钢的热处理要点

１．３钢的热处理

钢的热处理是指将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。

热处理的目的是提高工件的使用性能和寿命。还可以作为消除毛坯（如铸件、锻件等）中缺陷，改善其工艺性能，为后续工序作组织准备。

钢的热处理种类很多，根据加热和冷却方法不同，大致分类如下：

1.3.1 钢在加热时的组织转变

在Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图中，共析钢加热超过ＰＳＫ线（Ａ１）时，其组织完全转变为奥氏体。亚共析钢和过共析钢必须加热到ＧＳ线（Ａ３）和ＥＳ线（Ａｃｍ）以上才能全部转变为奥氏体。相图中的平衡临界点Ａ１、Ａ３、Ａｃｍ是碳钢在极缓慢地加热或冷却情况下测定的。但在实际生产中，加热和冷却并不是极其缓慢的。加热转变在平衡临界点以上进行，冷却转变在平衡临界点以下进行。加热和冷却速度越大，其偏离平衡临界点也越大。为了区别于平衡临界点，通常将实际加热时各临界点标为Ａｃ１、Ａｃ３、Ａｃｃｍ；实际冷却时各临界点标为Ａｒ１、Ａｒ３、Ａｒｃｍ，

任何成分的碳钢加热到相变点Ａｃ１以上都会发生珠光体向奥氏体转变，通常把这种转变过程称为奥氏体化。

１．奥氏体的形成

共析钢加热到Ａｃ１以上由珠光体全部转变为奥氏体

第一阶段是奥氏体的形核与长大，第二阶段是剩余渗碳体的溶解，第三阶段是奥氏体成分均匀化。

亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同，不同处在于亚共析钢、过共析钢在Ａｃ１稍上温度时，还分别有铁素体、二次渗碳体未变化。所以，它们的完全奥氏体化温度应分别为Ａｃ３、Ａｃｃｍ以上。

２．奥氏体晶粒的长大及影响因素

钢在加热时，奥氏体的晶粒大小直接影响到热处理后钢的性能。加热时奥氏体晶粒细小，冷却后组织也细小；反之，组织则粗大。钢材晶粒细化，既能有效地提高强度，又能明显提高塑性和韧性，这是其它强化方法所不及的。

（１）奥氏体晶粒度

晶粒度是表示晶粒大小的一种量度。

（2）、影响奥氏体晶粒度的因素

1）加热温度和保温时间：

加热温度高、保温时间长，A晶粒粗大。

2）加热速度：

加热速度越快，过热度越大，形核率越高，

晶粒越细。快速加热，短时保温（高频感应淬火）.

3）、钢的成分

阻碍奥氏体晶粒长大的元素：Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等，多为碳化物和氮化物形成元素。

促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。

奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。

1.3.2钢在冷却时的组织转变

钢在热处理时采用的冷却方式通常是两种。一种是等温冷却，另一种是连续冷却。

１．过冷奥氏体的等温转变

奥氏体一旦冷却到临界温度以下，则处于热力学的不稳定状态，称为“过冷奥氏体”。

（１）过冷奥氏体的等温转变曲线

共析钢的奥氏体在Ａ１温度以下不同温度范围内会发生三种不同类型的转变，即珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。

（２）过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能

１）珠光体转变———高温转变（Ａ１～５５０°Ｃ）在Ａ１～５５０°Ｃ温度区间，过冷奥氏体的转变产物为珠光体型组织，都是由铁素体和渗碳体的层片组成的机械混合物。奥氏体向珠光体转变是一种扩散型相变，它通过铁、碳原子的扩散和晶格改组来实现。

高温转变区虽然转变产物都是珠光体，但由于过冷度不同，铁素体和渗碳体的片层间距也不同。转变温度越低，即过冷度越大，片间距越小，其塑性变形抗力越大，强度、硬度越高。根据片间距的大小，将珠光体分为以下三种：

ａ．珠光体过冷奥氏体在Ａ１～６５０°Ｃ之间等温转变，形成粗片状（片间距ｄ＞０．４μｍ）珠光体，一般在光学显微镜下放大５００倍才能分辨出片层状特征，其硬度大约在１７０～２３０ＨＢＳ左右，

以符号Ｐ表示。

ｂ．索氏体过冷奥氏体在６５０～６００°Ｃ之间等温转变为细片状（ｄ＝０．２～０．４μｍ）珠光体，称为索氏体，以符号Ｓ表示。它要在高倍（１０００倍以上）显微镜下才能分辨出片层状特征，硬度大约２３０～３２０ＨＢＳ左右。ｃ．屈氏体过冷奥氏体在６００～５５０°Ｃ之间等温转变为极细片状（ｄ＜０．２μｍ）珠光体，称为屈氏体，以符号Ｔ表示。它只能在电子显微镜下放大２０００倍以上才能分辨出片层状结构，硬度

