第三章钢中的相变课件.ppt

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1、第三章 合金钢中的相变,问题：钢中可能发生的相变有哪些？,本节主要讲授内容加热(奥氏体化)3.2 冷却(奥氏体分解) 3.3 淬火钢回火转变影响3.4 钢相变的热力学与动力学3.1,3.1合金元素对相变基本因素的影响影响自由能影响扩散影响活度,一、合金元素对新相（）、 母相（）自由能的影响Fv：自由能差（奥氏体向铁素体转变），表示相变驱动力，差愈小，临界晶核愈难形成， 相愈稳定。1、降低Fv：C、Mn、Cr、Ni2、提高Fv：Al、Co3、影响不大：Mo、W,相变基本因素包括：热力学可能性动力学速度或快慢（即扩散）,钢中扩散包括：,、碳在奥氏体和铁素体中的扩散能力、合金元素在奥氏体和铁素体中的

2、扩散能力、合金元素对Fe 、C扩散的影响,二、合金钢中的扩散和碳在铁中的活度,1、钢中元素扩散的一般规律,置换式原子扩散比间隙原子慢几个数量级在特定温度下，所有原子在铁素体中的扩散速度都比在奥氏体中的快；在所有情况下，对每一种元素，在Fe 中扩散激活能必低于在Fe 中的激活能（扩散能力与激活能呈负幂指关系，即激活能越大，扩散能力越差）,2、元素对碳在奥氏体中扩散能力的影响,碳化物形成元素:W、Mo、Cr、Mn提高C扩散结合能，降低扩散系数，使碳原子不容易扩散；非碳化物形成元素:Ni、Co、Cu、Al降低C扩散结合能，提高扩散系数，使碳原子容易扩散。特殊元素Si:是非碳化物元素，提高碳的活度，但

3、在奥氏体中剧烈地降低铁原子的活动性，增加铁在固溶体中的结合力，阻碍碳原子的扩散。,（1）Cr、Mn、Mo、Ti、Nb等阻碍Fe 在奥氏体中的自扩散。这些元素与铁形成固溶体，降低铁原子的活度，使铁原子间结合力增加。（2）碳对Fe 在奥氏体中自扩散的影响:存在碳，削弱铁原子间结合力，促进铁原子扩散。,3、合金元素对铁在奥氏体中的自扩散影响,4、碳在铁中的活度,定义：碳在铁固溶体中的活动性，可以衡量C在固溶体中的扩散能力、溶解能力和析出能力 ai = riNi（ai：活度；ri：组元的活度系数；Ni：碳在铁中的百分比浓度）相对活度系数：碳在合金与非合金铁中活度系数的比值 即 fc = ai M /

4、ai =ri M/ ri 表征合金元素在铁碳合金中对碳活度的影响,非碳化物形成元素使fc 1，提高其活动性，增加碳在基体中的活度，使C从固溶体中析出的倾向增加。 碳化物形成元素使fc 1，降低其活动性，降低碳在基体中的活度，使C难于从固溶体中析出。,钢加热过程中相变是什么？涉及哪些具体转变？,3.2 合金元素对钢加热转变的影响,奥氏体形成过程,奥氏体的形成,奥氏体的长大,渗碳体的溶解,钢加热奥氏体化时有两种相互竞争的相变机制：晶体学有序机制和无序机制。无序机制形成奥氏体时，转变伴随着重结晶，即新晶粒的形成对原始相来说，改变了大小和方向；有序机制：不伴随重结晶，以相变切变的方式进行， 晶粒保持原

5、来相晶粒的形状和大小,一、合金元素对奥氏体形成的相变机制的影响,决定晶体相变转变机制的主要因素是：原始组织的类型以及他们之间精确的晶体学有序性。原始无序的组织只能以无序转变机制进行相变；原始有序组织（马氏体、贝氏体和魏氏组织铁素体）有两种转变机制：有序转变机制和无序转变机制。到底以那种相变机制进行转变，取决于合金化程度和加热速度。合金化程度越高，加热速度越快，越易出现有序转变或组织遗传。见图36,消除组织遗传的方法：最终的快速加热淬火之前进行回火处理。,组织遗传：对粗晶有序组织加热高于AC3，可能导致形成的奥氏体晶粒与钢的原始晶粒具有相同的形状、大小和取向,合金化与加热速度对出现组织遗传的影响

