第一章 热处理原理

1、热处理工艺热处理工艺辽宁科技大学辽宁科技大学 应用技术学院应用技术学院主讲教师：王疆主讲教师：王疆改善钢材性能的主要办法改善钢材性能的主要办法 1.合金化合金化 2.热处理热处理大多数金属制品使用前，均需进行热处理。大多数金属制品使用前，均需进行热处理。 1. 强化金属材料、挖掘材料性能潜力，提高产品质量、大强化金属材料、挖掘材料性能潜力，提高产品质量、大 幅度延长机器零件的使用寿命；幅度延长机器零件的使用寿命； 2. 可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒，消除偏析，降低应力，使钢的组织和性能更加均化晶粒，消除偏析，降低应力，使

2、钢的组织和性能更加均匀；匀； 3. 使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能。使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能。热处理的作用热处理的作用 西汉西汉司马迁司马迁史记史记 天官书天官书 “水与火合为淬水与火合为淬”。 东汉东汉班固班固汉书汉书 王褒传王褒传 “巧冶铸干将之朴，清水淬其锋巧冶铸干将之朴，清水淬其锋”。 明末清初明末清初宋应星宋应星天工开物天工开物预冷淬火预冷淬火 以已健划成纵斜文理，划时斜向入，则方以已健划成纵斜文理，划时斜向入，则方 成焰。划后烧红，退微冷，入水健。成焰。划后烧红，退微冷，入水健。 我国最早在秦汉时期出现热处理，早欧洲我国最早在秦汉时期出现热处理

3、，早欧洲2000多年。多年。热处理发展现状1 1、总体水平落后于西方发达国家；、总体水平落后于西方发达国家；2 2、大力发展，奋起直追。、大力发展，奋起直追。中国航母中国航母歼歼15钢在加热时组织的转变钢在加热时组织的转变第一章第一章 钢的热处理原理钢的热处理原理概概 述述固态金属中原子的扩散固态金属中原子的扩散钢在冷却时组织的转变钢在冷却时组织的转变1234一热处理的概念一热处理的概念 金属材料在固态下加热到预定的温度，保温预定的时间，金属材料在固态下加热到预定的温度，保温预定的时间，然后以预定的方式冷却下来的一种加工工艺。然后以预定的方式冷却下来的一种加工工艺。第一节第一节 概概 述述二二

4、. 热处理的原理热处理的原理 通过改变其内部的组织来改变金属工件的性能，发生通过改变其内部的组织来改变金属工件的性能，发生一系列具有严格规律的组织转变过程。一系列具有严格规律的组织转变过程。 实质实质：在加热、保温和冷却过程中，钢的组织结构发生了：在加热、保温和冷却过程中，钢的组织结构发生了变化，从而改变了其性能。变化，从而改变了其性能。根据加热和冷却方法的不同，可以分为：根据加热和冷却方法的不同，可以分为：1.普通热处理：普通热处理：退火、正火、淬火和回火；退火、正火、淬火和回火；2.表面热处理：表面热处理：表面淬火和化学热处理；表面淬火和化学热处理； 表面淬火：感应加热表面淬火和火焰加热表

5、面淬火；表面淬火：感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火； 化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗硫以及其化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗硫以及其 它金属等。它金属等。3.特殊热处理：特殊热处理： 如：真空热处理、变形热处理和控制气氛热处理等。如：真空热处理、变形热处理和控制气氛热处理等。 三三. 热处理的分类及工艺曲线热处理的分类及工艺曲线温度温度时时 间间临界温度临界温度加热加热保保 温温冷却冷却工艺曲线工艺曲线热处理的工艺参数有热处理的工艺参数有： 加热温度加热温度 保温时间保温时间 冷却方式冷却方式四四. 热处理的理论基础热处理的理论基础相变：相变：构成物质的原子（或分子）的

6、聚合状态（相状态）发生变化的构成物质的原子（或分子）的聚合状态（相状态）发生变化的 过程均称为相变。过程均称为相变。如：从液相到固相的如：从液相到固相的凝固凝固过程过程 ； 从液相到气相的从液相到气相的蒸发蒸发过程过程固态相变：固态相变：金属和陶瓷等固态材料在金属和陶瓷等固态材料在温度温度和和压力压力改变时，其内部改变时，其内部组织组织 或或结构结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态 的转变，这种转变称为固态相变。的转变，这种转变称为固态相变。相变前的相状态称为相变前的相状态称为旧相旧相或或母相，母相，相变后的相状态称为相变后的相状态称为新

7、相。新相。相：相：具有相同的成分、结构和性能，且有界面与其它部分分开的均匀具有相同的成分、结构和性能，且有界面与其它部分分开的均匀 组成部分。组成部分。（一）相变概论（一）相变概论按平衡状态分类按平衡状态分类按原子迁移分类按原子迁移分类按相变方式分类按相变方式分类平衡相变平衡相变非平衡相变非平衡相变扩散相变扩散相变非扩散型相变非扩散型相变有核相变有核相变无核相变无核相变相变分类（二）相变分类（二）相变分类平衡相变平衡相变 平衡相变是指在平衡相变是指在缓慢加热或冷却缓慢加热或冷却时所发生的能获得符合平衡状态时所发生的能获得符合平衡状态图的图的平衡组织平衡组织的相变。的相变。同素异构转变同素异构转

8、变平衡脱溶沉淀平衡脱溶沉淀共析转变共析转变调幅分解调幅分解有序化转变有序化转变 常见常见平衡相变平衡相变同素异构转变同素异构转变 纯金属在温度和压力改变时，纯金属在温度和压力改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程称为构的过程称为同素异构转变同素异构转变。 若在固溶体中发生这种结构的转若在固溶体中发生这种结构的转变，则称为变，则称为多形性转变多形性转变。如钢在冷却。如钢在冷却时由奥氏体中析出先共析铁素体的过时由奥氏体中析出先共析铁素体的过程程 。纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变平衡脱溶沉淀平衡脱溶沉淀 在在缓慢冷却条件缓慢冷却条件下，由过饱和固溶体中

