钢在加热和冷却时的转变

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1、第七章 钢在加热和冷却时的转变7.1 钢的热处理概述一、 钢的热处理1. 热处理的定义钢的热处理是指在固态下，将钢加热到一定的温度、保温一定的时间，然后按照一定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。具体的热处理工艺过程可用热处理工艺曲线表示（图7.1）。从该曲线可以看出：热处理过程由加热、保温、冷却三阶段组成，影响热处理的因素是温度和时间。2. 热处理的原理钢能进行热处理，是由于钢在固态下具有相变。通过固态相变，可以改变钢的组织结构，从而改变钢的性能。钢中固态相变的规律称为热处理原理，它是制定热处理的加热温度、保温时间和冷却方式等工艺参数的理论基础。热处理原理包括钢的加热转变、冷却转变和回火转变，

2、在冷却转变中又可分为：珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。3. 热处理的作用1) 热处理通过改变钢的组织结构，不仅可以改善钢的工艺性能，而且可以提高其使用性能，从而充分发挥钢材的潜力。2) 热处理还可以部分消除钢中的某些缺陷，细化晶粒，降低内应力，使组织和性能更加均匀。4. 热处理的分类1) 根据加热、冷却方式的不同，热处理可分为：普通热处理，表面热处理和特殊热处理。普通热处理又包括退火、正火、淬火和回火，俗称四把火。表面热处理又包括：表面淬火和化学热处理。特殊热处理又包括形变热处理和真空热处理。2) 根据生产流程，热处理可分为：预备热处理和最终热处理。前者是指为满足工件在加工过程中的工艺性能

3、要求进行的热处理，主要有退火和正火。而后者是指工件加工成型后，为满足其使用性能要求进行的热处理，主要有淬火和回火。5. 热处理的重要性热处理在冶金行业和机械制造行业中占有重要的地位。常用的冷、热加工工艺只能在一定程度上改变工件的性能，而要大幅度提高工件的工艺性能和使用性能，必须进行热处理。例如，热轧后的合金钢钢材要进行热处理，汽车中70%80%的零件也要进行热处理。如果把预备热处理也包括进去，几乎所有的工件和零件都要进行热处理。总之，为了保证冶金和机械产品质量，热处理工序往往是最关键的工序，因而引起人们的广泛重视。二、 钢的临界温度1. 平衡临界温度图7.2是FeFe3C相图的共析反应部分。由

4、图可知：将共析钢缓慢加热至A1线（也称PSK线或共析线）以上，可获得单相奥氏体组织，而将共析钢缓慢冷却至A1线以下，可获得珠光体组织。因此，A1线是共析钢在缓慢加热或缓慢冷却时，奥氏体和珠光体相互转变的临界温度。这个临界温度是在缓慢加热或缓慢冷却条件下得到的，所以把A1称为奥氏体和珠光体相互转变的平衡临界温度。相同道理，是亚共析钢在缓慢加热或缓慢冷却时，先共析铁素体和奥氏体相互转变的临界温度，所以把称为奥氏体和先共析铁素体相互转变的平衡临界温度；而线（即线）是过共析钢在缓慢加热或缓慢冷却时，二次渗碳体和奥氏体相互转变的临界温度，所以把称为奥氏体和二次渗碳体相互转变的平衡临界温度。对成分一定的钢

5、来说，是确定的温度点，是非常缓慢加热和非常缓慢冷却条件下的临界温度点，统称为称为平衡临界温度。2. 实际临界温度实际生产中，钢在热处理时的加热和冷却不是缓慢进行的，而是具有一定的加热速度和冷却速度。因此，相变不是按照平衡临界温度进行的，总存在不同程度的滞后现象。加热时，实际相变的临界温度高于平衡临界温度；冷却时，实际相变的临界温度低于平衡临界温度。总之，实际相变的临界温度偏离了平衡临界温度，加热和冷却速度越大，偏离程度也越大。实际相变的临界温度称为实际临界温度，为了区别于平衡临界温度，加热时的实际临界温度加注脚字母“c”，用表示；冷却时的实际临界温度加注脚字母“r”，用表示。钢加热和冷却时实际

6、临界温度的意义如下：加热时珠光体向奥氏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加热时先共析铁素体溶入奥氏体的结束温度冷却时奥氏体析出先共析铁素体的开始温度加热时二次渗碳体溶入奥氏体的结束温度冷却时奥氏体析出二次渗碳体的开始温度7.2 钢在加热时的转变一、 钢的奥氏体化前面介绍过：钢能进行热处理，是因为钢会发生固态相变，因此，钢的热处理大多是将钢加热到临界温度以上，获得奥氏体组织，然后再以不同的方式冷却，使钢获得不同的组织而具有不同的性能。通常将钢加热获得奥氏体的转变过程称为奥氏体化过程。奥氏体化过程分为两种：一种是使钢获得单相奥氏体，这称为完全奥氏体化；另一种是使钢获得奥氏体和渗碳体

7、（或者奥氏体和铁素体）的两相组织，这称为不完全奥氏体化。下面以共析钢为例，介绍钢的奥氏体化过程。二、 共析钢的奥氏体化过程1. 奥氏体化过程是扩散型相变前面我们学习过：共析钢缓慢冷却得到的平衡组织是片状珠光体。它是由片状的铁素体和渗碳体交替组成的两相混合物。当以一定的加热速度加热至温度以上时，将发生珠光体向奥氏体的转变。转变的反应式为： 体心立方 正交晶系 面心立方 0.0218% 6.69% 0.77%铁素体的晶体结构是体心立方结构，含碳量是0.0218%，而渗碳体的晶体结构属于正交晶系，含碳量是6.69%。它俩转变的产物是面心立方结构的、含碳量0.77%的奥氏体。转变的反应物和生成物的晶体

