材料的结构组织与性能4

1、材料学院材料学院 材料的结构组织与性能（四）（四） 钢的非平衡组织钢的非平衡组织 FeC相图是在缓慢冷却条件下指导分析相变的图形，其获得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。织变化。实际上，同样成分的钢加热到实际上，同样成分的钢加热到奥氏体温度奥氏体温度后再以不同冷后再以不同冷却速度冷却，其性能相差很大。却速度冷却，其性能相差很大。 下面以共析钢为例：下面以共析钢为例：奥氏体化后的钢奥氏体化后的钢炉冷炉冷HRC10 空冷空冷HRC20风冷风冷HRC30水冷水冷HRC

2、60冷却方式冷却方式b(Kg/MM2)s(Kg/MM2)(%)(%)HRC炉冷炉冷53.228.132.549.31015空冷空冷677234.0151845501824淬油淬油9062.01820484050淬水淬水11072781214526045钢在不同介质中冷却后的机械性能钢在不同介质中冷却后的机械性能 钢在加热时的相变钢在加热时的相变 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平衡组织的工艺叫“热处理热处理” 。热处理通常是由加热、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保温和冷却三个阶段组成的。加热

3、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。通常期望的组织和性能。通常把钢加热到奥氏体温度，使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之转变成奥氏体的过程称为钢的“奥氏体化奥氏体化”。奥氏。奥氏体化是通过体化是通过“热处理热处理”使钢的组织发生变化的基础。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，

4、研究钢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。力、保证热处理产品质量有重要意义。 A3 Arcm Acm Accm Ar3 溫度 C% Ac3 Ar1 A1 Ac1 碳鋼的臨界點在碳鋼的臨界點在Fe-Fe3C狀態圖上的位置狀態圖上的位置奥氏体化的温度奥氏体化的温度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

5、始温度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图中各符号含义如下:奥氏体化的过程奥氏体化的过程 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，以上温度时，珠光体转变为奥氏体。这种相

6、变可用下式表示：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。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，奥氏体形核，奥氏体晶核长大，奥氏体晶核长大，剩余渗碳体的溶解，剩余渗碳体的溶解，奥氏体成分的均匀化，奥氏体成分的均匀化， 共析鋼奥氏体的形成過程示意圖共析鋼奥氏体的形成過程示意圖 钢在冷却时的相变钢在冷却时的相变 钢从奥氏体状态冷却的过

7、程是热处理的关键工序，因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，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。实际意义。 在实际热处理过程中，常用的冷却方式有两种：一在实际热处理过程中，常用的冷却方式有两种：一是是连续冷却连续冷却，即将钢件以一定的冷却速率从高温一直连续，即将钢件以一定的冷却速率从高温一直连续冷却至室温冷却至室温

8、。在连续冷却过程中完成的组织相变，称为连。在连续冷却过程中完成的组织相变，称为连续冷却相变；二是续冷却相变；二是恒温冷却恒温冷却，即将钢件迅速冷到临界点以，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下某一温度，恒温保持一定时间后再冷至室温。在保温过。在保温过程中完成的组织相变，称为恒温相变。程中完成的组织相变，称为恒温相变。 温温度度时间时间连续冷却连续冷却恒温冷却恒温冷却过冷奥氏体的恒温转变曲线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不稳定相。常把临界点以下存在

9、且不稳定的奥氏体称为称为“过冷奥氏体过冷奥氏体”。描述过冷奥氏体描述过冷奥氏体恒温冷却恒温冷却时时的的温度温度-时间时间-相变曲线相变曲线称为称为恒温冷却转变曲线恒温冷却转变曲线（time-temperature-transformation curve），简称），简称TTT曲线。因其形状像英文字母曲线。因其形状像英文字母“C”，故又称，故又称C曲曲线线， 共共析析鋼鋼C曲曲綫綫測測定定原原理理示示意意圖圖共共析析钢钢的的C曲曲线线共共析析钢钢的的C曲曲线线及及非非平平衡衡组组织织珠光体（珠光体（P）索氏体（索氏体（S）屈氏体（屈氏体（T）上贝氏体（上贝氏体（BS）下贝氏体（下贝氏体（Bu）马

