材料的結(jié)構(gòu)組織與性能4通用PPT課件

1、材料學(xué)院 材料的結(jié)構(gòu)組織與性能（四） 鋼的非平衡組織 FeC相圖是在緩慢冷卻條件下指導(dǎo)分析相變的圖形，其獲得的組織稱為平衡組織，它不能用于分析在不同的冷卻速度下的組織變化。實(shí)際上，同樣成分的鋼加熱到奧氏體溫度后再以不同冷卻速度冷卻，其性能相差很大。 下面以共析鋼為例：奧氏體化后的鋼爐冷HRC10 空冷HRC20風(fēng)冷HRC30水冷HRC60冷卻方式b(Kg/MM2)s(Kg/MM2)(%)(%)HRC爐冷53.228.132.549.31015空冷677234.0151845501824淬油9062.01820484050淬水11072781214526045鋼在不同介質(zhì)中冷卻后的機(jī)械性能 鋼在

2、加熱時(shí)的相變 將金屬材料通過加熱、保溫、冷卻以獲得不同非平衡組織的工藝叫“熱處理” 。熱處理通常是由加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段組成的。加熱是熱處理的第一道工序。對(duì)于鋼來說，大多數(shù)熱處理過程首先必須將其加熱到奧氏體狀態(tài)，然后以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s以獲得所期望的組織和性能。通常把鋼加熱到奧氏體溫度，使之轉(zhuǎn)變成奧氏體的過程稱為鋼的“奧氏體化”。奧氏體化是通過“熱處理”使鋼的組織發(fā)生變化的基礎(chǔ)。加熱時(shí)形成奧氏體的化學(xué)成分、均勻化程度及晶粒大小直接影響鋼在冷卻后的組織和性能。因此，研究鋼在加熱時(shí)的組織相變規(guī)律，控制和改進(jìn)加熱規(guī)范以改變鋼在高溫下的組織狀態(tài)，對(duì)于充分挖掘鋼材性能潛力、保證熱處理產(chǎn)品質(zhì)量有重要意義。

3、 碳鋼的臨界點(diǎn)在Fe-Fe3C狀態(tài)圖上的位置奧氏體化的溫度Ac1：加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度Ar1：冷卻時(shí)奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的開始溫度Ac3：加熱時(shí)游離鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度Ar3：冷卻時(shí)奧氏體開始析出游離鐵素體的溫度Accm： 加熱時(shí)二次滲碳體全部溶入奧氏體的終了溫度Arcm： 冷卻時(shí)奧氏體開始析出二次滲碳體的溫度圖中各符號(hào)含義如下:奧氏體化的過程 共析鋼在室溫的平衡組織為單一珠光體，但加熱至Ac1以上溫度時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。這種相變可用下式表示： 奧氏體的形成過程就是鐵晶格的改組和鐵、碳原子的擴(kuò)散過程。 共析鋼中奧氏體的形成由下列四個(gè)基本過程組成，即：奧氏體形核，奧氏

4、體晶核長(zhǎng)大，剩余滲碳體的溶解，奧氏體成分的均勻化， 共析鋼奧氏體的形成過程示意圖 鋼在冷卻時(shí)的相變 鋼從奧氏體狀態(tài)冷卻的過程是熱處理的關(guān)鍵工序，因?yàn)殇摰男阅茏罱K取決于奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變后的組織。因此，研究不同冷卻條件下鋼中奧氏體組織的相變規(guī)律，對(duì)于正確制定鋼的熱處理冷卻工藝、獲得預(yù)期的性能具有重要的實(shí)際意義。 在實(shí)際熱處理過程中，常用的冷卻方式有兩種：一是連續(xù)冷卻，即將鋼件以一定的冷卻速率從高溫一直連續(xù)冷卻至室溫。在連續(xù)冷卻過程中完成的組織相變，稱為連續(xù)冷卻相變；二是恒溫冷卻，即將鋼件迅速冷到臨界點(diǎn)以下某一溫度，恒溫保持一定時(shí)間后再冷至室溫。在保溫過程中完成的組織相變，稱為恒溫相變。 溫度時(shí)間連續(xù)

