钢材的热处理工艺

第三节 钢在冷却时的转变
❖ 冷却是热处理更重要的工序。 ❖ 冷却方式分为：
1.连续冷却 2.等温冷却 过冷奥氏体：处于临界点 A1以下的奥氏体称过冷奥 氏体。过冷奥氏体是非稳 定组织，迟早要发生转 变。
TTT图和CCT图的意义
❖ Fe-Fe3C相图是平衡相图 ❖ 热处理过程多为非平衡过程 ❖ TTT图和CCT图可以全面反映过冷奥氏体转
第二节 钢在加热时的转变
❖ 加热是热处理的第一道工序。 ❖ 钢加热时获得均匀的奥氏体组织的过程，称奥氏体化。 ❖ 加热形成的奥氏体的成分、均匀化程度、晶粒大小以
及加热后未溶入奥氏体的 碳化物等过剩相的数量和 分布情况，直接影响钢在 冷却后的组织与性能。
一、共析钢奥氏体的形成过程
当原始组织为片状珠光体：
在F/A相界面上： 与A相接触的F中的碳浓度为C/ 与F相接触的A中的碳浓度为C/
在Fe3C/A相界面上： 与A相接触的Fe3C的碳浓度仍然是6.67％ 与Fe3C相接触的A的碳浓度为C/c
在温度T:与Fe3C相接触的A中的碳浓度C－c高于F相接 触的A中的碳浓度C－。
二、奥氏体的形成速度
奥氏体等温形成图上表现出来的规律性
a. A形成需要孕育期，加热温度越高，孕育期 越短。
b. 随等温温度升高，全部完成P向A转变所需的 时间缩短，即A形成速度加快。
c. 在P向A转变的全过程中，残留Fe3C的溶解 和A成分的均匀化所需的时间最长。
三、影响A形成速度的因素
影响A形核率和长大速度的因素，都影响A形 成速度。 1.化学成分 ①含碳量：随钢中含碳量增加，A形成速度加快。
Ms的测定 ① 估计Ms温度（根据C%）。
② 将等温冷却炉温度调到所估计的Ms温度附近 Ms’。 ③ 将A化试样转移到冷却炉等温2～3 min,得到 M+A’(T高于Ms时不转变)。 ④ 转移到另一炉中，炉温为（Ms’+20～30）℃， 保温一段时间，得回火M+A’ 。
⑤ 淬入盐水。
⑥ 分析金相组织。回火M与淬火M形态（颜 色）有明显不同，如果M+A’→回火 M+A’+（M），且回火M数量较多，说 明估计温度低，将②的温度提高，重复以 上过程，直至测出Ms点。
（四）、A成分均匀化
❖ 残留Fe3C刚刚全部溶解到A中时，A中的碳浓度是 不均匀的。
❖ 在原Fe3C部位，含碳量高； ❖ 而在原F部位，含碳量低；
❖ 在继续加热或保温过程中，将通过碳原子的充分 扩散获得碳含量均匀的单相A。
（五）、共析钢A等温形成机理小结：
1、P向A转变是一种扩散型相变。相变时有点阵重构 和碳的扩散。 2、P向A转变是通过形核和长大来完成的。A核心优先在 F/Fe3C界面以及P晶团边界以扩散方式形成。 3、已形成的A晶核通过吞吃周围的F和Fe3C长大。同时， 其它有利于形核的部位形成新的晶核并长大。直到各处的 A晶核长大到相互接触。A晶核的长大速度为C的扩散速度 所控制。 4、P中的F刚刚全部转变为A时，有部分Fe3C残留。在继 续加热或保温过程中会逐渐溶入A。 5、残留Fe3C刚消失的A中，其碳浓度是不均匀的。只有 在继续加热或保温时，A成分才能均匀一致。
❖ 由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册 中的数据是以30-50℃/h 的速度加热或冷却时测得
三 固态相变的特点
1、相变阻力大 ⓐ新相与母相成分结构的差异。其新旧相相比必然 不同。相变时发生体积变化。母相是固相新相的形 成必受母相的约束导致应变能。 ⓑ新旧相相界面原子引起弹性畸变导致应变能。
优缺点 优点是能较准确地测出转变的开始点和终了 点，并能直接观察到转变产物的组织形态、 分布情况、数量及其硬度。
③脱氧剂：用Al脱氧的钢，其A晶粒长大趋势小， 属本质细晶粒钢，加热后其A晶粒相对较小（AlN 质点阻碍A晶粒长大）。用Si、Mn脱氧的钢，晶 粒长大的趋势大。
2、原始组织
原始的P组织越细，Fe3C弥散度越大，有利于A 形核的地点越多。所获得的A起始晶粒越细小。短 时保温可获得细小的A晶粒。
3.工艺条件的影响
原因： 含碳量增加，Fe3C数量增加， F/Fe3C界面增
加， A形核率增大； 含碳量增加，碳在A中的扩散速率增大。
②合金元素：合金元素的影响很复杂，多数合金 元素减慢A的形成速度，少数合金元素增加A 的形成速度，如Ni和Co。
