西北工业大学材料科学基础课件第八章固态相变.ppt

第八章第八章 固态相变固态相变1第八章固态相变第一节 概 述一一 固态相变的特点固态相变的特点 1 1 界面类型界面类型: :错配度错配度δ=（（αβ-αα））/αβ 完全共格界面：完全共格界面：δδ=0=0，应变能和界面能接近于零；，应变能和界面能接近于零； 弹性应变共格界面：弹性应变共格界面：δδ<0.05<0.05，界面能，界面能 0.1 J/m0.1 J/m2 2，应变能增加；，应变能增加； 半共格界面：半共格界面：0.05<0.05<δδ<0.25<0.25，界面能，界面能 0.5 J/m0.5 J/m2 2，应变能降低；，应变能降低； 非共格界面：非共格界面：0.25<0.25<δδ，界面能，界面能 1.0 J/m1.0 J/m2 2，应变能进一步降低应变能进一步降低 2第九章 固态相变第一节概述界面能依共界面能依共格界面、半格界面、半共格界面和共格界面和非共格界面非共格界面的顺序而递的顺序而递增．增．应变能恰恰应变能恰恰相反。

相反第一节 概 述一一 固态相变的特点固态相变的特点 界面能界面能    固固-固两相界面能远比液固两相界面能远比液-固两相界面能高：固两相界面能高：     一部分是形成新相界面时，因同类键、异类键的结一部分是形成新相界面时，因同类键、异类键的结合强度和数量变化引起的化学能；合强度和数量变化引起的化学能；    另一部分是由界面原子的不匹配产生的点阵畸变能．另一部分是由界面原子的不匹配产生的点阵畸变能．    界面能依共格界面、半共格界面和非共格界面的顺序界面能依共格界面、半共格界面和非共格界面的顺序而递增．而递增．3第八章 固态相变第一节概述第一节 概 述一一 固态相变的特点固态相变的特点 应变能应变能: :包括共格应变能和体积应变能包括共格应变能和体积应变能 共格应变能：共格界面新旧两相点阵常数差异引起的共格应变能：共格界面新旧两相点阵常数差异引起的应变能 体积应变能：由于新相与母相的比容不同，固态相变体积应变能：由于新相与母相的比容不同，固态相变时新相的生成必然受到周围母相的约束而产生弹性应变时新相的生成必然受到周围母相的约束而产生弹性应变而增加的应变能。

而增加的应变能 新相与母相的比容差别越大，则体积应变能越大新相与母相的比容差别越大，则体积应变能越大 单位体积应变能的大小还与新相的几何形状有关单位体积应变能的大小还与新相的几何形状有关4第八章 固态相变第一节概述球状应变能最大，针状球状应变能最大，针状次之，片状（盘状）应次之，片状（盘状）应变能最小变能最小 第一节 概 述一一 固态相变的特点固态相变的特点 2 2 位向关系位向关系 当当两两相相界界面面为为共共格格或或半半共共格格时时，，新新相相晶晶核核与与母母相相之之间间存存在在一一定定的的晶晶体体学学位位向向关关系系新新相相的的某某一一晶晶面面和和晶晶向向分分别别与与母母相相的的某某一一晶晶面面、、晶晶向向平平行行一一一一般般般般是是是是新新新新旧旧旧旧两两两两相相相相原原原原子子子子密密密密度度度度最最最最大大大大的的的的晶晶晶晶面面面面互互互互相相相相平平平平行行行行，，，，原原原原子子子子密密密密度度度度最最最最大大大大的的的的晶晶晶晶向向向向互互互互相相相相平行如：钢由奥氏体转变为正方马氏体如：钢由奥氏体转变为正方马氏体: :    {111}γ//{110}α´ ´ ，，<110>γ// <111>α´ ´。

5第八章 固态相变第一节概述第一节 概 述一一 固态相变的特点固态相变的特点   3 3 惯习现象惯习现象 * * 新相沿新相沿特定的晶向特定的晶向在母相在母相特定晶面特定晶面上形成                                     惯习方向惯习方向  （母相）（母相） 惯习面惯习面           原原因因：：沿沿应应变变能能最最小小的的方方向向和和界界面面能能最最低低的的界界面面发发展6第八章 固态相变第一节概述第一节 概 述一一 固态相变的特点固态相变的特点 3 3 惯习现象惯习现象7第八章 固态相变第一节概述魏氏组织（白色片状）魏氏组织（白色片状）第一节 概 述二二 固态相变的分类固态相变的分类1 1 按相变过程中原子迁移情况按相变过程中原子迁移情况 （（1 1））扩扩 散散 型型：：依依靠靠原原子子的的长长距距离离扩扩散散；；相相界界面面非非共共格如珠光体、奥氏体转变，格如珠光体、奥氏体转变，Fe,CFe,C都可扩散都可扩散 （（2 2）非扩散型：旧相原子有规则地、协调一致地通过）非扩散型：旧相原子有规则地、协调一致地通过切切变变转转移移到到新新相相中中；；相相界界面面共共格格、、原原子子间间的的相相邻邻 关关系系不不变变；；化化学学成成分分不不变变。

如如马马氏氏体体转转变变，，Fe,CFe,C都都不不扩散 （（3 3））半半扩扩散散型型：：既既有有切切变变，，又又有有扩扩散散如如贝贝氏氏体体转变，转变，FeFe切变，切变，C C扩散8第八章 固态相变第一节概述第一节 概 述二二 固态相变的分类固态相变的分类 2 2 按相变方式分类按相变方式分类 （（1 1））有有核核相相变变：：有有形形核核阶阶段段，，新新相相核核心心可可均均匀匀形形成，也可择优形成大多数固态相变属于此类成，也可择优形成大多数固态相变属于此类 （（2 2））无无核核相相变变：：无无形形核核阶阶段段，，以以成成分分起起伏伏作作为为开开端，新旧相间无明显界面，如调幅分解端，新旧相间无明显界面，如调幅分解 9第八章 固态相变第一节概述第二节 固态相变的形核一一 均匀形核均匀形核 1 1 形核的能量条件形核的能量条件△△G＝＝n△ △Gv+ηn2/3 + nEs    临界晶核形核功：临界晶核形核功：△△G*=4 /27 [η3 3 /(△ △Gv+Es)2]10第八章 固态相变第二节形核长大第二节 固态相变的形核一一 均匀形核均匀形核 1 1 形核时的能量变化形核时的能量变化   （（1 1））相变驱动力相变驱动力: :体积自由能体积自由能△△GvGv  （（2 2））相变阻力相变阻力:界面能界面能 , ,应变能应变能Es 11具具有有低低表表面面能能和和高高应应变变能能的的共共格格/ /半半共共格格晶晶核核：：为了降低应变能，新相倾向于呈为了降低应变能，新相倾向于呈盘状和片状盘状和片状；；具有高表面能和低应变能的具有高表面能和低应变能的非共格晶核非共格晶核：：为了降低表面能，新相倾向于为了降低表面能，新相倾向于呈球状呈球状。

若若相相变变后后应应变变能能显显著著增增加加，，则则新新相相趋趋向向于于呈呈片片状状或针状第八章 固态相变第二节形核长大第一节 概 述一一 均匀形核均匀形核 相变阻力大：界面能增加相变阻力大：界面能增加 额外弹性应变能：比体积差额外弹性应变能：比体积差 扩散困难（新、旧相化学成分不同时）扩散困难（新、旧相化学成分不同时） 固态相变困难固态相变困难 固固态态相相变变均均匀匀形形核核的的可可能能性性很很小小，，非非均均匀匀形形核核（（依依靠靠晶体缺陷）是主要的形核方式晶体缺陷）是主要的形核方式12第八章 固态相变第一节概述 点点… 缺陷类型缺陷类型 线线… 面面…晶格畸变、自由能高，晶格畸变、自由能高，促进形核及相变。

