第3章 金属材料热处理及表面工程

P（F + Fe3C）
C%： 0.02% 6.69%
晶格： bcc
复杂
＞Ac1
•四个阶段:
A
0.77% fcc
一、奥氏体的形成过程
1、奥氏体的形核 （1）形核条件
奥氏体晶核的形成条件是系统的能量、结构和成分起伏。 （2）形核部位
奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成， 此外，在珠光体团的边界，过冷度较大时在铁素体内的亚晶界 上也都可以成为奥氏体的形核部位。
➢ Fe—Fe3C相图上的临界温度
共析钢：PSK原线则（上A1只）有在加热或冷却时发生溶解度显著变化 实P(际α+加F或才e热3C者能、)同进冷→素行却γ 异热条构处件转理下变。的的临，界即温有度固态相变的金属或合金， 亚共析钢：原始组织F+P
加PS热K线时只（的能A临纯采1）金界用P属温加→、度工γ 某用硬些脚化单标的相方C合表法金示。等，不能进行热处理强化的， ACG1、S线A（C3、A3A）CFcm→；γ 过A共Pr1S、析冷KA钢却线r3：时（、原的AA1始临r）cm组界P。→织温γF度e用3C脚+P标r表示，
第3章 金属材料热处理及表面工程
3.1 热处理的基本原理 3.1.1 钢在加热时的组织转变 3.1.2 钢在冷却时的转变
3.2 热处理工艺方法及应用 3.2.1 钢的普通热处理 3.2.2 钢的表面热处理 3.2.3 热处理零件结构工艺性与工艺文件
3.3 材料的表面工程及热处理新技术（选学内容）
概述
一、奥氏体的形成过程
在铁素体和渗碳体相界上优先形核的原因，可做如下的解释： 界面两侧两相的碳含量相差很大（0.0218%和6.69%），
因此在界面上碳浓度分布很不均匀，比较容易满足成分起伏； 界面两侧晶体结构相差较大，原子排列不规则，原子的活动 能力较强，比较容易满足结构起伏；界面上原子排列不规则， 位错等晶体学缺陷密度较大，处于能量较高的状态，比较容 易满足能量起伏，同时新相晶核形成时，可以使部分晶体学 缺陷消失，使系统的能量进一步下降，因此在相界面处是奥 氏体形核的首选位置。
ES线（Acm）Fe3C溶入γ
加热与冷却速度对临界点的影响
➢ 钢加热时奥氏体形成原理
从Fe—Fe3C状态图可知，珠光体被加热到A1（727℃）以上 时将转变为奥氏体。
珠光体与奥氏体的自由能均随温 度的升高而降低，但是下降的速度不 同，相交于某一温度，该交点所对应 的温度即A1（727℃）。右图是珠光 体、奥氏体的自由能与温度的关系。
保温
加热
冷却
0
时间 t/min
3.1 热处理的基本原理
3.1.1 钢在加热时的组织转变
钢的热处理种类很多，其中除淬火后的回火，消除应力的 退火等少数热处理外，均需加热到钢的临界点以上，使钢部 分或全部转变为奥氏体，然后再以适当的冷却速度冷却，使 奥氏体转变为一定的组织并获得所需的性能。
钢在加热过程中，由加热前的组织转变为奥氏体被称为钢 的加热转变或奥氏体化过程。由加热转变所得的奥氏体组织 状态，其中包括奥氏体晶粒的大小、形状、空间取向、亚结 构、成分及其均匀性等，均将直接影响在随后的冷却过程中 所发生的转变及转变所得产物和性能。因此，弄清钢的加热 转变过程，即奥氏体的形成过程是非常重要的。
一、奥氏体的形成过程
2、奥氏体的长大
奥氏体晶核形成后便开始长大。奥氏体长大的机制可做如 下的解释。在AC1以上某一温度t1形成一奥氏体晶核。奥氏体晶 核形成之后，将产生两个新的相界面，一个是奥氏体与渗碳体 相界面，另一个是奥氏体与铁素体相界面。为讨论问题的方便， 我 们 假 定 两 个 相 界 面 都 是 平 直 的 （ 参 见 图 9-5 ） 。 根 据 FeFe3C 相图可知，
奥氏体形成的热力学条件是：
必须在A1温度以上，即在一定的
过热条件下奥氏体才能形成。只有当
珠光体与奥氏体的体积自由能之差能
克服界面能和应变能时，珠光体向奥 氏体转变才能使系统向低能状态转变，
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ珠光体（P）和奥氏体（γ）自 由能随温度的变化曲线（示意
奥氏体才能自发地形成。
图）
一、奥氏体的形成过程
➢ 奥氏体的组织 在一般的情况下奥氏体的组织是由多边形的等轴晶粒所组成，
设备(热处理炉）
•箱式炉
•井式炉
•箱式可控气氛多用炉
•真空热处理炉
热处理工艺分类
退火
普通热处理
正火 淬火
回火
四把火
表面淬火—感应加热、火焰加热、
热处理
表面热处理
电接触加热等 化学热处理—渗碳、氮化、碳氮
共渗、渗其他元素等
控制气氛热处理
其他热处理
真空热处理 形变热处理
激光热处理
热处理工艺曲线
温度 T/℃
一、奥氏体的形成过程
3、剩余渗碳体的溶解 实验表明在珠光体向奥转变过程中，铁素体和渗碳体并不
是同时消失，而总是铁素体首先消失，将有一部分渗碳体残留 下来。这部分渗碳体在铁素体消失后，随着保温时间的延长或 温度的升高，通过碳原子的扩散不断溶入奥氏体中。一旦渗碳 体全部溶入奥氏体中，这一阶段便告结束。
一、热处理的作用 热处理：将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，
然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺。
作用
发挥材料的性能潜力 改善材料的加工工艺性能
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
碳化物溶入A的机理，现在还不十分清楚，有人认为是通 过碳化物中的碳原子向奥氏体中扩散和Fe原子向贫碳的渗碳体 区扩散，以及Fe3C向A晶体点阵改组来完成的。
一、奥氏体的形成过程
为什么铁素体和渗碳体不能同时消失，而总有部分渗碳体剩 余？
按相平衡理论，从Fe-Fe3C相图可以看出，在高于AC1温度， 刚刚形成的奥氏体，靠近Cem的C浓度高于共析成分较少，而 靠近F处的C浓度低于共析成分较多（即ES线的斜率较大，GS 线的斜率较小）。所以，在奥氏体刚刚形成时，即F全部消失时， 奥氏体的平均C浓度低于共析成分，这就进一步说明，共析钢 的P刚刚形成的A的平均碳含量降低，低于共析成分，必然有部 分碳化物残留，只有继续加热保温，残留碳化物才能逐渐溶解。
在晶粒内部有时可以看到相变孪晶。如图所示。
奥氏体显微组织 （晶内有孪晶） 1000×
一、奥氏体的形成过程
P
A
P（F + Fe3C） C%： 0.02% 6.69% lattice ： bcc complex
＞Ac1
•过程：晶核形成、晶核长大
铁、碳原
A 子的扩散 0.77%
fcc
晶格的改组
一、奥氏体的形成过程