钢铁中合金元素.ppt

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1、第一章第一章 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素第一节第一节 合金元素对合金相图的影响合金元素对合金相图的影响第二节第二节 合金元素与晶体缺陷的相互作用合金元素与晶体缺陷的相互作用第三节第三节 合金中的化合物合金中的化合物第四节第四节 合金元素对钢在加热时转变的影响合金元素对钢在加热时转变的影响第五节第五节 合金元素对过冷奥氏体转变的影响合金元素对过冷奥氏体转变的影响第六节第六节 合金元素对淬火钢回火转变的影响合金元素对淬火钢回火转变的影响q 钢铁合金化的必要性钢铁合金化的必要性碳钢缺点碳钢缺点:淬透性不高、耐回火性较差和不能满足更高的淬透性不高、耐回火性较差和不能满足更高的力学性能要求或某些特

2、殊性能（如耐热、耐蚀）等；力学性能要求或某些特殊性能（如耐热、耐蚀）等；合金钢合金钢:有意加入合金元素，克服了碳钢使用性能的不有意加入合金元素，克服了碳钢使用性能的不足，从而可在重要或某些特殊场合下使用。足，从而可在重要或某些特殊场合下使用。碳钢碳钢:性能较好、容易加工、成本低廉，工程上应用最广、性能较好、容易加工、成本低廉，工程上应用最广、使用量最大（使用量最大（90%）；）；第一节第一节 合金元素对合金相图的影响合金元素对合金相图的影响q 钢中的合金元素钢中的合金元素钢中合金元素的存在方式：钢中合金元素的存在方式：1)固固 溶：合金铁素体溶：合金铁素体 2)合金渗碳体：如合金渗碳体：如(F

3、e、Mn)3C、(Fe、W)3C 3)合金碳化物：合金碳化物：VC、TiC、WC、MoC、Cr7C3、Cr23C6 常用合金元素：常用合金元素：Mn、Si、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Ni、RE(稀土稀土)等等;q 合金元素对相图固溶体区域的影响合金元素对相图固溶体区域的影响扩大奥氏体区：扩大奥氏体区：C、N、Co、Ni、Mn、Cu右图右图:奥氏体形成元奥氏体形成元素素Mn对相图的影响对相图的影响 (低温、低碳低温、低碳)右图右图:铁素体形成铁素体形成元素元素Cr对铁碳合金对铁碳合金相图的影响相图的影响 (高温、低碳高温、低碳)缩小奥氏体区：缩小奥氏体区：Cr、Mo、W、V、Ti、S

4、i、Alq 合金元素对共析温度的影响合金元素对共析温度的影响727缩小缩小区区扩大扩大区区q 合金元素对共析含碳量的影响合金元素对共析含碳量的影响0.77第二节第二节 合金元素与晶体缺陷的相互作合金元素与晶体缺陷的相互作用用 从系统的能量考虑从系统的能量考虑,基于原子的尺寸因素和电子因素基于原子的尺寸因素和电子因素等因素等因素,合金元素将与这些晶体缺陷产生相互作用合金元素将与这些晶体缺陷产生相互作用.以下是以下是两种主要的作用方式两种主要的作用方式:晶界偏聚晶界偏聚:溶质原子与界面结合溶质原子与界面结合;柯氏气团柯氏气团:溶质原子与位错作用溶质原子与位错作用.q 相互作用的方式相互作用的方式

5、产生晶界偏聚和柯氏气团的产生晶界偏聚和柯氏气团的主要原因主要原因是溶质原子与基是溶质原子与基体原子的弹性作用体原子的弹性作用.概括起来有以下几点概括起来有以下几点:1)1)溶质原子在完整晶体中内引起的畸变能很高溶质原子在完整晶体中内引起的畸变能很高(主要是与主要是与2)2)基体原子之间存在尺寸差异等基体原子之间存在尺寸差异等););3)3)2)2)晶体缺陷处点阵畸变严重晶体缺陷处点阵畸变严重,具有较高能量具有较高能量;4)4)3)3)溶质原子向晶体缺陷处迁移溶质原子向晶体缺陷处迁移,可松弛点阵畸变可松弛点阵畸变(以较以较小小5)5)的点阵畸变形式存在的点阵畸变形式存在),),有利于系统能量的降

6、低有利于系统能量的降低.q 相互作用机理相互作用机理 溶质原子的偏聚是一个自发过程溶质原子的偏聚是一个自发过程,其其一般规律一般规律是是:1)1)较基体原子大的代位原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵较基体原子大的代位原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵;2)2)较基体原子小的代位原子趋向于缺陷区受压缩的点阵较基体原子小的代位原子趋向于缺陷区受压缩的点阵;3)3)间隙原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵间隙位置间隙原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵间隙位置.4)4)溶质原子的以上行为都是为了使点阵得到松弛溶质原子的以上行为都是为了使点阵得到松弛,从从而而5)5)降低系统的内能降低系统的内能.不同溶质原子在位错周围的分布状态

