[教育学]材料工程基础

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1、3.1 概述 3.1.1热处理概念 将钢在固态下通过加热，保温，并以一定的速度冷却到室温，从而获得所需性能的一种工艺方法。3.1.2热处理的目的：通过改变组织达到改变性能的目的。3.1.3热处理的过程任何一种热处理都要经过加热，保温，冷却三个过程，因此，加热速度，最高加热温度，保温时间，冷却速度就成为热处理工艺的四大要素。 图3-1-1 热处理工艺曲线3.1.4热处理的依据：A1，A3，Acm 。因为在这三条线上有相变发生。 图3-1-2 图3-1-3 临界点在Fe-Fe3C相图上的位置 3.1.5热处理分类整体热处理：退火、正火、淬火、回火表面热处理：表面淬火化学热处理：渗碳，碳氮共渗，渗氮

2、 3.2 钢在加热、冷却时的转变 3.2.1 钢在加热时的转变1钢的奥氏体化把钢加热到相变点以上，获得全部或部分奥氏体组织的过程叫钢的奥氏体化。钢的奥氏体化是一个重结晶的过程。（1）共析钢的奥氏体化过程 动画3-2-1 共析钢奥氏体化过程共析钢在A1温度以下为P，将其缓慢加热到A1温度以上，在一定的加热温度下要发生P体向A体的转变，这是一个重结晶的过程，是需要通过铁碳原子的扩散、形核、长大和成分的均匀化过程来完成的。共析钢的奥氏体化过程分为以下四个阶段：1)奥氏体形核 F体的c=0.0218%，具有体心立方晶格；Fe3C体的c=6.69%，具有复杂立方晶格；在它们的相界面上c最容易达到0.77

3、%，变成面心立方晶格的A体，因此在两相的相界面上形成了A晶核。 2)奥氏体晶核长大 奥氏体晶核长大是依靠珠光体中铁素体向奥氏体转变和渗碳体不断溶入奥氏体而进行的，奥氏体同时向Fe3C和F两方向长大，并通过碳原子扩散以保持奥氏体稳定存在的碳浓度。 3)残余Fe3C的溶解阶段 当铁素体全部转变奥氏体后，组织中还有一部分残余渗碳体存在，随保温时间的延长，残余渗碳体不断溶入奥氏体。 4)奥氏体成分均匀化 残余Fe3C完全溶解后，奥氏体中碳浓度仍然是不均匀的，须要保温一段时间，奥氏体成分才能均匀化。 （2）亚共析钢的奥氏体化过程 加热A1以上 加热A3以上 F+PA细+FA细（3）过共析钢的奥氏体化过程

4、 加热A1以上 加热Acm以上 P+Fe3CA细+Fe3CA 动画3-2-2 亚、过共析钢奥氏体化过程 综上所述，钢的奥氏体化过程是个通过铁、碳原子扩散而实现的相变过程，相变过程是通过形核和长大两个过程完成的，由于P体中F体和Fe3C相界面很多，可以形成许多奥氏体晶核，因此钢的奥氏体化过程是个细化晶粒的过程，也是一个消除应力和不正常组织（如魏氏组织等）的过程。 2奥氏体晶粒的长大及其控制 (1)奥氏体晶粒的长大 图3-2-1 奥氏体晶粒大小对冷却后组织影响 奥氏体化的晶粒大小与加热温度和保温时间有很大关系，在相变点温度以上，加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒就会长的越大。 钢奥氏体化晶粒大

5、小对冷却后组织晶粒的大小有直接影响如图3-2-1所示，钢奥氏体化的晶粒细小，冷却后的组织晶粒就细小，奥氏体化晶粒粗大，冷却后组织的晶粒也粗大，在组织相同的情况下，当然是细晶粒组织的力学性能好。 那么怎么样才能保证奥氏体化时得到细晶粒组织呢？ （2）奥氏体晶粒的控制 1）控制加热温度：相变点以上30-50，不超过1002）合理的保温时间： 保温时间相变需要穿透加热的需要3）快速加热、短时间保温 总之，钢在加热时通过合理控制工艺参数，可以得到细小的奥氏体组织。 3.2.2 钢在冷却时的转变 图3-2-2 热处理的两种冷却方式（示意图） 1-连续冷却 2-等温冷却 钢奥氏体化后，冷却有两种方式，等温

