第二章热处理原理1

注意： •孕育期：孕育期的长短表示过冷奥氏体的稳定 性的高低； •由C曲线可知，共析钢在550℃左右孕育期最短， 表示过冷奥氏体最不稳定，此处叫做C曲线的 “鼻子”；“鼻子”所对应的温度叫做“鼻 温”； •从A1到“鼻温”之间，随着过冷度的增大，孕 育期缩短，过冷奥氏体的稳定性下降； •从“鼻温”到Ms线之间，随着过冷度的增大， 孕育期增长，过冷奥氏体的稳定性增大；
４、实际晶粒度：
在具体的热处理工艺下获得的奥氏体晶粒
的大小称为实际晶粒度。
比起始晶粒度大。与具体的热处理工艺有
关，即加热温度和保温时间。 奥氏体的实际晶粒度决定钢材冷却后的组 织和性能。
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５、奥氏体晶粒大小影响因素 （１）、加热温度和保温时间的影响 加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒 就越粗大；控制加热温度和保温时间来控制晶粒 度。加热温度的作用比较大。
t
隔一定时间取一个样淬入盐水。
使未转变的Ａ转变为Ｍ。出现白色组织（马氏 体）、黑色组织。从而确定各个等温温度下转 变开始时间和终了时间；这样就获得共析钢的 恒温转变动力学曲线，再将其转变为TTT图， 又叫“Ｃ”曲线，如图９－１４所示；
２、曲线分析 ①由图中可以看出: 孕育期： 转变开始后转变速度逐渐 加快，当A转变体积分数达 到50%时转变速度最大。 ②TTT图中的线： A1线：奥氏体和珠光体的 平衡温度； Ms线：奥氏体向马氏体转 变的开始线； Mf线：奥氏体向马氏体转 变的终了线； 转变开始线，转变终了线；
②合金元素改变钢的临界点和碳在奥氏体中的 溶解度，于是改变钢的过热度和碳在奥氏体中 的扩散速度。
③钢中合金元素在铁素体和碳化物中的溶解度 是不均匀的，奥氏体形成后，合金元素分布极 不均匀，在Ａ中的扩散速度很小，均匀化时间 长。

合金钢的奥氏体化，加热温度要高，保温 时间要长。
三、奥氏体晶粒大小及其影响因素 （一）、奥氏体晶粒度的概念：
②过共析钢的过冷Ａ等温转变曲线：


如图所示 曲线的鼻尖上部区域比共析钢多了一 条先共析渗碳体的析出线；这表示此 类钢在奥氏体转变之前先有渗碳体的 析出； 在过共析钢中，随着含碳量的增加， 奥氏体的稳定性降低，孕育期缩短， 转变速度增加，Ｃ曲线左移。


２、合金元素的影响 ①溶入Ａ中的：除Al和Co外，所有的其它合金 元素当溶入奥氏体中后，都增大奥氏体的稳定性， 使Ｃ－曲线右移。 作用大小：Mo、W、Mn、Ni、Si、Al、B 改变C-曲线位置，不改变形状：Ni、Si、Cu及 Mn； 改变C-曲线位置，改变形状：Cr、MO、W、V、 Ti；如图９－１８所示； ② 碳化物形成元素V、Ti、Nb、Zr等形成稳定 的碳化物时，不溶入Ａ：减低过冷奥氏体的稳定性， 使C-曲线左移。
１.３ 速度与时间： 钢从奥氏体状态以不同的冷却速度冷却 时，将形成不同的转变产物，获得不同的 组织和性能。
慢冷：珠光体（ Fe、C均扩散）； Ａ冷却 较快冷：贝氏体 （ Fe不扩散，C扩散）； 快冷：马氏体（ Fe、C均不扩散）；
三、固态相变的特点：
驱动力：新旧两相的自由能差； 过程：形核、核长大；
过冷奥氏体的转变类型：

