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1、第六章钢的热处理第六章钢的热处理Chapter 6 Heat Treatment of SteelsChapter 6 Heat Treatment of Steels主要内容：主要内容：l热处理的基本概念l钢在加热时的转变l钢在冷却时的转变l钢的退火与正火l钢的淬火与回火l钢的表面热处理热处理原理热处理原理热处理工艺热处理工艺钢铁材料是工程材料中最重要的材料之一，在机械制造业中钢铁材料是工程材料中最重要的材料之一，在机械制造业中的比例达到的比例达到90%90%左右，在汽车制造业中的比例达到左右，在汽车制造业中的比例达到70%70%，在其他，在其他制造业中也是最重要的材料之一。制造业中也是最重
2、要的材料之一。改善钢铁材料性能的途径：改善钢铁材料性能的途径：l 合金化合金化（Alloying）通过在钢中加入合金元素，调整钢的化学成分，从而获得优良的性能。l 热处理热处理（Heat Treatment）将金属在固态下经加热、保温和冷却，以改变金属的内部组织和结构，从而获得优良的性能。第六章 钢的热处理第一节热处理的基本概念第一节热处理的基本概念一、热处理的定义一、热处理的定义 热处理是指金属在固态下经加热、保温和冷却，以改变金属的内部组热处理是指金属在固态下经加热、保温和冷却，以改变金属的内部组织和结构，从而获得所需性能的一种工艺过程。织和结构，从而获得所需性能的一种工艺过程。加加热热保
3、温保温冷冷 却却临界温度临界温度第六章 钢的热处理6.1 6.1 热处理的基本概念热处理的基本概念时间时间热处理工艺曲线示意图热处理工艺曲线示意图温度温度二、热处理的基本要素和作用二、热处理的基本要素和作用l 热处理的三大要素热处理的三大要素加热加热（Heating）目的是获得均匀细小的奥氏体组织。目的是获得均匀细小的奥氏体组织。保温保温（Holding）目的是保证工件烧透，并防止脱碳和氧化等。目的是保证工件烧透，并防止脱碳和氧化等。冷却冷却（Cooling）目的是使奥氏体转变为不同的组织。目的是使奥氏体转变为不同的组织。l 热处理后的组织热处理后的组织加热、保温后的奥氏体在随后的冷却过程中，
4、根据冷却速度的不同加热、保温后的奥氏体在随后的冷却过程中，根据冷却速度的不同将转变成不同的组织。不同的组织具有不同的性能。将转变成不同的组织。不同的组织具有不同的性能。第六章 钢的热处理6.1 6.1 热处理的基本概念热处理的基本概念l 热处理的特点热处理的特点热处理不改变工件的形状，仅改变钢的内部组织和结构，从而改变热处理不改变工件的形状，仅改变钢的内部组织和结构，从而改变钢的性能。钢的性能。l 热处理的作用热处理的作用 改善钢（工件）的力学性能或工艺性能，充分发挥钢的性能潜力，改善钢（工件）的力学性能或工艺性能，充分发挥钢的性能潜力，提高工件质量，延长工件寿命。提高工件质量，延长工件寿命。
5、重要结论：重要结论：重要结论：重要结论：材料是否能够通过热处理而改善其性能，关键条件是材料在加热和材料是否能够通过热处理而改善其性能，关键条件是材料在加热和冷却过程中是否发生组织和结构的变化。冷却过程中是否发生组织和结构的变化。第六章 钢的热处理6.1 6.1 热处理的基本概念热处理的基本概念普通热处理普通热处理(整体热处理整体热处理)退火退火表面淬火表面淬火热处理工艺热处理工艺化学热处理化学热处理表面热处理表面热处理其他热处理其他热处理控制气氛热处理控制气氛热处理真空热处理真空热处理形变热处理形变热处理三、热处理的类型三、热处理的类型1.1.按加热、冷却方式及钢的组织、性能不同分类按加热、冷
6、却方式及钢的组织、性能不同分类正火正火淬火淬火回火回火感应加热表面淬火感应加热表面淬火火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火电接触加热表面淬火电接触加热表面淬火渗碳渗碳渗氮（氮化）渗氮（氮化）碳氮共渗碳氮共渗第六章 钢的热处理6.1 6.1 热处理的基本概念热处理的基本概念2.2.按热处理在工件生产过程中的位置和作用不同分类按热处理在工件生产过程中的位置和作用不同分类预备热处理：预备热处理：为随后的加工或热处理作准备为随后的加工或热处理作准备热处理工艺热处理工艺最终热处理：最终热处理：赋予工件所需的力学性能赋予工件所需的力学性能毛坯毛坯（锻件）（锻件）预备热处理预备热处理（退火、正火）（退火、正火）