6、和连续冷却，如图3-2-2所示。连续冷却到室温（图3-2-2，曲线1），使之发生转变。等温转变是将已奥氏体化的钢，快速冷却到相变点以下的某一温度，并等温停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温（图3-2-2，曲线2）。从研究钢冷却时组织转变规律的角度出发，采用哪种冷却方式好？是的，采用等温冷却更好。3.2.3奥氏体的等温转变1共析钢奥氏体等温转变图C曲线过冷奥氏体在不同过冷度下的等温过程中，转变温度、转变时间与转变产物量（转变开始及转变终了）的关系曲线图称为等温转变图（或称C曲线）。下面以共析钢为例，了解一下钢的C曲线是如何测定出来的。 图3-2-3 共析钢等温转变图的测定 （1）过冷

7、奥氏体等温转变曲线的建立先将若干试样都在同样加热条件下使之奥氏体化，以获得均匀细小的奥氏体，然后将每组试样分别投入到A1温度线以下不同温度（710、650、600、550、450、）的恒温中，使过冷奥氏体进入等温转变，记录下转变的开始和终了时间。将试验测得的点画在温度、时间坐标系中，将具有相同意义的点连成线，便得到了共析钢等温转变图，由于图中曲线形状与英文字母“C”字相似，故又称为C曲线。（2）共析钢C曲线的分析1）线：共析钢的C曲线由五条线组成：A1线是奥氏体向珠光体转变的临界温度；左边的一条“C”曲线，为奥氏体转变开始线；右边的一条“C”曲线，为奥氏体转变终了线Ms线表示过冷奥氏体向马氏体

8、转变的开始线；Mf线表示过冷奥氏体向马氏体转变的终了线。2）区：五条线把整个图分成了五个区：高于A1温度是奥氏体稳定区；转变开始线以左为过冷奥氏体区；过冷奥氏体：在A1温度以下存在的奥氏体叫过冷奥氏体，是一种不稳定的组织。 转变终了线以右和Ms点以上为转变产物区； 转变开始线与终了线之间为过冷奥氏体和转变产物的共存区；Ms与Mf之间为M转变区（属于边疆冷却的范围）。3）孕育期：孕育期：转变开始之前所经历的等温时间称为孕育期。孕育期的长、短可以反映出过冷奥氏体的稳定性，孕育期越长，过冷奥氏体越稳定，反之则反。4）三种转变区： 图3-2-4 共析钢等温转变图（C曲线）根据转变的温度不同，过冷奥氏体

9、发生三种不同的转变：A1至550为高温转变区，转变产物为珠光体（P）。550Ms为中温转变区，转变产物为贝氏体（B）。MsMf为低温转变区，转变产物为马氏体（M）。（3）共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能组织名称 形成温度 形成机理 组织照片 组织特征 硬度 塑性 珠光体（p） A1650 扩散型转变 照片 铁素体和渗碳体成层片相间的混合物 170250HBS 索氏体（s） 650600 扩散型转变 照片 T，片间距变小 2535HRC 屈氏体（T） 600550 扩散型转变 照片 片变小，变薄 3540HRC 上贝氏体（B上） 550350 半扩散型转变 照片 含碳过饱和的铁素体和渗碳

10、体组成 4048HRC 较差 下贝氏体（B下） 350230 半扩散型转变 照片 但，它们的形态不同 4855HRC 较好 1）高温转变在 A1550之间，过冷奥氏体的转变物为珠光体型组织。珠光体是铁素体与渗碳体的混合物，渗碳体呈层片状分布在铁素体上。转变的温度越低，层间距越小。 按层间距不同珠光体组织可以分为珠光体（P），索氏体（S）和屈氏体三种。它们的大致形成温度及性能见表（清华工程材料P114 表2-7）2）中温转变转变温度在550230之间，转变产物为贝氏体（B）组织。贝氏体根据转变温度不同可以分为上贝氏体和下贝氏体，分别用符号B上、B下来表示，上贝的转变温度范围为550350，下贝的