8、结构和成分都不相同，因此转变过程中必然涉及碳的重新分布和铁的晶格改组，这两个变化是借助于碳原子和铁原子的扩散进行的，所以，珠光体向奥氏体的转变（即奥氏体化）是一个扩散型相变，是借助于原子扩散，通过形核和长大方式进行的。2. 奥氏体化的四个阶段珠光体向奥氏体化是扩散型相变，转变过程分为四个阶段，如图7.4所示。1) 奥氏体的形核将共析钢加热到温度以上，奥氏体晶核优先在铁素体和渗碳体相界面上形核。这是因为相界面上原子排列不规则，偏离了平衡位置，处于能量较高的状态，并且相界面上碳浓度处于过渡状态（即界面一侧是含碳量低的铁素体，另一侧是含碳量高的渗碳体），容易出现碳浓度起伏，因此相界面上了具备形核所需

9、的结构起伏（原子排列不规则）、能量起伏（处于高能量状态）和浓度起伏，所以，奥氏体晶核优先在相界面上形核。2) 奥氏体的长大在相界面上形成奥氏体晶核后，与含碳量高的渗碳体接触的奥氏体一侧含碳量高，而与含碳量低的铁素体接触的奥氏体一侧含碳量低。这必然导致碳在奥氏体中由高浓度一侧向低浓度一侧扩散。碳在奥氏体中的扩散一方面促使铁素体向奥氏体转变，另一方面也促使渗碳体不断地溶入奥氏体中。这样奥氏体就随之长大了。实验证明：铁素体向奥氏体的转变速度，通常要比渗碳体的溶解速度快得多，因此铁素体总比渗碳体消失得早。铁素体的消失标志着奥氏体长大结束。3) 残余渗碳体的溶解铁素体消失后，随保温时间的延长，剩余渗碳体

10、通过碳原子的扩散，逐渐溶入奥氏体中，直至渗碳体消失为止。4) 奥氏体的均匀化渗碳体完全消失后，碳在奥氏体中的成分是不均匀的，原先是渗碳体的位置碳浓度高，原先是铁素体的位置碳浓度低。随着保温时间的延长，通过碳原子的扩散，得到均匀的、共析成分的奥氏体。总之，共析钢的奥氏体化过程包括：奥氏体形核、奥氏体长大、残余渗碳体的溶解和奥氏体均匀华四个阶段。三、 奥氏体的等温形成速度（不讲）上面以共析钢为例介绍了碳钢的奥氏体化过程。过程是粗略的，没有涉及时间，这对于制定热处理工艺是不够的，无法确定保温时间，因此必须了解不同温度等温时奥氏体化过程和时间的关系，即奥氏体等温形成速度。下面我们先以共析钢为例，介绍奥

11、氏体的等温形成速度，然后在此基础上，了解合金钢奥氏体化的一些情况。1. 奥氏体等温形成曲线图的结构碳钢的奥氏体等温形成速度可从奥氏体等温形成图上反映出来。如图是共析钢的奥氏体等温形成图，横坐标是时间，纵坐标是温度，图中有四条曲线。从左往右，依次是奥氏体形核开始线，奥氏体长大结束线，残余渗碳体溶解结束线，奥氏体碳成分均匀化结束线。这四条曲线将图划分为五个区域：区是珠光体区，即转变的孕育期，区是珠光体和奥氏体共存区。区是奥氏体和残余渗碳体共存区。区是碳成分不均匀的奥氏体区，区是碳成分均匀的奥氏体区。2. 奥氏体等温形成曲线图的分析从图中可以看出以下三点：（1） 奥氏体化存在孕育期。在一定温度下，奥

12、氏体化不是立即进行，而需要一定的时间，这段时间称为孕育期。这是因为奥氏体化是借助原子扩散进行的，而原子扩散是需要时间的。随温度的升高，原子扩散加快，孕育期缩短。（2） 奥氏体均匀化需要的时间最长。在奥氏体化的四个阶段中，奥氏体均匀化需要的时间最长，这是因为碳浓度越趋于均匀，浓度梯度越小，碳原子的扩散越慢，需要很长的时间来完成奥氏体均匀化。（3） 温度升高，奥氏体化过程加速。随加热温度的提高，奥氏体化的四个阶段所需要的时间都缩短，奥氏体化过程加速进行。因此在热处理加热和保温过程中，温度升高，保温时间应相应缩短。四、 奥氏体晶粒大小及其影响因素钢加热的目的是为了得到成分均匀的、细小的奥氏体晶粒，以

13、便钢在冷却后得到细小的组织，具有好的力学性能。因此奥氏体晶粒大小是评价钢加热质量的重要指标之一。所以了解并掌握奥氏体晶粒大小的表示方法及其影响因素极为重要。1. 奥氏体晶粒大小的表示方法奥氏体的晶粒大小用晶粒度来表示。所谓晶粒度是指在金相显微镜下，单位面积上的晶粒个数。不过每次测定钢的晶粒度是一件很麻烦的事。为方便起见，目前国际上将奥氏体晶粒度分为8个级别，并制定了每个级别的标准金相图片（见图7.10）。若要测定某种钢的奥氏体晶粒度，只需要把该钢的奥氏体金相图片与标准图片比较，就可以得到钢的奥氏体晶粒度级别，以此来判定奥氏体晶粒大小。奥氏体晶粒大小与晶粒度级别的关系为： 式中在显微镜下放大10