促进形核及相变第二节 固态相变的形核二二 非均匀形核非均匀形核 表面能高，降低表面能高，降低△△G* （（1 1）晶界形核）晶界形核 新相在母相表面部分界面重建，降低新相在母相表面部分界面重建，降低 界面能界面能13第八章 固态相变第二节形核长大结构混乱，易扩散，利于扩散相变结构混乱，易扩散，利于扩散相变第二节 固态相变的形核二二 非均匀形核非均匀形核                                新相生成处位错消失，能量释放，提新相生成处位错消失，能量释放，提 高驱动力高驱动力（（2 2）位错形核）位错形核 新相生成处位错不消失，可作为半共新相生成处位错不消失，可作为半共 格界面的形成部分格界面的形成部分 易于发生偏聚（气团），有利于成分易于发生偏聚（气团），有利于成分 起伏，易于扩散，有利于发生扩散型起伏，易于扩散，有利于发生扩散型 相变相变 14第八章 固态相变第二节形核长大第二节 固态相变的形核二二 非均匀形核非均匀形核                                                                      促进扩散促进扩散 新相生成处空位消失，提供能量新相生成处空位消失，提供能量 （（3 3）空位形核）空位形核 空位群可凝结成位错促进形核空位群可凝结成位错促进形核 （在过饱和固溶体的脱溶析出过程（在过饱和固溶体的脱溶析出过程 中，空位作用更明显。

中，空位作用更明显15第八章 固态相变第二节形核长大第二节 固态相变的形核二二 非均匀形核非均匀形核        2 非均匀形核的能量变化非均匀形核的能量变化△△G＝＝ n△ △Gv +ηn2/3 + nEs  - △ △GD            △ △GD－晶体缺陷导致系统降低的能量－晶体缺陷导致系统降低的能量 162h第八章 固态相变第二节形核长大第三节 固态相变的晶核长大 17第八章 固态相变第二节形核长大对扩散型相变来说，新相长大分为对扩散型相变来说，新相长大分为界面控制界面控制和和扩散控扩散控制制的两种过程的两种过程界面控制：新旧两相成分相同，通过相界面附近原子界面控制：新旧两相成分相同，通过相界面附近原子的短程迁移进行长大，如同素异构转变、再结晶；的短程迁移进行长大，如同素异构转变、再结晶；扩散控制：新旧两相成分不同，通过原子的长程扩散扩散控制：新旧两相成分不同，通过原子的长程扩散进行长大，如脱熔相的长大、共析转变进行长大，如脱熔相的长大、共析转变 第三节 固态相变的晶核长大 1 1晶核生长机制晶核生长机制 （（1 1）非共格界面）非共格界面 18第八章 固态相变第二节形核长大界面为原子不规界面为原子不规则排列的过渡薄则排列的过渡薄层：原子直接迁移层：原子直接迁移界面为台阶状：界面为台阶状：原子迁移至新相原子迁移至新相台阶端部台阶端部第三节 固态相变的晶核长大 1 1 晶核生长机制晶核生长机制   19第八章 固态相变第二节形核长大 切变长大切变长大（（2 2）半共格界面）半共格界面 台阶式长大（位错滑移）台阶式长大（位错滑移）第三节 固态相变的晶核长大 2 2 晶核生长速率晶核生长速率 （（1 1）界面控制长大）界面控制长大 新相生成时无成分变化新相生成时无成分变化( (只有结构、只有结构、 有序度变化）短程输送有序度变化）短程输送                                       u=exp(-Q/kT)[1-exp(-△ △Gv/kT)]                                                 20第八章 固态相变第二节形核长大晶核长大速率是扩散系数晶核长大速率是扩散系数D D和相变驱动力和相变驱动力△△Gv的综合影响。

的综合影响 第三节 固态相变的晶核长大 2 2 晶核生长速率晶核生长速率                                                  新相生成时有成分变化新相生成时有成分变化 远程扩散远程扩散（（2 2）扩散控制长大）扩散控制长大 u=dx/dt=(u=dx/dt=( C C / / x)D/(Cx)D/(C -C-C ) ) 21第八章 固态相变第二节形核长大第三节 固态相变的晶核长大3 相变动力学相变动力学            f=1-exp(-btn)  f – 转变量（体积分数）；转变量（体积分数）； b-常数，取决于相变温度、母相常数，取决于相变温度、母相        成分和晶粒大小等；成分和晶粒大小等； n-常数，取决于相变类型和形核常数，取决于相变类型和形核         位置；位置；      t-时间。

时间22第八章 固态相变第二节形核长大TTT 曲线曲线第四节 扩散型相变示例 一一 脱熔转变脱熔转变 脱熔转变概念：脱熔转变概念：当固溶体因温度变化等而呈过当固溶体因温度变化等而呈过饱和状态时，将自发地发生分解过程，其所含的过饱和状态时，将自发地发生分解过程，其所含的过饱和溶质原子通过扩散而形成新相析出，此过程称饱和溶质原子通过扩散而形成新相析出，此过程称为脱溶相图中具有溶解度变化的体系，从单相区为脱溶相图中具有溶解度变化的体系，从单相区经过溶解度饱和线进入两相区时，就要发生脱溶分经过溶解度饱和线进入两相区时，就要发生脱溶分解              许许多多热热处处理理过过程程都都与与过过饱饱和和固固溶溶体体的的脱脱熔熔有有关关，， 奥奥氏氏体体析析出出铁铁素素体体的的先先共共析析转转变变、、铁铁素素体体中中析析出出渗渗碳碳体体、、淬淬火火后后的的时时效效处处理理、、回回火火处处理理都都是是典典型型的的脱脱熔转变23第八章 固态相变第四节脱溶与调幅分解第四节 扩散型相变示例 一一 脱熔转变脱熔转变 24第八章 固态相变第四节脱溶与调幅分解第四节 扩散型相变示例 一一 脱熔转变脱熔转变              新相的脱溶通常以形核和生长方式进行。

温度新相的脱溶通常以形核和生长方式进行温度高时发生平衡脱溶，析出平衡的第二相；如温度较高时发生平衡脱溶，析出平衡的第二相；如温度较低，可能先形成亚稳的过渡相；如快速冷却至室温低，可能先形成亚稳的过渡相；如快速冷却至室温或低温或低温(称为淬火或称固溶处理称为淬火或称固溶处理)，还可能保持原先，还可能保持原先的过饱和固溶体而不分解，但这种亚稳态很不稳定，的过饱和固溶体而不分解，但这种亚稳态很不稳定，在一定条件下会发生脱溶析出过程（沉淀或时效），在一定条件下会发生脱溶析出过程（沉淀或时效），生成亚稳的过渡相生成亚稳的过渡相              由于固态中原子扩散速率低．尤其在温度较低由于固态中原子扩散速率低．尤其在温度较低时更为困难，故脱溶过程难以达到平衡，脱溶产物时更为困难，故脱溶过程难以达到平衡，脱溶产物往往以亚稳态的过渡相存在往往以亚稳态的过渡相存在25第八章 固态相变第四节脱溶与调幅分解第四节 扩散型相变示例 固态相变的特点：易出现过渡相固态相变的特点：易出现过渡相 * * 固固态态相相变变阻阻力力大大，，直直接接转转变变困困难难 协协调调性性中中间间产产物（过渡相）物（过渡相）                          ＋＋Fe3C         +(3Fe+C)    例例                          M            +Fe3C26第八章 固态相变第一节概述第四节 扩散型相变示例 一一 脱熔转变脱熔转变 按照系统自由焓取最低原则，脱熔相应为平按照系统自由焓取最低原则，脱熔相应为平衡相。

