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金属固态相变原理
第2篇热处理原理及工艺
第7章钢的热处理
教学目标:
搞清奥氏体、珠光体、贝氏体、马氏体等基本概念;
掌握共析分解、马氏体相变、贝氏体相变基本知识
掌握相变产物的形貌和物理本质。
第8章金属固态相变原理
§8钢的热处理
一、热处理的作用
机床、汽车、摩托车、火车、矿山、石油、化工、航空、航天等各行各业用的大量零部件需要通过热处理工艺改善其性能。
拒初步统计,在机床制造中,约60%70%的零件要经过热处理;在汽车、拖拉机制造中,需要热处理的零件多达70%80%,而工模具及滚动轴承,则要100%进行热处理。
总之,凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能投入使用。
热处理的定义:
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,从而获得所需组织和性能的工艺过程。
热处理三大要素:
加热、保温和冷却
通过以上三个环节,材料的内部组织发生了变化,因而性能也发生变化。
例如:
碳素工具钢T8在市场购回的是球化退火的材料其硬度仅为20HRC,作为工具需经淬火并低温回火使硬度提高到60〜63HRC,这是因为内部组织由淬火之前的粒状珠光体转变为淬火+低温回火的回火马氏体。
同一种材料,热处理工艺不一样其性能差别很大,导致性能差别如此大的原因是不同的热处理后内部组织截然不同。
表8-145号钢经不同热处理后的性能(试样直径15mm)
t性
St
V1(MPa)
s(tn
A/J)
臥(随炉淞叮
600-700
300-350
15-20
炉遐
正火(号气涂却)
7CO-3DO
353-450
15-20
无-茅
4)-64
淬火(水冷血8耿
1500-ISOO
1353-1幼
2=3
10-12
15-24
汎-w
口卜旗1
热处理工艺的选择要根据材料的成分来确定。
材料内部组织的变化依赖于材料热处理和其他热加工工艺,材料性能的变化又取决于材料的内部组织变化。
所以,材料成分-加工工艺-组织结构-材料性能这四者相互依成的关系贯穿在材料制备的全过程之中。
我们的任务就是要了解和掌握其中的规律性。
二、热处理的基本要素
如上所述,热处理工艺中有三大基本要素:
加热、保温、冷却。
这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。
1、加热
按加热温度的高低,加热分为两种:
一种是在临界点Ai以下加热,此时一般不发生相变;另一种是在Ai以上加热,目的是为了获得均匀的奥氏体组织,这一过程称为奥氏体化。
2、保温
保温是热处理的中间工序,其目的是既要保证工件烧透”又要防止工件脱碳、氧化等。
般工
保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。
件越大,导热性越差,保温时间就越长。
3、冷却
冷却是热处理的最终工序,也是热处理过程中最重要的工序。
钢在
不同冷却速度下可以转变为不同的组织形态。
三、热处理的分类1、根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同,热处理可分为下列几类:
普通热处理:
退火正火、淬火和回火。
即所谓热处理的四把火”
表面热处理:
感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、激光表面淬火和涂覆、渗碳、氮化和碳氮共渗等。
其它热处理:
可控气氛热处理、真空热处理和形变热处理等。
2、按照热处理在零件生产过程中的工序和作用不同,热处理工艺还可分为:
预备热处理:
零件加工过程中的一道中间工序(也称为中间热处理),其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力,为后续的机加工或进热处理作组织上的准备。
