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1、第六章金属热处理及材料改性第1页，共129页，编辑于2022年，星期三热处理热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺组织结构，获得所需要性能的一种工艺.为简明表示热处理为简明表示热处理的基本工艺过程，的基本工艺过程，通常用温度通常用温度时间时间坐标绘出坐标绘出热处理工艺热处理工艺曲线曲线。第2页，共129页，编辑于2022年，星期三根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理热处理工艺分类如下：工艺分类如下：其他热处理其他热处理普通热处理普通热处理表面
2、热处理表面热处理热处理热处理退火退火正火正火淬火淬火回火回火真空热处理真空热处理形变热处理形变热处理激光热处理激光热处理控制气氛热处理控制气氛热处理表面淬火表面淬火感应加热、火焰加热、感应加热、火焰加热、电接触加热等电接触加热等化学热处理化学热处理渗碳、氮化、碳氮渗碳、氮化、碳氮共渗、渗其他元素等共渗、渗其他元素等第3页，共129页，编辑于2022年，星期三 热处理的主要目的是热处理的主要目的是为了改善金属材料的性能，即改善钢的工艺为了改善金属材料的性能，即改善钢的工艺性能和提高钢的机械性能和使用性能性能和提高钢的机械性能和使用性能。通过热处理可以改善金属材料的性能，所以绝大多数机械零件通过热
3、处理可以改善金属材料的性能，所以绝大多数机械零件都要经过热处理以提高产品的质量、延长使用寿命。据统计，拖拉都要经过热处理以提高产品的质量、延长使用寿命。据统计，拖拉机、汽车零件的机、汽车零件的70%80%需要进行热处理；各种刀具、量具和模具需要进行热处理；各种刀具、量具和模具100%要进行热处理。如果将原材料在加工过程中采用的预备热处理包括进去，要进行热处理。如果将原材料在加工过程中采用的预备热处理包括进去，可以说所有的机械零件都要机械热处理。由此可见，热处理在机械工业中占有可以说所有的机械零件都要机械热处理。由此可见，热处理在机械工业中占有重要地位。重要地位。要了解各种热处理对钢组织与性能的
4、影响，必须研究钢在加热要了解各种热处理对钢组织与性能的影响，必须研究钢在加热和冷却过程中的相变规律。下面分别介绍钢在加热及冷却过程中组和冷却过程中的相变规律。下面分别介绍钢在加热及冷却过程中组织转变规律。织转变规律。第4页，共129页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1以下以下加热，不发生相变；另一种是加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化奥氏体化。转变温度转变温度 钢的热
5、处理，一般都必须先将钢加热至临界温度以上，钢的热处理，一般都必须先将钢加热至临界温度以上，获得奥氏体组织，然后再以适当方式获得奥氏体组织，然后再以适当方式(或速度或速度)冷却，以获得冷却，以获得所需要的组织和性能。通常把钢加热获得奥氏体的转变过程所需要的组织和性能。通常把钢加热获得奥氏体的转变过程称为奥氏体化过程。称为奥氏体化过程。第5页，共129页，编辑于2022年，星期三在在Fe-Fe3C相图中，共析钢在加热和冷却过程中经过相图中，共析钢在加热和冷却过程中经过PSK线线(A1)时，发生珠光时，发生珠光体与奥氏体之间的相互转变，亚共析钢经过体与奥氏体之间的相互转变，亚共析钢经过GS线线(A3
6、)时，发生铁素体与奥氏时，发生铁素体与奥氏体之间的相互转变，过共析钢经过体之间的相互转变，过共析钢经过ES线线(Acm)时，发生渗碳体与奥氏体之间的相时，发生渗碳体与奥氏体之间的相互转变。互转变。A1、A3、Acm为钢在平衡条件下的临界点。为钢在平衡条件下的临界点。在实际热处理生产过程中，加热和冷在实际热处理生产过程中，加热和冷却不可能极其缓慢，因此上述转变往却不可能极其缓慢，因此上述转变往往会产生不同程度的滞后现象。实际往会产生不同程度的滞后现象。实际转变温度与平衡临界温度之差称为过转变温度与平衡临界温度之差称为过热度热度(加热时加热时)或过冷度或过冷度(冷却时冷却时)。过热过热度或过冷度随
7、加热或冷却速度的增大度或过冷度随加热或冷却速度的增大而增大。而增大。通常把加热时的临界温度加通常把加热时的临界温度加注下标注下标“c”，如，如Ac1、Ac3、Accm，而，而把冷却时的临界温度加注下标把冷却时的临界温度加注下标“r”，如如Ar1、Ar3、Arcm。第6页，共129页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变一、一、奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程（一）基本过程（一）基本过程 奥氏体化也是形核和长大的过程，奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现以共析钢分为四步。现以共析钢为例说明：为例说明：第7页，共129页，编辑于2022年，星期三第一步第一步
