《机械工程材料与热加工工艺》钢的热处理

高碳片状M的强度很高，但塑形和韧性很差。
（四） 影响 C曲线的因素
1、奥氏体中含碳量的影响:
温度 (℃)
800 700 600 500
400 300 Ms 200 100
0 Mf
-100 0
亚共析钢的C曲线
F A
A3
A1 P+F
S+F T
B
M + A残
1
10
102
103
104 时间(s)
温度 (℃)
奥氏体的晶核易于在F和Fe3C渗碳体相界面上形成。这是因为在两 相的相界上原子排列不规则，空位和位错密度高；为形核提供了 良好的条件。
F
Fe3C
A
A形核
2. 奥氏体晶核的长大
奥氏体形核后逐渐长大，晶核的长大是依靠与其相邻的F向A的 转变和Fe3C的不断溶解来完成的。A向F和Fe3C两个方向长大。
未溶Fe3C A
3. 奥氏体晶粒大小的控制
1）合理选择并严格控制加热温度和保温时间 随着温度升高晶粒度将随之长大。温度愈高，晶粒长大
愈明显。在一定温度下，保温时间愈长，奥氏体晶粒也越粗 大。
2）合理选择原始组织 随着钢中奥氏体含碳量的增加，奥氏体晶粒长大的倾向
也增大。但当wc>1.2%时，奥氏体晶界上存在未溶的渗碳体 能阻碍晶粒的长大，故奥氏体实际晶粒度较小。
强度、塑性、韧性均高于上贝氏体，硬度 50 ~60HRC
针叶状铁素体 Fe3C
与B上比较， B下具有良好的综合力学性能， 在生产中常用等温淬火来获得B下组织
ห้องสมุดไป่ตู้
下贝氏体组织金相图
3、马氏体型 ( M ) 转变 (Ms ～ Mf) ( 230～ -50℃ )
当奥氏体快速过冷至马氏体点（Ms）以下时则发生 马氏体转变。与前两种转变不同，马氏体转变是在一定 温度范围内（Ms ～ Mf之间）连续冷却时完成的。
2、马氏体的组织形态（板条状和片状）
1）板条状马氏体组织 --- 低碳马氏体 (＜0.2%C ) 30～50HRC δ = 9～17%
低碳板条状马氏体组织金相图
2）片状马氏体组织 --- 高碳马氏体 (＞1%C) 60～65HRC δ ≈ 1%
高碳片状马氏体组织金相图
3、马氏体的性能
——主要取决于马氏体中的碳浓度。
一定晶面，集体地作一定距离的移动,使面心立方晶 格改组为体心立方晶格，碳原子原地不动，过饱和 地留在新组成的晶胞中，过饱和碳使α-Fe 的晶格发 生很大畸变，产生很强的固溶强化。
2）转变时体积发生膨胀 马氏体的比容比奥氏体的比容大，转变时体积
要膨胀，引起淬火工件产生相变内应力， 严重时 导致工件变形和开裂。
5） 马氏体转变是不彻底的
总要残留少量奥氏体。残余奥氏体的含量与 Ms、Mf的位置有关。奥氏体中的碳含量越高，则 Ms、Mf越低，残余A含量越高。只在碳质量分数 少于0.6%时， 残余奥氏体可忽略。
A残的存在不仅降低淬火钢的硬度和耐磨化， 而且在工件长期使用过程中，由于A残会继续变成 M，使工件尺寸发生变化。
3）M形成速度很快，瞬间完成形核、长大
奥氏体冷却到Ms点以下后，无孕育期，瞬时 转变为马氏体。每个马氏体片形成的时间极短，大 约只需10-7s。
4）转变是在一定温度范围内（Ms～Mf）连续冷却 过程中进行的
随着温度下降，过冷奥氏体不断转变为马氏体， 如果冷却在中途中停止，则奥氏体向马氏体转变也停 止。
2)亚共析钢和过共析钢的过冷奥氏体，在转变为珠光 体类型组织之前，分别先有铁素体和渗碳体析出。这 样，在亚共析钢等温转变图上多一条先共析铁素体析 出线，在过共析钢等温转变图上多一条先共析渗碳体 析出线。
3) 随着含碳量的增加，Ms、Mf线下降 ,因而残余奥氏
体量随着奥氏体含碳量的增加而增多
2、合金元素的影响
二、过冷奥氏体的连续冷却转变
1. 过冷奥氏体连续冷却转变曲线 (CCT 曲线)
温
度
A1
℃
Ps
（P转变开始线）
A+P
Pf
（P转变终了线）
炉冷
空冷 K（P转变中止线） Ms
Mf
水冷 Vk´ 油冷
（M临界冷却速度）
Vc
时间 t
共析碳钢 C 曲线与CCT曲线的比较
温度
(℃80) 0
稳定的奥氏体区
A1
700 600
• 转变温度 • 奥氏体的形成 • 奥氏体晶粒的长大及其影响因素
一、转变温度
实际加热和冷却时的相 变点： 平衡时—— A1 A3