最终热处理:
零件加工的最终工序。
其目的是使经过成型工艺达到形状和尺寸要求的零件,通过热处理使零件具备最终的使用性能。
是预备还是最终热处理在材料的生产过程中是相对的。
四、钢的临界转变温度
根据铁碳相图,共析钢缓慢加热到超过Ai温度时,全部转变为奥氏体;亚共析钢和过共析钢必须加热到A3和Acm以上才能获得单相奥氏体。
在实际热处理加热条件下,加热速度不可能是缓慢的,因此,相变是在不平衡条件下进行的;其次,再考虑到过冷或过热现象的存在,相变点与相图中的相变温度有一些差异。
具体如下:
加热时相变温度偏向高温,冷却时偏向低温,这种现象称为滞后(热滞或冷滞)。
在热处理工艺实施过程中,加热或冷却速度越快,则滞后现象越严重。
通常把加热时的实际临界温度标以右下标字母C”表示,如Aci、
Ac3、Accm;
而把冷却时的实际临界温度标以右下标字母r”表示,如Ari、
Ar3、Arcm等。
临界温度:
平衡时:
A1、A3、Acm
加热时:
Ac1、Ac3、Accm
冷却时:
Ar1、Ar3、Arcm
§8.1钢在加热时的转变
一般而言,钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体(奥氏体化、A
化),然后以不同速度冷却,使奥氏体转变为不同的组织,使钢具有不同性能。
加热时形成的奥氏体的质量(成分均匀性及晶粒大小等),对冷却转变后的组织、性能有极大的影响(组织遗传)。
因此,掌握热处理规律,首先要研究钢在加热时的变化—即奥氏体化过程。
§8.1.1奥氏体的形成过程
一、共析钢奥氏体的形成
共析碳钢加热前为珠光体组织,一般为铁素体与渗碳体交替排列的层片状组织,加热过程中珠光体转变为奥氏体过程可分为四步进行:
奥氏体形核、晶核的长大、未溶碳化物(Fe3C)溶解、奥氏体成分均匀化。
1奥氏体晶核的形成
由Fe-Fe3C相图知,在P转变为A过程中,原F的bcc晶格改组为A的fee晶格,原渗碳体的复杂斜方晶格转变为fee晶格。
所以,奥氏体的形成过程就是晶格的改组和Fe、C原子的扩散过程。
常将这一过程和奥氏体冷却过程的转变称为相变重结晶”。
基于能量与成分条件,奥氏体晶核在珠光体中的铁素体与渗碳体两相交界处产生,两相交界面越多,奥氏体晶核越多。
2奥氏体晶核的长大
奥氏体晶核形成后,它的一侧与渗碳体相接,另一侧与铁素体相接。
随着铁素体的转变(铁素体区域的缩小),以及渗碳体的溶解(渗碳体区域缩小),奥氏体不断向其两侧的原铁素体区域及渗碳体区域扩展长大,直至铁素体和渗碳体完全消失,奥氏体彼此相遇,形成一个个的奥氏体晶粒。
3剩余渗碳体的溶解
由于铁素体转变为奥氏体速度远高于渗碳体的溶解速度,在铁素体
完全转变之后尚有不少未溶解的剩余渗碳体”存在,还需一定时间保温,让渗碳体全部溶解并转变为奥氏体。
4奥氏体成分的均匀化
即使渗碳体全部溶解,奥氏体内的成分仍不均匀,在原铁素体区域形成的奥氏体含碳量偏低,在原渗碳体区域形成的奥氏体含碳量偏高,还需保温足够时间,让碳原子充分扩散,奥氏体成分才可能趋于均匀。
下图表示共析钢奥氏体形成的四个基本阶段:
奥氏体晶核的形成;
图8-4奥氏体形成的四个基本阶段
个充要条件:
一是温度条件,要在Aci以上加热;二是时间条件,要求在Aci以上温度保持足够时间。
在一定加热速度条件下,超过Aci的温度越高,奥氏体的形成与成
分均匀化需要的时间愈短;在一定的温度(高于Aci)条件下,保温时间越长,奥氏体成分越均匀。
二、非共析钢奥氏体的形成
亚共析钢与过共析钢加热转变为A过程与共析钢转变过程是一样的,即在Aci温度以上加热无论亚共析钢或是过共析钢中的P均要转变为
A。
不同的是亚共析钢的先析出F的转变与过共析钢的Fe3Cn的溶解。
先析出F的完全转变要在Ac3以上,FesCn的完全溶解要在温度Accm以上。
即亚共析钢加热后组织全为奥氏体需在AC3以上、过共析钢要在
Accm以上,即表象点必须处在A的单相区。
