山东大学材料学院课件贝氏体及马氏体转变

第六章钢的热处理第一节钢的热处理原理

一、钢在加热时的组织转变

二、钢在冷却时的组织转变

第二节钢常用的热处理工艺

一、钢的退火和正火

二、钢的淬火和回火

三、钢的冷处理

四、时效处理

五、表面热处理第三节其他热处理工艺

一、可控气氛热处理

二、真空热处理

三、形变热处理

四、强韧化处理

五、流动化热处理

六、循环热处理第六章钢的热处理热处理是在固态下使金属加热、保温和冷却以改变其内部组织结构，并获得所需性能的一种工艺方法。热处理的目的在于改善材料的性能，即改善材料的使用性能和工艺性能。热处理是提高加工质量、延长工件和刀具使用寿命、节约材料和降低成本的重要手段。热处理有五种基本方法：退火、正火、淬火、回火和表面热处理。钢的热处理原理是指钢在热处理过程中内部组织发生转变的规律。熟悉和掌握钢在加热和冷却过程中组织转变的基本规律，有助于更好地制定热处理工艺，达到改善材料性能的目的。第一节钢的热处理原理任何一种热处理都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的，因此可用温度-时间曲线图表示。加热保温时间冷却加热温度时间温度,℃热处理基本工艺曲线一、钢在加热时的组织转变对钢进行热处理时，一般都必须先将钢加热至临界温度以上，以获得奥氏体组织，然后再以适当方式冷却，使钢转变为不同的组织，获得所需要的性能。碳钢室温组织：F+Fe3C。室温组织→高温奥氏体的转变过程：晶格改组和Fe、C原子扩散的过程形核与长大过程（遵循相变一般规律）GSE70074078082086090094000.20.40.60.81.01.21.4wC/%T/℃A1A3Acm钢的临界转变温度平衡临界温度(临界点）AF+AA+Fe3CIIPF+PP+Fe3CIIA1:APA3:AFAcm:AFe3CII析出溶解共析钢的室温组织为珠光体，当加热至A1以上保温时，珠光体将全部转变为奥氏体。共析钢奥氏体化过程：A形核→A长大→残余Fe3C溶解→A均匀化。1.奥氏体的形成共析钢奥氏体化过程(P→A)示意图A晶核通常优先在F和Fe3C相界面上形成(相界处能量高，C浓度不均匀).奥氏体的形核与长大A形核后，便向F和Fe3C两个方向长大。通过原子扩散，F晶格先逐渐改组为A晶格，随后通过Fe3C不断分解和Fe原子扩散使A不断长大.(2)奥氏体晶核的长大(1)奥氏体的形核F转变快，Fe3C溶解慢(晶体结构和含碳量与A差别大)，故F全部转变后，尚有部分未溶的Fe3C，需要继续保温使之溶解，直至全部消失。渗碳体的溶解和奥氏体均匀化Fe3C完全溶解后，其所在位置含碳量较高，而原F位置含碳量较低，需继续延长保温时间，通过碳原子扩散，使A成分处处均匀。(4)奥氏体成分均匀化(3)残留渗碳体的溶解亚共析钢与过共析钢的奥氏体化亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本一样，差别在于有过剩相出现。亚共析钢：室温组织为F+P。加热到A1以上保温时，P→A，还有过剩的F。只有加热到A3以上，F才能全部消失。过共析钢：室温组织为P+Fe3C。加热到A1以上保温时，P→A，还有过剩的Fe3C。只有加热到Acm以上，Fe3C才能全部溶解。加热越迅速，转变温度越高；冷却越快，转变温度越低。实际生产过程中，由于加热和冷却速度较快，组织转变会产生不同程度的滞后。加热或冷却速度对转变温度的影响A1、A3、Acm是平衡时的转变温度。实际生产中，加热速度通常较快，故相变临界点升高，分别以Ac1、Ac3、Accm表示。同样，实际冷却速度也比平衡状态快，故相应临界点下降，分别以Ar1、Ar3、Arcm表示。速度0.125℃/minGSE70074078082086090094000.20.40.60.81.01.21.4wC/%T/℃A1A3AcmAc1Ac3AccmAr1Ar3Arcm加热或冷却速度对临界转变温度的影响平衡临界温度A1、A3、Acm实际临界温度Ar1,Ar3,ArcmAc1,Ac3,Accm加热或冷却速度↑过热度或过冷度↑(实际与平衡转变温度之差↑)2.影响奥氏体转变速度的因素奥氏体的形成是通过形核和长大过程进行的，整个过程受原子扩散控制。凡是影响扩散、形核与长大的因素都影响奥氏体的形成速度。主要影响因素：加热温度、加热速度、原始组织和化学成分等。(1)加热温度和速度的影响加热温度越高，加热速度越快，则奥氏体形成的速度就越快。加热速度越快，转变开始温度AC1