7、不同溶质原子在位错周围的分布状态 晶界区溶质偏聚的函数表达式：晶界区溶质偏聚的函数表达式：q 晶晶界界偏偏聚聚的的影影响响因因素素其中，其中，C Cg g偏聚在晶界区的溶质浓度；偏聚在晶界区的溶质浓度；C C0 0 基体中的溶质浓度；基体中的溶质浓度；晶界区的溶质原子富集系数，表征溶质的晶晶界区的溶质原子富集系数，表征溶质的晶 偏聚倾向。偏聚倾向。E E溶质原子在晶内和晶界区引起畸变能之差溶质原子在晶内和晶界区引起畸变能之差,即即 晶界偏聚的驱动力晶界偏聚的驱动力.(.(主要由原子尺寸因素引起主要由原子尺寸因素引起)引起晶界偏聚的因素引起晶界偏聚的因素:1 1、溶质与基体原子尺寸差异大，即溶质

8、与基体原子尺寸差异大，即 EE；2 2、溶质在基体中的固溶度，即溶质在基体中的固溶度，即 CoCo；3 3、温度低，即温度低，即 TT。备注：备注：固溶度是合金尺寸因素和电子因素的综合体现。固溶度是合金尺寸因素和电子因素的综合体现。溶质原子的偏聚温度溶质原子的偏聚温度 q 晶晶界界偏偏聚聚的的其其它它问问题题表：一些溶质原子出现晶界偏聚和柯氏气团的温度范围表：一些溶质原子出现晶界偏聚和柯氏气团的温度范围表：一些溶质原子出现晶界偏聚和柯氏气团的温度范围表：一些溶质原子出现晶界偏聚和柯氏气团的温度范围H HC C、N NP PMoMo、NbNb（铌）（铌）（铌）（铌）0 0以下以下以下以下室温附近

9、室温附近室温附近室温附近 350 350 500 500 溶质原子的偏聚区宽度溶质原子的偏聚区宽度 溶质原子的偏聚区宽度受晶界区宽度窄的影响，一般溶质原子的偏聚区宽度受晶界区宽度窄的影响，一般在在nmnm级范围，如级范围，如P P：6nm6nm；SbSb（锑）：（锑）：7nm7nm。各种溶质元素在晶界偏聚中的相互影响各种溶质元素在晶界偏聚中的相互影响 1 1 1 1、偏聚位置的竞争，、偏聚位置的竞争，、偏聚位置的竞争，、偏聚位置的竞争，E E E E越大的元素有限偏聚越大的元素有限偏聚越大的元素有限偏聚越大的元素有限偏聚；如如CeCe（铈）（铈）P P 2 2 2 2、影响晶界偏聚的速度、影响

10、晶界偏聚的速度、影响晶界偏聚的速度、影响晶界偏聚的速度；如如CeCe能减慢能减慢SbSb在在FeFe晶界的偏聚速度晶界的偏聚速度 3 3 3 3、影响偏聚元素在晶内的溶解度、影响偏聚元素在晶内的溶解度、影响偏聚元素在晶内的溶解度、影响偏聚元素在晶内的溶解度；如如LaLa（镧）的存在，降低了（镧）的存在，降低了P P和和SnSn在晶内的溶解度在晶内的溶解度 4 4 4 4、出现共偏聚、出现共偏聚、出现共偏聚、出现共偏聚。第三节第三节 合金中的化合物合金中的化合物1 1、化合物对合金性能的影响方式化合物对合金性能的影响方式有：晶体类型、成分、有：晶体类型、成分、数量、尺寸大小、形状及分布状态等。数

11、量、尺寸大小、形状及分布状态等。2 2、合金中的化合物主要有两大类：一是、合金中的化合物主要有两大类：一是C C或或N N与合金元素与合金元素反应形成的反应形成的碳化物和氮化物碳化物和氮化物；二是合金元素之间和合金元；二是合金元素之间和合金元素与铁之间形成的素与铁之间形成的相、相、ABAB2 2相及相及ABAB3 3相相。q 概述概述 碳化物和氮化物的稳定性碳化物和氮化物的稳定性 取决于金属元素与取决于金属元素与C C、N N亲和力的大小，主要取决于过亲和力的大小，主要取决于过渡族金属原子的渡族金属原子的d d电子数。电子数。d d层电子越少，碳化物和氮化物的稳定性越高层电子越少，碳化物和氮化

12、物的稳定性越高 或或生成热生成热HH越大，碳化物和氮化物越稳定越大，碳化物和氮化物越稳定。（见图（见图1 17 7所示）所示）q 碳化物和氮化物碳化物和氮化物 碳化物和氮化物的稳定性排序有：碳化物和氮化物的稳定性排序有：Hf Hf、ZrZr、TiTi、TaTa、NbNb、V V、W W、MoMo、CrCr、MnMn、FeFe 碳化物和氮化物的点阵结构碳化物和氮化物的点阵结构 氮化物均属简单密排结构，碳化物则有简单和复杂密氮化物均属简单密排结构，碳化物则有简单和复杂密排结构两种形式。排结构两种形式。碳化物的点阵结构碳化物的点阵结构 WWTaTaHfHfMoMoNbNbZrZrNiNiCoCoFe