但实际发生的过程中，相当多的情况衡相但实际发生的过程中，相当多的情况都是介稳平衡的，但它并非过程终态，在一都是介稳平衡的，但它并非过程终态，在一定的条件下，介稳相会转变为平衡相，形成定的条件下，介稳相会转变为平衡相，形成所谓所谓脱熔贯序脱熔贯序现象在工业生产过程中，工现象在工业生产过程中，工艺目标或实际可能获得的状态，几乎都是脱艺目标或实际可能获得的状态，几乎都是脱熔贯序中的介稳状态，而并非平衡状态熔贯序中的介稳状态，而并非平衡状态27第八章 固态相变第四节脱溶与调幅分解第四节 扩散型相变示例 一一 脱熔转变脱熔转变     A1-Cu合合金金的的时时效效（（脱脱熔熔转转变）变） Al-CuAl-Cu合金加热到合金加热到550℃550℃保保温，得到单相温，得到单相αα固溶体，固溶体，淬火后于淬火后于130℃130℃保温进行时保温进行时效处理，随保温时间延长效处理，随保温时间延长的的脱熔贯序为：脱熔贯序为： αα→→ G G.P→.P→θθ´´´´→→θθ´ ´→→θθ 28第八章 固态相变第四节脱溶与调幅分解第四节 扩散型相变示例 一一 脱熔转变脱熔转变     A1-Cu合合金金的的时时效效（（脱脱熔熔转转变）变） Al-CuAl-Cu合金加热到合金加热到550℃550℃保保温，得到单相温，得到单相αα固溶体，固溶体，淬火后于淬火后于130℃130℃保温进行时保温进行时效处理，随保温时间延长效处理，随保温时间延长的的脱熔贯序为：脱熔贯序为： αα→→ G G.P→.P→θθ´´´´→→θθ´ ´→→θθ 29第八章 固态相变第四节脱溶与调幅分解第四节 扩散型相变示例 一一 脱熔转变脱熔转变     A1-Cu合金的时效（脱熔转变）合金的时效（脱熔转变） Al-CuAl-Cu合金加热到合金加热到550℃550℃保温，保温，得到单相得到单相αα固溶体，淬火后固溶体，淬火后于于130℃130℃保温进行时效处理，保温进行时效处理，随保温时间延长的随保温时间延长的脱熔贯序脱熔贯序为：为： αα→→ G G.P→.P→θθ´´´´→→θθ´ ´→→θθ 30第八章 固态相变第四节脱溶与调幅分解第四节 扩散型相变示例 A1-Cu合金的时效合金的时效脱熔贯序为：脱熔贯序为：αα→→ G G.P→.P→θθ´´´´→→θθ´ ´→→θθ αα相：相： A1-Cu合金固溶体（面心立方）合金固溶体（面心立方） G.PG.P：圆盘状的熔质原子：圆盘状的熔质原子CuCu富集区，与母相完全共格。

富集区，与母相完全共格 θθ´´´´：：成成分分接接近近CuAlCuAl2 2，，圆圆片片状状过过渡渡相相（（脱脱熔熔相相）），，正正方方点点阵阵，，与与母相共格，强化作用最强母相共格，强化作用最强 θθ´ ´：：成成分分接接近近CuAlCuAl2 2，，圆圆片片状状过过渡渡相相（（脱脱熔熔相相）），，与与母母相相呈呈半半共共格格关系，强化作用减弱关系，强化作用减弱 θθ：平衡相，：平衡相， CuAlCuAl2 2与母与母 相呈非共格关系，强相呈非共格关系，强 化作用显著减弱化作用显著减弱31第八章 固态相变第四节脱溶与调幅分解第四节 扩散型相变示例 二二 脱熔类型脱熔类型             根据脱熔过程中母相成分变化的特点，根据脱熔过程中母相成分变化的特点，脱熔过程分为连续脱熔和不连续脱熔脱熔过程分为连续脱熔和不连续脱熔      32第八章 固态相变第四节脱溶与调幅分解第四节 扩散型相变示例 脱溶组织形貌（连续脱熔）脱溶组织形貌（连续脱熔） 33第八章 固态相变第四节脱溶与调幅分解第四节 扩散型相变示例 二二 脱熔类型脱熔类型           连续脱熔：如果脱熔是在母相中各处同连续脱熔：如果脱熔是在母相中各处同时发生，且随新相的形成母相成分连续时发生，且随新相的形成母相成分连续变化，但其晶粒外形及位向均不改变，变化，但其晶粒外形及位向均不改变，则称之为连续脱熔。

如时效、回火等则称之为连续脱熔如时效、回火等             析出相的形态取决于析出相的结构和析出相的形态取决于析出相的结构和点阵常数与母相的接近程度，若两相能点阵常数与母相的接近程度，若两相能保持共格关系，析出相呈圆盘形，针状；保持共格关系，析出相呈圆盘形，针状；若不存在共格关系，则呈等轴状若不存在共格关系，则呈等轴状 　　　　             另外，连续脱熔还可能只呈现在某一另外，连续脱熔还可能只呈现在某一局部区域，如脱熔物优先在晶界、滑移局部区域，如脱熔物优先在晶界、滑移带、非共格孪晶界和位错处形成带、非共格孪晶界和位错处形成34第八章 固态相变第四节脱溶与调幅分解第四节 扩散型相变示例 二二 脱熔类型脱熔类型                  连续脱熔：均匀脱熔连续脱熔：均匀脱熔35第八章 固态相变第四节脱溶与调幅分解第四节 扩散型相变示例 二二 脱熔类型脱熔类型               连续脱熔：连续脱熔：          不均匀脱熔不均匀脱熔36第八章 固态相变第四节脱溶与调幅分解第四节 扩散型相变示例 二二 脱熔类型脱熔类型           不连续脱熔：多发生在过饱和度很大不连续脱熔：多发生在过饱和度很大的置换固熔体中，是从母相中同时析的置换固熔体中，是从母相中同时析出片层相间的两个相：出片层相间的两个相：α→→α’+β，与，与共共析转变相类似。

析转变相类似α是是过饱过饱和固溶体，和固溶体，α’是仍含有一定是仍含有一定过饱过饱和度的和度的α相，相，β是脱是脱熔相α’与与α结结构相同，但成分不同，构相同，但成分不同，有界面分开，故称不有界面分开，故称不连续连续脱熔由于脱熔由于脱熔脱熔产产物是靠着晶界突出的胞状物是靠着晶界突出的胞状组织组织，，又称胞状脱熔又称胞状脱熔脱熔胞长大时，熔质脱熔胞长大时，熔质原子只需在界面附近扩散原子只需在界面附近扩散(短程扩散短程扩散)，，双相胞向未发生成分变化的母相中生双相胞向未发生成分变化的母相中生长，所以不连续脱熔的生长速率很快长，所以不连续脱熔的生长速率很快 胞状脱熔使材料机械性能变坏，不希胞状脱熔使材料机械性能变坏，不希望发生37第八章 固态相变第四节脱溶与调幅分解第四节 扩散型相变示例 二二 脱熔类型脱熔类型           不连续脱熔不连续脱熔：：38第八章 固态相变第四节脱溶与调幅分解第四节 扩散型相变示例 三三脱溶动力学脱溶动力学 开开始始析析出出的的是是细细小小脱脱熔熔相相，，总总的的界界面面能能高高，，组组织织不不稳稳定定，，有有自自发发长长大大的的趋趋向向。

