06 第六章 钢的热处理与马氏体相变强化.pptx

第1页：机械工程材料第六章封面

机械工程材料：第六章“钢的热处理与马氏体相变强化”课件，讲解热处理原理与工艺。

第2页：课程主要内容与章节目录

主要内容：本课程按下列章节展开。

• 绪论
• 第一章 材料的内部结构
• 第二章 结晶与显微组织
• 第三章 工程材料的力学性能
• 第四章 工程材料的物理、化学性能
• 第五章 工程材料的强化理论
• 第六章 钢的热处理与马氏体相变强化
• 第七章 钢铁材料
• 第八章 有色金属及其合金

第3页：第六章小节目录

第六章 钢的热处理与马氏体相变强化小节目录：

1. 6.1 钢的热处理原理
2. 6.2 合金元素对钢组织转变的影响
3. 6.3 钢的热处理工艺

第4页：热处理的定义

热处理定义

通过对材料进行加热、保温和冷却处理并控制上述过程，以改变材料的组织结构和性能的工艺过程。

思考：试说明热处理的过程、目的和特点？

第5页：钢的转变临界点

钢的转变临界点：

Ac₁

加热时 P 向 γ 转变开始温度

Ar₁

冷却时 γ 向 P 转变开始温度

Ac₃

加热时先共析 α 向 γ 转变开始温度

Ar₃

冷却时 γ 开始析出先共析 α 的开始温度

Ac_cm

加热时二次渗碳体全部溶入 γ 的终了温度

Ar_cm

冷却时 γ 开始析出二次渗碳体的开始温度

第6页：钢在加热时的转变过程

钢在加热时的转变（以共析钢为例），加热转变包括：

1. 奥氏体形核
2. 奥氏体长大
3. 剩余渗碳体的溶解
4. 奥氏体成分均匀化

思考：说明加热时各转变过程的特点？

第7页：加热转变的成分变化特点

钢在加热时的转变：成分变化特点（以共析钢为例）：

• 新形成的奥氏体内成分不均匀（属扩散型转变）
• 转变过程中，奥氏体晶粒内及其与 Fe₃C 和铁素体界面上的成分在不断变化，直至均匀化完成

第8页：奥氏体晶粒度与分级

晶粒度

晶粒大小的量度。

晶粒度分级

放大100倍时每平方英寸视野中观测的平均晶粒数 n，晶粒度 N 由式 n = 2^N−1 确定，晶粒度分八个级别；在高科技领域已不再进行类似分级。

第9页：三种晶粒度的含义

起始晶粒度

奥氏体化完成、晶粒刚刚接触时的晶粒度。

实际晶粒度

奥氏体化终了时的晶粒度。

本质晶粒度

表征钢材奥氏体化晶粒长大倾向，用在一定温度加热保温一定时间奥氏体化后钢的晶粒度表示。

第10页：影响奥氏体晶粒长大的因素

影响晶粒长大的因素：

• 加热温度和保温时间：加热温度高、时间长，晶粒粗化（取决于扩散过程和相变驱动力）
• 加热速度：可用快速加热、短时保温的办法获得细小晶粒——短时间升至高温，奥氏体化形核充分而长大较小
• 化学成分：碳有利于奥氏体晶粒长大；合金元素一般阻碍晶粒长大，原因是合金元素改变扩散激活能和相变驱动力

第11页：钢的两种冷却方式

碳钢冷却时的组织转变：冷却方式——冷却方式是指在低于奥氏体转变临界温度以下时的温度控制过程。

等温冷却

在奥氏体转变临界点以下时保持某温度不变。

连续冷却

在奥氏体转变临界点以下时温度不断连续降低的过程。

第12页：等温冷却转变曲线的三条原则

冷却转变曲线的获得，首先明确三个原则：

• 以下所讲转变均为非平衡转变（不同于相图）
• 连续冷却与等温冷却所得组织（结构）不同
• 碳钢快速连续冷却（水冷）得到的马氏体组织与珠光体组织不同

第13页：TTT曲线的试验测绘方法

等温冷却转变曲线的获得（以共析钢为例）：

1. 将奥氏体化的钢先快速冷却至临界点 Ac₁ 以下某温度，等温冷却不同时间，再水冷至室温
2. 室温金相观察，确定不同类型组织的含量
3. 分别将不同温度下开始转变和终了转变的时间点连成曲线即可

