【正文】 本 章 習(xí) 題 。 3. 共析鋼的奧氏體化過程包括哪三個(gè)階段？影響奧氏體化的因素有哪些？ 4. 奧氏體晶粒大小對(duì)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(gè)區(qū)域和各條線的物理含義。過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變 (TTT)曲線和連續(xù)轉(zhuǎn)變 (CCT)曲線對(duì)制定熱處理工藝，控制組織有重要意義。 鋼在加熱時(shí)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。 (3) 利用連續(xù)冷卻 C曲線可以大致估計(jì)零件熱處理后表面和內(nèi)部的組織及性能。 1mkm1 .5AtV???m? 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時(shí)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(duì)于制定和選擇零件熱處理工藝有實(shí)際的指導(dǎo)意義。 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(shí)組織轉(zhuǎn)變的情況。 ② 可估計(jì)鋼的臨界淬火冷卻速度 (Vk)，合理選擇冷卻介質(zhì)。 kVkV? 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時(shí)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(shí)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。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。 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(gè)微小的等溫過程組成，在經(jīng)過每一個(gè)溫度時(shí)都停留一個(gè)微小時(shí)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。但有些鋼在連續(xù)冷卻時(shí)會(huì)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。 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”。此后再增大冷速，轉(zhuǎn)變情況不再變化。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。 ② 當(dāng)冷速 ＜ V＜ 時(shí)，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(huì)與中止線相交，這時(shí)奧氏體只有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。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 。將各個(gè)冷速下的數(shù)據(jù)綜合繪在“溫度 — 時(shí)間對(duì)數(shù)”的坐標(biāo)中，便得到共析鋼的連續(xù)冷卻 C曲線，如圖 。 20世紀(jì) 50年代以后，由于實(shí)驗(yàn)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(shí)的轉(zhuǎn)變問題。根據(jù)英文名稱字頭，又稱為“ CCT(Continuous Cooling Transformation)曲線”。 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。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(duì)量也不同，因而得到的組織和性能也不同。但是，奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變不同于等溫轉(zhuǎn)變。在連續(xù)冷卻過程中，過冷奧氏體同樣能進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變時(shí)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(gè)轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)也與等溫轉(zhuǎn)變時(shí)的大致相同。 3) 加熱溫度和保溫時(shí)間的影響 加熱溫度越高，保溫時(shí)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。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。 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。 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 、 )。通常用 As表示逆轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)， Af表示逆轉(zhuǎn)變終了點(diǎn)。 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(shí)，已形成的馬氏體可以逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。 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(shí)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。 ⑤ 在通常情況下，馬氏體轉(zhuǎn)變不能進(jìn)行到底，也就是說當(dāng)冷卻到 Mf點(diǎn)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)。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(jìn)行，如果中斷冷卻，轉(zhuǎn)變便告停止。由于慣習(xí)面的不同，常常造成馬氏體組織形態(tài)的不同。馬氏體是在母相奧氏體點(diǎn)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(gè)面稱為慣習(xí)面。 ③ 馬氏體轉(zhuǎn)變的晶體學(xué)特點(diǎn)，是新相與母相之間保持著一定的位向關(guān)系。同時(shí)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(gè)相界面是互相牽制的。馬氏體轉(zhuǎn)變，相對(duì)珠光體轉(zhuǎn)變來說，是在較低的 溫度區(qū)域進(jìn)行的，因而具有一系列特點(diǎn)，其中主要特點(diǎn)如下： ① 馬氏體轉(zhuǎn)變屬于無擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變進(jìn)行時(shí)，只有點(diǎn)陣作有規(guī)則的重構(gòu)，而新相與母相并無成分的變化。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(duì)數(shù)量，從而可顯著提高鋼的強(qiáng)韌性，這是一條充分發(fā)揮鋼材潛力的有效途徑。 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時(shí)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)。 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。同時(shí)，強(qiáng)度、硬度也足夠高。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。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(shí)，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。在具有相同屈服強(qiáng)度的條件下，板條馬氏體比片狀馬氏體的韌性要好得多。馬氏體的塑性和韌性主要取決于馬氏體的亞結(jié)構(gòu)。這是由于相界面阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)造成的馬氏體強(qiáng)化。原始奧氏體晶粒大小及板條馬氏體束的尺寸對(duì)馬氏體的強(qiáng)度也有一定的影響。馬氏體形成以后，由于一般鋼的 Ms點(diǎn)大都處在室溫以上，因此在淬火過程中及在室溫停留時(shí)，或在外力作用下，都會(huì)發(fā)生“自回火”。馬氏體具有高硬度、高強(qiáng)度的原因是多方面的，其中主要包括固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化以及晶界強(qiáng)化等。含碳量進(jìn)一步增加， 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變 雖然馬氏體的硬度會(huì)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。馬氏體的硬度主要取決于馬氏體的含碳量。 ① 馬氏體的硬度和強(qiáng)度。馬氏體晶體結(jié)構(gòu)示意圖如圖 。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。 c、 a和 c/a與鋼中的含碳量呈線性關(guān)系。軸比 c／ a稱為馬氏體的正方度。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。 ④ 馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)。 Co雖然提高 Ms點(diǎn)，但也促進(jìn)片狀馬氏體的形成。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。 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變 一般認(rèn)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。對(duì)碳鋼來說，隨著含碳量的增加，板條馬氏體數(shù)量相對(duì)減少，片狀馬氏體的數(shù)量相對(duì)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。實(shí)驗(yàn)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。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(cuò)網(wǎng)絡(luò)。 片狀馬氏體內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶。若光學(xué)顯微鏡無法分辨最大尺寸的馬氏體片時(shí)，便稱為隱晶馬氏體。馬氏體片的周圍往往存在著殘余奧氏體。馬氏體片之間互不平行，呈一定角度分布。 (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(shí)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。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。板條馬氏體的亞結(jié)構(gòu)是位錯(cuò)，故又稱位錯(cuò)馬氏體，其位錯(cuò)密度是 1011/cm2～1012/cm2。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(duì)鋼的力學(xué)性能產(chǎn)生有益的影響。板條馬氏體的空間形態(tài)是扁條狀的。板條馬氏體是低、中碳鋼及馬氏體時(shí)效鋼、不銹鋼等鐵基合金中形成的一種典型馬氏體組織。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。由于馬氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生在較低溫度下，此時(shí)，鐵原子和碳原子都不能進(jìn)行擴(kuò)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(kuò)散型相變。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(diǎn)，馬氏體強(qiáng)化的主要原因是過飽和碳引起的晶格畸變，即固溶強(qiáng)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(cuò)、孿晶 )所引起的組織細(xì)化以及過飽和碳以彌散碳化物形式的析出等都對(duì)馬氏體強(qiáng)化有不同程度的貢獻(xiàn)。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。因此，貝氏體轉(zhuǎn)變是一個(gè)有碳原子擴(kuò)散的共格切變過程。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(diǎn)。