含含碳碳量量超超过过某某一一限限度度时时，A晶粒反而变得细小。晶粒反而变得细小。合金元素的影响：合金元素的影响：钢钢种种加加入入适适量量的的形形成成难难熔熔化化合合物物的的元元素素，如如Ti、Zr、V、Al、Nb、Ta等等，可可强强烈烈阻阻止止A

10、晶粒长大，使晶粒长大，使A晶粒粗化温度提高。晶粒粗化温度提高。钢钢种种加加入入不不生生成成化化合合物物的的元元素素，如如Si、Ni、Cu等，对等，对A晶粒长大的影响不明显。晶粒长大的影响不明显。Mn、P、N等等元元素素溶溶入入A后后，削削弱弱-Fe原原子子结结合力，加速合力，加速Fe原子扩散，促进原子扩散，促进A晶粒长大。晶粒长大。5 5.奥氏体的晶粒度及影响因素奥氏体的晶粒度及影响因素过冷奥氏体的过冷奥氏体的冷却方式冷却方式等温冷却等温冷却连续冷却连续冷却过冷奥氏体过冷奥氏体 在临界温度在临界温度A1以下处于不稳定状态的奥氏体以下处于不稳定状态的奥氏体5.1.2 钢钢的的过过冷奥氏体冷奥氏体

11、转变转变曲曲线线1 1）曲线的建立）曲线的建立1.1.过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体等温转变曲线5.1.2 钢钢的的过过冷奥氏体冷奥氏体转变转变曲曲线线A1：表示钢的临界点，即表示钢的临界点，即A与与P的平衡温度；的平衡温度；Ms：马氏体转变开始温度；马氏体转变开始温度；Mf：马氏体转变终了温度；马氏体转变终了温度；两条两条C曲线：左为过冷曲线：左为过冷A转变开始线，右为过冷转变开始线，右为过冷A转变终了线转变终了线A1线线以以上上为为A稳稳定定区区，MsMf之之间间为为M转转变变区区，两两条条C曲曲线线之之间间的的区域为过冷区域为过冷A转变区，在该区域内过冷转变区，在该区域内过冷A向珠光体

12、或贝氏体转变。向珠光体或贝氏体转变。C曲线左侧曲线左侧A1和和Ms之间为过冷之间为过冷A区，表明过冷区，表明过冷A转变需要孕育期。转变需要孕育期。孕育期孕育期在在A1温度以下，过冷奥氏体转变开始线与纵坐标之间温度以下，过冷奥氏体转变开始线与纵坐标之间的水平距离称为过冷奥氏体在该温度下的孕育期，其长短表示过冷的水平距离称为过冷奥氏体在该温度下的孕育期，其长短表示过冷奥氏体稳定性的高低。在孕育期最短的温度区域，奥氏体稳定性的高低。在孕育期最短的温度区域，C曲线左凸，俗称曲线左凸，俗称C曲线的鼻子，它是两相间体积自由能差与原子扩散系数综合作用的曲线的鼻子，它是两相间体积自由能差与原子扩散系数综合作用

13、的结果。结果。2）TTT曲曲线线分析分析1.1.过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体等温转变曲线a含碳量的影响含碳量的影响对对于于亚亚共共析析钢钢和和过过共共析析钢钢，过过冷冷奥奥氏氏体体转转变变开开始始线线前前多多一一条条先先共共析析相相析析出线。出线。亚亚共共析析钢钢过过冷冷奥奥氏氏体体等等温温转转变变曲曲线线中中的的F-P转转变变部部分分随随着着A中中含含C量量增增加加逐逐渐渐右右移移；而而过过共共析析钢钢中中的的Fe3C-P转转变变部部分分则则随随A中中含含C量量的的增增加加而而逐逐渐渐左左移。移。随着过冷随着过冷A中碳含量增加，中碳含量增加，B转变右移，转变右移，Ms和和Mf降低。降低。

14、4545 T10T103）影响）影响TTT曲曲线线的因素的因素b合金元素的影响合金元素的影响一一般般除除Co、Al外外，所所有有合合金金元元素素溶溶入入A中中都都使使C曲曲线线右右移移，过过冷冷A稳稳定定性增加，并使性增加，并使Ms点降低。点降低。c奥氏体状态的影响奥氏体状态的影响A晶晶粒粒越越细细小小，则则晶晶界界总总面面积积越越大大，有有利利于于新新相相形形核核和和原原子子扩扩散散，使使P转变线左移，但对转变线左移，但对B转变转变 不大。不大。过冷过冷A晶粒越粗大使晶粒越粗大使Ms点升高，加快点升高，加快M转变。转变。过冷过冷A成分越均匀，稳定性越高，相变孕育期越长。成分越均匀，稳定性越高

