工程材料学 第5章.ppt

1、1南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics and Astronautics2钢的热处理钢的热处理是根据钢在固态下组织转变的规律性，通是根据钢在固态下组织转变的规律性，通过不同的过不同的加热加热、保温保温和和冷却冷却，以改变合金的内部组织，以改变合金的内部组织，从而得到所要求性能的一种加工工艺。从而得到所要求性能的一种加工工艺。特点：特点：只改变零件或毛坯的内部组织，不改变形状和只改变零件或毛坯的内部组织，不改变形状和尺寸，并且是在固态下进行的。尺寸，并且是在固态下进行的。适用范围：适用范围：5-1 概述概述3l为简明表示热处理为简明表示热处理的基本工

2、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热处理工艺曲线。艺曲线。 4热处理的基本要素热处理的基本要素 热处理工艺三大基本要素：热处理工艺三大基本要素：加热、保温、冷却加热、保温、冷却。三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。【加热加热】热处理第一道工序。不同材料的加热工艺和热处理第一道工序。不同材料的加热工艺和加热温度都不同。加热温度都不同。加热分为两种加热分为两种：一种是在临界点：一种是在临界点A1以下的加热，此时不发生组织变化。另一种是在以下的加热，此时不发生组织变化。另一种是在A1以以上的加热，目的是为了

3、获得均匀的奥氏体组织，这一上的加热，目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为过程称为奥氏体化奥氏体化。【保温保温】目的是保证工件烧透，防止脱碳、氧化等。目的是保证工件烧透，防止脱碳、氧化等。保温时间保温时间和和介质介质的选择与工件尺寸和材质有直接关系。的选择与工件尺寸和材质有直接关系。一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。【冷却冷却】热处理的最终工序，也是热处理最重要的工热处理的最终工序，也是热处理最重要的工序。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。序。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。 5其他热处理其他热处理普通热处理普通热处理表面热

4、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、感应加热、 火焰加热等火焰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l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：65-2 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变钢在加热时，实际转变温度往往要偏离平衡的临界温钢在加热时，实际转变温度往往要偏离平衡的临界温度，冷却时也是如此。随着加热和冷

5、却速度的增加，度，冷却时也是如此。随着加热和冷却速度的增加，滞后现象将越加严重。通常把滞后现象将越加严重。通常把加热时的临界温度标以加热时的临界温度标以字母字母“C”，如如AC1、AC3、ACcm等；把等；把冷却时的临界温冷却时的临界温度标以字母度标以字母“r”，如如Ar1、Ar3、Arcm等。等。 7加热是热处理的加热是热处理的第一道工序第一道工序。加热分。加热分两种两种：一种是在：一种是在A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化奥氏体化。5-2-1 奥氏体的形成过

6、程奥氏体的形成过程钢在加热时奥氏体的形成过程又称为钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化奥氏体化。以共析钢的奥氏体形成过程为例。以共析钢的奥氏体形成过程为例。 共析碳钢的奥氏体形成过程示意图共析碳钢的奥氏体形成过程示意图8(1)奥氏体形核奥氏体形核 奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上形成。的界面上形成。(2)奥氏体晶核长大奥氏体晶核长大 奥氏体晶核形成后，依靠铁、碳奥氏体晶核形成后，依靠铁、碳原子扩散，使铁素体不断向奥氏体转变原子扩散，使铁素体不断向奥氏体转变（ -Fe -Fe晶格重构）晶格重构），渗碳体不断溶入到奥氏体中。，渗碳体不断溶入到奥氏体中。(

7、3)残留渗碳体的溶解残留渗碳体的溶解 铁素体全部消失以后，仍有部铁素体全部消失以后，仍有部分剩余渗碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗分剩余渗碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗碳体不断地溶入到奥氏体中去，直至全部消失。碳体不断地溶入到奥氏体中去，直至全部消失。(4)奥氏体均匀化奥氏体均匀化 渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的成分是不均匀的，只有成分是不均匀的，只有延长保温时间延长保温时间，通过碳原子的，通过碳原子的扩散才能获得均匀化的奥氏体。扩散才能获得均匀化的奥氏体。9亚共析钢的加热过程：亚共析钢的加热过程：AAFPF31ACAC过共析钢的加热过程：过共析钢的

8、加热过程： ACFeACFePcm133 ACACl【相同点相同点】在在Ac1温度以上加热，亚温度以上加热，亚共析钢或过共析钢中共析钢或过共析钢中P均转变为均转变为A。l【不同点不同点】亚共析钢有铁素体转变；亚共析钢有铁素体转变；过共析钢有二次渗碳体溶解。过共析钢有二次渗碳体溶解。l铁素体的完全转变要在铁素体的完全转变要在A3温度以上，温度以上，考虑热滞后实际要在考虑热滞后实际要在Ac3以上；二次以上；二次渗碳体的完全溶解要在温度渗碳体的完全溶解要在温度Acm以上以上 ，考虑热滞后要在考虑热滞后要在Accm以上。以上。l亚共析钢加热后组织全为亚共析钢加热后组织全为A需在需在Ac3以上，对过共析

