第五章过冷奥氏体转变
工程材料与热处置第5章作业题参考答案
1.奥氏体晶粒大小与哪些因素有关？什么缘故说奥氏体晶粒大小直接阻碍冷却后钢的组织和性能？奥氏体晶粒大小是阻碍利用性能的重要指标，要紧有以下因素阻碍奥氏体晶粒大小。
（1）加热温度和保温时刻。
加热温度越高，保温时刻越长，奥氏体晶粒越粗大。
（2）加热速度。
加热速度越快，过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，形核率和长大速度的比值增大，那么奥氏体的起始晶粒越细小，但快速加热时，保温时刻不能太长，不然晶粒反而加倍粗大。
（3）钢的化学成份。
在必然含碳量范围内，随着奥氏体中含碳量的增加，碳在奥氏体中的扩散速度及铁的自扩散速度增大，晶粒长大偏向增加，但当含碳量超过必然限度后，碳能以未溶碳化物的形式存在，阻碍奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒长大偏向减小。
（4）钢的原始组织。
钢的原始组织越细，碳化物弥散速度越大，奥氏体的起始晶粒越细小，相同的加热条件下奥氏体晶粒越细小。
传统多晶的强度与尺寸的关系符合Hall-Petch关系，即σs=σ0+kd-1/2，其中σ0和k是常数，σs是，d是平均直径。
显然，尺寸与强度成反比关系，晶粒越细小，强度越高。
但是常温下的晶粒是和晶粒度相关的，通俗地说常温下的晶粒度遗传了晶粒度。
因此晶粒度大小对钢冷却后的组织和性能有专门大阻碍。
奥氏体晶粒度越细小，冷却后的组织转变产物的也越细小，其强度也越高，另外塑性，韧性也较好。
2．过冷奥氏体在不同的温度等温转变时，可取得哪些转变产物？试列表比较它们的组织和性能。
3.共析钢过冷奥氏体在不同温度的等温进程中，什么缘故550℃的孕育期最短，转变速度最快？因为过冷奥氏体的稳固性同时由两个因素操纵：一个是旧与新相之间的自由能差ΔG；另一个是原子的扩散系数D。
等温温度越低，过冷度越大，自由能差ΔG也越大，那么加速过冷奥氏体的转变速度；但原子扩散系数却随等温温度降低而减小，从而减慢过冷奥氏体的转变速度。
高温时，自由能差ΔG起主导作用；低温时，原子扩散系数起主导作用。
过冷奥氏体转变因素对其影响规律
过冷奥氏体转变因素对其影响规律过冷奥氏体等温转变的速度反映过冷奥氏体的稳定性，而过冷奥氏体的稳定性可在C曲线上反映出来。
过冷奥氏体越稳定，孕育期越长，则转变速度越慢，C曲线越往右移。
过冷奥氏体的等温转变因素有多个：（一）奥氏体成分的影响1、含碳量的影响2、合金元素的影响（二）奥氏体状态的影响（三）应力和塑性变形的影响。
一、奥氏体成分的影响过冷奥氏体等温转变的速度在很大程度上取决于奥氏体的成分，改变奥氏体的化学成分，影响C曲线的形状和位置，从而可以控制过冷奥氏体的等温转变速度。
1、含碳量影响与共析钢C曲线不同，亚、过共析钢上部各多一条先共析相析出线，说明过冷奥氏体在发生珠光体转变之前，在亚共析钢中先要析出铁素体，在过共析钢中要先析出渗碳体。
亚共析钢随奥氏体含碳量增加，C曲线逐渐右移，说明过冷奥氏体稳定性增高，孕育期变长，转变速度减慢。
这是由于在相同的转变条件下，随着亚共析钢中含碳量的增高，铁素体形核的几率减少，铁素体长大需要扩散离去的碳量增大，故减慢铁素体的析出速度。
一般认为，先共析铁素体的析出可以促进珠光体的形成。
因此，由于亚共析钢先共析铁素体孕育期增长且析出速度减慢，珠光体转变速度也随之减慢。
2、合金元素对的影响合金元素溶解到奥氏体中后，都增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。
V、Ti、Nb、Zr等强碳化物形成元素，当其含量较多时，能在钢中形成稳定的碳化物，在一般加热温度下不能融入奥氏体中而以碳化物形式存在，则反而降低过冷奥氏体的稳定性。
