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1、第一节第一节 冶金质量对钢性能冶金质量对钢性能第二节第二节 碳钢的热处理碳钢的热处理第三节第三节 钢的合金化钢的合金化基本要求基本要求第五章第五章 改善钢的组织与性能的基本途径改善钢的组织与性能的基本途径第一节第一节 冶金质量对钢性能的影响冶金质量对钢性能的影响钢的冶金质量：钢在冶炼、浇注及压力加工后的钢的冶金质量：钢在冶炼、浇注及压力加工后的质量。质量。主要包括主要包括:(1)所含杂质元素；所含杂质元素；(2)非金属夹杂物；非金属夹杂物；(3)钢锭的宏观组织及压力加工后的组织缺陷。钢锭的宏观组织及压力加工后的组织缺陷。一、杂质元素对钢材性能的影响一、杂质元素对钢材性能的影响钢中常存元素：钢中
2、常存元素：Mn，Si，S，P，O，H，N等。等。Mn和和Si：(1)炼钢脱氧剂；炼钢脱氧剂；(2)溶于铁，有固溶强化作用；溶于铁，有固溶强化作用；(3)Mn可减轻可减轻S的有害作用。的有害作用。S：(1)不溶于不溶于Fe，而与铁形成化合物，而与铁形成化合物FeS；(2)FeS与与Fe形成低熔点共晶物，且分布于晶间，形成低熔点共晶物，且分布于晶间，温度较高时，钢材表现出热脆性。温度较高时，钢材表现出热脆性。(3)Mn和和S的亲和性更大，可消除热脆性，同时增的亲和性更大，可消除热脆性，同时增加钢材的切削性能。加钢材的切削性能。P：(1)-Fe中最大溶解度为中最大溶解度为1.2%；(2)易偏析形成易
3、偏析形成Fe3P，可是钢的强度提高，但增加，可是钢的强度提高，但增加脆性；脆性；(3)Fe3P使脆性转折温度急剧升高，引起钢的冷使脆性转折温度急剧升高，引起钢的冷脆性。脆性。(4)增加增加P含量可增加切削性；含量可增加切削性；(5)与与Cu同时存在时可提高耐蚀性。同时存在时可提高耐蚀性。O、N和和H：(1)O和和N溶入固体降低钢的冲击韧性并急剧提高溶入固体降低钢的冲击韧性并急剧提高脆性转折温度；脆性转折温度；(2)微量的微量的H引起氢脆；引起氢脆；存在形式：游离气态、固溶体或化合物。存在形式：游离气态、固溶体或化合物。钢中白点钢中白点二、非金属夹杂物对钢材性能的影响二、非金属夹杂物对钢材性能的
4、影响非金属夹杂物的来源：非金属夹杂物的来源：(1)冶炼、浇注过程中的物理化学反响生成物；冶炼、浇注过程中的物理化学反响生成物；(2)浇注过程中因侵蚀剥落形成的炉渣及耐火材料。浇注过程中因侵蚀剥落形成的炉渣及耐火材料。非金属夹杂物的主要类型：氧化物和硫化物。非金属夹杂物的主要类型：氧化物和硫化物。对钢材性能的影响：对钢材性能的影响：与基体弹塑性变形不协调而引起应力集中，脆性夹与基体弹塑性变形不协调而引起应力集中，脆性夹杂物边缘出现疲劳裂纹，从而降低钢强度。杂物边缘出现疲劳裂纹，从而降低钢强度。三、钢锭的宏观组织三、钢锭的宏观组织根据脱氧程度分：根据脱氧程度分：镇静钢、沸腾钢和半镇静钢镇静钢、沸腾
5、钢和半镇静钢镇静钢：镇静钢：(1)Mn、Al、Si脱氧的钢脱氧的钢(2)包括外表细晶区、柱状包括外表细晶区、柱状晶区和内部等轴晶区晶区和内部等轴晶区(3)晶粒下沉形成下部锥体晶粒下沉形成下部锥体(4)偏析形成偏析形成V型偏析和逆型偏析和逆V型偏析型偏析(5)存在缩孔、缩松和气泡存在缩孔、缩松和气泡集中缩孔集中缩孔缩孔缩孔缩松缩松沸腾钢沸腾钢(1)仅用仅用Mn脱氧；脱氧；(2)氧含量高，生成氧含量高，生成CO而使钢液而使钢液沸腾；沸腾；(3)气泡量和偏析较镇静钢严峻；气泡量和偏析较镇静钢严峻；(4)集中缩集中缩孔少。孔少。半镇静钢半镇静钢用用Mn、Al脱氧，质量介于镇静钢和沸腾钢脱氧，质量介于镇
6、静钢和沸腾钢机械性能要求高时，用镇静钢；要求塑性好时，可机械性能要求高时，用镇静钢；要求塑性好时，可用沸腾钢，如冷冲压汽车壳体、油箱等用沸腾钢，如冷冲压汽车壳体、油箱等四、钢的分类四、钢的分类按照化学成分：碳钢与合金钢按照化学成分：碳钢与合金钢碳钢：碳钢：1、低碳钢、低碳钢 Cwt.%0.25%;2、中碳钢、中碳钢 0.30%Cwt.%0.6%。合金钢：合金钢：1、低合金钢、低合金钢 合金元素含量小于合金元素含量小于5wt.%;2、中合金钢、中合金钢 合金元素含量为合金元素含量为5-10wt.%;3、高合金钢、高合金钢 合金元素含量大于合金元素含量大于10wt.%;按用途分按用途分1、结构钢：
7、构件及机器零件用钢；、结构钢：构件及机器零件用钢；2、工具钢：刃具钢、模具钢和量具钢；、工具钢：刃具钢、模具钢和量具钢；3、特殊用途钢：不锈钢、耐磨钢、耐热钢等。、特殊用途钢：不锈钢、耐磨钢、耐热钢等。按冶炼方法分：沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。按冶炼方法分：沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。按质量等级分按质量等级分(根据根据S和和P含量含量)1、一般钢：、一般钢：P为为0.045-0.085%；S为为0.055-0.065%；2、优质钢：、优质钢：P为为0.035-0.04%；S为为0.03-0.04%；3、高级优质钢：、高级优质钢：P为为0.03-0.035%；S为为0.02-0.03%。第二节第二节
