钢的热处理原理ppt课件.ppt

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1、1钢的热处理原理2铁碳合金平衡组织铁碳合金平衡组织3概述概述 定义：定义：钢的热处理钢的热处理是是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一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加工工艺定的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。目的与用途：目的与用途：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。消除铸造、锻造、焊接等热加工工艺造成的各种缺量，

2、节约材料和能源。消除铸造、锻造、焊接等热加工工艺造成的各种缺陷。陷。时 间温 度加热保温冷却热处理工艺曲线示意图4热处理原理：热处理原理：钢中组织转变的规律钢中组织转变的规律是热处理的理论基础，称为是热处理的理论基础，称为热处理原理热处理原理。热处理原理的内容：包括钢的热处理原理的内容：包括钢的加热转变、珠光体转变、马氏体转加热转变、珠光体转变、马氏体转变、贝氏体转变变、贝氏体转变和和回火转变回火转变。根据热处理原理制定的具体的根据热处理原理制定的具体的加热温度、保温时间、冷却加热温度、保温时间、冷却方式方式等参数就是等参数就是热处理工艺热处理工艺。5钢为什么能够进行热处理？钢为什么能够进行热

3、处理？原则上只有在原则上只有在加热或冷却时加热或冷却时发生发生溶解度的显著变化溶解度的显著变化或发生或发生固态固态相变相变的合金才能进行热处理。的合金才能进行热处理。根据根据Fe-FeFe-Fe3 3CC相图，相图，钢在高温和低温时具有不同的结构状态钢在高温和低温时具有不同的结构状态：共析钢在加热和冷却过程中经共析钢在加热和冷却过程中经过过PSKPSK线线（A1A1）时，发生时，发生珠光体珠光体和和奥氏体奥氏体之间的相互转变；之间的相互转变；亚共析钢经过亚共析钢经过GSGS线线（A3A3）时，时，发生发生铁素体铁素体与与奥氏体奥氏体之间的相互转之间的相互转变；变；过共析钢经过过共析钢经过ESE

4、S线（线（AcmAcm）时，）时，发生发生渗碳体渗碳体与与奥氏体奥氏体之间的相互转之间的相互转变。变。钢在加热和冷却过程中越过上钢在加热和冷却过程中越过上述临界点就要发生述临界点就要发生固态相变固态相变，所以，所以能进行热处理。能进行热处理。6A Ar1r1：冷却时：冷却时 A P A P 开始温度开始温度A Ar3r3：冷却时：冷却时 A A 开始温度开始温度A Arcmrcm：冷却时冷却时 A FeA Fe3 3CC开始温度开始温度A Ac1c1：加热时：加热时 P A P A 开始温度开始温度A Ac3c3：加热时：加热时 A A 终了温度终了温度A Accmccm：加热时：加热时 Fe

5、Fe3 3CC A A 终了温度终了温度在在Fe-FeFe-Fe3 3CC相图上反应的临界温度相图上反应的临界温度A A1 1、A A3 3、A Acmcm是平衡临界温度，即是平衡临界温度，即在非常缓慢的加热或冷却条件下钢发生组织转变的温度。在非常缓慢的加热或冷却条件下钢发生组织转变的温度。实际加热或冷却时组织转变会产生滞后现象，加热和冷却速度越快，实际加热或冷却时组织转变会产生滞后现象，加热和冷却速度越快，滞后现象将越加严重。滞后现象将越加严重。 钢的相变临界点钢的相变临界点加热和冷却速度为加热和冷却速度为0.1250.125min min 时对临界温度的影响时对临界温度的影响7钢在加热时的

6、转变钢在加热时的转变 钢在冷却时发生的固态转变钢在冷却时发生的固态转变(P(P、B B、M) M) ，其母相均为奥氏体。，其母相均为奥氏体。为了使钢在热处理后获得为了使钢在热处理后获得所需要的组织和性能，多数工艺都须先将所需要的组织和性能，多数工艺都须先将钢加热至单相奥氏体，然后再以适当方式钢加热至单相奥氏体，然后再以适当方式(或速度或速度)冷却，以获得所冷却，以获得所需要的组织和性能。需要的组织和性能。 钢加热获得奥氏体的转变过程钢加热获得奥氏体的转变过程，称为，称为奥氏体化奥氏体化过程。过程。奥氏体组织的状况（如奥氏体组织的状况（如成分、均匀程度、晶粒大小成分、均匀程度、晶粒大小等）直等）

7、直接影响冷却转变过程以及转变产物的组织和性能，因此，研究加热接影响冷却转变过程以及转变产物的组织和性能，因此，研究加热时奥氏体的形成过程具有重要的意义。时奥氏体的形成过程具有重要的意义。 8当温度等于当温度等于A A1 1时，珠光体与奥时，珠光体与奥氏体的自由能相等。只有当氏体的自由能相等。只有当温度高温度高于于A A1 1时时，珠光体向奥氏体转变的驱，珠光体向奥氏体转变的驱动力才能克服界面能和应变能的相动力才能克服界面能和应变能的相变阻力，使奥氏体的自由能低于珠变阻力，使奥氏体的自由能低于珠光体的自由能，奥氏体才能自发形光体的自由能，奥氏体才能自发形核。核。奥氏体形成的热力学条件奥氏体形成的

