第九章  钢的热处理原理
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第九章 钢的热处理原理. 主讲人:黄建平 单 位:材料科学与工程学院 电 话: 18508460184 Email :[email protected] 第八章内容回顾. 扩散的本质、机制、分类 扩散定律(菲克第一定律和菲克第二定律) 影响扩散的因素:温度、组织结构、固溶体类型、晶体缺陷和化学成分。. 第九章钢的热处理原理. 本章的主要内容. 9.1 热处理概述 9.2 钢在加热时的转变 9.3 钢在冷却时的转变 9.4 钢在回火时的转变. 第九章钢的热处理原理. 本章重点:. 本章目的: 1 阐明钢的热处理的基本原理;

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第九章 钢的热处理原理

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第九章 钢的热处理原理

主讲人:黄建平

单 位:材料科学与工程学院

电 话:18508460184

Email:[email protected]


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第八章内容回顾

扩散的本质、机制、分类

扩散定律(菲克第一定律和菲克第二定律)

影响扩散的因素:温度、组织结构、固溶体类型、晶体缺陷和化学成分。


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第九章钢的热处理原理

本章的主要内容

9.1 热处理概述

9.2 钢在加热时的转变

9.3 钢在冷却时的转变

9.4 钢在回火时的转变


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第九章钢的热处理原理

本章重点:

本章目的:

1 阐明钢的热处理的基本原理;

2 揭示钢在热处理过程中工艺-组织-性能的变化规律;

1 曲线的实质、分析和应用;

2 过冷奥氏体冷却转变及回火转变的各种组织的本质、形态和性能特点;

3马氏体高强度高硬度的本质


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9.1 热处理概述

T保温

T

t保温

V加热

V冷却

t

一 热处理的定义及作用

1 热处理的定义:金属或合金在固态下于一定介质中加热到一定温度,保温一定时间,以一定速度冷却下来的一种综合工艺。

三个基本过程:加热、保温、冷却

2 热处理工艺曲线

四个重要参数:

V加热、 T保温、

t保温、V冷却


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9.1 热处理概述


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9.1 热处理概述


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9.1 热处理概述


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9.1 热处理概述

3 热处理的意义及作用

意义: 应用广泛、 效果显著 :

汽车零件80%;工模具、轴承100%

例:45#钢,840℃加热,不同方式冷却

作用:(1)显著提高材料的使用性能

(2)改善加工性能(切削、热处理)

(3)提高工件的耐磨损性和耐腐蚀性。


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9.1 热处理概述

L

L+γ

L + β

γ

γ +β

α+γ

α+β

二 热处理的条件

  • 有固态相变

  • 加热时溶解度显著变化的合金。

L

L + β

α+L

α

α+ β


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9.1 热处理概述

铁碳相图

A

H

B

δ

L

J

D

N

T

L+γ

L +Fe3C

F

E

C

γ

G

γ +Fe3C

α+γ

K

A1

P

S

α

α+Fe3C

6.69

Q

Fe3C

Fe

C%

为什么钢能热处理?

① α→ γ 固态相变

﹄有相变重结晶

② C溶解度显著变化

﹄可固溶强化

热处理温度区间:

A1 <T < TNJEF

热处理第一步

—加热奥氏体化


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9.1 热处理概述

钢临界温度

1、Fe—Fe3C相图上的临界温度

共析钢:PSK线(A1) P(α+Fe3C) → γ

亚共析钢:原始组织F+P PSK线(A1)P→γ GS线(A3)F→γ

过共析钢:原始组织Fe3C+P PSK线(A1)P→γ ES线(Acm)Fe3C溶入γ


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9.1 热处理概述

在加热(冷却)速度为0.125℃/min时,对临界点A1,A3,Acm的影响

实际加热、冷却条件下的临界温度

加热时的临界温度用脚标C表示,AC1、AC3、ACcm;

冷却时的临界温度用脚标r表示,Ar1、Ar3、Arcm。


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9.1 热处理概述

三、固态相变的特点

(1)相变阻力大

ΔG=ΔGV +ΔGS +ΔGe

式中:

ΔGV—新相与母相珠光体之间的体积自由能差;

ΔGS —为形成新相时所增加的界面能;

ΔGe—形成新相时所增加的应变能。

(2)新相与母相之间存在着一定的晶体学位向关系

在γ-Fe转变成α-Fe时,{110}α//{111}γ,<111>α//<110>γ

(3)母相晶体缺陷促进相变

母相中的缺陷,如晶界、相界、位错、空位等自由能高,优先形核。

(4)常出现过渡相

由于固态相变阻力大,原子扩散困难,难以形成稳定相。过渡相是逐渐向稳定相转变的亚稳相。


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9.1 热处理概述

四、固态相变的分类

按形核长大的特点

扩散型相变:相变是依靠相界面的扩散移动进行,相界是非共格的。

非扩散型相变:依靠切变和转动进行,母相原子有规则、集体地转变,相界面是共格的。

过渡型转变:介于上述两类之间的相变。


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9.2钢在加热时的转变

一 奥氏体形成的机理

1 奥氏体组织结构和性能

① 定义:C 及合金元素固溶于面心立方结构的 γ-Fe 中形成的固溶体。

C溶于γ相八面体间隙中,

R间隙 = 0.535 Å ﹤ R c=0.77 Å →γ晶格畸变,并非所有晶胞均可溶碳,

1148℃ → 2.5个晶胞溶一个C原子。

② 性能:顺磁性;比容最小;

塑性好;线膨胀系数较大


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9.2钢在加热时的转变


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9.2钢在加热时的转变

  • 奥氏体化中成分组织结构的变化

  • 以共析钢为例

  • F + Fe3C → A (727 ℃)

  • 成分(C%) 0.0218 6.69 0.77

  • 结构 体心立方 复杂正交 面心立方

说明奥氏体化中须两个过程:

① C 成分变化: C 的扩散

② 铁晶格改组: Fe 扩散


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9.2钢在加热时的转变

F

FP

FA

A1

T

3 奥氏体形成热力学条件

热力学条件: T﹥A1

原因:以珠光体与奥氏体的体积自由能之差来提供驱动力以克服新相晶核的表面能及弹性能

⊿T

T实际

——存在过热度⊿T :

T实际- T理论

影响过热度主要因素: V加热

V加热↑,过热度⊿T↑;


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9.2钢在加热时的转变

Accm

Acm

Ac3

A3

Arcm

Ar3

Ac1

A1

Ar1

S

同理,冷却过程的固态相变需过冷度

钢的热处理中六个重要的温度参数:

A1 A3 Acm ;

Ac1 Ac3 Accm ——加热过程

Ar1 Ar3 Arcm ——冷却过程


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9.2钢在加热时的转变

4 奥氏体形成过程(共析钢)

四个阶段:

(1)奥氏体在F—Fe3C 界面上形核(10秒)

(2)奥氏体向 F 及 Fe3C 两侧长大(几百秒)

(3) 剩余 Fe3C 的溶解; (千秒)

(4)奥氏体中 C 的扩散均匀化。 (万秒)


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9.2钢在加热时的转变

* 任何固态相变均需形核与长大过程

* 形核需要“三个起伏条件”:

成分起伏、结构起伏、能量起伏

——故晶界或缺陷处易形核


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9.2钢在加热时的转变

5 亚共析钢、过共析钢的奥氏体化过程

亚共析钢:F + P → F + A → A

过共析钢: Fe3C + P → Fe3C + A → A


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9.2钢在加热时的转变

* 奥氏体化的目的:

获成分均匀、晶粒细小的奥氏体晶粒

* 实际热处理中须控制奥氏体化程度。

例:球化退火,要求获得粒状珠光体

→ 要求A 中 C 不均匀

→ 控制第三、四阶段


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9.2钢在加热时的转变

三 奥氏体晶粒度及影响因素

1 奥氏体晶粒度概念

奥氏体晶粒度表示奥氏体晶粒大小,工业上一般分为8级。

1-4 级粗(0,-1),5-8 级细,8级以上极细;

