热处理原理与工艺.ppt

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1、热处理原理与工艺热处理原理与工艺参考教材：机械出版社，参考教材：机械出版社，候旭明候旭明 Heat treatment Theory and Technology 联系方式联系方式姓姓 名名：王宇王宇电电 话话：办公室地址办公室地址：B号楼313-2Q Q：1755106539第第1次课次课本次课主要内容：本次课主要内容：1.热处理的基本概念；热处理的基本概念；2.热处理的发展过程；热处理的发展过程；3.本门课程的主要内容，学习目的，意义及本门课程的主要内容，学习目的，意义及要求，考试方法；要求，考试方法；4.固态相变的定义，分类及基本特征；固态相变的定义，分类及基本特征；5.固态相变的形核与

2、长大（钢在加热时的奥固态相变的形核与长大（钢在加热时的奥氏体转变）。氏体转变）。问题的引出：问题的引出：1.什么是热处理？2.热处理的作用？将固态金属通过特定的将固态金属通过特定的加热和冷却，使之发生加热和冷却，使之发生组织转变以获得所需性组织转变以获得所需性能的一种工艺过程。能的一种工艺过程。p 材料科学的发展历史材料科学的发展历史材料与人类的生活息息相关u工程上 桥梁，机械，船舶，航天，兵器等u日常生活中1.2 金属热处理在现代工业中的地位金属热处理在现代工业中的地位u冶金，机械，航空，兵器等工业部门不可缺冶金，机械，航空，兵器等工业部门不可缺少的技术；少的技术；u提高产品质量和寿命的关键

3、工序；提高产品质量和寿命的关键工序；u发挥金属材料潜力，达到机械零部件轻量化发挥金属材料潜力，达到机械零部件轻量化的重要手段；的重要手段；u为开发新型材料提供了基础。为开发新型材料提供了基础。成分成分工艺工艺性能性能材料的三要素材料的三要素1.3 热处理的发展概况热处理的发展概况民间技艺阶段民间技艺阶段实验技术科学阶段实验技术科学阶段理论科学阶段理论科学阶段西汉时代已有淬火处理的钢西汉时代已有淬火处理的钢剑（辽宁三道壕出土）剑（辽宁三道壕出土）炼钢赤刀，用之切玉如泥焉炼钢赤刀，用之切玉如泥焉n 明代宋应星明代宋应星天工开物天工开物十十九九世世纪纪后后期期，钢钢加加热热/冷冷却却时时，内内部部组

4、组织织变变化化性能变化的内部原因性能变化的内部原因 英国英国 Robert Austen Fe-CRobert Austen Fe-C相图相图 德国德国 AdophAdoph Martens Martens 金相显微镜金相显微镜 austenite austenite martensitemartensite 马氏体相变理论马氏体相变理论 新的新的强韧化工化工艺1.4 1.4 本课程的主要内容，学习的意义，目的，方法本课程的主要内容，学习的意义，目的，方法p主要内容主要内容金属固态相变基础金属固态相变基础钢中奥氏体的形成钢中奥氏体的形成珠光体，马氏体，贝氏体转变珠光体，马氏体，贝氏体转变钢的过

5、冷奥氏体转变图钢的过冷奥氏体转变图钢的回火转变钢的回火转变钢的退火，正火，淬火与回火钢的退火，正火，淬火与回火p学习的意义学习的意义系统地掌握金属热处理的基本原理和工艺方系统地掌握金属热处理的基本原理和工艺方法法；加深对热处理规律的认识；加深对热处理规律的认识；培养学生应用所学知识去分析和解决实际问培养学生应用所学知识去分析和解决实际问题的能力。题的能力。p学习的方法学习的方法 理论联系实际理论联系实际 参考书：参考书：1.田荣璋田荣璋.金属热处理金属热处理.冶金工业出版社，冶金工业出版社，1985年；年；2.王希琳王希琳.金属材料及热处理金属材料及热处理.水利电力出版社，水利电力出版社，19

6、92年；年；3夏立芳编夏立芳编.金属热处理工艺学金属热处理工艺学.哈尔滨工业大学出哈尔滨工业大学出版社版社,2005年。年。考试方式考试方式考试采取闭卷形式。考核方式：笔试（考试采取闭卷形式。考核方式：笔试（50%），实），实验（验（30%），平时成绩（），平时成绩（20%）第一章第一章 奥氏体的形成奥氏体的形成1.1 奥氏体及其形成机理奥氏体及其形成机理1.1.1 奥氏体奥氏体的的结构结构及其存在范围及其存在范围图图2-1 奥氏体的单胞奥氏体的单胞n 奥氏体是奥氏体是碳碳溶于溶于-Fe 中的中的间隙固溶体隙固溶体n 碳碳原原子子位位于于八八面面体体间隙隙中中心心，即即FCC晶晶胞的中心或棱胞

7、的中心或棱边的中点的中点n 八面体八面体间隙半径隙半径 0.52 碳原子半径碳原子半径 0.77 点点阵畸畸变统计分布，浓度起伏图图2-2 Fe-C 相图相图n 奥奥氏氏体体相相区区：NJESGN包围的区域包围的区域 GS线线-A3线线 ES线线-Acm线线 PSK线线-A1线线n 碳碳在在奥奥氏氏体体中中的的最最大大溶溶解度为解度为2.11wt%(10at%)n 碳碳原原子子的的溶溶入入使使-Fe的的点点阵阵畸畸变变，点点阵阵常常数数随随碳碳含量的增加而增大含量的增加而增大1.1.2 奥氏体的奥氏体的性能性能n 奥奥氏氏体体的的比比容容最最小小，线线膨膨胀胀系系数数最最大大，且且为为顺顺磁磁

