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1、第2篇 熱處理原理及工藝第7章 鋼的熱處理教學(xué)目標(biāo)：搞清奧氏體、珠光體、貝氏體、馬氏體等基本概念； 掌握共析分解、馬氏體相變、貝氏體相變基本知識(shí); 掌握相變產(chǎn)物的形貌和物理本質(zhì)。 第8章 金屬固態(tài)相變?cè)?#167;8 鋼的熱處理一、熱處理的作用機(jī)床、汽車(chē)、摩托車(chē)、火車(chē)、礦山、石油、化工、航空、航天等各行各業(yè)用的大量零部件需要通過(guò)熱處理工藝改善其性能。拒初步統(tǒng)計(jì)，在機(jī)床制造中，約60%70%的零件要經(jīng)過(guò)熱處理；在汽車(chē)、拖拉機(jī)制造中，需要熱處理的零件多達(dá)70%80%，而工模具及滾動(dòng)軸承，則要100%進(jìn)行熱處理。總之，凡重要的零件都必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚聿拍芡度胧褂谩崽幚淼亩x：將固態(tài)金屬或合金在

2、一定介質(zhì)中加熱、保溫和冷卻，以改變材料整體或表面組織，從而獲得所需組織和性能的工藝過(guò)程。熱處理三大要素：加熱、保溫和冷卻通過(guò)以上三個(gè)環(huán)節(jié)，材料的內(nèi)部組織發(fā)生了變化，因而性能也發(fā)生變化。例如：碳素工具鋼T8在市場(chǎng)購(gòu)回的是球化退火的材料其硬度僅為20HRC，作為工具需經(jīng)淬火并低溫回火使硬度提高到6063HRC，這是因?yàn)閮?nèi)部組織由淬火之前的粒狀珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊?低溫回火的回火馬氏體。同一種材料，熱處理工藝不一樣其性能差別很大，導(dǎo)致性能差別如此大的原因是不同的熱處理后內(nèi)部組織截然不同。表 8-1 45號(hào)鋼經(jīng)不同熱處理后的性能(試樣直徑15mm)熱處理工藝的選擇要根據(jù)材料的成分來(lái)確定。材料內(nèi)部組織的變化

3、依賴(lài)于材料熱處理和其他熱加工工藝，材料性能的變化又取決于材料的內(nèi)部組織變化。所以，材料成分加工工藝組織結(jié)構(gòu)材料性能這四者相互依成的關(guān)系貫穿在材料制備的全過(guò)程之中。我們的任務(wù)就是要了解和掌握其中的規(guī)律性。二、熱處理的基本要素如上所述，熱處理工藝中有三大基本要素：加熱、保溫、冷卻。這三大基本要素決定了材料熱處理后的組織和性能。1、加熱按加熱溫度的高低，加熱分為兩種：一種是在臨界點(diǎn)A1以下加熱，此時(shí)一般不發(fā)生相變；另一種是在A1以上加熱，目的是為了獲得均勻的奧氏體組織，這一過(guò)程稱(chēng)為奧氏體化。2、保溫保溫是熱處理的中間工序，其目的是既要保證工件“燒透”，又要防止工件脫碳、氧化等。 保溫時(shí)間和介質(zhì)的選擇

4、與工件的尺寸和材質(zhì)有直接的關(guān)系。一般工件越大，導(dǎo)熱性越差，保溫時(shí)間就越長(zhǎng)。3、冷卻冷卻是熱處理的最終工序，也是熱處理過(guò)程中最重要的工序。鋼在不同冷卻速度下可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織形態(tài)。圖 8-1 熱處理工藝曲線示意圖三、熱處理的分類(lèi)1、根據(jù)加熱、冷卻方式的不同及組織、性能變化特點(diǎn)的不同，熱處理可分為下列幾類(lèi)：普通熱處理：退火、正火、淬火和回火。即所謂熱處理的“四把火”。表面熱處理：感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火、激光表面淬火和涂覆、滲碳、氮化和碳氮共滲等。其它熱處理：可控氣氛熱處理、真空熱處理和形變熱處理等。 2、按照熱處理在零件生產(chǎn)過(guò)程中的工序和作用不同, 熱處理工藝還可

5、分為：預(yù)備熱處理：零件加工過(guò)程中的一道中間工序(也稱(chēng)為中間熱處理)，其目的是改善鍛、鑄毛坯件組織、消除應(yīng)力,為后續(xù)的機(jī)加工或進(jìn)一步的熱處理作組織上的準(zhǔn)備。最終熱處理：零件加工的最終工序。其目的是使經(jīng)過(guò)成型工藝達(dá)到形狀和尺寸要求的零件，通過(guò)熱處理使零件具備最終的使用性能。是預(yù)備還是最終熱處理在材料的生產(chǎn)過(guò)程中是相對(duì)的。四、鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度根據(jù)鐵碳相圖，共析鋼緩慢加熱到超過(guò)A1溫度時(shí)，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；亞共析鋼和過(guò)共析鋼必須加熱到A3 和Acm以上才能獲得單相奧氏體。在實(shí)際熱處理加熱條件下，加熱速度不可能是緩慢的,因此,相變是在不平衡條件下進(jìn)行的；其次，再考慮到過(guò)冷或過(guò)熱現(xiàn)象的存在，相變點(diǎn)與相圖中