7、机加工机加工（车削）（车削）最终热处理最终热处理（淬火、回火）（淬火、回火）精加工精加工（磨削）（磨削）第六章 钢的热处理6.1 6.1 热处理的基本概念热处理的基本概念举例：举例：举例：举例：零件的典型加工工艺路线：零件的典型加工工艺路线：A1A3AcmAc1Ar1Ac3Ar3ArcmAccm四、钢的临界转变温度四、钢的临界转变温度（Critical Temperature of Steels）wC（%）温温度度SPGEQFeFeFeFe3 3C C相图的共析转变部分相图的共析转变部分钢的临界转变温度是钢在钢的临界转变温度是钢在热处理时制定加热、保温、热处理时制定加热、保温、冷却工艺的重要依
8、据，由铁冷却工艺的重要依据，由铁碳合金相图确定。碳合金相图确定。重要结论：重要结论：重要结论：重要结论：钢的实际临界转变温度总钢的实际临界转变温度总是滞后于理论临界转变温度是滞后于理论临界转变温度,即加热时需要过热，冷却时即加热时需要过热，冷却时需要过冷。需要过冷。第六章 钢的热处理6.1 6.1 热处理的基本概念热处理的基本概念第二节钢在加热时的转变第二节钢在加热时的转变两种加热方式：两种加热方式：第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 加加热热保温保温冷冷 却却A Ac1c1时时 间间加热钢的两种方式加热钢的两种方式温温 度度细小的奥氏体组织。该过程又称为钢的奥
9、氏体化细小的奥氏体组织。该过程又称为钢的奥氏体化（Austenitizing）。第第种加热方式发生在临界温种加热方式发生在临界温度度A Ac1c1以上，一定有组织转变，是以上，一定有组织转变，是一种相变过程。一种相变过程。第第种加热方式发生在临界温种加热方式发生在临界温度度A Ac1c1以下，不一定有组织转变。以下，不一定有组织转变。加热的目的：加热的目的：本节介绍第本节介绍第种加热过程，目种加热过程，目的是使钢从室温组织（如珠光体）的是使钢从室温组织（如珠光体）转变为奥氏体，即获得均匀转变为奥氏体，即获得均匀相变相变（Phase Transformation）：材料中的一种相在一定条件下转变
10、材料中的一种相在一定条件下转变为另一种相的过程。为另一种相的过程。加加热热保温保温冷冷 却却一、奥氏体的形成过程一、奥氏体的形成过程 以共析钢为例：以共析钢为例：奥氏体的形成是一个形核和长大的固态相变过程，是铁素体奥氏体的形成是一个形核和长大的固态相变过程，是铁素体(F)(F)向奥向奥氏体氏体(A)(A)的晶格改组，渗碳体的晶格改组，渗碳体(Fe(Fe3 3C)C)溶入奥氏体中，以及碳溶入奥氏体中，以及碳(C)(C)在奥氏体在奥氏体中扩散的过程。中扩散的过程。共析钢奥氏体化的四个基本过程：共析钢奥氏体化的四个基本过程：奥氏体的形核奥氏体的形核 奥氏体的长大奥氏体的长大 残余残余渗碳体渗碳体的溶
11、解的溶解 奥氏体成分的均匀化奥氏体成分的均匀化第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变1.1.奥氏体的形核奥氏体的形核 A A晶核优先在晶核优先在F/FeF/Fe3 3C C相界处形成。相界处形成。第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变分析：分析：分析：分析：形核需要形核需要3 3个起伏，即个起伏，即能量起伏能量起伏、结构起结构起伏伏、成分（浓度）起伏成分（浓度）起伏,在晶界处容易满足在晶界处容易满足这这3 3个起伏。个起伏。相界处晶格畸变较大，能量较高，有相界处晶格畸变较大，能量较高，有利于获得利于获得A A形核所需的能量要求。形核所需的
12、能量要求。相界处晶格畸变较大，原子排列不规相界处晶格畸变较大，原子排列不规则，有利于获得奥氏体的则，有利于获得奥氏体的fccfcc结构要求。结构要求。相界处碳浓度相差较大，有利于获得相界处碳浓度相差较大，有利于获得A A形核所需的碳浓度要求。形核所需的碳浓度要求。FA形核形核Fe3CA2.2.奥氏体的长大奥氏体的长大A A晶核形成后晶核形成后,将通过将通过FAFA转变和转变和FeFe3 3C C溶溶入入A A的过程不断长大。的过程不断长大。分析：分析：分析：分析：A A形核后，由于形核后，由于A A与与FeFe3 3C C相界处存在碳浓相界处存在碳浓度梯度，将引起度梯度，将引起A A中中C C
13、的扩散。通过的扩散。通过FeFe原子原子和和C C原子的扩散、原子的扩散、FeFe原子的晶格由原子的晶格由bccbcc转变转变为为fccfcc，A A不断向不断向F F和和FeFe3 3C C两侧扩展长大两侧扩展长大,直直至至F F完全消失。完全消失。第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变Fe3CFAA长大长大3.3.残余渗碳体的溶解残余渗碳体的溶解FeFe3 3C C的溶解落后于的溶解落后于FAFA转变，残留转变，残留FeFe3 3C C将继续溶入将继续溶入A A中。中。分析：分析：分析：分析：在奥氏体的形成过程中，在奥氏体的形成过程中，F F比比FeFe3 3C
