第2章鋼的熱處理原理

第2章鋼的熱處理原理2.1概述2.2鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變2.3鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變2.4鋼的回火轉(zhuǎn)變2.1概述1.熱處理的定義熱處理是根據(jù)鋼在固態(tài)下組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律，通過不同的加熱、保溫和冷卻，以改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，達到改善鋼材性能的一種熱加工工藝。2.熱處理的作用強化金屬材料，充分發(fā)揮材料的潛力；熱處理可以消除熱加工工藝過程中的缺陷；是機械零件加工工藝過程中的重要工序使工件表面具有抗磨損、耐腐蝕等特殊物理化學(xué)性能。熱處理普通熱處理表面熱處理退火；正火淬火；回火表面淬火

化學(xué)熱處理電磁感應(yīng)加熱淬火火焰加熱淬火滲碳；滲氮；碳氮共滲3.熱處理的分類4.案例分析表45鋼在不同熱處理狀態(tài)下的力學(xué)性能比較5.鋼的臨界溫度LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++

在非常緩慢加熱或冷卻條件下鋼發(fā)生相變的平衡臨界溫度——A1；A3；Acm實際加熱和冷卻時的相變溫度：加熱時——Ac1；Ac3；Accm冷卻時——Ar1；Ar3；Arcm5.鋼的臨界溫度2.2鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變2.2.1奧氏體形成的熱力學(xué)條件2.2.2奧氏體的形成過程1.奧氏體的形核；2.奧氏體晶核的長大；3.剩余滲碳體的溶解；4.奧氏體成分均勻化。FFe3C未溶Fe3CA殘余Fe3CAAAA形核A長大殘余Fe3C溶解A均勻化2.2.2奧氏體的形成過程1.加熱溫度2.加熱速度3.化學(xué)成分4.原始組織2.2.3影響奧氏體形成速度的因素成分相同時，原始組織越細，相界面越多，奧氏體的形核率越高，從而加速奧氏體的形成。2.2.3影響奧氏體形成速度的因素3.化學(xué)成分的影響鋼中碳含量的影響：碳含量越高，奧氏體的形成速度越快原因a.增加了鐵素體和滲碳體的相界面，提高了奧氏體的形核率；b.提高了碳的擴散速度，增大了奧氏體的長大速度。合金元素的影響：合金元素影響碳在奧氏體中的擴散速度；合金元素會改變鋼的平衡臨界點；合金元素在珠光體中的分布是不均勻的，而且合金元素在奧氏體中的擴散速度遠小于碳，因此，合金鋼奧氏體化要比碳鋼緩慢得多。

2.2.4奧氏體的晶粒度及其影響因素

奧氏體晶粒細小，則冷卻后轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的晶粒也細小，其強度、塑性和韌性較好；粗大的奧氏體晶粒冷卻后轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也粗大，其強度、塑性較差，特別是韌性顯著降低。

鋼在加熱時獲得的奧氏體晶粒大小，直接影響到冷卻后轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的晶粒大小和力學(xué)性能。

因此，奧氏體晶粒的大小是評定熱處理加熱質(zhì)量的主要指標之一。奧氏體晶粒度概念奧氏體晶粒度表示奧氏體晶粒的大小。工業(yè)上一般分為8級1-4級粗，5-8級細，8級以上極細計算式為n=2N-1

N：晶粒度級別n：為放大100倍的視場中1平方英寸（6.45cm2）視場中所包含的平均晶粒數(shù)。

2.2.4奧氏體的晶粒度及其影響因素

（1）奧氏體的晶粒度2.2.4奧氏體的晶粒度及其影響因素

奧氏體晶粒越細小，n↑，N也就↑，下表是奧氏體晶粒度級別與其他各表示方法對照表。

1.起始晶粒度——在臨界溫度以上，奧氏體轉(zhuǎn)變剛剛完成，其晶粒邊界剛剛接觸時的晶粒度。

2.實際晶粒度——在某一具體的熱處理或熱加工條件下實際獲得的奧氏體晶粒大小。

3.本質(zhì)晶粒度——根據(jù)標準實驗方法，在930±10℃保溫3—8h后測得的奧氏體晶粒大小。經(jīng)過上述實驗，奧氏體晶粒度在5—8級者稱為本質(zhì)細晶粒鋼，而奧氏體晶粒度在1—4級者稱為本質(zhì)粗晶粒鋼。