高温、 缓冷（铁、碳均扩散）—炉冷 或空冷—退火或正火—珠光体转变。（扩 散型）
中温、冷速较快（铁不扩散、碳扩散）—
贝氏体。（过渡型）

低温、冷速较快到Ms以下转变（铁、碳均
不扩散）—马氏体。（非扩散型）
过冷奥氏体在连续冷却时，转变是在一个
温度范围内，组织为混合组织。
等温转变---转变过程---产物---组织—性能。
粗珠光体与细珠光体相比；
球状珠光体与片状珠光体相比；
平衡组织和非平衡组织。
§２—３ 钢在冷 却时的转变
一、概述 实际生产中，奥氏体 只有通过冷却得到室温 组织才能获得一定的使 用性能。 钢的冷却有两种方式， 一种是等温冷却，一种 是连续冷却，见图９－ １３所示。
过冷奥氏体：
在临界点以下存在的，不稳定的，处于 过冷态，将要发生转变的奥氏体称为过冷 奥氏体。
一般强碳化物形成元素易与碳形成强碳化物， 阻碍奥氏体晶粒的长大。
Al—AlN，900℃以上溶入奥氏体，促进。
Ti、 Zr 、 V 、Nb—弥散碳化物和氮化物。 Mn、P、C、N—溶入奥氏体后加速铁原子的扩 散，促进奥氏体晶粒的长大。
（４）、钢的原始组织的影响：
钢的原始组织越细，碳化物的弥散度 越大，则奥氏体的起始晶粒度就越细小。 例如：
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（二）、奥氏体晶核的长大
Ａ形成后，向铁素体和渗碳体两 方向长大，同时又有新的Ａ晶核形成， 并长大，直到Ａ晶粒彼此相遇，Ｐ消失；
（三）、残余渗碳体的溶解 渗碳体在保温的过程中，随着碳的扩散，渗 碳体要不断的向奥氏体中溶解。 （四）、奥氏体成分的均匀化 刚刚形成的奥氏体成分是不均匀的，含碳量 有高有低，经过长时间的扩散，使碳原子进行充 分的扩散奥氏体成分均匀化。
N n0 1.01 G
1 2
的晶粒长大在热力学上是一种自发趋势。
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３、本质晶粒度： 一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向。(规定 条件下，Ａ晶粒的大小) 标准试验：将钢加热到930℃±10℃，保温3～8 小时后测得的奥氏体的晶粒的大小。 1—4级为本质粗晶粒钢， 5—8级为本质细晶粒钢； 规定930℃的原因： ① 930℃左右是本质粗晶粒和本质细晶粒大小差别 最大的温度； ②大多数工件的加热相变都在930℃左右或以下；
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注意：在转变过程中必须进行碳原子和铁原子
的扩散，以及铁原子发生晶格改组；
通常将这一过程以及Ａ在冷却时的转变过程叫
做“相变重结晶”；
此过程可分为： •Ａ形核； •Ａ的长大； •剩余渗碳体的溶解；
•Ａ成分的均匀化；
（一）、奥氏体形核 如图９－４所示；
Ｐ加热到Ａ1以上保温，先在铁素体和渗 碳体的相界面上形成Ａ晶核；
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（一）、奥氏体成分的影响
１、含碳量的影响: ①亚共析钢的过冷Ａ等温转变曲线： 如图９－１７ａ）所示； 在此曲线的鼻尖上部区域比共析钢多了一 条先共析铁素体析出线；这表示此类钢在 奥氏体转变之前先有铁素体的析出； 在亚共析钢中，随着含碳量的增加，奥氏 体的稳定性增加，孕育期增加，转变速度 减慢，Ｃ－曲线右移；

曲线呈Ｃ形状原因： 主要是由于扩散和相变驱动力共同决 定的。 当转变温度较高时（过冷度较小时）， 虽然原子的扩散速度较大，但由于相变驱 动力(Ａ与Ｐ的自由能差)较小，Ｎ↓、Ｇ↓， 相变速度较小，则孕育期较长； 当转变温度较低时（过冷度较大时）， 虽然相变驱动力较大，但由于原子的扩散 速度较小，Ｎ↓、Ｇ↓，所以，相变速度仍 较小，孕育期仍较长；如图９－１５所示；
３、热处理的重要性： 热处理原理：研究钢中组织转变的规律； 热处理工艺：根据热处理原理制定的热处理时 间、温度、介质等参数，实施热处理操作的过 程； 二、热处理与相图： 钢为什么可以进行热处理？
原则：只有在加热或冷却时发生溶解度 显著变化或者发生类似纯铁的同素异构 转变，即有固态相变发生的合金才能进 行热处理；例如：图９－２
§２-2 钢在加热时的转变
热处理的第一道工序是加热，将钢加热到Ａ1以上， Ｐ→Ａ，加热是个重要的环节，加热好坏直接影响 着热处理的质量；