§8.1.1奥氏体的形成过程
如果亚共析钢仅在Aci〜Ac3温度之间加热,无论加热时间多长,组织中仍为铁素体与奥氏体共存;
对过共析钢在Aci〜Accm温度之间加热,组织中应为二次渗碳体与奥氏体共存;
在这种情况下,经加热保温在随后冷却过程中,组织转变也仅是奥氏体向其它组织的转变,其中的铁素体或二次渗碳体在冷却过程中不会发生转变。
总结奥氏体化过程:
即Fe、C原子扩散和晶格改组的过程
共析钢:
加热到Aci以上时,P—A。
共析钢A化过程:
形核、长大、FesC完全溶解、C的均匀。
亚(过)析钢的A化:
P—A后,先共析F或FqC.溶解。
§8.1.2影响奥氏体转变速度的因素
奥氏体的形成是通过形核与长大过程进行的,整个过程受原子扩散所控制,因此,凡是影响扩散、形核与长大的一切因素,都会影响奥氏体的转变速度。
、加热温度和保温时间
加热温度越高,原子扩散速度越大,奥氏体化越快;保温时间越长,
720
1
—
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氏体
\0.5监\\\卑氏
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珠光体
亠
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780
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74C
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1沪
奥氏体化所需加热温度相对可以降低。
640
11010^
时何,S
图8-7共析钢的奥氏体化曲线(原始状态:
详见下图
A形成过程中孕育期的
概念:
由于形成奥氏体需要原
子的扩散,而扩散需要一定
的时间,故P在保温一段时
间后才开始形成A晶核,这
段时间称为孕育期”
875C退火)
二、加热速度
热速度V越大,则孕育期越
短,A化开始和终了温度越高,所需
时间越短;加热速度V越小,则孕
育期越长,A化开始和终了温度越
低,所需时间越长。
三、原始组织
原始组织中Fe3C为片状时,
Fe3C片间距越小,相界面积越大,奥
氏体形核速度越大此时奥氏体中的
C浓度梯度也越大,扩散距离短,
奥氏体长大速度越快。
四、钢的碳含量
时间——
8-8加热速度对奥氏体转变的影响(示意图)
图
*植长大速度*mm/鼻
图8-9渗碳体片间距do对长大速度的影响
C%fT界面多7核心多7转变快。
五、合金元素
Co、Ni、Cu:
增加C扩散速度,加快A化过程;
Cr、Mo、V、Ti等:
与C亲和力大,形成难溶化合物,显著降低C
扩散速度,减慢奥氏体化过程;
Si、Al、Mn等:
不影响奥氏体化过程。
由于合金元素的扩散速度比碳慢得多,所以一般合金钢的热处理加
热温度一般较高,保温时间更长。
§8.1.3奥氏体的晶粒度及其影响因素
晶粒度:
表征晶体内晶粒大小的量度,通常用长度,面积,体积或
晶粒度级别表示。
般根据标准晶粒度等级图确定钢的奥氏体晶粒大小。
度,超过8级的为超细晶粒小于1级的为超粗晶粒。
图8-10标准晶粒等级(放大100倍)
均晶粒数。
每mm2面积平均晶粒数:
n02n
一、奥氏体的晶粒度
钢在加热后形成的奥氏体组织,特别是奥氏体晶粒大小对冷却转变后钢的组织和性能有重要影响。
一般来说,奥氏体晶粒越细,钢热处理后的强度越高,塑性越好,冲击韧性越高。
衡量A晶粒大小有三种晶粒度:
起始晶粒度;本质晶粒度;实际晶粒度。
⑴起始晶粒度
起始晶粒度定义:
钢在临界温度以上A形成刚结束,其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。
起始晶粒度与形核率N和长大速度G有关。
增大N,降低G,可细化A起始晶粒;反之,粗化起始晶粒。
例如:
增大加热速度,则A转变温度升高,形核率增加,A起始晶粒细化。