8、性性（无无磁磁性性）。利利用用这这一一特特性性可可以以定定量量分分析析奥奥氏氏体体含含量量，测定相变开始点，制作要求热膨胀灵敏的仪表元件。测定相变开始点，制作要求热膨胀灵敏的仪表元件。n 奥奥氏氏体体的的导导热热系系数数较较小小，仅仅比比渗渗碳碳体体大大。为为避避免免工工件的变形，不宜采用过大的加热速度。件的变形，不宜采用过大的加热速度。n 奥奥氏氏体体塑塑性性很很好好，S 较较低低，易易于于塑塑性性变变形形。故故工工件件的加工常常加热到奥氏体单相区进行。的加工常常加热到奥氏体单相区进行。1.1.3 奥氏体形成的奥氏体形成的热力学条件热力学条件图图2-3 自由能和温度关系图自由能和温度关系图G

9、=V Gv+S+V-Gd (2-1)-Gd-在晶体缺陷处形核在晶体缺陷处形核引起的自由能降低引起的自由能降低n 相相变变必必须须在在一一定定的的过过热热度度T下下，使使得得GV 0，才才能能得得到到GM）（2）加热速度）加热速度u 对具有非平衡组织的合金钢：对具有非平衡组织的合金钢：慢速加热或快速加热，容易出现组织遗传；中速加热可能避免出现组织遗传；3.奥氏体晶粒的反常细化反常细化 过热粗大组织冷却后得到的非平衡组织以快速或慢速加热至Ac3以上的正常加热温度，有可能得到粗大的奥氏体晶粒，出现组织遗传，但如果加热到更高的温度（Ac3+100200），则奥氏体晶粒不仅不粗化，反而形成了细小的，晶体

10、学位向不同的奥氏体晶粒，这种现象称为奥氏体晶粒的反常细化。非相变奥氏体的自发再结晶4.控制控制粗大奥氏体晶粒遗传的方法 （1）对非平衡组织非平衡组织的过热钢，可以采用中中速加热速加热，得到细小的奥氏体晶粒 （2）对非平衡组织的过热钢，在淬火前先进行一次退火或高温回火一次退火或高温回火 （3）利用奥氏体的自发再结晶自发再结晶，快速加热至临界点以上100200，然后淬火 （4）对低合金钢，可采用多次正火多次正火使过热得到校正。思考思考 实际晶粒度表示钢在一定条件下奥氏体晶实际晶粒度表示钢在一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向性，因钢种及冶炼方法的不粒长大的倾向性，因钢种及冶炼方法的不同而异。同而异。作作

11、 业业1.名词解释：起始晶粒度；实际晶粒度；本质晶粒名词解释：起始晶粒度；实际晶粒度；本质晶粒度；遗传；组织遗传度；遗传；组织遗传2.简要叙述影响奥氏体形成速度的因素。简要叙述影响奥氏体形成速度的因素。3.与等温形成过程相比，连续加热时奥氏体形成的与等温形成过程相比，连续加热时奥氏体形成的特点。特点。4.简述影响奥氏体晶粒长大的因素。简述影响奥氏体晶粒长大的因素。5.预习。预习。第二章第二章 珠光体相变珠光体相变2.1 珠光体的组织形态与性能特点珠光体的组织形态与性能特点2.1.1 过冷奥氏体转变过冷奥氏体转变图图3-1 TTT 曲线曲线n 过过冷冷奥奥氏氏体体等等温温转转变变动动力力学学图图

12、，TTT曲曲线线，C曲曲线，线，IT曲线。曲线。n 反反映映温温度度-时时间间-转转变变量量三者之间的关系。三者之间的关系。图图3-2 共析碳钢共析碳钢 C 曲线曲线Mf高温高温中温中温低温低温n A1 550，Fe、C原子均可扩散。原子均可扩散。n 共共析析分分解解成成珠珠光光体体-铁铁素素体体与与渗渗碳碳体两相层片状机械混合物。体两相层片状机械混合物。n 珠珠光光体体团团(或或领领域域)-片片层层方方向向大大致致相相同同的的珠珠光光体体，在在一一个个奥奥氏氏体体晶晶粒粒内内可可以形成以形成35个珠光体团。个珠光体团。（1 1）高温转变）高温转变图图2-3 层片状珠光体示意图层片状珠光体示意

13、图原奥氏体晶界原奥氏体晶界珠光体团珠光体团（2）中温转变）中温转变n 550 220，C 原原子子可可扩扩散散，Fe原原子子不不能扩散。能扩散。n 形形成成贝贝氏氏体体-过过饱饱和和铁铁素素体体与与渗渗碳碳体体的的非非层片状层片状 混合物。混合物。上上贝贝氏氏体体：550 稍稍下下形形成成，羽羽毛毛状状。在在平平行铁素体板条间分布有不连续的杆状渗碳体。行铁素体板条间分布有不连续的杆状渗碳体。下下贝贝氏氏体体：220 稍稍上上形形成成，针针状状。在在针针状状铁素体内分布有细小渗碳体。铁素体内分布有细小渗碳体。图图3-4 (a)上贝氏体上贝氏体 X600 (b)下贝氏体下贝氏体 X400n 非非扩

