金屬材料及熱處理 05固態(tài)相變退火(鋼的退火與正火)

鋼的退火、正火1鋼的加熱轉(zhuǎn)變（奧氏體化）奧氏體化過(guò)程以共析鋼為例：由F+Fe3C兩相區(qū)加熱到A單相區(qū)，在適當(dāng)溫度下，充分保溫。加熱前組織：珠光體P（F+Fe3C）加熱后組織：奧氏體A

Ｐ（F+Fe3C）→A具體組織（奧氏體成分均勻性、晶粒大小與分布特點(diǎn)取決于奧氏體化過(guò)程）C%T

F+Fe3CAA形核（A在F/Fe3C界面處形核）2.

A晶核長(zhǎng)大（晶核向F、Fe3C生長(zhǎng)）3.

殘余Fe3C溶解（C溶入A中）4.A成分均勻化（伴隨A晶粒長(zhǎng)大）奧氏體化的四個(gè)階段：低C高C擴(kuò)散AFFe3CF中C%提高，F(xiàn)→AFe3C溶解，A中C%提高1鋼的加熱轉(zhuǎn)變（奧氏體化）Fe3CFA第一階段第二階段第三階段第四階段影響奧氏體化的主要因素1.加熱條件（加熱溫度、加熱速率、保溫時(shí)間）2.化學(xué)成分

C元素：C%↑，F(xiàn)/Fe3C界面增多，F(xiàn)e3C間距減小，擴(kuò)散距離減小，且Fe、C擴(kuò)散加劇，加速奧氏體化。但過(guò)共析鋼，C%↑，F(xiàn)e3CII增加，F(xiàn)e3C溶解，C%均勻化所需溫度更高、時(shí)間更長(zhǎng)。合金元素：除了Ni、Co、Mn外，合金元素不論在F中、還是形成合金滲碳體、或形成合金碳化物，都或多或少阻礙奧氏體化。但無(wú)論如何，合金元素本身擴(kuò)散速率慢，奧化時(shí)需溫度更高、時(shí)間更長(zhǎng)。3.原始組織原始缺陷多→奧氏體化快

a.細(xì)小的原始組織→有利于形核長(zhǎng)大→奧氏體化快

b.與粒狀P相比，片狀P更易奧氏體化。1鋼的加熱轉(zhuǎn)變（奧氏體化）2

過(guò)冷奧氏體的冷卻轉(zhuǎn)變鋼鐵經(jīng)奧氏體化后，奧氏體在冷卻到臨界溫度以下會(huì)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，可分為等溫轉(zhuǎn)變和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變。連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)圖（CCT圖）等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)圖（TTT圖）升溫奧氏體化等溫轉(zhuǎn)變冷卻tTtT升溫奧氏體化快冷慢冷等溫轉(zhuǎn)變示意圖連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變示意圖1）珠光體轉(zhuǎn)變——鋼中的共析轉(zhuǎn)變，產(chǎn)物呈珠母條紋狀，而得名?！D(zhuǎn)變反應(yīng)式：

A（0.77%C，F(xiàn)CC）→F（0.02%C，BCC）+Fe3C（6.69%C，復(fù)雜斜方）1864年索拜在碳素鋼中觀察到片狀碳化物和鐵素體混合物，定名為珠光的組成物（pearlyconstituent），后來(lái)金相學(xué)上稱為珠光體(pearlite)。珠光體轉(zhuǎn)變理論1960s似乎已成熟，但1980s再度引起重視，相應(yīng)地，珠光體鋼和珠光體組織的應(yīng)用也得到了新的發(fā)展，如微合金化非調(diào)質(zhì)鋼取代傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)鋼、珠光體鋼——重型鋼軌鋼、高強(qiáng)冷拔鋼絲（繩）用鋼等——片層間距不同的珠光體A1-650℃（P,珠光體）片間距大于0.25μm