9、析出过剩相（或第二相）的下，由过饱和固溶体中析出过剩相（或第二相）的过程称为平衡脱溶沉淀。过程称为平衡脱溶沉淀。具有脱溶沉淀的二元合金平衡状态图具有脱溶沉淀的二元合金平衡状态图特点：特点：(a) 新相的成分和结构始终与新相的成分和结构始终与母相的不同；母相的不同；(b) 母相不会消失。母相不会消失。 例如：钢在冷却时，由奥氏例如：钢在冷却时，由奥氏体析出二次渗碳体的过程。体析出二次渗碳体的过程。 合金在冷却时，由一个固相分解为两个不同固相的转变称为共析相变（或珠光合金在冷却时，由一个固相分解为两个不同固相的转变称为共析相变（或珠光体型转变），如：体型转变），如：+； 反之，如果合金加热时所发生

10、的相反转变称为逆共析相变，如：反之，如果合金加热时所发生的相反转变称为逆共析相变，如：+ 。具有共析相变的二元合金平衡状态图具有共析相变的二元合金平衡状态图共析转变共析转变 特点：特点： 两个生成相的结构和成分都与母两个生成相的结构和成分都与母相不同。相不同。 类似于合金结晶时的共晶反应。类似于合金结晶时的共晶反应。调幅分解调幅分解 某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但冷却到某一温度范围某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但冷却到某一温度范围时可分解成为与时可分解成为与原固溶体结构相同原固溶体结构相同但但成分不同成分不同的两个微区，这种转变的两个微区，这种转变称为调幅分解。称为调幅分解。特点

11、：特点： 在转变初期形成的两个微区之间并无明显界面和成分突变；在转变初期形成的两个微区之间并无明显界面和成分突变； 通过上坡扩散，最终使原来的均匀固溶体变成不均匀固溶体。通过上坡扩散，最终使原来的均匀固溶体变成不均匀固溶体。有序化转变有序化转变 固溶体中，各组元原子在晶体点阵中的相对位置由无序到有序固溶体中，各组元原子在晶体点阵中的相对位置由无序到有序（指长程有序）的转变称为（指长程有序）的转变称为有序化转变有序化转变。 在在Cu-Zn、Cu-Au、Mn-Ni、Fe-Ni、Ti-Ni等许多合金系中都可发等许多合金系中都可发生这种有序化转变。生这种有序化转变。非平衡相变非平衡相变 若若加热或冷却

12、速度很快加热或冷却速度很快，平衡相变将被抑制，固态材料可能发生，平衡相变将被抑制，固态材料可能发生某些平衡状态图上不能反映的转变，并获得被称为某些平衡状态图上不能反映的转变，并获得被称为不平衡或亚稳态的不平衡或亚稳态的组织组织，这种转变称为，这种转变称为非平衡相变非平衡相变。伪共析相变伪共析相变马氏体相变马氏体相变贝氏体相变贝氏体相变非平衡脱溶沉淀非平衡脱溶沉淀有代表性有代表性的几种非的几种非平衡相变平衡相变伪共析相变伪共析相变Fe-C平衡状态图平衡状态图 接近共析点成分的合金，过接近共析点成分的合金，过冷到共析点以下发生共析转冷到共析点以下发生共析转变的过程变的过程 ； 铁素体和渗碳体的相对

13、量随铁素体和渗碳体的相对量随奥氏体的含碳量而变，故称奥氏体的含碳量而变，故称为伪共析体。为伪共析体。马氏体相变马氏体相变 若进一步提高冷却速度，钢中奥氏体只能以若进一步提高冷却速度，钢中奥氏体只能以不发生原子扩散、不引不发生原子扩散、不引起成分改变起成分改变的方式，通过切变方式由的方式，通过切变方式由点阵改组为点阵改组为点阵来实现点阵的点阵来实现点阵的改组，这种转变称为马氏体相变，其成分与母相奥氏体相同。改组，这种转变称为马氏体相变，其成分与母相奥氏体相同。贝氏体相变贝氏体相变珠光体转变和马氏体转变温度范围之间，铁原子不能扩散，碳原子尚具有一珠光体转变和马氏体转变温度范围之间，铁原子不能扩散，

14、碳原子尚具有一定的扩散能力，这种非平衡相变称为定的扩散能力，这种非平衡相变称为贝氏体相变贝氏体相变（或称为中温转变）。（或称为中温转变）。转变产物是转变产物是相与碳化物的混合组成的非层片状组织，称其为贝氏体。相与碳化物的混合组成的非层片状组织，称其为贝氏体。非平衡脱溶沉淀非平衡脱溶沉淀 在等温条件下，由过饱和固溶体中析出第二相的过程；在等温条件下，由过饱和固溶体中析出第二相的过程； 析出相为非平衡亚稳相；析出相为非平衡亚稳相； 相变时，相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变称相变时，相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变称为扩散型相变，也称为为扩散型相变，也称为“非协同型非

15、协同型”转变。转变。特点：特点： 只有当温度足够高，原子活动能力足够强时，才能发生扩散型相变。只有当温度足够高，原子活动能力足够强时，才能发生扩散型相变。 温度愈高，原子活动能力愈强，扩散距离也就愈远。温度愈高，原子活动能力愈强，扩散距离也就愈远。 新相和母相的成分往往不同。新相和母相的成分往往不同。 只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化，没有宏观形状改变。只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化，没有宏观形状改变。 如：同素异构转变、多形性转变、脱溶型相变、共析型相变、调幅分解和有序化转如：同素异构转变、多形性转变、脱溶型相变、共析型相变、调幅分解和有序化转变等等。变等等。扩散型相变扩散

16、型相变 相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子的运动是协调相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子的运动是协调一致的相变称为一致的相变称为非扩散型相变非扩散型相变，也称为，也称为“协同型协同型”转变。转变。特点：特点： 相变时原子仅作有规则的迁移以使点阵发生改组。相变时原子仅作有规则的迁移以使点阵发生改组。 迁移时，相邻原子相对位置保持不变。迁移时，相邻原子相对位置保持不变。 存在由于均匀切变引起的宏观形状改变，可在预先制备的抛光试样表面上出现浮存在由于均匀切变引起的宏观形状改变，可在预先制备的抛光试样表面上出现浮 突现象。突现象。 相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同。相变