13、FeMnMnCrCrV VTiTi简简 单单密密 排排复复 杂杂密密 排排 点阵结构判据：点阵结构判据：r rx x/r/rM M0.59 0.59 简单密排结构简单密排结构 r rx x/r/rM M0.59 0.59 复杂密排结构复杂密排结构 碳化物和氮化物的类型碳化物和氮化物的类型 1 1 1 1、简单密排碳化物或氮化物、简单密排碳化物或氮化物、简单密排碳化物或氮化物、简单密排碳化物或氮化物：以以MeCMeC、MeNMeN和和MeMe2 2C C、MeMe2 2N N为主为主（合金元素含量少时）（合金元素含量少时）2 2 2 2、复杂密排碳化物、复杂密排碳化物、复杂密排碳化物、复杂密排碳

14、化物：以以MeMe3 3C C、MeMe7 7C C3 3、MeMe2323C C6 6为主为主（合金元素含量多时）（合金元素含量多时）3 3 3 3、复式碳化物、复式碳化物、复式碳化物、复式碳化物：金属原子部分替换，如金属原子部分替换，如FeFe3 3W W3 3C C、Fe Fe2121MoMo2 2C C6 64 4 4 4、碳氮化物、碳氮化物、碳氮化物、碳氮化物：C C和和N N原子部分替换，如原子部分替换，如Ti(C,N)Ti(C,N)、(Cr,Fe)(Cr,Fe)2323(C,N)(C,N)6 6等等 相相1 1 1 1、特点特点特点特点 属于正方晶系，硬度大，能显著降低合金的塑性

15、和韧属于正方晶系，硬度大，能显著降低合金的塑性和韧性，应合理设计合金成分来避免性，应合理设计合金成分来避免相相出现。出现。q 金属间化合物金属间化合物2 2 2 2、形成规律、形成规律、形成规律、形成规律 1 1）第一常周期的）第一常周期的族和族和族元素与族元素与和和族元素结合，族元素结合，如如Cr-Mn、Mo-Fe、W-Co、V-Ni等等 2）第二常周期的第二常周期的族元素与族元素与和和族元素结合族元素结合3 3 3 3、形成条件、形成条件、形成条件、形成条件 1 1）原子尺寸差别不大；）原子尺寸差别不大；2 2）钢和合金的）钢和合金的“平均族数平均族数”在在5.75.77.67.6之间之间

16、4 4 4 4、合金设计中的电子缺位数计算、合金设计中的电子缺位数计算、合金设计中的电子缺位数计算、合金设计中的电子缺位数计算 为避免不锈钢、高合金耐热钢及耐热合金出现为避免不锈钢、高合金耐热钢及耐热合金出现相，相，可用元素的电子缺位数可用元素的电子缺位数N Nv v来进行合金设计。来进行合金设计。N Nv v0.660.66NiNi+1.71+1.71CoCo+2.66+2.66FeFe+3.66+3.66MnMn+4.66+4.66(Cr+Mo+W)(Cr+Mo+W)+5.66 +5.66(V+Nb+Ta)(V+Nb+Ta)+6.66+6.66(Ti+Si)(Ti+Si)+7.66+7.6

17、6AlAl 不出现不出现相：相：N Nv v2.522.52 ABAB2 2相（拉维斯相）相（拉维斯相）1 1 1 1、特点特点特点特点 钢和合金中的主要钢和合金中的主要ABAB2 2相相是具有复杂六方的是具有复杂六方的MgZnMgZn2 2型，型，如如MoFeMoFe2 2、TiFeTiFe2 2等，它是耐热钢和合金中的一种强化相。等，它是耐热钢和合金中的一种强化相。当出现元素部分替换时，可出现复式当出现元素部分替换时，可出现复式ABAB2 2相，如铁基相，如铁基合金中的合金中的(W,Mo,Nb)(Fe,Ni,Cr)(W,Mo,Nb)(Fe,Ni,Cr)2 2 。2 2 2 2、形成规律、形

18、成规律、形成规律、形成规律 在周期表中，符合原子尺寸在周期表中，符合原子尺寸 d dA A:d:dB B1.2:11.2:1的任的任意两族元素，都能形成意两族元素，都能形成ABAB2 2相。相。ABAB3 3相（有序相）相（有序相）ABAB3 3相不相不属于稳定的化合物，处于固溶体与化合物之属于稳定的化合物，处于固溶体与化合物之间的过渡状态。间的过渡状态。NiNi3 3AlAl相是典型的相是典型的ABAB3 3相，相，fccfcc结构。在复杂成分的耐结构。在复杂成分的耐热钢或耐热合金中，热钢或耐热合金中，NiNi3 3AlAl的的过渡相过渡相/相具有较好的强相具有较好的强化效果。化效果。根据合

19、金元素与根据合金元素与NiNi或或AlAl在原子尺寸、电负性上的差异，在原子尺寸、电负性上的差异，可置换可置换AlAl或或NiNi，形成形成ABAB3 3相：如相：如NiNi3 3FeFe、NiNi3 3CrCr、NiNi3 3V V、NiNi3 3MnMn、(Ni,Cr)(Ni,Cr)3 3AlAl、(Ni,Mo,Cr)(Ni,Mo,Cr)3 3AlAl等等第四节第四节 合金元素对钢加热时转变的影响合金元素对钢加热时转变的影响 合金钢加热转变时主要经历四个阶段：合金钢加热转变时主要经历四个阶段：奥氏体的形奥氏体的形成；成；残余碳化物的溶解；残余碳化物的溶解；奥氏体的均匀化；奥氏体的均匀化；奥

