材料的结构组织与性能4.ppt

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材料学院材料学院材料的结构组织与性能材料的结构组织与性能（四）（四）（四）（四）钢的非平衡组织钢的非平衡组织FeC相图是在缓慢冷却条件下指导分析相变的图形，其获得相图是在缓慢冷却条件下指导分析相变的图形，其获得的组织称为平衡组织，它不能用于分析在不同的冷却速度下的组的组织称为平衡组织，它不能用于分析在不同的冷却速度下的组织变化。

织变化。

实际上，同样成分的钢加热到实际上，同样成分的钢加热到奥氏体温度奥氏体温度后再以不同冷后再以不同冷却速度冷却，其性能相差很大。

却速度冷却，其性能相差很大。

下面以共析钢为例：

下面以共析钢为例：

奥氏体化后的钢奥氏体化后的钢炉冷炉冷HRC10空冷空冷HRC20风冷风冷HRC30水冷水冷HRC60冷却方式冷却方式b（Kg/MM2）s（Kg/MM2）（%）（%）HRC炉冷炉冷53.228.132.549.31015空冷空冷677234.0151845501824淬油淬油9062.01820484050淬水淬水11072781214526045钢在不同介质中冷却后的机械性能钢在不同介质中冷却后的机械性能钢在加热时的相变钢在加热时的相变将将金金属属材材料料通通过过加加热热、保保温温、冷冷却却以以获获得得不不同同非非平平衡衡组组织织的的工工艺艺叫叫“热热处处理理”。

热热处处理理通通常常是是由由加加热热、保保温温和和冷冷却却三三个个阶阶段段组组成成的的。

加加热热是是热热处处理理的的第第一一道道工工序序。

对对于于钢钢来来说说，大大多多数数热热处处理理过过程程首首先先必必须须将将其其加加热热到到奥奥氏氏体体状状态态，然然后后以以适适当当的的方方式式冷冷却却以以获获得得所所期期望望的的组组织织和和性性能能。

通通常常把把钢钢加加热热到到奥奥氏氏体体温温度度，使使之之转转变变成成奥奥氏氏体体的的过过程程称称为为钢钢的的“奥奥氏氏体体化化”。

奥奥氏氏体体化化是是通通过过“热热处处理理”使使钢钢的的组组织织发发生生变变化化的的基基础础。

加加热热时时形形成成奥奥氏氏体体的的化化学学成成分分、均均匀匀化化程程度度及及晶晶粒粒大大小小直直接接影影响响钢钢在在冷冷却却后后的的组组织织和和性性能能。

因因此此，研研究究钢钢在在加加热热时时的的组组织织相相变变规规律律，控控制制和和改改进进加加热热规规范范以以改改变变钢钢在在高高温温下下的的组组织织状状态态，对对于于充充分分挖挖掘掘钢钢材材性性能能潜潜力、保证热处理产品质量有重要意义。

力、保证热处理产品质量有重要意义。

碳鋼的臨界點在碳鋼的臨界點在Fe-Fe3C狀態圖上的位置狀態圖上的位置奥氏体化的温度奥氏体化的温度Ac1：

加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度Ar1：

冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度Ac3：

加热时游离铁素体全部转变为奥氏体的终了温度加热时游离铁素体全部转变为奥氏体的终了温度Ar3：

冷却时奥氏体开始析出游离铁素体的温度冷却时奥氏体开始析出游离铁素体的温度Accm：

加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度Arcm：

冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度图中各符号含义如下图中各符号含义如下:

奥氏体化的过程奥氏体化的过程共共析析钢钢在在室室温温的的平平衡衡组组织织为为单单一一珠珠光光体体，但但加加热热至至Ac1以以上上温温度度时时，珠光体转变为奥氏体。

这种相变可用下式表示：

珠光体转变为奥氏体。

这种相变可用下式表示：

奥氏体的形成过程就是铁晶格的改组和铁、碳原子的扩散过程。

奥氏体的形成过程就是铁晶格的改组和铁、碳原子的扩散过程。

共析钢中奥氏体的形成由下列四个基本过程组成，即共析钢中奥氏体的形成由下列四个基本过程组成，即：

奥氏体形核，奥氏体形核，奥氏体晶核长大，奥氏体晶核长大，剩余渗碳体的溶解，剩余渗碳体的溶解，奥氏体成分的均匀化，奥氏体成分的均匀化，共析鋼奥氏体的形成過程示意圖共析鋼奥氏体的形成過程示意圖钢在冷却时的相变钢在冷却时的相变钢钢从从奥奥氏氏体体状状态态冷冷却却的的过过程程是是热热处处理理的的关关键键工工序序，因因为为钢钢的的性性能能最最终终取取决决于于奥奥氏氏体体冷冷却却转转变变后后的的组组织织。