9、钢要在以上，对过共析钢要在Accm以上。以上。10l奥氏体形成是通过形核与长大实现的，凡是影响形奥氏体形成是通过形核与长大实现的，凡是影响形核与长大的因素，都影响奥氏体的形成速度。核与长大的因素，都影响奥氏体的形成速度。(1) 加热速度的影响加热速度的影响l加热速度加热速度，奥氏体化温度，奥氏体化温度，过热度，过热度，相变驱动，相变驱动力力；l同时由于奥氏体化温度同时由于奥氏体化温度，原子扩散速度，原子扩散速度，形核与，形核与长大的速度长大的速度，从而加快奥氏体的形成。，从而加快奥氏体的形成。5-2-2 影响奥氏体形成速度的因素影响奥氏体形成速度的因素11(2) 化学成分的影响化学成分的影响l

10、钢中钢中含碳量含碳量，碳化物数量，碳化物数量，F和和Fe3C的相界面的相界面，奥氏体晶核数奥氏体晶核数，其转变速度，其转变速度。l钢中的钢中的合金元素合金元素不改变奥氏体的形成过程，但能不改变奥氏体的形成过程，但能影响奥氏体的形成速度。因为合金元素能改变钢影响奥氏体的形成速度。因为合金元素能改变钢的临界点，并影响碳的扩散速度，且它自身也存的临界点，并影响碳的扩散速度，且它自身也存在扩散和重新分布的过程，所以在扩散和重新分布的过程，所以合金钢的奥氏体合金钢的奥氏体形成速度一般比碳钢慢形成速度一般比碳钢慢，尤其高合金钢，奥氏体，尤其高合金钢，奥氏体化温度比碳钢要高，保温时间也较长。化温度比碳钢要高

11、，保温时间也较长。12(3) 原始组织的影响原始组织的影响l钢的原始组织中碳化物分散度越大，相界面越钢的原始组织中碳化物分散度越大，相界面越多，形核率越大；原始珠光体越细，其片间距多，形核率越大；原始珠光体越细，其片间距越小，相界面越多，越有利于形核，同时由于越小，相界面越多，越有利于形核，同时由于片间距小，碳原子的扩散距离小，扩散速度加片间距小，碳原子的扩散距离小，扩散速度加快导致奥氏体形成速度加快。快导致奥氏体形成速度加快。l片状片状P比粒状比粒状P的奥氏体形成速度快，原因是片的奥氏体形成速度快，原因是片状珠光体的相界面较大，渗碳体较薄，易于溶状珠光体的相界面较大，渗碳体较薄，易于溶解，加

12、热时奥氏体容易形成。解，加热时奥氏体容易形成。 135-2-3 奥氏体晶粒的长大及其影响因素奥氏体晶粒的长大及其影响因素(1) 奥氏体晶粒度的概念奥氏体晶粒度的概念l晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的一种尺度。根据奥氏体形成过是表示晶粒大小的一种尺度。根据奥氏体形成过程和晶粒长大情况，可将奥氏体晶粒度分为：程和晶粒长大情况，可将奥氏体晶粒度分为：l起始晶粒度：起始晶粒度：是指在临界温度以上，奥氏体形成刚刚是指在临界温度以上，奥氏体形成刚刚完成，其晶粒边界刚刚接触时的晶粒大小。完成，其晶粒边界刚刚接触时的晶粒大小。l实际晶粒度：实际晶粒度：是指在某一具体的热处理或热加工加热是指在某一具体的热处理或热加

13、工加热条件下所得到的晶粒尺寸。条件下所得到的晶粒尺寸。l本质晶粒度：本质晶粒度：根据标准试验方法，在根据标准试验方法，在93010保温足保温足够时间（够时间（38小时）后测定的钢中晶粒的大小。小时）后测定的钢中晶粒的大小。l为了区别奥氏体的晶粒度，将奥氏体的晶粒度分为为了区别奥氏体的晶粒度，将奥氏体的晶粒度分为8级，级，1级最粗，级最粗，8级最细。级最细。 14l不同牌号的钢，奥氏体晶粒的长大倾向是不同的。有不同牌号的钢，奥氏体晶粒的长大倾向是不同的。有些钢的奥氏体晶粒随着加热温度升高会迅速长大，称些钢的奥氏体晶粒随着加热温度升高会迅速长大，称为为“本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢” ；而有些钢的奥氏