8、 碳钢的热处理碳钢的热处理钢的热处理：将钢在固态下以一定的方式进行加钢的热处理：将钢在固态下以一定的方式进行加热、保温，然后采取适宜的方式冷却，让其获得热、保温，然后采取适宜的方式冷却，让其获得所需要的组织结构和性能的工艺。所需要的组织结构和性能的工艺。通常用温度通常用温度时间坐标时间坐标绘出热处理工艺曲线。绘出热处理工艺曲线。预备热处理预备热处理最终热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线钢热处理工艺曲线时间时间温度温度/根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热处理工艺。热处理工艺。v在机床制造中约在机床制造中约60-70%的的零件要经
9、过热处理。零件要经过热处理。v在汽车、拖拉机制造业中需热在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达处理的零件达70-80%。l模具、滚动轴承模具、滚动轴承100%需经过需经过热处理。热处理。l重要零件都需适当热处理后才重要零件都需适当热处理后才能使用。能使用。v热处理特点热处理特点:区别于其区别于其他加工工艺如铸造、压他加工工艺如铸造、压力加工等，只通过改变力加工等，只通过改变工件的组织来改变性能，工件的组织来改变性能，而不改变其形状。而不改变其形状。铸造铸造轧制轧制l热处理适用范围热处理适用范围:只只适用于固态下发生相适用于固态下发生相变的材料，不发生固变的材料，不发生固态相变的材料不能用态相变
10、的材料不能用热处理强化。热处理强化。其他热处理其他热处理普通热处理普通热处理表面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、渗其他元素等根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：将热处理工艺分类如下：铁碳相图中铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用线分别用A1、A3、Acm
11、表示。表示。冷却时的实际转变温度分别用冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示表示加热时的实际转变温度分别用加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示表示退火：将工件加热到高于退火：将工件加热到高于AC3或或AC1温度以上，保温度以上，保温一定时间，随后以足够缓慢的速度冷却，使钢得温一定时间，随后以足够缓慢的速度冷却，使钢得到接近平衡组织的热处理工艺。到接近平衡组织的热处理工艺。目的：目的：调整硬度，便于切削加调整硬度，便于切削加工。工。消除内应力，防止加工消除内应力，防止加工中变形。中变形。细化晶粒，为最终热处细化晶粒，为最终热处理作组织准备。理作组织准备。真空退火
12、炉真空退火炉根据加热温度不同退火根据加热温度不同退火分为完全退火和不完全分为完全退火和不完全退火。退火。完全退火：加热到完全退火：加热到AC3以以上，得到均一奥氏体组织上，得到均一奥氏体组织后再缓冷转变为珠光体组后再缓冷转变为珠光体组织的过程。织的过程。不完全退火：加热到不完全退火：加热到AC1以上，得到奥氏体加未溶以上，得到奥氏体加未溶碳化物或铁素体，再缓冷进行组织转变的过程。碳化物或铁素体，再缓冷进行组织转变的过程。球化退火球化退火 将钢加热到将钢加热到Ac1以上以上2030，保温一段，保温一段时间，然后缓慢冷却，得时间，然后缓慢冷却，得到在铁素体基体上均匀分到在铁素体基体上均匀分布的球状
13、或颗粒状碳化物布的球状或颗粒状碳化物的组织。的组织。球化退火目的：使钢中碳化物球化而进行的退火球化退火目的：使钢中碳化物球化而进行的退火工艺。球化退火主要适用于过共析钢工艺。球化退火主要适用于过共析钢球状珠光体球状珠光体球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织，称球状珠光体，体的组织，称球状珠光体，用用P球球表示。表示。与片状珠光体相比，不但硬度低，便于切削加工，与片状珠光体相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件变形和开裂倾向小。工件变形和开裂倾向小。正