15、，相变孕育期越长。3）影响）影响TTT曲曲线线的因素的因素1）曲）曲线线的建立的建立2.过过冷奥氏体冷奥氏体连续转变连续转变曲曲线线5.1.2 钢钢的的过过冷奥氏体冷奥氏体转变转变曲曲线线2）曲）曲线线分析分析2.过过冷奥氏体冷奥氏体连续转变连续转变曲曲线线PP+MM下临界下临界冷却速度冷却速度上临界上临界冷却速度冷却速度共共析析钢钢过过冷冷A连连续续冷冷却却转转变变曲曲线线最最简简单单，它它包包括括过过冷冷A转变开始、转变终了和转变终止三条线转变开始、转变终了和转变终止三条线在冷却速度较慢时，只发生在冷却速度较慢时，只发生P转变，最终得到转变，最终得到100%P。在在中中等等冷冷却却速速度度

16、下下，在在转转变变开开始始线线上上开开始始得得到到P，在在终终止止线线后后珠珠光光体体转转变变不不再再进进行行，剩剩余余A在在Ms点点以以下下发发生生M转转变，室温下得到（变，室温下得到（P+M）组织。组织。Vk表表示示过过冷冷奥奥氏氏体体在在连连续续冷冷却却过过程程中中不不发发生生分分解解，全全部部冷冷至至Ms以以下下发发生生M转转变变的的最最小小冷冷却却速速度度，称称为为上上临临界冷却速度或临界淬火速度。界冷却速度或临界淬火速度。Vk表表示示过过冷冷A全全部部得得到到P的的最最大大冷冷却却速速度度，称称为为下下临界冷却速度。临界冷却速度。片状，奥氏体分解片状，奥氏体分解珠珠光光体体形形态态

17、珠珠光光体体（P）是是铁铁素素体体（F）和和渗渗碳碳体体（Fe3C）两两相相的的机机械械混混合物，按组织形态可分为片状珠光体和粒状珠光体两种。合物，按组织形态可分为片状珠光体和粒状珠光体两种。粒状，调制处理或者球化退火粒状，调制处理或者球化退火5.1.3 钢钢的珠光体的珠光体转变转变片片状状珠珠光光体体珠珠光光体体片片间间距距约约为为450150nm，形形成成于于A1650范范围围内内，在在光光学学显显微微镜镜下下可可清清晰晰地地分辨出铁素体和渗碳体层片状组织。分辨出铁素体和渗碳体层片状组织。索索氏氏体体片片间间距距约约为为15080nm，形形成成于于650600范范围围内内，只只有有在在80

18、0倍倍以以上上的的光光学学显显微微镜镜下下观观察察才才能能分分辨辨出出铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体层层片状组织。片状组织。屈屈氏氏体体片片间间距距约约为为8030nm，形形成成于于600550范范围围内内，在在光光学学显显微微镜镜下下已已经经很很难分辨出铁素体和渗碳体层片状组织。难分辨出铁素体和渗碳体层片状组织。5.1.3 钢钢的珠光体的珠光体转变转变珠光体团直径及片间距对共析钢强度的影响珠光体团直径及片间距对共析钢强度的影响 片状珠光体性能片状珠光体性能珠光体团直径及片间距对共析钢塑性的影响珠光体团直径及片间距对共析钢塑性的影响 共析钢强度和韧性随形成温度的变化关系共析钢强度和韧性随形成温度

19、的变化关系颗颗粒粒状状珠珠光光体体颗颗粒粒状状珠珠光光体体是是铁铁素素体体基基体体上上分分布布着着粒粒状状渗渗碳碳体体的的组组织织，它它在在工工业业用用高高碳碳钢钢中中经经常常遇遇到到。粒粒状状珠珠光光体体一般是经球化退火或淬火后经中、高温回火得到。一般是经球化退火或淬火后经中、高温回火得到。5.1.3 钢钢的珠光体的珠光体转变转变颗粒状珠光体的力学性能：颗粒状珠光体的力学性能：1）粒粒状状珠珠光光体体的的力力学学性性能能主主要要取取决决于于渗渗碳碳体体颗颗粒粒的的大大小小、形形态态和和分分布布。Fe3C颗颗粒粒越越细细，相相界界越越多多，则则钢钢的的强强度度、硬硬度度越越高高；碳碳化化物物越

