第九章钢热处理原理

1、2021-11-41第九章钢的热处理原理2021-11-42 钢的热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定钢的热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。 热处理原理包括钢的加热转变、珠光体转变、马氏体转变、热处理原理包括钢的加热转变、珠光体转变、马氏体转变、贝氏体转变和回火转变。贝氏体转变和回火转变。 钢能进行热处理，固态下应有相变，或有溶解度的变化，固钢能进行热处理，固态下应有相变，或有溶解度的变化，固态下不发生相变的纯金属或合金不能用热处理强化。态下不发生相变的纯金属或合金不能

2、用热处理强化。 通过热处理可以改变钢的内部组织结构，从而改善其工艺通过热处理可以改变钢的内部组织结构，从而改善其工艺性能和使用性能，充分挖掘钢材的潜力，延长零件的使用寿命，性能和使用性能，充分挖掘钢材的潜力，延长零件的使用寿命，提高产品质量，节约材料和能源。提高产品质量，节约材料和能源。钢中组织转变的规律是热处理的理论基础，称为钢中组织转变的规律是热处理的理论基础，称为热处理原理热处理原理。9.19.1、概、概 述述2021-11-43钢为什么能够进行热处理？钢为什么能够进行热处理？原则上只有在加热或冷却时发生原则上只有在加热或冷却时发生溶解度的显著变化溶解度的显著变化或发生或发生固态固态相变

3、相变的合金才能进行热处理。的合金才能进行热处理。根据根据Fe-FeFe-Fe3 3CC相图，相图，钢在高温和低温时具有不同的结构状态钢在高温和低温时具有不同的结构状态： 共析钢在加热和冷却过程中经过共析钢在加热和冷却过程中经过PSKPSK线线（A A1 1）时，发生时，发生珠光体珠光体和和奥氏体奥氏体之间的相互转变；之间的相互转变；亚共析钢经过亚共析钢经过GSGS线线（A A3 3）时，发生时，发生铁素体铁素体与与奥氏体奥氏体之间的相互之间的相互转变；转变；过共析钢经过过共析钢经过ESES线（线（A Acmcm）时，发生）时，发生渗碳体渗碳体与与奥氏体奥氏体之间的相互之间的相互转变。转变。钢在

4、加热和冷却过程中越过上述临界点就要发生固态相变，所以能钢在加热和冷却过程中越过上述临界点就要发生固态相变，所以能进行热处理。进行热处理。2021-11-44 9.29.2、 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 钢在冷却时发生的固态转变钢在冷却时发生的固态转变(P(P、B B、M) M) ，其母相均为奥氏体。，其母相均为奥氏体。奥氏体组织的状况（如成分、均匀程度、晶粒大小等）直接影响冷奥氏体组织的状况（如成分、均匀程度、晶粒大小等）直接影响冷却转变过程以及转变产物的组织和性能，因此，研究加热时奥氏体却转变过程以及转变产物的组织和性能，因此，研究加热时奥氏体的形成过程具有重要的意义。的形成过程具有重

5、要的意义。 奥氏体奥氏体平衡温度平衡温度 由由Fe-FeFe-Fe3 3CC相图可知相图可知 共析钢加热到共析钢加热到A A1 1以上以上亚共析钢亚共析钢 A A3 3以上以上过共析钢过共析钢 A Acmcm以上以上2021-11-45 冷冷 却却A Ar1r1： A P A P 开始温度开始温度A Ar3r3： A A 开始温度开始温度A Arcmrcm： A FeA Fe3 3CC开始温度开始温度 加加 热热 A Ac1c1： P A P A 开始温度开始温度A Ac3c3： A A 终了温度终了温度A Accmccm： FeFe3 3CC A A 终了温度终了温度 实际加热或冷却时组织转

6、变会产生滞后现象，实际加热或冷却时组织转变会产生滞后现象，加热和冷却速度加热和冷却速度越快，滞后现象将越加严重。越快，滞后现象将越加严重。 加热和冷却速度为加热和冷却速度为0.1250.125min min 时对临界温度的影响时对临界温度的影响2021-11-46当温度等于当温度等于A A1 1时，珠光体与奥时，珠光体与奥氏体的自由能相等。只有当氏体的自由能相等。只有当温度高温度高于于A A1 1时时，珠光体向奥氏体转变的驱，珠光体向奥氏体转变的驱动力才能克服界面能和应变能的相动力才能克服界面能和应变能的相变阻力，使奥氏体的自由能低于珠变阻力，使奥氏体的自由能低于珠光体的自由能，奥氏体才能自发

7、形光体的自由能，奥氏体才能自发形核。核。奥氏体形成的热力学条件奥氏体形成的热力学条件珠光体和奥氏体的自由能随珠光体和奥氏体的自由能随温度变化的曲线温度变化的曲线奥氏体形成时系统总的自由能变化为：奥氏体形成时系统总的自由能变化为：G=GG=GV V+G+GS S+G+Ge e式中，式中，GGV V为新相奥氏体与母相之间的体积自由能差；为新相奥氏体与母相之间的体积自由能差；GGS S为形成奥氏体为形成奥氏体时所增加的界面能；时所增加的界面能；GGe e为形成奥氏体时所增加的应变能。其中，为形成奥氏体时所增加的应变能。其中，GGV V是是奥氏体转变的驱动力，奥氏体转变的驱动力，GGS S与与GGe

8、e是相变的阻力是相变的阻力。GGp pGG 2021-11-471. 1. 奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程 获得所需要的组织和性能，多数工艺都须先将钢加热至单相奥获得所需要的组织和性能，多数工艺都须先将钢加热至单相奥氏体，然后再以适当方式氏体，然后再以适当方式( (或速度或速度) )冷却，以获得所需要的组织和性冷却，以获得所需要的组织和性能。能。 FeFe3 3CC6.696.69复杂晶格复杂晶格-Fe-Fe0.02180.0218bcc bcc -Fe-Fe0.770.77fccfcc+共析钢为例共析钢为例 共析钢的奥氏体化过程包括以下四个阶段共析钢的奥氏体化过程包括以下四个阶段 钢加热获