14、火：将钢加热到正火：将钢加热到AC3或或Accm以上，保温一定时间，以上，保温一定时间，在静止的空气中冷却，得到细珠光体类型组织的在静止的空气中冷却，得到细珠光体类型组织的热处理工艺。热处理工艺。正火温度正火温度l要改善切削性能，低要改善切削性能，低碳钢用正火，中碳钢碳钢用正火，中碳钢用退火或正火，高碳用退火或正火，高碳钢用球化退火。钢用球化退火。热处理与硬度关系热处理与硬度关系合适切削加工硬度合适切削加工硬度正火的目的正火的目的 对于低、中碳钢对于低、中碳钢(0.6C%)，目的与退火的相同。，目的与退火的相同。调整硬度利于切削、调整硬度利于切削、消除内应力、细化晶粒。消除内应力、细化晶粒。球
15、状珠光体球状珠光体 对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。球化退火作组织准备。淬火目的是为获得马氏体组织，提高钢的性能。淬火目的是为获得马氏体组织，提高钢的性能。淬火：将钢加热到淬火：将钢加热到Ac3或或Ac1以上，保温一定时间，以上，保温一定时间，以一定的速度冷却，得到马氏体或下贝氏体组织的以一定的速度冷却，得到马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。热处理工艺。根据加热温度不同淬火分为完全淬火和不完全淬火。根据加热温度不同淬火分为完全淬火和不完全淬火。完全淬火：加热到完全淬火：加热到Ac3以上，进行淬火的过程。以上，进行淬火的过程。不
16、完全淬火：加热到不完全淬火：加热到Ac1以上，得到奥氏体加未溶以上，得到奥氏体加未溶碳化物或铁素体，再淬火的过程。碳化物或铁素体，再淬火的过程。螺杆表面螺杆表面的淬火裂的淬火裂纹纹回火是指将淬火钢重新加热到相变点以下的某温度回火是指将淬火钢重新加热到相变点以下的某温度保温后冷却的工艺。保温后冷却的工艺。回火的目的：回火的目的：(1)减少或消除淬火内应力减少或消除淬火内应力,防止变形或开裂。防止变形或开裂。(2)获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。脆性大，回火可调整硬度、韧性。(3)稳定尺寸。稳定尺寸。外表淬火：将钢件外表
17、层加热到临界点以上温度并外表淬火：将钢件外表层加热到临界点以上温度并急速冷却。急速冷却。外表淬火目的：外表淬火目的：使外表具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限；使外表具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限；心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。轴的感应加热表面淬火轴的感应加热表面淬火火焰加热火焰加热火焰加热火焰加热感应加热感应加热化学热处理：将钢件置于一定介质中加热、保温，化学热处理：将钢件置于一定介质中加热、保温，使介质中活性
18、原子渗入工作表层，以改变表层的化使介质中活性原子渗入工作表层，以改变表层的化学成分组织，具有某些特殊的机械和物化性能。学成分组织，具有某些特殊的机械和物化性能。v与外表淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层与外表淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。组织，还改变其化学成分。v化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。v根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。氮化、多元共渗、渗其他元素等。一、碳钢加热时的组织转变一、碳钢加热时的组织转变碳钢加热时的组织转变碳钢加
19、热时的组织转变以共析钢为例以共析钢为例Fe3CAAc10.02wt.%C体心立方体心立方6.69wt.%C复杂斜方复杂斜方0.77wt.%C面心立方面心立方v第一步第一步 奥氏体晶核形成及长大：首先在奥氏体晶核形成及长大：首先在 与与Fe3C相界形核，相界形核，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。奥氏体的形成奥氏体的形成也是形核和长大的过程，分为三步。也是形核和长大的过程，分为三步。v第二步第二步 剩余剩余Fe3C溶解溶解:铁素体的成分、结构铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。剩余的更接近于奥氏体，因而先消失。剩余的Fe3C随保温时间延长继续
