金属学与热处理 - 钢的热处理原理

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1、1.1第5章 钢的热处理原理1.1第5章 钢的热处理原理返回总目录返回总目录 1.2第5章 钢的热处理原理1.2教学提示：本章主要阐明钢在加热或冷却过程中的相变规律。热处理的实 质是把金属材料在固态下加热到预定的温度，保温预定的时间，然后以预定的 方式冷却下来，通过这样一个工艺过程，改变金属材料内部的组织结构，从而 使工件的性能发生预期的变化。热处理的目的在于改变工件的性能，即改善金 属材料的工艺性能，提高金属材料的使用性能。金属材料在热处理过程中，会 发生一系列的组织变化，这些转变具有严格的规律性。金属材料中组织转变的 规律，就是热处理的原理。教学要求：了解钢加热时奥氏体化的基本过程；理解过

2、冷奥氏体等温冷却 和连续冷却曲线的物理意义；熟悉影响C曲线形状和位置的因素，以及C曲线在 热处理生产中的实际应用；掌握过冷奥氏体转变产物(珠光体、索氏体、屈氏体 、马氏体、贝氏体)的组织特点和性能特点。1.3第5章 钢的热处理原理1.3热处理(heat treatment)是一种重要的金属加工工艺，它主要是把金属材料 在固态下加热、保温、冷却，以改变其组织，从而获得所需性能的一种热加工 工艺。热处理的主要目的是为了改善金属材料的性能，即改善钢的工艺性能和提 高钢的机械性能和使用性能。通过热处理可以改善金属材料的性能，所以绝大多数机械零件都要经过热 处理以提高产品的质量、延长使用寿命。据统计，拖

3、拉机、汽车零件的70% 80%需要进行热处理；各种刀具、量具和模具100%要进行热处理。如果将原材 料在加工过程中采用的预备热处理包括进去，可以说所有的机械零件都要机械 热处理。由此可见，热处理在机械工业中占有重要地位。要了解各种热处理对钢组织与性能的影响，必须研究钢在加热和冷却过程 中的相变规律。下面分别介绍钢在加热及冷却过程中组织转变规律。1.4第5章 钢的热处理原理1.4本章内容 5.1 钢在加热时的转变 5.2 钢在冷却时的转变 小 结 本 章 习 题1.5第5章 钢的热处理原理1.55.1 钢在加热时的转变5.1.1 转变温度钢的热处理，一般都必须先将钢加热至临界温度以上，获得奥氏体

4、组织， 然后再以适当方式(或速度)冷却，以获得所需要的组织和性能。通常把钢加热 获得奥氏体的转变过程称为奥氏体化过程。在Fe-Fe3C相图中，共析钢在加热和冷却过程中经过PSK线(A1)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(A3)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(Acm)时，发生渗碳体与奥氏体之间的相 互转变。A1、A3、Acm为钢在平衡条件下的临界点。在实际热处理生产过程 中，加热和冷却不可能极其缓慢，因此上述转变往往会产生不同程度的滞后现 象。实际转变温度与平衡临界温度之差称为过热度(加热时)或过冷度(冷却时)。 过热度或过冷度随加热或冷却速

5、度的增大而增大。通常把加热时的临界温度加 注下标“c”，如Ac1、Ac3、Accm，而把冷却时的临界温度加注下标“r”，如 Ar1、Ar3、Arcm，如图5.1所示。1.6第5章 钢的热处理原理1.6图5.1 加热和冷却速度(0.125/min)对临界转变温度的影响5.1 钢在加热时的转变1.7第5章 钢的热处理原理1.75.1.2 奥氏体的形成以共析钢为例说明奥氏体的形成过程。共析钢在室温时，其平衡组织为单 一珠光体，是由含碳极微的具有体心立方晶格的铁素体和含碳量很高的具有复 杂斜方晶格的渗碳体所组成的两相混合物，其中铁素体是基体相，渗碳体为分 散相。珠光体的平均含碳量为0.77%。当加热至

6、Ac1以上温度保温，珠光体将 全部转变为奥氏体。而由于铁素体、渗碳体和奥氏体三者的含碳量和晶体结构 都相差很大。因此，奥氏体的形成过程包括碳的扩散重新分布和铁素体向奥氏 体的晶格重组，也是一个形核、长大和均匀化的过程，如图5.2所示。(a)奥氏体形核 (b)奥氏体长大 (c)剩余渗碳体溶解 (d)奥氏体均匀化图5.2 珠光体向奥氏体转变过程示意图5.1 钢在加热时的转变1.8第5章 钢的热处理原理1.81. 奥氏体的形核 奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成。这是因为在相界面 上碳浓度分布不均匀，位错密度较高、原子排列不规则，晶格畸变大，处于能量 较高的状态，能为产生奥氏体晶核提供

