金属热处理原理与工艺课件6-8章复习

金属热处理原理与工艺6-8章复习材料科学与工程学院第六章珠光体转变和钢的退火与正火本章重点：碳钢两类珠光体(即片状和粒状)的组织形态、形成机制以及力学性能，掌握影响珠光体转变动力学因素。本章难点：珠光体(片状和粒状)的形成机制。6.1铁素体与珠光体的组织与性能钢中常见的珠光体有片状珠光体和粒状珠光体两种。片状珠光体：F和Fe3C层片相间的机械混合组织。粒状珠光体：Fe3C以粒状分布于F基体上形成的混合组织。片状珠光体晶粒尺寸大小可以用片间距大小来表示，相邻两片Fe3C(或F)的平均距离S0称珠光体的片层间距。珠光体片层间距方向大致相同的区域称为“珠光体团”、“珠光体领域”或珠光体晶粒。一个原奥氏体晶粒内可以形成几个珠光体晶粒。P团原A晶界S0Fe3Cα根据珠光体片层间距S0的大小，可将珠光体分为三类：1.珠光体：用P表示；S0=1500~4500Ǻ。光镜下观察到F与Fe3C呈层片状。2.索氏体：用S表示；S0=800~1500Ǻ。光镜下难以区分F与Fe3C呈层片状，电镜下清晰观察到F与Fe3C的片层。3.屈氏体：用T表示；是极细的珠光体。S0=300~800Ǻ。光镜下无法分辨F与Fe3C的层片(呈黑球状)，电镜下清晰观察到F与Fe3C的片层。珠光体片层间距S0的大小，取决于过冷度ΔT而与原奥氏体晶粒尺寸大小无关。TS401002.8(Ǻ)珠光体的晶体结构片状珠光体是F和Fe3C层片相间的机械混合组织。粒状珠光体是粒状Fe3C分布于F基体上形成的混合组织。其中F的晶体结构为体心立方；Fe3C为复杂斜方结构。在珠光体形成时，F与Fe3C具有两类确定的晶体学位向关系。同时，先共析相F、Fe3C与原奥氏体也有确定的晶体学位向关系。6.2珠光体的形成机制珠光体形成的热力学条件(1)由于A→P是在较高温度形成，Fe和C原子能够长程扩散，A→P是扩散型相变；(2)由于缺陷形核，相变消耗的能量较小，在较小过冷度ΔT条件下A→P相变即可发生。即满足：ΔG=Gp-Gγ≤0GγGpGTA1T1ΔGΔT片状珠光体的形成机制γ→α+Fe3C晶体结构：面心立方体心立方复杂斜方C%：0.77%0.0218%6.67%1.形核：奥氏体晶界；满足能量起伏；结构起伏；成分起伏三个条件。关于F和Fe3C谁领先形核过去一直争论，现在认为都有可能成为领先相。2.长大：以Fe3C为领先相讨论，当珠光体晶核在奥氏体晶界形成(A、F和Fe3C三相共存)时，过冷奥氏体中存在C浓度不均匀，由于过冷奥氏体中存在C浓度不均匀，导致C原子扩散。珠光体晶核纵向长入奥氏体晶内。3.横向长大：奥氏体晶核内形成一片Fe3C，立刻就有两边F相连，搭桥机制。GESPC1C2C3C4T1粒状珠光体的形成机制Fe3CFe3CαααFe3CFe3Cfff亚晶界在A1温度以下片状Fe3C的球化是通过Fe3C片的破裂，断开而逐渐球化的。6.3亚过共析钢的珠光体转变伪共析组织亚(过)共析钢快冷后抑制先共析相的析出，在非共析钢成分下析出的共析组织(F+Fe3C)成为伪共析组织。魏氏组织工业上将先共析的片(针)状铁素体或片(针)状碳化物加珠光体组织称魏氏组织，用W表示。前者称α-Fe魏氏组织，后者称碳化物魏氏组织。6.4珠光体转变动力学一、珠光体的成核率I和长大速度G1.形核率和长大速度与温度的关系：形核率和长大速度与转变温度之间有极大值。2.形核率和长大速度与转变时间的关系：当温度一定时，等温时间增加，形核率I增加且很快达到饱和。当形核部位全部耗尽后，形核率降为零(与位置有关)。长大速度G与等温时间无关。影响珠光体转变动力学的因素1.化学成分的影响(1)C%(2)合金元素2.奥氏体成分均匀性和过剩相溶解情况的影响3.奥氏体化温度和时间的影响4.奥氏体晶粒度5.应力和塑性变形的影响6.5退火的概念及其分类退火与正火的主要区别：1.