14、扩散散型型相相变变：Fe、C原原子子均均不不发发生生扩扩散散，生生成成的的马马氏氏体体与与原原奥奥氏氏体体成成分分相相同。同。n 马氏体：碳在马氏体：碳在-Fe中的过饱和固溶体。中的过饱和固溶体。n 马马氏氏体体相相变变是是变变温温型型相相变变，相相变变开开始始点点 Ms，终了点，终了点 Mf。（3）低温转变）低温转变图图3-5 (a)低碳钢中的板条马氏体低碳钢中的板条马氏体(X80)(b)高碳钢中的针状高碳钢中的针状(片状片状)马氏体马氏体(X400)2.1.2 珠光体的组织形态珠光体的组织形态 珠光体珠光体：由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。：由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。珠光体团珠光

15、体团：若干大致平行的铁素体与渗碳体片：若干大致平行的铁素体与渗碳体片 组成一个珠光体领域，也称珠光体团。组成一个珠光体领域，也称珠光体团。珠光体片层间距珠光体片层间距：珠光体中一对铁素体片与渗碳：珠光体中一对铁素体片与渗碳 体片的厚度之和。体片的厚度之和。形成温度形成温度()片层间距片层间距(nm)珠光体珠光体 P Ar1 650 150 450索氏体索氏体 S 650 600 80 150屈氏体屈氏体 T 600 550 30 80（2）粒状珠光体）粒状珠光体n 铁素体基体上分布着铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体颗粒状渗碳体的组织称为的组织称为 粒状珠光体，也叫粒状珠光体，也叫球状球状珠光体。

16、珠光体。（1）片状珠光体：渗碳体为片状的珠光体。）片状珠光体：渗碳体为片状的珠光体。2.1.3 珠光体的片层间距珠光体的片层间距 S0 n 珠珠光光体体的的片片层层间间距距与与转转变变温温度度有有关关，与与过过冷冷度度成成反比。反比。图图3-1 珠光体片层间距珠光体片层间距S0 定义：珠光体中一对铁素体片与渗碳体片的厚度之和。定义：珠光体中一对铁素体片与渗碳体片的厚度之和。在在一一定定的的过过冷冷度度下下，若若S0过过大大，原原子子所所需需扩扩散散的的距距离离就就要要增增大大，这这将将使使转转变发生困难。变发生困难。若若S0过过小小，由由于于相相界界面面面面积积增增大大，使使界界面面能能增增大

17、大，这这时时GV不不变变，这这会会使使相相变变驱驱动动力力降降低低，也也会会使使相相变变不不易易进进行。所以一定的行。所以一定的T对应一定的对应一定的 S0。n 原因：原因：n 原因：原因：T 愈愈大大，碳碳在在奥奥氏氏体体中中的的扩扩散散能能力力愈愈小小，扩扩散散距距离离变变短短。另另外外，GV 会会变变大大，可可以以增增加加较较多多的的界界面面能能，所所以以 S0 会变小。会变小。n 原原奥奥氏氏体体晶晶粒粒大大小小对对 S0 无无明明显显影影响响。但但原原奥奥氏氏体体晶晶粒粒越越细细小小，珠珠光光体体团团直直径径也越细小。也越细小。位向关系位向关系u珠光体形成时，新相（渗碳体与铁素体）与

18、母相（奥氏体）有着一定的晶体学位向关系，使新相和母相原子在界面上能够较好匹配。铁素体与奥氏体之间保持K-S关系：渗碳体与奥氏体之间保持Pitsch关系：2.1.4 珠光体的珠光体的力学性能力学性能n 片状珠光体的塑性变形基本上发生在铁素体片层内，渗片状珠光体的塑性变形基本上发生在铁素体片层内，渗碳体对位错滑移起阻碍作用，位错最大滑移距离等于片层碳体对位错滑移起阻碍作用，位错最大滑移距离等于片层间距间距S0 。n 片层间距片层间距S0 愈小，强度、硬度愈高，愈小，强度、硬度愈高，符合符合Hall-Petch 关系：关系：s=0+kS0-1 n 粒状珠光体的屈服强度取决于铁素体的晶粒大小粒状珠光体

19、的屈服强度取决于铁素体的晶粒大小(直径直径 df），），也也符合符合Hall-Petch 关系：关系：s=0+kdf-1/2 2.2 珠光体转变的机理珠光体转变的机理 2.2.1 珠光体形成的热力学珠光体形成的热力学图图3-2 自由能自由能-成分曲线成分曲线n 在在A1（T1）温温度度，、Fe3C 三三相相的的自自由由能能-成成分分曲曲线有一共切线。线有一共切线。n 在在A1温温度度以以下下温温度度T2，、Fe3C 三三相相间间可可作作三三条条共共切切线线，共共析析成成分分的的奥奥氏氏体体的的自由能在三条共切线之上。自由能在三条共切线之上。（1）珠光体形成时的领先相）珠光体形成时的领先相n 从