7、浓度和结构两方面的有利条件。而奥氏体 形核和液态结晶形核一样，需要一定的结构起伏、能量起伏和浓度起伏。在铁素 体和渗碳体的相界处原子排列不规则，处于高能不稳状态，具备形核所需要的结 构起伏和能量起伏条件。同时相界面处碳浓度处于铁素体和渗碳体的过渡之间， 容易出现奥氏体形核所需要的浓度起伏。所以，奥氏体形核优先在相界面上形成 。2. 奥氏体晶核的长大 奥氏体形核后便开始长大。在AC1以上的某一温度t1形成奥氏体晶核。奥氏 体晶核形成之后，它一面与渗碳体相邻，另一面与铁素体相邻。假定它与铁素体 和渗碳体相邻的界面都是平直的，根据Fe-Fe3C相图可知，奥氏体与铁素体相邻 的边界处的碳浓度为C -

8、，奥氏体与渗碳体相邻的边界处的碳浓度为C -C。 此时，两个边界处于界面平衡状态，这是系统自由能最低的状态。由于C -C C - ，因此，在奥氏体中出现碳的浓度梯度，并引起碳在奥氏体中不断地由高 浓度向低浓度的扩散。5.1 钢在加热时的转变1.9第5章 钢的热处理原理1.9由于扩散的结果，奥氏体与铁素体相邻的边界处碳浓度升高，而与渗碳体相邻 的边界处碳浓度降低。从而破坏了相界面的平衡，使系统自由能升高。为了恢 复平衡，渗碳体势必溶入奥氏体，使它们相邻界面的碳浓度恢复到C -C，与 此同时，另一个界面上，发生奥氏体碳原子向铁素体的扩散，促使铁素体转变 为奥氏体，使它们之间的界面恢复到C - ，从

9、而恢复界面的平衡，降低系统 的自由能。这样，奥氏体的两个界面就向铁素体和渗碳体两个方向推移，奥氏 体便长大。由于奥氏体中碳的扩散，不断打破相界面平衡，又通过渗碳体和铁 素体向奥氏体转变而恢复平衡的过程循环往复地进行，奥氏体便不断地向铁素 体和渗碳体中扩展，逐渐长大。另一方面，由于在铁素体内，铁素体与渗碳体 和铁素体与奥氏体接触的两个界面之间也存在着碳浓度差 ，因此， 碳在奥氏体中扩散的同时，在铁素体中也进行着扩散。由于扩散的结果，促使 铁素体向奥氏体转变，从而促进奥氏体长大。 3. 残留渗碳体的溶解铁素体、渗碳体、奥氏体三相比较而言，铁素体的碳浓度和晶体结构与奥 氏体相近，所以铁素体先于渗碳体

10、消失。因此，奥氏体形成后，仍有未溶解的 渗碳体存在，随着保温时间的延长，未溶渗碳体将继续溶解，直至全部消失。5.1 钢在加热时的转变1.10第5章 钢的热处理原理1.104. 奥氏体成分均匀化当残留渗碳体全部溶解完时，原渗碳体存在的地方含碳量比原铁 素体存在的地方含碳量要高，所以需要继续延长保温时间，让碳原子 充分扩散，才能使奥氏体的含碳量处处均匀。5.1 钢在加热时的转变1.11第5章 钢的热处理原理1.115.1.3 影响奥氏体转变速度的因素奥氏体的形成是通过形核和长大过程进行的，整个过程受原子扩散控制。 因此，一切影响扩散、影响形核与长大的因素都影响奥氏体的形成速度。主要 因素如加热温度

11、、原始组织和化学成分等。1. 加热温度的影响加热温度越高则奥氏体形成的速度就越快。这是因为加热温度高(即过热度 大)，则奥氏体形核率及长大速率都迅速增大，原子扩散能力也在增强，促进了 渗碳体的溶解和铁素体的转变。 加热温度必须高于AC1点，珠光体才能向奥氏体转变。转变需要一段孕 育期以后才能开始，而且温度越高，孕育期越短。5.1 钢在加热时的转变1.12第5章 钢的热处理原理1.12 转变温度越高，奥氏体的形成速度越快，转变所需要的时间越短。这是由 两方面原因造成的。一方面，温度越高则奥氏体与珠光体的自由能差越大，转变 的推动力越大，另一方面，温度越高则原子扩散越快，因而碳的重新分布与铁的 晶