5、冷卻恒溫冷卻過冷奧氏體的恒溫轉(zhuǎn)變曲線 奧氏體在臨界點(diǎn)以上為穩(wěn)定相，臨界點(diǎn)以下為不穩(wěn)定相。常把臨界點(diǎn)以下存在且不穩(wěn)定的奧氏體稱為“過冷奧氏體”。描述過冷奧氏體恒溫冷卻時(shí)的溫度-時(shí)間-相變曲線稱為恒溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線（time-temperature-transformation curve），簡(jiǎn)稱TTT曲線。因其形狀像英文字母“C”，故又稱C曲線， 共析鋼C曲綫測(cè)定原理示意圖共析鋼的C曲線共析鋼的C曲線及非平衡組織珠光體（P）索氏體（S）屈氏體（T）上貝氏體（BS）下貝氏體（Bu）馬氏體（M） 奧氏體恒溫相變過程及相變產(chǎn)物(1)高溫轉(zhuǎn)變區(qū)過冷奧氏體向珠光體類組織的轉(zhuǎn)變 珠光體相變化就是前面介紹過的共

6、析反應(yīng)，它也是一個(gè)形核和長(zhǎng)大的過程，如圖所示。當(dāng)奧氏體過冷到A1560之間的某一溫度保溫時(shí)，首先在奧氏體晶界處形成片狀滲碳體核心（近年研究表明，也可以形成鐵素體核心），滲碳體的長(zhǎng)大使周圍奧氏體貧碳，為鐵素體的形核創(chuàng)造了條件，結(jié)晶核便在Fe3C兩側(cè)形成，這樣就形成了一個(gè)珠光體結(jié)晶核。的長(zhǎng)大使周圍奧氏體中含碳量升高，這又為產(chǎn)生新的Fe3C片創(chuàng)造了條件。隨著Fe3C的長(zhǎng)大，又產(chǎn)生新的片，如此反復(fù)進(jìn)行，便形成了與Fe3C片層相間的珠光體群落（pealite colony）。與此同時(shí)又有新的珠光體結(jié)晶核形成并長(zhǎng)大，直到各個(gè)珠光體群落彼此相接觸、奧氏體完全消失，相變便告結(jié)束。珠光體形成示意圖 恒溫溫度越低

7、，轉(zhuǎn)變速度越快，珠光體片層越細(xì)。按片層間距，珠光體類組織習(xí)慣上分為珠光體（P）、索氏體（sobite）（S） 、和屈氏體（troostite）（T）。它們并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，也沒有嚴(yán)格界限，只是形態(tài)上不同。珠光體較粗，索氏體較細(xì)，屈氏體最細(xì)。顯然，珠光體片層越細(xì)，其強(qiáng)度、硬度越高，同時(shí)延展性、韌性也有所增加。 珠光體類P： d 0.3mS： 0.1 d 0.3m T： d Vk馬氏體的形態(tài)特征和性能特征1、形態(tài)特征：M一般不超過A晶界，因此A晶粒越細(xì)小M也越細(xì)小；低碳鋼和中碳鋼多為板條狀馬氏體，在電鏡下可看到每根條束內(nèi)存在大量位錯(cuò)，故板條狀馬氏體又叫位錯(cuò)馬氏體；高碳鋼多為針狀馬氏體，在電鏡下每一針片

8、上可看到大量微細(xì)孿晶，故又叫孿晶馬氏體；12CrNr2鋼淬火馬氏體形貌（淬火溫度1050）x800 板條狀馬氏體板條馬氏體60Si2Mn鋼淬火 含碳1.70，Cr0.50，Si1.35，Mn0.75的鋼，自1100淬水，白色針狀者為針狀馬氏體，灰色背景為殘余奧氏體 針狀馬氏體怎樣區(qū)分針狀馬氏體與下貝氏體針狀馬氏體在一個(gè)奧氏體晶粒內(nèi)下貝氏體則不一定;針狀馬氏體針葉之間往往呈60或120度，下貝氏體無(wú)一定度數(shù);針狀馬氏體針葉之間往往呈齒狀或垳架狀且針葉不互相穿透,下貝氏體針葉隨機(jī)分布象竹葉一樣交叉穿透.2、性能特征：馬氏體的硬度很高，其與含碳量有密切關(guān)系，二者關(guān)系如圖：由于塑性太差,馬氏體的強(qiáng)度不