9、得奥氏体的转变过程，称为奥氏体化过程。钢加热获得奥氏体的转变过程，称为奥氏体化过程。P P2021-11-48(1) (1) 奥氏体的形核奥氏体的形核 优先在铁素体和渗碳体优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成，此处能量的相界面上形成，此处能量较高，容易获得奥氏体形核较高，容易获得奥氏体形核所需要的浓度起伏、结构起所需要的浓度起伏、结构起伏和能量起伏。伏和能量起伏。(2) (2) 奥氏体晶核长大奥氏体晶核长大 奥氏体晶核形成后即开始长大，奥氏体晶核形成后即开始长大，长大机制如下长大机制如下 A A与与F F相邻的边界处的碳浓度为相邻的边界处的碳浓度为CC-，A A与与FeFe3 3CC相邻的边界处

10、的碳相邻的边界处的碳浓度为浓度为CC-c-c 。2021-11-49 当铁素体全部转变为奥氏体时，可以当铁素体全部转变为奥氏体时，可以认为，奥氏体的长大即完成。认为，奥氏体的长大即完成。 但此时仍有部分渗碳体尚未溶解残留但此时仍有部分渗碳体尚未溶解残留在奥氏体中，这时奥氏体的平均碳浓度低在奥氏体中，这时奥氏体的平均碳浓度低于共析成分。于共析成分。 CC-c-c C C- ，A A中出现碳的浓度梯中出现碳的浓度梯度，引起碳在度，引起碳在A A中的扩散，逐渐长大。中的扩散，逐渐长大。 在铁素体内，在铁素体内，CC-c-cCC- ，促，促进奥氏体长大。进奥氏体长大。 未溶未溶FeFe3 3CCAA2

11、021-11-410(3) (3) 剩余渗碳体溶解剩余渗碳体溶解(4) (4) 奥氏体成分均匀化奥氏体成分均匀化 长大与碳的扩散和相界面碳浓度差有关。由长大与碳的扩散和相界面碳浓度差有关。由于于F F与与A A界面的浓度差界面的浓度差 (C(C-一一CC-) )远小于远小于A A与与CCmm界面的浓度差界面的浓度差(C(CFe3CFe3C一一CC-c-c) )，因此，因此，FAFA转变远转变远比比FeFe3 3CC溶解速度快。溶解速度快。F F总是首先消失。随后剩余总是首先消失。随后剩余FeFe3 3CC通过扩散，不断溶人通过扩散，不断溶人A A中，使中，使A A碳浓度逐渐碳浓度逐渐趋于共析成

12、分。趋于共析成分。 一旦渗碳体全部溶解，这一阶段便告结束一旦渗碳体全部溶解，这一阶段便告结束。 剩余渗碳体全部溶解后，剩余渗碳体全部溶解后，A A中的碳浓度中的碳浓度仍是不均匀的。只有继续延长保温时间或升仍是不均匀的。只有继续延长保温时间或升温，通过碳原子的扩散，才能使温，通过碳原子的扩散，才能使A A碳浓度逐碳浓度逐渐趋于均匀化，最后得到均匀的单相奥氏体。渐趋于均匀化，最后得到均匀的单相奥氏体。 A A形成过程全部完成。形成过程全部完成。AA未溶碳化物未溶碳化物2021-11-411 亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同，亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同，当加

13、热温度仅超过当加热温度仅超过A AC1C1时，只能使原始组织中的珠光体转变为奥时，只能使原始组织中的珠光体转变为奥氏体，仍会保留一部分先共析铁素体或先共析渗碳体。氏体，仍会保留一部分先共析铁素体或先共析渗碳体。 这种奥氏体化过程被称为这种奥氏体化过程被称为 “ “部分奥氏体化部分奥氏体化”或或“不完全奥不完全奥氏体化氏体化”。 只有当加热温度超过只有当加热温度超过A AC3C3或或A Accmccm，并保温足够的时间，才，并保温足够的时间，才能获得均匀的单相奥氏体，这又被称为是非共析钢的能获得均匀的单相奥氏体，这又被称为是非共析钢的“完全奥完全奥氏体化氏体化”。2021-11-4122. 2.

14、 奥氏体的形成速度奥氏体的形成速度 共析钢的奥氏体等温形成图共析钢的奥氏体等温形成图珠光体向奥氏体转变开始珠光体向奥氏体转变开始珠光体向奥氏体转变刚刚结束珠光体向奥氏体转变刚刚结束奥氏体均奥氏体均匀化完成匀化完成剩余渗碳体剩余渗碳体溶解完毕溶解完毕孕育期孕育期 A AC1C1以上某温度等温时，奥以上某温度等温时，奥氏体需要一定时间后才开始形成，氏体需要一定时间后才开始形成，这段时间称为孕育期。这段时间称为孕育期。 温度温度 孕育期孕育期 为获得同一状态，可用低为获得同一状态，可用低温长时间温长时间 V V1 1，也可用高温短，也可用高温短时间时间 V V2 2加热。加热。 亚共析钢或过共析钢亚

15、共析钢或过共析钢 ，当珠光体全部转变成奥氏体当珠光体全部转变成奥氏体后，还有过剩相铁素体或渗后，还有过剩相铁素体或渗碳体的继续转变。碳体的继续转变。 2021-11-413亚共析钢或过共析钢奥氏体等温形成图亚共析钢或过共析钢奥氏体等温形成图当珠光体全部转变为奥氏体后，还有当珠光体全部转变为奥氏体后，还有过剩相铁素体或渗碳体的继续转过剩相铁素体或渗碳体的继续转变变，也需要碳原子在奥氏体中的扩散及奥氏体与过剩相之间相界面的推移，也需要碳原子在奥氏体中的扩散及奥氏体与过剩相之间相界面的推移来进行。与共析钢相比，过共析钢的渗碳体溶解和奥氏体的均匀化所需时来进行。与共析钢相比，过共析钢的渗碳体溶解和奥氏

