钢的组织转变

TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页1TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页2钢的热处理是将钢在固态下施加不同的加热、保温和冷却，从而获得所需的组织结构和性能的工艺过程。热处理应伴随固态相变或扩散。在机床工业中，有60～70％的工件需要热处理，汽车、拖拉机工业中，有70～80％的工件要进行热处理，而滚动轴承和工模具则几乎100％需要进行热处理。通过热处理工艺来延长零件服役寿命，具有很大的社会经济效益。1.9钢的热处理●概述视频：钢的热处理概述1TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页3在实际加热和冷却时，存在过热和过冷现象，如图所示。①过热：加热时高于合金相图临界温度才发生相变的现象。②过冷：冷却时低于合金相图临界温度才发生相变的现象。●过热与过冷2TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页4钢加热时奥氏体的形成也是通过形核及长大过程来实现的。现以共析钢为例说明奥氏体形成的三个步骤：1.奥氏体晶核的形成和长大；2.残余渗碳体的溶解；3.奥氏体成分均匀化。1.9.1钢在加热时的转变1.奥氏体的形成过程亚共析钢与过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。3TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页5共析钢加热到Ac1点以上某一温度到奥氏体出现的这段时间称孕育期。随温度升高，原子扩散速度加快，孕育期缩短。如在740℃等温转变时，经过10秒转变开始，而在800℃等温时，瞬间转变便开始。奥氏体形成所需时间较短，残余渗碳体溶解所需时间较长，而奥氏体均匀化所需时间更长。例如780℃等温时，形成奥氏体的时间不到10秒，残余碳化物完全溶解却需要几百秒，而实现A均匀化则需要104秒。2.奥氏体的形成速度4TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页6亚共析钢和过共析钢奥氏体形成基本上与共析钢相同。但对于亚共析钢或过共析钢，当珠光体全部转变成奥氏体后，还有过剩相铁素体或渗碳体的继续转变。加热温度愈高，原始组织愈细小，奥氏体形成速度愈快。3.奥氏体晶粒的长大及其影响因素1)奥氏体晶粒的长大①奥氏体转变刚完成时的细小晶粒称为起始晶粒度。②在给定温度下的奥氏体晶粒度称为实际晶粒度。③奥氏体晶粒长大是一个自发过程。5TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页7④奥氏体晶粒越大，冷却后的晶粒也越大，力学性能则越低。⑤钢的成分不同，奥氏体晶粒的长大倾向也不同，这种倾向称为本质晶粒度。⑥注意：本质晶粒度的概念与起始晶粒度和实际晶粒度完全不同。6奥氏体晶粒的长大及其影响因素(续）TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页8本质粗晶粒度：奥氏体随温度的升高迅速长大的钢。如经锰硅脱氧的钢、沸腾钢等本质细晶粒度：奥氏体晶粒长大倾向小，加热到较高温度时才显著长大的钢。如经铝脱氧的钢、镇静钢等7A.本质晶粒度有本质粗晶粒度和本质细晶粒度之分。TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页95～8级的钢为本质细晶粒度的钢1～4级的钢为本质粗晶粒度钢8本质粗、细晶粒度钢TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页10(1)温度：加热温度越高，晶粒越大；(2)合金成分：①碳含量增高，晶粒长大倾向增大，残余渗碳体增加，则倾向减小；②形成碳化物、氮化物、氧化物的元素增加，则阻碍晶粒长大；③锰、磷元素增加，晶粒增大。2)影响奥氏体长大的因素9TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页11奥氏体过冷到临界点A1以下时，则为不稳定状态的奥氏体。随过冷度不同，过冷奥氏体将发生三种类型转变，即珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。现以共析钢为例，说明其转变过程。1.9.2钢在非平衡冷却时的转变1.过冷奥氏体的转变产物及转变过程10TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页121）珠光体的组织形态及性能过冷奥氏体在A1至550℃将转变为珠光体类型组织。根据片层的厚薄不同，这类组织又可分细为：①珠光体：形成温度为A1～650℃，片层较厚，用符号“P”表示。②索氏体：形成温度为650～600℃，片层较薄，用符号“S”表示。③托氏体：形成温度为600～550℃，片层极薄，用符号“T”表示。11●珠光体转变TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页13如图所示为共析钢珠光体的片间距与力学性能间的关系。①珠光体、索氏体和托氏体三者之间只有形态上的粗细之分，无本质之区别。②过冷奥氏体转变温度降低，则珠光体片间距减小,力学性能提高。