第6讲-钢的热处理及合金化

第三节钢的热处理一、热处理的作用钢的热处理就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，以改善其内部组织结构，达到改善钢材性能的一种加工工艺。

热处理一般是由加热、保温和冷却三个阶段组成，其基本工艺过程可以用热处理工艺曲线来表示，如图2-60所示。

热处理是一种与铸、锻、焊接等加工密切相关的工艺。

在铸、锻、焊过程中，不可避免地会出现这样或者那样的缺陷。

如铸造过程中由于铸件形状复杂、厚薄不均，造成冷却不均、组织变化不均而产生很大的铸造应力。

此外，铸件从高温缓慢冷却，晶粒易于粗大。

锻造时，由于终锻温度过高或过低，会出现粗大的魏氏组织或带状组织。

焊接件在焊接过程中的局部加热与熔化，随后的冷却又较快，必然存在很大的内应力。

缺陷的存在，将严重影响构件的使用性能。

为了消除缺陷，需要进行一定的热处理，如退火可以改善构件组织结构和性能。

热处理更重要作用还在于它是赋予工件最终性能的关键工序。

不少重要零件加工成型后，并不能直接使用，还必须进行最终的热处理，以获得最佳使用性能，充分发挥钢材的潜力。

因此，在冶金生产、机械制造和航空制造等众多工业中，热处理都占有重要的地位。

根据热处理所起作用的不同、加热和冷却方法的不同、以及组织和性能变化的不同，钢的热处理工艺通常分为退火、正火、淬火、回火和化学热处理等。

在不同使用条件下，对钢材的性能要求不同。

即使是同一零件，在其加工过程中，前后性能的要求也不一样。

因此，热处理的方式也就不同。

二、钢的临界温度钢的热处理的依据就是钢在固态加热、保温和冷却过程中，会发生一些列组织转变。

因此，铁碳相图的左下角（如图1-2所示），对于研究钢的相变和制定热处理工艺有重要的参考价值。

由图可见，钢在缓慢加热和冷却时，其固态组织转变的临界温度是由PSK线（A1线）、GS线（A3线）、ES线（Acm线）来决定的。

共析钢只有一个临界点A1,亚共析钢有两个临界点A1和A3，过共析钢有两个临界点A1和Acm。

铁碳相图上的A1、A3、Acm都是平衡临界点，是新旧两相自由能相等的温度。

而实际转变过程不可能在平衡临界点进行。

加热转变只有在平衡临界点以上（即有一定过热度）才能进行。

相反，冷却转变只有在平衡临界点以下（即有一定的过冷度）才能发生。

所以实际的加热转变点和冷却转变点都偏离平衡临界点。

而且，加热和冷却速度越大，其偏离也越大。

通常，加热转变点标以c，冷却转变点标以r。

碳钢的实际转变点在铁-碳相图上的位置如图1-2中虚线所示.其物理意义如下： Ac1：加热时珠光体转变为奥氏体的温度；Ar1：冷却时奥氏体转变为珠光体的温度；Ac3：加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度；Ar3：冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度；Accm：加热时Fe3CⅡ全部溶入奥氏体的终了温度；Arcm：冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度。

应指出，工业碳素钢并不是单纯的Fe-C合金，里面还有Si、Mn、S、P等杂质。

这些杂质元素对于碳素钢的平衡临界点是有影响的，不过因含量少，影响不大，可以忽略，仍可以用Fe-Fe3C相图确定钢临界点。

对于合金钢，合金元素对平衡临界点有很大的影响，甚至会大大改变相图结构，使A1、A3、Acm点不再是恒定的温度，而变成一个温度区间。

这时就不能再用Fe-Fe3C相图来确定合金钢的临界点，而必须用三元或者多元相图才行。

三、奥氏体的形成钢加热时，奥氏体的形成过程，称作奥氏体化。

根据Fe-Fe3C相图，由铁素体和渗碳体两相组成的珠光体，加热至AC1稍上温度时转变为奥氏体，即由于奥氏体和铁素体及渗碳体的晶格类型和含碳量度不同，因此奥氏体化过程包含着奥氏体形核、核长大、残留渗碳体溶解以及奥氏体内成分的均匀化四个阶段。

