《金属材料与热处理》全册配套完整教学课件2.pptx

1、金属材料与热处理全册配套金属材料与热处理全册配套完整教学课件完整教学课件2金属材料及热处理原理金属材料及热处理原理第一节第一节 纯铁纯铁第二节第二节 铁的碳化物铁的碳化物第三节第三节 铁碳相图铁碳相图第四节第四节 铁碳合金的凝固铁碳合金的凝固第五节第五节 合金在缓冷过程中的固态转变和室温组织合金在缓冷过程中的固态转变和室温组织u铁的多形性 铁在室温下具有体心立方点阵，铁，铁磁性 随着温度升高，在770 （居里点） A A2 2转变转变 发生铁的磁性转变， 居里点以上，铁的磁性消失。 非铁磁性的铁能保持到912， A A3 3转变转变 体心立方点阵的铁转变为 面心立方点阵的铁。 超过1394，纯

2、铁将再次转变为体心立方点阵 A A4 4转变转变 在1538以上，纯铁由固态转变为液态。碳化物碳化物化学式化学式晶系或对称性晶系或对称性磁性转变温度磁性转变温度碳化物碳化物Fe3C （渗碳体）（渗碳体）正交正交210 Ao点点 碳化物碳化物- -Fe2-3C六角六角370 碳化物碳化物Fe2.2C or Fe5C2单斜（底心）单斜（底心）247 合金渗碳体：以渗碳体为基的固溶体。合金渗碳体：以渗碳体为基的固溶体。(Fe,Mn,Cr(Fe,Mn,Cr) )3 3(C,N(C,N) )渗碳体的性质：硬度高，塑性差；属于金属化合物。渗碳体的性质：硬度高，塑性差；属于金属化合物。 碳化物碳化物 碳化物

3、碳化物230350Fe3C 3Fe+C（石墨）（石墨）由于转变温度很低，转变速度很慢，由于转变温度很低，转变速度很慢，通常广泛应用通常广泛应用Fe-Fe3C相图相图 ( (亚稳相图亚稳相图) )。Fe-C复线相图：复线相图：Fe-Fe3C亚稳相图亚稳相图 + Fe-C石墨石墨稳定相图稳定相图 较高温度下较高温度下长时间保温长时间保温Fe-C复线相图：复线相图：Fe-Fe3C亚稳相图亚稳相图 + Fe-C石墨石墨稳定相图稳定相图 在在1495存在包晶反应：存在包晶反应： 铁素体铁素体+ L-Fe 0.09 0.53 0.17碳在碳在 铁素体中的铁素体中的最大溶解度为最大溶解度为0.09wt在在1

4、148出现共晶反应：出现共晶反应：L -Fe + Fe3C 4.3 2.11 6.69碳在奥氏体（碳在奥氏体（-Fe）中的最）中的最大溶解度为大溶解度为2.11wt（9.10at%)铁原子数与碳原子数之比约铁原子数与碳原子数之比约为为10：1在在727出现共析反应：出现共析反应：-Fe-Fe + Fe3C 0.77 0.0218 6.69碳在碳在 铁素体中的最大铁素体中的最大溶解度为溶解度为0.0218wt铁碳合金的三种结晶类型铁碳合金的三种结晶类型u 钢（含碳量钢（含碳量2.11%的铁碳合金）的结晶过程的铁碳合金）的结晶过程固溶体结晶固溶体结晶包晶结晶包晶结晶共晶结晶共晶结晶 一、钢（含碳量

5、一、钢（含碳量2.11%的铁碳合金）的结晶过程的铁碳合金）的结晶过程 一、钢（含碳量一、钢（含碳量2.11%的铁碳合金）的结晶过程的铁碳合金）的结晶过程都生成奥氏体，铁碳都生成奥氏体，铁碳合金中的奥氏体也是合金中的奥氏体也是一个较高温度才稳定一个较高温度才稳定存在的相。采用适当存在的相。采用适当的热处理或合金化，的热处理或合金化，可以使奥氏体部分或可以使奥氏体部分或全部地保留到室温。全部地保留到室温。 一、钢（含碳量一、钢（含碳量2.11%的铁碳合金）的结晶过程的铁碳合金）的结晶过程含碳量小于含碳量小于2.11%的合的合金，在结晶和经过金，在结晶和经过 一一些固态转变后，均可些固态转变后，均可

6、变成单相的奥氏体。变成单相的奥氏体。奥氏体范性很好，使奥氏体范性很好，使得合金能够接受锻造、得合金能够接受锻造、轧制或其它热加工变轧制或其它热加工变形。形。 一、钢（含碳量一、钢（含碳量2.11%的铁碳合金）的结晶过程的铁碳合金）的结晶过程 二、铸铁（含碳量二、铸铁（含碳量2.11%的铁碳合金）的结晶过程的铁碳合金）的结晶过程l由奥氏体和渗碳体组成的共晶由奥氏体和渗碳体组成的共晶组织称为莱氏体。组织称为莱氏体。l在莱氏体中，渗碳体是连续分在莱氏体中，渗碳体是连续分布的相，奥氏体呈颗粒状分布在布的相，奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体的基底上。渗碳体的基底上。l因渗碳体性质很脆，所以莱氏因渗碳体性质很脆