20、溶解直至消失。随保温时间延长继续溶解直至消失。v第三步第三步 奥氏体成分均匀奥氏体成分均匀化：化：Fe3C溶解后，其所溶解后，其所在部位碳含量仍很高，在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。体成分趋于均匀。温度，温度，共析钢奥氏体化曲线（共析钢奥氏体化曲线（875退火）退火）亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。本相同。由于先共析由于先共析 或二次或二次Fe3C的存在，要获得全部的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或或Accm以上。以上。加热到加热到Ac1以上的过程
21、是珠光体向奥氏体转变的过以上的过程是珠光体向奥氏体转变的过程，属扩散性转变。程，属扩散性转变。奥氏体奥氏体1、起始晶粒度：在奥氏、起始晶粒度：在奥氏体形成刚结束时，即晶体形成刚结束时，即晶粒边界刚刚相互接触时粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小；的晶粒大小；2、实际晶粒度：钢在加、实际晶粒度：钢在加热时所获得的实际奥氏热时所获得的实际奥氏体晶粒大小；体晶粒大小；3、本质晶粒度：钢在一、本质晶粒度：钢在一定条件下奥氏体晶粒的定条件下奥氏体晶粒的长大倾向性。长大倾向性。奥氏体晶粒大小对热处奥氏体晶粒大小对热处理后零件性能影响较大，理后零件性能影响较大，一般希望得到细小的奥一般希望得到细小的奥氏体晶粒。氏
22、体晶粒。4567本质细晶粒钢：晶粒长大倾向性小。本质细晶粒钢：晶粒长大倾向性小。本质粗晶粒钢：晶粒长大倾向性大。本质粗晶粒钢：晶粒长大倾向性大。本质细晶粒钢在加热到临界点本质细晶粒钢在加热到临界点Ac1以上直到以上直到930oC，晶粒未显著长大。，晶粒未显著长大。本质粗晶粒钢在加热到临界点本质粗晶粒钢在加热到临界点Ac1后，晶粒开始不后，晶粒开始不断长大。断长大。奥氏体晶粒评定标准奥氏体晶粒评定标准1-8级，级，1级最粗，级最粗，8级最细。级最细。v奥氏体化刚结束时的晶粒细小均匀。奥氏体化刚结束时的晶粒细小均匀。v随加热温度升高或保温时间延长，奥氏随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体体晶粒将进
23、一步长大，这也是一个自发晶粒将进一步长大，这也是一个自发的过程。奥氏体晶粒长大过程与再结晶的过程。奥氏体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同。晶粒长大过程相同。奥氏体晶粒的长大奥氏体晶粒的长大奥氏体晶粒越大，由其转变成的珠光体也越粗大。奥氏体晶粒越大，由其转变成的珠光体也越粗大。影响奥氏体晶粒长大的因素影响奥氏体晶粒长大的因素v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、保保温温时时间间长长,晶粒粗大；晶粒粗大；v加加热热速速度度:加加热热速速度度越越快快,过过热热度度越越大大,形形核核率率越高越高,晶粒越细晶粒越细,长时间保温会导致晶粒粗大；长时间保温会导致晶粒粗大；v合金元
24、素合金元素:一些合金元素形成的碳化物、氮化一些合金元素形成的碳化物、氮化物或氧化物阻碍奥氏体长大，如氧化铝。物或氧化物阻碍奥氏体长大，如氧化铝。v 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。二、冷却时的组织转变二、冷却时的组织转变热处理冷却时的组织转变是指过冷奥氏体的热处理冷却时的组织转变是指过冷奥氏体的转变。转变。处于临界点处于临界点Ar1以下的奥氏体称过冷奥氏体。以下的奥氏体称过冷奥氏体。随过冷度不同，过冷奥氏体将转变为不同形随过冷度不同，过冷奥氏体将转变为不同形态的组织。态的组织。Ar1珠光体珠光体索氏体索氏体屈氏体屈氏体贝氏体贝氏体马氏体马氏体6
25、50600500350230共析钢不同过冷奥氏体转变共析钢不同过冷奥氏体转变珠光体珠光体索氏体索氏体屈氏体屈氏体它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据片层厚薄不同,又细分为珠光体珠光体、索氏体索氏体和屈氏体屈氏体 珠光体转变珠光体转变过冷奥氏体在过冷奥氏体在 Ar1到到 550左右间将转变为珠光体左右间将转变为珠光体类型组织。类型组织。珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌 珠光体
