]金属学与热处理-第六章-热处理原理

三 奥氏体晶粒度及影响因素
1 奥氏体晶粒度概念 奥氏体晶粒度表示奥氏体晶粒大小，工业 上一般分为8级。 1-4 级粗(0,-1)，5-8 级细，8级以上极 细; 计算式： n = 2 N-1 N：晶粒度级别
n：1平方英寸视场中所包含的平均晶粒数 (100X)。
标准晶粒度级别图
标准晶粒度级别图
奥氏体有三种不同概念的晶粒度 (1) 初始晶粒度： 奥氏体转变刚结束时的晶粒大小。 ——通常极细小 (2) 实际晶粒度： 具体加热条件下获得的奥氏体晶粒大 小 ①与具体热处理工艺有关：
冷却方式 随炉冷却 空气冷却 油冷 水冷却 HRC 15~18 18~24 40~50 52~60 P+F M 组织 P+F（少） M+P 组织细
作用：（1）显著提高材料的使用性能 （2）改善加工性能（切削、热处理）。
二 热处理的条件
(1) 有固态相变 (2) 加热时溶解度显著变化的合金。
L
L+γ
L+β
L α+L L+β
γ
α+γ
γ +β α+ β
α
α+ β
A δ T N
H J
铁碳相图
B L+γ L D
为什么钢能热处理?
L +Fe3C
γ G α+γ P S
E
C γ +Fe3C
F
A1
α+Fe3C
K
α
Q Fe
→
6.69
C%
Fe3C
① α→ γ 固态相变 ﹄有相变重结晶 ② C溶解度显著变化 ﹄可固溶强化 热处理温度区间： A1 ＜ T ＜ TNJEF 热处理第一步 —加热奥氏体化
2 中温转变产物
——Fe不扩散，C部分扩散
α(C过饱和的）+Fe3C的机械混合物
┗ 贝氏体类型( B)
化学成分ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ变化靠扩散实现
晶格类型的转变非扩散性
——半扩散性
3 低温转变产物 Fe、C均不扩散——非扩散型
得 C 在α-Fe 中的过饱和固溶体
┗ 马氏体
——马氏体类型( M)
热处理的两种冷却方式： 等温冷却 ——过冷奥氏体等温转变动力学曲 线 连续冷却——过冷奥氏体连续转变动力学曲线
—下临界冷却速度
冷却速度对转变产物类型的影响：
可用VC、VC′判断。
当 V > VC 时， A过冷→M ；
当V<VC′时，
A过冷→P ；
当 VC′< V <VC 时， A过冷→P +M
**
实际中由于CCT曲线测量难，可 用TTT曲线代替CCT曲线作定性分析， 判断获得M的难易程度。
**
连续冷却的VC值是等温冷却C曲 线中与鼻点相切的VC的1.5倍，故可用 等温冷却C曲线中VC代替或估算.
关于本质晶粒度概念的要点： ① 表征该钢种在通常的热处理条件下 A 晶粒 长大的趋势，不代表真实、实际晶粒大小； ② 本质粗晶粒度钢实际晶粒度并非一定粗大， 本质细晶粒度钢实际晶粒度并非一定细小； 而与具体的热处理工艺有关。 ③ 本质晶粒度主要与成分或冶炼条件有关 机理： 难溶粒子的机械阻碍作用 Al 脱氧镇静钢 含V、Ti、Nb、Zr 钢
2 奥氏体化中成分组织结构的变化 以共析钢为例 F + Fe3C → A (727 ℃)
成分(C%) 0.0218 6.69 0.77
结构
体心立方 复杂斜方 面心立方
说明奥氏体化中须两个过程： ① C 成分变化： C 的扩散
② 铁晶格改组： Fe 扩散
3 奥氏体形成热力学条件 热力学条件: T﹥A1 原因：以珠光体与奥氏体的 体积自由能之差来提供驱 动力以克服新相晶核的表 面能及弹性能 ——存在过热度⊿T : T实际- T理论
0.9C+0.5Mn 0.9C+1.2Mn 0.9+2.8Mn
τ
0.5C
0.5C+2%Cr
0.5C+8%Cr
——须溶入 A 中 T
0.5C+4%Cr
τ
非碳化物形成元素：只改变C曲线位置 Co,Al,Ni,Cu,Si T
Co,Al Si Ni,Si,Cu,Mn Ni,Cu,Mn Ms Co,Al 外所 有合金元素 τ
共析碳钢 TTT曲线 共析碳钢 CCT曲线 A1 T
PS
C
Pk
C′ ①
①：P； ②：M； ③：P+M Vc：连续冷却中全部
A过→ M的最小V冷
——临界淬火速度 ——上临界冷却速度 VC′：连续冷却中全部 A过→ P 的最大V冷