正火的冷却速度比退火稍快，过冷度较大。2.正火后所得到的组织比较细，强度和硬度比退火高一些。第七章马氏体转变本章重点：马氏体相变的主要特点、马氏体的组织形态及性能、Ms点定义及影响因素。本章难点：马氏体转变的主要特征、马氏体产生异常正方度的原因以及马氏体相变的晶体学位向关系。7.1马氏体的组织与性能板条状马氏体常见于低碳钢、马氏体时效钢、不锈钢中。其显微组织是由许多成群的板条组成，称板条马氏体。亚结构为位错，也称位错马氏体。片状马氏体常见于淬火高、中碳钢、及Fe-Ni-C钢。空间形态呈凸透镜片形状，称透镜片状马氏体或片状马氏体，亚结构为孪晶，也称孪晶马氏体。马氏体的强度主要决定于马氏体的碳含量及组织结构，而马氏体的韧性主要取决于马氏体的亚结构，低碳的位错型马氏体具有相当高的强度和良好的韧性，高碳的孪晶马氏体具有高的强度，但是韧性很差。7.2马氏体转变的主要特征一、马氏体转变的非恒温性二、马氏体转变的表面浮凹现象和共格性三、马氏体转变的无扩散性四、马氏体转变的位相关系及惯习面五、马氏体转变的可逆性7.3马氏体转变的晶体学和转变机制马氏体的晶体结构马氏体是C在α-Fe中的过饱和间隙式固溶体。具有体心正方点阵。0.40.81.21.62.002.842.923.04含碳量，%点阵常数，Åcac/a马氏体的点阵常数与C%的关系室温下马氏体的点阵常数与C%的关系由X-ray测得：随C%提高，马氏体点阵常数c增大，a减小，正方度c/a增大1/00acaaac新形成马氏体的正方度偏离公式给出的正方度，称为马氏体异常正方度。新形成马氏体的正方度远高于公式给出的正方度，称为异常高正方度。新形成马氏体的正方度远低于公式给出的正方度，称为异常低正方度。亚点阵概念并非所有的C原子都能占据可能位置，这些可能位置可分为三组，每一组都构成一个八面体，C原子分别占据着这些八面体的顶点。由C原子构成的八面体点阵称为亚点阵。C轴称为第三亚点阵；b轴称为第二亚点阵；a轴称为第三亚点阵。第三亚点阵第二亚点阵第一亚点阵产生异常正方度的原理：具有异常低正方度的新生马氏体，是因为部分有序分布在第二或第一亚点阵的C原子增加的结果，而当两个亚点阵上C原子分布几率不相等时，出现a≠b的正交点阵。具有异常高正方度的新生马氏体，其C原子接近全部占据第三亚点阵。7.4马氏体转变的热力学和动力学马氏体转变热力学：一、相变的驱动力ΔG=Gα′-Gγ≤0如图所示，马氏体相变的驱动力ΔG必须小于零，即转变温度必须低于T0以下，马氏体转变的开始点Ms在T0以下。Gα′GγGTT0T1ΔGΔT二、Ms点定义1.Ms点定义：奥氏体和马氏体两相自由能之差达到相变所需的最小驱动力值对应的温度称为Ms点。2.Md点定义：获得形变诱发马氏体的最高温度。三、影响Ms点的主要因素（一）、A化学成分１、碳含量Wc：Wc↑，Ms↓、Mf↓２、合金元素：除Co、Al以外，大多数合金元素总使Ms、Mf下降。（二）、加热规程的影响：若排除化学成分的影响，提高奥氏体化加热温度和保温时间，使Ms升高。（三）、冷却速度：一般的生产条件下，冷却速度不改变Ms，但是在高速淬火时，Ms随冷却速度的增大而升高。（四）、应力：在奥氏体状态下施加拉应力或单向压应力会促进马氏体形成，Ms升高。在奥氏体状态下施加多向压应力会阻碍马氏体形成，Ms下降。（五）、塑性变形：1、若在Ms～Md温度范围内经塑性变形会促进奥氏体在该温度下向马氏体转变，使Ms升高，产生应变诱发马氏体。2、若在Ms～Mf温度范围内的某一温度进行塑性变形也会促进奥氏体在该温度下向马氏体转变。3、若在Md以上某一温度范围内经塑性变形不会产生应变诱发马氏体。（六）、存在先共析马氏体组织：马氏体转变之前存在珠光体，Ms点升高。马氏体转变之前存在贝氏体，Ms点下降。马氏体转变动力学：马氏体相变是一个形核和核长大的过程，但是由于其具有转变速度快的特点，研究其动力学转变特点很困难，可以将马氏体转变的动力学分成四种情况。