越高，终了温度也越高。但转变的孕育期越短，转变所需的时间也就越短，即转变速度越快。加热温度高，奥氏体形核率及长大速率都迅速增大，原子扩散能力也增强，渗碳体的溶解、铁素体的转变和奥氏体均匀化均加快。同样一个奥氏体化状态，既可通过低温长时加热得到，也可由高温短时加热得到。钢的含碳量越高，奥氏体形成速度越快。(2)化学成分的影响C%↑→Fe3C↑→界面↑→A形核部位↑→A形核率↑；Fe3C↑→C的扩散距离↓；A中C↑→C、Fe扩散系数将↑→→A长大速度↑。加入合金元素，一般使奥氏体化速度减慢。合金元素会改变钢的平衡临界点(过热度)。合金元素分布不均匀，且扩散速度比C慢得多。某些常见合金元素会显著减慢C的扩散速度。某些合金元素易形成极稳定碳化物，很难溶入A。原始组织细小，则碳化物分散度增大，铁素体和渗碳体相界面增多，加大了奥氏体的形核率；同时，珠光体片层间距减小，使奥氏体中碳的浓度梯度增大。这些都使奥氏体的长大速度增加。(3)原始组织的影响钢的原始组织越细，奥氏体形成速度越快。起始晶粒度珠光体向奥氏体转变刚完成时，奥氏体晶粒一般都比较细小（形核于片状F、Fe3C相界面，晶核数量多）。此时奥氏体晶粒的大小称为奥氏体的起始晶粒度。实际晶粒度起始晶粒形成后，如果继续升温或保温，奥氏体晶粒就会自动长大(晶粒细小时界面能高，晶粒长大可使界面能降低)。钢在具体加热条件下实际获得的奥氏体晶粒的大小，称为奥氏体的实际晶粒度。3.奥氏体晶粒的长大钢种不同，加热时奥氏体晶粒长大倾向也不同。奥氏体晶粒的长大倾向可用本质晶粒度来反映。本质粗晶粒钢A晶粒随温度升高迅速长大的钢。通常将钢在规定条件下(930±10℃保温3～8h)获得的奥氏体晶粒大小称为本质晶粒度。本质晶粒度根据奥氏体晶粒长大倾向的不同，钢可分为本质细晶粒钢A晶粒随温度升高长大倾向小，只有加热到930~950℃后才显著长大的钢。晶粒度分10级：1~4级粗晶粒，5~8级粗晶粒，≥9级超细晶粒。加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。但随着保温时间延长，晶粒长大速度减慢。即延长时间比提高温度影响小。加热速度越快，晶粒越细。加热速度越快，过热度越大，奥氏体形核率越高，起始晶粒越细；同时，加热时间越短，晶粒越来不及长大。含有Ti、Zr、Al、V、Nb等元素的钢，奥氏体晶粒不易长大。这些元素能形成熔点高、稳定性强的、弥散分布的碳化物和氮化物，强烈阻碍A晶粒长大。影响奥氏体晶粒长大的因素加热温度、保温时间、加热速度、化学成分等。奥氏体晶粒度直接影响钢在室温下的组织和性能。奥氏体晶粒细小时，冷却转变产物的组织也细小，其强度、塑性和韧性都较高。因此，获得细小均匀的奥氏体晶粒，是保证热处理产品质量的关键之一。奥氏体晶粒大小的控制合理制定热处理加热工艺严格控制加热温度加热温度越高，晶粒长大越快。快速短时加热细化晶粒的重要手段之一。冶炼时采用Al脱氧，或钢中加入适量Ti、Zr、V、Nb等合金元素。GB／T6394-2002金属平均晶粒度测定法防止奥氏体晶粒粗化的措施二、钢在冷却时的组织转变钢经奥氏体化后以不同的方式冷却，将获得不同的组织和性能。冷却是热处理的关键工序，它决定着钢在热处理后的组织和性能。根据冷却方法的不同，奥氏体的冷却转变分为两种：等温冷却条件下的转变（等温转变）连续冷却条件下的转变1.常用的两种冷却方式等温冷却将奥氏体化后的钢由高温快速冷却到临界温度以下某一温度，保温一段时间以进行等温转变，然后再冷却到室温。连续冷却将奥氏体化后的钢从高温连续冷却到室温，使奥氏体在一个温度范围内发生连续转变。