1、中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院第七章 鋼的淬火和回火 （2） 7.4 7.4 貝氏體相變與等溫淬火貝氏體相變與等溫淬火 7.5 7.5 鋼的回火鋼的回火中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院7.4 Bainitic transformation and Isothermal quenching7.4.1 Bainitic transformation共析碳鋼: A在約550至從Ms點的溫度范圍內, 中溫轉變。 上貝氏體: 550350 , 羽毛狀 下貝氏體: 350240, 針狀 OM不能分辨F+CM，只有在SEM/TEM下才能分辨。板條F片狀F中南

2、大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院PMUpper BLower BB中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院Micrograph by Hultgren showing what may today be called sheaves of bainite but he called secondary ferrite. Fe-0.61C-6.4W at 525OC for 15 min. 500XKo and Cottrell:B is closely related to M in the strong relief effect. However gro

3、ws much slowly compared with M. This indicates a characteristic of diffusion-controlling. Oblak and Hhemann: Carbon replica中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院1. Structural characteristics of B Upper B: 平行的板條狀鐵素體+不連續的條狀滲碳體; 板條狀鐵素體內還包含著若干更細小的平行排列的亞板條F. 可能有殘留AUpper B in Fe5Ni0.5C上貝氏體的OM照片，540X上貝氏體覆膜EM照片30CrMn

4、Si鋼，8000X中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院Upper B in Fe-0.29C-0.76Mn-0.25Si at 500OC for 9s. 400X. By Aaronson and Wells.Upper B in Fe-0.18C at 450OC for 1s. 5000X. 中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院Lower B: 片狀鐵素體+碳化物; 片狀鐵素體內也包含著若干更細小的亞片.碳化物分布于F內，且與F的軸向呈55 60O夾角。F內無孿晶但有高密度位錯；碳化物可為CM或FexC-取決與鋼的成分。下貝氏體的OM照片，540X

5、下貝氏體覆膜EM照片4360鋼，10000X中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院Lower B with lamellar carbide particles in Fe-1.1C at 190OC for 5 hr. 20000XLower B with lamellar carbide particles in Fe-0.48C-1.98Mn-0.28Si at 325OC for 80s. 12000XLower B in Fe-0.2C at 450OC for 40s. 15000X中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院Other types o

6、f B 1) 1) 無碳化物貝氏體無碳化物貝氏體 平行的鐵素體板條間無碳化物、有其它組織（殘余A的冷卻產物） 合金鋼的Si、Al阻礙碳化物形成，出現該組織； 低碳鋼在上B轉變區。 2) 2) 粒狀貝氏體粒狀貝氏體 粗大的塊狀鐵素體+孤立的“小島”。 小島：富碳奧氏體產物（可能轉變為M，也可能分解或殘留） 低碳、中碳合金鋼的常見組織，在正火、熱軋空冷、焊接熱影響區的隨后空冷時形成。B without carbide in Fe5Ni2Si0.5C.中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院Carbide free bainite and C-rich A in Mn-Si-Cr l

7、ow-carbon steel. B“lath” and A in the boundary.Bright-fieldDark-field中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院2 2貝氏體轉變的基本概念貝氏體轉變的基本概念 組織形態：組織形態：上B近似于珠光體，但CM不連續 下B近似于片狀馬氏體，但F內有碳化物轉變溫度：轉變溫度：介于珠光體和馬氏體之間（中間型相變）（1 1）轉變機制和晶體學）轉變機制和晶體學 B形成伴隨碳原子擴散的共格切變； 鐵素體通過奧氏體的共格切變實現點陣改組M轉變； 合金元素基本不擴散，碳化物靠碳原子擴散而形成； F輕度過飽和。 中南大學中南大學金屬材

8、料熱處理MSE_材料科學與工程學院B轉變驅動力較大，阻力小，轉變T高，臨界切變應力小中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院上貝氏體的形成過程上貝氏體的形成過程: 鐵素體在A晶界含C量低的地方形成，以共格切變方式長大 ， 慣習面隨溫度變化。 上貝氏體中的鐵素體與母相奧氏體符合西山關系。 111/ 110 ， 211/ 110 鐵素體輕度過飽和的 固溶體 輕微表面浮凸上B的形成過程Carbide中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院下貝氏體的形成過程下貝氏體的形成過程: F形核：A晶界、F邊界 慣習面為225 F/A位向關系（K-S關系）111 / 110， 1

