钢的热处理原理

1钢的热处理原理2铁碳合金平衡组织3概述定义：钢的热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。目的与用途：通过热处理可以改变钢的内部组织结构，从而改善其工艺性能和使用性能，充分挖掘钢材的潜力，延长零件的使用寿命，提高产品质量，节约材料和能源。消除铸造、锻造、焊接等热加工工艺造成的各种缺陷。时间温度加热保温冷却热处理工艺曲线示意图4热处理原理：钢中组织转变的规律是热处理的理论基础，称为热处理原理。热处理原理的内容：包括钢的加热转变、珠光体转变、马氏体转变、贝氏体转变和回火转变。根据热处理原理制定的具体的加热温度、保温时间、冷却方式等参数就是热处理工艺。5钢为什么能够进行热处理？原则上只有在加热或冷却时发生溶解度的显著变化或发生固态相变的合金才能进行热处理。根据Fe-Fe3C相图，钢在高温和低温时具有不同的结构状态：共析钢在加热和冷却过程中经过PSK线（A1）时，发生珠光体和奥氏体之间的相互转变；亚共析钢经过GS线（A3）时，发生铁素体与奥氏体之间的相互转变；过共析钢经过ES线（Acm）时，发生渗碳体与奥氏体之间的相互转变。钢在加热和冷却过程中越过上述临界点就要发生固态相变，所以能进行热处理。6Ar1：冷却时A→P开始温度Ar3：冷却时A→α开始温度Arcm：冷却时A→Fe3CⅡ开始温度Ac1：加热时P→A开始温度Ac3：加热时α→A终了温度Accm：加热时Fe3CⅡ→A终了温度在Fe-Fe3C相图上反应的临界温度A1、A3、Acm是平衡临界温度，即在非常缓慢的加热或冷却条件下钢发生组织转变的温度。实际加热或冷却时组织转变会产生滞后现象，加热和冷却速度越快，滞后现象将越加严重。钢的相变临界点加热和冷却速度为0.125℃／min时对临界温度的影响7钢在加热时的转变钢在冷却时发生的固态转变(P、B、M)，其母相均为奥氏体。为了使钢在热处理后获得所需要的组织和性能，多数工艺都须先将钢加热至单相奥氏体，然后再以适当方式(或速度)冷却，以获得所需要的组织和性能。钢加热获得奥氏体的转变过程，称为奥氏体化过程。奥氏体组织的状况（如成分、均匀程度、晶粒大小等）直接影响冷却转变过程以及转变产物的组织和性能，因此，研究加热时奥氏体的形成过程具有重要的意义。8当温度等于A1时，珠光体与奥氏体的自由能相等。只有当温度高于A1时，珠光体向奥氏体转变的驱动力才能克服界面能和应变能的相变阻力，使奥氏体的自由能低于珠光体的自由能，奥氏体才能自发形核。奥氏体形成的热力学条件珠光体和奥氏体的自由能随温度变化的曲线奥氏体形成时系统总的自由能变化为：ΔG=ΔGV+ΔGS+ΔGe式中，ΔGV为新相奥氏体与母相之间的体积自由能差；ΔGS为形成奥氏体时所增加的界面能；ΔGe为形成奥氏体时所增加的应变能。其中，ΔGV是奥氏体转变的驱动力，ΔGS与ΔGe是相变的阻力。91.奥氏体的形成过程Fe3C6.69％C复杂晶格α-Fe0.02％Cbccγ-Fe0.77％Cfcc+共析钢为例奥氏体的形成过程就是铁晶格的改组和铁、碳原子的扩散过程。具体过程包括：奥氏体的形核，奥氏体的长大，剩余渗碳体的溶解和奥氏体的成分均匀化过程．10(1)奥氏体的形核优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成，此处容易获得奥氏体形核所需要的浓度起伏、结构起伏和能量起伏。珠光体群边界也可以成为奥氏体的形核部位；在快速加热时，由于过热度大，也可以在铁素体亚晶边界上形核。FFe3CA晶核(2)奥氏体晶核长大奥氏体晶核形成后即开始长大，奥氏体和铁素体中碳的扩散是奥氏体吞噬渗碳体和铁素体而长大的驱动力……未溶Fe3CAA11扩散破坏了该温度下相界面的平衡浓度，为了恢复平衡，渗碳体势必溶入奥氏体，使它们相邻界面的碳浓度恢复到Cγ-C，与此同时，另一个界面上，发生奥氏体碳原子向铁素体的扩散，促使铁素体转变为奥氏体，使它们之间界面的碳浓度恢复到Cγ-α。