第14页：TTT曲线的特征

等温冷却转变曲线的特征：

• 曲线形状呈“C”形，又称 TTT 曲线（Time-Temperature-Transformation）
• 孕育期：冷却至临界点以下到奥氏体开始转变的时间
• 过冷奥氏体：临界点以下尚未发生转变的奥氏体
• Ms 与 Mf 线：马氏体转变开始线和终了线

第15页：鼻尖点与等温硬度变化

等温冷却转变曲线的特征（续）：

• 鼻尖点：孕育期最短，该点温度上下的组织转变特征不同
• 不同等温冷却转变完成后，钢的室温硬度值不同；等温冷却温度下降，钢的硬度上升

第16页：连续冷却转变曲线的获得

连续冷却转变曲线的获得：

1. 将奥氏体化的钢先以不同的冷速冷却一定时间至临界点以下某温度，再快速水冷至室温
2. 室温金相观察，确定不同类型组织的含量
3. 分别将不同温度下开始转变和终了转变的时间点连成曲线即可

第17页：CCT曲线的特征

连续冷却转变曲线的特征：

• CCT 曲线（Continuous Cooling Transformation）位于 TTT 曲线右下方，且没有对应的 TTT 线下半部分，表明共析钢连续冷却时没有贝氏体转变
• 孕育期增长
• 存在中止线
• 临界冷却速度：奥氏体连续冷却直接产生马氏体转变的最低冷却速度

第18页：珠光体类型转变

珠光体概念

奥氏体通过扩散型转变形成的由铁素体和渗碳体两相组成的片层状组织，平衡状态组织平均含碳量0.77%。

珠光体形成过程

奥氏体晶界形核（F + Fe₃C）、长大，最终形成层片状珠光体组织。

第19页：珠光体形态与性能

珠光体形态（类型）：

• 片状（奥氏体分解）：普通珠光体，片间距约 450~150 nm，A₁~650℃；索氏体，片间距约 150~80 nm，650~600℃；屈氏体，片间距约 80~30 nm，600~550℃
• 粒状：由调质处理或球化退火获得，不是由奥氏体直接形成