20、越接接近近于于等等轴轴状状、分分布布越越均匀，则钢的韧性越好。均匀，则钢的韧性越好。2）在在成成分分相相同同的的条条件件下下，粒粒状状珠珠光光体体比比片片状状珠珠光光体体硬度稍低，但塑性较好。硬度稍低，但塑性较好。3）在在硬硬度度相相同同的的情情况况下下，粒粒状状珠珠光光体体比比片片状状珠珠光光体体具有良好的拉伸性能。具有良好的拉伸性能。5.1.3 钢钢的珠光体的珠光体转变转变颗颗粒粒状状珠珠光光体体1）片状珠光体）片状珠光体珠珠光光体体转转变变是是扩扩散散型型相相变变，包包括括形形核核和和晶晶核核长长大大两两个个基基本本过过程程。铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体都都可可作作为为领领先先相相在在奥

21、奥氏氏体体晶晶界界形形核核，然后通过扩散过程长大。然后通过扩散过程长大。3.珠光体的形成珠光体的形成过过程程2）颗粒状珠光体）颗粒状珠光体对对于于过过冷冷奥奥氏氏体体直直接接分分解解形形成成的的粒粒状状珠珠光光体体，是是由由于于A转转变变时时温温度度低低，A有有部部分分未未溶溶解解的的渗渗碳碳体体，在在保保温温过过程程中中这这部部分分渗渗碳碳体体球球化化，在在随随后后冷冷却却过过程程中中作作为为颗颗粒粒状状珠珠光光体体的的晶晶核核，渗渗碳体依附于他们生长，从而形成颗粒状珠光体。碳体依附于他们生长，从而形成颗粒状珠光体。3.珠光体的形成珠光体的形成过过程程 钢钢从从奥奥氏氏体体状状态态快快速速冷

22、冷却却至至MS点点以以下下，扩扩散散分分解解受受到到抑抑制制，直直接接发发生生马马氏氏体体转转变变。这这种种转转变变属属于于低低温温转转变变，转转变变产产物物马马氏氏体体（M）为为碳碳在在-Fe中中的的过过饱饱和和间间隙隙式固溶体式固溶体，具有很高的，具有很高的强强度和硬度。度和硬度。5.1.4 钢钢的的马马氏体氏体转变转变1.马马氏体氏体转变转变的条件的条件板板条条马马氏氏体体是是低低、中中碳碳钢钢、马马氏氏体体时时效效钢钢、不不锈钢等铁基合金中形成的一种典型马氏体组织。锈钢等铁基合金中形成的一种典型马氏体组织。板板条条马马氏氏体体组组织织由由许许多多成成群群的的、相相互互平平行行排排列列的

23、的板板条条所所组组成成，每每个个板板条条为为一一个个单单晶晶，尺尺寸寸约约为为 。板板条条之之间间一一般般以以小小角角度度晶晶界界相相间间。相相邻邻的的板板条条之之间间往往往往存存在在厚厚度度约约为为1020nm1020nm的的薄薄壳壳状状残残余余奥奥氏氏体体。许许多多相相互互平平行行的的板板条条组组成成一一个个板板条条束束，一一个个奥奥氏氏体体晶晶粒粒内内有有几几个个板板条条束束。板板条条马马氏氏体体的的亚亚结结构构为为高密度位错，所以又称位错马氏体。高密度位错，所以又称位错马氏体。2.马马氏体的氏体的组织组织形形态态1）板条状）板条状马马氏体氏体 片状马氏体是在中高碳钢及其合金中形成的一种

24、典型的片状马氏体是在中高碳钢及其合金中形成的一种典型的马氏体组织。马氏体组织。片状马氏体的空间形态呈双凸透镜状，由于与试样磨面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，在光学显微镜下呈针状或竹叶状，故又称针状马氏体。相截，在光学显微镜下呈针状或竹叶状，故又称针状马氏体。片状马氏体的最大尺寸取决于原奥氏体晶粒大小。片状马氏体的最大尺寸取决于原奥氏体晶粒大小。片状马氏体内部亚结构主要是孪晶，其中脊背就是高密片状马氏体内部亚结构主要是孪晶，其中脊背就是高密度的微细孪晶区。度的微细孪晶区。由于马氏体高速形成时相互撞击，使得片状马氏体中有由于马氏体高速形成时相互撞击，使得片状马氏体中有很多显