14、体晶粒则不容；而有些钢的奥氏体晶粒则不容易长大，只有加热到更高温度时才开始迅速长大，称易长大，只有加热到更高温度时才开始迅速长大，称为为 “本质细晶粒钢本质细晶粒钢”。l晶粒度在晶粒度在14级的为本质粗晶粒钢，级的为本质粗晶粒钢，58级为本质细级为本质细晶粒钢。晶粒钢。是不是本质粗晶粒钢的晶粒一定粗，是不是本质粗晶粒钢的晶粒一定粗，而本质细晶粒钢的晶粒就一定细？而本质细晶粒钢的晶粒就一定细？本质晶粒度只代表钢在加热时奥氏体晶粒长大倾向的大小。本质晶粒度只代表钢在加热时奥氏体晶粒长大倾向的大小。本质粗晶粒钢在较低加热温度下可获得细晶粒，本质粗晶粒钢在较低加热温度下可获得细晶粒，而本质细晶粒钢若在

15、较高温度下加热也会得到粗晶粒。而本质细晶粒钢若在较高温度下加热也会得到粗晶粒。15(2) 影响奥氏体晶粒大小的主要因素影响奥氏体晶粒大小的主要因素l加热温度加热温度l加热温度越高，保温时间足够长，奥氏体晶粒越容易自发加热温度越高，保温时间足够长，奥氏体晶粒越容易自发长大粗化。当加热温度确定后，加热速度越快，相变时过长大粗化。当加热温度确定后，加热速度越快，相变时过热度越大，相变驱动力也越大，形核率提高，晶粒越细，热度越大，相变驱动力也越大，形核率提高，晶粒越细，所以快速加热，短时保温是实际生产中细化晶粒的手段之所以快速加热，短时保温是实际生产中细化晶粒的手段之一。加热温度一定时，随保温时间延长

16、，晶粒也会不断长一。加热温度一定时，随保温时间延长，晶粒也会不断长大。但保温时间足够长后，奥氏体晶粒就几乎不再长大而大。但保温时间足够长后，奥氏体晶粒就几乎不再长大而趋于相对稳定。趋于相对稳定。l钢的化学成分钢的化学成分l碳：碳：钢中碳以固溶态存在时，钢中碳以固溶态存在时，C，奥氏体晶粒长大倾向增，奥氏体晶粒长大倾向增大；碳以碳化物形成存在时，有阻碍晶粒长大的作用。大；碳以碳化物形成存在时，有阻碍晶粒长大的作用。l钢中合金元素：钢中合金元素：碳化物形成元素能阻碍晶粒长大，非碳化碳化物形成元素能阻碍晶粒长大，非碳化物形成元素有的阻碍晶粒长大物形成元素有的阻碍晶粒长大（如：（如：Cu、Si、Ni等

17、）等），有，有的促进晶粒长大的促进晶粒长大（如（如P、Mn）。16随过冷度不同，过冷奥氏体将发生随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变珠光体转变、贝氏贝氏体转变体转变和和马氏体转变马氏体转变三种类型转变。三种类型转变。5-3-1 珠光体类型组织转变珠光体类型组织转变共析成分的奥氏体在共析成分的奥氏体在A1550温度范围内等温停留时，温度范围内等温停留时，将发生将发生珠光体转变珠光体转变，形成铁素体和渗碳体两相组成的，形成铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物机械混合物珠光体珠光体。通常所说的珠光体就指这一。通常所说的珠光体就指这一类。因转变的温度较高，也称类。因转变的温度较高，也称高温转变高温转

18、变。根据根据珠光体片间距珠光体片间距不同，又细分为不同，又细分为珠光体、索氏体珠光体、索氏体和和托氏体托氏体。5-3 过冷奥氏体的转变产物及性能过冷奥氏体的转变产物及性能【珠光体片间距珠光体片间距】 在片状珠光体中，一片铁素体和一片渗碳体在片状珠光体中，一片铁素体和一片渗碳体的总厚度，或相邻两片渗碳体或铁素体中心之间的距离。的总厚度，或相邻两片渗碳体或铁素体中心之间的距离。17(1) 珠光体珠光体形成温度为形成温度为A1650，片层较厚，片层较厚，500倍光镜下倍光镜下可辨，用符号可辨，用符号P表示。表示。光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌18(2) 索氏体索氏体形成温度为形成温度为65

