绪论 、本课程的任务及在工业生产中的地位 任务:研究固态相变的规律性,研究金属或合金热处理组织与性能之间的关系 以及热处理理论在工业生产中和应用 地位:(1)工业生产领域:工业生产中不可缺少的技术,是提高产品质量和寿 命的关键工序,是发挥材料潜力、达到机械零部件轻量化的主要手段。(2)材 料研究领域:研制和开发新材料。 列举工业生产切削刀具实例,提出“服役条件”=一使用性能一一组织结 构三三化学成分(材料) 、金属热处理的发展概况 中国:古代高水平。春秋战国~明清以前:从出土文物可见。 近代落后。明清~新中国以前:统治者闭关锁国。 现代奋起直追。新中国以前~至今:总体上和发达国家比仍有一定差距。 具体表现在(1)科研:个别研究处于世界领先水平,总体研究水平相对落后:(2) 生产:工业生产自动化程度不高,能耗较大,特别是技术设备和装备相对落后。 世界范围:十九世纪以前:民间技艺阶段 十九世纪后期:实验技术和科学阶段 现代:理论科学阶段:Xray、SEM、TEM等检测手段的提高和应 用,极大地促进了材料科学研究和应用的进一步发展 固态相变以马氏体相变为核心,围绕马氏体相变展开研究工作,材料工作 者经历了一个多世纪的研究,取得了丰硕的研究成果,并用这些成果指导实践, 取得了巨大的经济效益。值得指出的是,马氏体相变的研究工作也存在一些未 知问题需要继续深入探索。马氏体相变的硏究经历以下几个阶段: (1)1878年德国 Martens首次采用光学显微镜观察到淬火钢的针状组织 (2)1895年法国 Osmond将钢淬火后的相命名为马氏体 (3)1926-1927年X-ray衍射确定钢中马氏体为体心正方结构 (4)近代马氏体相变的研究领域扩大,由金属或合金扩展到无机非金属和 高分子材料,马氏体定义(命名)也存在诸多争论 三、本课程的学习内容 学习内容共分六章。按照教学大纲接续上部分(金属学部分)内容排序为:
绪论 一、本课程的任务及在工业生产中的地位 任务：研究固态相变的规律性，研究金属或合金热处理组织与性能之间的关系 以及热处理理论在工业生产中和应用。 地位：(1)工业生产领域：工业生产中不可缺少的技术，是提高产品质量和寿 命的关键工序，是发挥材料潜力、达到机械零部件轻量化的主要手段。(2)材 料研究领域：研制和开发新材料。 列举工业生产切削刀具实例，提出“服役条件” 使用性能 组织结 构 化学成分(材料) 二、金属热处理的发展概况 中国：古代高水平。春秋战国~明清以前：从出土文物可见。 近代落后。明清~新中国以前：统治者闭关锁国。 现代奋起直追。新中国以前~至今：总体上和发达国家比仍有一定差距。 具体表现在(1)科研：个别研究处于世界领先水平，总体研究水平相对落后；(2) 生产：工业生产自动化程度不高，能耗较大，特别是技术设备和装备相对落后。 世界范围：十九世纪以前：民间技艺阶段 十九世纪后期：实验技术和科学阶段 现代：理论科学阶段：X-ray、SEM、TEM 等检测手段的提高和应 用，极大地促进了材料科学研究和应用的进一步发展。 固态相变以马氏体相变为核心，围绕马氏体相变展开研究工作，材料工作 者经历了一个多世纪的研究，取得了丰硕的研究成果，并用这些成果指导实践， 取得了巨大的经济效益。值得指出的是，马氏体相变的研究工作也存在一些未 知问题需要继续深入探索。马氏体相变的研究经历以下几个阶段： (1)1878 年德国 Martens 首次采用光学显微镜观察到淬火钢的针状组织； (2)1895 年法国 Osmond 将钢淬火后的相命名为马氏体； (3)1926~1927 年 X-ray 衍射确定钢中马氏体为体心正方结构 (4)近代马氏体相变的研究领域扩大，由金属或合金扩展到无机非金属和 高分子材料，马氏体定义(命名)也存在诸多争论。 三、本课程的学习内容 学习内容共分六章。按照教学大纲接续上部分(金属学部分)内容排序为：
