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1、第 3 章 钢的热处理及表面处理热处理是将固态金属或合金加热、保温和冷却，改变其组织结构，获得所需性能的一种工艺方法。 热处理不仅可以显著提高钢的力学性能，充分发挥钢的潜力，延长零件的使用寿命，而且可以消除铸、锻、焊等热加工过程造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使钢的组织图 热处理工艺曲线示意图和性能更加均匀。热处理工艺过程包括加热、保温和冷却三个阶段，如图 所示。 按热处理工艺参数和目的不同，常见的热处理方法分为退火、正火、淬火和回火。 此外还有仅对零件表面进行热处理的表面淬火和化学热处理等。热处理是一种重要的金属加工工艺，在机械制造工业中被广泛应用。 例如：汽车工业中需要进行
2、热处理的零件占 ，机床工业中占 ，而轴承及各种工模具则达 。 如果把预备热处理也包括进去，几乎所有的零件都需要进行热处理。表面处理是指改变零件表面质量或表面状态，使其达到耐磨、耐蚀、美观及尺寸精度要求的工艺。 机械零件的失效很多是由于零件表面的磨损和腐蚀使其尺寸、形状、组织和性能恶化，不能满足零件应用所需的功能而造成的。 为了提高零件的表面质量，减少磨损和腐蚀，发挥零件材料的潜力以及提高表面装饰效果，必须对零件进行表面处理。 随着制造技术的发展，表面处理已成为提高产品质量的基础工艺之一。3 1 钢在加热时的组织转变钢可以进行热处理强化，是因为钢在固态下具有相变。 根据 相图可知，共析钢在加热和
3、冷却过程中经过 PSK 线（A）时，发生珠光体与奥氏体之间的相互转变，亚共析钢经过 GS线（A）时，发生铁素体与奥氏体之间的相互转变，过共析钢经过 ES 线（A）时，发生渗碳体与奥氏体之间的相互转变。 A、A、A称为钢加热或冷却过程中组织转变的临界温度。 实际加热时相变温度因有过热现象而偏高，冷却时相变温度因有过冷现象而偏低，随着加热和冷却速度的增加，这一偏离现象愈加严重。 因此，常将实际加热时的相变温度用 A、A、A表示，将实际冷却时的相变温度用 A、A、A表示，如图 所示。对于钢的大多数热处理工艺而言，首先必须把钢加热到奥氏体状态，然后以适当的方式冷却，获得所需的组织和性能。 加热时形成奥
4、氏体的过程称为“奥氏体”化。 加热时奥氏体的形成和奥氏体晶粒的大小对奥氏体冷却时形成的组织和性能有着显著的影响。 因此，了解钢在加热时的组织转变规律，控制钢在高温时的组织状态，对于保证热处理产品的质量有重要意义。图 加热（或冷却）时相变温度变化3 1 1 奥氏体的形成过程将共析钢加热到 A以上时，珠光体将转变为奥氏体。 奥氏体的形成过程也是一个形核、长大的过程，该过程符合结晶过程的普遍规律。 共析钢转变前是由渗碳体（复杂晶格、碳的质量分数很高）和铁素体（体心立方晶格、碳的质量分数很低）组成的机械混合物。 奥氏体的形成就是渗碳体和铁素体转变为碳质量分数介于二者之间、具有面心立方晶格的奥氏体的过程
5、。 因此，奥氏体的形成过程是晶格改组和铁、碳原子扩散的过程。 共析钢奥氏体的形成过程可分为四个步骤，如图 所示。图 共析钢“奥氏体”化过程示意图（） 形核；（） 长大；（） 残留 溶解；（） 均匀化1奥氏体的形核将钢加热到 A以上时，珠光体处于不稳定状态，通常在铁素体和渗碳体相界面上形成奥氏体晶核，这是因为铁素体和渗碳体相界面上碳浓度分布不均匀，位错密度较高，原子排列不规则，能量较高，易于产生浓度起伏、结构起伏和能量起伏，从而为奥氏体形核创造了有利条件。第一篇 工 程 材 料2奥氏体晶核的长大奥氏体晶核形成后便开始长大。 奥氏体形核后，它的一面与渗碳体相邻，一面与铁素体相邻，从 相图可知，奥氏