为３５～４０ＨＲＣ左右。

上述珠光体、索氏体、屈氏体三种组织，在形态上只有厚薄片之分，并无本质区别，统称为珠光体型组织。

２）贝氏体转变———中温转变（５５０°Ｃ～Ｍｓ）共析成分的奥氏体过冷到Ｃ曲线“鼻端”到Ｍｓ线的区域，即５５０～２３０°Ｃ的温度范围，将发生奥氏体向贝氏体转变。贝氏体以符号Ｂ表示。贝氏体是由过饱和碳的铁素体与碳化物组成的两相机械混合物。奥氏体向贝氏体转变时，由于转

变温度低，即过冷度较大，此时铁原子已不能扩散，碳原子也只能进行短距离扩散，结果一部分碳以渗碳体或碳化物的形式析出，一部分仍留在铁素体中，形成过饱和铁素体，即得到贝氏体。贝氏体转变属于半扩散型转变，又称中温转变。常见的贝氏体组织形态有以下两种：

ａ．上贝氏体（Ｂ上）过冷奥氏体在５５０～３５０°Ｃ范围内的转变产物，在显微镜下呈羽毛状，称为上贝氏体（Ｂ上）。它是由过饱和铁素体和渗碳体组成。其硬度约为４０～４５ＨＲＣ，但强度低、塑性差、脆性大，生产上很少采用。

ｂ．下贝氏体（Ｂ下）过冷奥氏体在３５０°Ｃ～Ｍｓ温度范围内的转变产物为下贝氏体，在显微镜下呈暗黑色针状或竹叶状，称为下贝氏体（Ｂ下）。它是由过饱和铁素体和碳化物组成。下贝氏体具有高的强度和硬度（４５～５５ＨＲＣ），好的塑性、韧性。生产中采用等温淬火获得高强韧性的

下贝氏体组织。

３）马氏体转变———低温转变（＜Ｍｓ）奥氏体被迅速冷却至Ｍｓ温度以下便发生马氏体转变。马氏体以符号Ｍ表示。应指出，马氏体转变不属于等温转变，而是在极快的连续冷却过程

（３）亚共析钢与过共析钢的过冷奥氏体的等温转变

亚共析钢在过冷奥氏体转变为珠光体之前，首先析出先共析相铁素体，所以在Ｃ曲线上还有一条铁素体析出线，过共析钢在过冷奥氏体转变为珠光体之前，首先析出先共析相二次渗碳体，所以Ｃ曲线上还有一条二次渗碳体析出线。

２．过冷奥氏体的连续冷却转变

（１）连续冷却转变曲线

在实际生产中，过冷奥氏体大多是在连续冷却中转变的，这就需要测定和利用过冷奥氏体连续转变曲线，图１．３．７即为共析钢连续冷却转变曲线，没有出现贝氏体转变区，即共析钢连续冷却时得不到贝氏体组织。连续冷却转变的组织和性能取决于冷却速度。采用炉冷或空冷时，转变可以在高温区完成，得到的组织为珠光体和索氏体。采用油冷时，过冷奥氏体在高温下只有一部分转变为屈氏体，另一部分却要冷却到Ｍｓ点以下转变为马氏体组织，即得到屈氏体和马氏体的混合组织。采用水冷时，因冷却速度很快，冷却曲线不能与转变开始线相交，不形成珠光体组织，过冷到Ｍｓ点以下转变成为马氏体组织。ｖＫ是奥氏体全部过冷到Ｍｓ点以下转变为马氏体的最小冷却速度，通常叫作临界淬火冷却速度。（２）过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中的应用

过冷奥氏体连续冷却转变曲线测定困难，目前生产中，还常

应用__图１．３．８是在共析钢的等温转变曲线上估计连续冷却时组织转变的情况。ｖ１冷却速度相当于炉冷，与等温冷却Ｃ曲线约交于７００～６５０°Ｃ附近，可以判断是发生珠光体转变，最终组织为珠光体，其硬度１７０～２３０ＨＢＳ；ｖ２冷却速度相当于空冷，大约在６５０～６００°Ｃ发生组织转变，可判断其转变产物是索氏体，２３０～３２０ＨＢＳ硬度；ｖ３冷却速度相当于油中淬火，一部分奥氏体转变为屈氏体，其余奥氏体在Ｍｓ点以下转变为马氏体，最终产物为屈氏体和马氏体，其硬度为４５～４７ＨＲＣ左右。ｖ４冷却速度相当于水中淬火，冷却至Ｍｓ点以下转变为马氏体，其硬度为６０～６５ＨＲＣ。

３．马氏体转变

当转变温度在Ｍｓ和Ｍｆ之间时，即有马氏体组织转变。