《金屬工藝學(xué)基礎(chǔ)（上）》第5章 鋼的熱處理原理

第5章鋼的熱處理原理一.熱處理概述熱處理：把固態(tài)金屬材料在一定介質(zhì)中加熱、保溫、冷卻，以改變其組織，從而獲得所需性能的一種熱加工工藝。三個(gè)基本過(guò)程：加熱、保溫、冷卻作用：改善金屬材料的工藝性能；提高金屬材料的使用性能。二.鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變1、奧氏體轉(zhuǎn)變溫度與Fe-Fe3C相圖的關(guān)系A(chǔ)1Ac1Ar1SAccmAcmArcmAc3A3Ar3冷卻過(guò)程的固態(tài)相變需過(guò)冷度

鋼的熱處理中六個(gè)重要的溫度參數(shù)：

A1A3

Acm

；Ac1Ac3

Accm

——加熱過(guò)程Ar1Ar3

Arcm

——冷卻過(guò)程

F+Fe3C→A(727℃)

成分(C%)0.02186.690.77結(jié)構(gòu)體心立方復(fù)雜斜方面心立方

說(shuō)明奧氏體化中須兩個(gè)過(guò)程：①C成分變化：C的擴(kuò)散②鐵晶格改組：Fe擴(kuò)散2、奧氏體的形成-以共析鋼為例奧氏體形成過(guò)程

四個(gè)階段：1）奧氏體在F—Fe3C界面上形核（10秒）2）奧氏體向F及Fe3C兩側(cè)長(zhǎng)大(幾百秒)3）剩余Fe3C的溶解；(千秒)4）奧氏體中C的擴(kuò)散均勻化。(萬(wàn)秒)圖共析鋼奧氏體形成過(guò)程示意圖任何固態(tài)相變均需形核與長(zhǎng)大過(guò)程形核需要“三個(gè)起伏條件”：

成分起伏、結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏——故晶界或缺陷處易形核1）加熱溫度T↑，A晶粒長(zhǎng)大；原因：T↑，奧氏體與珠光體的自由能差越大，轉(zhuǎn)變的推動(dòng)力越大；T↑，原子擴(kuò)散越快，因而碳的重新分布與鐵的晶格重組就越快，所以，使奧氏體的形核、長(zhǎng)大，殘余滲碳體的溶解及奧氏體的均勻化都進(jìn)行得越快。3、影響奧氏體轉(zhuǎn)變速度的因素2）加熱速度加熱速度越快，珠光體的過(guò)熱度越大，相變驅(qū)動(dòng)力越大，轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度就越高。3）原始組織的影響鋼的原始組織越細(xì)，奧氏體的形成速度越快。。4）化學(xué)成分的影響C↑，奧氏體的形成速度加快；加入合金元素并不改變珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的基本過(guò)程，但能影響奧氏體的形成速度，一般都使之減慢。4、奧氏體的晶粒度及控制因素晶粒大小表示方法：晶粒尺寸，例如晶粒截面的平均直徑、平均面積或單位面積內(nèi)的晶粒數(shù)目等；晶粒度級(jí)別，晶粒度分8級(jí)，1級(jí)最粗，8級(jí)最細(xì)。計(jì)算式：

n=2N-1

N：晶粒度級(jí)別

n：1平方英寸視場(chǎng)中所包含的平均晶粒數(shù)(100X)。標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級(jí)示意圖

(1)初始晶粒度：奧氏體轉(zhuǎn)變剛結(jié)束時(shí)的晶粒大小。

——通常極細(xì)小(2)實(shí)際晶粒度：具體加熱條件下獲得的奧氏體晶粒大?、倥c具體熱處理工藝有關(guān)：熱處理溫度↑，時(shí)間↑，晶粒長(zhǎng)大。②與晶粒是否容易長(zhǎng)大有關(guān)