16、体的均匀化所需时间要长得多。间要长得多。 亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢2021-11-4143. 3. 影响奥氏体形成速度的因素影响奥氏体形成速度的因素 奥氏体形成是形核和长大过程，整个过程受原子扩散所控制。因此，奥氏体形成是形核和长大过程，整个过程受原子扩散所控制。因此，一切影响扩散、形核与长大的因素都影响奥氏体的形成速度。一切影响扩散、形核与长大的因素都影响奥氏体的形成速度。 主要影响因素有加热温度、原始组织和化学成分等。主要影响因素有加热温度、原始组织和化学成分等。 （1 1）加热温度的影响）加热温度的影响 PAPA转变是扩散相变过程，随加热温度转变是扩散相变过程，随加热温度，原子扩

17、散系数，原子扩散系数，特别是碳在特别是碳在A A中的扩散系数中的扩散系数，加快了，加快了A A的形核和长大速度；的形核和长大速度； A A中的碳浓度差中的碳浓度差，浓度梯度，浓度梯度，故原子扩散速度，故原子扩散速度； A A与与P P的自由能差的自由能差，相变驱动力，相变驱动力GvGv，A A的形核率和长大速的形核率和长大速度急剧度急剧，因此，转变的孕育期和转变所需时间显著，因此，转变的孕育期和转变所需时间显著，加热温度，加热温度越高，转变孕育期和完成转变的时间越越高，转变孕育期和完成转变的时间越。 影响奥氏体形成速度的各种因素中，温度是一个最主要的因素。影响奥氏体形成速度的各种因素中，温度是

18、一个最主要的因素。 2021-11-415（2 2）原始组织的影响）原始组织的影响 化学成分相同时，随原始组织中碳化物分散度的化学成分相同时，随原始组织中碳化物分散度的，F F和和FeFe3 3CC相界面增多，相界面增多，A A的形核率的形核率； 且且P P片层间距片层间距，使，使A A中碳浓度梯度中碳浓度梯度，碳的扩散距离，碳的扩散距离，都，都使使A A的长大速度的长大速度。 因此，钢的原始组织越细，形成速度越快。因此，钢的原始组织越细，形成速度越快。 （3 3）化学成分的影响）化学成分的影响 a)a)含碳量越高，奥氏体的形成速度越快。含碳量越高，奥氏体的形成速度越快。 随含碳量增加，随含碳

19、量增加，FeFe3 3CC量量，F F和和FeFe3 3CC相界面积相界面积，A A的形核部位的形核部位，增大了增大了A A的形核率；的形核率； 碳化物数量碳化物数量，又使碳的扩散距离，又使碳的扩散距离，碳浓度梯度，碳浓度梯度； 随随A A中含碳量中含碳量，碳和铁原子的扩散系数将，碳和铁原子的扩散系数将，从而增大，从而增大A A的长大速的长大速度。度。2021-11-416b)b)合金元素的影响合金元素的影响 影响碳在影响碳在A A中的扩散速度中的扩散速度 碳化物形成元素碳化物形成元素( (如如CrCr、MoMo、WW、V V、Ti Ti等等) )大大减小了碳在大大减小了碳在A A中的扩中的扩

20、散速度，故显著减慢了散速度，故显著减慢了A A的形成速度。的形成速度。 非碳化物形成元素非碳化物形成元素( (如如CoCo、NiNi等等) )能增加碳在能增加碳在A A中的扩散速度，因而，中的扩散速度，因而，加快了加快了A A的形成速度。的形成速度。 而而Si Si、A1A1、MnMn等元素对碳在等元素对碳在A A中的扩散速度影响不大，故对中的扩散速度影响不大，故对A A形成形成速度无明显影响。速度无明显影响。 改变钢的临界温度改变钢的临界温度 改变了改变了A A转变时的过热度，从而改变了转变时的过热度，从而改变了A A与与P P的自由能差，因此改变的自由能差，因此改变了了A A的形成速度。的

21、形成速度。 如如NiNi、MnMn、CuCu等降低等降低A A1 1点，相对增大过热度，将增大点，相对增大过热度，将增大A A的形成速的形成速度。度。 CrCr、MoMo、WW、V V、Si Si等提高等提高A A1 1点，相对地降低过热度，将减慢点，相对地降低过热度，将减慢A A的的形成速度。形成速度。 2021-11-417 在在F F和和CCmm中分布不均匀中分布不均匀 平衡组织中，平衡组织中，CrCr、MoMo、WW、V V、Ti Ti等主要集中于碳化物中，而等主要集中于碳化物中，而NiNi、Si Si、AlAl等非碳化物形成元素主要存在于等非碳化物形成元素主要存在于F F中。中。 奥

22、氏体后，碳与合金元素在钢中分布仍是极不均匀的，因此，合奥氏体后，碳与合金元素在钢中分布仍是极不均匀的，因此，合金钢的金钢的A A均匀化过程，除了碳在均匀化过程，除了碳在A A中的均匀化外，还包括了合金元素的中的均匀化外，还包括了合金元素的均匀化。均匀化。 相同条件下，合金元素在相同条件下，合金元素在A A中的扩散速度比碳的扩散速度慢中的扩散速度比碳的扩散速度慢10103 3- -10104 4倍。同时碳化物形成元素强烈阻碍碳的扩散，因此，合金钢倍。同时碳化物形成元素强烈阻碍碳的扩散，因此，合金钢A A化要化要比碳钢缓慢得多。比碳钢缓慢得多。 合金钢热处理时，加热温度要比碳钢高，保温时间也需要延

23、长。合金钢热处理时，加热温度要比碳钢高，保温时间也需要延长。特别是高合金钢，如特别是高合金钢，如W18Cr4VW18Cr4V高速钢的淬火温度需要提高到高速钢的淬火温度需要提高到1270127012801280，超过，超过A Aclcl(820-840)(820-840)数百度。数百度。2021-11-4184. 4. 奥氏体的晶粒大小及其影响因素奥氏体的晶粒大小及其影响因素 A A形成后继续加热或保温，晶粒将长大，在热力学上是一种自发趋势。形成后继续加热或保温，晶粒将长大，在热力学上是一种自发趋势。加热时形成的加热时形成的A A晶粒大小，对钢的冷却转变及转变产物的组织和性能都有晶粒大小，对钢的

