材料工程基础讲稿17.ppt
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1、第七章 淬火钢在回火时的转变 钢在淬火后得到的是亚稳的高硬度、高强度的M及Ar。 为了满足不同零件对性能的要求,将淬火钢重新加热 到A1以下某一温度,保温一定时间使亚稳的M及Ar转变到 一定程度后冷至室温,调整零件的性能回火。 在回火时所发生的转变回火转变。 回火可以在A1以下很大范围内调整温度力学性能在很 宽的范围内变化。 因此,回火是调整钢制零件的性能以满足适用要求的有 效手段。,71 淬火钢在回火时的组织转变 淬火钢:M和一定量的Ar。 淬火组织是高度不稳定的,这是因为: M中的碳是高度过饱和的; M有很高的应变能和其它缺陷; 与M并存的还有一定量的Ar。 由于M和Ar的不稳定状态与平衡
2、状态的自由焓差驱动 力,使得回火转变成为一种自发的过程。 在动力学条件具备时,转变即可自发进行回火处理 就是通过加热提高原子的活动能力,使转变以适当的速度 进行,或在适当时间内,使转变达到所要求的程度。 根据在不同温度范围发生的组织转变,可将碳钢的整 个回火过程分为以下五个有区别而又相互重叠的阶段。,淬火高碳钢回火组织与物理性能变化 注:回火转变是随温度升高连续进行的,由于所采用的实验方法和 精度不同,不同文献给出的各阶段温度范围会有一些差异,甚至对 回火阶段的划分也不尽相同。,1回火预备阶段(时效阶段,40100) 初形成的M中,碳原子分布在扁八面体中心碳原子 的存在晶体点阵产生严重畸变M处
3、于不稳定状态。为 了降低能量,碳在以碳化物形式析出之前,碳原子将首先 向大量存在于M中的位错及孪晶界面偏析。 由于碳原子比较小,在室温附近即可通过扩散向晶内缺 陷偏聚。,含碳量0.2%的低碳M在200以下回火时所发生的主要是碳原子 往位错等晶体缺陷的偏聚。用场离子显微镜、原子探针证实,含 0.21%碳的钢,经1000奥氏体化淬火成M,经150回火后基底 碳含量仅0.0294%,而板条M条界则高达0.422,较平均碳含量提高 了一倍。碳在板条界的偏聚可能发生在淬火过程中,淬火后的室温 停留及回火过程中。在板条M边界保留的Ar很可能与淬火过程中所 发生的碳原子的偏聚有关。即已形成的M中的碳原子往边
4、界扩散, 提高了未转变A的碳含量,再加以相硬 化引起机械稳定化,使A得以保留到室温。 M晶内的碳原子在位错上的偏聚仍难以 证实,而只能用其它方法给以间接证明。 在196测得不同碳含量淬火钢的电 阻值。,高碳M比较复杂,高碳M在0以下具有异常正方度,点阵常数a及 正方度c/a就有可能发生变化。这表明碳原子在x、y位置与z位置之 间在0以下就有了跳动。 原子探针还证实了碳原子在片状M的孪晶界面上的偏聚。对Fe- 0.78C-0.65Mn钢,经1200、2hA化后水淬成M并立即在液氮中深 冷,再在室温时效24h,然后用原子探针测量。结果得出基底碳 含量为0.57%,低于平均碳含量,而孪晶界的碳含量为
5、1.45%。如假 定这些碳分布在孪晶界单原子层上,则可得出碳含量可高达 5.04%。 将淬火所得M加热到160回火1h,则使碳原子更加偏聚在 孪晶界,此时测得基体碳含量已降为0.32%,孪晶界碳含量已由 1.45%提高到1.83%。 偏聚点阵畸变硬度、强度时效硬化。,2过渡碳化物(/)的析出(回火第一阶段) 随回火温度的提高及时间的延长,富集区中的碳原子将 转变为碳化物。随碳化物的析出,M的碳含量不断减少, c/a不断下降。 1)高碳M的分解 X射线结构分析证实高碳M经不同温度回火后的正方度出 现变化。当回火温度低于125时出现了两个不同的正方 度碳化物的析出,出现了两种碳含量的相。回火温度
6、高于125时,只测得了一个正方度。且随回火温度的升 高,正方度愈来愈小。由于温度不同,碳化物的析出 双相分解及单相分解。,双相分解 在125150以下。 随碳化物的析出,出现了两个正方度不同的相。即具 有高正方度的保持原始碳含量的未分解的M以及具有低正 方度的碳已经部分析出的M。进一步的测定表明随回火时 间的延长,正方度均不变,但高正方度的衍射愈来愈 弱,直至消失,而低正方度相的衍射愈来愈强。这表明 在低于150回火过程中,随碳化物的析出,两个相的 碳含量均未发生变化:只是高碳区,低碳区。,双相分解过程:在碳原子富集区形成碳化物核,并依靠周围的 相所提供的碳原子长大成碳化物颗粒。碳化物析出周围