第九章:金属在加热过程中的相变一一奥氏体相变; 第十章:金属在冷却过程中的转变图 第十一章:珠光体相变 第十二章:马氏体相变 第十三章:贝氏体相变 第十四章:钢在回火过程中的转变。 第九章:金属加热过程中的相变一奥氏体相变 概述:热处理工艺一般由加热、保温和冷却三个阶段组成,其目的是为了改变 金属或合金的内部组织结构,使材料满足使用性能要求。 除回火、少数去应力退火,热处理一般均需要加热到临界点以上温度使钢 部分或全部形成奥氏体,经过适当的冷却使奥氏体转变为所需要的组织,从而 获得所需要的性能 奥氏体晶粒大小、形状、空间取向以及亚结构,奥氏体化学成分以及均匀 性将直接影响转变、转变产物以及材料性能。 奥氏体晶粒的长大直接影响材料的力学性能特别是冲击韧性。 综上所述,研究奥氏体相变具有十分重要的意义。 本章重点:奥氏体的结构、奥氏体的形成机制以及影响奥氏体等温形成的动力 学因素。 本章难点:奥氏体形成机制,特别是奥氏体形成瞬间内部成分不均匀的几个 C%点,即C1、C2、C3和C4。 §9-1奥氏体的组织结构和性能 、奥氏体的结构: 定义:C溶于γ-Fe形成的间隙式固溶体。 1C原子位于γFe点阵的中心和棱边的中点(八 面体间隙处) 2C原子进入γ-Fe点阵间隙位置引起;y-Fe点阵 等称膨胀;C%增加,奥氏体点阵常数增大,但 奥氏体的最大溶C量(溶解度)为2.11% 图1-1 3C原子在奥氏体中分布是不均匀的,存在浓度起伏
第九章：金属在加热过程中的相变——奥氏体相变； 第十章：金属在冷却过程中的转变图； 第十一章：珠光体相变； 第十二章：马氏体相变； 第十三章：贝氏体相变； 第十四章：钢在回火过程中的转变。 第九章：金属加热过程中的相变—奥氏体相变 概述：热处理工艺一般由加热、保温和冷却三个阶段组成，其目的是为了改变 金属或合金的内部组织结构，使材料满足使用性能要求。 除回火、少数去应力退火，热处理一般均需要加热到临界点以上温度使钢 部分或全部形成奥氏体，经过适当的冷却使奥氏体转变为所需要的组织，从而 获得所需要的性能。 奥氏体晶粒大小、形状、空间取向以及亚结构，奥氏体化学成分以及均匀 性将直接影响转变、转变产物以及材料性能。 奥氏体晶粒的长大直接影响材料的力学性能特别是冲击韧性。 综上所述，研究奥氏体相变具有十分重要的意义。 本章重点：奥氏体的结构、奥氏体的形成机制以及影响奥氏体等温形成的动力 学因素。 本章难点：奥氏体形成机制，特别是奥氏体形成瞬间内部成分不均匀的几个 C%点，即 C1、C2、C3 和 C4。 §9-1 奥氏体的组织结构和性能 一、奥氏体的结构： 定义：C 溶于 γ–Fe 形成的间隙式固溶体。 1.C 原子位于 γ–Fe 点阵的中心和棱边的中点(八 面体间隙处)； 2.C 原子进入 γ–Fe 点阵间隙位置引起；γ–Fe 点阵 等称膨胀；C%增加，奥氏体点阵常数增大，但 奥氏体的最大溶 C 量(溶解度)为 2.11% 3.C 原子在奥氏体中分布是不均匀的，存在浓度起伏； 图 1-1
4合金元素原子(Mn、Si、Cr、Ni等)溶入奥氏体中取代Fe原子的位置,形成 置换式固溶体,称合金奥氏体。 二、奥氏体的组织 (1)原始组织有关 奥氏体组织通常为等轴状多边形晶粒,这与{(2加热速度有关 (3)转变程度有关 不平衡加热奧氏体晶粒呈针状或球状(只作为了解内容)。 奥氏体的性能 1机械性能:(1)屈服强度、硬度低 (2)塑性、韧性高; 易于变形加工成型;(3)热强性高 2物理性能:(1)比容最小;(2)导热性差:(3线膨胀系数大:(4)顺磁性 3应用:(1)变形加工成型;(2)奥氏体不锈钢耐蚀性:(3)膨胀仪表灵敏元件 §9-2奥氏体的形成 、热力学条件 △G=Gy-Gp<0 △C (1)Ac和 引出临界点概念:(2)A3和AB (3)Acm和Arcm 奥氏体的形核 以共析钢为例,讨论钢中奥氏体形成。 奥氏体晶核主要在F和Fe3C的相界面 形核,其次在珠光体团界、F亚结构(嵌镶块) 界面形核。这样能满足:(1)能量起伏;(2)结 构起伏;(3)成分起伏三个条件。 奥氏体的长大 晶体结构:体心立方复杂斜方面心立方 含碳量:00218%667% 0.77% CC3 C2 CI 图1-3