25、微裂纹，所以增加了钢的脆性。很多显微裂纹，所以增加了钢的脆性。2.马马氏体的氏体的组织组织形形态态2）片状）片状马马氏体氏体2.马马氏体的氏体的组织组织形形态态板条板条马马氏体氏体片状片状马马氏体氏体1）成分：）成分：随着随着钢钢中含碳量增加，板条中含碳量增加，板条马马氏氏体数量降低，片状体数量降低，片状马马氏体数量增加。氏体数量增加。2）温度：）温度：200时时，为为板条板条马马氏体；氏体；200时时，为为片状片状马马氏体。氏体。3.影响影响马马氏体形氏体形态态的因素的因素5.1.4 钢钢的的马马氏体氏体转变转变 -Fe-Fe为体心立方结构，为体心立方结构，由于碳的过饱和，使由于碳的过饱和，

26、使c c轴轴伸长，伸长，a a轴缩短，发生正轴缩短，发生正方畸变，因此马氏体具有方畸变，因此马氏体具有体心正方结构。体心正方结构。c/ac/a称为称为正方度，含碳量越大则正正方度，含碳量越大则正方度越大。方度越大。3.马马氏体的晶体氏体的晶体结结构构5.1.4 钢钢的的马马氏体氏体转变转变1 1）马氏体的硬度和强度）马氏体的硬度和强度高硬度和高强度是马氏体的显著特点。马氏体硬度随含碳量增高硬度和高强度是马氏体的显著特点。马氏体硬度随含碳量增加而升高，但在加而升高，但在0.6%C0.6%C时达到最大值，随后由于残余奥氏体的时达到最大值，随后由于残余奥氏体的增加，硬度反而降低。增加，硬度反而降低。

27、马马氏体高硬度、高氏体高硬度、高强强度的原因：度的原因：1.固溶固溶强强化。化。马马氏体氏体为为碳在碳在-Fe中的中的过饱过饱和固溶体；和固溶体；2.相相变变强强化化。马马氏氏体体转转变变时时，在在晶晶体体内内造造成成晶晶格格缺缺陷陷密密度度很很高高的的亚亚结结构构，如如板板条条马马氏氏体体中中的的高高密密度度位位错错，片片状状马马氏氏体体中中的的孪孪晶晶，它它们们阻碍位阻碍位错错运运动动，造成，造成强强化；化；3.时时效效强强化化。马马氏氏体体形形成成以以后后，由由于于一一般般钢钢的的Ms点点都都在在室室温温以以上上，因因此此淬淬火火过过程程中中及及在在室室温温停停留留时时，或或在在外外力力

28、作作用用下下，都都会会发发生生自自发发回回火火，即即碳碳原原子子和和合合金金元元素素原原子子向向位位错错及及其其他他晶晶体体缺缺陷陷处处扩扩散散偏聚，或碳化物弥散析出，偏聚，或碳化物弥散析出，钉钉扎位扎位错错，造成，造成强强化。化。4.晶界晶界强强化。原奥氏体晶粒大小及板条化。原奥氏体晶粒大小及板条马马氏体束大小的影响。氏体束大小的影响。2 2）马氏体的塑性和韧性）马氏体的塑性和韧性片片状状马马氏氏体体具具有有高高强强度度、高高硬硬度度，但但韧韧性性很很差差，是是硬硬脆脆相相；板板条马氏体除具有高强度、高硬度外，还具有相当的塑性和韧性。条马氏体除具有高强度、高硬度外，还具有相当的塑性和韧性。5

29、.马马氏体的性能氏体的性能5.1.4 钢钢的的马马氏体氏体转变转变1）马马氏体氏体转变转变条件条件l过过冷奥氏体的冷却速度必冷奥氏体的冷却速度必须须大于上大于上临临界冷却速度界冷却速度Vk;l奥氏体必奥氏体必须须深度深度过过冷（温度低于冷（温度低于Ms点）点）;2）马马氏体氏体转变为转变为无无扩扩散型相散型相变变马马氏体氏体转变过转变过程中程中Fe的晶格由面心立方向体心立方的晶格由面心立方向体心立方变变化是通化是通过过切切变变方式完成的，方式完成的，转变转变速度极快，切速度极快，切变过变过程中程中M与与A保持共格保持共格3）马马氏体氏体转变为转变为降温降温转变转变马马氏体氏体转变转变是在温度范