7、，所以莱氏体就成为塑性很差的组织。体就成为塑性很差的组织。 二、铸铁（含碳量二、铸铁（含碳量2.11%的铁碳合金）的结晶过程的铁碳合金）的结晶过程l亚共晶合金结晶时，在共晶亚共晶合金结晶时，在共晶反应前先形成奥氏体；反应前先形成奥氏体；l过共晶合金结晶时，在共晶过共晶合金结晶时，在共晶反应前先形成渗碳体反应前先形成渗碳体一次渗一次渗碳体。碳体。 二、铸铁（含碳量二、铸铁（含碳量2.11%的铁碳合金）的结晶过程的铁碳合金）的结晶过程l含碳量超过含碳量超过2.11wt.的合金，的合金，结晶后其组织中总含有一定数量结晶后其组织中总含有一定数量的莱氏体，合金的塑性差，难于的莱氏体，合金的塑性差，难于承

8、受热加工变形；承受热加工变形；l但是，这类合金熔点低，同时由但是，这类合金熔点低，同时由于共晶结晶的缘故，合金的铸造于共晶结晶的缘故，合金的铸造性能好。性能好。 二、铸铁（含碳量二、铸铁（含碳量2.11%的铁碳合金）的结晶过程的铁碳合金）的结晶过程工业纯铁工业纯铁0.0218wt%C铁素体，或铁素体，或铁素体铁素体+三次渗碳体三次渗碳体亚共析钢亚共析钢0.0218-0.77wt%C先共析铁素体先共析铁素体+珠光体珠光体共析钢共析钢0.77wt%C珠光体珠光体过共析钢过共析钢0.77-2.11wt%C先共析二次渗碳体先共析二次渗碳体+珠光体珠光体亚共晶铸铁亚共晶铸铁2.11-4.30wt%C珠光

9、体珠光体+二次渗碳体二次渗碳体+莱氏体莱氏体由先共晶由先共晶相得到相得到 共晶以后析出共晶以后析出 （变态）（变态）共晶铸铁共晶铸铁4.30wt%C莱氏体（变态）莱氏体（变态）过共晶铸铁过共晶铸铁4.30-6.69wt%C一次渗碳体一次渗碳体+莱氏体莱氏体 (变态变态)一、工业纯铁缓冷时的固态转变和组织一、工业纯铁缓冷时的固态转变和组织 室温平衡组织：铁素体室温平衡组织：铁素体 or 铁素体铁素体+三次渗碳体三次渗碳体l 三次渗碳体的析出温度随工业纯三次渗碳体的析出温度随工业纯铁中的碳含量减小而降低。而温铁中的碳含量减小而降低。而温度降低，原子的活动性减弱，析度降低，原子的活动性减弱，析出过程

10、缓慢，析出的三次渗碳体出过程缓慢，析出的三次渗碳体就愈细小弥散。就愈细小弥散。l 当冷却速度不够缓慢时，渗碳体当冷却速度不够缓慢时，渗碳体的析出过程进行得不充分，因而，的析出过程进行得不充分，因而，在室温下铁素体的含碳量往往或在室温下铁素体的含碳量往往或多或少是过饱和的。多或少是过饱和的。l 纯铁的显微组织：不规则的铁素纯铁的显微组织：不规则的铁素体晶粒，晶粒内有亚晶。体晶粒，晶粒内有亚晶。二、钢在缓冷时的固态转变和组织二、钢在缓冷时的固态转变和组织 1. 共析钢的固态转变共析钢的固态转变l A1温度以下，奥氏体发生共析分解，转变后的产物为温度以下，奥氏体发生共析分解，转变后的产物为珠光体（珠

11、光体（+Fe3C+Fe3C）。）。l 珠光体的形态：片层状渗碳体分布在铁素体基体上。珠光体的形态：片层状渗碳体分布在铁素体基体上。l 室温下珠光体中渗碳体和铁素体的相对量为：室温下珠光体中渗碳体和铁素体的相对量为： 因而，渗碳体片很薄。因而，渗碳体片很薄。l 从珠光体中的铁素体相中析出三次渗碳体，沿从珠光体中的铁素体相中析出三次渗碳体，沿与渗与渗碳体相界上形成，附加到原先的渗碳体片上。因量少，碳体相界上形成，附加到原先的渗碳体片上。因量少，对组织无明显影响。对组织无明显影响。810.776.690.0010.77铁素体铁素体渗碳体渗碳体二、钢在缓冷时的固态转变和组织二、钢在缓冷时的固态转变和组

12、织 1. 共析钢的固态转变共析钢的固态转变二、钢在缓冷时的固态转变和组织二、钢在缓冷时的固态转变和组织 2. 亚共析钢的固态转变亚共析钢的固态转变 共析成分奥氏体含量共析成分奥氏体含量 （珠光体相对量）（珠光体相对量）100%0.02180.770.0218C%P%P%二、钢在缓冷时的固态转变和组织二、钢在缓冷时的固态转变和组织 2. 亚共析钢的固态转变亚共析钢的固态转变 二、钢在缓冷时的固态转变和组织二、钢在缓冷时的固态转变和组织 2. 亚共析钢的固态转变亚共析钢的固态转变l 合金合金C增加，室温组织中珠光体的相对量逐渐增加，先共析增加，室温组织中珠光体的相对量逐渐增加，先共析铁素体减少。铁

