【正文】 最后試回答，以各種速度連續(xù)冷卻后，能否得到貝氏體組織，為什么？ 6. 列表比較珠光體、索氏體、屈氏體、上貝氏體、下貝氏體和馬氏體的形成條件、相組成物、顯微組織形態(tài)、硬度、塑性及韌性。 過冷奧氏體的轉變產物包括珠光體、貝氏體和馬氏體。 (2) 可以比較準確的定出鋼的臨界淬火冷卻速度 (Vk)，正確選擇冷卻介質。其中 式中 A1—— 鋼的臨界溫度； tm—— 等溫 C曲線的鼻尖溫度； —— 等溫 C曲線鼻尖孕育期時間。因為連續(xù)冷卻的轉變溫度均比等溫轉變的溫度低一些，所以連續(xù)冷卻到這個溫度進行轉變時，需要較長的孕育期。要注意的是，亞共析鋼的連續(xù)冷卻 C曲線與共析鋼的大不相同，主要是出現(xiàn)了鐵素體的析出線和貝氏體轉變區(qū)，還有 Ms線右端降低等。 kV?γ 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉變 由上面分析可見， 是保證奧氏體在連續(xù)冷卻過程中不發(fā)生分解而全部過冷到馬氏體區(qū)的最小冷速，稱為“上臨界冷速”，通常也叫做“淬火臨界冷速”。冷卻曲線一旦與中止線相交就不再發(fā)生轉變，只有一直冷卻到 Ms線以下才發(fā)生馬氏體轉變。由圖可以看到，珠光體轉變區(qū)由三條曲線構成，左邊一條是轉變開始線，右邊一條是轉變終了線，下面一條是轉變中止線。它反映了在連續(xù)冷卻條件下過冷奧氏體的轉變規(guī)律，是分析轉變產物組織與性能的依據，也是制訂熱處理工藝的重要參考資料。所以，連續(xù)冷卻轉變就顯得復雜一些，轉變規(guī)律性也不像等溫轉變那樣明顯，形成的組織也不容易區(qū)分。在連續(xù)冷卻過程中，不會出現(xiàn)新的在等溫冷卻轉變時所沒有的轉變。碳化物形成元素如 Mo、 W、 V、 Ti等，當它們溶入奧氏體以后，不僅使 C曲線的位置右移，而且使 C曲線呈兩個“鼻子”，即把珠光體轉變和貝氏體轉變分開，中間出現(xiàn)一過冷奧氏體穩(wěn)定性較大的區(qū)域。由圖可知，亞共析鋼的 C曲線比共析鋼多一條先共析鐵素體析出線，比過共析鋼多一條二次滲碳體的析出線。這種馬氏體轉變的可逆性，也稱逆轉變。淬火后鋼中殘余奧氏體量的多少，和 Ms～ Mf點溫度范圍與室溫的相對位置有直接關系，并且和淬火時的冷卻速度以及冷卻過程中是否停頓等因素有關。但在有些合金中，馬氏體轉變也可以在等溫條件下進行，即轉變時間的延長使馬氏體轉變量增多。鋼中馬氏體的慣習面近于 {111}A、 {225}A和 {259}A。這種以切變維持的共格關系也稱為第二類共格關系 (區(qū)別于以正應力維持的第一類共格關系 )。 (3) 馬氏體轉變的主要特點。 共析碳鋼淬火形成的片狀馬氏體的性能則為 σb＝ 230 107Pa， σs＝200 107Pa， HV： 900， δ≈1%， ψ≈30%， aK≈10J/cm2。這些都使得板條狀馬氏體的韌性相當好。其原因在于片狀馬氏體中微細孿晶亞結構的存在破壞了有效滑移系，使脆性增大；而板條馬氏體中的高密度位錯是不均勻分布的，存在低密度區(qū)，為位錯提供了活動的余地，所以仍有相當好的韌性。 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉變 ② 馬氏體的塑性和韌性。即碳原子和合金元素的原子向位錯及其他晶體缺陷處擴散偏聚或碳化物的彌散析出，釘扎位錯，使位錯難以運動，從而造成馬氏體時效強化；第四，原始奧氏體晶粒大小及板條馬氏體束大小對馬氏體強度的影響。合金元素對馬氏體的硬度影響不大，但可以提高其強度。