长长大大过过程程为为：：小小颗颗粒粒不不断断减减小小，，大大颗颗粒粒不不断断长长大大，，总总的的界界面面自由能降低自由能降低 39第八章 固态相变第四节脱溶与调幅分解第四节 扩散型相变示例四四 调幅分解调幅分解 调调幅幅分分解解：：指指过过饱饱和和固固溶溶体体在在一一定定温温度度下下分分解解成成结结构构相相同同、、成成分分不不同同的的两两个个相相的的过过程程调调幅幅分分解解是是自自发发的的脱脱溶溶过过程程它它不不需需形形核核，，而而是是通通过过溶溶质质原原子子的的上上坡坡扩扩散散形形成成结结构构相相同同而而成成分分呈呈周周期期性性波波动动的的纳纳米米尺尺度度共共格格微微畴畴，，以以连连续续变变化化的的溶溶质质富富集集区区与与贫贫化化区区彼彼此此交交替替地地均均匀匀分布于整体中分布于整体中404h第八章 固态相变第四节脱溶与调幅分解第四节 扩散型相变示例四四 调幅分解调幅分解 1 1 调调幅幅分分解解的的热热力力学条件学条件拐拐点点内内的的合合金金发发生生调幅分解；调幅分解；拐拐点点外外的的合合金金发发生生脱熔分解脱熔分解414h第八章 固态相变第四节脱溶与调幅分解第四节 扩散型相变示例四四 调幅分解调幅分解 2 2 调幅分解的特点：上坡扩散调幅分解的特点：上坡扩散424h第八章 固态相变第四节脱溶与调幅分解第五节 无扩散型相变示例 相相变变以以切切变变方方式式进进行行，，所所有有原原子子运运动动协协同同一一致致，，相相邻邻原原子子的的相相对对位位置置不不变变，，称称为协同型相变：如孪生、马氏体转变为协同型相变：如孪生、马氏体转变。

43第八章 固态相变第三节钢中相变第五节 无扩散型相变示例 马氏体转变马氏体转变 （（1 1）转变特点）转变特点 无扩散性无扩散性 切变共格与表面浮凸切变共格与表面浮凸 惯习面及位向关系惯习面及位向关系 转变是在一个温度范围内进行的转变是在一个温度范围内进行的 转变不完全（有残余奥氏体）转变不完全（有残余奥氏体） 44第八章 固态相变第三节钢中相变第五节 无扩散型相变示例 马氏体转变马氏体转变 （（1 1）马氏体结构与形态：马氏体是碳在）马氏体结构与形态：马氏体是碳在αα-Fe-Fe中的过中的过饱和固溶体，碳存在于八面体间隙中饱和固溶体，碳存在于八面体间隙中45第八章 固态相变第三节钢中相变第五节 无扩散型相变示例 （（2 2）马氏体结构与形态）马氏体结构与形态46©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E第八章 固态相变第三节钢中相变第五节 无扩散型相变示例1 1 马氏体相变的晶体学马氏体相变的晶体学 （（1 1）马氏体相变后的表面浮凸。

马氏体相变后的表面浮凸 47第八章 固态相变第三节钢中相变马氏体相变的惯习面马氏体相变的惯习面:（（1）低碳马氏体一般为）低碳马氏体一般为 (111)γ2）片状马氏体一般为）片状马氏体一般为 (225)γ或或 (259)γ 第五节 无扩散型相变示例1 1 马氏体相变的晶体学马氏体相变的晶体学 （（1 1））马马氏氏体体相相变变为为不不变变平平面面应应变变：：母母相相中中任任一一直直线线相相变变后后仍仍为为直直线线，，平平面面仍仍为为平平面面( (图图a),a),图图b b和和图图c c观察不到观察不到 48第八章 固态相变第三节钢中相变第五节 无扩散型相变示例1 1 马氏体相变的晶体学马氏体相变的晶体学 任任一一点点的的位位移移与与该该点点距距离离此此不不变变平平面面（（惯惯习习面面））的的距离成正比距离成正比 49第八章 固态相变第三节钢中相变第五节 无扩散型相变示例1 1 马氏体相变的晶体学马氏体相变的晶体学 马氏体相变中新旧相之间的晶体学位向关系马氏体相变中新旧相之间的晶体学位向关系 50第八章 固态相变第三节钢中相变（（1））Wc<1.4%的碳钢，马氏体与奥氏体之间具有的碳钢，马氏体与奥氏体之间具有K-S关系：关系： {111} γ // {110} M ，， 〈〈110〉〉γ // 〈〈111〉〉 M （（2））Wc>1.4%的碳钢，马氏体与奥氏体之间具有的碳钢，马氏体与奥氏体之间具有西山关系：西山关系： {111} γ // {110} M ，， 〈〈211〉〉γ // 〈〈011〉〉 M 第五节 无扩散型相变示例1 1 马氏体相变的晶体学马氏体相变的晶体学 马氏体的亚结构马氏体的亚结构 51第八章 固态相变第三节钢中相变（（1）低碳钢、中碳钢、）低碳钢、中碳钢、不锈钢淬火形成板条不锈钢淬火形成板条马氏体（位错马氏体）马氏体（位错马氏体）第五节 无扩散型相变示例1 1 马氏体相变的晶体学马氏体相变的晶体学 马氏体的组织结构马氏体的组织结构 52第八章 固态相变第三节钢中相变（（2）高碳钢（碳含量大于）高碳钢（碳含量大于0.6%)淬火形成片状马氏体淬火形成片状马氏体（孪晶马氏体）（孪晶马氏体）第五节 无扩散型相变示例1 1 马氏体相变的晶体学马氏体相变的晶体学 马氏体的组织结构马氏体的组织结构 53第八章 固态相变第三节钢中相变（（1）低碳钢、中）低碳钢、中碳钢、不锈钢淬火碳钢、不锈钢淬火形成板条形成板条马氏体马氏体（（2）高碳钢（碳）高碳钢（碳含量大于含量大于0.6%)淬淬火形成片状火形成片状马氏体马氏体板板条条马马氏氏体体片片状状马马氏氏体体位位错错马马氏氏体体孪孪晶晶马马氏氏体体低碳马氏体低碳马氏体高碳马氏体高碳马氏体第五节 无扩散型相变示例2 2 马氏体相变的晶体学表象理论马氏体相变的晶体学表象理论 54第八章 固态相变第三节钢中相变第五节 无扩散型相变示例3 3 马氏体相变的形核及动力学马氏体相变的形核及动力学 55第八章 固态相变第三节钢中相变（（1 1）马氏体的转变是一）马氏体的转变是一个形核及长大的过程。