19、0600，片层较薄，片层较薄，8001000倍光倍光镜下可辨，用符号镜下可辨，用符号S表示。表示。光镜形貌光镜形貌电镜形貌电镜形貌19(3) 托氏体（屈氏体）托氏体（屈氏体）形成温度为形成温度为600550，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。电镜形貌电镜形貌光镜形貌光镜形貌20(4) 珠光体转变过程珠光体转变过程l珠光体转变也是珠光体转变也是形核和长大形核和长大的过程。渗碳体晶核首的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间氏体的含碳量下降，促进了铁素

20、体形核，两者相间形核并长大，形成一个形核并长大，形成一个珠光体团珠光体团。l 珠光体转变是珠光体转变是扩散扩散型转变型转变，即铁原子，即铁原子和碳原子均要进行和碳原子均要进行扩散。扩散。21l珠光体、索氏体、托氏体珠光体、索氏体、托氏体三种组织无本质区别，只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。l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。 225-3-2 贝氏体类型组织转变贝氏体类型组织转变贝氏体转变贝氏体转变是过冷奥氏体在是过冷奥氏体在550至至Ms点点（马氏

21、体（马氏体转变开始温度）转变开始温度）温度范围内进行的转变，又称为温度范围内进行的转变，又称为中中温转变温转变。贝氏体是碳化物（渗碳体）分布在碳过饱和的铁素贝氏体是碳化物（渗碳体）分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物。贝氏体用符号体基体上的两相混合物。贝氏体用符号B表示。表示。贝氏体按形成温度不同分为：贝氏体按形成温度不同分为：上贝氏体上贝氏体（B上上）和）和下贝氏体下贝氏体（B下下）。）。23(1) 上贝氏体上贝氏体l形成温度为形成温度为550350。l光镜下呈光镜下呈羽毛状羽毛状。l电镜下为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

22、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24当转变温度较高当转变温度较高（550350）时，时，条片状铁素体条片状铁素体从从奥氏体奥氏体晶界晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变宽，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，最后在铁素体条间其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条间析出析出Fe3C短棒短棒，奥氏体消失，形成，奥氏体消失，形成B上上。上贝氏体形成过程上贝氏体形成过程25(2) 下贝氏体下贝氏体l形成温度为形成温度为350230 (Ms)。l光镜下呈光镜下呈竹叶状竹叶状。l电镜下为电镜下为细片状细片状碳化碳化物分布于铁素体针内，物分

23、布于铁素体针内，与铁素体针长轴方向与铁素体针长轴方向呈呈5560角。角。光镜下光镜下电镜下电镜下26l当转变温度较低当转变温度较低（350230）时，铁素体在晶界时，铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成或晶内某些晶面上长成针状针状，由于碳原子扩散能力，由于碳原子扩散能力低，其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体低，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的一定晶面上以断续碳化物小片断续碳化物小片的形式析出。的形式析出。 下贝氏体形成过程下贝氏体形成过程碳化物碳化物碳化物碳化物碳化物碳化物B下下27下贝氏体碳化下贝氏体碳化物在铁素体板物在铁素体板条中析出条中析出上贝氏体碳化上贝氏体碳

24、化物在铁素体板物在铁素体板条间析出条间析出上贝氏体和下贝氏体中碳化物析出位置示意图上贝氏体和下贝氏体中碳化物析出位置示意图28l上贝氏体上贝氏体渗碳体分布在铁素体条之间，易引起脆断；渗碳体分布在铁素体条之间，易引起脆断；强度与塑性都较低，无实用价值。强度与塑性都较低，无实用价值。l下贝氏体下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较除了强度、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。 【贝氏体的转变机制贝氏体的转变机制】形核长大的过程，但属于形核长大的过程，但属于半扩半扩散型转变，即只有碳原子扩

25、散，而铁原子不扩散。散型转变，即只有碳原子扩散，而铁原子不扩散。29(1)马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构n当奥氏体过冷到当奥氏体过冷到Ms 以下将转变为马氏体类型组织，以下将转变为马氏体类型组织，这个转变持续至这个转变持续至马氏体形成终了温度马氏体形成终了温度Mf。在在Mf以下以下过冷奥氏体停止转变。过冷奥氏体停止转变。n马氏体是碳在马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体，用符号中的过饱和固溶体，用符号M 表表示。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体示。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中，具有非常高的强度和硬度。中，具有非常高的强度和硬度。马氏体转变是强化钢马氏体转变是强化钢的重

26、要途径之一。的重要途径之一。5-3-2 马氏体类型组织转变马氏体类型组织转变30(2)马氏体的组织形态特点马氏体的组织形态特点马氏体的形态主要取决于其含碳量：马氏体的形态主要取决于其含碳量：lC%小于小于0.3%时，时，组织几乎全部是组织几乎全部是板条状马氏体板条状马氏体。lC%大于大于1.0%时，时，组织几乎全部是组织几乎全部是片状马氏体片状马氏体。lC%在在0.31.0%之间，之间，为为板条状与片状的混合组织板条状与片状的混合组织。0.45%C0.2%C1.2%C3132高碳、片状马氏体组织金相图高碳、片状马氏体组织金相图33光镜下光镜下电镜下电镜下在光镜下，板条马氏体由在光镜下，板条马氏

