华科 工程材料学第05章 热处理.ppt

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1、1第五章第五章 钢铁热处理钢铁热处理钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢的退火与正火钢的退火与正火钢钢的淬火的淬火钢钢的回火的回火钢钢的表面热处理的表面热处理2概述概述一、热处理一、热处理 利用利用加热加热、保温保温、冷却冷却的方法，改变材料的组织与结的方法，改变材料的组织与结构，达到改变材料性能的工艺过程。构，达到改变材料性能的工艺过程。意义意义：合适的热处理是让材料达到合适的热处理是让材料达到希望的性能希望的性能，有时是为了便，有时是为了便于进行于进行加工加工，有时让材料，有时让材料满足工作条件满足工作条件的要求。是合理使用的要求。是合理使用材

2、料、充分发挥材料潜力材料、充分发挥材料潜力必不可少方法必不可少方法。热处理过程中材料。热处理过程中材料处于固态下，但内部都有不同程度的处于固态下，但内部都有不同程度的固态转变固态转变发生。发生。二、固态转变二、固态转变 固态转变有：固态转变有：1.1.固态物质内部组织结构的变化称为固态物质内部组织结构的变化称为固态相变固态相变。2.2.转变过程只有组织结构变化，无新相生成的转变过程只有组织结构变化，无新相生成的非相变非相变型型，如再结晶转变。，如再结晶转变。3三、固态相变的特点三、固态相变的特点 概述概述 固态相变中母相为固体，原晶体有固定的排列和取固态相变中母相为固体，原晶体有固定的排列和取

3、向，并不能随意改变其形状或发生流动，转变过程和产向，并不能随意改变其形状或发生流动，转变过程和产物有如下共同特点：物有如下共同特点：1.1.相变阻力大相变阻力大 新相形成除增加界面能外，由于存在体积变化新相形成除增加界面能外，由于存在体积变化造成应变能，相变阻力大，相变发生在较大的过冷度下。造成应变能，相变阻力大，相变发生在较大的过冷度下。2.2.新相与母相之间存在一定的新相与母相之间存在一定的晶体学位向关系晶体学位向关系。3.3.母相的晶体缺陷对相变起促进作用母相的晶体缺陷对相变起促进作用 缺陷处形核可得到附加缺陷处形核可得到附加能量补充，同时缺陷的存在可加快扩散过程，有利于新相晶能量补充，

4、同时缺陷的存在可加快扩散过程，有利于新相晶体的生长。体的生长。4.4.原子扩散迁移成为控制因素原子扩散迁移成为控制因素，特别是伴随成分改变的相变过，特别是伴随成分改变的相变过程，固体中原子扩散速度慢，在温度较低时，大的相变驱动程，固体中原子扩散速度慢，在温度较低时，大的相变驱动力可能改变转变类型，如从扩散型改变为协同型。力可能改变转变类型，如从扩散型改变为协同型。5.5.易出现过渡相，有些反应不能进行到底，过渡相可以长期保易出现过渡相，有些反应不能进行到底，过渡相可以长期保留留。转变温度较低，原子扩散慢，通常发生在稳定相的成分。转变温度较低，原子扩散慢，通常发生在稳定相的成分与母相相差较远时，

5、钢中的渗碳体其实也是过渡相。与母相相差较远时，钢中的渗碳体其实也是过渡相。4第一节第一节 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变一、转变温度一、转变温度 对应铁对应铁碳相碳相图图中的中的线线 PSK线线727727 A A1 1 GSGS线线 A A3 3 ESES线线 A ACMCM 这这些温度点是平衡些温度点是平衡转变转变温度，在温度，在固固态转变态转变中，中，转变实际发转变实际发生需要生需要一定的一定的过过冷或冷或过热过热下下，显显然加然加热热转变转变的的实际发实际发生温度在生温度在临临界点之界点之上，而冷却上，而冷却转变转变的的实际发实际发生温度生温度在在临临界点之下界点之下。A A

6、C1C1、A AC3C3、A Accmccm表示加热时的转变温度表示加热时的转变温度 A Ar1r1、A Ar3r3、A Arcmrcm表示冷却时的转变温度表示冷却时的转变温度5二、奥氏体的形成过程二、奥氏体的形成过程第一节第一节 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变以共析钢以共析钢(WcWc0.77%)0.77%)为例，原始组织为层片珠光体。为例，原始组织为层片珠光体。1.1.在在铁铁素体和渗碳体的素体和渗碳体的交界交界处处形成奥氏体的核心形成奥氏体的核心；2.2.奥氏体是奥氏体是同同时时消耗消耗两相来两相来长长大大；3.3.实际实际上上总总是是铁铁素体先消失素体先消失，随后，随后残余渗

