第七章鋼的淬火和回火

1、中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院 第七章 鋼的淬火和回火 （1） 7.1 7.1 馬氏體相變的基本理論馬氏體相變的基本理論 7.2 7.2 鋼中的馬氏體相變鋼中的馬氏體相變 7.3 7.3 鋼的淬火鋼的淬火中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院引言Times of cool-weapons or hot-weaponsPerformance of the quenched and/or tempered steels. 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(qiáng)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)

2、揮潛力而采用再加熱保溫：時(shí)效/回火。What is the change in microstructure?中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院7.1 7.1 馬氏體相變的基本理論馬氏體相變的基本理論 德國(guó)冶金學(xué)家Adolph Martens首先在鋼中觀察到M。當(dāng)鋼的奧氏體以大于臨界淬火速度冷卻到從Ms點(diǎn)以下時(shí)，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)。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院7.1.1 7.1.1 馬氏體相變的基本特征馬氏體相變的基本特征1 1無擴(kuò)散性無擴(kuò)散性 : : 替代式原子

3、的移動(dòng)不超過一個(gè)原子間距。間隙式可能擴(kuò)散（碳擴(kuò)散不是M轉(zhuǎn)變的控制因素）。 原子協(xié)同運(yùn)動(dòng)，相鄰關(guān)系不變。 晶體結(jié)構(gòu)變化 化學(xué)成分不變化 切變式位移切變式位移中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院2 2表面浮凸和形狀改變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中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院3 3慣習(xí)面及其不應(yīng)變性慣習(xí)面及其不應(yīng)變性 Fe0.51.4C 225 鈦合金 344 孿生切變 馬氏體相變有宏觀應(yīng)變 慣習(xí)面無宏觀可測(cè)的應(yīng)變4 4新、舊相之間有位向關(guān)系新、舊相之間有位向關(guān)系 K-S關(guān)系（1.4

4、%鋼）： 111/110M (101) /(110)M N關(guān)系（Fe30%Ni合金 ）：西山關(guān)系 111/110M和(211) /(110)M ) 不變平面應(yīng)變不變平面應(yīng)變中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院5 5馬氏體內(nèi)往往有亞結(jié)構(gòu)馬氏體內(nèi)往往有亞結(jié)構(gòu) 高密度位錯(cuò)或細(xì)微孿晶 （鐵基合金） 孿晶或?qū)渝e(cuò)（有色合金） 應(yīng)變?cè)诤暧^上均勻，微觀不均勻。 -M內(nèi)的細(xì)微亞結(jié)構(gòu)是相變時(shí)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(diǎn)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。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院6 6馬氏體相變的可逆性馬氏體相變的可逆性

5、 鋼中M + 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?yàn)轳R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(cè)But for some alloys, e.g. Co-Ni alloy, the martensitic transformation Fcchcp is irreversible. And the surfacerelieves formed during forward transformation will not disappear upon the reverse transformation.Is the formation

6、 of relief reversible?中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院OM, SEM, TEM images for the Lath martensite in 0.13wt.%C Steel quenched from 1273K中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院TTE 無 T2TE 中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院7.1.3 7.1.3 馬氏體相變的形核馬氏體相變的形核形核位置形核位置 ：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(diǎn)：一種觀點(diǎn)：依靠冷卻獲得驅(qū)動(dòng)

7、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(cuò)圈擴(kuò)張 110 , 225 產(chǎn)生新位錯(cuò)圈554 Ref.：Olson and Cohen層錯(cuò)形核：FCC to HCP in Co and Ni- Cr stainless steel.M胚芽的Frank模型中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院7.1.4 7.1.4 馬氏體相變的晶體學(xué)馬氏體相變的晶體學(xué)1 1經(jīng)典理論經(jīng)典理論 貝茵(E C Bain) 模型：沿一個(gè)軸適當(dāng) 收縮，沿另兩個(gè)軸適當(dāng)膨脹。 能解釋無擴(kuò)散性及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，但不能 解釋慣習(xí)面及其不變平面應(yīng)變特征。 隨后發(fā)展了多個(gè)模型，但有局限！2 2馬

8、氏體相變晶體學(xué)的唯象理論馬氏體相變晶體學(xué)的唯象理論 ( (三三過程過程) )Bain關(guān)系中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院2) 新點(diǎn)陣產(chǎn)生點(diǎn)陣不變的切變，以得到一個(gè)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(xì)區(qū)域的周期性滑移或?qū)\生 3) 馬氏體點(diǎn)陣作剛性轉(zhuǎn)動(dòng)，使零畸變平面回到原始位置，以獲得無畸變、不轉(zhuǎn)動(dòng)的平面，即慣習(xí)面OAB慣習(xí)面1) 母相中產(chǎn)生改變點(diǎn)陣的形變，特定結(jié) 構(gòu)單位轉(zhuǎn)變成馬氏體點(diǎn)陣的晶胞。 貝茵形變，點(diǎn)陣變化 點(diǎn)陣不變應(yīng)變中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院7.1.5 7.1.5 馬氏體相變的動(dòng)力學(xué)馬氏體相變的動(dòng)