计算式: n = 2 N-1

N:晶粒度级别

n:1平方英寸视场中所包含的平均晶粒数(100X)。

标准晶粒度级别图


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9.2钢在加热时的转变

标准晶粒度级别图


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9.2钢在加热时的转变

奥氏体有三种不同概念的晶粒度

(1) 初始晶粒度:

奥氏体转变刚结束时的晶粒大小。

——通常极细小

(2) 实际晶粒度:

具体加热条件下获得的奥氏体晶粒大小

①与具体热处理工艺有关:

热处理温度↑,时间↑ ,晶粒长大,加热速度↑ ,晶粒越细。

②与晶粒是否容易长大有关

———引入本质晶粒度概念


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9.2钢在加热时的转变

(3)本质晶粒度

指钢在特定的加热条件下,奥氏体晶粒长大的倾向性,分为本质粗晶粒度和本质细晶粒度。

测定方法:加热至930±10℃,保温8h,

若A晶粒1-4 级:本质粗晶粒度钢,

5-8 级:本质细晶粒度钢。


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9.2钢在加热时的转变

关于本质晶粒度概念的要点:

① 表征该钢种在通常的热处理条件下 A 晶粒长大的趋势,不代表真实、实际晶粒大小;

② 本质粗晶粒度钢实际晶粒度并非一定粗大,本质细晶粒度钢实际晶粒度并非一定细小;而与具体的热处理工艺有关。

③ 本质晶粒度主要与成分或冶炼条件有关

机理: 难溶粒子的机械阻碍作用

Al 脱氧镇静钢

含V、Ti、Nb、Zr 钢


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9.2钢在加热时的转变

机理: 难溶粒子的机械阻碍作用

例如:AlN、VN、TiN、NbN、ZrN

本质粗晶粒钢

本质细晶粒钢


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9.2钢在加热时的转变

④ 是确定热处理工艺参数以及热处理质量的重要依据

“过热” :热处理加热中A晶粒显著粗化

本质粗晶粒钢:须严格控制加热T、t

——需热处理件尽可能选择本质细晶粒钢


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9.2钢在加热时的转变

例如:渗 C 用钢

20MnVB, 20CrMnTi

—— 本质细晶粒度钢


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9.2钢在加热时的转变

1250℃

晶粒度

1050 ℃

900 ℃

保温时间 t

2 影响奥氏体晶粒长大的因素

① 加热温度和保温时间

T↑、 t↑ ,A 晶粒长大;

T 的影响远大于 t

② 加热速度

——常规加热速度下影响不大

——快速加热,短时保温的超细化工艺如高频加热,激光加热等


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9.2钢在加热时的转变

③成分

强烈阻碍:Al、V、Ti、Zr、Nb

原因:机械阻碍理论

——形成难溶碳、氮化物

中等阻碍:Cr、W、Mo

促进长大: Mn、P、溶入 A 的 C

┖降低铁原子的结合力,促进铁的扩散

④钢的原始组织


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9.3 钢在冷却时的转变

冷却过程——热处理工艺的关键部分,对控制热处理以后的组织与性能起着极大作用,不同的冷却速度获不同的组织与性能。


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9.3 钢在冷却时的转变

1 高温转变产物

——Fe、C均扩散

亚共析钢: F+P; 共析钢:P;

过共析钢: P+Fe3C

┗ 珠光体类型

化学成分与晶格类型的转变均靠扩散实现

——扩散类型


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9.3 钢在冷却时的转变

2 中温转变产物

——Fe不扩散,C部分扩散

α(C过饱和的)+Fe3C的机械混合物

┗ 贝氏体类型( B)

化学成分的变化靠扩散实现

晶格类型的转变非扩散性

——半扩散性


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9.3 钢在冷却时的转变

3 低温转变产物

Fe、C均不扩散——非扩散型

得 C 在α-Fe 中的过饱和固溶体

┗ 马氏体

——马氏体类型( M)


