新（北科大《工程材料》教学课件）工程材料5.ppt

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1、 一、钢在加热过程中的组织转变 二、钢在冷却过程中的组织转变 第五讲：钢在加热和冷却过程中的组织转变钢的热处理概述概念：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和 冷却，改变整体或表面组织以获得所需性能。目的：1）消除工件上一工序产生的缺陷；2）为下一工序做好组织准备或获得好的最终性能。据统计：机床零件中6070%需热处理；汽车、拖拉机零件中7080%需热处理；轴承、各种工具和模具几乎全部需要热处理。钢的热处理工艺曲线一、钢在加热中的组织转变(Transformation)1.钢在加热和冷却时存在过热、过冷。2.共析钢被加热到Acl以上时，珠光体 转变为奥氏体。过程包括：1）A晶核形成；2）A晶

2、核长大；3）Fe3C溶解于A；4）A晶粒成分均匀化。钢在加热和冷却时，临界转变温度的变化。共析钢：加热获得单一奥氏体。注意：1）对于亚共析和过共析钢的A化与共析钢大体相同：超过Ac3线F转变为A；超过Accm线Fe3C逐渐溶入A中。2）若A刚形成时晶粒细小，冷却后组织也一定细小。故，加热温度不宜太高、时间不宜太长。钢加热温度过高对转变组织的影响奥奥氏氏体体形形成成过过程程FFe3C未溶未溶Fe3CA残余残余Fe3CAAAA 形核形核A 长大长大残余残余Fe3C溶解溶解A 均匀化均匀化奥氏体晶粒长大示意图二、钢在冷却过程中的组织转变 钢在完全A化后，进入冷却过程。所获组织与冷却方式或速度有关。通

3、常有两种方式：1）连续冷却：钢的组织在温度连续下降过程中发生转变；2）等温冷却：A.将钢先冷却到某一临界温度下成为过冷A；B.在该温度下保温，使A发生组织转变；C.转变结束，再冷至室温。钢热处理的两种冷却方式TTT曲线：曲线：（TemperatureTimeTransformation）即：在某一温度下即：在某一温度下A的的转变量与时间关系的曲线。转变量与时间关系的曲线。1.共析钢过冷奥氏体过冷奥氏体的的 T T T曲线（C曲线）曲线）（1）C C曲线的曲线的建立建立1 1）将共析钢加热到奥氏体（）将共析钢加热到奥氏体（A A），），在在ArAr1 1下选择一系列温度保温；下选择一系列温度保温

4、；2 2）记录在各温度下）记录在各温度下A A转变量与保温转变量与保温 时间关系时间关系_转变动力学曲线；转变动力学曲线；3 3）确定不同温度下转变开始时间）确定不同温度下转变开始时间 a a1 1，a a2 2,a,a3 3和转变终了时间和转变终了时间b b1 1 b b2 2,b,b3 3；4 4）将转变）将转变开始点开始点和转变和转变终了点终了点连接连接，即得即得 TTT TTT 曲线。因形状曲线。因形状“C C”，也称为也称为C C曲线。曲线。AP时间时间（2）C C曲曲线线特征特征 （共析钢（共析钢C C曲线）曲线）1）在）在ArAr1 1线以上，线以上，A A稳定，不转变。稳定，不

5、转变。2 2）在在ArAr1 1线线以以下下，C C曲曲线线以以左左为为过过冷冷A区区，转转变变终终了了线线以以右右为为转转变变产产物区，两线间为转变过渡区。物区，两线间为转变过渡区。3）在在不不同同温温度度下下等等温温孕孕育育期期不不同同，C C曲曲线线“鼻鼻尖尖”处处最最短短，鼻鼻尖尖以以上上（ArAr1 1以以下下），随随温温度度孕孕育育期期，因因形形核核驱驱动动力力大大；但但鼻鼻尖尖以以下下，随随温温度度孕孕育育期期。因因原原子子扩扩散散缓慢缓慢（受温度影响受温度影响）。）。A+MAr1 注：注：A转变同时受原子转变同时受原子扩散（温度）和转变驱扩散（温度）和转变驱动力（过冷度）影响。

