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1、第七讲第七讲过冷奥氏体等温转变过程及转变产物过冷奥氏体等温转变过程及转变产物工程材料与焊接基础工程材料与焊接基础薛小怀薛小怀 副教授副教授 过冷奥氏体等温转变过程及转变产物过冷奥氏体等温转变过程及转变产物 随过冷度的不同，过冷奥氏体将发生三种随过冷度的不同，过冷奥氏体将发生三种基本类型的转变，即基本类型的转变，即珠光体转变、贝氏体转珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变变和马氏体转变。以共析钢为例进行说明。以共析钢为例进行说明。2薛小怀薛小怀 副教授副教授 珠光体转变珠光体转变（1）珠光体转变过程）珠光体转变过程 过冷奥氏体在过冷奥氏体在A1“鼻尖鼻尖”（约（约550 C）温度范围内等温将转变）温
2、度范围内等温将转变为珠光体组织。因转变温度较高、为珠光体组织。因转变温度较高、铁、碳原子的扩散都能够比较充铁、碳原子的扩散都能够比较充分地进行，使奥氏体能分解为成分地进行，使奥氏体能分解为成分、结构都与之相差很大的渗碳分、结构都与之相差很大的渗碳体和铁素体。可见奥氏体向珠光体和铁素体。可见奥氏体向珠光体的转变属于扩散型相变。体的转变属于扩散型相变。3薛小怀薛小怀 副教授副教授 A转变为转变为P的过程也是的过程也是形核和长大的过程形核和长大的过程。当。当A过冷到过冷到A1以下时，以下时，首先在首先在A晶界处形成晶界处形成Fe3C晶核晶核。通过扩散，。通过扩散， Fe3C依靠其周围的依靠其周围的A
3、不断供应碳原子而长大，因而引起不断供应碳原子而长大，因而引起Fe3C周围的周围的A含碳量不断降低含碳量不断降低，从而为，从而为F形核创造了条件，形核创造了条件，使这部份使这部份A转变为转变为F。由于。由于F的溶碳能力低的溶碳能力低( 0.022)，长长大时大时必然要必然要向侧面的向侧面的A中排挤出多余的碳，使相邻的中排挤出多余的碳，使相邻的A碳碳含量增高含量增高，这又为产生新的，这又为产生新的Fe3C创造了条件。如此交替进创造了条件。如此交替进行下去行下去A就转变成就转变成F和和Fe3C片层相问的片层相问的P组织。组织。4薛小怀薛小怀 副教授副教授 （2）珠光体组织形态与性能）珠光体组织形态与
4、性能 根据珠光体型组织片层间距大小分为珠光体、根据珠光体型组织片层间距大小分为珠光体、索氏体和托氏体索氏体和托氏体，皆为，皆为F和和Fe3C片层相间的机械片层相间的机械混合物，无本质区别，只是片层厚度不同而已。混合物，无本质区别，只是片层厚度不同而已。转变温度越低，珠光体型组织的片层越薄，相界转变温度越低，珠光体型组织的片层越薄，相界面越多，强度和硬度越高，塑性及韧性也略有改面越多，强度和硬度越高，塑性及韧性也略有改善。善。5薛小怀薛小怀 副教授副教授 贝氏体转变贝氏体转变 （1）贝氏体的转变过程）贝氏体的转变过程 贝氏体是过冷奥氏体在贝氏体是过冷奥氏体在C曲线曲线“鼻尖鼻尖”(约约550 C
5、)至至M S之间温度范围的等温转变产物之间温度范围的等温转变产物，通，通常用符号常用符号B表示。过冷奥氏体在这一温度区间转表示。过冷奥氏体在这一温度区间转变时，由于过冷度较大。原子扩散能力下降，这变时，由于过冷度较大。原子扩散能力下降，这时铁原子已不能扩散，碳原子的扩散也不充分，时铁原子已不能扩散，碳原子的扩散也不充分，因此，因此，贝氏体转变是半扩散型相变贝氏体转变是半扩散型相变。6薛小怀薛小怀 副教授副教授 当温度较高当温度较高(550350 C)时，条状或片状铁时，条状或片状铁素体从奥氏体晶界开始向晶内以同样方向平行素体从奥氏体晶界开始向晶内以同样方向平行生长。随着铁素体的伸长和变宽，其中