二、奥氏体状态的影响奥氏体晶粒越细小，单位体积内晶界面积越大，从而使奥氏体分解时形核率增多，降低稳定性。
铸态原始组织不均匀，存在成分偏析，而经轧制后，组织和成分变得均匀。
因此在同样加热条件下，铸锭形成的奥氏体很不均匀，而轧材形成的奥氏体比较均匀，不均匀的奥氏体可以促进奥氏体分解，使C曲线左移。
奥氏体化温度越低，保温时间越短，奥氏体晶粒越细，未溶第二相越多，同时奥氏体的碳浓度和合金元素浓度越不均匀，从而促进奥氏体在冷却过程中分解，使曲线左移。
过冷奥氏体转变总结
热处理过程：加热、保温、冷却 冷却方式有二种：连续冷却方式
等温冷却方式
dT/dτ→∞时是平衡条件，否则就是非平衡条件。 过冷奥氏体在非平衡条件下冷却，可有三种形式。其中：(a) dT/dτ= 0，为等温冷却；
(b) dT/dτ= C，为连续冷却； (c) dT/dτ= f(τ)，为实际冷却。
过冷奥氏体： 过冷奥氏体转变动力学图：体等温转变和连续转变动力学图： 过冷奥氏体主要转变类型：P型转变、M型转变、B型转变
（1）高温时，过冷度小，驱动力△Gv小，扩散系数D大， 原子扩散能力大，以驱动力△Gv影响为主。
（2）低温时，过冷度大，驱动力△Gv大，扩散系数D小， 原子扩散能力小，以扩散系数D影响为主。
上述两个因素综合作用的结果，在550℃是驱动力和原子 的扩散的作用都充分发挥，使孕育期最短，使TTT图呈“C” 字形。
(b) 表示转变终了线出现的二个鼻子；
(c) 表示转变终了线分开，珠光体转变的鼻尖离 纵轴远；
(d) 表示形成了二组独立的C曲线。
综上所述，C曲图为珠光体等温转变、马氏体 连续转变、贝氏体等温转变的综合。需指出的是 珠光体转变和贝氏体转变可能重叠得到珠光体加 贝氏体混合组织。贝氏体转变与M转变也会叠。
当奥氏体化温度下降，保温时间缩短, 奥氏体成 分不均匀，晶粒减小，晶界面积增加，珠光体形核 位置增加，形核率增加，C曲线左移。
上述二种影响，当珠光体转变是在高温时更为剧 烈。
（2）对马氏体转变
加热温度和保温时间的影响是两方面的。① 提高奥氏体化加热温度和保温时间，奥氏体晶 粒长大，缺陷减少及奥氏体均匀化。马氏体形 成的阻力减小，Ms升高。②提高奥氏体化加热 温度和保温时间，有利于碳和合金元素溶入奥 氏体中。Ms下降。若排除化学成分的影响，提 高奥氏体化加热温度和保温时间，使MS升高。 （3）对贝氏体转变
材料组织结构转变原理第五章过冷奥氏体转变动力学图.
端淬法测定CCT图
端淬法是以往应用比较多的方法之一。端淬试验时，试样各横
3．合金元素的影响
合金元素对TTT图形状的 影响很大。 一般说来，除钴 和铝以外的元素均使C形曲线 右移，即增加过冷奥氏体的 稳定性。其中碳的影响较为 特殊，碳含量在0.8—1.0％， C形曲线处于最右侧，高于或 低于这一含量时，曲线均向 左移动。其中共析碳素钢的 过冷奥氏体相对其它碳素钢 来说是最稳定的。铬含量增 加，珠光体转变移向高温， 而贝氏体转变则向低温移动， 且使贝氏体转变推迟。钨、 钼的作用与此类似。镍和锰 是扩大Fe—c相图中奥氏体区 的元素，使过冷奥氏体的转 变向低温移动。
钢的过冷奥氏体转变动力学图就是研究某一成分的钢的 过冷奥氏体转变产物与温度、时间的关系及其变化规律。 显而易见，在人们的生产实践中更多遇到的是非平衡条件 的相变，因此，掌握过冷奥氏体的非平衡冷却条件下的转 变规律，不仅大大深化了对其本质的认识，而且对热处理 生产的指导意义也更为直接。
本章的主要内容是在加热转变、珠光体转变、贝氏体转 变以及马氏体转变的基础上，对过冷奥氏体的转变动力学 进行综合的讨论。主要介绍过冷奥氏体等温转变动力学图 及连续冷却转变动力学图，并探讨它们在实际应用中的价 值，以及这两种动力学图之间的内在联系.
