固態(tài)相變課件

1、第四章 貝氏體相變第一節(jié) 貝氏體(B)轉(zhuǎn)變的基本特征一. 貝氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍 在A1以下，MS以上，有一轉(zhuǎn)變的上限溫度BS和下限溫度Bf , 碳鋼的BS約為550左右。二. 貝氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 一般地，貝氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為相與碳化物的二相混合物，為非層片狀組織。相形態(tài)類似于M而不同于珠光體中的F。三. 轉(zhuǎn)變動力學(xué) 由形核與長大完成，等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)圖是C形。1四. 轉(zhuǎn)變的不完全性 轉(zhuǎn)變結(jié)束時總有一部分未轉(zhuǎn)變的A，繼續(xù)冷卻AM，形成B+M+AR組織，其中AR為殘余A。五. 擴散性 轉(zhuǎn)變形成高碳相和低碳相，故有碳原子擴散，但合金元素和鐵原子不擴散或不作長程擴散。六. 晶體學(xué)特征 貝氏體形成時，有表面浮突，位

2、向關(guān)系和慣習(xí)面接近于M?？傊?，貝氏體轉(zhuǎn)變的某些特征與P相似，某些方面又與M相似。2第二節(jié) 貝氏體組織形態(tài)和晶體學(xué)貝氏體有下列主要的組織形態(tài)：一. 無碳化物貝氏體 在靠近BS的溫度處形成這種貝氏體，是由F+A組成。其形態(tài)可見圖，是在A晶界上形成了F核后，向晶內(nèi)一側(cè)成束長大，形成的平行的板條束，條間為富碳的A，板條寬度隨轉(zhuǎn)變溫度下降而變窄. 繼續(xù)冷卻，A可能轉(zhuǎn)變?yōu)镸、P、B (其他類型)或保留至室溫。F條形成時在拋光表面會形成浮凸. B與A的位向關(guān)系為K-S關(guān)系，慣習(xí)面為111A。3二. 上貝氏體(B上)B上在B轉(zhuǎn)變的較高溫度區(qū)域內(nèi)形成，對于中、高碳鋼, 此溫度約在350550區(qū)間。組織為(F+碳

3、化物)的二相混合物。其形態(tài)在光鏡下為羽毛狀(見圖)。在電鏡下為一束平行的自A晶界長入晶內(nèi)的F條。束內(nèi)F有小位向差，束間有大角度差，F(xiàn)條與M板條相近。碳化物分布在鐵素體條間，隨A中含碳量增高，其形態(tài)由粒狀向鏈狀甚至桿狀發(fā)展(見圖)。F內(nèi)亞結(jié)構(gòu)為位錯，慣習(xí)面為111A，與A之間的位向接近K-S關(guān)系，碳化物慣習(xí)面為227 A，與A有確定位向關(guān)系。4三. 下貝氏體B下在B轉(zhuǎn)變的低溫轉(zhuǎn)變區(qū)形成，大致在350，組織為(F+碳化物)的二相混合物。F的形態(tài)與A碳含量有關(guān): 碳量低時呈板條狀(見圖)。碳量高時，呈片狀(見圖)。片內(nèi)存在細(xì)小碳化物，呈短桿狀與F的長軸成55-60度， 成分為Fe3C或Fe2-3C。

4、四. 粒狀貝氏體在一定的冷速范圍內(nèi)連續(xù)冷卻得到的，組織為(F+A)的二相混合物。其形態(tài)為F基體上分布著小島狀的A(見圖)。 富碳的A小島在隨后的冷卻過程中有三種可能: 分解為F與碳化物; 轉(zhuǎn)變?yōu)镸; 以A態(tài)保留至室溫。5第三節(jié) 貝氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)一. 貝氏體等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線 貝氏體等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線也呈S形，但與珠光體轉(zhuǎn)變不同，貝氏體等溫轉(zhuǎn)變不能繼續(xù)到終了。根據(jù)貝氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線，可作出等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)圖，如圖?？梢?，此動力學(xué)圖也呈C形。轉(zhuǎn)變在BS溫度以下才能實行，轉(zhuǎn)變速度先增后減。 近年來，由于測試靈敏度的提高，人們發(fā)現(xiàn)貝氏體轉(zhuǎn)變的C曲線是由二個獨立的曲線，即上貝氏體轉(zhuǎn)變和下貝氏體轉(zhuǎn)變合并而