9、10 /111 CM/F: (001)CM/(211)a , 100CM/011a , 010CM/111a 鐵素體中碳含量上貝氏體中的鐵素體中的; 過飽和的F固溶體；碳化物：非CM（T低）表面浮凸下B形成過程Carbide中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院貝氏體臺階長大機制貝氏體臺階長大機制 TEM: Lath and flake composed with sub-lathes or flakes 與奧氏體非共格的亞板條或亞片的臺階端面通過由擴散控制的連續運動逐漸向奧氏體中作縱向推進；與此同時，在亞板條或亞片的側面則有新的亞板條或亞片的形核，使鐵素體既橫向增厚，又縱向

10、長大，整個鐵素體就以這種臺階方式向奧氏體中長大 。與珠光體的形成相比? 4340+Si鋼中觀察到了這種臺階。B轉變類似于M轉變，但長大速度受碳原子擴散與碳化物脫溶控制，因此轉變慢于MSub lath or flake of FADetails of B transformation can be found: A. Borgenstam, M. Hillert, J. gren, Acta Mater. 57(2009), 3242-52.中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院(2) (2) 動力學動力學: TTT and CCT (Exception: C%0.77%) :

11、 TTT and CCT (Exception: C%0.77%) 貝氏體轉變開始溫度Bs , 完全轉變成貝氏體的上限溫度Bf 亞共析鋼既可恒溫也可連續冷卻中形成，共析與過共析鋼連 續冷時一般無B。 與M轉變比較: 過冷；孕育期；易不完全(Bf的高低!)等溫溫度中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院Fe5Ni2Si steel partially transformed into B at 400OC then quenched. The light gray matrix is martensite. Retained A (narrow white layer) can

12、be seen between B laths (dark gray laths ). 中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院Fe-0.95C-1.93Mn at 250OC for 4hr. Lower B with films of retained A between sub-units.中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院碳鋼中含碳量對上/下B轉變的影響上、下貝氏體的形成溫度：上、下貝氏體的形成溫度：含碳量合金元素：有無碳化物形成C分開？A過冷區，P轉變其它工藝：A化工藝；冷速；塑性變形；外場等 上、下B的分界溫度指能觀察到下B的最高溫度。制訂熱處

13、理工藝時參考TTT圖(C曲線)中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院3. 3. 貝氏體的力學性能貝氏體的力學性能 上貝氏體的強度和韌性較差: 鐵素體板條較寬 ，寬于P的片層間距；板條之間分布著不連續的條狀滲碳體，在應力作用下易沿板條脆斷。塑性、強度變差。下貝氏體的強度和韌性較好: 鐵素體片細薄，有高密度位錯，碳化物彌散于片內。轉變溫度越低，F越薄，碳化物越彌散。30CrMnSi鋼等溫淬火與淬火回火后的性能比較。x等溫淬火；o淬火-回火。低碳合金鋼：下B的韌性低于回火M。M中有下B時，性能與下B彌散度有關中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院7.4.2 7.4

14、.2 鋼的等溫淬火鋼的等溫淬火 ( (下下B B淬火淬火) ) 下下B B的強度、硬度較高，韌性、塑性較好的強度、硬度較高，韌性、塑性較好1 1等溫淬火的優點等溫淬火的優點 減少淬火應力 (熱應力小、組織應力小), 減少開裂傾向，可取消回火。若M回火位于第一類回火脆性的溫度區間時，改用等溫淬火。2. 2. 等溫淬火工藝等溫淬火工藝 加熱溫度：加熱T一般參照普通淬火，可適當提高。提高加熱溫度（3080 ）保證轉變成下貝氏體。 等溫溫度和時間：由C曲線確定。B轉變先快后慢！ 一個“鼻子”的C曲線，通過實驗(用金相法)確定其下貝氏體的形成溫度范圍(上限溫度)。 兩個“鼻子”的C曲線(雙C曲線)，取第