4、其它影响因素
—般说来，形变会使奥氏体晶粒细化，或者增加亚结构。 因此，形变通常使C形曲线左移。
此外，奥氏体均匀化程度对TTT固的C形曲线位置也有 影响。奥氏体成分越均匀，新相形核及长大过程中，所 需扩散时间就越长,曲线因此会右移。
显而易见，钢材成分不同，钢中所含元素的种类及数 量就不同，TTT图的形状及位置就不向。另外，热处理 工艺条件不同，合金元素的分布状态不同，奥氏体晶粒 尺寸及均匀化程度就不同，TTT图也有差异。在应用 TTT图应注意这个问题。
过冷奥氏体等温转变动力学
2、奥氏体晶粒尺寸的影响
A晶粒愈细小， 等温转变的孕育期愈短 ， 加速过冷 向 P的 晶粒愈细小，等温转变的孕育期愈短，加速过冷A向 的 晶粒愈细小 转变； 转变有相同的作用， 的作用大； 降低。 转变；对B转变有相同的作用，但不如对 的作用大； Ms降低。 转变有相同的作用 但不如对P的作用大 降低
பைடு நூலகம்
字形曲线（ （2）双C字形曲线（两个鼻子在时间和温度轴上都不相 ） 字形曲线 部分重叠） 同，P与B部分重叠）。 与 部分重叠
1）P转变曲线右移比较显著，20Cr、40Cr、35CrMn2等。 ） 转变曲线右移比较显著 转变曲线右移比较显著， 、 、 等 2）B转变曲线右移较为显著，GCr15、9Cr2、CrMn等。 ） 转变曲线右移较为显著 转变曲线右移较为显著， 、 、 等
3、加热温度和保温时间的影响 、
当原始组织相同时，提高 化温度 化温度， 当原始组织相同时，提高A化温度，延长保温时 将促进碳化物溶解，也会使C曲线右移 曲线右移。 间，将促进碳化物溶解，也会使 曲线右移。
a)843.5℃ 奥氏体化，晶粒度 ℃ 奥氏体化，晶粒度No9 b)1065.6 ℃奥氏体化，晶粒度 奥氏体化，晶粒度No3
四、TTT图的应用举例 TTT图的应用举例 1、分级淬火：表面和心部温度一致。 分级淬火：表面和心部温度一致。
2、等温淬火：获得下贝氏体。 等温淬火：获得下贝氏体。
3、退火和等温退火：珠光体转变。 退火和等温退火：珠光体转变。
4、形变热处理 ：将形变强化和热处理强化结合。 将形变强化和热处理强化结合。
（一）TTT图的建立 TTT图的建立 测量转变的方法很多，如金相法、硬度法、 测量转变的方法很多，如金相法、硬度法、 膨胀法、磁性法、电阻法、热分析法等。 膨胀法、磁性法、电阻法、热分析法等。 通常用金相硬度法和膨胀法配合使用， 通常用金相硬度法和膨胀法配合使用，利 用过冷奥氏体转变产物的组织形态或物理性能 的变化进行测定。 的变化进行测定。
奥氏体等温转变
珠光体转变过程 珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首
先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥 氏体的含碳 量下降，促 进了铁素体 形核，两者 相间形核并 长大，形成一个珠光体团。
珠光体转变是扩散型转变。
珠光体转变
珠光体转变
随着过冷度的不同，片层间距和厚薄也不同,又细分为珠光体、索氏体和托氏体.
➢ 过冷奥氏体的中温（贝 氏体）转变
过冷奥氏体在550℃230℃ (Ms)间将转变为 贝氏体类型组织，贝氏 体用符号B表示。 根据其组织形态不同， 贝氏体又分为上贝氏体 (B上)和下贝氏体(B下).