，鑒別片間與片層可用普通光鏡，強(qiáng)度、硬度低，塑性好；650-600℃（S,索氏體）片間距小于0.25μm而大于0.10μm

，鑒別片間與片層可用高倍（X800-1000）光鏡，強(qiáng)度、硬度較高，塑性較好；600-550℃（T,屈氏體）片間距小于0.10μm

，鑒別片間與片層要用電鏡，強(qiáng)度、硬度高，塑性低。（尤其是伴生著貝氏體轉(zhuǎn)變，而混雜上貝氏體，韌性急劇下降）通常，從綜合性能來(lái)考慮，處理成索氏體（650-600℃

等溫退火或正火，要求不是很高時(shí)，通常用正火片狀索氏體，否則需回火粒狀珠光體）珠光體索氏體屈氏體在晶界處形核，領(lǐng)先相很可能是滲碳體形成滲碳體，F(xiàn)e3C/A界面貧碳，A改組成F側(cè)（橫）向生長(zhǎng)，增加片層數(shù)邊（縱）向生長(zhǎng)，向片層平行方向推進(jìn)珠光體塊基本上呈半球生長(zhǎng)珠光體球珠光體領(lǐng)域（pearlitecolony）2）珠光體的形核長(zhǎng)大過(guò)程——過(guò)冷奧氏體向珠光體組織轉(zhuǎn)變過(guò)程是一個(gè)形核長(zhǎng)大過(guò)程珠光體在奧氏體晶界（尤其是三叉晶界）處形核，向奧氏體晶粒中長(zhǎng)大8）鋼的退火與正火正火廣義上屬于退火的一種特殊形式。退火的形式很多：完全退火、不完全退火（球化退火）、擴(kuò)散退火（均勻化退火）、再結(jié)晶退火、低溫退火（去應(yīng)力退火）、正火等等（1）完全退火——用于亞共析鋼工藝：i、加熱溫度T=Ac3+20~40℃

（完全奧氏體化）ii、加熱時(shí)間t=k加×D（min）（碳鋼k加=1.5min/mm,碳鋼k加=2.0min/mm）iii、冷卻方式與速率a、普通退火——緩冷（爐冷、埋沙冷等）（碳鋼100-200℃/h，合金鋼50-100℃/h，高合金鋼10-50℃/h）（太快，淬火）b、等溫退火——在珠光體轉(zhuǎn)變范圍保溫溫度、時(shí)間由所需硬度而定，優(yōu)點(diǎn)：工藝周期短、斷面溫度一致，組織均勻；缺點(diǎn)：操作麻煩，多需一臺(tái)爐子。完全退火不完全退火，對(duì)于亞共析鋼很少用，除非利用F來(lái)提高塑性，犧牲強(qiáng)度（用F細(xì)化A，或防A長(zhǎng)大，或F溶解S、P雜質(zhì)時(shí)用）abAc3應(yīng)用：i、消除前面工序形成的組織缺陷（魏氏組織、帶狀組織、過(guò)熱粗晶等），重結(jié)晶以細(xì)晶；ii、機(jī)械加工前的軟化處理，有利于切削，或?yàn)榇慊鹱鰷?zhǔn)備，以最終細(xì)晶、均勻；iii、消除內(nèi)應(yīng)力（2）球化退火——用于過(guò)共析鋼（中、高C鋼）球化退火的對(duì)象：過(guò)共析鋼，尤其是Fe3C成網(wǎng)嚴(yán)重，F(xiàn)e3C片大而粗的情況過(guò)共析鋼工藝流程：下料→鍛造→(有時(shí)需正火作為球化的預(yù)處理，以消除網(wǎng)、易球化)→球化退火→機(jī)加工→淬火+回火；球化退火的目的：

（1）消除片狀P的Fe3C和網(wǎng)狀的Fe3C，利于加工或后續(xù)淬火+回火；（2）組織球化，硬度下降，改善切削性；（3）降低退火溫度，防晶粒粗大和魏氏組織；（4）細(xì)化晶粒，改善均勻性；（5）消除內(nèi)應(yīng)力。不完全退火完全退火，對(duì)于過(guò)共析鋼很少用低碳鋼一般不用中碳鋼若要求低硬低強(qiáng)，用球化退火的原因：