9、能充分發(fā)揮高碳馬氏體具有極高的硬度,但塑性和韌性極差，沒有工程使用價(jià)值，多含有微裂紋;低碳馬氏體硬度較高碳馬氏體低,但強(qiáng)度較高具有一定的韌性。硬度C含量珠光體（P）索氏體（S）屈氏體（T）上貝氏體（BS）下貝氏體（Bu）馬氏體（M）V1V2V3V4試分析圖中4種不同冷卻速度所得到的組織V1：PV2：SV3：STB上B下MAV4：MA連桿沿截面受均勻的拉應(yīng)力作用，要求界面組織均勻一致。軸頸要求耐磨，只需表面硬不同的服役條件下工作，工件截面受力亦不同，故組織也應(yīng)不同。VkV淬透層實(shí)際工件的冷卻速度沿工件徑向變慢冷卻速度Vk合金元素使CCT曲線鼻尖溫度右移在結(jié)構(gòu)鋼中，加入合金元素的主要目的是為了提高

10、鋼的淬透性。注:不同的鋼具有不同形狀的C曲線(a) 亞共析鋼 (b)共析鋼 (c) 過共析鋼亞共析鋼、共析鋼及過共析鋼的C曲綫比較 回 火 回火是將淬火鋼重新加熱至A1點(diǎn)以下某一溫度，保溫一定時(shí)間后，以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s至室溫的熱處理工藝回火的目的 1、穩(wěn)定組織：回火是緊接淬火的一道工藝。如前所述，在淬火過程中，鋼中的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，并有部分殘余奧氏體。馬氏體和奧氏體都極不穩(wěn)定，在使用過程中會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，引起工件尺寸和形狀的變化。 2、淬火鋼的硬度高、脆性大，具有較大的內(nèi)應(yīng)力，不宜直接使用?；鼗鸬哪康木褪菧p少或消除內(nèi)應(yīng)力，提高鋼的韌性和延展性； 3、保證相應(yīng)的組織轉(zhuǎn)變，選擇不同的回火溫度，獲

11、得硬度、強(qiáng)度、延展性和韌性的適當(dāng)配合，以滿足不同工件的性質(zhì)要求。淬火鋼回火時(shí)組織和性質(zhì)的變化 (1) 組織變化 一般來說，隨回火溫度的升高，淬火鋼的組織變化可分為四個(gè)階段，現(xiàn)以共析鋼為例來加以分析。 第一階段（80200），為馬氏體分解階段。在淬火馬氏體基體上析出薄片狀細(xì)小碳化物（分子式為Fe2.4C，密排六方晶格）,馬氏體中碳的過飽和度降低但仍為碳在-Fe中的過飽和固溶體，通常把這種過飽和+碳化物的組織稱為回火馬氏體（tempered martensite）。在此過程中，內(nèi)應(yīng)力逐漸減小。 第二階段（200300），殘余奧氏體分解為過飽和+碳化物。 第三階段（250400），馬氏體分解完成。中

12、的含碳量降低到正常飽和狀態(tài)，碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)闃O細(xì)的顆粒狀滲碳體。在此過程中，內(nèi)應(yīng)力大大降低。 第四階段（400以上），滲碳體顆粒聚集長(zhǎng)大并形成球狀，鐵素體發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶。 由以上分析可知,回火溫度不同，鋼的組織也不同。在300以下回火時(shí)，得到由具有一定過飽和度的與碳化物組成的回火馬氏體組織，可用M回表示?；鼗瘃R氏體易腐蝕為黑色針葉狀，但其硬度與淬火馬氏體相近。在300500范圍內(nèi)回火時(shí)，得到由針葉狀鐵素體與極細(xì)小的顆粒狀滲碳體組成的回火屈氏體組織，可用T回表示?；鼗鹎象w的硬度雖比回火馬氏體低，但因滲碳體極細(xì)小，鐵素體只發(fā)生回復(fù)過程而未再結(jié)晶，仍保持針葉狀，故仍具有較高的硬度和強(qiáng)度，特別是具有較

13、高的彈性極限和屈服強(qiáng)度以及一定的延展性和韌性。在500600范圍內(nèi)回火時(shí)，得到由等軸狀鐵素體與球狀滲碳體組成的回火索氏體組織，可用S回表示。由于滲碳體顆粒聚集長(zhǎng)大并球化及鐵素體再結(jié)晶，故與回火屈氏體相比，S回的硬度和強(qiáng)度較低，而延展性和韌性較高。 應(yīng)當(dāng)注意，經(jīng)淬火、回火得到的回火屈氏體、回火索氏體，與由奧氏體直接轉(zhuǎn)變而來的屈氏體、索氏體，都是鐵素體和滲碳體的混合物，但兩者相比，在強(qiáng)度、硬度相同時(shí)，前者的延展性、韌性更好。原因是回火組織中的滲碳體呈球狀，而由奧氏體直接轉(zhuǎn)變而來的屈氏體、索氏體中的滲碳體呈片狀。 (2) 性能變化 淬火鋼經(jīng)不同溫度回火后，其機(jī)械性質(zhì)與回火溫度的關(guān)系如圖所示。由圖可見