2.2.4奧氏體的晶粒度及其影響因素2.2.4奧氏體的晶粒度及其影響因素

（2）影響奧氏體長大的因素

a.加熱溫度與保溫時間

加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體晶粒越粗大，因為這與原子擴散密切相關(guān)。1250℃1050℃900℃保溫時間t晶粒度

b.加熱速度

加熱速度越快，過熱度越大，奧氏體實際形成溫度越高，可獲得細小的起始晶粒?？焖偌訜幔虝r保溫的超細化工藝如高頻加熱，激光加熱等可獲得細小的晶粒。

（2）影響奧氏體長大的因素c.化學(xué)成分C、Mn和P是促進奧氏體晶粒長大的元素。合金元素Ti、Zr、V、Nb、Al等，當其形成彌散穩(wěn)定的碳化物和氮化物時，由于分布在晶界上，因而阻礙晶界的遷移，阻止奧氏體晶粒長大，有利于得到本質(zhì)細晶粒鋼。強烈阻礙：Al、V、Ti、Zr、Nb原因：機械阻礙理論——形成難溶碳、氮化物中等阻礙：Cr、W、Mo促進長大：Mn、P、溶入A的C降低鐵原子的結(jié)合力，促進鐵的擴散d.原始組織原始組織越細，碳化物彌散度越大，奧氏體晶粒越細小。過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線珠光體轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變2.3鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線TTT曲線——過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線。CCT曲線——過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線。2.3鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變T---timeT---temperatureT---transformation測量方法：膨脹法，磁性法，金相—硬度法。

共析碳鋼TTT曲線建立過程示意圖時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1（2）共析碳鋼TTT曲線的分析穩(wěn)定的奧氏體區(qū)過冷奧氏體區(qū)A向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變開始線A向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變終止線

A+產(chǎn)物區(qū)產(chǎn)物區(qū)A1～550℃;高溫轉(zhuǎn)變區(qū);擴散型轉(zhuǎn)變;P轉(zhuǎn)變區(qū)。550～230℃;中溫轉(zhuǎn)變區(qū);半擴散型轉(zhuǎn)變;

貝氏體(B)轉(zhuǎn)變區(qū);230～-50℃;低溫轉(zhuǎn)變區(qū);非擴散型轉(zhuǎn)變;馬氏體(M)轉(zhuǎn)變區(qū)。時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf珠光體轉(zhuǎn)變組織與性能珠光體型(P)轉(zhuǎn)變(A1～550℃):A1～650℃:P;5～25HRC

片間距為0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:細片狀P---索氏體(S)

片間距為0.2～0.4μm(1000×)25～36HRC。600～550℃:極細片狀P---屈氏體(T)

片間距為＜0.2μm(電鏡)35～40HRC。

珠光體形貌像光鏡下形貌電鏡下形貌光鏡形貌電鏡形貌索氏體形貌像屈氏體形貌像電鏡形貌光鏡形貌貝氏體型(B)轉(zhuǎn)變(550～230℃):550～350℃:B上;40～45HRC;B上=過飽和鐵素體(長條狀)+Fe3C(細條狀),B上在顯微鏡下呈現(xiàn)羽毛狀，性脆，不采用!過飽和鐵素體(條狀)Fe3C(細條狀)B下=過飽和碳α-Fe針葉狀+Fe3C細片狀,B下在顯微鏡下呈現(xiàn)針葉狀，綜合性能優(yōu)良.過飽和鐵素體(針葉狀)Fe3C(細片狀)350～230℃:B下;50～60HRC;上貝氏體組織金相圖

