第三章 钢中的相变.
材料热处理 固态相变 第三章马氏体转变
马氏体形成热力学
T0为马氏体和奥氏体自由 能相等的温度。 Ms必须低于T0，AS必须高 于T0。 AS为马氏体转变为奥氏体 的开始温度。
Ms的物理意义 T0为马氏体和奥氏体自由能相等 的温度。C含量越高， T0越低。 Ms为两相自由能差达到相变所需 最小驱动力时的温度。
相变驱动力与（T0－Ms）成正比
第三章 马氏体转变
概述
• 钢奥氏体化后快冷，抑制其扩散型分解（珠光体分解等）， 通过原位切变方式，得到马氏体组织。
• 低碳钢淬火得到板条状马氏体，强度、韧性均佳 • 高碳钢、高Ni的Fe-Ni合金淬火得到片状马氏体，硬度高、
韧性极差 • 中碳钢淬火后得到混合马氏体，硬度较高，塑性、韧性较
低碳钢下降。 • 凡是基本特征属于切变共格型的相变均称为马氏体相变，
• 等温转变通常不能进行到 底，因为马氏体的体积膨 胀增加未转变奥氏体的变 形，使其切变阻力增加。
奥氏体－马氏体转变理论
经典理论：考虑自由能 差，界面能和畸变能
形成的可能性较小
位错理论：结构不均匀区，如缺陷、夹杂、 形变区，作为马氏体的核胚。
马氏体转变的切变模型
贝茵模型：面心结构可看作为体心正方结构。 通过c轴的压缩和a轴的伸长，可以得到c/a接 近马氏体的正方度。模型不完善。
切变共格界面，既属于奥氏体，又属 于马氏体，且相互牵制
2、无扩散性
• 通过点阵的均匀切变，相邻原子的位移小 于一个原子间距，实现晶格由面心立方转 变为体心正方。
• C原子无扩散，相变可在很低的温度下以极 快的速度进行。
具有一定的位相关系和惯习面
• 马氏体和奥氏体的晶面和晶向间存在一定 的位相关系
T0、Ms、As均为浓度的函数。 Md为获得形变马氏体的最高温度。Ad为获得形变奥 氏体的最低温度。 T0≈1/2（ Md + Ad ）
控轧控冷-3
变形条件对Ar3温度的影响
变形对Ar3温度的影响有两 种情况： 一种是在奥氏体再结晶区 变形后造成奥氏体晶粒的细 化，从而影响Ar3温度。 另一种情况是在奥氏体未 再结晶区变形后造成变形带 的产生和畸变能的增加，从 而影响Ar3温度。通常把这 种情况造成的影响称为形变 诱导相变。
• 加热温度的影 响 • 轧制温度的影 响 • 变形量的影响 • 冷却速度的影 响
从再结晶奥氏体晶粒生成铁素体晶粒
大量试验证明，钢中魏氏组织的形成主要取决于钢 的化学成分，奥氏体晶粒的大小和冷却速度。
在亚共析钢中最容易形成魏氏组织的含碳量范围为 0.15~0.5 ％。因为低于 0.15 ％ C ，由于块状铁素体 的发展妨碍了魏氏组织的形成。而大于0.5％C的钢， 由于网状铁素体形成后珠光体很快就形成了，也阻 碍了魏氏组织的形成。 再者，按照铌钢>普碳钢>钒钢的顺序，铌钢最容易 生成魏氏组织。
3.2 变形条件对奥氏体相变的影响
一、变形条件对奥氏体向铁素体转变温度Ar3的影响
二、变形条件对奥氏体向珠光体、贝氏体转变的影响
变形条件对奥氏体向铁素体 转变温度Ar3的影响
由于在奥氏体未再结晶区轧制实现Ⅱ型转变能 获得细小的铁素体晶粒，同时又由于在奥氏体未再 结晶区轧制与在奥氏体 +铁素体区（即A+F的两相 区）中的轧制的结果是不同的，因此准确地确定奥 氏体向铁素体转变温度Ar3是有实际意义的。 测定变形条件下Ar3温度的方法
从部分再结晶奥氏体晶粒生成铁素体晶粒
再结晶的晶粒细小，在其晶界上析出的铁素体往往也较细 小。而未再结晶的晶粒受到变形被拉长，晶粒没有细化。 因此铁素体成核位置可能少，容易形成粗大的铁素体晶粒 和针状组织。所以从部分再结晶奥氏体晶粒生成的铁素体 是不均匀的，这种不均匀性对强度影响不太大。但对材料 的韧性有较大的影响，因此是不希望的。 如果在部分再结晶区进行多道次轧制，由于轧制温度逐渐 下降，最后未能达到奥氏体完全再结晶。但这时部分再结 晶晶粒的平均晶粒尺寸减小或晶粒中的未再结晶晶粒受到 了比较大的变形，晶粒不仅被拉长，晶内还可能出现较多 的变形带。因此转变后亦能得到细小的铁素体晶粒，整个 组织的均匀性和性能都能得到改善。
相图的基本概念
第二章碳钢
C相图
第3节Fe-Fe
3
第1讲相图的基本概念
1. 相图的概念
表示合金在缓慢冷却的平衡状态下相或者组织与温度、成分间关系的图形，又称状态图或平衡图。
二元相图（两个组元配成的合金体系）
三元相图（三个组元配成的合金体系）2. 相图的分类
方法实验方法——热分析法、金相分析法等
计算方法
依据相变发生时物理参量发生突变
3.