8、热力学条件珠光体和奥氏体的自由能随温度变化的曲线奥氏体形成时系统总的自由能变化为：奥氏体形成时系统总的自由能变化为：G=GV+GS+Ge式中，式中，GV为新相奥氏体与母相之间的体积自由能差；为新相奥氏体与母相之间的体积自由能差；GS为形成奥氏体为形成奥氏体时所增加的界面能；时所增加的界面能；Ge为形成奥氏体时所增加的应变能。其中，为形成奥氏体时所增加的应变能。其中，GV是奥氏体转变的驱动力，是奥氏体转变的驱动力，GS与与Ge是相变的阻力是相变的阻力。91. 奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程 FeFe3 3CC6.696.69CC复杂晶格复杂晶格-Fe-Fe0.020.02CCbccbcc -F

9、e-Fe0.770.77CCfccfcc+共析钢为例共析钢为例 奥氏体的形成过程就是奥氏体的形成过程就是铁晶格的改组和铁、碳原子的扩散过程铁晶格的改组和铁、碳原子的扩散过程。具体过程包括具体过程包括：奥氏体的形核奥氏体的形核，奥氏体的长大奥氏体的长大，剩余渗碳体的溶剩余渗碳体的溶解解和和奥氏体的成分均匀化奥氏体的成分均匀化过程过程 10(1)(1) 奥氏体的形核奥氏体的形核 优先在铁素体和渗碳体的优先在铁素体和渗碳体的相界面上相界面上形成，此处容易获得奥氏体形核所需要的形成，此处容易获得奥氏体形核所需要的浓度起伏浓度起伏、结构起伏结构起伏和和能量起伏能量起伏。珠光体群边界珠光体群边界也可以成为

10、奥氏体的也可以成为奥氏体的形核部位；在快速加热时，由于过热度大，形核部位；在快速加热时，由于过热度大，也可以在也可以在铁素体亚晶边界铁素体亚晶边界上上形核。形核。 FFe3CA晶核(2)(2) 奥氏体晶核长大奥氏体晶核长大 奥氏体晶核形成后即开始长大，奥氏体晶核形成后即开始长大，奥氏体和铁素体中碳的扩散是奥氏体和铁素体中碳的扩散是奥氏体吞噬渗碳体和铁素体而奥氏体吞噬渗碳体和铁素体而长大的驱动力长大的驱动力未溶Fe3CAA11扩散破坏了该温度下相界面的平衡浓度，为了恢复平衡，扩散破坏了该温度下相界面的平衡浓度，为了恢复平衡，渗碳体势渗碳体势必溶入奥氏体必溶入奥氏体，使它们相邻界面的碳浓度恢复到，

11、使它们相邻界面的碳浓度恢复到C-C，与此同时，另一，与此同时，另一个界面上，发生奥氏体碳原子向铁素体的扩散，促使个界面上，发生奥氏体碳原子向铁素体的扩散，促使铁素体转变为奥氏铁素体转变为奥氏体体，使它们之间界面的碳浓度恢复到，使它们之间界面的碳浓度恢复到C-。这样，奥氏体的两个界面就向铁。这样，奥氏体的两个界面就向铁素体和渗碳体两个方向推移，奥氏体便长大。素体和渗碳体两个方向推移，奥氏体便长大。 由于由于C-C C-，在奥氏，在奥氏体中出现碳的浓度梯度，并引体中出现碳的浓度梯度，并引起碳在奥氏体中不断地由高浓起碳在奥氏体中不断地由高浓度向低浓度的扩散。度向低浓度的扩散。 由于在铁素体内，由于在

12、铁素体内，铁素体与渗碳体和铁素体与渗碳体和铁素体与奥氏体接铁素体与奥氏体接触的两个界面之间触的两个界面之间也存在着碳浓度差也存在着碳浓度差C-CC-，因此碳，因此碳在在铁素体中也进在在铁素体中也进行着扩散，行着扩散， 奥氏体长大机制奥氏体长大机制12由于铁素体与奥氏体相界面的浓度差（由于铁素体与奥氏体相界面的浓度差（C-C-）远小于渗碳体与）远小于渗碳体与奥氏体相界面的浓度差（奥氏体相界面的浓度差（C CC-C），一份渗碳体溶解将促进几份铁素），一份渗碳体溶解将促进几份铁素体转变，因此，体转变，因此，铁素体向奥氏体转变的速度比渗碳体溶解的速度铁素体向奥氏体转变的速度比渗碳体溶解的速度快得多快得