8、 奥氏体晶核形成：奥氏体晶核形成：首先在首先在 与与Fe3C相界形核。相界形核。第二步第二步 奥氏体晶核长大：奥氏体晶核长大：晶核通过碳原子的扩散向晶核通过碳原子的扩散向 和和Fe3C方向长大。方向长大。第三步第三步 残余残余Fe3C溶解溶解:铁素体的成分铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，结构更接近于奥氏体，因而先消失。残余的因而先消失。残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。随保温时间延长继续溶解直至消失。第8页，共129页，编辑于2022年，星期三第四步第四步 奥氏体成分均匀化：奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏在部位碳含量仍很
9、高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。体成分趋于均匀。亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同，亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同，但由于先共析铁素体或二次渗碳体的存在，为了获得完全奥但由于先共析铁素体或二次渗碳体的存在，为了获得完全奥氏体化，必须相应加热到氏体化，必须相应加热到A Ac3c3或或AcAccmcm以上，使它们也全部以上，使它们也全部转变奥氏体。转变奥氏体。第9页，共129页，编辑于2022年，星期三共析钢奥氏体化过程共析钢奥氏体化过程第10页，共129页，编辑于2022年，星期三（二）影响珠光体向奥氏体转变的因素（二）影响珠光体向奥氏体转变的因素1 1、
10、温度、温度T原子扩散能力原子扩散能力，A中中C的浓度梯度的浓度梯度，A形成速度形成速度2、C含量含量亚共析钢亚共析钢C，F和和Fe3C界面总量界面总量，有利于加速，有利于加速A形成形成3、P粗细粗细P组织组织，A形成速度形成速度，层片状较粒状，层片状较粒状P截面截面易形成易形成A第11页，共129页，编辑于2022年，星期三二、二、奥氏体晶粒长大及其影响因素奥氏体晶粒长大及其影响因素1、奥氏体晶粒长大、奥氏体晶粒长大奥氏体化刚结束时的晶粒度称奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度起始晶粒度,此时晶粒细小均匀。此时晶粒细小均匀。随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这随加热温度升高
11、或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这也是一个自发的过程。奥氏体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过也是一个自发的过程。奥氏体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同。程相同。在给定温度下奥氏体的晶粒度称在给定温度下奥氏体的晶粒度称实际晶粒度实际晶粒度。加热时奥氏体晶粒的长大倾向称加热时奥氏体晶粒的长大倾向称本质晶粒度本质晶粒度。第12页，共129页，编辑于2022年，星期三通常将钢加热到通常将钢加热到940 10奥氏奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒保体化后，设法把奥氏体晶粒保留到室温来判断。晶粒度为留到室温来判断。晶粒度为1-4 级的是本质粗晶粒钢级的是本质粗晶粒钢,5-8 级级的是本质细晶粒钢。前者
12、晶粒的是本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。向小。第13页，共129页，编辑于2022年，星期三2、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加热热温温度度和和保保温温时时间间:加加热热温温度度高高、保温时间长保温时间长,晶粒粗大晶粒粗大.加加热热速速度度:加加热热速速度度越越快快,过过热热度度越大越大,形核率越高形核率越高,晶粒越细晶粒越细.合金元素：合金元素：阻碍奥氏体晶粒长大的元素阻碍奥氏体晶粒长大的元素:Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等等碳化物和氮化物形成碳化物和氮化物形成元素。元素。析出颗粒析出颗粒对黄铜晶对黄铜