一、变温瞬时形核、瞬时长大（变温马氏体转变）二、等温形核、瞬时长大（等温马氏体转变）三、自触发形核、瞬时长大（爆发式马氏体转变）四、表面马氏体转变各自的特点。奥氏体的稳定化：定义：奥氏体由于内部结构在外界条件的影响下发生了某种变化，使其向马氏体转变发生迟滞的现象称为奥氏体稳定化。分类：奥氏体稳定化分为热稳定化和机械稳定化两种。一、奥氏体的热稳定化产生机理：C、N原子在适当温度下(热稳定化温度)向点阵位错处偏聚，钉扎位错，不仅强化奥氏体，使马氏体相变切变阻力增大，同时钉扎马氏体核坯，阻碍其长大，因此必须附加化学驱动力以克服溶质原子的钉扎力。二、奥氏体的机械稳定化产生机理：由于塑性变形引入缺陷(或使缺陷增加)，破坏了母相与新相之间的共格关系，使马氏体转变时原子运动发生困难。第八章贝氏体转变一般将具有一定过饱和度的α相和Fe3C组成的非层状组织称为贝氏体。8.1贝氏体的组织和性能由于转变温度的不同，贝氏体有以下几种形态：上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体、无碳化物贝氏体、柱状贝氏体。一、上贝氏体过饱和的平行条状α相和夹于α相条间的断续条状Fe3C的混合物。形状如羽毛，又称羽毛状贝氏体。在原奥氏体晶界形核，沿晶界一侧或两侧向晶内长大。(1)形成温度：中高碳钢350~550℃；又称高温贝氏体；形成温度低，α相条变薄，碳化物弥散度增大，细化晶粒。(2)亚结构：位错缠解。比板条马氏体低2~3个数量级，形成温度越低，位错密度越大。(3)光镜下，α相呈条状或针状，少数呈椭圆状或矩形；电镜下清晰可见断续条状Fe3C分布于α相条间。(4)C%增加，α相条增多、变薄，Fe3C量增加、变细，碳化物由粒状→链珠状→断续条状。合金元素Si、Al、增加奥氏体的稳定性，抑制Fe3C析出，使残余奥氏体数量增多。二、下贝氏体过饱和的片状α相和其内部沉淀的Fe3C的混合物。形状为针状、片状或竹叶状。各针状物间有一定交角。碳化物细小、弥散，呈粒状和细片状排列成行，与α相长轴方向成55˚~65˚。(1)形成温度：中高碳钢350℃~Ms；又称低温贝氏体。(2)亚结构：缠解位错。比上贝氏体位错密度高，未发现孪晶。(3)光镜下，α相呈暗黑色针状或片状，各针状有一定交角；电镜下清晰可见排列成行的粒状或片状Fe3C分布于α相条内，与α相长轴方向交成55˚~60˚，也可能分布在α相条外。(4)下贝氏体α相内含有过饱和C原子，其固溶量比上贝氏体高。上贝氏体的α相平行，下贝氏体的α相有交角。贝氏体的强度随形成温度降低而增强。随贝氏体的形成温度的降低，强度的逐渐增加，韧性并不降低，反而有所增加。8.2贝氏体转变的基本特征（一）贝氏体转变温度范围（二）贝氏体转变产物（三）贝氏体转变动力学（四）贝氏体转变的不完全性（五）贝氏体转变的扩散性（六）贝氏体转变晶体学特征（七）贝氏体中F的碳含量8.3贝氏体转变动力学贝氏体等温转变动力学图也呈C形。转变在BS温度以下才能实行。影响贝氏体转变动力学的因素：1、碳含量随A中碳含量的增加，B转变速度下降。2、合金元素除Co、Al以外所有合金元素都降低B转变速度，使B转变的C曲线右移。3、奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度A晶粒大小：随A晶粒增大，B转变孕期延长转变速度下降。A化温度：A化温度高，贝氏体转变速度先增后降。4、应力的影响拉应力使B转变速度增加，尤其对下B更显著。压应力的作用不清楚。5、塑性变形（1）在较高温度（1000~800℃）范围内对A进行塑性变形，将使A向B转变的孕育期增长，转变速度下降，转变的不完全程度增大。（2）在较低温度（350~300℃）范围内对A进行塑性变形将加速B的形成。完