13、多。当铁素体全部转变为奥氏体时，仍有部分渗碳体尚未溶解，剩余在奥当铁素体全部转变为奥氏体时，仍有部分渗碳体尚未溶解，剩余在奥氏体中。这时，奥氏体的平均成分低于共析成分。氏体中。这时，奥氏体的平均成分低于共析成分。随后剩余随后剩余Fe3C通过扩散，不断溶通过扩散，不断溶人人A中，使中，使A碳浓度逐渐趋于共析成分。碳浓度逐渐趋于共析成分。 一旦渗碳体全部溶解，这一阶段一旦渗碳体全部溶解，这一阶段便告结束。便告结束。A未溶碳化物未溶碳化物(3)(3) 剩余渗碳体溶解剩余渗碳体溶解13(4) 奥氏体成分均匀化奥氏体成分均匀化 A 剩余渗碳体全部溶解后，剩余渗碳体全部溶解后，A中的中的碳浓度仍是不均匀的

14、。碳浓度仍是不均匀的。只有继续延长保温时间或升温，只有继续延长保温时间或升温，通过碳原子的扩散，才能使通过碳原子的扩散，才能使A碳浓度碳浓度逐渐趋于均匀化，最后得到均匀的单逐渐趋于均匀化，最后得到均匀的单相奥氏体。相奥氏体。 A形成过程全部完成。形成过程全部完成。14 亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程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，与共析钢基本相同，当加热温度仅超过当加热温度仅超过A AC1C1时，只能使原时，只能使原始组织中的珠光体转变为奥氏体，仍会保留一部分先共析始组织中的珠光体转变为奥氏体，仍会保留一部分先共析铁素体或先共析渗碳体铁素体或先共析渗碳体。 这种奥氏体化

15、过程被称为这种奥氏体化过程被称为 “ “部分奥氏部分奥氏体化体化”或或“不完全奥氏体化不完全奥氏体化”。 只有只有当加热温度超过当加热温度超过A AC3C3或或A Accmccm，并保温足够的时间，并保温足够的时间，才能获得均匀的单相奥氏体才能获得均匀的单相奥氏体，这又被称为是非共析钢的，这又被称为是非共析钢的“完全完全奥氏体化奥氏体化”。152. 奥氏体的形成速度奥氏体的形成速度 共析钢的奥氏体等温形成图珠光体向奥氏体转变开始珠光体向奥氏体转变刚刚结束奥氏体均匀化完成剩余渗碳体溶解完毕奥氏体形核、长大阶奥氏体形核、长大阶段所需的时间较短，剩余段所需的时间较短，剩余渗碳体溶解所需时间较长，渗碳

16、体溶解所需时间较长，而奥氏体均匀化所需时间而奥氏体均匀化所需时间更长。更长。 为获得同一状态，可为获得同一状态，可用低温长时间用低温长时间 V1，也可，也可用高温短时间用高温短时间 V2加热。加热。AC1以上某温以上某温度等温时，奥度等温时，奥氏体需要一定氏体需要一定时间后才开始时间后才开始形成形成，这段时，这段时间称为间称为孕育孕育期期。温度温度 孕育期孕育期 16亚共析钢或过共析钢奥氏体等温形成图亚共析钢或过共析钢奥氏体等温形成图当珠光体全部转变为奥氏体后，还有当珠光体全部转变为奥氏体后，还有过剩相铁素体或渗碳体的继续转过剩相铁素体或渗碳体的继续转变变，也需要碳原子在奥氏体中的扩散及奥氏体

17、与过剩相之间相界面的推移，也需要碳原子在奥氏体中的扩散及奥氏体与过剩相之间相界面的推移来进行。与共析钢相比，过共析钢的渗碳体溶解和奥氏体的均匀化所需时来进行。与共析钢相比，过共析钢的渗碳体溶解和奥氏体的均匀化所需时间要长得多。间要长得多。 亚共析钢过共析钢173. 影响奥氏体形成速度的因素影响奥氏体形成速度的因素 奥氏体形成是奥氏体形成是形核形核和和长大长大过程，整个过程受过程，整个过程受原子扩散原子扩散所控制。所控制。因此，一切影响扩散、形核与长大的因素都影响奥氏体的形成速度。因此，一切影响扩散、形核与长大的因素都影响奥氏体的形成速度。 主要影响因素有主要影响因素有加热温度加热温度、原始组织

18、原始组织和和化学成分化学成分等。等。 （1 1）加热温度的影响）加热温度的影响 PAPA转变是扩散相变过程，随加热温度转变是扩散相变过程，随加热温度，原子扩散系数原子扩散系数，特别是碳在特别是碳在A A中的扩散系数中的扩散系数，加快了，加快了A A的形核和长大速度；的形核和长大速度； 随加热温度随加热温度， A A中的中的碳浓度差碳浓度差，浓度梯度，浓度梯度，故原子扩散速，故原子扩散速度度； 随加热温度随加热温度， A A与与P P的自由能差的自由能差，相变驱动力，相变驱动力GvGv，A A的的形核率和长大速度急剧形核率和长大速度急剧，因此，转变的孕育期和转变所需时间显著，因此，转变的孕育期和