这样，奥氏体的两个界面就向铁素体和渗碳体两个方向推移，奥氏体便长大。由于Cγ-CCγ-α，在奥氏体中出现碳的浓度梯度，并引起碳在奥氏体中不断地由高浓度向低浓度的扩散。由于在铁素体内，铁素体与渗碳体和铁素体与奥氏体接触的两个界面之间也存在着碳浓度差Cα-C—Cα-γ，因此碳在在铁素体中也进行着扩散，奥氏体长大机制12由于铁素体与奥氏体相界面的浓度差（Cγ-α—Cα-γ）远小于渗碳体与奥氏体相界面的浓度差（CC—Cγ-C），一份渗碳体溶解将促进几份铁素体转变，因此，铁素体向奥氏体转变的速度比渗碳体溶解的速度快得多。当铁素体全部转变为奥氏体时，仍有部分渗碳体尚未溶解，剩余在奥氏体中。这时，奥氏体的平均成分低于共析成分。随后剩余Fe3C通过扩散，不断溶人A中，使A碳浓度逐渐趋于共析成分。一旦渗碳体全部溶解，这一阶段便告结束。A未溶碳化物(3)剩余渗碳体溶解13(4)奥氏体成分均匀化A剩余渗碳体全部溶解后，A中的碳浓度仍是不均匀的。只有继续延长保温时间或升温，通过碳原子的扩散，才能使A碳浓度逐渐趋于均匀化，最后得到均匀的单相奥氏体。A形成过程全部完成。14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，当加热温度仅超过AC1时，只能使原始组织中的珠光体转变为奥氏体，仍会保留一部分先共析铁素体或先共析渗碳体。这种奥氏体化过程被称为“部分奥氏体化”或“不完全奥氏体化”。只有当加热温度超过AC3或Accm，并保温足够的时间，才能获得均匀的单相奥氏体，这又被称为是非共析钢的“完全奥氏体化”。152.奥氏体的形成速度共析钢的奥氏体等温形成图珠光体向奥氏体转变开始珠光体向奥氏体转变刚刚结束奥氏体均匀化完成剩余渗碳体溶解完毕奥氏体形核、长大阶段所需的时间较短，剩余渗碳体溶解所需时间较长，而奥氏体均匀化所需时间更长。为获得同一状态，可用低温长时间V1，也可用高温短时间V2加热。AC1以上某温度等温时，奥氏体需要一定时间后才开始形成，这段时间称为孕育期。温度↑孕育期↓16亚共析钢或过共析钢奥氏体等温形成图当珠光体全部转变为奥氏体后，还有过剩相铁素体或渗碳体的继续转变，也需要碳原子在奥氏体中的扩散及奥氏体与过剩相之间相界面的推移来进行。与共析钢相比，过共析钢的渗碳体溶解和奥氏体的均匀化所需时间要长得多。亚共析钢过共析钢173.影响奥氏体形成速度的因素奥氏体形成是形核和长大过程，整个过程受原子扩散所控制。因此，一切影响扩散、形核与长大的因素都影响奥氏体的形成速度。主要影响因素有加热温度、原始组织和化学成分等。（1）加热温度的影响P→A转变是扩散相变过程，随加热温度↑，原子扩散系数↑，特别是碳在A中的扩散系数↑，加快了A的形核和长大速度；随加热温度↑，A中的碳浓度差↑，浓度梯度↑，故原子扩散速度↑；随加热温度↑，A与P的自由能差↑，相变驱动力△Gv↑，A的形核率和长大速度急剧↑，因此，转变的孕育期和转变所需时间显著↓，加热温度越高，转变孕育期和完成转变的时间越↓。影响奥氏体形成速度的各种因素中，温度是一个最主要的因素。18（2）原始组织的影响化学成分相同时，随原始组织中碳化物分散度↑，F和Fe3C相界面增多，A的形核率↑；P片层间距↓，使A中碳浓度梯度↑，碳的扩散距离↓，都使A的长大速度↑。因此，钢的原始组织越细，形成速度越快。（3）含碳量的影响含碳量↑，奥氏体的形成速度↑。随含碳量↑，Fe3C量↑，F和Fe3C相界面积↑，A的形核部位↑，A的形核率↑；碳化物数量↑，又使碳的扩散距离↓，碳浓度梯度↑；随A中含碳量↑，碳和铁原子的扩散系数将↑，从而增大A的长大速度。19（4）合金元素的影响影响碳在A中的扩散速度碳化物形成元素(如Cr、Mo、W、V、Ti等)大大减小了碳在A中的扩散速度，故显著减慢了A的形成速度。非碳化物形成元素(如Co、Ni等)能增加碳在A中的扩散速度，因而，加快了A的形成速度。而Si、A1、Mn等元素对碳在A中的扩散速度影响不大，故对A形成速度无明显影响。改变钢的临界温度改变了A转变时的过热度，从而改变了A与P的自由能差，因此改变了A的形成速度。