材料熱處理原理及工藝

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)團隊第九章 鋼的熱處理原理及工藝第一節(jié) 熱處理基本概念第二節(jié) 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變第三節(jié) 鋼的轉(zhuǎn)變曲線、產(chǎn)物及性能第四節(jié) 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線的應(yīng)用第五節(jié) 鋼的退火和正火第六節(jié) 鋼的淬火與回火第七節(jié) 鋼的表面熱處理9.1 固態(tài)相變總論固態(tài)相變總論9.1.1 固態(tài)相變分類固態(tài)相變分類1. 按熱力學(xué)分類按熱力學(xué)分類 根據(jù)相變點的吉布斯自由焓函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)的連續(xù)情況可將根據(jù)相變點的吉布斯自由焓函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)的連續(xù)情況可將固態(tài)相變分為一級相變和二級相變。固態(tài)相變分為一級相變和二級相變。一級相變：一級相變：相變過程中新舊兩相自由焓相等，但自由焓的一階相

2、變過程中新舊兩相自由焓相等，但自由焓的一階偏導(dǎo)數(shù)不等，這種相變稱為一級相變。偏導(dǎo)數(shù)不等，這種相變稱為一級相變。二級相變：二級相變：相變過程中新舊兩相自由焓相等，自由焓的一階偏相變過程中新舊兩相自由焓相等，自由焓的一階偏導(dǎo)數(shù)也相等，但自由焓的二階偏導(dǎo)數(shù)不等，這種相變稱為二級導(dǎo)數(shù)也相等，但自由焓的二階偏導(dǎo)數(shù)不等，這種相變稱為二級相變。相變。 一級相變時，有潛熱的變化和體積的突變。大多數(shù)固態(tài)相一級相變時，有潛熱的變化和體積的突變。大多數(shù)固態(tài)相變屬于一級相變。變屬于一級相變。 二級相變時，無潛熱和體積的變化，但熱容、壓縮系數(shù)和二級相變時，無潛熱和體積的變化，但熱容、壓縮系數(shù)和膨脹系數(shù)要發(fā)生突變。磁性轉(zhuǎn)

3、變、超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變及一部分有序膨脹系數(shù)要發(fā)生突變。磁性轉(zhuǎn)變、超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變及一部分有序無序轉(zhuǎn)變?yōu)槎壪嘧?。無序轉(zhuǎn)變?yōu)槎壪嘧儭?一級相變符合相區(qū)接觸法則，相鄰相區(qū)的相數(shù)差一。對于一級相變符合相區(qū)接觸法則，相鄰相區(qū)的相數(shù)差一。對于二元相圖通常兩個單相區(qū)之間含有這兩個相組成的兩相區(qū)。對二元相圖通常兩個單相區(qū)之間含有這兩個相組成的兩相區(qū)。對于二級相變，兩個單相區(qū)僅以一條線分割。于二級相變，兩個單相區(qū)僅以一條線分割。n級相變級相變：相變過程中新舊兩相自由焓的第（：相變過程中新舊兩相自由焓的第（n-1）偏導(dǎo)數(shù)相等，）偏導(dǎo)數(shù)相等，而其而其n階偏導(dǎo)數(shù)不相等。階偏導(dǎo)數(shù)不相等。2. 按結(jié)構(gòu)變化分類按結(jié)構(gòu)變化分類按發(fā)生相

4、變時新相與母相在晶體結(jié)構(gòu)上的差異，可以將相按發(fā)生相變時新相與母相在晶體結(jié)構(gòu)上的差異，可以將相變分為變分為重構(gòu)型相變重構(gòu)型相變和和位移型相變位移型相變。 重構(gòu)型相變重構(gòu)型相變伴隨化學(xué)鍵的破壞，新鍵的形成，原子重伴隨化學(xué)鍵的破壞，新鍵的形成，原子重新排列，新相和母相在晶體學(xué)上沒有明確的位向關(guān)系。所新排列，新相和母相在晶體學(xué)上沒有明確的位向關(guān)系。所需要克服較高的能壘，相變潛熱很大，相變進行緩慢。需要克服較高的能壘，相變潛熱很大，相變進行緩慢。 高溫型石英高溫型石英高溫磷石英，高溫磷石英高溫磷石英，高溫磷石英高溫方石英，脫高溫方石英，脫溶分解，共析轉(zhuǎn)變?nèi)芊纸?，共析轉(zhuǎn)變 位移型相變位移型相變不需要破壞化

5、學(xué)鍵或改變其基本結(jié)構(gòu)，相不需要破壞化學(xué)鍵或改變其基本結(jié)構(gòu)，相變時所發(fā)生的原子位移很小，新相和母相之間存在一定的變時所發(fā)生的原子位移很小，新相和母相之間存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系。所需要克服的能壘很低，相變潛熱也很晶體學(xué)位向關(guān)系。所需要克服的能壘很低，相變潛熱也很小，轉(zhuǎn)變速度非常迅速。小，轉(zhuǎn)變速度非常迅速。 低溫型石英低溫型石英高溫型石英高溫型石英 ，SrTiO4發(fā)生的立方發(fā)生的立方四方轉(zhuǎn)四方轉(zhuǎn)變，馬氏體相變變，馬氏體相變 3. 按相變方式分類按相變方式分類 相變過程要經(jīng)歷漲落，根據(jù)漲落發(fā)生的范圍與程度的相變過程要經(jīng)歷漲落，根據(jù)漲落發(fā)生的范圍與程度的不同，不同，Gibbs將其分為兩類。一類是形核將

