珠光体奥氏体马氏体的区别

由 范文之家 分享时间：2022-11-17 14:52:27 加入收藏我要投稿点赞

珠光体奥氏体马氏体的区别

钢经奥氏体化后，由于冷却条件不同，其转变产物和性能有很大差别。由表5-1可以看出，45钢在同样奥氏体化条件下，由于冷却速度不同，其力学性能有明显差别。

表5-1 45钢经840℃加热后在不同条件下冷却后的力学性能

在热处理生产中，常用的冷却方式有两种，即等温冷却和连续冷却，其曲线如图5-11所示。

图5-11 等温冷却和连续冷却曲线

1—等温冷却；2—连续冷却

等温冷却是将奥氏体迅速冷却到Ac1以下某一温度进行保温，使奥氏体发生转变，然后冷却到室温（图5-11曲线1）。连续冷却是将奥氏体自高温连续冷却到室温（图5-11曲线2）。奥氏体在临界转变温度以上是稳定的，不会发生转变。奥氏体冷却至临界温度以下，在热力学上处于不稳定状态，要发生分解转变。这种在临界温度以下存在且不稳定的、将要发生转变的奥氏体，叫作过冷奥氏体。过冷奥氏体在连续冷却时的转变是在一个温度范围内发生的，其过冷度是不断变化的，因而可以获得粗细不同或类型不同的混合组织。虽然这种冷却方式在生产中广泛应用，但分析起来比较困难。

钢在等温冷却的情况下，可以控制温度和时间这两个因素，分别研究温度和时间对过冷奥氏体转变的影响，有助于弄清过冷奥氏体的转变过程及不同转变产物的组织和性能，并能方便地测定过冷奥氏体等温转变曲线。

由于等温转变对研究钢在冷却时的组织转变较为方便，下面以共析钢为例来说明冷却方式对钢组织和性能的影响。

过冷奥氏体等温转变

通过前面的学习，我们知道奥氏体在临界温度A1以下是不稳定的，必定要发生转变，热处理中把在A1温度以下暂时存在、处于不稳定状态的奥氏体称为“过冷奥氏体”。

1.过冷奥氏体等温转变图

反映过冷奥氏体等温转变温度与转变产物之间关系的图形称为过冷奥氏体等温转变图。图5-12为共析钢过冷奥氏体等温转变图，因两条曲线形状如英文字母C，故称为 “C曲线”，图中左边C曲线为过冷奥氏体转变开始线，右边C曲线为过冷奥氏体转变终了线。

图5-12 共析钢过冷奥氏体等温转变图

从C曲线图中我们可以看出：A1以上是奥氏体稳定区域；在A1以下左C曲线左边，由于过冷现象，奥氏体仍然存在一段时间，这段时间称为孕育期。孕育期的长短标志着过冷奥氏体稳定性的大小。曲线的拐弯处（550℃左右）俗称 “鼻尖”，孕育期最短（约1s），过冷奥氏体稳定性最小；右C曲线右边为转变产物区；在左C、右C两条曲线之间为过渡区，转变正在进行。

注意，如果把加热到奥氏体状态的共析钢试样迅速冷却到230℃以下，过冷奥氏体将发生连续转变，得到马氏体组织，即在C曲线下部有两条水平线，一条是过冷奥氏体发生马氏体转变的开始温度线（Ms线），另一条是过冷奥氏体发生马氏体转变的终了温度线（Mf线）。

2.过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能

过冷奥氏体等温转变图中的鼻尖将曲线分为上下两部分，上部称为珠光体转变区，下部称为贝氏体转变区。

1）珠光体转变（在Al～550℃范围）

珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。渗碳体呈片层状分布在铁素体基体上，等温转变温度越低，所得珠光体越细。根据所形成片层间距大小，珠光体又可分为珠光体、索氏体和托氏体，其组织和性能见表5-2。其中珠光体片层较粗，索氏体片层较细，托氏体片层更细，需要用电子显微镜才能看出它们呈片状。

表5-2 珠光体、索氏体和托氏体组织和性能

珠光体的力学性能主要取决于片层间距的大小。片层间距越小，则珠光体的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也有所改善。

2）贝氏体转变（在550℃～Ms范围）

因转变温度较低，原子活动能力较弱，过冷奥氏体虽然仍分解成渗碳体和铁素体的混合物，但铁素体溶解的碳超过了正常的溶解度。转变后得到的组织为含碳量具有一定过饱和程度的铁素体和极分散的渗碳体组成的混合物，称为贝氏体，用符号 “B”表示。

在550℃～350℃范围内，转变的产物呈密集平行的白亮条状组织，形若羽毛，这种组织称为上贝氏体（图5-13）。上贝氏体硬度为40～45HRC，但塑性很差，在生产中很少使用。

在350℃～230℃范围内，转变的产物呈黑色针叶状，这种组织称为下贝氏体（图5-14）。下贝氏体硬度高（45～55HRC），韧性也好。共析钢贝氏体转变产物的组织和性能见表5-3。

图5-13 上贝氏体显微组织

图5-14 下贝氏体显微组织

表5-3 共析钢贝氏体转变产物的组织和性能

过冷奥氏体连续冷却转变

把钢加热到奥氏体状态后，使奥氏体在温度连续下降的过程中发生的转变称为过冷奥氏体连续冷却转变。因过冷奥氏体连续冷却转变曲线测定困难，故目前生产中通常应用过冷奥氏体等温转变图近似地来分析奥氏体连续冷却时的转变。例如，我们要确定一种钢在某种连续冷却速度下所得到的组织，可将该连续冷却速度线画在此钢的等温转变图上，根据它与C曲线相交的位置，便可大致地估计出它可能得到的组织。