个形核及长大的过程2）转变温度范围：）转变温度范围：Ms-Mf在Ms-Mf范围内，温范围内，温度越低，度越低，马氏体转变量越马氏体转变量越多第五节 无扩散型相变示例3 3 马氏体相变的形核及动力学马氏体相变的形核及动力学 56第八章 固态相变第三节钢中相变（（3 3）马氏体转变动力学：等温转变）马氏体转变动力学：等温转变马氏体马氏体，变温转，变温转变变马氏体马氏体、形变诱发、形变诱发马氏体马氏体4 4）残余奥氏体残余奥氏体第六节第六节 钢的热处理原理钢的热处理原理   热处理热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺 图图7-1 7-1 热处理工艺曲线示意图热处理工艺曲线示意图 6.1 6.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 1. 1. 转变临界温度转变临界温度 实际热处理加热和冷却时的相变是在不完全平衡的条件下进行的，相变温度与平衡相变点之间有一定差异加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温，而且加热和冷却速度愈大偏差愈大 图图7-2 7-2 加热和冷却速度对临界点的影响加热和冷却速度对临界点的影响 6.1 6.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变2. 2. 奥氏体的形成奥氏体的形成 （1）奥氏体的形成过程 钢加热时奥氏体的形成过程包括生核和长大两个基本过程。

以共析钢为例，珠光体向奥氏体的转变，包括奥氏体晶核的形成、奥氏体晶核的长大、剩余渗碳体的溶解和奥氏体成分的均匀化等过程 6.1 6.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 （（1 1）奥氏体的形成过程）奥氏体的形成过程 图图7-3 共析钢奥氏体形成过程示意图共析钢奥氏体形成过程示意图6.1 6.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变（（2）影响奥氏体转变的因素）影响奥氏体转变的因素  ①   加热温度 图图7-5 共析钢的奥氏体化曲线共析钢的奥氏体化曲线 6.1 6.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变（（2）影响奥氏体转变的因素）影响奥氏体转变的因素  ②   加热速度 图图7-6 加热速度对奥氏体转变的影响加热速度对奥氏体转变的影响 6.1 6.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变（（2）影响奥氏体转变的因素）影响奥氏体转变的因素③ 钢中碳质量分数 ④ 合金元素⑤ 原始组织6.1 6.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变3.  奥氏体的晶粒度及其奥氏体的晶粒度及其          影响因素影响因素 奥氏体晶粒细时，退火组织亦细，则强度、塑性、韧性较好；淬火马氏体也细，因而韧性得到改善。

 图图7-7 奥氏体晶粒大小对转变产物晶粒大小的影响奥氏体晶粒大小对转变产物晶粒大小的影响 3.  奥氏体的晶粒度及其影响因素奥氏体的晶粒度及其影响因素（（1）奥氏体晶粒度）奥氏体晶粒度 生产上一般采用标准晶粒度等级图用比较的方法来测定钢的奥氏体晶粒大小晶粒度通常分8级，1—4级为粗晶粒度；5—8级为细晶粒度；超过8级的为超细晶粒度3.  奥氏体的晶粒度及其影响因素奥氏体的晶粒度及其影响因素（（1）奥氏体晶粒度）奥氏体晶粒度 图图7-8 标准晶粒度等级示意图标准晶粒度等级示意图 3.  奥氏体的晶粒度及其影响因素奥氏体的晶粒度及其影响因素奥氏体的晶粒度有两种：①   实际晶粒度②   本质晶粒度      原冶金工业部标准中规定，钢加热到930℃±10℃，保温8h，冷却后测得的晶粒度为本质晶粒度图图7-9 本质细晶粒和本质粗晶粒本质细晶粒和本质粗晶粒 3.  奥氏体的晶粒度及其影响因素奥氏体的晶粒度及其影响因素（2）影响奥氏体晶粒度的因素①  加热温度和保温时间②  钢的成分 图图7-10 奥氏体形成及其晶粒长大示意图奥氏体形成及其晶粒长大示意图6.2   钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变冷却的方式通常有两种：（1）等温处理 将钢迅速冷却到临界点以下的给定温度，进行保温，使其在该温度下恒温转变。

2）连续冷却 将钢以某种速度连续冷却，使其在临界点以下变温连续转变6.2   钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变1.  过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体的等温转变（（1）共析钢过冷奥氏体的等温）共析钢过冷奥氏体的等温 转变转变图图7-11 共析钢等温转变图共析钢等温转变图（（1）共析钢过冷奥氏体的等温转变）共析钢过冷奥氏体的等温转变共析钢过冷奥氏体等温转变C曲线包括三个转变区：① 高温转变高温转变在A1～550℃之间，转变产物为珠光体，此温区称珠光体转变区 ② 中温转变中温转变在550℃～Ms之间，过冷奥氏体的转变产物为贝氏体（B），此温区称贝氏体转变区 ③ 低温转变低温转变温度低于Ms点（230℃），过冷奥氏体的转变产物为马氏体（M），因此低温转变区称为马氏体转变区（（2 2）非共析钢过冷奥氏体的等温转变）非共析钢过冷奥氏体的等温转变  与共析钢C曲线不同的是，亚共析钢C曲线在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素体的转变开始线亚共析钢随着含碳量的减少，C曲线位置往左移，同时Ms、Mf线往上移 图图7-12 457-12 45钢过冷钢过冷A A等温转变曲线等温转变曲线 （（2 2）非共析钢过冷奥氏体的等温转变）非共析钢过冷奥氏体的等温转变 过共析钢C曲线的上部为过冷A中析出二次渗碳体（Fe3CII）开始线。

在一般热处理加热条件下，过共析钢随着含碳量的增加，C曲线位置向左移，同时Ms、Mf线往下移 图图7-13 T107-13 T10钢过冷钢过冷A A的等温转变曲线的等温转变曲线 （（3 3）影响过冷奥氏体等温转变的因素）影响过冷奥氏体等温转变的因素 ① 合金元素合金元素 除钴以外，所有合金元素的溶入均增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移图图7-14 7-14 合金元素对碳钢合金元素对碳钢C C曲线的影响曲线的影响 （（3 3）影响过冷奥氏体等温转变的因素）影响过冷奥氏体等温转变的因素② 加热温度和时间加热温度和时间 (a) 加热温度为840℃ (b)加热温度为950℃图图7-15 7-15 在不同奥氏体化温度时的在不同奥氏体化温度时的C C曲线曲线 2.2.过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变 （1）共析钢过冷奥氏 体的连续冷却转变 共析钢过冷A连续冷却转变曲线中没有奥氏体转变为贝氏体的部分，在连续冷却转变时得不到贝氏体组织 图图7-16 7-16 共析钢的连续冷却转变曲线共析钢的连续冷却转变曲线 （（1 1）共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变）共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变图图7-17 7-17 共析钢的等温转变曲线和连续共析钢的等温转变曲线和连续 冷却转变曲线的比较及转变组织冷却转变曲线的比较及转变组织 （（2 2）非共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变）非共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变  亚共析钢过冷A在高温时有一部分将转变为铁素体，亚共析钢过冷A在中温转变区会有少量贝氏体（上B）产生。