6、其分為兩類。一類是形核長大型相變，另長大型相變，另一類是連續(xù)型相變。一類是連續(xù)型相變。形核形核長大型相變：長大型相變：在很小的范圍內(nèi)，發(fā)生原子相當(dāng)激烈的在很小的范圍內(nèi)，發(fā)生原子相當(dāng)激烈的重排，生成了新相的核心，新相與母相之間產(chǎn)生了相界，靠重排，生成了新相的核心，新相與母相之間產(chǎn)生了相界，靠不斷的生核和晶核的長大實現(xiàn)相轉(zhuǎn)變叫形核不斷的生核和晶核的長大實現(xiàn)相轉(zhuǎn)變叫形核長大型相變。長大型相變。 脫溶分解、共析轉(zhuǎn)變等脫溶分解、共析轉(zhuǎn)變等連續(xù)型相變：連續(xù)型相變：若在很大范圍內(nèi)原子發(fā)生輕微的重排，相變的若在很大范圍內(nèi)原子發(fā)生輕微的重排，相變的起始狀態(tài)和最終狀態(tài)之間存在一系列連續(xù)狀態(tài)，不需形核，起始狀態(tài)和最

7、終狀態(tài)之間存在一系列連續(xù)狀態(tài)，不需形核，靠連線漲落形成新相，這種相變?yōu)檫B續(xù)型相變?？窟B線漲落形成新相，這種相變?yōu)檫B續(xù)型相變。 調(diào)幅分解調(diào)幅分解 按相變時是否獲得符合狀態(tài)圖的平衡組織可將固態(tài)相變分按相變時是否獲得符合狀態(tài)圖的平衡組織可將固態(tài)相變分為平衡轉(zhuǎn)變和非平衡轉(zhuǎn)變；為平衡轉(zhuǎn)變和非平衡轉(zhuǎn)變； 根據(jù)相變過程中有無原子的擴散可以將固態(tài)相變分為擴散根據(jù)相變過程中有無原子的擴散可以將固態(tài)相變分為擴散相變、半擴散相變和非擴散型相變。相變、半擴散相變和非擴散型相變。 按形核方式可將固態(tài)相變分為擴散形核和無擴散形核相變。按形核方式可將固態(tài)相變分為擴散形核和無擴散形核相變。 從相變的動力學(xué)機制出發(fā)，可以將相變

8、分為均勻轉(zhuǎn)變和非從相變的動力學(xué)機制出發(fā)，可以將相變分為均勻轉(zhuǎn)變和非均勻轉(zhuǎn)變。均勻轉(zhuǎn)變。 第一節(jié)第一節(jié) 熱處理基本概念熱處理基本概念 一、熱處理一、熱處理 所謂鋼的熱處理是指將鋼在固態(tài)下進所謂鋼的熱處理是指將鋼在固態(tài)下進行加熱、保溫和冷卻三個基本過程，以改變行加熱、保溫和冷卻三個基本過程，以改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得秘需性能的一鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得秘需性能的一種的加工工藝。種的加工工藝。 二、熱處理工藝分類變形熱處理真空熱處理控制氣氛熱處理其他熱處理碳氮共滲滲氮滲碳化學(xué)熱處理感應(yīng)加熱火焰加熱表面淬火表面熱處理回火淬火正火退火普通熱處理熱處理三、鋼的臨界溫度三、鋼的臨界溫度 第二節(jié)第二節(jié)

9、 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變一、奧氏體的形成過程一、奧氏體的形成過程（一）（一） 奧氏體晶核的形成奧氏體晶核的形成（二）（二） 奧氏體晶核的長大奧氏體晶核的長大 （三）（三） 殘余奧氏體的溶解殘余奧氏體的溶解（四）（四） 奧氏體的均勻化奧氏體的均勻化二、影響奧氏體形成速度的因素二、影響奧氏體形成速度的因素（一）溫度的影響（一）溫度的影響（二）鋼的成份的影響（二）鋼的成份的影響（三）（三） 原始組織的影響原始組織的影響 三、奧氏體晶粒的長大及其影響因素三、奧氏體晶粒的長大及其影響因素 （一）奧氏體晶粒度的概念（一）奧氏體晶粒度的概念 根據(jù)奧氏體形成過程和晶粒長大情況奧氏體晶粒度根據(jù)奧氏體形

10、成過程和晶粒長大情況奧氏體晶粒度可分為起始晶粒度、實際晶粒度和本質(zhì)晶粒度三種。可分為起始晶粒度、實際晶粒度和本質(zhì)晶粒度三種。 鋼的奧氏體晶粒長大傾向分為兩類：一類晶粒長大傾鋼的奧氏體晶粒長大傾向分為兩類：一類晶粒長大傾向大，稱為本質(zhì)粗晶粒鋼。一類晶粒長大傾向小，稱為本向大，稱為本質(zhì)粗晶粒鋼。一類晶粒長大傾向小，稱為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。質(zhì)細(xì)晶粒鋼。“本質(zhì)晶粒度本質(zhì)晶粒度” 是表示在規(guī)定的加熱條件是表示在規(guī)定的加熱條件下，奧氏體晶粒長大傾向性的高低。奧氏體的本質(zhì)晶粒度下，奧氏體晶粒長大傾向性的高低。奧氏體的本質(zhì)晶粒度的確定，通常是將鋼加熱到的確定，通常是將鋼加熱到93010，顯微放大，顯微放大100倍倍