6、的相變溫度有一些差異。具體如下：加熱時(shí)相變溫度偏向高溫，冷卻時(shí)偏向低溫，這種現(xiàn)象稱(chēng)為滯后 ( 熱滯或冷滯 )。在熱處理工藝實(shí)施過(guò)程中，加熱或冷卻速度越快，則滯后現(xiàn)象越嚴(yán)重。通常把加熱時(shí)的實(shí)際臨界溫度標(biāo)以右下標(biāo)字母 “c”表示，如 Ac1、Ac3、Accm ；而把冷卻時(shí)的實(shí)際臨界溫度標(biāo)以右下標(biāo)字母 “r” 表示，如 Ar1、Ar3、Arcm 等。圖 8-2 加熱和冷卻速度對(duì)鋼的臨界溫度的影響臨界溫度： 平衡時(shí)：A1、 A3、Acm加熱時(shí)：Ac1、 Ac3、Accm 冷卻時(shí)：Ar1、Ar3、Arcm§8.1 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變一般而言，鋼的熱處理多數(shù)需要先加熱得到奧氏體(奧氏體化、A化)，

7、然后以不同速度冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織，使鋼具有不同性能。加熱時(shí)形成的奧氏體的質(zhì)量(成分均勻性及晶粒大小等)，對(duì)冷卻轉(zhuǎn)變后的組織、性能有極大的影響(組織遺傳)。因此，掌握熱處理規(guī)律，首先要研究鋼在加熱時(shí)的變化即奧氏體化過(guò)程。§8.1.1 奧氏體的形成過(guò)程一、共析鋼奧氏體的形成共析碳鋼加熱前為珠光體組織，一般為鐵素體與滲碳體交替排列的層片狀組織，加熱過(guò)程中珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體過(guò)程可分為四步進(jìn)行：奧氏體形核、晶核的長(zhǎng)大、未溶碳化物 (Fe3C) 溶解、奧氏體成分均勻化。奧氏體晶核的形成由Fe-Fe3C相圖知，在 P 轉(zhuǎn)變?yōu)?A 過(guò)程中，原 F 的bcc晶格改組為 A 的fcc晶格，原

8、滲碳體的復(fù)雜斜方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)閒cc晶格。所以,奧氏體的形成過(guò)程就是晶格的改組和Fe、C原子的擴(kuò)散過(guò)程。常將這一過(guò)程和奧氏體冷卻過(guò)程的轉(zhuǎn)變稱(chēng)為“相變重結(jié)晶”。基于能量與成分條件，奧氏體晶核在珠光體中的鐵素體與滲碳體兩相交界處產(chǎn)生，兩相交界面越多，奧氏體晶核越多。奧氏體晶核的長(zhǎng)大奧氏體晶核形成后，它的一側(cè)與滲碳體相接，另一側(cè)與鐵素體相接。隨著鐵素體的轉(zhuǎn)變（鐵素體區(qū)域的縮小），以及滲碳體的溶解（滲碳體區(qū)域縮小），奧氏體不斷向其兩側(cè)的原鐵素體區(qū)域及滲碳體區(qū)域擴(kuò)展長(zhǎng)大，直至鐵素體和滲碳體完全消失，奧氏體彼此相遇，形成一個(gè)個(gè)的奧氏體晶粒。奧氏體形成時(shí)碳濃度分布情況圖 8-3 奧氏體形成時(shí)碳濃度分布示意圖剩余

9、滲碳體的溶解由于鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體速度遠(yuǎn)高于滲碳體的溶解速度，在鐵素體完全轉(zhuǎn)變之后尚有不少未溶解的“剩余滲碳體”存在，還需一定時(shí)間保溫，讓滲碳體全部溶解并轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。奧氏體成分的均勻化即使?jié)B碳體全部溶解，奧氏體內(nèi)的成分仍不均勻,在原鐵素體區(qū)域形成的奧氏體含碳量偏低，在原滲碳體區(qū)域形成的奧氏體含碳量偏高，還需保溫足夠時(shí)間，讓碳原子充分?jǐn)U散，奧氏體成分才可能趨于均勻。下圖表示共析鋼奧氏體形成的四個(gè)基本階段：奧氏體晶核的形成；奧氏體晶核的長(zhǎng)大；剩余滲碳體的溶解；奧氏體成分的均勻化。 圖 8-4 奧氏體形成的四個(gè)基本階段上述分析表明，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體并使奧氏體成分均勻必須有兩個(gè)充要條件：一是溫度條

