材料工艺学-热处理工艺

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1、第二章 热处理工艺,钢的热处理原理钢的常规热处理钢的表面热处理钢的化学热处理钢的热处理新技术,1,钢 的 热 处 理,定义：将固态金属或合金，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织结构与性能的工艺方法称热处理。分类：整体热处理、表面热 处理和化学热处理。工艺阶段：加热、保温和冷却,钢在加热时的转变,奥氏体形成的规律是掌握热处理工艺的基础为在热处理后获得所需性能，大多数热处理工艺都要将工件加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织，并使其均匀化，这一过程称为奥氏体化加热时形成的奥氏体的质量（奥氏体化的程度、成分均匀性及晶粒大小等）对其冷却转变过程及最终的组织和性能都有极大的影响,铁

2、素体（F）碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体,奥氏体（A）碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体，用符号A（或）表示，是一种存在于高温状态下的组织,渗碳体（ Fe3C ）过剩的碳原子和铁原子形成的一种间隙化合物,珠光体:铁素体和渗碳体组成的机械 混合物,莱氏体: c=4.3%的合金，缓慢冷却到1148时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶组织,钢的临界温度,在实际生产中，由于加热和冷却不是很缓慢，因此实际发生组织转变的温度与相图的A1、A3、Acm 有一定的偏离。通常加热用 Ac1、Ac3、 Accm 表示，冷却用Ar1、Ar3、Arcm表示。将钢加热至Ac3或Ac1以上，获得完全或部分奥氏体组织的操作

3、称为奥氏体化。A1：共析钢 A3：亚共析钢 Acm：过共析钢,奥氏体形成的基本过程,1. 奥氏体晶核的形成 奥氏体的晶核一般优先在铁素体和渗碳体相界处形成。这是因为在两相的相界上为形核提供了良好的条件。,奥氏体形成的基本过程,2.奥氏体晶核的长大奥氏体形核后，由于奥氏体与Fe3C晶界处的含碳量不同，将引起奥氏体中碳的扩散。通过铁、碳原子的扩散和铁原子的晶格改组，奥氏体向铁素体和Fe3C两个方向长大。,奥氏体形成的基本过程,3.残余渗碳体溶解 在奥氏体形成过程中，铁素体比渗碳体先消失，因此奥氏体形成之后，还残存未溶渗碳体。这部分未溶的残余渗碳体将随着时间的延长，继续不断地溶入奥氏体，直至全部消失

4、。,4.奥氏体均匀化渗碳体完全溶解后，开始时奥氏体中碳的浓度分布并不均匀 ,原先是渗碳体的地方碳浓度高，原先是铁素体的地方碳浓度低。必须继续保温，通过碳的扩散，使奥氏体成分均匀化。,奥氏体形成的基本过程,影响奥氏体转变的因素,1.加热温度和加热速度的影响提高加热T，将加速A的形成。随着加热速度的增加,奥氏体形成温度升高（AC1 越高），形成所需的时间缩短。2.化学成分的影响随着钢中含碳量增加,铁素体核渗碳体相界面总量增多，有利于奥氏体的形成。3.原始组织的影响原始组织中渗碳体为片状时奥氏体形成速率快，渗碳体片间距越小，长大速率更快。 4. 合金元素不改变奥氏体形成的基本过程，但影响其形成速率。

5、Co，Ni加快；Cr，V等减慢奥氏体化过程,奥氏体晶粒大小及其控制,1.奥氏体晶粒大小（晶粒度）起始晶粒度、本质晶粒度、实际晶粒度2.奥氏体晶粒大小的控制（1）合理选择加热温度和保温时间随着温度升高晶粒度将直接长大。温度愈高，晶粒长大于愈明显。在一定温度下，保温时间愈长，奥氏体晶粒也越粗大。 （2）加入合金元素奥氏体中的含碳量增高时，晶粒长大的倾向增多。若碳以未溶的碳化物形式存在（钢中含有形成稳定碳化物、渗氮物的合金元素Cr, V, Ti, W等），则它有阻碍晶粒长大的作用。 （3）合理选择原始组织,钢在冷却时的转变,过冷奥氏体：暂时保留在A1以下的奥氏体。连续冷却转变：使加热到奥氏体化的钢连

