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1、第一节 钢的加热及组织转变,第六章 钢的热处理,第二节 钢的冷却及组织转变,第三节 退火和正火,第四节 淬火及回火,第五节 钢的表面热处理和化学 热处理工艺,第六节 热处理新技术和新工艺,第一节 钢的加热及组织转变,相变点是指金属或合金在加热或冷却过程中发生相变的温度，又称临界点。,一、 钢的相变点（临界温度）,钢的相变点 ,根据Fe-Fe3C相图可知，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，都可由这三条线来确定。,加热时热处理的第一道工序，任何成分的碳钢加热到Ac1线以上时，都将发生珠光体向奥氏体的转变。把钢加热到相变
2、点以上获得奥氏体组织的过程称为“奥氏体化”。钢只有处在奥氏体状态下才能通过不同的冷却方式转变为不同的组织，从而获得所需的性能。,二、 奥氏体化过程及影响因素,奥氏体过程及影响因素 ,下面以共析钢为例来说明奥氏体的过程。室温组织为珠光体的共析钢加热至A1（Ac1）以上时，将形成奥氏体，即发生P（F+Fe3C）A的转变。 奥氏体形成是通过形核和长大的结晶过程来实现的，奥氏体化过程包括奥氏体晶核的形成、奥氏体的长大、残留渗碳体的溶解和奥氏体均匀化四个阶段，如图6-3所示。,（一）奥氏体的形成,奥氏体过程及影响因素 ,（一）奥氏体的形成,图6-3 共析钢奥氏体化过程示意图 a）奥氏体形核 b）奥氏体长
3、大 c）残留渗碳体溶解 d）奥氏体成分均匀化,奥氏体过程及影响因素 ,1.加热温度 随着奥氏体形成温度的升高，原子扩散能力提高，特别是碳在奥氏体中的扩散能力提高；同时Fe-Fe3C相图中GS线和SE线间的距离加大，即增大了奥氏体中的碳浓度梯度，这些都将加速奥氏体的形成。,（二）影响奥氏体形成的因素,奥氏体过程及影响因素 ,2.加热速度 连续加热时，随加热速度的增大，奥氏体形成速度加快，形成的温度范围扩大，形成所需的时间缩短。,（二）影响奥氏体形成的因素,奥氏体过程及影响因素 ,3.钢的成分 随含碳量升高，铁素体和渗碳体相界面总量增大，有利于奥氏体的形成；钢中加入合金元素，并不改变奥氏体形成的基
4、本过程，但显著影响其形成速度。,（二）影响奥氏体形成的因素,奥氏体过程及影响因素 ,4.原始组织 钢成分相同时，组织中珠光体越细，奥氏体形成速度越快，层片状珠光体中比粒状珠光体更容易形成奥氏体。,（二）影响奥氏体形成的因素,（一）奥氏体晶粒度 晶粒度是指多晶体内的晶粒大小，常用晶粒度等级来表达。晶粒度等级是最初由美国材料试验协会（ASTM）制定的，后来为世界各国所采用的一种表达晶粒平均大小的编号。它是将金相组织放大100倍时与标准晶粒度等级图片进行比较来确定晶粒度等级的。按晶粒大小，晶粒度等级分为00、0、1-10共12级。晶粒越细，晶粒度等级数越大，可用标准评级图片评定，也可用直接测量法来测
5、定。,三、 奥氏体晶粒大小及其控制,奥氏体晶粒大小及其控制 ,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。其大小称为起始晶粒度。奥氏体的起始晶粒一般都很细小，但随着加热温度的升高和保温时间的延长，其晶粒将不断长大，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。奥氏体的实际晶粒度直接影响钢热处理后的组织与性能。,（二）奥氏体晶粒的长大,奥氏体晶粒大小及其控制 ,除上述成分、冶炼条件外，为获得细小的晶粒，还需控制热处理加热制度。主要考虑： 1.加热温度 2.保温时间 3.加热速度,（三）奥氏体晶粒大小的控制,（一）氧化 钢在高温作用下，与加热介质中O2、