10、件，要在Ac1以上加熱；二是時(shí)間條件，要求在Ac1以上溫度保持足夠時(shí)間。在一定加熱速度條件下，超過(guò)Ac1的溫度越高，奧氏體的形成與成分均勻化需要的時(shí)間愈短；在一定的溫度（高于Ac1）條件下，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，奧氏體成分越均勻。二、非共析鋼奧氏體的形成亞共析鋼與過(guò)共析鋼加熱轉(zhuǎn)變?yōu)锳過(guò)程與共析鋼轉(zhuǎn)變過(guò)程是一樣的，即在Ac1溫度以上加熱無(wú)論亞共析鋼或是過(guò)共析鋼中的P均要轉(zhuǎn)變?yōu)锳。不同的是亞共析鋼的先析出F的轉(zhuǎn)變與過(guò)共析鋼的 Fe3C 的溶解。先析出F的完全轉(zhuǎn)變要在Ac3以上，F(xiàn)e3C的完全溶解要在溫度Accm以上。即亞共析鋼加熱后組織全為奧氏體需在Ac3以上、過(guò)共析鋼要在Accm以上,即表象點(diǎn)必須處在A

11、的單相區(qū)。 圖 8-5 非共析鋼奧氏體的形成§8.1.1 奧氏體的形成過(guò)程如果亞共析鋼僅在Ac1Ac3溫度之間加熱，無(wú)論加熱時(shí)間多長(zhǎng)，組織中仍為鐵素體與奧氏體共存；對(duì)過(guò)共析鋼在Ac1Accm溫度之間加熱，組織中應(yīng)為二次滲碳體與奧氏體共存；在這種情況下，經(jīng)加熱保溫在隨后冷卻過(guò)程中，組織轉(zhuǎn)變也僅是奧氏體向其它組織的轉(zhuǎn)變，其中的鐵素體或二次滲碳體在冷卻過(guò)程中不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變?？偨Y(jié)奧氏體化過(guò)程：即 Fe、C 原子擴(kuò)散和晶格改組的過(guò)程-共析鋼：加熱到Ac1 以上時(shí)，PA。共析鋼A化過(guò)程：形核、長(zhǎng)大、Fe3C完全溶解、C的均勻。亞(過(guò))析鋼的A化：PA后,先共析F或Fe3C溶解。圖 8-6 共析鋼的

12、奧氏體形成過(guò)程示意圖§8.1.2 影響奧氏體轉(zhuǎn)變速度的因素奧氏體的形成是通過(guò)形核與長(zhǎng)大過(guò)程進(jìn)行的，整個(gè)過(guò)程受原子擴(kuò)散所控制，因此，凡是影響擴(kuò)散、形核與長(zhǎng)大的一切因素，都會(huì)影響奧氏體的轉(zhuǎn)變速度。一、加熱溫度和保溫時(shí)間 A形成過(guò)程中孕育期的概念： 由于形成奧氏體需要原子的擴(kuò)散，而擴(kuò)散需要一定的時(shí)間，故P在保溫一段時(shí)間后才開(kāi)始形成A晶核，這段時(shí)間稱(chēng)為“孕育期”。加熱溫度越高，原子擴(kuò)散速度越大，奧氏體化越快；保溫時(shí)間越長(zhǎng)，奧氏體化所需加熱溫度相對(duì)可以降低。詳見(jiàn)下圖圖 8-7 共析鋼的奧氏體化曲線(原始狀態(tài)：875退火)二、加熱速度圖 8-8 加熱速度對(duì)奧氏體轉(zhuǎn)變的影響(示意圖)熱速度V 越大

13、,則孕育期越短,A化開(kāi)始和終了溫度越高,所需時(shí)間越短；加熱速度V越小，則孕育期越長(zhǎng)，A化開(kāi)始和終了溫度越低，所需時(shí)間越長(zhǎng)。三、原始組織原始組織中Fe3C為片狀時(shí)，F(xiàn)e3C片間距越小,相界面積越大,奧氏體形核速度越大此時(shí)奧氏體中的C濃度梯度也越大，擴(kuò)散距離短，奧氏體長(zhǎng)大速度越快。圖 8-9 滲碳體片間距d0對(duì)長(zhǎng)大速度的影響四、鋼的碳含量 C%界面多核心多轉(zhuǎn)變快。五、合金元素Co、Ni、Cu：增加C擴(kuò)散速度，加快A化過(guò)程；Cr、Mo、V、Ti等：與C親和力大，形成難溶化合物， 顯著降低C擴(kuò)散速度，減慢奧氏體化過(guò)程；Si、Al、Mn 等：不影響奧氏體化過(guò)程。由于合金元素的擴(kuò)散速度比碳慢得多，所以一般