20、热力学上讲，铁素体与渗碳体都可能成为领从热力学上讲，铁素体与渗碳体都可能成为领先相。先相。n 共析与过共析钢中，渗碳体为领先相。共析与过共析钢中，渗碳体为领先相。n 亚共析钢中，铁素体为领先相。亚共析钢中，铁素体为领先相。2.2.2 片状珠光体的形成机制片状珠光体的形成机制 n 珠光体相变是扩散型相变、属形核长大型。珠光体相变是扩散型相变、属形核长大型。珠光体的形核：珠光体的形核：在在奥奥氏氏体体晶晶界界上上先先形形成成一一小小片片渗渗碳碳体体（长长成成片片状状是是为为了了减减少少应应变变能能），通通过过邻邻近近奥奥氏体不断供应碳原子而长大。氏体不断供应碳原子而长大。(0.77%C)(0.02

21、18%C)+Fe3C(6.69%C)(面心立方面心立方)(体心立方体心立方)(复杂斜方复杂斜方)珠光体的纵向长大：珠光体的纵向长大：由由于于形形成成了了/，/Fe3C相相界界面面，在在相相界界面面前前沿沿相相中中产产生生浓浓度度差差C-C-k，从从而而引引起起碳碳原原子子由由前前沿沿向向Fe3C前前沿沿扩扩散散，扩扩散散的的结结果果破破坏坏了了相相界界面面的的碳碳浓浓度度平平衡衡，为为了了恢恢复复碳碳浓浓度度平平衡衡，渗渗碳碳体体和和铁铁素素体体就就要要向向奥奥氏氏体体中中纵纵向长大。向长大。珠光体的横向生长：珠光体的横向生长：Fe3C的的横横向向生生长长使使周周围围奥奥氏氏体体产产生生贫贫碳

22、碳区区，当当碳碳浓浓度度下下降降到到C-k时时，在在Fe3C两两侧侧通通过过点点阵阵重重构构，形形成成两两小小片片铁铁素素体体。同同样样，铁铁素素体体的的横横向向生生长长也也将将产产生生富富碳碳区区，这这又又促促使使渗渗碳碳体体片片的的形形核核生生长长。如如此此协协调调地地交交替替形形核核生生长长，从而形成铁素体、渗碳体片相间的层片组织。从而形成铁素体、渗碳体片相间的层片组织。珠光体的横向生长：珠光体的横向生长：铁铁素素体体片片由由于于其其两两侧侧渗渗碳碳体体片片的的形形成成而而停停止止横横向向增增厚厚，渗渗碳碳体体片片的的横横向向生生长长亦亦然然，故故珠珠光光体体的横向生长很快就停止。的横向

23、生长很快就停止。在珠光体生长的后期，会出现分枝长大现象。在珠光体生长的后期，会出现分枝长大现象。3.2.3 球状珠光体的形成机制球状珠光体的形成机制 图图2-5 母相中的第二相母相中的第二相母相母相-Fe第二相第二相 Fe3CCr=C-k 由由于于片片状状渗渗碳碳体体的的表表面面积积大大于于同同体体积积的的球球状状渗渗碳碳体体，在在球球化化退退火火时时，将将会会自自发发球球化。化。与与渗渗碳碳体体尖尖角角接接壤壤处处的的铁铁素素体体碳碳浓浓度度 C-k 大大于于与与平平面面接接壤壤处处的的碳碳浓浓度度，在在铁铁素素体体内内将将引引起起碳碳原原子子扩扩散散，结结果果界界面面碳碳浓浓度度平平衡衡被

24、被打打破破，为为维维持持碳碳浓浓度度平平衡衡，渗渗碳碳体体尖尖角角处处会会溶溶解解，而而平平面面处处会会向向外外生生长长，最最后后形形成各处曲率半径相近的粒状渗碳体成各处曲率半径相近的粒状渗碳体。图图3-6 片状渗碳体溶断机制片状渗碳体溶断机制渗渗碳碳体体片片内内亚亚晶晶界界的的存存在在，会会产产生生一一界界面面张张力力，为为保保持持界界面面张张力力平平衡衡，在在亚亚晶晶界界处处会会出出现现沟沟槽槽。由由于于沟沟槽槽两两侧侧曲曲率率半半径径较较小小，此此处处渗渗碳碳体体将将溶溶解解，而而使使曲曲率率半半径径增增大大，破破坏坏了了界界面面张张力力的的平平衡衡，为为恢恢复复平平衡衡，沟沟槽槽将将进

25、进一一步步加加深深，直直至至渗渗碳碳体体溶断。溶断。图图3-7 片状渗碳体在片状渗碳体在 A1 温度以下球化过程示意图温度以下球化过程示意图当当奥奥氏氏体体化化不不充充分分时时，也也会会以以未未溶溶颗颗粒粒状状渗渗碳碳体体作作为为形形核核核核心心，直直接接形形成成球球状状珠光体。珠光体。生产中球化退火和调质处理均可得到粒状珠光体生产中球化退火和调质处理均可得到粒状珠光体 对有网状碳化物的过共析钢，一般应先进对有网状碳化物的过共析钢，一般应先进行正火以消除网状碳化物，然后再进行球行正火以消除网状碳化物，然后再进行球化退火：化退火：u有网状碳化物的过共析钢在Ac1Ac3之间加热时，网状碳化物也会发