15、二個“鼻溫”作為上、下貝氏體的分界溫度。 介質：熔鹽或熔堿中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院3等溫淬火的應用范圍等溫淬火的應用范圍 尺寸較小，形狀復雜，且要求具有較高硬度和韌性的工具、模具。要求盡量減少熱處理變形的小型彈簧。要求比較精密(熱處理變形小或無變形)的小型結構零件(如軸承、精密齒輪等) 。若需淬火-高溫回火處理，但易于淬火變形、開裂的大型零件，如用35CrNiMo、40CrMnTi、30CrMn71制成的汽輪機、水壓機、發電機主軸等，可用等溫淬火后回火。有顯著低溫回火脆性的鋼采用下B淬火更好！球墨鑄鐵 中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院Ex

16、ample: Isothermal quenching to a lowly alloyed-steelFe-5Ni-0.5CTimeSchematic diagram of the experimental procedure for determining the lengthening kinetics of laths(1) Reheating(3) Bainite growth(4) Interruption by He quenching1100OCx15min600OCx20min(2) Formation of grain boundary ferrite10OC/STempe

17、rature中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院7.5 鋼的回火鋼的回火(Tempering of steel) 將淬火鋼加熱至將淬火鋼加熱至Ac1以下的溫度，保溫，然后冷卻。以下的溫度，保溫，然后冷卻。 應用：淬火鋼廣泛用，機械零件及工具、模具、量具應用：淬火鋼廣泛用，機械零件及工具、模具、量具 目的：目的： (1) 消除或減少淬火鋼件的殘余內應力、微裂紋（片狀M） (2) 調整性能：淬火后高強、硬，塑、韌性低 (3) 穩定組織和尺寸：分解M和殘A，穩定組織、性能、尺寸 (4) 某些高淬透性合金鋼或萊氏體鋼用淬火+高

18、溫回火代替長 時間退火，軟化，利于切削加工中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院7.5.1 Evolution of microstructure during tempering1) 1) 碳偏聚碳偏聚 ( (自回火自回火) )： T低（RT100OC)板條馬氏體中, 碳原子與位錯結合或碳原子沿100M面富集。片狀馬氏體中，碳原子偏聚于孿晶面112M。淬火過程中也可能出現自回火：出現與Ms高的鋼中（如低碳鋼）1. 1. 馬氏體分解及碳化物的析出和長大馬氏體分解及碳化物的析出和長大 M過飽和，加熱保溫可能會分解，產物隨溫度/時間而變化M正方度c/a回火時間/h 0.96C鋼回

19、火時M正方度隨回火溫度 與時間的變化中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院 0.5C-24Ni中M在205OC回火0.5小時形成的 碳化物2) 2) 形成過渡碳化物形成過渡碳化物C%0.2%, 板條M中析出 碳化物（100250 ），=Fe23C, 密排六方結構。100nm條狀薄片（針狀）， 慣習面100M 位向關系： (0001)/(100)M , 1011/101M 有研究認為只形成于板條M中 C%0.2%, 片M中先析出=Fe2C （100200 ） 斜方點陣（與CM類似），Fe密排層間距與類似，與M匹配良好，難區分， 亞穩相高C鋼，MHgg碳化物(200300)，單斜

20、 中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院3 3）形成滲碳體（）形成滲碳體（FeFe3 3C)C) 250350，碳化物的Gibbs能及與M的界面能進一步降低：M的點陣常數隨C濃度降低而易與CM匹配；碳化物轉化。高碳鋼中可能Hgg優先形成。最初為細板條。 與母相的位向關系：(001)CM /(211) 100CM /011 0100CM /111 CM的形成方式兩種：直接析出/通過過渡相轉化（階次規則） 片狀M中隨CM形成，孿晶亞結構消失4) 4) 滲碳體的球化和粗化滲碳體的球化和粗化 400600 細板條狀的滲碳體聚集成球狀。 600700，球狀滲碳體迅速粗化(Ostwald

21、 ripening) 碳鋼，T300 ，M分解基本結束，變化不大；只有碳化物變化 中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院2.2. 殘余奧氏體的分解（殘余奧氏體的分解（only for C0.2%only for C0.2%，中、高），中、高） 分解溫度： 200300 產物：輕度過飽和的F和（可能CM），與下B類似，稱回火M3. 3. 固溶體基體的回復、再結晶和晶粒長大固溶體基體的回復、再結晶和晶粒長大 溫度： 400700， 切變M 板條M 400OC以下保持原M形態； 400OC以上，逐漸出現多邊化 亞結構亞晶粒，固溶體仍保持細板條（針）。進一步提高溫 度，再結晶，等軸新