13、晶界的钉扎界的钉扎Nb/%奥氏体晶粒尺寸奥氏体晶粒尺寸/mNb、Ti对奥氏体晶粒的影响对奥氏体晶粒的影响第14页，共129页，编辑于2022年，星期三促进奥氏体晶粒长大的元素：促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。原始组织原始组织:平衡状态的组织有利于获得细晶粒。平衡状态的组织有利于获得细晶粒。奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。体晶粒是热处理的关键问题之一。箱式可控气氛多用炉箱式可控气氛多用炉真空热处理
14、炉真空热处理炉第15页，共129页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 过冷奥氏体转变产物的组织形过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能态与性能冷却是热处理更重要的工序。冷却是热处理更重要的工序。处于临界点处于临界点A1以下的奥氏体称以下的奥氏体称过冷奥氏体过冷奥氏体。过冷奥氏体过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。是非稳定组织，迟早要发生转变。随过冷度不同，过冷随过冷度不同，过冷奥氏体将发生奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。三种类型转变。现以共析钢为例说明：现以共析钢为例说明：第16页，共129页，编辑于2022年，星期三 珠光体：
15、珠光体：形成温度为形成温度为A1-650，片层较厚，片层较厚，500倍光镜下可辨，倍光镜下可辨，用符号用符号P表示表示.索氏体索氏体形成温度为形成温度为650-600,片层较薄，片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，倍光镜下可辨，用符号用符号S 表示。表示。屈氏体屈氏体形成温度为形成温度为600-550，片层极薄，电镜下可辨，用符号，片层极薄，电镜下可辨，用符号T 表示。表示。第17页，共129页，编辑于2022年，星期三一、珠光体的组织形态及性能一、珠光体的组织形态及性能过冷奥氏体在过冷奥氏体在 A1到到 550间将转变间将转变为珠光体类型组织为珠光体类型组织，它是，它是铁素体与铁素体与渗
16、碳体片层相间的机械混合渗碳体片层相间的机械混合珠光体珠光体索氏体索氏体托氏体托氏体物物，根据片，根据片层厚薄不同层厚薄不同,又细分为又细分为珠光珠光体体、索氏体索氏体和和托氏体托氏体.第18页，共129页，编辑于2022年，星期三珠光体转变珠光体转变 奥氏体向珠光体转变过程也是形核、长大的过程。奥氏体向珠光体转变过程也是形核、长大的过程。当奥氏体过冷到当奥氏体过冷到A A1 1以下时，首先在奥氏体晶界上产生渗碳体晶以下时，首先在奥氏体晶界上产生渗碳体晶核，通过原子扩散，渗碳体依靠周围奥氏体供应碳原子长大，同时核，通过原子扩散，渗碳体依靠周围奥氏体供应碳原子长大，同时由于渗碳体两边奥氏体含碳量降
17、低，从而为铁素体的形核创造了条由于渗碳体两边奥氏体含碳量降低，从而为铁素体的形核创造了条件，使两边的奥氏体转变成为铁素体。件，使两边的奥氏体转变成为铁素体。珠光体转变是全扩散型转变，即铁原子和碳原子均进行扩散运动。珠光体转变是全扩散型转变，即铁原子和碳原子均进行扩散运动。第19页，共129页，编辑于2022年，星期三二二、贝氏体的组织形态及性贝氏体的组织形态及性能能过冷奥氏体在过冷奥氏体在550-230(Ms)间将转变为贝氏体类间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号型组织，贝氏体用符号B表示。表示。根据其组织形态不同，根据其组织形态不同，贝贝氏体氏体又分为又分为上贝氏体上贝氏体(B上上)和和下
18、贝氏体下贝氏体(B下下).上贝氏体上贝氏体下贝氏体下贝氏体第20页，共129页，编辑于2022年，星期三 上贝氏体上贝氏体形成温度为形成温度为550-350。在光镜下呈在光镜下呈羽毛状羽毛状。在电镜下为在电镜下为不连续棒状不连续棒状的渗碳体分布于自奥的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。生长的铁素体条之间。光镜下光镜下电镜下电镜下第21页，共129页，编辑于2022年，星期三下贝氏体下贝氏体形成温度为形成温度为350-Ms。在光镜下呈在光镜下呈竹叶状竹叶状。光镜下光镜下电镜下电镜下在电镜下为细片状碳化在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，物分布于铁素体针内
