第三章钢中的相变课件

材料学,西安理工大学材料学院,第三章 合金钢中的相变,第三章 合金钢中的相变,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,问题：钢中可能发生的相变有哪些？本节主要讲授内容,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,3.1合金元素对相变基本因素的影响,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F,v,：C、Mn、Cr、Ni,2、提高F,v,：Al、Co,3、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）,一、合金元素对新相（）、相变基本因素包括：,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,钢中扩散包括：、碳在奥氏体和铁素体中的扩散能力二、合金钢中,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）,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,第三章钢中的相变课件,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。,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,（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,（1）Cr、Mn、Mo、Ti、Nb等阻碍Fe 在奥氏体中的自,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,a,i,= r,i,N,i,（,a,i,：活度；r,i,：组元的活度系数；N,i,：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,f,c,= a,i,M,/ a,i,=r,i,M,/ r,i,表征合金元素在铁碳合金中对碳活度的影响,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,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，提高其活动性，增加碳在基,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,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,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,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,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,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,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,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A,C3,，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如下：,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,第三章钢中的相变课件,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A,1,，A,3,和A,cm,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,二、合金元素对A形成速度的影响,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。,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,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,2、碳化物（氮化物）的溶解规律随温度的上升，碳化物、氮化物,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,四、合金元素对奥氏体晶粒长大的影响C促进A晶粒长大；,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,作业：,3.3 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？,3.3 合金元素对过冷A分解的影响问题：过冷奥氏体能分解成,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。,一、 对过冷A稳定性的影响非碳化物形成元素Ni，Si，Cu等,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,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,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,2)含C为0.40.5%，用碳化物形成元素Cr、Mo、W,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,3)含C为较高，用碳化物形成元素Cr、Mo、W、V合金化的,4)含C在0.150.25%范围内CrNiMo和CrNiW钢,4)含C在0.150.25%范围内CrNiMo和CrNiW,5)高Cr钢(如Cr13、Cr17）,5)高Cr钢(如Cr13、Cr17）,6)高合金的奥氏体钢,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？,思考题：对高Cr钢，能否获得贝氏体组织；对W、Mo 钢，能否,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A,1,，使P转变温区向较低温度；,（2）凡是缩小相区的元素，提高A,1,使P转变温度升高,二、 对珠光体转变的影响对P转变速度的影响,对珠光体转变产物的碳化物类型的影响,（1）碳钢的珠光体（FFe,3,C），碳化物为Fe,3,C；,（2）强碳化物形成元素，将形成MC，如TiC，NbC，VC等,（3）中强碳化物形成元素,高温区,，且合金达到一定含量，形成M,23,C,6,或M,3,C，如,Cr/C5%，形成Cr,23,C,6,，而Cr/C4%，形成(FeCr),3,C；,低温区,，主要为Fe,3,C，因为温度低，元素扩散困难。,对珠光体转变产物的碳化物类型的影响,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,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F,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。,合金元素Cr，Ni，Mn能降低F(A与F的自由能差），减少,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M,s,M,f,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,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,合金元素对1.0%C碳钢,M,s,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,M,s,和M,f,点的下降，使得室温下将保留更多的残留奥氏体量,合金元素对1.0%C碳钢合金元素对1.0%C碳钢1150,问题：淬火钢回火过程中发生的可能转变有哪些？,3.4 合金元素对淬火钢回火转变的影响,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,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。,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,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。但影响不明显。,一、 合金元素对马氏体的分解的影响1、在低温区,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、在中温和高温区（大于250 ）,（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能抑制碳化物长大，延迟碳化物向Fe,3,C转变。,（2）非碳化物形成元素Ni，Co，Cu等影响较小；甚至稍微加,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。,作业：,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。,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,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Fe,3,C。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显的扩散，开始在相和Fe,3,C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),3,C和(Fe,Mn),3,C等。而能形成MC或M,2,C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。,2、对碳化物聚集和长大的影响低温情况下,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 ？,更高温度在碳钢中渗碳体的聚集开始于回火温度为350400,三、,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,。,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,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,。,四、合金元素对相的回复和再结晶的影响 淬火钢内应力,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：,Fe,3,C 350400 ,(Fe,Cr ),3,C 450500 ,Mo,2,C,VC 500550 ,NbC 550570 ,对再结晶温度提高强弱顺序是:,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；反之，则强度下降。,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：,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：,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,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。,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,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,主要特征：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Fe,3,C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Fe,3,C形成的元素；同时这些元素亦有稳定残余奥氏体的作用。,产生原因和防止方法产生原因：，碳化物的消失和渗碳体薄膜在,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,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,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：,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,