6、体与铁素体相邻的边界碳浓度为 C，与渗碳体相邻的边界碳浓度为 C，由于 C大于 C，在奥氏体中出现碳的浓度梯度（图 ），引起碳在奥氏体中的不断扩散。 扩散的结果，奥氏体与渗碳体相邻的边界处碳浓度降低，而与铁素体相邻边界处碳浓度升高，从而破坏了相界面的平衡。 为了维持平衡，渗碳体必须溶入奥氏体，以提高其相界面的碳浓度；而铁素体也必须转变为奥氏体，才能降低相界面上的碳浓度。 这样，相界面就朝渗碳体和铁素体方向移动，奥氏体便不断长大。图 共析钢奥氏体长大示意图（） 奥氏体形成时各相的碳浓度；（） 相界面推移示意图3残留渗碳体的溶解奥氏体的长大速度受碳扩散的控制，并与相界面碳浓度差有关。 铁素体与奥氏
7、体相界面碳浓度差远小于渗碳体与奥氏体相界面上的碳浓度差。 因此渗碳体溶解提供的碳原子远多于同体积铁素体转变为奥氏体的需要，所以转变过程中铁素体首先消失。 当铁素体全部转变为奥氏体时，仍有部分渗碳体尚未溶解，残留在奥氏体中。 随着保温时间延长或继续升温，在奥氏体中的残留渗碳体通过碳原子的扩散，不断溶入奥氏体中，使奥氏体的碳浓度逐渐趋于共析成分。 一旦残留渗碳体全部溶解，这一阶段便告结束。4奥氏体成分均匀化当残留渗碳体全部溶解时，奥氏体中的碳浓度仍是不均匀的。 原先是铁素体的区域碳浓度较低，原来是渗碳体的区域碳浓度较高。 继续保温，通过碳原子的扩散，奥氏体的碳浓度逐渐趋于均匀化，最后得到成分均匀的
8、奥氏体。亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同。 但当加热温度仅超过 A时，仍保留一部分先共析铁素体或先共析渗碳体。 只有当加热温度超过 A或 A时，先共析相全部转变才能获得均匀的单相奥氏体。3 1 2 奥氏体晶粒大小及其控制钢在加热时所形成的奥氏体晶粒大小直接影响冷却后的组织和性能。 奥氏体晶粒越细小，第 章 钢的热处理及表面处理冷却后的组织也越细小，其力学性能越好，淬火时变形和开裂的倾向也小。奥氏体晶粒大小用奥氏体晶粒度来衡量，通常以单位面积内晶粒的数目来描述。 加热时刚完成奥氏体转变的晶粒很细小（一般称此时的晶粒度为起始晶粒度），但随着加热温度的升高和保温时间的延长，奥氏体晶
9、粒会不断长大。 在具体加热条件下所获得的奥氏体晶粒度称为实际晶粒度，它决定钢冷却后的组织和性能。影响奥氏体晶粒大小的因素有：） 加热温度、保温时间和加热速度 奥氏体晶粒长大与原子扩散密切相关，加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。加热速度越快，过热度越大，实际形成奥氏体的温度越高，形核率和长大速度越大，则奥氏体的晶粒越细小。 但快速加热时，保温时间不能过长，否则晶粒快速长大而使晶粒粗大。） 钢的成分 在一定的碳质量分数范围内，随着奥氏体中的碳质量分数增加，碳在奥氏体中的扩散速度及铁的扩散速度增大，因而晶粒长大的倾向增大。 但当碳质量分数超过其在奥氏体中的溶解度后，碳以未溶碳化物的形式存
10、在，则阻碍奥氏体晶粒的长大。 钢中加入能形成稳定碳化物的元素（如钛、钒、铌、锆等）和能生成氧化物和氮化物的元素（如铝），有利于减小奥氏体晶粒的长大倾向。 因为碳化物、氧化物和氮化物弥散分布在晶界上，能阻碍奥氏体晶粒长大。 锰和磷则是促进奥氏体晶粒长大的元素。3 2 钢在冷却时的组织转变热处理时对钢的加热、保温是为了获得均匀、细小的奥氏体晶粒，奥氏体的冷却是热处理的关键，因为钢的性能最终取决于奥氏体冷却后的组织转变。 因此，研究不同冷却条件下奥氏体组织的转变规律，对于正确制定钢的热处理冷却工艺、获得预期的性能具有重要的意义。奥氏体在临界温度以上是稳定的，不会发生转变。 奥氏体冷却至临界温度以下，