Gr Gp G A1 T1 T ΔG ΔT 图 1-2 G E P S C4C3C2 C1 T1 图 1-3 4.合金元素原子(Mn、Si、Cr、Ni 等)溶入奥氏体中取代 Fe 原子的位置，形成 置换式固溶体，称合金奥氏体。 二、奥氏体的组织： (1)原始组织有关 奥氏体组织通常为等轴状多边形晶粒，这与 (2)加热速度有关 (3)转变程度有关 不平衡加热奥氏体晶粒呈针状或球状(只作为了解内容)。 三、奥氏体的性能 1.机械性能：(1)屈服强度、硬度低 (2)塑性、韧性高； 2.物理性能：(1)比容最小；(2)导热性差；(3)线膨胀系数大；(4)顺磁性。 3.应用：(1)变形加工成型；(2)奥氏体不锈钢耐蚀性；(3)膨胀仪表灵敏元件。 §9-2 奥氏体的形成 一、热力学条件 ΔG=Gγ－Gp＜0 (1)Ac1 和 Ar1 引出临界点概念： (2)Ac3 和 Ar3 (3)ACcm 和 Arcm 二、奥氏体的形核 以共析钢为例，讨论钢中奥氏体形成。 奥氏体晶核主要在 F 和 Fe3C 的相界面 形核，其次在珠光体团界、F 亚结构(嵌镶块) 界面形核。这样能满足：(1)能量起伏；(2)结 构起伏；(3)成分起伏三个条件。 三、奥氏体的长大 α + Fe3C γ 晶体结构：体心立方 复杂斜方 面心立方 含碳量： 0.0218% 6.67% 0.77% 易于变形加工成型；(3)热强性高
奥氏体长大过程是依靠原子扩散完成的, 原子扩散包括(1)Fe原子自扩散完成晶格改组; (2)C原子扩散使奥氏体晶核向α相和Fe3C相 两侧推移并长大 1C原子扩散:一旦奥氏体晶核出现,则在 奥氏体内部的C%分布就不均匀,由从图1-3 可见 C1一与Fe3C相接的奥氏体的C% C2-与F相接的奥氏体的C% Fe3C C3-与Fe3C相接的F的C% C4一与奥氏体相接的F的C% 从图1-3可以看出,在T1温度下由于C1、 C2、C3、C4不同导致奥氏体晶核形成时,C 原子扩散,如图1-4,扩散的结果破坏了T 温度下C%的浓度平衡,迫使与奥氏体相接 的F和Fe3C溶解恢复T温度下C%的浓度平 图1-4 衡,如此历经“破坏平衡 “建立平衡”的反复,奧氏体晶核长大。 2奥氏体晶格改组:(1)般认为,平衡加热过热度很小时,通过Fe原子自扩 散完成晶格改组。(2)也有人认为,当过热度很大时,晶格改组通过Fe原子切 变完成 3奥氏体晶核的长大速度:奥氏体晶核向F和Fe3C两侧的推移速度是不同的。 根据公式: dc 1 G=-Ndx△Ca 式中,K一常数:D-C在奥氏体中的扩散系数:dc一相界面处奥氏体中C 的浓度梯度;△C一相界面浓度差;“-”表示下坡(高浓度向低浓度处)扩散。 向F一侧的推移速度与向Fe3C一侧的推移速度之比: AC
奥氏体长大过程是依靠原子扩散完成的， 原子扩散包括(1)Fe 原子自扩散完成晶格改组； (2)C 原子扩散使奥氏体晶核向 α 相和 Fe3C 相 两侧推移并长大。 1.C 原子扩散：一旦奥氏体晶核出现，则在 奥氏体内部的 C%分布就不均匀，由从图 1-3 可见： C1—与 Fe3C 相接的奥氏体的 C%； C2—与 F 相接的奥氏体的 C%； C3—与 Fe3C 相接的 F 的 C%； C4—与奥氏体相接的 F 的 C%； 从图 1-3 可以看出，在 T1 温度下由于 C1、 C2、C3、C4 不同导致奥氏体晶核形成时，C 原子扩散，如图 1-4，扩散的结果破坏了 T1 温度下 C%的浓度平衡，迫使与奥氏体相接 的 F 和 Fe3C 溶解恢复 T1温度下 C%的浓度平 衡，如此历经“破坏平衡”——“建立平衡”的反复，奥氏体晶核长大。 2.奥氏体晶格改组：(1)一般认为，平衡加热过热度很小时，通过 Fe 原子自扩 散完成晶格改组。