《机械工程材料及成型基础》第三章

பைடு நூலகம்4.渗碳体的聚集长大和相的再结 晶（400℃以上）
回火温度升高到400℃以上，渗碳体明显聚集长 大。由等轴的相和粗粒状的渗碳体组成的组织称为 回火索氏体。
第二节 钢的普通热处理
一、钢的退火
退火或正火是将钢加热到一定温度并保温一定时间以后，以
缓慢的速度冷却下来，使之获得达到或接近平衡状态的组织的热处 理工艺。
3.马氏体转变的主要特点
⑴无扩散性 马氏体的形成无需借助于无扩散过程，转变前后 没有化学成分的改变，马氏体可在很低的温度下以高速形成。 ⑵转变是在一个温度范围内进行的 马氏体转变是在Ms～Mf的 温度范围内进行的，其转变量随温度的下降而增加，一旦温度停止 下降，转变立即中止。 ⑶转变不完全 多数钢的Mf点在室温以下，因此冷却到室温时 仍会保留相当数量未转变的奥氏体，这称之为残余（留）奥氏体， 常用Ar表示。
第三章 钢铁材料的改性处理

第一节 钢的热处理原理 第二节 钢的普通热处理 第三节 钢的表面热处理


第一节 钢的热处理原理
热处理是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 性能的一种热加工工艺。常用热处理工艺可分为普通热 处理（退火、正火、淬火和回火）和表面热处理（表面 淬火和化学热处理）。 （热处理示例）
F 亚共析钢的加热过程： P F A A
AC
1 3
AC
AC AC 过共析钢的加热过程： F e 3 C A F e 3 C A P
1 cm
（二）奥氏体晶粒大小及其控制
1.晶粒大小的表示方法
晶粒大小广泛采用的是与标准金相图片（标准评级图）相比较 的方法来评定晶粒大小的级别。通常将晶粒大小分为8级，1级最粗， 8级最细。通常1～4级为粗晶粒度，5～8级为细晶粒度。
却方式在空气中进行。由于正火比退火的冷却速度大，故珠光体的 片层间距较小，因而正火后强度、硬度较高。
正火的应用： ①低碳钢和某些低碳低合金钢采用正火来调整硬度，改善切削 加工性能。
②过共析钢的正火是为了消除网状碳化物。
③某些受力不大，性能要求不高的中碳钢和中碳合金钢件，正 火后的力学性能尚能满足要求，可作为最终热处理。
4.钢的淬透性
钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其 大小通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度（又称有 效淬硬深度）的距离作为淬透层深度。
淬透性可用“末端淬火法” 测定。 钢的淬透性用 表示， 其中d表示淬透性曲线上测试点 至水冷端的距离（mm）,HRC为 该处的硬度值。
生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。所谓临界淬火直 径，是指圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即 心部被淬成半马氏体的最大直径），用Do表示。在相同冷却条件下， Do越大，钢的淬透性越好。
2.贝氏体的力学性能
上贝氏体的强度和韧性均差。下贝氏体不仅强度高，而且韧性 也好，表现为具有较好的综合力学性能，是一种很有应用价值的组 织。
四、钢在回火时的组织转变
1.马氏体分解（100～200℃）
100℃以上回火，马氏体开始发生分解，从过饱和α 固溶体中 析出弥散的ε 碳化物，这种碳化物的成分和结构不同于渗碳体，是 亚稳定相。一定饱和度的α 固溶体和弥散分布的ε 碳化物组成的复 相组织，称为回火马氏体。
2.珠光体的力学性能
片状珠光体的性能主要取决于珠光体的片层间距。 片层间距越小，则强度和硬度越高，塑性和韧性也越好。
形成粒状珠光体，渗碳体的颗粒越细小，则钢的强 度硬度越高。在相同硬度下，粒状珠光体比片状珠光体 的综合力学性能优越得多。
（三）马氏体转变
马氏体转变是典型的无扩散性相变。马氏体是碳在 α —Fe中的过饱和固溶体，具有非常高的强度和硬度。 所以，马氏体转变是强化金属的重要途径之一。
三、 钢在冷却时的组织 转变
（一）过冷奥氏体等温转变曲 线和连续冷却转变曲线 热处理时常用的冷却方式有两 种：：一是连续冷却；二是等温冷 却。
共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图 温度
(℃) 800 A1
700 600 500
400 300 200 100 0 -100 0
1
10
102
103
104
2. 残 留 奥 氏 体 的 转 变 （ 200 ～ 300℃）