上贝氏体 下贝氏体
贝氏体转变过程 贝氏体转变也是形
核和长大的过程。
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，其含碳量介 于奥氏体与平衡铁 素体之间，为过饱 和铁素体。
下贝氏体： 形成温度为350℃-Ms。 在光镜下呈竹叶状。
光镜下
电镜下
在电镜下为细片状碳 化物分布于铁素体针 内，并与铁素体针长 轴方向呈55-60º角。
上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。 下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较
好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的 强化组织之一。
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，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条 间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成B上 。
上贝氏体转变过程
上贝氏体:
在光镜下呈羽毛 状.
在电镜下为不连
续棒状的渗碳体 光镜下 分布于自奥氏体
⑶ 托氏体 形成温度为600-550℃，片层极薄(<0.2μm)，电镜
下可辨，用符号T 表示。
过冷奥氏体连续冷却转变
过冷奥氏体连续冷却转变
过冷奥氏体连续冷却转变是一种金属材料的相变过程，通常发生在高温状态下。
在这个过程中，金属材料的温度被快速降低到低于其临界转变温度的温度以下，但是材料仍然处于液态。
在这种情况下，过冷奥氏体可以在没有形成晶体的情况下存在。
当过冷奥氏体被连续冷却时，它会发生一系列的相变，最终形成固态晶体。
这个过程可以分为两个阶段：先是过冷奥氏体的转变，然后是晶体的形成。
在第一个阶段，过冷奥氏体可以通过两种方式转变：等温转变和连续冷却转变。
等温转变是指过冷奥氏体在一定的时间内逐渐转变为珠光体或索氏体。
连续冷却转变是指过冷奥氏体在一定的速度下以一定的时间冷却到室温以下，从而形成不同的晶体结构。
在第二个阶段，过冷奥氏体转变为固态晶体。
这个过程可以通过两种方式进行：马氏体转变和贝氏体转变。
马氏体转变是指过冷奥氏体在快速冷却过程中形成的马氏体。
贝氏体转变是指过冷奥氏体在缓慢冷却过程中形成的贝氏体。
过冷奥氏体连续冷却转变是一个复杂的相变过程，它对金属材料的性能和组织结构具有重要的影响。
过冷奥氏体转变
过冷A等温转变动力学图的基本形式
（一）共析钢的C曲线分析 1.线、区的意义 线：纵坐标为温度，横 坐标为时间 ，临界点A1 线， MS 线 ， Mf 线 ， 转变开始线， 转变终了线。 区： A1 以上为稳定 A 区， 过冷A区，过冷A等温转变区 （A→P、A→B），转变产物 区（P、B）， M形成区 （A→M）、M转变产物区（M 或M+Ar） 孕育期最短的部位，即 转变开始线的突出部分，称 为鼻子。
（二）非共析钢的过冷A等温转变图与共析钢的A等温转变图 不同的是： 对亚共析钢在发生 P转变之前有先共析 F 析出，因此亚共 析钢的过冷 A等温转变曲线在左上角有一条先共析 F析出线， 且该线随含碳量增加向右下方移动，直至消失。 对过共析钢在发生P转变之前有先共析渗碳体析出，因此 过共析钢的过冷A等温转变曲线在左上角有一条先共析渗碳 体析出线，且随含碳量增加向左上方移动，直至消失。
下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较 好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的 强化组织之一。
上贝氏体 贝氏体组织的透射电镜形貌 下贝氏体
过冷奥氏体的低温（ 马氏 体）转变
当奥氏体过冷到Ms以下将 转变为马氏体类型组织。 1）马氏体的晶体结构
马氏体组织
碳在-Fe中的过饱和固溶
体称马氏体，用M表示。 马氏体转变时，奥氏体中 的碳全部保留到马氏体中.