12、格改变越快，所以，使奥氏体的形核、长大、残余渗碳体的溶解及奥氏体的均 匀化都进行得越快。可见，同样一个奥氏体化状态，既可通过较低温度较长时间 的加热得到，也可由较高温度较短时间的加热得到。因此，在制定加热工艺时， 应全面考虑温度和时间的影响。2. 加热速度的影响在连续升温加热时，加热速度对奥氏体化过程有重要影响，加热速度越快， 则珠光体的过热度越大，转变的开始温度AC1越高，终了温度也越高但转变的 孕育期越短，转变所需的时间也就越短。3. 化学成分的影响一方面，钢中含碳量越高，奥氏体的形成速度越快。这是因为随含碳量增加 ，渗碳体的数量相应地增加，铁素体和渗碳体相界面的面积增加，因此增加了奥 氏

13、体形核的部位，增大奥氏体的形核率。同时，碳化物数量增加，又使碳的扩散 距离减小，以及随奥氏体中含碳量增加，碳和铁原子的扩散系数将增大，从而增 大奥氏体的长大速度。5.1 钢在加热时的转变1.13第5章 钢的热处理原理1.13另一方面，钢中加入合金元素，并不改变珠光体向奥氏体转变的基本过程。 但是，合金元素对于奥氏体化过程的进行速度有重要影响，一般都使之减慢。合金元素影响的原因如下：(1) 合金元素会改变钢的平衡临界点：如镍、锰、铜等都使临界点降低，而 铬、钨、钒、硅等则使之升高。因此，在同一温度奥氏体化时，与碳素钢相比合 金元素改变了过热度，因而也就改变了奥氏体与珠光体的自由能差，这对于奥氏

14、体的形核与长大都有重要影响。(2) 合金元素在珠光体中的分布是不均匀的：如铬、钼、钨、钒、钛等能形 成碳化物的元素，主要存在于共析碳化物中，镍、硅、铝等不形成碳化物的元素 ，主要存在于共析铁素体中。因此，合金钢奥氏体化时，除了必须进行碳的扩散 重新分布外，还必须进行合金元素的扩散重新分布。可是，合金元素的扩散速度 比碳原子要慢得多，所以合金奥氏体的均匀化要缓慢得多。(3) 某些合金元素会影响碳和铁的扩散速度：如铬、钼、钨、钒、钛等都显 著减慢碳的扩散，钴、镍等则加速碳的扩散，硅、铝、锰等影响不大。(4) 极易形成碳化物的元素：如钛、钒、锆、铌、钼、钨等，会形成特殊碳 化物，其稳定性比渗碳体高，

15、很难溶入奥氏体，必须进行较高温度较长时间加热 才能完全溶解。总之，合金钢的奥氏体化速度一般都比碳素钢慢，特别是高合金 钢更要慢得多。5.1 钢在加热时的转变1.14第5章 钢的热处理原理1.144. 原始组织的影响在化学成分相同的情况下，随原始组织中碳化物分散度的增大，不 仅铁素体和渗碳体相界面增多，加大了奥氏体的形核率；而且由于珠光 体片层间距减小，使奥氏体中的碳浓度梯度增大，这些都使奥氏体的长 大速度增加。因此，钢的原始组织越细，则奥氏体的形成速度越快。5.1 钢在加热时的转变1.15第5章 钢的热处理原理1.155.1.4 奥氏体的晶粒度及其影响因素奥氏体的晶粒大小对钢的冷却转变及转变产

16、物的组织和性能都有重要的影 响，同时也影响工艺性能。例如，细小的奥氏体晶粒淬火所得到的马氏体组织 也细小，这不仅可以提高钢的强度与韧性，还可降低淬火变形、开裂倾向。目 前，细化晶粒已经成为强化金属材料的重要方法。根据奥氏体的形成过程及长 大倾向，奥氏体的晶粒度可以用起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度等描述 。1. 起始晶粒度钢加热时，当珠光体刚刚转变为奥氏体时，奥氏体晶粒大小叫起始晶粒度 ，此时的晶粒一般均较细小，若温度提高或时间延长，晶粒会长大。5.1 钢在加热时的转变1.16第5章 钢的热处理原理1.162. 实际晶粒度奥氏体的起始晶粒形成后，如果继续在临界点以上升温或保温，晶粒就会 自动长大起来。这是因为，晶粒越细小则晶界面积越大，总的界面能也越大， 所以，细晶粒状态的自由能高于粗晶粒状态的自由能。晶粒长大能使自由能降 低，所以晶粒总要自发长大。显然，晶粒长大的推动力是界面能的降低，而晶 粒长大的阻力