Ms
Vc′′ ② M Vc M+P ③ Vc′ P Mf
τ
共析碳钢 TTT 与 CCT 曲线
机理： 难溶粒子的 机械阻碍作用 例如：AlN、VN、 TiN、NbN、ZrN
本质粗晶粒钢
本质细晶粒钢
④ 是确定热处理工艺参数以及热处理质 量的重要依据 “过热” ：热处理加热中A晶粒显著粗 化 本质粗晶粒钢：须严格控制加热T、t
——需热处理件尽可能选择本质细晶粒钢
例如：渗 C 用钢
20MnVB, 20CrMnTi
强碳化物形成元素W,Mo,V,Ti,Nb 等的影响： 改变C 曲线位置和形态
T
τ
中强碳化物形成 元素Cr 的影响
强碳化物形成元素 W,Mo,V,Ti,Nb 等的影响
② 碳化物形成元素改变 C 曲线位置和形状
Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr 等；
③ 对Ms点的影响：
Co、Al 使 Ms ↑，
其它合金元素使 Ms↓
亚共析钢、过共析钢C曲线 ：
亚共析钢、过共析钢C曲线 ： 以珠光体转变为例：
亚共析钢珠光体型转变式：
A→F先共析 + P 过共析钢珠光体型转变式： A→ Fe3C先共析 + P
① 多一条先共析相析出线； ② 先共析相量随转变温度下降而减少， 鼻点温度以下无先共析相析出。 ——转变温度的降低会抑制先共析 相的析出； 当转变温度足够低，先共析相 的析出被完全抑制——由非共析成 分获得的共析组织称为伪共析体
热处理温度↑，时间↑ ，晶粒长大。
②与晶粒是否容易长大有关 ——— 引入本质晶粒度概念
（3）本质晶粒度 指钢在特定的加热条件下，奥氏体晶 粒长大的倾向性，分为本质粗晶粒度 和本质细晶粒度。
测定方法：加热至930±10℃，保温8h， 若A晶粒1-4 级：本质粗晶粒度钢， 5-8 级：本质细晶粒度钢。
一 过冷奥氏体等温转变动力学曲线 (Temperature-Time-Transformation)
——C曲线
A 700 A1 HRC 15 40 45 55 Mf >60 104 105
A过冷 τ孕
A→P A→B
P
过冷奥氏体与 奥氏体的区别
500
T
200
B
Ms A→M 1 10
M+AR
102 103
第八章 钢的热处理原理
本章目的： 1 阐明钢的热处理的基本原理； 2 揭示钢在热处理过程中工艺－组织－ 性能的变化规律；
本章重点：
（1）C曲线的实质、分析和应用； （2）过冷奥氏体冷却转变及回火转变的 各种组织的本质、形态和性能特点； (3) 马氏体高强度高硬度的本质
§ 8-1 热处理概述
一 热处理的定义及作用
珠光体 晶团
球（粒）状珠光体 珠光体的形态取决于加热时奥氏体化的程度 ┗奥氏体成分较均匀时→片状； 不均匀时→球（粒）状
2 珠光体的性能 Fe3C 形态分布； F/Fe3C相界面多少 P粒的HB、σb﹤ P 片； P粒的ψ、δ ﹥ P 片
真 800 实 600 应 力 400 σ
200 20 40 60 80
影响过热度主要因素: V加热 V加热↑，过热度⊿T↑；
F FP FA
T实
际
⊿T
A1
T
同理，冷却过程的固态相变需过冷度 钢的热处理中六个重要的温度参数： A1 A3 Acm ； Ac1 Ac3 Accm ——加热过程 Ar1 Ar3 Arcm ——冷却过程
Accm Ac3 Ar3 Acm Arcm Ac1 A1
§ 8-3 钢在冷却时的转变
冷却过程——热处理工艺的关键部 分，对控制热处理以后的组织与性能起 着极大作用，不同的冷却速度获不同的 组织与性能。
1 高温转变产物 ——Fe、C均扩散 亚共析钢： F+P; 共析钢：P；
过共析钢： P+Fe3C
┗ 珠光体类型 化学成分与晶格类型的转变均靠扩散实现 ——扩散类型
1 热处理的定义：金属或合金在固态下于 一定介质中加热到一定温度，保温一定时 间，以一定速度冷却下来的一种综合工艺。 三个基本过程：加热、保温、冷却 2 热处理工艺曲线 四个重要参数： V加热、 T保温、 t保温、V冷却
T
T保温 t保温
V加热
t
V冷却