二元相图的建立
用热分析法测定Cu-Ni 相图
热分析法合金凝固时要释放出结晶潜热，使冷却曲线在相变时发生变化，
从而确定相变点
用热分析法测定Cu-Ni 相图
杠杆定理证明
合金总质量1
t ℃时，液相的质量M L 固相的质量
M αα
M M L +=1ααx M x M x L L +=14. 杠杆定律
匀晶转变——直接从液相中结晶出固溶体的转变
M L /M α=rb/ra %100⨯−−=L O L x x x x M M αα%100⨯−−=L L O x x x x M M αα杠杆定律的力学比喻r
r
应用条件：平衡两相区。
钢铁材料的相变行为
钢铁材料的相变行为引言：钢铁是一种被广泛应用于建筑和制造领域的重要材料，其卓越的力学性能和耐久性使得它成为现代社会中不可或缺的材料之一。
然而，要理解钢铁的性质和特点，就需要对其相变行为进行深入研究。
本文将探讨钢铁材料的相变过程及其在材料性能中的影响。
1. 钢铁的晶体结构钢铁的基本成分是铁和碳，它们以及其他合金元素共同影响了钢铁的晶体结构。
在常温和正常压力下，钢铁处于体心立方(fcc)或面心立方(hcp)的晶格结构中。
具体而言，α-铁是一种体心立方结构，而γ-铁是一种面心立方结构。
2. 钢铁的相变过程钢铁的相变过程通常包括固态相变和液态相变两个阶段。
固态相变主要发生在加热或冷却过程中，而液态相变则发生在熔化和凝固的过程中。
2.1 固态相变随着温度升高，钢铁中的碳原子会从体心立方(fcc)结构到面心立方(hcp)结构的相变，这个过程被称为渗碳相变。
在渗碳相变过程中，钢铁的晶格结构会发生变化，从而影响了材料的性能，如硬度、韧性和变形能力。
2.2 液态相变当钢铁加热至一定温度，其会熔化成液态，这个过程被称为熔化相变。
相较于固态相变，熔化相变对钢铁的性质影响较小，主要体现在液态阶段的流动性和热导性上。
在冷却过程中，液态钢铁会再次凝固形成固态，并在此过程中经历凝固相变。
3. 相变对钢铁性能的影响钢铁的相变行为对其力学性能和热处理特性有着重要的影响。
3.1 力学性能在渗碳相变过程中，钢铁的晶体结构变得更加致密和有序，从而提高了钢铁的硬度和抗拉强度。
此外，相变还能改善钢铁的韧性和可塑性，使其具备更好的变形能力和抗冲击性。
因此，了解相变过程对钢铁性能的影响，有助于提高钢铁制品的质量和性能。
3.2 热处理特性钢铁的相变行为也影响着其热处理过程。
通过加热和冷却过程中的相变实现对钢铁材料的处理和调控。
例如，通过控制温度和冷却速率，可以使钢铁材料经历不同的相变过程，如奥氏体相变和贝氏体相变，从而调节钢铁的硬度和组织结构。
3-1钢的组织转变
上贝氏体 贝氏体组织的透射电镜形貌 下贝氏体
2,贝氏体转变过程 , 贝氏体转变也是形核和 长大的过程. 长大的过程. 发生贝氏体转变时,首 发生贝氏体转变时 首 先在奥氏体中的贫碳区 形成铁素体晶核, 形成铁素体晶核,其含 碳量介于奥氏体与平衡 铁素体之间, 铁素体之间,为过饱和 铁素体. 铁素体.