5、成，如圖。 6二. 轉(zhuǎn)變時碳的擴散 7三. 影響貝氏體轉(zhuǎn)變的動力學(xué)的主要因素 1. 碳含量的影響 A中碳含量的增加，轉(zhuǎn)變時需擴散的原子量增加，轉(zhuǎn)變速度下降。 2. 奧氏體晶粒大小和奧氏體化溫度的影響 奧氏體晶粒越大，晶界面積越少，形核部位越少, 孕育期越長, 貝氏體轉(zhuǎn)變速度下降; 奧氏體化溫度越高，奧氏體晶粒越大，轉(zhuǎn)變速度先降后增。 8第四節(jié) 貝氏體轉(zhuǎn)變熱力學(xué)及轉(zhuǎn)變機制一. 貝氏體轉(zhuǎn)變熱力學(xué) 貝氏體轉(zhuǎn)變可有三種可能:(1) 奧氏體分解為平衡濃度的+Fe3C，即+Fe3C(2) 奧氏體先析出先共析鐵素體，即+1, 1在隨后的冷卻過程中進(jìn)一步轉(zhuǎn)變.(3) 奧氏體以馬氏體相變方式先形成同成分的(過飽

6、和)，然后分解成Fe3C及低飽和度，即(過飽和)，+ Fe3C，經(jīng)計算后發(fā)現(xiàn)：以方式(1)機制轉(zhuǎn)變的相變驅(qū)動力最大，這就表示(2)、(3)中的1和都是熱力學(xué)不穩(wěn)定的，最終要分解為平衡相和Fe3C。以(3)中的切變方式轉(zhuǎn)變，驅(qū)動力為180J/mol，而在BS時相變的阻力在600 J/mol以上, 阻力大于驅(qū)動力, 所以至少在貝氏體轉(zhuǎn)變的上限溫度(3)中的方式不可能而以(2)中的1擴散方式進(jìn)行。 9二. 貝氏體轉(zhuǎn)變過程 1. 無碳化物貝氏體 (高溫范圍轉(zhuǎn)變)，組織為F+A(富碳). (1) A中形成貧碳及富碳區(qū)，首先是在貧碳區(qū)形成F核;(2) 由于轉(zhuǎn)變溫度較高，碳原子可在F中越過F/A界面向A擴散

7、，直至達(dá)到平衡濃度; (3) A、F界面上的碳原子向A中遠(yuǎn)離界面處擴散;(4) 繼續(xù)形成F核，并長大成條;(5) A繼續(xù)富化，當(dāng)達(dá)到Fe3C濃度時會析出Fe3C，在繼續(xù)冷卻或保溫過程中A也能發(fā)生轉(zhuǎn)變，成為P、M、其它類型B或保留至室溫成為殘余奧氏體AR。整個過程可見圖。102. 上貝氏體轉(zhuǎn)變 (中溫范圍轉(zhuǎn)變，在350550之間)，組織為F+ Fe3C.(1) 在A中貧碳區(qū)形成F核;(2) 碳越過F/A界面向A擴散;(3) 由于溫度降低，碳不能進(jìn)行遠(yuǎn)程擴散，而在A界面附近堆積， 形成Fe3C;(4) 同時F長大，形成羽毛狀上貝氏體. 可見, 上貝氏體的轉(zhuǎn)變速度受碳在A中擴散控制。 整個過程可見圖