26、：珠光体：形成温度为形成温度为Ar1-650，片层较厚，片层较厚，500倍光镜倍光镜下可辨，用符号下可辨，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倍光镜倍光镜下可辨，用符号下可辨，用符号S 表示。表示。电镜形貌电镜形貌光镜形貌光镜形貌电镜形貌电镜形貌光镜形貌光镜形貌 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，片层极薄，电镜下可辨，用符号用符号T 表示。表示。片间距片间距 bHRC 片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。略有改善。珠光体转变过程珠光
27、体转变过程珠光体转变也是形核和长大的过程。珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。珠光体转变是扩散型转变。珠光体转变是扩散型转变。珠光体转变过程上贝氏体上贝氏体下贝氏体下贝氏体 贝氏体转变贝氏体转变过冷奥氏体在过冷奥氏体在550-230(Ms)间将转变为贝间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体氏体类型组织，贝氏体用符号用符号B表示。表示。根据其组织形态
28、不同，根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体贝氏体又分为上贝氏体(B上上)和下贝氏体和下贝氏体(B下下)。光镜下光镜下电镜下电镜下 上贝氏体上贝氏体形成温度为形成温度为550-350。在光镜下呈羽毛状。在光镜下呈羽毛状。在电镜下为不连续棒状在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。的铁素体条之间。光镜下光镜下电镜下电镜下下贝氏体下贝氏体形成温度为形成温度为350-Ms。在光镜下呈竹叶状。在光镜下呈竹叶状。在电镜下为细片状碳在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长内，并与铁素体针长轴方向呈
29、轴方向呈55-60角。角。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上贝氏体强度与塑性都较低，无有用价值。上贝氏体强度与塑性都较低，无有用价值。下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的好，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。强化组织之一。发生贝氏体转变时发生贝氏体转变时,在在奥氏体中的贫碳区形成奥氏体中的贫碳区形成铁素体晶核，其含碳量铁素体晶核，其含碳量介于奥氏体与平衡铁素介于奥氏体与平衡铁素体之间，为过饱和铁素体之间，为过饱和铁素体。体。贝氏体转
30、变过程贝氏体转变过程贝氏体转变也是形核和长大的过程。贝氏体转变也是形核和长大的过程。贝氏体转变属半扩散型贝氏体转变属半扩散型转变。转变。上贝氏体转变过程上贝氏体转变过程当转变温度较高（当转变温度较高（550-350)时，条片状铁素体时，条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和从奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体变宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条间析出条间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成短棒，奥氏体消失，形成B上上。下贝氏体转变下贝氏体转变当转变温度较低（当转变温度较低（350-230)时，铁素体在晶界时，铁素体在
31、晶界或晶内某些晶面上长成针状，由于碳原子扩散能力或晶内某些晶面上长成针状，由于碳原子扩散能力低低,其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。马氏体组织马氏体组织马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保存到马氏马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保存到马氏体中。体中。马氏体转变马氏体转变当奥氏体过冷到当奥氏体过冷到Ms以下将以下将转变为马氏体类型组织。转变为马氏体类型组织。马氏体转变是强化钢的重马氏体转变是强化钢的重要途径之一。要途径之一。碳在碳在-Fe中的过饱和固溶中的过饱和固溶体称马氏体，