27、体由若干个若干个板条群板条群组成，板条组成，板条群之间具有较大的位相差；群之间具有较大的位相差；每个板条群由若干个尺寸每个板条群由若干个尺寸大致相同的大致相同的板条板条组成，呈组成，呈大致平行大致平行且且方向一定方向一定的排的排列。列。在电镜下，板条内的亚结在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的构主要是高密度的位错位错， =1012/cm2，板条马氏体板条马氏体又称又称位错马氏体位错马氏体。【】34片状马氏体显微组织示意图片状马氏体显微组织示意图电镜下电镜下光镜下光镜下l立体形态为双凸透镜形的片立体形态为双凸透镜形的片状，又称状，又称透镜片状马氏体透镜片状马氏体。l电镜下，亚结构主要是孪晶，电

28、镜下，亚结构主要是孪晶，又称又称孪晶马氏体孪晶马氏体。【孪晶：孪晶：两两个或两个以上同种晶体构成的个或两个以上同种晶体构成的非平行的规则连生体非平行的规则连生体】【】35(3)马氏体的力学性能马氏体的力学性能马氏体的马氏体的硬度硬度主要取决于马氏体的含碳量，通常主要取决于马氏体的含碳量，通常情况是随含碳量的增加而升高。情况是随含碳量的增加而升高。含碳量对马氏体硬度的影响机制：含碳量对马氏体硬度的影响机制：过饱和碳原子过饱和碳原子与马氏体中的晶体缺陷交互作用引起的与马氏体中的晶体缺陷交互作用引起的固溶强化固溶强化造成的。造成的。马氏体的马氏体的塑性和韧性塑性和韧性主要取决于其亚结构形式。主要取决

29、于其亚结构形式。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（亚结构：位亚结构：位错错），片状马氏体脆性大（），片状马氏体脆性大（亚结构：孪晶亚结构：孪晶）。）。36(4)马氏体组织转变的特点马氏体组织转变的特点无扩散性无扩散性l马氏体转变是在很大的过冷度下进行的，转变马氏体转变是在很大的过冷度下进行的，转变温度低，转变时没有铁原子和碳原子的扩散，温度低，转变时没有铁原子和碳原子的扩散，只发生从只发生从-Fe到到-Fe的晶格改组。因而在马氏的晶格改组。因而在马氏体转变过程中没有成分变化，马氏体和原奥氏体转变过程中没有成分变化，马氏体和原奥氏体中固溶的碳量一致。体中固溶的碳量一

30、致。37切变共格性切变共格性l 由于原子不能进行扩散，因而晶格的转变以由于原子不能进行扩散，因而晶格的转变以切变切变的机制进行。在切变过程中，由面心立方的奥氏的机制进行。在切变过程中，由面心立方的奥氏体转变为体心立方的马氏体。切变不仅使晶格改体转变为体心立方的马氏体。切变不仅使晶格改变，还使切变部份的形状和体积发生变化，引起变，还使切变部份的形状和体积发生变化，引起相邻奥氏体随之变形。相邻奥氏体随之变形。38FCCBCC铁原子铁原子马氏体马氏体的形成的形成碳原子碳原子39马氏体转变在一个温度范围内进行马氏体转变在一个温度范围内进行l在通常情况下，过冷奥氏体向马氏体转变开始在通常情况下，过冷奥氏

31、体向马氏体转变开始后，必须在不断降温条件下转变才能继续进行，后，必须在不断降温条件下转变才能继续进行，冷却过程中断，转变立即停止，马氏体转变与冷却过程中断，转变立即停止，马氏体转变与保温时间无关。即使温度降低到保温时间无关。即使温度降低到Mf以下，奥氏以下，奥氏体也不能体也不能100%转变为马氏体，总有部分奥氏转变为马氏体，总有部分奥氏体未转变而残留下来，这部分奥氏体称为体未转变而残留下来，这部分奥氏体称为残余残余奥氏体奥氏体，用，用“A”或或“”表示。表示。40 残余奥氏体残余奥氏体用用A 或或 表示表示马氏体转变后，马氏体转变后，A 量随含量随含碳量的增加而增加碳量的增加而增加，当含碳量达