光镜下形貌
电镜下形貌
⑵ 索氏体
电镜形貌
形成温度为650-600℃,片 层较薄(0.2~0.4μm)， 800-1000倍光镜下可辨，
光镜形貌
用符号S 表示。
⑶ 托氏体
形成温度为600-550℃，片层极薄(<0.2μm)，电镜 下可辨，用符号T 表示。
第五章 钢的热处理1.2节
㈠ 珠光体转变 1、珠光体的组织形态及性能 、 过冷奥氏体在 A1到 550℃间将 ℃ 转变为珠光体类型组织， 转变为珠光体类型组织，它是铁 素体与渗碳体片层相间的机械混 合 物，根据片 层厚薄不同, 层厚薄不同 又细分为珠 又细分为珠 光体、 光体、索氏 体和托氏体. 和托氏体
当转变温度较高（550-350℃) 时，条片状铁素体从 当转变温度较高（ ℃ 奥氏体晶界向晶内平行生长， 奥氏体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 其碳原子向条间奥氏体富集， 间析出Fe 短棒 奥氏体消失，形成B 短棒， 间析出 3C短棒，奥氏体消失，形成 上 。
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。 核和长大的过程。 发生贝氏体转变时 发生贝氏体转变时, 首先在奥氏体中的 首先在奥氏体中的 贫碳区形成铁素体 晶核， 晶核，其含碳量介 于奥氏体与平衡铁 素体之间， 素体之间，为过饱 和铁素体。 和铁素体。
下贝氏体 上贝氏体
⑴ 上贝氏体 形成温度为 形成温度为550350℃。 ℃ 在光镜下呈羽毛状. 在光镜下呈羽毛状 羽毛状 在电镜下为不连续 棒状的渗碳体分布 棒状的渗碳体分布 于自奥氏体晶界向 晶内平行生长的铁 晶内平行生长的铁 平行生长 素体条之间。 素体条之间。
电镜下 光镜下
⑵下贝氏体 形成温度为 形成温度为350℃-Ms。 ℃ 。 在光镜下呈竹叶状。 在光镜下呈竹叶状。
过冷奥氏体转变曲线图
3）加热条件的影响
加热条件主要指加热温度和保温时间。奥氏体化温度越高，保温时间 越长，则形成的奥氏体晶粒越粗大，成分越均匀。同时，加热温度的提高 也有利于先析出相及其他难熔质点的熔化。所有这些因素都将提高奥氏体 的稳定性，使C曲线右移。
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1.2 过冷奥氏体连续冷却转变
实际中多数热处理工艺应用的是连续冷却转变， 即过冷奥氏体是在不断的降温过程中发生转变的， 这就需要研究过冷奥氏体的连续冷却转变规律。
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ过冷奥氏体连续冷却转变曲线
如图4-16所示为共析钢的连续冷却转变曲线，又 称CCT曲线（Continuous Cooling Transformation）。 它反映了过冷奥氏体的冷却状况与组织结构之间的关 系，是研究钢在冷却转变时组织转变的理论基础，也 是选择热处理冷却工艺的重要依据。
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图4-16 共析钢连续冷却转变曲线示意图
图4-16中的Ps线为过冷奥氏体转变为珠光体的开始线，Pf 线 为转变终了线，两线之间为转变过渡区。 KK ' 线为转变的中止线， 当冷却曲线碰到此线时，过冷奥氏体便中止向珠光体型组织转变， 剩余的奥氏体将被过冷到 Ms点以下转变为马氏体。Vk是与Ps线相 切的冷却速度，它是钢在淬火时可抑制非马氏体组织转变的最小 冷却速度，称为淬火冷却速度或上临界冷却速度。Vk' 是获得全部 珠光体组织的最大冷却速度，称为下临界冷却速度。
2）合金元素的影响
除Co，Al以外，所有的合金元素溶于奥氏体后都会提高过冷奥氏体 的稳定性，使C曲线右移。其中，非碳化物形成元素（如Ni，Si，Cu等） 只改变C曲线的位置，不改变其形状。碳化物形成元素（如Cr，Mo，V等） 可同时改变C曲线的位置和形状。必须指出，碳化物形成元素必须溶于奥 氏体中才能提高过冷奥氏体的稳定性，否则作用相反。
工程材料与热处理第5章作业题参考答案
1.奥氏体晶粒大小与哪些因素有关？为什么说奥氏体晶粒大小直接影响冷却后钢的组织和性能？奥氏体晶粒大小是影响使用性能的重要指标，主要有下列因素影响奥氏体晶粒大小。