14、合金鋼的熱處理加熱溫度一般較高，保溫時(shí)間更長(zhǎng)。§8.1.3 奧氏體的晶粒度及其影響因素晶粒度：表征晶體內(nèi)晶粒大小的量度，通常用長(zhǎng)度，面積，體積或晶粒度級(jí)別表示。一般根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級(jí)圖確定鋼的奧氏體晶粒大小。標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級(jí)分為8級(jí)： 1 4級(jí)為粗晶粒度，5 8級(jí)為細(xì)晶粒度，超過(guò)8級(jí)的為超細(xì)晶粒小于1級(jí)的為超粗晶粒。圖 8-10 標(biāo)準(zhǔn)晶粒等級(jí)(放大100倍)奧氏體晶粒度N與晶粒數(shù)量n的關(guān)系：式中：n放大100倍時(shí)，每平方英寸(6.45cm2)視場(chǎng)中觀察 到的平均晶粒數(shù)。每mm2面積平均晶粒數(shù)： 一、奧氏體的晶粒度 鋼在加熱后形成的奧氏體組織，特別是奧氏體晶粒大小對(duì)冷卻轉(zhuǎn)變后鋼的組織和性

15、能有重要影響。一般來(lái)說(shuō)，奧氏體晶粒越細(xì)，鋼熱處理后的強(qiáng)度越高，塑性越好，沖擊韌性越高。 衡量A晶粒大小有三種晶粒度：起始晶粒度；本質(zhì)晶粒度；實(shí)際晶粒度。起始晶粒度 起始晶粒度定義：鋼在臨界溫度以上A形成剛結(jié)束，其晶粒邊界剛剛相互接觸時(shí)的晶粒大小。 起始晶粒度與形核率N和長(zhǎng)大速度G有關(guān)。增大N,降低G，可細(xì)化A起始晶粒；反之,粗化起始晶粒。 例如：增大加熱速度，則A轉(zhuǎn)變溫度升高，形核率增加，A起始晶粒細(xì)化。本質(zhì)晶粒度 本質(zhì)晶粒度定義：表征鋼在加熱時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向。一般采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法 (YB27-64)測(cè)定：即鋼加熱到930±10、保溫8小時(shí)、冷卻后測(cè)得的晶粒度叫本質(zhì)晶粒度。如果

16、測(cè)得的晶粒細(xì)小，則該鋼稱(chēng)為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。這種鋼的奧氏體晶粒隨溫度升高到某一溫度時(shí)，才迅速長(zhǎng)大。如果測(cè)得的晶粒粗大，則該鋼稱(chēng)為本質(zhì)粗晶粒鋼。這種鋼的奧氏體晶粒隨溫度的升高而且迅速長(zhǎng)大。圖 8-11本質(zhì)細(xì)晶粒和本質(zhì)粗晶粒示意圖 實(shí)際晶粒度 實(shí)際晶粒度定義：某一具體熱處理或熱加工條件下的奧氏體的晶粒度叫實(shí)際晶粒度，它決定鋼冷卻后的組織和性能。 實(shí)際晶粒度尺寸一般大于起始晶粒尺寸，取決于加熱溫度和保溫時(shí)間。二、影響奧氏體晶粒度的因素 奧氏體晶粒長(zhǎng)大，實(shí)質(zhì)為晶界遷移，而晶界遷移的實(shí)質(zhì)就是原子在晶界附件的擴(kuò)散過(guò)程，故凡影響晶界原子遷移的因素均影響奧氏體晶粒的長(zhǎng)大。1 加熱溫度和保溫時(shí)間 隨加熱溫度升高，原

17、子遷移能力增加，晶粒將逐漸長(zhǎng)大。溫度越高，或在一定溫度下保溫時(shí)間越長(zhǎng)，奧氏體晶粒越粗大。加熱速度 加熱速度越大，過(guò)熱度越大，A形成的實(shí)際溫度越高，形核率較大，A起始晶粒度越細(xì)小。但是，當(dāng)加熱溫度高到一定程度，保溫時(shí)A晶粒長(zhǎng)大速度過(guò)快，反而易獲得粗晶粒組織。因此，快速加熱時(shí)，保溫時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，否則晶粒反而更加粗大。 生產(chǎn)上采用“短時(shí)快速加熱工藝”來(lái)獲得超細(xì)化的晶粒。2 鋼的化學(xué)成分碳含量：在一定 C 含量范圍內(nèi)，隨著 A 中C含量的增加，由于C在A中的擴(kuò)散速度及Fe的自擴(kuò)散速度增加，晶粒的長(zhǎng)大傾向增加；當(dāng) C 含量超過(guò)一定量后，C 能以未溶碳化物的形式存在，A晶粒長(zhǎng)大受第二相的阻礙作用，反而使A

