Fe-C 相组织及相关热处理介绍

1、Fe-C 相組織及相關熱處理介紹項目項目鏈接鏈接1Fe的同素异构2铁碳相图3铁碳相&组织与温度对应表4各相&組織转变温度5Fe-C合金按照含碳量分类6Fe-C合金平衡結晶過程分析7含C量對平衡組織和性能的影響8平衡結晶9奥氏体10马氏体11马氏体与奥氏体有什么不同12渗碳体目錄項目項目鏈接鏈接13珠光体14贝氏体15莱氏体16不锈钢17铁素体/奥氏体/马氏体的区别18正火19退火20回火2145钢正火和调质后性能比较22淬火23金屬熱處理加熱方式铁碳相&组织Fe的同素异构说明说明备注备注-Fe温度在912以下的纯铁，晶格类型是体心立方。纯铁在室温下是体心立方晶格。-Fe

2、将纯铁加热，当温度到达912时，由-Fe转变为-Fe，-Fe是面心立方结构。-Fe是面心立方晶格,而-Fe是体心立方晶格,由于面心比体心排列紧密,所以由前者转化为后者时,体积要膨胀。-Fe继续升高温度，到达1390时，-Fe转变为 -Fe。它的结构与-Fe一样，是体心立方晶格。-Fe ，-Fe，-Fe都是纯铁，只是晶格类型不同，这种现象称为同素异构。纯铁随着温度增加，由一种结构转变为另一种结构，这种现象称为同素异构转变。不存在-Fe ：自从Osmond 在1885 年首次提出-Fe 以来,直到1922 年Westgren 和Phragmn 用高温X射线衍射证明-Fe 与-Fe 有相同的体心立方

3、结构为止,在很长时间内,冶金学家一直为钢为什么在淬火后变硬而争论不休。同素异构派(Allotropist) 认为是-Fe -Fe 相变的结果,而碳派(Carbonist) 认为是C 的作用,各执一词。尽管-Fe 的存在被否定了,同素异构相变(-Fe -Fe) 还是存在的,它与四方畸变的-Fe 中固溶C 都是钢在淬火后变硬的必要条件。纯铁随着温度增加，由一种结构转变为另一种结构，这种现象称为相变。铁碳相图序号序号项目项目符号符号说明说明相1铁素体 或 F（相）晶体结构：体心立方碳溶解于-Fe中形成的固溶体：从912摄氏度（A3点）开始发生结晶，-Fe转变成-Fe，碳在相中最大溶解度为0.0218

4、%，在600摄氏度是碳的最大溶解度为0.0057%，中间有个居里点770摄氏度，由高温的顺磁性变为低温的铁磁性状态，这种磁性转变称为A2转变。2奥氏体g 或A（相）晶体结构：面心立方碳溶解于gFe中形成的固溶体：从1394摄氏度（A4点）开始结晶；-Fe转变为-Fe，C在-Fe中最大溶解度为2.11%。3高温铁素体 （相）晶体结构：体心立方由于-Fe是高温相，因此碳溶解于-Fe中形成的固溶体也称为高温铁素体。固溶铁，由液态铁冷却到1538摄氏度发生结晶，液态铁转变为-Fe，C在-Fe中的最大溶解度为0.17%。4渗碳体Fe3C或Cm铁和碳形成的化合物，含碳量为6.69% 相/相/相，都是铁的三

5、种同素异晶状态。碳溶解在铁的晶格中形成固溶体，碳溶解到铁中的固溶体叫铁素体，溶解到铁中的固溶体叫奥氏体。铁素体与奥氏体都具有良好的塑性。当铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体或奥氏体中时，剩余出来的碳将与铁形成化合物碳化铁(Fe3C)这种化合物的晶体组织叫渗碳体，它的硬度极高，塑性几乎为零。序号序号项目项目符号符号说明说明组织1珠光体P共析转变的产物，是a 与Fe3C的机械混合物. 温度降至727时，共晶奥氏体的含碳量降至0. 77%，在恒温下转变为珠光体。最后得到的组织由珠光体分布在共晶渗碳体上所组成。2莱氏体Ld共晶转变的产物是奥氏体与渗碳体的机械混合物。 莱氏体位于铁碳平衡相图的铸铁部分的4

6、. 3%C处，是双相共晶结构的组织。在727以上是奥氏体和渗碳体两相共晶的机械混合物。 合金熔液冷却到C点1148时，在恒温下发生共晶转变L4.302.11+Fe3c，此共晶体通常称为莱氏体(Ld)（即高温莱氏体）。 冷到C点1148以下，共晶奥氏体中不断析出二次渗碳体，它通常依附在共晶渗碳体上而不能分辨。 在铸铁部分都含有莱氏体组织，莱氏体的性质硬而脆，其硬度在700HB以上，在一些高合金钢中也可看到莱氏体，这种钢称为莱氏体钢。3低温莱氏体Le由P与Fe3C组成的共晶体.在室温下是渗碳体和珠光体的机械混合物Fe3C+-Fe(C)+Fe3C。室温下莱氏体保留了高温下共晶转变产物的形态特征，称为

7、低温莱氏体(Ld)，但组成相奥氏体已经发生了改变。4其他Fe3C、Fe3C 、Fe3C以及Fe3C（共析渗碳体）铁碳相图铁碳相图A3912A2770居里点A413941538-Fe600-FeC 0.0057% C Max 2.11%C Max 0.17%相中含-Fe铁素体-Fe 固溶体含C 600 0.008%；727 0.0218%奥氏体A固溶体含C 727 0.77%；1148 2.11%高温铁素体液态铁固态铁铁素体-Fe +渗碳体 Fe3C 机械混合物含C0.77% 珠光体P：+机械混合物莱氏体：奥氏体(A)滲碳體(Fe3C)A1共晶共晶奧氏奧氏體中含體中含C Max 0.77%室温下

