機(jī)械工程材料的強(qiáng)韌化

4.1工程材料的強(qiáng)韌化概論

1.固溶強(qiáng)化2.形變強(qiáng)化（加工硬化）3.細(xì)晶強(qiáng)化4.第二相強(qiáng)化

5.復(fù)合強(qiáng)化—馬氏體強(qiáng)化4.1.1工程材料的強(qiáng)化機(jī)制

細(xì)晶強(qiáng)化提高鋼純凈度控軋與控冷形變熱處理馬氏體強(qiáng)韌化下貝氏體強(qiáng)韌化4.1.2

工程材料的強(qiáng)韌化1.金屬材料的強(qiáng)韌化化學(xué)成分組織結(jié)構(gòu)性能機(jī)械零件工作條件制備與加工工藝失效分析貫穿本課程的“綱”—綱舉目張

4.2鋼鐵材料熱處理原理

（“兩個(gè)過(guò)程”—“五大轉(zhuǎn)變”）

加熱保溫冷卻溫度/℃時(shí)間熱處理的一般過(guò)程1.鐵碳合金相圖是鋼加熱轉(zhuǎn)變的理論依據(jù)4.2.1鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變平衡臨界點(diǎn)

A1（PSK線）

A3（GS線）

Acm（ES線）實(shí)際加熱時(shí)

Ac1Ac3Accm實(shí)際冷卻時(shí)

Ar1Ar3Arcm2.奧氏體化過(guò)程共析碳鋼的A化過(guò)程非共析鋼的奧氏體化過(guò)程亞：AC1~AC3>AC3P+F→A+F→A

過(guò)：AC1~ACCm>ACCmP+Fe3CⅡ→A+Fe3CⅡ→A3.

奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制

（1）奧氏體晶粒度

（2）注意區(qū)分三種奧氏體晶粒度起始晶粒度

剛剛完成奧氏體化的晶粒大小實(shí)際晶粒度

在某一具體的加熱條件下獲得的晶粒大小本質(zhì)晶粒度

鋼在規(guī)定加熱條件下（加熱到930+-10℃，保溫3～8h）的奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向性。

本質(zhì)細(xì)晶粒鋼本質(zhì)粗晶粒鋼(3)奧氏體晶粒大小的控制

加熱條件：（加熱溫度，保溫時(shí)間）加熱速度化學(xué)成分：碳:Wc↑,A粗，但有未溶Fe3C存在時(shí)，阻礙A長(zhǎng)大。合金元素：除Mn和P都會(huì)阻礙A長(zhǎng)大。(3)奧氏體晶粒大小的控制過(guò)冷奧氏體等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線（TTT曲線）過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT曲線）溫度時(shí)間121——等溫冷卻2——連續(xù)冷卻A1鋼奧氏體過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變加熱>Ac1冷卻<A14.2.2奧氏體在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變（冷卻過(guò)程，P、M、B轉(zhuǎn)變）1.過(guò)冷奧氏體等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線（C曲線或TTT曲線）(1)C曲線的建立(以共析鋼為例）(2)C曲線分析A1MsA→PA→BA→M溫度/℃時(shí)間/s550奧氏體過(guò)冷奧氏體Mf珠光體轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)渡區(qū)轉(zhuǎn)變終了線轉(zhuǎn)變開(kāi)始線轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)（3）影響C曲線的因素①碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響（a）亞共析鋼（b）共析鋼（c）過(guò)共析鋼與共析鋼相比，亞共析鋼和過(guò)共析鋼C曲線的上部各多一條先共析相的析出線。在正常加熱條件下，共析鋼的過(guò)冷奧氏體最穩(wěn)定，C曲線的位置最靠右。Ms與Mf點(diǎn)隨碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而下降。除Co外，凡溶入A的Me，都能增加A’的穩(wěn)定性，使C曲線右移。除Co和Al外，凡溶入A的Me均能使Ms

與Mf

點(diǎn)下降。（a）Co（b）Ni（c）Cr

③奧氏體化條件的影響

奧氏體化溫度提高和保溫時(shí)間延長(zhǎng)，使奧氏體成分均勻、晶粒粗大、未溶碳化物減少，增加了過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移。

