第五章鋼鐵熱處理

第五章鋼鐵熱處理引言1、熱處理概述熱處理是一種重要的金屬加工工藝；鋼的熱處理的工藝特點(diǎn):

把鋼在固態(tài)下加熱到預(yù)定的溫度，保溫預(yù)定的時(shí)間。然后以預(yù)定的方式冷卻下來。通過這樣一個(gè)工藝過程，使鋼的性能發(fā)生預(yù)期的變化。熱處理的主要目的:

在于改變鋼的性能，即改善鋼的工藝性能和提高鋼的使用性能。EX：鉆頭引言

鋼的組織決定鋼的性能:熱處理改變鋼的性能，是通過改變鋼的組織來實(shí)現(xiàn)的。鋼在固態(tài)加熱、保溫和冷卻過程中，會(huì)發(fā)生一系列組織轉(zhuǎn)變。這些轉(zhuǎn)變具有嚴(yán)格的規(guī)律性，在一定的溫度、時(shí)間、介質(zhì)條件下，必然形成一定的組織，具有一定的性能。在不同條件下則會(huì)形成不同的組織，具有不同的性能。如果鋼中不存在這些固態(tài)相變也就不可能進(jìn)行熱處理。鋼中組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律就是熱處理的原理。根據(jù)熱處理原理制訂的溫度、時(shí)間、介質(zhì)等等參數(shù)就是熱處理工藝。引言2、鋼的臨界溫度Ac1:

加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度。Ar1：冷卻時(shí)奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的開始溫度。Ac3：加熱時(shí)游離鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度。Ar3：冷卻時(shí)奧氏體開始析出游離鐵素體的溫度。Accm：加熱時(shí)二次滲碳體全部溶入奧氏體的終了溫度。Arcm:冷卻時(shí)奧氏體開始析出二次滲碳體的溫度。第一節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變一、共析鋼的奧氏體化過程成分相差懸殊、晶格截然不同的兩相，變成另一種晶格的單相均勻固溶體；必發(fā)生C、Fe的擴(kuò)散和Fe原子的晶格改組。第一節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變可分為三個(gè)階段：第一階段：奧氏體的形核與長(zhǎng)大。第二階段：殘余滲碳體的溶解。殘留在奧氏體中的滲碳體顆粒，通過碳原子的擴(kuò)散，逐漸溶入奧氏體使奧氏體的碳濃度逐漸趨近共析成分。一旦滲碳體全部消失，這一階段便結(jié)束。第三階段：奧氏體的均勻化。當(dāng)殘余滲碳體溶解剛完畢時(shí),奧氏體的成分是不均勻的，在原來是滲碳體的地方，碳濃度仍較高，而原來是鐵素體的地方，碳濃度仍較低只有經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的碳原子擴(kuò)散,才能使奧氏體逐漸趨于均勻化，最后得到單相均勻的奧氏體。到此，奧氏體化過程便全部完成。第一節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變第一階段:奧氏體的形核與長(zhǎng)大。珠光體加熱到A1點(diǎn)以上，經(jīng)過一段孕育期,首先在鐵素體和滲碳體的相界面上形成奧氏體晶核，然后晶核向鐵素體和滲碳體兩方面長(zhǎng)大。與此同時(shí)又有新的奧氏體晶核在其他相界面上形成并隨之長(zhǎng)大。直到各個(gè)奧氏體晶粒都彼此相遇，珠光體消失，這一階段便告結(jié)束。結(jié)構(gòu)起伏，能量起伏，濃度起伏，晶界形核第一節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