14、0倍时，每平方英寸面积上的奥氏体晶粒个数；奥氏体的晶粒度级别。此式表明，晶粒度级别越小，每平方英寸面积上的奥氏体晶粒个数越少，奥氏体晶粒越粗大。一般规定；l 1超粗晶粒l =14粗晶粒l =58细晶粒l 8超细晶粒2. 奥氏体晶粒度的分类奥氏体晶粒度有以下三类1) 起始晶粒度2) 实际晶粒度3) 本质晶粒度3. 影响奥氏体晶粒大小的因素晶粒长大的原理在上一章已介绍过。奥氏体晶粒长大的原理同样是，通过原子扩散促使晶界迁移来完成的。因此，所有加速原子扩散的因素都促进奥氏体晶粒长大。1) 加热温度和保温时间对实际晶粒度的影响提高加热温度和延长保温时间，会加速原子扩散，有利于晶界迁移，使奥氏体晶粒长大

15、，看图7.12。从图中可见，在一定温度保温，最初奥氏体晶粒长大迅速，随保温时间延长，奥氏体晶粒长大放缓，并且加热温度升高，最初奥氏体晶粒长大越来越迅速。这说明在加热温度和保温时间这两个因素中，温度的影响尤为显著。所以，在合理选择保温时间的同时，更应该严格控制加热温度。2) 加热速度对起始晶粒度的影响奥氏体转变过程中，加热速度越快，过热度越大，则奥氏体的形核率越高，转变刚结束时的奥氏体晶粒越细小。但是，若在高温下长时间保温，则晶粒很容易长大。实际生产中的表面淬火就是利用快速加热、短时保温的方法，来获得细小的奥氏体晶粒。3) 化学成分的影响对本质晶粒度的影响化学成分的影响可分为碳的影响和合金元素的

16、影响。所谓合金元素是指为了提高钢的性能而在冶炼钢时添加的元素。l 碳的影响 随奥氏体中含碳量的增加，碳原子和铁原子扩散速度加快，晶界迁移速度增大，奥氏体晶粒长大的倾向性增强。但是，如果碳以碳化物的形式存在于钢中，则会降低晶界迁移的速度，阻碍奥氏体晶粒长大。一旦碳化物溶解于奥氏体中，阻碍晶粒长大的作用就会丧失，奥氏体晶粒将迅速长大。l 合金元素的影响 钢冶炼时，用适量的铝能脱氧固氮，或加入适量的钛、锆、铌、钒等强碳化物形成元素，可以得到本质细晶粒钢。原因是，这些合金元素能在钢中形成碳化物或氮化物。这些碳化物或氮化物的熔点很高，加热时不容易溶入奥氏体中，具有阻碍晶界迁移、抑制奥氏体晶粒长大的作用。

17、在钢中不形成碳化物的元素（如硅、镍、铜）也有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，但作用不明显。而锰、磷、氮则加速奥氏体晶粒长大。7.3 钢在冷却时的转变上一节我们学习了钢的加热转变。钢加热的目的是为了获得细小、成分均匀的奥氏体晶粒，为冷却做准备。而钢的冷却方式和冷却速度对钢冷却后的组织和性能却产生决定性的影响，因此掌握钢冷却时的转变规律，就显得尤为重要。一、 两个基本概念1. 过冷奥氏体处于平衡临界温度以下奥氏体，称过冷奥氏体。过冷奥氏体自由能高，处于热力学不稳定状态。根据冷却速度（即过冷度）的不同，它会发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。2. 钢的冷却方式等温冷却和连续冷却热处理生产中，奥氏体化的

18、钢冷却方式有两种：一种是等温冷却，如图7.15曲线1所示：将奥氏体化的钢迅速冷却至平衡临界温度A1以下的某一温度，保温一定时间，使过冷奥氏体发生等温转变，转变结束后再冷至室温；另一种是连续冷却，如图7.15曲线2所示：将奥氏体化的钢以一定冷却速度一直冷至室温，使过冷奥氏体在一定温度范围内发生连续转变。连续冷却在热处理生产中更为常用。虽然过冷奥氏体连续冷却在生产上更为常用，但其转变是在一定温度范围内进行的，得到的组织很复杂，分析起来较困难。而在等温条件下，可以独立改变温度和时间，更有利于学习过冷奥氏体的转变规律。因此我们首先学习过冷奥氏体的等温转变规律，在此基础上，再介绍连续转变规律。二、 过冷

19、奥氏体的等温转变曲线过冷奥氏体等温转变曲线反映了：过冷奥氏体在不同温度下等温转变的规律，这包括转变开始和转变结束的时间、转变产物的类型以及其转变量和温度、时间之间的关系等等。因为过冷奥氏体等温转变曲线和英文字母“C”相似，故称C曲线。下面以共析钢为例进行介绍C曲线。1. 共析钢过冷奥氏体等温转变曲线建立（自学）2. 共析钢过冷奥氏体等温转变曲线分析（图7.16）1) 图中各条线代表的意义l A1水平线图中最上部的水平线是A1线，它是奥氏体和珠光体发生相互转变的平衡临界温度。l 两条C曲线 图中有两条曲线，酷似英文字母“C”，故称C曲线。左边一条C曲线是过冷奥氏体转变开始线。一定温度下，温度纵轴

20、到该曲线的水平距离代表过冷奥氏体开始等温转变所需要的时间，称为孕育期。孕育期越长，过冷奥氏体越稳定；孕育期越短，过冷奥氏体越不稳定。从图中可见：在550左右，孕育期最短，过冷奥氏体稳定性最差，称为C曲线的“鼻子”。右边一条C曲线是过冷奥氏体转变结束线。一定温度下，温度纵轴到该曲线的水平距离代表过冷奥氏等温转变结束所需要的时间。l Ms和Mf水平线C曲线下部有两条水平线Ms和Mf，分别代表过冷奥氏体发生马氏体转变的开始温度和结束温度。2) 图中各区域代表的意义l 奥氏体区A1水平线以上的区域称奥氏体区。在此区域，共析钢的稳定组织是奥氏体。l 过冷奥氏体区由A1水平线、温度纵轴、Ms水平线和左边的