鋼中馬氏體力學性能的顯著特點是具有高硬度和高強度。一般說，含碳量低于 %的板條馬氏體的正方度很小， c／ a≈1，為體心立方晶格。隨含碳量增加，晶格常數 c增加， a略有減小，馬氏體的正方度則不斷增大。根據 X射線結構分析，奧氏體轉變?yōu)轳R氏體時，只有晶格改組而沒有成分變化，在鋼的奧氏體中固溶的碳全部被保留到馬氏體晶格中，形成了碳在 Fe中的過飽和固溶體。溶入奧氏體中的合金元素除 Co、 Al外，大多數都使 Ms點下降，因而都促進片狀馬氏體的形成。含碳量為 %～ %的奧氏體則形成板條馬氏體和片狀馬氏體的混合組織。 ③ 影響馬氏體形態(tài)的因素。在生產中正常淬火得到的馬氏體，一般都是隱晶馬氏體。在原奧氏體晶粒中首先形成的馬氏體片貫穿整個晶粒，但一般不穿過晶界，將奧氏體晶粒分割。高碳鋼中典型的片狀馬氏體組織如圖 。許多相互平行的板條組成一個板條束，一個奧氏體晶粒內可以有幾個板條束 (通常 3個～ 5個 )。圖 ，是由許多成群的、相互平行排列的板條所組成，故稱為板條馬氏體。 (1) 馬氏體的組織形態(tài)和晶體結構。馬氏體 (martensite)是碳在 Fe中的過飽和固溶體，用符號“ M”表示。與珠光體轉變相似，貝氏體轉變過程中發(fā)生碳在鐵素體中的擴散；與馬氏體轉變相似，奧氏體向鐵素體的晶格改組是通過共格切變方式進行的。粒狀貝氏體具有較好的強韌性，在生產中已經得到應用。因此，在工程材料中一般應避免上貝氏體組織的形成。貝氏體的機械性能主要決定于其組織形態(tài)。這些小島在 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉變 高溫下原是富碳的奧氏體區(qū)，其后的轉變可能有三種情況：分解為鐵素體和碳化物，形成珠光體；發(fā)生馬氏體轉變；富碳的奧氏體全部保留下來。粒狀貝氏體是近年來在一些低碳或中碳合金鋼中發(fā)現(xiàn)的一種貝氏體組織。下貝氏體中鐵素體的亞結構為位錯，其位錯密度比上貝氏體中鐵素體的高。下貝氏體可以在奧氏體晶界上形成，但更多的是在奧氏體晶粒內部形成。下貝氏體形成于貝氏體轉變區(qū)的較低溫度范圍，中、高碳鋼為 350℃ ～ Ms之間。上貝氏體的形態(tài)還與轉變溫度有關，隨轉變溫度降低，上貝氏體中鐵素體條變薄，滲碳體細化。在電子顯微鏡下可以清楚地看到在平行的條狀鐵素體之間常存在斷續(xù)的、粗條狀的滲碳體，如圖 (b)所示。 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉變 ① 上貝氏體 (upper bainite)。在貝氏體轉變中，由于轉變時過冷度很大，沒有鐵原子的擴散，而是靠切變進行奧氏體向鐵素體的點陣轉變，并由碳原子的短距離“擴散”進行碳化物的沉淀析出。在退火狀態(tài)下，對于相同含碳量的鋼材，粒狀珠光體比片狀珠光體具有較少的相界面，其硬度、強度較低，而塑性、韌性較高。 需要指出，珠光體、索氏體和屈氏體都是由滲碳體和鐵素體組成的層片狀機械混合物，只是由于層片的大小不同，也就決定了它們的機械性能各異。 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉變 在過冷度稍大時 (650℃ ～ 600℃ )，會得到層片較薄的細珠光體組織 (S——細珠光體 )，硬度 20HRC～ 30HRC；稱為“索氏體” (sorbite)，用“ S”表示。珠光體轉變是全擴散型轉變，即鐵原子和碳原子均進行擴散運動。 