第七章鋼的淬火和回火分析

第七章鋼的淬火和回火分析引言Timesofcool-weaponsorhot-weaponsPerformanceofthequenchedand/ortemperedsteels.鋼的淬火冷卻方式及回火遼陽三道壕出土的西漢鋼劍具有神奇的高強度、高硬度，金相組織為淬火馬氏體。但現(xiàn)代工程中，通常不直接應(yīng)用M，一般為發(fā)揮潛力而采用再加熱保溫：時效/回火。Whatisthechangeinmicrostructure?第七章鋼的淬火和回火分析7.1馬氏體相變的基本理論

德國冶金學家AdolphMartens首先在鋼中觀察到M。當鋼的奧氏體以大于臨界淬火速度冷卻到從Ms點以下時，在顯微鏡下可看到一種針狀組織，成分無變化。這種轉(zhuǎn)變稱M轉(zhuǎn)變。馬氏體組織可在純金屬和許多有色金屬中出現(xiàn)。第七章鋼的淬火和回火分析7.1.1馬氏體相變的基本特征1．無擴散性:

替代式原子的移動不超過一個原子間距。間隙式可能擴散（碳擴散不是M轉(zhuǎn)變的控制因素）。原子協(xié)同運動，相鄰關(guān)系不變。

晶體結(jié)構(gòu)變化

化學成分不變化

切變式位移第七章鋼的淬火和回火分析2．表面浮凸和形狀改變相變過程中發(fā)生宏觀切應(yīng)變金相表現(xiàn)：浮凸Cu-18Zn-14Al合金M相變前后OM第七章鋼的淬火和回火分析3．慣習面及其不應(yīng)變性

Fe—0.5—1.4C{225}γ

鈦合金{344}β

孿生切變馬氏體相變有宏觀應(yīng)變慣習面無宏觀可測的應(yīng)變4．新、舊相之間有位向關(guān)系

K-S關(guān)系（<1.4%鋼）：

{111}γ//{110}M(101)γ//(110)MN關(guān)系（Fe—30%Ni合金）：西山關(guān)系

{111}γ//{110}M和(211)γ//(110)M)

不變平面應(yīng)變第七章鋼的淬火和回火分析5．馬氏體內(nèi)往往有亞結(jié)構(gòu)

高密度位錯或細微孿晶（鐵基合金）孿晶或?qū)渝e（有色合金）應(yīng)變在宏觀上均勻，微觀不均勻。

----M內(nèi)的細微亞結(jié)構(gòu)是相變時局部不均勻切應(yīng)變的結(jié)果。新舊相之間的比容差異引起共格相界點陣彈性畸變和相界張應(yīng)力，只依靠協(xié)調(diào)塑性變形來松弛。第七章鋼的淬火和回火分析6．馬氏體相變的可逆性

鋼中M←→γ→

α+Fe3C，但碳鋼中奧氏體與馬氏體間的可逆反應(yīng)難以觀察到，因為馬氏體在加熱過程中易分解。有色合金中如銅合金、鈦合金SMA中馬氏體轉(zhuǎn)變的可逆性易測Butforsomealloys,e.g.Co-Nialloy,themartensitictransformationFcc—hcpisirreversible.Andthesurfacerelievesformedduringforwardtransformationwillnotdisappearuponthereversetransformation.Istheformationofreliefreversible?第七章鋼的淬火和回火分析OM,SEM,TEMimagesfortheLathmartensitein0.13wt.%CSteelquenchedfrom1273K第七章鋼的淬火和回火分析

T<TE,GM＜Gγ

γ→M

鐵基合金馬氏體相變的臨界驅(qū)動力約為1050J/mol

7.1.2馬氏體相變的熱力學M和的G—T曲線M的形成屬于形核—長大過程第七章鋼的淬火和回火分析兩溫度處Gibbs能—成分曲線TE

線：無擴散轉(zhuǎn)變的理論溫度線中低碳馬氏體的形成

T1>TE

無γ→

αT2<TE

γ→

α

第七章鋼的淬火和回火分析7.1.3馬氏體相變的形核形核位置：非均勻形核，有利形核的位置（如A孿晶及晶界、變形帶的交叉處、原馬氏體位置）。位置不隨意。一種觀點：依靠冷卻獲得驅(qū)動力晶體缺陷——胚芽(類馬氏體結(jié)構(gòu))弗蘭克(Frank)模型:非熱激活