21、C曲线（即过冷奥氏体转变开始线）围成的区域，称过冷奥氏体区。在此区域，过冷奥氏体稳定存在。l 珠光体转变区及其转变产物区由A1水平线、550“鼻子”水平线，两条C曲线围成的区域，称珠光体转变区。其右侧的区域称珠光体转变产物区。在珠光体转变区中，发生过冷奥氏体向珠光体的等温转变。转变产物是片状珠光体，它是由片状铁素体和片状渗碳体交替组成的混合物。一片铁素体和一片渗碳体厚度之和，称片间距。等温转变温度越低（即过冷度越大，过冷度等于A1减等温转变温度），片间距越小。随过冷度的增大，等温转变温度降低，片状珠光体分为三类：A1650形成片间距较大的珠光体，简称珠光体（P）。650600形成片间距较小的珠

22、光体，简称索氏体（S）。600550形成片间距极小的珠光体，简称屈氏体（T）。注意；虽然这三种珠光体名称不同，但它们的本质是相同的，都是由片状铁素体和片状渗碳体交替组成的混合物，差别只是片间距不同。l 贝氏体转变区及其转变产物区由550“鼻子”水平线，Ms水平线和两条C曲线围成的区域称贝氏体转变区。其右侧的区域称贝氏体转变产物区。在贝氏体转变区中，发生过冷奥氏体向贝氏体的等温转变，转变产物是称贝氏体（B）。贝氏体可分为两种：550至350形成上贝氏体（），350至Ms温度形成下贝氏体（）。l 马氏体转变区Ms和Mf水平线之间的区域是马氏体转变区。在该区域，过冷奥氏体向马氏体的转变。转变的产物称

23、马氏体。马氏体转变只在连续冷却中形成，而不会在等温冷却中形成。 3. 影响过冷奥氏体等温转变曲线的因素不同的钢，过冷奥氏体等温转变曲线的位置和形状不同，即使同一成分的钢，如果热处理的条件不同（加热温度和保温时间不同），也会引起曲线位置和形状的不同。影响过冷奥氏体等温转变曲线的主要因素有下面几个方面。1) 含碳量 看教科书。2) 合金元素的影响合金元素对过冷奥氏体等温转变曲线影响的总规律是：除钴和铝（Al2.5%）以外，所有溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移，延长孕育期，增加过冷奥氏体的稳定性，并使Ms和Mf点降低。根据对C曲线的影响，这些合金元素又可分为两类：l 仅使C曲线右移，改变位置弱碳化

24、物和非碳化物形成元素（在钢中形成弱碳化物和不形成碳化物的元素。如Mn、Si、Ni、Cu）。它们不改变C曲线的形状，只是使C曲线右移而改变其位置。l 既使C曲线右移，改变位置,又使C曲线分离，改变形状。强和中强碳化物形成元素（在钢中形成强碳化物和中强碳化物的元素。如Ti、V、W、Mo、Cr）。它们不仅改变C曲线的形状，而且使珠光体转变区和贝氏体转变区分离，出现双C曲线，看图7.19。图中上部的C曲线代表珠光体转变，下部的C曲线代表贝氏体转变，中间出现过冷奥氏体稳定区。注意：1. 合金元素只有溶入奥氏体中，才能使C曲线右移。如果合金元素以碳化物存在，反而使C曲线左移，降低过冷奥氏体的稳定性。这是因

25、为碳化物的存在会起到非均匀形核的作用，促进过冷奥氏体的转变，降低其稳定性。 2. 多种合金元素的综合作用，使C曲线右移的程度大于单一合金元素的作用之和。3) 奥氏体化温度和保温时间由此可见：同一种钢，由于加热温度和保温时间不同，得到的C曲线也是不同的。4）形变量三、 过冷奥氏体连续冷却转变曲线在实际生产中进行的热处理，一般采用连续冷却方式，过冷奥氏体的转变是在一定温度范围内进行的。虽然可以利用等温转变曲线来定性分析连续冷却时过冷奥氏体的转变过程，但分析结果与实际结果往往存在误差。因此，建立并分析过冷奥氏体连续冷却转变曲线显得更为重要。过冷奥氏体连续冷却转变曲线图又称CCT图。下面仍以共析碳钢为

26、例，介绍CCT图。1. 共析碳钢过冷奥氏体CCT图的建立（自学）2. 共析碳钢过冷奥氏体CCT图的分析图7.21是共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线。l 图中只有珠光体转变区和马氏体转变区，而没有贝氏体转变区。这是由于共析钢贝氏体转变时孕育期较长，在连续冷却过程中贝氏体转变来不及进行，温度就降到了室温。l 图中Ps线是珠光体转变开始线，Pf线是珠光体转变结束线，K线是珠光体转变终止线。当共析钢连续冷却曲线遇到K线时，未转变的过冷奥氏体不再发生珠光体转变，它被保留到Ms温度以下，发生马氏体转变。l 冷却速度称上临界冷却速度或临界淬火速度。它表示过冷奥氏体不发生珠光体转变，只发生马氏体转变的最小冷却