17、不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同。 新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系。新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系。 某些材料发生非扩散相变时，相界面移动速度极快，可接近声速。某些材料发生非扩散相变时，相界面移动速度极快，可接近声速。非扩散型相变非扩散型相变有核相变有核相变 有形核阶段，新相核心可均匀形成，也可择优形成，新相与有形核阶段，新相核心可均匀形成，也可择优形成，新相与母相之间有相界面隔开。大多数固态相变属于此类。母相之间有相界面隔开。大多数固态相变属于此类。无核相变无核相变 无形核阶段，以成分起伏作为开端，依靠上坡扩散使浓度差逐无形核阶段，以成分起伏作为开端，依靠上坡扩散使浓

18、度差逐渐增大，最后由一个单相固溶体分解成为成分不同而点阵结构相同渐增大，最后由一个单相固溶体分解成为成分不同而点阵结构相同的以共格界面相联系的两个相。如调幅分解即为无核相变。的以共格界面相联系的两个相。如调幅分解即为无核相变。相变分类总结：相变分类总结：n金属固态相变的三种基本变化：金属固态相变的三种基本变化：（1）结构结构；（；（2）成分成分；（；（3）有序程度；有序程度； 只有结构的变化：多形性转变，马氏体相变只有结构的变化：多形性转变，马氏体相变 只有成分的变化：调幅分解只有成分的变化：调幅分解 既有结构又有成分上的变化：共析转变，脱溶沉淀既有结构又有成分上的变化：共析转变，脱溶沉淀 五

19、五. . 钢的临界温度钢的临界温度平衡临界点：平衡临界点：加热临界点：加热临界点：冷却临界点：冷却临界点：A1、 A3、 AcmAc1、Ac3、AccmAr1、Ar3、Arcm加热（冷却）时铁碳相图上各临界点的位置加热（冷却）时铁碳相图上各临界点的位置 第二节第二节 固态金属中原子的扩散固态金属中原子的扩散扩散扩散-是物质内部由于热运动而导致原子或分子迁是物质内部由于热运动而导致原子或分子迁 移的过程移的过程,是是固体中唯一的物质迁移方式。固体中唯一的物质迁移方式。 表象理论：根据所测量的参数描述物质传输的速率和数表象理论：根据所测量的参数描述物质传输的速率和数 量等；量等； 原子理论：扩散过

20、程中原子是如何迁移的。原子理论：扩散过程中原子是如何迁移的。研究扩散一般有两种方法：研究扩散一般有两种方法：（一）（一） 扩散现象扩散现象实验：实验：把把CuCu、NiNi两根金属棒对焊在一起两根金属棒对焊在一起, ,在焊接面上镶嵌在焊接面上镶嵌上几根钨丝作为界面标志，然后加热到高温并保温很长上几根钨丝作为界面标志，然后加热到高温并保温很长时间：时间：JDdC/dx 它仅适应于稳态扩散，即质量浓度不随时间而变化。它仅适应于稳态扩散，即质量浓度不随时间而变化。（二）菲克第一定律（二）菲克第一定律 当固态中存在成分差异时，原子将从浓度高处向浓度当固态中存在成分差异时，原子将从浓度高处向浓度低处扩散

21、，扩散中原子的通量与质量浓度梯度成正比，即低处扩散，扩散中原子的通量与质量浓度梯度成正比，即该方程称为菲克第一定律。该方程称为菲克第一定律。扩散通量扩散通量kg/(m2.s) 扩散物质的质量浓度扩散物质的质量浓度 kg/m3 扩散系数扩散系数 m2/s 大多数扩散过程是非稳态过程，即浓度是随时间而变化大多数扩散过程是非稳态过程，即浓度是随时间而变化的，需要用菲克第二定律处理。的，需要用菲克第二定律处理。（三）菲克第二定律（三）菲克第二定律 流入质量流出质量积存质量流入质量流出质量积存质量 或或 流入速率流出速率积存速率。流入速率流出速率积存速率。C C/t=D（2C/C/x22C/C/y22C

22、/C/z2） 考虑三维扩散情况，并假定考虑三维扩散情况，并假定D是各向同性的，是各向同性的，则菲克第二定律普遍式为：则菲克第二定律普遍式为： C C/t=D2C/C/x2如果假定如果假定D与浓度无关，则上式可写为：与浓度无关，则上式可写为：C C/t=(DC/C/x)/x可导出：可导出：为菲克第二定律。为菲克第二定律。例：在渗碳中的应用例：在渗碳中的应用 把低碳钢制的零件放入渗碳介质中渗碳。零件被看作是半把低碳钢制的零件放入渗碳介质中渗碳。零件被看作是半无限长的情况。无限长的情况。 渗碳一开始，表面立刻达到渗碳气氛的碳浓度渗碳一开始，表面立刻达到渗碳气氛的碳浓度Cs并始终不并始终不变。这种情况

23、的边界条件为：变。这种情况的边界条件为： C（x0；t）Cs；C（x；t）C0，初始条件为：初始条件为：C（x；t0）C0。根据菲克第二定律，得通解为根据菲克第二定律，得通解为()2SxSOCCxerfCCDtC0为原始浓度；为原始浓度；Cs为渗碳气氛浓度；为渗碳气氛浓度；Cx为距表面为距表面x处得浓度；处得浓度； ；()( )2xerferf zDt为误差函数误差函数 表表1.1 误差函数表误差函数表ZerfZZ erfZZerfZZerfZ000.30.32850.70.67781.30.9340.010.01130.350.37940.750.71121.40.95230.020.022

24、60.40.42840.80.74211.50.96610.030.03380.450.47550.850.77071.60.97630.040.04510.50.52050.90.79691.70.98380.050.05640.550.56330.950.82091.80.98910.10.11250.60.603910.84271.90.99280.20.22270.650.6421.20.910320.99530.250.2763 【例题例题】 将纯铁放于渗碳炉内渗碳，假定渗碳温将纯铁放于渗碳炉内渗碳，假定渗碳温度为度为920，渗碳介质碳浓度，渗碳介质碳浓度Cs1.2， D1.510-