下貝氏體組織金相圖轉(zhuǎn)變開始線與縱坐標之間的距離為孕育期。孕育期越小，過冷奧氏體穩(wěn)定性越小.孕育期最小處稱C曲線的“鼻尖”。碳鋼鼻尖處的溫度為550℃。在鼻尖以上，溫度較高，相變驅(qū)動力小。在鼻尖以下，溫度較低，擴散困難。從而使奧氏體穩(wěn)定性增加。（2）共析碳鋼TTT曲線的分析高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物——擴散類型——Fe、C均擴散亞共析鋼：F+P共析鋼：P過共析鋼：P+Fe3C化學(xué)成分與晶格類型的轉(zhuǎn)變均靠擴散實現(xiàn).中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物——半擴散性——Fe不擴散，C部分擴散α(過飽和的C）+Fe3C的機械混合物——貝氏體類型(B)化學(xué)成分的變化靠擴散實現(xiàn).低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物——非擴散型——

Fe、C均不擴散獲得C在α-Fe中的過飽和固溶體——馬氏體類型(M)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)——擴散型中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(550℃~MS)

貝氏體(B)—半擴散型低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(MS~Mf)

馬氏體(M)——非擴散型要點②存在孕育期

——過冷奧氏體等溫分解所需的準備時間。

——代表過冷A穩(wěn)定性。③存在鼻點

——孕育期最短，過冷A最不穩(wěn)定④T轉(zhuǎn)↓，產(chǎn)物硬度↑⑤馬氏體是過冷奧氏體連續(xù)冷卻中的一種轉(zhuǎn)變組織，非等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。將其畫入，使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線更完備、實用。亞共析鋼的TTT曲線

FAP+FS+FTBM+A殘A3時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf

過共析鋼的TTT曲線P+Fe3CⅡS+Fe3CⅡTBM+A殘

Fe3CⅡAACM時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf（3）影響過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的因素

1化學(xué)成分

（1）含碳量

理論:奧氏體中C%↑，C曲線右移F相難析出，珠光體轉(zhuǎn)變難進行實際:亞共析鋼：C%↑，C曲線右移過共析：C%↑，左移指溶入奧氏體中的C（2）合金元素0.9%C0.9C+0.5Mn0.9C+1.2Mn

0.9+2.8MnTτTτ0.5C0.5C+2%Cr0.5C+4%Cr0.5C+8%Cr

①除Co、Al（WAl>2.5%）外，其它合金元素Me%↑，C曲線右移——須溶入A中。TτMsCo,AlNi,Si,Cu,MnSiNi,Cu,MnCo,Al外所有合金元素非碳化物形成元素只改變C曲線位置：如Co,Al,Ni,Cu,Si強碳化物形成元素的影響Tτ中強碳化物形成元素Cr的影響

強碳化物形成元素W,Mo,V,Ti,Nb等的影響W，Mo，V，Ti，Nb等改變C曲線位置和形態(tài)②碳化物形成元素改變C曲線位置和形狀Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr等③對Ms點的影響Co、Al使Ms↑其它合金元素使Ms↓

愈細，成分及組織愈不均勻，未溶第二相愈多，A穩(wěn)定性越差——左移

T↑、t↑，晶粒粗大，成分、組織均勻，A穩(wěn)定性↑

——右移2奧氏體組織2.3.2珠光體轉(zhuǎn)變

過冷奧氏體在A1—550℃間將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類型組織，它是鐵素體與滲碳體片層相間的機械混合物，根據(jù)片層厚薄不同，又細分為珠光體、索氏體和屈氏體。1、珠光體的組織形態(tài)根據(jù)滲碳體的形態(tài)不同，珠光體可分為片狀珠光體和粒狀珠光體。⑴片狀珠光體：珠光體組織的粗細程度可以用片間距S0表示，其經(jīng)驗公式：S0=C/T

C-常數(shù)T-過冷度光鏡下形貌電鏡下形貌普通珠光體形成溫度為A1-650℃，片層較厚，500倍光鏡下可辨，用符號P表示。索氏體

形成溫度為650-600℃,片層較薄，800-1000倍光鏡下可辨，用符號S表示。電鏡形貌

形成溫度為600-550℃，片層極薄，電鏡下可辨，用符號T表示。屈氏體

珠光體、索氏體、屈氏體三種組織無本質(zhì)區(qū)別，只是形態(tài)上的粗細之分，因此其界限也是相對的。（2）粒狀珠光體滲碳體呈顆粒狀，均勻彌散地分布在鐵素體基體上的組織。