26、生断裂和球化，但所得碳化物颗粒较大，且往往呈多角形，“一”字形或“人”字形；u网状碳化物为先共析相，采用正常的球化退火无法消除网状碳化物，为使其断裂，球化所需的温度应高于正常球化退火温度。2.3 珠光体转变的动力学珠光体转变的动力学2.3.1 形核率形核率n 形形成成温温度度较较高高时时，扩扩散散较较易易，形形核核功功起起主主导导作作用用，由由于于温温度度降降低低，形形核核功功下下降降，故故形形核核率率增增加加。至至一一定定温温度度时时，扩扩散散起起主主导导作作用用，温温度度降降低低，扩扩散困难，形核率下降。散困难，形核率下降。n 形核率随转变温度的降低先增后减，在形核率随转变温度的降低先增后

27、减，在550附近有一极大值。附近有一极大值。图图3-8 形核率与转变温度的关系形核率与转变温度的关系5503.3.2 长大速度长大速度图图3-8 长大速度与转变温度的关系长大速度与转变温度的关系550n 长长大大速速度度随随转转变变温温度度的的降降低低也也是是先先增增后后减减，在在550附附近近也有一极大值。也有一极大值。3.3.3 珠光体转变动力学曲线珠光体转变动力学曲线图图3-9 珠光体转变的动力学曲线珠光体转变的动力学曲线n 当当N、G不不随随转转变变时时间间改改变变时时，Johnson-Mehl方程方程：n 当当N随随转转变变时时间间改改变变时时，Avrami方程方程：从上图可以看出：

28、1.各温度下的转变都有孕育期；2.随温度的降低，孕育期先减小后增加；3.转变温度一定时，转变速度随时间先增加后减小，在50%处达到最大；4.亚共析钢左上方有一条先共析铁素体析出线；5.过共析钢左上方有一条先共析渗碳体析出线。(a)(b)图图3-10 亚共析钢亚共析钢(a)和过共析钢和过共析钢(b)的的C曲线曲线 含碳量含碳量 亚共析钢：亚共析钢：C%，铁素体形核率，铁素体形核率；另外，相变另外，相变 驱动力驱动力G-，所以珠光体转变，所以珠光体转变 速度下降，速度下降，C 曲线右移。曲线右移。3.3.4 影响珠光体转变动力学的因素影响珠光体转变动力学的因素（1）钢的化学成分）钢的化学成分n 若

29、若加加热热温温度度高高于于Accm：C%，渗渗碳碳体体形形核核率率升升高高；另另外外，碳碳在在奥奥氏氏体体中中的的扩扩散散系系数数增增大大，从从而而使使珠光体的孕育期缩短，转变加速，珠光体的孕育期缩短，转变加速，C曲线左移。曲线左移。n 若若加加热热温温度度在在Ac1Accm：C%，获获得得不不均均匀匀奥奥氏氏体体及及Fe3C，有有利利于于珠珠光光体体的的形形核核，故故孕孕育育期期缩缩短，转变加速，短，转变加速，C曲线左移。曲线左移。过共析钢：钢的碳含量钢的碳含量奥氏体的碳含量奥氏体的碳含量 合金元素合金元素 除除Co以以外外，只只要要合合金金元元素素溶溶入入奥奥氏氏体体中中，均均使使奥奥氏氏

30、体体的的稳稳定定性性增增大大，从从而而减减慢慢奥奥氏氏体体分分解为珠光体，解为珠光体，C曲线右移。曲线右移。n 在碳钢中共析钢过冷奥氏体最稳定，在碳钢中共析钢过冷奥氏体最稳定，C曲曲线最靠右。线最靠右。u通过影响碳在奥氏体中的扩散速度，影响珠光体转变动力学；u改变奥氏体向铁素体同素异构转变的速度u通过合金元素在奥氏体中的扩散与再分配u通过改变临界点u通过影响珠光体的形核率和长大速度u通过改变界面能合金元素改变珠光体转变动力学的途径合金元素改变珠光体转变动力学的途径n 奥奥氏氏体体成成分分的的不不均均匀匀，有有利利于于高高碳碳区区形形成成Fe3C，低低碳碳区区形形成成铁铁素素体体，并并加加速速碳

31、碳原原子子的扩散，从而加速先共析相及珠光体的形成。的扩散，从而加速先共析相及珠光体的形成。n 未未溶溶渗渗碳碳体体的的存存在在，既既可可作作为为先先共共析析渗渗碳碳体体的的晶晶核核，亦亦可可作作为为珠珠光光体体领领先先相相渗渗碳碳体体的的晶核，故可加速珠光体的形成。晶核，故可加速珠光体的形成。（2）奥氏体的均匀化程度和残余碳化物（3）钢的原始组织）钢的原始组织n 原始组织越粗大，珠光体形成速度就越快。原始组织越粗大，珠光体形成速度就越快。（5）奥氏体化加热温度和保温时间）奥氏体化加热温度和保温时间n 奥奥氏氏体体化化温温度度越越高高，保保温温时时间间越越长长，奥奥氏氏体体晶晶粒粒尺尺寸寸越越大

32、大，并并且且成成分分趋趋于于均均匀匀化化，减减少少了了珠珠光光体体形形核核所所需需的的浓浓度度起起伏伏和和形形核核位位置置，从从而而减慢珠光体的形成，使减慢珠光体的形成，使C曲线右移。曲线右移。（4）奥氏体晶粒度）奥氏体晶粒度n 奥奥氏氏体体晶晶粒粒的的细细化化，可可增增加加珠珠光光体体的的形形核核位位置，从而促进珠光体的形成。置，从而促进珠光体的形成。n 拉拉应应力力和和塑塑性性变变形形造造成成点点阵阵畸畸变变和和位位错错密密度度增增高高，显显著著提提高高了了珠珠光光体体的的形形核核率率，促促进进珠珠光光体体转转变变，使使C曲曲线线左左移移。塑塑性性形形变变温温度度越越低低，变变形形程程度越