6、如下：,二、合金元素对A形成速度的影响合金元素的加入，改变了钢A形成温度A1，A3和Acm及相变点的位置，从而影响了A形成速度；A的形成速度取决于奥氏体的形核和长大，这都和C的扩散有关，合金元素的加入改变了碳的扩散速度，所以影响了A的形成速度.(1)Co,Ni 提高C的扩散，增大A形成速度；(2)Si,Al,Mn影响不大；(3)碳化物形成元素Cr，Mo，W，Ti，V等阻碍碳的扩散，阻碍A形成,三、合金元素对碳化物溶解的影响,1、与碳钢相比，合金钢中碳化物溶解的特点：1）奥氏体化时间：合金元素扩散速度较C的扩散速度慢的多，只是碳扩散的千分之几或万分之几。合金钢中，当F全部转变为A后，还有相当一部

7、分碳化物被保留下来，为了增强A的合金化程度，充分发挥合金元素的作用，应使残余碳化物充分溶解到A中。所以合金钢奥氏体化时间较长。这就是合金钢在生产中加热保温时间较长的原因。2）奥氏体化温度：由于合金元素的作用造成的扩散困难和合金碳化物的稳定性高，要使残余碳化物分解并溶于A中，需要提高加热温度。如：高速钢的淬火温度12501280，而共析温度只有820，就是希望碳化物充分溶解。,2、碳化物（氮化物）的溶解规律,随温度的上升，碳化物、氮化物的溶解度上升；最稳定的碳化物，溶解度最低；Cr 、Mo 、V的碳化物具有最大的溶解度。是潜在的最有用的合金碳化物；奥氏体中先溶解的较弱碳化物或氮化物形成元素将促进

8、强碳化物或氮化物的溶解；非碳化物或氮化物元素阻碍碳化物或氮化物的溶解,四、合金元素对奥氏体晶粒长大的影响,C促进A晶粒长大；强碳化物形成元素强烈阻碍A晶粒长大；中强碳化物形成元素可阻碍，但效果不如强碳化物；Ni，Co，Cu作用不明显；Al，Si含量少时，以夹杂物形式存在，可阻止A晶粒长大，当大量以合金元素加入，促进A晶粒长大；当钢中C含量中等以上时，Mn可促进长大，在低碳含量时，Mn可细化晶粒,作业：把以下四种钢在同一温度下进行奥氏体化处理，请比较各种钢中Cr的碳化物完全溶解所需时间最长的是 ？所需时间最短的是？所需时间大致相当的是？40CrNi、40Cr、40CrMn、40CrMo,3.3

9、合金元素对过冷A分解的影响,问题：过冷奥氏体能分解成为什么组织或相？,一、 对过冷A稳定性的影响,非碳化物形成元素Ni，Si，Cu等加入钢中，仍保持C曲线形状，但使C曲线右移；碳化物形成元素Cr，Mo，W，V不仅改变C曲线的位置，使之右移，而且改变其形状，出现两个鼻温，使珠光体和贝氏体转变区分开；Al 、Co使C曲线左移。,六种基本类型的过冷奥氏体等温分解曲线及其连续冷却转变曲线1）碳钢及其不含碳化物形成元素Ni 、Si、Cu的低合金钢,2)含C为0.40.5%，用碳化物形成元素Cr、Mo、W、V合金化的结构钢,3)含C为较高，用碳化物形成元素Cr、Mo、W、V合金化的工具钢,4)含C在0.1

10、50.25%范围内CrNiMo和CrNiW钢,5)高Cr钢(如Cr13、Cr17）,6)高合金的奥氏体钢,思考题：对高Cr钢，能否获得贝氏体组织；对W、Mo 钢，能否获得珠光体组织？,二、 对珠光体转变的影响,对P转变速度的影响 除Al、Co以外，均使P转变曲线右移，即推迟P转变；对珠光体转变温度区的影响 （1）凡是扩大相区的元素，Ni，Mn，Cu等，降低A1，使P转变温区向较低温度； （2）凡是缩小相区的元素，提高A1使P转变温度升高,对珠光体转变产物的碳化物类型的影响 （1）碳钢的珠光体（FFe3C），碳化物为Fe3C； （2）强碳化物形成元素，将形成MC，如TiC，NbC，VC等 （3）