在共析钢的等温转变图上估计生产中典型连续冷却时的转变情况，如图5-15所示。典型的连续冷却产物见表5-4。

图5-15 过冷奥氏体等温转变图在连续冷却中的应用

随炉冷却（v1约10℃／min）时，根据它和C曲线相交的位置，可以估计出奥氏体转变为珠光体。

空气冷却（v2约10℃／s）时，根据它和C曲线相交的位置，可以估计出奥氏体转变为索氏体。

油中冷却（v3约150℃／s）时，它与C曲线开始转变线相交，可判断有一部分过冷奥氏体转变为托氏体，但v3没有与C曲线的转变终了线相交，故另一部分过冷奥氏体来不及分解，就被过冷到Ms温度以下，转变为马氏体，最后得到托氏体＋马氏体的混合物。

水中冷却（v4约600℃／s）时，它不与C曲线相交，一直过冷到Ms温度以下，开始转变为马氏体。

共析钢C曲线最为简单，只有珠光体转变区和马氏体转变区，说明共析钢连续冷却时没有贝氏体形成。图5-15中珠光体转变区左边一条线叫过冷奥氏体转变开始线，右边一条线叫过冷奥氏体转变终了线，下面一条线叫过冷奥氏体转变中止线。Ms和冷速v K线以下为马氏体转变区。由图5-15还可以看出，过冷奥氏体连续冷却速度不同，发生转变及室温组织亦不同。当以很慢速度冷却时（vl），发生转变温度较高，转变开始和转变终了的时间很长。冷却速度增大，发生转变的温度降低，转变开始和终了的时间缩短，而转变经历的温度区间增大。但是，只要冷却速度小于冷却曲线，冷却至室温将得到全部珠光体组织，只是组织弥散程度不同而已。如果冷却速度在Ms和v K之间，当冷至珠光体转变开始线时，开始发生珠光体转变，但冷至过冷奥氏体转变终止线，则得到珠光体加马氏体。如果冷却速度大于，奥氏体过冷至Ms点以下发生马氏体转变，冷至Mf点，转变终止，最终得到马氏体加残留奥氏体组织。由此可见，冷却速度v K和是获得不同转变产物的分界线。表示过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解，而全部过冷至Ms点以下发生马氏体转变的最小冷却速度，称为上临界冷却速度，又称临界淬火速度；表示过冷奥氏体在连续冷却过程中全部转变为珠光体的最大冷却速度，又称下临界冷却速度。

表5-4 典型的连续冷却产物

材料史话

为了纪念德国冶金专家马滕斯（Martens Adolf）在改进和传播金相技术方面的功绩，法国著名的金相学家奥斯蒙（Floris Osmond）在1895年建议用马滕斯的姓氏命名钢的淬火组织——Manensite，即马氏体。

马氏体转变的特点如下。

（1）奥氏体向马氏体转变，是连续冷却进行的，它从Ms开始，到Mf转变终止。马氏体的数量随着温度的下降而不断增多，如果冷却在中途停止，则奥氏体向马氏体转变也停止。

（2）转变速度极快。马氏体转变是非扩散型转变，只有晶格的改组而无铁原子的扩散，马氏体仍保持原奥氏体的化学成分。马氏体转变速度极快，形成一片马氏体仅需10-7s。

（3）马氏体转变体积发生膨胀，并产生很大的内应力。由于马氏体的比容（单位质量物质的体积）比奥氏体大，因此，钢淬火时体积要发生膨胀，这是钢件淬火时产生内应力，易变形、开裂的重要原因。

（4）转变不彻底，存在残余奥氏体。马氏体转变不能进行到底，即使冷却到Mf温度以下，仍有少量奥氏体存在，这部分未发生转变的奥氏体称为残余奥氏体。

马氏体的形态主要有板条状和针状两种，显微组织如图5-16所示。图5-16（a）为含碳量小于0.2％的马氏体，其显微组织呈相互平行的细板条状，故称板条状马氏体。板条状马氏体不仅具有较高的强度和硬度，而且还具有较好的塑性和韧性，在生产中得到多方面的应用。图5-16（b）为含碳量大于1.0％的马氏体，其断面形状呈针叶状，故称针状马氏体。针状马氏体的硬度很高，但塑性和韧性很差。两种马氏体性能比较见表5-5，含碳量为0.2％～1.0％时，淬火后的组织是板条状马氏体和针状马氏体的混合物。

图5-16 马氏体组织形态

（a）板条状马氏体显微组织；（b）针状马氏体显微组织

同一种钢，马氏体比其他任何一种组织的硬度都要高，所以获得马氏体组织的淬火工艺，是强化钢铁零件的主要方法。

表5-5 两种马氏体性能比较

交流与讨论

奥氏体、过冷奥氏体、残余奥氏体三者之间有何区别？

练习与实践

一、填空题

1.在热处理生产中，常用的冷却方式有__________和__________。

2.共析钢在等温转变过程中，珠光体转变（A1～550℃）的产物为__________、__________和__________ ，相对应的符号是__________、__________和__________。

3.共析钢奥氏体进行以下连续冷却，请填写组织名称。

二、选择题