《机械工程材料及成型基础》第三章

（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。
（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
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。
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。
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。
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。
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。
（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 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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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）
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。
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。
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.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。