27、速度。l 冷却速度称下临界冷却速度。它表示过冷奥氏体不发生马氏体转变，只发生珠光体转变，得到100%珠光体组织的最大冷却速度。l 共析钢以不同速度连续冷却至室温得到的组织（1）若共析钢的冷却速度，则冷却曲线将和线相交，不和线相交。这表明过冷奥氏体全部转变为珠光体。因此，转变后共析钢的室温组织为珠光体。注意，由于珠光体转变是在一定温度范围内进行的，转变过程中过冷度逐渐增大，珠光体的片间距逐渐减小，因此珠光体组织不均匀。（2）若共析钢的冷却速度，则冷却曲线将和线相交，不和线相交。这表明部分过冷奥氏体转变为珠光体，而另一部分过冷奥氏体被保留至Ms温度以下，转变为马氏体。因此，转变后共析钢的室温组织为

28、：M+P。（3）若共析钢的冷却速度，则冷却曲线将不和，线相交。这表明全部过冷奥氏体冷至Ms温度以下，发生马氏体转变。由于马氏体转变的不完全性，会有部分过冷奥氏体在室温被保留下来，它们被称为残余奥氏体(。因此，转变后共析钢的室温组织为：。四、 共析碳钢过冷奥氏体TTT图和CCT图的比较如果把共析钢过冷奥氏体等温转变曲线和连续转变曲线画在一张图上，就可以清楚地看出它们的差别。在图7.23中虚线是等温冷却转变曲线；而实线是连续冷却转变曲线。从图中可以看出：l 两曲线位置不同。连续转变曲线位于等温转变曲线的右下方。说明过冷奥氏体在连续转变时，转变的温度要低一些，孕育期要长一些。l 两曲线形状不同。共析

29、钢过冷奥氏体连续冷却转变时，无贝氏体转变。过共析钢过冷奥氏体连续冷却转变时，也无贝氏体转变（原因是随含碳量增加，过共析钢的等温转变曲线的贝氏体转变右移，孕育期增大，在连续冷却过程中贝氏体转变来不及进行。），看图7.22（a）。亚共析钢过冷奥氏体连续冷却转变时，有贝氏体转变（原因是随含碳量减小，亚共析钢的等温转变曲线的贝氏体转变左移，孕育期减小，在连续冷却过程中贝氏体转变可以进行。）看图7.22（b）.l 两种转变的产物不同。过冷奥氏体等温转变时，转变温度恒定，得到的组织是单一的、均匀的。而连续冷却转变是在一定温度范围内进行的，转变的产物是粗细不同的组织或类型不同的混合组织。l 两种转变的临界淬

30、火速度不同。根据连续冷却转变曲线确定的临界淬火速度小于根据等温冷却转变曲线确定的临界淬火速度应当指出：每种钢的等温转变曲线（即曲线）都已测定，在相关的热处理手册中可以查到，而连续冷却转变曲线测定很困难，不是每种钢都有。尽管钢的两种冷却转变曲线存在以上差别，但是在没有连续转变曲线的情况下，利用等温转变曲线来分析连续冷却转变过程是可行的，在生产上也是这样做的。7.4 珠光体转变从共析钢过冷奥氏体等温转变曲线（即曲线）可知：过冷奥氏体在平衡临界温度鼻子水平线550范围内等温时，发生珠光体转变。因转变温度较高，又称高温转变。珠光体转变的产物称为珠光体，它是渗碳体和铁素体组成的两相混合物。反应式为： 面

31、心立方 体心立方 正交晶系 0.77% 0.0218% 6.69%由反应式可知：产物铁素体和渗碳体的晶体结构和含碳量都不同于奥氏体，因此珠光体转变是依靠碳和铁原子扩散，来完成碳的重新分布和铁的晶格改组的，它是典型的扩散型相变。一、 珠光体的组织形态和机械性能我们知道，珠光体中铁素体量多而渗碳体量少。根据渗碳体的形态，珠光体可以分为两种：片状珠光体和粒状珠光体。1. 片状珠光体1) 组织形态和分类片状珠光体的组织形态见图7.25。它是由片层相间的铁素体和渗碳体组成。在图7.25(c)图中，大致平行的铁素体片和渗碳体片组成的珠光体领域，称为珠光体团。一个奥氏体晶粒内，可以形成多个珠光体团。片状珠光

32、体的粗细用片间距来衡量。随等温转变温度降低、过冷度增大，形核率提高，片间距减小，片状珠光体变细。根据片间距的大小，片状珠光体分为三类(看图)。l 珠光体(P)。这类珠光体的形成温度：A1650。片间距较大。在低倍显微镜下可分辨出片层。l 索氏体(S)。这类珠光体的形成温度：650600。片间距较小，在高倍显微镜下可分别出片层。l 屈氏体(T)。这类珠光体的形成温度：600550。片间距极小，在电子显微镜下才能分辨出片层。总之，珠光体、索氏体和屈氏体这三种组织只有粗细之分，并无本质区别，它们统称为珠光体。2) 力学性能片状珠光体的钢，若成分一定，则力学性能取决于珠光体团和片间距的大小。若奥氏体晶

33、粒越细小，珠光体转变时过冷度越大，得到的珠光体团和片间距越小，珠光体越细，则钢的强度、硬度越高，塑性、韧性越好（看图7.27）。原因是，相界和晶界一样，是冷塑性变形的障碍。随珠光体团和片间距的减小，相界面积增大，冷塑性变形的障碍增多，所以钢的强度和硬度高。同时细小的珠光体组织使塑性变形更均匀，不易产生裂纹和断裂，所以钢的塑性和韧性好。2. 粒状珠光体1) 组织形态 渗碳体呈颗粒状分布在铁素体上的珠光体，称为粒状珠光体。组织形态见图7.28。2) 力学性能粒状珠光体的钢，若成分一定，则力学性能取决于铁素体晶粒的大小和渗碳体颗粒的大小、形态和分布。铁素体晶粒越细小，渗碳体颗粒越细小、形状越接近于球

