第三章 钢的热处理

• 本质晶粒度代表着钢的晶粒长大倾向。它 取决于钢的成分及冶炼方法。
– 用铝脱氧的钢以及含钛、钒、锆等元素的合金 钢都是本质细晶粒钢。 – 用硅、锰脱氧的钢为本质粗晶粒钢。 – 本质细晶粒钢在加热温度超过一定限度后，晶 粒也会长大粗化。
• （3）实际晶粒度 指在实际加热条件下得 到的奥氏体晶粒度。
• 上贝氏体的形成过程如图4-7a所示 • 上贝氏体的形成温度高,铁素体和碳化物都 较粗大, 铁素体条比较宽，抗塑性变形能 力比较低，而渗碳体条分布在铁素体条之 间容易引起脆断,其铁素体中的位错密度也 比马氏体低2-3个数量级。 • 这样的组织决定了上贝氏体的强度较低， 塑性和韧性都很差，这种组织一般不适用 于机械零件。
2.影响奥氏体晶粒大小的因素
• 奥氏体晶粒越细，其冷却产物的强度、塑性 和韧性越好。影响奥氏体晶粒大小的主要因 素有： • （1）加热温度和保温时间 • 加热温度是影响奥氏体晶粒长大最主要的因 素。随着加热温度的升高，奥氏体聚集长大。 温度越高，奥氏体晶粒长大愈剧烈；在一定 温度下，保温时间越长，奥氏体晶粒就越粗 大；加热速度越快，奥氏体起始晶粒度越小。 （生产上采用短时保温快速加热的工艺来获 得超细晶



过冷奥氏体以某一冷却速度（大于临界冷 却速度Vk）冷却到Ms点以下（230℃）时， 将转变为马氏体（M）。 与珠光体和贝氏体转变不同，马氏体转变 不能在恒温下完成，而是在Ms～Mf之间的 一个温度范围内连续冷却完成。由于转变 温度很低，铁和碳原子都失去了扩散能力， 因此马氏体转变属于非扩散型转变。 马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。
第三章 钢的热处理


热处理是将金属或合金在固态下经过加热、 保温和冷却等三个步骤，以改变其整体或 表面的组织，从而获得所需性能的一种工 艺。 通过热处理可以充分发挥材料性能的潜力， 调整材料的工艺性能和使用性能，满足机 械零件在加工和使用过程中对性能的要求， 热处理的类型有多种，但其工艺都包括加 热、保温和冷却三个阶段。
• 下贝氏体的形成过程如图4-7b所示。 • 组织形貌:在光学显微镜下，下贝氏体为黑色针状 组织，很象回火马氏体，如图4-9所示。在电子显 微镜下观察发现，铁素体内极细的碳化物粒子与 铁素体轴呈55～60°夹角。 • 性能:由于下贝氏体组织中的针状铁素体细小且无 方向性，碳的过饱和度大，其铁素体内具有高密 度位错;碳化物细小量多,分布均匀，弥散度大， 所以它的强度和硬度高(50～60HRC),并且具有良 好的塑性和韧性。 • 因而许多机械零件经常选用等温淬火热处理，以 得到综合力学性能较好的下贝氏体组织。
• (3)残余渗碳体的溶解 • 在奥氏体形成过程中，奥氏体向铁素体方 向成长的速度远大于渗碳体的溶解。 • (4)奥氏体成分的均匀化 • 渗碳体完全溶解后，奥氏体中碳浓度的分 布并不均匀，原来属于渗碳体的地方含碳 较多，而属于铁素体的地方含碳较少，必 须继续保温，通过碳的扩散，使奥氏体成 分均匀化。
珠光体型组织的形成温度和性能
组织类型
形成温度 （℃）
A1～650 650～600
片层间距 （μ m）
＞0.4 0.4～0.2
硬度（HRC）
珠光体（P） 索氏体（S）
15～27 27～38
托氏体（T）
600～550
＜0.2
38～43
2.贝氏体型转变—中温转变（550℃～Ms ）
• 过冷奥氏体在550℃～Ms的中温区等温转变 的产物称为贝氏体，用符号B表示。 • 贝氏体是碳化物（渗碳体）分布在过饱和 碳的铁素体基体上的两相混合物。 • 根据转变温度和产物组织形态的差异，贝 氏体又分为：550～350℃范围内形成的上 贝氏体（B上），和在350℃～Ms范围内形成 的下贝氏体（B下）。