32、当含碳量达0.5%后，后，A量才显著。量才显著。41n除除Al、Co元素外，溶解到奥氏体中的元素均使元素外，溶解到奥氏体中的元素均使Ms、Mf下降；碳含量增多，下降；碳含量增多，Ms、Mf点降低。点降低。n经冷却后未转变的奥氏体保留在钢中，称为经冷却后未转变的奥氏体保留在钢中，称为残余残余奥氏体奥氏体。在。在Ms与与Mf温度之间过冷奥氏体与马氏温度之间过冷奥氏体与马氏体共存。体共存。n在在Ms温度以下，转变温度越低，残余奥氏体量越温度以下，转变温度越低，残余奥氏体量越少。随奥氏体中含碳量的增加少。随奥氏体中含碳量的增加Ms和和Mf均会降低，均会降低，可见在同样的冷却速度下（或冷却介质中），奥可

33、见在同样的冷却速度下（或冷却介质中），奥氏体中含碳量越高，马氏体中的残余奥氏体就越氏体中含碳量越高，马氏体中的残余奥氏体就越多。多。42含碳量对残余奥氏体量的含碳量对残余奥氏体量的影响影响 800 600 400 200 0-200 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 含碳量（含碳量（%）含碳量对含碳量对Ms与与Mf温度的影响温度的影响 温温度度 MsMf 残余奥氏体量残余奥氏体量 ()C (%)43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

34、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片片MSMf无扩无扩散型散型片状片状60-65淬火淬火M板条板条MSMf板条状板条状50淬火淬火445-4 过冷奥氏体转变曲线图过冷奥氏体转变

35、曲线图冷却是热处理更重要的工序。冷却是热处理更重要的工序。热处理时常用的冷却方式有两种：热处理时常用的冷却方式有两种：一是一是等温冷却等温冷却；二是；二是连续冷却连续冷却。 两种冷却方式示意图两种冷却方式示意图1等温冷却等温冷却2连续冷却连续冷却455-4-1 共析钢过冷奥氏体等温转变曲线共析钢过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）曲线） TTT曲线（曲线（Time-Temperature Transformation）(1) 概述概述奥氏体在临界点以上为稳定相，不会发生转变；冷却奥氏体在临界点以上为稳定相，不会发生转变；冷却至临界点以下处于不稳定状态，将会发生分解，把这至临界点以下处于不稳定状态，

36、将会发生分解，把这种在临界点以下暂时存在的奥氏体称为种在临界点以下暂时存在的奥氏体称为过冷奥氏体过冷奥氏体。 C曲线曲线：表示：表示A急速冷却到急速冷却到A1以下，在各不同温度的以下，在各不同温度的保温保温过程中，转变量与转变时间的关系曲线。过程中，转变量与转变时间的关系曲线。 C曲线曲线的左边一条线为过冷奥氏体的左边一条线为过冷奥氏体转变开始线转变开始线，右边一条线，右边一条线为过冷奥氏体为过冷奥氏体转变终了线转变终了线。该曲线下部还有两条水平。该曲线下部还有两条水平线，分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温度线，分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms线和线和转变结束温度转变结束温度Mf线。线

37、。 4647时间时间温度温度A1MSMfA过冷过冷APBMAMABAP转变开始线转变开始线转变终了线转变终了线lA1-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奥氏体区过冷奥氏体区。l转变终了线以右及转变终了线以右及Mf以下为以下为转变产物转变产物区区。l两线之间及两线之间及Ms与与Mf之间为之间为转变区转变区。48(2) 共析钢共析钢C曲线的建立曲线的建立l将若干试样都在同样加热条件下使之奥氏体化，将若干试样都在同样加热条件下使之奥氏体化，以获得均匀细小的奥氏体；以获得均匀细小的奥氏体；l将每组试样分别投入到将每组试样分别投入到A1温度线以下不同温度温度线以下不同温度（7

38、10、650、600、550、450）的恒温中，使过冷奥氏体进入等温转变，记录下的恒温中，使过冷奥氏体进入等温转变，记录下转变的开始和终了时间；转变的开始和终了时间；l将试验测得的点画在温度、时间坐标系中，将具将试验测得的点画在温度、时间坐标系中，将具有相同意义的点连成线，便得到了共析钢等温转有相同意义的点连成线，便得到了共析钢等温转变图。变图。l由于图中曲线形状与英文字母由于图中曲线形状与英文字母“C”字相似，故又字相似，故又称为称为C曲线。曲线。 49共析钢等温转变图的测定共析钢等温转变图的测定 50(3) 曲线的分析曲线的分析转变开始线与纵坐标之间的距转变开始线与纵坐标之间的距离为离为孕