二、影響奧氏體化的因素(1)加熱溫度和保溫時(shí)間的影響1．加熱溫度必須高于A1點(diǎn)，珠光體才能向奧氏體轉(zhuǎn)變。2．轉(zhuǎn)變溫度越高，奧氏體的形成速度越快，轉(zhuǎn)變所需時(shí)間越短。3．同樣一個(gè)奧氏體化狀態(tài)，既可以通過較低溫度較長(zhǎng)時(shí)間的加熱得到也可以通過較高溫度較短時(shí)間的加熱得到。A是原子擴(kuò)散，形核長(zhǎng)大進(jìn)行的，凡影響擴(kuò)散，都會(huì)影響A的形成。第一節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變二、影響奧氏體化的因素（2）加熱速度的影響第一節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變二、影響奧氏體化的因素(3)合金元素的影響1．合金元素會(huì)改變鋼的平衡臨界點(diǎn)。如鎳、錳、銅等都使臨界點(diǎn)降低；而鉻、鉬、鎢、釩、硅等則使之升高。2．合金元素在珠光體中的分布是不均勻的。3．某些合金元素會(huì)影響碳和鐵的擴(kuò)散速度。如鉻、鉬、鎢、釩、鈦等都顯著減慢碳的擴(kuò)散速度；鈷，鎳等則加速碳的擴(kuò)散速度，硅、鋁、錳等影響不大。4．強(qiáng)烈形成碳化物的元素，如鈦、釩、鋯、鈮、鉬、鎢等，會(huì)形成特殊碳化物，其穩(wěn)定性比Fe3C高，很難溶入奧氏體，必須進(jìn)行較高溫度較長(zhǎng)時(shí)間加熱才能完全溶解。第一節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變二、影響奧氏體化的因素(4)原始組織的影晌淬火狀態(tài)的鋼在A1點(diǎn)以下升溫過程中已經(jīng)分解成微細(xì)粒狀珠光體，組織最彌散，相界面最多，最有利于奧氏體的形核與長(zhǎng)大，所以轉(zhuǎn)變最快。正火狀態(tài)的細(xì)片狀珠光體，其相界面積也很大，所以轉(zhuǎn)變也很快。球化退火狀態(tài)的粒狀珠光體，相界面積最小，因此奧氏體化最慢?？傊冀M織越彌散，奧氏體化速度越快。第一節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變?nèi)W氏體晶粒的長(zhǎng)大(一)晶粒大小對(duì)性能的影響式中0相當(dāng)于單晶體的屈服強(qiáng)度，隨溫度而變化。K是比例系數(shù)與晶界情況有關(guān)。奧氏體晶粒大小是評(píng)定加熱質(zhì)量的指標(biāo)之一。過熱第一節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變(二)奧氏體的晶粒度1．實(shí)際晶粒度起始晶粒度P→A在每一個(gè)具體加熱條件下所得到的奧氏體晶粒大小稱為奧氏體的“實(shí)際晶粒度”2．本質(zhì)晶粒度本質(zhì)晶粒度就是反映鋼材加熱時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向的一個(gè)指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:↑930±10℃,保溫8h.第一節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變本質(zhì)粗晶粒鋼本質(zhì)細(xì)晶粒鋼→→第一節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變(三)影響奧氏體晶粒度的因素1.加熱溫度和時(shí)間的影響在每一溫度加熱時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒不斷長(zhǎng)大，但是長(zhǎng)到一定尺寸后就幾乎不再長(zhǎng)大。加熱溫度越高，晶粒長(zhǎng)大越快，最終尺寸也越大。反之，溫度越低，時(shí)間越短，晶粒就越細(xì)小。第一節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變(三)影響奧氏體晶粒度的因素2.加熱速度的影響在最高加熱溫度相同時(shí)，加熱速度越快，奧氏體晶粒越細(xì)小。這是兩方面原因造成的。一方面，加熱速度越快則過熱度越大，形核率越高，因而奧氏體的起始晶粒度越小；另—方面，加熱速度越快則加熱時(shí)間越短，晶粒越來不及長(zhǎng)大。所以，快速短時(shí)加熱是細(xì)化晶粒的手段之一。第一節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變(三)影響奧氏體晶粒度的因素3.鋼的成分的影響第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變一、冷卻條件對(duì)鋼性能的影響為了研究奧氏體的冷卻轉(zhuǎn)變規(guī)律,通常采用兩種方法:一種是在不同過冷度下等溫測(cè)定奧氏體的轉(zhuǎn)變過程,繪出“奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線”；另一種是在不同冷速的連續(xù)冷卻過程中測(cè)定奧氏體的轉(zhuǎn)變過程，繪出“奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線”。這兩種曲線在熱處理中的用處很大。冷卻方式σbN/m2

σsN/m2δ%Ψ%αkN.m/cm2變脆溫度℃爐冷57.4х10728.9х1072258.461-60空冷67.8х10738.7х10719.357.380-70油冷185.6х107159х1078.333.755-9040Cr鋼經(jīng)850℃加熱,不同條件冷卻后的力學(xué)性能:第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變二、過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線(C-曲線)過冷A等溫轉(zhuǎn)變圖可綜合反映過冷A在不同過冷度下的等溫轉(zhuǎn)變過程，轉(zhuǎn)變開始和終了時(shí)間，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物類型以及轉(zhuǎn)變量與溫度和時(shí)間的關(guān)系等，由于等溫轉(zhuǎn)變圖通常呈“C”形狀，所以也稱C曲線，另外還稱TTT圖，現(xiàn)以共析鋼為例來說明TTT圖的建立第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變

1.C--曲線的建立①把鋼材制成Φ10×1.5mm的圓片試樣，分成若干組。②取一組試樣，在鹽爐內(nèi)加熱使之A化。③將A化后的試樣快速投入A1

以下某一溫度的浴爐中進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變。④每隔一定時(shí)間取出一個(gè)試樣急速淬入水中，而后將各試樣取出制樣，進(jìn)行組織觀察。當(dāng)在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)某一試樣剛出現(xiàn)灰黑色產(chǎn)物時(shí)，所對(duì)應(yīng)的等溫時(shí)間就是A開始轉(zhuǎn)變時(shí)間,到某一試樣未有M出現(xiàn)時(shí)，所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為轉(zhuǎn)變終了時(shí)間。將其余各組試樣，用上述方法，分別測(cè)出不同等溫條件下A轉(zhuǎn)變開始和終了時(shí)間，最后將所有轉(zhuǎn)變開始時(shí)間點(diǎn)和終了時(shí)間點(diǎn)標(biāo)在溫度、時(shí)間(對(duì)數(shù))坐標(biāo)上,并分別連接起來，即得C曲線。第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變2.C—曲線的分析①過冷到A1以下的A處于不穩(wěn)定狀態(tài),但不立即轉(zhuǎn)變,而要經(jīng)過一段時(shí)間才開始轉(zhuǎn)變,稱為孕育期。孕育期越長(zhǎng),過冷A越穩(wěn)定,反之,則越不穩(wěn)定。②鼻點(diǎn):550℃最不穩(wěn)定,轉(zhuǎn)變速度最快。③

