金属材料及热处理11钢的热处理篇(1)

1、六、六、碳钢及钢的热处理碳钢及钢的热处理1、Fe-C相图与碳钢2、钢的加热转变（奥氏体化）3、 奥氏体的冷却转变（奥氏体分解， C曲线）4、 珠光体转变与钢的退火、正火5、 马氏体转变与钢的淬火6、 淬火钢的加热转变与钢的回火7、 贝氏体转变与钢的等温淬火8、 表面淬火9、 化学热处理10、热处理的工艺基础（略）2、钢的加热转变（奥氏体化过程）在加热和保温过程中，会发生伴随着Fe3C溶解（包括碳原子扩散均匀化），bcc结构的-Fe向fcc结构的-Fe转变，形成均匀奥氏体，从而才能在后续冷却过程中控制过冷奥氏体分解，来获得所需要的烛光体、贝氏体或马氏体。因此，改善钢性能的途径：合金化（合金钢）、

2、热处理。由于，使钢的热处理有更大空间、余地，也更加丰富。钢铁热处理和其它材料的热处理一样，通常第一道工序就是加热，只是除了回火、基于回复与再结晶的去应力退火外，几乎常见的具体热处理，如退火、正火、淬火等，都需要首先奥氏体化，使之先形成奥氏体组织，可见，在钢的热处理过程中，加热转变往往是重要的第一步。钢的热处理过程一般都包括奥氏体形成和奥氏体分解，控制着两个过程来调节组织，获得所需性能。钢铁热处理需同时考察如下来，这两个过程：加热转变奥氏体化过程；冷却转变过冷奥氏体分解过程。 这两个过程相互影响，控制最终热处理后的组织性能。1）加热时的奥氏体化过程）加热时的奥氏体化过程首先以共析钢为例，介绍完整

3、的奥氏体化过程：由F+Fe3C两相区加热到A单相区，在足够温度下，充分保温。加热前加热前原始组织状态：（F F+Fe3C +Fe3C）（具体组织特点取决于在此之前的加工和处理的历史，如铸态、锻造态）加热后加热后组织状态：A（F+Fe3C） A （具体组织（奥氏体成分均匀性、晶粒大小与分布）特点取决于加热历史和工艺参数，取决于奥氏体化过程）F+Fe3CA（1）形核长大过程）形核长大过程通常，A形核于结构、成分、能量起伏严重的F/Fe3C界面处，尤其是三叉晶界（界面）处。在A、F、Fe3C中碳浓度如图所示。在A中碳浓度变化图图所示。F中C% 提高 ，FA，Fe3C溶解，A中C%提高，在A中造成靠近

4、Fe3C一侧C%高，而靠近F一侧C%低，C扩散，于是，A向F和Fe3C中生长（只是向F一侧发展得迅速一些）A长大，直到A晶粒互相接触。但由于Fe3C成分差别大、晶格差别大，转变慢（由扩散控制），此时，还有Fe3C残留。以后继续加热，残余Fe3C溶解，C% 进入A中；Fe3C溶完后，最后溶解之处C%高，远处的C%低，高温扩散均匀。因此，完整的奥氏体化过程包括四个步骤（阶段）：i、A形核（A在F/Fe3C界面处形核）ii、A晶核长大（晶核向F、Fe3C生长）iii、残余Fe3C溶解（C%溶入A中）iv、碳成分均匀化（伴随A晶粒长大）Fe3CFFe3CFAFe3CA高碳A低碳A均匀AFe3CFAAF

5、Fe3C低C高C扩散F中C%提高，FAFe3C溶解，A中C%提高奥氏体化过程分析（略）奥氏体化过程分析（略）&能量分析能量分析 珠光体自由能和奥氏体自由能随温度的变化曲线如图所示。 交点所对应的温度为A1，A1为相变平衡温度。 实际相变是必须有一定的过热，这样相对应的温度即为Ac1。&奥氏体形成过程奥氏体形成过程 包括四个基本阶段：（1）奥氏体晶核形成、 （2）晶核长大、 （3）残余渗碳体溶解、（4）奥氏体成分均匀化F/CM相界处形核 A长大，一侧与F邻接，一侧与CM邻接 残余CM完全溶解与奥氏体成分均匀化A向F长大速率远大于向CM 长大速率&成分变化成分变化 在A/F