33、大，这种加速作用越显著。度越大，这种加速作用越显著。n 在在等等向向压压应应力力作作用用下下，由由于于原原子子迁迁移移阻阻力力增增 大大，阻阻碍碍了了 Fe、C 原原子子的的扩扩散散，同同时时点点阵阵改改组组的阻力也增大，所以将减慢珠光体的形成。的阻力也增大，所以将减慢珠光体的形成。（6）应力和塑性变形3.4 先共析转变和伪共析转变3.4.1 先共析转变先共析转变研究对象研究对象：亚共析钢或过共析钢亚共析钢或过共析钢定义定义：非共析成分的奥氏体在珠光体转变之前析非共析成分的奥氏体在珠光体转变之前析出先共析相的转变称为出先共析相的转变称为先共析转变先共析转变。u析出的先共析铁素体的量取决于奥氏体

34、的碳含量析出的先共析铁素体的量取决于奥氏体的碳含量和冷却速度。碳含量越高，冷速越大，析出的先共和冷却速度。碳含量越高，冷速越大，析出的先共析铁素体量越少。析铁素体量越少。u先共析铁素体的析出是一个形核和长大的过程。先共析铁素体的析出是一个形核和长大的过程。u成核位置：奥氏体晶界成核位置：奥氏体晶界3.4.2 亚共析钢先共析铁素体的析出n 在在奥奥氏氏体体晶晶界界上上形形成成的的晶晶核核，一一侧侧为为共共格格，另另一侧为非共格。一侧为非共格。（1）形形成成温温度度较较高高时时，非非共共格格晶晶界界易易迁迁移移，向向奥奥氏体晶粒一侧长成球冠状。氏体晶粒一侧长成球冠状。若若原原奥奥氏氏体体含含碳碳量

35、量较较高高，析析出出的的铁铁素素体体量量较较少少，则铁素体易长成网状。则铁素体易长成网状。若若原原奥奥氏氏体体含含碳碳量量较较低低，析析出出的的铁铁素素体体量量较较多多，且且单单位位体体积积排排出出的的碳碳原原子子较较少少，非非共共格格界界面面更更易易迁移，铁素体长入奥氏体呈块状分布。迁移，铁素体长入奥氏体呈块状分布。（2）形形成成温温度度较较低低时时，铁铁原原子子不不易易作作长长距距离离扩扩散散，使使非共格晶界不易迁移，这时主要依靠非共格晶界不易迁移，这时主要依靠共格界面共格界面迁移。迁移。n 铁铁素素体体晶晶核核将将通通过过共共格格界界面面向向与与其其有有位位向向关关系系的的奥奥氏氏体体晶

36、晶粒粒内内长长大大，为为减减小小应应变变能能，铁铁素素体体呈呈片片状状沿沿奥奥氏氏体体某某一一晶晶面面向向晶晶粒粒内内生生长长，该该惯惯习习面面为为 111。所所以以片片状状铁素体常常呈现为彼此平行，或互成铁素体常常呈现为彼此平行，或互成60、90角。角。n 这种先共析片状铁素体通常称为这种先共析片状铁素体通常称为魏氏组织铁素体魏氏组织铁素体。先共析铁素体的形态先共析铁素体的形态块状块状：与奥氏体无共格关系：与奥氏体无共格关系网状网状：与奥氏体无共格关系：与奥氏体无共格关系片状片状：与奥氏体保持共格关系：与奥氏体保持共格关系化学成分化学成分奥氏体晶粒大小奥氏体晶粒大小冷却速度冷却速度长大方式长

37、大方式形状形状3.4.3 过共析钢先共析渗碳体的析出过共析钢先共析渗碳体的析出析出区域：析出区域：ESG形态：形态：粒状；网状或针状粒状；网状或针状魏氏组织渗碳体：魏氏组织渗碳体：在奥氏体晶粒粗大，成分在奥氏体晶粒粗大，成分均匀的情况下，粒状的可能性小，一般呈针均匀的情况下，粒状的可能性小，一般呈针状或网状，此时的先共析渗碳体称为魏氏组状或网状，此时的先共析渗碳体称为魏氏组织渗碳体。织渗碳体。3.4.4 伪共析转变伪共析转变定义：定义：非共析成分的奥氏体经快冷而进入非共析成分的奥氏体经快冷而进入ESG区域后将发生共析转变，即分解为铁素体与渗区域后将发生共析转变，即分解为铁素体与渗碳体的混合组织

38、，这种共析转变称为伪共析转变。碳体的混合组织，这种共析转变称为伪共析转变。伪共析组织仍属于珠光体类型的组织；伪共析组织仍属于珠光体类型的组织；伪共析转变的分解机制及分解产物的组织特征伪共析转变的分解机制及分解产物的组织特征 与珠光体转变完全相同。与珠光体转变完全相同。伪共析组织中铁素体和渗碳体的量与珠光体伪共析组织中铁素体和渗碳体的量与珠光体 中的量不同。奥氏体的碳含量越高，渗碳体的中的量不同。奥氏体的碳含量越高，渗碳体的 量就越多。量就越多。l产生伪共析转变的条件产生伪共析转变的条件奥氏体的碳含量奥氏体的碳含量过冷度过冷度含碳量越接近共析成含碳量越接近共析成分，过冷度越大，越分，过冷度越大，

