【正文】 中，在顆粒狀或針狀鐵素體基體中分布著許多小島，這些小島無論是殘余奧氏體、馬氏體，還是奧氏體的分解產(chǎn)物都可以起到復相強化作用。越是靠近貝氏體區(qū)上限溫度形成的上貝氏體，韌性越差，強度越低。 (2) 貝氏體的機械性能。其組織特征是在粗大的塊狀或針狀鐵素體內(nèi)或晶界上分布著一些孤立的小島，小島形態(tài)呈粒狀或長條狀等，很不規(guī)則。 (a)光學顯微組織 500 (b)電子顯微組織 12022 圖 下貝氏體顯微組織 ③ 粒狀貝氏體。 角取向平行排列，如圖 (b)所示。在光學顯微鏡下，當轉變量不多時，下貝氏體呈黑色針狀或竹葉狀，針與針之間呈一定角度，如圖 (a)所示。 ② 下貝氏體 (lower bainite)。 (a)光學顯微組織 500 (b)電子顯微組織 4000 圖 上貝氏體顯微組織 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉變 在一般情況下，隨含碳量的增加，上貝氏體中的鐵素體條增多、變薄，滲碳體數(shù)量亦增多、變細。在中、高碳鋼中，當上貝氏體形成量不多時，在光學顯微鏡下可以觀察到成束排列的鐵素體條自奧氏體晶界平行伸向晶內(nèi)，具有羽毛狀特征，條間的滲碳體分辨不清，如圖 (a)所示。貝氏體有三種常見的組織形態(tài)，即上貝氏體、下貝氏體和粒狀貝氏體。貝氏體是由含碳過飽和的鐵素體與滲碳體組成的兩相混合物。m 硬度 /HRC 珠光體 (P) A1～ 650 ＞ 5～ 27 索氏體 (S) 650～ 600 ～ 27～ 33 屈氏體 (T) 600～ 550 ＜ 33～ 43 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉變 如果滲碳體以顆粒狀態(tài)分布在鐵素體基體內(nèi)，這種組織稱為粒狀珠光體，也稱為球化體。它只有在10000～ 15000倍的電鏡下才能分辨出來。 在過冷度很小時 (Al～ 650℃ )，會形成層片較粗大的組織，硬度 10HRC～20HRC；稱為珠光體 (P)，在低倍的金相顯微鏡下就可觀察清楚。如此交替進行下去，奧氏體最終全部轉變?yōu)殍F素體和滲碳體片層相間的珠光體組織。 圖 共析鋼的過冷奧氏體等溫轉變曲線 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉變 2. 過冷奧氏體等溫轉變產(chǎn)物的組織形態(tài)及其性能 以共析鋼為例，在不同的過冷度下，奧氏體大體將發(fā)生三種不同類型組織的轉變，即珠光體轉變 (高溫區(qū)轉變 )、貝氏體轉變 (中溫區(qū)轉變 )和馬氏體轉變 (低溫區(qū)轉變 )。因為過冷奧氏體的穩(wěn)定性同時由兩個因素控制：一個是舊相與新相之間的自由能差；另一個是原子的擴散系數(shù) D。在 A1以下，隨等溫溫度降低，孕育期縮短，過冷奧氏體轉變速度增大，在 550℃ 左右共析鋼的孕育期最短，轉變速度最快。過冷奧氏體轉變開始線與轉變終了線之間的區(qū)域為過冷奧氏體轉變區(qū)，在該區(qū)域過冷奧氏體向珠光體或貝氏體轉變。圖中下方的一條水平線 Ms(230℃ )為馬氏轉變開始溫度， Ms以下還有一條水平線 Mf(50℃ )為馬氏體轉變終了溫度。由一組試樣可以測出一個等溫溫度下轉變開始和轉變終了的間，根據(jù)需要也可以測出轉變量為 20%、 50%、 70%等的時間?，F(xiàn)以金相 — 硬度法為例介紹共析鋼過冷奧氏體等溫轉變曲線的建立過程。