6、的碳原生长。随着铁素体的伸长和变宽，其中的碳原子向条间的奥氏体中富集，当碳浓度足够高时，子向条间的奥氏体中富集，当碳浓度足够高时，便在铁素体条间断续地析出渗碳体短棒，奥氏便在铁素体条间断续地析出渗碳体短棒，奥氏体消失，形成典型的体消失，形成典型的羽毛状上贝氏体羽毛状上贝氏体。7薛小怀薛小怀 副教授副教授 上贝氏体形成过程上贝氏体形成过程8薛小怀薛小怀 副教授副教授 温度降低温度降低(350 CMS)时，碳原子扩散能力更时，碳原子扩散能力更低，铁素体在奥氏体的晶界或晶内某些晶面上长成低，铁素体在奥氏体的晶界或晶内某些晶面上长成针状，碳原子在铁素体内一定的晶面上以断续碳化针状，碳原子在铁素体内一定
7、的晶面上以断续碳化物小片的形式析出，从而形成了物小片的形式析出，从而形成了下贝体下贝体。9薛小怀薛小怀 副教授副教授 下贝氏体形成过程下贝氏体形成过程10薛小怀薛小怀 副教授副教授 （2）贝氏体的组织形态及性能）贝氏体的组织形态及性能 上贝氏体中短杆状的渗碳体分布于自奥氏体上贝氏体中短杆状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内生长的铁素体条间晶界向晶内生长的铁素体条间，在光镜下呈，在光镜下呈羽羽毛状毛状。下贝氏体氏体中碳化物以小片状分布于下贝氏体氏体中碳化物以小片状分布于铁素体针内铁素体针内。在光学显微镜下下贝氏体呈。在光学显微镜下下贝氏体呈黑黑针状针状。11薛小怀薛小怀 副教授副教授 上贝氏体（左
8、）和下贝氏体（右）上贝氏体（左）和下贝氏体（右）12薛小怀薛小怀 副教授副教授 上贝氏体和下贝氏体组织性能比较上贝氏体和下贝氏体组织性能比较13薛小怀薛小怀 副教授副教授 马氏体转变马氏体转变 当奥氏体快速冷却到当奥氏体快速冷却到MS点以下时（共析钢点以下时（共析钢 230 C），将发生马氏体转变。），将发生马氏体转变。 （1）马氏体晶体结构特点）马氏体晶体结构特点 转变在低温下进行的，铁、碳原子均不能扩散，转变在低温下进行的，铁、碳原子均不能扩散，转变时只发生转变时只发生 - 晶格改组，而无成分的变化，即固溶晶格改组，而无成分的变化，即固溶在奥氏体中的碳，全部保留在在奥氏体中的碳，全部保留在
9、 晶格中，使晶格中，使 -Fe超过超过其平衡含碳量。因此，其平衡含碳量。因此，马氏体是碳在马氏体是碳在 -Fe中的过饱和中的过饱和固溶体固溶体，用符号，用符号“M”表示。表示。14薛小怀薛小怀 副教授副教授 （2）马氏体组织形态特点（板条和针状）马氏体组织形态特点（板条和针状） 板条马氏体的立体形态呈细长的扁棒状，显板条马氏体的立体形态呈细长的扁棒状，显微组织表现为一束束的细条状组织，每束内的条微组织表现为一束束的细条状组织，每束内的条与条之间尺寸大致相同并平行排列，一个奥氏体与条之间尺寸大致相同并平行排列，一个奥氏体晶粒内可以形成几个取向不同的马氏体束。晶粒内可以形成几个取向不同的马氏体束。
10、马氏马氏体板条的亚结构主要是高密度的位错，因而又称体板条的亚结构主要是高密度的位错，因而又称位错马氏体。位错马氏体。15薛小怀薛小怀 副教授副教授 针状马氏体针状马氏体的立体形态呈双凸透镜的片状，的立体形态呈双凸透镜的片状，在光学显微镜下呈针状形态。在透射电子显微在光学显微镜下呈针状形态。在透射电子显微镜下观察表明，其镜下观察表明，其亚结构主要是孪晶，故又称亚结构主要是孪晶，故又称孪晶马氏体孪晶马氏体。16薛小怀薛小怀 副教授副教授 板条马氏体（左）和针状马氏体（右）板条马氏体（左）和针状马氏体（右）17薛小怀薛小怀 副教授副教授 马氏体的形态主要取决于奥氏体的碳含量马氏体的形态主要取决于奥氏
11、体的碳含量，当碳小于当碳小于0.2时，组织中几乎完全是板条状马氏时，组织中几乎完全是板条状马氏体，当碳大于体，当碳大于1.0时，则几乎全部是针状马氏体，时，则几乎全部是针状马氏体，碳含量介于碳含量介于0.21.0之间时，为板条状和针状马之间时，为板条状和针状马氏体的混合组织。氏体的混合组织。18薛小怀薛小怀 副教授副教授 （3）马氏体的力学性能特点）马氏体的力学性能特点 高硬度是马氏体性能的主要特点，其强化机高硬度是马氏体性能的主要特点，其强化机制为制为: （a）过饱和碳引起的晶格畸变，即固溶强化；过饱和碳引起的晶格畸变，即固溶强化； （b）马氏体转变时造成的大量晶体缺陷）马氏体转变时造成的大