8、：室温下：渗碳体(Fe3C)+珠光体(-Fe(C)+Fe3C)机械混合物低溫莱氏体C1148高温的顺磁性低温的铁磁性A2转变转变C Max 0.0218%（727 ） 相中含C Max 2.11%相中含727恒溫下轉變為珠光体A4Fe的熔点共晶奥氏体中不断析出二次渗碳体680600350230550珠光体索氏体托氏体上贝氏体下贝氏体马氏体333353铁碳 相&组织 与温度对应表1495各相&組織转变温度铁-碳相图上的A1、As、Acm,是钢在及其缓慢加热或冷却条件下的临界温度.实际生产中,加热和冷却的速度并非如此缓慢,因此实际组织转变的温度和相图所示的临界点A1、As、Acm之

9、间有一定的差距,偏离的温度一般随着加热和冷却的速度的增大而增大.这样钢的加热的临界点写成Ac1、Ac3、Accm；冷却时的临界点写成Ar1、Ar3、Arcm.它们的含义如下：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自由铁素体的温度.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渗碳体的温度.AC1：是共析钢的奥氏体化的临界温度，只有超过该温度才能够完全形成奥氏体 。这个温度是727度，对于不同的钢具有不同的数值，也就是铁碳相图中的PS

10、K线。AC3：是亚共析钢的奥氏体化的临界温度，只有超过该温度才能够完全形成奥氏体。这个温度对于不同成分的钢具有不同的数值，也就是铁碳相图中的GS线。ACCm：是过共析钢的奥氏体化的临界温度，只有超过该温度才能够完全形成奥氏体。这个温度对于不同成分的钢具有不同的数值，也就是铁碳相图中的ES线。Ms:为马氏体转变的起始温度,是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(临界驱动力)时的温度.Mf :为马氏体转变终了温度。马氏体转变开始温度(Ms)和终了温度(Mf)分别为353和333K 。1.珠光体A1到680摄氏度形成的珠光体,因为过冷度小,片间距较大, 称为粗珠光体,习惯上称为珠光体

11、用P表示 2.680到600摄氏度形成片间距较小的珠光体,这种奥氏体于连续冷却或者等温冷却转变时,过冷到珠光体转变温度区间的中部形成的,在光学显微镜下放大500到600倍才能分辨出其为铁素体薄层和碳化物薄层交替重叠的复相组织,称为细珠光体或索氏体,用S表示 3.在600到550摄氏度形成片间距极小的珠光体,总体上是一团黑而实际上却是很薄的铁素体和碳化物层交替重叠的复相组织,称细珠光体或托氏体,用T表示 4.贝氏体组织随着奥氏体成分和转变温度的不同有很多形态,对亚共析钢来说550到350摄氏度形成上贝氏体,在350到230摄氏度形成下贝氏体合金元素的影響影響分類影響分類具體說明具體說明1对加热时

12、相转变的影響合金元素影响加热时奥氏体形成的速度和奥氏体晶粒的大小。 A.对奥氏体形成速度的影响： Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素与碳的亲合力大, 形成难溶于奥氏体的合金碳化物, 显著减慢奥氏体形成速度；Co、Ni等部分非碳化物形成元素, 因增大碳的扩散速度, 使奥氏体的形成速度加快；Al、Si、Mn等合金元素对奥氏体形成速度影响不大。B.对奥氏体晶粒大小的影响：大多数合金元素都有阻止奥氏体晶粒长大的作用, 但影响程度不同。强烈阻碍晶粒长大的元素有：V、Ti、Nb、Zr等；中等阻碍晶粒长大的元素有：W、Mn、Cr等；对晶粒长大影响不大的元素有：Si、Ni、Cu等；促进晶粒长大的元素：Mn、

13、P等。 2对过冷奥氏体分解转变的影响除Co外, 几乎所有合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性, 推迟珠光体类型组织的转变, 使C曲线右移, 即提高钢的淬透性。常用提高淬透性的元素有：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等。必须指出, 加入的合金元素, 只有完全溶于奥氏体时, 才能提高淬透性。如果未完全溶解, 则碳化物会成为珠光体的核心, 反而降低钢的淬透性。另外, 两种或多种合金元素的同时加入(如, 铬锰钢、铬镍钢等), 比单个元素对淬透性的影响要强得多。 除Co、Al外, 多数合金元素都使Ms和Mf点下降。其作用大小的次序是：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。其中Mn的作用最强, Si实际上无影响。

14、Ms和Mf点的下降, 使淬火后钢中残余奥氏体量增多。残余奥氏体量过多时,可进行冷处理(冷至Mf点以下), 以使其转变为马氏体; 或进行多次回火, 这时残余奥氏体因析出合金碳化物会使Ms、Mf点上升, 并在冷却过程中转变为马氏体或贝氏体(即发生所谓二次淬火)。3对回火转变的影响提高回火稳定性 合金元素在回火过程中推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变(即在较高温度才开始分解和转变)， 提高铁素体的再结晶温度, 使碳化物难以聚集长大，因此提高了钢对回火软化的抗力, 即提高了钢的回火稳定性。提高回火稳定性作用较强的合金元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。Fe-C合金按照含碳量分类分类分类含碳量含碳

15、量備註備註钢0.0218%2.11%亚共析钢0.0218%0.77%共析钢0.77%过共析钢0.77%2.11%铸铁2.11%6.69%亚共晶铸铁2.11%4.3%共晶铸铁4.3%过共晶铸铁4.3%6.69%鋼分類分類內容說明內容說明1共析钢从反映钢的组织结构与钢的含碳量和钢的温度之间关系的铁碳平衡状态图上可见，当碳的含量正好等于0.77%时，即相当于合金中渗碳体(碳化铁)约占12%，铁素体约占88%时，该合金的相变是在恒温下实现的。即在这种特定比例下的渗碳体和铁素体，在发生相变时，如果消失两者同时消失(加热时)，如果出现则两者又同时出现，在这一点上这种组织与纯金属的相变类似。基于这个原因，人