6、续降温进行组织转变。等温冷却转变：使加热到奥氏体化的钢以较快的冷却速度冷到A1以下某温度保温，在等温下发生组织转变。,热处理的两种冷却方式,共析钢过冷奥氏体的等温转变,钢在冷却时的转变，实质上是过冷奥氏体的转变共析钢过冷A等温转变曲线 A1以上：A稳定 A1以下：A不稳定，过冷Ms和Mf线：过冷奥氏体发 生马氏体转变（低温转变） 的开始和终了温度线,孕育期：奥氏体从过冷到开始转变 的时间 鼻尖处孕育期最短（550oC） 鼻尖以上，鼻尖以下过冷奥氏体转变速率： 转变的驱动力：随温度下降而增大 原子扩散能力：随温度降低而减弱,共析钢过冷A的等温转变曲线图,过冷奥氏体的等温转变产物组织和性能,珠光体

7、型转变高温转变（A1 550 ）A1 650 片层珠光体 25HRC650 600 细珠光体（索氏 体 S） 25HRC30HRC 600 550 极细珠光体（托氏体 T） 35HRC40HRC贝氏体型转变中温转变（550 Ms ）550350 平行条状铁素体上分布细微渗碳体 40HRC45HRC350Ms 针状铁素体分布极细小碳化物 50HRC55 HRC马氏体转变低温转变（ Ms Mf）,珠光体型转变高温转变（A1 550 ）,在A1550 之间，过冷奥氏体的转变产物为珠光体型组织， 此温区称珠光体转变区。珠光体型组织是铁素体和渗碳体的机械混合物，渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，转变温度

8、越低，层间距越小，可将珠光体型组织按层间距大小分为珠光体（P）、索氏体（S）（细珠光体）和屈氏体（T）（极细珠光体）。奥氏体向珠光体的转变为扩散型的生核、长大过程， 是通过碳、铁的扩散和晶体结构的重构来实现的。,(a)珠光体 3800倍,(b) 索氏体 8000倍,(c)屈氏体 8000倍,珠光体的组织和性能,P、S、T三者从组织上并没有什么本质区别，也没有严格的界限，实质是同一种组织，只是渗碳体片的厚度不同，在形式上片层间距不同而已。片层间距的大小主要取决于过冷度，而与奥氏体的晶粒度和均匀性无关。转变温度较高即过冷度较小时，铁、碳原子易扩散，获得的珠光体片层较粗大；转变温度越低时，过冷度越大

9、，获得的珠光体组织就越细，片层间距越小，硬度越高。,贝氏体型转变中温转变（550 Ms ）,贝氏体是渗碳体分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物。奥氏体向贝氏体的转变属于半扩散型转变，铁原子不扩散而碳原子有一定扩散能力。钢在等温淬火过程中发生的转变就是贝氏体转变。,(a)光学显微照片 500 (b) 电子显微照片 5000 上贝氏体形态,过冷奥氏体在550 350 之间转变形成的产物称上贝氏体（上B)。上B呈羽毛状，小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间。,(a)光学显微照片 500倍 (b) 电子显微照片 12000倍下贝氏体形态,过冷奥氏体在350 Ms之间的转变产物称下贝氏体（B下）。

10、B下在光学显微镜下为黑色针状，在电子显微镜下可看到在铁素体针内沿一定方向分布着细小的碳化物（Fe2.4C）颗粒。,上贝氏体中铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；同时渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断，因此强度和韧性都较差。下贝氏体中铁素体针细小，无方向性，碳的过饱和度大，位错密度高，且碳化物分布均匀、弥散度大，所以硬度高，韧性好，具有较好的综合机械性能。,影响C曲线的因素,碳的质量分数碳钢中，共析钢过冷奥氏体最稳定 合金元素除Co外，所以的合金元素溶于奥氏体中都增大过冷奥氏体的稳定性。非碳化物或弱碳化物形成元素（Si，Ni，Cu，Mn等）只使C曲线右移，不改变形状；碳化物形成元素不仅使C曲线位

11、置发生变化，且改变其形状。合金元素只有溶入奥氏体后，才能增强过冷奥氏体的稳定性，而未溶的合金化合物因有利于奥氏体的分解，则降低过冷奥氏体的稳定性。 加热温度和保温时间温度越高，时间越长(碳化物溶解越完全，奥氏体成分越均匀，晶粒粗大，晶界面积越小，有利于降低奥氏体分解时的形核速率，增大孕育期)有利于过冷奥氏体的稳定性,过冷奥氏体的连续冷却转变,一组试样加热到奥氏体状态后，以不同冷却速率连续冷却，测出其奥氏体转变开始点和终了点，即可得到连续冷却转变曲线(CCT曲线)。共析钢在连续冷却过程中没有贝氏体组织出现：AB线，过冷奥氏体转变终止线，到达此线时，终止向奥氏体的转变，指导Ms开始向马氏体转变。,