Acm 加热时—— Ac1 Ac3
Accm 冷却时—— Ar1 Ar3
Arcm
图4-2加热和冷却时Fe-Fe3C相图上各相变点的位置
二、奥氏体的形成过程(以共析钢为例)
硬度 ( HRC )
抗拉强度σb ( Mpa )
70
2000
60
1800
50
1400
40 1000
30
20
600
10
200
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
马氏体的碳浓度 Wc 100
低碳板条状M不仅具有较好的强度和硬度，
而且还具有较好的塑形和韧性。
产 物 区
体
物
区 A向产
区
Ms 物转变开始线
Mf
A1 A1～550℃;高温转变区; 扩散型转变; P 转变区。
550～230℃;中温转变 区; 半扩散型转变;
贝氏体( B ) 转变区;
230～ - 50℃; 低温转 变区; 非扩散型转变; 马氏体 ( M ) 转变区。
-100 0
1
10
102
103
104 时间(s)
800
700
600
500
400 300 Ms
200
100 0 Mf
-100 0
过共析钢的C曲线
Fe3CⅡ A
ACM
A1 P + Fe3CⅡ S + Fe3CⅡ
T
B
M + A残
1
10
102
103
104 时间(s)
与共析钢C曲线比较： 1)亚共析钢的等温转变图随着含碳量的增加C曲线位置 往右移，过共析钢的等温转变图随着含碳量的增加C曲 线位置往左移，故在碳钢中以共析钢等温转变图的鼻 尖离温度坐标最远，其孕育期最长，过冷奥氏体也最 稳定
（三）转变产物的组织和性能 1、珠光体型转变—高温转变（A1~ 550 ℃） A1 ~ 650 ℃ 层片状珠光体 < 25HRC
650℃~ 600℃ 细片状珠光体（索氏体 S） 25HRC~35HRC
600℃~ 550 ℃ 极细片状珠光体（托氏体 T） 35HRC~42HRC
珠光体性能 ： 珠光体片越细→ HB↑，σb↑且δ↑，αk↑
CCT曲线
500
400 300 Ms 200 100
0 Mf
C曲线
-100 0
1 10 102 103 104 时间(s)
1)同一成分的钢的CCT曲线位于C曲线右下方。要获得同样的组织，连续冷却 转变比等温转变的温度要低些，孕育期要长些。
2)连续冷却转变时，共析钢不发生贝氏体转变。
却
时间
2.热处理的主要目的:改善材料的使用、工艺性能 。
3.热处理的特点：在固态下，只改变工件的组织，不改变形 状和尺寸 。
4.按目的、加热条件和特点不同热处理分为
整体 热处理
退火;正火;
淬火;回火;
热处理
表面 热处理 (表面淬火)
感应加热淬火 火焰加热淬火
化学 热处理
渗碳; 渗氮; 碳氮共渗;
第一节 钢在加热时的组织转变
马氏体转变在低温（Ms点以下）进行，由于过 冷度很大，奥氏体向马氏体转变时难以进行铁、碳 原子的扩展，只发生了γ-Fe向α-Fe的晶格转变。 固溶在奥氏体中的碳全部保留在α-Fe晶格中，形成 碳在α-Fe中的过饱和固溶体，称其为马氏体（M）
1、 马氏体转变特点
1）无扩散型转变 铁、碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥氏体
A
A 均匀化
亚共析钢和过共析钢的A形 成过程与共析钢基本相似， 不同之处在于亚共析钢和过 共析钢需加热到Ac3或Accm以 上，才能获得单一的奥氏体 组织，这个过程称为完全奥 氏体化。
三、奥氏体晶粒的长大及其影响因素
1．奥氏体晶粒的长大
由于奥氏体在铁素体与渗碳体相界面上形核，形成的晶核多，因 而刚完成珠光体向奥氏体的转变时奥氏体的晶粒是比较细小的。 但是如果在形成奥氏体后继续升高温度，或者是在高温长时间保 温，就会引起奥氏体晶粒长大。 由于晶粒粗大，往往使钢的强韧性恶化，特别是冲击韧性将明 显下降，韧脆转变温度相应升高，脆性倾向加大。 Ø因此，钢在加热时应严格控制加热规范，以获得细小而均匀 的奥氏体晶粒。
3）加入一定量的合金元素 若碳以未溶的碳化物形式存在，则它有阻碍晶粒长大的
作用。锰和磷是促进奥氏体晶粒长大倾向的元素。
第二节 钢在冷却时的转变
• 过冷奥氏体的等温冷却转变 • 过冷奥氏体的连续冷却转变
