1、六、六、碳鋼及鋼的熱處理碳鋼及鋼的熱處理1、Fe-C相圖與碳鋼2、鋼的加熱轉變（奧氏體化）3、 奧氏體的冷卻轉變（奧氏體分解， C曲線）4、 珠光體轉變與鋼的退火、正火5、 馬氏體轉變與鋼的淬火6、 淬火鋼的加熱轉變與鋼的回火7、 貝氏體轉變與鋼的等溫淬火8、 表面淬火9、 化學熱處理10、熱處理的工藝基礎（略）7、 貝氏體轉變與鋼的等溫淬火1）概述2）貝氏體3）貝氏體相變特點4）貝氏體轉變熱力學5）貝氏體轉變晶體學6）貝氏體轉變動力學7）貝氏體力學性能8）鋼的等溫淬火（下貝氏體）7、貝氏體轉變與鋼的等溫淬火1 1）概述）概述貝氏體轉變貝氏體轉變：鋼在珠光體轉變溫度的低溫一側或其以下，馬氏體轉

2、變溫度以上的溫度范圍內，即，共析碳鋼過冷奧氏體在約550至從Ms點的溫度范圍內，過冷奧氏體發生貝氏體轉變，又稱中溫轉變。在貝氏體轉變的溫度范圍內，在溫度上端的轉變產物，叫上貝氏體；在溫度下端的轉變產物，叫下貝氏體。上貝氏體上貝氏體（550350)羽毛狀，形態類似細小珠光體下貝氏體下貝氏體（350240) 針狀（竹葉狀），形態類似板條狀馬氏體下貝氏體具有較高的強度，硬度，又有較好的人性，塑性，所以為獲得下貝氏體的熱處理等溫淬火等溫淬火工藝得到了較廣泛的應用。貝氏體轉變是介于珠光體型與馬氏體型轉變之間的一種轉變，晶體學機制為帶有碳原子擴散的共格切變共格切變，被稱之為中間型相變中間型相變。2 2）貝

3、氏體的特點）貝氏體的特點貝氏體是由有一定過飽和固溶體Fe素體和Fe3C兩相組成混合物組織。因化學成分不同，轉變溫度不同， 貝氏體有各種不同形態：上貝氏體、下貝氏體、柱狀貝氏體、無碳貝氏體（平行的鐵素體板條+無碳化物）、島狀或粒狀貝氏體（粗大的塊狀鐵素體+孤立的“小島” （富碳奧氏體 ）、反常貝氏體 。這里只講上、下貝氏體 。上貝氏體上貝氏體光鏡下，羽毛狀，分不清F+Fe3C兩相。電鏡下，每個板條由亞板條構成，亞板條內為位錯密度，在亞板條間有Fe3C；通常，T下降，T減小，板條密而細，滲碳體則變成不連續分布。常有殘奧存在。下貝氏體下貝氏體 光鏡下，竹葉狀，難分清兩相。電鏡下，竹葉狀Fe素體內含細

4、小碳化物，Fe3C碳化物大致平行排列，與鐵素體呈60，F片由幾個具有小角度晶界的亞片構成，板條中位錯密度較高。下貝氏體上貝氏體貝氏體組織形態的描述貝氏體組織形態的描述上貝氏體組織上貝氏體組織，由平行的板條狀鐵素體+不連續的條狀滲碳體。光鏡下，羽毛狀，分不清F+Fe3C兩相。電鏡下，由許多從奧氏體晶界向晶內平行生長的板條狀鐵素體和在相鄰鐵素體條間存在的不連續的短桿狀的滲碳體所組成。上貝氏體中鐵素體的寬度隨形成溫度降低而變細。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與片狀珠光體不同，上貝氏體中 Fe3C條斷續地分布在F片之間，Fe3C主軸方向與F板條長軸平行，F含過飽和的碳，還有位錯纏結

5、存在。上貝氏體中F的形態與亞結構和板條馬氏體相似，但其位錯密度比馬氏體要低個數量級。下貝氏體組織，下貝氏體組織，也是由片狀鐵素體和碳化物組成。在光學顯微鏡下觀察，下貝氏體呈黑色針狀，各個針狀物之間都有一定的夾角。它可以在奧氏體晶界上形成。但大量的是在奧氏體晶粒內沿某些晶面單獨地或成堆的長成針葉狀。片狀鐵素體內也包含著若干更細小的亞片。下貝氏體鐵素體的立體形態，與高碳馬氏體一樣，也呈雙凸透鏡狀。下貝氏體中的鐵素體亞結構與片狀馬氏體不同，有高密度位錯，沒有孿晶亞結構存在，其位錯密度比上貝氏體中鐵素體的高。3 3）貝氏體轉變特點）貝氏體轉變特點介于珠光體型轉變與馬氏體型轉變之間的一種中間型轉變。過程