6、动力（过冷度）影响。A+MAr14）当冷速很快）当冷速很快时，时，A冷至冷至 Ms线线以下，将发生以下，将发生M转变。转变。Ms线为线为M开始开始转变转变线，线，Mf线为线为M转变终转变终了线，两线间为了线，两线间为AM混合区。混合区。三、过冷A转变产物及其性能 1 1.P.P型转变型转变（高温转变）（高温转变）温度范围：温度范围：Ar Ar1 1 550 产物（相）产物（相）：FFe3C 机械混合物机械混合物形貌形貌：片层结构：片层结构：Fe3C片层分布在片层分布在 F基体上，基体上，随着随着转变温度降低，转变温度降低，片间距变小片间距变小。三类转变区：三类转变区：P P型转变区型转变区 B

7、 B型转变区型转变区 M M型转变区型转变区依据依据F/Fe3C片层大小，分为片层大小，分为：珠光体（粗）珠光体（粗）索氏体（细）索氏体（细）屈氏体（托氏体）（很细）屈氏体（托氏体）（很细）珠珠 光光 体体 形形 貌貌 光镜下形貌光镜下形貌貌貌电镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌 索氏体形貌索氏体形貌 屈屈 氏氏 体体 形形 貌貌电镜形貌光镜形貌1.1.共析钢共析钢珠光体型转变产物与性能珠光体型转变产物与性能 性能：随片间距减小，钢强度和硬度增高。性能：随片间距减小，钢强度和硬度增高。转变特点：转变特点：AP转变是在转变是在Fe和和C原子充分扩散后形成的。原子充分扩散后形成的。2 2、B B型

8、转变型转变 （中温转变）（中温转变）1 1）转变特点）转变特点 C C曲线曲线“鼻尖鼻尖”以下（以下（500500以以下），虽相变驱动力较大，但下），虽相变驱动力较大，但温度较低，原子扩散差，仅依温度较低，原子扩散差，仅依靠靠碳碳扩散相变（扩散相变（FeFe不扩散），不扩散），所以发生混合相变所以发生混合相变（半扩散）（半扩散），即即B(BainiteB(Bainite)转变。转变。据转变温度高低，据转变温度高低，B B转变又分：转变又分：上上B B转变转变-“鼻尖鼻尖”到到350350下下B B转变转变-350350到到 M MS S 线线上上B B转变转变下下B B转变转变 过冷过冷A转变

9、为转变为:（Fe3C+过饱和过饱和 F）B2 2）B B形状与性能形状与性能B上上：在在A晶界上析出晶界上析出F，其周围富，其周围富 C区形成区形成 Fe3C，呈呈羽毛状羽毛状B下下：在在A晶界上形成晶界上形成F，F沿一定沿一定 晶面呈竹叶状生长，晶面呈竹叶状生长，Fe3C在在F晶内晶内析出，呈析出，呈凸镜状凸镜状。名名 称称 符符 号号 形形 成成 温温 度度 形形 貌貌 性性 能能 上贝氏体上贝氏体 B上上 550 350 羽毛状羽毛状 HRC4050,韧性差韧性差 下贝氏体下贝氏体 B下下 350 Ms 竹叶状竹叶状 HRC5055,韧性好韧性好 B下下有优良综合性能，用于生产高强韧工件

10、（如模具等）。有优良综合性能，用于生产高强韧工件（如模具等）。A晶界晶界350 C以上以上350 C以下以下B下下生长生长B上上：550350；4045HRC。B上上=过饱和过饱和-Fe条状条状+Fe3C细条状细条状过饱和碳过饱和碳-FeFe3C细条状细条状羽毛状羽毛状上上B B组织：组织：性能：性能：上上B B的的Fe3C粗大、较脆且韧性低，生产中应尽量避免。粗大、较脆且韧性低，生产中应尽量避免。上贝氏体组织上贝氏体组织B下下、350230；5060HRC。B下下=过饱和碳过饱和碳-Fe针叶状针叶状+Fe3C细片状细片状过饱和碳过饱和碳-Fe针叶状针叶状Fe3C细片状细片状针叶状针叶状下下B

11、 B组织：组织：性能：性能：下下B B的强度、的强度、硬度硬度较高，韧性好，较高，韧性好，综合性能综合性能好好，生产常用。，生产常用。下贝氏体组织下贝氏体组织3 3、M型转变型转变(针对共析钢）针对共析钢）1 1）形成）形成A急冷至急冷至Ms线（约线（约230）下，过冷度极大，下，过冷度极大，A由由 fcc 变成变成 bcc（），碳碳原子来不及析出，形成原子来不及析出，形成过过饱和饱和 Fe固溶体，即马氏固溶体，即马氏体。体。马氏体转变属非扩散型转变马氏体转变属非扩散型转变M转变临界冷却速度转变临界冷却速度2 2）转变转变特点特点1 1）速度快）速度快-瞬间完成：形核和长大瞬间完成：形核和长大