19、转变所需时间显著，加热温度越高，转变孕育期和完成转变的时间越加热温度越高，转变孕育期和完成转变的时间越。 影响奥氏体形成速度的各种因素中，温度是一个最主要的因素。影响奥氏体形成速度的各种因素中，温度是一个最主要的因素。 18（2 2）原始组织的影响）原始组织的影响 化学成分相同时，随原始组织中碳化物分散度化学成分相同时，随原始组织中碳化物分散度，F F和和FeFe3 3CC相界面增相界面增多，多，A A的形核率的形核率；P P片层间距片层间距，使，使A A中碳浓度梯度中碳浓度梯度，碳的扩散距离，碳的扩散距离，都使，都使A A的长大的长大速度速度。 因此，因此，钢的原始组织越细，形成速度越快钢的

20、原始组织越细，形成速度越快。 （3 3）含碳量的影响）含碳量的影响 含碳量含碳量 ，奥氏体的形成速度，奥氏体的形成速度 。 随含碳量随含碳量 ，FeFe3 3CC量量，F F和和FeFe3 3CC相界面积相界面积，A A的形核部位的形核部位，A A的形核率的形核率 ； 碳化物数量碳化物数量，又使碳的扩散距离，又使碳的扩散距离，碳浓度梯度，碳浓度梯度； 随随A A中含碳量中含碳量，碳和铁原子的扩散系数将，碳和铁原子的扩散系数将，从而增大，从而增大A A的长大速的长大速度。度。19（4）合金元素的影响）合金元素的影响 影响碳在影响碳在A A中的扩散速度中的扩散速度 碳化物形成元素碳化物形成元素(

21、(如如CrCr、MoMo、WW、V V、Ti Ti等等) )大大减小了碳在大大减小了碳在A A中的扩中的扩散速度，故显著减慢了散速度，故显著减慢了A A的形成速度。的形成速度。 非碳化物形成元素非碳化物形成元素( (如如CoCo、NiNi等等) )能增加碳在能增加碳在A A中的扩散速度，因而，中的扩散速度，因而，加快了加快了A A的形成速度。的形成速度。 而而Si Si、A1A1、MnMn等元素对碳在等元素对碳在A A中的扩散速度影响不大，故对中的扩散速度影响不大，故对A A形成形成速度无明显影响。速度无明显影响。改变钢的临界温度改变钢的临界温度 改变了改变了A A转变时的过热度，从而改变了转

22、变时的过热度，从而改变了A A与与P P的自由能差，因此改变的自由能差，因此改变了了A A的形成速度。的形成速度。 如如NiNi、MnMn、CuCu等降低等降低A A1 1点，相对增大过热度，将增大点，相对增大过热度，将增大A A的形成速的形成速度。度。 CrCr、MoMo、WW、V V、Si Si等提高等提高A A1 1点，相对地降低过热度，将减慢点，相对地降低过热度，将减慢A A的的形成速度。形成速度。 20在在P P中分布不均匀中分布不均匀 平衡组织中，平衡组织中，CrCr、MoMo、WW、V V、Ti Ti等主要集中于等主要集中于共析碳化物中共析碳化物中，而而NiNi、Si Si、Al

23、Al等非碳化物形成元素主要存在于等非碳化物形成元素主要存在于共析铁素体中共析铁素体中。 渗碳体完全溶解后，合金元素在钢中分布仍是极不均匀的，因此，渗碳体完全溶解后，合金元素在钢中分布仍是极不均匀的，因此，合金钢的合金钢的A A均匀化过程，除了碳在均匀化过程，除了碳在A A中的均匀化外，还包括了中的均匀化外，还包括了合金元合金元素的均匀化素的均匀化。 相同条件下，合金元素在相同条件下，合金元素在A A中的扩散速度比碳的中的扩散速度比碳的扩散速度慢扩散速度慢10103 3-10-104 4倍。同时碳化物形成元素强烈阻碍碳的扩散，因此，合金钢倍。同时碳化物形成元素强烈阻碍碳的扩散，因此，合金钢A A

24、化要比碳钢缓慢得多。化要比碳钢缓慢得多。 合金钢热处理时，合金钢热处理时，加热温度要比碳钢高，保温时间也需要加热温度要比碳钢高，保温时间也需要延长延长。特别是高合金钢，如。特别是高合金钢，如W18Cr4VW18Cr4V高速钢的淬火温度需要提高到高速钢的淬火温度需要提高到1270127012801280，超过，超过A Aclcl(820-840)(820-840)数百度。数百度。21奥氏体的晶粒大小及其控制奥氏体的晶粒大小及其控制 A A形成后形成后继续加热或保温，晶粒将长大，在热力学上是一种自发趋势。继续加热或保温，晶粒将长大，在热力学上是一种自发趋势。 加热时形成的加热时形成的A晶粒大小，对

25、钢的冷却转变及转变产物的组织和性能晶粒大小，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。都有重要的影响。（1 1）晶粒大小的表示方法）晶粒大小的表示方法 用直接测量的晶粒平均直径，用直接测量的晶粒平均直径，也可用单位体积或单位面积内含也可用单位体积或单位面积内含有的晶粒数来表示有的晶粒数来表示。 晶粒度级别晶粒度级别N与晶粒大小有如与晶粒大小有如下关系：下关系：n=2N-1。式中，。式中，n表示放表示放大大100倍时，每平方英寸视野中倍时，每平方英寸视野中观察到的平均晶粒数。观察到的平均晶粒数。 标准评级图标准评级图 ，用，用100100倍观察，倍观察， 1 14 4级为粗晶粒，级为粗

