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材料学院材料的结构组织与性能（四）钢的非平衡组织Fe－C相图是在缓慢冷却条件下指导分析相变的图形，其获得的组织称为平衡组织，它不能用于分析在不同的冷却速度下的组织变化。实际上，同样成分的钢加热到奥氏体温度后再以不同冷却速度冷却，其性能相差很大。下面以共析钢为例：奥氏体化后的钢炉冷～HRC10空冷～HRC20风冷～HRC30水冷～HRC60冷却方式σb(Kg/MM2)σs(Kg/MM2)δ(%)φ(%)HRC炉冷53.228.132.549.310~15空冷67~7234.015~1845~5018~24淬油9062.018~204840~50淬水110727~812~1452~6045钢在不同介质中冷却后的机械性能钢在加热时的相变将金属材料通过加热、保温、冷却以获得不同非平衡组织的工艺叫“热处理”。热处理通常是由加热、保温和冷却三个阶段组成的。加热是热处理的第一道工序。对于钢来说，大多数热处理过程首先必须将其加热到奥氏体状态，然后以适当的方式冷却以获得所期望的组织和性能。通常把钢加热到奥氏体温度，使之转变成奥氏体的过程称为钢的“奥氏体化”。奥氏体化是通过“热处理”使钢的组织发生变化的基础。加热时形成奥氏体的化学成分、均匀化程度及晶粒大小直接影响钢在冷却后的组织和性能。因此，研究钢在加热时的组织相变规律，控制和改进加热规范以改变钢在高温下的组织状态，对于充分挖掘钢材性能潜力、保证热处理产品质量有重要意义。A3ArcmAcmAccmAr3溫度C%αAc3γAr1A1Ac1碳鋼的臨界點在Fe-Fe3C狀態圖上的位置奥氏体化的温度Ac1：加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度Ar1：冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度Ac3：加热时游离铁素体全部转变为奥氏体的终了温度Ar3：冷却时奥氏体开始析出游离铁素体的温度Accm：加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度Arcm：冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度图中各符号含义如下:奥氏体化的过程共析钢在室温的平衡组织为单一珠光体，但加热至Ac1以上温度时，珠光体转变为奥氏体。这种相变可用下式表示：奥氏体的形成过程就是铁晶格的改组和铁、碳原子的扩散过程。面心立方複雜斜方體心立方CACCcCFe%77.0%69.63%0218.01共析钢中奥氏体的形成由下列四个基本过程组成，即：•奥氏体形核，•奥氏体晶核长大，•剩余渗碳体的溶解，•奥氏体成分的均匀化，共析鋼奥氏体的形成過程示意圖钢在冷却时的相变钢从奥氏体状态冷却的过程是热处理的关键工序，因为钢的性能最终取决于奥氏体冷却转变后的组织。因此，研究不同冷却条件下钢中奥氏体组织的相变规律，对于正确制定钢的热处理冷却工艺、获得预期的性能具有重要的实际意义。在实际热处理过程中，常用的冷却方式有两种：一是连续冷却，即将钢件以一定的冷却速率从高温一直连续冷却至室温。在连续冷却过程中完成的组织相变，称为连续冷却相变；二是恒温冷却，即将钢件迅速冷到临界点以下某一温度，恒温保持一定时间后再冷至室温。在保温过程中完成的组织相变，称为恒温相变。温度时间连续冷却恒温冷却过冷奥氏体的恒温转变曲线奥氏体在临界点以上为稳定相，临界点以下为不稳定相。常把临界点以下存在且不稳定的奥氏体称为“过冷奥氏体”。描述过冷奥氏体恒温冷却时的温度-时间-相变曲线称为恒温冷却转变曲线（time-temperature-transformationcurve），简称TTT曲线。因其形状像英文字母“C”，故又称C曲线，共析鋼C曲綫測定原理示意圖共析钢的C曲线共析钢的C曲线及非平衡组织珠光体（P）索氏体（S）屈氏体（T）上贝氏体（BS）下贝氏体（Bu）马氏体（M）奥氏体恒温相变过程及相变产物(1)高温转变区－－过冷奥氏体向珠光体类组织的转变珠光体相变化就是前面介绍过的共析反应，它也是一个形核和长大的过程，如图所示。