19、，并与铁素体针长轴方向并与铁素体针长轴方向呈呈55-60角。角。第22页，共129页，编辑于2022年，星期三上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。之一。上贝氏体上贝氏体贝氏体组织的透射电镜形貌贝氏体组织的透射电镜形貌下贝氏体下贝氏体第23页，共129页，编辑于2022年，星期三贝氏体转变贝氏体转变上贝氏体上贝氏体下贝氏体下贝氏体第24页，共129页，编辑于20
20、22年，星期三贝氏体转变的特点贝氏体转变的特点 由于贝氏体转变是发生在珠光体与马氏体转变之间的中温区，由于贝氏体转变是发生在珠光体与马氏体转变之间的中温区，铁和合金元素的原子已难以进行扩散，但碳原子还具有一定的扩散铁和合金元素的原子已难以进行扩散，但碳原子还具有一定的扩散能力。这就决定了贝氏体转变兼有珠光体转变和马氏体转变的某些能力。这就决定了贝氏体转变兼有珠光体转变和马氏体转变的某些特点。与珠光体转变相似，贝氏体转变过程中发生碳在铁素体中的特点。与珠光体转变相似，贝氏体转变过程中发生碳在铁素体中的扩散；与马氏体转变相似，奥氏体向铁素体的晶格改组是通过共格扩散；与马氏体转变相似，奥氏体向铁素体
21、的晶格改组是通过共格切变方式进行的。因此，贝氏体转变是一个有碳原子扩散的共格切切变方式进行的。因此，贝氏体转变是一个有碳原子扩散的共格切变过程。变过程。第25页，共129页，编辑于2022年，星期三三、马氏体类型组织形态与性能三、马氏体类型组织形态与性能 钢从奥氏体化状态快速冷却，抑制其扩散性分解，在较低温度下钢从奥氏体化状态快速冷却，抑制其扩散性分解，在较低温度下(低于低于MMs s点点)发生的转变为马氏体转变。马氏体转变属于低温转变，转变发生的转变为马氏体转变。马氏体转变属于低温转变，转变产物为马氏体组织。马氏体是碳在产物为马氏体组织。马氏体是碳在-Fe-Fe中的过饱和固溶体，用符号中的过
22、饱和固溶体，用符号“M”M”表示。表示。马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的晶格畸变，即固溶强马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的晶格畸变，即固溶强化，此外，马氏体转变过程中产生大量的晶体缺陷化，此外，马氏体转变过程中产生大量的晶体缺陷(如位错、孪晶如位错、孪晶)所引起的组织细化以及过饱和碳以弥散碳化物形式的析出等都对马氏所引起的组织细化以及过饱和碳以弥散碳化物形式的析出等都对马氏体强化有不同程度的贡献。马氏体转变是钢件热处理强化的主要手段。体强化有不同程度的贡献。马氏体转变是钢件热处理强化的主要手段。马氏体转变是典型的非扩散型相变。马氏体转变发生在较低温马氏体转变是典型的非扩散型相变。马氏体
23、转变发生在较低温度下，铁原子和碳原子都不能进行扩散，马氏体转变过程中的铁原度下，铁原子和碳原子都不能进行扩散，马氏体转变过程中的铁原子的晶格改组是通过切变方式完成的子的晶格改组是通过切变方式完成的第26页，共129页，编辑于2022年，星期三三、马氏体类型组织形三、马氏体类型组织形态与性能态与性能马氏体的形态分马氏体的形态分板条板条和和针状针状两类。两类。板条马氏体板条马氏体立体形态为细长的扁立体形态为细长的扁棒状棒状在光镜下板条马氏体在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织。为一束束的细条组织。光镜下光镜下电镜下电镜下第27页，共129页，编辑于2022年，星期三每束内条与条之间尺寸每束内条与条
24、之间尺寸大致相同并呈平行排列，大致相同并呈平行排列，一个奥氏体晶粒内可形一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏成几个取向不同的马氏体束。体束。在电镜下，板条内的亚在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位结构主要是高密度的位错，错，=1012/cm2,又称又称位位错马氏体错马氏体。SEMTEM第28页，共129页，编辑于2022年，星期三 针状马氏体针状马氏体立体形态为双凸透镜形的片状。立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为显微组织为针状针状。在电镜下，亚结构主要是孪晶在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称又称孪晶马氏体孪晶马氏体。电镜下电镜下电镜下电镜下光镜下光镜下第29页，共129页，编辑于20
