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1、六、碳钢及钢的热处理 1、Fe-C相图与碳钢 2、钢的加热转变（奥氏体化） 3、 奥氏体的冷却转变（奥氏体分解， C曲线） 4、 珠光体转变与钢的退火、正火 5、 马氏体转变与钢的淬火 6、 淬火钢的加热转变与钢的回火 7、 贝氏体转变与钢的等温淬火 8、 表面淬火 9、 化学热处理 10、热处理的工艺基础（略） 4、珠光体转变与钢的退火、正火 1）珠光体转变 钢中的共析转变，产物呈珠母条纹状，而得名。 转变反应式： A（0.77%C，FCC）F（0.02%C，BCC）+Fe3C（6.69%C，复杂斜方） 1864年索拜在碳素钢中观察到片状碳 化物和铁素体混合物，定名为珠光的 组成物（pear
2、ly constituent），后来金 相学上称为珠光体(pearlite)。 珠光体转变理论1960s似乎已成熟，但 1980s再度引起重视，相应地，珠光体 钢和珠光体组织的应用也得到了新的 发展，如微合金化非调质钢取代传统 调质钢、珠光体钢重型钢轨钢、 高强冷拔钢丝（绳）用钢等 片层间距不同的珠光体 A1-650（P, 珠光体） 片间距大于0.25m ，鉴别片间与片层可 用普通光镜，强度、硬度低，塑性好； 650-600（S, 索氏体） 片间距小于0.25m而大于0.10 m ，鉴 别片间与片层可用高倍（X800-1000） 光镜，强度、硬度较高，塑性较好； 600-550（T, 屈氏体）
3、 片间距小于0.10 m ，鉴别片间与片层 要用电镜，强度、硬度高，塑性低。（ 尤其是伴生着贝氏体转变，而混杂上贝 氏体，韧性急剧下降） 通常，从综合性能来考虑，处理成索氏 体（650-600 等温退火或正火，要求 不是很高时，通常用正火片状索氏体， 否则需回火粒状珠光体） 珠光体 索氏体 屈氏体 层状珠光体粒状珠光体 在晶界处形 核，领先相 很可能是渗 碳体 形成渗碳体 ，Fe3C/A界 面贫碳，A改 组成F 侧（横）向生长 ，增加片层数 边（纵）向生长 ，向片层平行方 向推进 珠光体块基 本上呈半球 生长 珠光体球 珠光体领域（pearlite colony） 2）珠光体的形核长大过程 过
4、冷奥氏体向珠光体组织转变过程是一个形 核长大过程 珠光体在奥氏体晶界（尤其是三叉晶界）处形核 ，向奥氏体晶粒中长大 3）珠光体的形核长大过程的实验观察 在奥氏体晶界（尤其是三叉晶 界）处形核，向奥氏体晶粒中 长大 开始有点像不连续脱溶的过程 只是随后的长大过程会贯穿并 占满整个奥氏体晶粒 4）珠光体的形核长大过程中珠光体界面推进过程与界面前 沿的溶质原子再分布C - (CF) C - (C2) C Fe3C (C1) C Fe3C (6.69%C) 造成C由F前沿相Fe3C前沿扩散，从 而使FCC的A向BCC的F转变，而同 时Fe3C形成，二者一起向前发展和 向侧面发展，即纵向生长和横向生长
5、。 5）层状珠光体的片层间距与其形成温度之间的关系 p随温度下降，片层间距减小，存在 如下经验关系： S=(8.02/T)10-4 (cm/ ) 6）层状珠光体的硬度、力学性能与片层间距之间的关系 片间距大于0.25m的珠光体强度、硬度低，塑性好； 片间距小于0.25m而大于0.10 m的索氏体强度、硬度较高，塑性较好； 片间距小于0.10 m的屈氏体强度、硬度高，塑性低。（尤其是伴生着贝氏体转变 ，而混杂上贝氏体，韧性急剧下降） 通常，从综合性能来考虑，处理成索氏体（650-600 等温退火或正火，要求不是 很高时，通常用正火片状索氏体，否则需回火粒状珠光体） 7）亚、过共析钢过冷奥氏体分解