———

引入本質(zhì)晶粒度概念?yuàn)W氏體有三種不同概念的晶粒度

(3)本質(zhì)晶粒度鋼在特定的加熱條件下，奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向性，分為本質(zhì)粗晶粒度和本質(zhì)細(xì)晶粒度。測(cè)定方法：加熱至860±10℃，保溫1h，若A晶粒1-4級(jí)：本質(zhì)粗晶粒度鋼，5-8級(jí)：本質(zhì)細(xì)晶粒度鋼。關(guān)于本質(zhì)晶粒度概念的要點(diǎn)：①表征該鋼種在通常的熱處理?xiàng)l件下A晶粒長(zhǎng)大的趨勢(shì)，不代表真實(shí)、實(shí)際晶粒大?。虎诒举|(zhì)粗晶粒度鋼實(shí)際晶粒度并非一定粗大，本質(zhì)細(xì)晶粒度鋼實(shí)際晶粒度并非一定細(xì)??；而與具體的熱處理工藝有關(guān)。③本質(zhì)晶粒度主要與成分或冶煉條件有關(guān)。影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的因素①加熱溫度和保溫時(shí)間

T↑、t↑，A晶粒長(zhǎng)大；

T的影響遠(yuǎn)大于t1250℃1050℃900℃保溫時(shí)間t晶粒度②含碳量在一定范圍內(nèi)，隨著鋼的含碳量增加，奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向增大，但是含碳量超過(guò)某一限度時(shí)，奧氏體晶粒反而變得細(xì)小。③成分

強(qiáng)烈阻礙：Al、V、Ti、Zr、Nb

原因：機(jī)械阻礙理論

——形成難溶碳、氮化物中等阻礙：Cr、W、Mo

促進(jìn)長(zhǎng)大：Mn、P、溶入A的C

┖降低鐵原子的結(jié)合力，促進(jìn)鐵的擴(kuò)散④鋼的原始組織越細(xì)，碳化物彌散度越大，奧氏體的起始晶粒越細(xì)小。三.鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變熱處理的兩種冷卻方式：等溫冷卻

定義：將奧氏體化后的鋼由高溫快速冷卻到臨界溫度以下某一溫度，保溫一段時(shí)間以進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變，然后再冷卻到室溫。

等溫淬火、等溫退火等。連續(xù)冷卻定義：將奧氏體化后的鋼從高溫連續(xù)冷卻到室溫，使奧氏體在一個(gè)溫度范圍內(nèi)發(fā)生連續(xù)轉(zhuǎn)變。爐冷、空冷、油冷、水冷等。圖

奧氏體不同冷卻方式示意圖1一等溫冷卻2一連續(xù)冷卻Tτ

A1MsMfA→MM+ARA過(guò)冷A→BA→PAPB700500200

τ孕HRC15404555>60110102103104105過(guò)冷奧氏體與奧氏體的區(qū)別產(chǎn)物：P：珠光體B：貝氏體M：馬氏體鼻點(diǎn)1、過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變圖1）過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線---C曲線①不同溫度下轉(zhuǎn)變產(chǎn)物不同；高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(A1~550℃)：珠光體(P)——擴(kuò)散型

中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(550℃~MS)

：貝氏體(B)—半擴(kuò)散型

低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(MS~Mf)：馬氏體(M)——非擴(kuò)散型②存在孕育期

——過(guò)冷奧氏體等溫分解所需的準(zhǔn)備時(shí)間——代表A過(guò)冷穩(wěn)定性。③存在鼻點(diǎn)：

——孕育期最短，A過(guò)冷最不穩(wěn)定；④T轉(zhuǎn)↓，產(chǎn)物硬度↑。⑤馬氏體是過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻中的一種轉(zhuǎn)變組織，非等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。將其畫(huà)入，使過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線更完備、實(shí)用圖片狀珠光體形成示意圖（1）珠光體轉(zhuǎn)變高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(A1~550℃)：珠光體(P)——擴(kuò)散型

反應(yīng)式為A→P(F+Fe3C)3）過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織及其性能按層片間距不同又分為：