6、鐵素體切變而成，Fe3C則擴散脫溶而成。轉變過程：轉變過程：首先過冷奧氏體貧碳區以共格切變形成鐵素體，碳原子從鐵素體脫出，奧氏體隨著伸長變寬，C繼續向奧氏體擴散，達到一定程度析出Fe3C。高溫350，滲碳體于鐵素體間，沿條長軸向析出，則形成上貝氏體；低溫350-Ms，因碳擴散困難，只在片內沿一定晶面偏聚，析出粒子，則形成下貝氏體。貝氏體臺階長大機制貝氏體臺階長大機制 （略）（略）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，使鐵素體橫向增厚，也作縱向氏大，整個鐵素體就以這種臺階方式向奧氏體中長大

7、 。上貝氏體的形成過程上貝氏體的形成過程 （略）（略）鐵素體（輕度過飽和的-固溶體）以共格切變方式長大 ，因此，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下貝氏體的形成過程下貝氏體的形成過程（略）（略）鐵素體（高度過飽和的-固溶體）以共格切變方式長大 ，慣習面為225 ，鐵素體與奧氏體的位向關系（K-S關系）， 111 / 110， 110 /111，滲碳體與鐵素體的位向關系 ， ( 0 0 1 ) C M / / ( 2 1 1 ) a ， 1 0 0 C M / / 0 1 1 a ， 010CM/111a ，慣析面和取向關系：慣析面和取向關系：這里

8、只講鐵素體析出的慣析面和取向關系鐵素體以共格切變方式形成，其慣析面和取向關系與馬氏體轉變的類似上貝氏體：慣析面111，取向服從西山關系(N關系) 111/110，/下貝氏體：慣析面225，取向服從K-S關系 111/110， /貝氏體轉變是通過切變方式進行的：貝氏體轉變是通過切變方式進行的：最有力的證據是表面浮凸效應表面浮凸效應。貝氏體中鐵素體與奧氏體保持共格聯系并在特定晶面上析出。貝氏體中鐵素體與母相奧氏體保持嚴格的晶體取向關系。為了減少阻力，快速推進，鐵素體一般為板狀，這樣可以減少應變能。這種形貌與切變進行的馬氏體相似。貝氏體有自己的動力學曲線：貝氏體有自己的動力學曲線：對于碳鋼，貝氏體的

9、C曲線與珠光體的重合，而合金鋼的是分開的。貝氏體轉變類似于馬氏體轉變，有轉變開始溫度Bs，亦有轉變可能完成的最高（上限）溫度Bf，貝氏體轉變的終了或停止溫度Bf 。值得注意的是，Bf與Ms不一定誰高，視成分不同而不同，在Bs-Bf之間 B轉變不可能完全轉變，只有冷卻Bf以下才可能百分之百的轉變，但MsBf時，在Ms以下，過冷奧氏體可能會轉變為馬氏體，冷到Bf以下，奧氏體亦不可能百分之百轉變未完者，即有殘余奧氏體存在。上、下貝氏形成溫度有一個明顯分界，分界溫度隨成分不同而不同，一般地講，高碳鋼（尤其是，共析鋼和過共析鋼）的分界溫度大約為350。影響貝氏體動力學的因素：影響貝氏體動力學的因素：凡影

10、響奧氏體穩定性的影響因素均影響貝氏體，主要包括有成分、奧化工藝、冷卻過程(停留)、塑變應力等合金元素對貝氏體轉變的影響。與馬氏體相變的相似。關于“對貝氏體轉變的影響”主要包括：對相界線A1、 A3和Acm的影響 轉變過冷度和驅動力；對碳的活度和擴散系數的影響 擴散過程；對奧氏體強度的影響 切變過程的難易程度；對碳化物的影響 在鋼中能形成穩定合金碳化物時，由于合金碳化物的溶解度極低，較易析出，將影響貝氏體轉變。對相界面的影響 合金元素可能富集在貝氏體組織的鐵素體和尚未轉變奧氏體的界面，從而影響了界面的遷移性。上述這些影響較為復雜，并且是交互影響的，要針對具體情況進行分析。貝氏體轉變是一個形核與長