7、碳体的溶解残余渗碳体的溶解；4.4.奥氏体的均匀化奥氏体的均匀化，各各处处的的碳碳浓浓度都达到平均成分度都达到平均成分，随后所，随后所含含其它其它合金元素合金元素经扩经扩散达到成分均匀散达到成分均匀；5.5.亚亚(过过)共析共析钢钢中中过过剩相的溶解剩相的溶解(温度达到温度达到A AC3C3或或A Accmccm以上以上)。6三、影响奥氏体转变的因素三、影响奥氏体转变的因素第一节第一节 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变1.1.加加热热温度温度 所以所以加加热热温度越高温度越高，提高原子活动迁移能力提高原子活动迁移能力，自，自由能差由能差(动力动力)大，大，奥氏体化的奥氏体化的进进程也越

8、快。程也越快。2.2.加加热热速度速度 材料材料处处于于连续连续加加热热，奥氏体化的，奥氏体化的时间时间自然短，但自然短，但是是均匀化程度差均匀化程度差。3.3.含碳量含碳量 随碳量的增加，渗碳体与随碳量的增加，渗碳体与铁铁素体的素体的界面数量界面数量也多，也多，转变转变速度加快。但速度加快。但过过共析共析钢钢中，二次渗碳体的溶解要求更高中，二次渗碳体的溶解要求更高的温度，碳量的增加达到均匀化的温度，碳量的增加达到均匀化时间时间会增加。会增加。4.4.合金元素合金元素 碳化物形成元素与碳的碳化物形成元素与碳的结结合力高于合力高于铁铁，会阻碍碳，会阻碍碳的的扩扩散迁移；在碳化物消失后，合金元素自

9、己散迁移；在碳化物消失后，合金元素自己扩散达到扩散达到均匀，均匀，达到均匀奥氏体化的达到均匀奥氏体化的时间时间要大大延要大大延长长。5.5.原始原始组织组织 珠光体的珠光体的层层片越片越细细，界面数量多，界面数量多，扩扩散的距离小，散的距离小，转变转变速度加快，片状珠光体的速度加快，片状珠光体的转变转变速度高于球化珠光体。速度高于球化珠光体。7四、奥氏体晶粒度及其影响因素四、奥氏体晶粒度及其影响因素第一节第一节 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变1.1.奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度 奥氏体的晶粒度指奥氏体的晶粒尺寸大小奥氏体的晶粒度指奥氏体的晶粒尺寸大小，对热处理后，对热处理后的性能有重要影

10、响。在热处理过程中，以后所得到的组织都的性能有重要影响。在热处理过程中，以后所得到的组织都是有奥氏体转变的产物，是有奥氏体转变的产物，奥氏体的晶粒细小奥氏体的晶粒细小，所得到的，所得到的组织组织也就细小也就细小，通常其，通常其力学性能也优越力学性能也优越。在奥氏体化的过程中伴。在奥氏体化的过程中伴随着晶粒的长大，这是自发过程，只有控制好奥氏体化的工随着晶粒的长大，这是自发过程，只有控制好奥氏体化的工艺过程，才能到较细的晶粒。艺过程，才能到较细的晶粒。描述奥氏体晶粒度有以下三种不同的概念：描述奥氏体晶粒度有以下三种不同的概念：1)1)起始晶粒度起始晶粒度 刚刚完成奥氏体化刚刚完成奥氏体化的晶粒大

11、小称为起始晶粒的晶粒大小称为起始晶粒度，度，原珠光体原珠光体的层片本身细小，所有的钢这时都是非常细的层片本身细小，所有的钢这时都是非常细小、均匀的。实际工程意义不大。小、均匀的。实际工程意义不大。2)2)实际晶粒度实际晶粒度 在具体的加热温度、保温时间的条件下获得在具体的加热温度、保温时间的条件下获得的晶粒大小。它决定于的晶粒大小。它决定于钢的成分钢的成分和奥氏体化的和奥氏体化的工艺过程工艺过程。8四、奥氏体晶粒度及其影响因素四、奥氏体晶粒度及其影响因素第一节第一节 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变1.1.奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度3)3)本本质质晶粒度晶粒度 不同的不同的钢钢在同在同样

12、样的加的加热热条件下，奥氏体的条件下，奥氏体的长长大大倾倾向性不一向性不一样样。按冶金部按冶金部标标准，将准，将钢钢加加热热到到9309301010，保温，保温8 8小小时时得到的得到的实际实际晶粒度作晶粒度作为该钢为该钢的本的本质质晶粒度。晶粒度。本本质质晶粒度是一材料特性，表示的是晶粒度是一材料特性，表示的是钢钢在奥氏体化在奥氏体化时时奥氏奥氏体晶粒的体晶粒的长长大大倾倾向向。结结果果小于小于4 4级级的的钢钢成成为为本本质细质细晶粒晶粒钢钢。并不是本。并不是本质细质细晶粒晶粒钢钢奥氏体化得到的晶粒一定奥氏体化得到的晶粒一定细细小，通常加小，通常加热热温度在温度在930930以下，本以下，

