第6章 (工程材料) 钢的热处理原理

第六章钢的热处理1概述定义：钢的热处理(heattreatment)是指将钢在固态下采用适当的方式进行加热(heating)、保温和冷却(cooling)，通过改变钢的内部组织结构而获得所需性能的工艺方法。三个阶段：钢的热处理工艺都包括加热、保温和冷却。热处理工艺曲线：温度——时间曲线应用：通过适当的热处理，不仅可以提高钢的使用性能，改善钢的工艺性能，而且能够充分发挥钢的性能潜力，提高机械产品的产量、质量和经济效益。分类：整体热处理：退火，淬火，正火，回火表面热处理：表面淬火，表面化学热处理

按阶段分类：预备热处理和最终热处理两类。定义：由Fe-Fe3C相图可知，钢在平衡条件下的固态相变点分别为A1、A3和Acm。而将在加热时实际的相变点分别称为Ac1、Ac3、Accm，在冷却时实际的相变点分别称为Ar1、Ar3、Arcm。如图5.2所示。2钢在加热时的组织转变2.1奥氏体的形成过程将共析钢加热至Ac1温度时，便会发生珠光体向奥氏体的转变，其转变过程也是一个形核和和长大的过程，一般可分为四个阶段。

钢坯加热1．奥氏体晶核的形成奥氏体晶核优先在铁素体和渗碳体的两相界面上形成。2.奥氏体晶核的长大奥氏体晶核形成后，依靠铁素体的晶格改组和渗碳体的不断溶解，奥氏体晶核不断向铁素体和渗碳体二个方向长大。与此同时，新的奥氏体晶核也不断形成并随之长大，直至铁素体全部转变为奥氏体为止。3．残余渗碳体的溶解在奥氏体的形成过程中，当铁素体全部转变为奥氏体后，仍有部分渗碳体尚未溶解（称为残余渗碳体），随着保温时间的延长，残余渗碳体将不断溶入奥氏体中，直至完全消失。4．奥氏体成分均匀化当残余渗碳体溶解后，奥氏体中的碳成分仍是不均匀的，在原渗碳体处的碳浓度比原铁素体处的要高。只有经过一定时间的保温，通过碳原子的扩散，才能使奥氏体中的碳成分均匀一致。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，但是需要加热至Ac3或Accm温度以上，才能得到单相奥氏体组织，即完全奥氏体化。2.2奥氏体晶粒的大小及其影响因素奥氏体晶粒的大小对钢冷却后的组织和性能有很大影响。1．奥氏体的晶粒度国家标准GB6394-86将奥氏体标准晶粒度分为00，0，1，2，……，10等十二个等级，其中常用的为1～8级。

1～4级为粗晶粒，5～8级为细晶粒。

2．影响奥氏体晶粒大小的因素（1）加热温度和保温时间

加热温度增加,加热时间延长，奥氏体晶粒会自发地长大。2．影响奥氏体晶粒大小的因素

（2）钢的成分奥氏体中碳含量的增加，晶粒的长大倾向也增加；锰和磷促进奥氏体晶粒长大碳以未溶碳化物的形式存在时，则有阻碍晶粒长大的作用。钢中能形成稳定碳化物、氧化物或氮化物的元素，有利于获得细晶粒3钢在冷却时的组织转变冷却方式：等温冷却连续冷却

两种冷却方式示意图1——等温冷却2——连续冷却3.1过冷奥氏体的转变产物的组织与性能

孕育期：A在A1温度以下开始发生结构转变需要的时间。过冷奥氏体：在A1温度以下暂时存在的不稳定的奥氏体。组织转变三种类型：珠光体型转变贝氏体型转变马氏体型转变

1．珠光体型转变

温度：A1～550℃

转变过程：课堂练习：文字描述珠光体转变过程。转变产物：铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状组织。分类：珠光体、索氏体和托氏体

符号：P、S、T

性能比较：2．贝氏体型转变温度范围：550℃～Ms。转变过程：课堂练习：绘制B上组织示意图。指出相结构名称。与P性能进行比较。转变产物：由含碳过饱和的铁素体和弥散分布的渗碳体组成的组织，称为贝氏体(bainite)，用符号B来表示。分类：上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）。转变组织：B上=过饱和F片+Fe3c断续片

B下=F过饱和+碳化物分布B上照片光镜下电镜下B下照片3．马氏体型转变温度范围：在Ms温度以下转变组织：碳在α-Fe中溶解而形成的过饱和固溶体，称为马氏体(martensite)，用符号M表示。组织形态分类：板条马氏体(lathmartensite)

针片状马氏体(acicularmartensite)板条状Ms(低碳时)组织示意图（板书）光镜下电镜下针状Ms（高碳时）组织示意图（板书）马氏体的力学性能：板条马氏体具有较高硬度、较高强度与较好塑性和韧性相配合的良好的综合力学性能。针片状马氏体具有比板条马氏体更高的硬度，但脆性较大，塑性和韧性较差。马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C%（3）马氏体型转变的特点

①一定温度范围内②非扩散型转变③速度极快，瞬间形核，瞬间长大，其线长大速度接近于音速。④具有不完全性。转变类型转变产物形成温度，℃转变机制显微组织特征HRC获得工艺珠光体PA1~650扩散型粗片状，F、Fe3C相间分布5-20退火S650~600细片状，F、Fe3C相间分布20-30正火T600~550极细片状，F、Fe3C相间分布30-40等温处理贝氏体B上550~350半扩散型羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和F条之间40-50等温处理B下350~MS竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上50-60等温淬火马氏体M针MS~Mf无扩散型针状60-65淬火M*板条MS~Mf板条状50淬火举例：共析钢平衡组织从室温加热A化，保温后等温冷却到室温，经历了一个热循环。问：原始组织是什么？冷却后可能变成哪几种组织？性能与原始组织比较有何差异？热循环有何意义？3.2过冷奥氏体的转变曲线分类：等温转变曲线和连续冷却曲线。1．过冷奥氏体的等温转变曲线(isothermalcoolingtransformationcurve)定义：过冷奥氏体在不同过冷度下的等温过程中，转变温度、转变时间与转变产物量之间的关系曲线。称为“C曲线”，也称为“TTT”曲线。共析钢的C曲线：线及其分区的认识非共析钢的C曲线：多了一条先析相的析出线位置也相对左移左移的影响：转变加快；举例：亚共析钢平衡组织从室温加热A化，保温后550ºC以上等温冷却后再冷到室温，经历了一个热循环。问：原始组织是什么？冷却后可能变成哪几种组织？性能与原始组织比较有何差异？热循环有何意义？2．过冷奥氏体的连续转变曲线(continuouscoolingtransformationcurve)定义：钢经奥氏体化后，在不同冷却速度的连续冷却条件下，过冷奥氏体的转变时间、转变温度与产物之间关系的曲线。曲线：图中Ps、Pf线分别为珠光体转变开始和转变终了线，Pk为珠光体转变中止线。当冷却曲