機(jī)械制造基礎(chǔ)-第4章 加熱、冷卻轉(zhuǎn)變

第4章鋼的熱處理

1概述熱處理與其他加工方法不同，只改變材料組織性能，而不改變其形狀和大小。零件經(jīng)適當(dāng)熱處理后，可以提高強(qiáng)度和硬度，增強(qiáng)耐磨性或改善塑性，切削加工性等?；具^(guò)程為：加熱---保溫---冷卻第4章鋼的熱處理鋼的熱處理：鋼的熱處理就是將鋼在固態(tài)下，通過(guò)加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的組織，從而獲得所需性能的工藝方法。保溫臨界溫度冷卻時(shí)間加熱溫度2熱處理類型熱處理普通熱處理表面熱處理特殊熱處理退火正火淬火回火表面淬火化學(xué)熱處理火焰加熱感應(yīng)加熱(高、中、低頻)滲碳氮化碳氮共滲其他形變真空其他3

A1、A3、Acm各相變點(diǎn)是固態(tài)下鐵碳合金的組織轉(zhuǎn)變線，是在極其緩慢加熱和冷卻條

件下得到的。在實(shí)際生產(chǎn)中，固態(tài)相變時(shí)都有不同程度的過(guò)熱度或過(guò)冷度（見右圖）。為便于區(qū)別，將加熱時(shí)各相變點(diǎn)用ACl、AC3、ACcm表示，冷卻時(shí)各相變點(diǎn)用Arl、Ar3、Arcm表示。4.1鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

44.1鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

1、奧氏體的形成

以共析鋼為例，當(dāng)加熱到AC1以上時(shí)，發(fā)生珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變（即奧氏體化）過(guò)程可分為四個(gè)階段：

1）奧氏體晶核的形成3）剩余滲碳體的溶解

4）奧氏體均勻化

對(duì)于亞共析鋼和過(guò)共析鋼，當(dāng)加熱到AC1線稍上時(shí)鋼中的珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變，只有分別加熱到AC3或ACCm溫度以上，保溫足夠時(shí)間，才能獲得成分均勻的單相奧氏體。

2）奧氏體晶核的長(zhǎng)大53）加入一定量合金元素（除錳、磷外）4.1鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

2、奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制措施

鋼加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變剛剛結(jié)束時(shí)，奧氏體晶粒是比較細(xì)小的。如果繼續(xù)加熱或保溫，奧氏體晶粒會(huì)變粗大，影響熱處理后鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性較低。因此，加熱時(shí)獲得細(xì)小晶粒的奧氏體對(duì)提高熱處理效果和鋼的性能有重要的意義。

控制奧氏體晶粒長(zhǎng)大措施：

1）合理選擇加熱溫度和保溫時(shí)間

2）采用快速加熱64.2鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

鋼經(jīng)加熱奧氏體化后，可以采用不同方式冷卻，獲得所需要的組織和性能。成分相同的鋼，奧氏體化后，采用不同方式冷卻，將獲得不同的力學(xué)性能，見下表。74.2鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

實(shí)際生產(chǎn)中，必須過(guò)冷到A1溫度以下才開始轉(zhuǎn)變。在相變溫度A1以下還沒(méi)有發(fā)生轉(zhuǎn)變而處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體稱過(guò)冷奧氏體。

過(guò)冷奧氏體有等溫轉(zhuǎn)變和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變兩種冷卻轉(zhuǎn)變方式（見右圖）。84.2鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

1、過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變

以共析鋼為例，介紹等溫轉(zhuǎn)變曲線及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。

1）過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（C曲線）

左邊曲線為過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始線，右邊曲線為過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變終了線。A1線以上是奧氏體穩(wěn)定區(qū)；A1線以下，轉(zhuǎn)變開始線的左邊為過(guò)冷奧氏體區(qū)，轉(zhuǎn)變終了線的右邊是轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)，轉(zhuǎn)變開始線和終了線之間為過(guò)冷奧氏體和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物共存區(qū)。94.2鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

轉(zhuǎn)變開始線與縱坐標(biāo)軸之間的時(shí)間為孕育期。在C曲線拐彎的“鼻尖處”（約550℃），孕育期最短，過(guò)冷奧氏體最不穩(wěn)定。水平線MS為馬氏體轉(zhuǎn)變開始線（約230℃），水平線Mf為馬氏體轉(zhuǎn)變終了線（約－50℃）。A′：殘余奧氏體，即淬火冷卻到室溫后殘留的奧氏體。104.2鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

