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1、2017/6/26,1,第三章 钢的热处理,2017/6/26,2,通过加热、保温和冷却来改变钢的组织，从而改变钢机械性能的工艺，称为热处理。热处理的这三个阶段，可以用工艺过程曲线来表示，如图31所示。,2017/6/26,3,第一节 钢在加热时的转变,热处理的第一道工序就是加热。铁碳合金相图是确定加热温度的理论基础。共析钢在A1临界温度下是珠光体组织，当加热温度超过临界点后珠光体就转变为奥氏体。亚共析钢在A1临界点温度下是铁素体和珠光体，当温度超过A1后，珠光体转变为奥氏体；如果继续加热，当温度A3临界点铁素体也可转化为奥氏体。过共析钢在A1临界点温度下是渗碳体和珠光体，当加热温度超过A1后
2、，珠光体转变；如果继续加热至Acm以上，渗碳体将全部溶入奥氏体。钢的加热程度就是奥氏体的形成过程，这种组织转变可以称为奥氏体化。,一、加热温度的确定,2017/6/26,4,注意：加热时，钢的组织实际转变温度往往是高于相图中的理论相变温度；冷却时，也往往低于相图中的理论相变温度。在热处理工艺中，不加热时的临界点分别用AC1、AC3、ACCm表示；而冷却是的临界点分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。,二、奥氏体化过程珠光体转变为奥氏体是一个从新结晶的过程。由于珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，铁素体与渗碳体的晶包类型不同，含碳量差别很大，转变为奥氏体必须进行晶包的改组和铁碳原子的扩散。奥氏体化
3、大致可分为四个过程，如图32所示。,2017/6/26,5,1奥氏体形核奥氏体的晶核上首先在铁素体和渗碳体的相界面上形成的。由于界面上的碳浓度处于中间值，原子排列也不规则，原子由于偏离平衡位置处于畸变状态而具有较高的能量。同时位错和空间密度较高 铁素体和渗碳体的交接处在浓度结构和能量上为奥氏体形核提供了有利条件。2奥氏体长大奥氏体一旦形成，便通过原子扩散不断张大 在于铁素体接触的方向上，铁素体逐渐通过改组晶胞向奥氏提转化；在与渗碳体接触的方向上，渗碳体不断溶入奥氏体。,3残余渗碳体溶解由于铁素体的晶格类型和含碳量的差别都不大，因而铁素体向奥氏体的转变总是先完成。当珠光体中的铁素体全部转变为奥氏
4、体后，仍有少量的渗碳体尚未溶解。随着保温时间的延长，这部分渗碳体不断溶入奥氏体，直至完全消失。4奥氏体均匀化刚形成的奥氏体晶粒中，碳浓度是不均匀的。原先渗碳体的位置，碳浓度较高；原先属于铁素体的位置，碳浓度较低。因此，必须保温一段时间，通过碳原子的扩散获得成分均匀的奥氏体。这就是热处理应该有一个保温阶段的原因。,2017/6/26,6,对于亚共析钢与过共析钢，若加热温度没有超过AC3或ACCm，而在稍高于AC1停留，只能使原始组织中的珠光体转变为奥氏体，而共析铁素体或二次渗碳体仍将保留。只有进一步加热至AC3或Accm以上并保温足够时间，才能得到单相的奥氏体。如果加热温度过高，或者保温时间过长
5、，将会促使奥氏体晶粒粗化。奥氏体晶粒粗化后，热处理后钢的晶粒就粗大，会降低钢的力学性能。,2017/6/26,7,三、 晶粒度的评定,晶粒的大小，或叫晶粒的粗细，是用晶粒度来表示的。1起始晶粒度：指钢加热至奥氏体的过程中，当铁素体向奥氏体转变刚刚完了是所形成的晶粒度，既当奥氏体成核长大时 ，奥氏体晶粒的边界刚刚相碰时的晶粒的大小。,2实际晶粒度：是指某一具体的热处理后或热加工条件下，所得到的奥氏体晶粒度。在加热温度升高和保温时间延长的情况下、会使奥氏体最初形成的晶粒长大，这是因为在奥氏体晶粒的边界处，原子排列是不规则的，因而活动的能力强，较大的晶粒吞并小的晶粒，使晶界迁移，晶粒就不断长大。,在