当转变温度较高( 当转变温度较高(550-350℃) 时,条片状铁素体从奥氏体 ℃ 晶界向晶内平行生长,随铁素体条伸长和变宽, 晶界向晶内平行生长,随铁素体条伸长和变宽,其碳原子向 条间奥氏体富集,最后在铁素体条间析出 短棒, 条间奥氏体富集,最后在铁素体条间析出Fe3C短棒,奥氏体 短棒 消失,形成 消失,形成B上 .
钢在加热时的转变
加热是热处理的第一道工序.加热分两种: 加热是热处理的第一道工序.加热分两种:一种是在 A1以下加热,不发生相变;另一种是在临界点以上加 以下加热,不发生相变;另一种是在临界点以上加 热,目的是获得均匀的奥氏体组织,称奥氏体化. 目的是获得均匀的奥氏体组织, 奥氏体化. 一,奥氏体的形成过程 奥氏体化也是形核和长大 的过程,分为四步. 的过程,分为四步.以共 析钢为例说明: 析钢为例说明:
珠光体(S): ⑴ 珠光体 : 形成温度为A 倍光镜下可辨. 形成温度为 1-650℃,片层较厚,500倍光镜下可辨 ℃ 片层较厚, 倍光镜下可辨
光镜下形貌
电镜下形貌
索氏体(S) ⑵ 索氏体
电镜形貌 形成温度为650-600℃,片 ℃片 形成温度为 层较薄, 层较薄,800-1000倍光镜 倍光镜 下可辨 光镜形貌
奥氏体晶粒长大及其影响因素 1,奥氏体晶粒长大 奥氏体化刚结束时的 晶粒度称起始晶粒度 晶粒度称起始晶粒度, 起始晶粒度 此时晶粒细小均匀. 此时晶粒细小均匀. 随加热温度升高或保 温时间延长, 温时间延长,奥氏体 晶粒将进一步长大,这也是一个自发的过程. 晶粒将进一步长大,这也是一个自发的过程.奥氏体 晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同. 晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同.
钢中的相变
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 / ai =ri M/ ri
※表征合金元素在铁碳合金中对碳活度的影响
第三章 合金钢中的相变 材料学—西安理工大学材料学院
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。
第三章 合金钢中的相变 材料学—西安理工大学材料学院
§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？
第三章 合金钢中的相变 材料学—西安理工大学材料学院
奥氏体的形成
奥氏体形成过程
第三章 合金钢中的相变 材料学—西安理工大学材料学院
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
第三章 合金钢中的相变 材料学—西安理工大学材料学院
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。
第三章 奥氏体与钢在加热过程中的转变
c: Calefaction r: Refrigeration
3.2.2 转变机制
共析钢的A形成
当加热至Ac1稍上温度时，由铁素体＋渗碳体 两相组成的珠光体转变为单相奥氏体，即：
（α＋
Fe3C
）
Ac1以上 加热
γ
碳含量： 0.02％C 6.69％C
0.77％C
空间点阵：体心立方 复杂斜方
面心立方
基本概念
原始组织 碳钢的平衡态组织 碳钢的非平衡态组织
平衡组织
通过缓慢冷却所得到
γ
的珠光体以及先共析
铁素体与渗碳体等组
织
P (pearlite)
P＋F (Ferrite)
P＋ Fe3C (Cementite)
不平衡组织
通过较快的速度进行冷却时获得的组织 如马氏体，贝氏体等。
细化晶粒还可显著提高钢材的耐蚀性。
3.4.1 晶粒度概念及晶粒长大现象
一）晶粒度 设n为放大100倍时每平方英寸in2面积内的晶粒 数，则下式中N即为晶粒度。
n=2 N-1
晶粒越细，N越大。 起始晶粒：加热转变终了时所得的A晶粒 实际晶粒：长大到冷却开始时的A晶粒 本质晶粒：930ºC保温3~8小时所得的晶粒 1－4级：本质粗晶粒钢，5－8本质细晶粒钢
亚共析钢两相区等温 转变过程示意图
1.两相区转变的三个阶段
A核在F与P交界面形成后，快速长进P直到P全部 转变为A为止。
A向先共析F慢速长进。转变停止时为两相组织， 等温温度越高，未转变的F量越少。
A与F间的最后平衡。 结论：亚共析钢在两相区的转变与共析钢相比在相
同温度下的转变要慢得多。
欲使材料获得要求的性能，首先要把钢加热，获 得A组织（奥氏体化），然后再以不同的方式冷 却，发生不同转变，以获得不同的组织。