13、素体减少。l 合金合金C减少，室温组织中珠光体的相对量逐渐减少，先共析减少，室温组织中珠光体的相对量逐渐减少，先共析铁素体增多。铁素体增多。l 合金合金C很小，且冷却缓慢，因可析出的珠光体量很少，容易很小，且冷却缓慢，因可析出的珠光体量很少，容易失去珠光体特征：共析所产生的铁素体附加到已存在的先共析失去珠光体特征：共析所产生的铁素体附加到已存在的先共析铁素体上生长，在铁素体晶界出现游离的渗碳体。铁素体上生长，在铁素体晶界出现游离的渗碳体。100%0.02180.770.0218C%P%P%二、钢在缓冷时的固态转变和组织二、钢在缓冷时的固态转变和组织 3. 过共析钢的固态转变过共析钢的固态转变三

14、、铸铁在缓冷时的固态转变和室温组织三、铸铁在缓冷时的固态转变和室温组织 1. 共晶铸铁共晶铸铁莱氏体（莱氏体（+Fe3C)+Fe3C)， 奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体的基底上奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体的基底上莱氏体中的奥氏体不断析出渗碳体，莱氏体中的奥氏体不断析出渗碳体， 依附在莱氏体中的共晶渗碳体上。依附在莱氏体中的共晶渗碳体上。莱氏体中的奥氏体通过共析反应转变为珠光体，莱氏体中的奥氏体通过共析反应转变为珠光体， 变态莱氏体。变态莱氏体。三、铸铁在缓冷时的固态转变和室温组织三、铸铁在缓冷时的固态转变和室温组织 2. 亚共晶铸铁亚共晶铸铁先共晶奥氏体先共晶奥氏体+共晶莱氏体共晶莱氏体(奥氏体奥氏

15、体+ +渗碳体渗碳体) ) 二次渗碳体二次渗碳体珠光体珠光体 珠光体珠光体 变态莱氏体变态莱氏体三、铸铁在缓冷时的固态转变和室温组织三、铸铁在缓冷时的固态转变和室温组织 3. 过共晶铸铁过共晶铸铁液析渗碳体液析渗碳体 + 共晶莱氏体共晶莱氏体 (奥氏体奥氏体+ +渗碳体渗碳体) )( (呈粗大片状呈粗大片状) ) 珠光体珠光体 变态莱氏体变态莱氏体第二章第二章 钢的热处理原理和工艺钢的热处理原理和工艺 第一节第一节 概述概述 钢铁材料作为现代工业的基础材料钢铁材料作为现代工业的基础材料, , 随着现代随着现代化工业以及科学技术化工业以及科学技术( (如航天技术、空间技术、海如航天技术、空间技术

16、、海洋技术等）的飞速发展，人们对钢材性能的要求洋技术等）的飞速发展，人们对钢材性能的要求也愈来愈高。为了满足这一点，一般可以采取两也愈来愈高。为了满足这一点，一般可以采取两种方法：种方法： 研制新钢种（改变化学成分，改进合金体系）；研制新钢种（改变化学成分，改进合金体系）； 对钢进行热处理（主要利用合金体系中存在的相对钢进行热处理（主要利用合金体系中存在的相变）。变）。 钢的热处理：通过加热、保温和冷却的方钢的热处理：通过加热、保温和冷却的方法，来改变钢内部组织结构，从而改善其法，来改变钢内部组织结构，从而改善其性能的一种工艺。性能的一种工艺。 热处理的工艺过程包括加热、保温和冷却热处理的工艺

17、过程包括加热、保温和冷却三个阶段，它可用温度一时间坐标图形来三个阶段，它可用温度一时间坐标图形来表示，称为热处理工艺曲线。表示，称为热处理工艺曲线。图图2.1 热处理工艺曲线热处理工艺曲线这也同样是钢中发生的各种转变所必需的热力学条件。P-珠光体；A-奥氏体；A1共析温度由上图可以知道:l 钢中奥氏体奥氏体(Austenite(Austenite, 简写A)和珠光体珠光体( (PearlitePearlite, 简写P)的自由能都随温度而变化。随温度的升高，奥氏体与珠光体的自由能都降低，但二者的变化率不同，奥氏体的自由能随温度变化得更明显些。l 因此，这两条曲线在某一点必然相交。此交点的温度A

18、1即相当于铁-碳平衡相图上的A1点，即奥氏体与珠光体的平衡温度。l 当温度低于A1点时，珠光体的自由能低于奥氏体的自由能，珠光体为稳定状态，反之则奥氏体为稳定状态。 由右图可知，由右图可知，将将共析钢共析钢加热加热至至A A1 1（PSKPSK）以上可）以上可获得完全的奥氏体获得完全的奥氏体；亚共析钢亚共析钢必须必须加热至加热至A A3 3线线(GS)(GS)；过共析钢过共析钢AcmAcm 线（线（ESES）以上才能）以上才能获得单相奥氏体。获得单相奥氏体。 Ac1、Ac3、Accm的意义的意义对于一个具体钢成分来说，A1、A3、Acm是一个点，而且是无限缓慢加热或冷却时的平衡临界温度。我们可

19、以从相图中读取。但是，实际上，退火、正火或淬火退火、正火或淬火等热处理都是有一定的加热或冷却速度，相变并不按照相图上所示的临界温度进行，总存在不同程度的滞后现象，即实际转变温度偏离平衡的临界温度，如下图所示。 加热与冷却速度对平衡相变点的影响。 随着加热和冷却速度增加，偏离程度也愈大。为区别于平衡临界温度：l加热时的实际临界温度加注脚字母“C”，用Ac1、Ac3、Accm表示；l冷却时的实际临界温度加注脚字母“r”，用Ar1、Ar3、Arcm表示。 热处理或合金钢手册上列出的各种钢的实际临界温度，大多是在30-50/h的加热或冷却下测定的，可作缓慢加热或冷却时参考。 奥氏体的形成过程奥氏体的形