在200～300℃之间回火时，钢中的残留奥氏体 将会发生分解，产物是过饱和的α 固溶体和ε 碳化 物组成的复相组织，相当于回火马氏体或下贝氏体。
3.碳化物的转变（300～400℃）
在300～400℃范围内回火，ε 碳化物将自发地 向稳定相渗碳体转变。由饱和针状的α 固溶体和细 小颗粒状的渗碳体组成的组织称为回火托氏体。
1.马氏体的组织形态
钢中马氏体有两种基本形态：板条马氏体和片状马氏体。wc在 0.25%以下时，基本上形成板条状马氏体（也称低碳马氏体），板 条马氏体内有高密度的位错缠结的亚结构，又称为位错马氏体。
当wc >1.0%时，奥氏体几乎只形成片状马氏体（针状马氏 体）。片状马氏体内部的亚结构主要是孪晶。因此，片状马氏体又 称为孪晶马氏体。
1.退火
（1）完全退火 其目的是细化晶粒、降低硬度以改善切削加工 性能和消除内应力。
（2）等温退火 等温退火的加热工艺与完全退火相同。“等温” 的含义是，发生珠光体转变时是在Ar1 以下珠光体转变区间的某一 温度等温进行。等温退火能有效缩短退火时间，提高生产效率并能 获得均匀的组织和性能。 （3）球化退火 球化退火主要用于过共析钢和合金工具钢。其 目的是降低硬度、均匀组织、改善切削性能，为淬火作组织准备。 获得粒状珠光体。球化退火的加热温度一般为Ac1以上20～30℃。 （4）扩散退火（均匀化退火）扩散退火的特点是，加热温度高 （一般在Ac3或Accm以上150～300℃），保温时间长（10h以上）。 因此，扩散退火后钢的晶粒粗大，需要进行一次正常的完全退火或 正火处理。 （5）去应力退火 主要用来消除因变形加工及铸造、焊接过程 中引起的残余内应力，以提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂。 工艺一般是将工件随炉缓慢加热至500～650℃，经一段时间保温后 随炉缓慢冷却至300～200℃以下出炉。
2.奥氏体晶粒度的概念
在某一具体的加热条件下所得到的奥氏体晶粒大小称为实际 晶粒度，用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度称为本质晶粒度。 通常采用标准试验方法，即将钢加热到930±10℃，保温3～8h后 测定奥氏体晶粒大小，如晶粒大小级别在1～4级，称为本质粗晶 粒钢；如晶粒大小在5～8级，则称为本质细晶粒钢。
（6）再结晶退火 冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保 持适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒，这种热处 理工艺称为再结晶退火。其目的是消除加工硬化、提高塑性、改善 切削加工及成形性能。一般钢材的再结晶退火温度为650～700℃。
二、钢的正火
正火的加热温度为Ac3或Accm以上30～50℃，保温以后的冷
3.奥氏体晶粒大小的控制
⑴加热温度与保温时间 加热温度越高，保温时间越长，奥氏体 晶粒越粗大，因为这与原子扩散密切相关。
⑵加热速度 加热速度越快，过热度越大，奥氏体实际形成温 度越高，可获得细小的起始晶粒。 ⑶钢的化学成分 碳全部溶于奥氏体时，随奥氏体中含碳量的 增加，晶粒长大倾向增大。 合金元素Ti、Zr、V、Nb、Al等，当其形成弥散稳定的碳化物 和氮化物时，由于分布在晶界上，因而阻碍晶界的迁移，阻止奥氏 体晶粒长大，有利于得到本质细晶粒钢。Mn和P是促进奥氏体晶粒 长大的元素。
一、钢在加热和冷却时的转变温度
钢在加热时，实际转变温度往往要偏离平衡的临界温度，冷却 时也是如此。随着加热和冷却速度的增加，滞后现象将越加严重。 通常把加热时的临界温度标以字母“C”，如AC1、AC3、ACm等；把冷 却时的临界温度标以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arm等。
二、钢在加热时的组织转变
2.过冷奥氏体连续冷却转变曲线
连续冷却转变曲线（CCT曲线）是通过实验测定出来的。图中 Ps和Pf线分别表示珠光体转变的开始和终了线；KK′线是珠光体转 变终止线。共析钢以大于VK的速度冷却时，由于遇不到珠光体转变 线，得到的组织为马氏体，这个冷却速度称为上临界冷却速度。冷 却速度小于VK′时，钢将全部转变为珠光体，为下临界冷却速度。
三、钢的淬火
将钢加热到Ac1或Ac3以上，保温一定时间，然后快 速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。
1.淬火加热温度
淬火加热温度的选择应以得到细而均匀的奥氏体晶 粒为原则，以便冷却后获得细小的马氏体组织。亚共析 钢的淬火加热温度通常为Ac3以上30～50℃；过共析钢 的淬火加热温度通常为Ac1以上30～50℃。