2）珠光体组织的性能12TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页14奥氏体转变为珠光体的过程也是形核和长大的过程。如下所示。形成渗碳体晶核→渗碳体晶核长大珠光体铁素体晶核长大←形成铁素体晶核4）由于铁原子和碳原子均进行扩散时形成了珠光体，因此珠光体转变是一种扩散型转变。3）珠光体转变过程13TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页151）贝氏体的组织形态和特性过冷奥氏体在550℃～Ms将转变为贝氏体组织，贝氏体用符号“B”表示。贝氏体可分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）。●贝氏体转变①上贝氏体:形成温度为550～350℃A特征：呈羽毛状B性能：上贝氏体的力学性能差，无实用价值。②下贝氏体:形成温度为350℃～MsA特征：呈黑针状B性能：下贝氏体具有优良的力学性能，是生产上常用的组织。14TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页16①上贝氏体转变过程（过冷到550～350℃）。上贝氏体转变过程如图所示。形成铁素体晶核→片状铁素体平行生长→析出渗碳体短棒→上贝氏体2）贝氏体转变过程15TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页17下贝氏体转变过程如图所示。形成铁素体晶核→铁素体长成针状→铁素体内析出片状碳化物→下贝氏体3）由于贝氏体形成时只有碳原子发生扩散，而铁原子不扩散，因此贝氏体转变属于半扩散型转变。②下贝氏体转变过程（过冷到350～Ms时）16TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页18马氏体：碳在α-Fe中过饱和的固溶体，用符号“M”表示。1）马氏体的形态特点马氏体的组织形态分为板条状和针状两大类。①板条马氏体。显微组织如图所示。形态：呈细长的扁棒状，显微组织为细条状。●马氏体转变马氏体板条内的亚结构是高密度的位错，因而又称为位错马氏体。17TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页1918马氏体显微组织TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页20形态：呈双凸透镜的片状，显微组织为针状。其亚结构主要是孪晶，因此又称为孪晶马氏体。③马氏体的形态取决于碳含量，如图所示。分析：A当C＜0.2%时，为板条M；B当C＞1.0%时，为针状M；C当C＝0.2～１.0%时，为板条和针状的混合组织。②针状马氏体19TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页21①碳含量增加，其硬度增加。所以马氏体是钢的主要强化手段之一。②塑性和韧性取决于亚结构形式和碳在马氏体中的过饱和度。3）马氏体的转变特点马氏体转变同样是一个形核和长大的过程。主要特点是：①无扩散性其原因是相变的过冷度极大。②共格切变性由面心立方奥氏体转变为体心正方的马氏体。③在不断降温的条件下形成马氏体。马氏体的硬度、韧性与碳含量的关系如图所示。2）马氏体的性能20TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页22上马氏体点：发生马氏体转变的开始温度称为上马氏体点，用“Ms”表示。下马氏体点：马氏体转变的终了温度称为下马氏体点，用“Mf”表示。因此①高速长大②马氏体转变的不完全性③存在残余奥氏体，用“A残”表示。④Ms、Mf点的温度取决于奥氏体的碳含量。马氏体转变可归纳为：21TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页23在热处理中，通常有两种冷却方式，即等温冷却和连续冷却，如图所示：2.过冷奥氏体转变曲线22TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页24等温转变曲线如图所示。等温转变曲线称为C曲线，或称为TTT曲线。1）共析钢C曲线分析①C曲线是用实验的方法建立起来的。1)过冷奥氏体的等温转变曲线23TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页25转变产物如下：①高温转变产物珠光体（包括P、S和T）；②中温转变产物贝氏体（包括B上和B下）；③低温转变产物马氏体。①碳含量的影响A亚共析钢的C曲线随碳含量的增加而向右移。B过共析钢的C曲线随碳含量的增加而向左移。C亚共析钢和过共析钢各有一条共析相析出线。2）影响C曲线的因素24TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页26动画：碳钢TTT曲线比较25TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页27A加入溶于奥氏体的合金元素使C曲线右移。B某些合金对珠光体转变与贝氏体转变具有不同的延缓作用，使C曲线出现两个“鼻子”。②合金元素的影响26TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页28谢谢！190后面的内容更精彩本多媒体内容已交上海交大出版社出版，由于版权关系，想了解更多的内容请与上海大学鞠鲁粤教授联系。电话：[phone]Email:[e-mail]