16、们就把这种由特定比例构成的两相组织当作一种组织来看待，并且命名为珠光体，这种钢就叫做共析钢。即含碳量正好是0.77%的钢就叫做共析钢，它的组织是珠光体。2亚共析钢常用的结构钢含碳量大都在0.5%以下，由于含碳量低于0.77%，所以组织中的渗碳体量也少于12%，于是铁素体除去一部分要与渗碳体形成珠光体外，还会有多余的出现，所以这种钢的组织是铁素体+珠光体。碳含量越少，钢组织中珠光体比例也越小，钢的强度也越低，但塑性越好，这类钢统称为亚共析钢。3过共析钢工具用钢的含碳量往往超过0.77%，这种钢组织中渗碳体的比例超过12%，所以除与铁素体形成珠光体外，还有多余的渗碳体，于是这类钢的组织是珠光体+渗

17、碳体。这类钢统称为过共析钢。片狀珠光體球狀珠光體0.4%亞共析鋼組織钢的分类分类分类說明說明1冶炼方法根据冶炼方法和设备的不同，钢可分为平炉钢、转炉钢和电炉钢三大类，按所用炉衬材料的不同，每一大类又可分为碱性和酸性两类。但是目前大量生产的主要是碱性炉钢。2工艺方法(脱氧程度)A.脱氧钢：加入脱氧剂，如Mn铁、Si铁、 Al等，把钢水中多作的氧去掉。B.沸腾钢：只用Mn铁（价格低、脱氧效果差）脱氧，所以钢中含氧较多，浇注时，钢中氧与碳发生作用析出大量Co。因此钢水在钢模内呈沸腾现象，称沸腾钢。沸腾钢成材率高，成本低。但化学成份不均匀、偏析、杂质多。钢号最后用“F”表示。C.镇静钢：除用Mn铁，还

18、用Si铁（有时用Al)脱氧，钢中氧已很少，浇注时没有沸腾现象。镇静钢化学成分均匀，机械性能较好，但有缩孔，成本高。钢号后加“Z”。D.半镇静钢：脱氧程度在镇静钢与沸腾之间，性能也介于之间，钢号后加“b”。应用较少。3化学成分分为非合金钢、低合金钢和合金钢。（1）当Cr、Cu、Mo、Ni 四种元素，有其中两种、三种或四种无素同时规定在钢中时，对于低合金钢，应同时考虑，这些元素中每种元素的规定含量，所有这些元素的规定含量总和，应不大于规定的两种、三种或四种元素中每种元素最高界限值总和的70%。如果这些元素的规定含量总和大于规定的元素中每种元素最高界限值总和的70%，即使每种元素的规定含量低于规定的

19、最高界限值，也应划入合金钢。（2）本标准（1）条的原则也适用于Nb、Ti、V、Zr四种元素。4质量主要指钢中含杂质（主要指P、S等）和机械性能最低要求进行分类。分为普通碳素钢（含磷、硫较高）、优质碳素钢（含磷、硫较低）和高级优质钢（含磷、硫更低）和特级优质钢。5含C量把碳钢分为低碳钢（WC 0.25%）,中碳钢（WC0.25%0.6%）和高碳钢（WC0.6%）6用途按钢使用用途把钢分成结构钢(又分為工程构建钢和机器制造结构钢兩種)、工具钢和特殊用途钢。A.结构钢又分为工程结构钢和机械结构钢。工程结构钢主要是指用作建筑、铁路、桥梁、容器等工程构件用钢，这种钢制成构料大多不再进行热处理。机械结构钢

20、指机床、武器等另构件，构件大多要进行热处理。B.工具钢主要用来制造各种工具，如量具、刃具、模具，对工具钢制成的工具都要进行热处理。C.特殊用途钢是指制成的另构件在特殊条件下工作，对钢有特殊要求，如物理、化学、机械等性能。钢的综合分类由于钢的分类方法较多，在实际中按其化学成分、质量、用途进行综合分类。有关钢材机械性能的名词 名詞名詞說明說明1屈服点（s） 钢材或试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。 设Ps为屈服点s处的外力，Fo为试样断面积，则屈服点s =Ps/Fo(MPa)，MPa称为

21、兆帕等于N（牛顿）/mm2，（MPa=106Pa，Pa：帕斯卡=N/m2）2屈服强度（0.2）有的金属材料的屈服点极不明显，在测量上有困难，因此为了衡量材料的屈服特性，规定产生永久残余塑性变形等于一定值（一般为原长度的0.2%）时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度0.2 。3抗拉强度（b） 材料在拉伸过程中，从开始到发生断裂时所达到的最大应力值。它表示钢材抵抗断裂的能力大小。与抗拉强度相应的还有抗压强度、抗弯强度等。设Pb为材料被拉断前达到的最大拉力，Fo为试样截面面积，则抗拉强度b= Pb/Fo （MPa）。 4伸长率（s）材料在拉断后，其塑性伸长的长度与原试样长度的百分比叫伸长率或延伸

22、率。5屈强比（s/b）钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。屈强比越大，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75合金结构钢为0.84-0.86。 6硬度 硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。硬度分類分類說明說明1布氏硬度（HB）以一定的载荷（一般3000kg）把一定大小（直径一般为10mm）的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值（HB），单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。2

23、洛氏硬度（HR）当HB450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示： A.HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料（如硬质合金等）。 B.HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料（如退火钢、铸铁等）。 C.HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火钢等）。 3维氏硬度（HV）以120kg以