当奥氏体过冷到A1~560℃之间的某一温度保温时，首先在奥氏体晶界处形成片状渗碳体核心（近年研究表明，也可以形成铁素体核心），渗碳体的长大使周围奥氏体贫碳，为铁素体的形核创造了条件，α结晶核便在Fe3C两侧形成，这样就形成了一个珠光体结晶核。α的长大使周围奥氏体中含碳量升高，这又为产生新的Fe3C片创造了条件。随着Fe3C的长大，又产生新的α片，如此反复进行，便形成了α与Fe3C片层相间的珠光体群落（pealitecolony）。与此同时又有新的珠光体结晶核形成并长大，直到各个珠光体群落彼此相接触、奥氏体完全消失，相变便告结束。珠光体形成示意圖恒温温度越低，转变速度越快，珠光体片层越细。按片层间距，珠光体类组织习惯上分为珠光体（P）、索氏体（sobite）（S）、和屈氏体（troostite）（T）。它们并无本质区别，也没有严格界限，只是形态上不同。珠光体较粗，索氏体较细，屈氏体最细。显然，珠光体片层越细，其强度、硬度越高，同时延展性、韧性也有所增加。珠光体类P：d0.3μmS：0.1d0.3μmT：d0.1μm共同特征：（α＋Fe3C）的层片状组织注：对于普通珠光体P，较大倍数的光学显微镜可观察到层片结构，对于索氏体S和屈氏体T，在光学显微镜上往往难以辨别其层状结构，只有在高倍电子显微镜上才能分辨。T10钢，1050℃加热，710℃等温60分钟，本视场全部为珠光体，x1400。这应该看成是比较理想的片状珠光体了。T8钢，710℃等温2小时。其中珠光休片层间距大小不一，显微硬度压痕（从上至下，从左至右）分别为236、304及270HV，可见同一条件下形成的珠光体事实上即有粗细之别和性能差异。T10钢，1000℃加热后空冷。相当于670℃左右转变的组织，比较典型的索氏体，其特征是，只是少数集团内可以见到片层结构，多数呈模湖不清的一片苔绿色，但正由于如此，晶界清晰可见。x550GCr15钢，1050℃加热，660℃—655℃等温转变产物——索氏休及少量二次渗碳体网。x530GCr15，600℃等温转变产物一一屈氏体。如果抛光精细、腐蚀适当，则可见它们往往呈菊花状，在“一朵花”内，由几个各呈展开角不等的、色彩深浅不同的区域所组成，可知它们属于不同的集团。但无论如何，见不到任何片层结构，另外由于易于腐蚀色深，晶界往往不明显GCr15，510℃等温8分钟后水冷，针叶状屈氏体、少量网状碳化物。x13205CrMnMo钢。化学成分：0.56％C，1.42％Mn,0.83％Cr，0.26％Mn。热处理：1000℃加热，570℃等温40分钟、再次展示针叶状屈氏体的形貌与精细组织。复型电镜照片。x5000。扫描电镜由于分辨率相对较低，无法显示其细节。但在复型电镜下，可以清楚地看到针叶状屈氏体的成长前沿渗碳体是领先相，它们常呈条状或点粒状，并且往往其两侧没有铁素体析出，亦即铁素体的析出将远滞后于渗碳体的沉淀(2)中温转变区－－过冷奥氏体向贝氏体组织的转变贝氏体相变化也是形核和长大过程，但和上述珠光体相变化不同。当把奥氏体过冷到560℃~Ms温度范围内某一温度保温时，首先沿奥氏体晶界形成含碳过饱和的铁素体结晶核并长大，随后在这种铁素体中析出细小渗碳体，其形成过程如下图所示。(a)上贝氏体(b)下贝氏体圖贝氏体形成示意圖贝氏体是由过饱和铁素体和渗碳体组成的混合物。恒温温度不同，贝氏体形态不同。在560~350℃范围内，贝氏体呈羽毛状，它是由许多互相平行的过饱和铁素体片和分布在片间的断续细小的渗碳体组成的混合物，称之为“上贝氏体”，用B上表示。上贝氏体硬度很高，可达40~45HRC，但由于铁素体片较粗，且呈平行排列，故延展性、韧性较差，在工程上应用较少。在350℃~Ms范围内，贝氏体呈针叶状，它是由针叶状的过饱和铁素体和分布在其中的极细小的渗碳体粒子组成的混合物，称之为“下贝氏体”，用B下表示。下贝氏体的硬度更高，可达50~60HRC，因其铁素体针叶较细，，故在硬度高的同时其延展性、韧性也较好。