24、冷却转变及转变产物的组织和性能都有重要的影响。重要的影响。（1 1）晶粒大小的表示方法）晶粒大小的表示方法 用直接测量的晶粒平均面积或直径，也可用单位体积或单位面用直接测量的晶粒平均面积或直径，也可用单位体积或单位面积内含有的晶粒个数来表示。积内含有的晶粒个数来表示。 N = 2 N = 2G-1G-1GG：晶粒度级别，：晶粒度级别，N N：100100倍时每平方英寸（倍时每平方英寸（645.16mm645.16mm2 2）面积内的晶粒个数。）面积内的晶粒个数。实际生产中常用晶粒度级别实际生产中常用晶粒度级别G G 表示，其与晶粒尺寸的关系为：表示，其与晶粒尺寸的关系为：2021-11-419

25、奥氏体晶粒的形成和显示方法由国家标准规定：奥氏体晶粒的形成和显示方法由国家标准规定： 有铁素体网法、渗碳法、直接淬火法等。有铁素体网法、渗碳法、直接淬火法等。 直接淬火法规定，碳含量直接淬火法规定，碳含量1.00%1.00%以下除另有规定，一般碳含量以下除另有规定，一般碳含量0.35%0.35%时，将试样加热到时，将试样加热到9009001010，保温，保温1 1小时后淬火；碳含小时后淬火；碳含量量0.35%0.35%时，加热到时，加热到8608601010，保温，保温1 1小时后淬火，以获得马小时后淬火，以获得马氏体组织，然后测定奥氏体晶粒度。氏体组织，然后测定奥氏体晶粒度。 比较法：用标准

26、系列评级图进行比较确定，用比较法：用标准系列评级图进行比较确定，用100100倍观察，倍观察， 5 5级为粗晶粒，级为粗晶粒，55级为细晶粒。级为细晶粒。 可定为半级。可定为半级。 测定方法有比较法、面积法、结点法等。测定方法有比较法、面积法、结点法等。2021-11-420 起始晶粒度：起始晶粒度：A A转变刚刚完成时的晶粒大小。转变刚刚完成时的晶粒大小。 实际晶粒度：在某一具体的加热条件下获得的实际晶粒度：在某一具体的加热条件下获得的A A晶粒大小。晶粒大小。 本质晶粒度：表示钢在一定条件下本质晶粒度：表示钢在一定条件下A A晶粒长大的倾向性。晶粒长大的倾向性。 （2 2） 奥氏体晶粒度的

27、概念奥氏体晶粒度的概念 900900土土1010加热，保温加热，保温1h1h后测定的后测定的A A晶粒大小称为本质晶粒度。晶粒大小称为本质晶粒度。 随加热温度升高，奥氏体晶粒迅速长随加热温度升高，奥氏体晶粒迅速长大大，称为，称为本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢；在在930930以下，随温度升高，奥氏体以下，随温度升高，奥氏体晶粒长大速度很缓慢，晶粒长大速度很缓慢，称为称为本质细晶粒钢本质细晶粒钢。当超过某一温度（当超过某一温度（95010009501000）本质细）本质细晶粒钢也可能迅速长大，晶粒尺寸甚至超晶粒钢也可能迅速长大，晶粒尺寸甚至超过本质粗晶粒钢。过本质粗晶粒钢。钢的本质晶粒度与炼钢的脱氧方

28、法和钢的本质晶粒度与炼钢的脱氧方法和钢的化学成分有关。钢的化学成分有关。 奥氏体晶粒长大倾向示意图奥氏体晶粒长大倾向示意图2021-11-421（3 3）影响奥氏体晶粒大小的因素）影响奥氏体晶粒大小的因素 高温下高温下A A晶粒长大，引起系统的自由能降低，是自发过程。晶粒长大，引起系统的自由能降低，是自发过程。 A A晶粒长大是晶界迁移的过程，其实质是原子在晶界附近的扩晶粒长大是晶界迁移的过程，其实质是原子在晶界附近的扩散。一切影响原子扩散迁移的因素都能影响散。一切影响原子扩散迁移的因素都能影响A A晶粒大小。为控制晶粒大小。为控制A A晶粒长大，必须从控制影响晶粒长大，必须从控制影响A A晶

29、粒长大的因素着手。晶粒长大的因素着手。加热温度和保温时间加热温度和保温时间 加热温度越高，晶粒长大速率越快，最终晶粒尺寸越大。加热温度越高，晶粒长大速率越快，最终晶粒尺寸越大。加热速度加热速度 加热速度越快，加热速度越快，A A的实际形成温度越高，则的实际形成温度越高，则A A的形核率越高，的形核率越高，起始晶粒越细起始晶粒越细 。化学成分化学成分 碳碳量在一定范围内，随含碳量的量在一定范围内，随含碳量的，碳在钢中的扩散速度以及铁，碳在钢中的扩散速度以及铁的自扩散速度均的自扩散速度均， A A晶粒长大的倾向晶粒长大的倾向。2021-11-422 当碳含量超过一定限度以后，钢中出现二次渗碳体，随

30、着含碳量当碳含量超过一定限度以后，钢中出现二次渗碳体，随着含碳量的的，二次渗碳体数量，二次渗碳体数量，且分布在，且分布在A A晶界上，可以阻碍晶界上，可以阻碍A A晶界的移动，晶界的移动，反而使反而使A A晶粒长大倾向晶粒长大倾向。 合金合金元素元素 Ti Ti、Zr Zr、V V、AlAl、Nb Nb 等强烈地阻碍等强烈地阻碍A A晶粒长大；晶粒长大； WW、MoMo、Cr Cr 等一般阻止晶粒长大；等一般阻止晶粒长大； Si Si、NiNi、Cu Cu 等不形成化合物，对奥氏体晶粒长大的影响不明显；等不形成化合物，对奥氏体晶粒长大的影响不明显； MnMn、P P、N N、C C 等促进晶粒