13、本质细质细晶粒晶粒钢钢奥氏体化得到的晶粒比本奥氏体化得到的晶粒比本质质粗晶粒粗晶粒钢钢细细小，超小，超过这过这个温度或工个温度或工艺处艺处理不当，理不当，结结果可能完全相反。果可能完全相反。9四、奥氏体晶粒度及其影响因素四、奥氏体晶粒度及其影响因素第一节第一节 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变2.2.影响奥氏体晶粒度的因素影响奥氏体晶粒度的因素1)1)加加热热速度速度 速度快用的速度快用的时间时间少，少，转变转变在在较较高温度高温度，形核率形核率高高，最，最终终晶粒尺寸晶粒尺寸较细较细小。小。2)2)保温保温温度愈高，保温温度愈高，保温时间长时间长，奥氏体，奥氏体长大速度快，长大长大速

14、度快，长大的的时间时间多，晶粒多，晶粒变变粗；粗；3)3)原始原始组织组织，固相，固相转变组织转变组织的的遗传遗传性，珠光体性，珠光体细细小，奥氏体小，奥氏体的晶粒也的晶粒也细细小；片状比球状小；片状比球状细细小，非平衡小，非平衡组织组织往往也可得往往也可得到到细细小的奥氏体晶粒。小的奥氏体晶粒。4)4)合金元素合金元素(成分成分)含碳量增加，奥氏体含碳量增加，奥氏体转变转变加快，生加快，生长长时间时间多，奥氏体晶粒的多，奥氏体晶粒的长长大大倾倾向增加；向增加；碳化物形成元素碳化物形成元素(Ti(Ti、V V、TaTa、NbNb、ZrZr、W W、MoMo、Cr)Cr)和碳和碳结结合力合力强强

15、，阻碍碳，阻碍碳的的扩扩散可阻碍奥氏体晶粒生散可阻碍奥氏体晶粒生长长；不和碳作用而溶入基体不和碳作用而溶入基体元素元素(SiSi、NiNi、Cu)Cu)对对奥氏体晶粒生奥氏体晶粒生长长无明无明显显的影响；的影响；CoCo、P P、MnMn对对奥氏体晶粒的奥氏体晶粒的长长大有加速作用。大有加速作用。10五、加热不当带来的组织缺陷五、加热不当带来的组织缺陷 第一节第一节 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变由于加由于加热设备热设备故障、工故障、工艺艺不合理或操作失不合理或操作失误误，加，加热过热过程中可能引起的缺陷有程中可能引起的缺陷有：1.1.氧化氧化 加热过程，工件表面和加热过程，工件表面

16、和O O2 2、COCO2 2、H H2 2O O等气氛接触，工等气氛接触，工件表面发生氧化，更有甚者氧化气氛延晶界向内扩散造成件表面发生氧化，更有甚者氧化气氛延晶界向内扩散造成较深的晶界氧化，这时主要表现晶界处的易氧化元素和氧较深的晶界氧化，这时主要表现晶界处的易氧化元素和氧结合使晶界性能下降，为内氧化。保温时间较长、温度高结合使晶界性能下降，为内氧化。保温时间较长、温度高且表面要求较高，无多的加工余量要注意保护。且表面要求较高，无多的加工余量要注意保护。2.2.脱碳脱碳 含碳量含碳量较较高的高的钢钢在加在加热热和和O O2 2、COCO2 2、H H2 2O O等等结结合，生成合，生成CO

17、CO溢出，内溢出，内层层向表向表层扩层扩散表散表层层向内出向内出现贫现贫碳区，而影响表碳区，而影响表层层性能。可用性能。可用COCO、CHCH4 4进进行保行保护护甚至渗碳。甚至渗碳。3.3.过热过热 加加热热温度温度过过高或保温高或保温时间过长时间过长，造成奥氏体晶粒，造成奥氏体晶粒过过大。大。4.4.过烧过烧 加加热热温度太高，晶界温度太高，晶界过过度氧化，甚至局部熔化，度氧化，甚至局部熔化，过过烧烧工件只能工件只能报废报废。11第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变过冷奥氏体：过冷奥氏体：钢奥氏体化后，从高温冷却到钢奥氏体化后，从高温冷却到A A1 1以下，以下，此时奥氏

18、体并不立即转变，而处于热力学不稳定状此时奥氏体并不立即转变，而处于热力学不稳定状态，把态，把这种存在于这种存在于A A1 1温度以下暂未发生转变的不稳温度以下暂未发生转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体定奥氏体称为过冷奥氏体。等温冷却等温冷却：将钢迅速过冷到临界点：将钢迅速过冷到临界点(A(Ar1r1)以下某一温度，使以下某一温度，使奥氏体保持在该温度下进行转变。奥氏体保持在该温度下进行转变。连续冷却连续冷却：将钢以某一固定速度不停顿地冷却：将钢以某一固定速度不停顿地冷却(到室温到室温)，使奥氏体在连续降温的过程种转变。使奥氏体在连续降温的过程种转变。冷却方式：冷却方式：引子引子12一、共析钢过冷