粗珠光體（P）：A1～650℃，片層較粗，10～20HRC。

索氏體（S）：650～600℃，片層較細(xì)，20～30HRC。

屈氏體(T)：600～550℃，片層極細(xì)，30～40HRC，P、S和T都是由滲碳體和鐵素體組成的層片狀機(jī)械混合物，只是由于層片的大小不同，決定了它們的力學(xué)性能各異。（2）貝氏體轉(zhuǎn)變中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(550℃~MS)貝氏體(B)—半擴(kuò)散型貝氏體有兩種常見(jiàn)的組織形態(tài)：上貝氏體和下貝氏體。

組織構(gòu)成：α(C)+Fe3C

鐵素體：碳過(guò)飽和(0.03%)；成束、板條狀平行排列；位錯(cuò)（108~109cm-2)；滲碳體：粒狀或短桿狀分布在F板條之間。上貝氏體Fe3C過(guò)飽和α相羽毛狀上貝氏體(550℃~350℃)圖上貝氏體顯微組織a)光學(xué)顯微組織500×b)電子顯微組織4000×下貝氏體(350℃~230℃)組織:α(C)+FexC

鐵素體：碳過(guò)飽和(0.3%)針、片狀，互不平行；更高密度位錯(cuò)。滲碳體：粒狀或短桿狀平行分布在F相內(nèi)部。過(guò)飽和α相Fe3C針狀圖下貝氏體顯微組織a)光學(xué)顯微組織500×b)電子顯微組織12000×貝氏體的性能①?gòu)?qiáng)度和硬度

σs(B上)<σs(B下)原因：上貝氏體的形成溫度較高，鐵素體條粗大，碳的過(guò)飽和度低，因而其強(qiáng)度和硬度較低。②韌性

ak（B下）》ak（B上）原因：B上中碳化物分布條間，有明顯方向性，尺寸較大；馬氏體：C在α-Fe中的過(guò)飽和固溶體。（3）馬氏體轉(zhuǎn)變

低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(MS~Mf)：馬氏體(M)——非擴(kuò)散型①單元體(單晶體)板條狀②組合特征：0.1~0.3μm<10μm馬氏體束一些位向相同的板條晶構(gòu)成馬氏體束；原奧氏體晶粒中含3~5個(gè)位向不同的M束板條馬氏體內(nèi)有大量的位錯(cuò)，這些位錯(cuò)分布不均勻，形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，也稱“位錯(cuò)馬氏體”③主要存在低、中碳鋼及馬氏體時(shí)效鋼、不銹鋼等鐵基合金中。板條馬氏體①單元體：片狀，中間厚、兩邊薄—凸透鏡狀或針狀；②組合特征：Ⅰ片與片之間不平行，約呈60°；

Ⅱ晶粒大小不等，先大后小，先形成的M片貫穿A晶粒；③亞結(jié)構(gòu)：平行的細(xì)小孿晶——孿晶馬氏體。∟形成的溫度較低——低溫馬氏體高碳鋼中常出現(xiàn)——高碳馬氏體，存在大量顯微裂紋

