【正文】 (3) 貝氏體轉(zhuǎn)變的特點。 粒狀貝氏體組織中，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(fù)相強化作用。 圖 粒狀貝氏體顯微組織 1000X 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 下貝氏體中鐵素體針細(xì)小、分布均勻，在鐵素體內(nèi)又沉淀析出大量細(xì)小、彌散的碳化物，而且鐵素體內(nèi)含有過飽和的碳及很高密度的位錯，因此下貝氏體不但強度高，而且韌性也好，即具有良好的綜合機械性能，缺口敏感性和脆性轉(zhuǎn)折溫度都較低，是一種理想的組織。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。由于上貝氏體的形成溫度較高，鐵素體條粗大，碳的過飽和度低，因而強度和硬度較低。 (2) 貝氏體的機械性能。初步研究認(rèn)為，粒狀貝氏體中鐵素體的亞結(jié)構(gòu)為位錯，但其密度不大。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。粒狀貝氏體形成于上貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)上限溫度范圍內(nèi)。 (a)光學(xué)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。下貝氏體的鐵素體內(nèi)含有過飽和的碳，其固溶量比上貝氏體高，并隨形成溫度降低而增大。 角取向平行排列，如圖 (b)所示。在電子顯微鏡下可以觀察到下貝氏體中碳化物的形態(tài)，它們細(xì)小、彌散，呈粒狀或短條狀，沿著與鐵素體長軸成 55176。在光學(xué)顯微鏡下，當(dāng)轉(zhuǎn)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。典型的下貝氏體是由含碳過飽和的片狀鐵素體和其內(nèi)部沉淀的碳化物組成的機械混合物。 ② 下貝氏體 (lower bainite)。 在上貝氏體中的鐵素體條間還可能存在末轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體。 (a)光學(xué)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(zhuǎn)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(xì)。上貝氏體中鐵素體的亞結(jié)構(gòu)是位錯，其密度為 108/cm2～ 109/cm2，比板條馬氏體低 2個～ 3個數(shù)量級。在中、高碳鋼中，當(dāng)上貝氏體形成量不多時，在光學(xué)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。過冷奧氏體在 350℃ ～ 550℃ 之間轉(zhuǎn)變將得到羽毛狀的組織，稱此為上貝氏體，用“”表示其硬度 40HRC～ 45HRC。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。因此，貝氏體轉(zhuǎn)變的機理，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)都不同于珠光體轉(zhuǎn)變。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。實踐表明，具有粒狀珠光體的鋼材，其切削加工性、淬火工藝性等都比片狀珠光體好。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(zhuǎn)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。表51給出了共析鋼的珠光體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的類型、形成溫度、層片間距及硬度等，以供參考。它只有在10000～ 15000倍的電鏡下才能分辨出來。它在 1000～ 1500倍的光學(xué)顯微鏡下，才能分辨清楚。 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。 ? ? 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 圖 片狀珠光體形成示意圖 等溫形成片層狀鐵素體和滲碳體的機械混合物，統(tǒng)稱為珠光體 (pearlite)，用“ P”表示。如此交替進(jìn)行下去，奧氏體最終全部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和滲碳體片層相間的珠光體組織。當(dāng)奧氏體過冷到 A1以下時，首先在奧氏體晶界上產(chǎn)生滲碳體晶核，通過原子擴(kuò)散，滲碳體依靠周圍奧氏體供應(yīng)碳原子長大，同時由于滲碳體兩邊奧氏體含碳量降低，從而為鐵素體的形核創(chuàng)造了條件，使兩邊的奧氏體轉(zhuǎn)變成為鐵素體。 圖 共析鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 2. 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變，即珠光體轉(zhuǎn)變 (高溫區(qū)轉(zhuǎn)變 )、貝氏體轉(zhuǎn)變 (中溫區(qū)轉(zhuǎn)變 )和馬氏體轉(zhuǎn)變 (低溫區(qū)轉(zhuǎn)變 )。高溫時，自由能差起主導(dǎo)作用；低溫時，原子擴(kuò)散系數(shù)起主導(dǎo)作用。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(kuò)散系數(shù) D。過冷奧氏體轉(zhuǎn)變終了線與縱坐標(biāo)之間的水平距離則表示在不同溫度下轉(zhuǎn)變完成所需要的總時間。在 A1以下，隨等溫溫度降低，孕育期縮短，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變速度增大，在 550℃ 左右共析鋼的孕育期最短，轉(zhuǎn)變速度最快。 A1線以下， Ms線以上以及縱坐標(biāo)與過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始線之間的區(qū)域為過冷奧氏體區(qū)，過冷奧氏體在該區(qū)域內(nèi)不發(fā)生轉(zhuǎn)變，處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始線與轉(zhuǎn)變終了線之間的區(qū)域為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，在該區(qū)域過冷奧氏體向珠光體或貝氏體轉(zhuǎn)變。 