片状珠光体组织
粒状珠光体组织
片状珠光体中，按片间距的大小可将其分为三类：即A1～ 650℃之间形成的片层较粗的珠光体，称为珠光体，以符号“P”表 示；650～600℃之间形成的片层较细的珠光体，称为索氏体，以符 号“S”表示；600～550℃之间形成的片层极细的珠光体，称为托氏 体（屈氏体），以符号“T”表示。
共析钢连续冷却时没有贝氏体形成（无贝氏体转变区）。
（二）珠光体转变
共析成分的奥氏体在A1～550℃温度范围内等温停留时，将发 生珠光体转变，形成铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物珠光体。因转变的温度较高，也称高温转变。
1.珠光体的组织形态
珠光体的组织有两种形态：一种是片状珠光体；另一种是球状 或粒状珠光体。
（一）奥氏体的形成过程
钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏 体化。以共析钢的奥氏体形成过程为例。
⑴奥氏体形核 奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上 形成。 ⑵奥氏体晶核长大 奥氏体晶核形成以后，依靠铁、碳原子的 扩散，使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不断溶入到奥氏体中去 而进行的。 ⑶残留渗碳体的溶解 铁素体全部消失以后，仍有部分剩余渗 碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗碳体不断地溶入到奥氏 体中去，直至全部消失。 ⑷奥氏体均匀化 渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的成分是不 均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩散才能获得均匀化的 奥氏体。
时间(s)
1.共析钢过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）
奥氏体在临界点以上为稳定相，不会发生转变，冷却至临界点以 下处于不稳定状态，将会发生分解，把这种在临界点以下暂时存在的 奥氏体称为过冷奥氏体。C曲线的左边一条线为过冷奥氏体转变开始 线，右边一条线为过冷奥氏体转变终了线。该曲线下部还有两条水平 线，分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms线和转变结束温度Mf 线。 亚共析钢和过共析钢的C曲线与共析钢的C曲线不同。区别在于 分别在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素体的转变开始线和过 冷奥氏体析出二次渗碳体的开始线。
wc在0.25%～1.0%之间的奥氏体则形成上述两种马氏体的混合 组织，含碳量越高，条状马氏体量越少而片状马氏体量越多。
图2-61 板条马氏体
图2-62 片状马氏体
2.马氏体的力学性能
马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量，通常情况是随含碳 量的增加而升高。
马氏体的塑性和韧性主要取决于它的亚结构。在相同屈服强度 条件下，板条（位错）型马氏体比片状（孪晶）型马氏体的韧性好 得多。
（四）贝氏体转变
贝氏体转变是过冷奥氏体在“鼻子”温度至Ms点范围内进行的 转变，又称为中温转变。贝氏体是碳化物（渗碳体）分布在碳过饱 和的铁素体基体上的两相混合物。 ⑴ 上贝氏体 共析钢上贝氏体大约在550℃（“鼻子”温度） 至350℃之间形成。光学显微镜观察，典型上贝氏体组织形态呈羽 毛状。
⑵下贝氏体 共析钢下贝氏体大约在350℃至Ms之间形成。光学 显微镜观察，下贝氏体呈黑色针状或竹叶状。
2.淬火冷却介质
常用的淬火冷却介质是水和油。水主要用于形状简 单、截面较大的碳钢零件的淬火。油一般用作合金钢的 淬火冷却介质。 为了减少零件淬火时的变形，盐浴也常用作淬火介 质，主要用于分级淬火和等温淬火。
3.淬火方法
为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，必须采用 已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。通常的淬火方法包 括单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等，如图所示。