24、内的载荷和顶角为136的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值（HV）有關鋼的熱處理的名詞分类分类说明说明1钢的退火将钢加热到一定温度并保温一段时间，然后使它慢慢冷却，称为退火。钢的退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却的热处理方法。退火的目的，是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。所以退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续工序作好准备，故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理。2钢的正火正火是将钢加热到临界温度

25、以上，使钢全部转变为均匀的奥氏体，然后在空气中自然冷却的热处理方法。它能消除过共析钢的网状渗碳体，对于亚共析钢正火可细化晶格，提高综合力学性能，对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的。3钢的淬火淬火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后很快放入淬火剂中，使其温度骤然降低，以大于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏体为主的不平衡组织的热处理方法。淬火能增加钢的强度和硬度，但要减少其塑性。淬火中常用的淬火剂有：水、油、碱水和盐类溶液等。 4钢的回火将已经淬火的钢重新加热到一定温度，再用一定方法冷却称为回火。其目的是消除淬火产生的内应力，降低硬度和脆性，以取得预期的力学性能。回火分

26、高温回火、中温回火和低温回火三类。回火多与淬火、正火配合使用。A.调质处理：淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。高温回火是指在500-650之间进行回火。调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。B.时效处理：为了消除精密量具或模具、零件在长期使用中尺寸、形状发生变化，常在低温回火后（低温回火温度150-250）精加工前，把工件重新加热到100-150，保持5-20小时，这种为稳定精密制件质量的处理，称为时效。对在低温或动载荷条件下的钢材构件进行时效处理，以消除残余应力，稳定钢材组织和尺寸，尤为重要。 有關鋼的熱處理的名詞分类分类说明说明

27、1表面淬火将钢件的表面通过快速加热到临界温度以上，但热量还未来得及传到心部之前迅速冷却，这样就可以把表面层被淬在马氏体组织，而心部没有发生相变，这就实现了表面淬硬而心部不变的目的。适用于中碳钢。 分为：感应加热表面淬火，火焰加热表面淬火，激光加热表面淬火等。2化学热处理指将化学元素的原子，借助高温时原子扩散的能力，把它渗入到工件的表面层去，来改变工件表面层的化学成分和结构，从而达到使钢的表面层具有特定要求的组织和性能的一种热处理工艺。按照渗入元素的种类不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、氰化和渗金属法等四种。 A.渗碳：渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，

28、再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。 B.渗氮：又称氮化，是指向钢的表面层渗入氮原子的过程。其目的是提高表面层的硬度与耐磨性以及提高疲劳强度、抗腐蚀性等。目前生产中多采用气体渗氮法。 C.氰化：又称碳氮共渗，是指在钢中同时渗入碳原子与氮原子的过程。它使钢表面具有渗碳与渗氮的特性。 D.渗金属：是指以金属原子渗入钢的表面层的过程。它是使钢的表面层合金化，以使工件表面具有某些合金钢、特殊钢的特性，如耐热、耐磨、抗氧化、耐腐蚀等。生产中常用的有渗铝、渗铬、渗硼、渗硅等。 5.钢的表面热处理u 铁素体（铁素体（F或或）定义：碳溶于-Fe

29、中所形成的间隙固溶体 最大溶解度：0.0218%（727） 性能： b=180230MPa 0.2=100170MPa HBS=5080 =30%50% =70%80% ak=160200J/cm 2u奥氏体（奥氏体（A或或）定义：碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体（高温组织）最大溶解度：2.11%（1148） 性能： b400MPa HBS=170220 =40%50% 高塑性、无磁 奥氏体说明说明释义钢铁的一种层片状的显微组织， 通常是-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体，也称为沃斯田铁或-Fe。常用符号A表示。名称来自英国冶金学家罗伯茨奥斯汀（William Chandler Roberts-

30、Austen）特点奥氏体是在大于727高温下才能稳定存在的组织。奥氏体塑性好，是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织。奥氏体是没有磁性的。强度较低。组成成分奥氏体一般由等轴状的多边形晶粒组成，晶粒内有孪晶。在加热转变刚刚结束时的奥氏体晶粒比较细小，晶粒边界呈不规则的弧形。经过一段时间加热或保温，晶粒将长大，晶粒边界可趋向平直化。铁碳相图中奥氏体是高温相，存在于临界点A1温度以上，是珠光体逆共析转变而成。当钢中加入足够多的扩大奥氏体相区的化学元素时，Ni、Mn等，则可使奥氏体稳定在室温，如奥氏体钢。晶体结构奥氏体为保持Fe的面心立方晶格，八面体间隙较大，其溶碳能力较大在727时溶碳为c

31、0.77,1148时可溶碳2.11。碳氮等间隙原子均位于奥氏体晶胞八面体间隙中心，及面心立方晶胞的中心和棱边的中点。主要性能 奥氏体是最密排的点阵结构，致密度高，故奥氏体的体积质量比钢中铁素体、马氏体等相的体积质量小。因此，钢被加热到奥氏体相区时，体积收缩，冷却时，奥氏体转变为铁素体珠光体等组织时，体积膨胀，容易引起内应力和变形。 奥氏体的点阵滑移系多，故奥氏体的塑性好，屈服强度低，易于加工塑性成形。因此，钢锭，钢坯，钢材一般被加热到1100C以上奥氏体化，然后进行锻轧，塑性加工成材或加工成零部件。 一般钢中的奥氏体具有顺磁性，因此奥氏体钢可以作为无磁性钢。然而特殊成分的FeNi软磁合金，也具