34、形、分布越均匀，则钢的强度和硬度越高，塑性和韧性越好。原因颗粒状渗碳体能阻碍位错的远动，对铁素体基体具有沉淀强化作用。渗碳体颗粒越细小，形状越接近于球形，分布越均匀，沉淀强化作用越强。而细小的铁素体晶粒保证了钢具有较好的塑性和韧性。3. 两种珠光体机械性能的比较图7.29是共析钢片状珠光体和粒状珠光体的应力应变曲线。从中可以看出，粒状珠光体的强度要低一些，塑性要好一些。原因是，平衡状态的共析钢中，渗碳体的数量一定。而数量一定的渗碳体呈球形时，相界面积最小。因为相界是冷塑性变形的障碍，小的相界面积意味这塑性变形障碍少，有利于塑性变形。所以粒状珠光体比片状珠光体具有较低的强度和硬度，较好的塑性和韧

35、性。二、 珠光体的形成既然珠光体有两种，那么两种珠光体的形成条件显然不同。下面简要介绍两种珠光体的形成过程。1. 片状珠光体的形成过程片状珠光体是由成分均匀的奥氏体转变而来的。因为成分均匀的奥氏体转变时，珠光体的形核发生在奥氏体晶界上。如图所示。假设珠光体中的渗碳体作为领先相，首先在奥氏体晶界上形核。由于渗碳体含碳量（6.69%）较高，其形核和长大必然吸收碳原子，使周围奥氏体的含碳量降低。这就为铁素体的形核在成分上创造了条件（因为铁素体含碳量低）。因此铁素体就会在渗碳体两侧的奥氏体晶界上形核并长大。同样道理，由于铁素体含碳量低，它形核和长大必然排出碳原子，使周围奥氏体含碳量增高。这为渗碳体的形

36、核在成分上创造条件。这样，渗碳体和铁素体就交替形核，并向奥氏体晶粒内长大，最终形成片状珠光体。2. 粒状珠光体的形成过程得到粒状珠光体的方法有两个，一是由过冷奥氏体通过球化退火得到，二是由过冷奥氏体通过淬火得到马氏体，再由马氏体通过回火获得。方法2在热处理工艺中介绍，这里仅介绍方法1。为了由过冷奥氏体直接获得粒状珠光体，首要条件是奥氏体化加热温度较低，此时奥氏体中存在着未溶的渗碳体和高碳区。当温度缓冷至A1温度以下，并且过冷度很小时，通过高碳区的非均匀形核长大和未溶渗碳体的直接长大，来形成粒状珠光体，而周围过冷奥氏体含碳量低，则转变为铁素体。如果奥氏体化加热温度较高，奥氏体成分均匀，则渗碳体和

37、铁素体只能在奥氏体晶界上交替形核和长大，最终形成片状珠光体。7.5 马氏体转变奥氏体化的钢，当冷却速度大于临界淬火速度，并冷至Ms温度以下，将发生马氏体转变。在生产上，这一热处理工艺称淬火。由于马氏体转变是在低温下进行的，故也称为低温转变。由于马氏体转变时温度低，碳和铁原子无法扩散，因此转变时只有铁的晶格改组，而无成分的变化。铁的晶格改组是通过切变完成的，切变可以产生浮凸现象，所以马氏体转变是典型的非扩散性相变。转变的产物称马氏体，它是碳在Fe中的过饱和固溶体，具有很高的强度和硬度。一、 马氏体的组织形态马氏体的组织形态是指在显微镜下看到的形状。根据组织形态，马氏体可分为两种：板条马氏体和片状

38、马氏体。1. 板条马氏体（低碳马氏体或位错马氏体）板条马氏体典型的组织形态见图7.32。由图可见：马氏体是由许多成群的、相互平行的板条组成，故称板条马氏体。许多相互平行的板条组成一个板条束，一般在一个奥氏体晶粒内可形成几个不同取向的板条束。在低碳钢、中碳钢中可形成板条马氏体。通常在含碳量小于0.2%的低碳钢中形成的马氏体全部是板条状，故板条马氏体又称低碳马氏体。板条马氏体中存在许多位错，亚结构是高密度的位错，故板条马氏体也称位错马氏体。由图7.34可见：这些位错分布不均匀，相互缠结，形成胞状亚结构，称位错胞。2. 片状马氏体（高碳马氏体或孪晶马氏体）片状马氏体的组织形态如图7.36所示。由图可

39、见：马氏体片大小不一，互不平行，相互呈一定的角度分布。由于马氏体片形成时一般不会穿过奥氏体晶界，而后形成的马氏体又不能穿过已形成的马氏体，所以，越是后形成的马氏体，其尺寸越小。在中碳钢和高碳钢中可形成片状马氏体。通常在含碳量大于1.0%的高碳钢中形成的马氏体全部是片状，故片状马氏体又称高碳马氏体。片状马氏体中存在孪晶，亚结构是孪晶，孪晶存在于马氏体的中部（见图7.38），故片状马氏体又称孪晶马氏体。3. 两种马氏体的形成条件马氏体的组织形态取决于马氏体的形成温度，即Ms和Mf的高低。Ms和Mf高，倾向于形成板条马氏体；而Ms和Mf低，倾向于形成片状马氏体。一般认为：200以上形成的是板条马氏体