20、氏体奥氏体的晶粒长大。的晶粒长大。q 合金元素对奥氏体形成的影响合金元素对奥氏体形成的影响 奥氏体的形成机制奥氏体的形成机制 高速加热高速加热无扩散机制无扩散机制，形成后出现碳化形成后出现碳化 物的溶解。物的溶解。低速加热低速加热扩散机制扩散机制，同时出现碳化物溶解。，同时出现碳化物溶解。奥氏体形成的影响因素奥氏体形成的影响因素 1 1 1 1、碳化物的稳定性、碳化物的稳定性、碳化物的稳定性、碳化物的稳定性稳定性排序：稳定性排序：最好：最好：V V、TiTi、NbNb等；等；中等：中等：W W、MoMo、CrCr等；等；一般：一般：MnMn、FeFe等。等。2 2 2 2、碳化物对碳扩散激活能

21、的影响、碳化物对碳扩散激活能的影响、碳化物对碳扩散激活能的影响、碳化物对碳扩散激活能的影响 一般地，碳化物形成元素可提高一般地，碳化物形成元素可提高C C在奥氏体中的扩散在奥氏体中的扩散激活能，对奥氏体形成有一定的阻碍作用。激活能，对奥氏体形成有一定的阻碍作用。q 合金元素对奥氏体晶粒长大的影响合金元素对奥氏体晶粒长大的影响 由于淬火后组织的性能与奥氏体原始晶粒度有关，所由于淬火后组织的性能与奥氏体原始晶粒度有关，所以抑制奥氏体晶粒长大对改善合金钢的强韧性至关重要。以抑制奥氏体晶粒长大对改善合金钢的强韧性至关重要。奥氏体晶粒长大的驱动力奥氏体晶粒长大的驱动力 驱动力是晶界两侧晶粒的表面自由能差

22、。要阻止晶粒驱动力是晶界两侧晶粒的表面自由能差。要阻止晶粒长大，就必须阻碍晶界的移动。长大，就必须阻碍晶界的移动。一般地，碳化物熔点高且稳定，当其弥散分布在晶一般地，碳化物熔点高且稳定，当其弥散分布在晶界时，将钉扎奥氏体晶界阻碍其晶界移动。界时，将钉扎奥氏体晶界阻碍其晶界移动。碳化物和氮化物对晶粒长大的抑制碳化物和氮化物对晶粒长大的抑制 工程上经常用工程上经常用AlNAlN来细化奥氏体晶来细化奥氏体晶粒，是因为氮化物粒，是因为氮化物比碳化物有更低的溶比碳化物有更低的溶解度和更高的稳定性。解度和更高的稳定性。注：注：11001100时，时，AlNAlN颗粒溶解，奥氏体晶粒剧烈长大。颗粒溶解，奥氏

23、体晶粒剧烈长大。钢的热处理相变温度钢的热处理相变温度钢的热处理相变温度钢的热处理相变温度 钢钢在在加加热热时时，实实际际转转变变温温度度往往往往要要偏偏离离平平衡衡的的临临界界温温度度，冷冷却却时时也也是是如如此此。随随着着加加热热和和冷却速度的增加，滞后冷却速度的增加，滞后现现象象将将越越加加严严重重。通通常常把把加加热热时时的的临临界界温温度度标标以以字字母母“C”“C”，如如A AC1C1、A AC3C3、A ACmCm等等；把把冷冷却却时时的的临临界界温温度度标标以以字字母母“r”“r”，如，如A Ar1r1、A Ar3r3、A Armrm等等。q碳碳钢钢的的过过冷冷转转变变第五节第五

24、节 合金元素对过冷合金元素对过冷转变的影响转变的影响 加热时钢的组织转变加热时钢的组织转变加热时钢的组织转变加热时钢的组织转变 钢在加热时奥氏体的形成过程又称为钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化奥氏体化奥氏体化奥氏体化。以。以共析钢的奥氏体形成过程为例。共析钢的奥氏体形成过程为例。3 3 3 3）残留渗碳体的溶解：）残留渗碳体的溶解：）残留渗碳体的溶解：）残留渗碳体的溶解：铁素体全部消失以后，仍有部铁素体全部消失以后，仍有部分剩余渗碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗碳分剩余渗碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗碳体不断地溶入到奥氏体中去，直至全部消失。体不断地溶入到奥氏体中去，直至

25、全部消失。1 1 1 1）奥氏体形核：）奥氏体形核：）奥氏体形核：）奥氏体形核：奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上形成。的界面上形成。2 2 2 2）奥氏体晶核长大：）奥氏体晶核长大：）奥氏体晶核长大：）奥氏体晶核长大：奥氏体晶核形成以后，依靠铁、奥氏体晶核形成以后，依靠铁、碳原子的扩散，使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不碳原子的扩散，使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不断溶入到奥氏体中去而进行的。断溶入到奥氏体中去而进行的。4 4 4 4）奥氏体均匀化：）奥氏体均匀化：）奥氏体均匀化：）奥氏体均匀化：渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的渗碳体全部溶解完毕时，奥氏