6、实际生产中影响奥氏体晶粒长大的主要原因是加热温度，加热温度越高，奥氏体的晶粒就越大；其次是保温时间，保温时间长，奥氏体的晶粒也大。因此，热处理时要特别注意控制好加热温度，并选择好适当的保温时间。,2017/6/26,8,3本质晶粒度：不同的铜奥氏体晶粒加热时长大的倾向不同，评定奥氏体晶粒在加热时长大倾向的标准叫本质晶粒度。根据冶金部的标准规定，加热到93010保温8h冷却下来后钢的晶粒大小，称为本质晶粒度。冶金部将钢分为两大类，一类叫本质粗晶粒钢，另一类叫本质细晶粒钢，其与温度的关系如图33所示。,2017/6/26,9,钢的本质晶粒度是由钢的成分和冶炼条件决定的。含有钛、钒、钨等合金元素的钢
7、，大多属于本质细晶粒钢。冶炼时采用铝脱氧的钢也为本质细晶粒钢，而只用硅、锰脱氧的钢则为本质粗晶粒钢。,工业生产采用奥氏体本质晶粒度来评定钢的长大倾向。奥氏体晶粒度的标准共定为18级，1级最粗，8级最细，是在放大100倍的金相显微镜下观察定的级，晶粒度为14级的定为本质粗晶粒钢，58级的定为本质细晶粒钢。,这是因为钛、钒、钨及铝等合金元素在钢中能形成金属化合物，这些化合物微粒分布在奥氏体晶界上能机械地阻止奥氏体晶粒的长大。但是，当温度升得较高时，这些化合物微粒会发生聚集甚至溶入奥氏体，这样也失去了机械阻碍的作用，晶粒便会迅速长大。,2017/6/26,10,第二节 奥氏体钢在冷却时的转变,冷却是
8、钢热处理的三个工序中影响性能的最重要环节，所以冷却转变是热处理的关键。,热处理冷却方式通常有两种，即等温冷却和连续冷却。,2017/6/26,11,一、奥氏体的等温转变,（一）奥氏体等温转变曲线奥氏体等温转变曲线一般用金相硬度法测定。图3-5 是共析钢C曲线测定方法示意图。图3-6是实测的共析钢C曲线。,图3-6 共析钢等温转变曲线,2017/6/26,12,（二）奥氏体等温转变产物的组织和性能根据转变温度的不同，C曲线分为高温转变、中温转变和低温转变三个区域。根据转变结构特点和转变产物的不同，钢在冷却时奥氏体转变可分为珠光体型转变、贝氏体型转变及马氏体型转变三种。高温转变的温度范围为A1至5
9、50区间，转变产物是珠光体组织，故称珠光体转变；中温转变的温度范围为550至Ms线区间，转变产物是贝氏体组织，故称贝氏体转变；低温转变的温度范围为Ms线至Mf线区间，转变产物是马氏体组织，故称马氏体转变。,2017/6/26,13,（1）高温转变（珠光体转变）珠光体转变是奥氏体转变成珠光体的过程，通过碳原子和铁原子的扩散形成铁素体和渗碳体的层片状机械混合物，转变温度为A1550，珠光体转变是一种扩散性相变。珠光体的转变机理如图3-7所示，微观组织如图3-8 所示。,2017/6/26,14,图3-8 珠光体的显微组织,（a）光学显微组织（硝酸酒精侵蚀，500）；,（b）电子显微组织（硝酸酒精侵
10、蚀，3800）,2017/6/26,15,（1） 中温转变（贝氏体转变）转变温度为550Ms线，由于转变温度较低，原子的扩散能力较弱。奥氏体在转变过程中，碳原子只能作短距离的扩散，而铁原子几乎不能扩散，仅从面心立方晶格转变为体心立方晶格。奥氏体转变为贝氏体的过程与转变为珠光体的不同，转变时，先析出含碳过饱和的铁素体，随后在铁素体中陆续析出细的渗碳体。这种过饱和铁素体和细小颗粒状渗碳体的机械混合物，称为贝氏体，用符号B表示。,在中温转变区，550350范围内，等温转变成的组织称为上贝氏体；350Ms范围，等温转变成的组织称为下贝氏体。,图3-9上贝氏体的显微组织,图3-10下贝氏体的显微组织,2
11、017/6/26,16,（3）粒状贝氏体 粒状贝氏体也是在中温转变区，由奥氏体转变成的组织。粒状贝氏体是由铁素体及由铁素体基体所包围着的小岛状组织所组成，这些小岛状组织形态很不规则，常呈粒状或长条状，如图3-15，图3-16所示。,粒状贝氏体的形成与钢的成分及转变温度有关。在电厂用钢中，粒状贝氏体常出现于低碳的Cr-Mo钢和Cr-Mo-V钢等钢种的原材料及焊接接头中。,2017/6/26,17,3低温转变（马氏体转变）转变温度为MsMf ，当奥氏体以较快的速度冷却到Ms以下时，由于温度较低，铁原子和碳原子都不能进行扩散，铁原子只是作微小位移，使-Fe晶格转变为-Fe的晶格，而碳原子来不及扩散全
