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1、第三章 钢的热处理,3.1 钢在加热时的组织转变 3.2 钢在冷却时的组织转变 3.3 钢的普通热处理 3.4 钢的表面热处理 3.5 影响热处理件的质量因素 3.6 热处理技术条件与工序位置,下一页,第三章 钢的热处理,(2) 表面热处理对工件表层进行加热与冷却，以改变表层的组织和性能。常用的方法有:感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光加热表面淬火等。(3) 化学热处理通过改变工件表层的化学成分，来改变其组织和性能。常用的方法有:渗碳、碳氮共渗、渗氮等。尽管钢的热处理种类很多，但都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的，通常用热处理工艺曲线表示，如图3-1所示。因此要了解各种热处理方法对钢的
2、组织和性能的影响，必须研究钢在加热(含保温)和冷却过程中组织变化的规律。,上一页,第三章 钢的热处理,返回,由Fe-Fe3C相图可知，碳钢在缓慢加热或冷却过程中，在PSK线、GS线和ES线上都要发生组织转变。因此，任一成分碳钢的固态组织转变的相变点，都可由PSK线、GS线和ES线来确定。通常把PSK线称为A1线;GS线称为A3线;ES线称为人Acm线。而该线上的相变点，则相应的用A1点、A3点、Acm点来表示。应当指出，A1, A3,Acm点是平衡相变点，是碳钢在极其缓慢的加热或冷却情况下测定的。但在实际生产中，加热和冷却速度都比较快，因此，钢的相变过程不可能在平衡相变点进行。加热转变在平衡相
3、变点以上进行;冷却转变在平衡相变点以下进行。, 3.1 钢在加热时的组织转变,下一页,升高和降低的幅度，随加热和冷却速度的增加而增大。为了区别于平衡相变点，通常将加热时的各相变点用式Ac1，Ac2，Accm表示;冷却时的各相变点用Ar1，Ar3，Arcm表示如图3-2为这些相变点在Fe-Fe3C相图上的位置示意图。一、钢的奥氏体化钢加热到Ac1，点以上时会发生珠光体向奥氏体的转变，加热到Ac3和Accm点以上时，便全部转变为奥氏体，热处理加热的主要目的就是为了得到奥氏体，因此这种加热到相变点以上获得奥氏体组织的过程称为钢的奥氏体化。1.奥氏体的形成, 3.1 钢在加热时的组织转变,下一页,上一
4、页,以共析钢为例，共析钢在A1点以下全部为珠光体组织，组织中的铁素体具有体心立方晶格，A1点时其wC= 0. 021 8%;渗碳体具有复杂晶格，其wC= 6. 69 %而加热到Ac1点以上时，珠光体变成具有面心立方晶格的奥氏体，其wC=0. 77%。由此可见，奥氏体化必须进行晶格的改组和铁、碳原子的扩散，其转变过程遵循形核和长大的基本规律，并通过以下三个阶段来完成。(1)奥氏体晶核的形成和长大 实验证明，奥氏体晶核优先在铁素体和渗碳体相界面上形成。这是由于相界面处原子排列比较紊乱，处于能量较高状态;且奥氏体的碳的质量分数介于铁素体和渗碳体之间，故在两相的相界面上，为奥氏体的形核提供了良好的条件
5、。,下一页,上一页, 3.1 钢在加热时的组织转变,奥氏体晶核形成后，由于它一面与渗碳体相接，另一面与铁素体相接，因此，奥氏体晶核的长大是相界面往渗碳体与铁素体方向同时推移的过程。它通过铁、碳原子的打一散，使邻近的渗碳体不断溶解，铁素体晶格改组成为面心立方晶格来完成的。(2)残余渗碳体的溶解 在奥氏体形成过程中，由于渗碳体的晶体结构和碳的质量分数与奥氏体有很大差异，所以当铁素体全部消失后，仍有部分渗碳体尚未溶解，这部分未溶的渗碳体将随着保温时间的延长，将逐渐溶人奥氏体中，直至完全消失为止。(3)奥氏体的均匀化 残余奥氏体完全溶解后，奥氏体的碳浓度是不均匀的，在原渗碳体处碳浓度较高，而原铁素体处