14、 C先先消失，因此奥氏体形成之后，还残留未消失，因此奥氏体形成之后，还残留未溶的溶的FeFe3 3C C。这些残余。这些残余FeFe3 3C C将随着时间的将随着时间的延长，继续不断地溶入奥氏体，直至全延长，继续不断地溶入奥氏体，直至全部消失。部消失。第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变未溶未溶Fe3CA残余残余Fe3C的溶解的溶解第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变A成分的均匀化成分的均匀化A4.4.奥氏体成分的均匀化奥氏体成分的均匀化残余残余FeFe3 3C C溶解完成后溶解完成后,A,A成分极不均匀。成分极不均匀。最终通过最终通
15、过C C原子的扩散，奥氏体的成分达原子的扩散，奥氏体的成分达到均匀一致。到均匀一致。分析：分析：分析：分析：残留的残留的FeFe3 3C C全部溶入全部溶入A A后后,原先是原先是FeFe3 3C C的的地方碳浓度高地方碳浓度高,原先是原先是F F的地方碳浓度低，的地方碳浓度低，必须继续保温，通过必须继续保温，通过C C原子的扩散，使原子的扩散，使A A成成分均匀化。分均匀化。第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变F奥氏体的形核奥氏体的形核Fe3CAFe3CFA奥氏体的长大奥氏体的长大未溶未溶Fe3CA残余渗碳体的溶解残余渗碳体的溶解 奥氏体成分的均匀化奥氏体成分的
16、均匀化A珠光体向奥氏体转变的过程珠光体向奥氏体转变的过程二、奥氏体晶粒的长大及其影响因素二、奥氏体晶粒的长大及其影响因素奥氏体晶粒的大小关系到随后冷却的组织的粗细程度，对钢的性能奥氏体晶粒的大小关系到随后冷却的组织的粗细程度，对钢的性能有着重大的影响。控制奥氏体晶粒度具有重要的意义。有着重大的影响。控制奥氏体晶粒度具有重要的意义。1.1.奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度l 起始晶粒度起始晶粒度（Initial Grain Size）在临界温度以上，奥氏体化过程刚完成，晶粒边界恰好相互接触时在临界温度以上，奥氏体化过程刚完成，晶粒边界恰好相互接触时的晶粒大小。的晶粒大小。l 实际晶粒度实际晶粒度（Pra
17、ctical Grain Size）在具体热处理条件下所获得的在具体热处理条件下所获得的A A晶粒度。晶粒度。l 本质晶粒度本质晶粒度（Inherent Grain Size）根据标准试验方法测定的根据标准试验方法测定的A A晶粒大小，表示了不同的钢在一定的加热晶粒大小，表示了不同的钢在一定的加热条件下条件下A A晶粒长大的倾向。晶粒长大的倾向。第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变本质晶粒度的标准试验方法：本质晶粒度的标准试验方法：参数：参数：930930 C C 1010 C C加热、加热、3 38h8h保温。保温。规定：规定：经上述试验，晶粒尺寸在八级标准晶粒
18、度中经上述试验，晶粒尺寸在八级标准晶粒度中1 14 4级者为级者为本质粗本质粗晶粒钢晶粒钢；5 58 8级者为级者为本质细晶粒钢本质细晶粒钢。第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢本质细晶粒钢本质细晶粒钢Ac1930930 C C950950 C C温度温度本质晶粒度示意图本质晶粒度示意图晶粒度晶粒度讨论：讨论：讨论：讨论：F本质粗晶粒钢随加热温度本质粗晶粒钢随加热温度的升高，晶粒不断长大。的升高，晶粒不断长大。F本质细晶粒钢在本质细晶粒钢在930930 C C以以下，当温度升高时，晶粒尺下，当温度升高时，晶粒尺寸没有明显的增大。寸没有明显的
19、增大。F本质细晶粒钢并不意味着本质细晶粒钢并不意味着在任何温度条件下都能保持在任何温度条件下都能保持细小的晶粒度。细小的晶粒度。1 级级2 级级3 级级4 级级8 级级7 级级6 级级5 级级第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变标准晶粒度等级标准晶粒度等级2.2.影响奥氏体晶粒度的因素影响奥氏体晶粒度的因素l 工艺因素工艺因素（1 1）加热温度和保温时间）加热温度和保温时间加热温度越高、保温时间越长，加热温度越高、保温时间越长，A A晶粒越粗大。晶粒越粗大。其中，温度的影响尤为显著。其中，温度的影响尤为显著。过热组织过热组织（Overheated Structur