11、與標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級圖進行比較。標(biāo)準(zhǔn)奧氏體晶粒度等級分與標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級圖進行比較。標(biāo)準(zhǔn)奧氏體晶粒度等級分為為8級，級，1級最粗，級最粗，8級最細(xì)。鋼的奧氏體晶粒度在級最細(xì)。鋼的奧氏體晶粒度在14級級的為本質(zhì)粗晶粒鋼，在的為本質(zhì)粗晶粒鋼，在58級的為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。級的為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。 在工業(yè)生產(chǎn)中，一般經(jīng)鋁脫氧的鋼大多是本質(zhì)細(xì)晶在工業(yè)生產(chǎn)中，一般經(jīng)鋁脫氧的鋼大多是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，而只用錳硅脫氧的鋼為本質(zhì)粗晶粒鋼；沸騰鋼一般粒鋼，而只用錳硅脫氧的鋼為本質(zhì)粗晶粒鋼；沸騰鋼一般都為本質(zhì)粗晶粒鋼，而鎮(zhèn)靜鋼一般為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。需經(jīng)都為本質(zhì)粗晶粒鋼，而鎮(zhèn)靜鋼一般為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。需經(jīng)熱處理的工件一般都采用本質(zhì)細(xì)晶粒

12、鋼。熱處理的工件一般都采用本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。（二）奧氏體晶粒長大及其影響因素（二）奧氏體晶粒長大及其影響因素奧氏體化溫度越高，晶粒長大越明顯。奧氏體化溫度越高，晶粒長大越明顯。鋼中奧氏體含碳量的增加，奧氏體晶粒的長大傾向鋼中奧氏體含碳量的增加，奧氏體晶粒的長大傾向也增大。也增大。鋼中加入合金元素，也影響奧氏體晶粒長大。一般鋼中加入合金元素，也影響奧氏體晶粒長大。一般認(rèn)為，凡是能形成穩(wěn)定碳化合物的元素（如鈦、認(rèn)為，凡是能形成穩(wěn)定碳化合物的元素（如鈦、釩、鉭、鈮、鋯、鎢、鉬、鉻），形成不溶于奧釩、鉭、鈮、鋯、鎢、鉬、鉻），形成不溶于奧氏體的氧化物及氮化物的元素（如鋁），促進石氏體的氧化物及氮化物的元素

13、（如鋁），促進石墨化的元素（如硅、鎳、鈷），以及在結(jié)構(gòu)上自墨化的元素（如硅、鎳、鈷），以及在結(jié)構(gòu)上自由存在的元素（如銅），都會阻礙奧氏體晶粒長由存在的元素（如銅），都會阻礙奧氏體晶粒長大。而錳、磷則有加速奧氏體晶粒長大的傾向。大。而錳、磷則有加速奧氏體晶粒長大的傾向。 第三節(jié)第三節(jié) 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及性能過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及性能一、珠光體類型組織轉(zhuǎn)變一、珠光體類型組織轉(zhuǎn)變 （一）珠光體組織形態(tài)與性能（一）珠光體組織形態(tài)與性能 片狀珠光體組織中，一對鐵素體與滲碳體片的總厚度，稱為珠光片狀珠光體組織中，一對鐵素體與滲碳體片的總厚度，稱為珠光體片間距。珠光體中層片狀的滲碳體，經(jīng)適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砗?，?/p>

14、呈球體片間距。珠光體中層片狀的滲碳體，經(jīng)適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砗?，可呈球狀分布在鐵素體基體上，稱為球狀（或粒狀珠光體），見圖所示。狀分布在鐵素體基體上，稱為球狀（或粒狀珠光體），見圖所示。 根據(jù)片間距的大小不同，珠光體類型的組織又可細(xì)分為：根據(jù)片間距的大小不同，珠光體類型的組織又可細(xì)分為： 1、珠光體、珠光體 形成溫度為形成溫度為A1650，片間距大約為，片間距大約為150400nm之間，一般在之間，一般在500倍以下的光學(xué)顯微鏡下才可倍以下的光學(xué)顯微鏡下才可分辨，用符號分辨，用符號“P”表示。表示。v 2、索氏體、索氏體 形成溫度為形成溫度為650600，片間距大約為，片間距大約為80150nm之間

15、，一般在之間，一般在8001000倍的光學(xué)顯微鏡下才倍的光學(xué)顯微鏡下才可分辨，用符號可分辨，用符號“S”表示。表示。v 3、托氏體、托氏體 形成溫度為形成溫度為600550，片間距大約為，片間距大約為3080nm之間，在光學(xué)顯微鏡下根本不能辨其層狀特征，之間，在光學(xué)顯微鏡下根本不能辨其層狀特征，只有在電子顯微鏡下才可以分辨，用符號只有在電子顯微鏡下才可以分辨，用符號“T”表示。表示。 珠光體類型組織的力學(xué)性能與其片間距的大小有直接的關(guān)珠光體類型組織的力學(xué)性能與其片間距的大小有直接的關(guān)系。圖為共析鋼珠光體的片間距與力學(xué)性能間的關(guān)系。系。圖為共析鋼珠光體的片間距與力學(xué)性能間的關(guān)系。 （二）珠光體類

16、型組織的轉(zhuǎn)變過程（二）珠光體類型組織的轉(zhuǎn)變過程 珠光體類型組織的轉(zhuǎn)變是一種擴散型轉(zhuǎn)變，即鐵原子和碳原子均珠光體類型組織的轉(zhuǎn)變是一種擴散型轉(zhuǎn)變，即鐵原子和碳原子均進行擴散；另外是晶格的重構(gòu)，由面心立方的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方進行擴散；另外是晶格的重構(gòu)，由面心立方的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方的鐵素體和復(fù)雜的晶格的滲碳體。其轉(zhuǎn)變也是一個形核和核長大的過的鐵素體和復(fù)雜的晶格的滲碳體。其轉(zhuǎn)變也是一個形核和核長大的過程。程。二、貝氏體類型組織轉(zhuǎn)變二、貝氏體類型組織轉(zhuǎn)變 （一）貝氏體的組織形態(tài)和性能（一）貝氏體的組織形態(tài)和性能 過冷奧氏體在過冷奧氏體在550Ms（馬氏體轉(zhuǎn)（馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度）溫度范圍內(nèi)，將轉(zhuǎn)變?yōu)樨?/p>

