第3章 铁碳合金相图及钢的热处理

• 去应力退火的加热温度低于Ac1以下，一般为 500—650℃，充分保温后缓慢冷却至200℃出炉 空冷。 • 在退火过程中无组织变化，目的是为了消除毛坯 和零件中的残余应力，稳定工件尺寸及形状，减 少零件在切削加工和使用过程中的变形和裂纹倾 向。
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• 正火是将钢加热到Ac3，(亚共析钢)或Accm(共析和过共 析钢)以上30～50℃，保温适当时间后在静止空气中冷 却的热处理工艺。
图---奥氏体晶粒尺寸对冷却后钢的性能的影响
• 奥氏体实际晶粒大小 与钢的原始组织、加 热条件、钢中合金元 素及未溶第二相的存 在与否有关。 • 根据钢在加热和保温 过程中奥氏体晶粒长 大倾向的不同，可将 钢材区分为本质粗晶 粒钢和本质细晶粒钢。 • 在热处理时，为了控 制奥氏体晶粒大小， 应合理选择钢件材料 并严格控制加热温度 和保温时间。
图----控制过冷奥氏体转变的两种方法 ①一连续冷却；②一等温处理
• 等温转变图或 TTT 图。 由于图中的曲线形状好 似字母“C”，故也称C 曲线。 • 孕育期的长短标志着过 冷奥氏体的稳定性。 • 钢的化学成分和奥氏体 化过程会对C曲线的位 置和形状产生重要影响。
a)共析碳钢
b)亚共析碳钢 c)过共析碳钢 图---- 含碳量对钢的C曲线形状和位置的影响
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• 扩散退火加热温度高，一 般在Ac3以上 150~200℃(1050～ 1150℃)，长时间保温 (10~15 h)后随炉缓冷。 • 目的是消除其化学成分的 偏析和组织的不均匀性。 • 一般扩散退火后仍需进行 完全退火或正火，以细化 扩散退火中因高温和长时 间的保温所产生的粗大组 织。
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图-- 合金元素在奥氏体中的扩散 系数D与温度的关系
• 马氏体转变也称为低温转变。是以无扩散的方式通过晶格改组 来实现的。 • 马氏体是碳在α—Fe中的过饱和固溶体，它处于亚稳定状态 。 • 转变是在不断降温中进行的。随含碳量增加，马氏体转变点不 断降低。 • 奥氏体不可能全部转变为马氏体，总有部分残余奥氏体存在。
图--- 马氏体中固溶碳引起的晶格畸变
图3.23碳钢在加热和冷却时的 临界点在Fe—Fe3 c相图上的位置
• 将共析钢加热到稍高于Ac1的温度，便发生珠光体(P)向奥 氏体(A)的转变，其转变式可写成 F0.02% Fe3C A0.8% 奥氏体的形成过程，也称为“奥氏体化”，它是一个形核、 长大和成分均匀化的过程，由以下四个阶段组成。
• (1)加热温度和加热速度 • (2)原始组织 • (3)合金元素
• 奥氏体形成过程结束后， 如继续提高加热温度或 在当前温度下保温更长 时间，将会发生奥氏体 晶粒长大的现象。 • 奥氏体实际晶粒大小， 对冷却后钢的组织和性 能有很大的影响。奥氏 体晶粒过大，会使冷却 后的钢材强度、塑性和 韧性下降，尤其是塑性 和韧性下降更为显著。
• 共析转变：
• 共析转变产物称为珠光体，用P表示。
a)
b) 图3.4 Mn（Ni）、Cr（Mo）对铁碳合金相图的影响
解释:含碳量≥0.40%、含铬12%的铬钢属于过共析钢， 而含碳1.5%、含铬12%的钢属于莱氏体钢；
•
答：由于合金元素加入后显著改变了S点 的位置，使它向碳含量减少的方向移动。 所以含碳量≥0.40%、含铬12%的铬钢属 于过共析钢，而含碳1.5%、含铬12%的钢 属于莱氏体钢
• 除钴外，所有能溶于奥氏体的合金元素均使c曲线右移， 即增加过冷奥氏体的稳定性。强碳化物形成元素(如铬、 钼、钨、钒等)还会使C曲线的形状发生变化。
图-- 强碳化物形成元素对C曲线的影响
• 由于高温和长时间保温会导致奥氏体晶粒长大， 晶界减少，奥氏体成分趋于均匀，未溶碳化物 数量减少，这些都不利于过冷奥氏体的分解转 变，故使C曲线向右移动。
基本知识 1.奥氏体的形成过程及影响因素 2.奥氏体晶粒的长大及影响因素 3. 奥氏体的分解 4.钢回火时的转变