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
19
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
最后应当指出，晶粒（核）长大同样需要一定的能量 ：一是因为体积长大而使体系自由能下降；另一是因长 大而产生的新固相表面使体系的自由能增高。
第三章
熔池凝固和焊缝固态相变
1
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
第一节 熔池凝固 第二节 焊缝固态相变 第三节 焊缝中的气孔和夹杂 第四节 焊缝性能的控制
2
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
熔焊时，熔池金属凝固（结晶），如图3-1。熔池凝固 过程对焊缝金属的组织、性能具有重要的作用。 一方面，由于冶金反应和冷却条件不同，可得到性能 差异甚大的组织，同时产生许多缺陷，如气孔、夹杂、 偏析和结晶裂纹等。
6
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
研究证明，对于焊接熔池结晶来讲，非自发晶核起 了主要作用。
在液相金属中有非自发晶核存在时，可以降低形成 临界晶核所需的能量，使结晶易于进行。
——在液相中形成非自发晶核所需的能量为：
7
第三章 熔池凝固和焊缝固态相变
——关于θ角：①当θ=0°时，Ek′=0，液相中有大量悬浮 质点和现成表面；②当θ=180°时，Ek′=Ek，只存在自发 晶核，无非自发晶核现成表面；③当θ=0～180°时， Ek′/Ek =0～1，有现成表面，会降低形成临界晶核所需能 量。
对于纯金属凝固（结晶），不存在化学成分的变化，
凝固点为恒定温度，过冷度只决定于温度梯度。即液相
中的过冷度取决于造成实际结晶温度低于凝固点的冷却
条件，冷却速度越大，过冷度越大。有以下两种情况：
奥氏体钢中相变与力学性能的关系
奥氏体钢中相变与力学性能的关系奥氏体钢是一种广泛应用于工业领域的材料，其材料性能与钢中的各种组织和微观结构有密切的联系。
其中相变作为一种重要的材料结构演变方式，在制造过程中起到了至关重要的作用。
本文将从奥氏体钢的相变出发，探讨其与力学性能的关系。
相变的意义相变是指物质由一种状态向另一种状态转换的过程。
在材料科学中，钢材的相变特别重要，因为它直接影响了钢的力学性能，从而影响到钢的使用寿命。
钢的变形、强化和软化，都是与相变紧密相关的。
奥氏体钢的相变奥氏体钢是通过快速冷却(也称淬火)，使钢中分解的所有组织变为具有奥氏体结构的金属材料。
奥氏体成分中的碳含量低于0.8％，通常在0.2％以下。
快速冷却的目的是避免部分分解，使钢保持单一的奥氏体组织，从而提高钢的强度和硬度。
然而, 这样的快速冷却可能会导致奥氏体产生应力，并使结构不稳定。
因此，对于奥氏体钢，保持结构均匀稳定是至关重要的。
奥氏体钢的力学性能奥氏体钢的优点在于其强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
具体来说，快速冷却的奥氏体钢具有高的强度和硬度，在高温下不易软化，适用于制造需要高强度和高硬度的零件或机械。
然而，奥氏体钢也存在一些缺点。
由于其冷却速度快，导致钢中微观组织结构的不稳定，使得奥氏体钢出现了脆性断裂倾向。
同时，常温下的奥氏体钢还容易出现轻微减弱和变形，使得在高应力下容易颈缩和疲劳断裂。
因此，在应用奥氏体钢时，必须对其结构和组成进行严格控制，以确保其强度和韧性兼备，从而将其力学性能最大化。
相变与力学性能的关系相变与奥氏体钢的力学性能密切相关，因为相变可以改变金属在微观结构上的组成和形态，从而影响到整个材料的物理力学特性。
据研究，钢的相变对其力学性能的影响主要来源于以下两个方面：1.工艺影响：相变的工艺可以通过控制冷却速度和温度，以及其他因素，调节钢的组织、晶粒尺寸和纯度等方面的参数，从而影响到钢的强度、硬度、延展性和韧性等2.微观结构影响：相变改变钢中的组织结构，从而影响到钢的排列方式和晶体结构。
第三章_钢的珠光体转变
某低碳钢气焊热影响区过热段出现的粗大针状魏氏铁素体组织
3.3 珠光体转变的动力学
§3.3.1 形核率
G* Q N C exp( ) exp( ) RT RT * T G , Q (3 3)
形成温度较高时，扩散较易，形核功起主 导作用，由于温度降低，形核功下降，故形核 率增加。至一定温度时，扩散起主导作用，温 度降低，扩散困难，形核率下降。
一、伪共析转变