②合金元素的影響2.過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能

(1)珠光體（P）轉(zhuǎn)變(A1～550℃，高溫轉(zhuǎn)變或擴(kuò)散型相變)①定義與分類片狀P和球化體（粒狀珠光體）②珠光體的組織形態(tài)與性能②珠光體的組織形態(tài)與性能（a）500×（b）8000×P（珠光體）→（c）1000×（d）19000×←S（索氏體）（e）200×（f）19000×T（托氏體）→②珠光體的組織形態(tài)與性能#P片層間距與轉(zhuǎn)變溫度、性能關(guān)系片狀珠光體的性能②珠光體的組織形態(tài)與性能球化體（粒狀珠光體）片狀P與球化體力學(xué)性能對(duì)比片狀P與球化體切削性能比較

球化體與片狀P相比：

i當(dāng)碳含量相同時(shí)，球化體的強(qiáng)度、硬度低，塑韌性好；可切削加工性好，冷擠壓成形性也好，加熱淬火時(shí)變形、開(kāi)裂傾向也小；

ii當(dāng)硬度相同時(shí)，球化體的綜合力學(xué)性能好（不易產(chǎn)生應(yīng)力集中、裂紋）。

因此，高碳鋼在機(jī)械加工和最終熱處理之前，常要求材料先經(jīng)球化退火處理，以獲得均勻的球化體組織。(2)貝氏體型轉(zhuǎn)變(550℃～Ms

中溫轉(zhuǎn)變或半擴(kuò)散型相變)

貝氏體是碳化物分布在碳過(guò)飽和的鐵素體基體上的兩相混合物。過(guò)冷奧氏體在550℃～350℃之間轉(zhuǎn)變形成的產(chǎn)物稱上貝氏體（上B)。上B呈羽毛狀,小片狀的滲碳體分布在成排的鐵素體片之間。

過(guò)冷奧氏體在350℃～Ms之間的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物稱下貝氏體(下B)。下B在光學(xué)顯微鏡下為黑色針狀,在電子顯微鏡下可看到在鐵素體針內(nèi)沿一定方向分布著細(xì)小的碳化物(Fe2.4C)顆粒。

上貝氏體(a)光學(xué)顯微照片500×

(b)電子顯微照片5000×

下貝氏體

(a)光學(xué)顯微照片500倍(b)電子顯微照片12000倍（3）馬氏體轉(zhuǎn)變(Ms

～Mf

低溫轉(zhuǎn)變或無(wú)擴(kuò)散型相變)馬氏體轉(zhuǎn)變是強(qiáng)化鋼的重要途徑之一。馬氏體是碳在

-Fe中的過(guò)飽和固溶體,用M表示.馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，奧氏體中的碳全部保留到馬氏體中.馬氏體具有體心正方晶格（a=b≠c）軸比c/a

稱馬氏體的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸變?cè)絿?yán)重。①晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)②組織形態(tài)特征馬氏體的形態(tài)分板條和針狀兩類。板條馬氏體立體形態(tài)為細(xì)長(zhǎng)的扁棒狀在光鏡下板條馬氏體為一束束的細(xì)條組織。光鏡下電鏡下每束內(nèi)條與條之間尺寸大致相同并呈平行排列，一個(gè)奧氏體晶粒內(nèi)可形成幾個(gè)取向不同的馬氏體束。在電鏡下，板條內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)主要是高密度的位錯(cuò)，