12、量晶体缺陷(如位如位错、孪晶等错、孪晶等)和组织细化；和组织细化； （c）过饱和碳以弥散碳化物析出强化。）过饱和碳以弥散碳化物析出强化。 19薛小怀薛小怀 副教授副教授 马氏体的硬度主要受马氏体的硬度主要受碳含量的影响碳含量的影响。随碳含量。随碳含量增加，马氏体的硬度随之增加，马氏体的硬度随之增高。当碳的质量分数超增高。当碳的质量分数超过过0.60.6以后，硬度的增以后，硬度的增加趋于平缓。合金元素对加趋于平缓。合金元素对马氏体的硬度影响不大。马氏体的硬度影响不大。20薛小怀薛小怀 副教授副教授 马氏体的塑性和韧性主要取决于其内部亚马氏体的塑性和韧性主要取决于其内部亚结构的形式和碳的过饱和度结
13、构的形式和碳的过饱和度。高碳马氏体高碳马氏体的碳的碳过饱和度大，晶格畸变严重，晶内存在大量孪过饱和度大，晶格畸变严重，晶内存在大量孪晶，且形成时相互接触撞击而易于产生显微裂晶，且形成时相互接触撞击而易于产生显微裂纹等原因，纹等原因，硬度虽高，但脆性大、塑性、韧性硬度虽高，但脆性大、塑性、韧性均差均差。 21薛小怀薛小怀 副教授副教授 低碳板条马氏体低碳板条马氏体的亚结构是高密度位错，碳的亚结构是高密度位错，碳的质量分数低，形成温度较高，会产生的质量分数低，形成温度较高，会产生“自回火自回火”现象，碳化物析出弥散均匀，因此在现象，碳化物析出弥散均匀，因此在具有高强具有高强度的同时还具有良好的塑性
14、和韧性度的同时还具有良好的塑性和韧性。22薛小怀薛小怀 副教授副教授 （4）马氏体的转变特点）马氏体的转变特点 （a）无扩散性无扩散性：马氏体转变的过冷度极大。：马氏体转变的过冷度极大。转变温度低、铁、碳原子的扩散都极其困难。因转变温度低、铁、碳原子的扩散都极其困难。因此是非扩散型相变，转变过程中没有成分变化，此是非扩散型相变，转变过程中没有成分变化，马氏体的碳含量与母相奥氏体的含碳量相同。马氏体的碳含量与母相奥氏体的含碳量相同。23薛小怀薛小怀 副教授副教授 （b）变温形成变温形成：马氏体转变有其开始转变温度：马氏体转变有其开始转变温度(MS点点)和转变终了温度和转变终了温度(MF点点)。当
15、过冷奥氏体冷。当过冷奥氏体冷到到MS点，即发生马氏体转变。转变量随温度的下点，即发生马氏体转变。转变量随温度的下降而不断增加，一旦冷却中断，转变便很快停止。降而不断增加，一旦冷却中断，转变便很快停止。随后继续冷却，马氏体可继续形成。随后继续冷却，马氏体可继续形成。24薛小怀薛小怀 副教授副教授 （c）高速长大高速长大：马氏体转变没有孕育期，形成：马氏体转变没有孕育期，形成速度极快。瞬间形核，瞬间长大。马氏体转变量速度极快。瞬间形核，瞬间长大。马氏体转变量的增加，不是靠原马氏体片的继续长大，而是靠的增加，不是靠原马氏体片的继续长大，而是靠马氏体片的不断形成。马氏体片的不断形成。25薛小怀薛小怀
16、副教授副教授 （d）马氏体转变的不完全性马氏体转变的不完全性：一般来说，奥氏：一般来说，奥氏体向马氏体的转变是不完全的，即使冷却到体向马氏体的转变是不完全的，即使冷却到MF点，点，也不可能获得也不可能获得100的马氏体，总有部份奥氏体未的马氏体，总有部份奥氏体未能转变而残留下来，这部分奥氏体称为残余奥氏能转变而残留下来，这部分奥氏体称为残余奥氏体，用符号体，用符号“A”表示。表示。26薛小怀薛小怀 副教授副教授 残余奥氏体量主要与残余奥氏体量主要与MS(或或MF)点有关点有关，MS点点越低，残余奥氏体量越多。而越低，残余奥氏体量越多。而MS、MF点的温度点的温度主要取决于奥氏体的碳碳含量及合金