19、奥氏体等温转变曲线的建立一、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线的建立 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变 过冷奥氏体过冷奥氏体等温等温转变图转变图，也称，也称TTTTTT(Time(Time-Temperature-Temperature-Transformation)Transformation)曲曲线线，或，或C C曲曲线线。它综合反映了过冷奥氏体在它综合反映了过冷奥氏体在不同温不同温度下度下等温转变的等温转变的开始和终了时间开始和终了时间及及转变产物之间的关系。转变产物之间的关系。快快冷冷到到某某温温度度下下保保温温，过过冷冷奥奥氏氏体体要要经经过过一一段段时时间间a a1

20、 1后后才才开开始始转转变变，这这个个时时间间称称为为转转变变的的孕孕育育期期。随随后后随随着着时时间间的的延延长长，转转变变量量不不断断增增加加。经经过过时时间间b b1 1后后全全部部转转变变完完毕毕。图图中中横横坐坐标标为为时时间间，利利用用对对数数坐坐标标(loglog)；纵纵坐坐标标为为相相对对转转变变量量(%)(%)。然然后后对对转转变变后后的的试试样样进进行行金金相相分分析析。另另建建一一坐坐标标，横横坐坐标标还还是是时时间间，纵纵坐坐标标为为转转变变温温度度，将将相相同性同性质质的的连连接起来接起来。13一、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线的建立一、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线的建

21、立 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变TTTTTT曲曲线线特征特征 这是实际测定得到的这是实际测定得到的T8T8钢的等钢的等温冷却转变曲线温冷却转变曲线(TTT(TTT曲线曲线)，得到，得到象字母象字母“C C”的曲线，俗称的曲线，俗称C C曲线曲线。在在C C曲线上，有一个曲线上，有一个孕育期最短孕育期最短的的点，大约在点，大约在550550500500附近，这个附近，这个点俗称为点俗称为C C曲线的曲线的“鼻尖鼻尖”。鼻尖上部因动力加大而转变速度加鼻尖上部因动力加大而转变速度加快；下部因降低原子活动能力而减快；下部因降低原子活动能力而减慢。慢。当快速冷却的温度低于某一当

22、快速冷却的温度低于某一临临界界值值MsMs后，孕育期消失，到达后，孕育期消失，到达MsMs立立即即发发生生转变转变，转变转变的方式的方式发发生了生了变变化，化，MsMs温度称温度称为马为马氏体点氏体点。14二、珠光体型转变二、珠光体型转变 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变1 1.珠光体的形成珠光体的形成 过冷奥氏体在过冷奥氏体在ArAr1 1到鼻尖到鼻尖(550)(550)之间之间的转变方式基的转变方式基本相同本相同,属于珠光体型转变。属于珠光体型转变。首先在奥氏体晶界处形成首先在奥氏体晶界处形成FeFe3 3C C的核心，然后不断长的核心，然后不断长大，周围奥氏体将发生

23、晶格改组转变为铁素体，铁素体的生成大，周围奥氏体将发生晶格改组转变为铁素体，铁素体的生成促使渗碳体的长大和形核，长大的渗碳体可以分枝，它们共同促使渗碳体的长大和形核，长大的渗碳体可以分枝，它们共同生长的结果便得到生长的结果便得到层片的分布层片的分布。在一个奥氏体晶粒中可能有数在一个奥氏体晶粒中可能有数处处形核，各自分形核，各自分别发别发展成不同的展成不同的领领域域，直到奥氏体完全消失。直到奥氏体完全消失。此外，此外，渗碳体形核与原奥氏体有一定的位向关系渗碳体形核与原奥氏体有一定的位向关系，所以珠光体，所以珠光体在奥氏体中常在奥氏体中常为为几种特定方向。几种特定方向。15二、珠光体型转变二、珠光

24、体型转变 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变2 2转变产转变产物物 过过冷奥氏体按珠光体型方式冷奥氏体按珠光体型方式发发生生转变转变，通常所得，通常所得产产物物为铁为铁素体和渗碳体交替分布的素体和渗碳体交替分布的层层片状片状组织组织，随着，随着转变转变温度的降低温度的降低，片片间间距愈距愈细细，即不同温度下所得，即不同温度下所得产产物的差物的差别别是是层层片片间间距不同。距不同。采用采用特殊的方式特殊的方式冷却，也可能得到冷却，也可能得到点状点状(小球小球)的渗碳体的渗碳体均匀分均匀分布在布在铁铁素体的基体上，如素体的基体上，如图图所示。工程上所示。工程上对对不同片不同片间

25、间距的距的产产物物有一些有一些习惯习惯的称呼。的称呼。16二、珠光体型转变二、珠光体型转变 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变3 3珠光体的性能珠光体的性能 不同不同类类型的珠光体由于型的珠光体由于层层片片间间距不同，力学性能在一个距不同，力学性能在一个较较大大范范围围内内变变化，化，总总体体趋势趋势是随着是随着片片间间距的减小距的减小，材料的，材料的强强度和硬度度和硬度呈呈现现上升上升；其；其塑性和塑性和韧韧性以索氏体性以索氏体为为最高最高，它的，它的组织组织比珠光体比珠光体细细小且分布均匀，而屈氏体因小且分布均匀，而屈氏体因层层片的片的细细小，塑性相小，塑性相铁铁素体的