17、氏變開始溫度）溫度范圍內(nèi)，將轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w類型組織，貝氏體用符號體類型組織，貝氏體用符號“B”表示，最表示，最常見的貝氏體組織形態(tài)為上貝氏體常見的貝氏體組織形態(tài)為上貝氏體B上上和下和下貝氏體貝氏體B下下。 1、上貝氏體、上貝氏體 a) b)光學(xué)顯微鏡下的形態(tài) 800 電子顯微鏡下的形態(tài) 290000 2、下貝氏體、下貝氏體 a) b) 光學(xué)顯微鏡下的形貌 800 電子顯微鏡下的形貌 290000（二）貝氏體類型轉(zhuǎn)變過程（二）貝氏體類型轉(zhuǎn)變過程 發(fā)生貝氏體類型組織轉(zhuǎn)變時，首先在發(fā)生貝氏體類型組織轉(zhuǎn)變時，首先在過冷奧氏體中的貧碳區(qū)形成鐵素體晶核，過冷奧氏體中的貧碳區(qū)形成鐵素體晶核，其含碳量低于奧氏體

18、的平均含碳量，但仍其含碳量低于奧氏體的平均含碳量，但仍高于鐵素體的平均含碳量，是過飽和鐵素高于鐵素體的平均含碳量，是過飽和鐵素體。體。 當(dāng)溫度較高（當(dāng)溫度較高（550350）時，條狀或片狀鐵素體從）時，條狀或片狀鐵素體從奧氏體晶界開始向晶內(nèi)以同樣方向平行生長。隨著鐵素體奧氏體晶界開始向晶內(nèi)以同樣方向平行生長。隨著鐵素體的伸長和變寬，其中的碳原子向條間的奧氏體中富集，最的伸長和變寬，其中的碳原子向條間的奧氏體中富集，最后在鐵素體條之間析出滲碳體短棒，奧氏體消失，形成上后在鐵素體條之間析出滲碳體短棒，奧氏體消失，形成上貝氏體組織。貝氏體組織。 當(dāng)溫度較低（當(dāng)溫度較低（350Ms）時，碳原子擴散能力

19、低，鐵）時，碳原子擴散能力低，鐵素體在奧氏體的晶界或晶內(nèi)的某些晶面上長成針狀，盡管素體在奧氏體的晶界或晶內(nèi)的某些晶面上長成針狀，盡管最初形成最初形成 的鐵素體固溶碳原子較多，但碳原子核的遷移的鐵素體固溶碳原子較多，但碳原子核的遷移不能逾越鐵素體片的范圍，只有在鐵素體內(nèi)一定的晶面上不能逾越鐵素體片的范圍，只有在鐵素體內(nèi)一定的晶面上以斷續(xù)碳化物小片的形式析出，從而形成下貝氏體組織。以斷續(xù)碳化物小片的形式析出，從而形成下貝氏體組織。 三、馬氏體類型組織轉(zhuǎn)變?nèi)?、馬氏體類型組織轉(zhuǎn)變（一）馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)（一）馬氏體的晶體結(jié)構(gòu) 馬氏體是碳在馬氏體是碳在-Fe-Fe中過飽和固溶體，用符號中過飽和固溶體，用符

20、號“M”M”表示表示, ,馬氏體馬氏體具有體心正方晶格（具有體心正方晶格（a=bca=bc）。）。當(dāng)發(fā)生馬氏體組織轉(zhuǎn)變時，奧氏體中當(dāng)發(fā)生馬氏體組織轉(zhuǎn)變時，奧氏體中的碳全部保留在馬氏體中，軸比的碳全部保留在馬氏體中，軸比c/a稱為馬氏體的正方度，馬氏體含稱為馬氏體的正方度，馬氏體含碳量越高，其正方度越大，正方畸變也越嚴(yán)重。當(dāng)碳量越高，其正方度越大，正方畸變也越嚴(yán)重。當(dāng)c0.25%時，時，馬氏體正方度為馬氏體正方度為1，此時馬氏體具有體心立方晶格。，此時馬氏體具有體心立方晶格。 （二）馬氏體的組織形態(tài)特點（二）馬氏體的組織形態(tài)特點 馬氏體形態(tài)一類是板條狀馬氏體，另一類是片狀馬氏體形態(tài)。隨馬氏體形態(tài)

21、一類是板條狀馬氏體，另一類是片狀馬氏體形態(tài)。隨著鋼中高溫奧氏體含碳量的增加，淬火后組織中板條狀馬氏體逐漸減著鋼中高溫奧氏體含碳量的增加，淬火后組織中板條狀馬氏體逐漸減少，而片狀馬氏體逐漸增多，當(dāng)奧氏體少，而片狀馬氏體逐漸增多，當(dāng)奧氏體c1.0%的鋼淬火后，組織的鋼淬火后，組織中馬氏體形態(tài)幾乎完全是片狀的，當(dāng)奧氏體中馬氏體形態(tài)幾乎完全是片狀的，當(dāng)奧氏體c0.3%時，淬火組織時，淬火組織中馬氏體的形態(tài)幾乎全是板條狀的，當(dāng)奧氏體中的中馬氏體的形態(tài)幾乎全是板條狀的，當(dāng)奧氏體中的c在在0.3%1.0%時，淬火組織中馬氏體的形態(tài)是兩者都有的。時，淬火組織中馬氏體的形態(tài)是兩者都有的。 共析碳鋼1100淬火后