25、11m2/s，t10h。（1）求表层碳浓度分布；）求表层碳浓度分布；（2）如规定浓度渗层深度为表面至）如规定浓度渗层深度为表面至0.3C处得深处得深 度，求渗层深度。度，求渗层深度。 特定情况下，物质也可能从低浓度区向高浓度区扩散，扩散的结果提高了浓度梯度，这种扩散称为上坡扩散上坡扩散或逆向扩散逆向扩散。（四）（四） 扩散驱动力及上坡扩散扩散驱动力及上坡扩散 1置换机制置换机制二二. 原子理论原子理论2间隙机制间隙机制1 1温度温度 温度越高，原子热激活能量越大，越易发生迁移，扩散系数越大。2 2固溶体类型固溶体类型 不同类型的固溶体，原子的扩散机制不同，间隙扩散激活能比置换扩散激活能小得多。

26、4浓度浓度 理论上讲是浓度越大越利于扩散，但实际上浓度引起的扩散系数的变化不超过26倍。3 3晶体结构晶体结构 在温度及成分一定的条件下任一原子在密堆点阵中的扩散要比在非密堆点阵中的扩散慢。如同一种元素在-Fe中的扩散系数比在-Fe中的大。5 5第三组元的影响第三组元的影响具体情况有三种：具体情况有三种：1）强碳化物形成元素如）强碳化物形成元素如W、MO、Cr等，由于它们与碳的等，由于它们与碳的 亲和力较大，能强烈阻亲和力较大，能强烈阻 止碳的扩散，降低碳的扩散系数。止碳的扩散，降低碳的扩散系数。2）不能形成稳定碳化物，但易溶解于碳化物中的元素，如）不能形成稳定碳化物，但易溶解于碳化物中的元素

27、，如Mn 等，他们对碳的扩散影响不大。等，他们对碳的扩散影响不大。3）不形成碳化物而溶于固溶体中的元素对碳的扩散的影响各）不形成碳化物而溶于固溶体中的元素对碳的扩散的影响各 不相同。如加入不相同。如加入4CO能使碳在能使碳在铁中的扩散速率增加一铁中的扩散速率增加一 倍，而倍，而Si则降低碳的扩散系数。则降低碳的扩散系数。6. 6.短路扩散短路扩散 晶界、表面和位错等缺陷对扩散起着快速通道的作用，这是由于晶体缺陷处点阵畸变较大 ，原子处于较高的能量状态，易于跳跃，故各种缺陷处的扩散激活能均比晶内扩散激活能小，加快了原子的扩散。 7应力的作用应力的作用 应力越大，原子扩散的速度越大。第三节第三节

28、钢加热时的组织转变钢加热时的组织转变由由Fe-Fe3C相图可知，钢在加热时均要发生奥氏体化过程。相图可知，钢在加热时均要发生奥氏体化过程。一一. 奥氏体形成的温度范围奥氏体形成的温度范围n 根据根据Fe-Fe3C平衡状态图，奥氏体（平衡状态图，奥氏体（）是高温稳定相，）是高温稳定相，状态图中的状态图中的GSEJNG区域是奥氏体稳定存在的区域。区域是奥氏体稳定存在的区域。二二. 奥氏体的组织结构和性能奥氏体的组织结构和性能奥氏体是奥氏体是C溶于溶于Fe中形成的间隙固溶体；中形成的间隙固溶体；C%max=2.11%。 C原子位于点阵中心和棱边原子位于点阵中心和棱边的中点处，即八面体空隙上。的中点处

29、，即八面体空隙上。奥氏体晶胞示意图奥氏体晶胞示意图 C溶入产生晶格畸变，点阵溶入产生晶格畸变，点阵常数增大。常数增大。C浓度分布不均。浓度分布不均。 组织通常为等轴状多边形晶粒，不平衡加热时晶组织通常为等轴状多边形晶粒，不平衡加热时晶粒呈针状或球状。晶粒内部往往存在孪晶亚结构。粒呈针状或球状。晶粒内部往往存在孪晶亚结构。奥氏体的性能奥氏体的性能 碳钢中碳钢中A是高温稳定相，在室温下不稳定，通过加合金元素可以得到是高温稳定相，在室温下不稳定，通过加合金元素可以得到室温稳定的奥氏体组织，如室温稳定的奥氏体组织，如1Gr18Ni9Ti。奥氏体的比容最小，线膨胀系数最大，且为顺磁性（无磁性）。奥氏体的

30、比容最小，线膨胀系数最大，且为顺磁性（无磁性）。 奥氏体中铁原子的自扩散激活能大，扩散系数小，因此奥氏体钢的热奥氏体中铁原子的自扩散激活能大，扩散系数小，因此奥氏体钢的热强性好，可作为高温用钢。强性好，可作为高温用钢。 奥氏体的导热系数较小，仅比渗碳体大。为避免工件的变形，不宜采奥氏体的导热系数较小，仅比渗碳体大。为避免工件的变形，不宜采用过大的加热速度。用过大的加热速度。 奥氏体塑性很好，奥氏体塑性很好，S 较低，易于塑性变形。故工件的加工常常加热到较低，易于塑性变形。故工件的加工常常加热到奥氏体单相区进行。奥氏体单相区进行。三、钢的奥氏体化过程（以共析钢为例）三、钢的奥氏体化过程（以共析钢

31、为例）4.奥氏体成分的均匀化奥氏体成分的均匀化2.奥氏体长大：奥氏体长大： Fe、C原子的扩散和原子的扩散和Fe原子的晶格改组原子的晶格改组3.残余渗碳体的溶解残余渗碳体的溶解1.奥氏体形核：主要在奥氏体形核：主要在相界面上，其次相界面上，其次P团界、团界、F亚结构界面亚结构界面四钢在连续加热时四钢在连续加热时PA的转变的转变 钢在实际加热时，奥氏体是在连续加热过程中形成的。即在奥钢在实际加热时，奥氏体是在连续加热过程中形成的。即在奥氏体形成过程中，温度是不断升高的。氏体形成过程中，温度是不断升高的。与等温转变相比较，具有以下特点：与等温转变相比较，具有以下特点： （二）相变是在一个温度范围内