(2)也有人认为，当过热度很大时，晶格改组通过 Fe 原子切 变完成。 3.奥氏体晶核的长大速度：奥氏体晶核向 F 和 Fe3C 两侧的推移速度是不同的。 根据公式： B B c C K dx C dc G KD = = − / 1 式中，K—常数； DC —C 在奥氏体中的扩散系数； dx dc —相界面处奥氏体中 C 的浓度梯度； CB —相界面浓度差；“-”表示下坡(高浓度向低浓度处)扩散。 向 F 一侧的推移速度与向 Fe3C 一侧的推移速度之比： BF BFe C BFe C Fe C BF F C C K C C K G G = = 3 3 3 / / C2 C% A F Fe3C C1 C4 C3 珠光体片间距 图 1-4
780c时,G=Cmc=667089148。表明相界面向F一侧的推 Gc△CBF0.41-0.02 移速度比向FeC一侧的推移速度快14.8倍,但是通常片状珠光体的F片厚度 比Fe3C片厚度大7倍,所以奥氏体等温形成时,总是F先消失,Fe3C剩余。 四、残余Fe3C和奥氏体均匀化 α→γ结束后,还有相当数量的Fe3C尚未溶解,这些FeC被称为残余Fe3C 另外在原来Fe3C的部位,C%较高,而原来F部位C%较低,必须经过适当的 保温后,奥氏体中的C%才能趋于均匀。 综上,奥氏体形成分四个阶段:奥氏体形核;核长大;残余FeC溶解 奥氏体均匀化,其示意图见图1-5。 奥氏体形核 核长大 残余Fe3C溶解 奥氏体均匀化 图 五、非共析钢的奥氏体化过程 和共析钢的奥氏体化对比,非共析钢的奥氏体化过程分两步进行,首先完 成P→A,这与共析钢相同;然后是先析相的奧氏体化过程。这些都是靠原子 扩散实现的。值得指出的是,非共析钢的奥氏体化碳化物溶解以及奥氏体均匀 化的时间更长 §9-3奥氏体等温形成动力学 奥氏体等温动力学是研究奥氏体等温形成速度问题。本课程只讨论共析钢 奥氏体等温动力学,对于过共析钢先共析相Fe3C溶解与第三阶段差别不大, 故不在讨论:亚共析钢因为(1)组织中有非共析成分;(2)奥氏体转变有两个区 间,即两相区和单相区。因此,这里只定性讨论共析钢奥氏体等温动力学。 奥氏体的形成速度取决于形核率I和线长大速度G,在等温条件下,形核
780℃时， 14.8 0.41 0.02 3 6.67 0.89 3 − − = = BF BFe C Fe C F C C G G 。表明相界面向 F 一侧的推 移速度比向 Fe3C 一侧的推移速度快 14.8 倍，但是通常片状珠光体的 F 片厚度 比 Fe3C 片厚度大 7 倍，所以奥氏体等温形成时，总是 F 先消失，Fe3C 剩余。 四、残余 Fe3C 和奥氏体均匀化 α→γ 结束后，还有相当数量的 Fe3C 尚未溶解，这些 Fe3C 被称为残余 Fe3C。 另外在原来 Fe3C 的部位，C%较高，而原来 F 部位 C%较低，必须经过适当的 保温后，奥氏体中的 C%才能趋于均匀。 综上，奥氏体形成分四个阶段：奥氏体形核；核长大；残余 Fe3C 溶解； 奥氏体均匀化，其示意图见图 1-5。 五、非共析钢的奥氏体化过程 和共析钢的奥氏体化对比，非共析钢的奥氏体化过程分两步进行，首先完 成 P→A，这与共析钢相同；然后是先析相的奥氏体化过程。这些都是靠原子 扩散实现的。值得指出的是，非共析钢的奥氏体化碳化物溶解以及奥氏体均匀 化的时间更长。 §9-3 奥氏体等温形成动力学 奥氏体等温动力学是研究奥氏体等温形成速度问题。本课程只讨论共析钢 奥氏体等温动力学，对于过共析钢先共析相 Fe3C 溶解与第三阶段差别不大， 故不在讨论；亚共析钢因为(1)组织中有非共析成分；(2)奥氏体转变有两个区 间，即两相区和单相区。因此，这里只定性讨论共析钢奥氏体等温动力学。 奥氏体的形成速度取决于形核率 I 和线长大速度 G，在等温条件下，形核 奥氏体形核 核长大 残余 Fe3C 溶解 奥氏体均匀化 图 1-5