30、是在温度范围围内内进进行，行，转变转变量需要通量需要通过过不断地降温不断地降温来增加。因来增加。因为为多数多数钢钢的点在室温以下，因此，的点在室温以下，因此，钢钢快冷到室温快冷到室温时时仍有部分未仍有部分未转变转变的奥氏体称的奥氏体称为为残余奥氏体残余奥氏体记为记为Ar。6.马马氏体氏体转变转变的特点的特点5.1.4 钢钢的的马马氏体氏体转变转变 贝贝氏氏体体转转变变是是介介于于珠珠光光体体和和马马氏氏体体转转变变之之间间的的一一种种转转变变，又又称称中中温温转转变变。其其转转变变特特点点具具有有珠珠光光体体转转变变和和马马氏氏体体转转变变的的某某些些共共同同特特征征，如如 相相形形成成的的无

31、无扩扩散散性性及及碳碳化化物物析析出出的的扩扩散散性性。转转变变产产物物为为贝贝氏氏体体（B）是是含含碳碳过饱和的铁素体和碳化物的机械混合物。过饱和的铁素体和碳化物的机械混合物。5.1.5 钢钢的的贝贝氏体氏体转变转变1.贝贝氏体氏体转变转变条件条件u温度范围：温度范围：550550230230（MsMs）u转变特征：半扩散型转变转变特征：半扩散型转变u转变过程：分步进行转变过程：分步进行1.贝贝氏体氏体转变转变条件条件C C从从F F中析出中析出切变切变A(fcc)A(fcc)F(bcc)F(bcc)550550350350 上上贝贝氏体氏体 B上上 350350230230 下下贝贝氏体氏

32、体 B下下 1）上贝氏体）上贝氏体中中高高碳碳钢钢大大约约在在550-350550-350之之间间形形成成上上贝贝氏氏体体，特特点点是是铁铁素素体体呈呈大大致致平平行行的的条条束束状状，自自奥奥氏氏体体晶晶界界一一侧侧或或两两侧侧向向A晶晶界界内内伸伸展展，渗渗碳碳体体分分布布于于铁铁素素体体条条之之间间，在在光光学学显显微微镜镜下下观观察察呈羽毛状。呈羽毛状。2）下贝氏体）下贝氏体对对于于中中高高碳碳钢钢，下下贝贝氏氏体体形形成成于于350-Ms点点之之间间，典典型型的的下下贝贝氏氏体体由由含含碳碳过过饱饱和和的的片片状状铁铁素素体体和和其其内内部部沉沉淀淀的的碳碳化化物物组成的机械混合物。

33、在光学显微镜下呈黑色针状或竹叶状。组成的机械混合物。在光学显微镜下呈黑色针状或竹叶状。2.贝贝氏体的氏体的组织组织形形态态5.1.5 钢钢的的贝贝氏体氏体转变转变1）上上贝贝氏氏体体形形成成温温度度较较高高，其其中中铁铁素素体体粗粗大大，塑塑性性抗抗力力低低，上上贝贝氏氏体体中中的的Fe3C分分布布在在铁铁素素体体条条之之间间，易易于于引引起起脆脆断断。因此，上贝氏体强度和韧性均较低。因此，上贝氏体强度和韧性均较低。2）下下贝贝氏氏体体中中铁铁素素体体细细小小，分分布布均均匀匀，在在铁铁素素体体内内又又析析出出细细小小弥弥散散的的化化合合物物，加加之之铁铁素素体体内内含含有有过过饱饱和和碳碳和

34、和高高密密度度位位错，所以下贝氏体不但强度高，而且韧性也好。错，所以下贝氏体不但强度高，而且韧性也好。3.贝贝氏体的力学性能氏体的力学性能5.1.5 钢钢的的贝贝氏体氏体转变转变回回 火火 淬淬火火后后钢钢的的组组织织由由马马氏氏体体（M M）和和残残余余奥奥氏氏体体（ArAr）组组成成，是是不稳定组织，有自发向铁素体和渗碳体平衡组织转变的倾向不稳定组织，有自发向铁素体和渗碳体平衡组织转变的倾向将将淬淬火火钢钢加加热热到到低低于于的的某某一一温温度度，保保温温一一定定时时间间，使使淬淬火火组组织织转转变变为为稳稳定定的的回回火火组组织织，然然后后以适当方式冷却到室温的热处理工艺。以适当方式冷却