因因此此，研研究究不不同同冷冷却却条条件件下下钢钢中中奥奥氏氏体体组组织织的的相相变变规规律律，对对于于正正确确制制定定钢钢的的热热处处理理冷冷却却工工艺艺、获获得得预预期期的的性性能能具具有有重重要要的的实际意义。

实际意义。

在实际热处理过程中，常用的冷却方式有两种：

一在实际热处理过程中，常用的冷却方式有两种：

一是是连续冷却连续冷却，即将钢件以一定的冷却速率从高温一直连续，即将钢件以一定的冷却速率从高温一直连续冷却至室温冷却至室温。

在连续冷却过程中完成的组织相变，称为连。

在连续冷却过程中完成的组织相变，称为连续冷却相变；二是续冷却相变；二是恒温冷却恒温冷却，即将钢件迅速冷到临界点以，即将钢件迅速冷到临界点以下某一温度，恒温保持一定时间后再冷至室温下某一温度，恒温保持一定时间后再冷至室温。

在保温过。

在保温过程中完成的组织相变，称为恒温相变。

程中完成的组织相变，称为恒温相变。

温温度度时间时间连续冷却连续冷却恒温冷却恒温冷却过冷奥氏体的恒温转变曲线过冷奥氏体的恒温转变曲线奥奥氏氏体体在在临临界界点点以以上上为为稳稳定定相相，临临界界点点以以下下为为不不稳稳定定相相。

常常把把临临界界点点以以下下存存在在且且不不稳稳定定的的奥奥氏氏体体称称为为“过过冷冷奥奥氏氏体体”。

描描述述过过冷冷奥奥氏氏体体恒恒温温冷冷却却时时的的温温度度-时时间间-相相变变曲曲线线称称为为恒恒温温冷冷却却转转变变曲曲线线（time-temperature-transformationcurve），简简称称TTT曲曲线线。

因因其其形形状状像像英英文文字字母母“C”，故故又又称称C曲曲线线，共共析析鋼鋼C曲曲綫綫測測定定原原理理示示意意圖圖共共析析钢钢的的C曲曲线线共共析析钢钢的的C曲曲线线及及非非平平衡衡组组织织珠光体（珠光体（P）索氏体索氏体（S）屈氏体（屈氏体（T）上贝氏体（上贝氏体（BS）下贝氏体（下贝氏体（Bu）马氏体（马氏体（M）奥氏体恒温相变过程及相变产物奥氏体恒温相变过程及相变产物

（1）高温转变区过冷奥氏体向珠光体类组织的转变高温转变区过冷奥氏体向珠光体类组织的转变珠光体相变化就是前面介绍过的共析反应，它也是一个形核和长大的过程，珠光体相变化就是前面介绍过的共析反应，它也是一个形核和长大的过程，如图所示。

当奥氏体过冷到如图所示。

当奥氏体过冷到A1560之间的某一温度保温时，首先在奥氏体之间的某一温度保温时，首先在奥氏体晶界处形成片状渗碳体核心（近年研究表明，也可以形成铁素体核心），渗晶界处形成片状渗碳体核心（近年研究表明，也可以形成铁素体核心），渗碳体的长大使周围奥氏体贫碳，为铁素体的形核创造了条件，碳体的长大使周围奥氏体贫碳，为铁素体的形核创造了条件，结晶核便在结晶核便在Fe3C两侧形成，这样就形成了一个珠光体结晶核。

两侧形成，这样就形成了一个珠光体结晶核。

的长大使周围奥氏体中的长大使周围奥氏体中含碳量升高，这又为产生新的含碳量升高，这又为产生新的Fe3C片创造了条件。

随着片创造了条件。

随着Fe3C的长大，又产生的长大，又产生新的新的片，如此反复进行，便形成了片，如此反复进行，便形成了与与Fe3C片层相间的珠光体群落（片层相间的珠光体群落（pealitecolony）。

）。

与此同时又有新的珠光体结晶核形成并长大，直到各个珠光体群与此同时又有新的珠光体结晶核形成并长大，直到各个珠光体群落彼此相接触、奥氏体完全消失，相变便告结束。

落彼此相接触、奥氏体完全消失，相变便告结束。

珠光体形成示意圖珠光体形成示意圖恒温温度越低，转变速度越快，珠光体片层越细。

恒温温度越低，转变速度越快，珠光体片层越细。

按片层间距，珠光体类组织习惯上分为珠光体（按片层间距，珠光体类组织习惯上分为珠光体（P）、）、索氏体索氏体（sobite）（）（S）、和和屈氏体屈氏体（troostite）（）（T）。