26、体的成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩散才能获得均匀化的奥氏体。散才能获得均匀化的奥氏体。亚共析钢的加热过程：亚共析钢的加热过程：亚共析钢的加热过程：亚共析钢的加热过程：过共析钢的加热过程：过共析钢的加热过程：过共析钢的加热过程：过共析钢的加热过程：冷却时钢的组织转变冷却时钢的组织转变冷却时钢的组织转变冷却时钢的组织转变1 1 1 1、钢的冷却方式、钢的冷却方式、钢的冷却方式、钢的冷却方式 热处理时常用的冷却方热处理时常用的冷却方式有两种：一是等温冷却式有两种：一是等温冷却（常用于理论研究）；二是（常用于理论研究）；二是连续冷却（常

27、用于生产）。连续冷却（常用于生产）。A A1 12 2 2 2、过冷奥氏体等温冷却曲线的绘制、过冷奥氏体等温冷却曲线的绘制、过冷奥氏体等温冷却曲线的绘制、过冷奥氏体等温冷却曲线的绘制 通常将处于通常将处于A1A1以下温度尚未发生转变的奥氏体称为以下温度尚未发生转变的奥氏体称为过冷过冷过冷过冷奥氏体奥氏体奥氏体奥氏体。钢在冷却时的组织转变实质上是过冷奥氏体的组织。钢在冷却时的组织转变实质上是过冷奥氏体的组织转变。转变。1 1 1 1）等温冷却试验：）等温冷却试验：）等温冷却试验：）等温冷却试验：（a a a a）首先将若干薄圆片状试样放入锡熔炉中，在高于共首先将若干薄圆片状试样放入锡熔炉中，在高

28、于共析温度的条件下进行奥氏体化；析温度的条件下进行奥氏体化；（b b）将上述奥氏体化后将上述奥氏体化后的试样迅速放入另一锡熔炉保温，炉温低于共析温度；的试样迅速放入另一锡熔炉保温，炉温低于共析温度；（c c）依据试样保温时间的差异，分别从炉中取出试样，依据试样保温时间的差异，分别从炉中取出试样，置于水中快冷；置于水中快冷；（d d）磨制金相试磨制金相试样，并观察显微样，并观察显微组织。组织。在不同温度重复上述等温转变试验，可根据试验结在不同温度重复上述等温转变试验，可根据试验结果绘制出果绘制出奥氏体钢的等温冷却曲线奥氏体钢的等温冷却曲线。曲曲线线的的左左边边一一条条线线为为过过冷冷奥奥氏氏体体

29、转转变变开开始始线线；右右边边一一条条线线为为过过冷冷奥奥氏氏体体转转变变终终了了线线。该该曲曲线线下下部部还还有有两两条条水水平平线线，分分别别表表示示奥奥氏氏体体向向马马氏氏体体转转变变的的开开始始温温度度MsMs线线和和转变结束温度转变结束温度M Mf f线线。2 2 2 2）过冷奥氏体等温冷却曲线曲线分析）过冷奥氏体等温冷却曲线曲线分析）过冷奥氏体等温冷却曲线曲线分析）过冷奥氏体等温冷却曲线曲线分析 在在C C曲曲线线中中，在在不不同同过过冷冷奥奥氏氏体体开开始始出出现现组组织织转转变变的的时时间间不不同同，这这段段时时间间称称为为“孕孕育育期期”。其其中中，以以C C曲曲线最突出处（

30、凸点）所对应的温度孕育期最短。线最突出处（凸点）所对应的温度孕育期最短。过过冷冷奥奥氏氏体体等等温温冷冷却却曲曲线线形形似似“C”“C”字字，故故俗俗称称C C曲曲线线，反反应应了了“温温度度时时间间转转变变量量”的的关关系系，所所以以C C曲曲线线又又 称称 为为 TTTTTT图图（Temperature-TimeTemperature-Time Transformation Transformation DiagramDiagram）。）。板状马板状马板状马板状马氏体氏体氏体氏体马氏体变温形成马氏体变温形成马氏体变温形成马氏体变温形成,与与与与t t保保保保无关无关无关无关马氏体转变不完全

31、性，钢马氏体转变不完全性，钢马氏体转变不完全性，钢马氏体转变不完全性，钢中常存在残余中常存在残余中常存在残余中常存在残余A A（性能下降）（性能下降）（性能下降）（性能下降）,常要求淬火常要求淬火常要求淬火常要求淬火T T接近接近接近接近MMf f“冷处理冷处理冷处理冷处理”.”.马氏体性能与含碳量有关马氏体性能与含碳量有关马氏体性能与含碳量有关马氏体性能与含碳量有关 非扩散型非扩散型非扩散型非扩散型（FeFe和和和和C C均不扩散）均不扩散）均不扩散）均不扩散）C C在在在在-FeFe中的中的中的中的过饱和过饱和过饱和过饱和固溶体固溶体固溶体固溶体(bcc)(bcc)240240-50-50