（孿晶通常分布在馬氏體的中部，不擴(kuò)展到馬氏體片的邊緣區(qū)，在邊緣區(qū)存在高密度為錯(cuò)）片狀馬氏體

馬氏體的性能(1)硬度和強(qiáng)度

特點(diǎn)：總體：高硬度、高強(qiáng)度

注意：Ⅰ、硬度、強(qiáng)度主要取決于C%,Me影響小。

C%↑,馬氏體HRC↑。Ⅱ、須注意馬氏體硬度與鋼硬度的差異。C%↑,淬火鋼HRC↑,0.6%C后基本趨于定值。鋼中馬氏體強(qiáng)化機(jī)制：①C的固溶強(qiáng)化：②相變強(qiáng)化(亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化)：高密度位錯(cuò)、孿晶、層錯(cuò)；③時(shí)效(沉淀)強(qiáng)化：C向缺陷處擴(kuò)散偏聚或析出，釘扎位錯(cuò)。C%σ0.6121：未時(shí)效2：0℃時(shí)效3hFe-Ni-C合金馬氏體④晶界強(qiáng)化。∟低碳M“自回火”。（2）塑性與韌性片狀M：硬而脆；板條M：強(qiáng)而韌∟與亞結(jié)構(gòu)有關(guān)板條M塑韌性好的原因：①含碳量低,過(guò)飽和度??；②淬火內(nèi)應(yīng)力小，形成微裂紋的敏感度??；高碳片狀M塑韌性差的原因：①C過(guò)飽和度高，畸變大，②淬火內(nèi)應(yīng)力大，形成微裂紋的敏感度高。馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)①無(wú)擴(kuò)散性②切變共格馬氏體轉(zhuǎn)變是新相在母相特定的晶面（慣習(xí)面）上形成，并以的母相切變來(lái)保持共格的相變過(guò)程。③不完全性:轉(zhuǎn)變?cè)谝欢囟确秶鷥?nèi)進(jìn)行，存在殘余奧氏體。④轉(zhuǎn)變快速性：M形成速度極快，10-5~10-7S⑤馬氏體轉(zhuǎn)變的可逆性：重新加熱時(shí)，已形成的馬氏體又能無(wú)擴(kuò)散地轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。

珠光體、貝氏體、馬氏體轉(zhuǎn)變特點(diǎn)比較轉(zhuǎn)變類型珠光體貝氏體馬氏體轉(zhuǎn)變溫度高溫(Ar1~550℃)中溫(BS~MS)低溫(<MS)擴(kuò)散性Fe、C、Me擴(kuò)散C擴(kuò)散;Fe、Me不擴(kuò)散C、Fe、Me均不擴(kuò)散組成相兩相組織：α+Fe3C兩相組織：α(C)+FexC單相：C過(guò)飽和α(C)共格性無(wú)共格性共格性共格性

Vc：連續(xù)冷卻中全部A過(guò)→M的最小V冷——臨界淬火速度——上臨界冷卻速度VC′：連續(xù)冷卻中全部

A過(guò)→P的最大V冷—下臨界冷卻速度①：P；②：M；③：P+M共析碳鋼TTT與CCT曲線A1MsMfTτC′CVcVc′MM+PP

共析碳鋼CCT曲線

共析碳鋼TTT曲線PS

Pk①②③Vc′′2、過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖冷卻速度對(duì)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物類型的影響：可用VC、VC′判斷。當(dāng)V>VC時(shí)，A過(guò)冷→M；

