第六章-钢的热处理原理与马氏体相变强化(上)

第5章钢的热处理与马氏体相变强化《机械工程材料》哈尔滨工业大学材料学院86402710热处理定义钢的热处理是将钢在固态下加热到预定温度，保温一定时间，然后以预定方式冷却到室温的热加工工艺。第5章钢的热处理与马氏体相变强化第5章钢的热处理与马氏体相变强化5.1钢的热处理原理5.2钢的热处理工艺5.1钢的热处理原理5.1钢的热处理原理5.1.1钢在加热时的组织转变5.1.2钢的过冷奥氏体转变曲线5.1.3钢的珠光体转变5.1.6钢的回火转变及时效5.1.1碳钢在加热时的组织转变5.1.4钢的马氏体转变5.1.5钢的贝氏体转变5.1.7钢的淬透性和淬硬性9408208607807407009001.01.21.40.80.60.40.2Wc/%T/℃A1AcmA3GS1.钢的临界点Ac1—加热时珠光体向奥氏体开始转变温度Ar1—冷却时奥氏体向珠光体开始转变温度Ac3—加热时先共析铁素体全部溶入奥氏体的终了温度Ar3—冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度Accm—加热时Fe3CII全部溶入奥氏体的终了温度Arcm—冷却时奥氏体开始析出Fe3CII的温度5.1.1碳钢在加热时的组织转变Ar1Ac1Arc1AccmAc3Ar32.奥氏体形成时的热力学条件奥氏体形成时的总自由能变化为：eSVGGGGGP-TT0（727）T1温度/℃GAGP自由能GGV——新相与母相体积自由能差GS——形成A所增加的界面能Ge——相变阻力（高温时值很小）5.1.1碳钢在加热时的组织转变3.奥氏体的形成过程5.1.1碳钢在加热时的组织转变3.奥氏体的形成过程5.1.1碳钢在加热时的组织转变4.奥氏体的形成速度及影响因素1）加热温度的影响a．加热温度T升高，促进扩散过程，A形成速度增加；b．加热温度T升高，P和A两相自由能差变大，相变驱动力增加，A形核率和长大速度都急剧增加。2）原始组织的影响原始组织越细，A形核率越大，A形成速度越快；3）化学成分的影响钢中含碳量越高，A形成速度越快；合金元素不改变奥氏体化过程，但影响A形成速度。5.1.1碳钢在加热时的组织转变1~4级——粗晶粒1）奥氏体的晶粒度表示方法5.奥氏体的晶粒度及影响因素奥氏体的晶粒大小用晶粒度表示，世界各国对钢产品统一使用与标准金相图片相比较的方法来确定晶粒度级别。通常将晶粒度分为八级：5~8级——细晶粒起始晶粒度实际晶粒度本质晶粒度A转变刚刚完成，即A晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。一般起始晶粒比较细小，它取决于形核率N和长大速度G：n0=1.01(N/G)1/2钢在某一具体的热处理或热加工条件下获得的奥氏体实际晶粒大小。它决定于具体的加热温度和保温时间，一般比起始晶粒大，对钢热处理后的性能有直接影响。根据标准试验方法（YB27-64），在930±10℃下保温3~8h后测定的奥氏体晶粒大小。如果晶粒度为1~4级则称为本质粗晶粒钢，如果晶粒度为5~8级则称为本质细晶粒钢。本质晶粒度表示钢在一定条件下A晶粒长大倾向性。2）奥氏体的晶粒度概念5.奥氏体的晶粒度及影响因素3）影响奥氏体晶粒长大的因素加热温度保温时间加热速度化学成分加热温度对A体晶粒度影响最为显著，随着温度升高，晶粒急剧长大；在一定温度下，随着保温时间延长，A晶粒长大，但到一定程度后，延长保温时间晶粒不再明显长大。加热速度越大，A转变的过热度越大，形核率越高，起始晶粒越细。如果保温时间较短，则晶粒来不及长大。如果高温下延长保温时间，晶粒很容易长大。含碳量的影响：在一定含量之内，随着C含量增加，A晶粒长大倾向增大，但当含碳量超过某一限度时，A晶粒反而变得细小。合金元素的影响：钢种加入适量的形成难熔化合物的元素，如Ti、Zr、V、Al、Nb、Ta等，可强烈阻止A晶粒长大，使A晶粒粗化温度提高。钢种加入不生成化合物的元素，如Si、Ni、Cu等，对A晶粒长大的影响不明显。