（1）加热温度和保温时间。
加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。
（2）加热速度。
加热速度越快，过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，形核率和长大速度的比值增大，则奥氏体的起始晶粒越细小，但快速加热时，保温时间不能过长，否则晶粒反而更加粗大。
（3）钢的化学成分。
在一定含碳量范围内，随着奥氏体中含碳量的增加，碳在奥氏体中的扩散速度及铁的自扩散速度增大，晶粒长大倾向增加，但当含碳量超过一定限度后，碳能以未溶碳化物的形式存在，阻碍奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒长大倾向减小。
（4）钢的原始组织。
钢的原始组织越细，碳化物弥散速度越大，奥氏体的起始晶粒越细小，相同的加热条件下奥氏体晶粒越细小。
传统多晶金属材料的强度与晶粒尺寸的关系符合Hall-Petch关系，即σs=σ0+kd-1/2，其中σ0和k是细晶强化常数，σs是屈服强度，d是平均晶粒直径。
显然，晶粒尺寸与强度成反比关系，晶粒越细小，强度越高。
然而常温下金属材料的晶粒是和奥氏体晶粒度相关的，通俗地说常温下的晶粒度遗传了奥氏体晶粒度。
所以奥氏体晶粒度大小对钢冷却后的组织和性能有很大影响。
奥氏体晶粒度越细小，冷却后的组织转变产物的也越细小，其强度也越高，此外塑性，韧性也较好。
2．过冷奥氏体在不同的温度等温转变时，可得到哪些转变产物？试列表比较它们的组织和性能。
3.共析钢过冷奥氏体在不同温度的等温过程中，为什么550℃的孕育期最短，转变速度最快？因为过冷奥氏体的稳定性同时由两个因素控制：一个是旧与新相之间的自由能差ΔG；另一个是原子的扩散系数D。
等温温度越低，过冷度越大，自由能差ΔG也越大，则加快过冷奥氏体的转变速度；但原子扩散系数却随等温温度降低而减小，从而减慢过冷奥氏体的转变速度。
高温时，自由能差ΔG起主导作用；低温时，原子扩散系数起主导作用。
奥氏体等温转变完整版.ppt
体为一束束的细条 组织。
演示课件
光镜下 电镜下
每束内条与条之间尺 SEM
寸大致相同并呈平行
排列，一个奥氏体晶
粒内可形成几个取向
不同的马氏体束。
TEM
在电镜下，板条内的
亚结构主要是高密度
过冷奥氏体的等温冷却转变
冷却方式决定钢的组织和性能，是热处 理极为重要的工序。实际生产中常采用等温 冷却和连续冷却两种冷却方式。
过冷奥氏体：处于临界点A1以下的奥氏体， 是非稳定组织，迟早要发生转变。现以共析 钢为例说明奥氏体的等温冷却转变。
演示课件
过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变 两种。
演示课件
马氏体组织
马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c） 轴比c/a 称马氏体的正方度。 C% 越高，正方度越大，正方畸变越严重。 当＜0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格.
演示课件
2）马氏体的形态 马氏体的形态分板
条和针状两类。 a. 板条马氏体 立体形态为细长的
下贝氏体转变
贝氏体转变属半扩散型转变，即只有碳原子扩散而
铁原子不扩散。
演示课件
下贝氏体： 形成温度为350℃-Ms。 在光镜下呈竹叶状。
光镜下
在电镜下为细片状碳 化物分布于铁素体针 内，并与铁素体针长 轴方向呈55-60º角。
电镜下
演示课件
上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。 下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较
上贝氏体转变过程
演示课件
上贝氏体: 在光镜下呈羽毛
状. 在电镜下为不连
续棒状的渗碳体
分布于自奥氏体
晶界向晶内平行
生长的铁素体条
工程材料与热处理 第5章作业题参考答案
1.奥氏体晶粒大小与哪些因素有关？为什么说奥氏体晶粒大小直接影响冷却后钢的组织和性能？奥氏体晶粒大小是影响使用性能的重要指标，主要有下列因素影响奥氏体晶粒大小。