12、 ，一般为以声速发展。，一般为以声速发展。（驱动力很大）（驱动力很大）2）无扩散）无扩散-FeFe、C C均不扩散，均不扩散，M和和A成分相同成分相同。3）体积膨胀）体积膨胀-体积急剧膨胀体积急剧膨胀（C过饱和固溶体过饱和固溶体）。）。4）连续冷却）连续冷却-若在若在MsMf间等温，间等温，M转变会停止，这与转变会停止，这与P、B转变不同。转变不同。5）转变不完全）转变不完全-存在残余存在残余A（简记为（简记为A残残），含），含C越高，过冷越高，过冷A越稳定，越稳定，其其Ms、Mf 点亦越低，残余奥氏体愈多。点亦越低，残余奥氏体愈多。3 3）M形态形态 决定于决定于A含碳量：含碳量：C 1.0

13、%：针状：针状：M针针；C 0.2%:板条状：板条状：M板条板条；0.2%C1.0%:混合混合M。板条板条M（低（低C C马氏体）马氏体）因因M有大量位错，有大量位错，也称也称“位错马氏体位错马氏体”性能：性能：有有较高强度和韧性较高强度和韧性，良好综合性能。如，良好综合性能。如0.2%C0.2%C钢淬火后，钢淬火后，HRC50HRC50、b b1500MPa1500MPa、a ak k150150180J/cm180J/cm2 2。一个一个A晶粒形成几个不晶粒形成几个不同位向同位向M。低碳板条状马氏体组织低碳板条状马氏体组织针状针状 高碳马氏体高碳马氏体(1%C)：66HRC左右左右；1%。

14、针状针状M：（高（高C C马氏体）马氏体）因因C在在F中过饱和中过饱和晶格畸变晶格畸变固溶强化固溶强化高硬度。高硬度。M高硬度：高硬度：一个一个A晶粒中，先形成晶粒中，先形成一个贯穿整个晶粒的一个贯穿整个晶粒的M片，后形成的片，后形成的M片存在片存在于于M体和体和A间或间或M片间。片间。最后最后三角区为残余三角区为残余A。M中有大量挛晶，称中有大量挛晶，称“挛晶马氏体挛晶马氏体”性能：性能：针状针状M有高硬度和强度有高硬度和强度 （HRC 60HRC 60），），但塑性和韧性差（但塑性和韧性差（a ak k 1J/cm1J/cm2 2）高碳针片状马氏体组织高碳针片状马氏体组织马氏体的碳浓度 W

15、c 100507040602030100.10.30.20.400.5 0.6 0.7 0.80.9 1.0硬度(HRC)2000抗拉强度b(Mpa)1800 1400 1000 600 200M性能性能:取决于取决于M中中碳浓度。碳浓度。四、影响四、影响C C曲线的因素曲线的因素 1 1C C的影响的影响 亚共析钢亚共析钢：随随碳增加碳增加，C曲线曲线右移右移，即转变孕育期和时间都加长，即转变孕育期和时间都加长。原因原因：C使使A更稳定。更稳定。过共析钢过共析钢：随碳增加，随碳增加，C曲线左移，即转变孕育期和转变都减少。曲线左移，即转变孕育期和转变都减少。原因原因：先析出的碳化物先析出的碳化

16、物会促使会促使A分解。分解。C曲线是制定钢的热处理工艺依据。曲线是制定钢的热处理工艺依据。2 2加热温度（加热温度（T T）和保温（）和保温（t t）时间）时间 TT，t Fet Fe3 3C C溶解充分溶解充分，A晶粒粗大（晶粒粗大（晶界减小晶界减小）A稳定稳定C曲线右移。曲线右移。3 3合金元素影响合金元素影响 除除Co外，几乎所有元素都使外，几乎所有元素都使C曲线右移。曲线右移。原因：原因：因大部分因大部分元素能提高元素能提高A稳定性稳定性,尤其弱碳化物元素更能稳定尤其弱碳化物元素更能稳定A A。此外，。此外，合金元素加入，还改变合金元素加入，还改变C曲线形状（如出现双曲线形状（如出现双