1) 珠光體轉變 (pearlite transformation) 共析成分的過冷奧氏體從 Al以下至 C曲線的“鼻尖”以上，即 Al～ 550℃ 溫度范圍內會發(fā)生 → P，其反應是： P (F + Fe3C) 奧氏體向珠光體轉變過程也是形核、長大的過程，如圖 。等溫溫度越低，過冷度越大，自由能差也越大，則加快過冷奧氏體的轉變速度；但原子擴散系數卻隨等溫溫度降低而減小，從而減慢過冷奧氏體的轉變速度。此后，隨等溫溫度下降，孕育期又不斷增加，轉變速度減慢。在轉變終了線右側的區(qū)域為過冷奧氏體轉變產物區(qū)。 A1與 Ms線之間有兩條 C曲線，左側一條為過冷奧氏體轉變開始線，右側一條為過冷奧氏體轉變終了線。多組試樣在不同等溫溫度下進行試驗，將各溫度下的轉變開始點和終了點都繪在溫度 — 時間坐標系中，并將不同溫度下的轉變開始點和轉變終了點分別連接成曲線，就可以得到共析鋼的過冷奧氏體等溫轉變曲線，如圖 。 將共析鋼加工成圓片狀試樣 (10 )，并分成若干組，每組試樣 5個～10個。 鋼在冷卻時的轉變 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉變 圖 奧氏體不同冷卻方式示意圖 1— 等溫冷卻 2— 連續(xù)冷卻 1. 過冷奧氏體等溫轉變曲線 (isothermal transformation curve) 過冷奧氏體等溫轉變曲線可綜合反映過冷奧氏體在不同過冷度下的等溫轉變過程：轉變開始和轉變終了時間、轉變產物的類型以及轉變量與時間、溫度之間的關系等。它是將奧氏體化后的鋼連續(xù)從高溫冷卻到室溫，使奧氏體在一個溫度范圍內發(fā)生連續(xù)轉變。其原因是不同冷卻速度下，奧氏體的過冷度不同，轉變產物的組織不同，所以工件性能各異。但是，當含碳量超過一定限度以后，鋼中出現(xiàn)二次滲碳體，隨著含碳量的增加，二次滲碳體數量增多，滲碳體可以阻礙奧氏體晶界的移動，故奧氏體晶粒反而細?。坏谒?，鋼中加入適量的形成難熔化合物的合金元素，如 Ti、 Zr、 V、 Al、 Nb、 Ta等，強烈地阻礙奧氏體晶粒長大，使奧氏體晶粒粗化溫度升高，因為這些元素是強碳、氮化合物形成元素，在鋼中能形成熔點高、穩(wěn)定性強、彌散的碳化物或氮化物，阻礙晶粒長大。 圖 標準晶粒度等級示意圖 鋼在加熱時的轉變 第 5章 鋼的熱處理原理 奧氏體晶粒長大基本上是一個奧氏體晶界遷移的過程，其實質是原子在晶界附近的擴散過程。鋼的本質晶粒度在熱處理生產中具有很重要的意義。含有鈦、鋯、釩、鈮、鉬、鎢等合金元素的鋼也是本質細晶粒鋼。通常是在放大 100倍的情況下，與標準晶粒度等級圖 (見圖 )進行比較評級?？墒?，超過一定溫度以后，晶粒急劇長大，突然粗化。本質晶粒度就是反映鋼材加熱時奧氏體晶粒長大傾向的一個指標。在每一個具體加熱條件下所得到的奧氏體晶粒大小，稱為奧氏體的“實際晶粒度”。晶粒長大能使自由能降低，所以晶?？傄园l(fā)長大。根據奧氏體的形成過程及長大傾向，奧氏體的晶粒度可以用起始晶粒度、實際晶粒度和本質晶粒度等描述。因此，鋼的原始組織越細，則奧氏體的形成速度越快。 (3) 某些合金元素會影響碳和鐵的擴散速度：如鉻、鉬、鎢、釩、鈦等都顯著減慢碳的擴散，鈷、鎳等則加速碳的擴散，硅、鋁、錳等影響不大。因此，在同一溫度奧氏體化時，與碳素鋼相比合金元素改變了過熱度，因而也就改變了奧氏體與珠光體的自由能差，這對于奧氏體的形核與長大都有重要影響。同時，碳化物數量增加，又使碳的擴散距離減小，以及隨奧氏體中含碳量增加，碳和鐵原子的擴散系數將增大，從而增大奧氏體的長大速度。因此，在制定加熱工藝時，應全面考慮溫度和時間的影響。 鋼在加熱時的轉變