【正文】 是一個有碳原子擴散的共格切變過程。鋼中馬氏體的組織形態(tài)分為板條馬氏體 (lath martensite)和片狀馬氏體 (acicular martensite)，高硬度是馬氏體性能的主要特點，馬氏體強化的主要原因是過飽和碳引起的晶格畸變，即固溶強化，此外，馬氏體轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生大量的晶體缺陷 (如位錯、孿晶 )所引起的組織細化以及過飽和碳以彌散碳化物形式的析出等都對馬氏體強化有不同程度的貢獻。研究表明，馬氏體的組織形態(tài)有多種多樣，其中板條馬氏體和片狀馬氏體最為常見。板條馬氏體的空間形態(tài)是扁條狀的。板條馬氏體的亞結(jié)構(gòu)是位錯，故又稱位錯馬氏體，其位錯密度是 1011/cm2～1012/cm2。 (a)1500 (b)片狀馬氏體示意圖 圖 高碳馬氏體的組織形態(tài) 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 片狀馬氏體的空間形態(tài)呈雙凸透鏡狀，由于與試樣磨面相截，在光學(xué)顯微鏡下則呈針狀或竹葉狀，故又稱為針狀馬氏體。馬氏體片的周圍往往存在著殘余奧氏體。 片狀馬氏體內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶。實驗證明，鋼的馬氏體形態(tài)主要取決于鋼的含碳量和馬氏體的形成溫度，而馬氏體的形成溫度又主要取決于奧氏體的化學(xué)成分，即碳和合金元素的含量。 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 一般認為板條馬氏體大多在 200℃ 以上形成，片狀馬氏體主要在 200℃ 以下形成。 Co雖然提高 Ms點，但也促進片狀馬氏體的形成。碳分布在 Fe體心立方晶格的 c軸上，引起 c軸伸長， a軸縮短，使 Fe體心立方晶格發(fā)生正方畸變。 c、 a和 c/a與鋼中的含碳量呈線性關(guān)系。馬氏體晶體結(jié)構(gòu)示意圖如圖 。馬氏體的硬度主要取決于馬氏體的含碳量。馬氏體具有高硬度、高強度的原因是多方面的，其中主要包括固溶強化、相變強化、時效強化以及晶界強化等。原始奧氏體晶粒大小及板條馬氏體束的尺寸對馬氏體的強度也有一定的影響。馬氏體的塑性和韌性主要取決于馬氏體的亞結(jié)構(gòu)。此外，片狀馬氏體的碳濃度高，晶格的正方畸變大，這也使其韌性降低而脆性增大，同時，片狀馬氏體中存在許多顯微裂紋，還存在著較大的淬火內(nèi)應(yīng)力，這些也都使其脆性增大。同時，強度、硬度也足夠高。 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 可見，馬氏體的力學(xué)性能主要取決于含碳量、組織形態(tài)和內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)。馬氏體轉(zhuǎn)變，相對珠光體轉(zhuǎn)變來說，是在較低的 溫度區(qū)域進行的，因而具有一系列特點，其中主要特點如下： ① 馬氏體轉(zhuǎn)變屬于無擴散型轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變進行時，只有點陣作有規(guī)則的重構(gòu)，而新相與母相并無成分的變化。 ③ 馬氏體轉(zhuǎn)變的晶體學(xué)特點，是新相與母相之間保持著一定的位向關(guān)系。由于慣習(xí)面的不同，常常造成馬氏體組織形態(tài)的不同。在通常冷卻條件下馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度 Ms與冷卻速度無關(guān)。 ⑥ 奧氏體在冷卻過程中如在其一溫度以下緩冷或中斷冷卻，常使隨后冷卻時的馬氏體轉(zhuǎn)變量減少，這一現(xiàn)象稱為熱陳化穩(wěn)定，也稱奧氏體穩(wěn)定化。通常用 As表示逆轉(zhuǎn)變開始點， Af表示逆轉(zhuǎn)變終了點。 在一般熱處理加熱條件下，碳使亞共析鋼的 C曲線右移，使過共析鋼的 C曲線左移。 3) 加熱溫度和保溫時間的影響 加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體越均勻，提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使 C曲線右移。但是，奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變不同于等溫轉(zhuǎn)變。 