26、可素体的可变变形形范范围围小，小，强强度最高，但塑性却下降了。度最高，但塑性却下降了。17三、贝氏体型转变三、贝氏体型转变 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变1 1基本特点基本特点 到到500500以下，相变的以下，相变的驱动力较大驱动力较大，铁的扩散系数已经很小，相，铁的扩散系数已经很小，相变过程中来不及扩散，这时碳尽管扩散速度比高温下小了很多，变过程中来不及扩散，这时碳尽管扩散速度比高温下小了很多，仅仅C C扩散，扩散，FeFe不扩散不扩散，属于半，属于半扩散性扩散性转变，称为转变，称为贝氏体贝氏体(BainiteBainite)转变，得到的组织称为贝氏体（转变，得到的

27、组织称为贝氏体（B B）。）。1)1)在在较较大的大的驱动驱动力力下，下，晶格中的晶格中的铁铁原子以原子以切切变变方式方式，晶格点，晶格点阵阵从从面面心立方心立方体心立方体心立方。2)2)铁原子不改变相邻关系铁原子不改变相邻关系，每个原子相对周围原子发生仅为原来晶每个原子相对周围原子发生仅为原来晶格间距几分之一的移动，整个晶体结构发生了变化。格间距几分之一的移动，整个晶体结构发生了变化。3)3)一方面原子移动距离小，另一方面，要求所有原子同时移动，所一方面原子移动距离小，另一方面，要求所有原子同时移动，所以以变化阻力大变化阻力大，仅，仅在驱动力足够大时才发生在驱动力足够大时才发生。4)4)碳在

28、面心立方中的溶解度大于体心立方晶格，对切变形成了阻力，碳在面心立方中的溶解度大于体心立方晶格，对切变形成了阻力，含碳量愈低，转变愈容易含碳量愈低，转变愈容易。18三、贝氏体型转变三、贝氏体型转变 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变2 2上上贝贝氏体氏体转变转变 “鼻尖鼻尖”350350等温，等温，铁铁fccbccfccbcc结结构构转变转变的的趋势趋势相当大，相当大，碳有一定的碳有一定的扩扩散能力，散能力，类类似珠光体型似珠光体型转变转变。1)1)在奥氏体晶界含碳量低处，优先形成在奥氏体晶界含碳量低处，优先形成F F，向晶内长大；，向晶内长大；2)2)C C向周围扩散，又形

29、成富向周围扩散，又形成富C C区，区，F F片加片加宽，并在片间奥氏体含碳量达到一定值宽，并在片间奥氏体含碳量达到一定值析出短棒状或小片状析出短棒状或小片状FeFe3 3C C，断续分布于，断续分布于F F片之间；片之间；组织为以奥氏体晶界为干线的羽毛状，组织为以奥氏体晶界为干线的羽毛状，在羽毛的毛翎之间分布着析出的在羽毛的毛翎之间分布着析出的FeFe3 3C C，这种这种碳化物存在于平行分布的铁素体片碳化物存在于平行分布的铁素体片之间的贝氏体称为之间的贝氏体称为“上贝氏体上贝氏体”。19三、贝氏体型转变三、贝氏体型转变 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变2 2上上贝贝氏体

30、氏体转变转变 性能特点：性能特点：在碳在碳钢钢中，上中，上贝贝氏体的氏体的力学性能指力学性能指标标并不好并不好，这时这时的的强强度和硬度不太高，而度和硬度不太高，而韧韧性很低，工性很低，工业业生生产产中一般不用中一般不用这这种种组织组织的材料来制造机械零件。的材料来制造机械零件。20三、贝氏体型转变三、贝氏体型转变 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变3 3下下贝贝氏体氏体转变转变 3)3)切切变变区一般区一般为为凸凸镜镜状，横跨一个奥状，横跨一个奥氏体晶粒，在已有的氏体晶粒，在已有的贝贝氏体和奥氏体氏体和奥氏体晶界或两个已有的晶界或两个已有的贝贝氏体之氏体之间间;4)4)聚

31、集的碳在聚集的碳在转变转变的的铁铁素体内部形成素体内部形成极极细细小的碳化物小的碳化物-Fe-Fe2.42.4C C，在光学，在光学显显微微镜镜下看不下看不见见.5)5)碳化物的存在使碳化物的存在使贝贝氏体制氏体制样样侵侵蚀蚀加快成暗色；在加快成暗色；在电电子子显显微微镜镜下可下可以看到它以看到它们们成成细细片状，片状，这这种种碳化物在碳化物在贝贝氏体内的氏体内的组织组织称称为为“下下贝贝氏氏体体”。1)350MS点点(约约230)，转变的趋势更大，但碳的扩散迁移，转变的趋势更大，但碳的扩散迁移 能力能力又进一步减慢；又进一步减慢；2)碳在小范围内迁移聚集，主体的奥氏体基体就出现贫碳区就可以碳

