《钢的相变.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《钢的相变.ppt(70页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、钢的相变,第十四章,铁碳合金相图,Fe的同素异构相转变: 1394 912 Fe(体心立方) Fe(面心立方) Fe(体心立方),平衡相图: HJB 包晶线 L ECD 共晶线 LFe3C(渗碳体) PSK 共析线 Fe3C,构成铁碳相图的基本相:,1)铁素体() :碳溶于体心立方- Fe中所形成的间隙固溶体(C%0.0218) 2)奥氏体() :碳溶于面心立方- Fe中所形成的间隙固溶体(0.0218 C%2.11) 3)高温铁素体() :碳溶于体心立方- Fe中所形成的间隙固溶体 4) 渗碳体(Fe3C):铁与碳形成的间隙化合物,正交晶系 5)珠光体(+Fe3C) :铁素体和渗碳体形成的片
2、状机械混合物,A,F,P,C,先共析相的析出温度和成分范围 :,过共析钢 0.77C%2.11,亚共析钢 0.0218C%0.77,共析钢 C%=0.77,伪共析钢,在A3 、Acm线以下先形成铁素体或渗碳体。 到达A1线发生珠光体相变。 伪共析转变 随冷速加快,将出现伪共析组织,且珠光体量增多,而先共析量减少。,以0.125/min加热和冷却时,Fe-C相图中临界点的移动,加热时临界点加注c : Ac1 Ac3 Accm 冷却时临界点加注r : Ar1 Ar3 Arcm,钢中典型的相变可归类为: 1、加热过程中的奥氏体转变; 2、冷却过程中的珠光体、贝氏体及马氏体转变; 3、发生马氏体转变后
3、的再加热(回火)转变。,钢的加热转变,第一节,成分、结构均改变,在A1温度(727): + Fe3C C% 0.0218 6.69 2.11 结构 BCC 复杂斜方 FCC,奥氏体的形成为形核长大型、扩散型相变,自由能和温度关系图,相变必须在一定的过热度T下,使得GV0,才能得到G0。所以相变必须在高于A1的某一温度下才能发生,奥氏体才能开始形核。,珠光体,奥氏体,一、 奥氏体形成的热力学条件,相变驱动力: VGv ,新旧相间自由能差,奥氏体的形成过程可分成四个阶段: (1)奥氏体的形核 (2)奥氏体的长大 (3)渗碳体的溶解 (4)奥氏体的均匀化,二、 奥氏体的形成机理,鉴于相变对成分、结构
4、以及能量的要求,晶核将在/Fe3C相界面上优先形成,这是由于: 相界面形核,可以消除部分晶体缺陷而使体系的自由能降低,有利于相变对能量的要求。 相界面两边的碳浓度差大,较易获得与新相奥氏体相适配的碳浓度,况且碳原子沿界面扩散较晶内为快,从而加速了奥氏体的形核。 相界面处,原子排列较不规则,易于产生结构起伏,从而由BCC改组成FCC。,1、 奥氏体的形核-形核位置,相界面上的碳浓度及扩散,2、奥氏体的长大,GGC 铁素体先消失,而渗碳体有剩余,奥氏体形成的四个阶段,珠光体向奥氏体转变动力学曲线,1、奥氏体转变开始线 (以0.5%奥氏体转变量表示) 2、奥氏体转变完成线 (以99.5%奥氏体转变量
5、表示) 3、碳化物完全溶解线 4、奥氏体中碳浓度梯度消失线,连续加热等温形加热成的奥氏体形成动力学基本类似! 一般加热速度越快,过热度越大奥氏体的实际形成温度越高,形核率和长大速度越快,碳化物的溶解速度亦相应加快。,3、奥氏体长大、转变的影响因素,(1)转变温度与保温时间 (2)加热速度 (3)钢的原始组织状态 (4)钢的化学成分,转变温度高,过热度大,促进奥氏体转变。 形成温度升高,N的增长速率高于G的增长速率,N/G增大,可获得细小的起始晶粒度(加热温度升高时,保温时间应相应缩短)。 形成温度升高,G/GC 增大,铁素体消失时,剩余渗碳体量增大,形成奥氏体的平均碳含量降低。,(1)转变温度