20、e）：过热是指由于加热温度过高而产生的晶粒变粗的现象，因过热过热是指由于加热温度过高而产生的晶粒变粗的现象，因过热而导致的粗大晶粒组织，称为过热组织。而导致的粗大晶粒组织，称为过热组织。（2 2）加热速度）加热速度加热速度越快，加热速度越快，A A晶粒越细小。晶粒越细小。工业生产上常采用短时快速加热工艺短时快速加热工艺，以获得超细晶粒。第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变l 化学成分因素化学成分因素（1 1）含碳量）含碳量对于亚共析成分的钢，随对于亚共析成分的钢，随wC%增加，增加，A A晶粒长大的倾向增大；晶粒长大的倾向增大；对于过共析成分的钢，随对于过共析成分
21、的钢，随wC%增加，增加，A A晶粒长大的倾向减小。晶粒长大的倾向减小。原因：原因：过共析钢中呈颗粒状的过共析钢中呈颗粒状的FeFe3 3C C有阻碍晶粒长大的作用。有阻碍晶粒长大的作用。（2 2）碳化物形成元素）碳化物形成元素碳化物形成元素与碳形成细小的颗粒状碳化物可阻碍晶粒的长碳化物形成元素与碳形成细小的颗粒状碳化物可阻碍晶粒的长大，从而使大，从而使A A晶粒细化。晶粒细化。碳化物形成元素碳化物形成元素（Carbide-forming Element）：合金钢中与碳的亲和力较大、因而易形成碳化物的合金元素。合金钢中与碳的亲和力较大、因而易形成碳化物的合金元素。如如TiTi、V V、NbNb
22、、WW、MoMo、CrCr等。等。含有上述元素的钢均是本质细晶粒钢。含有上述元素的钢均是本质细晶粒钢。（3 3）MnMn、P P等元素等元素促进促进A A晶粒长大，易产生过热组织。晶粒长大，易产生过热组织。第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变第三节钢在冷却时的转变第三节钢在冷却时的转变两种冷却方式：两种冷却方式：等温冷却等温冷却（Isothermal Cooling）将将A A快速冷至临界温度以下某一温度，使快速冷至临界温度以下某一温度，使A A在该温度下转变成其他组在该温度下转变成其他组织，然后再冷却至室温。织，然后再冷却至室温。连续冷却连续冷却（Continu
23、ous Cooling）A A在逐渐降温至室温的过程中转变成其他组织。在逐渐降温至室温的过程中转变成其他组织。第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变保温保温连连 续续 冷冷 却却临界温度临界温度等等 温温 冷冷 却却时间时间温度温度 加加热热一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程 过冷奥氏体过冷奥氏体（Undercooling Austenite）：被过冷至临界温度以下、在热力学上不稳定、即将发生分解（即奥氏被过冷至临界温度以下、在热力学上不稳定、即将发生分解（即奥氏体转变为其他组织）的奥氏体，称为过冷奥氏体。体转变为其他组织）的奥氏体
24、，称为过冷奥氏体。分析：分析：分析：分析：第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变保温保温A r1时间时间温度温度 加加热热(稳定的稳定的)奥氏体奥氏体过冷奥氏体过冷奥氏体过冷奥氏体转变产物：过冷奥氏体转变产物：珠光体珠光体（Pearlite）符号：符号：P P 过冷奥氏体以缓慢的冷却速度冷却至室温，或过冷奥氏体在临界温度过冷奥氏体以缓慢的冷却速度冷却至室温，或过冷奥氏体在临界温度以下的高温范围内等温，将转变成珠光体。以下的高温范围内等温，将转变成珠光体。典型的冷却方式：典型的冷却方式：炉冷（退火）炉冷（退火）珠光体相比马氏体和贝氏体，其强度和硬度较低。珠光体相比马氏
25、体和贝氏体，其强度和硬度较低。马氏体马氏体（Martensite）符号：符号：M M过冷奥氏体以极快的冷却速度冷却至室温，将转变成马氏体。过冷奥氏体以极快的冷却速度冷却至室温，将转变成马氏体。典型的冷却方式：典型的冷却方式：水冷或油冷（淬火）水冷或油冷（淬火）马氏体具有很高的强度和硬度。马氏体具有很高的强度和硬度。贝氏体贝氏体（Bainite）符号：符号：B B 过冷奥氏体在临界温度以下的中温范围内等温，将转变成贝氏体。过冷奥氏体在临界温度以下的中温范围内等温，将转变成贝氏体。贝氏体的强度和硬度介于珠光体和马氏体之间。贝氏体的强度和硬度介于珠光体和马氏体之间。第六章 钢的热处理6.3 6.3