18、晶粒長(zhǎng)大傾向減小。合金元素：Ti 、V 、Nb 、Al 、Zr(鋯)等元素，與C形成碳化物、氧化物和氮化物彌散分布在晶界上，能阻礙晶粒長(zhǎng)大，有利于得到本質(zhì)細(xì)晶粒鋼；Mn 和 P，促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大，含有這類(lèi)元素的鋼一般為本質(zhì)粗晶粒鋼。§8.2 鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變 研究奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變常用等溫轉(zhuǎn)變曲線：即TTT曲線（過(guò)冷奧氏體在一定溫度下隨時(shí)間變化，組織轉(zhuǎn)變情況）連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線：即CCT 曲線（過(guò)冷奧氏體依冷卻速度變化，組織轉(zhuǎn)變情況）。 TTT 曲線是選擇熱處理冷卻制度的參考；CCT 曲線更確切反映熱處理冷卻狀況，作為選擇熱處理冷卻制度的依據(jù)。 圖 8-12 熱處理工藝曲線示意圖§8

19、.2.1 過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 當(dāng)溫度在A1以上時(shí)，奧氏體是穩(wěn)定的，不發(fā)生轉(zhuǎn)變。當(dāng)溫度降到A1以下后，奧氏體即處于過(guò)冷狀態(tài)，這種奧氏體叫過(guò)冷奧氏體（過(guò)冷A）。 過(guò)冷A是不穩(wěn)定的，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌慕M織。 鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變，實(shí)質(zhì)上是過(guò)冷A的轉(zhuǎn)變，而過(guò)冷A的轉(zhuǎn)變也是一個(gè)點(diǎn)陣重構(gòu)過(guò)程，屬于相變重結(jié)晶。一、共析鋼過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變圖 8-13 共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線等溫轉(zhuǎn)變曲線 ( TTT 曲線或 C 曲線 )過(guò)冷A的等溫轉(zhuǎn)變：過(guò)冷A: T A1 時(shí)，A不穩(wěn)定。A等溫轉(zhuǎn)變曲線(TTT或C曲線)高溫轉(zhuǎn)變：A1550 過(guò)冷AP型組織中溫轉(zhuǎn)變：550MS 過(guò)冷A貝氏體(B)低溫轉(zhuǎn)變：MSMf圖 8-14

20、 共析鋼的C曲線 過(guò)冷A馬氏體(M)等溫轉(zhuǎn)變曲線：過(guò)冷A等溫轉(zhuǎn)變過(guò)程和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物與溫度和時(shí)間的關(guān)系曲線，可以通過(guò)體積膨脹法、磁性法和金相法測(cè)定。孕育期：過(guò)冷A從過(guò)冷到轉(zhuǎn)變開(kāi)始這段時(shí)間，其長(zhǎng)短反應(yīng)了過(guò)冷A的穩(wěn)定性大小。C曲線中，鼻尖處(550)的孕育期最短，處于該溫度的過(guò)冷A穩(wěn)定性最小，孕育期最短。等溫轉(zhuǎn)變包含兩個(gè)區(qū)：分別是高溫轉(zhuǎn)變區(qū)（A1550的珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)）和中溫轉(zhuǎn)變區(qū)（ 550MS的貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)）。MS 溫度以下的低溫區(qū)為馬氏體轉(zhuǎn)變，不屬于等溫轉(zhuǎn)變。 高溫轉(zhuǎn)變 ( P轉(zhuǎn)變 )轉(zhuǎn)變溫度：A1550轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：珠光體型組織 ，是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，滲碳體呈層片狀分布在鐵素體基體上，轉(zhuǎn)變溫度

21、越低，層間距越小。按層間距大小，珠光體型組織分為：珠光體（P）-層間距較大，索氏體（S）-層間距居中，屈氏體（T）-層間距最小它們都是珠光體類(lèi)型的組織，只是層間距不同而已，P型組織F+層片狀Fe3C，見(jiàn)下圖- 珠光體P，3800X 索氏體S，8000X 圖8-15屈氏體T，8000X表 8-2 過(guò)冷A高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形成溫度和性能實(shí)際上，這三種組織都是珠光體，其差別只是珠光體組織的“片間距”大小，形成溫度越低，片間距越小。這個(gè)“片間距”越小，組織的硬度越高。屈氏體的硬度高于索氏體，遠(yuǎn)高于粗珠光體。奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的過(guò)程也是形核和長(zhǎng)大的過(guò)程當(dāng)奧氏體過(guò)冷到A1以下時(shí),首先在奧氏體晶界上產(chǎn)生滲碳體晶