20、成过程 从铁碳相图可知，任何成分碳钢加热到Ac1以上，珠光体就向奥氏体转变；加热到Ac3或Accm以上，将全部变为奥氏体。这种加热转变称奥氏体化奥氏体化(AUSTENIZATION)(AUSTENIZATION)。奥氏体的形成机理奥氏体的形成机理(以共析钢为例以共析钢为例)1、奥氏体晶核的形成( + Fe3C) 0.0218%C 6.69%C 0.77%C 体心立方 复杂正交 面心立方 奥氏体晶核在铁素体和渗碳体相界面处较易形成，其原因为： (1) 在铁素体和渗碳体两相界面处，碳原子浓度相差较大，有利于获得形成奥氏体晶核所需的碳浓度； (2) 在铁素体和渗碳体两相界面处，原子排列不规则，铁原子

21、有可能通过短程扩散由旧相的点阵向新相的点阵转移，促使奥氏体成核； (3) 在铁素体与渗碳体两相界面处形核是在已有的界面上形核，形核时只是将原有界面变为新界面，总的界面能变化较小，需要增加的应变能也较小，并且两相界面处畸变能较高。相界、晶界、亚晶界、位错、非金属夹杂等相界、晶界、亚晶界、位错、非金属夹杂等局部区域的自由能高，这些区域具有较大的能量起伏和浓度起伏，因而有利于奥氏体晶核的形成。2 2、长大、长大 当奥氏体在铁素体和渗碳体相界面上形核后：l 如下图所示，建立起界面浓度平衡；l 在奥氏体和铁素体内部出现浓度差，碳原子由高浓度向低浓度扩散，使C2、C4浓度降低，而C1、C3升高，从而破坏浓

22、度平衡；l 必须通过渗碳体逐渐溶解，以提高C2、C4，同时产生转变，以降低C1、C3，维持界面浓度平衡；l 这样所进行的碳原子扩散，渗碳体溶解，点阵重构的反复，奥氏体逐渐长大。奥氏体奥氏体长大机理示意图长大机理示意图Fe3CFe3C碳碳含含量量距离距离碳含量，碳含量，% %温温度度T1C2C1C3C4C4AC3C2C1-Fe-Fe-Fe-Fe l 实验表明，铁素体向奥氏体的转变速度，往往比渗碳体的溶解要快，因此珠光体中铁素体总比渗碳体消失得早。3、残余渗碳体的溶解残余渗碳体的溶解 铁素体消失后，随着保温时间的延长，通过碳原子扩散，残余渗碳体逐渐溶入奥氏体，使奥氏体逐渐趋近共析成分。1)S点不在

23、中点，A中平均C浓度低于0.77%；2）A与F界面处的C浓度远小于Fe3C与A相界面处的C浓度差。 4、奥氏体的均匀化奥氏体的均匀化 残余渗碳体完全溶解后，奥氏体中碳浓度仍是不均匀的，原是渗碳体的位置碳浓度较高，原是铁素体的位置碳浓度较低。为此必须继续保温，通过碳原子扩散，获得均匀化奥氏体。珠光体向奥氏体等温转变过程示意图综上所述，共析钢的奥氏体化过程包括以下四个过程：l形核；形核；l长大；长大；l残余渗碳体溶解；残余渗碳体溶解；l奥氏体成分均匀化奥氏体成分均匀化。加热时奥氏体化程度会直接影响冷却转变过程，以及转变产物的组成和性能。 5、亚(或过)共析钢中奥氏体的形成 亚共析钢：先共析铁素体

24、过共析钢：先共析渗碳体 共析碳钢的奥氏体等温形成曲线共析碳钢的奥氏体等温形成曲线 共析碳钢的奥氏体等温形成过程共析碳钢的奥氏体等温形成过程 +Fe3C奥氏体等温形成图的测定方法 为了获得各温度下奥氏体的形成速度，可将共析碳钢小试样迅速加热到Ac1以上不同温度，如730、745、765、800等等，并在每一个温度下保持一系列不同时间，如1、10、40、100、s，然后在盐水中急冷到室温。测出上述各个试样中马氏体的数量，这些马氏体量就相当于高温下所形成的奥氏体量。 根据所测结果，作出各温度下奥氏体形成量和时间的关系曲线，即为奥氏体等温形成动力学曲线。为便于使用，通常把不同温度下转变相同数量所需的时

25、间绘在温度时间图上，此即为奥氏体等温形成图。奥氏体等温形成动力学曲线(示意图) 共析碳钢的奥氏体等温形成曲线共析碳钢的奥氏体等温形成曲线 +Fe3C 从以上两图可以看出： (1) 在高于Ac1温度保温时，奥氏体并不立即形成，而是需要经过一定孕育期之后才开始形成。温度愈高，孕育期愈短。 (2) 奥氏体形成速度在整个过程中是不同的，开始时速度较慢，以后速度逐渐加大，当奥氏体形成量大于50%以后，速度又开始减慢。 (3) 温度愈高，形成奥氏体所需要的全部时间愈短，即奥氏体形成速度愈快。 (4) 在整个奥氏体形成过程中，残留碳化物的溶解，特别是成分均匀化所需的时间最长。4.2亚共析钢奥氏体的形成过程l