35、到室温的热处理工艺。回火目的回火目的 1.1.消消除除淬淬火火时时产产生生的的残残余余内内应应力力，提提高高材材料料的的塑性和韧性；塑性和韧性；2.2.使材料获得良好的综合力学性能；使材料获得良好的综合力学性能；3.3.促促进进残残余余奥奥氏氏体体向向稳稳定定的的平平衡衡组组织织转转变变,稳稳定定工件尺寸，使其在使用中不发生变化。工件尺寸，使其在使用中不发生变化。5.1.6 钢钢的回火的回火转变转变及及时时效效1.基本概念基本概念1）马氏体中碳的偏聚）马氏体中碳的偏聚2回回火火转转变变过过程程及及组组织织 2）马氏体分解）马氏体分解3）残余奥氏体（）残余奥氏体（Ar）转变）转变4）碳化物转变）

36、碳化物转变5）渗碳体聚集长大及）渗碳体聚集长大及 相回复、再结晶相回复、再结晶1）马氏体中碳的偏聚）马氏体中碳的偏聚在在20-10020-100范范围围回回火火，引引起起C、N等等间间隙隙原原子子向向缺缺陷陷处处偏偏聚聚，导导致致马马氏氏体体中中碳浓度降低，正方度也下降。碳浓度降低，正方度也下降。5.1.6 钢钢的回火的回火转变转变及及时时效效1）马氏体中碳的偏聚）马氏体中碳的偏聚2回回火火转转变变过过程程及及组组织织 2）马氏体分解）马氏体分解3）残余奥氏体（）残余奥氏体（Ar）转变）转变4）碳化物转变）碳化物转变5）渗碳体聚集长大及）渗碳体聚集长大及 相回复、再结晶相回复、再结晶2）马氏体

37、分解）马氏体分解当当回回火火温温度度超超过过80-35080-350时时，马马氏氏体体将将发发生生分分解解，该该过过程程与与钢钢的的含含碳碳量量及及回回火火温温度度有有关关。钢钢的的组组织织由由有有一一定定过过饱饱和和的的固固溶溶体体和和与与其其保保持持共共格格关关系系的的 碳碳化化物物组组成，这种组织称为回火马氏体（成，这种组织称为回火马氏体（M）。）。5.1.6 钢钢的回火的回火转变转变及及时时效效1）马氏体中碳的偏聚）马氏体中碳的偏聚2回回火火转转变变过过程程及及组组织织 2）马氏体分解）马氏体分解3）残余奥氏体（）残余奥氏体（Ar）转变转变4）碳化物转变）碳化物转变5）渗碳体聚集长大及

38、）渗碳体聚集长大及 相回复、再结晶相回复、再结晶3）残余奥氏体（）残余奥氏体（Ar）转变转变 在在200-350200-350温温度度区区间间回回火火时时，淬淬火火钢钢中中的的残残余余奥奥氏氏体体将将发发生生分分解解，形形成成 相相和和碳碳化化物物的的机机械械混混合合物物，称称回回火火马马氏氏体体或下贝氏体。或下贝氏体。5.1.6 钢钢的回火的回火转变转变及及时时效效1）马氏体中碳的偏聚）马氏体中碳的偏聚2回回火火转转变变过过程程及及组组织织 2）马氏体分解）马氏体分解3）残余奥氏体（）残余奥氏体（Ar）转变转变4）碳化物转变）碳化物转变5）渗碳体聚集长大及）渗碳体聚集长大及 相回复、再结晶相

39、回复、再结晶4）碳化物转变）碳化物转变 在在300-400300-400间间回回火火，碳碳化化物物转转变变成成与与基基体体无无共共格格关关系系的的颗颗粒粒状状，此此时时钢钢的的组组织织由由饱饱和和的的针针状状 相相和和细细小小颗颗粒粒状状渗碳体组成，成为回火屈氏体。渗碳体组成，成为回火屈氏体。5.1.6 钢钢的回火的回火转变转变及及时时效效1）马氏体中碳的偏聚）马氏体中碳的偏聚2回回火火转转变变过过程程及及组组织织 2）马氏体分解）马氏体分解3）残余奥氏体（）残余奥氏体（Ar）转变转变4）碳化物转变）碳化物转变5）渗碳体聚集长大及）渗碳体聚集长大及 相回复、再结晶相回复、再结晶5）渗碳体聚集长