C形狀原因

過冷度和原子擴(kuò)散為兩個(gè)制約因素在A1~550℃區(qū)間,隨過冷度增大,原子擴(kuò)散較快,轉(zhuǎn)變速度較快。

550℃以下,隨過冷度增大,原子擴(kuò)散速度越來越慢,因而轉(zhuǎn)變速度減慢。第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變4.相變特點(diǎn)

①高溫轉(zhuǎn)變--P轉(zhuǎn)變(Ar1~550)A→F+Fe3C(片層相間平行排列的機(jī)械混合物)珠光體轉(zhuǎn)變是內(nèi)一個(gè)單相固溶體分解為成分相差懸殊、晶格截然不同的二相混合組織。因此轉(zhuǎn)變時(shí)必須進(jìn)行碳的更新分布和鐵的晶格重構(gòu)。這兩個(gè)過程是依靠碳原子和鐵原子的擴(kuò)散來完成的。所以，珠光體轉(zhuǎn)變是典型的擴(kuò)散性轉(zhuǎn)變。第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變分片形成機(jī)理：F是基體，F(xiàn)e3C是分散相過冷奧氏體按珠光體型方式發(fā)生轉(zhuǎn)變，通常所得產(chǎn)物為鐵素體和滲碳體交替分布的層片狀組織，隨著轉(zhuǎn)變溫度的降低，片間距愈細(xì)，即不同溫度下所得產(chǎn)物的差別是層片間距不同。采用特殊的方式冷卻，也可能得到點(diǎn)狀(小球)的滲碳體均勻分布在鐵素體的基體上，如圖所示。工程上對(duì)不同片間距的產(chǎn)物有一些習(xí)慣的稱呼。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物

珠光體的性能

不同類型的珠光體由于層片間距不同，力學(xué)性能在一個(gè)較大范圍內(nèi)變化，總體趨勢(shì)是隨著片間距的減小，材料的強(qiáng)度和硬度呈現(xiàn)上升；其塑性和韌性以索氏體為最高，它的組織比珠光體細(xì)小且分布均勻，而屈氏體因?qū)悠募?xì)小，塑性相鐵素體的可變形范圍小，強(qiáng)度最高，但塑性卻下降了。

片狀珠光體500片狀索氏體1500片狀屈氏體50001500第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變②中溫轉(zhuǎn)變—貝氏體轉(zhuǎn)變(550℃~240℃)1．基本特點(diǎn)

到500℃以下，相變的驅(qū)動(dòng)力較大，鐵的擴(kuò)散系數(shù)已經(jīng)很小，相變過程中來不及擴(kuò)散，這時(shí)碳盡管擴(kuò)散速度比高溫下小了很多，但還能在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行短距離擴(kuò)散，所以將發(fā)生混合型相變，在鋼中稱為貝氏體(Bainite)轉(zhuǎn)變。

在較大的驅(qū)動(dòng)力下，晶格中的鐵原子以切變方式，將其晶格點(diǎn)陣從面心立方改組為體心立方。這時(shí)鐵原子不改變相鄰關(guān)系，每個(gè)原子相對(duì)周圍原子發(fā)生僅為原來晶格間距幾分之一的移動(dòng)，整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。一方面原子移動(dòng)距離小，另一方面，要求所有原子同時(shí)移動(dòng)，所以變化阻力大，僅在驅(qū)動(dòng)力足夠大時(shí)才發(fā)生。碳在面心立方中的溶解度大于體心立方晶格，對(duì)切變形成了阻力，含碳量愈低，轉(zhuǎn)變愈容易。第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變A→B(F+Fe3C),其中F具有一定過飽和度

A→B上(550℃~350℃）羽毛狀

Fe3C以較粗大片狀分布在較寬的F片之間,易發(fā)生脆斷,HRC=45。A→B下(350℃~240℃）針狀

強(qiáng)韌性好,Fe3C細(xì)小,均勻分布在過飽和F針內(nèi).

第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變

在“鼻尖”到350℃的溫度范圍內(nèi)等溫，這時(shí)鐵從fcc向bcc結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)相當(dāng)大，這時(shí)碳有一定的擴(kuò)散能力，類似珠光體型轉(zhuǎn)變，在原奧氏體的晶界優(yōu)先形成F的核心，并慢慢長(zhǎng)大，在周圍聚集C到一定程度,便析出片狀或棒狀的Fe3C，斷續(xù)分布與平行而密集的鐵素體片之間.形成貝氏體。上貝氏體轉(zhuǎn)變貝氏體的生長(zhǎng)方式為從原奧氏體晶界開始，邊向奧氏體晶內(nèi)生長(zhǎng)同時(shí)不斷加寬，其組織為以?shī)W氏體晶界為干線的羽毛狀，在羽毛的毛翎之間分布著析出的Fe3C，這種碳化物存在于平行分布的鐵素體片之間的貝氏體稱為“上貝氏體”。第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變性能特點(diǎn)：在碳鋼中，上貝氏體的力學(xué)性能指標(biāo)并不好，這時(shí)的強(qiáng)度和硬度不太高，而韌性很低，工業(yè)生產(chǎn)中一般不用這種組織的材料來制造機(jī)械零件。