8、。 113 下貝氏體轉(zhuǎn)變 (低溫范圍轉(zhuǎn)變，低于350) (1) 在貧碳區(qū)形成F核，具有過飽和的碳;(2) 由于溫度低，碳原子不能越過F/A界面擴散至A中;(3) 碳原子在F內(nèi)擴散; (4) 在F內(nèi)一定晶面上析出Fe3C，以降低能量, 同時鐵素體長大.可見,下貝氏體轉(zhuǎn)變速度受碳在F中的擴散所控制。整個過程可見圖。12珠光體、貝氏體、馬氏體轉(zhuǎn)變主要特征冷卻過程中的幾種轉(zhuǎn)變的主要特征見下表。13第五節(jié) 貝氏體的力學(xué)性能一.貝氏體的強度(硬度) 一般地,貝氏體的強度隨形成溫度的降低而提高,如圖。貝氏體的硬度與形成溫度的關(guān)系與此相似. 14影響貝氏體強度的因素:(1)F條(片)的粗細(xì)： F條(片)越細(xì)，

9、晶界越多，貝氏體強度越高。由于F條(片)的粗細(xì)決定于形成溫度，也可認(rèn)為，形成溫度越低，條(片)越細(xì)，強度越高。 (2) 碳化物質(zhì)點的大小與分布： 根據(jù)彌散強化理論，碳化物顆粒愈小，分布越彌散，貝氏體強度越高。下貝氏體中碳化物顆粒小，顆粒量多，故下貝氏體強度高于上貝氏體。貝氏體形成溫度愈低時，碳化物顆粒愈小、越多，強度越高。 (3) F的過飽和度，位錯亞結(jié)構(gòu)密度：貝氏體形成溫度低時，碳原子不易通過界面擴散，F(xiàn)的過飽和增加，位錯密度增加，強度增加。 總之，貝氏體形成溫度越低，強度越高。15二. 貝氏體的韌性 在350以上時，組織中大部分為上貝氏體時，沖擊韌性會大大下降，如圖。上貝氏體的沖擊韌性低于

10、下貝氏體的原因有:(1) 脆性Fe3C分布于F條間，造成脆性通道;(2) 上貝氏體由彼此平行的F條構(gòu)成，好似一個晶粒，而下貝氏體鐵素體片彼此位向差很大, 能看作一個晶粒的部位尺寸很小, 所以上貝氏體的有效晶粒直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下貝氏體。 16第四章 習(xí) 題(1) 一般地, 貝氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為_的二相混合物, 為非層片狀組織.a. A與F b. A與碳化物 c. A與P d. 相與碳化物(2) 貝氏體形成時, 有_, 位向共系和慣習(xí)面接近于M.a.表面浮凸 b.切變 c.孿晶 d.層錯(3) 簡述無碳化物貝氏體形成過程.(4) 簡述上貝氏體在光鏡和電鏡下形態(tài).(5) 簡述下貝氏體在光鏡和電鏡下形態(tài).(6

11、) 簡述粒狀貝氏體的形成過程及形態(tài).(7) 近年來, 人們發(fā)現(xiàn)貝氏體轉(zhuǎn)變的C曲線是由二個獨立的曲線, 即_和_合并而成的.a. P轉(zhuǎn)變, B轉(zhuǎn)變 b. B轉(zhuǎn)變, P轉(zhuǎn)變c. B上轉(zhuǎn)變, B下轉(zhuǎn)變 d. P轉(zhuǎn)變, P轉(zhuǎn)變(8) 貝氏體轉(zhuǎn)變時, 由于溫度較高, 會存在_的擴散.a.鐵原子 b.碳原子 c.鐵和碳原子 d.合金元素(9) 隨A中碳含量增加, A晶粒增大, B轉(zhuǎn)變速度_.a.下降 b.上升 c.不變 d.先降后增17(10) 貝氏體轉(zhuǎn)變有幾種可能, 試用熱力學(xué)觀點加以分析.(11) 試圖解敘述無碳化物貝氏體的轉(zhuǎn)變過程.(12) 試圖解敘述上貝氏體的轉(zhuǎn)變過程.(13) 試圖解敘述下貝氏體

12、的轉(zhuǎn)變過程.(14) 貝氏體的強度隨形成溫度的降低而_.a.降低 b.不變 c.無規(guī)律變化 d.提高(15) 碳鋼在_以上等溫淬火, 組織中大部分為上貝氏體時, 沖擊韌性會大大降低.a.400 b.450 c.350 d.300(16) 下貝氏體的強度_上貝氏體, 韌性_上貝氏體.a.高于, 優(yōu)于 b.高于, 不如 c.低于, 優(yōu)于 d.低于, 不如18第五章 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)圖第一節(jié) 過冷奧氏體低溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)圖過冷A在非平衡條件下冷卻, 可有如圖的幾種形式，其中：(a) dT/d= 0， 為等溫冷卻;(b) dT/d= C， 為連續(xù)冷卻;(c) dT/d= f()，為實際冷卻。一. 過冷