2）過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能(1)珠光體型轉(zhuǎn)變（A1～550℃）（屈）11(2)貝氏體轉(zhuǎn)變（550℃～MS）下貝氏體的顯微組織12（3）馬氏體（M）轉(zhuǎn)變及其組織a.馬氏體組織及其性能特點(diǎn)馬氏體是含過(guò)飽和碳的固溶體，為此導(dǎo)致體心立方晶格畸變?yōu)轶w心正方晶格，見圖4-8

過(guò)冷奧氏體在馬氏體開始形成溫度Ms以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這個(gè)轉(zhuǎn)變持續(xù)至馬氏體形成終了溫度Mf。奧氏體中碳含量對(duì)Ms、Mf溫度的影響見圖4-7。馬氏體的形貌常有針狀及板條狀兩種，前者一般出現(xiàn)在高碳鋼中，Wc＞1.0％時(shí);后者一般出現(xiàn)在低碳鋼中，當(dāng)Wc＜0.20％時(shí)。當(dāng)Wc在0.20％～l.0％時(shí)，形成片狀和板條狀馬氏體的混合組織。

13圖4-7

含碳量對(duì)Ms與Mf溫度的影響圖4-8

馬氏體晶格示意圖14圖4-10

碳對(duì)淬火鋼硬度的影響馬氏體的硬度主要取決于其含碳量見圖4-10曲線C。當(dāng)碳含量超過(guò)0.6％，強(qiáng)度和硬度增加不明顯。實(shí)際淬火鋼硬度取決于馬氏體，殘余奧氏體，以及其它不轉(zhuǎn)變物（鐵素體或二次滲碳體）的含量。15b.馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)

馬氏體轉(zhuǎn)變同樣是一個(gè)形核和長(zhǎng)大的過(guò)程。它的主要特點(diǎn)是：（1）無(wú)擴(kuò)散性；（2）在不斷降溫的過(guò)程中形成；（3）高速長(zhǎng)大；（4）馬氏體轉(zhuǎn)變的不完全性。

殘余奧氏體的存在，會(huì)降低淬火鋼的硬度和耐磨性，并且在工件長(zhǎng)期使用過(guò)程中殘余奧氏體會(huì)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使工件變形而引起尺寸的不穩(wěn)定。減少殘余奧氏體的措施：冷處理。即把淬火后的工件繼續(xù)冷卻到室溫以下－80～－50℃，以減少殘余奧氏體的含量。164.2鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

3）亞共析鋼和過(guò)共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變

由于亞共析鋼和過(guò)共析鋼的碳含量低于或高于共析成分，當(dāng)過(guò)冷奧氏體在C曲線“鼻尖”上部區(qū)域等溫時(shí)，亞共析鋼先析出鐵素體，然后進(jìn)行珠光體轉(zhuǎn)變，得到鐵素體和珠光體組織；同理，過(guò)共析鋼先析出滲碳體，然后進(jìn)行珠光體轉(zhuǎn)變，得到滲碳體和珠光體組織。174）影響等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線的因素(1)含碳量的影響由于亞共析鋼和過(guò)共析鋼，當(dāng)過(guò)冷奧氏體在C曲線“鼻尖”上部區(qū)域等溫時(shí)，亞共析鋼先析出鐵素體，然后進(jìn)行珠光體轉(zhuǎn)變，得到鐵素體和珠光體組織；同理，過(guò)共析鋼先析出滲碳體，然后進(jìn)行珠光體轉(zhuǎn)變，得到滲碳體和珠光體組織。共析鋼過(guò)冷奧氏體最穩(wěn)定，其TTT曲線最靠右。(2)合金元素的影響除C0外，凡是溶入A的合金元素，均能使C曲線右移，或形成2個(gè)鼻尖，提高過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性。(3)加熱溫度和保溫時(shí)間的影響加熱溫度升高，保溫時(shí)間加長(zhǎng)，都有利于提高過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性。184.2鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

2、過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變

以共析鋼為例，介紹等溫轉(zhuǎn)變曲線及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。

1）等溫轉(zhuǎn)變曲線在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變中的應(yīng)用

共折鋼連續(xù)冷卻時(shí)，根據(jù)冷卻速度曲線V1、V2、V3