6、与保温时间,奥氏体晶粒大小与加热温度、保温时间的关系,奥氏体形成是在一个温度范围内完成的。 随加热速度增大,转变趋向高温,且转变温度范围扩大,而转变速度则增大。 随加热速度增大,C,Fe原子来不及扩散,所形成的奥氏体成分不均匀性增大,形成奥氏体的平均碳含量降低。 加热速度越大,奥氏体的实际形成温度越高,形核率与长大速度之比(N/G)随之增大,可以获得细小的起始晶粒度。,(2)加热速度,(3)钢的原始组织状态,原始组织越细,晶体缺陷越多,奥氏体转变过程越快。 片状珠光体快于粒状珠光体。 平衡组织与非平衡组织,平衡组织(珠光体) 球团状奥氏体 晶粒细小 非平衡组织(马、贝、魏) “组织遗传”易生成
7、针状奥氏体 奥氏体晶粒粗大,与母相保持一定晶体学取向关系,在快速(100/s)或很慢速度 (50/min)加热两种速度之间的较快速加热不仅可以抑制组织遗传现象发生,如果反复进行这种处理,可以得到超细化的奥氏体晶粒。,(4)钢的化学成分,1)含碳量越高,渗碳体与铁素体的总相界面积越大,Fe、C原子扩散系数增大,形成速度增大。使奥氏体晶粒易长大。 2)合金元素 影响碳的扩散速度: 强碳氮化物形成元素 Ti,Nb,V 形成高熔点难溶碳氮化物(如TiC,NbN),阻碍晶界迁移,减小形成速度,细化奥氏体晶粒。 影响奥氏体的均匀化,合金元素扩散速度慢 Mn,Ni降低钢的临界点,细化原珠光体组织,增大形成速
8、度。,控制奥氏体晶粒大小,过冷奥氏体的转变,第二节,碳溶解在-Fe中 的间隙固溶体,A,P,M,B,奥氏体的冷却方式:,1)连续冷却 “奥氏体等温连续曲线” 2)等温冷却 “奥氏体等温转变曲线”,P226 图9.13,过冷奥氏体等温转变动力学图 (TTT曲线;C曲线;IT曲线),一、过冷奥氏体的等温转变,孕育期 转变开始线与纵坐标轴之间的距离,表示在各不同温度下过冷奥氏体等温分解所需的准备时间。 鼻子-C曲线上转变开始线的突出部,孕育期最短的部位。,共析钢,过冷度对相变驱动力和原子扩散的作用相矛盾而导致C曲线!,1、珠光体的与贝氏体的转变曲线部分重叠,在上半部分,珠光体优先转变,下半部分贝氏体
9、优先转变。 2、均存在转变孕育期 ,C-曲线顶端所对应温度下的孕育期最短。珠光体孕育期随温度降低而缩短,而贝氏体则延长。 3、转变初期慢,中期快,后又减缓 ,转变达到50%最快。 4、珠光体的转变孕育期以共析钢的为最短。,TTT 图的特点分析:,(1)碳含量 珠光体转变:亚共析钢中,随碳含量的上升,C曲线右移; 过共析钢中,随碳含量的上升,C曲线左移。 碳含量越偏离共析点,过冷奥氏体向珠光体转变越快! 贝氏体转变:随碳含量的上升, C曲线均右移。 随碳含量的上升, Ms和Mf逐渐降低。,影响C曲线的因素,碳含量增加对渗碳体析出形核所需的 碳浓度起伏有利,碳含量增加,碳重新分布时间延长,合金元素
10、对C曲线位置及形状的影响,(2)合金元素 除Co、Al以外,合金元素均使C曲线右移,即增加过冷奥氏体的稳定性。 (3)加热条件 奥氏体化温度越高,保温时间越长,则形成的奥氏体晶粒越粗大,成分也越均匀,同时也有利于难溶碳化物的溶解。所有这些都降低奥氏体分解时的形核率,增加奥氏体的稳定性,使C曲线右移。 (4)塑性形变,cc 线为珠光体转变中止线。 转变并未最后完成,但过冷奥氏体已停止分解。 上临界冷却速度 Vc 下临界冷却速度 Vc Vc 马氏体 Vc 珠光体 VcVVc 马氏体+ 珠光体,CCT 曲线 Continuous Cooling Transformation,二、 过冷奥氏体连续冷却
