第2章钢的热处理原理

第2章钢的热处理原理2.1概述2.2钢在加热时的转变2.3钢在冷却时的转变2.4钢的回火转变2.1概述1.热处理的定义热处理是根据钢在固态下组织转变的规律，通过不同的加热、保温和冷却，以改变其内部组织结构，达到改善钢材性能的一种热加工工艺。2.热处理的作用强化金属材料，充分发挥材料的潜力；热处理可以消除热加工工艺过程中的缺陷；是机械零件加工工艺过程中的重要工序使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能。热处理普通热处理表面热处理退火；正火淬火；回火表面淬火

化学热处理电磁感应加热淬火火焰加热淬火渗碳；渗氮；碳氮共渗3.热处理的分类4.案例分析表45钢在不同热处理状态下的力学性能比较5.钢的临界温度LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++

在非常缓慢加热或冷却条件下钢发生相变的平衡临界温度——A1；A3；Acm实际加热和冷却时的相变温度：加热时——Ac1；Ac3；Accm冷却时——Ar1；Ar3；Arcm5.钢的临界温度2.2钢在加热时的转变2.2.1奥氏体形成的热力学条件2.2.2奥氏体的形成过程1.奥氏体的形核；2.奥氏体晶核的长大；3.剩余渗碳体的溶解；4.奥氏体成分均匀化。FFe3C未溶Fe3CA残余Fe3CAAAA形核A长大残余Fe3C溶解A均匀化2.2.2奥氏体的形成过程1.加热温度2.加热速度3.化学成分4.原始组织2.2.3影响奥氏体形成速度的因素成分相同时，原始组织越细，相界面越多，奥氏体的形核率越高，从而加速奥氏体的形成。2.2.3影响奥氏体形成速度的因素3.化学成分的影响钢中碳含量的影响：碳含量越高，奥氏体的形成速度越快原因a.增加了铁素体和渗碳体的相界面，提高了奥氏体的形核率；b.提高了碳的扩散速度，增大了奥氏体的长大速度。合金元素的影响：合金元素影响碳在奥氏体中的扩散速度；合金元素会改变钢的平衡临界点；合金元素在珠光体中的分布是不均匀的，而且合金元素在奥氏体中的扩散速度远小于碳，因此，合金钢奥氏体化要比碳钢缓慢得多。

2.2.4奥氏体的晶粒度及其影响因素

奥氏体晶粒细小，则冷却后转变产物的晶粒也细小，其强度、塑性和韧性较好；粗大的奥氏体晶粒冷却后转变产物也粗大，其强度、塑性较差，特别是韧性显著降低。

钢在加热时获得的奥氏体晶粒大小，直接影响到冷却后转变产物的晶粒大小和力学性能。

因此，奥氏体晶粒的大小是评定热处理加热质量的主要指标之一。奥氏体晶粒度概念奥氏体晶粒度表示奥氏体晶粒的大小。工业上一般分为8级1-4级粗，5-8级细，8级以上极细计算式为n=2N-1

N：晶粒度级别n：为放大100倍的视场中1平方英寸（6.45cm2）视场中所包含的平均晶粒数。

2.2.4奥氏体的晶粒度及其影响因素

（1）奥氏体的晶粒度2.2.4奥氏体的晶粒度及其影响因素

奥氏体晶粒越细小，n↑，N也就↑，下表是奥氏体晶粒度级别与其他各表示方法对照表。

1.起始晶粒度——在临界温度以上，奥氏体转变刚刚完成，其晶粒边界刚刚接触时的晶粒度。

2.实际晶粒度——在某一具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒大小。

3.本质晶粒度——根据标准实验方法，在930±10℃保温3—8h后测得的奥氏体晶粒大小。经过上述实验，奥氏体晶粒度在5—8级者称为本质细晶粒钢，而奥氏体晶粒度在1—4级者称为本质粗晶粒钢。