图1-3示意地表示了共析钢奥氏体形成各个阶段的主要特征。

将钢加热至AC1以上温度时，珠光体组织处于不稳定状态，在铁素体和渗碳体的界面上择优生成奥氏体晶核。

奥氏体晶核形成后，会同时向铁素体和渗碳体两侧生长，如图b。

这个阶段实质上是铁素体和奥氏体间的晶格重构，同时渗碳体不断地溶入奥氏体，以及碳在奥氏体中扩散。

共析钢奥氏体长大终了时，铁素体和渗碳体两相应同时消失。

但实验发现，铁素体完全消失后，还有部分渗碳体未溶解。

共析钢钢中铁素体总是先消失，残留有渗碳体相，如图c。

奥氏体形成时，残留渗碳体刚刚溶解，此时碳在奥氏体中的分布不均匀，如图d示。

原先渗碳体区域，碳浓度较高；原先铁素体区域含碳量较低。

这种不均匀性随着加热的速度增大而越加严重。

只有经继续加热或保温，使碳充分扩散，才能使整个奥氏体中碳浓度趋于均匀，如图1-3示。

共析钢奥氏体形成过程的四个阶段，对于任何钢材都是普适的。

四、奥氏体晶粒度及其控制奥氏体晶粒度及均匀性是衡量钢件力学性能与工艺性能的重要指标，是分析服役构件断裂失效的主要参考依据。

因此，控制奥氏体晶粒度有重要的实际意义。

1、奥氏体的晶粒度奥氏体形成后，在继续加热过程中奥氏体晶粒大小要发生变化。

此时需要区分三种有关奥氏体晶粒度的概念—奥氏体起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度。

奥氏体起始晶粒度：是指将钢加热至AC1以上，奥氏体形成刚完成，其晶粒边界刚接触时的晶粒大小。

奥氏体起始晶粒度取决于奥氏体的形核率和长大速度。

增大形核率或降低长大速度，是获得细小奥氏体起始晶粒的重要途径。

奥氏体实际晶粒度：是指在一定热处理加热、焊接或者热加工制度下所获得的奥氏体晶粒大小。

对于热轧（锻）钢材，它是指热轧（锻）终了时钢中的奥氏体晶粒大小；对于实际零件，一般是指热处理加工状态下的奥氏体晶粒大小。

奥氏体实际晶粒基本决定了钢件热处理后基体相晶粒大小。

在一般加热速度下，加热温度越高，保温时间越长，奥氏体实际晶粒度越大，实际晶粒度越大。

奥氏体本质晶粒度：根据标准实验方法规定，将钢材加热至930±10℃，保温3- 8小时，然后冷却至室温测定奥氏体晶粒大小，该晶粒度叫做奥氏体本质晶粒度。

奥氏体本质晶粒度仅表示钢材加热时晶粒长大的倾向，这种长大倾向有两种情况，如图1-13所示。

图中曲线a表示随着奥氏体化温度的升高或者奥氏体化时间的延长，奥氏体晶粒逐渐长大的过程，这种长大过程叫做正常长大。

图中曲线b表示在较低的奥氏体化温度时晶粒长大甚微或者不长大，当加热至一定温度时，晶粒骤然增大，然后长大速度又减小。

这一类长大过程叫做异常长大。

奥氏体异常长大的温度叫做奥氏体晶粒粗化温度。

若奥氏体晶粒粗化温度高于奥氏体本质晶粒度检验温度（930℃），则本质晶粒度级别较高，一般是合格的；反之会出现奥氏体晶粒异常长大，晶粒度不合格率往往很高。

2、奥氏体晶粒度的控制奥氏体晶粒长大倾向既取决于奥氏体起始晶粒度，又取决于第二相质点的性质、大小、数量及分布。

凡是与这两者有关的因素，如钢中化学成分及原始组织，钢材热轧（锻）工艺，及预先热处理工艺等都影响奥氏体晶粒的长大。

因此，控制这些因素就能够获得所需要的奥氏体晶粒度。

A、钢中化学成分研究表明，在奥氏体异常长大过程中，不是任何第二相质点对晶界都有良好的钉扎作用，主要是AlN相具有这样的特殊作用。

AlN相具有难熔的密排六方结构，它是炼钢脱氧时形成并残存于钢中。

在热轧（锻）及预热处理时，当温度超过1250℃后，AlN相就基本上固溶于钢中，然后在冷却或者再加热时析出。