9、力學(xué)變溫馬氏體變溫馬氏體 隨著溫度降低，馬氏體量增加。有效晶核取決于T，靠長(zhǎng)大 非熱激活形核+非熱學(xué)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(kuò)散 自發(fā)形變引起的基體加工硬化 位錯(cuò)，切變，長(zhǎng)大快多數(shù)碳鋼多數(shù)合金鋼中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院恒溫馬氏體恒溫馬氏體 Ms點(diǎn)以下的溫度停留，馬氏體數(shù)量依靠新核與長(zhǎng)大逐漸增加。共格應(yīng)變，誘發(fā)新的M核心形成，熱激活，長(zhǎng)大快但相變慢。爆發(fā)型馬氏體爆發(fā)型馬氏體 自觸發(fā)， 形成速度極快M等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)爆發(fā)型M轉(zhuǎn)變曲線中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院7.2 7.2 鋼中的馬氏體相變鋼中的馬氏體相變

10、7.2.1 7.2.1 鋼中馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)、組織形態(tài)和力學(xué)性能鋼中馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)、組織形態(tài)和力學(xué)性能1. 1. 馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)馬氏體的晶體結(jié)構(gòu) M：碳在-Fe中的過飽和、間隙式固溶體 。含C量低時(shí)為BCC；高時(shí)為BCT（有時(shí)仍保持BCC結(jié)構(gòu)）。 還有正交或其它還有正交或其它M。C占據(jù)BCC中的八面體間隙中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院2 2馬氏體的組織形態(tài)馬氏體的組織形態(tài) Type 1: Lath martensite 低碳鋼、 低碳合金鋼、 馬氏體時(shí)效鋼 不銹鋼 Sub-microstructure: high- density dislocations束內(nèi)條間

11、可能有310nm薄膜A，在低C的中可富C達(dá)0.41.04%C。可見鐵原子切變可容許C擴(kuò)散。Schematic structure of lath M中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院別名：位錯(cuò)別名：位錯(cuò)M位錯(cuò)源于點(diǎn)陣不變切變，為相變亞結(jié)構(gòu)。 OM：中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Fe-32Ni合金M電鏡照片 Fe-32Ni合金中的片狀M，500XType 2: Twin M（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(cuò)組列 在M周圍有少量參余A OM中片狀M的組織示意圖中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院影

12、響馬氏體形態(tài)的因素影響馬氏體形態(tài)的因素 含碳量: C%增加, 片狀增多 1.0時(shí), 全為片狀馬氏體A中含C量對(duì)M形態(tài)的影響 中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Lath martensite in the 2.25Cr-1Mo low alloyed steel quenched in water after austenizing.合金元素：合金元素：CrCr、MoMo、CoCo、Ni%Ni%增加增加, , 片狀增加片狀增加中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Lenticular martensite in Fe-32%Ni alloy.中南大學(xué)中南大

13、學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院工藝參數(shù)：形成溫度高工藝參數(shù)：形成溫度高, , 板條狀；板條狀； 形成溫度低形成溫度低, , 片狀片狀 是否與是否與Ms有關(guān)？有關(guān)？溫度對(duì)滑移與孿生臨界切應(yīng)力的影響溫度對(duì)滑移與孿生臨界切應(yīng)力的影響中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院LM stands for lath martensite, TM for twin martensite, and C for carbides in Fe1.4C1.6Cr1.5Al0.35Si0.42Mn heating at 900OC for 30min then quenched in wat

14、er.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院(Continued), heated at 900OC for 60min then quenchedThere are many other types of M in various alloysQuestion?To analyze the effect of T for austenization on M formation in different carbon steels.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院3Mechanical properties of M (1) Strengthenin

15、g: From solid solution 間隙原子: 非對(duì)稱畸變中心(碳原子)的非均勻應(yīng)力場(chǎng)會(huì)與位錯(cuò)產(chǎn)生強(qiáng)烈的交互作用，因而強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致強(qiáng)化。 馬氏體中溶入替代溶質(zhì)原子導(dǎo)致強(qiáng)化 From aging 碳原子在馬氏體界面、孿晶界面及其他點(diǎn)陣缺陷處偏聚或生成IMCFrom microstructures: Sub-structures and primary A grain 高密度位錯(cuò)、細(xì)微孿生，且碳原子往往偏聚于位錯(cuò)、板條界面或 孿晶面上，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。 原始A晶粒尺寸影響M的晶粒尺寸。 Fe-Ni-C合金M在0OC時(shí)的流變 應(yīng)力和含碳量之間的關(guān)系中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MS

16、E_材料科學(xué)與工程學(xué)院(2) Plasticity and toughness 在相同強(qiáng)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(qiáng)度、塑性、韌性1：Ms=-25OC; 2: Ms=350OC中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Reasoning:a. 板條狀位錯(cuò)易沿滑移面運(yùn)動(dòng)，片狀晶機(jī)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(kuò)展，片狀晶中的孿晶界造成位錯(cuò)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(zhǎng)大過程中不會(huì)互相沖撞，互成一定角