图--热处理工艺曲线
热处理工艺按其工序位置可分为预备热处理和最终热处理。
• 根据热处理的目的要求和工艺方法的不同，热处理可 分为三大类： 1、普通热处理：退火、正火、淬火、回火 2、表面热处理：表面淬火、化学热处理 3、其他热处理：形变热处理、超细化热处理、真空热 处理等
图3.22 含碳量对钢的平衡组织力学性能的影响
Fe—Fe3C相图的应用
• 1．在选材上的应用 • Fe—Fe3C相图所表明的某 些成分一组织一性能的规律， 为钢铁材料的选用提供了依 据。 • 2．在铸造工艺制订上的应 用 • 3．在塑性加工工艺制订上 的应用 • 4．在热处理工艺制订上的 应用
• • • • •
图3.13 过共析钢的显微组织图
• 共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁的 结晶过程可用同样的方法来分析。
1535 1493
1147
910 723
0.8
2.0 6
共晶白口铁结晶过程
亚共晶白口铁结晶过程示意图
0.8
2.06
4.3
图--铁碳合金的相组成物、组织组成物的相对量与含碳量的关 系
钢的平衡结晶过程 • 1. 铁碳合金在平衡状态下的相变 白口铸铁的平衡结晶过程 含碳量对平衡组织的影响 • 2. 含碳量对铁碳合金组织性能的影响 含碳量对力学性能的影响 • 3. Fe—Fe3C相图的应用
• (1)奥氏体以上的平衡结晶过程 • 含碳量在0.10％~0.50％的钢液在平衡结 晶中，在包晶线(HJB水平线)将发生包晶 转变，生成奥氏体。 • 其他成分的钢液在NJB以下，都生成单 一奥氏体。
--- 表示等温转变曲线
• 将钢奥氏体化后冷却至稍低于A1温度就会发生珠光体转变： A → F + Fe3C wc=0.8% wc =0.02 % wc=6.67%
面心立方 体心立方 复杂斜方
• 珠光体的形成也是由形核和晶核长大两个过程组成的 。
• 在珠光体类型转变温度范围内， 转变温度越低，即过冷度越大， 片状珠光体的片层间距就越小， 即组织变得更细。片状珠光体 的强度及硬度随片间距离的减 小(即铁素体一渗碳体相界面增 多)而升高，塑性也略有改善。 • A1~650℃ ：珠光体，或称普通 片状珠光体（P） • 650~600℃ ：细珠光体称为索 氏体(S)。 • 600℃以下 ：极细的珠光体称 为托氏体(T)。
1535 1390
910
图3.2纯铁的冷却曲线和晶格变化
• (1)铁素体 ：常用符号F或α表示。其溶碳能力 差。铁素体的强度差，硬度低，塑性好。 • (2)奥氏体：常用符号A或γ表示。在1147℃时 可溶碳2.06％。是一种硬度较低而塑性较高的 固溶体。常作为各类钢的加工状态。 • (3)渗碳体 ： 碳与铁的化合物(Fe3C)，叫渗碳 体，含碳为6.67％。渗碳体的硬度高，约为 800HB，极脆，塑性几乎等于零，熔点为 l227℃。 • 高温铁素体 ：以δ表示。碳在δ—Fe中的最大 溶解度为0.10％，δ固溶体只存在于高温很小 的区间，对钢铁的性能影响不大。
是将钢加热到Ac1 以上l0~30℃，保温较 长时间后以极其缓慢的速度冷却到600 ℃以下，再出 炉空冷的热处理工艺。 • 渗碳体球化，降低材料硬度，改削切削加工性，并可 减小最终淬火变形和开裂，为以后的热处理作准备 • 适用于共析和过共析钢及合金工具钢。
图-- TiO钢球化退火工艺
图--过共析钢的球化退火组织
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1493
1147
910 723
0.8
2.06
图3.3 Fe一Fe3C系状态图
三个转变：
• 包晶转变： • 共晶转变：
L0.50% 0.10% A0.16%
L4.3% 2.06% Fe3C
A0.8% F0.02% Fe3C
• 共晶转变的产物称为高温莱氏体，用Ld表示。
图3.27 加热温度对晶粒尺寸的影响 l一本质粗晶粒钢；2一本质细晶粒钢
• 基本概念 • 1. 过冷奥氏体等温转变图 • 2. 过冷奥氏体连续冷却转变图(CCT图) 珠光体类型组 织 • 3. 过冷奥氏体的转变产物及性能 马氏体类型组 织 贝氏体类型组 织
