第三章1)鋼的熱處理——加熱和冷卻的組織變化

1、1 第第3 3章章 鋼的熱處理3.1 鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變3.2 鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變3.3 鋼的普通熱處理3.4 鋼的表面熱處理2熱處理是指將鋼在固態(tài)下加熱到預(yù)定的溫度，保溫一段時(shí)間，然后以預(yù)定的方式冷卻到室溫，來(lái)改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以獲得所需性能的一種熱加工工藝。特點(diǎn)：改變鋼的內(nèi)部組織，而不改變其形狀和尺寸。分類：普通熱處理（退火、正 火、淬火、回火）； 表面熱處理（表面淬火、化學(xué)熱處理）； 其他熱處理加熱冷卻保溫過(guò)程：過(guò)程：33.1 鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變4A1、A3、AcmAc1、Ac3、AccmAr1、Ar3、Arcm兩種加熱：1.臨界溫度線以下的加熱；2.臨界線以

2、上的加熱。5F FFe3CFe3C未未溶溶Fe3C未未溶溶Fe3CA A殘殘余余Fe3C殘殘余余Fe3CA AAA AA形形核核A長(zhǎng)長(zhǎng)大大殘殘余余Fe3C溶溶解解A 均均勻勻化化3.1.1 奧氏體化過(guò)程：奧氏體晶核長(zhǎng)大奧氏體晶核形成殘余滲碳體溶解奧氏體成分均勻化6 加熱時(shí)由鐵素體+滲碳體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的過(guò)程。 涉及晶格改組和Fe、C原子的擴(kuò)散過(guò)程。 遵循形核、長(zhǎng)大規(guī)律。2共析鋼奧氏體化溫度共析鋼奧氏體化溫度 Ac1溫度。 1）、共析鋼的奧氏體化）、共析鋼的奧氏體化1奧氏體化奧氏體化7a. 形核：優(yōu)先在相界形核：優(yōu)先在相界F，F(xiàn)e3Cb. 長(zhǎng)大：長(zhǎng)大：c. 滲碳體完全溶解：滲碳體完全溶解：d. 碳

3、的均勻化：碳的均勻化：3共析鋼奧氏體化過(guò)程共析鋼奧氏體化過(guò)程F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69) A (Fcc, 0.77)示意82）、亞）、亞(過(guò)過(guò))析鋼的奧氏體化析鋼的奧氏體化亞析鋼亞析鋼過(guò)析鋼過(guò)析鋼P(yáng) + F AP+ Fe3C AAc1Ac3Ac1Accm93.1.2、奧氏體晶粒大小及控制、奧氏體晶粒大小及控制 表征晶體內(nèi)晶粒大小的量度，通常用長(zhǎng)度、面積、體積或晶粒度級(jí)別表示。1晶粒度晶粒度102起始晶粒度、實(shí)際晶粒度、本質(zhì)晶粒度起始晶粒度、實(shí)際晶粒度、本質(zhì)晶粒度 本質(zhì)晶粒度本質(zhì)晶粒度：鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向。 奧氏體晶粒隨溫度的升高而迅速長(zhǎng)大本質(zhì)粗晶鋼 奧氏體晶粒隨溫度升高

4、到某一溫度時(shí)，才迅速長(zhǎng)大本質(zhì)細(xì)晶鋼 （見(jiàn)下圖） 起始晶粒度起始晶粒度：P A結(jié)束時(shí)的晶粒度； 實(shí)際晶粒度實(shí)際晶粒度：鋼在某一具體處理過(guò)程中所得奧氏體晶粒的大?。?1本質(zhì)細(xì)晶粒和本質(zhì)粗晶粒（示意圖）本質(zhì)細(xì)晶粒和本質(zhì)粗晶粒（示意圖）123、影響奧氏體化的因素、影響奧氏體化的因素a加熱溫度加熱溫度 TA化速度 (因?yàn)檫^(guò)熱度、D、形核孕育期 ）V 轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度，轉(zhuǎn)變時(shí)間；V ，轉(zhuǎn)變時(shí)間 ，接近平衡轉(zhuǎn)變b加熱速度加熱速度13c含碳量含碳量 C% Fe3C / Fe3C界面多形核核心多轉(zhuǎn)變快d合金元素合金元素 a. Cr、Mo、W、 Mn 、V、Nb、Ti強(qiáng)碳化物形成元素，形成碳化物，阻礙碳擴(kuò)散， 奧氏體