32、用体称马氏体，用M表示。表示。v马氏体具有体心正方晶格（马氏体具有体心正方晶格（a=bc）v轴比轴比c/a 称马氏体的正方度。称马氏体的正方度。vC%越高，正方度越大，正方畸变越严峻。越高，正方度越大，正方畸变越严峻。v当当0.2%C时，时，c/a=1，此时马氏体为体心，此时马氏体为体心立方晶格立方晶格.光镜下光镜下马氏体的形态马氏体的形态马氏体的形态分板条和针状两类。马氏体的形态分板条和针状两类。板条马氏体板条马氏体立体形态为细长的扁棒状，在光镜下板条马氏体为立体形态为细长的扁棒状，在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织。一束束的细条组织。每束内条与条之间尺每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行
33、寸大致相同并呈平行排列。排列。一个奥氏体晶粒内可一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的形成几个取向不同的马氏体束。马氏体束。SEMTEM电镜下电镜下在电镜下，板条内的在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度亚结构主要是高密度的位错，的位错，=1012/cm2，又称位错马氏体。，又称位错马氏体。电镜下电镜下电镜下电镜下光镜下光镜下 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。显微组织为针状。显微组织为针状。在电镜下，亚结构主要是孪晶，在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。又称孪晶马氏体。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%
34、C马氏体的形态主要取马氏体的形态主要取决于其含碳量决于其含碳量C%小于小于0.2%时，组时，组织几乎全部是板条马织几乎全部是板条马氏体氏体;C%大于大于1.0%C时几时几乎全部是针状马氏体乎全部是针状马氏体;C%在在0.21.0%之间之间为板条与针状的混合为板条与针状的混合组织。组织。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；后形成的马氏体片不能穿过先形过晶界和孪晶界；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。成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小。当最大马氏体片
35、细到当最大马氏体片细到光镜下无法分辨时，光镜下无法分辨时，该马氏体称隐晶马氏该马氏体称隐晶马氏体体.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%马氏体的性能马氏体的性能高硬度是马氏体性能的高硬度是马氏体性能的主要特点。主要特点。马氏体的硬度主要取决马氏体的硬度主要取决于其含碳量。于其含碳量。含碳量增加，其硬度增含碳量增加，其硬度增加。加。当含碳量大于当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。时，其硬度趋于平缓。针状马氏体针状马氏体板条马氏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
36、化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。此外，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。针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性。韧性。马氏体转变的特点马氏体转变的特点马氏体转变也是形核和长大的过程。马氏体转变也是形核和长大的过程。因而马氏体的因而马氏体的含碳量与奥氏含碳量与奥氏体的含碳量相体的含碳量相同。同。其主要特点是：其主要特点是：无扩散性无扩散性马氏体转变马氏体转变切变示意图切变示意图马氏体转变产生的表面浮凸马氏体转变产生的表面浮凸 共格位向关
37、系共格位向关系由于无扩散，晶格转变是以切变机制进行的。界面由于无扩散，晶格转变是以切变机制进行的。界面原子为马氏体和奥氏体共有，称这种关系为共格关原子为马氏体和奥氏体共有，称这种关系为共格关系。系。降温形成降温形成马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用Ms 表示表示.马氏体转变终了温度称下马氏体点，用马氏体转变终了温度称下马氏体点，用Mf 表示。表示。在在Ms以下，随温度下降以下，随温度下降,转变量增加，冷却中断转变量增加，冷却中断,转转变停止。变停止。10080604020020fMsMfA%A%高速长大高速长大马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。马氏体