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9.3 钢在冷却时的转变

热处理的两种冷却方式:

等温冷却 ——过冷奥氏体等温转变动力学曲线

连续冷却——过冷奥氏体连续转变动力学曲线


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9.3 钢在冷却时的转变

一 过冷奥氏体等温转变动力学曲线

(Temperature-Time-Transformation)

——C曲线

A

HRC

过冷奥氏体与奥氏体的区别

A1

A过冷

700

15

P

A→P

产物:

P:珠光体

B:贝氏体

M:马氏体

鼻点

500

40

B

τ孕

T

A→B

45

55

Ms

200

A→M

Mf

>60

M+AR

1

10

102

103

104

105

τ


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9.3 钢在冷却时的转变


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9.3 钢在冷却时的转变

2 要点;

① 不同温度下转变产物不同;

高温转变产物(A1~550℃):

珠光体( P)——扩散型

中温转变产物(550℃~MS):

贝氏体( B)—半扩散型

低温转变产物(MS~Mf):

马氏体( M)——非扩散型


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9.3 钢在冷却时的转变

② 存在孕育期

——过冷奥氏体等温分解所需的准备时间

——代表 A过冷稳定性。

③ 存在鼻点:

——孕育期最短, A过冷最不稳定;

④ T转↓,产物硬度↑。

⑤ 马氏体是过冷奥氏体连续冷却中的一种转变组织,非等温转变产物。将其画入,使过冷奥氏体等温转变曲线更完备、实用


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9.3 钢在冷却时的转变

亚共析钢、过共析钢C曲线 :


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9.3 钢在冷却时的转变

亚共析钢、过共析钢C曲线 :

以珠光体转变为例:

亚共析钢珠光体型转变式:

A→F先共析+ P

过共析钢珠光体型转变式:

A→ Fe3C先共析 + P


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9.3 钢在冷却时的转变

① 多一条先共析相析出线;

② 先共析相量随转变温度下降而减少,鼻点温度以下无先共析相析出。

——转变温度的降低会抑制先共析相的析出;

当转变温度足够低,先共析相的析出被完全抑制——由非共析成分获得的共析组织称为伪共析体


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9.3 钢在冷却时的转变

二 影响 C 曲线的因素

指溶入奥氏体中的C

与奥氏体状态有关

1 化学成分

(1) 含碳量:

理论:奥氏体中 C%↑,C 曲线右移。

F 相难析出,珠光体转变难进行,

实际;亚共析钢:C%↑,C 曲线右移;

过共析:C%↑,左移; 未溶 Fe3C↑


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9.3 钢在冷却时的转变

0.9%C

(2) 合金元素

① 除Co、Al(WAl>2.5%)外,其它合金元素随 Me%↑,C曲线右移

——须溶入 A 中

0.9C+0.5Mn

T

0.9C+1.2Mn

0.9+2.8Mn

τ

0.5C+2%Cr

0.5C

0.5C+8%Cr

T

0.5C+4%Cr

τ


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9.3 钢在冷却时的转变

非碳化物形成元素:只改变C曲线位置

Co,Al,Ni,Cu,Si

T

Si

Co,Al

Ni,Si,Cu,Mn

Ni,Cu,Mn

Ms

Co,Al 外所有合金元素

τ


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9.3 钢在冷却时的转变

T

τ

中强碳化物形成元素Cr 的影响

强碳化物形成元素W,Mo,V,Ti,Nb 等的影响

强碳化物形成元素W,Mo,V,Ti,Nb 等的影响:

改变C 曲线位置和形态


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9.3 钢在冷却时的转变

② 碳化物形成元素改变 C 曲线位置和形状

Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr 等;

③ 对Ms点的影响:

Co、Al 使 Ms ↑,

其它合金元素使 Ms↓


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9.3 钢在冷却时的转变

2 奥氏体组织:

愈细,成分及组织愈不均匀,未溶第二相愈多——左移。

T↑、t↑,晶粒粗大,成分、组织均匀,A 稳定性↑ ——右移。

其它: 应力和塑性变形


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9.3 钢在冷却时的转变

共析碳钢 TTT曲线

共析碳钢 CCT曲线

A1

T

Pk

PS

C′

C

Ms

Vc′′

Vc′

Vc

Mf

M

M+P

P

τ

共析碳钢 TTT 与 CCT 曲线

三 过冷奥氏体连续冷却转变曲线(CCT )

①:P;

②:M;

③:P+M

Vc:连续冷却中全部

A过→ M的最小V冷

——临界淬火速度

——上临界冷却速度

VC′:连续冷却中全部 A过→ P 的最大V冷

—下临界冷却速度


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9.3 钢在冷却时的转变

冷却速度对转变产物类型的影响:

可用VC、VC′判断。

当 V > VC 时, A过冷→M ;

当V< VC′时, A过冷→P ;

当 VC′< V <VC时, A过冷→P +M


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9.3 钢在冷却时的转变

** 实际中由于CCT曲线测量难,可用TTT曲线代替CCT曲线作定性分析,判断获得M的难易程度。

** 连续冷却的VC值是等温冷却C曲线中与鼻点相切的VC的1.5倍,故可用等温冷却C曲线中VC代替或估算.


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9.3 钢在冷却时的转变


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9.3 钢在冷却时的转变


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9.3 钢在冷却时的转变


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9.3 钢在冷却时的转变

S0

F

Fe3C

四 钢的珠光体转变

1 珠光体的组织形态

片状珠光体与球(粒)状珠光体

(1) 片状珠光体

按层片间距不同又分为:

粗珠光体: S0=0.6-1.0μm,

索氏体(S):S0=0.25-0.3μm,

屈氏体(T):S0=0.1-0.15μm

┗取决于过冷度:

过冷度△T↑, S0↓


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9.3 钢在冷却时的转变


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9.3 钢在冷却时的转变


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9.3 钢在冷却时的转变

B上

B下


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9.3 钢在冷却时的转变

珠光体晶团


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9.3 钢在冷却时的转变

球(粒)状珠光体

珠光体的形态取决于加热时奥氏体化的程度

┗奥氏体成分较均匀时→片状;

不均匀时→球(粒)状


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9.3 钢在冷却时的转变

1:片状珠光体

真实应力 σ

800

600

2 :粒状珠光体

400

200

20 40 60 80

真实应变ε×100

2 珠光体的性能

F/Fe3C相界面多少

Fe3C 形态分布;

P粒的HB、σb﹤ P 片;

P粒的ψ、δ ﹥ P 片


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S0

0.4

0.2

0

120

50

σb

100

HRC

40

80

60

30

50

Ψ

20

30

0

550 600 650 700

转变温度,℃

9.3 钢在冷却时的转变


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9.3 钢在冷却时的转变

E

x1

x2

T

G

γ

Acm

A3

S

A1

α

G′

α+ Fe3C

E′

wc

3 伪共析组织

通过加快钢冷却速度,可获得强硬度较好的伪共析组织

(1) 定义:偏离共析成分的A过冷形成的珠光体。

(2) 形成条件:下图红线区


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9.3 钢在冷却时的转变

(3) 应用:

① 亚共析钢热轧后即水冷或喷雾冷却,↓F先% ,↑P%,↑ σb;

② 过共析钢↑V冷,(正火代替退火),抑制Fe3C先,消除网状渗碳体。


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9.3 钢在冷却时的转变

五 钢的马氏体转变

V>VK 转变式:

A(f.c.c , 0.77C%)→M(b.c.c or b.c.t , 0.77C%)

﹂只有晶格改组而无成分变化

1 马氏体晶体结构

马氏体: C 在α-Fe 中的过饱和固溶体。

单相

亚稳


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c

a

b

9.3 钢在冷却时的转变

正方度: c/a----c/a =1+0.046C%

α马氏体:

体心立方, C%<0.1%,c/a=1

体心正方, 0.2%~1.4%, c/a>1

另:体心斜方, C%>1.4%, c/a>1, b/a>1


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9.3 钢在冷却时的转变

马氏体束

<10 μm

0.1~0.3μm

2 马氏体组织特征

(1)板条状马氏体

① 单元体(单晶体)