）。

它们并无本质区别，也没有严格界限，只是形态上不同。

它们并无本质区别，也没有严格界限，只是形态上不同。

珠光体较粗，索氏体较细，屈氏体最细。

显然，珠光体珠光体较粗，索氏体较细，屈氏体最细。

显然，珠光体片层越细，其强度、硬度越高，同时延展性、韧性也有片层越细，其强度、硬度越高，同时延展性、韧性也有所增加。

所增加。

珠光体类珠光体类P：

d0.3mS：

0.1d0.3mT：

dVk马氏体的形态特征和性能特征马氏体的形态特征和性能特征1、形态特征：

、形态特征：

M一般不超过一般不超过A晶界，因此晶界，因此A晶粒越细小晶粒越细小M也越也越细小；细小；低碳钢和中碳钢多为低碳钢和中碳钢多为板条状马氏体板条状马氏体，在电镜下可，在电镜下可看到每根条束内存在大量位错，故板条状马氏体看到每根条束内存在大量位错，故板条状马氏体又叫位错马氏体；又叫位错马氏体；高碳钢多为高碳钢多为针状马氏体针状马氏体，在电镜下每一针片上可，在电镜下每一针片上可看到大量微细孪晶，故又叫孪晶马氏体；看到大量微细孪晶，故又叫孪晶马氏体；12CrNr2钢淬火马钢淬火马氏体形貌氏体形貌（淬火温（淬火温度度1050）x800板条状马板条状马氏体氏体板条马氏体板条马氏体60Si2Mn钢淬火钢淬火含含碳碳1.70，Cr0.50，Si1.35，Mn0.75的的钢钢，自自1100淬淬水水，白色针状者为白色针状者为针状马氏体针状马氏体，灰色背景为残余奥氏体，灰色背景为残余奥氏体针状马氏体针状马氏体怎样区分针状马氏体与下贝氏体怎样区分针状马氏体与下贝氏体针状马氏体在一个奥氏体晶粒内下贝氏体则不一定针状马氏体在一个奥氏体晶粒内下贝氏体则不一定;针状马氏体针叶之间往往呈针状马氏体针叶之间往往呈60或或120度，下贝氏体无一定度数度，下贝氏体无一定度数;针状马氏体针叶之间往往呈齿状或垳架状且针叶不互相穿透针状马氏体针叶之间往往呈齿状或垳架状且针叶不互相穿透,下贝下贝氏体针叶随机分布象竹叶一样交叉穿透氏体针叶随机分布象竹叶一样交叉穿透.2、性能特征：

、性能特征：

马氏体的硬度很高，其与含碳量有密切关系，二者关系如图：

马氏体的硬度很高，其与含碳量有密切关系，二者关系如图：

由于塑性太差由于塑性太差,马氏体的强度不马氏体的强度不能充分发挥能充分发挥高碳马氏体具有极高的硬度高碳马氏体具有极高的硬度,但塑性和韧性极差，没有工程使但塑性和韧性极差，没有工程使用价值，多含有微裂纹用价值，多含有微裂纹;低碳马氏体硬度较高碳马氏体低低碳马氏体硬度较高碳马氏体低,但强度较高具有一定的韧性。

但强度较高具有一定的韧性。

硬硬度度C含量含量珠光体（珠光体（P）索氏体索氏体（S）屈氏体（屈氏体（T）上贝氏体（上贝氏体（BS）下贝氏体（下贝氏体（Bu）马氏体（马氏体（M）V1V2V3V4试分析试分析图中图中4种不同种不同冷却速冷却速度所得度所得到的组到的组织织V1：

PV2：

SV3：

STB上上B下下MAV4：

MA连杆沿截面受均匀的拉应力作连杆沿截面受均匀的拉应力作用，要求界面组织均匀一致。

用，要求界面组织均匀一致。

轴颈要求耐磨，只需表面硬轴颈要求耐磨，只需表面硬不同的不同的服役条服役条件下工件下工作，工作，工件截面件截面受力亦受力亦不同，不同，故组织故组织也应不也应不同。

同。

VkV淬透淬透层层实际工件的冷却速度沿工件径向变慢实际工件的冷却速度沿工件径向变慢冷冷却却速速度度Vk合金元素使合金元素使CCT曲线鼻尖温度右移曲线鼻尖温度右移在结构钢中，加入合金元素的主要目的是为了提高钢的淬透性。

在结构钢中，加入合金元素的主要目的是为了提高钢的淬透性。

注注:

不不同同的的钢钢具具有有不不同同形形状状的的C曲曲线线（a）亞共析鋼亞共析鋼（b）共析鋼共析鋼（c）過共析鋼過共析鋼亞共析鋼、共析鋼及過共析鋼的亞共析鋼、共析鋼及過共析鋼的C曲綫比較曲綫比較回回火火回回火火是是将将淬淬火火钢钢重重新新加加热热至至A1点点以以