图图7 7－－18 18 亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 （（2 2）非共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变）非共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 在高温区，过共析钢过冷A首先析出二次渗碳体，而后转变为其他组织组成物由于奥氏体中碳含量高，所以油冷、水冷后的组织中应包括残余奥氏体与共析钢一样，其冷却过程中无贝氏体转变 图图7-19 7-19 过共析钢过冷过共析钢过冷A A的连续冷却转变的连续冷却转变 6.3 6.3 珠光体转变珠光体转变  共析成分的奥氏体过冷到珠光体转变区内等温停留时，将发生共析转变，形成珠光体珠光体转变可以写成如下的共析反应式:                           0.77%C 0.0218%C 6.69%C 面心立方 体心立方 复杂斜方 6.3 6.3 珠光体转变珠光体转变1. 1. 片状珠光体的形成片状珠光体的形成 图图7-20 7-20 共析钢奥氏体向珠光体等温转变过程示意图共析钢奥氏体向珠光体等温转变过程示意图 1. 1. 片状珠光体的形成片状珠光体的形成 珠光体的形成机理有两种：一种是“分片形成机理”，另一种是“分枝形成机理”。

图图7-21 7-21 珠光体分片形成示意图珠光体分片形成示意图 1. 1. 片状珠光体的形成片状珠光体的形成图图7-22 7-22 珠光体分枝形成示意图珠光体分枝形成示意图 2. 2. 粒状珠光体的形成粒状珠光体的形成  粒状珠光体的形成机理完全不同于片状珠光体粒状珠光体既可以由过冷奥氏体直接分解而成，也可以由片状珠光体球化而成，还可以由淬火组织回火而形成图图7-23 7-23 粒状珠光体粒状珠光体 3. 3. 珠光体的组织和性能珠光体的组织和性能  珠光体是铁素体和渗碳体的共析混合物根据共析渗碳体的形状，珠光体分为片状珠光体和粒状珠光体两种根据共析渗碳体的大小，又可分为珠光体、索氏体和屈氏体三种 3. 3. 珠光体的组织和性能珠光体的组织和性能 片层间距是片状珠光体的一个主要指标，是指珠光体中相邻两片渗碳体的平均距离片层间距的大小主要取决于过冷度组织名称（符号）形成温度范围/℃片层间距/μ m硬度珠光体（P）索氏体（S）屈氏体（T）A1～650650～600600～550>0.40.4～0.2<0.2170～200HB25～35HRC35～40HRC表表7-2 7-2 共析钢的珠光体转变产物共析钢的珠光体转变产物 3. 3. 珠光体的组织和性能珠光体的组织和性能 片状珠光体的性能主要取决于片层间距。

片层间距越小，则珠光体的强度和硬度越高，同时塑性和韧性也变好 图图7-25 7-25 共析钢珠光体的机械性能共析钢珠光体的机械性能 与片层间距和转变温度的关系与片层间距和转变温度的关系 3. 3. 珠光体的组织和性能珠光体的组织和性能 共析渗碳体的形状对于珠光体的性能也有重要影响，在相同的硬度下，粒状珠光体比片状珠光体的拉伸性能好得多 图图7-26 7-26 共析钢在相同硬度下片状珠光体共析钢在相同硬度下片状珠光体 与粒状珠光体的性能比较与粒状珠光体的性能比较 6.4 6.4 马氏体转变马氏体转变  当奥氏体的冷却速度大于上临界冷速时，便过冷到马氏体点Ms以下，发生马氏体转变，形成马氏体 马氏体转变发生在比较低的温度区内，而且是在连续冷却过程中进行的马氏体转变是典型的非扩散型相变，也称为切变型相变1.1.马氏体的组织、结构和性能马氏体的组织、结构和性能 （1）马氏体的晶体结构 马氏体是碳在 中的过饱和固溶体，具有体心正方晶格其中，c轴比其他两个a轴长一些，轴比c/a称为马氏体的正方度 图图7-27 7-27 马氏体的体心正方晶格马氏体的体心正方晶格 1.1.马氏体的组织、结构和性能马氏体的组织、结构和性能（2）马氏体的组织形态 马氏体的形态一般分板条状和针状（或片状）两种其形态决定于奥氏体的碳质量分数。

图图7-28 7-28 马氏体形态与碳含量的关系马氏体形态与碳含量的关系 1.1.马氏体的组织、结构和性能马氏体的组织、结构和性能（2）马氏体的组织形态图图7-29 7-29 低碳马氏体的组织形态低碳马氏体的组织形态 1.1.马氏体的组织、结构和性能马氏体的组织、结构和性能（2）马氏体的组织形态图图7-30 7-30 高碳高碳马马氏体的氏体的组织组织形形态态 1.1.马氏体的组织、结构和性能马氏体的组织、结构和性能（3）马氏体的性能 马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体的碳质量分数 图图7-31 7-31 马氏体的硬度与其碳质量分数的关系马氏体的硬度与其碳质量分数的关系 1.1.马氏体的组织、结构和性能马氏体的组织、结构和性能马氏体强化的原因主要有以下几方面：1.碳对马氏体的固溶强化作用2.马氏体的亚结构对强化和硬化的作用3.马氏体形成后，碳及合金元素向位错和其他晶体缺陷处偏聚或析出，使位错难以运动，造成时效硬化4.马氏体条或马氏体片的尺寸越小，则马氏体的强度越高，这实质上是由于相界面阻碍位错运动而造成的，属于界面结构强化1.1.马氏体的组织、结构和性能马氏体的组织、结构和性能马氏体塑性、韧性主要取决于其亚结构。

片状马氏体：微细孪晶不利于滑移，使脆 性增大；碳质量高，畸变 大，淬火应力较大，存在显 微裂纹板条马氏体：高密度位错不均匀，存在低密度 区，位错可运动；碳质量低，自回火，畸 变很小，淬火应力很小，不存在显 微裂纹总之：片状马氏体很硬很脆；板条马氏体又韧又强2.2.马氏体转变的特点马氏体转变的特点 （1）奥氏体向马氏体的转变为非扩散型转 变2）马氏体的形成速度极快（小于10-7s） （3）马氏体转变是不彻底的，总要残留少量奥 氏体 4）马氏体形成时体积膨胀 6.5 6.5 贝氏体转变贝氏体转变 共析成分的奥氏体过冷到大约550℃～240℃的中温区内保温，便发生奥氏体向贝氏体的转变，形成贝氏体钢在等温淬火过程中发生的转变就是贝氏体转变 1.1.贝氏体的组织和性能贝氏体的组织和性能 （1）贝氏体组织 贝氏体是奥氏体在中温区的共析产物，是由含碳过饱和的铁素体和碳化物组成的两相混合物，其组织和性能都不同于珠光体 图图7-35 7-35 上贝氏体的形态上贝氏体的形态 1.1.贝氏体的组织和性能贝氏体的组织和性能 （1）贝氏体组织 图图7-36 7-36 下贝氏体的形态下贝氏体的形态 1.1.贝氏体的组织和性能贝氏体的组织和性能（2）贝氏体性能 图图7-38 7-38 共析钢的机械性能与等温转变温度的关系共析钢的机械性能与等温转变温度的关系 2. 2. 贝氏体的形成过程贝氏体的形成过程  奥氏体向贝氏体的转变属于半扩散型转变。

在贝氏体形成过程中，铁原子不扩散而碳原子还有一定的扩散能力1）上贝氏体的形成过程 图图7-39 7-39 上贝氏体形成机制示意图上贝氏体形成机制示意图 2. 2. 贝氏体的形成过程贝氏体的形成过程（2）下贝氏体的形成过程 图图7-40 7-40 下贝氏体形成机制示意图下贝氏体形成机制示意图 7 7 钢的热处理工艺钢的热处理工艺  按照应用特点，常用热处理工艺可大致分为下列几类：1.普通热处理 包括退火、正火、淬火和回火 等2.表面热处理和化学热处理 表面热处理包括感应加热淬火、火焰加热淬火和电接触加热淬火等；化学热处理包括渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗硫、渗硅、渗铝、渗铬等3.其他热处理 包括可控气氛热处理、真空热处理、形变热处理等 7.1 7.1 钢的普通热处理钢的普通热处理 1 1．退火．退火 将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火 根据处理的目的和要求不同，钢的退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等等 1．退火．退火 (a)加热温度范围 (b)工艺曲线图图7-41 碳钢各种退火和正火工艺规范示意图碳钢各种退火和正火工艺规范示意图1．退火．退火（1） 完全退火 完全退火又称重结晶退火，是把钢加热至Ac3以上20℃～30℃, 保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却）, 以获得接近平衡组织的热处理工艺。