14、，隨回火溫度升高，鋼的硬度、強(qiáng)度降低，而延展性、韌性升高?？梢?，欲使鋼具備所需性質(zhì)，必須正確選擇回火溫度。(a)不同含碳量鋼的硬度變化 (b)含碳0.35%鋼的各種機(jī)械性質(zhì)變化鋼的機(jī)械性質(zhì)隨回火溫度的變化 回火的種類及應(yīng)用 根據(jù)回火溫度范圍的不同，鋼的回火可分為三類： (1) 低溫回火 回火溫度范圍為150250，通常保溫13小時(shí)后空冷，得到回火馬氏體。回火后，鋼的硬度高、耐磨性好，內(nèi)應(yīng)力有所降低，韌性有所改善。主要用于高碳鋼、合金工具鋼制造的刀具、量具和模具、軸承零件以及表面經(jīng)滲碳的零件。 (2) 中溫回火 回火溫度范圍為350500，保溫后空冷，得到回火屈氏體?；鼗鸷?，鋼的彈性限和降伏強(qiáng)度

15、較高，內(nèi)應(yīng)力基本消除，有一定的韌性。主要用于彈簧鋼制造的彈性零件，也用于有相應(yīng)硬度要求的構(gòu)造用鋼制造的零件。 (3) 高溫回火 回火溫度范圍為500600，保溫后空冷（有些合金鋼油冷或水冷），得到回火索氏體。回火后，鋼的內(nèi)應(yīng)力徹底消除，韌性顯著提高，綜合機(jī)械性質(zhì)良好。主要用于中碳鋼制造的受力結(jié)構(gòu)件，如軸、連桿和螺栓等。 回火溫度組織目的HRC低溫回火150250回火馬氏體降低淬火應(yīng)力略微提高韌性保留淬火后的高硬度，高耐磨性5864中溫回火350500回火屈氏體提高材料的彈性極限和屈服強(qiáng)度提高韌性3545高溫回火500650回火索氏體獲得強(qiáng)度、塑性、韌性均較好的綜合力學(xué)性能2535淬火高溫回火調(diào)

16、質(zhì)處理，廣泛用于承受交變載荷的機(jī)械零件 回火脆性 淬火鋼回火時(shí)，隨著回火溫度的升高，硬度降低而延展性提高。按理講，鋼的韌性也應(yīng)隨之提高，但在某些溫度區(qū)間回火后，韌性反而大大降低，這種現(xiàn)象稱為回火脆性（temper brittleness），如圖所示。在選擇鋼材和制定回火工藝時(shí)，都必須注意防止回火脆性問題。 常見的回火脆性有兩種，一種是低溫回火脆性，發(fā)生在250400回火以后；另一種是高溫回火脆性，發(fā)生在450575回火后緩慢冷卻時(shí)，若是很快冷卻則不出現(xiàn)，如圖8.18所示。鋼的衝擊韌性隨回火溫度的變化(1) 低溫回火脆性 低溫回火脆性又稱為“第一類回火脆性”或“不可逆回火脆性”。這種回火脆性主要是由于碳化物-Fe5C2和-Fe3C沿著馬氏體條或片的界面呈薄片狀析出所造成的，這種硬而脆的碳化物薄膜割裂了馬氏體，因而脆性大增。除此之外，殘余奧氏體的分解也會(huì)加重這種回火脆性，但不是主要原因。無(wú)論是碳鋼還是合金鋼，也不論含碳量高低，只要在低溫回火脆性區(qū)內(nèi)回火，都會(huì)發(fā)生脆化。只有躲開這一脆性溫度區(qū)回火，才能避免這種回火脆性。在鋼中加入13%Si，可使-Fe2.4C向-Fe5C2轉(zhuǎn)變的溫度移向較高的溫度，從而推遲-Fe5C2沿馬氏體界面析出。(2) 高溫回火脆性 高溫回火脆性又稱為“第二類回火脆性”或“可逆回火脆性”。淬火的合金鋼在