22、晶粒；T升高，新晶粒長大。 片狀M 孿晶亞結構逐漸消失（T250 ），并出現位錯胞和位 錯線； T400 OC，孿晶亞結構全部消失，可能有回復、再結晶及 粗化。由于片狀M回火時大量第二相析出，會延緩再結晶，只有 650OC 以上才有等軸新晶粒，700OC以上，急劇粗化。 另外：中、高碳鋼晶界碳化物可完全抑制再結晶！合金鋼中元素？ 回火鋼組織：粗大F+晶內或晶界粒狀CM中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院鋼回火的基本過程鋼回火的基本過程回火溫度/OC主 要 轉 變備 注25100100250200300250350(400)400600450(500)600600700碳偏聚

23、：板條M中碳原子偏聚于位錯附近；片狀M中則偏聚于孿晶面。析出或-回火第一階段殘余A分解-回火第二階段M內和界面上形成細小板條狀CM-回火第三階段。片狀M的固溶體內孿晶消失，出現位錯胞和位錯線。固溶體回復，通過多邊化形成亞晶，但固溶體仍保持板條狀或片狀；CM聚集球化合金碳化物形成-回火第四階段，有二次硬化固溶體再結晶和晶粒長大，形成等軸晶，球狀CM粗化C600 )(600 ) 組織：粗大的粒狀滲碳體和鐵素體基體組成 性能：鋼的強度、硬度很低 適用對象：淬透性高的合金鋼，降低硬度利于切削。 中間熱處理，但不宜用作最終熱處理。共析鋼淬火后600OCx8h，球狀組織，OM0.75%C鋼淬火后675OC

24、x1h，球狀組織，15000 x中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院合金鋼高溫回火的沉淀合金鋼高溫回火的沉淀合金碳化物和殘余合金碳化物和殘余A ACementite precipitates from the carbite-free B and remained A in Mn-Si-Ti low-carbon steel tempered at 420.For the 13Cr-6Ni super Martensitic steel, there is about 30% A remained even tempered at 600OC.中南大學中南大學金屬材料熱處理

25、MSE_材料科學與工程學院12Cr steel quenched from different T followed by Tempering at 750OC: 1100OC,1300OC, (c) Autotempered M+(Fe4Cr)3C+MN, (d) M+M23C6+Ti-rich MN+V-rich MC. Carbon replica合金鋼淬火回火中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院Typical microstructure of the tempered M in Fe-0.15C-11.513

26、.5Cr-1Mn-1Si (S41000) , consisting of F and carbide. Tempering prompts formation of Cr-rich carbide and/or alloy carbide. C1=M23C6 C2=M7C3. Generally the M in the formula mainly stands for Cr (sometimes other metallic elements) in Fe-Cr-C steel.中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院7.5.2 7.5.2 碳鋼回火后的力學性能碳鋼回火后

27、的力學性能 碳與合金元素含量溫度原始組織，淬火脆性回火T與硬度（時間1小時）析出強化與固溶量降低導致的軟化競爭，殘A分解為下B，共格性，回復再結晶等因素。回火前原始組織的影響低于形成溫度時，影響小；高于形成溫度影響大。中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院超級M不銹鋼硬度隨回火時間/溫度的變化310)lg20(tTP最高硬度 HV10超級M不銹鋼： Ni降低Ac1，而Mo可抵消這種作用。一般說來，低合金類超級M不銹鋼實際Ac1在650OC左右，而高合金類的在630OC左右。回火溫度的選擇？中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院回火溫度：調質處理回火溫度：調質

28、處理40鋼力學性能與回火溫度的關系高碳鋼有淬火應力，微裂紋，脆性大；回火產物可填充部分微裂紋，松弛部分淬火應力。碳鋼500600OC獲得回火S，塑韌性好，強度適中，綜合力學性能良好！回火S與S比較：回火S中CM為粒狀、彌散，而普通S中CM為片狀，易導致應力集中。因此回火S的綜合力學性能好于S。中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院共析碳鋼片狀組織與粒狀組織的力學性能比較-粒狀CM，片狀CM硬度（HRC）中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院 0.32C-1.36V鋼回火的二次硬化 7.5.3合金元素對回火的影響合金元素對回火的影響 作用：回火抗力、二次硬化、