32、有奥氏体组织，却具有铁磁性。 奥氏体导热性差，线膨胀系数大，比铁素体和渗碳体的平均线性膨胀系数高约一倍。故奥氏体钢可以用来制造热膨胀灵敏的仪表元件。在碳素钢中，铁素体，珠光体，马氏体，奥氏体和渗碳体的导热系数分别为77.1,51.9,29.3,14.6和4.2。可见，除渗碳体外，奥氏体的导热性最差，尤其是合金度较高的奥氏体钢更差，所以，厚钢件在热处理过程中应当缓慢冷却和加热，以减少温差热应力，避免开裂。奥氏体说明说明形成机理 共析钢奥氏体冷却到临界点A1以下温度时，存在共析反应：A-F+Fe3C。加热时发生逆共析反应：F+Fe3C-A。逆共析转变是高温下进行的扩散性相变，转变的全过程可以分为四

33、个阶段，即：奥氏体形核，奥氏体晶核长大，剩余渗碳体溶解，奥氏体成分相对均匀化。各种钢的奥氏体形核形成过程有一些区别，亚共析钢，过共析钢，合金钢的奥氏体化过程中除了奥氏体形成的基本过程外，还有先共析相的溶解，合金碳化物的溶解等过程。 奥氏体形成的热力学条件：必须存在过冷度或过热度T。1.奥氏体形核：奥氏体的形核位置通常在铁素体和渗碳体两相界面上，此外，珠光体领域的边界，铁素体嵌镶块边界都可以成为奥氏体的形核地点。奥氏体的形成是不均匀形核，复合固态相变的一般规律。 奥氏体的形核是扩散型相变，可在铁素体与渗碳体上形核，也可在珠光体领域的交界面上形核，还可以在原奥氏体晶核上形核。这些界面易于满足形核的

34、能量，结构和浓度3个涨落条件。2.奥氏体晶核的长大：加热到奥氏体相区，在高温下，碳原子扩散速度很快，铁原子和替换原子均能够充分扩散，既能够进行界面扩散，也能够进行体扩散，因此奥氏体的形成是扩散型相变。3.剩余碳化物溶解：铁素体消失后，在t1温度下继续保持或继续加热时，随着碳在奥氏体中继续扩散，剩余渗碳体不断向奥氏体中溶解。4.奥氏体成分均匀化：当渗碳体刚刚全部融入奥氏体后，奥氏体内碳浓度仍是不均匀的，只有经历长时间的保温或继续加热，让碳原子急性充分的扩散才能获得成分均匀的奥氏体。影响因素影响奥氏体形成速度的因素1. 加热温度加热温度：随加热温度的提高，原子扩散速率急剧加快，使得奥氏体化速度大大

35、增加，形成所需时间缩短。2.加热速度加热速度：加热速度越快，孕育期缩短，奥氏体开始转变温度和转变终了温度越高，转变终了所需时间越短。3.合金元素合金元素：钴、镍等加快过程；铬、钼、钒等减慢过程；硅、铝、锰等不影响奥氏体化过程。由于合金元素的扩散速度比碳慢得多，所以合金钢的热处理加热温度一般较高，保温时间更长。4.原始组织原始组织：原始组织中渗碳体为片状时奥氏体形成速度快，且渗碳体间距越小，转变速度越快，同时奥氏体晶粒中碳浓度梯度也大，所以长大速度更快。球化退火态的粒状珠光体，其相界面较少，因此奥氏体化最慢。奥氏体说明说明影响奥氏体晶粒长大的因素1.加热温度和保温时间：加热温度和保温时间：由于奥

36、氏体晶粒长大与原子扩散有密切关系，所以随着温度愈高，或在一定温度下，保温时间越长，奥氏体晶粒也越粗大。2.加热速度：加热速度：加热温度相同时，加热速度越快，过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，形核率的增加大于长大速度，使奥氏体晶粒越细小。生产上常采用快速加热短时保温工艺来获得超细化晶粒。3.钢的化学成分：钢的化学成分：在一定的含碳量范围内，奥氏体中碳含量增高，晶粒长大倾向增大。C%高，C在奥氏体中的扩散速度以及Fe的自扩散速度均增加，奥氏体晶粒长大倾向增加，但C%超过一定量时，由于形成Fe3C，阻碍奥氏体晶粒长大。钢中加入钛、钒、铌、锆、铝等元素，有利于得到本质细晶粒钢，因为碳化物、氧化物和

37、氮化物弥散分布在晶界上，能阻碍晶粒长大。锰和磷促进晶粒长大。强碳化物形成元素Ti、Zr、V、W、Nb等熔点较高，它们弥散分布在奥氏体中阻碍奥氏体晶粒长大；非碳化物形成元素Si、Ni等对奥氏体晶粒长大影响很小。4.原始组织：原始组织：钢的原始组织越细，碳化物弥散度越大，则奥氏体晶粒越细小。应用领域奥氏体不锈钢是不锈钢类中钢种最多、使用量最大的一种（约占整个不锈钢产量的 6570%）。最常用的奥氏体不锈钢是 Fe-Cr-Ni 系合金（即美国的 AISI300 系）；Fe-Cr-Ni-Mn 系（即美国 AISI200 系）；特殊奥氏体不锈钢等三种其他过冷奥氏体：共析钢过冷到A1温度（727）以下 ，

38、奥氏体在热力学上处于不稳定状态，在一定条件下会发生分解转变，这种在A1以下存在的且不稳定的、将要发生转变的奥氏体就是过冷奥氏体。残余奥氏：在Ms线（230度）以下还没有转变的过冷奥氏体【注：Ms线（230）以下的是托氏体、马氏体和残余奥氏体的混合组织】奥氏体形成的四个阶段A形核形核 A晶核晶核长大长大 剩余剩余Fe3C溶解溶解 A均匀化均匀化未溶未溶Fe3C未溶未溶Fe3C奥氏体行成动力学分类分类说明说明等温形成动力学等温形成动力学即在一定温度下的转变量和转变时间的关系（即在一定温度下的转变速度）A.奥氏体等温形成动力学的分析（1）奥氏体的形核率（2）奥氏体晶体的长大速度GB.影响奥氏体形成速