26、对亚共析钢而言，对亚共析钢而言，除去珠光体向奥氏体转变以外，由于还存在先共析铁素体，故在Ac1AC3之间加热时，还应有一个从（先共析）铁素体向奥氏体转变的过程。l铁素体向奥氏体转变的过程既可以是已经生成的奥氏体晶粒“吞并”周围的铁素体而进行长大，也可以通过“形核-长大”机理形成新的奥氏体晶粒。 4.34.3过共析钢的奥氏体形成过程过共析钢的奥氏体形成过程l对于过共析钢，对于过共析钢，由于在其原始组织中含有二次渗碳体，故从Ac1到Accm之间还应有一个（二次）渗碳体向奥氏体中溶解的过程。l只有当加热温度高于Accm时，这些过剩相才会完全转变成奥氏体。 4.4合金钢的奥氏体过程的特点l合金元素对碳

27、在奥氏体中的扩散影响1) Co、Ni增大碳在奥氏体中的扩散系数，因而加快奥氏体形成速度；2)碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等降低碳在奥氏体中的扩散系数，且所形成的特殊碳化物较难溶解，所以减慢奥氏体形成速度； 3)Si、Al、Mn等元素对碳在奥氏体中的扩散系数影响不大，因此对奥氏体形成速度没有多大影响。 l钢中合金元素在原始组织各相中的分布是不均匀的。例如退火状态下，碳化物形成元素主要集中在碳化物中，非碳化物形成元素主要集中在铁素体中。 这种合金元素分布的不均匀性，直到残余碳化物溶解完成后仍保留下来。因此合金钢除了奥氏体中碳的均匀化外，还要进行着合金元素的均匀化。 l在同一奥氏体化温度下，合金

28、元素在奥氏体中扩散系数只有碳的扩散系数的千分之几到万分之几，可见合金钢的奥氏体均匀化时间远比碳钢长得多。 在制定合金钢的热处理工艺规范时，应比在制定合金钢的热处理工艺规范时，应比碳钢的加热温度高些，保温时间长些，促使合碳钢的加热温度高些，保温时间长些，促使合金元素尽可能均匀化。金元素尽可能均匀化。奥氏体等温形成动力学的影响因素：奥氏体等温形成动力学的影响因素：1. 加热温度：温度越高，奥氏体形成速度越快。加热温度：温度越高，奥氏体形成速度越快。2. 碳含量：碳含量越高，奥氏体的形成速度越快。碳含量：碳含量越高，奥氏体的形成速度越快。3. 原始组织：碳化物的形状、分散度。原始组织：碳化物的形状、

29、分散度。4. 合金元素：合金元素的加入对奥氏体的形成机理没有影合金元素：合金元素的加入对奥氏体的形成机理没有影响，但是合金元素的存在改变了碳化物的稳定性，影响响，但是合金元素的存在改变了碳化物的稳定性，影响碳在奥氏体中的扩散系数。另外，合金元素在碳化物与碳在奥氏体中的扩散系数。另外，合金元素在碳化物与基体之间的分布不均匀，也可影响奥氏体的形成速度、基体之间的分布不均匀，也可影响奥氏体的形成速度、碳化物的溶解以及奥氏体的均匀化。碳化物的溶解以及奥氏体的均匀化。连续加热转变的特点：连续加热转变的特点：1 1）相变临界点随加热速度的增大而升高；）相变临界点随加热速度的增大而升高；2 2）转变是在一个

30、温度范围内进行的；）转变是在一个温度范围内进行的；3 3）奥氏体的形成速度随加热速度的增加而加快；）奥氏体的形成速度随加热速度的增加而加快；4 4）奥氏体成分的不均匀性随加热速度增大而增大；）奥氏体成分的不均匀性随加热速度增大而增大；5 5）奥氏体的起始晶粒度随加热速度增大而细化。）奥氏体的起始晶粒度随加热速度增大而细化。奥氏体晶粒奥氏体晶粒对一般钢来说，虽然在通常使用状态下的组织并不是奥氏体，但热加工或热处理过程中加热时所形成的奥氏体晶粒大小、形状等，对冷却后钢的组织和性能却有重要的影响。因此，需要了解奥氏体晶粒的长大规律，以便在生产实践中控制奥氏体晶粒大小，以获得所希望的性能。 奥氏体晶粒

31、大小与形状奥氏体晶粒大小与形状奥氏体晶粒大小与形状奥氏体晶粒大小与形状奥氏体晶粒大小与形状奥氏体晶粒大小与形状 不均匀长大不均匀长大 经孕育期后，奥氏体晶粒开始长大，但各处长大的程度不一致：l 有些较大的晶粒靠吞并周围的小晶粒而长成个别很粗大的晶粒；l 那些未被吞并的小晶粒则长大速度极慢； 结果形成尺寸相差悬殊的晶粒共存的状态； 均匀长大期均匀长大期 待细小晶粒全被吞并后，所有晶粒均开始缓慢而均匀地长大。 940奥氏体化所获得的奥氏体晶粒大小34CrNi3Mo钢980奥氏体化所获得的奥氏体晶粒大小34CrNi3Mo钢1020奥氏体化所获得的奥氏体晶粒大小34CrNi3Mo钢l因此，在热处理时应