2 热处理的意义及作用 意义： 应用广泛、 效果显著 ： 汽车零件80%；工模具、轴承100% 例：45#钢，840℃加热，不同方式冷却
—— 本质细晶粒度钢
2 影响奥氏体晶粒长大的因素 ① 加热温度和保温时间 T↑、 t↑ ，A 晶粒长大； T 的影响远大于 t ② 加热速度 ——常规加热速度下影响不大 ——快速加热，短时保温的超细 化工艺如高频加热，激光加热等
晶 粒 度
1250℃
1050 ℃ 900 ℃ 保温时间 t
③ 成分 强烈阻碍：Al、V、Ti、Zr、Nb 原因：机械阻碍理论 ——形成难溶碳、氮化物 中等阻碍：Cr、W、Mo 促进长大： Mn、P、溶入 A 的 C ┖降低铁原子的结合 力，促进铁的扩散
二 影响 C 曲线的因素
与奥氏体状态有关 指溶入奥氏体中的C 1 化学成分 （1） 含碳量： 理论：奥氏体中 C%↑，C 曲线右移。 F 相难析出，珠光体转变难进行， 实际；亚共析钢：C%↑，C 曲线右移； 过共析：C%↑，左移； 未溶 Fe3C↑
（2） 合金元素
0.9%C
T
① 除Co、Al （WAl>2.5%） 外，其它合金元 素随 Me%↑，C 曲线右移
1：片状珠光体
2 ：粒状珠光体
真实应变ε×100
0.4 0.2 0
50
S0
120 σb 100 HRC 40 80 60 30 50 Ψ 20 30 550 600 650 700 0 转变温度，℃
3 伪共析组织
通过加快钢冷却速度，可获得强硬度较好 的伪共析组织 (1) 定义：偏离共析成分的A过冷形成的珠光体。
5 亚共析钢、过共析钢的奥氏体化过程 亚共析钢：F + P → F + A → A 过共析钢： Fe3C + P → Fe3C + A → A
* 奥氏体化的目的：
获成分均匀、晶粒细小的奥氏体晶粒
* 实际热处理中 须控制奥氏体化程度。 例：球化退火，要求获得粒状珠光体 → 要求A 中 C 不均匀 → 控制第三、四阶段
2 奥氏体组织： 愈细，成分及组织愈不均匀， 未溶第二相愈多——左移。 T↑、t↑，晶粒粗大，成分、组 织均匀，A 稳定性↑ ——右移。
其它： 应力和塑性变形 1） 拉应力 压应力 奥氏体体积变化 2） 塑性变形
三 过冷奥氏体连续冷却转变曲线 ( Continous Cooling Transformation ---CCT )
产物： P：珠光体 B：贝氏体 M：马氏体 鼻点
τ
2 要点; ① 不同温度下转变产物不同；
高温转变产物(A1~550℃)： 珠光体( P)——扩散型
中温转变产物(550℃~MS) ：
贝氏体( B)—半扩散型
低温转变产物(MS~Mf)：
马氏体( M)——非扩散型
② 存在孕育期 ——过冷奥氏体等温分解所需的准备时间 ——代表 A过冷稳定性。 ③ 存在鼻点： ——孕育期最短， A过冷最不稳定； ④ T转↓，产物硬度↑。 ⑤ 马氏体是过冷奥氏体连续冷却中的一种 转变组织，非等温转变产物。将其画入， 使过冷奥氏体等温转变曲线更完备、实用
A3 S
Ar1
4 奥氏体形成过程（共析钢） 四个阶段： （1）奥氏体在F—Fe3C 界面上形核（10秒） （2）奥氏体向 F 及 Fe3C 两侧长大(几百秒) （3） 剩余 Fe3C 的溶解； (千秒) （4）奥氏体中 C 的扩散均匀化。 (万秒)
* 任何固态相变均需形核与长大过程 * 形核需要“三个起伏条件”： 成分起伏、结构起伏、能量起伏 ——故晶界或缺陷处易形核
四 钢的珠光体转变
1 珠光体的组织形态 片状珠光体与球(粒)状珠光体 (1) 片状珠光体 按层片间距不同又分为： 粗珠光体： S0=0.6-1.0μm， 索氏体（S）：S0=0.25-0.3μm， 屈氏体(T)：S0=0.1-0.15μm ┗取决于过冷度： 过冷度△T↑， S0↓
S0
F
Fe3C
B上 B下
§ 8-2 钢在加热时的转变
一 奥氏体形成的机理 1 奥氏体组织结构和性能 ① 定义：C 及合金元素固溶于面心立 方结构的 γ-Fe 中形成的固溶体。 C溶于γ相八面体间隙中， R间隙 = 0.535 A ﹤ R c=0.77A →γ晶 格畸变，并非所有晶胞均可溶碳， 1148℃ → 2.5个晶胞溶一个C原子。 ② 性能：顺磁性；比容最小； 塑性好；线膨胀系数较大