(完整版)哈工大崔忠圻老师金属学与热处理课件第八章钢的热处理原理

A1 A3 Acm ； Ac1 Ac3 Accm ——加热过程 Ar1 Ar3 Arcm ——冷却过程
Ac3
Ar3
A3
S
Accm Acm
Arcm Ac1
Ar1 A1
4 奥氏体形成过程（共析钢） 四个阶段：
（1）奥氏体在F—Fe3C 界面上形核（10秒） （2）奥氏体向 F 及 Fe3C 两侧长大(几百秒) （3） 剩余 Fe3C 的溶解； (千秒) （4）奥氏体中 C 的扩散均匀化。 (万秒)
3 奥氏体形成热力学条件 F 热力学条件: T﹥A1
原因：以珠光体与奥氏体的 体积自由能之差来提供驱 动力以克服新相晶核的表 面能及弹性能
——存在过热度⊿T : T实际- T理论
影响过热度主要因素: V加热 V加热↑，过热度⊿T↑；
⊿T
A1 T实
际
FP FA
T
同理，冷却过程的固态相变需过冷度
钢的热处理中六个重要的温度参数：
┖降低铁原子的结合 力，促进铁的扩散
N：晶粒度级别
n：1平方英寸视场中所包含的平均晶粒数 (100X)。
标准晶粒度级别图
标准晶粒度级别图
奥氏体有三种不同概念的晶粒度 (1) 初始晶粒度： 奥氏体转变刚结束时的晶粒大小。 ——通常极细小 (2) 实际晶粒度： 具体加热条件下获得的奥氏体晶粒大 小 ①与具体热处理工艺有关：
热处理温度↑，时间↑ ，晶粒长大。
K
热处理温度区间：
α+Fe3C
Q
Fe
→
C%
6.69
A1 ＜ T ＜ TNJEF
Fe3C
热处理第一步 —加热奥氏体化
§ 8-2 钢在加热时的转变
一 奥氏体形成的机理 1 奥氏体组织结构和性能 ① 定义：C 及合金元素固溶于面心立
方结构的 γ-Fe 中形成的固溶体。
C溶于γ相八面体间隙中，
R间隙 = 0.535 A ﹤ R c=0.77A →γ晶 格畸变，并非所有晶胞均可溶碳，
②与晶粒是否容易长大有关 ——— 引入本质晶粒度概念
（3）本质晶粒度 指钢在特定的加热条件下，奥氏体晶 粒长大的倾向性，分为本质粗晶粒度 和本质细晶粒度。
测定方法：加热至930±10℃，保温8h， 若A晶粒1-4 级：本质粗晶粒度钢， 5-8 级：本质细晶粒度钢。
关于本质晶粒度概念的要点： ① 表征该钢种在通常的热处理条件下 A 晶粒
* 实际热处理中 须控制奥氏体化程度。 例：球化退火，要求获得粒状珠光体
→ 要求A 中 C 不均匀 → 控制第三、四阶段
三 奥氏体晶粒度及影响因素
1 奥氏体晶粒度概念
奥氏体晶粒度表示奥氏体晶粒大小，工业 上一般分为8级。
1-4 级粗(0,-1)，5-8 级细，8级以上极 细;
计算式：
n = 2 N-1
第八章 钢的热处理原理
本章目的：
1 阐明钢的热处理的基本原理；
2 揭示钢在热处理过程中工艺－组织－ 性能的变化规律；
本章重点：
（1）C曲线的实质、分析和应用； （2）过冷奥氏体冷却转变及回火转变的
各种组织的本质、形态和性能特点； (3) 马氏体高强度高硬度的本质
§ 8-1 热处理概述
一 热处理的定义及作用
汽车零件80%；工模具、轴承100% 例：45#钢，840℃加热，不同方式冷却
冷却方式 随炉冷却 空气冷却 油冷 水冷却
HRC 15~18 18~24 40~50 52~60
组织
P+F P+F（少） M+P M 组织细
作用：（1）显著提高材料的使用性能 （2）改善加工性能（切削、热处理）。
二 热处理的条件
1 热处理的定义：金属或合金在固态下于 一定介质中加热到一定温度，保温一定时 间，以一定速度冷却下来的一种综合工艺。
三个基本过程：加热、保温、冷却
2 热处理工艺曲线
T
四个重要参数：
T保温 t保温
V加热、 T保温、 t保温、V冷却
V加热
V冷却
t
2 热处理的意义及作用 意义： 应用广泛、 效果显著 ：
1148℃ → 2.5个晶胞溶一个C原子。 ② 性能：顺磁性；比容最小；
塑性好；线膨胀系数较大
2 奥氏体化中成分组织结构的变化 以共析钢为例
F + Fe3C → A (727 ℃)
成分(C%) 0.0218
6.69
Hale Waihona Puke Baidu
0.77
结构 体心立方 复杂斜方 面心立方
说明奥氏体化中须两个过程：
① C 成分变化： C 的扩散 ② 铁晶格改组： Fe 扩散
* 任何固态相变均需形核与长大过程 * 形核需要“三个起伏条件”：
成分起伏、结构起伏、能量起伏 ——故晶界或缺陷处易形核
5 亚共析钢、过共析钢的奥氏体化过程 亚共析钢：F + P → F + A → A
过共析钢： Fe3C + P → Fe3C + A → A
* 奥氏体化的目的： 获成分均匀、晶粒细小的奥氏体晶粒
① 加热温度和保温时间
T↑、 t↑ ，A 晶粒长大； T 的影响远大于 t
1250℃
晶
粒
度
1050 ℃
900 ℃
② 加热速度
——常规加热速度下影响不大
——快速加热，短时保温的超细 化工艺如高频加热，激光加热等
保温时间 t
③ 成分
强烈阻碍：Al、V、Ti、Zr、Nb 原因：机械阻碍理论
——形成难溶碳、氮化物 中等阻碍：Cr、W、Mo 促进长大： Mn、P、溶入 A 的 C
例如：AlN、VN、 TiN、NbN、ZrN
本质细晶粒钢
④ 是确定热处理工艺参数以及热处理质 量的重要依据
“过热” ：热处理加热中A晶粒显著粗 化
本质粗晶粒钢：须严格控制加热T、t
——需热处理件尽可能选择本质细晶粒钢
例如：渗 C 用钢 20MnVB, 20CrMnTi —— 本质细晶粒度钢
2 影响奥氏体晶粒长大的因 素
长大的趋势，不代表真实、实际晶粒大小；
② 本质粗晶粒度钢实际晶粒度并非一定粗大， 本质细晶粒度钢实际晶粒度并非一定细小； 而与具体的热处理工艺有关。
③ 本质晶粒度主要与成分或冶炼条件有关 机理： 难溶粒子的机械阻碍作用 Al 脱氧镇静钢 含V、Ti、Nb、Zr 钢
本质粗晶粒钢
机理： 难溶粒子的 机械阻碍作用
(1) 有固态相变 (2) 加热时溶解度显著变化的合金。
γ
α+γ
L
L+γ
L+β
γ +β α+ β
α+L α
L
L+β
α+ β
铁碳相图
为什么钢能热处理?
A
H
δ JB
TN
γ G
α+γ PS
α
L
① α→ γ 固态相变
D
L+γ
L +Fe3C F
﹄有相变重结晶
E
C
② C溶解度显著变化
γ +Fe3C A1
﹄可固溶强化