6、产物的组织特点 亚、过共析钢过冷奥氏体分解时，首先有先共析相（先共析铁素体或先共析 渗碳体）析出，然后再A1温度发生珠光体转变，从而形成F先+P或Fe3C先+P ，而这些先共析相随转变温度、时间、奥氏体晶粒大小、钢中C含量不同而 呈现出不同的形态，主要有， （1）块状铁素体 低碳，缓冷或高温等温时易形成。 （2）网状组织（铁素体或珠光体） 共析成分附近，即先共析相不多，冷速不大，即，缓冷或临界点以下不太低的温度 等温，F或Fe3C易在晶界形核长大，成网。（性能不好，需防） （3）魏氏组织 奥氏体晶粒大且成分不均匀，冷速中等，晶核少，先共析相较多（含较高C的过共 析钢和中碳的亚共析钢中）时，易沿
7、某些惯析面生成，切入基体而形成。（韧性大 跌，需防）。 F魏的惯析面111A，位向关系（110）F /（111）A， F / A ； Fe3C魏的惯析面227A，位向（001）Fe3C /（311）A ， Fe3C / A （4）伪共析组织 成分接近共析成分，冷速较大或较低温等温时易形成。抑制了先共析相析出，直接 发生珠光体转变，获得珠光体。这种非共析成分的珠光体谓之伪共析组织。 深冲弹簧钢中的魏氏组织 M GBAGBA P+B P+B PW W 8）钢的退火与正火 正火广义上属于退火的一种特殊形式。 退火的形式很多：完全退火、不完全退火（球 化退火）、扩散退火（均匀化退火）、再结晶 退火、低
8、温退火（去应力退火）、正火等等 （1）完全退火用于亚共析钢 工艺： i、加热温度 T = Ac3+2040 （完全奥氏体化） ii、加热时间 t = k加D（min） （碳钢k加= 1.5min/mm,碳钢k加= 2.0min/mm ） iii、冷却方式与速率 a、普通退火 缓冷（炉冷、埋沙冷等） （碳钢 100-200 /h，合金钢50- 100 /h ， 高合金钢10- 50 /h ）（太快，淬火） b、等温退火 在珠光体转变范围保温 温度、时间由所需硬度而定， 优点：工艺周期短、断面温度一致，组织均匀 ； 缺点：操作麻烦，多需一台炉子。 完全退火 不完全退火，对于亚共析 钢很少用，除非利
9、用F来 提高塑性，牺牲强度（用 F细化A，或防A长大，或 F溶解S、P杂质时用） a b Ac3 应用： i、消除前面工序形成的组织缺陷（魏氏组织、带状组织、过热粗晶等），重结晶以细晶； ii、机械加工前的软化处理，有利于切削，或为淬火做准备，以最终细晶、均匀； iii、消除内应力 （2）球化退火用于过共析钢（中、高C钢） 球化退火的对象： 过共析钢，尤其是Fe3C成网严重，Fe3C片大而 粗的情况 过共析钢工艺流程： 下料锻造 (有时需正火作为球化的预处理，以消 除网、易球化)球化退火机加工淬火+回火； 球化退火的目的： （1）消除片状P的Fe3C和网状的Fe3C，利于加 工或后续淬火+回火
10、； （2）组织球化，硬度下降，改善切削性； （3）降低退火温度，防晶粒粗大和魏氏组织； （4）细化晶粒，改善均匀性； （5）消除内应力。 不完全退火 完全退火，对于过共析钢很少用 低碳钢一般不用 中碳钢若要求低硬低强，用 球化退火的原因： （1）热锻后片状P的Fe3C和网 状的Fe3C，粗大、脆硬，不利 于加工或后续淬火+回火； （2）用完全退火能消除部分 Fe3C，但缓冷时Fe3C沿晶界网 状析出，无法消除网状Fe3C； （3）完全退火温度过高，C， Fe自扩散加剧，易晶粒粗大， 可能会出现魏氏组织； （4）普通的不完全退火，温度 低、时间短，也无法消除网、和 粗块Fe3C； （5）如使Fe