11、中强碳化物形成元素高温区，且合金达到一定含量，形成M23C6或M3C，如Cr/C5%，形成Cr23C6，而Cr/C4%，形成(FeCr)3C；低温区，主要为Fe3C，因为温度低，元素扩散困难。,三、对贝氏体相变的影响,特点：贝氏体转变温区较低，合金元素与Fe原子几乎不能进行扩散，只有C原子能进行短距离的扩散，脱溶析出碳化物。因此合金元素对B转变的影响，主要取决于：合金元素对 转变速度的影响合金元素对C扩散速度的影响,合金元素Cr，Ni，Mn能降低F(A与F的自由能差），减少相变驱动力，减慢A分解，降低了贝氏体的转变速度，推迟其转变。Cr，Mn又是碳化物形成元素，阻碍C原子的扩散。强烈阻碍贝氏体

12、的形成；Mo，W作用不明显Si，对B有推迟作用，原因是强烈提高Fe的结合力，阻碍C原子从Fe中脱溶。Co，Al能提高F，同时提高C的扩散速度，加速B形成。,四、合金元素对马氏体相变的影响,主要是对对M转变温度的影响，即MsMf点的影响,除Co，Al外，大多数合金元素固溶在A中，均使Ms点下降，增加残余A的含量，其中C的影响最强烈。顺序：C，Mn，Cr，Ni，Mo，Si，W,合金元素对1.0%C碳钢Ms点的影响,合金元素对1.0%C碳钢1150 淬火后残余奥氏体含量的影响,Ms和Mf点的下降，使得室温下将保留更多的残留奥氏体量,问题：淬火钢回火过程中发生的可能转变有哪些？,3.4 合金元素对淬火

13、钢回火转变的影响,钢淬火后，内部组织很不稳定，随回火温度的不同，淬火组织会发生一系列的组织转变，包括：马氏体的分解；残余奥氏体的分解；碳化物的形成、聚集和长大；Fe的回复和再结晶回火过程发生的两个现象：弥散强化（或硬化）、回火脆性 这几个过程被C和合金元素扩散所控制，是相互交错进行的，很难截然分开。,一、 合金元素对马氏体的分解的影响,1、在低温区低温（150200）回火时，由于温度低，不仅合金元素扩散困难，连C扩散也困难，只能发生偏聚和短距离扩散，沉淀析出与相保持共格的碳化物。合金元素均匀分布在相和碳化物中不作重新分配。但是，由于碳化物形成元素对C扩散的阻碍作用，稍微推迟M的分解。但影响不明

14、显。,2、在中温和高温区（大于250 ）温度的升高，合金元素活动能力增加，对M分解有显著影响。（1）碳化物形成元素将强烈推迟M的分解，即推迟C从M中析出，如碳钢中C从M析出完全析出的温度范围是250300，而含碳化物形成元素的钢中C从M中析出的温度根据其中合金元素的不同，可以提高到400500（Cr 钢）、550（Mo 钢、V钢）甚至高温度(550600 ,W钢或Nb钢）。表现为回火稳定性高；同样回火温度下，C含量相同的合金钢中M的C含量较C钢高,（2）非碳化物形成元素Ni，Co，Cu等影响较小；甚至稍微加快M的分解（3）Si虽为非碳化物形成元素，但能有效推 迟M的分解，原因是Si能抑制碳化物

15、长大，延迟碳化物向Fe3C转变。,作业：根据图示，写出Cr2WMoVNbB钢在淬火后，随回火温度的升高，先后析出的碳化物名称。,二、 对回火过程中碳化物形成、聚集和长大的影响,1、合金碳化物的形成形式：合金碳化物的形成形式一般有三种：，在预先存在的合金渗碳体处原位形核；，在铁素体基体中直接形核（一般为马氏体中的位错处）；，在晶界和亚晶界处直接形核。,一般而言，直接形核由于形核位置多，分散度大，有利于实现弥散强化。,2、对碳化物聚集和长大的影响,低温情况下合金元素对碳化物形成没有影响，随温度的提高，碳化物转变为Fe3C。Si推迟这一转变到350 。中高温条件下随回火温度的提高，合金元素能够进行明

16、显的扩散，开始在相和Fe3C中重新分配。Cr 、Mn等碳化物形成元素向渗碳体中偏聚，以原位形核的方式置换Fe原子形成(Fe,Cr)3C和(Fe,Mn)3C等。而能形成MC或M2C型的合金元素（Zr 、Ti 、Nb，Mo 、W、V等）将以直接形核的方式在基体中形核和长大，同时合金渗碳体将溶解消失。,更高温度合金碳化物将聚集长大，HRC降低。碳化物形成元素V，W，Mo和Cr 可以阻碍碳化物聚集长大；Co和 Si虽然不是碳化物形成元素，但其能提高固溶体中Fe的结合力，从而使析出相不易聚集长大。 Ni的影响不大。,在碳钢中渗碳体的聚集开始于回火温度为350400 ，而以碳化物形成元素合金的钢中，聚集则