32、进行的（二）相变是在一个温度范围内进行的（三）转变速度随加热速度的增大而增大（三）转变速度随加热速度的增大而增大 （四）奥氏体成分不均匀性随加热速度的（四）奥氏体成分不均匀性随加热速度的 增大而增大增大而增大（五）奥氏体起始晶粒度大小随加热速度（五）奥氏体起始晶粒度大小随加热速度 的增大而细化的增大而细化（一）在一定的加热速度范围内，相变临（一）在一定的加热速度范围内，相变临 界点随加热速度增大而升高；界点随加热速度增大而升高；总之，连续加热时，随加热速度的增大：总之，连续加热时，随加热速度的增大： 奥氏体形成温度升高，奥氏体的起始晶粒细化；奥氏体形成温度升高，奥氏体的起始晶粒细化； 剩余碳化

33、物的数量增多，奥氏体基体的平均碳含量降低；剩余碳化物的数量增多，奥氏体基体的平均碳含量降低； （使得淬火马氏体获得韧化和强化）（使得淬火马氏体获得韧化和强化） （一）奥氏体晶粒大小（一）奥氏体晶粒大小五、奥氏体晶粒的长大及影响因素五、奥氏体晶粒的长大及影响因素3. 钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向用本质晶粒度来表示。钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向用本质晶粒度来表示。 根据标准试验方法根据标准试验方法(YB2764)：钢加热到：钢加热到93010、保温、保温8小时、冷却后测得的晶粒度叫本质小时、冷却后测得的晶粒度叫本质晶粒度。晶粒度。（二）实际晶粒度、起始晶粒度和本质晶粒度（二）实际晶粒度、起始晶

34、粒度和本质晶粒度1. 实际晶粒度：经热处理后获得的实际奥氏体晶粒大小，实际晶粒度：经热处理后获得的实际奥氏体晶粒大小， 它决定钢的性能。它决定钢的性能。 2. 起始晶粒度：奥氏体形成刚结束，其晶粒边界刚刚相互起始晶粒度：奥氏体形成刚结束，其晶粒边界刚刚相互 接触时的晶粒大小。接触时的晶粒大小。 原冶金部标准原冶金部标准YB2764规定：晶粒度大小在规定：晶粒度大小在58级为本级为本质细晶粒钢，质细晶粒钢，14级为本质粗晶粒钢。级为本质粗晶粒钢。 （三）奥氏体晶粒大小的控制（三）奥氏体晶粒大小的控制（1）合理选择加热温度和保温时间）合理选择加热温度和保温时间随着温度升高晶粒度将长大。温度愈高随着

35、温度升高晶粒度将长大。温度愈高,晶粒长大愈明显。晶粒长大愈明显。在一定温度下在一定温度下,保温时间愈长保温时间愈长,奥氏体晶粒也越粗大。奥氏体晶粒也越粗大。（2）控制加热速度：）控制加热速度： 加热速度快，奥氏体实际形成温度高，形核率增高，由加热速度快，奥氏体实际形成温度高，形核率增高，由于时间短奥氏体晶粒来不及长大，可获得细小的起始晶粒度。于时间短奥氏体晶粒来不及长大，可获得细小的起始晶粒度。 （3） C%的影响：的影响： A中含碳量越高，晶粒长大的倾向增多。超过一定值时中含碳量越高，晶粒长大的倾向增多。超过一定值时以未溶的以未溶的Fe3C碳化物形式存在碳化物形式存在,则它有阻碍则它有阻碍A

36、晶粒长大的作晶粒长大的作用。用。（4）加入合金元素：）加入合金元素： Mn和和P促进促进A晶粒长大。晶粒长大。 合金元素影响：合金元素影响：Al、Ti、Zr、V、W、Nb形成熔点较高的碳形成熔点较高的碳化物，弥散分布在奥氏体中化物，弥散分布在奥氏体中阻碍阻碍奥氏体晶粒长大，其中铌的奥氏体晶粒长大，其中铌的作用最强，铝的作用最弱作用最强，铝的作用最弱。（5）冶炼方法冶炼方法 用用Al脱氧，可形成脱氧，可形成 AlN - 本质细晶粒钢本质细晶粒钢 用用Si、Mn脱氧脱氧 - 本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢（6）原始组织的影响）原始组织的影响 原始组织主要影响奥氏体起始晶粒度。原始组织主要影响奥氏体起始晶

37、粒度。 原始组织愈细原始组织愈细，碳化物弥散度愈大，所得到的奥氏体，碳化物弥散度愈大，所得到的奥氏体 起始晶粒就愈细小起始晶粒就愈细小。1）加热温度）加热温度，保温时间，保温时间，则，则A晶粒长大晶粒长大 越快；越快；2）加热速度）加热速度，则，则A晶粒细；晶粒细；3）加入合金元素，则）加入合金元素，则A晶粒细；晶粒细；4）原始组织细，则）原始组织细，则A晶粒细；晶粒细；总之：总之：1.过热：过热：由于加热工艺不当由于加热工艺不当(加热温度过高、保加热温度过高、保 温时间过长等温时间过长等)而引起实际奥氏体晶粒粗大，在随后的淬火或正火得到十分粗而引起实际奥氏体晶粒粗大，在随后的淬火或正火得到十

38、分粗大的组织，从而使钢的机械性能严重恶化，此现象称为过热。大的组织，从而使钢的机械性能严重恶化，此现象称为过热。2.过烧：过烧：由于加热工艺不当由于加热工艺不当(加热温度过高、保温时间过长等加热温度过高、保温时间过长等)而而引起奥氏体晶界熔化的现象称为过烧。引起奥氏体晶界熔化的现象称为过烧。 （四）加热缺陷（四）加热缺陷温度温度时时 间间临界点临界点加热加热保保 温温连续冷却连续冷却不同冷却方式示意图不同冷却方式示意图一、冷却条件对钢性能的影响一、冷却条件对钢性能的影响等温冷却等温冷却如：炉冷、空冷、如：炉冷、空冷、油冷、水冷油冷、水冷如：等温淬火、如：等温淬火、 等温退火等温退火第四节第四节