如Ni、Mn、Cu等降低A1点，相对增大过热度，将增大A的形成速度。Cr、Mo、W、V、Si等提高A1点，相对地降低过热度，将减慢A的形成速度。20在P中分布不均匀平衡组织中，Cr、Mo、W、V、Ti等主要集中于共析碳化物中，而Ni、Si、Al等非碳化物形成元素主要存在于共析铁素体中。渗碳体完全溶解后，合金元素在钢中分布仍是极不均匀的，因此，合金钢的A均匀化过程，除了碳在A中的均匀化外，还包括了合金元素的均匀化。相同条件下，合金元素在A中的扩散速度比碳的扩散速度慢103-104倍。同时碳化物形成元素强烈阻碍碳的扩散，因此，合金钢A化要比碳钢缓慢得多。合金钢热处理时，加热温度要比碳钢高，保温时间也需要延长。特别是高合金钢，如W18Cr4V高速钢的淬火温度需要提高到1270－1280℃，超过Acl(820-840℃)数百度。21奥氏体的晶粒大小及其控制A形成后继续加热或保温，晶粒将长大，在热力学上是一种自发趋势。加热时形成的A晶粒大小，对钢的冷却转变及转变产物的组织和性能都有重要的影响。（1）晶粒大小的表示方法用直接测量的晶粒平均直径，也可用单位体积或单位面积内含有的晶粒数来表示。晶粒度级别N与晶粒大小有如下关系：n=2N-1。式中，n表示放大100倍时，每平方英寸视野中观察到的平均晶粒数。标准评级图，用100倍观察，1～4级为粗晶粒，5～8级为细晶粒，8级以外的晶粒称为超粗或超细晶粒。22（2）奥氏体晶粒度的概念起始晶粒度：A转变刚刚完成时的晶粒大小。实际晶粒度：在某一具体的加热条件下获得的A晶粒大小。本质晶粒度：在930土10℃加热，保温3-8h后测定的A晶粒大小称为本质晶粒度。本质晶粒度表示钢在一定条件下A晶粒长大的倾向性。随加热温度升高，奥氏体晶粒迅速长大，称为本质粗晶粒钢；在930℃以下，随温度升高，奥氏体晶粒长大速度很缓慢，称为本质细晶粒钢。当超过某一温度（950~1000℃）本质细晶粒钢也可能迅速长大，晶粒尺寸甚至超过本质粗晶粒钢。钢的本质晶粒度与炼钢的脱氧方法和钢的化学成分有关。23高温下A晶粒长大，引起系统的自由能降低，是自发过程。A晶粒长大是晶界迁移的过程，其实质是原子在晶界附近原子的扩散。一切影响原子扩散迁移的因素都能影响A晶粒大小。为控制A晶粒长大，必须从控制影响A晶粒长大的因素着手。①加热温度和保温时间加热温度↑，晶粒长大速率↑，最终晶粒尺寸↑。这是由于晶粒长大是通过原子扩散进行的，而扩散速度随着温度升高呈指数关系增加。在一定温度下，随保温时间↑，奥氏体晶粒↑；在每一个温度下都有一个加速长大期；当奥氏体晶粒长大到一定尺寸后，继续延长保温时间，晶粒不再明显长大。②加热速度加热速度↑，A的实际形成温度↑，则A的形核率↑，起始晶粒尺寸↓。但是，如果在高温下长时间保温，晶粒则很容易长大。（3）奥氏体晶粒大小的控制24③化学成分碳量在一定范围内，随含碳量的↑，碳在钢中的扩散速度以及铁的自扩散速度均↑，A晶粒长大的倾向↑。当碳含量超过一定限度以后，钢中出现二次渗碳体，随着含碳量的↑，二次渗碳体数量↑，且分布在A晶界上，可以阻碍A晶界的移动，反而使A晶粒长大倾向↓。合金元素Ti、Zr、V、Al、Nb等强烈地阻碍A晶粒长大；W、Mo、Cr等一般阻止晶粒长大；Si、Ni、Cu等不形成化合物，对奥氏体晶粒长大的影响不明显；Mn、P、N、C等促进晶粒长大。如加热温度高到使碳化物及其他化合物能溶入到奥氏体中时，阻碍晶粒长大的作用将会消失，晶粒便迅速长大。④原始组织原始组织越细，碳化物分散度越大，所得到的奥氏体起始晶粒越细小，晶粒长大倾向越大。25钢在冷却时的转变钢A化后冷至室温的性能，不仅取决于加热时A的状态，在很大程度上取决于冷却时转变产物的类型和组织状态。冷却方式和速度对转变产物的类型和组织状态有很大影响，因此，冷却过程决定着钢固态转变后的组织和性能。将A状态的钢冷却到A1温度以下，由于在此温度下A的自由能比F与渗碳体两相混合物的自由能高，因此A将发生分解，向P或其它组织转变，在临