22、馬氏體組400片狀馬氏體在一個成份均勻的奧氏體晶粒內(nèi)，冷至稍低于在一個成份均勻的奧氏體晶粒內(nèi)，冷至稍低于MsMs點時，點時，先形成先形成 的第一片馬氏體將貫穿整個奧氏體晶粒而將晶粒分割為兩半，的第一片馬氏體將貫穿整個奧氏體晶粒而將晶粒分割為兩半，使以后形成的馬氏體大小受到限制。因此，片狀馬氏體的大小不一，使以后形成的馬氏體大小受到限制。因此，片狀馬氏體的大小不一，愈是后形成的馬氏體片愈小，片的大小幾乎完全取決于奧氏體的晶粒愈是后形成的馬氏體片愈小，片的大小幾乎完全取決于奧氏體的晶粒大小。用透射電子顯微鏡觀察表明，片狀馬氏體內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)主要是孿大小。用透射電子顯微鏡觀察表明，片狀馬氏體內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)主

23、要是孿晶，因此又叫孿晶型馬氏體。晶，因此又叫孿晶型馬氏體。 板條狀馬氏體板條狀馬氏體是低、中碳鋼形成是低、中碳鋼形成 的一種典型的馬氏體的一種典型的馬氏體組織。板條狀馬氏體的顯微組織是由許多成群的板條組成，故稱為板組織。板條狀馬氏體的顯微組織是由許多成群的板條組成，故稱為板條狀馬氏體。這種馬氏體是由若干個板條群組成的，每個板條群是由條狀馬氏體。這種馬氏體是由若干個板條群組成的，每個板條群是由若干個尺寸大致相同的板條組成。這些板條呈大致平等且方向一定的若干個尺寸大致相同的板條組成。這些板條呈大致平等且方向一定的排列，板條群之間具有較大的位向差。透射電鏡觀察表明，板條狀馬排列，板條群之間具有較大的

24、位向差。透射電鏡觀察表明，板條狀馬氏體內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)主要是高密度的位錯，因而又稱為位錯馬氏體。氏體內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)主要是高密度的位錯，因而又稱為位錯馬氏體。板條狀馬氏體 300 （三）馬氏體的力學(xué)性能（三）馬氏體的力學(xué)性能高碳片狀馬氏體的韌性和塑性均很差，脆性很大，其高碳片狀馬氏體的韌性和塑性均很差，脆性很大，其主要原因是：主要原因是：碳在馬氏體中過飽和程度大，其正碳在馬氏體中過飽和程度大，其正方度遠大于方度遠大于1，晶格畸變嚴(yán)重殘余應(yīng)力大；，晶格畸變嚴(yán)重殘余應(yīng)力大；片狀馬片狀馬氏體內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶。低碳板條狀馬氏體的氏體內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶。低碳板條狀馬氏體的韌性和塑性相當(dāng)好，其主要原因是：韌性和

25、塑性相當(dāng)好，其主要原因是：碳在馬氏體碳在馬氏體中過飽和程度小，其正方度中過飽和程度小，其正方度1，晶格畸，晶格畸 變輕微，殘變輕微，殘余應(yīng)力?。挥鄳?yīng)力?。话鍡l狀馬氏體內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)主要是位錯。板條狀馬氏體內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)主要是位錯。 （四）馬氏體組織轉(zhuǎn)變的特點（四）馬氏體組織轉(zhuǎn)變的特點1、無擴散性、無擴散性2、切變共格性、切變共格性3、不斷降溫的條件下形成、不斷降溫的條件下形成4、高速長大、高速長大5、馬氏體轉(zhuǎn)變的不完全性、馬氏體轉(zhuǎn)變的不完全性6、馬氏體轉(zhuǎn)變的可逆性、馬氏體轉(zhuǎn)變的可逆性珠光體貝氏體馬氏體轉(zhuǎn)變的異同點第四節(jié)第四節(jié) 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線圖過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線圖一、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖一、過冷

26、奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線，依據(jù)曲線過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線，依據(jù)曲線的形狀像字母的形狀像字母“C”稱為過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)稱為過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變變C曲線，簡稱曲線，簡稱C曲線；因為它綜合了溫度、曲線；因為它綜合了溫度、時間、轉(zhuǎn)變的變化，也稱為時間、轉(zhuǎn)變的變化，也稱為TTT曲線。曲線。 （一）共析碳鋼（一）共析碳鋼C曲線的建立曲線的建立 測定等溫轉(zhuǎn)變圖，可以采用金相法、膨脹測定等溫轉(zhuǎn)變圖，可以采用金相法、膨脹法、磁性法、電阻法和熱分析法等。所有這些法、磁性法、電阻法和熱分析法等。所有這些方法都是利用過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)方法都是利用過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)或物理性能發(fā)生變