32、严格控制晶粒大小以获得良好的综合性能；l在冶金厂，热轧钢材终轧温度终轧温度下的奥氏体晶粒大小决定着钢材轧后的性能，特别是对于不再进行热处理的热轧钢材，其终轧温度必须严格控制。 目前世界各国评定钢铁产品的晶粒大小，几乎统一采用与标准金相图片（晶粒大小标准图如下图）相比较，来确定晶粒度的级别。 通常将晶粒度分为8级，各级晶粒的大小如图。 l因为930左右是本质粗晶粒钢和本质细晶粒钢的晶粒大小差别最明显的温度。l根据原冶金部标准YB27-64规定，将钢加热到93010，保温38小时后，以适当方式冷却，在室温下显示和测量高温奥氏体晶粒大小，用来判断钢的本质晶粒度。l当晶粒度为14级，属于本质粗晶粒钢，

33、58级为本质细晶粒钢。l侵蚀方法：饱和的苦味酸水溶液+海鸥牌洗涤剂(膏)。6.5 6.5 钢中成分对奥氏体晶粒长大的影响钢中成分对奥氏体晶粒长大的影响 l 用适量的铝铝脱氧，或钢中加入适量的钒、钛、钒、钛、铌铌等元素，可得到本质细晶粒本质细晶粒钢。l 因为它们的氮化物或碳化物粒子沿晶界弥散析出，起到阻碍晶界迁移的作用，抑制了奥氏体晶粒长大。 奥氏体晶粒大小的影响因素：奥氏体晶粒大小的影响因素：l 加热温度和保温时间加热温度和保温时间: :晶粒长大和原子的扩散密切相关晶粒长大和原子的扩散密切相关，温度升高或保温时间延长，有助于扩散进行，因此奥，温度升高或保温时间延长，有助于扩散进行，因此奥氏体晶

34、粒变得更加粗大。氏体晶粒变得更加粗大。l 加热速度：加热速度与过热度有关，加热速度越大，过加热速度：加热速度与过热度有关，加热速度越大，过热度越大，即奥氏体的实际形成温度越高。高温下获得热度越大，即奥氏体的实际形成温度越高。高温下获得的起始晶粒细小，但很容易长大，因此保温时间不宜过的起始晶粒细小，但很容易长大，因此保温时间不宜过长。长。l 碳含量：碳含量不足以形成过剩碳化物的时候，随着含碳含量：碳含量不足以形成过剩碳化物的时候，随着含量的增加晶粒增大；如果足以形成未溶解的碳化物，阻量的增加晶粒增大；如果足以形成未溶解的碳化物，阻碍奥氏体晶粒的长大。碍奥氏体晶粒的长大。l 脱氧剂及合金元素：脱氧

35、剂及合金元素：AlAl脱氧可以形成脱氧可以形成AlNAlN颗粒，阻碍晶颗粒，阻碍晶粒长大；粒长大；TiTi，NbNb，V V强碳化物形成元素的加入，形成颗强碳化物形成元素的加入，形成颗粒细小、弥散分布的碳化物，阻碍奥氏体晶粒长大；粒细小、弥散分布的碳化物，阻碍奥氏体晶粒长大；MnMn、P P促进奥氏体晶粒的长大。促进奥氏体晶粒的长大。l 原始组织：原始组织只影响起始晶粒度。原始组织越细原始组织：原始组织只影响起始晶粒度。原始组织越细，起始晶粒度就越细小。，起始晶粒度就越细小。控制晶粒长大的措施：控制晶粒长大的措施：l 利用利用AlAl脱氧，形成脱氧，形成AlNAlN质点，细化晶粒；质点，细化晶

36、粒；l 加入强的碳氮化物形成元素，形成难溶的碳氮化物，阻加入强的碳氮化物形成元素，形成难溶的碳氮化物，阻碍奥氏体晶粒长大；碍奥氏体晶粒长大；l 采用快速加热、短时保温的办法，获得细小的晶粒；采用快速加热、短时保温的办法，获得细小的晶粒；l 控制钢的热加工工艺和采用预备热处理工艺。控制钢的热加工工艺和采用预备热处理工艺。 过热：由于加热工艺不当过热：由于加热工艺不当(加热温度过高、保温时加热温度过高、保温时间过长等间过长等)而引起实际奥氏体晶粒粗大，在随后的而引起实际奥氏体晶粒粗大，在随后的淬火或正火得到十分粗大的组织，从而使钢的机淬火或正火得到十分粗大的组织，从而使钢的机械性能严重恶化，此现象

37、称为过热。械性能严重恶化，此现象称为过热。 通过正火、退火的重结晶可以消除过热组织通过正火、退火的重结晶可以消除过热组织(非平非平衡组织则难以消除衡组织则难以消除)。 过烧：由于加热工艺不当过烧：由于加热工艺不当(加热温度过高、保温时加热温度过高、保温时间过长等间过长等)而引起奥氏体晶界熔化的现象称为过烧而引起奥氏体晶界熔化的现象称为过烧。通过正火、退火的重结晶不能消除过烧组织。通过正火、退火的重结晶不能消除过烧组织。 第三节第三节 过冷奥氏体转变图过冷奥氏体转变图 由右图可知，如果将事由右图可知，如果将事先加热成奥氏体状态的钢先加热成奥氏体状态的钢冷却到冷却到A1A1温度以下，则由温度以下，