25、22年，星期三45钢正常淬火组织钢正常淬火组织先形成的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒，但不能穿过晶先形成的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒，但不能穿过晶界和孪晶界。界和孪晶界。后形成的马氏体片不能穿过先形成的马后形成的马氏体片不能穿过先形成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小.原始奥氏体晶粒细，原始奥氏体晶粒细，转变后的马氏体片转变后的马氏体片也细。也细。当最大马氏体片细当最大马氏体片细到光镜下无法分辨到光镜下无法分辨时，该马氏体称时，该马氏体称隐隐晶马氏体晶马氏体.第30页，共129页，编辑于2022年，星期三 马氏体的形态主要取马氏体的形态主要取决于其含碳
26、量决于其含碳量C%小于小于0.2%时，时，组织组织几乎全部是几乎全部是板条马氏体板条马氏体。C%大于大于1.0%C时时几乎几乎全部是全部是针状马氏体针状马氏体.C%在在0.21.0%之间之间为为板条与针状的混合组织板条与针状的混合组织。马氏体形态与含碳量的关系马氏体形态与含碳量的关系0.45%C0.2%C1.2%C第31页，共129页，编辑于2022年，星期三 马氏体的性能马氏体的性能高硬度高硬度是马氏体性能是马氏体性能的主要特点。的主要特点。马氏体的硬度主要取马氏体的硬度主要取决于其含碳量。决于其含碳量。含碳量增加，其硬度含碳量增加，其硬度增加。增加。当含碳量大于当含碳量大于0.6%时，其硬
27、度趋于平缓。时，其硬度趋于平缓。合金元素对马氏体硬度的影响不大。合金元素对马氏体硬度的影响不大。马氏体硬度、韧性与含碳量的关系马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C%第32页，共129页，编辑于2022年，星期三马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状针状马氏体脆性大，马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性板条马氏体具有较好的塑性和韧性.针状马氏体针状马氏体板条马氏
28、体板条马氏体马氏体的透射电镜形貌马氏体的透射电镜形貌第33页，共129页，编辑于2022年，星期三(5)(5)马氏体转变特点马氏体转变特点 过冷过冷A A转变为马氏体是低温转变过程转变为马氏体是低温转变过程,转变温度在转变温度在MsMsMfMf之间之间,该温区称马氏体转该温区称马氏体转变区。变区。过冷过冷A A转变为马氏体是一种非扩散型转变转变为马氏体是一种非扩散型转变 铁和碳原子都不能进行扩散。铁原子铁和碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥氏体一定晶面沿奥氏体一定晶面,集体地集体地(不改变相互位置关系不改变相互位置关系)作一定距离的移动作一定距离的移动(不超过一个原不超过一个原子间距子间距),)
29、,使面心立方晶格改组为体心正方晶格，碳原子原地不动，过饱和地留在新组使面心立方晶格改组为体心正方晶格，碳原子原地不动，过饱和地留在新组成的晶胞中；增大了其正方度成的晶胞中；增大了其正方度c/a c/a。马氏体就是碳在。马氏体就是碳在-Fe-Fe中的过饱和固溶体。过饱中的过饱和固溶体。过饱和碳使和碳使-Fe-Fe 的晶格发生很大畸变的晶格发生很大畸变,产生很强的固溶强化。产生很强的固溶强化。马氏体的形成速度很快马氏体的形成速度很快 奥氏体冷却到奥氏体冷却到MsMs点以下后点以下后,无孕育期无孕育期,瞬时转变为马氏瞬时转变为马氏体。随着温度下降，过冷体。随着温度下降，过冷A A不断转变为马氏体不断
30、转变为马氏体,是一个连续冷却的转变过程。是一个连续冷却的转变过程。马氏体转变是不彻底的马氏体转变是不彻底的 总要残留少量奥氏体。残余奥氏体的含量与总要残留少量奥氏体。残余奥氏体的含量与MSMS、MfMf的位的位置有关。奥氏体中的碳含量越高，则置有关。奥氏体中的碳含量越高，则MSMS、MfMf越低，残余越低，残余A A含量越高。只在碳质量含量越高。只在碳质量分数少于分数少于0.6%0.6%时时,残余残余A A可忽略。可忽略。马氏体形成时体积膨胀马氏体形成时体积膨胀 体积膨胀在钢中造成很大的内应力体积膨胀在钢中造成很大的内应力,严重时导致开裂。严重时导致开裂。第34页，共129页，编辑于2022年