5、形成速度 ； b. Co、Ni非碳化物形成元素，奧氏形成速度； c. Al、Si影響不太。e原始組織原始組織 片狀，片間距小相界面多碳彌散度大碳原子擴(kuò)散距離短奧氏體形核長(zhǎng)大快 ； 片狀 粒狀。144奧氏體晶粒度的控制奧氏體晶粒度的控制a. 加熱工藝加熱工藝 合理的加熱溫度（見(jiàn)下圖）與保溫時(shí)間。b. 鋼的成分鋼的成分合金化合金化 i. A中C%晶粒 ii. 合金元素% 晶粒 碳化物形成元素碳化物形成元素：形成穩(wěn)定碳化物阻礙擴(kuò)散，細(xì)化晶粒； Al：形成氧或氮化合物于晶界，使形核率 且C擴(kuò)散受阻本質(zhì)細(xì)晶鋼； Mn 、P等等：促進(jìn)長(zhǎng)大。15161.1.奧氏體晶粒均勻細(xì)小奧氏體晶粒均勻細(xì)小, ,熱熱處理

6、后鋼的力學(xué)性能提高。處理后鋼的力學(xué)性能提高。2.2.粗大的奧氏體晶粒在淬火時(shí)粗大的奧氏體晶粒在淬火時(shí)容易引起工件產(chǎn)生較大的變形容易引起工件產(chǎn)生較大的變形甚至開(kāi)裂。甚至開(kāi)裂。奧氏體晶粒大小對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響奧氏體晶粒大小對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響173.1.3、鋼在加熱時(shí)常見(jiàn)的缺陷及防止措施、鋼在加熱時(shí)常見(jiàn)的缺陷及防止措施1常見(jiàn)缺陷常見(jiàn)缺陷氧化；脫碳；過(guò)熱；過(guò)燒2防止措施防止措施在真空中加熱；可控氣氛加熱；鹽浴加熱；183.2 鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變1 連續(xù)處理 2 等溫處理 19A1、A3、AcmAc1、Ac3、AccmAr1、Ar3、Arcm20共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖（共析鋼等溫轉(zhuǎn)變

7、圖（C曲線）曲線）（a）不同等溫下的等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線（b）等溫轉(zhuǎn)變圖（C曲線）一、過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變一、過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變1共析鋼過(guò)冷共析鋼過(guò)冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線等溫轉(zhuǎn)變曲線（TTT圖、C曲線）獲得獲得：冷卻到一定溫度，保溫，測(cè)量A過(guò)冷轉(zhuǎn)變開(kāi)始和終了時(shí)間T - timeT - temperatureT - transformationC - Shape21共共析析碳碳鋼鋼TTT 曲曲線線建建立立過(guò)過(guò)程程示示意意圖圖時(shí)時(shí)間間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫溫度度()0400時(shí)時(shí)間間(s)3001021031041010800-10010020

8、0500600700溫溫度度()04003001021031041010800-100100200500600700溫溫度度()04001021031041010800-100100200500600700溫溫度度()0400800-100100200500600700溫溫度度()0400A122特點(diǎn)：特點(diǎn)：i. A1（727度）以上：A穩(wěn)定ii. A1 （727度）以下：過(guò)冷A不穩(wěn)定，iii. C曲線有一最小孕育期（550度）： 1：T，AP的驅(qū)動(dòng)力提高 2：TDiiii. 轉(zhuǎn)變開(kāi)始線與轉(zhuǎn)變終了線23穩(wěn)定的奧氏體區(qū)穩(wěn)定的奧氏體區(qū)過(guò)冷奧氏體區(qū)過(guò)冷奧氏體區(qū)A向產(chǎn)向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變開(kāi)始線物轉(zhuǎn)變開(kāi)始線A向產(chǎn)

9、物向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變終止線轉(zhuǎn)變終止線 A +產(chǎn)產(chǎn) 物物 區(qū)區(qū)產(chǎn)物區(qū)產(chǎn)物區(qū)230 - 50; 低溫轉(zhuǎn)低溫轉(zhuǎn)變區(qū)變區(qū); 非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變;馬氏體馬氏體 ( M ) 轉(zhuǎn)變區(qū)。轉(zhuǎn)變區(qū)。時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度()0400A1MsMf550230;中溫轉(zhuǎn)變中溫轉(zhuǎn)變區(qū)區(qū); 半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變; 貝氏體貝氏體( B ) 轉(zhuǎn)變區(qū)轉(zhuǎn)變區(qū);A1550;高溫轉(zhuǎn)變區(qū)高溫轉(zhuǎn)變區(qū);擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變; P 轉(zhuǎn)變區(qū)。轉(zhuǎn)變區(qū)。 A +產(chǎn)產(chǎn) 2共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和特征共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和特征24A1鼻子溫度（鼻子溫度（55

