金属固态相变原理

第2篇热处理原理及工艺

第7章钢的热处理

教学目标：

搞清奥氏体、珠光体、贝氏体、马氏体等基本概念；

掌握共析分解、马氏体相变、贝氏体相变基本知识;

掌握相变产物的形貌和物理本质。

第8章金属固态相变原理

§8 钢的热处理

一、热处理的作用

机床、汽车、摩托车、火车、矿山、石油、化工、航空、航天等各行各业用的大量零部件需要通过热处理工艺改善其性能。

拒初步统计，在机床制造中，约60%~70%的零件要经过热处理；在汽车、拖拉机制造中，需要热处理的零件多达70%~80%，而工模具及滚动轴承，则要100%进行热处理。

总之，凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能投入使用。

热处理的定义：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需组织和性能的工艺过程。

热处理三大要素：加热、保温和冷却

通过以上三个环节，材料的内部组织发生了变化，因而性能也发生变化。

例如：碳素工具钢T8在市场购回的是球化退火的材料其硬度仅为20HRC，作为工具需经淬火并低温回火使硬度提高到60～63HRC，这是因为内部组织由淬火之前的粒状珠光体转变为淬火+低温回火的回火马氏体。

同一种材料，热处理工艺不一样其性能差别很大，导致性能差别如此大的原因是不同的热处理后内部组织截然不同。

表8-1 45号钢经不同热处理后的性能(试样直径15mm)

热处理工艺的选择要根据材料的成分来确定。材料内部组织的变化依赖于材料热处理和其他热加工工艺，材料性能的变化又取决于材料的内部组织变化。

所以，材料成分－加工工艺－组织结构－材料性能这四者相互依成的关系贯穿在材料制备的全过程之中。

我们的任务就是要了解和掌握其中的规律性。

二、热处理的基本要素

如上所述，热处理工艺中有三大基本要素：加热、保温、冷却。这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。

1、加热

按加热温度的高低，加热分为两种：一种是在临界点A1以下加热，此时一般不发生相变；另一种是在A1以上加热，目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。

2、保温

保温是热处理的中间工序，其目的是既要保证工件“烧透”，又要防止工件脱碳、氧化等。

保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。

3、冷却

冷却是热处理的最终工序，也是热处理过程中最重要的工序。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织形态。

图8-1 热处理工艺曲线示意图

三、热处理的分类

1、根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同，热处理可分为下列几类：

普通热处理：退火、正火、淬火和回火。即所谓热处理的“四把火”。

表面热处理：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、激光表面淬火和涂覆、渗碳、氮化和碳氮共渗等。

其它热处理：可控气氛热处理、真空热处理和形变热处理等。

2、按照热处理在零件生产过程中的工序和作用不同, 热处理工艺还可分为：

预备热处理：零件加工过程中的一道中间工序(也称为中间热处理)，其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力,为后续的机加工或进一步的热处理作组织上的准备。

最终热处理：零件加工的最终工序。其目的是使经过成型工艺达到形状和尺寸要求的零件，通过热处理使零件具备最终的使用性能。

是预备还是最终热处理在材料的生产过程中是相对的。

四、钢的临界转变温度

根据铁碳相图，共析钢缓慢加热到超过A1温度时，全部转变为奥氏体；亚共析钢和过共析钢必须加热到A3和A cm以上才能获得单相奥氏体。

在实际热处理加热条件下，加热速度不可能是缓慢的,因此,相变是在不平衡条件下进行的；其次，再考虑到过冷或过热现象的存在，相变点与相图中的相变温度有一些差异。具体如下：

加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温，这种现象称为滞后( 热滞或冷滞)。

在热处理工艺实施过程中，加热或冷却速度越快，则滞后现象越严重。

通常把加热时的实际临界温度标以右下标字母“c”表示，如Ac1、Ac3、Accm ；

而把冷却时的实际临界温度标以右下标字母“r” 表示，如Ar1、Ar3、Arcm 等。

临界温度：

平衡时：

A1、A3、Acm

加热时：

Ac1、Ac3、Accm

冷却时：

Ar1、Ar3、Arcm

图8-2 加热和冷却速度对钢的临界温度的影响

§8.1 钢在加热时的转变

一般而言，钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体(奥氏体化、A 化)，然后以不同速度冷却，使奥氏体转变为不同的组织，使钢具有不同性能。

加热时形成的奥氏体的质量(成分均匀性及晶粒大小等)，对冷却转变后的组织、性能有极大的影响(组织遗传)。

因此，掌握热处理规律，首先要研究钢在加热时的变化—即奥氏体化过程。

§8.1.1 奥氏体的形成过程

一、共析钢奥氏体的形成

共析碳钢加热前为珠光体组织，一般为铁素体与渗碳体交替排列的层片状组织，加热过程中珠光体转变为奥氏体过程可分为四步进行：奥氏体形核、晶核的长大、未溶碳化物(Fe3C) 溶解、奥氏体成分均匀化。

①奥氏体晶核的形成

由Fe-Fe3C相图知，在P 转变为A 过程中，原F 的bcc晶格改组为A 的fcc晶格，原渗碳体的复杂斜方晶格转变为fcc晶格。

所以,奥氏体的形成过程就是晶格的改组和Fe、C原子的扩散过程。常将这一过程和奥氏体冷却过程的转变称为“相变重结晶”。

基于能量与成分条件，奥氏体晶核在珠光体中的铁素体与渗碳体两相交界处产生，两相交界面越多，奥氏体晶核越多。

②奥氏体晶核的长大

奥氏体晶核形成后，它的一侧与渗碳体相接，另一侧与铁素体相接。随着铁素体的转变（铁素体区域的缩小），以及渗碳体的溶解（渗碳体区域缩小），奥氏体不断向其两侧的原铁素体区域及渗碳体区域扩展长大，直至铁素体和渗碳体完全消失，奥氏体彼此相遇，形成一个个的奥氏体晶粒。

奥氏体形成时碳浓度分布情况——

图8-3 奥氏体形成时碳浓度分布示意图