11、转变温度为350230。贝氏体转变由于转变温度较低，铁原子不能扩散而碳原子有一定的扩散能力，所以贝氏体转变属于半扩散型转变。在上贝氏体转变中，首先在奥氏体晶界上形成铁素体晶核，并成排地向奥氏体晶粒内长大。与此同时，条状铁素体前沿的碳原子不断向两侧扩散，而铁素体中多余的碳也部分扩散到铁素体条之间，形成粒状或短杆状的渗碳体。从图 可以看出，在光学显微镜下，共析钢的B上呈羽毛状，含碳过饱和的F成黑色条状，在黑条之间夹着短杆状的渗碳体。在 下贝氏体形成温度范围内，首先在奥氏体晶界或晶内的某些贫碳区，形成铁素体晶核，然后长成片状或透镜状。由于转变温度低，碳原子的扩散速度下降，使渗碳体 很难迁移至晶界，而

12、在铁素体片内与长轴成5560的细微颗粒或薄片析出，如图可以看出，铁素体呈现黑色针片状，从电镜照片中可知，在铁素体片中分布 着许多规则排列的碳化物。上、下贝氏体由于组织结构不同，力学性能有很大区别。上贝氏体中，硬脆的渗碳体呈短杆状分布在铁素体束的晶界上，使金属容易产生脆性断裂，强度、韧性较低，基本上无应用价值。下贝氏体中铁素体的过饱和程度大、固溶强化明显，铁素体晶粒无方向性，碳化物细小而弥散分布，使金属具有较高的强度与韧性配合，是一种具有优良力学性能的组织。3）低温转变过冷奥氏体在Ms温度以下将发生马氏体转变。马氏体用符号“M”表示，它是在极快的连续冷却过程中形成的，故详细内容将在讲解过冷奥氏体

13、的连续冷却转变之后讨论。（1）C曲线的形状与位置 图3-2-5 亚共析碳钢、共析碳钢和过共析碳钢的C曲线比较。由图可见，它们都具有过冷奥氏体转变开始线与转变终了线，但在亚共析碳钢的C曲线上，多出一条先析铁素体析出线；在过共析碳钢C曲线上，多出一条先析渗碳体（二次渗碳体）析出线。 图3-2-6 图3-2-7在正常的热处理加热条件下，亚共析碳钢的C曲线随着含碳量的增加向右移，过共析碳钢的C曲线随着含碳量的增加向左移。故在碳钢中，以共析碳钢C曲线的鼻尖离纵坐标最远，其过冷奥氏体也最稳定。（2）先析相的量与形态1）先析相的量随着过冷度增加，亚共析碳钢和过共析碳钢的先析铁素体或先析渗碳体的量逐渐减少。当

14、过冷度达到一定程度后，这种先析相就不再析出，过冷奥氏体直接转变成极细珠光体（托氏体）。这时珠光体中的含碳量已不是共析成分（c=0.77%）。这种由非共析成分所获得的共析组织称为伪共析体或伪共析组织。2）先析相的形态由于钢中含碳量、奥氏体晶粒度和冷却时转变温度的不同，在亚共析碳钢和过共析碳钢中，先析相的组织形态也将有所不同。如前所述，先析铁素体可以呈块状（等轴状）或网状，先析渗碳体一般呈网状。但当钢中c0.6%或c1.2%时，如果奥氏体晶粒特别粗大（如在过热的钢或铸钢中），并在一定的冷却条件下，先析相将以一定位向呈片状或针状形态在奥氏体晶粒内部析出，这种组织称为魏氏组织。图3-2-8为亚共析碳钢中出现片状铁素体的魏氏组织。图3-2-9为过共析碳钢中出现针状渗碳体的魏氏组织。魏氏组织一般使钢的力学性能降低，特别是对韧性的影响尤为严重，故生产中常用退火或正火来消除钢中魏氏组织。钢在锻造和焊接后易产生魏氏组织。图3-2-8 亚共析碳钢的魏氏组织 图3-2-9 过共析碳钢的魏氏组织（3）