38、形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。转变不完全转变不完全即使冷却到即使冷却到Mf 点，也不可能获得点，也不可能获得100%的马氏体，总有局部奥氏体未能转变而残留的马氏体，总有局部奥氏体未能转变而残留下来，称剩余奥氏体，用下来，称剩余奥氏体，用A或或 表示。表示。含碳量对马氏体转变含碳量对马氏体转变 温度的影响温度的影响含碳量对残余奥氏含碳量对残余奥氏体量的影响体量的影响Ms、Mf 与冷速无关，主要取决于奥氏体中的合金与冷速无关，主要取决于奥氏体中的合金元素含量（包括碳含量）。元素含量（包括碳含量）。马氏体转变后，马氏体转变后，A量随含碳量的增加而增加，当含量随含碳量的增加而增加，当含碳量达碳量达
39、0.5%后，后，A量才显著。量才显著。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极极细细片片状状，F、Fe3C相相间间分分布布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分布分布于过饱和于过饱和F条之间条之间40-50 等温等温处理处理B下下350MS竹叶状，细片状竹叶状，
40、细片状Fe3C分布分布于过饱和于过饱和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淬火淬火二、碳钢过冷奥氏体转变图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连续冷却连续冷却过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变。过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变。过冷奥氏体转变图：用于描述过冷奥氏体，不同冷过冷奥氏体转变图：用于描述过冷奥氏体，不同冷却制度下，随时间和温度改变而发生转变的现象。却制度下，随时间和温度改变而发生转变的现象。过冷奥氏体的等温转变图过冷奥氏体的等温转变图(
41、Time-Temperature-Transformation diagram)过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体的等温转变图是表示奥氏体急速冷图是表示奥氏体急速冷却到临界点却到临界点A1 以下在以下在各不同温度下的保温过各不同温度下的保温过程中转变量与转变时间程中转变量与转变时间的关系曲线。的关系曲线。又称又称C 曲线、曲线、S 曲线或曲线或TTT曲线。曲线。5506502s10s5s2s5s10s30s40sC曲线的建立曲线的建立以共析钢为例：以共析钢为例：取一批小试样并进取一批小试样并进行奥氏体化。行奥氏体化。将试样分组淬入低将试样分组淬入低于于A1 点的不同温度的点的不同温度的盐浴中，隔一
42、定时间盐浴中，隔一定时间取一试样淬入水中。取一试样淬入水中。测定每个试样的转变测定每个试样的转变量，确定各温度下转变量，确定各温度下转变量与转变时间的关系。量与转变时间的关系。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转变开始点的连线称转变开始线。转变终了点变开始线。转变终了点的连线称转变终了线。的连线称转变终了线。时间时间温度温度A1MSMfA过冷过冷PBMAMABAP转变开始线转变开始线转变终了线转变终了线奥氏体奥氏体A1-Ms 间及转变开间及转变开始线以左的区域为始线以左的区域为过冷
43、奥氏体区。过冷奥氏体区。转变终了线以右及转变终了线以右及Mf以下为转变产物以下为转变产物区。区。两线之间及两线之间及Ms与与Mf之间为转变区。之间为转变区。亚共析钢和过共析钢的等温转变图：亚共析钢和过共析钢的等温转变图：亚共析钢和亚共析钢和过共析钢完全奥氏体化后的等温转变图与共析钢等过共析钢完全奥氏体化后的等温转变图与共析钢等温转变图区别是在温转变图区别是在C曲线的上方各增加了一条线。曲线的上方各增加了一条线。亚共析钢亚共析钢C曲线中，该线表示先共析铁素体线。曲线中，该线表示先共析铁素体线。过共析钢，该线则是先共析渗碳体线。过共析钢，该线则是先共析渗碳体线。2、过冷奥氏体等温转、过冷奥氏体等温
44、转变图的意义变图的意义 转变开始线与纵坐转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育标之间的距离为孕育期。期。孕育期越小，过冷奥孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小。氏体稳定性越小。孕育期最小处称孕育期最小处称C 曲曲线的线的“鼻尖鼻尖”。碳钢。碳钢鼻尖处的温度为鼻尖处的温度为550。“鼻尖鼻尖”以上，随过以上，随过冷度增加，孕育期变冷度增加，孕育期变短；短；“鼻尖鼻尖”以下，以下，随过冷度增加，孕育随过冷度增加，孕育期变长。期变长。在鼻尖以上在鼻尖以上,温度较高，温度较高，相变驱动力小；在鼻相变驱动力小；在鼻尖以下，温度较低，尖以下，温度较低，扩散困难。从而使奥扩散困难。从而使奥氏体稳定性增加。氏体稳定性