奥氏体化：将钢加热到相变点以上获得奥氏体的过 程叫做奥氏体化。
一、共析钢奥氏体的形成过程 珠光体转变为奥氏体的过程如下： α ＋ Ｆｅ３Ｃ → γ ωｃ＝0.0218% ωｃ= 6.69% ωｃ＝0.77% 体心立方 正交晶系 面心立方
１.２ 非平衡条件下： 在非平衡条件下转变温度要发生不同程 度的滞后，而偏离平衡温度：如图９－３所 示；

通常将加热时的实际临界温度标以“ｃ”： Ac1、Ac3、Accm；
冷却时的实际临界温度标以“ｒ”： Ar1、 Ar3、 Arcm； 加热、冷却速度越快，滞后现象越严重.


加热、冷却转变 A1、A3、Acm Ac1、Ac3、Accm Ar1、Ar3、Arcm
晶粒度：衡量晶粒大小的尺度。单位面积内的晶粒 数目或每个晶粒的平均面积与平均直径。
１、晶粒大小的表示：
①八级晶粒度标准图，Ｎ为１～４级，称为粗晶粒， Ｎ为５～８级为细晶粒。如图９－８所示；
②公式 ｎ＝２Ｎ-1 ｎ——放大100倍时每平方英寸(6.45cm2)视野中的 平均晶粒数； Ｎ——晶粒度级别
２、起始晶粒度： 奥氏体晶粒边界刚刚相互接触时奥氏体晶粒 的大小为起始晶粒度； 总是十分细小而均匀的。其大小与形核率N 和长大速度G有关。
亚共析钢（Ac３以上得到单相Ａ组织）、过共析 钢（Accm以上得到单相Ａ组织）。
二、影响奥氏体形成速度的因素
（一）、加热温度和保温时间的影响
共析钢奥氏体的等温转变曲线（ＴＴＴ 图），转变的顺序为： Ｐ（α＋Fe3C）→Ｐ（α＋Fe3C）+γ →γ ＋ Fe3C→不均匀γ→均匀γ
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（二）、原始组织的影响 钢的原始组织越细小，则Ａ形核地点就 多，长大速度快； 例如：钢的原始组织是片状珠光体时，铁素 体和渗碳体组织越细，其相界面就越多，奥 氏体的形核部位也就越多，奥氏体的长大速 度也就越快，因此可以加速奥氏体形成过程， 而经过球化处理获得的粒状珠光体，由于铁 素体和渗碳体的相界面较少，奥氏体的形核 部位也就相应的减少了，因此，奥氏体的形 成速度也就较慢。
③TTT图中的区：如图所示； Ａ１以上的Ａ区； 过冷A区： 转变区：根据转变温度和转变产物的不 同，共析钢C曲线由上至下分为三个区域： 转变终了区：
A1~550℃之间为 珠光体转变区； （扩散型相变） 550~Ms为贝氏体 转变区；（半扩 散型相变） Ms~Mf之间为马 氏体转变区（非 扩散型相变）；
（三）、化学成分的影响 １、Ｃ：钢中含碳量越高，奥氏体形成速度越 快；（因为含碳量高，增加了铁素体和渗碳体的相 界面；同时，增加碳在奥氏体中的扩散速度。） ２、合金元素（Ｍｅ）： ①影响Ｃ在Ａ中的扩散速度： Ⅰ、Co和Ni提高了碳在奥氏体中的扩散速度，故加 快奥氏体的形成速度； Ⅱ、Si、Al、Mn、Cu等，对奥氏体的形成速度影响 不大； Ⅲ、Cr、Mo、W、V等碳化物形成元素显著降低碳 在奥氏体中的扩散速度，因而大大地减慢了奥氏体 的形成速度。