39、度的因素（1）温度（2）碳含量（3）原始组织的影响（4）合金元素的影响连续加热形成动力学实验表明连续加热时奥氏体形成的基本过程和等温转变相似，也是由奥氏体的形核、长大、残留碳化物溶解和奥氏体成分均匀化四个阶段组成。奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度概念晶粒度是表示晶粒大小的一种尺度。分为起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度。影响因素1.加热温度和保温时间2.加热速度3.钢的含碳量的影响4.脱氧剂及合金元素过冷奥氏体行成动力学分类分类说明说明冷却条件1.平衡冷却2.非平衡冷却 A.等温冷却等温冷却 B.恒速冷却恒速冷却 C.变速冷却变速冷却过冷奥氏体的等温转变曲线稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过冷奥氏体区过冷

40、奥氏体区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线 A +产产 物物 区区产物区产物区A1550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变; P 转变区。转变区。550230;中温转变中温转变区区; 半扩散型转变半扩散型转变; 贝氏体贝氏体( B ) 转变区转变区;230 - 50; 低温转低温转变区变区; 非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体 ( M ) 转变区。转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf等温转变曲线可综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下的等温转变过程：转变开始和转变终了

41、时间、转变产物的类型以及转变量与时间、温度之间的关系等。因其形状通常像英文字母“C”，故俗称其为C曲线，亦称为TTT 图。过冷奥氏体的等温转变曲线说明说明奥氏体等温转变奥氏体等温转变图的特点图的特点1、过冷奥氏体在不同温度等温分解都有一个孕育期。、过冷奥氏体在不同温度等温分解都有一个孕育期。2、在不同温度下等温具有不同的转变产物。、在不同温度下等温具有不同的转变产物。影响奥氏体等温影响奥氏体等温转变图的因素转变图的因素 1、化学成分、化学成分 （1）碳含量的影响）碳含量的影响 （2）合金元素的影响）合金元素的影响2、奥氏体晶粒尺寸的影响、奥氏体晶粒尺寸的影响3、原始组织、加热温度和保温时间的影

42、响、原始组织、加热温度和保温时间的影响4、塑性变形的影响、塑性变形的影响共析碳钢的等温和连续冷却转变图的比较共析碳钢的等温和连续冷却转变图的比较马氏体说明说明释义马氏体(martensite)是黑色金属材料的一种组织名称，是碳在-Fe中的过饱和固溶体。最先由德国冶金学家 Adolf Martens(1850-1914)于19世纪90年代在一种硬矿物中发现。中高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组织。高的强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之一。发展历史19世纪90年代最先由德国冶金学家阿道夫马滕斯（Adolf Martens，1850-1914）于在一种硬矿物中发现。马氏体最初是在钢（中、高碳钢）中发

43、现的：将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。1895年法国人奥斯蒙（F.Osmond）为纪念德国冶金学家马滕斯（A.Martens），把这种组织命名为马氏体(Martensite)。人们最早只把钢中由奥氏体转变为马氏体的相变称为马氏体相变。20世纪以来，对钢中马氏体相变的特征累积了较多的知识，又相继发现在某些纯金属和合金中也具有马氏体相变，如：Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。目前广泛地把基本特征属马氏体相变型的

44、相变产物统称为马氏体（见固态相变）。特点马氏体转变同样是在一定温度范围内（Ms-Mz）连续进行的，当温度达到Ms点以下，立即有部分奥氏体转变为马氏体。板条状马氏体有很高的强度和硬度，较好的韧性，能承受一定程度的冷加工；针状马氏体又硬又脆，无塑性变形能力。马氏体转变速度极快，转变时体积产生膨胀，在钢丝内部形成很大的内应力，所以淬火后的钢丝需要及时回火，防止应力开裂。高的强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之一，同时马氏体的脆性也比较高。组成成分马氏体的三维组织形态通常有片状(plate)或者板条状(lath)，片状马氏体在金相观察中（二维）通常表现为针状（needle-shaped），这也是为什么在

45、一些地方通常描述为针状、竹叶状的原因，板条状马氏体在金相观察中为细长的条状或板状。中低碳钢（奥氏体中含碳量0.2%）淬火获得板条状马氏体，板条状马氏体是由许多束尺寸大致相同，近似平行排列的细板条组成的组织，各束板条之间角度比较大；高碳钢（含碳量1%）淬火获得针状马氏体，针状马氏体呈竹叶或凸透镜状，针叶一般限制在原奥氏体晶粒之内，针叶之间互成60或120角。晶体结构马氏体的三维组织形态通常有片状(plate)或者板条状(lath)，但是在金相观察中（二维）通常表现为针状（needle-shaped），这也是为什么在一些地方通常描述为针状的原因。马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT），中高碳钢中

46、加速冷却通常能够获得这种组织。马氏体说明说明主要性能马氏体是强化钢件的重要手段，而且一般认为，马氏体是一种硬而脆的组织，尤其是高碳片状马氏体。要想提高淬火钢的塑性和韧性，必须用提高回火温度的方法，牺牲部分强度而换取韧性，就是说强度和塑性很难兼得。但是近年来的研究工作表明，这种观点只是适用于片状马氏体，而板条状马氏体不是这样，板条状马氏体不但具有很高的强度而且具有良好的塑性和韧性，同时还具有低的脆性转变温度，其缺口敏感性和过载敏感性都较低。形成机理1.马氏体由奥氏体急速冷却（淬火）形成，这种情况下奥氏体中固溶的碳原子没有时间扩散出晶胞。当奥氏体到达马氏体转变温度（Ms）时，马氏体转变开始产生，母