A1線以上是奧氏體穩(wěn)定區(qū)。圖中下方的一條水平線 Ms(230℃ )為馬氏轉(zhuǎn)變開始溫度， Ms以下還有一條水平線 Mf(50℃ )為馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度。 C曲線中轉(zhuǎn)變開始線與縱軸的距離為孕育期，標(biāo)志著不同過冷度下過冷奧氏體的穩(wěn)定性，其中以 550℃ 左右共析鋼的孕育期最短，過冷奧氏體穩(wěn)定性最低，稱為 C曲線的“鼻尖”。由一組試樣可以測出一個等溫溫度下轉(zhuǎn)變開始和轉(zhuǎn)變終了的間，根據(jù)需要也可以測出轉(zhuǎn)變量為 20%、 50%、 70%等的時間。首先選一組試樣加熱至奧氏體化后，迅速轉(zhuǎn)入 A1以下一定溫度的熔鹽浴中等溫，各試樣停留不同時間之后，逐個取出試樣，迅速淬入鹽水中激冷，使尚未分解的過冷奧氏體變?yōu)轳R氏體，這樣在金相顯微鏡下就可觀察到過冷奧氏體的等溫分解過程，記下過冷奧氏體向其他組織轉(zhuǎn)變開始的時間和轉(zhuǎn)變終了的時間；顯然，等溫時間不同，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物量就不同?，F(xiàn)以金相 — 硬度法為例介紹共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的建立過程。因其形狀通常像英文字母“ C”，故俗稱其為 C曲線，亦稱為 TTT圖。這種在臨界點以下尚未轉(zhuǎn)變的處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體稱為過冷奧氏體 (supercooling austenite)。如圖 2所示。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(jìn)行等溫轉(zhuǎn)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。 第 5章 鋼的熱處理原理 過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 生產(chǎn)中冷卻的方式是多種多樣的。 奧氏體經(jīng)過不同的冷卻后，性能明顯不同，強度相差幾倍。 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 奧氏體化后的鋼只有通過適當(dāng)?shù)睦鋮s，才能得到所需要的組織和性能。這是因為隨著含碳量的增加，碳在鋼中的擴(kuò)散速度以及鐵的自擴(kuò)散速度均增加，故加速了奧氏體晶粒長大的傾向性。所以一切影響原子擴(kuò)散遷移的因素都能影響奧氏體晶粒長大。此外，本質(zhì)細(xì)晶粒鋼焊接時，焊縫熱影響區(qū)的過熱程度也比本質(zhì)粗晶粒鋼輕微得多。因為，有些熱處理工藝，如滲碳、滲金屬等工藝，必須在高溫進(jìn)行長時間加熱才能實現(xiàn)，這時若采用本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，就能防止工件心部和表層過熱，滲后就能直接進(jìn)行淬火。 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 在本質(zhì)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。這是因為鋁、鈦、鋯等元素在鋼中會形成分布在晶界上的超細(xì)的化合物顆粒，如 AlN、Al2O TiC、 ZrC等，它們穩(wěn)定性很高，不容易聚集；也不容易溶解，能阻礙晶粒長大。一般來說，能用鋁脫氧的鋼都是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，不用鋁而用硅、錳脫氧的鋼則為本質(zhì)粗晶粒鋼。晶粒度是 1級～ 4級的定為本質(zhì)粗晶粒鋼， 5級～ 8級的定為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。 本質(zhì)晶粒度是根據(jù)冶金部的部頒標(biāo)準(zhǔn) 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(zhì)晶粒度。這個晶粒開始強烈長大的溫度稱為“晶粒粗化溫度”。 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 本質(zhì)細(xì)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(xì)小晶粒。凡是奧氏體晶粒容易長大的鋼就稱為“本質(zhì)粗晶粒鋼”，反之，奧氏體晶粒不容易長大的鋼則稱為“本質(zhì)細(xì)晶粒鋼”。 3. 本質(zhì)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。即實際晶粒度為在具體的加熱條件下加熱時，所得到奧氏體的實際晶粒大小。溫度越高，時間越長，晶粒就長得越大。顯然，晶粒長大的推動力是界面能的降低，而晶粒長大的阻力來自第二相的阻礙等作用。這是因為，晶粒越細(xì)小則晶界面積越大，總的界面能也越大，所以，細(xì)晶粒狀態(tài)的自由能高于粗晶粒狀態(tài)的自由能。 1. 起始晶粒度 鋼加熱時，當(dāng)珠光體剛剛轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時，奧氏體晶粒大小叫起始晶粒度，此時的晶粒一般均較細(xì)小，若溫度提高或時間延長，晶粒會長大。目前，細(xì)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(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 奧氏體的晶粒度及其影響因素 奧氏體的晶粒大小對鋼的冷卻轉(zhuǎn)變及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能都有重要的影響，同時也影響工藝性能。 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 4. 原始組織的影響 在化學(xué)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。 (4) 極易形成碳化物的元素：如鈦、釩