具有一定的位向关系和惯习面
马氏体在奥氏体一定的结晶面上形成的，此面 称为惯习面 新相与旧相之间存在一定的结晶学位向关系
2.奥氏体形成的影响因素
• 钢的奥氏体形成主要是通过形核和长大实 现的，凡是影响形核和长大的因素都影响 奥氏体的形成速度。 • (1) 加热温度 随着加热温度的提高，相 变驱动力增大，原子扩散能力加大，碳原 子在奥氏体中的扩散速度加快，提高了形 核率和长大速度，加快了奥氏体转变速度
• (2)加热速度 在实际热处理中，加热速度越快，产 生的过热度就越大，转变的温度范围也越宽，完成 的时间也越短。 • (3)原始组织 原始组织中珠光体越细，奥氏体的形 成速度越快。这是由于珠光体越细，其内部铁素体 和渗碳体的相界面增多，有利于奥氏体形核。球状 珠光体的转变速度要慢于片状珠光体。 • (4)碳 含碳量越高，奥氏体形成速度越快，因为含 碳量越高，渗碳体数量越多，从而增加了铁素体与 渗碳体的相界面，使奥氏体形核率增大 • (5)合金元素 钢中的合金元素不改变奥氏体形成的 基本过程，但显著影响奥氏体形成速度。
• （2）钢的化学成分
–增加奥氏体中的碳含量，将增大奥氏体的晶粒长 大倾向。 –当钢中含有形成稳定碳化物、氮化物的合金元素 （如铬、钒、钛、钨、钼等）时，这些碳化物和 氮化物弥散分布于奥氏体晶界上，阻碍奥氏体晶 粒长大。 –磷、锰则有加速奥氏体晶粒长大的倾向。
第二节 钢在冷却时的组织转变
• 冷却条件也是热处理的关键工序，它决定钢 在冷却后的组织和性能。下表列出40Cr钢经 850℃加热到奥氏体后，在不同冷却条件下 对其性能的影响 • 过冷奥氏体 临界点A1以下存在的奥氏体 • 过冷奥氏体可以在等温条件下转变，也可以 在连续冷却条件下进行转变。现以共析钢为 例讨论过冷奥氏体的等温转变。
40Cr钢在不同冷却条件下的力学性能
冷却方式 炉冷
b MPa
574
s MPa
289
δ (%) 22
ψ (%) 58．4
Ak J/cm2 61
空冷
678
387
19．3
57．3
80
油冷并经200℃ 回火
1850
159O
8．3
33．7
55
一、过冷奥氏体的等温转变（TTT曲线）


等温冷却转变就是把奥氏体迅速冷却到Ar1 以下某一温度保温，待其转变完成后再冷 到室温的一种冷却方式。这是研究过冷奥 氏体转变的基本方法。 图4-5为共析钢过冷奥氏体等温转变曲线， 也称为“TTT”曲线，根据曲线的形状一般也 称为C曲线。它表明了过冷奥氏体转变温度、 转变时间和转变产物之间的关系。


热处理工艺可以是零件加工过程中的一个 中间工序，如改善铸、锻、焊毛坯组织的 退火或正火；降低这些毛坯的硬度、改善 切削加工性能的球化退火 热处理也可以是使工件性能达到规定技术 指标的最终工序，如淬火+回火。
热处理的分类


1.普通热处理 包括退火、正火、淬火和 回火等。 2.表面热处理和化学热处理
• (1)奥氏体晶核的形成 • 奥氏体晶核一般优先在铁素体和渗碳体相界 处形成。这是因为在相界处，原子排列不规 则，能量较高，易于产生浓度和结构起伏， 能满足晶核形成的结构、能量和浓度条件。 • (2)奥氏体晶核的长大 • 奥氏体晶核形成后，它一面与铁素体相接， 另一面和渗碳体相接，并在浓度上建立起平 衡关系。
因此了解奥氏体形成的规律，是掌握热处 理工艺的基础。


一、钢的临界温度


根据Fe-Fe3C相图，加热时，钢发生奥氏体 转变的实际温度比相图中的A1 、A3、Acm点 高，分别用Ac1、Ac3、Accm表示。同样，在 冷却时奥氏体分解的实际温度要比A1 、A3、 Acm点低，分别用Ar1、Ar3、Arcm表示，如 图。 一般热处理手册中的数值是都是以3050℃/h加热（或冷却）速度所测得的结果， 供参考使用。
新相晶核优先在奥氏体晶界处形成，一般认为形成P 的领先相是渗碳体。由于渗碳体的含碳量（6.69%C）比奥 氏体（0.77%C）高得多，需要从奥氏体中吸收碳原子而长 大，从而使奥氏体贫碳，进而形成铁素体。A→P（F+Fe3C）
• 高温转变产物都是片层相间的珠光体，但 由于转变温度不同，原子扩散能力及驱动 力不同，其片层间距差别很大，一般转变 温度愈低，层间距愈小。 • 习惯上把珠光体型组织分为珠光体(P)、索 氏体(S)和托氏体(T)，但它们从组织上并 没有本质的区别，也没有严格的界限，只 在形态上有片间距的不同。表4-2为它们大 致形成的温度和性能。
二、奥氏体的形成


1.奥氏体的形成过程 以共析钢为例，原始组织为珠光体，当加热到Ac1 温度以上时，发生珠光体向奥氏体的转变： F0.02%c+Fe3C6.69%c→A0.77%c 这一转变是由化学成分、晶格类型都不相同的两 个相转变成为另一个成分和晶格类型的新相，在 转变过程中要发生铁晶格改组和铁、碳原子的重 新分布，这一变化均需要通过原子的扩散来完成， 所以奥氏体的形成是属于扩散型转变。奥氏体的 形成一般分为四个阶段
• 过冷奥氏体等温转变曲线也是通过实验测 得的。简单介绍测得方法。
二、过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能 • 根据过冷奥氏体在不同温度下转变产物的 不同，可分为三种不同类型的转变：珠光 体转变、贝氏体转变和马氏体转变。 • 1.珠光体型转变—高温转变（A1-550℃） • 奥氏体向珠光体的转变是一种扩散型转变， 它们也是以形核和核心长大，并通过原子 扩散和晶格重构的过程来完成的，如图4-6 所示。
表面热处理包括感应加热淬火、火焰加热淬火 和电接触加热淬火等； 化学热处理包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、 渗铝、渗铬等。


3.其他热处理 包括可控气氛热处理、真 空热处理和形变热处理等。
第一节 钢在加热时的组织转变

钢在热处理时，首先要将工件加热，使之 转变成奥氏体组织，这一过程也称为奥氏 体化。 加热时奥氏体化的程度及晶粒大小，对其 冷却转变过程及最终的组织和性能都有极 大的影响。