40、，200以下形成的是片状马氏体。影响Ms和Mf高低的元素主要是化学成分。l 含碳量从图7.40可见，随奥氏体中含碳量的增加，马氏体转变开始温度和结束温度降低。含碳量小于0.2%的碳钢，马氏体转变结束温度Mf高于200，淬火到室温后得到的全部是板条马氏体。含碳量大于1.0%的碳钢，马氏体转变开始温度Ms低于200，淬火后得到的全部是片状马氏体。含碳量介于0.2%1.0%的碳钢，淬火后得到的是板条马氏体和片状马氏体的混合组织，并且随含碳量的增加，板条马氏体量减少，片状马氏体量增多。l 合金元素除钴和铝以外，所有溶入奥氏体中的合金元素都使Ms和Mf降低，抑制了板条马氏体的形成，促进了片状马氏体的形成

41、。碳和合金元素降低Ms和Mf温度的原因如下。马氏体转变是通过切变实现的，而切变需要能量，能量由过冷度提供。过冷度是平衡临界温度A1和Ms的差值。奥氏体中溶入的碳和合金元素越多，固溶强化作用越大，发生切变（切变是一种塑性变形）需要的能量越大，过冷度也越大，相应的Ms和Mf温度越低。所以，奥氏体中溶入的碳和合金元素（除钴和铝外）越多，马氏体转变的Ms和Mf越低。二、 马氏体的晶体结构和正方度奥氏体向马氏体的转变是非扩散性相变，只有铁的晶格改组，而无成分的变化，因此马氏体是碳在Fe中的过饱和固溶体。Fe的晶体结构是体心立方结构，当马氏体的含碳量小于0.25%时，晶体结构为体心立方结构；当马氏体的含碳

42、量大于0.25%时，过量的碳原子主要分布在体心立方结构C轴的八面体间隙中，从而使C轴伸长、a轴缩短，晶格常数c增加、a减小，这样体心立方结构就变成了体心正方结构。晶格常数c和晶格常数a的比值（c/a）称马氏体的正方度。马氏体的正方度随含碳量的增加而增大。可以用正方度来衡量马氏体中的碳含量。总之，含碳量小于0.25%的马氏体的晶体结构是体心立方结构；而含碳量大于0.25%的马氏体的晶体结构是体心正方结构。正方度的大小可以衡量马氏体的含碳量。三、 马氏体的性能1. 物理性能在马氏体转变过程中，钢会发生体积膨胀，产生淬火组织应力。这是因为马氏体的比容大于奥氏体的比容造成的。随含碳量的增加，马氏体和奥

43、氏体比容差增大，马氏体转变时体积膨胀加剧，淬火组织应力增大。奥氏体中的含碳量越高，淬火组织应力的越大，工件越容易变形和开裂。2. 机械性能1) 强度和硬度高强度和高硬度是钢中马氏体的显著特点。马氏体的硬度主要取决于含碳量，合金元素的影响较小（这是因为间隙原子的固溶强化作用远大于置换原子）。如图7.43中曲线3所示：随马氏体中含碳量的增加，硬度明显升高，当含碳量超过0.6%，硬度升高趋于平缓。马氏体具有高强度和高硬度的原因有以下4个方面：A. 固溶强化B. 相变强化C. 时效强化D. 晶界强化l 上述四种强化方式中，固溶强化是主要的。2) 塑性和韧性马氏体的塑性和韧性主要取决于它的亚结构。板条马

44、氏体的亚结构是高密度的位错，它们分布不均匀，相互缠结，形成位错胞。位错胞的存在为位错提供了活动的余地，所以板条马氏体具有很好的塑性和韧性。而片状马氏体的亚结构是孪晶，孪晶的存在大大减少了有效滑移系，使塑性降低而脆性增大，同时马氏体片相互成一定的角度分布，形成时相互碰撞产生大量微裂纹（图7.39），也增加了脆性，此外，片状马氏体含碳量高，晶格畸变和淬火组织应力大，也使脆性增加。结论：板条马氏体不仅具有较高的强度和硬度，而且塑性和韧性较好；片状马氏体虽然强度、硬度很高，但塑性、韧性较差。以此理论为基础，开发和应用了低碳马氏体钢。四、 钢中马氏体转变的特点1. 马氏体转变的无扩散性和共格切变性，共格

45、切变产生浮凸。 马氏体转变温度低，铁和碳原子无法扩散，铁的晶格改组是通过切变完成的。在切变过程中，铁原子移动的距离不超过一个原子间距，马氏体和奥氏体保持共格关系，即相界面上的原子既处于马氏体晶格的阵点位置上，又处于奥氏体晶格的阵点位置上。马氏体转变后，因为共格切变而产生浮凸现象。2. 马氏体转变需要快速冷却和深度过冷。马氏体转变时的冷却速度必须大于临界淬火速度，这是为了避开珠光体转变和贝氏体转变。由于马氏体转变的晶格改组不是通过扩散，而是通过切变完成的，切变需要的驱动力是很大的，而驱动力由过冷度提供，所以马氏体转变必须深度过冷。3. 马氏体转变是在连续冷却的条件下形成的，且转变速度极快。 当奥

46、氏体快速冷却至Ms点以下，马氏体开始形成。随温度的不断降低，马氏体量逐渐增加。如果停止降温，转变随即停止，这意味着：马氏体不能在等温条件下形成，只能在连续冷却的条件下才能形成。马氏体转变必须深度过冷，过冷度极大，相变驱动力也很大，故降温过程中马氏体的形核和长大速度极快，瞬时形核，瞬时长大。4. 马氏体转变不能100%完成，总有或多或少的残余奥氏体（）存在，这称为马氏体转变的不完全性。马氏体转变的不完全性有2层含义：（1）一般淬火都是冷却至室温，而某些钢的马氏体转变结束温度Mf点低于室温，当淬火冷却至室温时，仍保留部分未转变的过冷奥氏体，通常称为残余奥氏体，用表示。（2）即使继续过冷至Mf点以下