第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變下貝氏體轉(zhuǎn)變

在350℃到MS點(diǎn)(約230℃)的溫度區(qū)間，轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)更大，但碳的擴(kuò)散遷移能力又進(jìn)一步減慢，當(dāng)碳在小范圍內(nèi)遷移聚集時(shí)，主體的奧氏體基體就出現(xiàn)貧碳區(qū)就可以發(fā)生切變，從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。切變區(qū)一般為凸鏡狀，發(fā)展的程度在一個(gè)奧氏體晶粒之內(nèi)，再形成的在已有的貝氏體和奧氏體晶界或兩個(gè)已有的貝氏體之間。聚集的碳在轉(zhuǎn)變的鐵素體內(nèi)部形成極細(xì)小的碳化物，不一定是Fe3C，在光學(xué)顯微鏡下看不見，但它的存在會(huì)使貝氏體制樣侵蝕加快成暗色；在電子顯微鏡下可以看到它們成細(xì)片狀，這種碳化物在貝氏體內(nèi)的組織稱為“下貝氏體”。

第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變性能特點(diǎn)：下貝氏體有較高的強(qiáng)度和硬度，還有一定的韌性，即有較好的強(qiáng)韌性配合，或稱有良好的綜合力學(xué)性能。在生產(chǎn)實(shí)際中這是一種常用的狀態(tài)，但為了完成下貝氏體轉(zhuǎn)變，不能直接冷卻到室溫，需要保溫設(shè)備，并且轉(zhuǎn)變時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)的效率不高。

第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變③低溫轉(zhuǎn)變----M轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變過程

當(dāng)鋼很快冷卻到MS(共析鋼約為230℃)以下，這時(shí)碳的可遷移能力也很低，在巨大的轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力作用下，鐵以切變的方式進(jìn)行從fcc到bcc的晶格改組，形成了碳在鐵素體中的過飽和固溶體，成為“馬氏體”。

由于大量碳的過飽和，將會(huì)給這時(shí)的鐵素體帶來巨大的晶格畸變，碳原子處在的位置是體心立方的八面體間隙處，體心立方的八面體間隙是一扁形，溶入碳原子基本在一個(gè)方向變形即可，為了減小晶格畸變，碳原子大多在同樣的方向，所以馬氏體的晶格點(diǎn)陣嚴(yán)格說來已經(jīng)不是體心立方，而是體心正方，即晶格常數(shù)在一個(gè)方向被拉長(zhǎng)。如果拉長(zhǎng)的方向的晶格常數(shù)為c，另兩個(gè)方向相等為a，對(duì)于馬氏體來說，c/a的值一般在1－1.05之間。

（切變型相變）第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變切變型相變兩種形態(tài)MS→240℃

MS

HRC=62?65。第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變特點(diǎn)速度非?？熹搹膴W氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變速度非?？?，幾乎無法測(cè)量，一般認(rèn)為是以聲速發(fā)展。轉(zhuǎn)變數(shù)量不決定于保溫時(shí)間，而取決于冷卻到的溫度

當(dāng)奧氏體迅速冷卻到MS溫度以下，立即發(fā)生相應(yīng)的馬氏體轉(zhuǎn)變，繼續(xù)停留盡管還存在未轉(zhuǎn)變完的奧氏體，但馬氏體的數(shù)量并不再增加；而是隨著溫度的降低，馬氏體的數(shù)量不斷增加，一直到某一溫度Mf以后，馬氏體的數(shù)量不再增加了。因此，把MS溫度稱為鋼的馬氏體點(diǎn)，即過冷奧氏體開始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的溫度，把溫度Mf稱為馬氏體轉(zhuǎn)變的結(jié)束溫度。轉(zhuǎn)變不能進(jìn)行到底

就是冷卻到Mf溫度以下，鋼中總有一定數(shù)量的奧氏體存在不能轉(zhuǎn)變，這部分奧氏體成為殘余奧氏體，通常簡(jiǎn)記為A殘或A’。一般鋼的Mf溫度在室溫以下，快速冷卻到室溫的鋼中必然存在一定數(shù)量的殘余奧氏體。

第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變馬氏體的形態(tài)

快速冷卻得到的馬氏體，隨著原奧氏體中的含碳量的不同，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)也不相同，主要有兩大類：板條馬氏體和透鏡狀馬氏體。