當(dāng)V<VC′時(shí)，A過(guò)冷→P；

當(dāng)VC′<V<VC

時(shí)，A過(guò)冷→P+M**實(shí)際中由于CCT曲線測(cè)量難，可用TTT曲線代替CCT曲線作定性分析，判斷獲得M的難易程度。**連續(xù)冷卻的VC值是等溫冷卻C曲線中與鼻點(diǎn)相切的VC的1.5倍，故可用等溫冷卻C曲線中VC代替或估算.3、過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖的應(yīng)用可以利用等溫轉(zhuǎn)變圖定性和近似地分析鋼在連續(xù)冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變的情況。等溫轉(zhuǎn)變圖對(duì)于制訂等溫退火、等溫淬火、分級(jí)淬火以及變形熱處理工藝具有指導(dǎo)作用。利用連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖可以定性和定量地顯示鋼在不同冷卻速度下所獲得的組織和硬度。第五章思考題參考答案或提示5-1、什么是熱處理？熱處理的目的是什么？答：參見(jiàn)p595-2、比較下列名詞：1)奧氏體、過(guò)冷奧氏體、殘留奧氏體。2)馬氏體與回火馬氏體、索氏體與回火索氏體、珠光體與回火珠光體。3)起始晶粒度、實(shí)際晶粒度與本質(zhì)晶粒度。答：參見(jiàn)p38～425-3、馬氏體與貝氏體轉(zhuǎn)變有哪些異同點(diǎn)?答：參見(jiàn)p把共析奧氏體過(guò)冷到C曲線“鼻子”以下至Ms線之間，即230～550℃之間，將發(fā)生奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變。貝氏體是由含碳過(guò)飽和的鐵素體與滲碳體組成的兩相混合物。和珠光體轉(zhuǎn)變不同，在貝氏體轉(zhuǎn)變中，由于過(guò)冷度很大，沒(méi)有鐵原子的擴(kuò)散，而是靠切變進(jìn)行奧氏體向鐵素體的點(diǎn)陣轉(zhuǎn)變，并由碳原子的短距離“擴(kuò)散”進(jìn)行碳化物的沉淀析出。馬氏體是碳在α-Fe中的過(guò)飽和固溶體，用“M”表示。鋼從奧氏體化狀態(tài)快速冷卻，抑制其擴(kuò)散性分解，在較低溫度下(低于Ms點(diǎn))發(fā)生的轉(zhuǎn)變稱為馬氏體轉(zhuǎn)變。5-4、試述影響C曲線形狀和位置的主要因素。參見(jiàn)P66～675-5、馬氏體的硬度主要取決于什么?說(shuō)明馬氏體具有高硬度的原因。鋼中馬氏體力學(xué)性能的顯著特點(diǎn)是具有高硬度和高強(qiáng)度。馬氏體的硬度主要取決于其含碳量，隨含碳量的增加而升高。當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.6％時(shí)，淬火鋼硬度接近最大值，含碳量進(jìn)一步增加時(shí)，雖然馬氏體的硬度會(huì)有所提高，但由于殘留奧氏體量增加，反而使鋼的硬度有所下降。合金元素對(duì)馬氏體的硬度影響不大，但可以提高其強(qiáng)度。馬氏體具有高硬度、高強(qiáng)度的原因是多方面的，主要包括固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化以及晶界強(qiáng)化等原因。5-5、珠光體、貝氏體和馬氏體的組織和性能有什么區(qū)別?答：參見(jiàn)P31、P55～56、P575-6、什么是殘余奧氏體?它會(huì)引起什么問(wèn)題?答：參見(jiàn)p奧氏體是鐵的一種相，另一種常見(jiàn)相是馬氏體，過(guò)冷奧氏體是指在一定過(guò)冷度下未發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的奧氏體，殘余奧氏體是指發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變后，還有一定量未發(fā)生轉(zhuǎn)變的奧氏體。鋼在淬火后總會(huì)保留一部分未轉(zhuǎn)變的奧氏體稱為殘余奧氏體。不同的鋼種殘余奧氏體量也不一樣。對(duì)碳鋼來(lái)講在含碳量大于0.4%的條件下，在顯微組織中可以觀察到殘余奧氏體，含碳量越高殘余奧氏體的數(shù)量越多。在相同含碳量的條件下，合金鋼比碳鋼的殘余奧氏體量多，對(duì)一些高碳高合金鋼，殘余奧氏體量可以達(dá)到30～40%以上。殘余奧氏體的存在使鋼的性能變壞，如使彈性極限下降，零件的尺寸不穩(wěn)定等。因此有必要了解殘余奧氏體在回火過(guò)程中所發(fā)生的轉(zhuǎn)變，以便設(shè)法控制之。5-7．什么是馬氏體?其組織有哪幾種基本形態(tài)?它們的性能各有何特點(diǎn)?答：參見(jiàn)P57～P585-6、什么是殘余奧氏體?它會(huì)引起什么問(wèn)題?答：參見(jiàn)p奧氏體是鐵的一種相，另一種常見(jiàn)相是馬氏體，過(guò)冷奧氏體是指在一定過(guò)冷度下未發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的奧氏體，殘余奧氏體是指發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變后，還有一定量未發(fā)生轉(zhuǎn)變的奧氏體。鋼在淬火后總會(huì)保留一部分未轉(zhuǎn)變的奧氏體稱為殘余奧氏體。不同的鋼種殘余奧氏體量也不一樣。對(duì)碳鋼來(lái)講在含碳量大于0.4%的條件下，在顯微組織中可以觀察到殘余奧氏體，含碳量越高殘余奧氏體的數(shù)量越多。在相同含碳量的條件下，合金鋼比碳鋼的殘余奧氏體量多，對(duì)一些高碳高合金鋼，殘余奧氏體量可以達(dá)到30～40%以上。殘余奧氏體的存在使鋼