性能特征：取决于珠光体片层间距和珠光体团的尺寸。

第20页：珠光体组织金相照片

珠光体类型组织金相照片：珠光体 ×1000、屈氏体 ×1000、粒状（球状）珠光体的形貌对比。建议对照原课件照片核校放大倍数标注。

第21页：马氏体转变特点总览

马氏体定义

碳溶于 α-Fe 中的过饱和间隙式固溶体，记为 M；正方度是指马氏体晶格 c/a 大于1的程度。

转变特点

无扩散性——切变转变；降温转变——Ms~Mf 区间内进行；转变的不完全性——存在残余奥氏体。

组织形态

板条马氏体，亚结构为位错；片状马氏体，亚结构为孪晶。

第22页：碳含量对残余奥氏体的影响

思考题：碳含量对淬火钢残余奥氏体含量的影响，说明其原因？

碳含量升高使 Ms、Mf 点下降，马氏体转变不完全程度增大，故残余奥氏体量增多。

第23页：板条马氏体形态示意图

板条马氏体形态示意图：呈相互平行的板条束，亚结构为位错。建议对照原课件示意核校板条束取向。

第24页：板条马氏体金相与TEM形貌

板条马氏体金相和 TEM 形貌像：光学显微镜下呈板条束，透射电镜下可见高密度位错亚结构。建议对照原课件照片核校标注。

第25页：片状马氏体形态示意图

片状马氏体形态示意图：呈针片状或竹叶状，亚结构为孪晶。建议对照原课件示意核校针片取向。

第26页：片状马氏体金相与TEM形貌

片状马氏体金相和 TEM 形貌像：光学显微镜下呈针片状，透射电镜下可见孪晶亚结构。建议对照原课件照片核校标注。

第27页：马氏体的性能特点

马氏体性能特点：高硬度、高强度；马氏体强硬度随碳含量而变。

强化机制：固溶强化、相变强化、时效强化和晶界强化。

塑性和韧性：其变化机制主要取决于马氏体的亚结构。

思考：淬火钢的硬度与马氏体硬度间的关系？

第28页：碳含量对马氏体硬度的影响

思考题：碳含量对马氏体硬度的影响，说明其原因？

碳含量越高，马氏体的过饱和程度与正方度越大，晶格畸变越严重，故硬度越高；当碳含量超过约0.6%后，因残余奥氏体增多，硬度上升趋缓。

第29页：贝氏体的定义与转变特征

贝氏体定义

由切变转变形成的铁素体和扩散转变形成的渗碳体的混合物；贝氏体的形态和形成机制均与珠光体不同。

转变特征

兼有马氏体转变和珠光体转变的特点：贝氏体中的铁素体为无扩散转变形成，而渗碳体为扩散转变形成；有上贝氏体和下贝氏体两种不同形态与转变方式。

第30页：上贝氏体组织与性能

上贝氏体组织形态

形成于 550~350℃，呈羽毛状，断续的渗碳体分布于羽毛状铁素体晶界之间。

性能特点

很脆，没有使用价值。

第31页：下贝氏体组织与性能

下贝氏体组织形态

形成于 350℃~Ms，呈黑色针状或竹叶状，渗碳体颗粒定向分布于铁素体晶内一定取向上。

性能特点

强度高，韧性好，可通过等温淬火获得。

第32页：回火的定义与目的

回火定义

零件淬火后，加热至临界温度之下保温一定时间并以一定速度冷却，以获得适当的稳定组织和特定性能的热处理工艺；淬火钢一定要进行回火处理。

回火目的：

• 一定程度上消除淬火缺陷，减小或消除淬火残余应力
• 获得适当的稳定组织
• 获得特定的使用性能（强硬性、弹性、综合机械性能）

第33页：回火第一阶段：马氏体分解

回火转变过程一：马氏体分解：

• 过程：回火温度在 100~200℃ 时，马氏体开始发生部分分解，析出 ε 碳化物，与马氏体保持共格关系
• 组织特点：转变完成后组织由有一定过饱和度的固溶体和与其有共格关系的 ε 碳化物组成，称为回火马氏体
• 性能特点：基本保持淬火马氏体的强硬性，但淬火残余应力大大降低，常温组织稳定性增加

第34页：回火第二阶段：残余奥氏体转变

回火转变过程二：残余奥氏体转变：

• 过程与组织特点：回火温度在 200~300℃ 时，钢中的残余奥氏体发生分解，转变为回火马氏体或下贝氏体
• 性能特点：强硬性随温度升高较回火马氏体有所下降，但淬火残余应力进一步降低，基体相固溶度进一步下降，常温组织稳定性进一步增加

第35页：回火第三阶段：碳化物转变

回火转变过程三：碳化物的转变：在 300~400℃ 之间，由 ε 碳化物转变成与基体无共格关系的颗粒状渗碳体。

• 组织：转变完成后由饱和的针状 α 相和细小粒状渗碳体组成，称为回火屈氏体
• 性能：强度硬度进一步降低，塑性韧性升高，但这种组织的弹性极限最高

第36页：回火第四阶段：α相回复再结晶

回火转变过程四：基体 α 相回复、再结晶和碳化物的聚集长大：回火温度超过 400℃ 以上后，α 相由针状或板条状转变成无应变的等轴状新晶粒，同时渗碳体聚集长大并粗化。