12、部固溶在-Fe中，碳在-Fe中的过饱和固溶体组织称为马氏体，用符号M表示。,（1） 马氏体的形态马氏体的组织形态与含碳量有关，根据马氏体组织的不同，把马氏体分为低碳马氏体、高碳马氏体和混合型马氏体。当含碳量0.25，形成低碳马氏体（条状马氏体），低碳马氏体组织中有许多尺寸大致相同的细长薄条单元，薄条平行排列组成一束，束和束之间位向不同。低碳马氏体过饱和程度低、内应力小，不仅强度高，而且塑性、韧性也较好，所以在生产中应用较广。,图3-17低碳马氏体,2017/6/26,18,当含碳量大于1时，形成高碳马氏体（针状马氏体），图3-18为T10钢经1000加热，水冷淬火处理后得到的高碳马氏体组织。针
13、叶一般以60120相交。马氏体的针叶一般在奥氏体晶粒内形成，第一片马氏体粗大，往往横贯整个马氏体的晶粒，稍后形成的马氏体则较小，最后形成的马氏体就更小，如图3-19所示。针状马氏体可称为高碳马氏体，也称为孪晶马氏体，其组织结构如图3-20所示。,图3-18高碳马氏体,2017/6/26,19,含碳量在0.25%1%之间的碳快速冷却所得到的组织为低碳马氏体和高碳马氏体的混合结构。（2）马氏体的性能： 高碳度是马氏体的主要特征。马氏体的硬度与其含碳量有关，如图3-21所示。含碳量愈多，硬度愈高；当含碳量超过0.6%以后，马氏体的硬度就增加不多。,2017/6/26,20,马氏体具有高硬度的主要原因
14、是由于过饱和的碳原子所起的固溶强化作用和形成马氏体时在马氏体内产生了大量的位错或孪晶引起了加工强化的结果。高碳马氏体具有高的硬度，但韧性很低，脆性大；马氏体针叶愈粗大，韧性愈低，脆性愈大。所以，淬火得到高碳马氏体后，必须作消除脆性的回火处理才能应用。低碳马氏体具有较高的硬度和强度，而且韧性也比较好；这种强度和韧性的良好配合，使低碳马氏体得到了广泛应用。,（3）马氏体转变的特点 奥氏体是在Ms点温度以下转变成马氏体的。由于转变温度很低，奥氏体中的铁、碳原子都不能进行扩散，因而只有铁元素的晶格改变，面心立方晶格-Fe转化为体心立方晶格-Fe。由于碳原子无扩散能力而过饱和固溶在-Fe中，当含碳量大于
15、0.25%时，将使晶格撑开。,2017/6/26,21,马氏体的形成速度极快。马氏体转变是在一定温度范围（MsMf）内进行的。奥氏体向马氏体转变是一个连续冷却的过程。钢Ms和Mf点温度的高低取决于奥氏体中含碳量，奥氏体中含碳量愈高，Ms和Mf温度愈低，如图3-22所示。当含碳量大于0.6%后，Mf点已下降到0以下的温度；因此，高碳钢淬火后常常含有一定数量的残余奥氏体。,2017/6/26,22,残余奥氏体的存在会降低钢的强度和硬度，影响钢的耐磨能力。当然如果钢中有残余奥氏体存在，可减少淬火时的变形并增加淬火钢的韧性，残余奥氏体还有阻止裂纹扩散的作用。所以，一定量的残余奥氏体存在于钢中，并不是有
16、害的。,从奥氏体转变为马氏体后体积要膨胀。,体积的膨胀将引起很大的内应力，这种内应力又称为组织应力。而从奥氏体转变为马氏体时需要快速冷却，在短时间内温度变化很大，使钢热胀冷缩又会产生一种内应力，这种内应力称为热应力。这两种应力的叠加，是造成钢件淬火开裂和变形的重要原因。,（三）含碳量对奥氏体等温转变曲线的影响亚共析钢和过共析钢从奥氏体转变才为珠光体之前，均有先共析相析出的过程；因此，它们的等温转变曲线与共析钢的等温转变曲线有所不同，如图3-23、图3-24所示。,2017/6/26,23,从中可以看出，与共析钢等温转变曲线相比，亚共析钢的等温转变曲线上半部多一条铁素体共析转变线；过共析钢的等温
17、转变曲线上半部多一条渗碳体共析转变线。说明亚共析钢和过共析钢的奥氏体在等温转变过程中分别先析出铁素体和渗碳体，然后再完成珠光体转变过程。,2017/6/26,24,二、奥氏体的连续冷却转变,在连续冷却过程中，过冷奥氏体同样会转变成珠光体或贝氏体或马氏体，组织转变的温度区域与奥氏体的等温转变时大致相同。连续冷却是指按照一定的速度从较高的温度冷却，奥氏体的组织转变发生在各个不同的转变温度区域；因此，就会得到各个不同区域的产物。连续冷却时的速度不同，在各个转变温度区域内停留的时间也不同，所得到的各种转变产物相对数量也就不同，就会有不同的机械性能。连续冷却转变比较复杂，转变规律不如等温转交明显，有时有几种组织，这些组织也较难区分。,