31、长大。等促进晶粒长大。 如加热温度高到使碳化物及其它化合物能溶入到奥氏体中时，阻碍如加热温度高到使碳化物及其它化合物能溶入到奥氏体中时，阻碍晶粒长大的作用将会消失，晶粒便迅速长大。晶粒长大的作用将会消失，晶粒便迅速长大。原始组织原始组织 原始组织越细，碳化物分散度越大，所得到的奥氏体起始晶粒越细原始组织越细，碳化物分散度越大，所得到的奥氏体起始晶粒越细小，晶粒长大倾向越大。小，晶粒长大倾向越大。 2021-11-4239.39.3、钢在冷却时的转变、钢在冷却时的转变 钢钢A A化后冷至室温的性能，不仅取决于加热时化后冷至室温的性能，不仅取决于加热时A A的状态，在很大程的状态，在很大程度上取决

32、于冷却时转变产物的类型和组织状态。冷却方式和速度对转变度上取决于冷却时转变产物的类型和组织状态。冷却方式和速度对转变产物的类型和组织状态有很大影响，因此，冷却过程决定着钢固态转变产物的类型和组织状态有很大影响，因此，冷却过程决定着钢固态转变后的组织和性能。后的组织和性能。 将将A A状态的钢冷却到状态的钢冷却到A A1 1温度以下，由于在此温度下温度以下，由于在此温度下A A的自由能比的自由能比F F与渗碳体两相混合物的自由能高，因此与渗碳体两相混合物的自由能高，因此A A将发生分解，向将发生分解，向P P或其它组或其它组织转变，在临界温度织转变，在临界温度A A1 1以下以下处于不稳定状态的

33、处于不稳定状态的A A称为称为过冷过冷A A。 2021-11-424 热处理生产中，过冷热处理生产中，过冷A A的冷却方式有两类：的冷却方式有两类： 等温冷却等温冷却：将：将A A状态的钢迅速冷至临界点以下某一温度保温一定状态的钢迅速冷至临界点以下某一温度保温一定时间，使其在该温度下发生组织转变，然后再冷至室温；时间，使其在该温度下发生组织转变，然后再冷至室温； 连续冷却连续冷却： 将将A A状态状态的钢以一定的钢以一定速度冷至室速度冷至室温，使其在温，使其在连续冷却过连续冷却过程中完成组程中完成组织转变。织转变。临界温度临界温度时时 间间温温 度度保保 温温加热加热连续冷却连续冷却等温冷却

34、等温冷却2021-11-425 以金相以金相- -硬度法为例建立共析钢过冷奥氏体等温转变曲线。硬度法为例建立共析钢过冷奥氏体等温转变曲线。1. 1. 过冷奥氏体等温转变曲线的建立过冷奥氏体等温转变曲线的建立冷却：冷却：停留不同时间后，逐个取出试样，迅速淬入盐水中激冷，使停留不同时间后，逐个取出试样，迅速淬入盐水中激冷，使 尚未转变的尚未转变的A A转变为转变为MM，因此，因此，MM量即为未转变的量即为未转变的A A量。量。 用金相法确定在给定的温度下，保持一定时间后的转变产物类用金相法确定在给定的温度下，保持一定时间后的转变产物类型和转变量的百分数。型和转变量的百分数。 制样：制样：把钢材制成

35、把钢材制成15151.5mm1.5mm的圆片试样（钻小孔，便于提取），的圆片试样（钻小孔，便于提取）， 分成若干组。分成若干组。奥氏体化：奥氏体化：取一组试样，在盐炉内加热使之完全取一组试样，在盐炉内加热使之完全A A化。化。 等温：等温：将将A A化后的试样快速投入化后的试样快速投入 A A1 1 以下某一温度的浴炉中进行等温以下某一温度的浴炉中进行等温 转变，并开始计时。转变，并开始计时。2021-11-426 一般将一般将A A转变量为转变量为13%13%所需要的时间定为所需要的时间定为转变开始时间转变开始时间。转变。转变量为量为98%98%所需的时间定为所需的时间定为转变终了时间转变终

36、了时间。根据需要也可以测出转变量。根据需要也可以测出转变量为为20%20%、50%50%、70%70%的时间。的时间。 多组试样在不同等温多组试样在不同等温温度下进行实验。温度下进行实验。 将各温度下的转变开始将各温度下的转变开始点和终了点都绘制在温度点和终了点都绘制在温度- -时间半对数坐标系中。时间半对数坐标系中。 Tlntlntt2tnt1 将不同温度下的转变将不同温度下的转变开始点和终了点分别连接开始点和终了点分别连接成曲线成曲线2021-11-4272. 2. 共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线分析共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线分析 过冷过冷A A等温转变曲线是综合反映过冷等温转变曲线是

37、综合反映过冷A A在不同过冷度下，转变开在不同过冷度下，转变开始和终了时间、转变产物的类型以及转变量与时间、温度间的关系等。始和终了时间、转变产物的类型以及转变量与时间、温度间的关系等。称为称为T T T(T T T(t time ime t temperature emperature t transformation)ransformation)图，俗称图，俗称CC曲线。曲线。 温度温度 A A1 1550 550 高温转变区，高温转变区，A PA P；550550MMS S 中温转变区，中温转变区，A BA B； MMS S MMf f 低温转变区，低温转变区，A MA M。 在在A A

38、1 1线温度以下，过冷线温度以下，过冷A A转变开始线与转变开始线与纵坐标之间的水平距离为过冷纵坐标之间的水平距离为过冷A A在该温度下在该温度下的的孕育期孕育期，孕育期的长短表示过冷，孕育期的长短表示过冷A A稳定性稳定性的高低。的高低。2021-11-428 过冷过冷A A的稳定性受两个因素控制：旧、新相间的自由能差的稳定性受两个因素控制：旧、新相间的自由能差GG；原子；原子的扩散系数的扩散系数 D D。 高温时，自由能差高温时，自由能差 G G 起主导作用；起主导作用； 低温时，原子扩散系数低温时，原子扩散系数 D D 起主导作起主导作用；用； 处于鼻尖温度时，两个因素综合作用处于鼻尖温