39、育期孕育期。u孕育期越小，过冷奥氏体稳定孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小，转变最快。性越小，转变最快。u孕育期最小处称孕育期最小处称C曲线的曲线的“鼻鼻尖尖”。碳钢鼻尖处温度。碳钢鼻尖处温度550。u在鼻尖以上，温度较高，相变在鼻尖以上，温度较高，相变驱动力小。驱动力小。u在鼻尖以下，温度较低，扩散在鼻尖以下，温度较低，扩散困难，使奥氏体稳定性增加。困难，使奥氏体稳定性增加。 C曲线明确表示过冷奥氏体在曲线明确表示过冷奥氏体在不同温度下不同温度下等温转变等温转变产物。产物。时间时间温度温度A1MSMfA过冷过冷APBMAMABAP转变开始线转变开始线转变终了线转变终了线51亚共析碳钢和过共析碳

40、钢的亚共析碳钢和过共析碳钢的C曲线都具有过冷奥氏体转曲线都具有过冷奥氏体转变开始线与转变终了线。但在亚共析碳钢的变开始线与转变终了线。但在亚共析碳钢的C曲线上，曲线上，多出一条多出一条先析铁素体先析铁素体析出线；在过共析碳钢析出线；在过共析碳钢C曲线上，曲线上，多出一条多出一条先析渗碳体（二次渗碳体）先析渗碳体（二次渗碳体）析出线。析出线。亚共析钢亚共析钢和过共析钢和过共析钢C曲线的上部各多一条先共析相的析出线。曲线的上部各多一条先共析相的析出线。 亚共析碳钢、共析碳钢和过共析碳钢的亚共析碳钢、共析碳钢和过共析碳钢的C曲线比较曲线比较 52亚共析碳钢的亚共析碳钢的C曲线上，多出一条曲线上，多出

41、一条先析铁素体先析铁素体析出线。析出线。53过共析碳钢过共析碳钢C曲线上，多出一条曲线上，多出一条先析渗碳体先析渗碳体（二次渗碳体）（二次渗碳体）析出线。析出线。54(4)影响影响C曲线的因素曲线的因素 含碳量的影响含碳量的影响l在正常的热处理加热条件下，在正常的热处理加热条件下，亚共析亚共析碳钢的碳钢的C曲线随曲线随着含碳量的增加向着含碳量的增加向右移右移，过共析过共析碳钢的碳钢的C曲线随着含曲线随着含碳量的增加向碳量的增加向左移左移。l在碳钢中，以共析碳钢在碳钢中，以共析碳钢C曲线的鼻尖离纵坐标最远，曲线的鼻尖离纵坐标最远，其过冷奥氏体也最稳定。其过冷奥氏体也最稳定。 亚共析碳钢亚共析碳钢

42、共析碳钢共析碳钢过共析碳钢过共析碳钢55 合金元素的影响合金元素的影响l除除Co外外，凡溶入奥氏体的合金元素都，凡溶入奥氏体的合金元素都增加过冷奥增加过冷奥氏体的稳定性氏体的稳定性，推迟转变或降低转变速度，使，推迟转变或降低转变速度，使C曲曲线线右移右移。l其中，其中，不形成碳化物的元素不形成碳化物的元素（如（如Ni，Si，Cu等）等）和和弱碳化物形成元素弱碳化物形成元素（如（如Mn），只改变），只改变C曲线的位曲线的位置，不改变置，不改变C曲线的形状。曲线的形状。l碳化物形成元素碳化物形成元素（如（如Cr，Mo，W，V，Ti）不但）不但使使C曲线右移，而且还改变曲线右移，而且还改变C曲线形状

43、。曲线形状。56l奥氏体化温度提高和保温时间延长，使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、未溶碳化奥氏体成分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，物减少，增加了过冷奥氏体的稳定性增加了过冷奥氏体的稳定性，使使C 曲线右移。曲线右移。575-4-2 过冷奥氏体连续冷却转变曲线过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）曲线）(Continuous-Cooling Transformation)在热处理生产中，奥氏体化后常采用连续冷在热处理生产中，奥氏体化后常采用连续冷却，如一般的水冷淬火、空冷正火和炉冷退却，如一般的水冷淬火、空冷正火和炉冷退火等。因此，研究过冷奥氏体在连续冷却时火等

44、。因此，研究过冷奥氏体在连续冷却时的转变规律，具有重要的实际意义。的转变规律，具有重要的实际意义。58(1) 共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变图的建立共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变图的建立l过冷奥氏体连续冷却转变曲线常用膨胀法测定，它过冷奥氏体连续冷却转变曲线常用膨胀法测定，它是将一组试样经加热奥氏体化后，以不同冷却速度是将一组试样经加热奥氏体化后，以不同冷却速度（V1，V2，Vk，Vk）连续冷却）连续冷却;l在冷却过程中，应用高速膨胀仪测定各试样在冷却过程中，应用高速膨胀仪测定各试样比容变比容变化化，根据奥氏体与其转变产物的比容不同，即可测，根据奥氏体与其转变产物的比容不同，即可测出在各种冷却