22、核,通過(guò)原子擴(kuò)散，滲碳體依靠其周?chē)鷬W氏體不斷地供應(yīng)碳原子而長(zhǎng)大。同時(shí)，由于滲碳體周?chē)鷬W氏體含碳量不斷降低，從而為鐵素體形核創(chuàng)造了條件，使這部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。由于鐵素體溶碳能力低 (0.0218%C)，所以又將過(guò)剩的碳排擠到相鄰的奧氏體中，使相鄰?qiáng)W氏體含碳量增高，這又為產(chǎn)生新的滲碳體創(chuàng)造了條件。如此反復(fù)進(jìn)行，奧氏體最終全部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和滲碳體片層相間的珠光體組織。圖 8-16 珠光體轉(zhuǎn)變過(guò)程示意圖轉(zhuǎn)變機(jī)制：奧氏體(fcc)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w (F為bcc，F(xiàn)e3C為復(fù)雜斜方)的過(guò)程是形核和長(zhǎng)大的過(guò)程，期間伴隨著晶格的改組和 Fe、C 的擴(kuò)散，屬于擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變組織的性能：由于P的塑性主要來(lái)自F

23、，而Fe3C阻止滑移的進(jìn)行，故P的片間距越小，則強(qiáng)度、硬度和韌性提高。與細(xì)晶強(qiáng)化的原理類(lèi)似。中溫轉(zhuǎn)變(B轉(zhuǎn)變）: C原子擴(kuò)散， Fe原子不擴(kuò)散轉(zhuǎn)變溫度： 550Ms(240)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：貝氏體(B)，滲碳體分布在碳過(guò)飽和的鐵素體基體上的兩相混合物 。上貝氏體(B上)：550 350，呈羽毛狀，小片狀的滲碳體分布在成排的鐵素體片之間。強(qiáng)度低、韌性差，機(jī)械性能較差。下貝氏體(B下)：350 Ms：在光學(xué)顯微鏡下為黑色針狀，在電子顯微鏡下可看到在鐵素體針內(nèi)沿一定方向分布著細(xì)小的碳化物( Fe2.4C )顆粒。韌性高，綜合機(jī)械性能好。 45鋼， 上B+下B，X400 光學(xué)顯微照片1300X 電子顯微照片

24、5000X圖 8-17 上貝氏體顯微照片T8鋼，下B，黑色針狀光學(xué)顯微照片400X F針內(nèi)定向分布著細(xì)小Fe2.4C顆粒電子顯微照片 12000×圖 8-18 下貝氏體顯微照片 上貝氏體光學(xué)顯微照片 500X 上貝氏體電子顯微照片 5000X 下貝氏體光學(xué)顯微照片 500X 下貝氏體電子顯微照片 12000X圖 8-19 上下貝氏體顯微照片兩種貝氏體性能比較B上：鐵素體片較寬，強(qiáng)度較低；同時(shí)滲碳體分布在鐵素體片之間，容易引起脆斷，因此強(qiáng)度和韌性都較差。B下：鐵素體針細(xì)小，無(wú)方向性，碳的過(guò)飽和度大，位錯(cuò)密度高，且碳化物均勻分布在鐵素體之上、彌散度大。所以硬度高，韌性好，具有較好的綜合機(jī)

25、械性能。 轉(zhuǎn)變過(guò)程： 在中溫區(qū)發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，由于溫度較低，鐵原子擴(kuò)散困難，只能以共格切變的方式來(lái)完成原子的遷移，而碳原子尙有一定的擴(kuò)散能力，可以通過(guò)短程擴(kuò)散來(lái)完成原子遷移。 所以貝氏體轉(zhuǎn)變屬于半擴(kuò)散型相變。在貝氏體轉(zhuǎn)變中，存在著兩個(gè)過(guò)程，一是鐵原子的共格切變,二是碳原子的短程擴(kuò)散。 按照轉(zhuǎn)變溫度的不同，上、下貝氏體的形成過(guò)程也有差異-當(dāng)溫度較高 ( 550350 ) 時(shí)： 條狀或片狀鐵素體從奧氏體晶界開(kāi)始向晶內(nèi)以同樣方向平行生長(zhǎng)。隨著鐵素體的伸長(zhǎng)和變寬，其中的碳原子向條間的奧氏體中富集，最后在鐵素體條之間析出滲碳體短棒，奧氏體消失，形成上貝氏體。當(dāng)溫度較低 ( 350Ms ) 時(shí)： 碳原子