2.2.4奥氏体的晶粒度及其影响因素2.2.4奥氏体的晶粒度及其影响因素

（2）影响奥氏体长大的因素

a.加热温度与保温时间

加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大，因为这与原子扩散密切相关。1250℃1050℃900℃保温时间t晶粒度

b.加热速度

加热速度越快，过热度越大，奥氏体实际形成温度越高，可获得细小的起始晶粒。快速加热，短时保温的超细化工艺如高频加热，激光加热等可获得细小的晶粒。

（2）影响奥氏体长大的因素c.化学成分C、Mn和P是促进奥氏体晶粒长大的元素。合金元素Ti、Zr、V、Nb、Al等，当其形成弥散稳定的碳化物和氮化物时，由于分布在晶界上，因而阻碍晶界的迁移，阻止奥氏体晶粒长大，有利于得到本质细晶粒钢。强烈阻碍：Al、V、Ti、Zr、Nb原因：机械阻碍理论——形成难溶碳、氮化物中等阻碍：Cr、W、Mo促进长大：Mn、P、溶入A的C降低铁原子的结合力，促进铁的扩散d.原始组织原始组织越细，碳化物弥散度越大，奥氏体晶粒越细小。过冷奥氏体的等温转变曲线珠光体转变马氏体转变2.3钢在冷却时的转变贝氏体转变过冷奥氏体的连续冷却转变曲线TTT曲线——过冷奥氏体等温转变动力学曲线。CCT曲线——过冷奥氏体连续转变动力学曲线。2.3钢在冷却时的转变T---timeT---temperatureT---transformation测量方法：膨胀法，磁性法，金相—硬度法。

共析碳钢TTT曲线建立过程示意图时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1（2）共析碳钢TTT曲线的分析稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线

A+产物区产物区A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;P转变区。550～230℃;中温转变区;半扩散型转变;

贝氏体(B)转变区;230～-50℃;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf珠光体转变组织与性能珠光体型(P)转变(A1～550℃):A1～650℃:P;5～25HRC

片间距为0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:细片状P---索氏体(S)

片间距为0.2～0.4μm(1000×)25～36HRC。600～550℃:极细片状P---屈氏体(T)

片间距为＜0.2μm(电镜)35～40HRC。

珠光体形貌像光镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌索氏体形貌像屈氏体形貌像电镜形貌光镜形貌贝氏体型(B)转变(550～230℃):550～350℃:B上;40～45HRC;B上=过饱和铁素体(长条状)+Fe3C(细条状),B上在显微镜下呈现羽毛状，性脆，不采用!过饱和铁素体(条状)Fe3C(细条状)B下=过饱和碳α-Fe针叶状+Fe3C细片状,B下在显微镜下呈现针叶状，综合性能优良.过饱和铁素体(针叶状)Fe3C(细片状)350～230℃:B下;50～60HRC;上贝氏体组织金相图

下贝氏体组织金相图转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小.孕育期最小处称C曲线的“鼻尖”。碳钢鼻尖处的温度为550℃。在鼻尖以上，温度较高，相变驱动力小。在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而使奥氏体稳定性增加。（2）共析碳钢TTT曲线的分析高温转变产物——扩散类型——Fe、C均扩散亚共析钢：F+P共析钢：P过共析钢：P+Fe3C化学成分与晶格类型的转变均靠扩散实现.中温转变产物——半扩散性——Fe不扩散，C部分扩散α(过饱和的C）+Fe3C的机械混合物——贝氏体类型(B)化学成分的变化靠扩散实现.低温转变产物——非扩散型——

Fe、C均不扩散获得C在α-Fe中的过饱和固溶体——马氏体类型(M)①不同温度下转变产物不同高温转变产物(A1~550℃)

珠光体(P)——扩散型中温转变产物(550℃~MS)

贝氏体(B)—半扩散型低温转变产物(MS~Mf)

马氏体(M)——非扩散型要点②存在孕育期

——过冷奥氏体等温分解所需的准备时间。

——代表过冷A稳定性。③存在鼻点

——孕育期最短，过冷A最不稳定④T转↓，产物硬度↑⑤马氏体是过冷奥氏体连续冷却中的一种转变组织，非等温转变产物。将其画入，使过冷奥氏体等温转变曲线更完备、实用。亚共析钢的TTT曲线