32、在小范围内迁移聚集，主体的奥氏体基体就出现贫碳区就可以发生切变；发生切变；21三、贝氏体型转变三、贝氏体型转变 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变2 2下下贝贝氏体氏体转变转变 性能特点：性能特点：下下贝贝氏体有氏体有较较高的高的强强度和硬度度和硬度，还还有有一定的一定的韧韧性性，即，即有有较较好的好的强强韧韧性配合，或称有良好的性配合，或称有良好的综综合力学性能。在生合力学性能。在生产实际产实际中中这这是一是一种种常用的状常用的状态态，但，但为为了完成下了完成下贝贝氏体氏体转变转变，不能直接冷，不能直接冷却到室温，需要保温却到室温，需要保温设备设备，并且，并且转变时间长转

33、变时间长，生生产产的效率不高的效率不高。22四、马氏体型转变四、马氏体型转变 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变1 1转变过程转变过程 当当钢钢很快冷却到很快冷却到M MS S(共析共析钢约为钢约为230)230)以下，以下，这时这时碳的可迁碳的可迁移能力也很低，在移能力也很低，在巨大巨大的的转变驱动转变驱动力作用下，力作用下，铁铁以以切切变变的方式的方式进进行从行从fccbccfccbcc的晶格改的晶格改组组，形成了，形成了碳在碳在铁铁素体中的素体中的过饱过饱和固和固溶体，成溶体，成为为“马马氏体氏体”。大量碳的大量碳的过饱过饱和，和，给铁给铁素体素体带带来巨大的晶格畸来

34、巨大的晶格畸变变，碳原子，碳原子处处在的位置是体心立方的在的位置是体心立方的八面体八面体间间隙隙处处，体心立方的八面体，体心立方的八面体间间隙是一扁形，溶入碳原子基本在隙是一扁形，溶入碳原子基本在一个方向一个方向变变形即可形即可，为为了减小了减小晶格畸晶格畸变变，碳原子大多在同，碳原子大多在同样样的方向，所以的方向，所以马马氏体的晶格点氏体的晶格点阵阵严严格格说说来已来已经经不是体心立方，而是体心正方不是体心立方，而是体心正方，即晶格常数在一，即晶格常数在一个方向被拉个方向被拉长长。如果拉。如果拉长长的方向的晶格常数的方向的晶格常数为为c c，另两个方向，另两个方向相等相等为为a a，对对于于

35、马马氏体来氏体来说说，c/ac/a的的值值一般在一般在1 11.051.05之之间间。23四、马氏体型转变四、马氏体型转变 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变2 2转变转变特点特点 1)1)速度非常快速度非常快 钢钢从奥氏体向从奥氏体向马马氏体的氏体的转变转变速度非常快，几乎速度非常快，几乎无法无法测测量，一般量，一般认为认为是是以声速以声速发发展展。2)2)转变数量不决定于保温时间，而取决于冷却到的温度转变数量不决定于保温时间，而取决于冷却到的温度 当奥当奥氏体迅速冷却到氏体迅速冷却到M MS S温度以下温度以下，立即发生相应的马氏体转变，立即发生相应的马氏体转变，继续继

36、续停留尽管停留尽管还还存在未存在未转变转变完的奥氏体，但完的奥氏体，但马马氏体的数量并氏体的数量并不再增加不再增加；而是随着温度的降低，而是随着温度的降低，马马氏体的数量不断增加氏体的数量不断增加，一直到某一温度一直到某一温度M Mf f以后，以后，马马氏体的数量不再增加了。氏体的数量不再增加了。因此因此，把把 M MS S 温度称温度称为为钢钢的的马马氏体点氏体点，即，即过过冷奥氏体开始冷奥氏体开始发发生生马马氏氏体体转变转变的温度，把温度的温度，把温度 M Mf f 称称为为马马氏体氏体转变转变的的结结束温度束温度。3)3)转变不能进行到底转变不能进行到底 就是冷却到就是冷却到M Mf f

37、温度以下，温度以下，钢钢中中总总有一定有一定数量的奥氏体存在不能数量的奥氏体存在不能转变转变，这这部分奥氏体成部分奥氏体成为为残余奥氏体，残余奥氏体，通常通常简记为简记为A A残残 或或AA。一般。一般钢钢的的 M Mf f 温度温度在室温以下，快速在室温以下，快速冷却到室温的冷却到室温的钢钢中必然存在一定数量的残余奥氏体。中必然存在一定数量的残余奥氏体。24四、马氏体型转变四、马氏体型转变 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变3 3马马氏体的形氏体的形态态 快速冷却得到的快速冷却得到的马马氏体，随着原奥氏体中的氏体，随着原奥氏体中的含碳量的不同含碳量的不同，转变产转变产物的