Mn、P、N等元素溶入A后，削弱-Fe原子结合力，加速Fe原子扩散，促进A晶粒长大。5.奥氏体的晶粒度及影响因素过冷奥氏体的冷却方式等温冷却连续冷却过冷奥氏体在临界温度A1以下处于不稳定状态的奥氏体5.1.2钢的过冷奥氏体转变曲线1）曲线的建立1.过冷奥氏体等温转变曲线5.1.2钢的过冷奥氏体转变曲线A1：表示钢的临界点，即A与P的平衡温度；Ms：马氏体转变开始温度；Mf：马氏体转变终了温度；两条C曲线：左为过冷A转变开始线，右为过冷A转变终了线A1线以上为A稳定区，Ms~Mf之间为M转变区，两条C曲线之间的区域为过冷A转变区，在该区域内过冷A向珠光体或贝氏体转变。C曲线左侧A1和Ms之间为过冷A区，表明过冷A转变需要孕育期。孕育期——在A1温度以下，过冷奥氏体转变开始线与纵坐标之间的水平距离称为过冷奥氏体在该温度下的孕育期，其长短表示过冷奥氏体稳定性的高低。在孕育期最短的温度区域，C曲线左凸，俗称C曲线的鼻子，它是两相间体积自由能差与原子扩散系数综合作用的结果。2）TTT曲线分析1.过冷奥氏体等温转变曲线a．含碳量的影响对于亚共析钢和过共析钢，过冷奥氏体转变开始线前多一条先共析相析出线。亚共析钢过冷奥氏体等温转变曲线中的F-P转变部分随着A中含C量增加逐渐右移；而过共析钢中的Fe3C-P转变部分则随A中含C量的增加而逐渐左移。随着过冷A中碳含量增加，B转变右移，Ms和Mf降低。45T103）影响TTT曲线的因素b．合金元素的影响一般除Co、Al外，所有合金元素溶入A中都使C曲线右移，过冷A稳定性增加，并使Ms点降低。c．奥氏体状态的影响A晶粒越细小，则晶界总面积越大，有利于新相形核和原子扩散，使P转变线左移，但对B转变不大。过冷A晶粒越粗大使Ms点升高，加快M转变。过冷A成分越均匀，稳定性越高，相变孕育期越长。3）影响TTT曲线的因素1）曲线的建立2.过冷奥氏体连续转变曲线5.1.2钢的过冷奥氏体转变曲线2）曲线分析2.过冷奥氏体连续转变曲线PP+MM下临界冷却速度上临界冷却速度共析钢过冷A连续冷却转变曲线最简单，它包括过冷A转变开始、转变终了和转变终止三条线在冷却速度较慢时，只发生P转变，最终得到100%P。在中等冷却速度下，在转变开始线上开始得到P，在终止线后珠光体转变不再进行，剩余A在Ms点以下发生M转变，室温下得到（P+M）组织。Vk——表示过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解，全部冷至Ms以下发生M转变的最小冷却速度，称为上临界冷却速度或临界淬火速度。Vk′——表示过冷A全部得到P的最大冷却速度，称为下临界冷却速度。片状，奥氏体分解珠光体形态珠光体（P）是铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）两相的机械混合物，按组织形态可分为片状珠光体和粒状珠光体两种。粒状，调制处理或者球化退火5.1.3钢的珠光体转变①片状珠光体珠光体——片间距约为450~150nm，形成于A1~650℃范围内，在光学显微镜下可清晰地分辨出铁素体和渗碳体层片状组织。索氏体——片间距约为150~80nm，形成于650~600℃范围内，只有在800倍以上的光学显微镜下观察才能分辨出铁素体和渗碳体层片状组织。屈氏体——片间距约为80~30nm，形成于600~550℃范围内，在光学显微镜下已经很难分辨出铁素体和渗碳体层片状组织。5.1.3钢的珠光体转变珠光体团直径及片间距对共析钢强度的影响片状珠光体性能珠光体团直径及片间距对共析钢塑性的影响共析钢强度和韧性随形成温度的变化关系②颗粒状珠光体颗粒状珠光体是铁素体基体上分布着粒状渗碳体的组织，它在工业用高碳钢中经常遇到。粒状珠光体一般是经球化退火或淬火后经中、高温回火得到。5.1.3钢的珠光体转变颗粒状珠光体的力学性能：1）粒状珠光体的力学性能主要取决于渗碳体颗粒的大小、形态和分布。Fe3C颗粒越细，相界越多，则钢的强度、硬度越高；碳化物越接近于等轴状、分布越均匀，则钢的韧性越好。2）在成分相同的条件下，粒状珠光体比片状珠光体硬度稍低，但塑性较好。