39、 钢在冷却时组织的转变钢在冷却时组织的转变二、过冷奥氏体的等温冷却转变二、过冷奥氏体的等温冷却转变共析碳钢等温转变共析碳钢等温转变C C曲线示意图曲线示意图转变终了线转变终了线转变开始线转变开始线 AM开始线开始线 AM终了线终了线 A A+M稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过冷奥氏体区过冷奥氏体区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线 A +产产 物物 区区产物区产物区A1550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变; P 转变区转变区.550Ms(230);中温转变区中温转变区; 半扩散型转变半扩散型转变; 贝氏体贝氏体( B ) 转变区转变区.Ms Mf(

40、-50); 低温转变区低温转变区; 非扩散型转变非扩散型转变; 马氏体马氏体 ( M ) 转变区转变区.时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf共析碳钢等温转变共析碳钢等温转变C C曲线示意图曲线示意图 A+MM三、过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能三、过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能（一）珠光体相变（一）珠光体相变 1864年，英国地质学家索比（年，英国地质学家索比（Sorby）首先在碳素钢中观察到）首先在碳素钢中观察到珠光体组织。珠光体组织。 何为珠光体何为珠光体? 珠光体是珠光体是奥氏体奥氏体发生共析转变所形成的

41、发生共析转变所形成的铁素体铁素体与与渗碳体渗碳体的的共析体。共析体。 何为珠光体转变？何为珠光体转变？CFe3共析相变共析相变平衡相变平衡相变扩散型相变扩散型相变珠光体的典型形态：珠光体的典型形态：片状或层状片状或层状 是是铁素体薄层铁素体薄层和和渗碳体薄层渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体，如图所示。称片状珠光体，如图所示。符号：符号：P （Pearlite）含碳量含碳量c0.77； 片层间距片层间距S0 珠光体团珠光体团 片层间距：片层间距：珠光体团：珠光体团：片层方向大致相同的区域称为片层方向大致相同的区域称为“珠光体团珠光体团” 或或“珠光体晶粒珠光

42、体晶粒” 。珠光体珠光体P ，3800 索氏体索氏体S , 8000 屈氏体屈氏体T , 8000700 650 600电子显微组织图电子显微组织图 根据片层间距的大小，珠光体型组织又可分为：根据片层间距的大小，珠光体型组织又可分为：获得珠光体组织的热处理工艺：获得珠光体组织的热处理工艺：退火与正火退火与正火。珠光体珠光体索氏体索氏体屈氏体屈氏体T12A钢的粒状珠光体组织钢的粒状珠光体组织球状珠光体的组织特征球状珠光体的组织特征组成：组成：铁素体基体铁素体基体粒状渗碳体粒状渗碳体典型形态典型形态：球状或粒状球状或粒状珠光体的形成过程珠光体的形成过程（1 1）片状珠光体的形成过程）片状珠光体的形

43、成过程相组成：相组成： （ + Fe + Fe3 3C C ）碳含量：碳含量： 0.77% 0.02% 6.69%0.77% 0.02% 6.69%点阵结构：面心立方点阵结构：面心立方 体心立方体心立方 复杂斜方复杂斜方l 珠光体的形核珠光体的形核形核部位形核部位条件：条件： 能量起伏、成分起伏和结构起伏能量起伏、成分起伏和结构起伏奥氏体晶界（优先）奥氏体晶界（优先）奥氏体晶内（温度较低）奥氏体晶内（温度较低） 过冷度小过冷度小时时渗碳体渗碳体是领先相，是领先相，过冷度大过冷度大时时铁素体铁素体是领先相；是领先相； 在在亚共析钢亚共析钢中中铁素体铁素体是领先相，在是领先相，在过共析钢过共析钢中

44、中渗碳体渗碳体是领先相；是领先相； 在在共析钢共析钢中两者为领先相的几率相同，但一般认为领先相是中两者为领先相的几率相同，但一般认为领先相是渗碳体渗碳体。珠光体珠光体铁素体铁素体渗碳体渗碳体领先相？领先相？（相变温度和奥氏体成分）（相变温度和奥氏体成分）l 珠光体转变时的领先相珠光体转变时的领先相横向长大横向长大是渗碳体片与铁素体片交替堆叠增多。是渗碳体片与铁素体片交替堆叠增多。纵向长大纵向长大是渗碳体片和铁素体片同时连续地向奥氏体中延伸；是渗碳体片和铁素体片同时连续地向奥氏体中延伸；l片状珠光体形成过程示意图片状珠光体形成过程示意图珠光体转变过程珠光体转变过程（2 2）粒状珠光体的形成过程）

45、粒状珠光体的形成过程渗碳体片存在内部缺陷，在亚晶界处出现沟槽渗碳体片存在内部缺陷，在亚晶界处出现沟槽片状渗碳体破断、球化过程示意图片状渗碳体破断、球化过程示意图片状渗碳体破断、球化过程片状渗碳体破断、球化过程珠光体的机械性能及其影响因素珠光体的机械性能及其影响因素1）珠光体层片间距）珠光体层片间距S0（与晶界类似）（与晶界类似） S0 减小，相界面增多，变形抗力提高，强度提高；另外减小，相界面增多，变形抗力提高，强度提高；另外S0减小，减小，Fe3C变薄，易弯曲和滑移使塑性提高。变薄，易弯曲和滑移使塑性提高。2）珠光体团尺寸）珠光体团尺寸 珠光体团尺寸与珠光体形成温度和原奥氏体晶粒尺寸有关，珠

46、珠光体团尺寸与珠光体形成温度和原奥氏体晶粒尺寸有关，珠光体形成温度低和奥氏体晶粒尺寸细小导致珠光体团尺寸小，单位光体形成温度低和奥氏体晶粒尺寸细小导致珠光体团尺寸小，单位体积内片层排列方向增多，应力集中可能性降低，导致强度和塑性体积内片层排列方向增多，应力集中可能性降低，导致强度和塑性提高；反之强度和塑性降低。提高；反之强度和塑性降低。3）铁素体亚结构）铁素体亚结构 铁素体亚结构尺寸越细，位错的量越多，受铁素体亚结构尺寸越细，位错的量越多，受Fe3C 阻碍变形抗力越阻碍变形抗力越高，强度越高。高，强度越高。4）球状珠光体性能）球状珠光体性能 同一成分钢，球状同一成分钢，球状P相界面比片状相界面