47、，也不能得到100%的马氏体组织，总有少量残余奥氏体存在。这是因为马氏体转变时会发生体积膨胀，体积膨胀对未转变的奥氏体产生压应力，阻碍残余奥氏体向马氏体的转变。5. 残余奥氏体量随含碳量和合金元素（除钴和铝外）含量的增大而增加。含碳量和除钴和铝外的合金元素含量的增加，均降低Ms和Mf点，使马氏体转变后，残余奥氏体量增加。7.6 贝氏体转变贝氏体转变温度介于珠光体转变温度和马氏体转变温度之间，故贝氏体转变又称中温转变，转变产物称为贝氏体。贝氏体是含碳过饱和的铁素体和碳化物两相组成的混合物。碳化物是从过冷奥氏体中通过碳原子扩散析出的，而铁素体是由过冷奥氏体通过切变完成的，因此贝氏体转变中只有碳原子

48、的扩散，而无铁原子的扩散。一、 贝氏体的组织形态根据形成温度的不同，贝氏体有两种：上贝氏体和下贝氏体。1. 上贝氏体的组织形态上贝氏体的形成温度范围：550350。形成过程和组织形态见图7.54（a），从图中可见，上贝氏体是由平行排列的长条状的含碳过饱和铁素体和夹于其间的断续小条状渗碳体组成。在金相显微镜下可以看出（如图7.50（a）图），平行排列的铁素体条呈黑色，由奥氏体晶界伸入晶粒内部，呈羽毛状。由于放大倍数较小，小条状渗碳体分辨不清。在放大倍数较大的电子显微镜下（图7.50（b），可以清楚看到，铁素体条之间分布着断续小条状渗碳体。上贝氏体的铁素体中存在位错，因此上贝氏体的亚结构是位错。位

49、错密度随形成温度的降低而增大。2. 下贝氏体的组织形态下贝氏体的形成温度范围：350Ms温度。形成过程和组织形态见图7.54（b），从图中可见，下贝氏体是由含碳过饱和的细针状铁素体和在其内部析出的细小碳化物组成。在金相显微镜下（图7.51（a）可以看到，下贝氏体呈黑色针状分布在奥氏体中，针与针之间呈一定角度。在电子显微镜下（图7.51（b）可以清楚地看到，下贝氏体中的碳化物细小、弥散，呈颗粒状或短条状，沿一定的方向平行排列。下贝氏体的亚结构也是位错，位错密度高于上贝氏体。二、 贝氏体的力学性能1. 上贝氏体的力学性能上贝氏体形成温度较高，铁素体中碳的过饱和度低，固溶强化作用小，同时铁素体束和渗

50、碳体的分布具有明显的方向性，此外铁素体和渗碳体尺寸较大，因此上贝氏体强度、硬度较低。这种组织对裂纹的产生抵抗力很小，同时铁素体之间的平直界面可能称为裂纹的扩展通道，故上贝氏体塑性、韧性较差。正是由于上贝氏体强度、硬度较低，塑性、韧性很差，其综合力学性能甚至不如屈氏体，故生产上要避免。2. 下贝氏体的力学性能下贝氏体形成温度较低，铁素体中碳的过饱和度高，产生固溶强化；下贝氏体中位错密度较高，产生加工硬化；铁素体中析出的碳化物细小、弥散，产生沉淀强化；铁素体针细小、均匀，产生细晶强化。因此下贝氏体强度硬度较高。铁素体针产生细晶强化的同时，也提高了下贝氏体的塑性和韧性。所以，下贝氏体不仅强度、硬度较

51、高，而且塑性和韧性较好。生产中的等温淬火就是为了得到下贝氏体。三、 为什么随含碳量的增加，碳钢的过冷奥氏体等温转变曲线贝氏体转变部分右移？贝氏体中有两个相：含碳过饱和的铁素体和碳化物。贝氏体转变时，首先形核的是铁素体。一定温度下，铁素体中的过饱和度一定。因此，铁素体形核时必须要排出多余的碳原子。碳原子的排出是通过扩散进行的，而扩散需要时间。所以，一定温度下，过冷奥氏体中含碳量越高，需要排出的碳原子量越多，需要的时间越长，即发生贝氏体转变的孕育期越长，在过冷奥氏体等温转变曲线中表现为C曲线的贝氏体转变部分向右移动。复习思考题1. 根据生产流程，热处理可分为 和 。而根据加热和冷却的方式不同，热处

52、理可分为 、 和 ，其中普通热处理又可分为 、 、 和 。2. 共析钢加热时，由珠光体向奥氏体转变包括四个阶段，即 、 、 和 。3. 奥氏体晶粒度的概念有三种： 、 和 。其中 代表钢在一定加热条件下奥氏体晶粒长大的倾向性。4. 影响奥氏体晶粒长大的元素有 、 、 。5. 珠光体根据其中渗碳体的形态可分为 和 。6. 成分一定的片状珠光体钢，其中的片间距越小，则钢的强度、硬度 ，塑性和韧性 。7. 成分一定的钢，粒状珠光体和片状珠光体相比，前者的强度、硬度 ，而塑性和韧性 。8. 含碳量小于0.25%的马氏体的晶体结构为 ，含碳量大于0.25%的马氏体的晶体结构为 。9. 根据贝氏体的形成温度，贝氏体可分为 和 ，其中 具有较好的力学性能。10. 什么是钢的热处理？它有何作用？11. 指出Ac1、Ac3、Accm代表的意义。12. 化学成分如何影响奥氏体的等温转变曲线？13. 什么是珠光体的片间距？它同过冷度有和关系？14. 什么是马氏体？它具有高强度和高硬度的原因是什么？15. 简要说明板条马氏体和片状马氏体的性能？16. 简要回答马氏体转变的特点？