40、大及）渗碳体聚集长大及 相回复、再结晶相回复、再结晶当当回回火火温温度度升升高高到到400400以以上上时时，在在马马氏氏体体中中发发生生回回复复和和再再结结晶晶过过程程，生生成成新新的的等等轴轴晶晶粒粒，同同时时渗渗碳碳体体一一定定程程度度粗粗化化。最最后后形形成成等等轴轴的的相相和和颗颗粒粒状状碳碳化物的混合物化物的混合物,回火索氏体。回火索氏体。5.1.6 钢钢的回火的回火转变转变及及时时效效1）马氏体中碳的偏聚）马氏体中碳的偏聚2回回火火转转变变过过程程及及组组织织 2）马氏体分解）马氏体分解3）残余奥氏体（）残余奥氏体（Ar）转变转变4）碳化物转变）碳化物转变5）渗碳体聚集长大及）渗

41、碳体聚集长大及 相回复、再结晶相回复、再结晶5.1.6 钢钢的回火的回火转变转变及及时时效效回火马氏体回火马氏体回火屈氏体回火屈氏体回火索氏体回火索氏体2.回火回火转变过转变过程及程及组织组织5.1.6 钢钢的回火的回火转变转变及及时时效效1 1）强度和硬度）强度和硬度随回火温度的升高，钢的强度和硬随回火温度的升高，钢的强度和硬度下降度下降2 2）塑性和韧性）塑性和韧性随回火温度的升高，钢随回火温度的升高，钢的塑性和韧性提高的塑性和韧性提高3.淬火淬火钢钢回火后的力学性能回火后的力学性能5.1.6 钢钢的回火的回火转变转变及及时时效效二次硬化现象二次硬化现象在在含含有有较较多多碳碳化化物物形形

42、成成元元素素的的合合金金钢钢中中，在在500回回火火时时渗渗碳碳体体溶溶解解，形形成成细细小小、弥弥散散分分布布的的合合金金碳碳化化物物。在在回回火火过过程程中中还还能能发发生生残残余余奥奥式式体体向向马马氏氏体体转转变变的的二二次次淬淬火火现现象象。这这可可使使某某些些钢钢的的硬硬度度在在回火后有所升高，形成回火后有所升高，形成二次硬化二次硬化。3.淬火淬火钢钢回火后的力学性能回火后的力学性能第第一一类类回回火火脆脆性性淬淬火火碳碳钢钢在在200-400温温度度范范围围内内回回火火，室室温温冲冲击击韧韧度度出出现现低低谷谷，叫叫第第一一类类回回火火脆脆性性（或或回回火火马马氏氏体体脆脆性性T

43、M6），它几乎在所有钢中出现。），它几乎在所有钢中出现。原原因因：片片状状碳碳化化物物沉沉淀淀理理论论；杂杂质质元元素素晶晶界界偏偏聚聚理理论论；残残留留奥奥氏氏体体薄薄膜分解理论。膜分解理论。防防止止方方法法：避避免免在在脆脆化化温温度度范范围围内内回火；加热重新淬火回火；加热重新淬火3.淬火淬火钢钢回火后的力学性能回火后的力学性能回火脆性回火脆性防防止止方方法法：重重新新回回火火，回回火火后后快快速速冷冷却却，可可避避免免回回火火脆脆性性发发生生；另另外外，在在 钢钢 中中 加加 入入 W（1%）、Mo（0.5%）等等合合金金元元素素，可可有有效效地抑制这类回火脆性的产生。地抑制这类回火脆

44、性的产生。第二类回火脆性第二类回火脆性某些合金钢在某些合金钢在350-525350-525范围内回火，范围内回火，或在稍高温度回火后缓慢冷却后出现的脆性，叫或在稍高温度回火后缓慢冷却后出现的脆性，叫第二类回火第二类回火脆性（或马氏体脆性（或马氏体高温回火脆性）。高温回火脆性）。原原因因：As、Sn、Sb等等合合金金元元素素在在原原奥奥氏氏体体晶晶界界上上偏偏聚聚，或或以以碳碳化化物物形形式析出，降低了晶界强度。式析出，降低了晶界强度。回火脆性回火脆性3.淬火淬火钢钢回火后的力学性能回火后的力学性能淬淬透透性性是是指指钢钢在在淬淬火火时时获获得得马马氏氏体体的的能能力力,它它是是钢钢的的固固有有