（1）加热温度和保温时间。
加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。
（2）加热速度。
加热速度越快，过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，形核率和长大速度的比值增大，则奥氏体的起始晶粒越细小，但快速加热时，保温时间不能过长，否则晶粒反而更加粗大。
（3）钢的化学成分。
在一定含碳量范围内，随着奥氏体中含碳量的增加，碳在奥氏体中的扩散速度及铁的自扩散速度增大，晶粒长大倾向增加，但当含碳量超过一定限度后，碳能以未溶碳化物的形式存在，阻碍奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒长大倾向减小。
（4）钢的原始组织。
钢的原始组织越细，碳化物弥散速度越大，奥氏体的起始晶粒越细小，相同的加热条件下奥氏体晶粒越细小。
传统多晶金属材料的强度与晶粒尺寸的关系符合Hall-Petch关系，即σs=σ0+kd-1/2，其中σ0和k是细晶强化常数，σs是屈服强度，d是平均晶粒直径。
显然，晶粒尺寸与强度成反比关系，晶粒越细小，强度越高。
然而常温下金属材料的晶粒是和奥氏体晶粒度相关的，通俗地说常温下的晶粒度遗传了奥氏体晶粒度。
所以奥氏体晶粒度大小对钢冷却后的组织和性能有很大影响。
奥氏体晶粒度越细小，冷却后的组织转变产物的也越细小，其强度也越高，此外塑性，韧性也较好。
2．过冷奥氏体在不同的温度等温转变时，可得到哪些转变产物？试列表比较它们的组织和性能。
3.共析钢过冷奥氏体在不同温度的等温过程中，为什么550℃的孕育期最短，转变速度最快？因为过冷奥氏体的稳定性同时由两个因素控制：一个是旧与新相之间的自由能差ΔG；另一个是原子的扩散系数D。
等温温度越低，过冷度越大，自由能差ΔG也越大，则加快过冷奥氏体的转变速度；但原子扩散系数却随等温温度降低而减小，从而减慢过冷奥氏体的转变速度。
高温时，自由能差ΔG起主导作用；低温时，原子扩散系数起主导作用。
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共析碳钢 TTT 曲线的分析
稳定的奥氏体区
过
A
冷 奥 氏
+ 产
体 区
A向产
A向产物 产
转变终止线 物物区区Ms 物转变开始线Mf
A1 A1～550℃;高温转变区; 扩散型转变; P 转变区。
550～230℃;中温转变 区; 半扩散型转变;
下贝氏体 :形成温度为 350℃- Ms（230℃），在 光镜下呈竹叶状，在电镜 下为细片状碳化物分布于 铁素体针上，并与铁素体 针长轴方向呈55-60°角， 如图所示。
马氏体转变
当奥氏体过冷到Ms以下时将转变为马氏体类型组 织。马氏体转变是强化钢的重要途径之一。 碳在α- Fe中的过饱和固溶体称为马氏体，用符号M 表示。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马 氏体中。马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c），轴 比c/a称马氏体的正方度，如图所示。马氏体含碳 量越高，其正方度越大，正方畸变也越严重。当含 碳量小于0.25%时，c/a=1，此时马氏体为体心立方 晶格。
索氏体 : 形成温度为 650-600℃，片层较薄， 800-1000倍光镜下可 辨，用符号S表示。 如图所示。
托氏体 : 形成温度 为600-550℃，片层 极薄，电镜下可辨， 用符号T表示。如图 所示。
贝氏体转变 过冷奥氏体在550℃ - Ms （对于共析钢，Ms 为230℃） 间将转变为贝氏体类型组织， 贝氏体用符号B表示。根据 其组织形态不同，又分为上 贝氏体（B上）和下贝氏体 （B下） 上贝氏体: 形成温度为550350℃，在光镜下呈羽毛状， 在电镜下为不连续棒状的渗 碳体分布于自奥氏体晶界向 晶内平行生长的铁素体条之 间，如图所示。
2、在不同温度下等温具有不同的转变产物 （1）珠光体转变区 （2）贝氏体转变区 （3）马氏体转变区 （4）珠光体与贝氏体、贝氏体与马氏体可能重叠
珠光体转变