47、比片状P少，强度低；塑性好是因少，强度低；塑性好是因为为F呈连续分布，呈连续分布，Fe3C颗粒分布在颗粒分布在F基体上，对位错阻碍作用小。因基体上，对位错阻碍作用小。因此此P粒表现出：粒表现出： (1)切削加工性能好；切削加工性能好； (2)冷塑性变形性能好；冷塑性变形性能好； (3)加热时变形或开裂倾向小。加热时变形或开裂倾向小。（a）显微照片）显微照片 （b）示意图）示意图T8钢上贝氏体组织钢上贝氏体组织（二）（二） 贝氏体相变贝氏体相变 过冷奥氏体在过冷奥氏体在550 350 之间转变形成的产物称之间转变形成的产物称上贝氏体（上贝氏体（B上上)。B上上呈羽毛状呈羽毛状, 小片状的渗碳体分

48、布在成排小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间。的铁素体片之间。HRC:4045。（a）显微照片）显微照片 （b）示意图）示意图GCr15钢下贝氏体组织钢下贝氏体组织 过冷奥氏体在过冷奥氏体在350-Ms之间等温时，过冷奥氏体转变之间等温时，过冷奥氏体转变成下贝氏体（成下贝氏体（B下下），呈黑色针状或竹叶状，其中颗粒状碳化），呈黑色针状或竹叶状，其中颗粒状碳化物物(Fe2.4C)沿一定方向分布分布在沿一定方向分布分布在F片之上，片之上，HRC:5055 。 贝氏体的性能贝氏体的性能 上贝氏体中铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；同时渗上贝氏体中铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；同时渗碳体分布在铁素体

49、片之间，容易引起脆断，因此强度和碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断，因此强度和韧性都较差。韧性都较差。 下贝氏体中铁素体针细小，无方向性，碳的过饱和度大，下贝氏体中铁素体针细小，无方向性，碳的过饱和度大，位错密度高，且碳化物分布均匀、弥散度大，所以强度位错密度高，且碳化物分布均匀、弥散度大，所以强度高，韧性好，具有较好的综合机械性能。这种下贝氏体高，韧性好，具有较好的综合机械性能。这种下贝氏体应用广泛。应用广泛。 贝氏体相变的基本特征贝氏体相变的基本特征1）B相变是过冷相变是过冷A在中温转变区（在中温转变区（550Ms）发生的非平）发生的非平衡相变，转变温度范围宽，转变有孕育期。衡相变，转变

50、温度范围宽，转变有孕育期。2）B转变过程主要是转变过程主要是B铁素体的形核和长大过程，在不同温铁素体的形核和长大过程，在不同温度下得到不同类型的度下得到不同类型的B组织形貌。组织形貌。3）B组织的相组成主要是组织的相组成主要是B铁素体和碳化物，铁素体和碳化物，B转变不完全转变不完全有残余有残余A，进一步冷却，进一步冷却AM ,形成形成B+M+A/（残余（残余A）。4）B转变有表面浮凸现象。转变有表面浮凸现象。5）B转变是转变是B铁素体的共格切变型相变和碳原子的扩散型相铁素体的共格切变型相变和碳原子的扩散型相变，碳原子的扩散速度控制着变，碳原子的扩散速度控制着B的转变速度，的转变速度，Fe及合金

51、元素及合金元素不扩散。不扩散。影响贝氏体相变的因素影响贝氏体相变的因素（1）温度）温度 等温温度越高，转变量越少；等温温度越高，转变量越少；有孕育期；有孕育期；转变速度先增后减。转变速度先增后减。冷却时在不同温度下停留的影响冷却时在不同温度下停留的影响冷却时不同温度停留的冷却时不同温度停留的三种情况三种情况 曲线曲线1：在珠光体相变与贝氏体相变之间的：在珠光体相变与贝氏体相变之间的过冷奥氏体稳过冷奥氏体稳定区停留定区停留，会，会加速加速随后的贝氏体转变速度。随后的贝氏体转变速度。 原因原因：在等温停留时从奥：在等温停留时从奥氏体中析出了碳化物，降低了氏体中析出了碳化物，降低了奥氏体中碳和合金元

52、素的浓度，奥氏体中碳和合金元素的浓度，即降低了奥氏体的稳定性，所即降低了奥氏体的稳定性，所以使贝氏体转变加速。以使贝氏体转变加速。 曲线曲线2：在贝氏体形成温度的高温区停留，：在贝氏体形成温度的高温区停留，形成部分上贝形成部分上贝氏体氏体，然后再冷至贝氏体相变的低温区，将降低贝氏体转，然后再冷至贝氏体相变的低温区，将降低贝氏体转变的速度，即奥氏体发生了变的速度，即奥氏体发生了稳定化稳定化。 曲线曲线3：先冷至低温，：先冷至低温，形成形成少量马氏体或下贝氏体少量马氏体或下贝氏体，然，然后再升至较高温度，则先形后再升至较高温度，则先形成的少量马氏体和下贝氏体成的少量马氏体和下贝氏体将将加速加速随后

53、的贝氏体转变速随后的贝氏体转变速度。度。原因：原因：较低温度下的相变使奥氏体点阵发生畸变，从而较低温度下的相变使奥氏体点阵发生畸变，从而加速了贝氏体的形核，加速贝氏体的形成。加速了贝氏体的形核，加速贝氏体的形成。n 奥氏体中碳含量的增加，转变时需奥氏体中碳含量的增加，转变时需要扩散的原子数量增加，等温转变要扩散的原子数量增加，等温转变C曲线右移，转变速度下降。曲线右移，转变速度下降。（2）碳含量）碳含量n 上贝氏体铁素体的长大速度主要取决于奥氏体中上贝氏体铁素体的长大速度主要取决于奥氏体中碳的扩碳的扩散速度散速度；下贝氏体的相变速度，主要取决于铁素体内；下贝氏体的相变速度，主要取决于铁素体内碳