• 组织：由等轴 α 相和较粗的粒状渗碳体组成，称为回火索氏体
• 性能：综合机械性能好，兼有较高的强度和优异的韧性

第37页：回火组织观察

钢的回火转变组织观察：对比回火马氏体、回火屈氏体与回火索氏体的显微组织。建议对照原课件照片核校组织名称标注。

第38页：回火脆的两类与消除

回火脆：一般随回火温度升高，钢的强硬度下降、塑韧性上升，但在某些特定工艺条件下，回火后韧性大大下降，称为回火脆。

• 第一类回火脆（低温回火脆）：碳钢在 200~300℃，属不可逆回火脆；产生原因是钢材内部杂质偏聚，不可避免，通过回火温度选择规避
• 第二类回火脆（高温回火脆）：高于 450℃ 长时间加热，属可逆回火脆；产生原因是杂质偏聚；消除方法为快速冷却，或加入 W、Mo 等元素抑制

第39页：钢的淬透性概念

淬透性

钢在淬火时获得马氏体的能力。

影响因素

它是钢的固有属性，取决于钢的临界冷却速度和过冷奥氏体的稳定性（成分、组织）。

表示

淬透性的大小用钢在一定条件下淬火所获得的淬透层深度来表示。

第40页：淬透性测量：端淬法

钢的淬透性测量：端淬法——对标准试样一端喷水冷却，沿轴向测定硬度分布，以硬度降至规定值处的距离表示淬透性。建议对照原课件示意图核校测量步骤。

第41页：第六章小节目录页

第六章 钢的热处理与马氏体相变强化小节目录：6.1 钢的热处理原理、6.2 合金元素对钢组织转变的影响、6.3 钢的热处理工艺。本页为进入6.2前的导览页。

第42页：合金元素对钢组织转变的影响

合金元素作用：提高淬透性；提高回火稳定性（回火抗力）；带来耐磨、耐腐蚀等其他特殊性能。

合金元素影响：加热转变——推迟；冷却转变——C 曲线右移；回火转变——推迟。

合金元素分类：碳化物形成元素 Ti、Nb、Zr、V、W、Cr、Mn 等；非碳化物形成元素 Si、Ni、Cu、Al、Co。

机制：合金元素阻碍扩散、提高原始组织稳定性，延迟反应过程。

第43页：第六章小节目录页

第六章 钢的热处理与马氏体相变强化小节目录：6.1 钢的热处理原理、6.2 合金元素对钢组织转变的影响、6.3 钢的热处理工艺。本页为进入6.3前的导览页。

第44页：热处理工艺分类

6.3 钢的热处理工艺：依据钢加热冷却过程中的组织转变规律，确定加热、保温和冷却工艺参数。

• 普通热处理：退火、正火、淬火、回火
• 特殊热处理：表面热处理、化学热处理、特殊环境热处理

第45页：钢的退火和正火

获得组织

退火获得近似的平衡组织；正火获得伪共析组织。

目的

一般作为预备热处理（与最终热处理相对应）；消除前道工序（铸造、锻造、其他加工）的缺陷，如组织成分不均匀、微孔、残余应力等；获得适当组织以利于后续加工和最终热处理。

工艺特点

退火加热保温完成后缓慢冷却（工程上一般为炉冷）；正火冷却速度较快，一般空冷或风冷。

第46页：退火种类及温度选择

退火种类及温度选择：按扩散退火、完全退火、不完全退火、球化退火、去应力退火与再结晶退火分别选取不同加热温度区间。建议对照原课件温度带示意核校具体区间。

第47页：退火温度区间标注

退火加热温度区间：

• 扩散退火：固相线下 100℃
• 完全退火：AC₃ + 30~50℃
• 不完全退火：AC₁ ~ AC₃
• 球化退火：AC₁ ~ AC_cm
• 去应力退火：AC₁ ~ T_再
• 再结晶退火：≤ T_再

第48页：正火及温度选择

正火及温度选择：亚共析钢加热至 AC₃ + 30~50℃，过共析钢加热至 AC_cm + 30~50℃，保温后空冷或风冷。

第49页：钢的淬火与常见缺陷

钢的淬火：

• 加热温度：亚共析钢为 AC₃ + 30~50℃，过共析钢为 AC₁ + 30~50℃
• 淬火冷却介质：水、油、脂、盐水等
• 缺陷：氧化、脱碳、过热、过烧；过烧工件需正火报废处理
• 防止措施：留加工余量、采用保护气氛、真空加热

第50页：钢的回火工艺参数

钢的回火工艺参数：