10、氏体（马氏体（M） 奥氏体恒温相变过程及相变产物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，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。当奥氏体过冷到如图所示。当奥氏体过冷到A1560之间的某一温度保温时，首先在奥氏体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

11、造了条件，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，结晶核便在结晶核便在Fe3C两侧形成，这样就形成了一个珠光体结晶核。两侧形成，这样就形成了一个珠光体结晶核。的长大使周围奥氏体中的长大使周围奥氏体中含碳量升高，这又为产生新的含碳量升高，这又为产生新的Fe3C片创造了条件。随着片创造了条件。随着Fe3C的长大，又产生的长大，又产生新的新的片，如此反复进行，便形成了片，如此反复进行，便形成了与与Fe3C片层相间的珠光体群落（片层相间的珠光体群落（pealite colony）。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）。与此同时又有新的珠光体结晶核形成并长大，直到各个

12、珠光体群落彼此相接触、奥氏体完全消失，相变便告结束。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。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（按片层间距，珠光体类组织习惯上分为珠光体（P）、）、索氏体索氏体（sobite）（）（S） 、和、和屈氏体屈氏体（troostite）（）（T）。）。它们并无本质区别，也没有严格界限，只是形态上不同。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，珠光体珠光体较粗，索氏体较细，屈氏体最细。显然，

13、珠光体片层越细，其强度、硬度越高，同时延展性、韧性也有片层越细，其强度、硬度越高，同时延展性、韧性也有所增加。所增加。 珠光体类珠光体类P： d 0.3mS： 0.1 d 0.3m T： d Vk马氏体的形态特征和性能特征马氏体的形态特征和性能特征1、形态特征：、形态特征：M一般不超过一般不超过A晶界，因此晶界，因此A晶粒越细小晶粒越细小M也越也越细小；细小；低碳钢和中碳钢多为板条状马氏体，在电镜下可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；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

14、上可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；看到大量微细孪晶，故又叫孪晶马氏体；12CrNr2钢淬火马钢淬火马氏体形貌氏体形貌（淬火温（淬火温度度1050）x800 板条状马板条状马氏体氏体板条马氏体板条马氏体60Si2Mn钢淬火钢淬火 含碳含碳1.70，Cr0.50，Si1.35，Mn0.75的钢，自的钢，自1100淬水，淬水，白色针状者为白色针状者为针状马氏体针状马氏体，灰色背景为残余奥氏体，灰色背景为残余奥氏体 针状马氏体针状马氏体怎样区分针状马氏体与下贝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在一个奥氏

15、体晶粒内下贝氏体则不一定;针状马氏体针叶之间往往呈针状马氏体针叶之间往往呈60或或120度，下贝氏体无一定度数度，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,下贝下贝氏体针叶随机分布象竹叶一样交叉穿透氏体针叶随机分布象竹叶一样交叉穿透.2、性能特征：、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：马氏体的硬度很高，其与含碳量有密切关系，二者关系如图：由于塑性太差由于塑性太差,马马氏体的强度不能氏体的强度不能充分发挥充分发挥高碳马氏体具有极高的硬度高碳马氏体具有极高的硬度,但塑性和韧性极差，没有工

16、程使但塑性和韧性极差，没有工程使用价值，多含有微裂纹用价值，多含有微裂纹;低碳马氏体硬度较高碳马氏体低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。但强度较高具有一定的韧性。硬硬度度C含量含量珠光体（珠光体（P）索氏体（索氏体（S）屈氏体（屈氏体（T）上贝氏体（上贝氏体（BS）下贝氏体（下贝氏体（Bu）马氏体（马氏体（M）V1V2V3V4试分析试分析图中图中4种不同种不同冷却速冷却速度所得度所得到的组到的组织织V1：PV2：SV3：STB上上B下下MAV4：MA连杆沿截面受均匀的拉应力作连杆沿截面受均匀的拉应力作用，要求界面组织均匀一致。用，要求界面组织均匀一致。轴颈要求耐磨，只需表