7、将出现 低碳的相,而远离碳化物的相仍保持原有的碳含量。由于温度 低,碳原子不能作远距离的扩散,高碳区与低碳区之间的浓度梯度 不易消失。已析出的碳化物不能进一步长大。M的进一步分解只 能依靠在高碳区形成新的碳化物核,析出碳化物粒子,在其周围形 成新的低碳区。随着分解过程的进行,高碳区愈来愈少,低碳区 愈来愈多。当高碳区完全消失时,双相分解结束。即在分解过程中 同时存在着两种碳含量不同的相双相分解。,经测定,低碳区的碳含量与M的原始碳含量及分解温度均无关, 为恒定值,约为0.250.30%。此时碳化物与周围的低碳相之间 处于胶态平衡。由于碳化物粒子细,碳在相中的固溶度高,碳化 物粒子不长大,相碳含
8、量不会进一步降低。 双相分解的速度与温度有关,温度速度。温度分解速 度。 M单相分解 150时,M将以单相分解亦即连续分解方式进行。 此时,碳原子已具有较大的活动能力,能够作较长距离扩散。已析 出的碳化物有可能从较远地区获得碳原子而长大,相内部碳浓度 及正方度随分解过程的进行不断下降。当温度达到300时,正方 度c/a接近1,此时相中的碳含量已接近平衡状态,M分解过程基 本上结束。,过渡碳化物的析出 在分解初期,可能直接析出稳定的碳化物,多数情况下 析出的是亚稳碳化物。随着回火温度的升高以及回火时间 的延长,亚稳碳化物稳定碳化物转化。 高碳M在室温即可发生碳原子向孪晶界面的偏聚。但经 过偏聚以
9、后,相基底的碳含量仍相当高。如含碳0.78% 的M经室温24h时效后,相基底的碳含量仍高达0.57%在 双相分解区回火时将自基底析出碳化物。,最初析出的是非常细小的一种亚稳过渡碳化物,其晶 体结构及化学成分均极难测定。因此虽然已进行了大量的 研究,但还不能说是已经完全弄清。 析出初期是碳化物,厚约5nm的薄片,成分介于 Fe2C-Fe3C之间,具有六方点阵,与基底保持共格联 系,惯习面为100,与保持Jack位向关系: (0111)(011)、 进一步的研究发现,析出初期还有一种具有正交结构 点阵的过渡相碳化物,厚约为35nm,对应的成 分为Fe2C,位向关系为 (100)(101),011
10、100 。,/,与都是从过饱和的相中析出的,但两者之间的转换与析出 序列还不清楚。 与极细小弥散分布在M基体中,不能用光学金相分辨出,但 由于碳化物的析出使M易受腐蚀,在光镜下呈黑色,与贝氏体极 相似。用透射电镜观察可以看到条片状的过渡亚稳碳化物平行于 100。因100晶面族有三个相互垂直的(100)面,故 在晶内析出的亚稳碳化物也相互垂直。用高分辨电镜观察可以看 到碳化物是由许多5nm左右的薄片组成。,2)低碳及中碳马氏体的分解 低碳钢的Ms点比较高,在淬成M的过程中,除可能发生碳原子 向位错的偏聚外,在最先形成的M中还有可能发生自回火,析出碳 化物。Ms点愈高、淬火时的冷却速度愈慢,回火析
11、出的碳化物愈 多。淬火后,在150以下回火时,不发生碳化物的析出,当回火 温度高于200时,才有可能通过单相分解析出碳化物,使相基 底碳含量下降。 综上所述,固溶于M中的碳随回火温度的升高,将不断以碳化物 的形式自M中析出,M中的碳含量不断下降。 且原始碳含量不同的M,随碳的析出,碳含 量将趋于一致。 中碳钢在正常淬火时得到的是板条位错M 与片状M的混合组织,故回火时也兼有低碳 M与高碳M的分解特征。 M经过回火以后称为回火M。,3残余A的分解(回火第二阶段) 碳钢中Ar分解在100时已开始,在240270最显著。原过冷A 可能发生的转变,对应Ar来说也都可能发生。即可进一步转变为 M、P或B
12、。但Ar与原过冷A之间也还有不同处,二者差别在于: 已经发生的转变可能给尚未转变的残余A带来化学成分上的以 及物理状态上的变化,如板条M周围Ar的碳含量比平均碳含量高得 多,又如M转变的体积效应可以使未转变的A产生相硬化并使之处于 三向压应力状态,这些变化将给Ar的转变带来影响。 在回火过程中,M将发生转变,这一转变必将影响Ar的转变。,将淬火钢加热到临界点A1以下的各个温度等温,高温区P,中 温区B,但等温转变动力学图与原过冷A的不完全相同。碳钢中的 Ar在回火加热过程中极易分解,故难以观察到等温转变,在加热到 200300范围内将发生剧烈分解。用含有大量Ar的高碳钢试样在 电子显微镜中进行
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