6、CO2、H2O等氧化性介质发生氧化反应，形成金属氧化物的现象称为氧化。钢的氧化铀两种：表面氧化合内氧化。,四、 加热易产生的缺陷,加热易产生的缺陷 ,钢在加热和保温时，炉气中含有O2、CO2、H2O、H2等的脱碳性气氛，钢表层中固溶的碳和这些介质在高温作用下发生氧化反应，使表层碳浓度降低，即产生脱碳。表层脱碳后，内层的碳便向表层扩散，这些碳又被氧化使脱碳层逐渐加深。,（二）脱碳,加热易产生的缺陷 ,加热温度过高或保温时间过长，得到粗大晶粒组织，称作过热。过热产生的粗大显微组织，将使钢的性能变坏，特别是是人性严重下降。过热的工件必须重新且可以进行加热使晶粒细化。,（三）过热,加热易产生的缺陷 ,
7、由于加热温度过高，使奥氏体晶界严重氧化，甚至发生了局部熔化，这种现象称为过烧。过烧严重降低了钢的性能。产生了过烧得工件无法挽回，只能报废。,（四）过烧,钢经加热获得均匀的奥氏体组织，只是为随后的冷却转变作好了准备，热处理后钢的组织与性能是由冷却过程来决定的，所以控制奥氏体在冷却时的转变过程是热处理的关键。 常用的冷却方式有连续冷却和等温冷却两种。,第二节 钢的冷却及组织转变,奥氏体在A1点以下处于不稳定状态，必然要发生相变。但过冷到A1以下的奥氏体并不是立即发生转变，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”。,一、 过冷奥氏体的等温转
8、变,过冷奥氏体的等温转变 ,研究过冷奥氏体在不同温度下进行等温转变的重要工具是过冷奥氏体等温转变图或称等温转变曲线，也称TTT曲线，又因为其形状像英文字母“C”，所以又称C曲线。它表明了过冷奥氏体在不同过冷温度下的等温过程中，转变温度、转变时间与转变产物量之间的关系。它的建立是利用过冷奥氏体转变产物的组织形态和性能的变化来测定的。,（一）珠光体转变高温转变（A1550） 过冷奥氏体在A1550C范围内将分解为珠光体类型组织，即发生AP（F+Fe3C）转变。它的形成伴随着两个过程同时进行：一是铁、碳原子的扩散，由此而形成高碳的渗碳体和低碳的铁素体；二是晶格的重构，由面心立方晶格的奥氏体转变为体心
9、立方晶格的铁素体和复杂立方晶格的渗碳体，它的转变过程是一个在固态下形核和长大的结晶过程。,二、 过冷奥氏体转变产物的组织与性能,过冷奥氏体转变产物的组织与性能 ,1.珠光体的形成 按渗碳体形态的不同，珠光体分为层片状珠光体和球状珠光体。一般成分均匀的奥氏体的高温转变产物都为层片状珠光体；只有在A1附近的温度范围内作足够长时间的保温才可能使层片状渗碳体球化，得到球状珠光体。层片状珠光体的形成过程如图6-7所示。,（一）珠光体转变高温转变（A1550）,过冷奥氏体转变产物的组织与性能 ,（一）珠光体转变高温转变（A1550）,图6-7 片状珠光体的形成过程示意图,过冷奥氏体转变产物的组织与性能 ,
10、2.珠光体的性能 层片状珠光体的性能主要取决于层片间距，转变温度越低，即过冷度越大，层片间距越小。 珠光体的层片间距越小，相界面越大，塑性变形抗力越大，所以强度、硬度越高；同时层片间距越小，由于渗碳体片越薄，越容易随同铁素体一起变形而不脆断，所以塑性和韧性也变好了，这也就是冷拔钢丝要求具有索氏体组织才容易变形而不致因拉拔而断裂并具有高强度的原因。,（一）珠光体转变高温转变（A1550）,过冷奥氏体转变产物的组织与性能 ,贝氏体是过冷奥氏体在贝氏体转变温度区转变而成的由铁素体与碳化物所组成的非层状的亚稳组织，它是以美国冶金学家ECBain的名字命名的。,（二）贝氏体转变中温转变（550Ms）,过
11、冷奥氏体转变产物的组织与性能 ,1.贝氏体的形成,（二）贝氏体转变中温转变（550Ms）,图6-9 贝氏体形成过程示意图 a）上贝氏体 b）下贝氏体,过冷奥氏体转变产物的组织与性能 ,2.贝氏体的性能 由于上贝氏体中的铁素体条比较宽，抗塑性变形的能力比较低，渗碳体分布在铁素体条之间容易引起脆断。因此，上贝氏体的强韧性较差，生产商极少使用。 下贝氏体中的针状铁素体细小且无方向性，碳的过饱和度大，碳化物分布平均、弥散度大，所以它不仅有高的强度、硬度和耐磨性，同时具有良好的塑性和韧性，生产中常用等温淬火来获得综合性能较好的下贝氏体。,（二）贝氏体转变中温转变（550Ms）,过冷奥氏体转变产物的组织与