17、C C曲线）。曲线）。影响影响A等温等温转变因素：转变因素：(1)碳含量(2)加热温度和保温时间(3)合金元素小结：小结：五、过冷五、过冷A A连续冷却曲线连续冷却曲线 1.1.CCT(Continuous Cooling Transformation)曲线曲线CCT曲线：曲线：描述描述描述描述A在连续冷却中转变量与时间的关系。在连续冷却中转变量与时间的关系。在连续冷却中转变量与时间的关系。在连续冷却中转变量与时间的关系。2.2.曲线建立曲线建立方法：方法：用用膨胀法膨胀法或或热分析法热分析法 将钢将钢A化后，以不同速度冷化后，以不同速度冷到室温，测出到室温，测出A的的开始开始转变转变和和转变

18、转变结束时间，标在温度结束时间，标在温度-时间坐标中，连接这些点，时间坐标中，连接这些点，获得获得CCT曲线如图：曲线如图：PsPs线线-开始转变线；开始转变线；P Pf f线线-转变终止线转变终止线。3.3.CCT曲曲线线的的特点特点（1 1）CCT曲线的相区、关键线和点曲线的相区、关键线和点 A1线下线下Ps以左以左：过冷：过冷A;Pf以右以右：转变产物区（：转变产物区（P型）型）;PsPf间：间：P 型型奥氏体奥氏体区区;KK：向：向P（型）（型）转变终止线转变终止线-KK线以下以下A终止向终止向P转变转变;过冷过冷A保持到保持到Ms线以下发生线以下发生M转变转变。MsM开始开始转变转变

19、线，线，MfM 转变终了线；转变终了线；Vk连续冷却下获得连续冷却下获得“完全完全”M的的 临界冷却速率（临界冷却速率（有有A残余残余）。）。Vk1冷速小于冷速小于V Vk1k1获得全部获得全部P。Vk Vk1间间：得（：得（P M A残余残余）混合物。混合物。（2 2）曲线）曲线TTT和和CCT的的对比对比 曲曲 线线TTT位位于于CCT左左上上方方，表表明明连连续续冷冷却却孕育期大于等温转变的孕育期大于等温转变的。曲曲线线TTT确确定定的的M转转变变临临界界冷冷却却速速率率大大于于由由CCT的的，即即以以TTT的的临临界界冷冷速速进进行行连连续续冷冷却却，保证获得最多保证获得最多M。曲曲线

20、线CCT只只有有类类似似于于TTT的的上上半半部部分分，因因此此连连续续冷冷却却不不可可能能得得到到B。TTT曲线曲线CCT曲线曲线TTT曲线和曲线和CCT的的比较：比较：小小 结结 1.P转变 (1)P组织形态及性能 (2)P的形成包含两个过程：一个碳扩散，生成(FeFe3 3C+C+F)；另一个是晶体点阵重构：由A转变成F和复杂斜方FeFe3 3C C。过冷过冷A转变类型：转变类型：片状P形成过程(2)P形成过程 2.B2.B型转变型转变（1）B组织形态和性能 （2）B的形成过程：只有碳原子扩散。贝氏体形成过程3.3.M型转变型转变（1）M组织形态及性能 （2）M的形成条件_快冷 （3）M

21、转变特点 M转变不同P转变特点：非扩散-碳和铁原子均不扩散 非等温 不彻底 比容大4.以共析钢为例，总结过冷A在不同温度下 等温冷却的组织转变：1）在Ar1-550间，形成P型组织：（渗碳体片+F基体）=P；Ar1-650，生成粗片状P；650-600，生成细片状P=索氏体(S)600-550，生成极细片状P =屈(托）氏体（T）2）在550-Ms间，形成B型组织：（Bainite)(过饱和F+微小弥散分布的Fe3C)=B3）冷却到Ms以下连续转变，形成M（Martensite)：碳过饱和地固溶在-Fe中。注意：A.过冷A 不能在恒温下转变为M，而是在Ms-Mf间连续冷却形成；B.随A中碳增多，Ms和Mf会降低；C.残余A：冷却到室温下依然未转变A；D.共析钢在Ms-Mf间转变产物：M+残余A5.生产中常用连续冷却，对共析钢有：1）随炉缓慢冷却形成粗片状P；2）空气中冷却形成细片状P=S；3）油中冷却形成极细P(T)+M+残余A；4）水中冷却形成M+残余A。