38、则由于此温度下奥氏体的自由于此温度下奥氏体的自由能比铁素体与渗碳体两相能比铁素体与渗碳体两相混合物（珠光体或贝氏体）混合物（珠光体或贝氏体）高，所以奥氏体将发生分高，所以奥氏体将发生分解而向珠光体（或其它组解而向珠光体（或其它组织）转变。织）转变。 过冷奥氏体：奥氏体冷却到临界温度以下，过冷奥氏体：奥氏体冷却到临界温度以下， 处处于热力学不稳定状态，称为过冷奥氏体。于热力学不稳定状态，称为过冷奥氏体。 过冷奥氏体的冷却方式：平衡冷却和非平衡冷却过冷奥氏体的冷却方式：平衡冷却和非平衡冷却 以共析钢为例以共析钢为例l 加热到Ac1以上，共析转变成成分大致均匀的单相奥氏体；l 冷却到Ar1以下，单相

39、奥氏体分解为在成分上差别很大的铁素体与渗碳体两相的混合物（珠光体或贝氏体）；l 显然必须借助于扩散过程才能实现。随着温度的随着温度的降低，原子扩散能力不断减弱，转变产物也不一样降低，原子扩散能力不断减弱，转变产物也不一样。3.1 3.1 过冷奥氏体转变类型过冷奥氏体转变类型 珠光体转变：铁素体和渗碳体组成的混合物，扩珠光体转变：铁素体和渗碳体组成的混合物，扩散型相变。形态有片状和粒状散型相变。形态有片状和粒状 共析钢3800倍8000倍8000倍T12钢贝氏体转变：过饱和的铁素体和碳化物组成的混合贝氏体转变：过饱和的铁素体和碳化物组成的混合物。形态有羽毛状和针状物。形态有羽毛状和针状 上贝氏体

40、 500 x 上贝氏体 1000X 下贝氏体 100X 下贝氏体 1000X低碳板条马氏体低碳板条马氏体高碳片状马氏体高碳片状马氏体马氏体转变马氏体转变3.2 过冷奥氏体等温转变图(TTT)的建立 将过冷奥氏体迅速冷至临界温度以下的一定温度，并在此温度下进行等温，在等温过程中所发生的相变称为过冷奥氏体等温转变。 用来描述转变开始和转变终了时间、转变产物和转变量与温度、时间之间的关系曲线，称为过冷奥氏体等温转变图。（C曲线、TTT图） 测定过冷奥氏体等温转变图的方法有金相-硬度法、膨胀法、磁性法、热分析法等。时间，时间，S温度，温度，相变开始线相变终了线Ar1相变终了线实验过程：制备多组圆片状试

41、样加热使其奥氏体化转入A1以下一定温度的盐浴中等温停留不同时间后取出分别在盐水中淬火金相显微组织观察，结合硬度确定已转变的奥氏体数量获得不同温度等温时的奥氏体转变动力学曲线将不同温度下的等温转变开始时间和终了时间以及某些特定转变量所对应的时间绘制在温度-时间半对数坐标系中，并将不同温度下的转变开始点和转变终了点以及特定转变量的点分别连接成曲线，即得到过冷奥氏体等温转变动力学图，简称TTT曲线或C曲线。过冷奥氏体等温转变图作法示意图过冷奥氏体等温转变图作法示意图由上图可以看出： 1. 在各不同温度下过冷奥氏体等温分解需要一段准备时间，称为孕育期。 2. 当等温温度从A1点逐渐降低时，相变的孕育期

42、逐渐减短，转变速度加快；温度下降到某一温度时，孕育期最短，转变速度最快，通常把此处称为C曲线的鼻部或拐点；温度再降低，孕育期反而增长，转变速度减慢。 3. 对于碳钢，在其C曲线鼻部以上为过冷奥氏体高温转变区，生成珠光体；在鼻部以下至Ms点之间为中温转变区，生成贝氏体；在Ms点以下为低温转变区，生成马氏体。 4. 从整体来看，当过冷奥氏体发生转变时，随时间的增长，转变速度增大，但至转变50%以后，转变速度又逐渐降低，直至转变完成。(过冷奥氏体等温转变动力学曲线)共析碳钢(0.8%C,0.76%Mn)的C曲线l 以共析钢共析钢为例，过冷奥氏体等温转变曲线可以划分为三个转变区域：1)从A1至550温

43、度范围内，等温形成层片状铁素体和渗碳体的机械混合物，统称为珠光体为珠光体; ;2)从550至Ms温度范围内，等温转变形成贝氏体，它是过饱和碳的铁素体和碳化物的机械混合物。根据形成温度高低，又可分为上贝氏体和下贝氏体;3)将奥氏体快冷至Ms以下，在Ms至Mf之间产生马马氏体转变氏体转变，它是属于无扩散性相变，得到的过饱和的固溶体。 亚共析钢有一条先共析铁素体线，最后得到的组织为铁素体和珠光体。 过共析钢有一条先共析渗碳体线，最后得到的组织为先共析渗碳体和珠光体。过冷奥氏体等温转变动力学图的应用过冷奥氏体等温转变动力学图的应用 制定等温热处理工艺的有效依据，例如：制定等温热处理工艺的有效依据，例如

