工程材料—钢的热处理

下贝氏体—— 针片状，铁素体针片内规则地分布着细片状碳化物。
下贝氏体 强度、硬度、塑性、韧性均高于上贝氏体，具有良好的综 合机械性能
T8钢，下B，黑色针状 光学显微照片 ×400
F 针内定向分布着细小碳化物颗粒 电子显微照片 12000×
2.4.2 钢在冷却时的转变
三、影响过冷奥氏体等温转变的因素
马氏体转变过程中出现表面浮凸效应。
马氏体转变的瞬时性，转变速度很快（低碳马氏体 100mm/s）
2.4.2 钢在冷却时的转变
马氏体转变的不彻底性， M转变在不断的降温过程中形成，至Mf温度，M转变终
止，但仍保留部分残余奥氏体；
一般生产中快速冷却的室温（ Ms和Mf温度之间），保 留更多的残余奥氏体，高碳钢可达10-15%； 存在残余奥氏体，对材料的稳定性有很大影响。 马氏体转变具有很大的体积效应，造成较大的内应力 马氏体转变的可逆性 马氏体重新加热时可直接转变成奥氏体或母相； 淬火钢加热过程中马氏体会首先发生分解，观察不到可逆性
P 5~25HRC S 25~35HRC T 35~40HRC 上B
40~50HRC
50~60HRC A→下B 孕育期：过冷奥氏体等温转变开始所经历的时间，反映了 下B
200 100 0 -100 0
Mf
过冷奥氏体的稳定性
A→M
M+A'
马氏体
3 4
60~65HRC
M
1
10
10
2
10
10
10
5
时
2.4.2 钢在冷却时的转变
片间距：相邻两片渗碳体中 心之间的距离 F 渗碳体
随着转变温度的降低，片间距减小，强硬度提高，塑韧性也有
改善
按照片间距的大小，可将片状珠光体分为珠光体P，索氏体S和 托氏体T（屈氏体），片间距P﹥S ﹥ T；
珠光体 P 3800×
索氏体 S 8000×
转变温度（℃） 片间距（nm） 250～1900 80～250 30～80
切削件的硬度如何调整？刀具如何才能 具有较高的韧性？
加工过程（铸、锻、焊、 切削）产生的内应力
季裂
如何消除加工过程中产生的内应力？
2.4.3 钢的普通热处理
在实际的制造过程中，常见的工艺路线如：
退火和正火是应用最为广泛的热处理工艺！！
为什么退火与正火有 着非常广泛的应用?
为什么将其安 排在铸/锻造与 切削加工之间呢?
• 目的：减轻钢的成分及组织的不均匀性， 细化晶粒， 调整硬度， 消除内应力， 为淬火作组织准备
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一、钢的退火
完全退火的目的： ①细化、均匀化，粗大、不均匀组织 ②得到接近平衡组织→调整硬度→切削性能 ③消除内应力 名称由来：经历完全奥氏体化 过程 问题1:在相图的哪一个区域可 以获得完全奥氏体组织？ 问题2：奥氏体区的温度区间很大，如果你是热处理工程师， 你认为完全退火应该具体在哪一个温度段保温？
过冷A → P 型组织
中温转变：
转变开始线
550℃ ~ MS
过冷A →贝氏体(B)
低温转变：
t
MS ~ Mf
过冷A →马氏体 ( M )
2.4.2 钢在冷却时的转变
800 700 600 500 400 300
Ms
T/℃
A1
A
始 转变开
A→P
转变结束
A →S A→T
珠光体 贝氏体
A→上 B 过冷A
2.4.3 钢的普通热处理
在铸锻焊之后，钢件中不但残留应力，而且还往往存在着成分和组织上 的不均匀性，因而机械性能也不均匀，还会导致以后淬火时的变形和 开裂。也会存在硬度偏高或偏低的现象，严重影响后续的切削加工性能。 经过退火和正火后，便可得到细而均匀的组织，并消除应力，改善钢件
的机械性能并为随后的淬火作了准备
强硬度高
低碳M 塑韧性较好，高碳M ，塑韧性差，并且存在 显微裂纹。 尽可能细化奥氏体粒度，是细化马氏体晶粒提高马 氏体韧性的有效手段
2.4.2 钢在冷却时的转变
3. 贝氏体转变和贝氏体的组织形态与性能
钢的过冷奥氏体在珠光体转变温度以下、马氏体转变 温度以上的温度范围内，发生一种半扩散型相变，称之 为贝氏体转变。转变产物贝氏体，通常用字母 B表示。 1）贝氏体转变特征 在珠光体和马氏体转变温度之间， 过冷奥氏体（A，γ相）→ 贝氏体（B，α相+碳化物） 半扩散型转变，介于珠光体和马氏体转变之间 ； Fe原子不扩散，切变完成晶格改组 ； C原子扩散，析出碳化物 贝氏体形成时会产生表面浮凸
2.4.2 钢在冷却时的转变
2）贝氏体的形貌及性能（上贝氏体、下贝氏体）
上贝氏体形貌：羽毛状，由成束的、大体上平行的板条状铁素 体和条间的呈粒状或条状的渗碳体所组成的非片层状组织。 上贝氏体性能： 强度和韧性差
45钢，上B+下B，×400
光学显微照片 1300×
电子显微照片 5000×
2.4.2 钢在冷却时的转变