6、碳浓度,下一页,上一页, 3.1 钢在加热时的组织转变,较低，只有延长保温时间，通过碳原子的扩散，才能得到成分均匀的奥氏体。如图3-3为钢的奥氏体化过程。由上可知，热处理的保温，不仅是为了将工件热透，而且也是为了获得均匀的奥氏体组织，以便冷却后能得到良好的组织和性能。亚共析钢和过共析钢加热到Ac1点以上时，珠光体转变成奥氏体，得到的组织为奥氏体和先析的铁素体或渗碳体，称为不完全奥氏体化。只有加热到Ac3或Accm以上，先析相会继续向奥氏体转变或溶解，获得单一的奥氏体组织，才是完全奥氏体化。2.影响奥氏体转变的因素,下一页,上一页, 3.1 钢在加热时的组织转变,(1) 加热温度 加热温度越高，
7、铁、碳原子的打一散速度越快，且铁的晶体改组也越快，因而加速了奥氏体的形成。(2) 加热速度 加热速度越快，转变开始温度越高，转变终了温度也越高，完成转变所需要的时间越短，即奥氏体转变速度越快。(3) 钢的原始组织 若钢的成分相同，其原始组织越细、相界面越多，奥氏体的形成速度就越快。例如:相同成分的钢，由于细片状珠光体比粗片状珠光体的相界面积大，故细片状珠光体的奥氏体形成速度快。 二、奥氏体晶粒的长大及其影响因素,下一页,上一页, 3.1 钢在加热时的组织转变,奥氏体形成后继续加热或保温，在伴随着残余渗碳体的溶解和奥氏体的均匀化同时，奥氏体的晶粒将发生长大。其结果使钢件冷却后的机械性能降低，特别
8、是冲击韧性变坏;奥氏体晶粒粗大也是淬火变形和开裂的重要原因。所以，为了获得细晶粒的奥氏体组织，有必要了解奥氏体晶粒在其形成后的长大过程及控制方法。1. 奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度是指将钢加热到相变点(亚共析钢为Ac3，过共析钢为Ac1或Accm)以上某一温度，并保温给定时间得到的奥氏体晶粒大小。奥氏体晶粒大小有以下两种方法表示:一种是用晶粒尺寸表示，例如晶粒的平均直径、晶粒的平均表面面积或,下一页,上一页, 3.1 钢在加热时的组织转变,单位表面面积内的晶粒数目;另一种是用晶粒度N来表示，它是将放大100倍的金相组织与标准晶粒号图片进行比较来确定的。一般将N小于4的称为粗晶粒，N在58之间的称为
9、细晶粒，N大于8以上称为超细晶粒。2. 奥氏体晶粒的长大在加热转变中，新形成并刚好互相接触时的奥氏体晶粒，称为奥氏体起始晶粒，其大小称为奥氏体起始晶粒度。奥氏体起始晶粒一般都很小，但随温度进一步升高，时间继续延长，奥氏体晶粒将不断长大，长大到钢开始冷却时的奥氏体晶粒称为实际晶粒，其大小称为实际晶粒度。奥氏体实际晶粒度直接影响钢热处理后的组织与性能。,下一页,上一页, 3.1 钢在加热时的组织转变,实践证明，不同成分的钢，在加热时奥氏体晶粒长大的倾向是不相同的，如图3-4。有些钢随着加热温度的升高，奥氏体晶粒会迅速长大，称这类钢为本质粗晶粒钢(图3-4，曲线1)，而有些钢的奥氏体晶粒不易长大，只
10、有当温度超过一定值时，奥氏体晶粒才会突然长大，称这类钢为本质细晶粒钢(图3-4,曲线2)。生产中，须经热处理的工件，一般都采用本质细晶粒钢制造。加热时，奥氏体晶粒长大倾向取决于钢的成分和冶炼条件。冶炼时用铝脱氧，使其形成A1N微粒;或加人Nb , V , Ti等元素，使其形成难溶的碳氮化物微粒分布在奥氏体晶界上，能阻止奥氏体晶粒的长大，但加热温度超过一定值时，这些极细的化合物会溶人奥氏体晶粒内，使奥氏体晶粒突然长大。,下一页,上一页, 3.1 钢在加热时的组织转变,用锰、硅铁脱氧的钢为本质粗晶粒钢，如沸腾钢。3.影响奥氏体晶粒长大的因素(1)加热温度和保温时间 加热温度越高，保温时间越长，奥氏
11、体晶粒长得越大。通常加热温度对奥氏体晶粒长大的影响比保温时间更显著。(2)加热速度 当加热温度确定后，加热速度越快，奥氏体晶粒越细小。因此，快速高温加热和短时间保温，是生产中常用的一种细化晶粒的方法。, 3.1 钢在加热时的组织转变,下一页,上一页,(3)钢中加人一定的合金元素 大多数合金元素均能不同程度的阻碍奥氏体晶粒长大，尤其是与碳结合力较强的合金元素(如铬、钼、钨、钒等)，由于它们在钢中形成难溶于奥氏体的碳化物，并弥散分布在奥氏体晶界上，能阻碍奥氏体晶粒长大，而锰、磷则促使奥氏体晶粒长大。, 3.1 钢在加热时的组织转变,返 回,上一页,生产实践和科学实验证明，即使是同一化学成分的钢，当