26、擴(kuò)散能力低,鐵素體在奧氏體的晶界或晶內(nèi)的某些晶面上長(zhǎng)成針狀。盡管最初形成的鐵素體固溶碳原子較多,但碳原子不能長(zhǎng)程遷移，因而不能逾越鐵素體片的范圍，只能在鐵素體內(nèi)一定的晶面上以斷續(xù)碳化物小片的形式析出，從而形成下貝氏體。低溫轉(zhuǎn)變（M轉(zhuǎn)變） 溫度低于Ms點(diǎn)時(shí)，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，是一個(gè)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過(guò)程，后續(xù)專(zhuān)門(mén)討論。二、亞共析鋼過(guò)冷A的等溫轉(zhuǎn)變 從上圖可以清晰的發(fā)現(xiàn)，亞共析鋼的過(guò)冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線與共析鋼C曲線不同的是，在其上方多了一條過(guò)冷A轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體（F）的轉(zhuǎn)變開(kāi)始線。圖 8-20 亞共析鋼過(guò)冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線 可見(jiàn)亞共析鋼的過(guò)冷A等溫轉(zhuǎn)變過(guò)程與共析鋼類(lèi)似。只是在高溫轉(zhuǎn)變區(qū)過(guò)冷A將先有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)镕，

27、剩余的過(guò)冷A再轉(zhuǎn)變?yōu)镻型組織。 亞共析鋼隨著含碳量的減少，C曲線位置往左移，同時(shí)Ms、Mf線住上移。三、過(guò)共析鋼過(guò)冷A的等溫轉(zhuǎn)變 共析鋼過(guò)冷A的C曲線的上部為過(guò)冷A中析出二次滲碳體 (Fe3CII) 開(kāi)始線。 所以，過(guò)共析鋼的過(guò)冷A在高溫轉(zhuǎn)變區(qū)，將先析出Fe3CII，其余的過(guò)冷A再轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織。圖 8-21 過(guò)共析鋼過(guò)冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線 過(guò)共析鋼隨著含碳量的增加，C曲線位置向左移，同時(shí)Ms、Mf 線往下移。 可見(jiàn)，亞共析鋼隨含碳量的增加C曲線位置向右移，到達(dá)共析鋼的含碳量C曲線位置最靠右；含碳量再升高（即過(guò)共析鋼）隨著含碳量的增加C曲線位置又向左移。共析鋼相對(duì)是最穩(wěn)定的。 亞(過(guò))共析鋼過(guò)

28、冷A的等溫轉(zhuǎn)變與共析鋼相比，C曲線左移，多一條過(guò)冷AF或(Fe3C)的轉(zhuǎn)變開(kāi)始線，且 Ms、Mf 線上(下)移。 圖 8-22 等溫轉(zhuǎn)變曲線比較§8.2.2 過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 實(shí)際生產(chǎn)中較多情況下是連續(xù)冷卻，例如鋼正火、退火、淬火等熱處理等都是從高溫到低溫連續(xù)冷卻。連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變定義：在一定冷卻速度下，過(guò)冷奧氏體在一個(gè)溫度范圍內(nèi)所發(fā)生的轉(zhuǎn)變。一、共析鋼過(guò)冷A的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(1) 連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線 ( CCT曲線 ) 圖 8-23 共析鋼過(guò)冷A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線 上圖中：Ps過(guò)冷A轉(zhuǎn)變?yōu)?P 型組織開(kāi)始線；Pf過(guò)冷A轉(zhuǎn)變?yōu)?P 型組織終了線；KK過(guò)冷A轉(zhuǎn)變終止線；Vk上臨界冷卻速度

29、，共析鋼以大于該速度冷卻時(shí)，由于遇不到 P 轉(zhuǎn)變線，將繼續(xù)冷卻到Ms溫度以下發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變得到馬氏體組織。Vk下臨界冷卻速度，共析鋼以小于該速度冷卻時(shí),得到全部 P 型組織。CCT 曲線與TTT 曲線的差異：共析鋼過(guò)冷A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線中沒(méi)有奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w的部分，在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時(shí)得不到貝氏體組織與共析鋼的TTT 曲線相比，共析鋼的CCT 曲線稍靠右下移一點(diǎn)，表明連續(xù)冷卻時(shí)，過(guò)冷度更大，奧氏體完成珠光體轉(zhuǎn)變的溫度較低，時(shí)間更長(zhǎng)。CCT 曲線較難測(cè)定，一般借用過(guò)冷A的TTT 曲線來(lái)分析連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的過(guò)程和產(chǎn)物，但要注意二者之間的差異。見(jiàn)下圖-圖 8-24 CCT曲線與TTT曲線比較(2) 轉(zhuǎn)變

30、過(guò)程及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物溫度/a) 緩慢冷卻（V1爐冷）：過(guò)冷AP，轉(zhuǎn)變溫度較高， P 呈粗片狀，硬度 170220HBb) 稍快冷卻（V2空冷）：過(guò)冷AS，P 呈細(xì)片狀，硬度25HRC35HRC圖 8-25 連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過(guò)程及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物c) V3(油冷)：過(guò)冷A TMA，硬度4555HRC，包括下面3種類(lèi)型的轉(zhuǎn)變：過(guò)冷AT（KK線以上）過(guò)冷AM（MsMf：馬氏體轉(zhuǎn)變）過(guò)冷AA（殘余奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變后少量沒(méi)有轉(zhuǎn)變而保留到室溫的過(guò)冷奧氏體）d) V4冷卻（水冷）：過(guò)冷A M A(3) 馬氏體轉(zhuǎn)變馬氏體 ( M )：碳在-Fe 中的過(guò)飽和間隙固溶體。具有很大的晶格畸變，強(qiáng)度很高。圖 8-26馬氏體轉(zhuǎn)變：鋼從