前邊講過，過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的規(guī)律可以用 C曲線來表示出來。 20世紀 50年代以后，由于實驗技術(shù)的發(fā)展，才開始精確地測量許多鋼的連續(xù)冷卻 C曲線，直接用來解決連續(xù)冷卻時的轉(zhuǎn)變問題。馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)則由兩條曲線構(gòu)成；一條是溫度上限 Ms線，另一條是冷速下線 。并且隨著冷速 V的增大，珠光體轉(zhuǎn)變量越來越少，而馬氏體量越來越多。 則是保證奧氏體在連續(xù)冷卻過程中全部分解而不發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的最大冷速，稱為“下臨界冷速”。 2. 連續(xù)冷卻 C曲線與等溫冷卻 C曲線的比較 連續(xù)冷卻過程可以看成是由無數(shù)個微小的等溫過程組成，在經(jīng)過每一個溫度時都停留一個微小時間，連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變就是這些微小等溫過程孕育、發(fā)生和發(fā)展的。 kVkV? 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 圖 共析鋼連續(xù)冷卻 C曲線與等溫冷卻 C曲線的比較 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線的應(yīng)用 過冷奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變曲線是制定熱處理工藝的重要依據(jù)，也有助于了解熱處理冷卻過程中鋼材組織和性能的變化。 ③ 可以利用等溫冷卻 C曲線定性地近似地分析鋼在連續(xù)冷卻時組織轉(zhuǎn)變的情況。 (3) 利用連續(xù)冷卻 C曲線可以大致估計零件熱處理后表面和內(nèi)部的組織及性能。過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變 (TTT)曲線和連續(xù)轉(zhuǎn)變 (CCT)曲線對制定熱處理工藝，控制組織有重要意義。 本 章 習(xí) 題 。 3. 共析鋼的奧氏體化過程包括哪三個階段？影響奧氏體化的因素有哪些？ 4. 奧氏體晶粒大小對鋼熱處理后的力學(xué)性能有何影響？ 5. 畫出共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變 C曲線，并說明曲線中各個區(qū)域和各條線的物理含義。 鋼在加熱時奧氏體化的過程受加熱速度、加熱溫度、合金元素及原始組織狀態(tài)的影響。 1mkm1 .5AtV???m? 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 2. 連續(xù)冷卻曲線的應(yīng)用 (1) 可以定性和定量地顯示鋼在不同冷卻速度下所獲得的組織和硬度，這對于制定和選擇零件熱處理工藝有實際的指導(dǎo)意義。 ② 可估計鋼的臨界淬火冷卻速度 (Vk)，合理選擇冷卻介質(zhì)。圖 C曲線與等溫冷卻 C曲線的比較，由圖可以看出： ① 連續(xù)冷卻 C曲線位于等溫 C曲線的右下方。但有些鋼在連續(xù)冷卻時會發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，得到貝氏體組織，例如某些亞共析鋼、合金鋼。此后再增大冷速，轉(zhuǎn)變情況不再變化。 ② 當(dāng)冷速 ＜ V＜ 時，冷卻曲線只與珠光體轉(zhuǎn)變開始線相交，而不再與轉(zhuǎn)變終了線相交，但會與中止線相交，這時奧氏體只有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。將各個冷速下的數(shù)據(jù)綜合繪在“溫度 — 時間對數(shù)”的坐標中，便得到共析鋼的連續(xù)冷卻 C曲線，如圖 。根據(jù)英文名稱字頭，又稱為“ CCT(Continuous Cooling Transformation)曲線”。而且，冷卻速度不同，可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變也不同，各種轉(zhuǎn)變的相對量也不同，因而得到的組織和性能也不同。在連續(xù)冷卻過程中，過冷奧氏體同樣能進行等溫轉(zhuǎn)變時所發(fā)生的幾種轉(zhuǎn)變，即：珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變等，而且各個轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)也與等溫轉(zhuǎn)變時的大致相同。