45、增加。C曲线明确曲线明确表示了过冷奥表示了过冷奥氏体在不同温氏体在不同温度下的等温转度下的等温转变产物变产物PSTB上上B下下M+A3、影响、影响C 曲线的因素曲线的因素使过冷奥氏体稳定性增加的因素使使过冷奥氏体稳定性增加的因素使C曲线右移；相曲线右移；相反则左移。反则左移。含碳量的影响：共析钢的过冷奥氏体最稳定，含碳量的影响：共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲曲线最靠右。线最靠右。CrCr对对C C曲线的影响曲线的影响大多数杂质元素增加奥氏体的稳定性。大多数杂质元素增加奥氏体的稳定性。奥氏体化温度提高和保温时间延长，使奥氏体成分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
46、物减少，增加了过冷奥均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加了过冷奥氏体的稳定性，使氏体的稳定性，使C 曲线右移。曲线右移。过冷奥氏体连续冷却转变图过冷奥氏体连续冷却转变图共析钢共析钢CCTCCT曲线曲线过冷奥氏体连续冷却转变过冷奥氏体连续冷却转变图又称图又称CCT(Continuous-Cooling-Transformation diagram)曲线，是通过测曲线，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。的转变量获得的。VkVk共析钢的共析钢的CCT曲线曲线过冷奥氏体转变在一过冷奥氏体转变在一定温度范围内进行，定温度范围内进行，因此组织不均匀。因此组织不均匀。连续冷
47、却曲线中，珠连续冷却曲线中，珠光体转变所需孕育期光体转变所需孕育期长（与相应过冷度下长（与相应过冷度下TTT图比较）。图比较）。VkVk共析钢的共析钢的CCT曲线曲线共析钢的共析钢的CCT曲线没曲线没有贝氏体转变区，在有贝氏体转变区，在珠光体转变区之下多珠光体转变区之下多了一条转变中止线。了一条转变中止线。当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变中止，余下的奥氏体一直保持到转变中止，余下的奥氏体一直保持到Ms以下以下转变为马氏体。转变为马氏体。Vk时间时间/s温度温度/共析钢的共析钢的CCT图图共析温度共析温度连续冷却转连续冷却转变曲线变曲线完全退火完全
48、退火正火正火等温转等温转变曲线变曲线油淬油淬水淬水淬M+AM+T+ASP200100图中的图中的Vk 为为CCT曲线的淬火临界曲线的淬火临界冷却速度，即获冷却速度，即获得全部马氏体组得全部马氏体组织时的最小冷却织时的最小冷却速度。速度。Vk为为TTT曲线的曲线的临界冷却速度临界冷却速度.Vk 1.5 Vk。用用TTT曲线定性说明共析钢连续冷却时曲线定性说明共析钢连续冷却时的组织转变的组织转变炉冷炉冷空冷空冷油油冷冷水水冷冷PST+M+AM+AP均匀均匀A细细AP退火退火(炉冷炉冷)正火正火(空冷空冷)S淬火淬火(油冷油冷)T+M+AM+A淬火淬火(水冷水冷)A1MSMf时间时间65060055
49、0PST45钢850油冷组织M+T三、钢的淬透性三、钢的淬透性工件尺寸、冷却介质等影响零件表层和内部的组织。工件尺寸、冷却介质等影响零件表层和内部的组织。M量和硬度随深量和硬度随深度的变化度的变化淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。淬硬层深度是指由淬硬层深度是指由工件外表到半马氏工件外表到半马氏体区体区(50%M+50%P)的深度。的深度。淬硬性是指钢淬火淬硬性是指钢淬火后所能到达的最高后所能到达的最高硬度，即硬化能力。硬度，即硬化能力。淬火临界直径(Dk)：圆柱钢棒在规
50、定的淬火介质中能全部淬透的最大直径。淬透性高的钢（C曲线靠右），Dk越大。淬火介质的冷却能力愈强，钢的临界直径越大。影响淬透性的因素影响淬透性的因素钢的淬透性取决于临界冷却速钢的淬透性取决于临界冷却速度度Vk，Vk越小，淬透性越高。越小，淬透性越高。Vk取决于取决于C曲线的位置，曲线的位置，C 曲曲线越靠右，线越靠右，Vk越小。越小。但凡影响但凡影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素。曲线的因素都是影响淬透性的因素。共析钢的共析钢的C曲线靠右，其临界速度最小；多数合金曲线靠右，其临界速度最小；多数合金元素都使钢的淬透性提高；奥氏体化温度高、保温元素都使钢的淬透性提高；奥氏体化温度高、保温时间长也