熱處理原理-鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變

1、1,鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變,3.2.2 共析鋼CCT圖與TTT圖的區(qū)別,比較,CCT圖位于TTT圖右下方,共析鋼CCT圖與TTT圖比較,區(qū)別,過冷奧氏體,連續(xù)冷卻貝氏體轉(zhuǎn)變被抑制,等溫冷卻為單一的組織，連續(xù)冷卻可能為幾種組織的混合,2,鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變,臨界冷卻速度,VC 共析鋼過冷A全部獲得馬氏體的最小冷卻速度——上臨界冷卻速度,V’C 共析鋼過冷A全部獲得珠光體的最大冷卻速度——下臨界冷卻速度,,MS,A,共析鋼過冷A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)

2、變的C曲線圖,轉(zhuǎn)變產(chǎn)物,M+A’,,,時(shí)間/s,M,,,,3,鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變,亞共析鋼,V1 F+P,,MS,A,共析鋼過冷A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的C曲線圖,M+A’,,,時(shí)間/s,M,,,,VC,,V2 F+T+M,V3 M,4,,共析成分的奧氏體在A1～550℃溫度范圍內(nèi)停留時(shí)，將發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。,3.3.1 珠光體的組織形態(tài),3.3 珠光體轉(zhuǎn)變,鐵素體和滲碳體兩相組成的機(jī)械混合物—珠光體,兩種形態(tài)：片狀珠光體和球狀（粒狀

3、）珠光體,片狀珠光體,球狀（粒狀）珠光體,5,,珠光體晶團(tuán)（珠光體領(lǐng)域）,片層狀的珠光體,按片間距的大小可將其分為三類：,珠光體轉(zhuǎn)變,由片層相間的鐵素體片和滲碳體片組成,片層間距與形成溫度決定,珠光體片層間距,A1～650℃間形成的片層較粗的珠光體，稱為珠光體 （P）,650～600℃間形成的片層較細(xì)的珠光體，稱為索氏體（S),600～550℃間形成的片層極細(xì)的珠光體，稱為托氏體（屈氏體）(T),6,Photomicrographs o

4、f (a) coarse pearlite and (b) fine pearlite. 3000X.,7,,粒狀的珠光體,珠光體轉(zhuǎn)變,強(qiáng)度、硬度增加塑性、韌性增加,與珠光體片層間距和珠光體晶團(tuán)大小有關(guān),與片狀珠光體比較，粒狀珠光體強(qiáng)度硬度較低、塑性韌性較好,珠光體(P) 索氏體(S) 屈氏體(T),,< HRC25 HRC25～35HRC35～40,鐵素體的基體上分布著顆粒狀（球狀）的滲碳體,性能取決于與滲碳體顆粒的大

5、小、形態(tài)及分布,3.3.2 珠光體的機(jī)械性能,8,,一般由奧氏體分解形成,片狀的珠光體,珠光體轉(zhuǎn)變,3.3.3 珠光體的形成過程,成分均勻的奧氏體,9,,珠光體轉(zhuǎn)變,粒狀的珠光體,球化機(jī)理,膠態(tài)平衡理論:第二相顆粒的溶解度與曲率半徑有關(guān). 曲率半徑越小(尖角)處固溶體的濃度高,,片狀滲碳體的破斷、球化,10,,珠光體轉(zhuǎn)變,粒狀的珠光體形成情況,奧氏體分解形成,由鋼淬火、回火形成,由鋼球化退火形成,45鋼調(diào)質(zhì)處理得到的球狀珠光體

6、,高碳鋼球化退火處理得到的球狀珠光體,有未溶解的碳化物,奧氏體成分不均勻,11,3.4.1 馬氏體的定義,3.4 馬氏體轉(zhuǎn)變,馬氏體是碳在α—Fe中的過飽和固溶體,馬氏體轉(zhuǎn)變是典型的無擴(kuò)散性相變,c/a—馬氏體的正方度,3.4.2 馬氏體的晶體結(jié)構(gòu),wc（％）增加， 馬氏體的正方度（c/a)呈線性增加,體心正方結(jié)構(gòu),12,? Fine Pearlite vs Martensite:,? Hardness: fine pearli

7、te << martensite.,Mechanical Properties of Fe-C Systems,13,板條馬氏體,鋼中馬氏體有兩種基本形態(tài)：板條馬氏體和片狀馬氏體,板條馬氏體,3.4.3 馬氏體組織形態(tài),馬氏體轉(zhuǎn)變,wc在0.25%以下時(shí)，基本上形成板條狀馬氏體（低碳馬氏體）,14,相互平行的板條構(gòu)成板條束，一個(gè)奧氏體晶粒有幾個(gè)（3～5個(gè)）板條束,馬氏體轉(zhuǎn)變,空間形態(tài)為扁條狀，每個(gè)板條為一個(gè)單晶，板條間有薄