a.合金元素影响碳在奥氏体中的扩散速度。
合金元素和碳形成的化合物越稳定，对A形成速度 的减慢作用越明显。
4、易于出现过渡相
固态相变阻力大，且固相中原子扩散慢，当T较低 时，新旧相成分大时，扩散来不及，易形成过渡相。
四 固态相变的类型
❖ 1 扩散型相变 新相的形核长大主要依靠原子长距离的扩散进行，
相界面是共格的。 ❖ 2 非扩散型相变
新相的生长不通过扩散，而通过切变和转动进行的。 ❖ 3 过渡型相变
介于上述两种转变之间，如贝氏体相变。
①加热温度和保温时间：加热温度越高，保温 时间越长，A晶粒越大。这是由于晶粒的长大是 晶界的迁移过程，是通过晶界处原子的扩散来 实现的。
②加热速度：当加热温度相同时，加热速度越 快，过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高， 形核率的增加大于长大速度，使奥氏体晶粒越 细。
要注意控制保温时间。因为A起始晶粒很小， 界面面积大，界面能高，如保温时间太长，A晶 粒将粗化。
b.合金元素改变了钢的临界点和碳在奥氏体中 的溶解度。
降低A1 温度的合金元素，如Ni、Mn 使A形成速 度加快。
c.合金元素本身扩散较慢，要获得均匀的A所 需时间较长。
2.原始组织：
①原始组织为片状P ：钢的含碳量一定时，F和 Fe3C片层越细，相界面越多，A形核越多，长大 速度越快。
②非P组织：非Ｐ组织中，Ａ的形成速度较快。而 且越偏离平衡组织，其Ａ形成速度越快。Ｍ、Ｂ、 细Ｐ、粗P中的A形成速度依次减慢。
所以：与结晶相、固态相变阻力不但有界面能，还 多了一项应变项。 ∆G= ∆gvV+Ss+WV
❖ 2、新旧相间存在一定的晶体学位向关系
在许多情况下，固态相变时新相与母相间往往存 在一定的取向关系，而且新相往往又是在一定的晶 面族上形成，这种晶面称为惯习面，它通常以母相 晶面指数来表示。
3、母相晶体缺陷对固态相变起促进作用
F
+ Fe3C > A1 A
❖ 0.0218%C 6.69%C
0.77%C
❖
体心立方 正交点阵
面心立方
❖ A的形成由下面四个基本过程组成：
（一）奥氏体形核
形核地点: F－Fe3C相界 P晶团边界
原因： A晶核的形成需要
能量起伏、浓度起伏、结构起伏。
a、 F/Fe3C相界和P晶团边界处晶体缺陷较为集中，具 有较高的畸变能。为形核增加了一部分附加的驱动力；
变与等温温度、时间、冷却速度间的关系 ❖ TTT图和CCT图是对Fe-Fe3C相图的补充。
一 过冷奥氏体的等温转变图（TTT图）
❖ 热处理过程多为非平衡过程 ❖ TTT图可以全面反映过冷奥氏体转变与等温温度、
时间、冷却速度间的关系
（一）. TTT图的建立 ❖ 金相法 ❖ 膨胀法 ❖ 磁性法
1 金相法
温转变过程中尚未转变的A在水冷时转变为M；
5). 观察各试样的显微组织，测定其中的M组织和非 M的相对数量
6). 找出A转变的开始时间和终了时间； 随等温时间的延多，水冷后试样中A等温转变产
物的量也增多，M数量减少。 7). 用相同的方法，确定各组试样在不同温度（600ºC，
550ºC，500ºC等）等温时的等温转变的开始时间 和终了时间。 8). 将所有等温温度下A等温转变的开始时间和转变终 了时间画在温度— 时间坐标图上，并将所有的转变 开始点连一条线，所有的转变终了点连一条线，所 绘出的双C曲线即是过冷奥氏体等温转变曲线 （TTT图）。
这个浓度差将导致: A中的碳从碳浓度高的－ Fe3C界面处向碳浓度低的－ 界面扩散， 使A在－ Fe3C界面处的浓度碳C－c降低 而A在－界面处的碳浓度C－上升
（三）残留Fe3C的溶解
在A形核和核心长大刚刚完成后，往往有残留 的Fe3C存在。 原因：
❖ Fe3C晶体结构的复杂性造成 ❖ Fe3C含碳量很高 因此，A向F中长大的速度远大于A向Fe3C的长大 速度。在继续加热或保温过程中，这些残留Fe3C 必将溶解到A中去。从而获得单一的A组织。
❖ 2. A晶粒度的表示方法
A晶粒度级别：
在放大100倍的显微镜下，1平方英寸面积内包 含的晶粒数目为n，通过n=2G-1 算出G，G即 为晶粒度级别。
A晶粒度级别多在1级到8级的范围内。1级A晶粒最粗大。 8级最细小。如晶粒比8级还细小，可定为9级、10级 等。比1级粗大的晶粒可用0级、-1级、-2级等表示。