39、度时，两个因素综合作用的结果，使孕育期最短，转变速度最大。的结果，使孕育期最短，转变速度最大。 等温温度越低，等温温度越低，T T 越大，自由能越大，自由能差差 G G 也越大，则加快也越大，则加快 A A 的转变速度；的转变速度；但原子扩散系数却随等温温度的降低而但原子扩散系数却随等温温度的降低而减小，从而减慢过冷减小，从而减慢过冷 A A 的转变速度。的转变速度。2021-11-4293. 3. 影响过冷奥氏体等温转变曲线的因素影响过冷奥氏体等温转变曲线的因素（1 1）A A成分的影响成分的影响 a)a)含碳量含碳量 与共析钢过冷与共析钢过冷A A等温转变曲线相比，亚、等温转变曲线相比，亚

40、、过共析钢的过冷过共析钢的过冷A A等温转变曲线上部各多出一等温转变曲线上部各多出一条先共析相析出线。条先共析相析出线。 在发生在发生P P转变之前，亚共析钢中先析出先转变之前，亚共析钢中先析出先共析共析 F F，过共析钢中先析出先共析渗碳体。，过共析钢中先析出先共析渗碳体。 亚共析钢过冷亚共析钢过冷A A等温转变中的等温转变中的F F、P P转变部转变部分随分随A A中含碳量的增加逐渐向中含碳量的增加逐渐向右移右移； 过共析钢中的渗碳体、珠光体转变部分随过共析钢中的渗碳体、珠光体转变部分随A A中含碳量的增加逐渐向中含碳量的增加逐渐向左移左移； 贝氏体转变部分都随含碳量的增加逐渐向贝氏体转变

41、部分都随含碳量的增加逐渐向右移右移。 随随A A中含碳量的增加，中含碳量的增加，MMs s 和和MMf f 点降低。点降低。亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢2021-11-430b)b)合金元素合金元素 一般来说，除一般来说，除CoCo和和AlAl（Al2.5%Al2.5%）以外的所以合金元素，溶入）以外的所以合金元素，溶入A A都都增加过冷增加过冷A A的稳定性，使过冷的稳定性，使过冷A A等温转变曲线等温转变曲线右移右移，并使，并使MMs s降低。降低。 MoMo的影响最强烈，的影响最强烈，WW、MnMn、NiNi的影响也很明显，的影响也很明显，Si Si、AlAl的影的影响较小。响较小。

42、 钢中加入微量的钢中加入微量的B B可以明显提高过冷奥氏体的稳定性，但随含可以明显提高过冷奥氏体的稳定性，但随含碳量的增加，碳量的增加，B B的作用逐渐减小。的作用逐渐减小。 CoCo降低过冷奥氏体的稳定性，使过冷奥氏体等温转变曲线向降低过冷奥氏体的稳定性，使过冷奥氏体等温转变曲线向左左移移，使，使MsMs升高。升高。2021-11-431 非碳化物或弱碳化物形成元素，如非碳化物或弱碳化物形成元素，如NiNi、MnMn、Si Si、CuCu、B B等，只是不同程度等，只是不同程度地减低地减低 P P和和 B B 的转变速度，使过冷的转变速度，使过冷 A A等等温转变曲线温转变曲线右移右移，但，

43、但不改变其形状不改变其形状。 Si Si、MoMo、Ti Ti、V V、WW等使等使P P鼻温上升，而鼻温上升，而NiNi、MnMn、CuCu等则使其下降。使等则使其下降。使P P和和B B两种转两种转变温度范围相互分离，形成两个鼻子，其间变温度范围相互分离，形成两个鼻子，其间出现一个过冷出现一个过冷A A的稳定区。的稳定区。 碳化物形成元素，主要有碳化物形成元素，主要有CrCr、MoMo、WW、V V、Ti Ti等，使过冷等，使过冷A A等温转变曲线等温转变曲线右移右移外，还外，还能能改变其形状改变其形状。( (溶入奥氏体中溶入奥氏体中) )非碳化物形成元素非碳化物形成元素碳化物形成元素碳化

44、物形成元素2021-11-432（2 2）奥氏体状态的影响）奥氏体状态的影响 A A晶粒细小晶粒细小，晶界总面积增加，有利于新相形核和原子扩散，因此有，晶界总面积增加，有利于新相形核和原子扩散，因此有利于先共析转变和珠光体转变，使利于先共析转变和珠光体转变，使CC曲线曲线左移左移。但晶粒度。但晶粒度对对B B转变影响不大转变影响不大；晶粒越粗，反而使晶粒越粗，反而使MMs s升高，加快升高，加快MM转变。转变。 A A成分越均匀成分越均匀，则越稳定，新相形核和长大过程中所需时间就越长，则越稳定，新相形核和长大过程中所需时间就越长，CC曲线越向曲线越向右移右移。 A A化化温度越高温度越高，保温

45、时间越长，则形成的晶粒越粗大，成分也就越均匀，保温时间越长，则形成的晶粒越粗大，成分也就越均匀，从而增加从而增加A A的稳定性，使的稳定性，使CC曲线向曲线向右移右移。反之，。反之，A A化化温度稍低温度稍低，时间短，时间短，A A晶粒越细，未溶第二相越多，成分越不均匀，晶粒越细，未溶第二相越多，成分越不均匀，A A越不稳定，使越不稳定，使CC曲线向曲线向左移左移。 A A 受受拉应力拉应力将将加速加速转变，而等向转变，而等向压应力压应力下，原子迁移阻力大，下，原子迁移阻力大，减慢减慢A A转变。转变。 塑性变形塑性变形使点阵畸变加剧，位错密度增加，有利于使点阵畸变加剧，位错密度增加，有利于F