26、晶粒，5 58 8级为细晶级为细晶粒，粒，8 8级以外的晶粒称为超粗或超级以外的晶粒称为超粗或超细晶粒。细晶粒。 22（2） 奥氏体晶粒度的概念奥氏体晶粒度的概念起始晶粒度起始晶粒度：A转变刚刚完成时的晶粒大小。转变刚刚完成时的晶粒大小。 实际晶粒度实际晶粒度：在某一具体的加热条件下获得的：在某一具体的加热条件下获得的A晶粒大小。晶粒大小。本质晶粒度本质晶粒度：在：在 930土土10加热，保温加热，保温3-8 h后测定的后测定的A晶粒大小称为晶粒大小称为本质晶粒度。本质晶粒度表示钢在一定条件下本质晶粒度。本质晶粒度表示钢在一定条件下A晶粒长大的倾向性。晶粒长大的倾向性。随加热温度升高，奥氏体晶

27、粒随加热温度升高，奥氏体晶粒迅速长大迅速长大，称为，称为本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢；在在930以下，随温度升高，以下，随温度升高，奥氏体晶粒长大速度很缓慢奥氏体晶粒长大速度很缓慢，称为称为本质细晶粒钢本质细晶粒钢。当超过某一温度。当超过某一温度（9501000）本质细晶粒钢也）本质细晶粒钢也可能迅速长大，晶粒尺寸甚至超过可能迅速长大，晶粒尺寸甚至超过本质粗晶粒钢。本质粗晶粒钢。钢的本质晶粒度与炼钢的脱氧钢的本质晶粒度与炼钢的脱氧方法和钢的化学成分有关。方法和钢的化学成分有关。 23 高温下高温下A A晶粒长大，引起系统的自由能降低，是自发过程。晶粒长大，引起系统的自由能降低，是自发过程。 A A

28、晶粒长大是晶界迁移的过程，其实质是原子在晶界附近原子的扩晶粒长大是晶界迁移的过程，其实质是原子在晶界附近原子的扩散。一切影响散。一切影响原子扩散迁移原子扩散迁移的因素都能影响的因素都能影响A A晶粒大小。为控制晶粒大小。为控制A A晶晶粒长大，必须从控制影响粒长大，必须从控制影响A A晶粒长大的因素着手。晶粒长大的因素着手。加热温度和保温时间加热温度和保温时间 加热温度加热温度，晶粒长大速率，晶粒长大速率，最终晶粒尺寸，最终晶粒尺寸。这是由于晶粒长大是通过原子扩散进行的，而扩散速度随着温度升这是由于晶粒长大是通过原子扩散进行的，而扩散速度随着温度升高呈指数关系增加。高呈指数关系增加。在一定温度

29、下，随保温时间在一定温度下，随保温时间，奥氏体晶粒，奥氏体晶粒；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。寸后，继续延长保温时间，晶粒不再明显长大。加热速度加热速度 加热速度加热速度，A的实际形成温度的实际形成温度，则，则A的形核率的形核率，起始晶粒尺寸，起始晶粒尺寸 。但是，如果在高温下长时间保温，晶粒则很容易长大。但是，如果在高温下长时间保温，晶粒则很容易长大。（3 3）奥氏体晶粒大小的控制）奥氏体晶粒大小的控制24化学成分化学成分 碳碳量在一定范围内，随含碳量的量在一定范围

30、内，随含碳量的，碳在钢中的扩散速度以及铁的自，碳在钢中的扩散速度以及铁的自扩散速度均扩散速度均， A A晶粒长大的倾向晶粒长大的倾向。 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，二次渗碳体数量二次渗碳体数量，且分布在，且分布在A A晶界上，可以阻碍晶界上，可以阻碍A A晶界的移动，反而使晶界的移动，反而使A A晶粒长大倾向晶粒长大倾向。 合金元素 Ti Ti、Zr Zr、V V、AlAl、NbNb 等强烈地阻碍等强烈地阻碍A A晶粒长大；晶粒长大； WW、MoMo、CrCr 等一般阻止晶粒长大；等一般阻止晶粒长大； S

31、i Si、NiNi、CuCu 等不形成化合物，对奥氏体晶粒长大的影响不明显；等不形成化合物，对奥氏体晶粒长大的影响不明显； MnMn、P P、N N、CC 等促进晶粒长大。等促进晶粒长大。 如加热温度高到使碳化物及其他化合物能溶入到奥氏体中时，阻碍晶粒如加热温度高到使碳化物及其他化合物能溶入到奥氏体中时，阻碍晶粒长大的作用将会消失，晶粒便迅速长大。长大的作用将会消失，晶粒便迅速长大。原始组织原始组织 原始组织越细，碳化物分散度越大，所得到的奥氏体起始晶粒越细小，原始组织越细，碳化物分散度越大，所得到的奥氏体起始晶粒越细小，晶粒长大倾向越大。晶粒长大倾向越大。 25钢在冷却时的转变钢在冷却时的转