定义：非共析成分的Ａ被过冷到ES延长线SE‘与GS延 长线SG’ ，可以不先析出先共析相而直接分解为F与Fe3C 混合物—与共析转变相似。
转变条件：亚共析钢或过共析钢快冷并在ES延长线E‘与 GS延长线SG’区保温 组织：也称为Ｐ 特点：分解机制和分解产物的组织特征与Ｐ转变完 全相同。但Ｆ和Fe3C量与Ｐ不同，随Ｃ％升高，Fe3C 量增加。
• • • •
EX: COOLING HISTORY Fe-C SYSTEM
Eutectoid composition, Co = 0.77wt%C Begin at T > 727C Rapidly cool to 625C and hold isothermally. Cooling to lower temperatures results in finer microstructures
特定的热处理条件是：
(1) 低的奥氏体化温度，短的保温时间，加热转变 未充分，有较多的未溶渗碳体粒子。 (2) A→P临界点下高的等温温度，长的等温保温时 间，冷却速度极慢，以得到粒状珠光体。 （3）淬火＋高温回火（调质处理）
4.3 珠光体转变机理
二.粒状珠光体的形成机制 球化条件： 加热时：A化温度低，保温时间短 冷却时：P化温度高，保温时间长 片状P
热处理原理与工艺第三、四章
第三章马氏体转变如前所述，钢经奥氏体化后，以足够快的冷却速度冷却到马氏体转变点Ms温度以下，将发生马氏体转变，用这种热处理方法获得马氏体组织的过程称马氏体淬火。
淬火是使钢强化的主要手段，因此研究马氏体组织及其转变规律，对热处理生产有着重要的实际意义。
早期，人们只把碳钢淬火后，获得硬而脆的片状组织称为马氏体。
后来发现，马氏体相变不仅在钢中存在，在某些其他合金（如Fe-Ni, Ni-Ti, Cu-Zn等）中也存在。
因此，后来将钢铁或非铁合金中通过马氏体转变形成的产物统称为马氏体，尽管其与钢中马氏体的形态和结构有很大的不同。
马氏体相变是一个复杂的问题。
本章主要介绍钢中马氏体转变，组织形态和性能等。
第一节马氏体的结构、组织形态和力学性能一、马氏体晶体结构略二、马氏体组织形态和亚结构（一）板条马氏体板条马氏体是低、中碳钢、低碳合金钢、不锈钢、Fe-Ni合金中形成的一种典型马氏体组织。
图3-3是低碳钢淬火所得板条马氏体，其主要特征是马氏体板条单元呈细长板条状，并且许多板条相互平行地群集在一起，故称为板条马氏体，板条是马氏体的基本单元。
由于肉眼能分辨的最小距离是0.2mm，所以单个板条的尺寸（约为0.2μm）已超出光学显微镜的分辨能力。
板条间存在很薄的奥氏体薄膜（见图3-3b中黑线）。
介绍图3-4及束、块、板条关系：（略）。
板条束尺寸与原奥氏体晶粒尺寸有关。
板条束的尺寸随奥氏体晶粒增大而增大，但板条宽度几乎没有变化。
由此可认为，一个原奥氏体晶粒内，生成的板条束数量大体是不变的。
板条马氏体的亚结构主要是位错（见图3-3b），其密度约为1011/㎝2，根据这一特征,板条马氏体又称为位错马氏体。
（二）透镜片状马氏体透镜片状马氏体常见于淬火的高碳钢及含镍较高（w c＞29%）的Fe-Ni合金。
片状马氏体组织典型形态如图3-5所示。
其马氏体单元的立体形态是双凸透镜片状，由于试样磨面与双凸透镜片状马氏体相截，在显微镜下呈现为片状或针状形态，故称为片状马氏体或针状马氏体。
第三章 铁碳相图
铁碳相图的应用
相图可指导我们对钢材的合理选用，对指导铸锻焊 和热处理工艺有直接意义。 1. 铸造方面 可根据相图上液相线确定铸件的合理浇 注温度。一般选在液相线以上 50-150℃，共晶成 分铸铁铸造性能好。 2. 锻压方面 从相图可以知道把钢加热到A3和Acm线 之上都会变成单相奥氏体。奥氏体钢塑性好，强 度较低，适用于变形量大的热变形加工。 3. 焊接方面 可根据铁碳相图分析碳钢的焊接组织， 并通过适当的热处理减轻或消除组织不均匀和焊 接应力。 4. 热处理方面 相图中的A1，A3和Acm三条相变线是 确定热处理工艺加热温度的依据。
2、碳的质量分数对平衡状态下碳钢机械性能的影响
1、硬度随含碳量 的增加而增加 2、强度随含碳量 的增加而增加， 到0.9%左右达到 最大，而后下降。 3、塑性、韧性随 含碳量的增加而 下降。
名称
组织
性能
铁素体 F/α相 奥氏体 A/γ相 珠光体 P 渗碳体 Fe3C
莱氏体 Ld 变态莱氏 体L’d
室温下各种相的相对含量，同理可求。
小结：标注组织的铁碳相图
小结：标注组织的铁碳相图
Ld
Ld
Ld
Ld′
Ld′
Ld′
F、F+P、P、P+Fe3CⅡ、P+ Fe3CⅡ+ Ld′、Ld′、Ld′+ Fe3CⅠ、Fe3C
铁碳合金的成分-组织-性能关系
三、铁碳合金的成分-组织-性能关系