17、元素含量。主要取决于奥氏体的碳碳含量及合金元素含量。因此，因此，淬火后残余奥氏体量随碳含量的增加而增淬火后残余奥氏体量随碳含量的增加而增加加。27薛小怀薛小怀 副教授副教授 奥氏体碳含量对马氏体转变点奥氏体碳含量对马氏体转变点和残余奥氏体量的影响和残余奥氏体量的影响28薛小怀薛小怀 副教授副教授 一般的淬火操作都是冷却到室温为止。由于碳含量一般的淬火操作都是冷却到室温为止。由于碳含量 0.50.5的碳钢，的碳钢，M MF F点已在点已在0 0 C C以下，淬火后必然有较多的残余以下，淬火后必然有较多的残余奥氏体。高碳高合金钢的奥氏体。高碳高合金钢的M MF F点更低。点更低。残余奥氏体的存在，
18、残余奥氏体的存在，一方面影响淬火钢的硬度，另一方面它是一种亚稳定组一方面影响淬火钢的硬度，另一方面它是一种亚稳定组织，在时间延长或条件适合时，会继续转变为马氏体，织，在时间延长或条件适合时，会继续转变为马氏体，由于转变时伴有比容的变化，产生体积效应，因此会影由于转变时伴有比容的变化，产生体积效应，因此会影响工件尺寸的长期稳定性。响工件尺寸的长期稳定性。所以，对于某些精密零件所以，对于某些精密零件( (如如量具、滚珠轴承等量具、滚珠轴承等) )常进行冷处理常进行冷处理 -80-80 C C，尽量消除残余，尽量消除残余奥氏体。奥氏体。29薛小怀薛小怀 副教授副教授 奥氏体的连续转变曲线奥氏体的连续
19、转变曲线 在实际生产中，过冷奥氏体的转变大多是在实际生产中，过冷奥氏体的转变大多是在连续冷却过程中进行的，因此，连续冷却转在连续冷却过程中进行的，因此，连续冷却转变曲线对于选材及确定其热处理工艺具有实际变曲线对于选材及确定其热处理工艺具有实际意义。意义。连续冷却转变曲线又称连续冷却转变曲线又称CCT曲线，它是曲线，它是通过测定不同冷却速度下过冷奥氏体的转变量通过测定不同冷却速度下过冷奥氏体的转变量而得到的而得到的。因此，它。因此，它表示了冷却速度与过冷奥表示了冷却速度与过冷奥氏体转变产物及其转变量之间的关系氏体转变产物及其转变量之间的关系。30薛小怀薛小怀 副教授副教授 CCTCCT曲线分析曲
20、线分析 共析钢的共析钢的CCT曲线中无贝氏曲线中无贝氏体转变区体转变区，珠光体转变区下部多珠光体转变区下部多一条转变中止线一条转变中止线K、PS、PZ分别分别为奥氏体转变为珠光体的开始线为奥氏体转变为珠光体的开始线和终了线和终了线。当连续冷却曲线碰到。当连续冷却曲线碰到K线时，过冷奥氏体中止向珠光线时，过冷奥氏体中止向珠光体型组织转变，而继续冷却一直体型组织转变，而继续冷却一直保持到保持到MS点以下，使剩余的奥氏点以下，使剩余的奥氏体转变为马氏体。体转变为马氏体。CCTCCT与与TTTTTT曲线的比较曲线的比较31薛小怀薛小怀 副教授副教授 CCTCCT曲线的应用曲线的应用 如果要了解奥氏体在
21、各种连续冷却速度下如果要了解奥氏体在各种连续冷却速度下获得的组织与性能，就应该使用获得的组织与性能，就应该使用CCT曲线。曲线。 利用利用CCT曲线，可以获得真实的临界淬火曲线，可以获得真实的临界淬火冷却速度，制定正确的冷却规范和估计冷却后冷却速度，制定正确的冷却规范和估计冷却后的组织性能。的组织性能。32薛小怀薛小怀 副教授副教授 举例：举例：4545钢钢CCTCCT曲线的应用曲线的应用 图中冷却速度曲线与图中冷却速度曲线与CCT曲曲线各转变终了线相交的数字表线各转变终了线相交的数字表示示已转变组织组成物所占体积已转变组织组成物所占体积百分数百分数，冷却速度曲线下端的，冷却速度曲线下端的数字为数字为室温组织的平均硬度值室温组织的平均硬度值。如右上角的冷却速度表示有如右上角的冷却速度表示有45的奥氏体转变成了铁素体，的奥氏体转变成了铁素体，有有55转变成了珠光体，室温转变成了珠光体，室温组织平均硬度为组织平均硬度为HV179。3334