13、奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)圖的基本形式過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)圖的基本形式，見圖?？v坐標(biāo)為溫度，橫坐標(biāo)為時間，以對數(shù)分度。19圖上部一條虛線表示臨界點A1，下部一條實線表示馬氏體轉(zhuǎn)變開始點MS。兩橫線之間有三條C形曲線: 左邊一條為轉(zhuǎn)變開始線，右為轉(zhuǎn)變終了線，中間一條為轉(zhuǎn)變量為50%的線. 縱坐標(biāo)和轉(zhuǎn)變開始線之間的區(qū)域為孕育期。孕育期最短的部位，即轉(zhuǎn)變開始線的突出部分，稱為鼻子。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物依等溫溫度不同，大體可分為三個溫度區(qū): 高溫區(qū): 在臨界點A1以下，珠光體型組織轉(zhuǎn)變區(qū)，AP； 低溫區(qū): 在MS以下，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的區(qū)域，AM； 中溫區(qū): 在A1以下、MS以上，發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變的區(qū)域，AB。在轉(zhuǎn)變終

14、了線右邊，對AP而言，A全部轉(zhuǎn)變?yōu)镻；在轉(zhuǎn)變終了線左邊，對AB而言，A不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)锽，會保留有未轉(zhuǎn)變的AR；在轉(zhuǎn)變開始線和終了線之間為二相組織。20由于形狀的緣故，上述C形曲線也稱為C曲線， 或TTT曲線(Time Temperature Transformation 的縮寫)。上圖實際是共析鋼的A等溫轉(zhuǎn)變圖，對亞共析鋼和過共析鋼的A等溫轉(zhuǎn)變，在C曲線的右上方會有先共析相析出線，如圖。其中，AF為先共析F析出線; AC為先共析碳化物析出線。常見的C曲線有四種形狀，如圖，其中:(a) 表示AP和AB轉(zhuǎn)變線重疊;(b) 表示轉(zhuǎn)變終了線出現(xiàn)的二個鼻子;(c) 表示轉(zhuǎn)變終了線分開，珠光體轉(zhuǎn)變的鼻尖離

15、縱軸遠(yuǎn);(d) 表示形成了二組獨立的C曲線。21二. 影響過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)圖形狀的因素1 碳含量的影響亞共析鋼中, 隨碳含量的上升, C曲線右移; 過共析鋼中,隨碳含量的上升, C曲線左移; 因此, 共析鋼的C曲線離縱軸最遠(yuǎn)，共析鋼的過冷A最穩(wěn)定。2 奧氏體晶粒大小的影響奧氏體晶粒度增加，晶界面積增多，使晶界形核的P易于形核，有利于轉(zhuǎn)變發(fā)生，C曲線左移, 但對晶內(nèi)形核的B，影響不大。奧氏體化溫度高，A晶粒粗大，使P難于形核, A均勻化程度高，濃度梯度下降，形核長大減慢，C曲線右移。要指明成分，晶粒度及奧氏體化溫度, 才可查得相應(yīng)的C曲線.三. C曲線測定方法常見測定方法有: 金相硬度法

16、； 膨脹法； 磁性法及電阻法等.22采用金相硬度法，測定的具體方法如下:用圓薄片(直徑為15 mm，厚1.5 mm)試樣一組，奧氏體化后，迅速置入恒溫鹽浴爐中，將各試樣停留不同時間后，淬入鹽水，則淬火后得到的馬氏體量即等溫過程中未及轉(zhuǎn)變的奧氏體量(這些馬氏體量可用硬度法和金相法配合進(jìn)行測定)。 將不同停留時間下轉(zhuǎn)變了的奧氏體量記錄在時間-溫度坐標(biāo)中, 就制得了C曲線.23四. C曲線的應(yīng)用 1等溫淬火將加熱到淬火溫度的零件淬入350至MS點之間的恒溫槽中, 長時間等溫, 如圖操作, 以得到下貝氏體; 2. 等溫退火，用于合金鋼鍛、鑄件，以消除冷卻時形成的巨大應(yīng)力。操作時將零件加熱到完全退火的高