⑵本质晶粒度
本质晶粒度定义:
表征钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向。
一般米用标准试验方法(YB27-64)测定:
即钢加热到930C±0C、保温8小时、冷却后测得的晶粒度叫本质晶粒度。
如果测得的晶粒细小,则该钢称为本质细晶粒钢。
这种钢的奥氏体晶粒随温度升高到某一温度时,才迅速长大。
如果测得的晶粒粗大,则该钢称为本质粗晶粒钢。
这种钢的奥氏体
晶粒随温度的升高而且迅速长大。
⑶实际晶粒度
实际晶粒度定义:
某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度叫实际晶粒度,它决定钢冷却后的组织和性能。
实际晶粒度尺寸一般大于起始晶粒尺寸,取决于加热温度和保温时间。
二、影响奥氏体晶粒度的因素
奥氏体晶粒长大,实质为晶界迁移,而晶界迁移的实质就是原子在晶界附件的扩散过程,故凡影响晶界原子迁移的因素均影响奥氏体晶粒的长大。
⑴加热温度和保温时间
随加热温度升高,原子迁移能力增加,晶粒将逐渐长大。
温度越高,或在一定温度下保温时间越长,奥氏体晶粒越粗大。
⑵加热速度
加热速度越大,过热度越大,A形成的实际温度越高,形核率较大,
A起始晶粒度越细小。
但是,当加热温度咼到一定程度,保温时A晶粒
长大速度过快,反而易获得粗晶粒组织。
因此,快速加热时,保温时间不能过长,否则晶粒反而更加粗大。
生产上采用短时快速加热工艺”来获得超细化的晶粒。
⑵钢的化学成分
碳含量:
在一定C含量范围内,随着A中C含量的增加,由于C在A中的扩散速度及Fe的自扩散速度增加,晶粒的长大倾向增加;当C含量超过一定量后,C能以未溶碳化物的形式存在,A晶粒长大受第二相的阻碍作用,反而使A晶粒长大倾向减小。
合金元素:
Ti、V、Nb、Al、Zr(锆)等元素,与C形成碳化物、氧化物和氮化物弥散分布在晶界上,能阻碍晶粒长大,有利于得到本质细晶粒钢;Mn和P,促进晶粒长大,含有这类元素的钢一般为本质粗晶粒钢。
§8.2钢在冷却时的转变
研究奥氏体冷却转变常用
等温转变曲线:
即TTT曲线(过冷奥氏体在一定温度下随时间变化,组织转变情况)
连续冷却转变曲线:
即CCT曲线(过冷奥氏体依冷却速度变化,组织转变情况)。
TTT曲线是选择热处理冷却制度的参考
CCT曲线更确切反映热处理冷却状况,作为选择热处理冷却制度的
依据。
§821过冷奥氏体的等温转变
当温度在Ai以上时,奥氏体是稳定的,不发生转变。
当温度降到Ai
以下后,奥氏体即处于过冷状态,这种奥氏体叫过冷奥氏体(过冷A)。
等温转变曲线:
过冷A等温转变过程和转变产物与温度和时间的关
系曲线,可以通过体积膨胀法、磁性法和金相法测定。
孕育期:
过冷A从过冷到转变开始这段时间,其长短反应了过冷A
的稳定性大小。
C曲线中,鼻尖处(550C)的孕育期最短,处于该温度的
过冷A稳定性最小,孕育期最短。
等温转变包含两个区:
分别是高温转变区(Ai-550C的珠光体转
变区)和中温转变区(550C-Ms的贝氏体转变区)。
Ms温度以下的低温区为马氏体转变,不属于等温转变。
⑵高温转变(P转变)
转变温度:
Ai—550C
转变产物:
珠光体型组织,是铁素体和渗碳体的机械混合物,渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上,转变温度越低,层间距越小。
按层间距大小,珠光体型组织分为:
珠光体(P)----层间距较大,索氏体(S)----层间距居中,屈氏体(T)----层间距最小
它们都是珠光体类型的组织,只是层间距不同而已,P型组织一F+
层片状Fe3C,见下图---
过冷A2高温转变产®的形成温度和性能
名称
符号
形成温度(C)
硬度
能分辩片层的放大倍数
珠光体
P
A1〜650
170〜200HB
V500X
索氏体
S
650〜600
25〜35HRC
>1000X
屈氏体
T
600〜550