17、始于450600 .,问题：为什么碳钢的低温回火选择在小于250 ，而中温回火一般在400 ，高温回火则在500650 ？,三、 对残余奥氏体分解的影响,合金元素对残余奥氏体分解的影响与合金元素对过冷奥氏体分解的影响完全相同。在高合金钢的回火过程中，从A残中析出碳化物，使得A残中C和合金元素含量下降，使得Ms点升高，高于室温，因而在冷却过程中，A残会转变成M，而使回火后的硬度高于淬火的硬度。（该现象称为二次淬火）。所以，有时高合金钢为了消除A残，往往需要二次或更多次的高温回火。,四、合金元素对相的回复和再结晶的影响,淬火钢内应力很大，回火时发生M分解及碳化物析出，使过饱和固溶体的含碳量降低，晶

18、格在很大程度上得到回复，因而内应力减少。合金元素一般延缓M的分解，使晶格畸变的M保持到更高温度，即延缓相的回复和再结晶，提高再结晶温度，使钢具有更高的回火稳定性。,对再结晶温度提高强弱顺序是: Mo，W，Co，Cr，Mn，Si，Ni钢中碳化物类型不同，相（F）中的高密度位错保持到的温度也不同： Fe3C 350400 (Fe,Cr )3C 450500 Mo2C,VC 500550 NbC 550570 ,五、弥散强化,淬火钢在回火过程中，有两个相反的因素影响强度：，马氏体分解产生弱化；，碳化物质点的弥散析出产生的强化。强化的有效性取决于强化和弱化的相对比例。若强化大于弱化，则表现为强度上升；

19、反之，则强度下降。,对某种相形成的弥散质点，其强化与弱化的作用取决于形成弥散相所含的合金元素量。合金元素含量越多，弥散相的数量越大，强度效果越明显；对弥散相是碳化物的情况，强化效果不仅取决于形成碳化物所含的合金元素量，还与钢中的碳含量和其碳化物类型有关。也就是说，为了保证强化超过弱化，碳化物形成元素的最小浓度取决于碳含量和碳化物类型。,影响弥散强化的因素：,六、钢的回火脆性,钢在回火时发生两种脆性：第一类回火脆性（回火马氏体脆性）；第二类回火脆性定义和特点：第一类回火脆性：马氏体在低温（250350）回火较短时间后产生的；和低温回火时碳化物析出形态不良有关；是一种不可逆回火脆性，不能用热处理消

20、除。第二类回火脆性(450600)：发生在马氏体高温回火（600700）后，具有较低屈服强度的钢中，其马氏体已完全分解为F+K（碳化物），与某些杂质元素以及合金元素本身在晶界上的严重偏聚有关。这类回火脆性在各类合金钢中均有发生，只是程度不同而已，这是一种可逆回火脆性，能用热处理消除。区别：发生的温度和出现的速度以及是否可逆。,主要特征：，硬度随T升高而减低；，在250350回火时，缺口冲击能量出现低谷，韧脆转化温度出现最大值；，晶界断裂沿原奥氏体晶界发生，原奥氏体晶粒越粗，晶界断裂范围越大。,1、第一类回火脆性,产生原因和防止方法,产生原因：，碳化物的消失和渗碳体薄膜在原奥氏体晶界和板条相界的

21、形成；，板条相界残余奥氏体薄膜的失稳分解；杂质元素偏聚在原奥氏体晶界和板条相界。防止方法： ，推迟Fe3C的形核和长大；，增加残余奥氏体的稳定性；，减少杂质元素的偏聚；，细化晶粒，阻止晶间断裂；，加石墨化元素Si 、Al 、Ni 等能促使石墨形成，抑制Fe3C形成的元素；同时这些元素亦有稳定残余奥氏体的作用。,产生原因：一定元素偏聚于晶界从而降低晶间结合力。,1、第二类回火脆性,回火后快冷，一般小件用油冷，较大件用水冷。但工件尺寸过大时，即使水冷也难防止脆性产生； 加入合金元素Ti 、Mo、W以抑制第二类回火脆性； 提高冶金质量，尽可能降低钢中有害元素的含量。,防止合金钢中第二类回火脆性的方法：,