17、面硬轴颈要求耐磨，只需表面硬不同的不同的服役条服役条件下工件下工作，工作，工件截面件截面受力亦受力亦不同，不同，故组织故组织也应不也应不同。同。VkV淬透淬透层层实际工件的冷却速度沿工件径向变慢实际工件的冷却速度沿工件径向变慢冷冷却却速速度度Vk合金元素使合金元素使CCT曲线鼻尖温度右移曲线鼻尖温度右移在结构钢中，加入合金元素的主要目的是为了提高钢的淬透性。在结构钢中，加入合金元素的主要目的是为了提高钢的淬透性。注注:不不同同的的钢钢具具有有不不同同形形状状的的C曲曲线线(a) 亞共析鋼亞共析鋼 (b)共析鋼共析鋼 (c) 過共析鋼過共析鋼亞共析鋼、共析鋼及過共析鋼的亞共析鋼、共析鋼及過共析鋼

18、的C曲綫比較曲綫比較 回回 火火 回火是将回火是将淬火钢淬火钢重新加热至重新加热至A1点以下某一温度，保温一定点以下某一温度，保温一定时间后，以适当的方式冷却至室温的热处理工艺时间后，以适当的方式冷却至室温的热处理工艺回火的目的回火的目的 1、稳定组织：回火是紧接淬火的一道工艺。如前所述，在淬、稳定组织：回火是紧接淬火的一道工艺。如前所述，在淬火过程中，钢中的过冷奥氏体转变为马氏体，并有部分残余奥氏火过程中，钢中的过冷奥氏体转变为马氏体，并有部分残余奥氏体。马氏体和奥氏体都极不稳定，在使用过程中会发生转变，引体。马氏体和奥氏体都极不稳定，在使用过程中会发生转变，引起工件尺寸和形状的变化。起工件

19、尺寸和形状的变化。 2、淬火钢的硬度高、脆性大，具有较大的内应力，不宜直接、淬火钢的硬度高、脆性大，具有较大的内应力，不宜直接使用。回火的目的就是减少或消除内应力，提高钢的韧性和延展使用。回火的目的就是减少或消除内应力，提高钢的韧性和延展性；性； 3、保证相应的组织转变，选择不同的回火温度，获得硬度、保证相应的组织转变，选择不同的回火温度，获得硬度、强度、延展性和韧性的适当配合，以满足不同工件的性质要求强度、延展性和韧性的适当配合，以满足不同工件的性质要求。淬火钢回火时组织和性质的变化淬火钢回火时组织和性质的变化 (1) 组织变化组织变化 一般来说，随回火温度的升高，淬火钢的组织变化可分为四个

20、阶段，一般来说，随回火温度的升高，淬火钢的组织变化可分为四个阶段，现以共析钢为例来加以分析。现以共析钢为例来加以分析。 第一阶段（第一阶段（80200），为马氏体分解阶段。），为马氏体分解阶段。在淬火马氏体基体上在淬火马氏体基体上析出薄片状细小析出薄片状细小碳化物（分子式为碳化物（分子式为Fe2.4C，密排六方晶格），密排六方晶格）,马氏体中碳马氏体中碳的过饱和度降低但仍为碳在的过饱和度降低但仍为碳在-Fe中的过饱和固溶体，通常把这种过饱和中的过饱和固溶体，通常把这种过饱和+碳化物的组织称为碳化物的组织称为回火马氏体回火马氏体（tempered martensite）。在此过程中，）。在此过程