11、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，将要发生转变的不稳定的奥氏体，称为过冷奥氏体。图 奥氏体不同冷却方式示意图等温冷却；连续冷却钢在奥氏体化后通常有两种冷却方式：一种是等温冷却方式，如图 曲线 所示，将奥氏体状态的钢迅速冷却到临界点以下某一温度保温，让其发生恒温转变，然后再继续冷却到室温。 另一种是连续冷却，如图 曲线 所示，钢从高温奥氏体状态一直连续冷却到室温。 钢在冷却时发生的组织转变，不是一个平衡过程，不能完全依据铁 碳相图来分析。 实际上，随着冷却条件不同，钢在冷却时可能发生三种不同的转变，即在 A以下 高温区的奥氏体向珠光体的转变，在中温区的奥氏体向贝氏体的转变
12、和在低温区的奥氏体向马氏体的转变。第一篇 工 程 材 料3 2 1 过冷奥氏体的转变产物及转变过程随转变温度（过冷度）不同，共析钢过冷奥氏体将发生三种不同类型的转变，即珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。1珠光体转变过冷奥氏体在临界温度 A以下较高的温度范围内（共析钢约在 A 温度之间）发生珠光体转变，又称为高温转变。 珠光体转变是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的相变过程，通过铁、碳原子的重新分布和晶体结构的重构来实现。 由于相变在较高温度下发生，铁、碳原子都能进行扩散，所以珠光体转变是扩散型相变。珠光体是铁素体和渗碳体两相机械混合物。 按渗碳体的形态，珠光体分为片状珠光体
13、和粒状珠光体两种。 片状珠光体是铁素体和渗碳体片层相间的机械混合物。 转变温度越低，片层间距越小。 根据片层间距不同，珠光体组织可分为珠光体（）、索氏体（）和屈氏体（）三种。 它们并无本质区别，只是片层厚薄和间距不同。 图 为三种片状珠光体的组织形态。 珠光体较粗，索氏体较细，屈氏体最细。 珠光体组织的力学性能主要取决于片层间距的大小。 通常情况下，片层间距愈小，其强度、硬度愈高，同时塑性、韧性也有所改善。 表 给出了珠光体组织的形成温度和性能。图 三种片状珠光体的组织形态（） 珠光体；（） 索氏体；（） 屈氏体表3 1 珠光体组织的形成温度和性能组织名称形成温度范围 片层间距 硬度 珠光体A
14、 索氏体 屈氏体 珠光体的形成也是通过形核和长大两个基本过程进行的，如图 所示，首先在奥氏体晶界或缺陷密集处生成渗碳体晶核，并依靠附近的奥氏体不断提供碳原子逐渐长大。 这样，就造成了渗碳体周围奥氏体的碳浓度显著降低，形成贫碳区，为铁素体的形核创造了有利浓度条件。 当贫碳区的碳浓度降低到相当于铁素体的平衡浓度时，就在渗碳体片的两侧形成片状铁素体晶核。第 章 钢的热处理及表面处理图 珠光体形成示意图铁素体形成后随渗碳体一起向前长大，同时也横向长大。 铁素体的长大又使其外侧形成奥氏体的富碳区，促使新的渗碳体晶核形成。 如此不断交替进行，铁素体和渗碳体相互促进交替形核，并同时平行地向奥氏体晶粒纵深方向
15、长大，形成铁素体和渗碳体片层相间、基本平行的珠光体组织。在一个珠光体领域形成的过程中，可在奥氏体晶界的其他处形成新的、其他取向的渗碳体晶核，并由此形成另一个不同取向的珠光体。 奥氏体全部分解，各个珠光体相遇，珠光体转变即告结束。珠光体形成速度决定于生核速率和长大速度。 转变温度越低，生核速率和长大速度越快，因而珠光体转变速度也越快。 珠光体中的铁素体片随温度的降低而变薄、变短，片层间距变小。2马氏体转变钢从高温奥氏体状态快速冷却，在温度低于 M点（马氏体转变开始温度，共析钢为 ）以下转变为马氏体（）的相变称为马氏体转变，也称低温相变。 因为转变温度很低，铁和碳都不能进行扩散，所以是非扩散型相变。 马氏体是碳在 中的过饱和固溶体。 奥氏体转变为马氏体，只有晶格的改组而没有成分变化，其成分与奥氏体相同。 如图 所示，马氏体具有体心正方晶格（a bc），碳分布在 体心立方晶格的 c 轴上，引起 c 轴伸长，a 轴缩短，使 体心立方晶格发生正方畸变。 轴比 c a 称为马氏体的正方度，其大小反映了马氏体正方畸变程度。 马氏