38、物的组织组织形形态态也不相同，主要有两大也不相同，主要有两大类类：板：板条条马马氏体氏体和和透透镜镜（针针状）状状）状马马氏体氏体。板条马氏体板条马氏体 奥氏体中的含碳量较低奥氏体中的含碳量较低时，指时，指小于小于0.3%Wt0.3%Wt时，形成的马氏体时，形成的马氏体为为板条状板条状，也称为，也称为低碳马氏体低碳马氏体。组织。组织形貌为一个原奥氏体晶粒可以有几个形貌为一个原奥氏体晶粒可以有几个板条束，在板条束中有时又可以分成板条束，在板条束中有时又可以分成几个平行的板条块，在板条内分步着几个平行的板条块，在板条内分步着稠密的平行的马氏体板条。稠密的板稠密的平行的马氏体板条。稠密的板条之间是一

39、层条之间是一层连续的高度变形的极薄连续的高度变形的极薄的奥氏体薄膜的奥氏体薄膜(约约20nm)20nm)，马氏体内有马氏体内有大量位错大量位错。25四、马氏体型转变四、马氏体型转变 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变3 3马马氏体的形氏体的形态态 特点：特点：得到的得到的低碳板条低碳板条马马氏体氏体过饱和度不大过饱和度不大，位错的强化结构位错的强化结构有有较高的强度和韧性较高的强度和韧性，具有良好的，具有良好的综合力学性能综合力学性能。如。如0.2%C0.2%C淬火淬火后，后，HRC50HRC50、b b1500MPa1500MPa、a ak k150150180J/cm1

40、80J/cm2 2。26四、马氏体型转变四、马氏体型转变 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变3 3马马氏体的形氏体的形态态 片状马氏体片状马氏体 奥氏体的含碳量奥氏体的含碳量大于大于1.01.0时时，得到的，得到的马马氏体形氏体形状呈状呈针针片状片状或或竹叶状竹叶状，故称，故称为为片状（片状（针针状）状）马马氏体氏体，其立体形，其立体形态态是双凸透是双凸透镜镜片状，所以又称片状，所以又称为为透透镜马镜马氏体氏体或或高碳高碳马马氏体氏体。在。在一个原奥氏体晶粒中，首先形成一个一个原奥氏体晶粒中，首先形成一个贯贯穿整个晶粒的穿整个晶粒的马马氏体片，氏体片，以后形成的以后形成的马

41、马氏体片尺寸受到限制，在已氏体片尺寸受到限制，在已经经存在的存在的马马氏体氏体和奥氏体晶和奥氏体晶界或界或马马氏体片之氏体片之间间，越后形成的越后形成的马马氏体片越小。氏体片越小。马马氏氏体片之体片之间间互不平行互不平行，最后的三角最后的三角区区为为残余奥氏体残余奥氏体。27四、马氏体型转变四、马氏体型转变 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变3 3马马氏体的形氏体的形态态 性能特点：性能特点：得到的得到的高碳片状高碳片状马马氏体氏体过饱和度大过饱和度大，严重的晶格畸严重的晶格畸变产生变产生大的内应力大的内应力，大片之间易，大片之间易产生显微裂纹产生显微裂纹。片状马氏体具。片

42、状马氏体具有高的硬度和强度，但塑性和韧性很低。有高的硬度和强度，但塑性和韧性很低。HRC60HRC60、a ak k 1J/cm1J/cm2 2。28四、马氏体型转变四、马氏体型转变 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变3 3马马氏体氏体性能性能 马马氏体一般是很硬的，氏体一般是很硬的，硬度随硬度随马马氏氏体中的含碳量的提高而增加体中的含碳量的提高而增加，同时同时残余奥氏体的数量也增加。残余奥氏体的数量也增加。原因原因 过饱过饱和的碳引起的和的碳引起的晶格畸晶格畸变变和和马马氏体氏体转变转变体体积积膨膨胀胀造成周造成周围围的的强强烈塑性烈塑性变变形，形成的高密度的形，形成的高

43、密度的位位错错或或孪孪晶晶带带来的加工硬化。来的加工硬化。高碳马氏体虽很高碳马氏体虽很硬硬，但，但塑性和韧性却很差塑性和韧性却很差，并且内部存在巨大，并且内部存在巨大的的内应力内应力，如共析钢淬火得到的片状马氏体力学性能：硬度达，如共析钢淬火得到的片状马氏体力学性能：硬度达60HRC60HRC，冲击韧性仅，冲击韧性仅1J/cm1J/cm2 2。低碳的板条马氏体的硬度虽不算很。低碳的板条马氏体的硬度虽不算很高，却具有一定的塑性和相当好的韧性，高，却具有一定的塑性和相当好的韧性，0.2%C0.2%C碳钢淬火得到的碳钢淬火得到的板条马氏体力学性能指标：硬度板条马氏体力学性能指标：硬度353540HR

44、C40HRC，屈服强度，屈服强度8008001000MPa1000MPa，伸长率，伸长率9 917%17%，冲击韧性，冲击韧性6060180J/cm180J/cm2 2。2930五、影响五、影响C C曲线的因素曲线的因素 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变1 1含含C C量的影响量的影响 钢钢的碳含量的碳含量偏离共析点成分，平衡偏离共析点成分，平衡转变时转变时存在先共析相的存在先共析相的析出析出转变转变，在，在C C曲曲线线的上方有一条先共析相析出的上方有一条先共析相析出线线，上，上趋趋近于近于AcAc3 3或或AccmAccm，下到，下到C C曲曲线线的鼻尖的鼻尖处处，如