39、越容易发生伪共析转变容易发生伪共析转变3.4.5 魏氏组织魏氏组织1.定义：定义：工业上将具有针状先共析铁素体或工业上将具有针状先共析铁素体或2.先共析渗碳体加珠光体的组织叫先共析渗碳体加珠光体的组织叫魏氏组织。魏氏组织。l前者叫铁素体魏氏组织，后者称为渗碳体前者叫铁素体魏氏组织，后者称为渗碳体 魏氏组织。魏氏组织。一次魏氏组织铁素体：一次魏氏组织铁素体：从从奥氏体中奥氏体中直接析出的直接析出的针状先共析铁素体。针状先共析铁素体。二次魏氏组织铁素体：二次魏氏组织铁素体：从从网状铁素体网状铁素体长出的长出的针状先共析铁素体。针状先共析铁素体。图图3-13 一次魏氏组织铁素体一次魏氏组织铁素体 d

40、)二次魏氏组织铁素体二次魏氏组织铁素体 e)2.魏氏组织的形态u 亚共析钢中的魏氏组织铁素体，单个的形貌是针状；u按它们的分布状态来看，则有羽毛状的；三角形的，也可能是几种形态混合。3.魏氏组织的形成条件和基本特征形成条件和基本特征u魏氏组织铁素体是按成核，长大机理形成的，魏氏组织铁素体的尺寸随等温时间的延长而增大；u魏氏组织铁素体形成时，也会产生表面浮凸现象；u魏氏组织铁素体是沿奥氏体中一定的晶面析出的，惯习面为（111），并于奥氏体之间存在K-S位向关系。u魏氏组织的形成有一个上限温度Ws点。在这个温度以上，魏氏组织不能形成。奥氏体晶粒越细，Ws点越低。u奥氏体晶粒越粗大，越容易形成魏氏组

41、织。u当钢的碳含量超过0.6%时，魏氏组织铁素体较难形成。u在连续冷却时，魏氏组织只在一定冷却速度下才能形成，过慢或过快的冷却速度都会抑制它的产生。u钢中加入Mn，会促进魏氏组织铁素体的形成，而加入Mo；Cr；Si等阻碍魏氏组织的形成。3.魏氏组织的力学性能力学性能u强度降低u塑性和冲击韧性显著降低u韧脆转变温度升高抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）伸长率（%）断面收缩率（%）冲击韧性（J.cm-2）严重魏氏严重魏氏组织组织5243379.517.512.74晶粒细化晶粒细化66944226.151.551.94表表1 魏氏组织对魏氏组织对45钢力学性能的影响钢力学性能的影响u珠光体的强度，

42、硬度高于铁素体，而低于贝氏体，渗碳体和马氏体；u塑性和韧性则高于贝氏体，渗碳体和马氏体；3.5 珠光体的力学性能珠光体的力学性能化学成分化学成分热处理工艺热处理工艺力学性能力学性能1.片状珠光体的力学性能硬度：160280HBW抗拉强度：784882MPa伸长率：20%25%钢中珠光体的力学性能，主要决定于钢的钢中珠光体的力学性能，主要决定于钢的化学成分和热处理后所获得的组织形态。化学成分和热处理后所获得的组织形态。片状珠光体的力学性能与珠光体的片间距，珠片状珠光体的力学性能与珠光体的片间距，珠光体团的直径以及珠光体中铁素体片的亚晶粒光体团的直径以及珠光体中铁素体片的亚晶粒尺寸有关。尺寸有关。

43、随珠光体团直径及片间距的减小，珠光体的随珠光体团直径及片间距的减小，珠光体的强度，硬度及塑性将升高。强度，硬度及塑性将升高。共析成分的片状珠光体的力学性能主要取决于共析成分的片状珠光体的力学性能主要取决于奥氏体化温度以及珠光体形成温度。奥氏体化温度以及珠光体形成温度。强度和硬度随片层间距减小而增大的原因：位错强度和硬度随片层间距减小而增大的原因：位错 塞积和运动塞积和运动塑性塑性冲击韧性：极小值冲击韧性：极小值2.粒状珠光体的性能粒状珠光体的性能 成分相同时，比片状珠光体强度硬度稍低，但塑成分相同时，比片状珠光体强度硬度稍低，但塑性较好；性较好；疲劳强度比片状珠光体高；疲劳强度比片状珠光体高；

44、可切削性，冷挤压时成形性好，加热淬火时变形，可切削性，冷挤压时成形性好，加热淬火时变形，开裂倾向小；开裂倾向小；其性能还取决于碳化物颗粒的大小，形态与分布。其性能还取决于碳化物颗粒的大小，形态与分布。3.铁素体+珠光体的力学性能u固溶强化元素的含量（C；Mn；Si；N）u显微组织中铁素体和珠光体的相对量u铁素体晶粒的直径u珠光体的片层间距（1）强度，硬度（2）塑性（3）冲击韧性4.形变珠光体的力学性能派登脱处理：高碳钢或中碳钢高碳钢或中碳钢Ar1以下的铅浴中等温以下的铅浴中等温奥氏体化奥氏体化获得索氏体获得索氏体进行深度冷拔进行深度冷拔优异的强韧性配合优异的强韧性配合索氏体具有良好的冷拔性能的