11、3C球化，软，以切 削，晶粒易控制，且更易获得板 条马氏体，淬火组织好。 PFe3C P Fe3C GB Fe3C容易 沿晶界以 网状析出 温度太高，A晶粒 容易粗化严重。 魏氏组织 球化退火的机制： （1）能量分析类似于颗粒粗 化，第二相在固溶体中的溶 解度与颗粒大小有关，通常 颗粒大，溶解度小。换而言 之，溶解度与曲率半径有关 ，曲率半径大，表面平，溶 解度小； （2）尖角、沟槽、或棱角处 ，曲率半径小，溶解度大， 而平直处，曲率半径大，溶 解度小，于是，构成浓度差 （梯度），形成的扩 散； （3）溶解，生长，于是 棱角消失，平直突起； （4）直到成球，曲率一致， 扩散为止。 小 大 C小
12、C大A B r小 r大 r 首先在亚晶界或位 错密度高（冷变形 或热变形时形成的 ）处溶断。 普通球化退火工艺： i、加热温度 T = Ac1+3050 （20-30 ） （不完全奥氏体化） ii、加热时间 t = k加D（min） +球化时间（时间很长） （碳钢k加= 1.5min/mm,碳钢k加= 2.0min/mm ） iii、冷却方式与速率 缓冷，比完全退火慢 （碳钢 50-100 /h，合金钢10- 50 /h ， 高合金钢小于10 /h ）（太快，淬火） 等温球化退火工艺： Ac1+2030缓冷到Ar1+2030保温长时 间空冷 Ar1+2030温度较低可以防止Fe3C过分粗化 ，
13、A晶粒粗化，有利于细晶 a b Accm Fe3C球化 其它球化退火工艺： （a）普通球化退火工艺； （b）等温球化退火工艺 （c）周期球化退火工艺； （d）调质球化退火工艺 Ac1 Accm Ac1 Accm Ar1 （a）（b） （c） （d） （3）正火常化（Normalizing） 正火的对象： 低、中、高碳钢 正火的目的： （1）低碳钢的车削前的热处理； （2）中碳钢替代调质处理，为最终热处 理； （3）消除过共析钢的粗大Fe3C或网状 Fe3C（粗、大者球化退火的准备） ； （4）消除缺陷，细化晶粒，改善均匀性 ，为最终热处 理做准备； （5）对于存在魏氏组织的中碳钢铸件或 锻件。
14、消除魏氏组织。 正火的工艺：完全奥氏体化后空冷，奥氏 体化温度选择与含碳量有关。虽C，温 度不宜太高，防粗晶。 低TN=Ac3+100-150 中TN=Ac1+50-100 高TN=Accm+30-50 完全奥氏体化 i、完全奥氏体化 Ii、空冷 正火的组织： 细珠光体或正火索氏体 亚、共则有先共析相，随碳含量接近 0.77%， 先共析相减少，0.6-0.7%C 者可形成伪共析组织。 进入单相 区，冷速 较快，不 宜成网， 但TN不宜 太高，防 粗晶，和 网Fe3C 正火与退火的选择： （1）正火与退火的异同点（略）工艺、原理、目的、安排、经济 （2）正火可以作为最终热处理，而退火很少用作最终（除了退火供货的普通碳素 结构钢）。钢一般很少直接使用退火态。 （3）作为中间热处理工艺，两者的选择使用也不尽相同 （以机加工前的热处理为例） 机加工钢材最佳的硬度范围HB170-230 太硬，难切，太软，粘刀。如表所示，可知， 低碳钢需正火，退火太软（小于0.25%的，甚至应淬火+回火，以调节硬度） 中碳钢可正火，也可以退火； 高碳结构钢和工具钢只能退火（完全退火或球化退火） 一般地讲，0.75-1.0%C，球化退火，大于1.0%C， 正火+球化退火（Fe3C太粗 ，单道球化退火，难解决问题，需加一道正火，以溶断Fe3C，），合金钢正火 就可能淬上火，需退火。 谢 谢 ！