32、MM片（针）片（针）片（针）片（针）状马氏状马氏状马氏状马氏体体体体马马马马氏氏氏氏体体体体板状：低碳钢中，板状：低碳钢中，板状：低碳钢中，板状：低碳钢中，F F和和和和 Fe Fe2.42.4C C的复相组织。的复相组织。的复相组织。的复相组织。片状：高碳钢中，复相组织。片状：高碳钢中，复相组织。片状：高碳钢中，复相组织。片状：高碳钢中，复相组织。F F饱和饱和饱和饱和+FeFe2.42.4C C350350240240B B下下下下下贝氏下贝氏下贝氏下贝氏体体体体羽毛状：在平行密排的过饱和羽毛状：在平行密排的过饱和羽毛状：在平行密排的过饱和羽毛状：在平行密排的过饱和F F板条间，不均匀分布

33、短杆（片状）板条间，不均匀分布短杆（片状）板条间，不均匀分布短杆（片状）板条间，不均匀分布短杆（片状）FeFe3 3C,C,脆性大，工业上不应用脆性大，工业上不应用脆性大，工业上不应用脆性大，工业上不应用半扩散型半扩散型半扩散型半扩散型（只有（只有（只有（只有C C扩散）扩散）扩散）扩散）F F饱和饱和饱和饱和+FeFe3 3C C550550350350B B上上上上上贝氏上贝氏上贝氏上贝氏体体体体贝贝贝贝氏氏氏氏体体体体间距：间距：间距：间距：0.030.030.08m0.08m，2000 2000 600600550550T T屈氏体屈氏体屈氏体屈氏体间距：间距：间距：间距：0.250.

34、08m0.250.08m，1000 1000 650650600600S S索氏体索氏体索氏体索氏体片层间距：片层间距：片层间距：片层间距：0.250.251.9m1.9m，500500扩散型扩散型扩散型扩散型（FeFe和和和和C C均扩散）均扩散）均扩散）均扩散）F+FeF+Fe3 3C CA1A1650650P P珠光体珠光体珠光体珠光体珠珠珠珠光光光光体体体体 特特特特 征征征征转变类型转变类型转变类型转变类型相组成相组成相组成相组成转变温转变温转变温转变温度度度度/符符符符号号号号组织名称组织名称组织名称组织名称注：注：w w（c c）1.01.0时形成片状马氏体，时形成片状马氏体，H

35、RCHRC：64646666；w w（c c）0.20.2时时形成板状马氏体，形成板状马氏体，HRC HRC：303050 50。3 3 3 3、非共析成分碳钢的等温转变、非共析成分碳钢的等温转变、非共析成分碳钢的等温转变、非共析成分碳钢的等温转变 非共析钢的非共析钢的C C曲线与共析钢的曲线与共析钢的C C曲线不同。区别在曲线不同。区别在于：于：亚共析钢亚共析钢曲线曲线左移左移，在其上方多了一条过冷奥氏体，在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素体转变为铁素体的转变开始线；的转变开始线；过共析钢过共析钢曲曲线线右移右移，在其上，在其上方多了一条过冷方多了一条过冷奥氏体析出二次奥氏体析出二次渗碳体

36、的开始线。渗碳体的开始线。亚共析钢的等温转变图亚共析钢的等温转变图亚共析钢的等温转变图亚共析钢的等温转变图4 4 4 4、共析钢的连续冷却转变、共析钢的连续冷却转变、共析钢的连续冷却转变、共析钢的连续冷却转变 C C曲线（曲线（TTTTTT图）图）反应了过冷奥氏体等反应了过冷奥氏体等温转变的全貌，但在温转变的全貌，但在实际生产中，钢的热实际生产中，钢的热处理大多是采用连续处理大多是采用连续冷却，因此，测出奥冷却，因此，测出奥氏体的连续冷却曲线，氏体的连续冷却曲线，即即CCTCCT图图（右图阴影右图阴影部分部分），有很大的现），有很大的现实意义。实意义。Continuous Cooling Tr

37、ansformation DiagramContinuous Cooling Transformation DiagramContinuous Cooling Transformation DiagramContinuous Cooling Transformation DiagramVcVc临界冷却速度：临界冷却速度：临界冷却速度：临界冷却速度：是指使奥氏体在冷却过程中直接转变成是指使奥氏体在冷却过程中直接转变成马氏体而不发生其它转变的最小冷却速度，即临界淬火马氏体而不发生其它转变的最小冷却速度，即临界淬火速度。速度。合金元素对过冷奥氏体转变的影响集中表现在恒温转合金元素对过冷奥氏体转变的影

38、响集中表现在恒温转变曲线上。变曲线上。q 合金元素对过冷奥氏体转变的影响概述合金元素对过冷奥氏体转变的影响概述 强和中强碳化物形成强和中强碳化物形成强和中强碳化物形成强和中强碳化物形成 元素的影响元素的影响元素的影响元素的影响1 1 1 1）TiTiTiTi、V V V V、NbNbNbNb、W W W W、MoMoMoMo等元等元素显著推迟珠光体转变，推素显著推迟珠光体转变，推迟贝氏体转变较少；迟贝氏体转变较少；2 2 2 2）升高珠光体转变温度范升高珠光体转变温度范围，降低贝氏体转变温度范围，降低贝氏体转变温度范围，明显出现珠光体和贝氏体两条围，明显出现珠光体和贝氏体两条C C曲线。曲线。