17、度的片狀晶在高速長(zhǎng)大時(shí)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(cuò)，位錯(cuò)處的碳原子偏聚區(qū)或優(yōu)先析出的碳化物相對(duì)地比較細(xì)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(kuò)展。e. 板條M低脆性轉(zhuǎn)變溫度、低缺口敏感 中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院7.2.2 7.2.2 鋼中馬氏體相變的一些基本規(guī)律鋼中馬氏體相變的一些基本規(guī)律 1 1馬氏體相變的溫度范圍及其影響因素馬氏體相變的溫度范圍及其影響因素 MsMf 含C%增大，M轉(zhuǎn)變點(diǎn)下降。SSSS from higher C content! C%0.8%,下降慢 合

18、金元素，降低Ms（Al、Co提高M(jìn)s） 奧氏體化溫度高，Ms高? (Thermal Stress helps shear strain! But if the amount of defects reduces, nucleation of M will be more difficult!) 冷卻速度一般很少影響Ms 2 2馬氏體相變的速度馬氏體相變的速度: : 10-7s for a piece of M中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院3 3慣習(xí)面、孿晶面和位向關(guān)系慣習(xí)面、孿晶面和位向關(guān)系 慣習(xí)面: 板條狀 111，recently 557 片狀: change w

19、ith alloy, e.g. 0.51.4 C% 225, 1.51.8 C% 259 , For same steel, when TMs, 259changes to 225with T increase. 片狀M的形態(tài)會(huì)由于慣析面不同而略有差異。孿晶面: 片狀 112M 110位向關(guān)系: K-S關(guān)系或近K-S關(guān)系中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院4Remained Austenite 存在原因：未轉(zhuǎn)變的奧氏體高密度位錯(cuò)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(jì)90年代開發(fā)的高合金超級(jí)M鋼Fe-0

20、.5Mn-0.2Si-12Cr-6Ni-2.5Mo-0.2Cu-0.05N-0.01C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(shí)M量隨溫度的變化Fe-C合金淬火至室溫后的殘余A量中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院5 5奧氏體的熱穩(wěn)定化奧氏體的熱穩(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(shí)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（、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 6塑性變形和應(yīng)力對(duì)馬氏體相變的影響塑性變形和應(yīng)力對(duì)馬氏體相變的影響 (TMd)外加應(yīng)力促進(jìn)

21、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(jìn)M形成。切應(yīng)力分量！應(yīng)力誘發(fā) A機(jī)械穩(wěn)定化 矛盾？MdMsMfG1.27C鋼的熱穩(wěn)定化中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Relationship between stress and temperature for martensitic transformation中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院其它物理場(chǎng)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(xí)面的應(yīng)變：多向應(yīng)力是否迎合？切應(yīng)力分

22、量與慣析面取向是否一致! Fe-2.96Ni在單向壓應(yīng)力增加，Ms點(diǎn)升高，轉(zhuǎn)變時(shí)間變短(Acta Mater., 2009)。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院7.3 7.3 鋼的淬火：鋼的淬火：M M和和B B淬火淬火7.3.1 7.3.1 淬火加熱溫度淬火加熱溫度 亞共析碳鋼 AC3+(3050) 過共析碳鋼保持Carbide AC1+(3050) 合金鋼：均勻化，可高T AC3(Accm)+(3050) 亞溫淬火、完全淬火將鋼加熱至臨界點(diǎn)(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)

23、狀CM怎辦？碳鋼的淬火溫度范圍中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院7.3.2 7.3.2 淬火冷卻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中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院半M硬度與C含量的關(guān)系7.3.3 7.3.3 鋼的淬透性鋼的淬透性 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(duì)應(yīng)于淬

24、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)中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院淬硬性: 鋼在正常淬火條件下所能達(dá)到的最高硬度。直接反映于半馬氏體組織的硬度。Related to composition of steel，e.g. hardness of quenched carbon steel increases with C concentration。淬透性指數(shù)： 1. J3515/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中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工

25、程學(xué)院Jominy hardenability TestHardness HRcDistance from the quenched end末端淬火法末端淬火法淬透性曲線洛氏硬度值水冷端距離關(guān)系曲線另另: 臨界淬透直徑臨界淬透直徑芯部半馬氏體芯部半馬氏體中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院幾種低碳幾種低碳M M鋼淬的透性指標(biāo)鋼淬的透性指標(biāo)淬透直徑淬透直徑鋼號(hào)熱處理臨界直徑(mm)加熱T/OC冷卻介質(zhì)95%M50%M1594010%NaCl611-132090010%NaCl8-712-152588010%NaCl7-814-1820Mn88010%NaCl7-913-1620Cr88010%NaCl12-1528-3215MnB880油15-1820S: MnVB90010%NaOH35-4020S: MnMoV90010%NaOH40-4520S: Mn