32、变 钢钢A A化后冷至室温的性能，不仅取决于加热时化后冷至室温的性能，不仅取决于加热时A A的状态，在很大程的状态，在很大程度上取决于冷却时转变产物的类型和组织状态。冷却方式和速度对转变度上取决于冷却时转变产物的类型和组织状态。冷却方式和速度对转变产物的类型和组织状态有很大影响，因此，冷却过程决定着钢固态转变产物的类型和组织状态有很大影响，因此，冷却过程决定着钢固态转变后的组织和性能。后的组织和性能。 将将A A状态的钢冷却到状态的钢冷却到A A1 1温度以下，由于在此温度下温度以下，由于在此温度下A A的自由能比的自由能比F F与渗碳体两相混合物的自由能高，因此与渗碳体两相混合物的自由能高，

33、因此A A将发生分解，向将发生分解，向P P或其它组或其它组织转变，在临界温度织转变，在临界温度A A1 1以下以下处于不稳定状态的处于不稳定状态的A A称为称为过冷过冷A A。 269.3.9.3. 珠光体转变珠光体转变 珠光体转变珠光体转变 是过冷是过冷A A在在A A1 1以下较高温度以下较高温度内进行的转变，是单相内进行的转变，是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体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。两个新相的机械混合物的相变过程。 P转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组，属转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组，属扩散型相变扩散型相变。FeFe3 3CC6.696.

34、69复杂晶格复杂晶格-Fe-Fe0.020.02bcc bcc -Fe-Fe0.760.76fccfcc+1. 1. 珠光体的组织形态和机械性能珠光体的组织形态和机械性能 珠光体是铁素体和渗碳体两相的机械混合物，按渗碳体的形态，珠光体是铁素体和渗碳体两相的机械混合物，按渗碳体的形态，珠光体分为珠光体分为片状珠光体片状珠光体和和粒状珠光体粒状珠光体。27片状珠光体片状珠光体：由片层相间的铁素体和渗碳体片组成。：由片层相间的铁素体和渗碳体片组成。若干大致平行的铁素体和渗碳体片组成一个若干大致平行的铁素体和渗碳体片组成一个珠光体领域珠光体领域或或珠光珠光体团体团，在一个，在一个A A晶粒内，可形成几

35、个珠光体团。晶粒内，可形成几个珠光体团。 珠光体团中相邻的两片渗碳体（或铁素体）之间的距离珠光体团中相邻的两片渗碳体（或铁素体）之间的距离称为称为珠光珠光体的片间距体的片间距，用，用S S0 0表示，它是用来衡量表示，它是用来衡量P P组织粗细的一个主要指标。组织粗细的一个主要指标。 P P片间距的大小主要取决于片间距的大小主要取决于P P形成时形成时的的过冷度过冷度，即，即P P的形成温度，而与的形成温度，而与A A晶晶粒度和均匀性无关。粒度和均匀性无关。过冷度过冷度，P P的形成温度的形成温度，片间，片间距距。共析钢共析钢P P片间距片间距S S0 0与过冷度与过冷度TT之间的之间的关系可

36、用以下经验公式来表达：关系可用以下经验公式来表达： S S0 0=8.02/T =8.02/T 10103 3nmnm28 根据片间距大小不同，可将根据片间距大小不同，可将P P分为三种分为三种: : 片状片状珠光体珠光体是指在光学显微镜下能明显分辨出铁素体和渗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，它的片间距大约为碳体层片状组织形态的珠光体，它的片间距大约为1000600 1000600 nmnm，形成于，形成于A1650A1650温度范围内。温度范围内。 在在650600650600范围内形成的，其片间距较小，约为范围内形成的，其片间距较小，约为300250 n

37、m300250 nm，只有在高倍的光学显微镜下才能分辨出铁素体，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，这种细珠光体称为和渗碳体的片层形态，这种细珠光体称为索氏体索氏体。 在在600550600550范围内形成的，其片间距极细，约为范围内形成的，其片间距极细，约为150100nm150100nm，只有在电子显微镜下才能分辨出铁素体和渗碳，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，这种极细珠光体称为体的片层形态，这种极细珠光体称为屈氏体屈氏体。珠光体、索氏体和屈氏体的珠光体、索氏体和屈氏体的本质是相同本质是相同的，都是铁素体加的，都是铁素体加渗碳体组成的片层相间的

38、珠光体型组织，差别只是渗碳体组成的片层相间的珠光体型组织，差别只是片间距的大片间距的大小不同小不同。但是由于索氏体和屈氏体是在较快冷速下形成的，属。但是由于索氏体和屈氏体是在较快冷速下形成的，属于于不平衡组织不平衡组织，其含碳量或多或少偏离共析成分。，其含碳量或多或少偏离共析成分。29珠光体700等温屈氏体600等温索氏体650等温30 片状珠光体的力学性能主要决定于片状珠光体的力学性能主要决定于珠光体的片间距珠光体的片间距和和珠光体团珠光体团的直径的直径。 珠光体的片间距珠光体的片间距，钢的强度和硬度，钢的强度和硬度，塑性和韧性，塑性和韧性。由于片间距由于片间距，铁素体和渗碳体的相界面，铁素