10、0）A過(guò)冷過(guò)冷P（S，T）索氏體，屈氏體。）索氏體，屈氏體。 P的形成取決于形核、長(zhǎng)大速率。的形成取決于形核、長(zhǎng)大速率。 T，形核，長(zhǎng)大。 T600，D，長(zhǎng)大慢 層間距薄、短 擴(kuò)散型相變，綜合性能好擴(kuò)散型相變，綜合性能好。 HB較低，韌性好。 THB，強(qiáng)度（1）高溫轉(zhuǎn)變區(qū)）高溫轉(zhuǎn)變區(qū) P S T25A1650 : P ; 525HRC; 片間距為片間距為0.60.7m ( 500 )。650600 : 細(xì)片狀細(xì)片狀P-索氏體索氏體(S); 片間距為片間距為0.20.4m (1000);2536HRC。600550:極細(xì)片極細(xì)片狀狀P-屈氏體屈氏體(T); 片間片間距為距為0.2m ( 電鏡電鏡

11、 );3540HRC。26珠珠 光光 體體 形形 貌貌 像像光鏡下形貌光鏡下形貌電鏡下形貌電鏡下形貌27光鏡形貌電鏡形貌 索索 氏氏 體體 形形 貌貌 像像28 屈屈 氏氏 體體 形形 貌貌 像像電鏡形貌光鏡形貌29（2）中溫區(qū)轉(zhuǎn)變）中溫區(qū)轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變 550230 （Ms）A過(guò)冷過(guò)冷B，碳化物分布在含過(guò)飽和碳的，碳化物分布在含過(guò)飽和碳的F基體上的兩相機(jī)械混合物?；w上的兩相機(jī)械混合物。550350上貝氏體上貝氏體半擴(kuò)散型，半擴(kuò)散型，F(xiàn)e不擴(kuò)散不擴(kuò)散羽毛狀羽毛狀（見(jiàn)下圖）（見(jiàn)下圖）碳化物在碳化物在F間，韌性差間，韌性差350Ms 下貝氏體下貝氏體 C原子有一定原子有一定的擴(kuò)散能力的

12、擴(kuò)散能力 針狀針狀 （見(jiàn)下圖）（見(jiàn)下圖）碳化物在碳化物在F內(nèi)，韌性高，內(nèi)，韌性高，綜合機(jī)械性能好綜合機(jī)械性能好 B上B下30B上上 =過(guò)飽和碳過(guò)飽和碳 -Fe條狀條狀+ Fe3C細(xì)條狀細(xì)條狀過(guò)飽和碳過(guò)飽和碳-Fe條狀條狀 Fe3C細(xì)條狀細(xì)條狀羽毛狀羽毛狀B下下 =過(guò)飽和碳過(guò)飽和碳 -Fe針葉狀針葉狀 + Fe3C細(xì)片狀細(xì)片狀過(guò)飽和碳過(guò)飽和碳 -Fe針葉狀針葉狀Fe3C細(xì)片狀細(xì)片狀針葉狀針葉狀31上貝氏體組織金相圖上貝氏體組織金相圖下貝氏體組織金相圖下貝氏體組織金相圖32轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：轉(zhuǎn)變產(chǎn)物： 馬氏體M，碳在-Fe中的過(guò)飽和固溶體。 使-Fe 晶格發(fā)生變化。b. 實(shí)實(shí) 質(zhì)：質(zhì)： T低C無(wú)法擴(kuò)散非擴(kuò)

13、散性晶格切變(見(jiàn)下圖)過(guò)飽和C的鐵素體。（3）低溫區(qū)轉(zhuǎn)變）低溫區(qū)轉(zhuǎn)變 馬氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體轉(zhuǎn)變，MSMf之間一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)冷卻完成的，之間一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)冷卻完成的，屬于非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。屬于非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。 A過(guò)冷過(guò)冷M+A殘余殘余33 由于碳的過(guò)飽和作用由于碳的過(guò)飽和作用, ,使使FeFe晶格由晶格由體心立方體心立方變成體心正方晶格。變成體心正方晶格。34奧氏體含碳量對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響奧氏體含碳量對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響6007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.0 1.21.4 1.61.82.00溫度Wc 100600700500300400