39、显著推迟珠光体和贝氏体转变，显著推迟珠光体和贝氏体转变，C C曲线分离。曲线分离。中强和弱碳化物形成元素的影响中强和弱碳化物形成元素的影响中强和弱碳化物形成元素的影响中强和弱碳化物形成元素的影响1 1）Al Al、SiSi增加过冷奥氏体的稳定性，推迟贝氏体转变更增加过冷奥氏体的稳定性，推迟贝氏体转变更 强烈；强烈；2 2）Ni Ni推迟珠光体转变，不改变推迟珠光体转变，不改变C C曲线形状；曲线形状；3 3）Co Co元素降低过冷奥氏体的稳定性，不改变元素降低过冷奥氏体的稳定性，不改变C C曲线形状。曲线形状。非碳化物形成元素的影响非碳化物形成元素的影响非碳化物形成元素的影响非碳化物形成元素的

40、影响q 合金元素对珠光体转变的影响合金元素对珠光体转变的影响 珠光体转变过程包括孕育期、碳化物形核长大和珠光体转变过程包括孕育期、碳化物形核长大和相相形核长大几个步骤。形核长大几个步骤。1 1 1 1）强碳化物形成元素强碳化物形成元素强碳化物形成元素强碳化物形成元素：直接析出特殊碳化物。：直接析出特殊碳化物。2 2 2 2）中强碳化物形成元素中强碳化物形成元素中强碳化物形成元素中强碳化物形成元素：当当M/CM/C的比值高时，析出特殊的比值高时，析出特殊 碳化物；当碳化物；当M/CM/C的比值低时，析出合金渗碳体。的比值低时，析出合金渗碳体。3 3 3 3）弱碳化物形成元素弱碳化物形成元素弱碳化

41、物形成元素弱碳化物形成元素：直接析出合金渗碳体。直接析出合金渗碳体。对碳化物形核长大的影响对碳化物形核长大的影响对碳化物形核长大的影响对碳化物形核长大的影响1 1、碳化物析出的差异：、碳化物析出的差异：1 1 1 1）碳化物形成元素都推迟了碳化物的形核和长大碳化物形成元素都推迟了碳化物的形核和长大碳化物形成元素都推迟了碳化物的形核和长大碳化物形成元素都推迟了碳化物的形核和长大 这是因为碳化物形成元素扩散系数（这是因为碳化物形成元素扩散系数（10101616cm/scm/s）远）远远小于远小于C C元素在奥氏体中的扩散系数（元素在奥氏体中的扩散系数（10 101010cm/scm/s），也），也

42、就是说这些元素扩散慢严重制约了碳化物形核的速率。就是说这些元素扩散慢严重制约了碳化物形核的速率。2 2 2 2）非碳化物形成元素对碳化物的形核和长大影响小，非碳化物形成元素对碳化物的形核和长大影响小，非碳化物形成元素对碳化物的形核和长大影响小，非碳化物形成元素对碳化物的形核和长大影响小，主要表现在影响主要表现在影响主要表现在影响主要表现在影响转变上转变上转变上转变上2 2、对碳化物形核长大的影响：、对碳化物形核长大的影响：转变是一个原子扩散的过程，其转变动力学转变是一个原子扩散的过程，其转变动力学曲线具有曲线具有C C曲线的特征。曲线的特征。对对对对转变的影响（转变的影响（转变的影响（转变的影

43、响（相的相的相的相的形核长大）形核长大）形核长大）形核长大）1 1、强碳化物形成元素：、强碳化物形成元素：影响不大。影响不大。2 2、中强碳化物形成元素：、中强碳化物形成元素：通过增加固溶体原子间结合，降低通过增加固溶体原子间结合，降低FeFe的自扩散激的自扩散激活能，从而减慢活能，从而减慢转变，其效果：转变，其效果：CrCrW WMo Mo。3 3、弱碳化物形成元素：、弱碳化物形成元素：扩大扩大相区，稳定奥氏体并强烈推迟相区，稳定奥氏体并强烈推迟转变。转变。4 4、非碳化物形成元素：、非碳化物形成元素：NiNi：开启开启相区并稳定奥氏体，增加相区并稳定奥氏体，增加相形核功，降低相形核功，降低

44、转变温度，强烈阻碍转变温度，强烈阻碍相形核长大和先共析铁素体析出。相形核长大和先共析铁素体析出。CoCo：由于升高由于升高AsAs点，提高点，提高转变温度，促进转变温度，促进转变。转变。SiSi：增加增加FeFe原子间结合力。增大原子间结合力。增大FeFe的自扩散激活能，推的自扩散激活能，推迟迟转变。转变。B B、P P、ReRe：富集于奥氏体晶界，降低奥氏体晶界表面能，富集于奥氏体晶界，降低奥氏体晶界表面能，阻碍阻碍相和碳化物在晶界形核，增长转变孕育期。相和碳化物在晶界形核，增长转变孕育期。5 5、多种合金元素的综合作用：、多种合金元素的综合作用：多种合金元素的综合作用大大提高过冷多种合金元