31、A狀態(tài)快速冷卻，在較低溫度(MsMf)下發(fā)生的無(wú)擴(kuò)散型相變。(廣義上講，凡是相變基本特征屬于M型的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物都稱(chēng)為M，該過(guò)程稱(chēng)為M轉(zhuǎn)變。)馬氏體轉(zhuǎn)變是強(qiáng)化金屬的主要途徑之一，大多數(shù)工件零件都需要淬火和回火獲得最終的使用性能。鋼、許多有色金屬和合金以及陶瓷材料等均有馬氏體轉(zhuǎn)變。(4) 馬氏體轉(zhuǎn)變的特征非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變： M轉(zhuǎn)變時(shí)，過(guò)冷度很大，溫度很低，C、Fe原子的活動(dòng)能力基本喪失。由fcc到bcc點(diǎn)陣的重構(gòu)是由Fe原子沿A的一定晶面，集體的、有規(guī)律的、近程的遷動(dòng)所完成的。原來(lái)在母相相鄰的兩個(gè)原子轉(zhuǎn)變后仍然相鄰，他們之間的相對(duì)位移不超過(guò)一個(gè)原子間距。C原子原地不動(dòng)，過(guò)飽和地留在新組成的晶胞中，將c軸拉

32、長(zhǎng)。所以馬氏體的體心結(jié)構(gòu)偏離立方而接近四方。 圖 8-27 M晶胞與母相A的關(guān)系 M的晶格示意圖形成速度很快 ： A冷卻到Ms點(diǎn)以下后，無(wú)孕育期，瞬時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。隨著溫度下降，過(guò)冷A不斷轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，如停止冷卻，轉(zhuǎn)變也終止，它是一個(gè)連續(xù)冷卻的轉(zhuǎn)變過(guò)程。如:在-20-195之間，每片M形成的時(shí)間約為5×10-5 5×10-7S，故難以觀察到 M 形成的過(guò)程。轉(zhuǎn)變不徹底，總留有殘余A：(A殘、A) 殘余奧氏體的含量與Ms、Mf 的位置有關(guān)。奧氏體中的碳含量越高，則Ms、Mf 越低，殘余A含量越高。 W(C)0.6%時(shí)，殘余A可忽略； W(C)0.6%時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中要標(biāo)出殘余A

33、。 圖 8-28 Ms 和 Mf 溫度與鋼含碳量的關(guān)系 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)殘余A的影響體積膨脹： 過(guò)冷AM時(shí)，晶格由fcc改組為bcc，fcc的致密度大于bcc，所以AM體積發(fā)生膨脹，在鋼中造成很大的內(nèi)應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致開(kāi)裂?；瘜W(xué)成分不變： 過(guò)冷AM時(shí)，只發(fā)生點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的變化，母相A與新相M具有完全相同的化學(xué)成分。碳的過(guò)飽和度很大。切變共格性：新舊相之間共一個(gè)切變平面。新舊相之間具有一定的位向關(guān)系： W(C) 1.4% 時(shí)，滿(mǎn)足 KS 關(guān)系； W(C) 1.4% 時(shí)，滿(mǎn)足西山關(guān)系。M轉(zhuǎn)變?cè)谝粋€(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行： 一般的工業(yè)用鋼及合金鋼，M 轉(zhuǎn)變是連續(xù)冷卻( 即變溫 )過(guò)程中進(jìn)行的，到 Ms 以下才能發(fā)生 M 轉(zhuǎn)變，一直到 Mf 轉(zhuǎn)變停止，故M轉(zhuǎn)變是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)變。具有可逆性： 在某些鐵合金和有色金屬中，冷卻時(shí)，過(guò)冷A M，加熱時(shí)，M A； 而對(duì)于一般碳鋼，在臨界溫度A1以下加熱時(shí)，不發(fā)生 MA，而是 M 分解為鐵素體和碳化物。思考題：如圖所示為共析鋼C曲線圖，說(shuō)出圖中各冷卻 曲線對(duì)應(yīng)的熱處理方法及其最終組織。圖 8-29(5) 馬氏體的形態(tài)與性能馬氏體的形態(tài)馬氏體的形態(tài)有板條狀和針狀（或片狀）兩種，決定于奧氏體的含碳量。a) 板條M（低碳M或位錯(cuò)M）含碳量在0.25%以下時(shí)，基本上是板條馬氏體(亦稱(chēng)低碳馬氏體)，板條馬氏體在顯微鏡下為一束束平