14、2001000-100-2000.20.40.60.81.0 1.21.4 1.61.82.006007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.0 1.21.4 1.61.82.00溫度Wc 100MsMsMfMf35奧氏體含碳量對(duì)殘余奧氏體數(shù)量的影響奧氏體含碳量對(duì)殘余奧氏體數(shù)量的影響90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7Wc 100殘余奧氏體量( % )90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.1 1.2 1.3 1.4 1.5

15、 1.6 1.7Wc 100殘余奧氏體量90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7Wc 100殘余奧氏體量( % )36d. M的組織形態(tài)的組織形態(tài)板條狀板條狀 - 低碳馬氏體低碳馬氏體(0.23%C ); 3050HRC ; = 917%。C%1.0%，針，針/片狀馬氏體片狀馬氏體M針針37針、片狀針、片狀 - 高碳馬氏體高碳馬氏體(1.0%C); 66HRC左右左右 ; 1%。 高碳針片狀馬氏體組織金相圖高碳針片狀馬氏體組織金相圖38e. M的性能的性能馬氏體的碳濃度 Wc 100507040602030

16、100.10.30.20.400.5 0.6 0.7 0.80.9 1.0硬度 ( HRC ) 2000抗拉強(qiáng)度b ( Mpa ) 1800 1400 1000 600 200主要取決于馬氏體中的碳濃度。主要取決于馬氏體中的碳濃度。39M轉(zhuǎn)變的特征：轉(zhuǎn)變的特征： 無(wú)擴(kuò)散性； 瞬時(shí)性； 存在Ms,Mf； 不完全性； 體積膨脹。403共析鋼等溫轉(zhuǎn)變組織共析鋼等溫轉(zhuǎn)變組織性能的關(guān)系性能的關(guān)系 轉(zhuǎn)變溫度降低，片間距小，細(xì)晶強(qiáng)化強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性提高。 B上（羽毛狀）：強(qiáng)度、韌性差； B下（針狀） ：硬度高，韌性好，具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。 硬度高C%HRC 針/片狀馬氏體（高C% ），硬而脆，塑、

17、韌性差； 板條狀（低C% ） ，強(qiáng)度高，塑性、韌性好。（1）珠光體型）珠光體型（2）貝氏體）貝氏體（3）馬氏體）馬氏體414亞（過(guò)）共析鋼的等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線亞（過(guò)）共析鋼的等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線在C曲線左端多一條曲線。 亞：先析出F， 過(guò)：先析出Fe3C碳含量對(duì)碳鋼C曲線的影響42二、影響二、影響C曲線的因素曲線的因素 C曲線反映奧氏體的穩(wěn)定性及分解轉(zhuǎn)變特性，這些取決于奧氏體的化曲線反映奧氏體的穩(wěn)定性及分解轉(zhuǎn)變特性，這些取決于奧氏體的化學(xué)成分和加熱時(shí)的狀態(tài)。學(xué)成分和加熱時(shí)的狀態(tài)。 C曲線的形狀位置，不僅對(duì)過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變速度和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的性曲線的形狀位置，不僅對(duì)過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變速度和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的性能

18、具有重要意義，而且對(duì)鋼的熱處理工藝也有指導(dǎo)性作用。能具有重要意義，而且對(duì)鋼的熱處理工藝也有指導(dǎo)性作用。 A中中C%C曲線右移曲線右移. 對(duì)亞共析鋼對(duì)亞共析鋼：鋼中：鋼中C%，A中中C%C曲線右移曲線右移 對(duì)過(guò)共析鋼對(duì)過(guò)共析鋼：一般在：一般在AC1以上以上A化，鋼中化，鋼中C%，未溶，未溶Fe3C 有利于形核有利于形核C曲線左移；曲線左移； 當(dāng)溫度超過(guò)當(dāng)溫度超過(guò)Accm時(shí)，時(shí)， Fe3C全溶解，全溶解， C曲線右移曲線右移 共析鋼共析鋼：C曲線最靠右邊，穩(wěn)定性最高，孕育期最長(zhǎng)。曲線最靠右邊，穩(wěn)定性最高，孕育期最長(zhǎng)。1含碳量含碳量43碳含量對(duì)碳鋼碳含量對(duì)碳鋼C曲線的影響曲線的影響過(guò)過(guò) 共共析析 鋼