21、中，内应力逐渐减小。内应力逐渐减小。 第二阶段（第二阶段（200300），残余奥氏体分解为过饱和），残余奥氏体分解为过饱和+碳化物。碳化物。 第三阶段（第三阶段（250400），马氏体分解完成。），马氏体分解完成。中的含碳量降低到正中的含碳量降低到正常饱和状态，常饱和状态，碳化物转变为极细的颗粒状渗碳体。在此过程中，内应力碳化物转变为极细的颗粒状渗碳体。在此过程中，内应力大大降低。大大降低。 第四阶段（第四阶段（400以上），渗碳体颗粒聚集长大并形成球状，铁素体以上），渗碳体颗粒聚集长大并形成球状，铁素体发生回复、再结晶。发生回复、再结晶。 由以上分析可知由以上分析可知,回火温度不同，钢的组织

22、也不同。回火温度不同，钢的组织也不同。在在300以下回火以下回火时，得到由具有一定过饱和度的时，得到由具有一定过饱和度的与与碳化物组成的碳化物组成的回火马氏体回火马氏体组织组织，可，可用用M回回表示。回火马氏体易腐蚀为黑色针叶状，但其硬度与淬火马氏体表示。回火马氏体易腐蚀为黑色针叶状，但其硬度与淬火马氏体相近。相近。在在300500范围内回火时，得到由针叶状铁素体与极细小的颗范围内回火时，得到由针叶状铁素体与极细小的颗粒状渗碳体组成的粒状渗碳体组成的回火屈氏体回火屈氏体组织组织，可用，可用T回回表示。回火屈氏体的硬度表示。回火屈氏体的硬度虽比回火马氏体低，但因渗碳体极细小，铁素体只发生回复过程

23、而未再虽比回火马氏体低，但因渗碳体极细小，铁素体只发生回复过程而未再结晶，仍保持针叶状，故仍具有较高的硬度和强度，特别是具有较高的结晶，仍保持针叶状，故仍具有较高的硬度和强度，特别是具有较高的弹性极限和屈服强度以及一定的延展性和韧性。弹性极限和屈服强度以及一定的延展性和韧性。在在500600范围内回范围内回火时，得到由等轴状铁素体与球状渗碳体组成的火时，得到由等轴状铁素体与球状渗碳体组成的回火索氏体回火索氏体组织组织，可用，可用S回回表示。由于渗碳体颗粒聚集长大并球化及铁素体再结晶，故与回火屈表示。由于渗碳体颗粒聚集长大并球化及铁素体再结晶，故与回火屈氏体相比，氏体相比，S回回的硬度和强度较低

24、，而延展性和韧性较高。的硬度和强度较低，而延展性和韧性较高。 应当注意，经淬火、回火得到的回火屈氏体、回火索氏体，与由奥应当注意，经淬火、回火得到的回火屈氏体、回火索氏体，与由奥氏体直接转变而来的屈氏体、索氏体，都是铁素体和渗碳体的混合物，氏体直接转变而来的屈氏体、索氏体，都是铁素体和渗碳体的混合物，但两者相比，在强度、硬度相同时，前者的延展性、韧性更好。原因是但两者相比，在强度、硬度相同时，前者的延展性、韧性更好。原因是回火组织中的渗碳体呈球状，而由奥氏体直接转变而来的屈氏体、索氏回火组织中的渗碳体呈球状，而由奥氏体直接转变而来的屈氏体、索氏体中的渗碳体呈片状。体中的渗碳体呈片状。 (2)

25、性能变化性能变化 淬火钢经不同温度回火后，其机械性质与回火温度的关系如淬火钢经不同温度回火后，其机械性质与回火温度的关系如图所示。由图可见，随回火温度升高，钢的硬度、强度降低，而图所示。由图可见，随回火温度升高，钢的硬度、强度降低，而延展性、韧性升高。可见，欲使钢具备所需性质，必须正确选择延展性、韧性升高。可见，欲使钢具备所需性质，必须正确选择回火温度。回火温度。(a)不同含碳量鋼的硬度變化不同含碳量鋼的硬度變化 (b)含碳含碳0.35%鋼的各種機械性質變化鋼的各種機械性質變化鋼的機械性質隨回火溫度的變化鋼的機械性質隨回火溫度的變化 回火的种类及应用回火的种类及应用 根据回火温度范围的不同，钢