46、e Fe 、CC扩散和晶扩散和晶格改组，可格改组，可促进促进A A转变转变。（3 3）应力和塑性变形的影响）应力和塑性变形的影响2021-11-4334 4、 珠光体转变珠光体转变 珠光体转变珠光体转变 是过冷是过冷A A在在A A1 1以下较高温度内进行的转变，是单相以下较高温度内进行的转变，是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的相变过程。因奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的相变过程。因此此P P转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组。属扩散型相变。转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组。属扩散型相变。FeFe3 3CC6.696.69复杂晶格复杂晶格-Fe-F

47、e0.02180.0218bccbcc -Fe-Fe0.770.77fccfcc+1. 1. 珠光体的组织形态和机械性能珠光体的组织形态和机械性能 珠光体是铁素体和渗碳体两相的机械混合物，按渗碳体的形态，珠光体是铁素体和渗碳体两相的机械混合物，按渗碳体的形态，珠光体分为片状珠光体和粒状珠光体。珠光体分为片状珠光体和粒状珠光体。2021-11-434a a）片状珠光体）片状珠光体 由片层相间的铁素体和渗碳体片组成。若干大致平行的铁素体和由片层相间的铁素体和渗碳体片组成。若干大致平行的铁素体和渗碳体片组成一个渗碳体片组成一个珠光体领域珠光体领域或或珠光体团珠光体团，在一个，在一个A A晶粒内，可形

48、成晶粒内，可形成几个珠光体团。几个珠光体团。 珠光体团中相邻的两片渗碳体（或铁素体）之间的距离称为珠珠光体团中相邻的两片渗碳体（或铁素体）之间的距离称为珠光体的光体的片间距片间距，用，用S S0 0表示，它是用来衡量表示，它是用来衡量P P组织粗细的一个主要指标。组织粗细的一个主要指标。 P P片间距的大小主要取决于片间距的大小主要取决于P P形成形成时的过冷度，即时的过冷度，即P P的形成温度，而与的形成温度，而与A A晶粒度和均匀性无关。过冷度越大，晶粒度和均匀性无关。过冷度越大，P P的形成温度越低，片间距越小。共析钢的形成温度越低，片间距越小。共析钢P P片间距片间距S S0 0与过冷

49、度与过冷度TT之间的关系可用之间的关系可用以下经验公式来表达：以下经验公式来表达： nm10T02. 8S30 2021-11-435根据片间距大小不同，可将根据片间距大小不同，可将P P分为三种分为三种: : 片状珠光体片状珠光体是指在光学显微镜下能明显分辨出铁素体和渗碳体是指在光学显微镜下能明显分辨出铁素体和渗碳体层片状组织形态的珠光体，它的片间距大约为层片状组织形态的珠光体，它的片间距大约为450150 nm450150 nm，形成于，形成于A A1 1650650温度范围内。温度范围内。 在在650600650600范围内形成的，其片间距较小，约为范围内形成的，其片间距较小，约为150

50、80 nm15080 nm，只有在高倍的光学显微镜下才能分辨出铁素体和渗碳体的片层形态，只有在高倍的光学显微镜下才能分辨出铁素体和渗碳体的片层形态，这种这种细珠光体细珠光体称为称为索氏体索氏体( S )( S )。 在在600550600550范围内形成的，其片间距极细，约为范围内形成的，其片间距极细，约为8030nm8030nm，只有在电子显微镜下才能分辨出铁素体和渗碳体的片层形态，这种只有在电子显微镜下才能分辨出铁素体和渗碳体的片层形态，这种极极细珠光体细珠光体称为称为托氏体托氏体 ( T )( T )。 珠光体、索氏体和屈氏体的本质是相同的，都是铁素体加渗碳珠光体、索氏体和屈氏体的本质是

51、相同的，都是铁素体加渗碳体组成的片层相间的珠光体型组织，差别只是片间距的大小不同。体组成的片层相间的珠光体型组织，差别只是片间距的大小不同。 但是由于索氏体和屈氏体是在较快冷速下形成的，属于不平衡但是由于索氏体和屈氏体是在较快冷速下形成的，属于不平衡组织，其含碳量或多或少偏离共析成分。组织，其含碳量或多或少偏离共析成分。2021-11-436珠光体珠光体 P P700700等温等温屈屈( (托托) )氏体氏体 T T600600等温等温索氏体索氏体 S S650650等温等温2021-11-437 片状珠光体的机械性能主要决定于珠光体的片间距和珠光体团的直片状珠光体的机械性能主要决定于珠光体的

52、片间距和珠光体团的直径。径。 珠光体的片间距越小，钢的强度和硬度越高，塑性和韧性也越好。珠光体的片间距越小，钢的强度和硬度越高，塑性和韧性也越好。是由于片间距越小，铁素体和渗碳体的相界面越多，对位错运动的阻碍是由于片间距越小，铁素体和渗碳体的相界面越多，对位错运动的阻碍越大，即塑性变形的抗力越大，因而强度和硬度都增加。越大，即塑性变形的抗力越大，因而强度和硬度都增加。 同时，片间距越小，渗碳体片越薄，越容易随同铁素体一起变形而同时，片间距越小，渗碳体片越薄，越容易随同铁素体一起变形而不脆断，增大了钢的塑性变形能力，所以塑性和韧性也越好。不脆断，增大了钢的塑性变形能力，所以塑性和韧性也越好。 片

53、间距较小时，珠光体中的渗碳体片是不连续的，层片状的铁素体片间距较小时，珠光体中的渗碳体片是不连续的，层片状的铁素体并未完全被渗碳体所隔离，因此使塑性提高。并未完全被渗碳体所隔离，因此使塑性提高。 原始奥氏体晶粒尺寸对片间距影响较小，但对珠光体团的直径产生原始奥氏体晶粒尺寸对片间距影响较小，但对珠光体团的直径产生影响，原始奥氏体晶粒尺寸越细小，珠光体团的直径越小。因此，细化影响，原始奥氏体晶粒尺寸越细小，珠光体团的直径越小。因此，细化奥氏体晶粒可以起到提高珠光体强度，改善塑性、韧性的作用。奥氏体晶粒可以起到提高珠光体强度，改善塑性、韧性的作用。 2021-11-438 在铁素体基体上分布着颗粒状