54、化碳化物的沉淀速度物的沉淀速度。n 除除Al、Co外，合金元素都或多或少地降低贝氏体转变速外，合金元素都或多或少地降低贝氏体转变速度，同时也使贝氏体转变的温度范围下降，从而使珠光体度，同时也使贝氏体转变的温度范围下降，从而使珠光体与贝氏体转变的与贝氏体转变的C曲线分开。曲线分开。（3）合金元素）合金元素n 奥氏体晶粒越大，晶界面积越少，形核部位越少，孕育期奥氏体晶粒越大，晶界面积越少，形核部位越少，孕育期越长，贝氏体转变速度下降。越长，贝氏体转变速度下降。（4）奥氏体晶粒大小）奥氏体晶粒大小（5）应力和塑性变形的影响）应力和塑性变形的影响n 拉应力加快贝氏体转变拉应力加快贝氏体转变;n 在在较

55、高温度较高温度的形变使贝氏体转变的孕育期延长，速度的形变使贝氏体转变的孕育期延长，速度减慢减慢；而在而在较低温度较低温度的形变却使转变的孕育期缩短，速度加快。的形变却使转变的孕育期缩短，速度加快。（三）（三） 马氏体相变马氏体相变 将钢经奥氏体化后快速冷却，钢中奥氏体只能以不发生将钢经奥氏体化后快速冷却，钢中奥氏体只能以不发生原子扩散、不引起成分改变，通过切变方式由原子扩散、不引起成分改变，通过切变方式由点阵改组为点阵改组为点阵来实现点阵的改组，这种转变称为点阵来实现点阵的改组，这种转变称为马氏体相变。马氏体相变。* * 产生马氏体相变的热处理工艺称为淬火。产生马氏体相变的热处理工艺称为淬火。

56、 马氏体马氏体-碳在碳在-Fe 中的过饱和固溶体。中的过饱和固溶体。1. 马氏体转变特点马氏体转变特点 过冷过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转变转变为马氏体是一种非扩散型转变n 钢中马氏体相变时无成分变化，仅发生点阵改组。钢中马氏体相变时无成分变化，仅发生点阵改组。n 可以在很低的温度范围内进行，并且相变速度极快。可以在很低的温度范围内进行，并且相变速度极快。n 原子以原子以切变切变方式移动，相邻原子的相对位移不超过原子间方式移动，相邻原子的相对位移不超过原子间距，近邻关系不变。距，近邻关系不变。 马氏体的形成速度很快马氏体的形成速度很快 马氏体转变是不彻底的马氏体转变是不彻底的 有残余奥氏体

57、有残余奥氏体 残余奥氏体的含量与残余奥氏体的含量与MS、Mf的位置有关。奥氏体中的位置有关。奥氏体中的碳含量越高，则的碳含量越高，则MS、Mf越低，残余越低，残余A含量越高。只在碳含量越高。只在碳质量分数少于质量分数少于0.6%时时, 残余残余A可忽略。可忽略。 马氏体形成时体积膨胀马氏体形成时体积膨胀 体积膨胀在钢中造成很大的内应力体积膨胀在钢中造成很大的内应力, 严重时导致开裂。严重时导致开裂。 马氏体转变通常不能进行到底，有一部分未转变的奥氏马氏体转变通常不能进行到底，有一部分未转变的奥氏体残留下来，称为体残留下来，称为残余奥氏体（残余奥氏体（retained austenite ）。）

58、。 符号：符号：A/或或AR 残余奥氏体的作用残余奥氏体的作用 因本身较软，会降低淬火钢的硬度；因本身较软，会降低淬火钢的硬度； 不稳定，易使零件产生变形开裂；不稳定，易使零件产生变形开裂； 降低硬磁钢的磁感应强度；降低硬磁钢的磁感应强度； 可提高某些钢的韧性和塑性。可提高某些钢的韧性和塑性。降低降低A/：冷处理冷处理为了减少淬火至室温后钢中的为了减少淬火至室温后钢中的A/量，量，可将其继续冷却至零下（可将其继续冷却至零下（Mf 点以下）进行处理。点以下）进行处理。提高提高A/：凡是降低凡是降低Ms 点的因素均提高点的因素均提高A/量。主要取决于奥量。主要取决于奥氏体的化学成分：氏体的化学成分

59、： C% Ms A/ 合金元素合金元素 Ms A/影响影响A/含量的因素：含量的因素：2. 马氏体的形态与性能马氏体的形态与性能（1）马氏体形态）马氏体形态 钢中马氏体根据成分（钢中马氏体根据成分（C%）和冷却条件呈现不同的形态；）和冷却条件呈现不同的形态； 按照亚结构分为位错型马氏体、孪晶马氏体；按照亚结构分为位错型马氏体、孪晶马氏体； 根据形态分为板条马氏体、针片状马氏体、蝶状马氏体、薄根据形态分为板条马氏体、针片状马氏体、蝶状马氏体、薄板状马氏体、薄片状马氏体；板状马氏体、薄片状马氏体； 板条马氏体在显微镜下为一束束平行排列的细板条。板条马氏体在显微镜下为一束束平行排列的细板条。 在高倍

60、透射电镜下可看到板条马氏体内有大量位错缠在高倍透射电镜下可看到板条马氏体内有大量位错缠结的亚结构，所以也称位错马氏体。结的亚结构，所以也称位错马氏体。 在低、中碳钢，马氏体时效钢中出现，形成温度较高。在低、中碳钢，马氏体时效钢中出现，形成温度较高。尺寸约为尺寸约为2035m。板条马氏体板条马氏体 （ C%1.0%。也叫高碳马氏体）。也叫高碳马氏体）光镜下光镜下针片状马氏体示意图针片状马氏体示意图 碳质量分数在碳质量分数在0.251.0%之间时，为板条马氏体之间时，为板条马氏体和针片状马氏体的和针片状马氏体的混和组织混和组织。 如如45钢淬火的组织就是混合马氏体。钢淬火的组织就是混合马氏体。其它