獲得該組織的熱處理工藝：球化退火；淬火+中、高溫回火。2.珠光體的力學(xué)性能

珠光體團的直徑和片間距越小，鋼的強度、硬度越高，塑性和韌性略有改善。3.珠光體轉(zhuǎn)變過程珠光體轉(zhuǎn)變是擴散型轉(zhuǎn)變，也是形核和長大的過程。片狀珠光體形成過程

2.3.3馬氏體轉(zhuǎn)變（低溫轉(zhuǎn)變）溫度范圍：230

～-50℃（Ms～Mf）轉(zhuǎn)變特征：非擴散型轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變過程：轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：M

快速共格切變

50m/s

bcc0.77%C

fcc0.77%CAM馬氏體轉(zhuǎn)變馬氏體：碳溶于α-Fe中所形成的過飽和間隙固溶體(1)M的晶體結(jié)構(gòu)馬氏體具有體心正方晶格（a=b≠c）軸比c/a稱馬氏體的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸變越嚴重。當＜0.25%C時，c/a=1，此時馬氏體為體心立方晶格.(2)M的形貌板條狀M片狀M（針葉狀）M條M束M片(3)M形貌與含碳量的關(guān)系材料：40Cr（800X）

工藝情況：淬火、回火

浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕

組織說明：板條馬氏體及針狀馬氏體，為典型中碳馬氏體[×500

正常淬火組織：隱晶馬氏體高速鋼隱晶M混合M隱晶馬氏體——最大尺寸的馬氏體片小到光學(xué)顯微鏡無法分辨時，便稱為隱晶馬氏體。在生產(chǎn)中正常淬火得到的馬氏體一般都是隱晶馬氏體。孿晶——孿晶是指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系，這兩個晶體就稱為孿晶，此公共晶面就稱孿晶面。產(chǎn)生體積膨脹（浮凸現(xiàn)象）產(chǎn)生組織應(yīng)力在Ms～Mf

之間進行不能進行到底產(chǎn)生殘余奧氏體（Ar、AR、A′）(4)M的組織特征M轉(zhuǎn)變終止溫度M轉(zhuǎn)變開始溫度結(jié)論：Wc

Ms～Mf，A′

bccM硬度：與wc（%）有關(guān)板條狀M：強度高、有一定的塑性和韌性片狀M：硬而脆(5)M的性能正常加熱淬火：Wc

HM

;

Wc＞0.6%后，HM基本不變M的硬度與的含碳量的關(guān)系a線：在Accm以上加熱淬火C線：M硬度b線：在Ac1以上加熱淬火奧氏體含碳量對馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響6007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00溫度℃Wc100MsMf90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.11.21.31.41.51.61.7Wc100殘余奧氏體量(%)奧氏體含碳量對殘余奧氏體數(shù)量的影響導(dǎo)致馬氏體具有高硬度、高強度的因素：1.固溶強化2.相變強化3.時效強化4.原始奧氏體晶粒大小以及板條馬氏體束大小2.3.4貝氏體轉(zhuǎn)變過冷奧氏體在550℃-230℃（Ms）間將轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w類型組織，貝氏體用符號B表示。

轉(zhuǎn)變特點：半擴散型轉(zhuǎn)變，F(xiàn)e原子不擴散，碳原子有一定的擴散能力。

轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：貝氏體，即Fe3C分布在含碳過飽和的鐵素體上的兩相混合物。根據(jù)其組織形態(tài)不同，貝氏體又分為B上，B下和粒狀貝氏體。1貝氏體的組織形態(tài)