17、溫區(qū)域, 再冷卻到AP區(qū)域等溫, 使發(fā)生P轉(zhuǎn)變. 3形變熱處理將合金鋼加熱到兩條C曲線中間的A穩(wěn)定區(qū)域變形，可提高缺陷密度及材料強度。24第二節(jié) 過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變動力學(xué)圖一. 過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變動力學(xué)圖的基本形式過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變動力學(xué)圖的基本形式見圖, 該圖的縱坐標(biāo)為溫度， 橫坐標(biāo)為時間，采用對數(shù)坐標(biāo)。圖內(nèi)有各種產(chǎn)物存在的區(qū)域和各種速度的冷卻曲線。冷卻曲線終端的小圓圈內(nèi)數(shù)字為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的硬度值，可為洛氏硬度或維氏硬度。冷卻曲線與轉(zhuǎn)變終了線交點處的數(shù)字為該產(chǎn)物所占的百分?jǐn)?shù)。馬氏體轉(zhuǎn)變開始線與等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)圖不同, MS不再為水平線，而是向右下側(cè)傾斜，這是由于P與B的轉(zhuǎn)化，使A得到富化而使MS降

18、低的緣故。根據(jù)各冷卻曲線通過的區(qū)域及其與轉(zhuǎn)變終了線交點處的數(shù)字, 就可斷定在該冷速下冷卻可得到的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及其所占的百分?jǐn)?shù).連續(xù)轉(zhuǎn)變動力學(xué)圖與奧氏體化條件(溫度、時間)有關(guān)，與奧氏體晶粒度有關(guān)，原因同等溫轉(zhuǎn)變相似。不同的冷卻速度可得到不同產(chǎn)物，此圖也叫CCT圖 (即Continuous Cooling Transformation)。2535CrMo鋼的CCT圖 AC326二. 另一種形式的CCT圖 另一種形式的CCT圖見圖. 每一確定的冷速又對應(yīng)了不同冷卻條件(空冷、油冷、水冷)下的某一直徑的心部冷速。如:700 時的冷速為50 /min，就相當(dāng)于直徑為50 mm空冷的圓棒，直徑為250 mm

19、油冷的圓棒及直徑為270 mm水冷的圓棒心部的冷速。圖中的粗實線表示了不同的轉(zhuǎn)變，其中，各平行線表示了轉(zhuǎn)變的百分?jǐn)?shù)。上圖的應(yīng)用如下：（1）了解和確定轉(zhuǎn)變的范圍，如在圖中可讀出，貝氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生在490至MS之間。又如已知了冷卻介質(zhì)和試樣直徑，從圖上可直接讀出心部組織。例如，可讀出直徑50 mm的試樣，空冷后心部得到貝氏體組織。（2）確定臨界直徑和臨界冷卻速度。臨界直徑即淬火后，整個圓棒均為馬氏體的最大直徑；臨界冷速即淬火后，整個圓棒均為馬氏體的最小冷速。例如，由圖可讀出，空冷臨界直徑為10 mm，油冷臨界直徑為100 mm，水冷臨界直徑為120 mm。27該圖的縱坐標(biāo)為溫度，橫坐標(biāo)為用700時心部的冷速來表示的。每一確定的冷速又對應(yīng)了不同冷卻條件(空冷、油冷、水冷)下的某一直徑的心部冷速。如:700 時的冷速為50 /min，就相當(dāng)于直徑為50 mm空冷的圓棒，直徑為250 mm油冷的圓棒及直徑為270 mm水冷的圓棒心部的冷速。圖中的粗實線表示了不同的轉(zhuǎn)變，其中，各平行線表示了轉(zhuǎn)變的百分?jǐn)?shù)。28三. 過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變動力學(xué)圖