31、，星期三过冷奥氏体转变产物（共析钢）过冷奥氏体转变产物（共析钢）转变转变类型类型转变转变产物产物形成温形成温度，度，转变转变机制机制显微组织特征显微组织特征HRC获得获得工艺工艺珠珠光光体体PA1650扩扩散散型型粗片状，粗片状，F、Fe3C相间分布相间分布5-20退火退火S650600细片状，细片状，F、Fe3C相间分布相间分布20-30正火正火T600550极细片状，极细片状，F、Fe3C相间分布相间分布30-40等温等温处理处理贝贝氏氏体体B上上550350半扩半扩散型散型羽毛状，短棒状羽毛状，短棒状Fe3C分布于分布于过饱和过饱和F条之间条之间40-50等温等温处理处理B下下350MS
32、竹叶状，细片状竹叶状，细片状Fe3C分布于分布于过饱和过饱和F针上针上50-60等温等温淬火淬火马马氏氏体体M针针MSMf无扩无扩散型散型针状针状60-65淬火淬火M*板条板条MSMf板条状板条状50淬火淬火第35页，共129页，编辑于2022年，星期三过冷奥氏体的转变方式有过冷奥氏体的转变方式有等温转变等温转变和和连续冷却转变连续冷却转变两种。两种。两种冷却方式两种冷却方式示意图示意图1等温冷却等温冷却2连续冷却连续冷却第二节第二节 过冷奥氏体转变曲线图过冷奥氏体转变曲线图第36页，共129页，编辑于2022年，星期三过冷奥氏体的等温转过冷奥氏体的等温转变图变图是是表示奥氏体急表示奥氏体急速
33、冷却到临界点速冷却到临界点A1 以以下在各不同温度下的保下在各不同温度下的保温过程中转变量与转变温过程中转变量与转变时间的关系曲线时间的关系曲线.又称又称C 曲线、曲线、S 曲线或曲线或TTT曲曲线。线。一、过冷奥氏体的等温转变图一、过冷奥氏体的等温转变图(Time-Temperature-Transformation diagram)第37页，共129页，编辑于2022年，星期三1、C曲线的建立曲线的建立以共析钢为例：以共析钢为例：取一批小试样并取一批小试样并进行奥氏体化进行奥氏体化.将试样分组淬入将试样分组淬入低于低于A1 点的不同温点的不同温度的盐浴中度的盐浴中,隔一定隔一定时间取一试样
34、淬入时间取一试样淬入水中。水中。第38页，共129页，编辑于2022年，星期三测定每个试样的转变量，测定每个试样的转变量，确定各温度下转变量与转确定各温度下转变量与转变时间的关系。变时间的关系。将各温度下转变开始将各温度下转变开始时间及终了时间标在温时间及终了时间标在温度度时间坐标中，并分时间坐标中，并分别连线。别连线。转变开始点的连线称转变开始点的连线称转变转变开始线开始线。转变终了点的。转变终了点的连线称连线称转变终了线转变终了线。第39页，共129页，编辑于2022年，星期三 图中最上面一条水平虚线表示钢的临界点图中最上面一条水平虚线表示钢的临界点A1(723)A1(723)，即奥氏体与
35、珠光体的平衡，即奥氏体与珠光体的平衡温度温度。图中下方的一条水平线。图中下方的一条水平线Ms(230)Ms(230)为马氏转变开始温度为马氏转变开始温度，MsMs以下还有一条水以下还有一条水平线平线Mf(-50)Mf(-50)为马氏体转变终了温度为马氏体转变终了温度。A1A1与与MsMs线之间有两条线之间有两条C C曲线，左侧一条为曲线，左侧一条为过过冷奥氏体转变开始线冷奥氏体转变开始线，右侧一条为，右侧一条为过冷奥氏体转变终了线过冷奥氏体转变终了线。A A1 1线以上是奥氏体稳定区。线以上是奥氏体稳定区。MMs s线至线至MMf f线之间的区域为马氏体线之间的区域为马氏体转变区，过冷奥氏体冷
36、却至转变区，过冷奥氏体冷却至MMs s线线以下将发生马氏体转变。过冷奥氏体以下将发生马氏体转变。过冷奥氏体转变开始线与转变终了线之间的区域转变开始线与转变终了线之间的区域为过冷奥氏体转变区，在该区域过冷为过冷奥氏体转变区，在该区域过冷奥氏体向珠光体或贝氏体转变。奥氏体向珠光体或贝氏体转变。第40页，共129页，编辑于2022年，星期三 在转变终了线右侧的区域为过冷奥氏体转变产物区。在转变终了线右侧的区域为过冷奥氏体转变产物区。A A1 1线以下，线以下，MMs s线以上以及纵线以上以及纵坐标与过冷奥氏体转变开始线之间的区域为过冷奥氏体区，过冷奥氏体在该区域坐标与过冷奥氏体转变开始线之间的区域为
37、过冷奥氏体区，过冷奥氏体在该区域内不发生转变，处于亚稳定状态。在内不发生转变，处于亚稳定状态。在A A1 1温度以下某一确定温度，过冷奥氏体转变开始线温度以下某一确定温度，过冷奥氏体转变开始线与纵坐标之间的水平距离为过冷奥氏体在该温度下的与纵坐标之间的水平距离为过冷奥氏体在该温度下的孕育期孕育期，孕育期的长短表示过冷奥氏体孕育期的长短表示过冷奥氏体稳定性的高低稳定性的高低。在在A A1 1以下，随等温温度降低，孕以下，随等温温度降低，孕育期缩短，过冷奥氏体转变速度增大，育期缩短，过冷奥氏体转变速度增大，在在550550左右共析钢的孕育期最左右共析钢的孕育期最短，转变速度最快。此后，随等短，转变