44、：等温淬火、等温退火等。等温淬火、等温退火等。1 1、等温淬火：获得下贝氏体。、等温淬火：获得下贝氏体。2 2、退火和等温退火：珠光体转变。、退火和等温退火：珠光体转变。3 3、形变热处理、形变热处理 ：将形变强化和热处理强化结合。：将形变强化和热处理强化结合。3.3 过冷奥氏体连续冷却转变图的建立 建立的原因：l大量的热处理工艺是采用连续的冷却方式。l热轧钢材的变形组织控制在变形条件下冷却组织如何控制。虽然可以利用等温转变图来分析连续冷却时的过冷奥氏体转变过程，但是这种分析只能是粗略的，有时甚至得到的是错误的结果。l有必要建立过冷奥氏体的连续冷却转变图，简称CCT(Continuous Co

45、oling Transformation)图。难点：l 维持恒定冷却速度十分困难。l 转变产物的精确测定十分困难。l 快速冷却时保证测量时间、温度的精度十分困 难。测量方法：通常综合运用金相-硬度法、膨胀法、磁性法、热分析法以及端淬法等。3.3 过冷奥氏体连续冷却转变图的建立l选定一组具有不同冷却速度不同冷却速度的方法，然后将欲测样品加热到奥氏体化温度，以各种冷速冷却。l冷却过程中采用膨胀法和金相法测定转变开始点和终了点。l把测得的不同冷速下的起始点和终了点标在温度-时间坐标系中，连接各性质相同的点。获得过 冷 奥 氏 体 连 续 冷 却 转 变 图 。 简 称CCT(Continuous C

46、ooling Transformation)曲线。3.4 3.4 过冷奥氏体连续冷却转变图的分析过冷奥氏体连续冷却转变图的分析l当连续冷却速度很小时，转变的过冷度很小，转变开始和终了的时间很长。如按冷却速度V1所示；l冷却速度如果加大，则转变温度降低，转变的开始与终了时间缩短，而且冷却速度愈大，转变所经历的温度区间也愈大。如按冷却速度V2所示。l上图中，有一转变中止线，表示冷却曲线与此线相交时转变并未最后完成，但奥氏体停止了分解，剩余部分被过冷到更低温度下发生马氏体转变。 l通过上图中C点的冷却曲线相当于上临界冷却上临界冷却速度速度。当冷速很大（超过Vc）时，奥氏体将全部被过冷到Ms点以下转变

47、为马氏体。由此的结论：由此的结论：（1）以某一定速度冷却时，珠光体转变在一个温度区间进行。冷速愈大，此区间也愈大，开始转变的温度也愈低。（2）冷却速度小于下临界冷却速度下临界冷却速度时，转变产物全部为珠光体（P）；冷却速度大于上临界冷却速度上临界冷却速度时，转变产物为马氏体（M）及少量残余奥氏体；（3）冷却速度介于上临界速度与下临界速度之间时，转变产物为珠光体、马氏体加少量残余奥氏体。过冷奥氏体等温转过冷奥氏体等温转变曲线（变曲线（C C曲线）与曲线）与连续转变曲线连续转变曲线(CCT(CCT曲线）之比较曲线）之比较由图可见，共析钢的 CCT曲线与其C曲线比较，向右下方移动了，亦即转变的开始时

48、间推迟，开始温度降低。 对于亚共析钢和过共析钢的连续冷却转变曲线分别如下图所示。图中， F-代表铁素体区域； P-代表珠光体区域； B-代表贝氏体区域； M-代表马氏体区域。 0.30%C钢连续冷却转变曲线奥氏体化温度：930；时间：30min0.90%C钢连续冷却转变曲线奥氏体化温度：930；时间：30min表表1 1 试样主要化学成分（试样主要化学成分（wt%wt%）试样号CSiMnPS10.2320.2741.5600.01090.042820.2360.2811.5780.01140.0463 根据相近成分钢种的CCT曲线，选取冷却速率分别为0.2/s，0.5/s，1/s，1.5/s，

49、3/s，5/s，8/s，12/s，20/s，35/s，如下图所示：0.2/s，5/s， 0.5/s，1/s，1.5/s，3/s，3.5 3.5 结论结论l钢的C曲线与CCT曲线是制定合理的热处理工艺规程的重要依据；它对于分析研究各种钢在不同热处理后的金相组织与性能，进而合理地选用钢材等方面也有很大的参考价值。l根据某种钢的CCT曲线，可以知道在各种不同冷却速度下所经历的各种转变以及应得的组织和性能（如硬度），还可以清楚地确定该钢的临界冷却速度等，这是规定淬火方法、选择淬火介质的重要依据。l根据某种钢的C曲线，可以制定等温退火、等温淬火等热处理工艺规程（如确定合理的等温温度与时间）。第四节 珠光

50、体转变 P ( + Fe3C) 面心立方 体心立方 复杂斜方 0.77%C 0.0218%C 6.69%C共析碳钢(0.8%C,0.76%Mn)的C曲线一、珠光体形态和性能一、珠光体形态和性能 1. 1. 珠光体形态珠光体形态片状珠光体片状珠光体粒状珠光体粒状珠光体(granular pearlite)珠光体珠光体(pearlite)索氏体索氏体(sorbite)屈氏体屈氏体(troostite)粒状珠光体 典型组织形态为：在铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织。 典型组织形态为：厚片状铁素体与薄片状渗碳体交替排列的片层状组织。片状珠光体片状珠光体的片层间距和珠光体团的示意图a) 珠光体的片层