45、属属性性，取取决决于于钢钢的的临临界界冷冷却却速速度度、过过冷冷奥奥氏氏体体的的稳稳定定性性。淬淬透透性的大小用性的大小用钢钢在一定条件下淬火所在一定条件下淬火所获获得的淬透得的淬透层层深度来表示深度来表示 1.钢钢的淬透性的淬透性5.1.7 钢钢的淬透性和淬硬性的淬透性和淬硬性淬淬硬硬性性是是指指钢钢淬淬火火后后形形成成的的淬淬火火态态组组织织（M+ArM+Ar）所所达达到到的的最最高高硬硬度度，即即钢钢在在淬淬火火时时的的硬硬化化能能力力。钢钢的的淬淬硬硬性取决于性取决于马氏体含碳量马氏体含碳量和和残余奥氏体数量残余奥氏体数量。5.1.7 钢钢的淬透性和淬硬性的淬透性和淬硬性2.钢钢的淬硬

46、性的淬硬性第第5 5章章 钢的热处理与马氏体相变强化钢的热处理与马氏体相变强化5.1 钢钢的的热处热处理原理理原理5.2 钢钢的的热处热处理工理工艺艺5.2 钢钢的的热处热处理工理工艺艺5.2.1 钢钢的的热处热处理工理工艺艺种种类类 5.2.3 钢的淬火的淬火 5.2 钢钢的的热处热处理工理工艺艺5.2.2 钢的退火和正火的退火和正火 5.2.4 钢的回火的回火 5.2.5 钢的的热处理理组织观察察 5.2.1 钢钢的的热处热处理工理工艺艺种种类类 钢的热处理钢的热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的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到室温的一种热

47、加工工艺。时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。5.2.1 钢钢的的热处热处理工理工艺艺种种类类 表面表面热处热处理理普通普通热处热处理理其他其他热处热处理理退退火火正正火火淬淬火火回回火火表表面面淬淬火火化化学学热热处处理理控控制制气气氛氛热热处处理理真真空空热热处处理理形形变变热热处处理理1.基本概念基本概念退退火火正正火火将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。平衡状态组织的热处理工艺。将将钢钢加加热热到到或或以以上上适适当当温温度度，保保

48、温温一一定定时时间间，使使它它完完全全奥奥氏氏体体化化，然然后后在在空空气气中中冷冷却却，以以得到珠光体组织的热处理工艺。得到珠光体组织的热处理工艺。正火可以看作是退火的特殊形式。正火可以看作是退火的特殊形式。5.2.2 钢钢的退火和正火的退火和正火2)消除残余内应力，防止钢件在淬火时产生变形或开裂消除残余内应力，防止钢件在淬火时产生变形或开裂1)调调整整硬硬度度，以以便便进进行行切切削削加加工工。钢钢件件经经铸铸造造或或锻锻造造等等热热加加工工后后，硬硬度度经经常常偏偏高高或或偏偏低低，而而且且不不均均匀匀，严严重重影影响响切切削削加加工工，而而适适当当退退火火或或正正火火后后可可使使钢钢件

49、件硬硬度度调调整到，且比较均匀，从而改善切削加工性能；整到，且比较均匀，从而改善切削加工性能；2退退火火和和正正火火的的目目的的3)细化晶粒，改善组织，提高力学性能；细化晶粒，改善组织，提高力学性能；4)为最终热处理（淬火为最终热处理（淬火+回火）作好组织上的准备。回火）作好组织上的准备。5.2.2 钢钢的退火和正火的退火和正火3退退火火的的种种类类 1）完全退火）完全退火将将钢钢加加热热到到 Ac3 Ac3+（30305050），保保温温足足够够时时间间，使使组组织织完完全全奥奥氏氏体体化化后后缓缓慢慢冷冷却却，以以获获得得接近平衡组织的热处理工艺。接近平衡组织的热处理工艺。5.2.2 钢钢

50、的退火和正火的退火和正火目目的的：主主要要用用于于亚亚共共析析钢钢，使使中中碳碳以以上上的的钢钢软软化以便于切削加工，并可消除内应力。化以便于切削加工，并可消除内应力。2）不完全退火）不完全退火将将钢钢加加热热至至Ac1Ac3之之间间，保保温温后后缓缓慢慢冷冷却却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。以获得接近平衡组织的热处理工艺。5.2.2 钢钢的退火和正火的退火和正火目目的的：主主要要应应用用于于大大批批量量生生产产的的亚亚共共析析钢钢锻锻件件，使使珠珠光光体体片片间间距距增增大大，硬硬度度有有所所降降低低，内内应应力力有所减小。有所减小。3退退火火的的种种类类 3）球化退火）球化退火将将过过