11、大過程（略）：貝氏體轉變是一個形核與長大過程（略）：貝氏體是-Fe +Fe3C的復相組織，轉變的化學反應式與珠光體一樣，都是因成分進而結構和相發生了變化的轉變： + Fe3C但是，貝氏體轉變的溫度低于珠光體轉變，因而，過冷度T大，從式：v=THv / T0可以近似地看出，貝氏體轉變的驅動力較大，而下貝氏體轉變的驅動力更大。既然，貝氏體轉變是成分發生了變化的轉變，就需要原子擴散來完成這種轉變。但是，貝氏體轉變溫度較低，也只有間隙原子能完成短程的擴散，Fe則無法擴散，象馬氏體相變一樣，以切變的方式有AF 。貝氏體轉變也是一個形核與長大的過程。轉變通常需要一定的孕育期，在孕育期內，由于碳在奧氏體中重

12、新分布，造成濃度起伏，隨著過冷度增大，奧氏體成分越來越不均勻，進而形成富碳區和貧碳區，在含碳較低部位先形成鐵素體晶核。上貝氏體中晶核一般優先在奧氏體晶界貧碳區上形成，下貝氏體由于過冷度大，鐵素體晶核可在奧氏體晶粒內部形成。14貝氏體轉變示意圖（清華大學材料科學基礎頁鐵素體形核后，當濃度起伏合適且晶核尺寸超過臨界尺寸時便開始長大，在其長大的同時，過飽和的碳從鐵素體中向奧氏體中擴散，并視溫度不同，碳于鐵素體板條之間或在鐵素體內部沉淀析出Fe3C碳化物。顯然，貝氏體中碳化物的形態與分布都和形成溫度有關。這樣，奧氏體在中溫區不同溫度保溫可以形成不同類型的貝氏體。通常，上貝氏體的長大速度取決于碳在奧氏體

13、中的擴散，而下貝氏體的轉變速度取決于碳在鐵素體中的擴散。因此，貝氏體轉變速度遠比馬氏體低。鋼中貝氏體轉變是帶有碳原子擴散的共格切變，即貝氏體形成時，鐵和合金元素不能擴散，而只有碳原子擴散，貝氏體中的鐵素體是通過奧氏體的共格切變實現點陣改組而形成的，碳化物形成則依靠碳原子擴散達到。貝氏體轉變是介于珠光體型與馬氏體型轉變之間的一種中間型相變。貝氏體轉變過程概括（略）貝氏體轉變過程概括（略） 4）貝氏體（略）（略） 設共析鋼由奧氏體態T溫度過冷至T溫度，此時過冷奧氏體處于改成份鋼的Ms點以上，因此，不會發生馬氏體型切變。同時由于鐵原子不能擴散，故不會發生珠光 體轉變。但此時碳原子仍可擴散。因為過冷奧

14、氏體是處于Acm線ES的延長線SR 之下側，所以有析出碳化物的趨勢，引起 碳原子在奧氏體中的擴散和重新分布，形 成富碳區和貧碳區。這個過程可看作是貝氏體轉變的孕育期。當貧碳區的奧氏體談濃度（圖中Z點）達到改成份奧氏體的Ms點溫度時，便發生馬氏體型的切變?？梢?，奧氏體中局部含碳量降低為貝氏體轉變床罩了熱力學條件，從而使相切變共格型轉變能在Ms點以上溫度進行。貝氏體中的鐵素體可以通過馬氏體機制形成圖11-76材料科學基礎清華大學出版社5）（略）（略） 貝氏體轉變時形核和長大的過程。鐵素體以共格切變方式長大，上貝氏體中的鐵素體與母相奧氏體具有一定的位相關系，這一關系為111/110， /即符合西山關

15、系。下貝氏體的形成過程與上貝氏體相似，但鐵素體晶核除了在奧氏體晶界形成之外，也可以在長大了的鐵素體片的邊界上形成；鐵素體也是通過共格切變方式長大，但其慣習 面是225，鐵素體與奧氏體的位相關系為（111）/（110），110/111，即符合K-S關系。試驗表明，下貝氏體中的滲碳體與鐵素體有如下的位相關系：(001)CM/(211)100CM/0-11和010CM/1-11 圖6-35貝氏體形成示意圖金屬熱處理頁碳鋼和某合金鋼的圖頁圖6）（略）（略） 貝氏體可以恒溫形成，也可以在一定溫度的連續冷卻時形成，但對于共析和過共析碳鋼，連續冷卻時基本上不形成貝氏體。在恒溫轉變時，貝氏體轉變的TTT圖也呈