位錯圈擴張

[110]γ,[225]γ

產(chǎn)生新位錯圈[554]γ

Ref.：OlsonandCohen層錯形核：FCCtoHCPinCoandNi-Crstainlesssteel.M胚芽的Frank模型第七章鋼的淬火和回火分析7.1.4馬氏體相變的晶體學

1．經(jīng)典理論

貝茵(ECBain)模型：沿一個軸適當收縮，沿另兩個軸適當膨脹。能解釋無擴散性及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，但不能解釋慣習面及其不變平面應(yīng)變特征。隨后發(fā)展了多個模型，但有局限！2．馬氏體相變晶體學的唯象理論(三過程)Bain關(guān)系第七章鋼的淬火和回火分析

2)新點陣產(chǎn)生點陣不變的切變，以得到一個零畸變平面.沿M的x1方向的膨脹收縮至原始位置形成OAB零畸變平面。微細區(qū)域的周期性滑移或?qū)\生

3)馬氏體點陣作剛性轉(zhuǎn)動，使零畸變平面回到原始位置，以獲得無畸變、不轉(zhuǎn)動的平面，即慣習面OAB——慣習面1)母相中產(chǎn)生改變點陣的形變，特定結(jié)構(gòu)單位轉(zhuǎn)變成馬氏體點陣的晶胞。貝茵形變，點陣變化

γ→

α

點陣不變應(yīng)變第七章鋼的淬火和回火分析7.1.5馬氏體相變的動力學

變溫馬氏體

隨著溫度降低，馬氏體量增加。有效晶核取決于T，靠長大非熱激活形核+非熱學性界面遷移：馬氏體與基體之間的共格界面遭到破壞不需原子擴散自發(fā)形變引起的基體加工硬化位錯，切變，長大快多數(shù)碳鋼多數(shù)合金鋼第七章鋼的淬火和回火分析恒溫馬氏體

Ms點以下的溫度停留，馬氏體數(shù)量依靠新核與長大逐漸增加。共格應(yīng)變，誘發(fā)新的M核心形成，熱激活，長大快但相變慢。爆發(fā)型馬氏體

自觸發(fā)，形成速度極快M等溫轉(zhuǎn)變動力學爆發(fā)型M轉(zhuǎn)變曲線第七章鋼的淬火和回火分析7.2鋼中的馬氏體相變7.2.1鋼中馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)、組織形態(tài)和力學性能

1.馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)

M：碳在α-Fe中的過飽和、間隙式固溶體。含C量低時為BCC；高時為BCT（有時仍保持BCC結(jié)構(gòu)）。還有正交或其它M。C占據(jù)BCC中的八面體間隙第七章鋼的淬火和回火分析2．馬氏體的組織形態(tài)

Type1:Lathmartensite

低碳鋼、低碳合金鋼、馬氏體時效鋼不銹鋼

Sub-microstructure:high-densitydislocations束內(nèi)條間可能有3~10nm薄膜A，在低C的中可富C達0.4~1.04%C?？梢婅F原子切變可容許C擴散。SchematicstructureoflathM第七章鋼的淬火和回火分析別名：位錯M位錯源于點陣不變切變，為相變亞結(jié)構(gòu)。OM：第七章鋼的淬火和回火分析Fe-32Ni合金M電鏡照片F(xiàn)e-32Ni合金中的片狀M，500XType2:TwinM（片狀M）

協(xié)調(diào)相變體積效應(yīng)—協(xié)作亞結(jié)構(gòu)

中脊面為中心片邊復(fù)雜的位錯組列在M周圍有少量參余A

OM中片狀M的組織示意圖第七章鋼的淬火和回火分析影響馬氏體形態(tài)的因素

含碳量:

C%增加,片狀增多

％時，全為板條狀馬氏體

0.2~0.4%,80%板條狀

0.4~0.8%,

板條狀+片狀

％時,全為片狀馬氏體

A中含C量對M形態(tài)的影響第七章鋼的淬火和回火分析Lathmartensiteinthe2.25Cr-1Molowalloyedsteelquenchedinwaterafteraustenizing.合金元素：Cr、Mo、Co、Ni%增加,片狀增加第七章鋼的淬火和回火分析LenticularmartensiteinFe-32%Nialloy.第七章鋼的淬火和回火分析工藝參數(shù)：形成溫度高,板條狀；形成溫度低,片狀是否與Ms有關(guān)？溫度對滑移與孿生臨界切應(yīng)力的影響第七章鋼的淬火和回火分析LMstandsforlathmartensite,TMfortwinmartensite,andCforcarbidesinFe1.4C1.6Cr1.5Al0.35Si0.42Mnheatingat900OCfor30minthenquenchedinwater.第七章鋼的淬火和回火分析(Continued),heatedat900OCfor60minthenquenchedTherearemanyothertypesofMinvariousalloysQuestion?ToanalyzetheeffectofTforaustenizationonMformationindifferentcarbonsteels.第七章鋼的淬火和回火分析3．MechanicalpropertiesofM

(1)Strengthening:

Fromsolidsolution

間隙原子:非對稱畸變中心(碳原子)的非均勻應(yīng)力場會與位錯產(chǎn)生強烈的交互作用，因而強烈阻礙位錯運動，導(dǎo)致強化。馬氏體中溶入替代溶質(zhì)原子導(dǎo)致強化

Fromaging

碳原子在馬氏體界面、孿晶界面及其他點陣缺陷處偏聚或生成IMCFrommicrostructures:Sub-structuresandprimaryAgrain

高密度位錯、細微孿生，且碳原子往往偏聚于位錯、板條界面或?qū)\晶面上，阻礙位錯運動。原始A晶粒尺寸影響M的晶粒尺寸。Fe-Ni-C合金M在0OC時的流變應(yīng)力和含碳量之間的關(guān)系第七章鋼的淬火和回火分析(2)Plasticityandtoughness

在相同強度下，板條狀馬氏體的塑性和韌性均優(yōu)于片狀馬氏體（含碳量、原始晶粒大?。┖?.17%C與0.35%C的鉻鋼經(jīng)淬火和回火后的性能Fe-Ni-C合金的強度、塑性、韌性1：Ms=-25OC;2:Ms=350OC第七章鋼的淬火和回火分析Reasoning:a.板條狀位錯易沿滑移面運動，片狀晶機械孿生變形受相變孿晶制約。b.板條狀晶中的條界和領(lǐng)域界阻止裂紋擴展，片狀晶中的孿晶界造成位錯塞積，使孿晶界產(chǎn)生應(yīng)力集中而出現(xiàn)微裂紋。c.平行的板在長大過程中不會互相沖撞，互成一定角度的片狀晶在高速長大時可能互相沖撞，產(chǎn)生微裂紋。d.板條狀晶中含有高密度位錯，位錯處的碳原子偏聚區(qū)或優(yōu)先析出的碳化物相對地比較細小、均勻。片狀晶中碳原子偏聚于孿晶界，碳化物沉淀也多集中于孿晶界，在外力作用下，微裂紋易于沿孿晶界擴展。e.板條M低脆性轉(zhuǎn)變溫度、低缺口敏感

第七章鋼的淬火和回火分析7.2.2鋼中馬氏體相變的一些基本規(guī)律

1．馬氏體相變的溫度范圍及其影響因素

Ms~Mf

含C%增大，M轉(zhuǎn)變點下降。SSSSfromhigherCcontent!

C%<0.6%,Mf

下降更快；C%>0.8%,下降慢合金元素，降低Ms（Al、Co提高Ms）奧氏體化溫度高，Ms高?(ThermalStresshelpsshearstrain!Butiftheamountofdefectsreduces,nucleationofMwillbemoredifficult!)

冷卻速度一般很少影響Ms

2．馬氏體相變的速度:

10-7sforapieceofM第七章鋼的淬火和回火分析3．慣習面、孿晶面和位向關(guān)系

慣習面:板條狀

{111}γ，recently{557}γ

片狀:changewithalloy,e.g.0.5~1.4C%{225}γ,1.5~1.8C%{259}γ,Forsamesteel,whenT<Ms,{259}γchangesto

{225}γwithTincrease.