29、回火脆性1. 合金元素阻礙馬氏體分解及碳化 物長大（3 種）： Ni、Mn無大 影響；Si、Co溶入碳化物，延遲 M分解、延遲過渡碳化物向CM 轉變；強碳化物形成元素，阻礙 M分解，降低碳化物形成速度。 合金鋼中碳化物細小、彌散！ 2. 合金元素延緩殘余奧氏體分解并 可能引起二次淬火硬化：奧氏體 穩定化二次硬化：合金碳化物? 與基體共格3. 合金元素阻礙F基體的回復、再 結晶和晶粒長大。多邊化、再結 晶及長大 T較低時，強碳化物形成元素擴散慢，難有大量合金碳化物形成；多邊化與過飽和C二次淬火：Ms隨成分變；加工硬化降低；氣團消失等二次硬化：合金碳化物！細小孔洞不易形成。高強、高韌！中南大學中南

30、大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院7.5.4 回火脆性回火脆性回火溫度升高時，鋼的韌性并非連續提高，而是在某些溫度范圍回火后，韌性反而下降的現象，稱為回火脆性。在許多鋼（主要是結構鋼）中均存在。兩類：低T和高T回火溫度對鋼沖擊韌性的影響第一類第二類中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院1. 低溫回火脆性低溫回火脆性(250400)，不可逆，不可逆幾乎所有工業用鋼都出現這類脆性，與回火后的冷速無關。可能原因： 與馬氏體分解時滲碳體的初期形核有關，且是某種臨界尺寸的薄膜狀碳化物形成于馬氏體晶界和亞晶界；韌性殘余奧氏體消失（A分解產物時碳化物沿晶界、亞晶界或其它界面）。也

31、可能是低熔點微量元素在晶界、亞晶界或其它界面偏聚。避免：不在該溫度區間回火，或改用等溫淬火。低溫回火脆性一旦出現就難消除！中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院2. 高溫回火脆性高溫回火脆性(450650 )，可逆，可逆對象：合金鋼，特別是含Cr、Ni、Mn等元素現象：兩個溫度區間回火 在450600足夠時間的回火（與回火時的冷卻速度無關） 在600650的溫度回火，隨后在600450范圍慢冷（若 快冷，則基本上不產生脆性） ；但重新加熱至600-650以 上后快冷，消失。原因：微裂紋表面和原奧氏體晶界有害雜質偏聚。碳鋼中基本沒 有高溫回火脆性，而含Cr、Ni、Mn等合金元素

32、時，雜質與 合金元素均偏聚。-合金元素與雜質元素相互作用。防止：形變熱處理，細化晶粒，添加Mo、W、Ti等，回火后快冷中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院Mo、W減輕回火脆性的作用機理有兩個：減輕回火脆性的作用機理有兩個：其一，溶入基體，形成Mo-Fe-P等的Cluster，阻礙低熔點元素向晶界的偏聚；其二，偏聚于晶界，增大晶界結合力。中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院合金鋼中的脆性：合金鋼中的脆性：鐵素體不銹鋼有三種脆化現象（1）低溫脆性：Fe-Cr合金在425550OC脆性，富Cr鐵素體和富Fe鐵素體生成，其中共格析出物導致鋼脆化；脆化速度與富Cr鐵素體中的Cr含量有關部門，高Cr量導致快脆化。且Mo、Ti、Nb加速脆化。冷加工促使富Cr鐵素體形成因而加速脆化。短時間加熱到較高溫550600OC有助消除脆性。（2）相和相脆化：高Cr(2070%)的Fe-Cr鋼加熱到550600OC停留導致相形成。Cr量越高， 相越容易形成。低于20%Cr時， 相形成需要很長時間（幾百小時），高Cr時幾小時即可形成。冷加工促進相形成。合金元素Mo、Ni、Si、Mn使相形成區間向較高溫度、較低Cr含量、較短時間轉移。另外，高Cr、高Mo合金也可生成相導致脆性。（3）高溫脆性：在高于0.7Tm的溫度