3）在硬度相同的情况下，粒状珠光体比片状珠光体具有良好的拉伸性能。5.1.3钢的珠光体转变②颗粒状珠光体1）片状珠光体珠光体转变是扩散型相变，包括形核和晶核长大两个基本过程。铁素体和渗碳体都可作为领先相在奥氏体晶界形核，然后通过扩散过程长大。3.珠光体的形成过程2）颗粒状珠光体对于过冷奥氏体直接分解形成的粒状珠光体，是由于A转变时温度低，A有部分未溶解的渗碳体，在保温过程中这部分渗碳体球化，在随后冷却过程中作为颗粒状珠光体的晶核，渗碳体依附于他们生长，从而形成颗粒状珠光体。3.珠光体的形成过程钢从奥氏体状态快速冷却至MS点以下，扩散分解受到抑制，直接发生马氏体转变。这种转变属于低温转变，转变产物马氏体（M）为碳在-Fe中的过饱和间隙式固溶体，具有很高的强度和硬度。5.1.4钢的马氏体转变1.马氏体转变的条件板条马氏体是低、中碳钢、马氏体时效钢、不锈钢等铁基合金中形成的一种典型马氏体组织。板条马氏体组织由许多成群的、相互平行排列的板条所组成，每个板条为一个单晶，尺寸约为。板条之间一般以小角度晶界相间。相邻的板条之间往往存在厚度约为10~20nm的薄壳状残余奥氏体。许多相互平行的板条组成一个板条束，一个奥氏体晶粒内有几个板条束。板条马氏体的亚结构为高密度位错，所以又称位错马氏体。2.马氏体的组织形态1）板条状马氏体片状马氏体是在中高碳钢及其合金中形成的一种典型的马氏体组织。片状马氏体的空间形态呈双凸透镜状，由于与试样磨面相截，在光学显微镜下呈针状或竹叶状，故又称针状马氏体。片状马氏体的最大尺寸取决于原奥氏体晶粒大小。片状马氏体内部亚结构主要是孪晶，其中脊背就是高密度的微细孪晶区。由于马氏体高速形成时相互撞击，使得片状马氏体中有很多显微裂纹，所以增加了钢的脆性。2.马氏体的组织形态2）片状马氏体2.马氏体的组织形态板条马氏体片状马氏体1）成分：随着钢中含碳量增加，板条马氏体数量降低，片状马氏体数量增加。2）温度：＞200℃时，为板条马氏体；＜200℃时，为片状马氏体。3.影响马氏体形态的因素5.1.4钢的马氏体转变-Fe为体心立方结构，由于碳的过饱和，使c轴伸长，a轴缩短，发生正方畸变，因此马氏体具有体心正方结构。c/a称为正方度，含碳量越大则正方度越大。3.马氏体的晶体结构5.1.4钢的马氏体转变1）马氏体的硬度和强度高硬度和高强度是马氏体的显著特点。马氏体硬度随含碳量增加而升高，但在0.6%C时达到最大值，随后由于残余奥氏体的增加，硬度反而降低。马氏体高硬度、高强度的原因：1.固溶强化。马氏体为碳在-Fe中的过饱和固溶体；2.相变强化。马氏体转变时，在晶体内造成晶格缺陷密度很高的亚结构，如板条马氏体中的高密度位错，片状马氏体中的孪晶，它们阻碍位错运动，造成强化；3.时效强化。马氏体形成以后，由于一般钢的Ms点都在室温以上，因此淬火过程中及在室温停留时，或在外力作用下，都会发生自发回火，即碳原子和合金元素原子向位错及其他晶体缺陷处扩散偏聚，或碳化物弥散析出，钉扎位错，造成强化。4.晶界强化。原奥氏体晶粒大小及板条马氏体束大小的影响。2）马氏体的塑性和韧性片状马氏体具有高强度、高硬度，但韧性很差，是硬脆相；板条马氏体除具有高强度、高硬度外，还具有相当的塑性和韧性。5.马氏体的性能5.1.4钢的马氏体转变1）马氏体转变条件过冷奥氏体的冷却速度必须大于上临界冷却速度Vk;奥氏体必须深度过冷（温度低于Ms点）;2）马氏体转变为无扩散型相变马氏体转变过程中Fe的晶格由面心立方向体心立方变化是通过切变方式完成的，转变速度极快，切变过程中M与A保持共格3）马氏体转变为降温转变马氏体转变是在温度范围内进行，转变量需要通过不断地降温来增加。因为多数钢的点在室温以下，因此，钢快冷到室温时仍有部分未转变的奥氏体称为残余奥氏体记为Ar。6.马氏体转变的特点5.1.4钢的马氏体转变贝氏体转变是介于珠光体和马氏体转变之间的一种转变，又称中温转变。其转变特点具有珠光体转变和马氏体转变的某些共同特征，如相形成的无扩散性及碳化物析出的扩散性。转变产物为贝氏体（B）是含碳过饱和的铁素体和碳化物的机械混合