（1）熱鍛后片狀P的Fe3C和網(wǎng)狀的Fe3C，粗大、脆硬，不利于加工或后續(xù)淬火+回火；（2）用完全退火能消除部分Fe3C，但緩冷時(shí)Fe3C沿晶界網(wǎng)狀析出，無(wú)法消除網(wǎng)狀Fe3C；（3）完全退火溫度過(guò)高，C↑，F(xiàn)e自擴(kuò)散加劇，易晶粒粗大，可能會(huì)出現(xiàn)魏氏組織；（4）普通的不完全退火，溫度低、時(shí)間短，也無(wú)法消除網(wǎng)、和粗塊Fe3C；（5）如使Fe3C球化，軟，易切削，晶粒易控制，且更易獲得板條馬氏體，淬火組織好。PFe3CPFe3CFe3C容易沿晶界以網(wǎng)狀析出溫度太高，A晶粒容易粗化嚴(yán)重。魏氏組織普通球化退火工藝：i、加熱溫度T=Ac1+30~50℃

（20-30℃）

（不完全奧氏體化）ii、加熱時(shí)間t=k加×D（min）

+球化時(shí)間（時(shí)間很長(zhǎng)）（碳鋼k加=1.5min/mm,碳鋼k加=2.0min/mm）iii、冷卻方式與速率緩冷，比完全退火慢（碳鋼50-100℃/h，合金鋼10-50℃/h，高合金鋼小于10℃/h）（太快，淬火）等溫球化退火工藝：Ac1+20~30℃——緩冷到Ar1+20~30℃保溫長(zhǎng)時(shí)間——空冷Ar1+20~30℃溫度較低可以防止Fe3C過(guò)分粗化，A晶粒粗化，有利于細(xì)晶abAccmFe3C球化其它球化退火工藝：（a）普通球化退火工藝；（b）等溫球化退火工藝（c）周期球化退火工藝；（d）調(diào)質(zhì)球化退火工藝Ac1AccmAc1AccmAr1（a）（b）（c）（d）（3）正火——常化（Normalizing）正火的對(duì)象：低、中、高碳鋼正火的目的：

（1）低碳鋼的車削前的熱處理；（2）中碳鋼替代調(diào)質(zhì)處理，為最終熱處理；（3）消除過(guò)共析鋼的粗大Fe3C或網(wǎng)狀Fe3C（粗、大者球化退火的準(zhǔn)備）；（4）消除缺陷，細(xì)化晶粒，改善均勻性，為最終熱處理做準(zhǔn)備；（5）對(duì)于存在魏氏組織的中碳鋼鑄件或鍛件。消除魏氏組織。正火的工藝：完全奧氏體化后空冷，奧氏體化溫度選擇與含碳量有關(guān)。雖C↑，溫度不宜太高，防粗晶。低——TN=Ac3+100-150℃中——TN=Ac1+50-100℃高——TN=Accm+30-50℃完全奧氏體化i、完全奧氏體化Ii、空冷正火的組織：細(xì)珠光體或正火索氏體亞、共則有先共析相，隨碳含量接近0.77%，先共析相減少，0.6-0.7%C者可形成偽共析組織。進(jìn)入單相區(qū)，冷速較快，不宜成網(wǎng)，但TN不宜太高，防粗晶，和網(wǎng)Fe3C正火與退火的選擇：（1）正火與退火的異同點(diǎn)（略）——工藝、原理、目的、安排、經(jīng)濟(jì)（2）正火可以作為最終熱處理，而退火很少用作最終（除了退火供貨的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼）。鋼一般很少直接使用退火態(tài)。（3）作為中間熱處理工藝，兩者的選擇使用也不盡相同（以機(jī)加工前的熱處理為例）機(jī)加工鋼材最佳的硬度范圍HB170-230