• 钢在奥氏体化后的冷却 过程决定了冷却后钢的 组织类型和性能。 • 钢在奥氏体化后的冷却 方式通常分为两种：一 种是连续冷却；另一种 是等温处理 。 • 过冷奥氏体的转变可分 为三种基本类型，即珠 光体型转变(扩散型转 变)、贝氏体型转变(过 渡型或半扩散型转变)和 马氏体型转变(无扩散型 转变)。
(2)奥氏体以下的平衡相变过程
• 1)共析钢 ( I ) A A0.8% P( F0.02% Fe3C ) P • 用杠杆定律可求出珠光 体中铁素体和Fe3C的相 对量为：
1~1' 1'~ 2
Q
SK 6.67 0.8 88.3% PK 6.67 0.02
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•
是将钢加热到Ac3以上20—30℃， 保温一定时间后随炉冷却到500 ℃以下，再出炉 空冷的热处理工艺。 • 使热加工过程中造成的粗大不均匀组织均匀细化， 降低硬度，提高塑性，改善加工性能，消除内应 力。 • 适用于亚共析钢和铸件、锻件及焊接件。 • 等温退火与完全退火的目的相同
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图--高速钢等温退火与完全退火的比较
QFe3C
PS 0.8 0.02 11.7% PK 6.67 0.02
图--钢的结晶过程示意图
共析钢结晶过程
图3.9共析钢的显微组织
~ 2' '~ 3 A 1~ 2 A F 2 A0.8% F P( F0.02% Fe3C ) 2' F P 2 F P
• • • • •
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
铁碳合金相图 钢与白口铁的结晶分析 钢的热处理原理 钢的热处理工艺 钢的表面处理
铁碳合金的相结构与性能 • Fe—Fe3C相图
相图分析
• 合金元素对Fe源自文库Fe3C相图的影响
• 同种晶体材料中，不同类型晶体结构之间的转变称为 1390 910 同素异构转变。 Fe Fe Fe • 遵循生核与长大的基本规律。
图--- 马氏体正方度与含碳量之间的关系
钢中马氏体一般有两种形态：
a)板条马氏体
b)片状马氏体 图3.33 马氏体显微组织
马氏体的力学性能特点是高硬度。
• 高碳马氏体具有高硬度，但塑性、韧性很低，脆性大， 而且马氏体片越粗大脆性也越大。 • 低碳马氏体具有较高的强度和韧性
图--- 碳钢含碳量与马氏体硬度的关系
•(1)这种冷至Mf以下而残留下来 的奥氏体称为残余奥氏体。 •(2)直线AB称为分解转变中止线 。 •(3)图中vc称为临界冷却速度。 •(4)连续冷却转变曲线处于右下 方。 •(5)连续冷却时，得到的组织不 均匀 。 •(6)共析和过共析碳钢连续冷却 时，只有珠光体类型转变而无 贝氏体转变。
图3.32 共析碳钢连续冷却转变图
• 退火是将钢加热到预定温 度，保温一定时间后缓慢 冷却(通常随炉冷却)，获得 接近于平衡组织的热处理 工艺。 退火的目的是： • • (1)降低硬度，改善切削加 工性。 • (2)消除残余应力，稳定尺 寸，减少变形与开裂倾向。 • (3)细化晶粒，调整组织， 消除组织缺陷。
退火工艺视频
• 根据钢的成分和退火的目的不同，退火可分为: 完全退火、球化退火、扩散退火和去应力退火。
• 贝氏体是由含碳过饱和的铁素体与渗碳体(或碳化物)组 成的两相混合物。 • 贝氏体一般分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下)两种
a)上贝氏体（木梳状或羽毛状） 图3.30
b)下贝氏体（竹叶状 ） 贝氏体显微组织
表
珠光体、贝氏体、马氏体转变的异同点
• • • •
1. 2. 3. 4.
退火与正火 钢的淬火 钢的淬透性 钢的回火
2)亚共析钢(Ⅱ)
• 鉴于铁素体中的含碳量很少，通常用下式来估算亚共 析钢的含碳量： wC 0.8% QP (珠光体相对量)
图3.11 亚共析钢显微组织
3)过共析钢 ( Ⅲ )
~ 2' '~ 3 A 1~ 2 A Fe3C 2 A0.8% Fe3C P( F0.02% Fe3C ) 2 P Fe3C (网状）