45、速度下，奥氏体转变开始和转变终了出在各种冷却速度下，奥氏体转变开始和转变终了的温度与时间的温度与时间;l将这些数据绘在温度时间坐标图上，并把所有转将这些数据绘在温度时间坐标图上，并把所有转变开始点和转变终了点分别连接起来，便获得过冷变开始点和转变终了点分别连接起来，便获得过冷奥氏体连续冷却转变曲线。奥氏体连续冷却转变曲线。59共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线建立示意图共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线建立示意图 60共析钢连续冷却时共析钢连续冷却时没有贝氏体形成没有贝氏体形成（无贝氏体转（无贝氏体转变区）。变区）。图中图中Ps和和Pz线分别表示珠光体转变的开始和终了线分别表示珠光体转变的开始

46、和终了线；线；K线是珠光体转变终止线。线是珠光体转变终止线。CCT曲线位于曲线位于TTT曲线右下方，转变温度低，孕曲线右下方，转变温度低，孕 育期长。育期长。图中图中vk 为为CCT 曲线的临界冷却速度，即获得全曲线的临界冷却速度，即获得全部马氏体组织时的最小冷却速度。部马氏体组织时的最小冷却速度。共析钢以大于共析钢以大于vk的速度冷却时，由于遇不到珠光体转变线，得到的的速度冷却时，由于遇不到珠光体转变线，得到的组织为马氏体一小部分残余奥氏体组织为马氏体一小部分残余奥氏体 。(2)共析钢连续冷却转变曲线分析共析钢连续冷却转变曲线分析6145钢钢850油冷组织油冷组织(M+T)在珠光体转变区之下

47、多一条在珠光体转变区之下多一条转变中止线（转变中止线（K线）线）。当。当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变中止，余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下的奥氏体一直保持到Ms以下转变为马氏体。以下转变为马氏体。临界冷却速度越小，奥氏体越稳定，因而即使在较临界冷却速度越小，奥氏体越稳定，因而即使在较慢的冷却速度下也会得到马氏体。这对淬火工艺操作慢的冷却速度下也会得到马氏体。这对淬火工艺操作具有十分重要的意义。具有十分重要的意义。 62(3)过冷奥氏体的等温冷却转变曲线在连续冷却中的应用过冷奥氏体的等温冷却转变曲线在连续冷却中的应用用用TTT曲线定性说明共析钢

48、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风风冷冷63水水冷冷油冷油冷风冷风冷空冷空冷炉冷炉冷645-5 钢的退火与正火钢的退火与正火n按照热处理在零件生产过程中的位置和作用不同，热按照热处理在零件生产过程中的位置和作用不同，热处理工艺还可分为处理工艺还可分为预备热处理预备热处理和和最终热处理最终热处理。n预备热处理是零件加工过程中的一道预备热处理是零件加工过程中的一道中间工序中间工序（也称（也称为为中间热处理中间热处理），其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消），其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力，为后续的机加工或进一步的热处理作准备。除应力，为

49、后续的机加工或进一步的热处理作准备。n最终热处理是零件加工的最终热处理是零件加工的最终工序最终工序，其目的是使经过，其目的是使经过成型工艺达到成型工艺达到形状和尺寸要求形状和尺寸要求的零件，达到所需要的的零件，达到所需要的使使用性能用性能。n机械零件的一般加工工艺为：机械零件的一般加工工艺为：l毛坯（铸、锻）毛坯（铸、锻）预备热处理预备热处理机加工机加工最终热处理。最终热处理。l退火与正火工艺退火与正火工艺主要用于预备热处理主要用于预备热处理，只有当工件性，只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理。能要求不高时才作为最终热处理。65n铸造铸造零件常出现内部各区域之间化学成分差异，零件常出现内部

50、各区域之间化学成分差异，轧制轧制后常后常出现带状组织、纵向与横向之间强度与韧性不一样，热加出现带状组织、纵向与横向之间强度与韧性不一样，热加工与冷加工后还会使零件的应力增加。这些热加工或冷加工与冷加工后还会使零件的应力增加。这些热加工或冷加工后给零件造成的工后给零件造成的内应力内应力不消除，会导致零件变形甚至开不消除，会导致零件变形甚至开裂；若不使裂；若不使化学成分均匀化化学成分均匀化，异常组织不消除，会使零件，异常组织不消除，会使零件内各部分的性能差异很大，危及零件的正常安全使用。内各部分的性能差异很大，危及零件的正常安全使用。n退火和正火的退火和正火的目的目的：1）调整钢件硬度，便于切削加