12、性能 ,过冷奥氏体在Ms以下将发生马氏体转变。马氏体是以德国冶金学家AMartens的名字命名的，用符号M表示。 马氏体转变不属于等温转变，而是在MSMf之间的一个温度范围内连续冷却完成的，由于马氏体转变温度极低，过冷度很大，而且形成的速度极快，使奥氏体向马氏体的转变只发生-Fe-Fe的晶格改组，而没有铁、碳原子的扩散。所以马氏体的碳含量就是转变前奥氏体的碳含量。,（二）马氏体转变低温转变（MsMf）,过冷奥氏体转变产物的组织与性能 ,1.马氏体的结构和形成 马氏体是碳在-Fe中的过饱和减息固溶体，马氏体中，由于过饱和的碳强制地分布在晶胞的某一晶轴（如z轴）的间隙处，使z轴方向的晶格常数c上升
13、，x、y轴方向的晶格常数下降，-Fe的体心立方晶格变为体心正方晶格，晶格常说c/a的比值成为马氏体的正方度。马氏体中碳含量越高，正方度越大。,（二）马氏体转变低温转变（MsMf）,过冷奥氏体转变产物的组织与性能 ,马氏体的形成也是一个形核和长大的过程。马氏体晶核一般在奥氏体晶界、孪晶界、滑移面或晶内晶格畸变较大的地方形成，因为转变温度低，铁、碳原子不能扩散，而转变的驱动力极大，所以马氏体是以一种特殊的方式共格切变的方式形成，并瞬间长大到最终尺寸。,（二）马氏体转变低温转变（MsMf）,过冷奥氏体转变产物的组织与性能 ,2.马氏体的组织形态,（二）马氏体转变低温转变（MsMf）,图6-10 板条
14、状马氏体的形态 a）板条状马氏体组织示意图 b）板条状马氏体的显微组织,过冷奥氏体转变产物的组织与性能 ,（二）马氏体转变低温转变（MsMf）,图6-11 片状马氏体的形态 a）片状马氏体组织示意图 b）片状马氏体的显微组织,过冷奥氏体转变产物的组织与性能 ,3.马氏体的性能 马氏体的性能取决于马氏体的碳的质量分数与组织形态。 （1）强度与硬度 主要取决于马氏体的碳的质量分数。随马氏体中碳的质量分数的增加，强度与硬度随之升高，特别是在碳的质量分数较低时，这种作用较明显。,（二）马氏体转变低温转变（MsMf）,过冷奥氏体转变产物的组织与性能 ,（2）塑性与韧性 一般认为马氏体硬而脆，塑性与韧性很
15、差，但这是片面的认识。马氏体的塑性与韧性同样受碳的质量分数的影响，可在相当大的范围内变动，随马氏体中含碳量的升高，塑性与韧性急剧下降，而低碳板条马氏体具有良好的塑性与韧性，是一种强韧性很好的组织，并且有较高的断裂韧度和低的冷脆转变温度，所以其应用日益广泛。,（二）马氏体转变低温转变（MsMf）,过冷奥氏体转变产物的组织与性能 ,（3）比容 钢的组织中，马氏体比容最大，奥氏体最小，珠光体居中，所以奥氏体转变为马氏体时，必然伴随体积膨胀而产生内应力。马氏体中碳的质量分数越高，正方度越大，晶格畸变程度加剧，比容也越大，故产生的内应力也越大，这就是高碳钢淬火易裂的原因。但也可利用这一效应，使淬火零件表
16、层产生残余压应力，提高疲劳性能。,（二）马氏体转变低温转变（MsMf）,过冷奥氏体转变产物的组织与性能 ,4.马氏体转变的特点 马氏体转变也是形核、长大的过程，但有下列特点： （1）无扩散性 （2）转变的速度极快 （3）转变是在一定温度范围内进行的 （4）转变的不完全性,（二）马氏体转变低温转变（MsMf）,（一）奥氏体成分 （1）含碳量 随着奥氏体中含碳量的增加，奥氏体的稳定性增大，奥氏体等温转变图的位置向右移。对于过共析钢，加热到Ac1以上某一温度时，随钢中含碳量的增多，奥氏体含碳量并不增高，而未溶渗碳体量增多；因为渗碳体能作为结晶核心，促进奥氏体分解，所以奥氏体等温转变图左移。过共析钢只有在加热到Accm以上，渗碳体完全溶解时，含碳量的增加才使奥氏体等温转变图右移，而在正常热处理条件下不会达到这样高的