1、碳的质量分数对平衡组织的影响
6.69 - 5 L'd % 100 % 70.7% 6.69 - 4.3 5 4.3 Fe3C(%) 100 % 29.3% 6.69 - 4.3
6.69 - 5 F% 100 % 25.3% 6.69 - 0.0218 5 0.0218 Fe3C(%) 100 % 74.7% 6.69 - 0.0218
钢的相变原理的应用
钢的相变原理的应用相变原理简介相变是物质在一定条件下发生物理或化学性质改变的过程。
钢是一种重要的金属材料，其组成主要是铁和碳，通过调整其成分和加热过程，可以使钢在不同温度下发生相变，从而获得不同性能的钢材。
相变原理在钢材的生产和应用中发挥着重要的作用。
钢的相变过程钢的相变过程包括冷却和加热两个阶段。
冷却过程1.软化退火：钢经过加热后，通过缓慢冷却，使钢材内部的晶粒长大，减少钢的硬度，提高钢的可加工性。
2.淬火：将加热后的钢材迅速冷却，使其表面形成硬质组织，内部形成机械性能相对较高的马氏体，并增加钢材的强度和硬度。
3.回火：将淬火后的钢材再次加热至一定温度，并经过恒温保持一段时间，使马氏体转变为较为稳定的组织，减少内部应力，提高钢材的韧性。
加热过程1.钢的热处理：通过加热和保温，使钢材内部发生相变，改变钢材的组织结构和性能。
钢的热处理包括退火、正火、淬硬和回火等过程，根据不同的要求，选择不同的处理方式。
钢的相变原理的应用钢的相变原理广泛应用于以下领域：冶金工业1.钢材生产：通过相变原理对钢进行调质，可以获得不同性能的钢材，满足不同领域的需求，如建筑、航空航天、船舶等领域。
2.铸造：在铸造过程中，通过相变控制钢的凝固组织，可以获得杂质少、晶粒细小的高质量钢材。
机械制造1.零件加工：通过钢的相变原理，对钢的硬度和韧性进行调控，可以生产出适用于不同工况的机械零件。
2.刀具制造：钢经过淬硬和回火处理后，可以获得较高硬度和耐磨性能，用于制造各类刀具。
建筑工程1.建筑结构：通过相变控制钢材的性能，可以合理设计和选择钢结构，增加建筑的承载能力和安全性。
2.防火材料：通过相变控制钢材的燃烧特性，研发出具有较好防火性能的材料，提高建筑的火灾安全性。
能源行业1.发电设备：通过相变原理对钢材进行处理，提高其耐热性能，使其适用于高温工作环境。
2.输电装置：通过对钢材进行相变处理，增加其导电性能和机械强度，提高输电装置的效率和安全性。
炼钢中的微观组织控制和相变行为
炼钢中的微观组织控制和相变行为炼钢是一项十分重要的工程领域。
随着现代工业和生活的发展，人们对炼钢技术不断提出新的要求。
如今，炼钢中的微观组织控制和相变行为成为了人们关注的焦点之一。
本文将介绍炼钢中的微观组织控制和相变行为的相关知识。
炼钢中的微观组织指的是钢材中的晶粒、相、缺陷等微观结构，这些结构的特性决定了钢的力学性能和物化性质。
合理控制钢的微观组织，可以提高钢的综合性能，满足不同领域的需求。
炼钢中的微观组织控制主要通过温度控制、组分控制、等静压、变形加工等手段来实现。
温度控制是炼钢中影响晶粒组织形态和尺寸的主要因素。
晶粒大小和形状对钢的组织性能和力学性能具有重要影响。
在炼制钢的过程中，通过调控加热温度、保温时间和冷却速率等参数，可以控制晶粒尺寸和形状。
通常情况下，高温下晶粒生长较快，而低温下晶粒生长较慢。
因此，通过适当降低加热温度和保温时间，可以控制晶粒尺寸。
另外，加入一定量的晶界抑制剂可以有效地控制晶粒尺寸和形状。
组分控制是指通过准确测量和调控炉料中的成分，来实现钢材中相变的控制。
钢材的化学成分决定了钢材中的相组成和量，从而影响钢材的性能。
例如，通过加入适量的合金元素和气体元素，可以有效地控制晶体内部的夹杂物含量，从而提高钢材的韧性和强度。
等静压是一种控制钢材组织的有效手段。
静压在钢材的加工过程中起着非常重要的作用。
压力的施加会使晶体中存在的碎块或薄片的扭曲变形而被消除，并通过配合作用消除结构中的间隙，从而改善钢的密实度。
静压的大小和施加时间可以控制钢材中的缺陷类型、数量和尺寸。
变形加工是一种通过施加外力使钢材产生塑性变形，从而控制钢材的微观组织的方法。
对钢材加热至临界温度以上后，将其冷却至室温以下，并通过轧制、锻造、拉拔等加工方式实现钢材内部的結構改变，从而改变钢的性能和结构。
与微观组织控制相关的一个重要概念是相变行为。
钢材在加工过程中会发生相变，包括固态相变、液-固相变等，这些变化与钢材的性能和组织结构密切相关。
钢的相变
珠光体 P
索氏体 S 屈氏体 T
Ar1 ~ 650
650 ~ 600 600 ~ 550
500 ~ 700
300 ~ 400 100 ~ 200
片状珠光体
(a)
(b)
3、 球状珠光体