11、转变图,共析钢,亚共析钢的CCT图,过共析钢的CCT图,先析出铁素体,产生富碳区,先析出渗碳体,产生贫碳区,冷却速度在Vc Vc之间 连续发生四种类型的转变,依次形成铁素体/渗碳体、珠光体、贝氏体、马氏体,产物为不均匀的混合组织:连续冷却过程是在一个温度范围内发生组织转变,要连续经过几个转变温度区,往往重叠出现几种转变。 共析、过共析钢的CCT图上无贝氏体转变区:由于碳含量较高,使贝氏体相变需要扩散更多的碳原子,转变速度太慢,从而在连续冷却条件下,转变难以实现。 CCT曲线位于C曲线的右下方 连续冷却转变时转变温度较低,孕育期较长。 MS 线发生曲折 有部分贝氏体相变时,贝氏体铁素体先析出,提
12、高了A中的碳含量,MS,向下曲折。 有部分珠光体相变时,渗碳体是领先相,使A的C%,MS,向上曲折。,CCT 图的特点分析:,珠光体转变,第三节,(0.77%C) (0.0218%C) + Fe3C(6.69%C) (面心立方) (体心立方) (复杂斜方),珠光体转变奥氏体的高温分解转变,转变温度:A1- 550 相变类型:扩散型固态平衡相变(铁、碳均可扩散迁移) 同样要经历形核与长大过程 珠光体:-Fe铁素体与渗碳体相层片状机械混合物。,1、珠光体的组织形态,(2)球状珠光体 铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体。,(1)片状珠光体 转变条件:片状珠光体的形成条件是,过冷奥氏体是处于被完全奥氏体化
13、的状态,即为均匀的单相固溶体。,转变条件: 球(粒)状珠光体的形成,通常是在共析及过共析钢的非完全奥氏体化状态,即在奥氏体中尚存未完全溶解的细小渗碳体(或碳化物)的质点条件下进行。,珠光体形成时的领先相: 从热力学上讲,铁素体与渗碳体都可能成为领先相。 共析与过共析钢中,渗碳体为领先相。 亚共析钢中,铁素体为领先相。,2、 片状珠光体,珠光体形成时碳的扩散,C-,C-k,形核 + 横向长大 + 纵向长大,层片状珠光体示意图,片层间距愈小:强度、硬度愈高 晶团直径减小:强度、塑性都提高,片状珠光体的力学性能:,(a),(b),片状珠光体,3、 球状珠光体,温度高,渗碳体呈球状 温度低,渗碳体呈粒
14、状 力学性能: 渗碳体的体积分布越大,直径越小,钢的强度、硬度大,塑性差; 渗碳体的体积分布越少,直径越大,钢的强度、塑性越好。,球状珠光体,小结:,4、影响珠光体转变动力学的因素,(1)钢的化学成分 碳具有延缓珠光体的形成作用。 除铝、钴以外几乎所有合金元素溶入奥氏体中均延缓珠光体的形成。,(3)奥氏体晶粒度:奥氏体晶粒的细化,可增加珠光体的形核位置,从而促进珠光体的形成。,(5)应力和塑性变形:拉应力和塑性变形造成点阵畸变和位错密度增高,显著提高了珠光体的形核率,促进珠光体转变,使C曲线左移。塑性形变温度越低,变形程度越大,这种加速作用越显著。,(2)奥氏体的均匀化程度和残余碳化物,(4)
15、奥氏体化加热温度和保温时间:奥氏体化温度越高,保温时间越长,奥氏体晶粒尺寸越大,并且成分趋于均匀化,减少了珠光体形核所需的浓度起伏和形核位置,从而减慢珠光体的形成,使C曲线右移。,贝氏体相变,第四节,(0.77%C) (0.0218%C) + Fe3C(6.69%C) (面心立方) (体心立方) (复杂斜方),贝氏体相变奥氏体的中温分解转变,转变温度:550- MS 相变类型:半扩散型非平衡固态相变(碳可扩散迁移、铁不扩散) 贝氏体:过饱和铁素体与渗碳体的非层片状混合物,(上限温度BS点和下限温度Bf),相(即贝氏体铁素体BF)形态类似于马氏体而不同于珠光体中的铁素体! 为铁的碳过饱和固溶体!