板條馬氏體奧氏體中的含碳量較低時(shí)，指小于0.2%Wt時(shí)，形成的馬氏體為板條狀，也稱為低碳馬氏體。組織形貌為一個(gè)原奧氏體晶?？梢杂袔讉€(gè)板條束，在板條束中有時(shí)又可以分成幾個(gè)平行的板條塊，在板條內(nèi)分布著稠密的平行的馬氏體板條。稠密的板條之間是一層連續(xù)的高度變形的極薄的奧氏體薄膜(約20nm)，馬氏體內(nèi)有大量位錯(cuò)。第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變條狀馬氏體-低碳馬氏體、位錯(cuò)馬氏體特點(diǎn)：得到的低碳板條馬氏體過飽和度不大，位錯(cuò)的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)有較高的強(qiáng)度和韌性，具有良好的綜合力學(xué)性能。如0.2%C淬火后，HRC50、b＝1500MPa、ak＝150－180J/cm2。第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變片狀馬氏體

奧氏體的含碳量大于1.0％時(shí)，得到的馬氏體形狀呈針片狀或竹葉狀，故稱為片狀馬氏體，其立體形態(tài)是雙凸透鏡片狀，所以又稱為透鏡馬氏體或高碳馬氏體。在一個(gè)原奧氏體晶粒中，首先形成一個(gè)貫穿整個(gè)晶粒的馬氏體片，以后形成的馬氏體片尺寸受到限制，在已經(jīng)存在的馬氏體和奧氏體晶界或馬氏體片之間，越后形成的馬氏體片越小。馬氏體片之間互不平行，最后的三角區(qū)為殘余奧氏體。馬氏體的形態(tài)第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變片狀馬氏體，高碳馬氏體、孿晶馬氏體、顯微裂紋性能特點(diǎn)：得到的高碳片狀馬氏體過飽和度大，嚴(yán)重的晶格畸變產(chǎn)生大的內(nèi)應(yīng)力，大片之間易產(chǎn)生顯微裂紋。片狀馬氏體具有高的硬度和強(qiáng)度，但塑性和韌性很低。HRC60、ak＝

1J/cm2。第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變5.亞共析鋼和過共析鋼的TTT曲線

①圖形分析(與共析鋼圖形一樣)

亞共析鋼有先析出F線

過共析鋼有先析出Fe3C線

40鋼過冷,F析出受抑制,P型↑,所以不能用顯微分析判斷鋼種。

第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變

6.影響C曲線形狀和位置的因素①碳鋼

a.

C%↑

亞共析鋼,C曲線右移;

過共析鋼,C曲線左移;共析鋼,C曲線最右.

C曲線位置表示A穩(wěn)定性,C曲線越靠右,A越穩(wěn)定

b.

C%↑，MS↓、Mf↓,C曲線下移。。

第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變②合金鋼

a.A中含Co、大于2.5%的Al,C曲線左移,其它均會(huì)使C曲線右移,A穩(wěn)定性升高,還有一些Me的存在會(huì)使C形狀變化,如Cr、W、Mo；

b.

Me

存在也會(huì)影響MS、

Mf點(diǎn)；③加熱因素

t

℃↑、

τ↑,

C曲線右移,A越穩(wěn)定,且晶粒粗化三、連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變C曲線(CCT圖)1.無B轉(zhuǎn)變,因冷卻速度快,無孕育期；

2.圖形特點(diǎn):與TTT基本一致,位置稍

偏右下；

3.連續(xù)冷卻A轉(zhuǎn)變特點(diǎn):

①晶粒粗細(xì)不等,組織為混合組織;

②臨界冷卻溫度:獲得完全M組織

的最小冷卻速度,或與轉(zhuǎn)變開始線

相切的冷卻速度。

由于生產(chǎn)中連續(xù)冷卻曲線不易獲

得,所以通常將冷卻速度線疊加到

等溫轉(zhuǎn)變C曲線(TTT圖)上,來大致

估計(jì)冷卻后獲得什么組織.

第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變四、TTT圖與CCT圖的比較第三節(jié)鋼的整體熱處理一、退火定義：將鋼加熱到臨界點(diǎn)以上，保溫一定時(shí)間然后緩慢冷卻(爐冷、坑冷、灰冷)到600°C以下再空冷。這樣一種熱處理工藝，稱為退火(也叫燜火)。退火的目的：1．降低硬度，提高切削加工性2．提高塑性，便于冷變形加工3．消除組織缺陷，改善性能4．淬火過熱返修品，須經(jīng)退火消除過熱影響，再重新淬火。這對(duì)于高速鋼的返修淬火件尤其重要。5．消除鑄造偏析、使化學(xué)成分均勻化6．脫除氫氣防止白點(diǎn)7．消除應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸退火工藝：1.完全退火2.等溫退火3.球化退火4.去應(yīng)力退火5.均勻化退火第三節(jié)鋼的整體熱處理第三節(jié)鋼的整體熱處理第三節(jié)鋼的整體熱處理第三節(jié)鋼的整體熱處理

二、正火定義：將鋼加熱到上臨界點(diǎn)(Ac3、Accm。)以上，進(jìn)行完全奧氏體化，然后在空氣中冷卻（夏天有時(shí)需吹風(fēng)或噴霧），這種熱處理工藝，稱為正火，也叫“?；?。正火的目的

1．細(xì)化組織，消除熱加工造成的過熱缺陷，使組織正?；?/p>

2．用于低碳鋼(C＜0.3％)，提高硬度，改善切削加工性。由低碳鋼退火后硬度太低，切削加工中易“粘刀”，且光潔度很差。通過正火增加珠光體的彌散度和偽共析量,同時(shí)減少自由鐵素體，以使硬度提高，便于切削加工。