47、相奥氏体组织开始不稳定。在Ms以下某温度保持不变时，少部分的奥氏体组织迅速转变，但不会继续。只有当温度进一步降低，更多的奥氏体才转变为马氏体。最后，温度到达马氏体转变结束温度Mf，马氏体转变结束。马氏体还可以在压力作用下形成，这种方法通常用在硬化陶瓷上（氧化钇、氧化锆）和特殊的钢种（高强度、高延展性的钢）。因此，马氏体转变可以通过热量和压力两种方法进行。2.马氏体和奥氏体的不同在于，马氏体是体心正方结构，奥氏体是面心立方结构。奥氏体向马氏体转变仅需很少的能量，因为这种转变是无扩散位移型的，仅仅是迅速和微小的原子重排。马氏体的密度低于奥氏体，所以转变后体积会膨胀。相对于转变带来的体积改变，这种变

48、化引起的切应力、拉应力更需要重视。3.马氏体在Fe-C相图中没有出现，因为它不是一种平衡组织。平衡组织的形成需要很慢的冷却速度和足够时间的扩散，而马氏体是在非常快的冷却速度下形成的。由于化学反应（向平衡态转变）温度高时会加快，马氏体在加热情况下很容易分解。这个过程叫做回火。在某些合金中，加入合金元素会减少这种马氏体分解。比如，加入合金元素钨，形成碳化物强化机体。由于淬火过程难以控制，很多淬火工艺通过淬火后获得过量的马氏体，然后通过回火去减少马氏体含量，直到获得合适的组织，从而达到性能要求。马氏体太多将使钢变脆，马氏体太少会使钢变软。硬度和强度钢中马氏体机械性能的显著特点是具有高硬度和高强度。马

49、氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳质量分数。马氏体的硬度随质量分数的增加而升高，当含碳质量分数达到0.6%时，淬火钢硬度接近最大值，含碳质量分数进一步增加，虽然马氏体的硬度会有所提高，但由于残余奥氏体数量增加，反而使钢的硬度有所下降。合金元素对钢的硬度关系不大，但可以提高其强度。马氏体说明说明硬度和强度马氏体具有高硬度和高强度的原因是多方面的，其中主要包括固溶强化、相变强化、时效强化以及晶界强化等。1.固溶强化。首先是碳对马氏体的固溶强化。过饱的间隙原子碳在a相晶格中造成晶格的正方畸变，形成一个强烈的应力场。该应力场与位错发生强烈的交换作用，阻碍位错的运动从而提高马氏体的硬度和强度。2.相变强化

50、。其次是相变强化。马氏体转变时，在晶格内造成晶格缺陷密度很高的亚结构，如板条马氏体中高密度的位错、片状马氏体中的孪晶等，这些缺陷都阻碍位错的运动，使得马氏体强化。这就是所谓的相变强化。实验证明，无碳马氏体的屈服强度约为284Mpa,此值与形变强化铁素体的屈服强度很接近，而退火状态铁素体的屈服强度仅为98137Mpa，这就说明相变强化使屈服强度提高了147186MPa3.时效强化。时效强化也是一个重要的强化因素。马氏体形成以后，由于一般钢的点Ms大都处在室温以上，因此在淬火过程中及在室温停留时，或在外力作用下，都会发生自回火。即碳原子和合金元素的原子向位错及其它晶体缺陷处扩散偏聚或碳化物的弥散析

51、出，钉轧位错，使位错难以运动，从而造成马氏体的时效强化。4.原始奥氏体晶粒大小及板条马氏体束大小对马氏体强度的影响。原始奥氏体晶粒大小及板条马氏体束的尺寸对马氏体强度也有一定影响。原始奥氏体晶粒越细小、马氏体板条束越小，则马氏体强度越高。这是由于相界面阻碍位错的运动造成的马氏体强化。塑性和韧性 马氏体的塑性和韧性主要取决于马氏体的亚结构。片状马氏体具有高强度高硬度，但韧性很差，其特点是硬而脆。在具有相同屈服强度的条件下，板条马氏体比片状马氏体的韧性好很多，即在具有较高强度、硬度的同时，还具有相当高的韧性和塑性。 其原因是由于在片状马氏体中孪晶亚结构的存在大大减少了有效滑移系；同时在回火时，碳化

52、物沿孪晶不均匀析出使脆性增大；此外，片状马氏体中含碳质量分数高，晶格畸变大，淬火应力大，以及存在大量的显微裂纹也是其韧性差的原因。而板条马氏体中含碳质量分数低，可以发生“自回火”，且碳化物分布均匀；其次在胞状位错亚结构中位错分布不均匀，存在低密度位错区，为位错提供了活动余地，由于位错运动能缓和局部应力集中。马氏体说明说明应用领域马氏体不锈钢 马氏体不锈钢能在退火、和硬化与回火的状态下焊接，无论钢材的原先状态如何，经过焊接后都会在邻近焊道处产生一硬化的马氏体区，热影响区的硬度主要是取决于母材金属的碳含量，当硬度增加时，则韧性减少，且此区域变成较易产生龟裂、预热和控制层间温度，是避免龟裂的最有效方

53、法，为得最佳的性质，需焊后热处理。马氏体不锈钢是一类可以通过热处理（淬火、回火）对其性能进行调整的不锈钢，通俗地讲，是一类可硬化的不锈钢。这种特性决定了这类钢必须具备两个基本条件：一是在平衡相图中必须有奥氏体相区存在，在该区域温度范围内进行长时间加热，使碳化物固溶到钢中之后，进行淬火形成马氏体，也就是化学成分必须控制在或+相区，二是要使合金形成耐腐蚀和氧化的钝化膜，铬含量必须在10.5%以上。按合金元素的差别，可分为马氏体铬不锈钢和马氏体铬镍不锈钢。 马氏体铬不锈钢的主要合金元素是铁、铬和碳。图1-4是Fe-Cr系相图富铁部分，如Cr大于13%时，不存在相，此类合金为单相铁素体合金，在任何热处