b、在F/Fe3C相界面及P晶界处，碳原子易于偏聚，碳 浓度较高。有利于达到A形核时所需要的碳浓度；
c、在F/Fe3C相界和P晶团边界，原子排列不规则。有 利于满足结构起伏的要求。
(二) 、A晶核的长大
A晶体的长大，伴随Leabharlann Baidu体心立方的F向面心立方的A的点阵 重构和Fe3C的溶解以及碳的扩散过程。
假定在A1以上的某一温度下在F/ Fe3C界面 上形成了一个A晶核这样就形成了两个新的界面： F/A界面和A/ Fe3C界面。界面处各相的界面平衡 浓度可由Fe－ Fe3C相图来确定。
钢的热处理原理
第一节 概述
❖第二节 钢在加热时的转变 ❖第三节 钢在冷却时的转变 ❖第四节 钢在回火时的转变
第一节 概述
❖ 一 热处理的作用 ❖ 1、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，
以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺. 为简明表示热处理
的基本工艺过程， 通常用温度—时间 坐标绘出热处理工 艺曲线。
3.工艺条件： ①加热温度：温度越高，原子的扩散速率急剧加 快，相变驱动 力增加，A形成 速度越快。 ②加热速度: 加热速度越快， 孕育期越短， A开始转变的 温度和转变终 了的温度越高， A形成速度加快。
三 奥氏体晶粒大小及其影响因素
（一）A晶粒度
❖ 1.晶粒度的概念
晶粒度是晶粒大小的量度。
1).首先将共析碳钢制成许多薄片试样（Ø10～
15*1.5mm）并把它们分成若干组； 2).先取一组放到炉子内加热到AC1以上某一温度保
温，使它转变成为均匀细小的奥氏体晶粒； 3). 将该组试样全部取出迅速放入AC1以下某一温度
（如 650ºC）盐炉中，使过冷A进行等温转变； 4). 每隔一定时间取一试样投入盐水中，使在盐炉等
③ A实际晶粒度：某一具体热处理条件下形成的A 晶粒尺寸。
（二） 影响A晶粒大小的因素
1.钢的化学成分 ①含碳量：在一定的含碳量范围内，含碳量增加，碳在奥 氏体中的扩散速率增大，A晶粒长大倾向增大；但含碳量超 过一定量后，碳以未溶碳化物的形式存在，能阻碍A晶粒的 长大。 ②合金元素：凡能形成高熔点、弥散细小的化合物的合金 元素都能阻碍A晶粒的长大。而Mn、P、N等元素溶入A中， 削弱了铁原子结合力，加速铁原子扩散，增加A晶粒的长大 趋势。
热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用. 在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。 在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。 模具、滚动轴承100%需经过热处理。 总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。
❖ 二 热处理与相图 ❖ 1、热处理特点: 热处理区别于其他加工工艺
3. A晶粒有三种概念：
①起始晶粒度： A刚刚形成，或A晶核长大到刚 刚相互接触时A晶粒的大小。
②A本质晶粒度：在标准实验条件下（930C3 ～8h）所得到的A晶粒的大小。
A本质晶粒度表征了各种钢材在加热时的晶粒 长大趋势。
A本质晶粒度为1到4级的钢为本质粗晶粒钢。
A本质晶粒度为5到8级的钢为本质细晶粒钢。
如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件 的组织来改变性能，而不改变其形状。
2、热处理适用范围:
只适用于固态下发生
相变的材料，不发生
固态相变的材料不能
轧制
用热处理强化。
3、临界温度与实际转 变温度
铁碳相图中PSK、GS、ES 线分别用A1、A3、Acm表示.
实际加热或冷却时存在着 过冷或过热现象，因此将 钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示; 冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。