45、原因：索氏体具有良好的冷拔性能的原因：片层间距小，使位错沿最短途径滑移的可能性增加；片层间距小，使位错沿最短途径滑移的可能性增加；渗碳体片很薄，在进行较强塑性变形时它能够产生弹渗碳体片很薄，在进行较强塑性变形时它能够产生弹 性弯曲和塑性变形。性弯曲和塑性变形。深度冷变形可使索氏体产生显著强化的原因深度冷变形可使索氏体产生显著强化的原因铁素体内的位错密度大大增加；铁素体内的位错密度大大增加；铁素体的亚晶粒明显细化，点阵畸变明显增大；铁素体的亚晶粒明显细化，点阵畸变明显增大；渗碳体部分溶解脆化，使铁素体含碳量过饱和，渗碳体部分溶解脆化，使铁素体含碳量过饱和，产生更大的固溶强化。产生更大的固溶强化。

46、冷变形越大，铁素体内的位错密度增加的幅度也冷变形越大，铁素体内的位错密度增加的幅度也越大，亚晶粒细化越明显，铁素体含碳量过饱和越大，亚晶粒细化越明显，铁素体含碳量过饱和度越大，强化效果越明显。度越大，强化效果越明显。3.6 钢中碳化物的相间沉淀钢中碳化物的相间沉淀1.定义：定义：含有强碳（氮）化物形成元素的过冷奥氏体，含有强碳（氮）化物形成元素的过冷奥氏体，2.在珠光体转变之前或转变过程中可能发生纳米碳（氮）在珠光体转变之前或转变过程中可能发生纳米碳（氮）3.化物的析出，称为相间析出，又称相间沉淀。化物的析出，称为相间析出，又称相间沉淀。2.相间沉淀的条件：相间沉淀的条件：含碳量低并有强碳化物

47、形成元素（含碳量低并有强碳化物形成元素（Mo；Nb；V；Ti）碳及合金元素均溶于奥氏体中碳及合金元素均溶于奥氏体中 奥氏体化温度适宜奥氏体化温度适宜 在一定温度范围内（在一定温度范围内（800500）冷却速度适中冷却速度适中3.相间沉淀产物的形态与性能u相间沉淀的组织特征：铁素体中有呈带状分布的粒状珠光体u相间沉淀产物的性能主要取决于细晶强化；沉淀强化和固溶强化，并以沉淀强化和细晶强化为主。作业作业1.名词解释：珠光体；珠光体团；魏氏组织；先共析转变；组织遗传2.试述在实际生产中如何防止粗大奥氏体晶粒遗传？3.以共析钢为例，试述片状珠光体的转变机制，并用铁碳相图说明片状珠光体形成时碳的扩散行为

48、（要求绘图）。4.影响珠光体转变的动力学因素有哪些？5.珠光体片层间距大小与哪些因素有关？对机械性能有何影响？6.先共析铁素体析出的形态有几种？先共析渗碳体析出的形态有几种？对机械性能有何影响？7.何谓相间沉淀？相间沉淀的条件是什么？相间沉淀钢的强度由哪几种基本强化机制提供？其中哪些强化机制贡献最大？马马氏氏体体：碳碳在在-Fe 中中的的过过饱饱和和间间隙隙固固溶溶体体，具具有体心正方点阵结构。有体心正方点阵结构。n 成分与母相奥氏体相同，为一种亚稳相。成分与母相奥氏体相同，为一种亚稳相。n 碳碳原原子子位位于于-Fe的的bcc扁扁八八面面体体间间隙隙中中心心，即即点阵各棱边中央和面心位置。点

49、阵各棱边中央和面心位置。n 体心正方点阵体心正方点阵 bct-马氏体。马氏体。第四章 马氏体相变4.1 马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构一、定义一、定义图图4-1 奥氏体的正八面体间隙奥氏体的正八面体间隙 a)马氏体的扁八面体间隙马氏体的扁八面体间隙 b)扁八面体扁八面体：u 长轴为长轴为 ，短轴为，短轴为c u-Fe点点阵阵中的中的这这个扁八面体个扁八面体间间隙在短隙在短轴轴方向上的方向上的半径半径仅为仅为0.19埃，而碳原子有效半径埃，而碳原子有效半径为为0.77埃，埃，因此，在平衡状因此，在平衡状态态下，碳在下，碳在-Fe中的溶解度极小中的溶解度极小（0.006%）。）。u一般一般钢钢中

50、中马马氏体的碳含量氏体的碳含量远远远远超超过这过这个数个数值值，所，所以会引起点以会引起点阵发阵发生生严严重畸重畸变变。u短短轴轴方向的方向的铁铁原子原子间间距伸距伸长长36%，而在另外两个，而在另外两个方向方向则则收收缩缩4%，使体心立方，使体心立方变变成体心正方点成体心正方点阵阵。二、马氏体点阵常数和碳含量的关系c、a、及、及 正方度正方度 c/a 与钢中碳含量成线性关系：与钢中碳含量成线性关系：c=a0+P a=a0-P （4-1）c/a=1+P 其中：其中：a0=2.861（-Fe点点阵阵常数）常数）、为为常数常数 P-马马氏体的含碳量（氏体的含碳量（wt%）图图4-2 点阵常数与碳含