亚共析钢经完全退火后得到的组织是F+P1．退火．退火（1） 完全退火 完全退火的目的在于，通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，以提高性能；或使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态的组织，以降低硬度，改善切削加工性能由于冷却速度缓慢，还可消除内应力 1．退火．退火（1） 完全退火表表7-3   45钢锻造后与完全退火后的机械性能比较钢锻造后与完全退火后的机械性能比较 状态 / MPa / MPa/ ％/ ％/ kJ·m-2 硬度/HB锻造后完全退火后 650-750600-700 300-400300-350 5-1515-20 20-4040-50 200-400400-600 ≤229≤207 1．退火．退火（2）等温退火等温退火是将钢件或毛坯加热到高于Ac3（或Ac1）的温度, 保温适当时间后, 较快地冷却到珠光体区的某一温度, 并等温保持, 使奥氏体转变为珠光体组织, 然后缓慢冷却的热处理工艺 1．退火．退火（3）球化退火球化退火为使钢中碳化物球状化的热处理工艺球化退火主要用于过共析钢, 如工具钢、滚珠轴承钢等，目的是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前先正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能，并为以后的淬火作组织准备。

1．退火．退火（3）球化退火图图7-42 球化退火组织球化退火组织1．退火．退火（4） 扩散退火 为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线的温度，长时间保温并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为扩散退火或均匀化退火1．退火．退火(5) 去应力退火 为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退火，称为去应力退火去应力退火是将钢件加热至低于Ac1的某一温度(一般为500℃～650℃), 保温, 然后随炉冷却, 这种处理可以消除约50%～80%的内应力, 不引起组织变化 2．正火．正火   钢材或钢件加热到Ac3(对于亚共析钢)和Accm(对于过共析钢)以上30℃～50℃, 保温适当时间后, 在自由流动的空气中均匀冷却的热处理称为正火正火后的组织：亚共析钢为F+S, 共析钢为S, 过其析钢为S+Fe3CII 2．正火．正火  正火与完全退火的主要差别在于冷却速度快些，目的是使钢的组织正常化，所以亦称常化处理，一般应用于以下方面：（1）作为最终热处理（2）作为预先热处理（3）改善切削加工性能3．淬火．淬火         将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。

淬火是钢的最重要的强化方法 3．淬火．淬火（1）淬火工艺    ①  淬火温度的选定  在一般情况下，亚共析钢的淬火加热温度为Ac3以上30℃～50℃；共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上30℃～50℃图图7-43 钢的淬火温度范围钢的淬火温度范围（1）淬火工艺②  加热时间的确定加热时间包括升温和保温两个阶段的时间③ 淬火冷却介质常用的冷却介质是水和油水在生产上主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火淬火用油为各种矿物油(如锭子油、变压器油等）油一般用作合金钢的淬火介质 （1）淬火工艺④  淬火方法常用的淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火等 1-单介质淬火 2-双介质淬火 3-分级淬火 4-等温淬火图图7-44 不同淬火方法示意图不同淬火方法示意图（2）钢的淬透性  ① 钢的淬透性及其测定方法 钢接受淬火时形成马氏体的能力叫做钢的淬透性不同成分的钢淬火时形成马氏体的能力不同，容易形成马氏体的钢淬透性高（好），反之则低（差）淬透性可用“末端淬火法”来测定（2）钢的淬透性①  钢的淬透性及其测定方法 (a) 试样尺寸及冷却方法 (b) 淬透性曲线的测定图图7-45 用末端淬火法测定钢的淬透性用末端淬火法测定钢的淬透性（2）钢的淬透性        在实际生产中, 往往要测定淬火工件的淬透层深度。

所谓淬透层深度即是从试样表面至半马氏体区(马氏体和非马氏体组织各占一半)的距离 在同样淬火条件下, 淬透层深度越大, 则反映钢的淬透性越好 （2）钢的淬透性         半马氏体组织比较容易由显微镜或硬度的变化来确定半马氏体组织和马氏体一样, 硬度主要与其碳质量分数有关, 而与合金元素质量分数的关系不大a) 45钢和40Cr钢的淬透性曲线 (b) 半马氏体硬度与碳含量的关系曲线图图7-47 利用淬透性曲线比较钢的淬透性利用淬透性曲线比较钢的淬透性（2）钢的淬透性  钢淬火后硬度会大幅度提高，能够达到的最高硬度称为钢的淬硬性，它主要决定于马氏体的碳质量分数 （2）钢的淬透性②  影响淬透性的因素 钢的淬透性由其临界冷却速度决定临界冷却速度越小，即奥氏体越稳定，则钢的淬透性越好因此，凡是影响奥氏体稳定性的因素，均影响钢的淬透性a)   碳质量分数 (b)  合金元素 (c)  奥氏体化温度 (d)  钢中未溶第二相 （2）钢的淬透性③ 淬透性曲线的应用       利用淬透性曲线, 可比较不同钢种的淬透性淬透性不同的钢材经调质处理后, 沿截面的组织和机械性能差别很大。

  (a) 40CrNiMo完全淬透; (b) 40Cr钢淬透较大厚度; (c) 40钢淬透较小厚度图图7-48 淬透性不同的钢调质后淬透性不同的钢调质后 机械性能的比较机械性能的比较 4．回火回火         钢件淬火后, 为了消除内应力并获得所要求的组织和性能, 将其加热到Ac1以下某一温度, 保温一定时间, 然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火4．回火回火根据回火温度的高低，一般将回火分为三种： （1）低温回火 回火温度为150℃～250℃在低温回火时，从淬火马氏体内部会析出碳化物（Fe2,4C）薄片，马氏体的过饱和度减小部分残余奥氏体转变为下贝氏体, 但量不多所以低温回火后组织为回火马氏体＋残余奥氏体 低温回火的目的是降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度和高耐磨性主要用于处理各种高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳和表面淬火的零件 4．回火回火（2）中温回火回火温度为350℃～500℃，得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，叫做回火屈氏体(回火T)铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗大。

回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35HRC～45HRC主要用于处理各类弹簧4．回火回火（3）高温回火   回火温度为500℃～650℃, 得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织, 称回火索氏体 图图7-49 回火索氏体回火索氏体 500×（3）高温回火      回火索氏体(回火S)综合机械性能最好, 即强度、塑性和韧性都比较好，硬度一般为25HRC～35HRC 通常把淬火加高温回火称为调质处理，各种重要的机器结构件，特别是受交变载荷的零件，如连杆、轴、齿轮等广泛采用调质处理工艺 4．回火回火          随着回火温度的升高, 碳钢的硬度、强度降低，塑性提高，但回火温度太高，则塑性会有所下降图图7-50 钢的硬度随回火温度的变化钢的硬度随回火温度的变化 4．回火回火图图7-51 钢机械性能与回火温度的关系钢机械性能与回火温度的关系 4．回火回火图图7-52 淬火钢中马氏体的碳含量、残余奥氏体量、内应力淬火钢中马氏体的碳含量、残余奥氏体量、内应力 及碳化物粒子大小与回火温度的关系及碳化物粒子大小与回火温度的关系7.2  钢的表面热处理钢的表面热处理        仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理, 也叫表面淬火。