在热处理生产中，常用的冷却方式：等温冷却和连续冷却。
温 度
热 加
保温
临界温度A1
连续冷却
等温冷却 时间
2. 奥氏体晶粒度:
• 晶粒度——晶粒大小的量度。 • 晶粒的大小通常用晶粒度级别指数来表示;奥氏体的晶粒度一 般分为8级，l－4级为粗晶粒，5－8级为细晶粒。
•奥氏体实际晶粒度：是指钢在具体热处理或热加工条件下获 得的奥氏体晶粒度; 它的大小决定了钢件热处理或热加工后室温组织的晶粒大小， 直接影响到钢件的力学性能。因此，在钢材验收、零件技术要 求、热加工工艺评定、产品质量分析中所规定的“晶粒度检验 ”一般都是指依据 GB／T 63941986检验钢的奥氏体实际晶粒 度
一、过冷奥氏体的等温冷却转变
过冷奥氏体:在相变温度A1以下，未发生转变而处于不稳定状态的 奥氏体。 过冷奥氏体的等温转变：指钢经奥氏体化后冷却到相变点以下的 某温度区间内等温时。过冷奥氏体所发生的转变。
(一) 过冷奥氏体等温转变图( C曲线）的建立
现以金相硬度法测定共析钢过冷奥氏体等温转变为例，来说明 等温转变图的建立过程。
第四章 钢的热处理
热处理的作用和重要性
• 钢在加热时组织的转变 • 钢在冷却时组织的转变 • 钢的整体热处理工艺 • 钢的表面热处理和化学热处理工艺 • 热处理工艺的应用
概
述
1、钢的热处理定义:
将钢在固态下以适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得 所需组织和性能的工艺过程。
温
保温
度
临界温度
热
加
冷
除Co、Al (＞2.5% ) 外，所有合金元素溶入奥氏 体中，会引起：
A1
向右移
Ms 向 下 移
A1
Ms 含Cr合金钢
3、加热温度和保温时间的影响
加热温度越高，保温时间越长，碳化物溶 解充分, 奥氏体成分均匀；同时晶粒也越大， 晶界面积则减少。这样，会降低过冷奥氏体转 变的形核率，提高了过冷奥氏体的稳定性, 从 而使 C曲线向右移。
根据组织形态和转变温度不同，贝氏体一般可分 为上贝氏体和下贝氏体两种
550 ~ 350 ℃ 羽毛状上贝氏体（B上）
强度低，塑性、韧性差 ；硬度 40 ~50HRC
条状F
Fe3C
它是通过奥氏体晶格改组为过饱和的铁素体,并在 铁素体条间析出渗碳体而形成.
上贝氏体组织金相图
350 ~ Ms 黑色针叶状下贝氏体（B下）
• 加热工序的目的：得到奥氏体
P 结构
( F + Fe3C ) → A 体心 复杂 面心
含碳量 0.77 0.0218 6.69 0.77
• 可见:珠光体向奥氏体转变,是由成分相差悬殊、晶格 截然不同的两相混合物转变成单相固溶体的过程。因 此在奥氏体的形成过程必定发生晶格重构和铁、碳原 子的扩散。
1. 奥氏体晶核的形成
珠光体形貌像
光镜下形貌
电镜下形貌
索氏体形貌像
光镜形貌
电镜形貌
托氏体形貌像
光镜形貌 电镜形貌
2.贝氏体型 ( B ) 转变 —中温转变( 550 ℃ ～MS )
在550 ℃ ～MS 温度范围内，因转变温度较低， 原子的活动能力较弱，过冷奥氏体虽然仍分解成 渗碳体和铁素体的混合物，但铁素体中溶解的碳 已超过正常的溶解度，转变后得到的组织为含碳 量具有一定过饱和度的铁素体和分散的渗碳体的 混合物，称为贝氏体（B）
温度 (℃)
800 700 600 500
400 300 200 100
0
-100 0
共析钢 C曲线建立过程示意图
A1
1
10
102
103
104 时间(s)
温度 (℃)
800 700 600 500
400 300 200 100
0
（二）共析碳钢 C曲线的分析
稳定的奥氏体区
过 冷 奥+ 氏产
A
A向产物 转变终止线
F向A转变和Fe3C溶解
3. 残余渗碳体溶解
在奥氏体形成过程中，铁素体比渗碳体先消失，因此奥氏体形成 之后，还残存未溶渗碳体。这部分未溶的残余渗碳体将随着时间 的延长，继续不断地溶入奥氏体，直至全部消失。
A 残余Fe3C
残余Fe3C溶解
4. 奥氏体均匀化
渗碳体完全溶解后，开始时奥氏体中碳的浓度分布并不均匀 ,原 先是渗碳体的地方碳浓度高，原先是铁素体的地方碳浓度低。必 须继续保温，通过碳的扩散，使奥氏体成分均匀化。