3．用于中碳鋼，代替調(diào)質(zhì)處理，為高頻淬火作組織準(zhǔn)備，可以減少調(diào)質(zhì)淬火造成的變形，并且大大降低成本。

4．用于高碳鋼，消除網(wǎng)狀碳化物，便予球化退火。

5．用于大件熱處理，代替淬火。

6．用于鑄鐵件，增加基體的珠光體量，提高強(qiáng)度和耐磨性。

7．用于淬火返修品，可消除過熱影響，以便重新淬火。

8．不太重要的工件在正火狀態(tài)使用，性能有所提高。鋼中含碳越多，正火狀態(tài)的強(qiáng)度和硬度越高于退火狀態(tài)。正火工藝參數(shù)正火加熱溫度的通式如下:低碳鋼：T=Ac3+(100—150)°C；中碳鋼：T=Ac3+(50一100)°C；高碳鋼：T＝Acm+(30—50)°C。第三節(jié)鋼的整體熱處理三、淬火定義：將鋼加熱到臨界點(diǎn)以上，保溫一定時(shí)間，然后在水或油等冷卻介質(zhì)中快速冷卻，這種熱處理工藝稱為淬火。淬火的目的：1．提高硬度和耐磨性；2.提高彈性；3．提高強(qiáng)韌性；4．提高硬磁性(永磁性)；5．提高耐蝕性和耐熱性第三節(jié)鋼的整體熱處理三、淬火1.淬火加熱溫度的選定（1）亞共析鋼加熱溫度

Ac3+（30?50）C（2）過共析鋼加熱溫度

Ac1+（30?50）C第三節(jié)鋼的整體熱處理三、淬火第三節(jié)鋼的整體熱處理2.淬火加熱時(shí)間的確定=KD為加熱系數(shù)，與鋼種和加熱介質(zhì)有關(guān)；K為裝爐量有關(guān)的系數(shù)，K=1-1.5；D為有效工件厚度。3.淬火介質(zhì)三、淬火第三節(jié)鋼的整體熱處理3.淬火介質(zhì)（1）水（2）鹽水、堿水（3）油（4）其他淬火介質(zhì)第三節(jié)鋼的整體熱處理4.淬火方法（1）單液淬火（2）雙介質(zhì)淬火（3）貝氏體等溫淬火（4）馬氏體分級(jí)淬火（5）深冷處理三、淬火各種淬火方法示意圖1—單液淬火法2—雙液淬火法3—分級(jí)淬火法4—等溫淬火法第三節(jié)鋼的整體熱處理5.淬火工件易出現(xiàn)的問題及其預(yù)防（1）淬火后硬度不足或不均勻①冷速不夠或不均勻;②脫碳;③加熱溫度低于AC3或保溫不足.（2）工件變形及開裂熱應(yīng)力和相變應(yīng)力三、淬火6.鋼的淬透性與淬硬性淬透性是鋼的一種熱處理工藝性能,它表示鋼在淬火時(shí)所能得到的淬硬層深度。同樣形狀尺寸的工件，用不同的鋼制造，在同樣條件下淬火,淬硬層較深的，即淬透性較好,淬硬層較薄的，則淬透性較差。通常把淬火鋼從表面到馬氏體組織占50％處的距離成為淬硬層深度。實(shí)際淬硬層的深度除了與材料本身有關(guān)外，還與試樣的大小、冷卻方式有密切的關(guān)系。淬硬性是指正常淬火條件下獲得馬氏體組織所能達(dá)到的最高硬度。主要取決于馬氏體的含碳量，而與合金元素關(guān)系不大。第三節(jié)鋼的整體熱處理影響淬透性的因素鋼的淬透性好壞取決于鋼的過冷奧氏體的穩(wěn)定性，即C曲線上的臨界冷卻速度?？偟膩碚f有：鋼的含碳量，共析鋼的淬透性最高；合金元素中除Co外，絕大部分都使C曲線右移，提高淬透性；鋼的成分組織不均勻，或因含有某些微量雜質(zhì)，組成第二相質(zhì)點(diǎn)存在，可促使奧氏體分解，降低鋼的淬透性；奧氏體化的溫度、時(shí)間參數(shù)影響奧氏體的均勻性和穩(wěn)定性，影響淬透程度，但這不全部為材料特征。

第三節(jié)鋼的整體熱處理第三節(jié)鋼的整體熱處理淬透性的測(cè)定方法

目前普遍采用的是“末端淬火法”(簡(jiǎn)稱端淬)方法，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB225－63執(zhí)行。

將φ25X100的試樣加熱奧氏體化后，迅速放在專門的設(shè)備中噴水冷卻。噴水條件：噴水管孔直徑φ12.5，水溫23－30℃，自由水柱高度65±5℃，噴水口到端面距離12.5mm。測(cè)量出到端面不同距離的硬度，作出硬度－距離曲線，即淬透性曲線。