這種在臨界點以下尚未轉變的處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體稱為過冷奧氏體 (supercooling austenite)。它是將奧氏體化后的鋼由高溫快速冷卻到臨界溫度以下某一溫度，保溫一段時間以進行等溫轉變，然后再冷卻到室溫，如圖 中的曲線 1所示；另外一種是連續(xù)冷卻，如爐冷、空冷、油冷、水冷等。 奧氏體經(jīng)過不同的冷卻后，性能明顯不同，強度相差幾倍。這是因為隨著含碳量的增加，碳在鋼中的擴散速度以及鐵的自擴散速度均增加，故加速了奧氏體晶粒長大的傾向性。此外，本質細晶粒鋼焊接時，焊縫熱影響區(qū)的過熱程度也比本質粗晶粒鋼輕微得多。 鋼在加熱時的轉變 第 5章 鋼的熱處理原理 在本質粗晶粒鋼中不存在這些化合物微粒，晶粒長大不受阻礙，從而隨溫度升高而逐漸粗化。一般來說，能用鋁脫氧的鋼都是本質細晶粒鋼，不用鋁而用硅、錳脫氧的鋼則為本質粗晶粒鋼。 本質晶粒度是根據(jù)冶金部的部頒標準 YB27— 77《 鋼的晶粒度測定法 》 的規(guī)定來測定的，即將鋼在 (93010℃ )保溫 3h～ 8h冷卻后測定奧氏體晶粒大小稱為本質晶粒度。 鋼在加熱時的轉變 第 5章 鋼的熱處理原理 本質細晶粒鋼則不然，在一定溫度以下加熱時，奧氏體晶粒長大很緩慢，一直保持細小晶粒。 3. 本質晶粒度 生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，有的鋼材加熱時奧氏體晶粒很容易長大，而有的鋼材就不容易長大，這說明不同的鋼材的晶粒長大傾向是不同的。溫度越高，時間越長，晶粒就長得越大。這是因為，晶粒越細小則晶界面積越大，總的界面能也越大，所以，細晶粒狀態(tài)的自由能高于粗晶粒狀態(tài)的自由能。目前，細化晶粒已經(jīng)成為強化金屬材料的重要方法。 鋼在加熱時的轉變 第 5章 鋼的熱處理原理 4. 原始組織的影響 在化學成分相同的情況下，隨原始組織中碳化物分散度的增大，不僅鐵素體和滲碳體相界面增多，加大了奧氏體的形核率；而且由于珠光體片層間距減小，使奧氏體中的碳濃度梯度增大，這些都使奧氏體的長大速度增加?？墒?，合金元素的擴散速度比碳原子要慢得多，所以合金奧氏體的均勻化要緩慢得多。 合金元素影響的原因如下： (1) 合金元素會改變鋼的平衡臨界點：如鎳、錳、銅等都使臨界點降低，而鉻、鎢、釩、硅等則使之升高。這是因為隨含碳量增加，滲碳體的數(shù)量相應地增加，鐵素體和滲碳體相界面的面積增加，因此增加了奧氏體形核的部位，增大奧氏體的形核率。可見，同樣一個奧氏體化狀態(tài)，既可通過較低溫度較長時間的加熱得到，也可由較高溫度較短時間的加熱得到。轉變需要一段孕育期以后才能開始，而且溫度越高，孕育期越短。主要因素如加熱溫度、原始組織和化學成分等。因此，奧氏體形成后，仍有未溶解的滲碳體存在，隨著保溫時間的延長，未溶滲碳體將繼續(xù)溶解，直至全部消失。由于奧氏體中碳的擴散，不斷打破相界面平衡，又通過滲碳體和鐵素體向奧氏體轉變而恢復平衡的過程循環(huán)往復地進行，奧氏體便不斷地向鐵素體和滲碳體中擴展，逐漸長大。 αα 鋼在加熱時的轉變 第 5章 鋼的熱處理原理 α由于擴散的結果，奧氏體與鐵素體相鄰的邊界處碳濃度升高，而與滲碳體相鄰的邊界處碳濃度降低。奧氏體晶核形成之后，它一面與滲碳體相鄰，另一面與鐵素體相鄰。同時相界面處碳濃度處于鐵素體和滲碳體的過渡之間，容易出現(xiàn)奧氏體形核所需要的濃度起伏。 (a)奧氏體形核 (b)奧氏體長大 (c)剩余滲碳體溶解 (d)奧氏體均勻化 圖 珠光體向奧氏體轉變過程示意圖 鋼在加熱時的轉變 第 5章 鋼的熱處理原理 1. 奧氏體的形核 奧氏體晶核通常優(yōu)先在鐵素體和滲碳體的相界面上形成。珠光體的平均含碳量為 %。過熱度或過冷度隨加熱或冷卻速度的增大而增大。 在 FeFe3C相圖中，共析鋼在加熱和冷卻過程中經(jīng)過 PSK線 (A1)時，發(fā)生珠光體與奧氏體之間的相互轉變，亞共析鋼經(jīng)過 GS線 (A3)時，發(fā)生鐵素體與奧氏體之間的相互轉變，過共析鋼經(jīng)過 ES線 (Acm)時，發(fā)生滲碳體與奧氏體之間的相互轉變。 要了解各種熱處理對鋼組織與性能的影響，必須研究鋼在加熱和冷卻過程中的相變規(guī)律。 通過熱處理可以改善金屬材料的性能，所以絕大多數(shù)機械零件都要經(jīng)過熱處理以提高產(chǎn)品的質量、延長使用壽命。金屬材料中組織轉變的規(guī)律，就是熱處理的原理。 第 5章 鋼的熱處理原理 第 5章 鋼的熱處理原理 返回總目錄 第 5章 鋼的熱處理原理 教學提示：本章主要闡明鋼在加熱或冷卻過程中的相變規(guī)律。金屬材料在熱處理過程中，會發(fā)生一系列的組織變化，這些轉變具有嚴格的規(guī)律性。 熱處理的主要目的是為了改善金屬材料的性能，即改善鋼的工藝性能和提高鋼的機械性能和使用性能。由此可見，熱處理在機械工業(yè)中占有重要地位。通常把鋼加熱獲得奧氏體的轉變過程稱為奧氏體化過程。實際轉變溫度與平衡臨界溫度之差稱為過熱度 (加熱時 )或過冷度 (冷卻時)。共析鋼在室溫時，其平衡組織為單一珠光體，是由含碳極微的具有體心立方晶格的鐵素體和含碳量很高的具有復雜斜方晶格的滲碳體所組成的兩相混合物，其中鐵素體是基體相，滲碳體為分散相。因此，奧氏體的形成過程包括碳的擴散重新分布和鐵素體向奧氏體的晶格重組，也是一個形核、長大和均勻化的過程，如圖 示。在鐵素體和滲碳體的相界處原子排列不規(guī)則，處于高能不穩(wěn)狀態(tài)，具備形核所需要的結構起伏和能量起伏條件。在 AC1以上的某一溫度 t1形成奧氏體晶核。由于 Cγ C＞ Cγ ，因此，在奧氏體中出現(xiàn)碳的濃度梯度，并引起碳在奧氏體中不斷地由高濃度向低濃度的擴散。這樣，奧氏體的兩個界面就向鐵素體和滲碳體兩個方向推移，奧氏體便長大。 3. 殘留滲碳體的溶解 鐵素體、滲碳體、奧氏體三相比較而言，鐵素體的碳濃度和晶體結構與奧氏體相近，所以鐵素體先于滲碳體消失。因此，一切影響擴散、影響形核與長大的因素都影響奧氏體的形成速度。 ① 加熱溫度必須高于 AC1點，珠光體才能向奧氏體轉變。一方面，溫度越高則奧氏體與珠光體的自由能差越大，轉變的推動力越大，另一方面，溫度越高則原子擴散越快，因而碳的重新分布與鐵的晶格改變越快，所以，使奧氏體的形核、長大、殘余滲碳體的溶解及奧氏體的均勻化都進行得越快。 3. 化學成分的影響 一方面，鋼中含碳量越高，奧氏體的形成速度越快。但是，合金元素對于奧氏體化過程的進行速度有重要影響，一般都使之減慢。因此，合金鋼奧氏體化時，除了必須進行碳的擴散重新分布外，還必須進行合金元素的擴散重新分布?？傊辖痄摰膴W氏體化速度一般都比碳素鋼慢，特別是高合金鋼更要慢得多。例如，細小的奧氏體晶粒淬火所得到的馬氏體組織也細小，這不僅可以提高鋼的強度與韌性，還可降低淬火變形、開裂傾向。 鋼在加熱時的轉變 第 5章 鋼