16、C字型，但碳鋼中貝氏體轉變的曲線與珠光體轉變的曲線互相重疊（見上圖），而在一些合金鋼的圖中，則可明顯地看出貝氏體轉變的曲線。（見上圖）奧氏體必須過冷至一定的溫度以下，并經過一段孕育期才能轉變成貝氏體。貝氏體轉變開始溫度為s點，高于s點，奧氏體不能轉變成貝氏體，而只能轉變成珠光體型組織。此外，貝氏體轉變尚有一個可能完全轉變成貝氏體的上限溫度，即f點。在轉變的溫度范圍內，上貝氏體和下貝氏體的形成溫度有一定的分界線。碳鋼含碳量對上下貝氏體分界溫度的影響。（見左圖）至于合金鋼，上下貝氏體的分界溫度不僅與含碳量有關，而且與合金元素的種類及含量有關。7）貝氏體力學性能貝氏體的力學性能主要取決于其組織形態。

17、貝氏體混合組織中鐵素體，滲碳體及其他相的相對含量，形態，大小和分布等都會影響貝氏體的性能。通常，上貝氏體的強度和韌性較差 ，由于 鐵素體板條較寬 ，板條之間分布著不連續的條狀滲碳體。下貝氏體的強度和韌性較好，由于 鐵素體片細薄，碳化物彌散于片內。相比之下，下貝氏體不但強度高，而且韌性也很好，即具有優良的綜合力學性能。因此，生產上廣泛采用等溫淬火工藝處理鋼件，目的就是要得到這種強韌結合的下貝氏體組織。等溫淬火一般要求得到下貝，等淬比一般淬火回火得到的組織具有較好的韌性。然而，值得注意的是，通常，下貝中混有上貝，與下貝相比，韌性下降；下貝中混有一定的馬氏體，與上貝氏體相比，強度上升，但是韌性下降；

18、馬中混有下貝，與馬比，強度下降。上貝氏體形成溫度較高，鐵素體晶粒和碳化物顆粒較粗大，碳化物呈短桿狀平行分布在鐵素體板條之間，鐵素體和碳化物分布有明顯的方向性。這種組織狀態是鐵素體條間易產生脆斷，鐵素體本身也可能成為裂紋擴展的路徑。下貝氏體中鐵素體針細小而均勻分布，而且在鐵素體內又沉淀析出細小，多量且彌散分布的碳化物，故位錯密度高。因此，上貝中鐵素體寬塑性變形抗力低，F片間存在間斷或半連續的Fe3C，裂紋易傳播，塑性低，抗拉強度、斷裂強度均低；下貝鐵素體板條細，細小碳化物分布彌散，F片內有高密度位錯，強度，塑韌性均高，如轉變溫度下降，性能還會上升。下貝氏體8）鋼的等溫淬火等溫淬火的優點：等溫淬火

19、的優點：降低淬火應力（熱應力小，組織應力?。?；減少變形開裂；減少殘奧提高組織穩定性可能取消回火等溫淬火（下貝氏體等溫淬火（下貝氏體 ）的工藝：）的工藝：工藝如圖示等溫淬火的溫度選擇（1）等溫淬火的奧氏體溫度原則與普通淬火的相同，然而，在保證奧氏體晶粒不粗化的條件下，提高奧氏體的穩定性，防P轉變是十分重要的，可以適當提高等溫淬火的奧氏體化加熱溫度（30-80），保證轉變成下貝氏體。（2）等溫貝氏體轉變溫度T與時間t由C曲線確定T一般要以實驗來確定：一個“鼻子”的C曲線，通過試驗（金相法）確定其下貝氏體的形成溫度范圍（上限溫度） ，原則上看上下貝氏體的分界線溫度。兩個“鼻子”的C曲線（雙C曲線），取第二個“鼻溫”左為上、下貝氏體的分界溫度。t一般要以實驗來確定：原則以曲線開始線與終了線差而定，但轉變先快后慢，過分長時無意義。（3）等溫淬火的冷卻介質熔鹽、或熔堿、或熔金屬。防冷速過慢而發生珠光體型轉變，也要防冷速過大而摻雜馬氏體，等溫淬火的應用范圍：等溫淬火的