35〜40HRC
>2000X
实际上,这三种组织都是珠光体,其差别只是珠光体组织的片间
距”大小,形成温度越低,片间距越小。
这个片间距”越小,组织的硬度越高。
屈氏体的硬度高于索氏体,远高于粗珠光体。
奥氏体转变为珠光体的过程也是形核和长大的过程
当奥氏体过冷到A1以下时,首先在奥氏体晶界上产生渗碳体晶核通过原子扩散,渗碳体依靠其周围奥氏体不断地供应碳原子而长大。
同时,由于渗碳体周围奥氏体含碳量不断降低,从而为铁素体形核
创造了条件,使这部分奥氏体转变为铁素体。
由于铁素体溶碳能力低(V0.0218%C),所以又将过剩的碳排挤到相邻的奥氏体中,使相邻奥氏体含碳量增高,这又为产生新的渗碳体创造了条件。
如此反复进行,奥氏
体最终全部转变为铁素体和渗碳体片层相间的珠光体组织。
转变机制:
奥氏体(fee)转变为珠光体(F为bee,Fe3C为复杂斜方)的过程是形核和长大的过程,期间伴随着晶格的改组和Fe、C的扩散,
属于扩散型转变。
转变组织的性能:
由于P的塑性主要来自F,而FqC阻止滑移的进行,故P的片间距越小,贝y强度、硬度和韧性提高。
与细晶强化的原理类似。
⑶中温转变(B转变):
C原子扩散,Fe原子不扩散
转变温度:
550C〜Ms(240C)
转变产物:
贝氏体(B),渗碳体分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物。
上贝氏体(B上):
550C〜350C,呈羽毛状,小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间。
强度低、韧性差,机械性能较差。
下贝氏体(B下):
350C〜Ms:
在光学显微镜下为黑色针状,在电子
显微镜下可看到在铁素体针内沿一定方向分布着细小的碳化物(Fe2.4C)颗粒。
韧性高,综合机械性能好。
r匍
445钢上B+下B,,^088-17
窗
%分
照片400X
咅b三二
TT8钢下下黑色黑色针微
光学显微照片X4图0
8-18下贝氏体显微照片
瑙内定n満加粒
r*
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上贝氏体光学显微照片500X
Wi
上贝氏体电子显微照片5000X
V-$
下贝氏体光学显微照片500X
…下贝氏体电子显微照片图8-19上下贝氏体显微照片
两种贝氏体性能比较
12000X
B上:
铁素体片较宽,强度较低;同时渗碳体分布在铁素体片之间,
容易引起脆断,因此强度和韧性都较差。
B下:
铁素体针细小,无方向性,碳的过饱和度大,位错密度高,且碳化物均匀分布在铁素体之上、弥散度大。
所以硬度高,韧性好,具有较好的综合机械性能。
转变过程:
在中温区发生奥氏体转变时,由于温度较低,铁原子扩散困难,只能以共格切变的方式来完成原子的迁移,而碳原子尙有一定的扩散能力,可以通过短程扩散来完成原子迁移。
所以贝氏体转变属于半扩散型相变。
在贝氏体转变中,存在着两个过程,一是铁原子的共格切变,二是碳原子的短程扩散。
按照转变温度的不同,上、下贝氏体的形成过程也有差异
当温度较高(550C—350C)时:
条状或片状铁素体从奥氏体晶界开始向晶内以同样方向平行生长。
随着铁素体的伸长和变宽,其中的碳原子向条间的奥氏体中富集,最后在铁素体条之间析出渗碳体短棒,奥氏体消失,形成上贝氏体。
当温度较低(350C—Ms)时:
碳原子扩散能力低,铁素体在奥氏体的晶界或晶内的某些晶面上长成针状。
尽管最初形成的铁素体固溶碳原子较多,但碳原子不能长程迁移,因而不能逾越铁素体片的范围,只能在铁素体内一定的晶面上以断续碳化物小片的形式析出,从而形成下贝氏体。
⑷低温转变(M转变)
温度低于Ms点时,发生马氏体转变,是一个连续冷却转变过程,后续专门讨论。
二、亚共析钢过冷A的等温转变
从上图可以清晰的发现,亚共
析钢的过冷A等温转变曲线与共析
钢C曲线不同的是,在其上方多了一
条过冷A转变为铁素体(F)的转变