38、速度最快。此后，随等温温度下降，孕育期又不断增加，温温度下降，孕育期又不断增加，转变速度减慢。转变速度减慢。第41页，共129页，编辑于2022年，星期三 过冷奥氏体转变终了线与纵坐标之间的水平距离则表示在不同温度下转变完成过冷奥氏体转变终了线与纵坐标之间的水平距离则表示在不同温度下转变完成所需要的总时间。转变所需的总时间随等温温度的变化规律也和孕育期的变化规律所需要的总时间。转变所需的总时间随等温温度的变化规律也和孕育期的变化规律相似。因为过冷奥氏体的稳定性同时由两个因素控制：相似。因为过冷奥氏体的稳定性同时由两个因素控制：一个是旧相与新相之间的自一个是旧相与新相之间的自由能差；另一个是原子
39、的扩散系数由能差；另一个是原子的扩散系数DD。等温温度越低，过冷度越大，自由能差也越大，则。等温温度越低，过冷度越大，自由能差也越大，则加快过冷奥氏体的转变速度；但原子扩散系数却随等温温度降低而减小，加快过冷奥氏体的转变速度；但原子扩散系数却随等温温度降低而减小，从而减慢过冷奥氏体的转变速从而减慢过冷奥氏体的转变速度。高温时，自由能差起主导度。高温时，自由能差起主导作用；低温时，原子扩散系数作用；低温时，原子扩散系数起主导作用。处于起主导作用。处于“鼻尖鼻尖”温温度时，两个因素综合作用的结度时，两个因素综合作用的结果，使转变孕育期最短，转变果，使转变孕育期最短，转变速度最大。速度最大。第42页
40、，共129页，编辑于2022年，星期三2、过冷奥氏体转变产物的形成过程、过冷奥氏体转变产物的形成过程（1）珠光体的形成过程珠光体的形成过程在在C曲线曲线“鼻尖鼻尖”上部为上部为P相变区，相变区，P形成伴随形成伴随两个过程两个过程同时进行同时进行碳和铁原子的扩散碳和铁原子的扩散生成高碳生成高碳Fe3C和低碳和低碳F晶格重构晶格重构由面心立方由面心立方A转变为体心立方转变为体心立方F和复杂晶格和复杂晶格Fe3C第43页，共129页，编辑于2022年，星期三（2）贝氏体的形成过程贝氏体的形成过程C曲线曲线下部区域为下部区域为B相变区相变区。B相变时相变时只发生碳原子扩散，铁原子不扩只发生碳原子扩散，
41、铁原子不扩散散，过冷，过冷A贫碳区、孕育贫碳区、孕育F晶核、晶核、F含含C，C从从F向向A扩散形成扩散形成Fe3C。（3）马氏体的形成过程）马氏体的形成过程M相变是非扩散性的相变是非扩散性的，因冷速过冷度极大，碳原子无扩散能力，故，因冷速过冷度极大，碳原子无扩散能力，故A将直将直接转变成一种含碳过饱和的接转变成一种含碳过饱和的固溶体固溶体M第44页，共129页，编辑于2022年，星期三3、影响、影响C 曲线的因素曲线的因素 成分的影响成分的影响 含碳量的影响含碳量的影响：共析钢的过冷奥氏体最稳定，：共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。曲线最靠右。Ms 与与Mf 点随含点随含碳量增加而下降。
42、碳量增加而下降。亚共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线与共析钢亚共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线与共析钢C曲线不同的是曲线不同的是,在其上方多了在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素体的一条过冷奥氏体转变为铁素体的转变开始线。亚共析钢随着含碳量的转变开始线。亚共析钢随着含碳量的减少，减少，C曲线位置往左移，同时曲线位置往左移，同时Ms、Mf线住上移。亚共析钢的过冷奥氏体线住上移。亚共析钢的过冷奥氏体等温转变过程与共析钢类似。只是在等温转变过程与共析钢类似。只是在高温转变区过冷奥氏体将先有一部分高温转变区过冷奥氏体将先有一部分转变为铁素体，剩余的过冷奥氏体再转变为铁素体，剩余的过冷奥氏体再转变为珠光体型组
43、织。转变为珠光体型组织。第45页，共129页，编辑于2022年，星期三 过共析钢过冷过共析钢过冷A A的的C C曲线的上部为过冷曲线的上部为过冷A A中析出二次渗碳体中析出二次渗碳体(Fe3CII)(Fe3CII)开始线。当加热温度为开始线。当加热温度为A Ac1c1以上以上303050 50 时，过共析钢随时，过共析钢随着含碳量的增加着含碳量的增加,C,C曲线位置向左移曲线位置向左移,同时同时MMs s、MMf f线往下移。过共析线往下移。过共析钢的过冷钢的过冷A A在高温转变区在高温转变区,将先析出将先析出Fe3CII,Fe3CII,其余的过冷其余的过冷A A再转变为珠光再转变为珠光体型组
