第六章 钢的热处理

形成温度越低，s0越小。
s0 片状珠光体的形态特征
冷却速度越大，s0越小。
根据片间距(s0)，片状珠光体可分为：
珠光体（P）：s0＝0.60~1.0m，形成温度为Ar1~650C; 索氏体（S）：s0＝0.25~0.3m，形成温度为650~600C; 托氏体（T）：s0＝0.10~0.15m，形成温度为600~550C
毛坯
（锻件）
预备热处理
（退火、正火）
机加工
（车削）
最终热处理
（淬火、回火）
精加工
（磨削）
钢的热处理
四、钢的临界转变温度
钢的临界转变温度是钢在热处理时制定加热、保温、冷却工艺的重要 依据，由铁碳合金相图确定。 E G A3
温 度 Ar3
Accm Ac3

Arcm
S
Acm
重要结论：
钢的实际临界转变温度 Ac1 A1 Ar1 总是滞后于理论临界转变
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板条马氏体金相组织
钢的热处理
针状（片状）马氏体金相组织 原奥氏体晶界
M针
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M针
原奥氏体 晶界 马氏体“针”或“片”的粗细主要取决于奥氏体的晶粒度。
隐晶马氏体：
当奥氏体的晶粒非常细小，以至于在光学显微镜下难以分辨出马氏体 的针状特征。这种马氏体称为隐晶马氏体。
钢的热处理 ③影响马氏体形态的因素
残余奥氏体：
→M转变结束后，总有部分奥氏体未转变而残留下来，这部分奥氏体 称为残余奥氏体，记作AR。
重要结论：
淬火钢中A的含量随C%和Me%（除Al、Co外）的增加而增加。 淬火钢的硬度随A量的增多而降低。
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（三）贝氏体转变
贝氏体转变在临界温度以下的中温区域（550C~Ms）内进行。 贝氏体转变具有P转变和M转变的某些特点，又具有自身的一些特点。
400nm
上贝氏体金相组织 （羽毛状）
上贝氏体电镜组织 （黑色板条为F；白色短杆为Fe3C）
温 度
保温
临界温度
加热
Hale Waihona Puke 冷却时间热处理工艺曲线示意图
钢的热处理
二、热处理的三大要素
①加热 目的是获得均匀细小的奥氏体组织。
②保温 目的是保证工件烧透，并防止脱碳和氧化等。 ③冷却 目的是使奥氏体转变为不同的组织。
热处理后的组织：
加热、保温后的奥氏体在随后的冷却过程中，根据冷却速度的不同将 转变成不同的组织。不同的组织具有不同的性能。
钢的热处理
钢的热处理
2、马氏体的组织形态
①板条状马氏体（简称板条马氏体） 板条马氏体呈条片状，由许多成群的平行马氏体板条束组成。
板条马氏体主要出现在低碳钢中。
板条马氏体的亚结构为高密度的位错。 板条马氏体又称低碳马氏体、位错马氏体。
②针状马氏体（又称片状马氏体）
针状马氏体呈针片状或竹叶状，立体形态呈透镜状。 针状马氏体主要出现在高碳钢中。 针状马氏体的亚结构为孪晶。 针状马氏体又称高碳马氏体、孪晶马氏体。
[101]
1 2
[211]
[110]
a
(
每层相对 于前一层
1 )[112] 9 4 6
b3 1 12[110]
b2 1 24[110]
马氏体切变过程
a
0
a
0
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③在不断降温的过程中形成
马氏体转变在一个温度范围内完成，冷却中断，转变立即停止。 马氏体转变开始的温度称为Ms点，转变终了的温度称为Mf点。 Ms点和Mf点主要取决于奥氏体中的含碳量（C%）和合金元素的含量
100
体 积 ， %
75 50 25 0 0.2 0.4 0.6 0.8
板条马氏体量
1.0
wc % 马氏体形态与含碳量的关系 当C%＜0.2%，马氏体转变后的组织中几乎全部是板条马氏体； 当C%＞1.0%，马氏体转变后的组织中几乎全部是针状马氏体； 当0.2%＜C%＜1.0%，马氏体转变后的组织中既有板条马氏体，也有针 状马氏体。
热处理的特点：
热处理不改变工件的形状，仅改变钢的内部组织和结构，从而改变钢 的性能。
重要结论：
材料是否能够通过热处理而改善其性能，关键条件是材料在加热和冷 却过程中是否发生组织和结构的变化。
三、热处理工艺分类：
1、按加热、冷却方式及钢的组织、性能不同分类
退火 正火 普通热处理 淬火 回火
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（1）奥氏体的形核 A晶核优先在F/Fe3C相界处形成。 原因： ①能量起伏 相界处晶格畸变较大，能量较高，有利于获得A形核所 需的能量要求。 ②结构起伏 相界处晶格畸变较大，原子排列不规则，有利于获得 奥氏体的fcc结构要求。 ③成分起伏 相界处碳浓度相差较大，有利于获得A形核所需的碳浓 度要求。 （2）奥氏体的长大 A晶核形成后，将通过F→A转变和Fe3C溶入A的过程不断长大。 （3）残余Fe3C的溶解 Fe3C的溶解落后于F→A转变，需要残余的Fe3C继续溶入A。 （4）奥氏体成分的均匀化 残余的Fe3C溶解结束后，A成分极不均匀，原F区域C%低，原Fe3C区域 C%高。通过保温，使碳原子充分扩散，奥氏体成分最终均匀化。
碳化物形成元素：Ti、V、Nb、W、Mo、Cr等。
含有上述元素的钢均是本质细晶粒钢。 ④Mn、P等元素
促进A晶粒长大，易产生过热组织。
6.2钢在冷却时的转变
①等温冷却
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先将A快速冷至临界温度以下某一温度，然后A在该温度下完成组织 转变，最后再冷却至室温。
②连续冷却
A在逐渐降温至室温的过程中转变成其他组织。 保温
温 度
临界温度
加热 等温冷却
时间
连续冷却
过冷奥氏体： 奥氏体被过冷至临界温度以下即处于不稳定状态，即将发 生分解（即奥氏体转变为其他组织转变）。这种状态的奥氏体 称过冷奥氏体。
一、过冷奥氏体等温转变图
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珠光体转变
1.奥氏体等温转变图的建立
τ
T2 T3 T4 T1 MS 贝氏体转变
Mf
马氏体转变
（fcc）→ M（bct）的晶格重组以切变方式进行。
新相（M）与母相（）保持共格关系。
M
浮凸 试样表面
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M