39、体和渗碳体的相界面，对位错运动的阻碍，对位错运动的阻碍，即，即塑性变形的抗力塑性变形的抗力，因而强度和硬度，因而强度和硬度。 同时，片间距同时，片间距，渗碳体片厚度，渗碳体片厚度，越容易随同铁素体一起变形而不脆，越容易随同铁素体一起变形而不脆断，钢的塑性变形能力断，钢的塑性变形能力，所以塑性和韧性，所以塑性和韧性。片间距较小时，珠光体中的渗碳体片是不连续的，层片状的铁素体并片间距较小时，珠光体中的渗碳体片是不连续的，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。未完全被渗碳体所隔离，因此使塑性提高。原始奥氏体晶粒尺寸对片间距影响较小，但对珠光体团的直径产生影原始奥氏体晶粒尺寸对片间距影

40、响较小，但对珠光体团的直径产生影响：响：原始奥氏体晶粒尺寸原始奥氏体晶粒尺寸，珠光体团的直径，珠光体团的直径。因此，细化奥氏。因此，细化奥氏体晶粒可以起到体晶粒可以起到提高珠光体强度，改善塑性、韧性提高珠光体强度，改善塑性、韧性的作用。的作用。 31 在铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织在铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织，称为，称为粒状粒状珠光体珠光体。 粒状珠光体一般是经过球化退火得到或淬火后经中、高温回火得粒状珠光体一般是经过球化退火得到或淬火后经中、高温回火得到，也可由过冷到，也可由过冷A A直接分解形成。直接分解形成。 粒状珠光体中，渗碳体颗粒的大小与转变温度有关，转变温度越粒状

41、珠光体中，渗碳体颗粒的大小与转变温度有关，转变温度越低，颗粒越细小。低，颗粒越细小。 粒状珠光体的机械性能主要取决粒状珠光体的机械性能主要取决于于渗碳体颗粒的大小、形态与分渗碳体颗粒的大小、形态与分布布。 一般来说，渗碳体颗粒尺寸一般来说，渗碳体颗粒尺寸，与，与铁素体的相界面面积铁素体的相界面面积，则钢的硬度和，则钢的硬度和强度强度。 碳化物越接近等轴状、分布越均碳化物越接近等轴状、分布越均匀，则钢的韧性越好。匀，则钢的韧性越好。32碳含量相同碳含量相同 如粒状珠光体与片状珠光体的形成温度也大致相同，由于粒状珠光如粒状珠光体与片状珠光体的形成温度也大致相同，由于粒状珠光体中铁素体和渗碳体的相界

42、面比片状珠光体少，所以体中铁素体和渗碳体的相界面比片状珠光体少，所以硬度比片状珠硬度比片状珠光体的稍低。光体的稍低。 粒状珠光体中铁素体连续分布，渗碳体呈颗粒状分布在铁素体基体粒状珠光体中铁素体连续分布，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，上，对位错运动阻碍较小，塑性韧性较高塑性韧性较高。硬度相同硬度相同 粒状珠光体比片状珠光体具有粒状珠光体比片状珠光体具有良好的综合力学性能良好的综合力学性能，这是因为，这是因为粒状渗碳体不易产生应力集中和裂纹。粒状渗碳体不易产生应力集中和裂纹。 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因此，许多重要的机器零件都要通过热处理

43、获得碳化物呈颗粒状的回火索氏体组织。回火索氏体组织。 同时，粒状珠光体还具有较好的切削加工性能、冷成型性能及淬火同时，粒状珠光体还具有较好的切削加工性能、冷成型性能及淬火工艺性能。工艺性能。片状珠光体与粒状珠光体的比较片状珠光体与粒状珠光体的比较332. 珠光体的形成珠光体的形成 珠光体的形成也是通过形核和长大两个基本过程进行的。珠光体的形成也是通过形核和长大两个基本过程进行的。珠光体中的铁素体和渗碳体都有可能成为珠光体中的铁素体和渗碳体都有可能成为领先相领先相。领先相大多在。领先相大多在A A晶界或相界面晶界或相界面（如（如A A与渗碳体或与渗碳体或F F的相界面）上形核。因这些区域缺陷较的

44、相界面）上形核。因这些区域缺陷较多，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、能量成分起伏、能量起伏和结构起伏条件起伏和结构起伏条件。 如渗碳体为领先相如渗碳体为领先相在在A A晶界上形成稳定的晶界上形成稳定的晶核，此晶核就会依靠晶核，此晶核就会依靠附近的附近的A A不断提供碳原不断提供碳原子逐渐长大，形成一小子逐渐长大，形成一小片渗碳体。（片渗碳体。（a a） CCmm周 围周 围 A A 碳 浓 度碳 浓 度，形成贫碳区，为，形成贫碳区，为F F形核创造了有利条件。形核创造了有利条件。当当贫碳区的碳浓度降低贫碳区的碳浓度降低到相当