16、,下限温度Bf,上限温度BS,1、贝氏体的组织形态,上贝氏体,“羽毛状”,下贝氏体组织,“片状、针状”,贝氏体的组织形态,淬火的目的1: 得到板条状马氏体 或下贝氏体,2、贝氏体相变机理概述,1) 贝氏体转变的领先相是铁素体,在转变温度下,奥氏体中存在浓度起伏,BF核在贫碳区形成。 较高温度时(上贝氏体),BF在奥氏体晶界形核; 较低温度时(下贝氏体),BF大多在奥氏体晶粒内形核。 2) BF以共格切变方式长大。 3) 形成的BF为碳的过饱和固溶体,形成温度越低,过饱和度越大。在BF形成的同时,将发生碳的脱溶,析出碳化物。,转变过程 :铁素体的生成和碳化物析出两个基本过程,转变速度受碳的扩散所
17、控制,上贝氏体的转变速度受碳在奥氏体中的扩散所控制,下贝氏体的形成机理示意图,下贝氏体的转变速度受碳在铁素体中的扩散所控制,三、贝氏体转变特点,1)是一个形核与核长大的过程,形核需要一个孕育期。 2)贝氏体组织大多是由铁素体和碳化物两相构成,并且在相变过程中伴有浮凸效应。 3)转变形成低碳相和高碳相,故有碳原子的扩散,但铁和合金元素原子不扩散。 4)贝氏体转变具有不完全性。(转变结束时总有一部分未转变的A,继续冷却AM,形成B+M+AR组织) 5)贝氏体转变时,新相与母相奥氏体之间存在一定的晶体学取向关系。,残余奥氏体,宏观切变引起表面倾动及形状改变 (R表示点阵总应变),浮凸效应,四、贝氏体
18、转变的影响因素,1、碳含量 ; 碳具有延缓贝氏体的形成作用。 2、合金元素 ; 除铝、钴以外几乎所有合金元素溶入奥氏体中均延缓贝氏体的形成。 3、奥氏体化温度 ; 提高奥氏体化温度可使贝氏体转变孕育期延长,转变速度减慢。 4、奥氏体冷却过程中的停留。 奥氏体冷却过程中在不同温度区间停留也会影响贝氏体转变。 5、拉应力加快贝氏体转变,与珠光体转变类似,奥氏体越稳定,越不易发生分解转变,马氏体相变,第五节,(0.77%C) 马氏体 (面心立方) (体心正方点阵 bct ),奥氏体的低温转变,转变温度:Ms- Mf 相变类型:非扩散型、非平衡相变 马氏体:碳在-Fe 中的过饱和固溶体。 一般为:M
19、+ 残余奥氏体,又称淬火转变,(成分不变,仅点阵改组过程中不发生原子扩散, 只是协调一致的均匀切变位移),1、板条马氏体(位错马氏体)。 板条马氏体的亚结构为高密度位错 板条马氏体不呈孪晶关系的板条间存在一层残余奥氏体簿膜,,一、 马氏体的形态及其亚结构,板条马氏体示意图,马氏体晶体内的微观结构称为亚结构。,板条马氏体组织 500 ,片状马氏体的立体外形呈双凸透镜状,多数马氏体片的中间有一条中脊面,相邻马氏体片互不平行,大小不一,片的周围有一定量的残余奥氏体。 亚结构为细小孪晶,一般集中在中脊面附近,片的边缘为位错。随形成温度下降,孪晶区扩大。,2、片状马氏体(孪晶马氏体),片状马氏体组织(针
20、状 )500 ,3、影响马氏体形态及其亚结构的因素,滑移和孪生的临界分切应力与温度的关系,Ms温度高,C%低,易形成以位错为亚结构的板条状马氏体 Ms温度低,C%高,易形成以孪晶为亚结构的针状马氏体,C% 硬度 C 0.6%以后,淬火钢硬度下降的原因主要是由于残余奥氏体量的增加。,三、 马氏体的性能,1、马氏体的强度和硬度,淬火的目的2: 得到板条状马氏体,板条状马氏体(低碳位错型): 具有相当高的强度和良好的韧性 片状马氏体(高碳孪晶型): 具有高的强度但韧性极差。,2、 马氏体的塑性与韧性,高碳孪晶型马氏体高脆性的原因: 亚结构为细小孪晶 容易产生显微裂纹,马氏体 回火的原因,(1)马氏体
21、相变的无扩散性,四、马氏体相变的主要特征,(2)表面浮凸现象和不变平面应变,(3)马氏体和奥氏体具有一定的位向关系,(4)马氏体相变的不完全性,(5)马氏体相变的可逆性,(6)马氏体内部具有亚结构,马氏体加热时: 1)回火转变:马氏体发生分解,析出碳化物。 2)逆相变(加热速度过快、合金元素阻碍析出) (马氏体)M (奥氏体)A,马氏体相变的可逆性,具有冷却相变及逆向变的材料,呈现形状记忆效应,1、碳原子重新分布 回火第一阶段 : 100以下温度范围。 2、过渡碳化物析出 回火第二阶段: 100以上至200范围。 3、过渡碳化物转变为Fe3C 回火第三阶段 : 200以上至350范围 4、Fe3C的聚集长大回火第四阶段: 当回火温度高于300400以上后,至700左右。,马氏体的回火转变:,小 结,淬火,回火,
链接地址:https://www.31doc.com/p-3151681.html