27、化或物理性能發(fā)生變化 進行測定的。進行測定的。 在不同過冷度下奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲在不同過冷度下奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線。圖中轉(zhuǎn)變溫度線。圖中轉(zhuǎn)變溫度t1t2t3t4t5t6。由圖中。由圖中曲線可以看出，開始時轉(zhuǎn)變速度隨著轉(zhuǎn)變溫度曲線可以看出，開始時轉(zhuǎn)變速度隨著轉(zhuǎn)變溫度的降低而逐漸增大，但當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度低于的降低而逐漸增大，但當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度低于t4以后，以后，轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變 速度速度 又逐漸減小，若將曲線的轉(zhuǎn)變開始時又逐漸減小，若將曲線的轉(zhuǎn)變開始時間（圖中的各間（圖中的各a點）和終了時間（圖中點）和終了時間（圖中b點），點），標(biāo)記到一個以轉(zhuǎn)變標(biāo)記到一個以轉(zhuǎn)變 溫度溫度-時間為坐標(biāo)的圖上。連時間為坐標(biāo)的圖上

28、。連接各轉(zhuǎn)變開始點和終了點，便函可得到接各轉(zhuǎn)變開始點和終了點，便函可得到C曲線。曲線。（二）影響（二）影響C C曲線的因素曲線的因素1 1、含碳量的影響、含碳量的影響 在正常加熱條件下，亞在正常加熱條件下，亞共析鋼的共析鋼的C C曲線隨含碳量的增加而向右移，曲線隨含碳量的增加而向右移，過共析鋼的過共析鋼的C C曲線則隨含碳量的增加而向左曲線則隨含碳量的增加而向左移。故在碳鋼中以共析網(wǎng)的過冷奧氏體最移。故在碳鋼中以共析網(wǎng)的過冷奧氏體最為穩(wěn)定。為穩(wěn)定。 v2、合金元素的影響、合金元素的影響 除鈷以外，所有溶于除鈷以外，所有溶于奧氏體的合金元素都增加過冷奧氏體的穩(wěn)奧氏體的合金元素都增加過冷奧氏體的穩(wěn)

29、定性推遲轉(zhuǎn)變及降低轉(zhuǎn)變速度，使定性推遲轉(zhuǎn)變及降低轉(zhuǎn)變速度，使C曲線右曲線右移。碳化物形成元素含量較多時，移。碳化物形成元素含量較多時，C曲線的曲線的形狀將發(fā)生變化，甚至整個形狀將發(fā)生變化，甚至整個C曲線在鼻尖處曲線在鼻尖處分開，形成上下兩個分開，形成上下兩個C曲線，如圖所示。曲線，如圖所示。3、原始組織的影響、原始組織的影響加熱溫度和保溫時間加熱溫度和保溫時間的影響的影響 工業(yè)用鋼在相同加熱條件下，原工業(yè)用鋼在相同加熱條件下，原始組織愈細(xì)，愈容易得到較均勻的奧氏體，始組織愈細(xì)，愈容易得到較均勻的奧氏體，使等溫轉(zhuǎn)變曲線右移，使等溫轉(zhuǎn)變曲線右移，Ms點降低，當(dāng)原始點降低，當(dāng)原始組織相同時，提高奧氏

30、體化溫度或延長奧組織相同時，提高奧氏體化溫度或延長奧氏體化時間，奧氏體的成份趨于均勻化，氏體化時間，奧氏體的成份趨于均勻化，未溶碳化物數(shù)量減少，晶粒長大晶界面積未溶碳化物數(shù)量減少，晶粒長大晶界面積減少，結(jié)果降低了過冷轉(zhuǎn)變的形核率和長減少，結(jié)果降低了過冷轉(zhuǎn)變的形核率和長大速度，使過冷奧氏體的穩(wěn)定性增加，導(dǎo)大速度，使過冷奧氏體的穩(wěn)定性增加，導(dǎo)致致C曲線右移。曲線右移。二、過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖二、過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖（一）過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的建立（一）過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的建立 通常用膨脹法、金相法、和熱分析法通常用膨脹法、金相法、和熱分析法測定過冷奧氏體的連續(xù)冷卻曲線。利用快

31、測定過冷奧氏體的連續(xù)冷卻曲線。利用快速膨脹儀可將試樣真空感應(yīng)加熱到奧氏體速膨脹儀可將試樣真空感應(yīng)加熱到奧氏體狀態(tài)，程序控制冷卻速度，并能方便地從狀態(tài)，程序控制冷卻速度，并能方便地從不同冷卻速度的膨脹曲線上確定轉(zhuǎn)變開始不同冷卻速度的膨脹曲線上確定轉(zhuǎn)變開始點（轉(zhuǎn)變量為點（轉(zhuǎn)變量為1%）、轉(zhuǎn)變終了點（轉(zhuǎn)變量）、轉(zhuǎn)變終了點（轉(zhuǎn)變量為為99%）所對應(yīng)的溫度和時間，將試驗測）所對應(yīng)的溫度和時間，將試驗測得的數(shù)據(jù)標(biāo)在溫度得的數(shù)據(jù)標(biāo)在溫度-時間對數(shù)坐標(biāo)中，連接時間對數(shù)坐標(biāo)中，連接相同意義的點便得到過冷奧氏體連續(xù)冷卻相同意義的點便得到過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。轉(zhuǎn)變曲線。 （二）連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線分析（二）連續(xù)冷

32、卻轉(zhuǎn)變曲線分析 共析鋼共析鋼CCT曲線最為簡單，只有珠光體曲線最為簡單，只有珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)和馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，說明共析鋼連續(xù)冷轉(zhuǎn)變區(qū)和馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，說明共析鋼連續(xù)冷卻時沒有貝氏體形成。卻時沒有貝氏體形成。CCT曲線位于曲線位于TTT曲曲線的右下方。線的右下方。Ps、Pz線分別為線分別為P轉(zhuǎn)變開始線、轉(zhuǎn)變開始線、終止線。凡冷卻曲線碰到終止線。凡冷卻曲線碰到K線過冷奧氏體就線過冷奧氏體就不再發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，而一直保持到不再發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，而一直保持到Ms點以點以下才轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。下才轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。第五節(jié)第五節(jié) 鋼的退火和正火鋼的退火和正火一、退火定義、目的、工藝及應(yīng)用一、退火定義、目的、工藝及應(yīng)用1、均