奥氏体冷却方式示意图1等温2连续奥氏体必须冷至临界温度以下，处于热力学不稳定状态，并经过一定孕育期后，才能转变。这种在临界点以下尚未转变的处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体。2.过冷奥氏体冷却转变的类型根据冷却方式的不同，可将过冷奥氏体的转变分为等温转变和连续冷却转变两种。前者通过控制转变温度，后者通过控制冷却速度，来获得不同的转变组织。过冷奥氏体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：3.过冷奥氏体等温转变曲线转变开始和转变终了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。奥氏体等温转变曲线的形状通常像英文字母“C”，故又称为C曲线。根据英文受字母的缩写，奥氏体等温转变图亦称TTT图。共析钢过冷奥氏体等温转变曲线钢的临界点A1(723℃)A-P平衡温度M转变开始温度Ms(230℃)M转变终了温度Mf(-50℃)A转变开始线(左C线)A稳定区(A1线以上)M转变区(Ms~Mf)A转变产物区(右C线右侧)A转变区(双C间)A→P或A→B5条线(3条水平线,两条C曲线)5个区过冷A区(左C线左侧)亚稳态A转变终了线(右C线)共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体的孕育期在A1以下,等温T↓→孕育期由长变短,再由短变长孕育期越短,A稳定性越低,转变速度越快C曲线鼻尖(孕育期最短)(A稳定性最低)~550℃孕育期：过冷A转变开始线与纵轴的水平距离(开始转变所需时间)。转变完成所需要的总时间—过冷A转变终了线与纵轴的水平距离标志不同转变温度下过冷A的稳定性在不同的过冷度下，共析成分的奥氏体大体将发生三种不同类型组织的转变，即4.过冷奥氏体的等温转变珠光体转变(高温转变)A1~550℃(C线鼻尖)贝氏体转变(中温转变)550~Ms(240℃)马氏体转变(低温转变)<Ms发生何种转变取决于转变温度。在不同的转变温度可得到不同的转变产物，从而获得不同的性能。4.过冷奥氏体的等温转变共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线B型240P型550M型-50珠光体P索氏体S屈氏体T上贝氏体下贝氏体马氏体不同的组织性能不同快速冷却到某一温度保温共析成分的过冷奥氏体在A1～550℃(A1~C曲线鼻尖)温度范围内发生珠光体转变：(1)珠光体转变奥氏体向珠光体转变过程也是形核、长大的过程。珠光体转变是全扩散型转变，即Fe和C原子均进行扩散运动。A→P(F+Fe3C)珠光体转变过程Fe3C在A晶界形核通过原子扩散，Fe3C长大,其两侧A的C↓,A→FF含C量低,长大时过剩C进入相邻A,A中C↑→新Fe3CF和Fe3C交替形核长大→A全变为片层状PP、S和T都是由渗碳体和铁素体组成的层片状机械混合物，只是层片大小不同，因而力学性能各异。组织类型形成温度/℃层片间距/um硬度/HRC观察条件备注珠光体PA1~650>0.45~25低倍光镜过冷度较小,层片较粗大—珠光体索氏体S650~6000.4~0.225~351000~1500光镜过冷度较大,层片较薄—细珠光体屈氏体T600~550<0.235~408000~15000电镜过冷度很大,层片极细—极细珠光体共析钢的珠光体转变产物转变温度越低（即过冷度越大），P的片层越细，强度、硬度越高，塑性、韧性越好。过冷度对P的影响P-Pearlite，S-Sorbite，T-TroostiteP型组织——层片状(F+Fe3C)珠光体P