45、于到相当于F的平衡浓度的平衡浓度时，就在渗碳体片的两时，就在渗碳体片的两侧形成两小片侧形成两小片F。（。（b）a ab b F形成后随渗碳形成后随渗碳体一起向前长大，同体一起向前长大，同时也横向长大。时也横向长大。F的的长大又使其外侧形成长大又使其外侧形成A的富碳区，促使新的富碳区，促使新的渗碳体的的渗碳体的形成。形成。( () )c ca. 片状珠光体的形成片状珠光体的形成34 如此不断进行，如此不断进行，F F和和CCmm 相互促进交替形核，相互促进交替形核，并同时平行地向并同时平行地向A A晶粒纵晶粒纵深方向长大，形成一组深方向长大，形成一组F F和和CCmm片层相间、基本平片层相间、基

46、本平行的行的P P领域。领域。(d)(d) 在一个在一个P P领域形成的过程中有可能在领域形成的过程中有可能在A A晶界其它处，或在已形成晶界其它处，或在已形成P P领域的边缘领域的边缘上形成新的、其它取向的上形成新的、其它取向的CCmm晶核，并由晶核，并由此形成一个不同取向的此形成一个不同取向的P P领域。领域。(e)(e)d df f 直到各个直到各个P领域领域相遇，相遇，A全部分解完了，全部分解完了，P转变即告结束转变即告结束。(f)(f)e eA A晶界重晶界重新形核新形核P P边缘重边缘重新形核新形核35 分枝形成机制分枝形成机制，P P形成时形成时基本没侧向长大，基本没侧向长大，

47、CCmm是以分枝方是以分枝方式纵向生长，使与其相邻的式纵向生长，使与其相邻的A A贫碳，贫碳，从而促进从而促进F F 在在CCmm枝间形成。枝间形成。 一个一个P P团的团的CCmm是一个单晶体，是一个单晶体， CCmm之间的之间的 F F也是一个单晶体。即也是一个单晶体。即一个一个P P团是由一个团是由一个 F F晶粒和一个晶粒和一个CCmm晶粒互相穿插起来，通过晶粒互相穿插起来，通过“搭桥搭桥”而形成的。而形成的。36珠光体形成时碳的扩散情况珠光体形成时碳的扩散情况 ： 当当P P刚刚出现时，在三相（刚刚出现时，在三相（A A、F F、 CCmm ）共存时，过冷共存时，过冷A A中的碳浓度

48、是不均匀的。中的碳浓度是不均匀的。 即与即与 F F 相邻的相邻的A A碳浓度碳浓度CC-较较高高，而与，而与CCmm相邻的相邻的A A碳浓度碳浓度CC -C-C较较低低，因此在，因此在A A中产生碳中产生碳浓度梯度，从而引起碳的浓度梯度，从而引起碳的扩散扩散。 碳在碳在A A中扩散的结果，引起中扩散的结果，引起 F F 前前 A A 的碳浓度的碳浓度， Cm前前A A的碳浓度的碳浓度，这就，这就破坏了该温度下破坏了该温度下A A中碳浓度的平衡，中碳浓度的平衡，为恢复平为恢复平衡衡， F F前沿的前沿的A A必须析出必须析出 F F，使其碳浓度，使其碳浓度到平到平衡浓度衡浓度CC-，在，在Cm

49、前沿的前沿的A A，必须析出，必须析出Cm ，使，使其碳浓度其碳浓度到低于平衡浓度到低于平衡浓度CC -C-C。这样，。这样，P P便便向纵深长大向纵深长大，直至过冷，直至过冷A A全部转变为全部转变为P P为止。为止。FeFe3 3CC37 珠光体形成时，珠光体形成时， 在过冷奥氏体中，还将发生远离珠光体的奥氏体在过冷奥氏体中，还将发生远离珠光体的奥氏体（碳浓度为（碳浓度为C）中碳的扩散。）中碳的扩散。CC CC C-CC-CCc c 这些扩散都促使珠光体中的渗碳体和这些扩散都促使珠光体中的渗碳体和铁素体不断长大。铁素体不断长大。与铁素体相接的奥氏体（碳浓度为与铁素体相接的奥氏体（碳浓度为C

50、-）处）处的碳，向远离珠光体的奥氏体中扩散。的碳，向远离珠光体的奥氏体中扩散。 与渗碳体相接的奥氏体（碳浓度为与渗碳体相接的奥氏体（碳浓度为C-C）处的碳，向滲碳体处扩散。）处的碳，向滲碳体处扩散。38 由过冷由过冷A A直接分解形成时，钢加热时的直接分解形成时，钢加热时的A A化程度是过冷化程度是过冷A A是否形成是否形成粒状粒状P P的先决条件。的先决条件。 如果片状珠光体奥氏体化温度较低（略高于如果片状珠光体奥氏体化温度较低（略高于A A1 1温度），温度），形成成分形成成分不均匀的不均匀的A A，使，使A A中存在大量未溶中存在大量未溶CCmm和富碳微区和富碳微区。此时，。此时，CCm