26、的回火可分为三类：根据回火温度范围的不同，钢的回火可分为三类： (1) 低温回火低温回火 回火温度范围为回火温度范围为150250，通常保温，通常保温13小时后空冷，得到回火马氏体。回火小时后空冷，得到回火马氏体。回火后，钢的硬度高、耐磨性好，内应力有所降低，韧性有所改善。主要用于高碳钢、后，钢的硬度高、耐磨性好，内应力有所降低，韧性有所改善。主要用于高碳钢、合金工具钢制造的刀具、量具和模具、轴承零件以及表面经渗碳的零件。合金工具钢制造的刀具、量具和模具、轴承零件以及表面经渗碳的零件。 (2) 中温回火中温回火 回火温度范围为回火温度范围为350500，保温后空冷，得到回火屈氏体。回火后，钢的

27、弹性，保温后空冷，得到回火屈氏体。回火后，钢的弹性限和降伏强度较高，内应力基本消除，有一定的韧性。主要用于弹簧钢制造的弹性限和降伏强度较高，内应力基本消除，有一定的韧性。主要用于弹簧钢制造的弹性零件，也用于有相应硬度要求的构造用钢制造的零件。零件，也用于有相应硬度要求的构造用钢制造的零件。 (3) 高温回火高温回火 回火温度范围为回火温度范围为500600，保温后空冷（有些合金钢油冷或水冷），得到回火，保温后空冷（有些合金钢油冷或水冷），得到回火索氏体。回火后，钢的内应力彻底消除，韧性显著提高，综合机械性质良好。主要索氏体。回火后，钢的内应力彻底消除，韧性显著提高，综合机械性质良好。主要用于中

28、碳钢制造的受力结构件，如轴、连杆和螺栓等。用于中碳钢制造的受力结构件，如轴、连杆和螺栓等。 回火温度回火温度组织组织目的目的HRC低温回火低温回火150250回火马氏体回火马氏体降低淬火应力降低淬火应力略微提高韧性略微提高韧性保留淬火后的保留淬火后的高硬度，高耐高硬度，高耐磨性磨性5864中温回火中温回火350500回火屈氏体回火屈氏体提高材料的弹提高材料的弹性极限和屈服性极限和屈服强度强度提高韧性提高韧性3545高温回火高温回火500650回火索氏体回火索氏体获得强度、塑获得强度、塑性、韧性均较性、韧性均较好的综合力学好的综合力学性能性能2535淬火高温回火淬火高温回火调质处理，广泛用于承受

29、交变载荷的机械零件调质处理，广泛用于承受交变载荷的机械零件 回火脆性回火脆性 淬火钢回火时，随着回火温度的升高，硬度降低而延展性提高。按理讲，钢淬火钢回火时，随着回火温度的升高，硬度降低而延展性提高。按理讲，钢的韧性也应随之提高，但的韧性也应随之提高，但在某些温度区间回火后，韧性反而大大降低，这种现象在某些温度区间回火后，韧性反而大大降低，这种现象称为称为回火脆性回火脆性（temper brittleness），如图所示。在选择钢材和制定回火工艺时，如图所示。在选择钢材和制定回火工艺时，都必须注意防止回火脆性问题。都必须注意防止回火脆性问题。 常见的回火脆性有两种，一种是低温回火脆性，发生在常见的回火脆性有两种，一种是低温回火脆性，发生在250400回火以后；回火以后；另一种是高温回火脆性，发生在另一种是高温回火脆性，发生在450575回火后缓慢冷却时，若是很快冷却则回火后缓慢冷却时，若是很快冷却则不出现，如图不出现，如图8.18所示。所示。鋼的衝擊韌性隨回火溫度的變化鋼的衝擊韌性隨回火溫度的變化(1) 低温回火脆性低温回火脆性 低温回火脆性又称为低温回火脆性又称为“第一类回火脆性第一类回火脆性”或或“不可逆不可逆回火脆性回火脆性”。这种回火脆性。这种回火脆性主要是由于碳化物主要是由于碳化