FAP+FS+FTBM+A残A3时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf

过共析钢的TTT曲线P+Fe3CⅡS+Fe3CⅡTBM+A残

Fe3CⅡAACM时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf（3）影响过冷奥氏体等温转变的因素

1化学成分

（1）含碳量

理论:奥氏体中C%↑，C曲线右移F相难析出，珠光体转变难进行实际:亚共析钢：C%↑，C曲线右移过共析：C%↑，左移指溶入奥氏体中的C（2）合金元素0.9%C0.9C+0.5Mn0.9C+1.2Mn

0.9+2.8MnTτTτ0.5C0.5C+2%Cr0.5C+4%Cr0.5C+8%Cr

①除Co、Al（WAl>2.5%）外，其它合金元素Me%↑，C曲线右移——须溶入A中。TτMsCo,AlNi,Si,Cu,MnSiNi,Cu,MnCo,Al外所有合金元素非碳化物形成元素只改变C曲线位置：如Co,Al,Ni,Cu,Si强碳化物形成元素的影响Tτ中强碳化物形成元素Cr的影响

强碳化物形成元素W,Mo,V,Ti,Nb等的影响W，Mo，V，Ti，Nb等改变C曲线位置和形态②碳化物形成元素改变C曲线位置和形状Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr等③对Ms点的影响Co、Al使Ms↑其它合金元素使Ms↓

愈细，成分及组织愈不均匀，未溶第二相愈多，A稳定性越差——左移

T↑、t↑，晶粒粗大，成分、组织均匀，A稳定性↑

——右移2奥氏体组织2.3.2珠光体转变

过冷奥氏体在A1—550℃间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据片层厚薄不同，又细分为珠光体、索氏体和屈氏体。1、珠光体的组织形态根据渗碳体的形态不同，珠光体可分为片状珠光体和粒状珠光体。⑴片状珠光体：珠光体组织的粗细程度可以用片间距S0表示，其经验公式：S0=C/T

C-常数T-过冷度光镜下形貌电镜下形貌普通珠光体形成温度为A1-650℃，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示。索氏体

形成温度为650-600℃,片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S表示。电镜形貌

形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示。屈氏体

珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。（2）粒状珠光体渗碳体呈颗粒状，均匀弥散地分布在铁素体基体上的组织。

获得该组织的热处理工艺：球化退火；淬火+中、高温回火。2.珠光体的力学性能

珠光体团的直径和片间距越小，钢的强度、硬度越高，塑性和韧性略有改善。3.珠光体转变过程珠光体转变是扩散型转变，也是形核和长大的过程。片状珠光体形成过程

2.3.3马氏体转变（低温转变）温度范围：230

～-50℃（Ms～Mf）转变特征：非扩散型转变转变过程：转变产物：M

快速共格切变

50m/s

bcc0.77%C

fcc0.77%CAM马氏体转变马氏体：碳溶于α-Fe中所形成的过饱和间隙固溶体(1)M的晶体结构马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c）轴比c/a称马氏体的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸变越严重。当＜0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格.(2)M的形貌板条状M片状M（针叶状）M条M束M片(3)M形貌与含碳量的关系材料：40Cr（800X）

工艺情况：淬火、回火

浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀

组织说明：板条马氏体及针状马氏体，为典型中碳马氏体[×500

正常淬火组织：隐晶马氏体高速钢隐晶M混合M隐晶马氏体——最大尺寸的马氏体片小到光学显微镜无法分辨时，便称为隐晶马氏体。在生产中正常淬火得到的马氏体一般都是隐晶马氏体。孪晶——孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为孪晶，此公共晶面就称孪晶面。产生体积膨胀（浮凸现象）产生组织应力在Ms～Mf

之间进行不能进行到底产生残余奥氏体（Ar、AR、A′）(4)M的组织特征M转变终止温度M转变开始温度结论：Wc

Ms～Mf，A′

bccM硬度：与wc（%）有关板条状M：强度高、有一定的塑性和韧性片状M：硬而脆(5)M的性能正常加热淬火：Wc

HM

;