33、勻化退火、均勻化退火 均勻化退火又稱擴散退火。將金屬鑄錠、鑄件或鍛坯，均勻化退火又稱擴散退火。將金屬鑄錠、鑄件或鍛坯，在略低于固相線的溫度下長期加熱，消除或減少化學(xué)成份偏析及顯微在略低于固相線的溫度下長期加熱，消除或減少化學(xué)成份偏析及顯微組織（枝晶）的不均勻性，以達到均勻化目的的熱處理工藝組織（枝晶）的不均勻性，以達到均勻化目的的熱處理工藝2、完全退火和等溫退火、完全退火和等溫退火 完全退火又稱重結(jié)晶退火，一般簡稱為退火。完全退火又稱重結(jié)晶退火，一般簡稱為退火。這種退火主要用于亞共析的碳鋼和合金鋼的鑄、鍛件及熱軋型材，有這種退火主要用于亞共析的碳鋼和合金鋼的鑄、鍛件及熱軋型材，有時也用于焊接結(jié)

34、構(gòu)。一般常作為一些重要工件的最終熱處理或作為某時也用于焊接結(jié)構(gòu)。一般常作為一些重要工件的最終熱處理或作為某些重要件的預(yù)先熱處理。些重要件的預(yù)先熱處理。3、不完全退火、不完全退火 將鋼件加熱至將鋼件加熱至Ac1和和Ac3之間，經(jīng)保溫并緩慢冷卻，以之間，經(jīng)保溫并緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。獲得接近平衡組織的熱處理工藝。4、球化退火、球化退火 球化退火是使鋼中碳化物球化，獲得粒狀珠光體的一種熱球化退火是使鋼中碳化物球化，獲得粒狀珠光體的一種熱處理的工藝。主要用于共析鋼、過共析鋼、合金工具鋼。其目的是降處理的工藝。主要用于共析鋼、過共析鋼、合金工具鋼。其目的是降低硬度、均勻組織、改善切削

35、加工性，并為淬火組織準(zhǔn)備。低硬度、均勻組織、改善切削加工性，并為淬火組織準(zhǔn)備。5、去應(yīng)力退火、去應(yīng)力退火 將鋼件加熱將鋼件加熱Ac1以下某一溫度保溫后緩冷，以去除由于以下某一溫度保溫后緩冷，以去除由于形變加工，鍛造、焊接等所引起的有鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力而進行的形變加工，鍛造、焊接等所引起的有鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力而進行的退火。退火。二、正火定義、目的、工藝及應(yīng)用二、正火定義、目的、工藝及應(yīng)用1、對低碳鋼的正火，改善鋼的切削加工性能、對低碳鋼的正火，改善鋼的切削加工性能 2、對中碳鋼的正火，提高力學(xué)性能作為最終、對中碳鋼的正火，提高力學(xué)性能作為最終熱處理工藝。熱處理工藝。3、對高碳鋼的正火，消除網(wǎng)

36、狀碳化物以便于、對高碳鋼的正火，消除網(wǎng)狀碳化物以便于球化退火球化退火第六節(jié)第六節(jié) 鋼的淬火鋼的淬火一、淬火的定義和目的一、淬火的定義和目的二、淬火溫度的選擇二、淬火溫度的選擇三、淬火介質(zhì)三、淬火介質(zhì)四、常用的淬火方法四、常用的淬火方法（一）單介質(zhì)淬火法（一）單介質(zhì)淬火法（二）雙介質(zhì)淬火法（二）雙介質(zhì)淬火法（三）分級淬火法（三）分級淬火法（四）等溫淬火（四）等溫淬火（五）冷處理（五）冷處理五、幾種淬火新工藝的發(fā)展及應(yīng)用五、幾種淬火新工藝的發(fā)展及應(yīng)用（一）循環(huán)快速加熱淬火（一）循環(huán)快速加熱淬火（二）高溫淬火（二）高溫淬火（三）高碳鋼低溫、快速、短時加熱淬火（三）高碳鋼低溫、快速、短時加熱淬火（四）

37、亞共析鋼的亞溫淬火（四）亞共析鋼的亞溫淬火六、淬火缺陷六、淬火缺陷（一）淬火變形、開裂（一）淬火變形、開裂（二）硬度不足（二）硬度不足（三）軟點（三）軟點（四）組織缺陷（四）組織缺陷第七節(jié)第七節(jié) 鋼的淬透性鋼的淬透性一、定義一、定義 所謂鋼的淬透性是指奧氏體化后的鋼在淬火時獲得馬氏體的能力，所謂鋼的淬透性是指奧氏體化后的鋼在淬火時獲得馬氏體的能力，其大小用鋼在一定條件下淬火獲得的有效淬硬深度表示。一般規(guī)定：其大小用鋼在一定條件下淬火獲得的有效淬硬深度表示。一般規(guī)定：由鋼的表面至內(nèi)部馬氏體組織占由鋼的表面至內(nèi)部馬氏體組織占50%處的距離為有效淬硬深度。處的距離為有效淬硬深度。二、淬透性的測定及表