过冷奥氏体在A1到550℃间将转变为 珠光体类型组织，它是铁素体与渗 碳体片层相间的机械混合物，根据 片层厚薄不同，又可细分为：
珠光体: 形成温度为A1-650℃，片 层较厚，500倍光镜下可辨，用符号 P表示。如图所示。
始线，右为转变终了线，中间一条为转变量为50% 的线。
纵坐标和转变开始线之间的区域为孕育区。这 个区域横坐标的长度称为孕育期。孕育期最短的部 位，即转变开始线的突出部分，称为鼻子。
区：稳定A区、过冷A区（过冷A等温转变的孕 育期）、过冷A等温转变区、等温转变产物区、M形 成区、M转变产物区。
三个温度区（过冷度增加，过冷A发生的三种转变）：
第五章 过冷奥氏体转变动力学
聊城大学材料学院
5.1四种冷却类型
平衡冷却
冷
却
条
等温冷却
件
非平衡冷却 恒速冷却
变速冷却
钢在冷却时，主要的冷却方式有两种: 一种是等温冷却，另一种是连续冷却，如图所示。
不同冷却方式示意图
5.2过冷奥氏体等温转变动力 学图
一、过冷奥氏体等温转变图
用来描述转变开始和转变终了时间、转变产物和 转变量与温度、时间之间的关系曲线，称为过冷奥氏 体等温转变曲图。（C曲线、TTT图）
（二）奥氏体等温转变图的特点
开始线以左部分为过冷奥氏体区，转变终了线以 右区域为P或B区，两条线之间为转变过渡区（A+P或 A+B），水平线MS为马氏体转变开始温度，MS以下为 马氏体区。
1、过冷奥氏体在不同温度等温分解都有一个孕育期。
孕育期的长短随等温温度而变，鼻子点处的孕育 最短，即，在此温度奥氏体最不稳定、最易分解。鼻 子点的出现是因为转变的形核及长大均受C原子及Fe 原子扩散的控制。
贝氏体( B ) 转变区;
230～ - 50℃; 低温转 变区; 非扩散型转变; 马氏体 ( M ) 转变区。
-100 0
1
10
102
103
104 时间(s)
线、区的意义 线：纵坐标为温度，横坐标为时间，以对数分
度。 图上部一条虚线表示临界点A1线，下部一条实
线表示马氏体转变开始点MS，MS线下面为Mf线。 两横线之间有三条C形曲线：左边一条为转变开
马氏体的形态 钢中马氏体的组织形态可分为板条状和针状两大类。 ① 板条马氏体：呈板条状；具有较高的强度和良好 的韧性，即良好的综合力学性能。Ms温度较高、含 碳量较低的钢淬火时易得到板条马氏体。 板条马氏体是低、中碳钢和低、中碳合金钢淬火组 织中的一种典型组织形态。 ② 针状马氏体：呈针片状或竹叶状；具有高的强度 和硬度，但塑性韧性差，即硬而脆。Mf较低、含碳 量较高的钢淬火时易得到。 针状马氏体主要出现在中高碳钢、中高碳合金钢和 高镍的铁镍合金的淬火组织中。必须经过回火处理 后才能使用。
（一）过冷奥氏体等温转变图的建立
将奥氏体的试样迅速冷至临界温度以下的一定温 度，进行等温，在等温过程中所发生的相变称为等温 转变。测量转变的方法很多，如金相法、硬度法、膨 胀法、磁性法、电阻法、热分析法等。通常用金相硬 度法和膨胀法配合使用，利用过冷奥氏体转变产物的 形态或物理性能的变化进行测定。
温度 (℃)
(1)、珠光体型转变：高温区（在临界点A1以下）、过 冷度小，珠光体型组织转变区，A→P；扩散型相变
(2)、马氏体型转变：低温区（在MS以下）、过冷度大， 发生马氏体转变的区域，A→M；非扩散型相变
(3)、贝氏体型转变：中温区（在A1以下、MS以上）， 发生贝氏体转变的区域，A→B。半扩散型相变
在转变终了线右边，对A→P而言，A全部转变为P； 在转变终了线右边，对A→B而言，A不能全部转变为B， 会保留有未转变的AR； 在转变开始线和终了线之间为二相组织。 由于形状的缘故，上述C形曲线也称为C曲线，或TTT 曲线。
马氏体的形态主要取决于其含碳量。当含碳量小于0.2% 时，转变后的组织几乎全部是板条马氏体，而当含碳量 大于1.0%时，则几乎全部是针状马氏体。含碳量在 0.2~1.0%之间为板条状与针状的混合组织。
马氏体的性能
高硬度是马氏体性能的主要 特点。马氏体的硬度主要取 决于其含碳量，含碳量增加， 其硬度也随之提高，当含碳 量大于0.6%时，其硬度趋于 平缓，如图所示。合金元素 对马氏体的硬度影响不大。 马氏体的塑性和韧性主要取 决于其亚结构的形式。针状 马氏体脆性大，而板条马氏 体具有较好的塑性和韧性。