索氏体S—细珠光体

屈氏体T—极细珠光体层片间距：P>S>T珠光体P，3800×索氏体S8000×屈氏体T8000×如果渗碳体以颗粒状态分布在铁素体基体内，这种组织称为粒状珠光体，也称为球化体。在退火状态下，对于相同含碳量的钢材，粒状珠光体比片状珠光体具有较少的相界面，其硬度、强度较低，而塑性、韧性较高。实践表明，具有粒状珠光体的钢材，其切削加工性、淬火工艺性等都比片状珠光体好。粒状珠光体共析奥氏体过冷到550℃～Ms(230℃)之间，将发生贝氏体转变：(2)贝氏体转变A→B（含过饱和C的F+Fe3C）贝氏体（B）：由含碳过饱和的铁素体与渗碳体组成的两相混合物。贝氏体转变时，C原子短程扩散而Fe原子不扩散，通过切变进行A向F的晶格转变。故贝氏体转变为半扩散型或切变型。(转变机理与P不同)贝氏体有三种常见的组织形态：1)贝氏体的组织形态上贝氏体下贝氏体粒状贝氏体上贝氏体形成过程F成束排列，自A晶界平行伸向晶内。C↑或T↓→F条增多变薄，Fe3C细化。形成温度:550℃～350℃，羽毛状特征。上贝氏体(Bu,B上)B上：束条状F+断续条状Fe3C(夹于F条间)Fe3C呈小片状断续分布于F条间。光学显微照片1300×电子显微照片5000×上贝氏体显微组织光学显微组织500×45钢：上B+下B羽毛状上贝下贝氏体形成过程下贝：片状F+细小碳化物(位于F片内)下贝氏体(BL,B下)呈黑色针状或竹叶状，针与针之间呈一定角度。碳化物细小弥散，呈粒状或短条状，定向分布于F针内(沿着与F长轴成55°～60°角取向平行排列)。形成温度：350℃～Ms。多在A晶粒内部形成。Fe2.4CF针内定向分布着细小Fe2.4C颗粒电子显微照片12000×T8钢，下B，黑色针状光学显微照片×400下贝氏体显微组织粒状贝氏体(BG)小岛呈粒状、短条状等，形态较复杂。组织特征：块状或针状铁素体+孤立小岛（位于F内或晶界）形成温度：上贝氏体转变区上限范围内。粒状贝氏体显微组织1000×小岛在高温下是富碳的奥氏体区，其后的转变可能有三种情况：分解为F和碳化物，形成P；发生M转变；富碳的A全部保留下来。大多数结构钢，只要冷却过程控制在一定温度范围内，都可以形成粒状贝氏体2)贝氏体的力学性能上贝氏体：强度、硬度和冲击韧性均较低。应避免。