26、钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变1.1.珠光体转变珠光体转变（Pearlite Transformation）珠光体在临界温度以下的较高温度范围（珠光体在临界温度以下的较高温度范围（A Ar1r1550550 C C）内形成。）内形成。l 珠光体的组织形态及性能珠光体的组织形态及性能 （1 1）珠光体的组织形态）珠光体的组织形态 层片状珠光体层片状珠光体（Lamellar Pearlite）（又称片状珠光体）（又称片状珠光体）片状珠光体是层片状的铁素体与渗碳体相间排列的机械混合物。片状珠光体是层片状的铁素体与渗碳体相间排列的机械混合物。第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却
27、时的转变片状珠光体片状珠光体s0片状珠光体的形态特征片状珠光体的形态特征FFe3CFFFFe3CFe3CFe3C影响片状珠光体片间距（影响片状珠光体片间距（s s0 0）的因素：）的因素：形成温度形成温度 形成温度越低，形成温度越低，s s0 0 越小。越小。冷却速度冷却速度 冷却速度越大，冷却速度越大，s s0 0 越小。越小。片状珠光体的类型：片状珠光体的类型：珠光体珠光体（Pearlite）符号：符号：P Ps s0 00.600.601.01.0 m m，形成温度为，形成温度为A Ar r1 1650650 C C 索氏体索氏体（Sorbite）符号：符号：S Ss s0 00.250
28、.250.30.3 m m，形成温度为，形成温度为650650 C C600600 C C 托氏体托氏体（Troostite）符号：符号：T Ts s0 00.100.100.150.15 m m，形成温度为，形成温度为600600 C C550550 C C第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变特别说明：特别说明：珠光体（珠光体（P P）、索氏体）、索氏体（S S）、托氏体（）、托氏体（T T）对钢的性能有不同的对钢的性能有不同的影响，但本质上都是影响，但本质上都是层片状的层片状的F F和和FeFe3 3C C组成组成的机械混合物，仅片的机械混合物，仅片间距不同而
29、已，其界间距不同而已，其界限也是相对的。限也是相对的。粒状珠光体粒状珠光体（Granular Pearlite）（又称球状珠光体）（又称球状珠光体）粒状珠光体是颗粒状渗碳体分布在铁素体基体中的机械混合物。粒状珠光体是颗粒状渗碳体分布在铁素体基体中的机械混合物。第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变FFe3C粒（球）状珠光体粒（球）状珠光体特别说明：特别说明：粒状珠光体是许多碳粒状珠光体是许多碳素工具钢、合金工具素工具钢、合金工具钢以及轴承钢在淬火钢以及轴承钢在淬火前需要获得的组织。前需要获得的组织。通过球化退火可以获通过球化退火可以获得粒状珠光体。得粒状珠光体。（2
30、 2）珠光体的性能）珠光体的性能珠光体的性能与组织的粗细程度密切相关。珠光体的性能与组织的粗细程度密切相关。片状珠光体的性能片状珠光体的性能片间距越小，片状珠光体的硬度和强度越大、塑性和韧性越好。片间距越小，片状珠光体的硬度和强度越大、塑性和韧性越好。比较：比较：比较：比较：珠光体（珠光体（P P）：25HRC25HRC 索氏体（索氏体（S S）:25HRC:25HRC30HRC 30HRC 托氏体（托氏体（T T）:35HRC:35HRC40HRC40HRC粒状珠光体的性能粒状珠光体的性能渗碳体颗粒越多、越细小，分布越弥散、越均匀，粒状珠光体的硬渗碳体颗粒越多、越细小，分布越弥散、越均匀，粒
31、状珠光体的硬度和强度越大。度和强度越大。第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变l 珠光体转变的过程珠光体转变的过程 珠光体转变（即珠光体转变（即APAP转变）是一个形核和长大的过程，是碳原子重新转变）是一个形核和长大的过程，是碳原子重新分布和晶格重组的过程。分布和晶格重组的过程。以共析钢片状珠光体的形成为例：以共析钢片状珠光体的形成为例：珠光体转变是典型的扩散型相变：珠光体转变是典型的扩散型相变：珠光体形成时，碳原子和铁原子均要进行长程扩散。珠光体形成时，碳原子和铁原子均要进行长程扩散。片状珠光体的转变过程片状珠光体的转变过程第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷
32、却时的转变钢在冷却时的转变2.2.马氏体转变马氏体转变（Martensite Transformation）马氏体是碳马氏体是碳溶解在体心立方晶格的溶解在体心立方晶格的 -Fe-Fe中形成的过饱和间隙固溶体。中形成的过饱和间隙固溶体。马氏体转变在临界温度以下的低温范围内进行。马氏体转变在临界温度以下的低温范围内进行。l 马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构属于体心正方晶格（马氏体的晶体结构属于体心正方晶格（bctbct）。）。由于马氏体含碳过饱和由于马氏体含碳过饱和,导致导致bccbcc晶格畸变成晶格畸变成bctbct晶格。故晶格。故bctbct晶格可以看成是晶格可以看成是bccb
33、cc晶格沿晶格沿c c轴轴的伸长。的伸长。c/ac/a称为马氏体的正方度。称为马氏体的正方度。c/ac/a与与wC%的关系：的关系：wC%越高，越高，c/ac/a越大；越大；wC%越低，越低，c/ac/a越小。越小。重要结论：重要结论：重要结论：重要结论：马氏体含碳量越高，其正方度越大，晶格畸变越严重，故硬度越高。马氏体含碳量越高，其正方度越大，晶格畸变越严重，故硬度越高。钢中获得马氏体组织是强化钢铁材料的重要手段之一。钢中获得马氏体组织是强化钢铁材料的重要手段之一。第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变碳原子碳原子铁原子铁原子M的的bct晶格示意图晶格示意图l 马
34、氏体的组织形态马氏体的组织形态 （1 1）板条状马氏体）板条状马氏体（Lath Martensite）板条状马氏体一般出现在低碳钢中板条状马氏体一般出现在低碳钢中,因此又称为低碳马氏体。因此又称为低碳马氏体。形态特征：形态特征：由许多成群的、大致平行的板条组成，由许多成群的、大致平行的板条组成，板条的空间形态为椭圆断面的柱状体。板条的空间形态为椭圆断面的柱状体。又称为板条马氏体。又称为板条马氏体。亚结构：亚结构：板条状马氏体的板条中含有高密度的板条状马氏体的板条中含有高密度的位错，因此又称为位错马氏体。位错，因此又称为位错马氏体。第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转
35、变马氏体板条马氏体板条原奥氏体晶界原奥氏体晶界板条块板条块板条束板条束 （2 2）针状马氏体）针状马氏体 （Acicular Martensite,Plate Martensite）针状马氏体一般出现在高碳钢中，因针状马氏体一般出现在高碳钢中，因此又称为高碳马氏体。此又称为高碳马氏体。形态特征：形态特征：呈针片状或竹叶状，周围往往存在着呈针片状或竹叶状，周围往往存在着残余奥氏体。针片的空间形态呈双凸透残余奥氏体。针片的空间形态呈双凸透镜状。又称为片状马氏体。镜状。又称为片状马氏体。亚结构：亚结构：针状马氏体的针片中含有大量的精细针状马氏体的针片中含有大量的精细孪晶，因此又称为孪晶马氏体。孪晶，
36、因此又称为孪晶马氏体。第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变原奥氏体晶界原奥氏体晶界马氏体针马氏体针影响马氏体针片尺寸的因素：影响马氏体针片尺寸的因素：马氏体马氏体“针针”或或“片片”的最大尺寸取决于原始奥氏体的晶粒度。的最大尺寸取决于原始奥氏体的晶粒度。第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变讨论：讨论：讨论：讨论：最早形成的针片往往贯穿整个晶粒最早形成的针片往往贯穿整个晶粒,后形成的针片大小将受到已形成的针片后形成的针片大小将受到已形成的针片的限制。因此，原始奥氏体晶粒越细小，的限制。因此，原始奥氏体晶粒越细小，则马氏体片也越细小。则马
37、氏体片也越细小。隐晶马氏体：隐晶马氏体：（Cryptocrystalline Martensite）由于原始奥氏体的晶粒非常细小，以由于原始奥氏体的晶粒非常细小，以至于在光学显微镜下难以分辨出马氏体至于在光学显微镜下难以分辨出马氏体的针状特征，这种马氏体称为隐晶马氏的针状特征，这种马氏体称为隐晶马氏体。体。M针针原奥氏体晶界原奥氏体晶界针状马氏体显微组织示意图针状马氏体显微组织示意图 （3 3）影响马氏体形态的因素）影响马氏体形态的因素马氏体形态的主要影响因素是其形成温度，而形成温度又主要取决马氏体形态的主要影响因素是其形成温度，而形成温度又主要取决于奥氏体的含碳量。于奥氏体的含碳量。第六章
38、钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变马氏体形态与含碳量的关系马氏体形态与含碳量的关系板条马氏体量板条马氏体量00.20.40.60.81.0wC%255075100体积分数，体积分数，%讨论：讨论：讨论：讨论：F当当wC%0.2%0.2%，马氏体，马氏体转变后的组织中几乎全部转变后的组织中几乎全部是板条马氏体；是板条马氏体；F当当wC%1.0%1.0%，马氏体，马氏体转变后的组织中几乎全部转变后的组织中几乎全部是针状马氏体；是针状马氏体；F当当0.2%0.2%wC%1.0%1.0%，马氏体马氏体转变后的组织中既转变后的组织中既有板条马氏体，也有针状有板条马氏体，也有针状马