44、织。体型组织。第46页，共129页，编辑于2022年，星期三CrCr对对C C曲线的影响曲线的影响 合金元素的影合金元素的影响响除除Co 外外,凡溶入奥凡溶入奥氏体的合金元素都氏体的合金元素都使使C 曲线右移。曲线右移。除除Co和和Al 外外,所有合金元所有合金元素都使素都使Ms 与与Mf 点下降。点下降。第47页，共129页，编辑于2022年，星期三推杆式电阻炉推杆式电阻炉加热温度和保温时间的影响加热温度和保温时间的影响奥氏体化温度提高和保温时间延长，使奥氏体成分均匀、晶奥氏体化温度提高和保温时间延长，使奥氏体成分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加了过冷奥氏体的稳定性，使粒粗大、未溶碳化物
45、减少，增加了过冷奥氏体的稳定性，使C 曲线右移。曲线右移。使用使用C 曲线时应注意奥氏体化条件及晶粒度的影响曲线时应注意奥氏体化条件及晶粒度的影响.第48页，共129页，编辑于2022年，星期三二、过冷奥氏体连续转变曲线图二、过冷奥氏体连续转变曲线图 许多热处理工艺是在连续冷却过程中完成的，如炉冷退火、空冷正火、水冷淬火许多热处理工艺是在连续冷却过程中完成的，如炉冷退火、空冷正火、水冷淬火等。在连续冷却过程中，过冷奥氏体同样能进行等温转变时所发生的几种转变，而且等。在连续冷却过程中，过冷奥氏体同样能进行等温转变时所发生的几种转变，而且各个转变的温度区也与等温转变时的大致相同。各个转变的温度区也
46、与等温转变时的大致相同。在连续冷却过程中，不会出现新的在在连续冷却过程中，不会出现新的在等温冷却转变时所没有的转变。等温冷却转变时所没有的转变。但是，奥氏体的连续冷却转变不同于等温转变。因为，连但是，奥氏体的连续冷却转变不同于等温转变。因为，连续冷却过程要先后通过各个转变温度区，因此可能先后发生几种转变。而且，冷却速度不同，续冷却过程要先后通过各个转变温度区，因此可能先后发生几种转变。而且，冷却速度不同，可能发生的转变也不同，各种转变的相对量也不同，因而得到的组织和性能也不同。所以，可能发生的转变也不同，各种转变的相对量也不同，因而得到的组织和性能也不同。所以，连续冷却转变就显得复杂一些，转变
47、规律性也不像连续冷却转变就显得复杂一些，转变规律性也不像 等温转变那样明显，形成的组织也不容等温转变那样明显，形成的组织也不容易区分。易区分。连续冷却转变的规律用另一种连续冷却转变的规律用另一种C C曲线表示出来，这就是曲线表示出来，这就是“连续冷却连续冷却C C曲线曲线”，也叫作，也叫作“热动力学曲线热动力学曲线”。根据英文名称字头，又称为。根据英文名称字头，又称为“CCTCCT(Continuous(Continuous Cooling Transformation)Cooling Transformation)曲线曲线”。它反映了在连续冷却条件下过冷奥氏体的转变它反映了在连续冷却条件下过
48、冷奥氏体的转变规律，是分析转变产物组织与性能的依据，也是制订热处理工艺的重要参考资料规律，是分析转变产物组织与性能的依据，也是制订热处理工艺的重要参考资料。第49页，共129页，编辑于2022年，星期三1.1.共析钢过冷奥氏体连续冷却共析钢过冷奥氏体连续冷却C C曲线曲线 用若干组共析钢的小圆片试样，经同样奥氏体化以后，每组试样各以一个恒用若干组共析钢的小圆片试样，经同样奥氏体化以后，每组试样各以一个恒定速度连续冷却，每隔一段时间取出一个试样淬入水中，将高温分解的状态固定定速度连续冷却，每隔一段时间取出一个试样淬入水中，将高温分解的状态固定到室温，然后进行金相测定，求出每种转变的开始温度、开始
49、时间和转变量。将到室温，然后进行金相测定，求出每种转变的开始温度、开始时间和转变量。将各个冷速下的数据综合绘在各个冷速下的数据综合绘在“温度温度时间对数时间对数”的坐标中，的坐标中，便得到共析钢的连续冷却便得到共析钢的连续冷却C C曲线。曲线。由图可以看到，珠光体转变区由图可以看到，珠光体转变区由三条曲线构成，左边一条是转变由三条曲线构成，左边一条是转变开始线开始线PsPs，右边一条是转变终了线，右边一条是转变终了线PfPf，下面一条是转变中止线下面一条是转变中止线K K。马氏体转。马氏体转变区则由两条曲线构成；一条是温变区则由两条曲线构成；一条是温度上限度上限MMs s线，另一条是冷速下线。
50、线，另一条是冷速下线。第50页，共129页，编辑于2022年，星期三 当冷却速度当冷却速度V VV VK K 时，冷却曲线与珠光体转变开始线相交便发生时，冷却曲线与珠光体转变开始线相交便发生P P，与终了，与终了线相交时，转变便告结束，形成全部的珠光体。线相交时，转变便告结束，形成全部的珠光体。当冷速当冷速 V VK K V V V VK K 时，冷却曲线只与珠光体转变开始线相交，而不再与时，冷却曲线只与珠光体转变开始线相交，而不再与转变终了线相交，但会与中止线相交，这时奥氏体只有一部分转变为珠光体。冷转变终了线相交，但会与中止线相交，这时奥氏体只有一部分转变为珠光体。冷却曲线一旦与中止线相交