如果AlN相大量弥散析出（＜500 ），它能有效阻碍奥氏体晶界迁移，提高奥氏体晶粒的粗化温度。

相反，如果AlN相以粗大或者少量存在，则对晶界迁移无阻碍作用。

因此，钢中的残余铝量应控制在0.020~0.045%之间。

此外，钢中的合金元素Nb、Ti、V等，当形成弥散稳定的碳化物或者氮化物时，也能够有效阻滞晶界的迁移，提高奥氏体的粗化温度。

而Mn、P等元素却有增大晶粒的倾向。

应该指出，钢中随着含碳量的增加，奥氏体晶粒也随着长大。

但当含碳量增加到一定程度时，由于奥氏体晶界上存在着未熔的二次渗碳体，反而会阻碍奥氏体的长大。

B、热加工工艺奥氏体的粗化温度还与钢材的热轧或者锻造工艺有关。

C、预先热处理工艺通过预先热处理，不仅改变钢的原始组织，而且还改变钢中AlN相的大小、数量及分布，从而影响加热时奥氏体的长大倾向。

五、钢在冷却时的转变1、冷却条件对钢机械性能的影响钢经加热获得均匀奥氏体，一般只是为实现热处理的目的创造了一个前提条件。

热处理后钢的性能是由随后冷却所得到的组织来决定的。

因此，控制奥氏体在冷却时的转变过程是获得所需要性能的关键。

实际生产中控制奥氏体转变的冷却方式有两种：一种是大量采用的连续冷却：即由高温连续冷却下来，如随炉冷却、空冷、油冷、水冷等，如图中曲线2所示。

另一种是等温冷却：即由高温快速冷却到某一温度，等温停留一段时间，然后再冷却下来，如图中曲线1所示。

下表列出了40Cr钢经同样奥氏体化后，不同冷却条件对其的影响。

可以看出，同样的奥氏体经过不同冷却之后，性能显著不同，强度要相差几倍。

这是由于在不同的冷速之下，奥氏体的过冷度不同，转变产物的组织便不同，因而其性能也不同。

钢在铸造、锻制、焊接后，也都要经过由高温到室温的冷却过程，实质上也是个冷却转变过程，应正确控制，否则也会形成缺陷。

钢在冷却时的转变规律，不仅是制定热处理工艺所依据的原理，也是制定热加工后的冷却工艺的理论依据。

为什么冷却方式不同，奥氏体转变产物的组织就不同？奥氏体在冷却过程中是怎样转变的？受哪些因素影响以及怎样控制这些因素才能获得所需要组织和性能？要回答这些问题，就必须研究奥氏体的冷却转变规律。

通常采用两种方法：一种是在不同过冷度下等温测定奥氏体的转变过程，绘出奥氏体等温转变曲线；另一种是在不同冷速的连续冷却过程中测定奥氏体的转变过程，绘出奥氏体连续冷却转变曲线。

这两种曲线在热处理中的作用很大。

2、过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体等温转变：是将奥氏体迅速冷却到临界温度以下的某一温度，并在此温度下进行保温，在等温过程中发生的转变。

把综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下等温转变的过程参数如转变开始和终了时间、转变产物和转变量与温度和时间的关系曲线就叫做过冷奥氏体等温转变曲线，叫做C-曲线。

A、共析碳钢C-曲线建立：C-曲线是利用过冷奥氏体转变产物的组织形态或物理性质的变化来测定的。

常用的有金相法、磁性法等。

以金相法为例，介绍建立过程。

首先将共析钢制成 10×1.5mm的圆片试样，分为若干组，每组几个试样。

试样在同样条件下奥氏体化，获得均匀奥氏体。

然后，把各组试样分别迅速冷却到A1以下不同温度，如700、650、600、…等温浴槽中进行等温，同时记录时间，每隔一定时间取出一个试样，这样就把不同时刻的等温状态固定下来，如图示。

进行金相分析。

凡是等温时未转变的奥氏体，水冷后就变为马氏体和残余奥氏体，呈白亮色。

而等温转变产物则原样保留下来，呈暗黑色。