45、素的综合作用大大提高过冷的稳定性。的稳定性。以以Cr-Ni-MoCr-Ni-Mo合金为例合金为例（教材（教材P19P19），），35Cr35Cr、35CrMo35CrMo、40NiMo40NiMo三者合金元素总量在三者合金元素总量在1.351.352.0%2.0%之间，过冷奥氏之间，过冷奥氏体转变最短孕育期的增减仅在体转变最短孕育期的增减仅在202035s35s之间。若把三种钢之间。若把三种钢中的中的CrCr、NiNi、MoMo组合成组合成40CrNiMo40CrNiMo钢，其合金元素总量仅钢，其合金元素总量仅增加到增加到3.253.25，而孕育期增加到约，而孕育期增加到约500s500s，若

46、进一步增加，若进一步增加NiNi和和MoMo的含量成为的含量成为18Cr2Ni4Mo18Cr2Ni4Mo钢，合金元素总量为钢，合金元素总量为6.346.34，则孕育期至少增加三个数量级。则孕育期至少增加三个数量级。降低贝氏体转变的上限温度降低贝氏体转变的上限温度B Bs s，推迟贝氏体转变。，推迟贝氏体转变。如图如图1 11616，1-171-17，1-181-18所示。所示。碳化物形成元素碳化物形成元素碳化物形成元素碳化物形成元素q 合金元素对贝氏体转变的影响合金元素对贝氏体转变的影响 贝氏体转变过程包括孕育期、贝氏体转变过程包括孕育期、转变和碳化物的转变和碳化物的形成等。形成等。COCOC

47、OCO元素元素元素元素 升高升高AsAs点，降低点，降低相化学自由能，促进贝氏体转变。相化学自由能，促进贝氏体转变。绝大多数合金元素都降低绝大多数合金元素都降低MsMs点，只有点，只有CoCo和和AlAl相反，如相反，如表表1-51-5所示（教材所示（教材P20P20）。）。对对对对M M M Ms s s s-M-M-M-Mf f f f温度的影响温度的影响温度的影响温度的影响q 合金元素对马氏体转变的影响合金元素对马氏体转变的影响 马氏体是无扩散型转变，形核和长大速度极快，合金马氏体是无扩散型转变，形核和长大速度极快，合金元素对马氏体转变动力学影响小。元素对马氏体转变动力学影响小。马氏体亚

48、结构有两种基本形式马氏体亚结构有两种基本形式：一种是具有位错结构：一种是具有位错结构的板状马氏体，另一种是具有孪晶结构的针状马氏体。的板状马氏体，另一种是具有孪晶结构的针状马氏体。对马氏体亚结构的影响对马氏体亚结构的影响对马氏体亚结构的影响对马氏体亚结构的影响 一般，钢中一般，钢中C C或或N N的含量的含量W W0.40.4的钢都是位错马氏体。的钢都是位错马氏体。W W（C C）0.60.6的钢为孪晶马氏体。合金元素如的钢为孪晶马氏体。合金元素如MnMn、CrCr、NiNi、MoMo或或CoCo能增加形成孪晶马氏体的倾向。能增加形成孪晶马氏体的倾向。另外，当另外，当MsMs点温度较高时，由于

49、滑移的临界分切应力，点温度较高时，由于滑移的临界分切应力，在在MsMs以下形成位错马氏体；当以下形成位错马氏体；当MsMs较低时，孪生分切应力低较低时，孪生分切应力低于滑移分切应力，形成孪晶马氏体。于滑移分切应力，形成孪晶马氏体。q 碳钢淬火后的回火转变碳钢淬火后的回火转变第六节第六节 合金元素对回火转变的影响合金元素对回火转变的影响1 1 1 1、定义定义定义定义：回火是把淬火后的钢件，重新加热到回火是把淬火后的钢件，重新加热到A A1 1以下某一以下某一温度，经保温后空冷至室温的热处理工艺。温度，经保温后空冷至室温的热处理工艺。2 2 2 2、目的目的目的目的：淬火钢件经回火可以减少或消除

50、淬火应力，稳定淬火钢件经回火可以减少或消除淬火应力，稳定组织，提高钢的塑性和韧性，从而使钢的强度、硬度和塑组织，提高钢的塑性和韧性，从而使钢的强度、硬度和塑性、韧性得到适当配合，以满足不同工件的性能要求。性、韧性得到适当配合，以满足不同工件的性能要求。3 3 3 3、回火过程的组织变化：、回火过程的组织变化：、回火过程的组织变化：、回火过程的组织变化：第一阶段（室温第一阶段（室温第一阶段（室温第一阶段（室温250250250250）：马氏体中的过饱和碳原子析出，马氏体中的过饱和碳原子析出，形成碳化物形成碳化物FeFex xC C，得到回火马氏体组织。，得到回火马氏体组织。第二阶段（第二阶段（第