54、渗碳体的组织，称为粒状珠光体。在铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织，称为粒状珠光体。 粒状珠光体一般是经过球化退火得到或淬火后经中、高温回火得粒状珠光体一般是经过球化退火得到或淬火后经中、高温回火得到，也可由过冷到，也可由过冷A A直接分解形成。直接分解形成。 粒状珠光体中，渗碳体颗粒的大小与转变温度有关，转变温度越粒状珠光体中，渗碳体颗粒的大小与转变温度有关，转变温度越低，颗粒越细小。低，颗粒越细小。 粒状珠光体的机械性能主要取粒状珠光体的机械性能主要取决于渗碳体颗粒的大小、形态与分决于渗碳体颗粒的大小、形态与分布。布。 一般来说，渗碳体颗粒越细，一般来说，渗碳体颗粒越细，与铁素体的相界面

55、越多，则钢的硬与铁素体的相界面越多，则钢的硬度和强度越高。度和强度越高。 碳化物越接近等轴状、分布越碳化物越接近等轴状、分布越均匀，则钢的韧性越好。均匀，则钢的韧性越好。b b) 粒状珠光体粒状珠光体2021-11-439 如粒状珠光体与片状珠光体的形成温度也大致相同，由于粒状珠光体如粒状珠光体与片状珠光体的形成温度也大致相同，由于粒状珠光体中铁素体和渗碳体的相界面比片状珠光体少，所以硬度比片状珠光体的中铁素体和渗碳体的相界面比片状珠光体少，所以硬度比片状珠光体的稍低。稍低。 粒状珠光体中铁素体连续分布，渗碳体呈颗粒状分布在铁素体基体粒状珠光体中铁素体连续分布，渗碳体呈颗粒状分布在铁素体基体上

56、，对位错运动阻碍较小，塑性韧性较高。上，对位错运动阻碍较小，塑性韧性较高。 粒状珠光体比片状珠光体具有良好的综合力学性能，这是因为粒状渗粒状珠光体比片状珠光体具有良好的综合力学性能，这是因为粒状渗碳体不易产生应力集中和裂纹。碳体不易产生应力集中和裂纹。 因此，许多重要的机器零件都要通过热处理获得碳化物呈颗粒状的因此，许多重要的机器零件都要通过热处理获得碳化物呈颗粒状的回火索氏体组织。回火索氏体组织。 同时，粒状珠光体还具有较好的切削加工性能、冷成型性能及淬火同时，粒状珠光体还具有较好的切削加工性能、冷成型性能及淬火工艺性能。工艺性能。c c) 片状珠光体与粒状珠光体的比较片状珠光体与粒状珠光体

57、的比较2021-11-4402. 2. 珠光体的形成珠光体的形成 珠光体的形成也是通过形核和长大两个基本过程进行的。珠光珠光体的形成也是通过形核和长大两个基本过程进行的。珠光体中的铁素体和渗碳体都有可能成为领先相。体中的铁素体和渗碳体都有可能成为领先相。 领先相大多在领先相大多在A A晶界或相界面（如晶界或相界面（如A A与渗碳体或与渗碳体或F F的相界面）上形的相界面）上形核。因这些区域缺陷较多，能量较高，原子容易扩散，容易满足形核核。因这些区域缺陷较多，能量较高，原子容易扩散，容易满足形核所需要的所需要的成分起伏成分起伏、能量起伏能量起伏和和结构起伏结构起伏条件。条件。 如渗碳体为领先相在

58、如渗碳体为领先相在A A晶界晶界上形成稳定的晶核，此晶核就会上形成稳定的晶核，此晶核就会依靠附近的依靠附近的A A不断提供碳原子逐不断提供碳原子逐渐长大，形成一小片渗碳体。渐长大，形成一小片渗碳体。（a a） CCmm周围周围A A碳浓度碳浓度，形成，形成贫碳区，为贫碳区，为F F形核创造了有利条形核创造了有利条件。当贫碳区的碳浓度降低到相件。当贫碳区的碳浓度降低到相当于当于F F的平衡浓度时，就在渗碳的平衡浓度时，就在渗碳体片的两侧形成两小片体片的两侧形成两小片F F。（。（b b）a ab ba)a)片状珠光体的形成片状珠光体的形成2021-11-441 如此不断进行，如此不断进行，F F

59、和和CCmm 相互促进交替形核，并同时平相互促进交替形核，并同时平行地向行地向A A晶粒纵深方向长大，晶粒纵深方向长大，形成一组形成一组F F和和CCmm片层相间、基片层相间、基本平行的本平行的P P领域。领域。(d)(d) 在一个在一个P P领域形成的过程中有可能领域形成的过程中有可能在在A A晶界其它处，或在已形成晶界其它处，或在已形成P P领域的边领域的边缘上形成新的、其它取向的缘上形成新的、其它取向的CCmm晶核，晶核，并由此形成一个不同取向的并由此形成一个不同取向的P P领域。领域。(e)(e)d df f 直到各个直到各个P P领域相领域相遇，遇，A A全部分解完了，全部分解完了，

60、P P转变即告结束。转变即告结束。(f)(f)e eA A晶界重新形核P P边缘重新形核 F F形成后随渗碳体一起向前长大，同时也横向长大。形成后随渗碳体一起向前长大，同时也横向长大。F F的长大又的长大又使其外侧形成使其外侧形成A A的富碳区，促使新的渗碳体的形成。的富碳区，促使新的渗碳体的形成。(C)(C)c c2021-11-442A AFeFe3 3CC 2021-11-443 分枝形成机制，分枝形成机制，P P形成时基本形成时基本没侧向长大没侧向长大， CCmm是以分枝方式纵是以分枝方式纵向生长，使与其相邻的向生长，使与其相邻的A A贫碳，从贫碳，从而促进而促进F F 在在CCmm枝