温度高，渗碳体呈球状 温度低，渗碳体呈粒状
力学性能： 渗碳体的体积分布越大，直径越小，
伪共析钢
以0.125℃/min加热和冷却时， Fe-C相图中临界点的移动
加热时临界点加注c ： Ac1 Ac3 Accm
冷却时临界点加注r ： Ar1 Ar3 Arcm
钢中典型的相变可归类为：
1、加热过程中的奥氏体转变； 2、冷却过程中的珠光体、贝氏体及马氏体转变； 3、发生马氏体转变后的再加热(回火)转变。
钢的加热转变
第一节
重结晶 转变开始： 加热温度﹥临界温度Al 珠光体 转变结束： 亚共析钢的A3、过共析钢的Acm 碳溶解在γ-Fe中 的间隙固溶体
奥氏体
α+Fe3C两相
体心立方
特点：塑 性好！
面心立方
成分、结构均改变
在A1温度（727℃）：
α
C% 结构 0.0218 BCC
+
Fe3C
6.69 复杂斜方
体优先转变，下半部分贝氏体优先转变。
2、均存在转变孕育期 ，C-曲线顶端所对应温度下的孕育期最 短。珠光体孕育期随温度降低而缩短，而贝氏体则延长。 3、转变初期慢，中期快，后又减缓 ，转变达到50%最快。 4、珠光体的转变孕育期以共析钢的为最短。
影响C曲线的因素
（1）碳含量
钢的相变温度
（1）Ac1 钢加热时，开始形成奥氏体的温度。
（2）Ac3 亚共析钢加热时，所有铁素体都转变为奥氏体的温度。
（3）Ac4 低碳亚共析钢加热时，奥氏体开始转变为δ相的温度。
（4）Accm 过共析钢加热时，所有渗碳体和碳化物完全溶入奥氏体的温度。
（5）Arl 钢高温奥氏体化后冷却时，奥氏体分解为铁素体和珠光体的温度。
（6）Ar3 亚共析钢高温奥氏体化后冷却时，铁素体开始析出的温度。
（7）Ar4 钢在高温形成的δ（铁素体区）相在冷却时，开始转变为奥氏体的温度。
（8）Arcm 过共析钢高温完全奥氏体化后冷却时，渗碳体或碳化物开始析出的温度。
（9）A1 也写做Ae1，是在平衡状态下，奥氏体、铁素体、渗碳体或碳化物共存的温度，也就是一般所说的下临界点。
（10）A3 也写做Ae3，是亚共析钢在平衡状态下，奥氏体和铁素体共存的最高温度，也就是说亚共析钢的上临界点。
（11）A4 也写做Ae4，是在平衡状态下，δ相和奥氏体共存的最低温度。
（12）Acm 也写做Aecm，是过共析钢在平衡状态下，奥氏体和渗碳体或碳化物共存的最高温度，也就是过共析钢的上临界点。
（13）Mb 马氏体爆发形成温度，以Mb表示（Mb≤ MS）。
当奥氏体过冷至MS 点以下时，瞬间爆发式形成大量马氏体，并伴有响声，同时释放相变潜热，使温度回升。
（14）Md 马氏体机械强化稳定化临界温度。
（15）MＦ马氏体相变强化临界温度。
（16）Mf 有的文献以Mf表示奥氏体转变为马氏体的终了温度。
（17）MG 奥氏体发生热稳定化的一个临界温度。
（18）MS 钢奥氏体化后冷却时，其中奥氏体开始转变为马氏体的温度，符号中的“S”是“始”字汉语拼音第一个字母，也就是俄文书籍中的MH和英文书籍中的MS。
（19）MＺ奥氏体转变为马氏体的终了温度，符号中的“Z”是“终”字的汉语拼音第一个字母，也就是俄文书籍中的MＫ和英文书籍中的Mf。
注：AC1、AC3、AC4和ACCｍ随加热速度而定，加热越快，其越高；Ar1、Ar3、A r4和Arcm则随冷却速度的加快而降低，当冷却速度超过一定值（临界冷却速度）时，它们将完全消失。
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§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？
第三章 合金钢中的相变
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奥氏体的形成
奥氏体形成过程
渗碳体的溶解
奥氏体的长大
第三章 合金钢中的相变
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一、合金元素对奥氏体形成的相变机制的影响
第三章 合金钢中的相变
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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 / ai =ri M/ ri
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§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
第三章 合金钢中的相变