板条状

  • 组合特征:

一些位向相同的板条晶构成马氏体束;

原奥氏体晶粒中含3~5个位向不同的 M 束

—块状马氏体


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9.3 钢在冷却时的转变

主要存在于低碳钢中( C%<0.2%)

——低碳马氏体

形成温度较高

——高温马氏体

马氏体内位

错密度高——

位错马氏体


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9.3 钢在冷却时的转变

⑵ 片状马氏体

组织形态及特点:

①单元体:片状,

中间厚、两边薄—凸透镜状或针状;

②组合特征:

Ⅰ 片与片之间不平行,约呈60°;

Ⅱ 晶粒大小不等,先大后小,

先形成的 M 片贯穿A晶粒;


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9.3 钢在冷却时的转变

③ 亚结构:

平行的细小孪晶 ——孪晶马氏体。

∟形成的温度较低——低温马氏体

高碳钢中常出现——高碳马氏体

孪晶


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9.3 钢在冷却时的转变

⑶ 其它形态马氏体

闪电状、蝴蝶状等


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9.3 钢在冷却时的转变

板条马氏体量,

100

7550 25

0 0.4 0.8 1.2

C , %

%

(4)工业用钢中淬火马氏体金相形态

① 低碳钢:C < 0.2% , 全部板条

② 中碳钢:0.3~0.6%,板 +片;

③ 高碳钢:C > 1.0%,片状


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9.3 钢在冷却时的转变


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9.3 钢在冷却时的转变

温度,℃

Ms

Mf

C%

淬火马氏体金相形态影响因素:

实质取决于转变温度:

高于200 ℃——板条状马氏体;

低于200 ℃——片状马氏体

因 C% ↑, Ms及Mf ↓

→形态与C%关系:

低碳——板条状;

高碳——片状


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应力

孪生

滑移

片状

板条状

温度

滑移或孪生所需应力与温度及马氏体亚结构的关系

9.3 钢在冷却时的转变

200 ℃本质:奥氏体变形方式的分界温度

Ms↑,A强度低(<210Mpa),易滑移(所需应力小) →位错 , 板条;

Ms↓, A强度高(>210Mpa),易孪生(所需应力小) →孪晶 , 片状。

分界温度大约为200 ℃;

合金元素:大多数合金元素增加片状马氏体倾向


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9.3 钢在冷却时的转变

3 马氏体的性能

(1) 硬度和强度

特点:

总体:高硬度、高强度

注意:

Ⅰ、硬度、强度主要取决于C%, Me影响小。

C%↑, 马氏体 HRC↑。

Ⅱ、须注意马氏体硬度与钢硬度的差异。

C%↑, 淬火钢HRC↑, 0.6%C后基本趋于定值。


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9.3 钢在冷却时的转变

马氏体硬度

高于AC1淬火

高于ACm淬火

AR%

注意马氏体硬度与钢硬度的差异。

—Fe3C↑

—AR%↑


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Fe-Ni-C合金马氏体

σ0.2

2

1

1:未时效

2:0℃时效3h

C%

9.3 钢在冷却时的转变

钢中马氏体强化机制:

① C 的固溶强化:

② 相变强化(亚结构强化):

高密度位错、孪晶、层错;

③ 时效(沉淀)强化:

C 向缺陷处扩散偏聚或析出,钉扎位错。

∟ 低碳 M “自回火”。


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9.3 钢在冷却时的转变

(2)塑性与韧性

片状M:硬而脆;

板条M:强而韧

∟与亚结构有关

板条M 塑韧性好的原因:

① 含碳量低, 过饱和度小;

② 淬火内应力小,形成微裂纹的敏感度小;

高碳片状M塑韧性差的原因:

① C过饱和度高,畸变大,

②淬火内应力大,形成微裂纹的敏感度高。


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9.3 钢在冷却时的转变


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4 马氏体转变的特点

① 无扩散性

② 切变共格

③ 不完全性:

转变在一定温度范围内进行,存在残余奥氏体。

④ 转变快速性:

M形成速度极快,10-5~10-7S


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9.3 钢在冷却时的转变

温度,℃

Ms

Mf

C%

5 残余奥氏体及其控制因素

(1) 形成原因

Ⅰ、比容因素:M的形成为体积膨胀过程

Ⅱ、淬火温度通常高于Mf

中高碳钢、合金钢的 Mf <室温,

0.6


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9.3 钢在冷却时的转变

60 40 20

(2) 影响A残%的因素

主要取决于MS -化学成分

C%↑,Me ↑ ,

MS 、Mf↓, AR ↑ ;

AR %

↑1%C 使MS ↓约300 ℃

0.5 0.7 0.9 1.1

C%

经验式:

MS(℃)=535-317wc-33wMn-28wCr -17wNi

-11(wSi+wMo+wW)

注: ① 非简单迭加; ②须固溶入 A 中。


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有害作用:① 组织不稳定;

② 尺寸不稳定;

③ 软,耐磨性差。

有益作用:适量 AR 可一定程度提高韧性。

例如:轴承钢中保留适量AR

控制方法:

热处理分解

冷处理转变为M: - 40℃ ~ - 60℃

9.3 钢在冷却时的转变

(3) 残余奥氏体的作用及控制


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9.3 钢在冷却时的转变

羽毛状

Fe3C

过饱和α相

上贝氏体

1 组织形态

六 钢的贝氏体转变

上贝氏体(550 ℃ ~350 ℃)

组织构成: α(C)+Fe3C

铁素体:

碳过饱和( 0.03%);

成束、板条状平行排列;

位错(108~109cm-2);

渗碳体:粒状或短杆状分布在 F 板条之间。


350 230

9.3 钢在冷却时的转变

针状

Fe3C

过饱和α相

下贝氏体(350 ℃~ 230 ℃)

组织: α(C)+FexC

铁素体:

碳过饱和( 0.3%)

针、片状,互不平行;

更高密度位错。

渗碳体:粒状或短杆状平行分布在 F 相内部。


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9.3 钢在冷却时的转变


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9.3 钢在冷却时的转变

3 贝氏体的机械性能

(1)强度和硬度

铁素体:

取决于晶粒大小、C及Me固溶强化、位错密度

碳化物:取决于弥散度、数量

σs(B上)<σs(B下)

(2) 韧性

ak( B下)》ak( B上)

原因: B上中碳化物分布条间,有明显方向性,尺寸较大;


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9.3 钢在冷却时的转变

4 魏氏组织及性能

魏氏组织 :在奥氏体晶粒较粗大,冷却速度相对较快时,钢中先共析相(先共析铁素体或先共析渗碳体)以针状或片状形态从原奥氏体晶界沿奥氏体一定晶面往晶内平行或规则生长,并 与片状珠光体混合 存在,该组织称为~。


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9.3 钢在冷却时的转变

形成条件:

A晶粒粗大;冷速适当

缓慢:Fe扩散—网状F;

过快:C来不及扩散,抑制F形成

总体:冷速较大时易形成

魏氏组织的机械性能:

韧性↓↓;

消除方法:正火


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9.3 钢在冷却时的转变

珠光体、贝氏体、马氏体转变特点比较


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9.4 钢的回火转变

淬火:钢加热到AC3或AC1以上,保温,

V>V临界,M 或 B。

回火:淬火钢加热到低于临界点A1的某温度,保温后以适当方式冷却到室温的热处理工艺。

目的:(1)调整钢强硬度与塑韧性的配合,获要求的性能;

(2)降低内应力,防止工件变形或开裂;

(3)稳定组织,防尺寸变化。


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9.4 钢的回火转变

1 回火过程中的组织转变

M+AR→不稳定组织→C的析出,四个过程:

  • 马氏体分解(<250℃);

    αM →α′+ ε ( FexC , x ≈ 2.4)