6、，A/CM为相界上存在碳浓度差。 形成扩散，扩散打破平衡，CM溶解，F改组，恢复平衡，在打破与恢复过程中， A不断长大。 C-&金相观察金相观察（1）奥氏体晶核形成；（2）晶核长大；（3）残余渗碳体溶解；（4）奥氏体成分均匀化（也包括A晶粒长大）晶粒大小、均匀性 （2）奥氏体化过程的）奥氏体化过程的TTT图图pTTT图加热转变的TTT图四条线对应于4个阶段，分为五个区间等温加热奥氏体化。连续加热奥氏体化。注意：i、如果条件不具备奥氏体化可能不完全； ii、亚共析钢、过共析钢除了上述4个过程外，还有先共析铁素体（F先）和Fe3CII的溶解，但难以说清楚先溶入的是F先还是F共， Fe3CI

7、I还是Fe3C共，通常不严格区分。但是，加热温度需高于Ac3或Accm，时间要更长，尤其是过共析钢。p奥氏体化过程的动力学加热相变，如图所示，i、奥氏体化温度高，相变快；ii、加热速率快，相变快，都有利于奥氏体化，这一点可应用于感应加热表面淬火“不完全”奥氏体化（温度、时间不足）“完全” 奥氏体化（温度、时间充分）F+Fe3CAX t50%T1T2T4T6T5T3tTT1T6T5T4T3T2t对于加热转变（略）对于加热转变（略）p TTT图的绘制p TTT图的意义 温度、时间对相变量的影响； 孕育期 加热速率 热处理的依据p TTT图的图形与使用Tt孕育期孕育期2）影响奥氏体化的主要因素）影响

8、奥氏体化的主要因素主要是三个方面的影响（1）加热条件（加热温度、速率、时间）（2）化学成分CC%，F/Fe3C界面增多，Fe3C间距减小，扩散距离减小，且Fe、C扩散加剧，加速奥氏体化。但过共析钢，C %， Fe3CII增加，Fe3C溶解，C% 均匀化所需温度更高、时间更长。合金元素复杂，通过影响相变临界点、Fe、C的扩散， F/Fe3C的量来改变A的形核与长大速率，来影响奥氏体化过程。Cr、W、Mo、V等碳化物形成元素，阻碍C扩散，阻碍奥化；Ni、Co等非碳化物形成元素，加速C扩散，促使奥化Mn、Ni降低相变临界点，细化P组织，加速奥化总之，除了Ni、Co、Mn外，合金元素不论在F中、还是形

9、成合金渗碳体、或形成合金碳化物，都或多或少阻碍奥化。但无论如何，合金元素本身扩散速率慢，奥化时需温度更高、时间更长。（3）原始组织原始缺陷多奥化快细有利于形核长大快与粒状P相比，片状P更易奥化。3）奥氏体晶粒）奥氏体晶粒（1）概念初始晶粒度实际晶粒度我们通常谈及的奥氏体晶粒（度）指的是实际晶粒（度）晶粒度级别N与晶粒大小的关系：n=2N-1，放大100倍1平方英寸（6.45cm2）视野里的平均晶粒数；n=2N-3，实际1mm2中的平均晶粒数。（2）重要性奥氏体晶粒大小直接或间接影响后续热处理特征（工艺、组织（如魏氏组织）、性能）、机械加工性能（切削性）、最终力学性能（尤其是冲击韧性）。通常需要

10、控制。国家YB27-77标准，制定了标准晶粒度标准：分八级数字增大，晶粒越细， 0 1 4 58 超粗 粗 细 超细（3）影响因素i、炼钢方法（脱氧剂的选择）、炼钢方法（脱氧剂的选择）同种钢不同的炼钢方法，奥氏体长大的情况不同，即，在相同的热处理条件下奥氏体化，奥氏体晶粒大小不同。A不连续长大本质细晶粒钢连续长大本质粗晶粒钢(BMn、Si脱氧；A除了Mn、Si脱氧外，还采用了Al脱氧，产生了AlN。）鉴别：碳钢930 1038h后测晶粒度，为1-4级，则为本质粗晶粒钢，若为58级则为本质细晶粒钢。原因：AlN溶解930以上加热，本质细晶粒钢发生异常长大，反而更加粗大。ii、加热温度、时间、速率、加热温度、时间、速率T，t ，通常会使奥氏体的晶粒长大，而且一定温度对应着一定的平衡尺寸，但是温高时短的快热快冷会使晶粒减小。晶粒大小奥氏体化温度，930 BAiii、合金成分、合金成分C% ，易粗化，原因：C原子加速铁的自扩散。除了Mn、Co、Ni、P等之外，其它元素均使奥氏体晶粒长大受阻，而晶粒细化。阻滞作用：Nb、Zr、Ti、V、Al 、 W、Mo、Cr、 Ni、Si、Cu 强 中 弱定性