54、理制度下也不能产生马氏体，为此必须在内Fe-Cr二元合金中加入奥氏体形成元素，以扩大来说，C、N是有效元素，C、N元素添加使得合金允许更高的铬含量。在马氏体铬不锈钢中，除铬外，C是另一个最重要的必备元素，事实上，马氏体铬不锈耐热钢是一类铁、铬、碳三元合金。当然，还有其他元素，利用这些元素，可根据Schaeffler图确定大致的组织。马氏体分级淬火将奥氏体化工件先浸入温度稍高或稍低于钢的马氏体点的液态介质（盐浴或碱浴）中，保持适当的时间，待钢件的内、外层都达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺，也称分级淬火。分级淬火由于在分级温度停留到工件内外温度一致后空冷，所以能有效地减少相变应力

55、和热应力，减少淬火变形和开裂倾向。分级淬火适用于对于变形要求高的合金钢和高合金钢工件，也可用于截面尺寸不大、形状复杂地碳素钢工件。 马氏体与奥氏体有什么不同？马氏体和奥氏体都是钢在热处理过程中的一种组织形态。奥氏体的代号： ，面心立方结构，碳在-Fe中的间隙固溶体，最大溶碳量2.11%（1148C）。共析成分的奥氏体快速（冷速大于淬火临界冷速）过冷到马氏体转变区内，发生马氏体转变，在马氏体转变过程中，只发生铁的晶格重构，铁和碳原子不发生扩散，不产生浓度变化，仅由面心立方晶格变成体心立方晶格，故马氏体与奥氏体具有同样的化学成分。但是，由于马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体，故强度和硬度很高。马氏

56、体可以是钢在正常室温下的一种组织形态，但奥氏体只是加热过程中的一种组织形态，以不同的速度降温，可得到不同的组织形态，并不是只有马氏体一种。马氏体有硬度，而奥氏体因为是热态下的形态，所以奥氏体没有硬度。奥氏体是在大于727高温下才能稳定存在的组织。奥氏体塑性好，是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织。奥氏体是没有磁性的。 u 渗碳体（渗碳体（FeFe3 3C C）定义：Fe 与 C 所形成的金属化合物性能：b30MPa HBS=800 0 0 硬而脆（耐磨性好） Fe3C 3Fe+C（石墨）晶格结构：简单六方为单相组织，复杂晶格，含碳为单相组织，复杂晶格，含碳6.69%高温 渗碳体（渗

57、碳体（FeFe3 3C C）分类分类说明说明1一次渗碳体是从液态结晶时产生的，一般是较大的条块状，其大小和多少随合金的成份和冷却速度而定，在过共晶铁碳合金中常见到。这是一种金属间化合物，非金属的性质很明显，性能是硬而脆的，也就是常讲的Fe3C。生产中可通过长时间的高温扩散退火来进行消除。2二次渗碳体在降温时因含碳量变化从奥氏体中而沿晶界析出的，多在过共析钢中出现，一般都是呈网状，由于对性能的影响不利，常可通过正火来打断二次渗碳体网，以改善性能。3三次渗碳体是在降温时因含碳量变化从铁素体中而沿晶界析出的，在各种钢中都可能出现，只是因为铁素体的碳溶解度变化不大，不易被发现，一般也是呈网状或断续网状

58、。在多数钢中对性能的影响不大，但在低碳钢中有时会因三次渗碳体的出现使塑性下降很多，影响冲压、冷镦等到加工，这时可在加热到AC1以上然后的快速冷却来消除，也可用等温球化退火来处理使之球化。u 珠光体（珠光体（P）定义：F与 Fe3C 所形成的机械混合物（平均含碳量：0.77%）性能：b750MPa HBS=180 20%25% ak=3040J/cm 2。性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。珠光体说明说明释义珠光体是由奥氏体发生共析转变同时析出的，铁素体与渗碳体片层相间的组织，是铁碳合金中最基本的五种组织之一。代号为P。是由发现者名字命名。特点强度较高，硬度适中，塑性和

59、韧性较好组成成分经2-4%硝酸酒精溶液浸蚀后，当放大倍数较高时可以清晰地看到珠光体中平行排列分布的宽条铁素体和窄条渗碳体;当放大倍数较低时,珠光体中的渗碳体只能看到一条黑线;而当放大倍数继续降低或珠光体变细时,珠光体的层片状结构就不能分辨了,此时珠光体呈黑色的一团。晶体结构其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替叠压的层状复相物，也称片状珠光体。含碳量c=0.77%。在珠光体中铁素体占88%,渗碳体占12%,由于铁素体的数量大大多于渗碳体,所以铁素体层片要比渗碳体厚得多.在球化退火条件下,珠光体中的渗碳体也可呈粒状,这样的珠光体称为粒状珠光体。分类 奥氏体化温度、转变前奥氏体晶粒大小，只影响珠光体团

60、的大小，对片层间距无影响。片状珠光体根据片间距的大小不同，可以分成珠光体、索氏体、托氏体三类。 在A1650温度范围内形成一般所谓的片状珠光体P，在光学显微镜下能明显分辨出铁素体和渗碳体层片状组织形态的珠光体，其片间距大约为150450nm。在光学显微镜下能够明显分辨出片层的珠光体，其片间距约为150450nm。在650600温度范围内形成的珠光体，其片间距较小，约为80150n m，只有在高倍的光学显微镜下(放大8001500倍时)才能分辨出铁素体和渗碳体的片层形态，这种片状珠光体称为索氏体S。片间距为80150nm时，称为索氏体，其片层在光学显微镜下难以分辨。在600550温度范围内形成的珠光体，其片间距极细，约为3080n