39、氏体。马氏体。l 马氏体的性能马氏体的性能马氏体的性能主要取决于含碳量和组织形态。马氏体的性能主要取决于含碳量和组织形态。第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变 （1 1）含碳量的影响）含碳量的影响 随随M的的wC%：M的的硬度、强度硬度、强度，M的塑性、韧性的塑性、韧性，M的脆性的脆性。高碳针状马氏体高碳针状马氏体“硬而脆硬而脆”。（2 2）组织形态的影响）组织形态的影响针状马氏体硬度大，塑性和韧性差；针状马氏体硬度大，塑性和韧性差；板条马氏体韧性较好，并且具有足够的强度。板条马氏体韧性较好，并且具有足够的强度。低碳板条马氏体低碳板条马氏体“强而韧强而韧”。MJ/
40、m2HRCHRCakwC%马氏体的硬度、韧性与含碳量的关系马氏体的硬度、韧性与含碳量的关系特别提示：特别提示：特别提示：特别提示：马氏体的硬度不等于淬火钢的硬度。马氏体的硬度不等于淬火钢的硬度。第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变马氏体的硬度由含碳量决马氏体的硬度由含碳量决定，淬火钢的硬度则与马氏定，淬火钢的硬度则与马氏体转变结束后钢中马氏体的体转变结束后钢中马氏体的相对量和未转变组织的相对相对量和未转变组织的相对量有关，即随淬火钢中未转量有关，即随淬火钢中未转变组织的相对量增多，淬火变组织的相对量增多，淬火钢硬度降低。钢硬度降低。a、b 淬火钢；淬火钢；c 马氏
41、体。马氏体。含碳量对马氏体和淬火钢硬度的影响含碳量对马氏体和淬火钢硬度的影响l 马氏体转变的特点马氏体转变的特点马氏体转变同样是一个形核和长大的过程。马氏体转变同样是一个形核和长大的过程。（1 1）无扩散性）无扩散性 FeFe、C C、MeMe（合金元素）的原子均不进行长程扩散。（合金元素）的原子均不进行长程扩散。（fccfcc）M M（bctbct）的晶格重组由原子集体的、有规律的近程迁）的晶格重组由原子集体的、有规律的近程迁 移完成。移完成。转变前后合金的化学成分不变。转变前后合金的化学成分不变。MM和原和原A A中固溶的碳量一致。中固溶的碳量一致。马氏体转变是典型的非扩散型相变。马氏体转
42、变是典型的非扩散型相变。第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变 （2 2）共格切变性和表面浮凸现象）共格切变性和表面浮凸现象 （fccfcc）M M（bctbct）的晶格重组）的晶格重组以切变方式进行。以切变方式进行。新相（新相（M M）与母相（）与母相（）保持共格关系。）保持共格关系。第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变M M 试样表面试样表面浮凸浮凸（fccfcc）M M（bctbct）的）的切变结果切变结果（在原抛光的表面产生浮凸现象）（在原抛光的表面产生浮凸现象）M应变场应变场M M与与 保持共格关系保持共格关系（相界上的原子为
43、两个相共有）（相界上的原子为两个相共有）（3 3）在不断降温的过程中形成）在不断降温的过程中形成 马氏体转变在一个温度范围内完成马氏体转变在一个温度范围内完成,冷却中断冷却中断,转变立即停止。转变立即停止。马氏体转变开始的温度称为马氏体转变开始的温度称为M Ms s点，转变终了的温度称为点，转变终了的温度称为M Mf f点。点。M Ms s点和点和M Mf f点主要取决于奥氏体中的点主要取决于奥氏体中的wC%和和wMe%。含碳量对含碳量对M Ms s和和M Mf f的影响的影响 C CwC%温度温度 /重要结论：重要结论：重要结论：重要结论：wC%增多，增多，M Ms s点和点和M Mf f点
44、降低。点降低。除除AlAl、CoCo外，外，wMe%增多，增多，M Ms s点和点和M Mf f点降低。点降低。第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变 （4 4）高速长大）高速长大马氏体的形成速度极快，瞬间形核、瞬间长大，速度接近声速。马氏体的形成速度极快，瞬间形核、瞬间长大，速度接近声速。（5 5）马氏体转变的不完全性马氏体转变的不完全性即使温度降低至即使温度降低至M Mf f点，奥氏体也不能点，奥氏体也不能100%100%转变为马氏体。转变为马氏体。残余奥氏体残余奥氏体（Retained Martensite）：M M转变结束后，总有部分奥氏体未转变而残留下来，