相界 新相（M）与母相（） 的共格关系 （相界上的原子为两个相共有）
（fcc）→ M（bct） 转变的切变结果 （在原抛光的表面产生浮凸现象）
马氏体切变过程
（2）珠光体的性能 珠光体的性能与组织的粗细程度密切相关：片间距越小，片状珠光 体的硬度和强度越大、塑性和韧性越好；渗碳体颗粒越细小，分布越 弥散均匀，粒状珠光体的硬度和强度越大。
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F Fe3C
片状珠光体
粒（球）状珠光体
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片状珠光体的片间距(s0) 与其形成温度或冷却速 度有关：
P Q
温度，即加热时需要过热，
冷却时需要过冷。
wc（%） Fe－Fe3C相图的共析转变部分
五、热处理的两种加热方式
1.在临界温度Ac1以上的加热——发生相变
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加热
2.在临界温度Ac1以下的加热——不发生相变
第一种加热过程，目的是使钢从室温组织（如 珠光体）转变为奥氏体，即获得奥氏体组织。该过 程称为钢的奥氏体化。
钢的热处理
200μm
钢的热处理
2、影响奥氏体晶粒度的因素
①加热温度和保温时间 加热温度越高、保温时间越长，A晶粒越粗大。其中，温度的影响尤 为显著。
过热组织：因加热温度过高而导致的粗大晶粒组织。
②加热速度 加热速度越快，A晶粒越细小。 短时快速加热工艺：生产上获得超细晶粒的重要手段之一。 ③碳化物形成元素 钢中有碳化物形成元素时，钢组织中存在的细小碳化物可阻碍晶粒 的长大，从而使A晶粒细化。
1、贝氏体的组织形态及性能
（1）贝氏体的组织形态 贝氏体是由铁素体与渗碳体组成的混合物。根据形成温度的不同，主 要有上贝氏体和下贝氏体两种。 ①上贝氏体(符号：B上)：形成温度550～350C，金相组织呈羽毛状。 ②下贝氏体(符号：B下)：形成温度550C～Ms，金相组织呈黑针状。 （2）贝氏体的性能 上贝氏体：强度、韧性低，脆性大，是实际生产中应避免出现的组织。 下贝氏体：综合力学性能良好，是实际生产中常用的组织。
钢的热处理
2、珠光体的转变过程
珠光体转变（即A→P转变）是一个形核和长大的过程，是碳原子重新 分布和晶格重构的过程。
以共析钢片状珠光体的形成为例：
片层状珠光体的转变过程
珠光体转变是典型的扩散型相变：
珠光体形成时，碳原子和铁原子均需进行长程扩散。
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（二）马氏体转变
马氏体是碳溶解在体心立方晶格的－Fe中形成的过饱和间隙固溶体。 马氏体转变在临界温度以下的较低温度范围内进行。
（Me%）。
温度/ C
重要结论：
C%增多，Ms点和Mf点降低。 除Al、Co外，Me%增多，Ms点
和Mf点降低。
wc % 含碳量对Ms和Mf的影响
钢的热处理
③高速长大
马氏体形成速度极快，瞬间形核、瞬间长大，速度接近声速。
④马氏体转变的不完全性
即使温度降低至Mf以下，奥氏体也不能100%转变为马氏体。
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（一）珠光体转变
珠光体在临界温度以下的较高温度范围（Ar1~550C）形成。
1、珠光体的组织形态及性能
（1）珠光体的组织形态 ①片层状珠光体（简称片状珠光体） 片状珠光体是相间排列成层片形态的铁素体与渗碳体的共析产物。 ②粒状珠光体（又称球状珠光体）
粒状珠光体是颗粒状渗碳体分布在铁素体基体中的混合物。
③本质晶粒度 根据标准试验方法测定的A晶粒大小，表示了不同的 钢在一定的加热条件下A晶粒长大的倾向。