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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（α）、 母相（γ）自由能的影响
Δ 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， γ 相愈稳定。
(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
第三章 合金钢中的相变
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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1250~1280℃，而共析温度只有820℃，就是希 望碳化物充分溶解。
1、降低ΔFv：C、Mn、Cr、Ni
2、提高ΔFv：Al、Co 3、影响不大：Mo、W
第三章 合金钢中的相变
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二、合金钢中的扩散和碳在铁中的活度
钢中扩散包括： ①、碳在奥氏体和铁素体中的扩散能力 ②、合金元素在奥氏体和铁素体中的扩散能力 ③、合金元素对Fe 、C扩散的影响
第三章 合金钢中的相变Fra bibliotek材料学—西安理工大学材料学院
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。
※表征合金元素在铁碳合金中对碳活度的影响
第三章 合金钢中的相变
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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。
第三章 合金钢中的相变
第三章 合金钢中的相变
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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.
第三章 合金钢中的相变
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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α －Fe 中扩散激活能必低于在γ －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）
第三章 合金钢中的相变
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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。
第三章 合金钢中的相变
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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，α →γ 转变伴随着重 结晶，即γ 新晶粒的形成对原始α 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， γ 晶粒保持原来α 相晶粒的形状和大小
第三章 合金钢中的相变
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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3－ 6
第三章 合金钢中的相变
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第三章 合金钢中的相变
第三章 合金钢中的相变
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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
第三章 合金钢中的相变
第三章 合金钢中的相变
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第三章 合金钢中的相变
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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。