淬透性的表示方法：，其中J表示端淬法，HRC為硬度，d到端面的距離。例如，。不同鋼的淬透性帶在相關(guān)手冊(cè)中可以查到。

第三節(jié)鋼的整體熱處理四、回火

將淬火鋼重新加熱到A1點(diǎn)以下的預(yù)定溫度，保溫預(yù)定時(shí)間，然后冷卻下來這種熱處理操作稱為“回火”。

回火目的：

1）消除應(yīng)力，降低脆性；

2）穩(wěn)定工件尺寸；

3）調(diào)整性能；第三節(jié)鋼的整體熱處理四、回火1.淬火鋼回火時(shí)的組織和性能變化

淬火后的鋼組織為馬氏體加殘余奧氏體，都是不穩(wěn)定組織，本身有向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，回火的加熱和保溫僅僅是加速這一過程的發(fā)展，是轉(zhuǎn)變發(fā)生的熱處理階段。

1)馬氏體的分解（200℃以下）

回火時(shí)馬氏體中過飽和的碳發(fā)生短距離的遷移，形成極細(xì)的ε碳化物(Fe2.4C)，以薄片存在馬氏體片中，這種組織稱為回火馬氏體，馬氏體中碳的過飽和度下降，晶格從體心正方向體心立方發(fā)展，殘余奧氏體基本未發(fā)生變化。

2)殘余奧氏體的分解（200－300℃）

馬氏體向回火馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，由于壓應(yīng)力的減小，殘余奧氏體發(fā)生分解生產(chǎn)下貝氏體?；鼗瘃R氏體的組織與下貝氏體非常相象，難區(qū)分，分統(tǒng)一稱為回火馬氏體。碳化物在光學(xué)顯微鏡下是不可見的，組織形貌有原來亮白色變?yōu)榛野瞪?)回火屈氏體的形成（250－400℃）

這時(shí)碳的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)能力有所加強(qiáng)，過渡碳化物轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定滲碳體，鐵素體的過飽和度明顯減少，內(nèi)應(yīng)力大大消除，碳化物和母相的共格關(guān)系消失，原馬氏體片的外形不清晰，大約到400℃全部完成，這時(shí)的組織為在鐵素體上均勻分布極細(xì)的滲碳體，稱為“回火屈氏體”。在光學(xué)顯微鏡下，可以看到部分殘存的原馬氏體的痕跡，但看不到碳化物，組織幾乎為一片黑。

第三節(jié)鋼的整體熱處理回火組織第三節(jié)鋼的整體熱處理回火組織

微觀組織分析結(jié)果：隨著回火溫度的升高，馬氏體在150－400℃變化明顯；殘余奧氏體200℃開始分解，300℃消失；內(nèi)應(yīng)力不斷減小，450℃基本消失；碳化物成分向滲碳體過渡，尺寸不斷增大，超過600℃會(huì)明顯加速生長(zhǎng)。

硬度在200℃以下變化不明顯，以后隨溫度的上升而下降，強(qiáng)度也如此。塑性隨回火溫度提高而提高,到超過600℃因碳化物過大會(huì)下降；韌性變化的趨勢(shì)隨回火溫度的提高而提高，直到600℃附近最大而隨后下降，此外在350℃附近有一低谷。

第三節(jié)鋼的整體熱處理性能2.回火脆性

第一類回火脆性

普通碳鋼的韌性在300－350℃附近有一低谷，稱為回火脆性。細(xì)小薄片狀過渡碳化物和剛形成的滲碳體在馬氏體的板條邊界或馬氏體片面的邊界析出，硬而脆的碳化物割裂了基體的連續(xù)性使鋼的韌性下降，殘余奧氏體分解的應(yīng)力加重了脆性的程度，這種在回火時(shí)韌性出現(xiàn)谷值的現(xiàn)象成為“回火脆性”。所有的鋼幾乎都存在第一類回火脆性，因此一般應(yīng)避免在250－400℃進(jìn)行回火。彈簧鋼加一定的合金元素來改變第一類回火脆性出現(xiàn)的溫度范圍。

第三節(jié)鋼的整體熱處理第三節(jié)鋼的整體熱處理

第二類回火脆性對(duì)于含Ni、Cr、Mn的鋼在450－600℃時(shí)，也出現(xiàn)韌性下降現(xiàn)象，其原因有多種說法，主要認(rèn)為是回火后冷卻時(shí)，雜質(zhì)元素在晶界的偏聚，這個(gè)現(xiàn)象稱為第二類回火脆性。第二類回火脆性僅在部分材料中發(fā)生，并且回火后采用快速冷卻可以抑制其發(fā)生，因此對(duì)具有第二類回火脆性的鋼在高溫回火后必須采用快速冷卻。3.回火種類及其應(yīng)用

低溫回火

回火溫度為150－250℃，得到的組織為回火馬氏體，保留淬火時(shí)的高硬度，消除淬火的殘余應(yīng)力。這時(shí)鋼有好的耐磨性，常用于軸承、冷作模具的熱處理，回火溫度低于200℃時(shí)，硬度可達(dá)到58－64HRC。

中溫回火

回火溫度為350－500℃，得到的組織是回火屈氏體，在具有一定韌性的同時(shí)，有高的彈性極限和屈服強(qiáng)度。主要用于彈簧類和要求較高強(qiáng)度硬度又要一定韌性的工件，如刀桿、軸套等。