开始线。
可见亚共析钢的过冷A等温转
变过程与共析钢类似。
只是在高温
转变区过冷A将先有一部分转变为
F,剩余的过冷A再转变为P型组织。
湘
8-20亚共析钢过冷A等温转变曲线
图
亚共析钢随着含碳量的减少,C曲线位置往左移,同时Ms、Mf线住
上移。
三、过共析钢过冷A的等温转变
共析钢过冷A的C曲线的上部
为过冷A中析出二次渗碳体(FesCii)开始线。
所以,过共析钢的过冷A在高
温转变区,将先析出Fe3Cii,其余的
过冷A再转变为珠光体型组织。
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。
46
FIRt
8-21过共析钢过冷A等温转变曲线
:
口
可见,亚共析钢随含碳量的增加
C曲线位置向右移,至u达共析钢的
含碳量C曲线位置最靠右;含碳量再升高(即过共析钢)随着含碳量的增加C曲线位置又向左移。
共析钢相对是最稳定的。
亚(过)共析钢过冷A的等温转变与共析钢相比,C曲线左移,多一条过冷A7F或(Fe3Cn)的转变开始线,且Ms、Mf线上(下)移。
§8.2.2过冷奥氏体的连续冷却转变
实际生产中较多情况下是连续冷却,例如钢正火、退火、淬火等
热处理等都是从高温到低温连续冷却。
上图中:
Ps—过冷A转变为P型组织开始线;
Pf-过冷A转变为P型组织终了线;
KK—过冷A转变终止线;
由于遇不到P
Vk-上临界冷却速度,共析钢以大于该速度冷却时,转变线,将继续冷却到Ms温度以下发生马氏体转变得到马氏体组织。
Vk—下临界冷却速度,共析钢以小于该速度冷却时,得到全部P型组织。
CCT曲线与TTT曲线的差异:
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与共析钢的TTT曲线相比,共析钢的CCT曲线稍靠右下移一点,表明连续冷却时,过冷度更大,奥氏体完成珠光体转变的温度较低,时间更长。
CCT曲线较难测定,一般借用过冷A的TTT曲线来分析连续冷却转变的过程和产物,但要注意二者之间的差异。
见下图
(2)转变过程及转变产物
初0
a)
缓慢冷却(Vi炉冷):
过
冷A—P,转变温度较高,
P呈粗片状,硬度
170220HB
7ro
温
温
度
C伽
二、「严川u<
\\竈斤馬
空冷乐
IT1;ft-
ITKJ*催-二:
fJJHH
b)
稍快冷却(V2空冷):
过
.水冷
c)
d)
冷A—S,P呈细片状,
硬度25HRC35HRC
V3(油冷):
过冷A—T+
M+A',硬度45〜
55HRC,包括下面3种类
型的转变:
过冷A—T(KK线以上)
200
0
忒2:
10匸
_也二g工L
厅反/!
^疋氏需"■ii乔泳賦匚
2,2站LI护胴--嗣临时1111阍屮
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1(1丨厲102i(rKP
JJjfuJ/S
图8-25连续冷却转变过程及转变产物
100
fl0.I
过冷A—M(Ms—Mf:
马氏体转变)
过冷A—A'(残余奥氏体-连续冷却转变后少量没有转变而保
留到室温的过冷奥氏体)
V4冷却(水冷):
过冷A—M+A
(3)马氏体转变
马氏体(M):
畸变,强度很高。
图8-26
rAt4
ir
马氏体转变:
钢从A状态快速冷却,在较低温度(Ms—Mf)下发生的无扩散型相变。
(广义上讲,凡是相变基本特征属于M型的转变产物都称为M,该过程称为M转变。
)
马氏体转变是强化金属的主要途径之一,大多数工件零件都需要淬火和回火获得最终的使用性能。
钢、许多有色金属和合金以及陶瓷材料等均有马氏体转变。
(4)马氏体转变的特征①非扩散型转变:
M转变时,过冷度很大,温度很低,C、Fe原子的活动能力基本丧失。
由fee到bee点阵的重构是由Fe原子沿A的一定晶面
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- 金属 固态 相变 原理