38、示方法二、淬透性的測定及表示方法 測定鋼的淬透性最常用的方法是末端淬火法（又稱頂端淬火法，測定鋼的淬透性最常用的方法是末端淬火法（又稱頂端淬火法，簡稱端淬法）。此法通常用于測定優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼的淬簡稱端淬法）。此法通常用于測定優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼的淬透性，也可用于測定彈簧鋼、軸承鋼、工具鋼的淬透性。透性，也可用于測定彈簧鋼、軸承鋼、工具鋼的淬透性。三、淬透性的實際意義三、淬透性的實際意義（一）根據(jù)端淬曲線合理選用鋼材，以滿足心部硬度的要求（一）根據(jù)端淬曲線合理選用鋼材，以滿足心部硬度的要求（二）預(yù)測材料的組織和硬度（二）預(yù)測材料的組織和硬度（三）根據(jù)端淬試驗曲線，確定熱處理工藝

39、（三）根據(jù)端淬試驗曲線，確定熱處理工藝 第八節(jié)第八節(jié) 鋼的回火鋼的回火一、回火的目的一、回火的目的 （1）降低脆性，減少或消除內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形降低脆性，減少或消除內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形或開裂?；蜷_裂。 （2）獲得工藝所要求的力學(xué)性能。淬火工件的硬度獲得工藝所要求的力學(xué)性能。淬火工件的硬度高且脆性大，通過適當(dāng)回火可調(diào)整硬度獲得所需要的塑性、高且脆性大，通過適當(dāng)回火可調(diào)整硬度獲得所需要的塑性、韌性。韌性。 （3）穩(wěn)定工件尺寸。淬火馬氏體和殘余奧氏體都是穩(wěn)定工件尺寸。淬火馬氏體和殘余奧氏體都是非平衡組織，它們會自發(fā)地向穩(wěn)定的平衡組織非平衡組織，它們會自發(fā)地向穩(wěn)定的平衡組織-鐵素體和鐵素體和滲碳體轉(zhuǎn)

40、變，從而引起工件在使用過程中不發(fā)生尺寸和形滲碳體轉(zhuǎn)變，從而引起工件在使用過程中不發(fā)生尺寸和形狀的變化。狀的變化。 （4）對于某些高淬透性的合金鋼，空冷便可淬成馬對于某些高淬透性的合金鋼，空冷便可淬成馬氏體，如采用退火軟化，則周期很長。此時可采用高溫回氏體，如采用退火軟化，則周期很長。此時可采用高溫回火，使碳化物聚集長大，降低硬度，以利切削加工，同時火，使碳化物聚集長大，降低硬度，以利切削加工，同時可縮短軟化周期?？煽s短軟化周期。 二、淬火鋼在回火時的轉(zhuǎn)變二、淬火鋼在回火時的轉(zhuǎn)變1、馬氏體的分解、馬氏體的分解2、殘余奧氏體的分解、殘余奧氏體的分解3、碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟镛D(zhuǎn)變?yōu)镕e3C4、滲碳體的聚

41、集長大及、滲碳體的聚集長大及相再結(jié)晶相再結(jié)晶三、回火的種類三、回火的種類（一）低溫回火（一）低溫回火 低溫回火的溫度為低溫回火的溫度為150250，回火后的組織為回火馬氏體。，回火后的組織為回火馬氏體。（二）中溫回火（二）中溫回火 中溫回火的溫度為中溫回火的溫度為350500，回火后的組織為回火托氏體。，回火后的組織為回火托氏體。（三）高溫回火（三）高溫回火 高溫回火的溫度為高溫回火的溫度為500650?；鼗鸷蟮慕M織為回火索氏體?；鼗鸷蟮慕M織為回火索氏體。四、回火脆性 淬火鋼在淬火鋼在250350回火時出現(xiàn)的脆性稱為第一類回火時出現(xiàn)的脆性稱為第一類回火脆性，也稱低溫回火脆性。幾乎所有淬火后形成

42、馬氏回火脆性，也稱低溫回火脆性。幾乎所有淬火后形成馬氏體的鋼在該溫度范圍內(nèi)回火時，都不同程度產(chǎn)生這種脆性。體的鋼在該溫度范圍內(nèi)回火時，都不同程度產(chǎn)生這種脆性。目前尚無有效辦法完全消除這種回火脆性，所以一般都不目前尚無有效辦法完全消除這種回火脆性，所以一般都不在在250350范圍內(nèi)回火。范圍內(nèi)回火。 淬火鋼在淬火鋼在450650范圍內(nèi)回火后出現(xiàn)的脆性稱為第范圍內(nèi)回火后出現(xiàn)的脆性稱為第二類回火脆性，又稱高溫回火脆性。這類回火脆性主要發(fā)二類回火脆性，又稱高溫回火脆性。這類回火脆性主要發(fā)生在含生在含Cr、Ni、Si、Mn等合金元素的合金結(jié)構(gòu)鋼中，當(dāng)?shù)群辖鹪氐暮辖鸾Y(jié)構(gòu)鋼中，當(dāng)淬火后在上述溫度范圍內(nèi)長時間保溫或以緩慢的速度淬火后在上述溫度范圍內(nèi)長時間保溫或以緩慢的速度 冷冷卻時，便發(fā)生明顯的脆化現(xiàn)象。但快速冷卻時，脆化現(xiàn)象卻時，便發(fā)生明顯的脆化現(xiàn)象。但快速冷卻時，脆化現(xiàn)象消失或受到抑制。消失或受到抑制。第九節(jié)第九節(jié) 鋼的表面淬火鋼的表面淬火一、感應(yīng)加熱表面淬火一、感應(yīng)加熱表面淬火（一）感應(yīng)加熱的原理及工藝（一）感應(yīng)加熱的原理及工藝（二）感應(yīng)加熱的特點（二）感應(yīng)加熱的特點二、