钢加热时的奥氏体化过程


过冷奥氏体的等温转变和连续转变
退火、正火、淬火、回火四种整体热处理工
艺及其目的
实际生产中的临界点
§2.4.1 钢在加热时的转变 §2.4.2 钢在冷却时的转变
§2.4.3 钢的普通热处理
§2.4.4 钢的表面热处理 §2.4.5 钢的化学热处理
2.4.1 钢在加热时的转变
2.4.2 钢在冷却时的转变
1. 奥氏体是不是降温到临界温度以下就立即 发生转变呢？ 2. 不同的冷却速度是否也得到同一种的组织 呢？
2.4.2 钢在冷却时的转变
过冷奥氏体：在临界点以下存在的不稳定的且将要发生转变
的奥氏体，称为过冷奥氏体。
等温冷却方式 连续冷却方式 冷却方式： 等温冷却方式和连续冷却方式。
2.4.2 钢在冷却时的转变
2）马氏体的晶体结构及组织形态 马氏体是C在α-Fe中过饱和间隙固溶体，过饱和的C原子处在体 心立方的八面体间隙中，体心立方→体心正方，具有一定的正方度
铁原子 碳原子可能位臵 铁原子的振动范围
2.4.2 钢在冷却时的转变
钢中马氏体的形态主要为板条状和针片状马氏体
连续冷却过程不会 发生贝氏体转变 ；
P
存在转变终止线KK’
连续冷却，产物不 可能是单一均匀物质
M+A'
S
T+M+A'
2.4.3 钢的普通热处理
铜棒
Ø 24 mm
电缆线Ø 0.15 mm
如何消除拉拔过程中的硬化现象？
切削件的硬度在170～ 230HB范围内，切削性能 较好。 刀具具有较高的韧性时， 不容易发生崩刃。
转变产物组织性能均匀，研究领域应用广. 转变产物为粗细不匀甚至类型不同 的混合组织，实际生产中广泛采用
2.4.2 钢在冷却时的转变
一、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线
T A1
C曲线：形状似C TTT曲线：
Time，Temperature、Transformation
高温转变：
转变终了线
A1 ~ 550℃
板条M 针状M（凸透镜状） 每个单元呈窄而细 C% > 1.0 % ，针状M （孪晶M ） 空间形态为双凸透镜 长的板条，许多板条 片状，相邻的马氏体片 C% = 0.25~1.0 % 时，混合M 总是成群地、相互平 一般不互相平行，而是 行地连在一起 呈一定交角分布
C% < 0.25 % ，板条M（位错M ）
二、过冷奥氏体转变及其产物的组织形态与性能
1. 珠光体转变和珠光体的组织形态与性能 1）珠光体转变特征 在A1～550 ℃之间，过冷奥氏体（A）→ 珠光体（P：F+Fe3C）
过冷奥氏体向珠光体转变，是通过形核和长大的过程来完成的；
共析钢成分易在奥氏体晶界处形核 先、过共析钢在先析相上形核
二、影响奥氏体形成速度的因素 奥氏体形成速度与加热温度、加热速度、钢的成分 以及原始组织等有关。
• 加热温度越高，奥氏体形成速度越快 • 加热速度越快，奥氏体形成速度越快 • 含碳量增加，利于奥氏体加速形成
钴、镍等↑ ； • 合金元素显著影响奥氏体的形成速度 铬、钼、钒等↓； 硅、铝、锰等－。
• 组织（珠光体）越细，奥氏体形成速度越快
2.4.2 钢在冷却时的转变
其它形态的马氏体 蝶状马氏体： 蝴蝶形断面的细长条片 薄片状马氏体：
立体组织薄片状，显微组织细长的带状
ε马氏体： 具有密排六方结构的马氏体
2.4.2 钢在冷却时的转变
3）马氏体的性能 较高的强度和硬度，C %↑→ M 硬度↑
固溶强化 亚结构 时效强化
1. 2. 为什么弹簧状钢筋加热到红热急冷后变 得又硬又脆？ 为什么再次加热和冷却后变得刚柔相济， 成为真正的弹簧？
2.4 钢的热处理
加热转变→奥氏体转变 热处理原理 珠光体转变
冷却转变
贝氏体转变 马氏体转变 退火 正火 淬火 回火 表面淬火 化学热处理
热处理
普通热处理
热处理工艺
表面热处理
本节重点
珠光体转变是一个扩散型转变（Fe、C原子都进行扩散）；
Fe原子的扩散，完成γ相（面心立方）向α相（体心立方）的转变 C原子的扩散， γ相→ α相过程中多余的C原子以Fe3C形式析出
2.4.2 钢在冷却时的转变
2）珠光体的组织形态与性能
一般情况下，珠光体为片状铁素体和片状渗碳体相间分布的层状 组织，称为片状珠光体；
一、奥氏体的形成过程
晶体结构的改变：BCC → FCC Fe、C原子的扩散
共析钢的奥氏体形成过程 ： 残余渗碳体 奥氏体晶核 奥氏体的形核 的溶解 的长大
奥氏体成分 的均匀化