按照加热的方式，有感应加热、火焰加热、电接触加热和电解加热等表面热处理，最常用的是前两种1．感应加热表面热处理感应加热表面热处理 图图7-53 感应加热表面淬火示意图感应加热表面淬火示意图1．感应加热表面热处理感应加热表面热处理  表面淬火一般用于中碳钢和中碳低合金钢,如45、40Cr、40MnB钢等这类钢经预先热处理(正火或调质)后表面淬火, 心部保持较高的综合机械性能, 而表面具有较高的硬度(>50HRC)和耐磨性2．火焰加热表面热处理．火焰加热表面热处理         火焰加热表面淬火，是用乙炔－氧或煤气－氧等火焰加热工件表面，然后进行淬火 图图7-54 火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火示意图7.3  钢的化学热处理钢的化学热处理        化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程 按照表面渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等化学热处理能有效地提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性能以及疲劳强度等7.3  钢的化学热处理钢的化学热处理        钢件表面化学成分的改变，取决于处理过程中发生的以下三个基本过程：1.  介质的分解2.  表面吸收 3.  原子扩散1．渗碳．渗碳（1）渗碳的目的 为了增加表层的碳质量分数和获得一定的碳浓度梯度, 钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面的工艺称为渗碳。

渗碳使低碳(碳质量分数0.15%～0.30%)钢件表面获得高碳浓度（碳质量分数约1.0%），在经过适当淬火和回火处理后，可提高表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，而使心部仍保持良好的韧性和塑性 1．渗碳．渗碳（2）渗碳方法常用的是气体渗碳方法将工件装在密封的渗碳炉中，加热到900℃～950℃，向炉内滴入易分解的有机液体（如煤油、苯、甲醇等），或直接通入渗碳气体（如煤气、石油液化气等），通过下列反应产生活性碳原子，使钢件表面渗碳：2CO→CO2+[C]CO2+H2→H2O+[C]CnH2n→nH2+n[C]CnH2n+2→(n+1)H2+n[C]1．渗碳．渗碳（3）渗碳工艺渗碳工艺参数包括渗碳温度和渗碳时间等奥氏体的溶碳能力较大，因此渗碳加热到Ac3以上渗碳温度一般采用900℃～950℃渗碳时间则决定于渗层厚度的要求在900℃渗碳，保温1h， 渗层厚度为0.5mm, 保温4h, 渗层厚度可达1mm1．渗碳．渗碳图图7-55 气体渗碳装置示意图气体渗碳装置示意图1．渗碳．渗碳        低碳钢渗碳后缓冷下来的显微组织：表面为珠光体和二次渗碳体(过共析组织), 心部为原始亚共析组织(珠光体和铁素体), 中间为过渡组织。

图图7-56 低碳钢渗碳缓冷后的显微组织低碳钢渗碳缓冷后的显微组织1．渗碳．渗碳（4）渗碳后的热处理 (a)、(b)直接淬火; (c)一次淬火; (d)二次淬火 图图7-57 渗碳后的热处理示意图渗碳后的热处理示意图1．渗碳．渗碳（5）钢渗碳、淬火、回火后的组织和性能渗碳件组织：表层为高碳回火马氏体+碳化物+残余奥氏体，心部为低碳回火马氏体（或含铁素体、屈氏体） 渗碳体性能为：① 表面硬度高，耐磨性较好; 心部韧性较好,   硬度较低② 疲劳强度高2．氮化．氮化         氮化就是向钢件表面渗入氮的工艺 氮化的目的在于更大地提高钢件表面的硬度和耐磨性，提高疲劳强度和抗蚀性 （1）氮化工艺 目前广泛应用的是气体氮化氨被加热分解出活性氮原子（2NH3→3H2+2[N]), 氮原子被钢吸收并溶入表面, 在保温过程中向内扩散, 形成渗氮层2．氮化．氮化气体氮化与气体渗碳相比, 其特点是:①   氮化温度低, 一般为500℃～600℃② 氮化时间长，一般为20h～50h，氮化层厚度为0.3mm～0.5mm③ 氮化前零件须经调质处理。

2．氮化．氮化（2）氮化件的组织和性能① 钢件氮化后具有很高的硬度，且在600℃～650℃下保持不下降，所以具有很高的耐磨性和热硬性② 钢氮化后, 渗层体积增大, 造成表面压应力, 使疲劳强度大大提高③ 氮化温度低, 零件变形小④ 氮化后表面形成致密的化学稳定性较高的ε相层, 所以耐蚀性好, 在水、过热蒸气和碱性溶液中均很稳定 3．碳氮共渗．碳氮共渗        碳氮共渗就是同时向零件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺，又称氰化主要采用气体碳氮共渗，可分为高温和低温两种方法低温碳氮共渗以氮为主，实质上就是软氮化 几种表面热处理和化学热处理的比较几种表面热处理和化学热处理的比较 7.4  钢的热处理新技术钢的热处理新技术1.  可控气氛热处理可控气氛热处理 在炉气成分可控制的炉内进行的热处理称为可控气氛热处理 可控气氛热处理能减少和避免钢件在加热过程中氧化和脱碳，节约钢材，提高工件质量；可实现光亮热处理，保证工件的尺寸精度；可进行控制表面碳浓度的渗碳和碳氮共渗，可使已脱碳的工件表面复碳等7.4  钢的热处理新技术钢的热处理新技术2.  真空热处理真空热处理 在真空中进行的热处理称为真空热处理。

它包括真空淬火、真空退火、真空回火和真空化学热处理等 真空热处理的效果：1. 减少变形2. 净化表面 3. 脱气作用7.4  钢的热处理新技术钢的热处理新技术2.  真空热处理真空热处理 真空热处理的应用：1. 真空退火2. 真空淬火3. 真空渗碳7.4  钢的热处理新技术钢的热处理新技术3．离子渗扩热处理．离子渗扩热处理 图图7-61 离子渗扩炉示意图离子渗扩炉示意图7.4  钢的热处理新技术钢的热处理新技术4．形变热处理．形变热处理 形变强化和热处理强化都是金属及合金最基本的强化方法将塑性变形和热处理有机结合起来，以提高材料机械性能的复合热处理工艺，称为形变热处理4．形变热处理．形变热处理 （1）高温形变热处理  高温形变热处理是将钢加热到奥氏体区域进行塑性变形，然后立即淬火和回火的工艺方法图图7-63 高温形变热处理工艺曲线示意图高温形变热处理工艺曲线示意图 4．形变热处理．形变热处理（2）中温形变热处理        中温形变热处理是将钢加热到稳定的奥氏体状态后, 迅速冷却到过冷奥氏体的亚稳区进行塑性变形, 然后淬火和回火图图7-64 中温形变热处理工艺曲线示意图中温形变热处理工艺曲线示意图7.4  钢的热处理新技术钢的热处理新技术5．激光加热表面淬火．激光加热表面淬火 激光加热表面淬火是利用高能量密度的激光束扫描工件表面, 将其迅速加热到钢的相变点以上, 然后依靠零件本身的传热, 来实现快速冷却淬火。