F条和碳化物颗粒都粗大，且有明显的方向性；F内C的过饱和度低；碳化物断续分布于F条之间，F条间易脆断。下贝氏体：强度高，韧性好，即具有良好的综合力学性能，是一种理想的组织。

弥散强化和固溶强化作用。F针细小、分布均匀，内部沉淀析出大量细小、弥散的碳化物，且C过饱和度及位错密度高.粒状贝氏体：具有较好的强韧性。

在颗粒状或针状铁素体基体中分布着许多小岛，这些小岛无论是残余A、M，还是A分解产物都可起到复相强化作用.贝氏体转变发生在P与M转变之间的中温区，铁和合金元素的原子难以进行扩散，但碳原子还具有一定的扩散能力。故贝氏体转变兼有珠光体转变和马氏体转变的某些特点。3)贝氏体转变的特点与P转变相似，B转变中发生C在F中的扩散；与M转变相似，A向F的晶格改组通过共格切变方式进行。因此，贝氏体转变是一个有碳原子扩散的共格切变过程。钢从奥氏体化状态快速冷却，抑制其扩散性分解，在较低温度下(低于Ms点)发生的转变为马氏体转变。转变产物为马氏体组织。(3)马氏体转变马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，用符号“M”表示。马氏体转变是典型的非扩散型相变。马氏体转变过程中Fe原子和C原子都不能进行扩散，Fe原子的晶格改组通过切变方式完成。①板条M(低碳M)。由许多相互平行的细板条组成。1)马氏体的组织形态马氏体的组织形态以板条马氏体和片状马氏体最为常见。每个板条为一个单晶体，一般以小角晶界间隔。相邻板条之间往往存在薄壳状的残余奥氏体。低碳M组织形态1000×许多相互平行的板条组成一个板条束。一个奥氏体晶粒内可以有几个板条束(通常3～5个)。板条马氏体板条马氏体示意图板条M的亚结构是位错,故又称位错马氏体。板条M常出现在低碳钢中，故又称为低碳M。它也是中碳钢、不锈钢等铁基合金中常见的一种典型马氏体组织。②片状马氏体(高碳M)。M片之间呈一定角度分布。在原A晶粒中首先形成的M片贯穿整个晶粒，但一般不穿过晶界。M片的周围往往存在着残余A。片状马氏体片状马氏体示意图片状马氏体的空间形态呈双凸透镜状，在光学显微镜下常呈针状或竹叶状，故又称为针状马氏体。片状马氏体是中、高碳钢及wNi＞29%的Fe-Ni合金中形成的一种典型马氏体组织。片状M内部的亚结构主要是孪晶。因此片状M又称为孪晶M。但孪晶仅存在于M片中部，片的边缘则为复杂的位错网络。片状马氏体高碳马氏体组织形态500×钢的马氏体形态主要取决于钢的含碳量和马氏体的形成温度。2)影响马氏体形态的因素在M区较高温度(>200℃)形成板条M，在较低温度(>200℃)形成片状M。C↑→板条M↓，片状M↑。合金元素大多数使Ms点下降，因而都促进片状马氏体的形成。C%<0.2%：形成板条MC%>1.0%：形成片状MC%=0.2%～1.0%：板条M+片状M混合组织。淬火组织2)影响马氏体形态的因素00.20.40.60.81.01.21.41.6200400600800板条M针状M混合wC/%T/℃含碳量对Ms点和M形态的影响Ms奥氏体转变为马氏体时，只有晶格改组而没有成分变化，A中固溶的C全部被保留到M晶格中,形成了碳在α-Fe中的过饱和固溶体。3)马氏体的晶体结构过饱和碳位于α-Fe的晶格间隙，使α-Fe体心立方晶格发生正方畸变。因此，马氏体具有体心正方结构。含碳量越高，晶格畸变越大。马氏体晶体结构示意图马氏体的力学性能主要取决于含碳量、组织形态和内部亚结构。4)马氏体的性能马氏体具有高硬度和高强度的特点。C↑→硬度↑

