材料的结构组织与性能4通用PPT课件

1、材料学院 材料的结构组织与性能（四） 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b(Kg/MM2)s(Kg/MM2)(%)(%)HRC炉冷53.228.132.549.31015空冷677234.0151845501824淬油9062.01820484050淬水11072781214526045钢在不同介质中冷却后的机械性能 钢在

2、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。

3、 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。 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

4、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

5、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-transformation curve），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

6、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A1560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，结晶核便在Fe3C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，又产生新的片，如此反复进行，便形成了与Fe3C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

7、，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： d 0.3mS： 0.1 d 0.3m T： d Vk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

8、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

9、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含量珠光体（P）索氏体（S）屈氏体（T）上贝氏体（BS）下贝氏体（Bu）马氏体（M）V1V2V3V4试分析图中4种不同冷却速度所得到的组织V1：PV2：SV3：STB上B下MAV4：MA连杆沿截面受均匀的拉应力作用，要求界面组织均匀一致。轴颈要求耐磨，只需表面硬不同的服役条件下工作，工件截面受力亦不同，故组织也应不同。VkV淬透层实际工件的冷却速度沿工件径向变慢冷却速度Vk合金元素使CCT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

10、钢的淬透性。注:不同的钢具有不同形状的C曲线(a) 亞共析鋼 (b)共析鋼 (c) 過共析鋼亞共析鋼、共析鋼及過共析鋼的C曲綫比較 回 火 回火是将淬火钢重新加热至A1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，引起工件尺寸和形状的变化。 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； 3、保证相应的组织转变，选择不同的回火温度，获

11、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。淬火钢回火时组织和性质的变化 (1) 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阶段，现以共析钢为例来加以分析。 第一阶段（80200），为马氏体分解阶段。在淬火马氏体基体上析出薄片状细小碳化物（分子式为Fe2.4C，密排六方晶格）,马氏体中碳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+碳化物的组织称为回火马氏体（tempered martensite）。在此过程中，内应力逐渐减小。 第二阶段（200300），残余奥氏体分解为过饱和+碳化物。 第三阶段（250400），马氏体分解完成。中

12、的含碳量降低到正常饱和状态，碳化物转变为极细的颗粒状渗碳体。在此过程中，内应力大大降低。 第四阶段（400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。 由以上分析可知,回火温度不同，钢的组织也不同。在300以下回火时，得到由具有一定过饱和度的与碳化物组成的回火马氏体组织，可用M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相近。在300500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回火屈氏体组织，可用T回表示。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

13、高的弹性极限和屈服强度以及一定的延展性和韧性。在500600范围内回火时，得到由等轴状铁素体与球状渗碳体组成的回火索氏体组织，可用S回表示。由于渗碳体颗粒聚集长大并球化及铁素体再结晶，故与回火屈氏体相比，S回的硬度和强度较低，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。 (2) 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图所示。由图可见

14、，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，必须正确选择回火温度。(a)不同含碳量鋼的硬度變化 (b)含碳0.35%鋼的各種機械性質變化鋼的機械性質隨回火溫度的變化 回火的种类及应用 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 回火温度范围为150250，通常保温13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、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 回火温度范围为350500，保温后空冷，得到回火屈氏体。回火后，钢的弹性限和降伏强度

15、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。 (3) 高温回火 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。主要用于中碳钢制造的受力结构件，如轴、连杆和螺栓等。 回火温度组织目的HRC低温回火150250回火马氏体降低淬火应力略微提高韧性保留淬火后的高硬度，高耐磨性5864中温回火350500回火屈氏体提高材料的弹性极限和屈服强度提高韧性3545高温回火500650回火索氏体获得强度、塑性、韧性均较好的综合力学性能2535淬火高温回火调

16、质处理，广泛用于承受交变载荷的机械零件 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，这种现象称为回火脆性（temper brittleness），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。 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；另一种是高温回火脆性，发生在450575回火后缓慢冷却时，若是很快冷却则不出现，如图8.18所示。鋼的衝擊韌性隨回火溫度的變化(1) 低温回火脆性 低温回火脆性又称为“第一类回火脆性”或“不可逆回火脆性”。这种回火脆性主要是由于碳化物-Fe5C2和-Fe3C沿着马氏体条或片的界面呈薄片状析出所造成的，这种硬而脆的碳化物薄膜割裂了马氏体，因而脆性大增。除此之外，残余奥氏体的分解也会加重这种回火脆性，但不是主要原因。无论是碳钢还是合金钢，也不论含碳量高低，只要在低温回火脆性区内回火，都会发生脆化。只有躲开这一脆性温度区回火，才能避免这种回火脆性。在钢中加入13%Si，可使-Fe2.4C向-Fe5C2转变的温度移向较高的温度，从而推迟-Fe5C2沿马氏体界面析出。(2) 高温回火脆性 高温回火脆性又称为“第二类回火脆性”或“可逆回火脆性”。淬火的合金钢在