8、層殘余奧氏體,板條馬氏體內(nèi)有高密度的位錯(cuò)纏結(jié)的亞結(jié)構(gòu)，又稱為位錯(cuò)馬氏體,位錯(cuò)馬氏體,15,片狀馬氏體,片狀馬氏體,當(dāng)wc >1.0%時(shí)，奧氏體幾乎只形成片狀馬氏體（針狀馬氏體）,馬氏體轉(zhuǎn)變,空間形態(tài)為雙透鏡狀,光鏡下為竹葉狀或針狀,16,馬氏體轉(zhuǎn)變,片狀馬氏體內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶(孿晶馬氏體）,片馬氏體中的孿晶,含碳量很高的片狀馬氏體可看到中脊面，中脊面是高密度的孿晶,片馬氏體中的中脊,17,,wc在0.25%～1.0%之間的奧

9、氏體則形成上述兩種馬氏體的混合組織,45鋼混合狀馬氏體,混合狀的馬氏體,影響馬氏體形態(tài)的因素,馬氏體形態(tài),>200℃,板條馬氏體,<200℃,片狀馬氏體,馬氏體轉(zhuǎn)變,含碳量越高，條狀馬氏體量越少而片狀馬氏體量越多,18,3.4.4 馬氏體轉(zhuǎn)變的主要特點(diǎn),⑴ 過冷度極大,切變性,Ms——奧氏體和馬氏體兩相自由能差達(dá)到相變所需要的最小驅(qū)動(dòng)力值時(shí)的溫度，即開始發(fā)生馬氏體相變的溫度,（2）無擴(kuò)散性,馬氏體轉(zhuǎn)變,除了表面能外，彈性應(yīng)變

10、能極大,轉(zhuǎn)變溫度低，馬氏體的形成無需擴(kuò)散，轉(zhuǎn)變前后沒有化學(xué)成分的改變，馬氏體可在很低的溫度下以高速形成。,轉(zhuǎn)變以切變的方式完成晶格重構(gòu),表面浮凸,表面浮凸,19,,（3） 共格關(guān)系和慣習(xí)現(xiàn)象,馬氏體轉(zhuǎn)變,共格關(guān)系,慣習(xí)現(xiàn)象,K-S關(guān)系{110}M// {111}γ [111]M //[110]γ,西山關(guān)系(N關(guān)系){110}M// {111}γ [111]M //[211]γ,慣習(xí)面{111}γ [

11、225]γ [259]γ,G-T關(guān)系,γ,20,（5） 轉(zhuǎn)變不完全 有殘余（留）奧氏體,馬氏體轉(zhuǎn)變,奧氏體的穩(wěn)定化,奧氏體的機(jī)械穩(wěn)定化,奧氏體的熱穩(wěn)定化,在奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的過程中，種種原因引起奧氏體的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、化學(xué)成分發(fā)生變化使奧氏體的穩(wěn)定性增加,（6） 馬氏體轉(zhuǎn)變的可逆性馬氏體加熱時(shí)，進(jìn)行無擴(kuò)散的逆轉(zhuǎn)變,（4） 馬氏體轉(zhuǎn)變是降溫形成,馬氏體轉(zhuǎn)變是在Ms～Mf的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，其轉(zhuǎn)變量隨溫度的下降而增

12、加，一旦溫度停止下降，轉(zhuǎn)變立即中止。,21,3.4.5 馬氏體的力學(xué)性能,馬氏體轉(zhuǎn)變,馬氏體的硬度和強(qiáng)度,馬氏體的塑性和韌性主要取決于它的亞結(jié)構(gòu),馬氏體的高硬度和高強(qiáng)度來源于固溶強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化、相變強(qiáng)化,馬氏體的強(qiáng)度主要與原奧氏體晶粒大小、馬氏體板條束的大小有關(guān),馬氏體的硬度主要取決于馬氏體的含碳量，通常情況是隨含碳量的增加而升高。,馬氏體的塑性和韌性,板條（位錯(cuò)）型馬氏體比片狀（孿晶）型馬氏體的韌性好得多,22,貝氏體轉(zhuǎn)變是過冷奧氏體

13、在“鼻溫” 至Ms點(diǎn)范圍內(nèi)進(jìn)行的轉(zhuǎn)變，又稱為中溫轉(zhuǎn)變。,上貝氏體,3.5 貝氏體轉(zhuǎn)變,貝氏體是碳化物（滲碳體）分布在碳過飽和的鐵素體基體上的兩相混合物。,3.5.1 貝氏體組織形態(tài),共析鋼上貝氏體大約在550℃（“鼻溫” ）至350℃之間形成,光學(xué)顯微鏡觀察，典型上貝氏體組織形態(tài)呈羽毛狀,23,共析鋼下貝氏體大約在350℃至Ms之間形成,貝氏體轉(zhuǎn)變,下貝氏體,光學(xué)顯微鏡觀察，下貝氏體呈黑色針狀或竹葉狀。針與針之間呈一定的角度,下貝氏體