19、鋼過(guò)過(guò) 共共析析 鋼鋼共共 析析鋼鋼共共 析析鋼鋼亞亞 共共析析 鋼鋼亞亞 共共析析 鋼鋼時(shí) 間溫度A1時(shí) 間溫度A1溫度A144除除Co以外，所有合金元素溶入以外，所有合金元素溶入A中，增大過(guò)冷中，增大過(guò)冷A穩(wěn)定性穩(wěn)定性C曲線右移曲線右移 非碳化物形成元素，非碳化物形成元素，Si、Ni、Cu, 不改變不改變C曲線形狀，使右移曲線形狀，使右移 強(qiáng)碳化物形成元素，強(qiáng)碳化物形成元素，Cr、Mo、W、V、Nb、Ti, 改變改變C曲線形狀并右移曲線形狀并右移除除Co、Al 外，均使外，均使Ms、Mf 下降，殘余下降，殘余A2合金元素，（合金元素，（Co%左移）左移）（見(jiàn)下圖見(jiàn)下圖） A化溫度化溫度或加

20、熱時(shí)間或加熱時(shí)間（成分均勻，晶粒大，未溶碳化物少，形（成分均勻，晶粒大，未溶碳化物少，形核率降低）核率降低）A穩(wěn)定性穩(wěn)定性，孕育期延長(zhǎng)，孕育期延長(zhǎng)，C曲線右移曲線右移3加熱溫度和加熱時(shí)間加熱溫度和加熱時(shí)間45合金元素對(duì)碳鋼合金元素對(duì)碳鋼C曲曲線的影響線的影響（a）Ni的影響的影響（b）Cr的影響的影響（c）W的影響的影響A1Ms含含Cr合金鋼合金鋼MsA1向右移向右移向下移向下移除除Co、Al (2.5% ) 外外,所有所有合金元素溶入奧合金元素溶入奧氏體中，會(huì)使氏體中，會(huì)使:46三、過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變?nèi)⑦^(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 （CCT曲線）Ps：AP開(kāi)始線開(kāi)始線Pf：AP終止線終止

21、線K：珠光體型轉(zhuǎn)變終止線：珠光體型轉(zhuǎn)變終止線Vk：上臨界冷卻速度（馬氏體臨界：上臨界冷卻速度（馬氏體臨界冷卻速度）冷卻速度）M最小冷速最小冷速Vk：下臨界冷速：下臨界冷速完全完全P最大冷速最大冷速1過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖C - continuousC - coolingT - transformation47（1）CCT位于位于TTT曲線右曲線右下方下方 ，AP轉(zhuǎn)變溫度低轉(zhuǎn)變溫度低一些，一些，t長(zhǎng)一些長(zhǎng)一些（2）CCT無(wú)無(wú)AB轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變 CCT測(cè)定困難，常用測(cè)定困難，常用TTT曲線定性分析曲線定性分析2連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線和等連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線和等溫轉(zhuǎn)變曲線的比較溫轉(zhuǎn)變曲

22、線的比較48（1）根據(jù)工件的組織與性能要求，確定熱處理工藝。）根據(jù)工件的組織與性能要求，確定熱處理工藝。（2）為了獲得）為了獲得M，確定工件淬火時(shí)的臨界冷速。，確定工件淬火時(shí)的臨界冷速。（3）可以指導(dǎo)連續(xù)冷卻操作。）可以指導(dǎo)連續(xù)冷卻操作。（4）選擇鋼材的依據(jù)。鋼號(hào)不同，）選擇鋼材的依據(jù)。鋼號(hào)不同，C曲線不同。曲線不同。（5）C曲線對(duì)選擇淬火介質(zhì)與淬火方法有指導(dǎo)。曲線對(duì)選擇淬火介質(zhì)與淬火方法有指導(dǎo)。3C曲線的應(yīng)用曲線的應(yīng)用V1 ：爐冷（退火）：爐冷（退火） PV2 ：空冷，：空冷，S，TV3：空冷，：空冷，S，TV4：油冷，：油冷，T+M+AV5 ：M+A穩(wěn)穩(wěn)定定的的奧奧氏氏體體區(qū)區(qū)時(shí)間(s)300