上貝氏體下貝氏體粒狀貝氏體的顯微組織⑴上貝氏體形成溫度為550—350℃。在光鏡下呈羽毛狀。在電鏡下為不連續(xù)棒狀的滲碳體分布于自奧氏體晶界向晶內(nèi)平行生長的鐵素體條之間。⑵下貝氏體形成溫度為350℃—Ms。在光鏡下呈竹葉狀。在電鏡下為細片狀碳化物分布于鐵素體針內(nèi)。（3）粒狀貝氏體形成溫度：上貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)上限溫度范圍內(nèi)。粗大的塊狀或針狀鐵素體內(nèi)或晶界上分布著一些孤立的小島，小島呈粒狀或長條狀。島狀物多為馬氏體和奧氏體，稱M-A島。

上貝氏體強度與塑性都較低。下貝氏體除了強度、硬度較高外，塑性、韌性也較好，即具有良好的綜合力學(xué)性能，是生產(chǎn)上常用的強化組織之一。上貝氏體貝氏體組織的透射電鏡形貌下貝氏體2.貝氏體的力學(xué)性能3.貝氏體轉(zhuǎn)變的特點貝氏體轉(zhuǎn)變兼有珠光體和馬氏體轉(zhuǎn)變的特點，是一個有碳原子擴散的共格切變過程。2.3.5過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（1）共析鋼過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的建立——CCT曲線C---continuousC---coolingT---transformation測量方法：膨脹法和金相-硬度法。Vk一)共析碳鋼CCT曲線建立過程示意圖時間(lgτ)溫度℃A1PfPsA+PKMsMf水冷油冷Vk1爐冷空冷二)共析碳鋼TTT曲線與CCT曲線的比較穩(wěn)定的奧氏體區(qū)時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMfCCT曲線TTT曲線穩(wěn)定的奧氏體區(qū)時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf三）在連續(xù)冷卻過程中TTT曲線的應(yīng)用V1V2VkV3V4V1=5.5℃/s:爐冷;PV2=20℃/s:空冷;SV3=33℃/s:油冷;T+M+A殘V4≥138℃/s:水冷;M+A殘過共析鋼CCT曲線也無貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，但比共析鋼CCT曲線多一條A→Fe3C轉(zhuǎn)變開始線。由于Fe3C的析出，奧氏體中含碳量下降，因而Ms線右端升高。亞共析鋼CCT曲線有貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，還多A→F開始線，F(xiàn)析出使A含碳量升高，因而Ms線右端下降。過共析鋼CCT曲線亞共析鋼CCT曲線第四節(jié)鋼在回火時的轉(zhuǎn)變2.4鋼的回火轉(zhuǎn)變回火——是將淬火鋼加熱到低于臨界點A1的某一溫度保溫一定時間，使淬火組織轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織，然后以適當?shù)姆绞嚼鋮s到室溫的熱處理工藝。淬火鋼為什么要進行回火？淬火后的鋼不穩(wěn)定；有向穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變的趨勢；溫度低，擴散困難?；鼗鸬淖饔孟齼?nèi)應(yīng)力，防止變形和開裂；獲得穩(wěn)定組織和性能。2.4.1淬火鋼在回火時的組織轉(zhuǎn)變（1）馬氏體中碳的偏聚在80-100℃以下溫度回火時發(fā)生碳的偏聚。（2）馬氏體的分解100-250℃加熱時，馬氏體將發(fā)生分解，從馬氏體中析出-碳化物（-FexC）使馬氏體過飽和度降低。析出的碳化物以細片狀分布在馬氏體基體上，這種組織稱回火馬氏體，用M回表示。透射電鏡下的回火馬氏體形貌（3）殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變250-300℃回火時，殘余奧氏體分解為-碳化物和過飽合鐵素體，即M回。（4）碳化物的轉(zhuǎn)變

250-400℃回火時，-碳化物溶解于F中，并從鐵素體中析出Fe3C。用T回表示?；鼗鹚魇象w（5）碳化物的聚集長大和的回復(fù)再結(jié)晶400℃以上，F(xiàn)e3C開始聚集長大。450℃以上鐵素體發(fā)生多邊形化。這種在多邊形鐵素體基體上分布著顆粒狀Fe3C的組織稱回火索氏體，用S回表示。2.4.2淬火鋼回火時力學(xué)性能的變化（1）硬度

低溫回火：回火馬氏體(＞500℃)，回火溫度升高，硬度總的趨勢是下降。（1）高碳鋼