片狀M的形態(tài)會由于慣析面不同而略有差異。孿晶面:片狀

{112}M{110}γ位向關(guān)系:

K-S關(guān)系或近K-S關(guān)系第七章鋼的淬火和回火分析4．RemainedAustenite

存在原因：未轉(zhuǎn)變的奧氏體——高密度位錯等晶體缺陷（協(xié)作形變）——相變阻力增大（缺陷間的交互作用）影響因素：溫度、含C量、合金元素、冷卻速度。例如:上世紀90年代開發(fā)的高合金超級M鋼中，淬火后常含大量殘余A.作用：影響熱處理質(zhì)量冷處理

連續(xù)冷卻時M量隨溫度的變化Fe-C合金淬火至室溫后的殘余A量第七章鋼的淬火和回火分析5．奧氏體的熱穩(wěn)定化

概念：奧氏體在冷卻過程中因等溫停留而使其繼續(xù)轉(zhuǎn)變成馬氏體時呈現(xiàn)遲滯現(xiàn)象。停留的溫度可高可低!影響因素：間隙溶質(zhì)原子（Ｃ、N)、淬火空位、等溫停留的應(yīng)力弛豫，F(xiàn)e-Ni中不出現(xiàn)。？慢速冷和快冷意義:損害鋼的性能

6．塑性變形和應(yīng)力對馬氏體相變的影響

(T<Md)塑性變形，馬氏體增加；(T>Md)外加應(yīng)力促進或阻礙馬氏體形成大變形，降低MS，殘奧氏體增多；小變形，促進M形成。切應(yīng)力分量！應(yīng)力誘發(fā)

A機械穩(wěn)定化矛盾？MdMsMfG1.27C鋼的熱穩(wěn)定化第七章鋼的淬火和回火分析Relationshipbetweenstressandtemperatureformartensitictransformation第七章鋼的淬火和回火分析其它物理場也可能導(dǎo)致馬氏體相變，如磁致形狀記憶合金中利用該種效應(yīng)，Ni-Mn-Ga合金?？赡軆煞NM（斜方，L21）90年代初發(fā)現(xiàn)。M轉(zhuǎn)變應(yīng)變分平行與垂直于慣習面的應(yīng)變：多向應(yīng)力是否迎合？切應(yīng)力分量與慣析面取向是否一致!在單向壓應(yīng)力增加，Ms點升高，轉(zhuǎn)變時間變短(ActaMater.,2009)。第七章鋼的淬火和回火分析7.3鋼的淬火：M和B淬火7.3.1淬火加熱溫度

亞共析碳鋼

AC3+(30~50)℃

過共析碳鋼保持CarbideAC1+(30~50)℃

合金鋼：均勻化，可高T

AC3(Accm)+(30~50)℃

亞溫淬火、完全淬火將鋼加熱至臨界點(AC1，AC3)以上的一定溫度、保溫，后快速冷卻，使奧氏體發(fā)生M或B轉(zhuǎn)變。本節(jié)介紹M淬火。問題：粗大晶粒怎么辦？過共析鋼還有網(wǎng)狀CM怎辦？碳鋼的淬火溫度范圍第七章鋼的淬火和回火分析7.3.2淬火冷卻既要考慮獲得M（快冷，避免A穩(wěn)定化），又要工件不開裂。臨界冷卻速度取決于鋼中A的穩(wěn)定性。碳鋼與合金鋼？理想淬火冷卻速度“鼻尖”溫度介質(zhì):水、鹽水、堿水和油理想的淬火冷卻第七章鋼的淬火和回火分析半M硬度與C含量的關(guān)系7.3.3鋼的淬透性

鋼接受淬火(奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體)的能力。合理選用鋼材及制訂熱處理工藝的依據(jù)。淬透層深度:

淬火鋼件表面至內(nèi)部馬氏體組織占50％處的距離.

淬透層深=淬透性好對應(yīng)于淬硬層深度，但不等于淬硬性。淬透性與過冷A的穩(wěn)定性有關(guān)第七章鋼的淬火和回火分析淬硬性:鋼在正常淬火條件下所能達到的最高硬度。直接反映于半馬氏體組織的硬度。Relatedtocompositionofsteel，e.g.hardnessofquenchedcarbonsteelincreaseswithCconcentration。淬透性指數(shù)：

1.J35—15/據(jù)淬火頂端15mm的硬度35HRC

2.

臨界淬透直徑意義:

半M組織距淬火頂端距離選鋼材選冷卻淬透性高的鋼材淬透性低的鋼材第七章鋼的淬火和回火分析JominyhardenabilityTestHardnessHRcDistancefromthequenchedend末端淬火法淬透性曲線洛氏硬度值水冷端距離關(guān)系曲線另:臨界淬