45、，如图图所示。在所示。在亚亚共析共析钢钢中中为铁为铁素素体的开始析出体的开始析出线线，而，而过过共析共析钢则为钢则为二次渗碳体的开始析出二次渗碳体的开始析出线线。31五、影响五、影响C C曲线的因素曲线的因素 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变2 2加加热热温度和保温温度和保温时间时间 奥氏体中的含碳量奥氏体中的含碳量对对C C曲曲线线有明有明显显的影响，注意的影响，注意奥氏体的含奥氏体的含碳量和碳量和钢钢的含碳量在的含碳量在转变转变的的过过程中是不一致程中是不一致，如，如钢钢的含碳量各的含碳量各不相同，但不相同，但缓缓慢冷却到慢冷却到A A1 1温度，奥氏体的含碳量均向温

46、度，奥氏体的含碳量均向S S点看点看齐齐。与共析与共析钢钢相比，在相比，在亚亚共析共析钢钢中，随着含碳量的增加，中，随着含碳量的增加，C C曲曲线线右移右移，即即转变转变的孕育期和的孕育期和转变时间转变时间都加都加长长；在；在过过共析共析钢钢中，随着含碳中，随着含碳量的增加，量的增加，C C曲曲线线左移左移，即，即转变转变的孕育期和的孕育期和转变时间转变时间都减少，先都减少，先析出的碳化物会促使奥氏体的分解，所以共析析出的碳化物会促使奥氏体的分解，所以共析钢钢的奥氏体是最的奥氏体是最稳稳定的。在一般的碳定的。在一般的碳钢钢中，鼻子中，鼻子处处的的孕育期孕育期仅仅不到一秒不到一秒钟钟。随着加热温

47、度的提高，保温时间的加长，奥氏体的均匀化随着加热温度的提高，保温时间的加长，奥氏体的均匀化程度高，不利于转变形核，不利于过冷奥氏体的分解，或称奥程度高，不利于转变形核，不利于过冷奥氏体的分解，或称奥氏体的稳定性得到提高，氏体的稳定性得到提高，C C曲线右移。曲线右移。32五、影响五、影响C C曲线的因素曲线的因素 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变3 3合金元素的影响合金元素的影响 除除CoCo以外，几乎所有元素都会使以外，几乎所有元素都会使C C曲曲线线右移右移，即提高奥氏，即提高奥氏体的体的稳稳定性。此外，大量合金元素的加入，定性。此外，大量合金元素的加入，还还会改会改

48、变变C C曲曲线线的的形状，具体的分析到合金形状，具体的分析到合金钢钢章章节节再再讲讲。33六、过冷奥氏体的连续冷却曲线六、过冷奥氏体的连续冷却曲线 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变1.1.CCT(ContinuousCCT(Continuous Cooling Transformation)Cooling Transformation)曲线曲线 将奥氏体化后的材料置于某一将奥氏体化后的材料置于某一定的介定的介质质中冷却，随着中冷却，随着时间时间的推移，的推移，材料的温度不断下降，材料的温度不断下降，奥氏体的分奥氏体的分解解过过程在不同的温度下程在不同的温度下进进行，得到

49、行，得到的的组织组织就就较较复复杂杂。冷却。冷却环环境不同，境不同，或冷却介或冷却介质质不同，材料的冷却速度不同，材料的冷却速度也就不相同，得到的也就不相同，得到的产产物也不相同，物也不相同，对应对应的性能将不相同。的性能将不相同。这这就是就是连续连续冷却冷却过过程，程，为为了研究了研究连续连续冷却冷却过过程程的的转变规转变规律，律，许许多多钢钢也建立了相也建立了相应应的冷却曲的冷却曲线线，即，即连续连续冷却曲冷却曲线线，也，也称称CCTCCT曲曲线线。34六、过冷奥氏体的连续冷却曲线六、过冷奥氏体的连续冷却曲线 第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变2.2.曲曲线线的建立的建

50、立1)1)将将钢钢奥氏体化后，以不同的冷却奥氏体化后，以不同的冷却速度冷却到室温，速度冷却到室温，测测量出奥氏体的量出奥氏体的开始分解和开始分解和转变结转变结束的束的时间时间；2)2)在在标标注温度注温度时间时间(对对数坐数坐标标)图图中，先画出温度中，先画出温度时间时间关系曲关系曲线线，标标出奥氏体开始分解的出奥氏体开始分解的时间时间和和转变转变结结束束时间时间；3)3)最后将不同冷却速度下的相同性最后将不同冷却速度下的相同性质质的点的点连连接所得到的曲接所得到的曲线线就就得到得到CCTCCT曲曲线线。35六、过冷奥氏体的连续冷却曲线六、过冷奥氏体的连续冷却曲线 第二节第二节 钢在冷却时的组