14、中的碳化物呈粒狀或短條狀彌散分布，與鐵素體長(zhǎng)軸呈55～600,金相,TEM,24,貝氏體轉(zhuǎn)變,3.5.2 貝氏體的轉(zhuǎn)變特點(diǎn),切變性,（1）半擴(kuò)散性,碳在奧氏體中發(fā)生預(yù)擴(kuò)散，重新分布,轉(zhuǎn)變以切變的方式完成晶格重構(gòu),貝氏體中的鐵素體以切變形式形成,（2） 共格關(guān)系和慣習(xí)現(xiàn)象,共格關(guān)系,慣習(xí)現(xiàn)象,慣習(xí)面{111}γ [225]γ,25,（3) 熱力學(xué)特點(diǎn),Bs——開始發(fā)生貝氏體相變的溫度,除了表面能外，彈性應(yīng)變能很大,（4)

15、 動(dòng)力學(xué)特點(diǎn),轉(zhuǎn)變?yōu)樾魏撕烷L(zhǎng)大過程,轉(zhuǎn)變需要孕育期,轉(zhuǎn)變機(jī)理,貝氏體轉(zhuǎn)變,上貝氏體形成過程,26,轉(zhuǎn)變機(jī)理,貝氏體轉(zhuǎn)變,下貝氏體形成過程,,貝氏體的力學(xué)性能由組織形態(tài)決定,3.5.3 貝氏體的力學(xué)性能,上貝氏體的強(qiáng)度和韌性均差,下貝氏體不僅強(qiáng)度高，而且韌性也好，表現(xiàn)為具有較好的綜合力學(xué)性能，是一種很有應(yīng)用價(jià)值的組織。,27,貝氏體轉(zhuǎn)變,總結(jié),P,S,T,B上,B下,共析鋼過冷A等溫轉(zhuǎn)變的C曲線,<HRC15,HRC15～2

16、5,HRC25～35,HRC45～55,HRC45～65,28,The complete TTT diagram for an iron-carbon alloy of eutectoid composition,A: austeniteB: bainiteM: martensiteP: pearlite,29,3.6.1 回火的定義,3.6 鋼在回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變,馬氏體分解（80～350℃）,淬火鋼加熱到A1以下溫度—— 保

17、溫—— 冷卻的熱處理工藝,3.6.2 回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變,馬氏體開始發(fā)生分解，從過飽和α固溶體中析出彌散的ε碳化物,碳的偏聚（～100℃）,過飽和的α固溶體和彌散分布的ε碳化物組成的復(fù)相組織，稱為回火馬氏體,30,殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變（200～300℃）,碳化物的轉(zhuǎn)變（250～400℃）,鋼中的殘余奧氏體將會(huì)發(fā)生分解，產(chǎn)物是過飽和的α固溶體和ε碳化物組成的復(fù)相組織，相當(dāng)于回火馬氏體或下貝氏體。,ε碳化物將自發(fā)地向穩(wěn)定相滲碳體轉(zhuǎn)變,400℃時(shí)

18、，馬氏體完全分解α固溶體,ε碳化物 ? χ碳化物 ? 滲碳體,針狀的α固溶體和細(xì)小顆粒狀的滲碳體組成的組織稱為回火托（屈）氏體,回火托（屈）氏體,鋼在回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變,α固溶體保留了原馬氏體形態(tài),31,α相的再結(jié)晶,滲碳體的聚集長(zhǎng)大和α相的再結(jié)晶（400℃以上）,滲碳體明顯聚集長(zhǎng)大,3.6.3 回火時(shí)的力學(xué)性能,由保留了原馬氏體形態(tài)α相 ? 等軸的α相,強(qiáng)度和硬度,塑性和韌性,鋼在回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變,回火索氏體,32,3.6.4 回

19、火脆性,有些鋼在250～400℃和450～650℃的范圍內(nèi)回火時(shí)，其沖擊韌性比在較低溫度回火時(shí)還顯著下降，這種脆化現(xiàn)象稱為回火脆性。,防止低溫回火脆性，通常的辦法是避免在脆化溫度范圍內(nèi)回火。,鋼在回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變,在250～400℃回火時(shí)出現(xiàn)的脆性稱為低溫回火脆性；第一類回火脆性；不可逆的回火脆性,而在450～650℃溫度范圍內(nèi)回火時(shí)出現(xiàn)的脆性稱為高溫回火脆性；第二類回火脆性；可逆的回火脆性。,防止高溫回火脆性的方法：,加熱后快冷,加M