机械制造基础-第4章 加热、冷却转变

第4章钢的热处理

1概述热处理与其他加工方法不同，只改变材料组织性能，而不改变其形状和大小。零件经适当热处理后，可以提高强度和硬度，增强耐磨性或改善塑性，切削加工性等。基本过程为：加热---保温---冷却第4章钢的热处理钢的热处理：钢的热处理就是将钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以改变钢的组织，从而获得所需性能的工艺方法。保温临界温度冷却时间加热温度2热处理类型热处理普通热处理表面热处理特殊热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理火焰加热感应加热(高、中、低频)渗碳氮化碳氮共渗其他形变真空其他3

A1、A3、Acm各相变点是固态下铁碳合金的组织转变线，是在极其缓慢加热和冷却条

件下得到的。在实际生产中，固态相变时都有不同程度的过热度或过冷度（见右图）。为便于区别，将加热时各相变点用ACl、AC3、ACcm表示，冷却时各相变点用Arl、Ar3、Arcm表示。4.1钢在加热时的组织转变

44.1钢在加热时的组织转变

1、奥氏体的形成

以共析钢为例，当加热到AC1以上时，发生珠光体向奥氏体的转变（即奥氏体化）过程可分为四个阶段：

1）奥氏体晶核的形成3）剩余渗碳体的溶解

4）奥氏体均匀化

对于亚共析钢和过共析钢，当加热到AC1线稍上时钢中的珠光体向奥氏体转变，只有分别加热到AC3或ACCm温度以上，保温足够时间，才能获得成分均匀的单相奥氏体。

2）奥氏体晶核的长大53）加入一定量合金元素（除锰、磷外）4.1钢在加热时的组织转变

2、奥氏体晶粒长大及其控制措施

钢加热时珠光体向奥氏体转变刚刚结束时，奥氏体晶粒是比较细小的。如果继续加热或保温，奥氏体晶粒会变粗大，影响热处理后钢的强度、塑性、韧性较低。因此，加热时获得细小晶粒的奥氏体对提高热处理效果和钢的性能有重要的意义。

控制奥氏体晶粒长大措施：

1）合理选择加热温度和保温时间

2）采用快速加热64.2钢在冷却时的组织转变

钢经加热奥氏体化后，可以采用不同方式冷却，获得所需要的组织和性能。成分相同的钢，奥氏体化后，采用不同方式冷却，将获得不同的力学性能，见下表。74.2钢在冷却时的组织转变

实际生产中，必须过冷到A1温度以下才开始转变。在相变温度A1以下还没有发生转变而处于不稳定状态的奥氏体称过冷奥氏体。

过冷奥氏体有等温转变和连续冷却转变两种冷却转变方式（见右图）。84.2钢在冷却时的组织转变

1、过冷奥氏体的等温转变

以共析钢为例，介绍等温转变曲线及转变产物。

1）过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）

左边曲线为过冷奥氏体转变开始线，右边曲线为过冷奥氏体等温转变终了线。A1线以上是奥氏体稳定区；A1线以下，转变开始线的左边为过冷奥氏体区，转变终了线的右边是转变产物区，转变开始线和终了线之间为过冷奥氏体和转变产物共存区。94.2钢在冷却时的组织转变

转变开始线与纵坐标轴之间的时间为孕育期。在C曲线拐弯的“鼻尖处”（约550℃），孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定。水平线MS为马氏体转变开始线（约230℃），水平线Mf为马氏体转变终了线（约－50℃）。A′：残余奥氏体，即淬火冷却到室温后残留的奥氏体。104.2钢在冷却时的组织转变

2）过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能(1)珠光体型转变（A1～550℃）（屈）11(2)贝氏体转变（550℃～MS）下贝氏体的显微组织12（3）马氏体（M）转变及其组织a.马氏体组织及其性能特点马氏体是含过饱和碳的固溶体，为此导致体心立方晶格畸变为体心正方晶格，见图4-8

过冷奥氏体在马氏体开始形成温度Ms以下转变为马氏体，这个转变持续至马氏体形成终了温度Mf。奥氏体中碳含量对Ms、Mf温度的影响见图4-7。马氏体的形貌常有针状及板条状两种，前者一般出现在高碳钢中，Wc＞1.0％时;后者一般出现在低碳钢中，当Wc＜0.20％时。当Wc在0.20％～l.0％时，形成片状和板条状马氏体的混合组织。

13图4-7

含碳量对Ms与Mf温度的影响图4-8

马氏体晶格示意图14图4-10

碳对淬火钢硬度的影响马氏体的硬度主要取决于其含碳量见图4-10曲线C。当碳含量超过0.6％，强度和硬度增加不明显。实际淬火钢硬度取决于马氏体，残余奥氏体，以及其它不转变物（铁素体或二次渗碳体）的含量。15b.马氏体转变的特点

马氏体转变同样是一个形核和长大的过程。它的主要特点是：（1）无扩散性；（2）在不断降温的过程中形成；（3）高速长大；（4）马氏体转变的不完全性。

残余奥氏体的存在，会降低淬火钢的硬度和耐磨性，并且在工件长期使用过程中残余奥氏体会逐步转变为马氏体，使工件变形而引起尺寸的不稳定。减少残余奥氏体的措施：冷处理。即把淬火后的工件继续冷却到室温以下－80～－50℃，以减少残余奥氏体的含量。164.2钢在冷却时的组织转变

3）亚共析钢和过共析钢的等温转变

由于亚共析钢和过共析钢的碳含量低于或高于共析成分，当过冷奥氏体在C曲线“鼻尖”上部区域等温时，亚共析钢先析出铁素体，然后进行珠光体转变，得到铁素体和珠光体组织；同理，过共析钢先析出渗碳体，然后进行珠光体转变，得到渗碳体和珠光体组织。174）影响等温冷却转变曲线的因素(1)含碳量的影响由于亚共析钢和过共析钢，当过冷奥氏体在C曲线“鼻尖”上部区域等温时，亚共析钢先析出铁素体，然后进行珠光体转变，得到铁素体和珠光体组织；同理，过共析钢先析出渗碳体，然后进行珠光体转变，得到渗碳体和珠光体组织。共析钢过冷奥氏体最稳定，其TTT曲线最靠右。(2)合金元素的影响除C0外，凡是溶入A的合金元素，均能使C曲线右移，或形成2个鼻尖，提高过冷奥氏体的稳定性。(3)加热温度和保温时间的影响加热温度升高，保温时间加长，都有利于提高过冷奥氏体稳定性。184.2钢在冷却时的组织转变

2、过冷奥氏体的连续冷却转变

以共析钢为例，介绍等温转变曲线及转变产物。

1）等温转变曲线在连续冷却转变中的应用

共折钢连续冷却时，根据冷却速度曲线V1、V2、V3