含碳量高→硬度高；固溶强化（晶格畸变）、相变强化（晶格缺陷引起组织细化）、时效强化（碳化物弥散析出）等→强度高。板条M强、硬度高，塑韧性好，综合力学性能优良。

位错亚结构，碳浓度低，晶格畸变小。片状M

硬度高，塑、韧性差，脆性大(硬而脆)。

孪晶亚结构，碳浓度高，晶格畸变大，微裂纹多和淬火应力大。板条M和针状M力学性能比较4)马氏体的性能Wc/%M形态σb/MPaσs/MPaHRCδ/%ψ/%ak/J.cm-20.10~0.25板条状1020~1330820~133030~509~1740~6560~800.77针状235520406513010无扩散性转变时只有点阵重构，而Fe、C原子无扩散，新相与母相无成分变化。5)马氏体转变的特点瞬时性

M的形成以共格切变方式实现，形成速度很快；M形成量是温度T的函数，T↓→转变量↑。M形成时体积↑(晶格改变和畸变)，造成很大内应力。不彻底性

M转变不能进行到底，组织中总会残留少量A，称为残余奥氏体(A’)。A中C↑→MS、Mf↓→A’↑。M的形成量和残余奥氏体Fe-1.8C，冷至-100℃Fe-1.8C，冷至-60℃T↓→M↑。T不变，M量不增A含碳量对A’的影响C↑→A’↑(4)影响C曲线的因素加热温度和保温时间的影响影响位置

加热温度越高，保温时间越长，奥氏体越均匀，过冷奥氏体越稳定→C曲线右移。碳的影响既影响位置，又影响形状。在一般热处理加热条件下，亚共析钢C曲线随碳量↑右移，过共析钢C曲线随碳量↑左移。故碳钢中以共析钢的过冷奥氏体最稳定。与共析钢比，亚共析钢C曲线多一条先共析F析出线，过共析钢多一条先共析Fe3C析出线。亚（过）共析钢过冷A的等温转变曲线亚、过共析钢C曲线位于共析钢的左侧，且多一条先共析相（F、Fe3CⅡ）析出线。C↑→Ms、Mf线↓。亚共析钢共析钢过共析钢合金元素的影响除Co以外，钢中所有合金元素的溶入均增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。不形成碳化物或弱碳化物形成元素，如Si、Ni、Cu和Mn，只改变C曲线位置，不改变C曲线形状。碳化物形成元素如Mo、W、V、Ti等，当它们溶入奥氏体以后，不仅使C曲线的位置右移，而且使C曲线出现两个“鼻子”，即把珠光体转变和贝氏体转变分开，中间出现一过冷奥氏体稳定性较大的区域。(4)影响C曲线的因素过冷A的等温转变-小结过冷A:

T<A1时，A不稳定。A等温转变曲线

(TTT或C曲线)高温转变，A1

~550℃过冷A→P型组织中温转变，550℃~MS

过冷A→贝氏体(B)低温转变，MS~Mf

过冷A→马氏体(M)共析钢的C曲线实际生产中，过冷奥氏体的转变大多是在连续冷却过程中进行的。过冷奥氏体在连续冷却过程中同样能够发生等温冷却所发生的几种转变，各转变温度区与等温转变也大致相同。但奥氏体的连续冷却转变与等温转变不同：连续冷却过程可能先后发生几种转变。冷却速度不同，可能发生的转变也不同。所以，连续冷却转变较复杂，转变规律性不如等温转变明显，形成的组织也不容易区分。5.过冷奥氏体的连续转变(1)过冷奥氏体连续冷却C曲线过冷奥氏体在连续冷却条件下的转变规律可用“连续冷却C曲线”表示。根据英文名称字头，又称为“CC