12、加热到高温奥氏体状态后，若采用不同的冷却方法，其奥氏体转变后的组织和性能都有很大的差别(见表3-1)。显然，这是由于钢的内部组织随冷却速度的不同而发生了变化，从而导致性能上的差别。这种现象不能用Fe-Fe3C相图来解释，为了更好地了解钢热处理后的组织与力学性能的变化，必须研究奥氏体在不同冷却速度下的变化规律。钢在冷却时，奥氏体的转变有两种方式:一种是等温冷却转变，即将钢件奥氏体化后，迅速冷却至界点Ar1以下某一温度并保温，使奥氏体在该温度下发生组织转变，然后再冷却到室温，如图3-5曲线1所示。, 3.2 钢在冷却时的组织转变,下一页,另一种是连续冷却转变，即将钢件奥氏体化后，以不同的冷却速度连
13、续冷却至室温，在连续冷却过程中奥氏体发生组织转变，如图3-5曲线2所示。为了研究奥氏体的冷却转变规律，通常是根据上述两种冷却方式，分别绘出过冷奥氏体等温转变曲线和过冷奥氏体连续冷却转变曲线，这两种曲线能正确说明奥氏体冷却条件与相变的关系。一、过冷奥氏体的等温冷却转变奥氏体在相变点A1以下处于不稳定状态，必须要发生相变。但过冷到A1以下的奥氏体并不是立即发生相变，而是要经过一个孕育期后才开始转变，这种在孕育期内暂时存在的、处于不稳定状态的奥氏体称为“过冷奥氏体”。, 3.2 钢在冷却时的组织转变,下一页,上一页,过冷奥氏体在不同温度下的等温转变，将使钢的组织与性能发生明显的变化，而奥氏体等温转变
14、曲线是研究过冷奥氏体等温转变的工具。1.过冷奥氏体等温转变曲线的建立过冷奥氏体等温转变曲线是将钢加热到奥氏体状态，然后以极快的速度冷却到A1以下不同的温度，在各个不同温度下测得的转变量和时间的关系曲线。在过冷奥氏体转变过程中，会发生各种物理变化，如放热、体积膨胀、磁性转变等，因此可以利用热分析法、膨胀法、磁性法、金相硬度法等测定奥氏体转变过程。现以共析碳钢为例，介绍用金相硬度法测定过冷奥氏体等温转变曲线的过程。首选将共析碳钢制成若干小试样，并分为几组，每组有若干试样。, 3.2 钢在冷却时的组织转变,下一页,上一页,将各组试样都在同样的加热条件下奥氏体化，获得均匀的奥氏体组织。然后把各组试样分
15、别迅速投人A1点以下不同温度(如720, 700, 650, 600)的等温槽中，使过冷奥氏体等温转变。同时从试样投人时刻起记录等温时间，每隔一定时间，在每一组中取出一个试样投人水中，将试样在不同时刻的等温转变状态固定下来，冷却后测定其硬度并观察显微组织。这样便可找出在不同的过冷温度下进行等温转变时，开始转变所需要的时间及完成转变所需要的时间。在以温度一时间为坐标的图上将所有的转变开始点和转变终了点分别用光滑的曲线连接起来，这样就得到了共析碳钢的等温转变曲线，如图3-6。由于其形状与字母“C”相似，故又称它为C曲线。, 3.2 钢在冷却时的组织转变,下一页,上一页,图中纵坐标为过冷奥氏体等温温
16、度，横坐标取对数坐标表示时间，这主要是因为过冷奥氏体在不同过冷度下，转变所需时间相差很大的缘故。图3-6中左边的C形曲线为过冷奥氏体等温转变开始线右边的C形曲线为过冷奥氏体等温转变终了线。C曲线上面的水平线叫做A1线，它表示奥氏体与珠光体的平衡温度，即Fe-Fe3C状态图中的A1温度，A1线以上奥氏体是稳定的，A1线以下奥氏体是不稳定的，它要转变成其他产物。C曲线下面的水平线叫做Mf线，它是以极快的冷却速度连续冷却时，测得的过冷奥氏体开始转变为马氏体的温度点的连线，在其下面还有一条表示马氏体转变终了的水平线，称为Mf线，一般都在室温以下。, 3.2 钢在冷却时的组织转变,下一页,上一页,A1线
17、以上是奥氏体的稳定区域;A1线以下、转变开始线以左的区域是过冷奥氏体区;A1线以下、转变终了线以右和Ms线以上的区域为转变产物区;转变开始线和转变终了线之间是过冷奥氏体和转变产物共存区。过冷奥氏体在各个温度下等温转变时，都要经历一段孕育期(它以转变开始线与纵坐标之间的水平距离表示)。孕育期越长，过冷奥氏体越稳定，反之则越不稳定。可见，过冷奥氏体在不同温度下的稳定性是不同的:开始时随过冷度的增加，孕育期与转变开始时间逐渐缩短;而当过冷度达到某一值(约550)后的，孕育期与转变开始时间却随过冷度的增加而逐渐变长。在C曲线上孕育期最短的地方，表示过冷奥氏体最不稳定，它的转变速度最快，该处被称为C曲线的“鼻尖”。,