不形成碳化物或弱碳化物形成元素，如 Si、 Ni、 Cu和 Mn，只改變 C曲線的位置，不改變 C曲線的形狀。 1) 含碳量的影響 亞共析鋼與過共析鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線 (見圖 、 )。 ⑦ 在某些鐵系合金中發(fā)現(xiàn)，奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體后，當(dāng)重新加熱時，已形成的馬氏體可以逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。 ⑤ 在通常情況下，馬氏體轉(zhuǎn)變不能進行到底，也就是說當(dāng)冷卻到 Mf點溫度后還不能獲得 100%的馬氏體，而在組織中保留有一定數(shù)量的未轉(zhuǎn)變的奧氏體，稱之為殘余奧氏體。在一般合金中，馬氏體轉(zhuǎn)變開始后，必須繼續(xù)降低溫度，才能使轉(zhuǎn)變繼續(xù)進行，如果中斷冷卻，轉(zhuǎn)變便告停止。馬氏體是在母相奧氏體點陣的某一晶面上形成的，馬氏體的平面或界面常常和母相的某一晶面接近平行，這個面稱為慣習(xí)面。同時馬氏體和母相奧氏體之間的界面保持切變共格關(guān)系，即在界面上的原子是屬于新相和母相共有，而且整個相界面是互相牽制的。通過熱處理可以改變馬氏體的形態(tài)，增加板條馬氏體的相對數(shù)量，從而可顯著提高鋼的強韌性，這是一條充分發(fā)揮鋼材潛力的有效途徑。 例如，含碳量為 %～ %的碳素鋼及合金鋼淬火形成板條馬氏體的性能大致如下： σb＝ (100～ 150) 107Pa， σs＝ (80～ 130) 107Pa， HRC： 35～ 50， δ＝9%～ 17%， ψ＝ 40%～ 65%， ak＝ 60J/cm2～ 180J/cm2。而板條馬氏體則不然，由于碳濃度低，再加上自回火，所以晶格正方度很小或沒有，淬火應(yīng)力也小，而且不存在顯微裂紋。在具有相同屈服強度的條件下，板條馬氏體比片狀馬氏體的韌性要好得多。這是由于相界面阻礙位錯的運動造成的馬氏體強化。馬氏體形成以后，由于一般鋼的 Ms點大都處在室溫以上，因此在淬火過程中及在室溫停留時，或在外力作用下，都會發(fā)生“自回火”。含碳量進一步增加， 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 雖然馬氏體的硬度會有所提高，但由于殘余奧氏體量增加，反而使鋼的硬度有所下降。 ① 馬氏體的硬度和強度。由于馬氏體的正方度取決于馬氏體的含碳量，故馬氏體的正方度可用來表示馬氏體中碳的過飽和程度。軸比 c／ a稱為馬氏體的正方度。 ④ 馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)。碳濃度越高，則板條馬氏體的數(shù)量越少，而片狀馬氏體的數(shù)量越多。對碳鋼來說，隨著含碳量的增加，板條馬氏體數(shù)量相對減少，片狀馬氏體的數(shù)量相對增加，含碳量小于 %的奧氏體幾乎全部形成板條馬氏體，而含碳量大于 %的奧氏體幾乎只形成片狀馬氏體。但孿晶僅存在于馬氏體片的中部，在片的邊緣則為復(fù)雜的位錯網(wǎng)絡(luò)。若光學(xué)顯微鏡無法分辨最大尺寸的馬氏體片時，便稱為隱晶馬氏體。馬氏體片之間互不平行，呈一定角度分布。片狀馬氏體是在中、高碳鋼及 wNi＞ 29%的 FeNi合金中形成的一種典型馬氏體組織。相鄰的板條之間往往存在厚度為 10nm～ 20nm的薄殼狀的殘余奧氏體，殘余奧氏體的含碳量較高，也很穩(wěn)定，它們的存在對鋼的力學(xué)性能產(chǎn)生有益的影響。板條馬氏體是低、中碳鋼及馬氏體時效鋼、不銹鋼等鐵基合金中形成的一種典型馬氏體組織。由于馬氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生在較低溫度下，此時，鐵原子和碳原子都不能進行擴散，馬氏體轉(zhuǎn)變過程中的鐵原子的晶格改組是通過切變方式完成的，因此，馬氏體轉(zhuǎn)變是典型的非擴散型相變。馬氏體轉(zhuǎn)變屬于低溫轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體組織。這就決定了貝氏體轉(zhuǎn)變兼有珠光體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變的某些特點。 粒狀貝氏體組織