    ∟过饱和∟ 弥散、共格、亚稳

回火马氏体


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9.4 钢的回火转变

(2) 残余奥氏体分解(200~300℃);

(3) 碳化物类型的转变(250~400℃);

ε→χ(Fe5C2)→θ(Fe3C)

(4) α相回复与再结晶,碳化物聚集长大(400~650℃)

α相等轴化; θ相球化

回复态α相+θ相(Fe3C) —— 回火屈氏体

再结晶α相+球化与聚集长大的θ(Fe3C)

回火索氏体


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9.4 钢的回火转变


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9.4 钢的回火转变

2 回火钢的机械性能

(1) 硬强度及塑韧性 :

回火T↑, 强硬度↓, 塑韧性↑;

但ak有低谷——回 火脆性


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9.4 钢的回火转变

M中C%

强硬度↓, 塑韧性↑的原因:

① C 脱溶,α相过饱和度↓

α′+ ε或θ

② 位错密度↓或孪晶消失;

③ 碳化物的聚集长大;

④ α相的回复、再结晶

畸变片状晶→平衡等轴晶

(2) 内应力变化(自学)

AR %

内应力

渗碳体尺寸

100 200 300 400 500 600 700

回火温度, ℃


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9.4 钢的回火转变

0.3%C-1.7%Cr-3.4Ni

快冷

25

20

慢冷

ak

15

10

5

100 200 300 400 500 600 700

回火温度, ℃

(3) 回火脆性

① 定义: 随回火温度提高,淬火钢韧性在某些温度区间显著下降的现象。

② 分类 :

第一类回火脆性(低温~)

250~400℃,不可逆性;

第二类回火脆性(高温~)

450~650℃,可逆性;


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9.4 钢的回火转变

③ 低温回火脆性形成原因及防止方法

形成原因:

片状碳化物沉淀理论; 杂质偏聚:

防止方法:a. 避免在此温度区间回火;

b. 使ε→θ的温度↑:

c. 采用等温淬火.

注:无论碳钢、合金钢,只要在该温区回火,就会产生低温回火脆性


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④ 第二类 回火脆性形成原因及防止方法

特点:

a. 与回火后冷却速度有关;

b. 可逆性;

产生原因:

P、Sn、As 、 Sb等杂质元素晶界偏聚

防止方法:

a. ↑钢纯度;

9.4 钢的回火转变

b. 回火后快冷;

c. 加入Mo、W等元素;

注:碳钢不产生高温回火脆性,合金钢尤含Mn、Cr的合金钢易产生回火脆性


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习题与思考题

1   说明下列符号的物理意义及加热速度、冷却速度对它们的影响:Ac1、Ar1、Ac3、Ar3、Accm、Arcm

2 今有40钢坯(平衡组织)从室温缓慢加热到1000℃保温,详述其在加热过程中的组织转变过程。知Ac1=724℃,Ac3=790℃。

3  何谓奥氏体的起始晶粒度,实际晶粒度,本质晶粒度?为什么用铝脱氧的钢或加入少量V、Ti、Nb、Zr、W、Mo等元素的钢是本质细晶粒钢?本质细晶粒钢的奥氏体实际晶粒是否一定细小

4   画出T8钢过冷奥氏体等温转变曲线,在等温转变曲线上画出为获得以下组织应采取的连续冷却曲线:(1)索氏体+珠光体;(2)马氏体+残余奥氏体;(3)屈氏体+马氏体+残余奥氏体。


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习题与思考题

5 钢中马氏体高强度高硬度的本质是什么?钢中马氏体的硬度主要与什么因素有关?

6 钢中板条马氏体具有较好的强韧性,而片状马氏体塑韧性较差,可否用板条马氏体代替片状马氏体?

7 影响过冷奥氏体等温转变C曲线的因素有哪些?试述钢中含碳量及合金元素对Ms、Mf、AR量的影响。

8 何谓上临界冷却速度?何谓下临界冷却速度?它在生产中有何实际意义?

9 讨论题:从转变温度、相构成、显微组织、产物性能等方面讨论珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变之间的差异。


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