=1012/cm2,又稱位錯(cuò)馬氏體。SEMTEM

針片狀馬氏體立體形態(tài)為雙凸透鏡形的片狀。顯微組織為針狀。在電鏡下，亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶，又稱孿晶馬氏體。電鏡下電鏡下光鏡下馬氏體的形態(tài)主要取決于其含碳量C%小于0.2%時(shí)，組織幾乎全部是板條馬氏體。C%大于1.0%時(shí)幾乎全部是針狀馬氏體.C%在0.2~1.0%之間為板條與針狀的混合組織。馬氏體形態(tài)與含碳量的關(guān)系0.45%C0.2%C1..2%C45鋼正常淬火組織先形成的馬氏體片橫貫整個(gè)奧氏體晶粒，后形成的馬氏體片不能穿過(guò)先形成的馬氏體片，所以越是后形成的馬氏體片越細(xì)小.原始奧氏體晶粒細(xì)，轉(zhuǎn)變后的馬氏體片也細(xì)。當(dāng)最大馬氏體片細(xì)到光鏡下無(wú)法分辨時(shí)，該馬氏體稱隱晶馬氏體.③馬氏體的性能高硬度是馬氏體性能的主要特點(diǎn)。馬氏體的硬度主要取決于其含碳量。含碳量增加，其硬度增加。當(dāng)含碳量大于0.6%時(shí)，其硬度趨于平緩。合金元素對(duì)馬氏體硬度的影響不大。馬氏體硬度、韌性與含碳量的關(guān)系C%馬氏體強(qiáng)化的主要原因是過(guò)飽和碳引起的固溶強(qiáng)化.此外，馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的組織細(xì)化也有強(qiáng)化作用。馬氏體的塑性和韌性主要取決于其亞結(jié)構(gòu)形式。針狀馬氏體脆性大，板條馬氏體的塑性和韌性較好。針狀馬氏體板條馬氏體馬氏體的透射電鏡形貌④馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)馬氏體轉(zhuǎn)變也是形核和長(zhǎng)大過(guò)程。其主要特點(diǎn)是：⑴無(wú)擴(kuò)散性

鐵和碳原子都不擴(kuò)散，因而馬氏體的含碳量與奧氏體的含碳量相同。⑵共格切變性由于無(wú)擴(kuò)散，晶格轉(zhuǎn)變是以切變機(jī)制進(jìn)行的。使切變部分的形狀和體積發(fā)生變化，引起相鄰?qiáng)W氏體隨之變形，在預(yù)先拋光的表面上產(chǎn)生浮凸現(xiàn)象.

馬氏體轉(zhuǎn)變切變示意圖馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的表面浮凸⑶降溫形成馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始的溫度稱上馬氏體點(diǎn)，用Ms表示.馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度稱下馬氏體點(diǎn)，用Mf表示.只要溫度達(dá)到Ms以下即發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。在Ms以下，隨溫度下降,轉(zhuǎn)變量增加，冷卻中斷,轉(zhuǎn)變停止。MfMsM(50%)M(90%)⑷高速長(zhǎng)大馬氏體形成速度極快，瞬間形核，瞬間長(zhǎng)大。當(dāng)一片馬氏體形成時(shí)，可能因撞擊作用使已形成的馬氏體產(chǎn)生裂紋。⑸轉(zhuǎn)變不完全

’即使冷卻到Mf點(diǎn)，也不可能獲得100%的馬氏體，總有部分奧氏體未能轉(zhuǎn)變而殘留下來(lái)，稱殘余奧氏體，用Ar表示。Ms、Mf與冷速無(wú)關(guān)，主要取決于奧氏體中的合金元素含量（包括碳含量）。馬氏體轉(zhuǎn)變后，Ar

量隨含碳量的增加而增加,當(dāng)含碳量達(dá)0.5%后，Ar量才顯著。含碳量對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響含碳量對(duì)殘余奧氏體量的影響

3.

過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT曲線）（1）CCT曲線及分析（2）CCT與C曲線比較4.

過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線的應(yīng)用（1）C曲線的應(yīng)用4.

過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線的應(yīng)用（2）CCT曲線的應(yīng)用4.

過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線的應(yīng)用

（2）CCT曲線的應(yīng)用4.2.3淬火鋼在回火時(shí)的轉(zhuǎn)變淬火:

將鋼A化后快冷獲得M（B下）回火:將淬火鋼重新加熱到A1點(diǎn)以下某一溫度，保溫一定時(shí)間，冷卻下來(lái)。回火的目的：（1）穩(wěn)定組織（M、AR→F+Fe3C)

；（2）↓淬火應(yīng)力（熱應(yīng)力；組織應(yīng)力）;（3）獲得所需要的組織和性能

1.回火時(shí)的組織、結(jié)構(gòu)變化

M、AR→F+Fe3C100～200℃M分解——析出ε碳化物

M中WC↓c/a↓M回內(nèi)應(yīng)力↓200～300