45、这部分奥转变结束后，总有部分奥氏体未转变而残留下来，这部分奥氏体称为残余奥氏体，记作氏体称为残余奥氏体，记作A A、或或 R R。第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变 重要结论：重要结论：重要结论：重要结论：淬火钢中淬火钢中A A 的含量随的含量随wC%和和 wMe%（除（除AlAl、CoCo外）的增外）的增 加而增加。加而增加。淬火钢的硬度随淬火钢的硬度随A A 量的增多量的增多 而降低。而降低。第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变残余奥氏体量残余奥氏体量 /%奥氏体的奥氏体的wC%对对A A 量的影响量的影响wC%3.3.贝氏体转
46、变贝氏体转变（Bainite Transformation）贝氏体转变在临界温度以下的中温范围（贝氏体转变在临界温度以下的中温范围（550550 C CM Ms s）内进行。）内进行。贝氏体转变具有贝氏体转变具有P P转变和转变和M M转变的某些特点，又具有自身的一些特点。转变的某些特点，又具有自身的一些特点。l 贝氏体的组织形态及性能贝氏体的组织形态及性能 （1 1）贝氏体的组织形态）贝氏体的组织形态贝氏体贝氏体是由含碳过饱和的铁素体与渗碳体组成的机械混合物。是由含碳过饱和的铁素体与渗碳体组成的机械混合物。根据形成温度的不同，贝氏体主要有上贝氏体和下贝氏体两种。根据形成温度的不同，贝氏体主要
47、有上贝氏体和下贝氏体两种。上贝氏体的铁素体中轻度含上贝氏体的铁素体中轻度含C C过饱和，下贝氏体的铁素体中过饱和，下贝氏体的铁素体中C C的过的过饱和饱和度较大。度较大。第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变上贝氏体上贝氏体（Upper Bainite）符号：符号：B B上上形成温度形成温度550550 C C350350 C C，金相组织呈羽毛状，电镜下可观察到在金相组织呈羽毛状，电镜下可观察到在F F板板条之间分布着条状条之间分布着条状FeFe3 3C C。第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变上贝氏体金相组织上贝氏体金相组织（羽毛状
48、）（羽毛状）上贝氏体电镜组织上贝氏体电镜组织（黑色板条为（黑色板条为F F；白色短条为；白色短条为FeFe3 3C C）下贝氏体下贝氏体（Lower Bainite）符号：符号：B B下下 形成温度形成温度350350 C CM Ms s，金相组织呈黑针状，电镜下可观察到在金相组织呈黑针状，电镜下可观察到在F F板条内板条内分布着细小、弥散的粒状或短条状分布着细小、弥散的粒状或短条状FeFe3 3C C。第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变下贝氏体金相组织下贝氏体金相组织（黑针状）（黑针状）下贝氏体电镜组织下贝氏体电镜组织（黑针（黑针为为F F；白色短条为；白色短
49、条为FeFe3 3C C）（2 2）贝氏体的性能）贝氏体的性能 贝氏体的力学性能主要取决于其组织形态。贝氏体的力学性能主要取决于其组织形态。上贝氏体上贝氏体上贝氏体的铁素体板条粗大，碳的过饱和度低，强度和硬度较低；上贝氏体的铁素体板条粗大，碳的过饱和度低，强度和硬度较低；同时，渗碳体粗大，且呈条状断续分布于铁素体板条间，因而上贝氏同时，渗碳体粗大，且呈条状断续分布于铁素体板条间，因而上贝氏体的韧性低，脆性大。体的韧性低，脆性大。上贝氏体是实际生产中应避免出现的组织。上贝氏体是实际生产中应避免出现的组织。下贝氏体下贝氏体下贝氏体的铁素体针细小，碳的过饱和度较高，渗碳体细小、弥散，下贝氏体的铁素体
50、针细小，碳的过饱和度较高，渗碳体细小、弥散，且均匀分布在铁素休针内，具有弥散强化的效果，因而下贝氏体不仅且均匀分布在铁素休针内，具有弥散强化的效果，因而下贝氏体不仅强度较高，而且韧性也好，即具有良好的综合力学性能。强度较高，而且韧性也好，即具有良好的综合力学性能。下贝氏体是实际生产中广泛应用的组织。下贝氏体是实际生产中广泛应用的组织。第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变l 贝氏体的转变过程贝氏体的转变过程 贝氏体转变（即贝氏体转变（即ABAB转变）也是一个形核和长大的过程。转变）也是一个形核和长大的过程。ABAB转变是转变是A A以切变的方式向过饱和以切变的方式向