因此，实际工程应用中有时对中碳合金钢和高碳合金钢采用恒温淬火方法获得下贝氏体以提高钢的强度、硬度，同时可以保持一定的延展性和韧性。18MnMoNb钢，化学成份:C0.19％,Si0.28％，Mn1.55％，Mo0.51％，Nb0.029％。1070℃加热,350℃等温1分钟后水冷，上贝氏体（羽毛状贝氏体）。试样磨面取自纵向，图中有明显的灰色条状夹杂为(Fe,Mn)S．×800。20CrMoVNbTi钢，化学成份：0.21％C,0.37％Si．0.45％Mn,0.89％Cr,0.98％Mo,0.11％Ti,0.010％B,0.019％Nb,1080℃加热，300℃等温15分钟后水冷，羽毛状贝氏体。x80060Si2Mn钢，化学成份:C0.59％，Si1．77％，Mn0.68％，1100℃加热，380℃等温90秒钟，细致的羽毛状贝氏体，由于与磨面间所成的切角不同，丝条间距有粗细之别。x550灰铸铁，HT200。化学成份：C3．10％。Si2．05％，Mn0．84％，P0．06％，S0．08％。HB22q.1000℃加热，290℃等温10分钟。片状石墨、下贝氏体及M一A区。x800球墨铸铁,化学成分:C3.31％,Si2.61％,Mn0.60％,P0.047％,S0.033％,Mg0.040％,1000℃加热,a.300℃等温30分钟组织:下贝氏体+(M-A)+球状石墨.x80015CrMo钢管，化学成份:C0．15％,Cr0．99％,Mo0．27％，Si0．31％，Mn0.49％,供货状态，组织为铁素体、（M一A）及少量下贝氏体。(3)低温转变区－－过冷奥氏体向马氏体组织的转变马氏体相变是在Ms~Mf温度范围内进行的，也是一个形核和长大过程，但它的孕育期短到很难测出。当奥氏体过冷至Ms点时，便有第一批马氏体针叶沿奥氏体晶界形核并迅速向晶内长大，由于长大速度极快（约10-7s），它们很快横贯整个奥氏体晶粒或很快彼此相碰而立即停止长大，必须继续降低温度才能有新的马氏体针叶形成，如此不断连续冷却，便会有一批又一批的马氏体针叶不断形成，直到Mf点，相变才告结束。马氏体的形成过程如下图所示。马氏体形成示意图由于马氏体相变的温度低，相变速度快，只发生铁的晶体结构的变化，而碳原子来不及重新分布，被迫保留在马氏体中，其碳含量与母相奥氏体相同，因此马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，具有体心正方结构。大量碳原子的过饱和造成原子排列发生畸变，产生较大内应力，因此马氏体具有高的硬度和强度。马氏体中的碳含量越高，其硬度和强度越高，但脆性越大。另外，由于发生马氏体相变时伴有体积膨胀，马氏体相变结束时总有少量奥氏体被保留下来，这部分奥氏体称为残余奥氏体，用γ’或A’表示。马氏体是钢中组织中的硬度之冠珠光体（P）索氏体（S）屈氏体（T）上贝氏体（BS）下贝氏体（Bu）马氏体（M）形成马氏体的条件冷却速度大于马氏体的临界冷却速度即：VVkVVk马氏体的形态特征和性能特征1、形态特征：•M一般不超过A晶界，因此A晶粒越细小M也越细小；•低碳钢和中碳钢多为板条状马氏体，在电镜下可看到每根条束内存在大量位错，故板条状马氏体又叫位错马氏体；•高碳钢多为针状马氏体，在电镜下每一针片上可看到大量微细孪晶，故又叫孪晶马氏体；12CrNr2钢淬火马氏体形貌（淬火温度1050℃）x800板条状马氏体板条马氏体60Si2Mn钢淬火含碳1.70％，Cr0.50％，Si1.35％，Mn0.75％的钢，自1100℃淬水，白色针状者为针状马氏体，灰色背景为残余奥氏体针状马氏体怎样区分针状马氏体与下贝氏体•针状马氏体在一个奥氏体晶粒内下贝氏体则不一定;•针状马氏体针叶之间往往呈60或120度，下贝氏体无一定度数;•针状马氏体针叶之间往往呈齿状或垳架状且针叶不互相穿透,下贝氏体针叶随机分布象竹叶一样交叉穿透.2、性能特征：•马氏体的硬度很高，其与含碳量有密切关系，二者关系如图：•由于塑性太差,马氏体的强度不能充分发挥•高碳马氏体具有极高的硬度,但塑性和韧性极差，没有工程使用价值，多含有微裂纹;•低碳马氏体硬度较高碳马氏体低,但强度较高具有一定的韧性。硬度C