12、过冷奥氏体的连续冷却转变,连续冷却转变曲线的测定，在技术上要比等温转变曲线困难，也不易达到准确，这就给使用带来不方便。但从图中可以看出，钢的冷却转变曲线与等温转变曲线的上半部分基本上是一致的，特别在高温时转变产物和性能差别不明显，所以目前生产中常根据等温转变曲线定性地，近似地分析连续冷却时的奥氏体转变的组织。,过冷奥氏体的连续冷却转变,1.共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 （1）转变产物在共析钢过冷奥氏本的连续冷却转变曲线（CCT 曲线）中，共析钢以大于Vk（上临界冷却速度）的速 度冷却时， 得到的组织为马氏体。冷却速度小于Vk （下临界冷却速度）时，钢将全部转变为珠光体型组 织。共析钢过冷奥氏

13、体在连续冷却转变时得不到贝氏 体组织。,共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变组织,（2） 马氏体转变特点 过冷奥氏体转变为马氏体是低温转变过程，转变温度在MsMf之间，该温区称马氏体转变区。 过冷奥氏体转变为马氏体是一种非扩散型转变，铁和碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥氏体一定晶面，集体地（不改变相互位置关系）作一定距离的移动（不超过一个原子间距）， 使面心立方晶格改组为体心正方晶格，碳原子原地不动，过饱和地留在新组成的晶胞中，增大了其正方度c/a 。马氏体就是碳在-Fe中的过饱和固溶体。过饱和碳使-Fe 的晶格发生很大畸变，产生很强的固溶强化。, 马氏体的形成速度很快 奥氏体冷却到Ms点以下后，无

14、孕育期，瞬时转变为马氏体。随着温度下降，过冷奥氏体不断转变为马氏体，是一个连续冷却的转变过程。 马氏体转变是不彻底的 总要残留少量奥氏体。残余奥氏体的含量与MS、Mf的位置有关。奥氏体中的碳含量越高，则MS、Mf越低，残余A含量越高。只在碳质量分数少于0.6%时， 残余奥氏体可忽略。 马氏体形成时体积膨胀 体积膨胀在钢中造成很大的内应力, 严重时导致开裂。,（3）马氏体的形态与特点 碳质量分数在0.25%以下时，基本上是板条马氏体亦称低碳马氏体），板条马氏体在显微镜下为一束束平行排列的细板条。在高倍透射电镜下可看到板条马氏体内有大量位错缠结的亚结构，所以也称位错马氏体。当碳质量分数大于1.0%

15、时，则大多数是针状马氏体。针状马氏体在光学显微镜中呈竹叶状或凸透镜状，在空间形同铁饼。马氏体针之间形成一定角度（60）。高倍透射电镜分析表明，针状马氏体内有大量孪晶，因此亦称孪晶马氏体。,低碳马氏体的组织形态,碳质量分数在0.251.0%之间时，为板条马氏体和针状马氏体的混和组织。高碳马氏体的组织形态,a.硬度很高。碳质量分数对马氏体硬度的影响,b.马氏体的塑性和韧性与其碳含量（或形态）密 切相关。高碳马氏体由于过饱和度大、内应力高和存 在孪晶结构，所以硬而脆，塑性、韧性极差，但晶粒 细化得到的隐晶马氏体却有一定的韧性。而低碳马氏 体，由于过饱和度小，内应力低和存在位错亚结构， 则不仅强度高，

16、塑性、韧性也较好。c.马氏体的比容比奥氏体大。当奥氏体转变为马 氏体时，体积会膨胀。马氏体是铁磁相，而奥氏体为 顺磁相。马氏体晶格畸变严重，因此电阻率高。,钢的热处理类型,共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变组织,预先热处理（满足冷加工性能）：退火、正火最终热处理（满足使用性能）：淬火、回火、表面热处理,钢的普通热处理,A1、A3、Acm平衡条件下钢的临界温度Ac1、Ac3、Accm加热时钢的临界温度Ar1、Ar3、Arcm冷却时钢的临界温度,将钢件加热至适当温度，保温一定时间后缓慢冷却的一种热处理工艺。根据目的和要求不同，又可以分为完全退火、等温退火、球化退火和去应力退火。一般来说，加热温度高于Ac3的退火称为完全退火；加热温度在Ac1与Accm之间的称为不完全退火或球化退火；加热温度在AC1以下称为低温退火或去应力退火。,