第三節(jié)鋼的整體熱處理第三節(jié)鋼的整體熱處理

高溫回火

回火溫度為500－650℃，得到的組織是回火索氏體，目的是使鋼得到強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性有良好配合的綜合力學(xué)性能，尤其是沖擊韌性高，且可以直接進(jìn)行機(jī)械加工。淬火后進(jìn)行高溫回火的工藝通常稱為“調(diào)質(zhì)”處理。主要用于承受較大應(yīng)力，特別是有沖擊應(yīng)力場(chǎng)合下的結(jié)構(gòu)零件，如各種軸、連桿、齒輪等，對(duì)具有第二類回火脆性的鋼注意回火后應(yīng)在水或油中冷卻。3.回火種類及其應(yīng)用

第四節(jié)鋼的表面熱處理

機(jī)械零件在服役時(shí)，常常要求表面與心部具有不同的力學(xué)性能，能更好的發(fā)揮材料的潛力作用。例如在機(jī)械中常用的齒輪，表面承受巨大的接觸應(yīng)力，希望有高的硬度來提高其耐磨性和接觸疲勞抗力，同時(shí)又要傳遞動(dòng)力，齒部經(jīng)受彎曲疲勞，要求材料有高的韌性，但一般材料當(dāng)硬度高時(shí)韌性就差，然而若材料表面具有高硬度，心部有高的韌性就可以兼顧二者的需求，內(nèi)燃機(jī)的曲軸也是同樣的情況，傳遞動(dòng)力且軸頸處耐磨。達(dá)到材料表面和心部具有不同性能的方法可能多種，一種是相同的材料，表面和心部經(jīng)過不同方式的熱處理；另一種方法是通過改變材料表面成分的方法來達(dá)到具有不同的性能，以下分別介紹之。

引言第四節(jié)鋼的表面熱處理1.基本原理：首先對(duì)零件進(jìn)行整體熱處理，讓零件心部達(dá)到要求的性能，例如軸、機(jī)床齒輪類，先進(jìn)行調(diào)質(zhì)，再利用快速加熱的方法，只將工件的部分表層奧氏體化，然后淬火。表面淬火不改變材料的化學(xué)成分，只表面獲得馬氏體組織，得到強(qiáng)化和硬化心部組織并不發(fā)生變化，保持高的韌性。2.淬火組織：加熱時(shí)，從表面到心部的溫度不同，淬火后在組織也不同，最表層加熱溫度到Ac3以上，為細(xì)小的馬氏體，可能有少量未溶的鐵素體；次表層的溫度在Ac1－Ac3之間，加熱組織為鐵素體加奧氏體，淬火組織為鐵素體加馬氏體或鐵素體加屈氏體；里層溫度在Ac1以下，未奧氏體化，不可能形成馬氏體，心部依然保留原始組織。一、表面淬火

第四節(jié)鋼的表面熱處理3.加熱方法：

將工件置于中頻或高頻(500－500KHz)的交變磁場(chǎng)中，在工件上有感應(yīng)電流，由于電流的集膚效應(yīng)，電流集中于表層，大的電流產(chǎn)生的熱量將工件表面迅速達(dá)到800－1000℃，然后迅速置于水中或噴水冷卻，達(dá)到表層淬硬的結(jié)果。由于加熱速度快，溫度高，奧氏體晶粒細(xì)，硬度高于普通淬火硬度2－3HRC，象45、40Cr、40MnB經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)后表面淬火，表層硬度大于50HRC。感應(yīng)加熱表面淬火：3.加熱方法：感應(yīng)加熱表面淬火：

利用目測(cè)或用光學(xué)比色溫溫度計(jì)來測(cè)溫，以表面達(dá)到要求的溫度來決定加熱的時(shí)間，因此在工藝性方面有一定的波動(dòng)；感應(yīng)功率越大，頻率越高，淬硬層越淺。如20－500KHz獲得的淬硬層＜2mm，而0.5－10Khz下淬硬層為2－6mm。此外感應(yīng)圈的形狀和結(jié)構(gòu)對(duì)淬火質(zhì)量也有很大的影響。火焰加熱表面淬火：

用氧－乙炔(或其他燃料氣)的高溫火焰，可達(dá)近3000℃，快速加熱工件的表面，使表層迅速達(dá)到淬火溫度，噴水冷卻，也能達(dá)到表面淬火的目的。根據(jù)操作者控制，淬硬層深度可在0.8－6mm范圍。優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、方便、價(jià)廉，特別是大型工件，但質(zhì)量的控制完全決定于操作者。第四節(jié)鋼的表面熱處理二、化學(xué)熱處理簡(jiǎn)介

化學(xué)熱處理概念：化學(xué)熱處理是指將材料置于一定的化學(xué)介質(zhì)中加熱、保溫，使介質(zhì)中一種或幾種元素的原子滲入工件表層，以改變工件表層化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，來獲得心部和表層兼顧有不同性能要求的熱處理方法。

過程：介質(zhì)分解出活性原子介質(zhì)加熱分解釋放出待滲元素的活性原子