Wc＞0.6%后，HM基本不变M的硬度与的含碳量的关系a线：在Accm以上加热淬火C线：M硬度b线：在Ac1以上加热淬火奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响6007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00温度℃Wc100MsMf90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.11.21.31.41.51.61.7Wc100残余奥氏体量(%)奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响导致马氏体具有高硬度、高强度的因素：1.固溶强化2.相变强化3.时效强化4.原始奥氏体晶粒大小以及板条马氏体束大小2.3.4贝氏体转变过冷奥氏体在550℃-230℃（Ms）间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。

转变特点：半扩散型转变，Fe原子不扩散，碳原子有一定的扩散能力。

转变产物：贝氏体，即Fe3C分布在含碳过饱和的铁素体上的两相混合物。根据其组织形态不同，贝氏体又分为B上，B下和粒状贝氏体。1贝氏体的组织形态

上贝氏体下贝氏体粒状贝氏体的显微组织⑴上贝氏体形成温度为550—350℃。在光镜下呈羽毛状。在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。⑵下贝氏体形成温度为350℃—Ms。在光镜下呈竹叶状。在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内。（3）粒状贝氏体形成温度：上贝氏体转变区上限温度范围内。粗大的块状或针状铁素体内或晶界上分布着一些孤立的小岛，小岛呈粒状或长条状。岛状物多为马氏体和奥氏体，称M-A岛。

上贝氏体强度与塑性都较低。下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。上贝氏体贝氏体组织的透射电镜形貌下贝氏体2.贝氏体的力学性能3.贝氏体转变的特点贝氏体转变兼有珠光体和马氏体转变的特点，是一个有碳原子扩散的共格切变过程。2.3.5过冷奥氏体连续冷却转变曲线（1）共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线的建立——CCT曲线C---continuousC---coolingT---transformation测量方法：膨胀法和金相-硬度法。Vk一)共析碳钢CCT曲线建立过程示意图时间(lgτ)温度℃A1PfPsA+PKMsMf水冷油冷Vk1炉冷空冷二)共析碳钢TTT曲线与CCT曲线的比较稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMfCCT曲线TTT曲线稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf三）在连续冷却过程中TTT曲线的应用V1V2VkV3V4V1=5.5℃/s:炉冷;PV2=20℃/s:空冷;SV3=33℃/s:油冷;T+M+A残V4≥138℃/s:水冷;M+A残过共析钢CCT曲线也无贝氏体转变区，但比共析钢CCT曲线多一条A→Fe3C转变开始线。由于Fe3C的析出，奥氏体中含碳量下降，因而Ms线右端升高。亚共析钢CCT曲线有贝氏体转变区，还多A→F开始线，F析出使A含碳量升高，因而Ms线右端下降。过共析钢CCT曲线亚共析钢CCT曲线第四节钢在回火时的转变2.4钢的回火转变回火——是将淬火钢加热到低于临界点A1的某一温度保温一定时间，使淬火组织转变为稳定的回火组织，然后以适当的方式冷却到室温的热处理工艺。淬火钢为什么要进行回火？淬火后的钢不稳定；有向稳态组织转变的趋势；温度低，扩散困难。回火的作用消除内应力，防止变形和开裂；获得稳定组织和性能。2.4.1淬火钢在回火时的组织转变（1）马氏体中碳的偏聚在80-100℃以下温度回火时发生碳的偏聚。（2）马氏体的分解100-250℃加热时，马氏体将发生分解，从马氏体中析出-碳化物（-FexC）使马氏体过饱和度降低。析出的碳化物以细片状分布在马氏体基体上，这种组织称回火马氏体，用M回表示。透射电镜下的回火马氏体形貌（3）残余奥氏体的转变250-300℃回火时，残余奥氏体分解为-碳化物和过饱合铁素体，即M回。（4）碳化物的转变

250-400℃回火时，-碳化物溶解于F中，并从铁素体中析出Fe3C。用T回表示。回火索氏体（5）碳化物的聚集长大和的回复再结晶400℃以上，Fe3C开始聚集长大。450℃以上铁素体发生多边形化。这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织称回火索氏体，用S回表示。2.4.2淬火钢回火时力学性能的变化（1）硬度

低温回火：回火马氏体(＞500℃)，回火温度升高，硬度总的趋势是下降。（1）高碳钢