工程材料8.4.1 钢在加热、冷却时的组织转变

第四节钢的热处理1.热处理2.热处理的工艺过程3.热处理的特点4.热处理的种类和方法1.是将钢或其他金属在固态范围内通过不同的加热、保温和冷却来改变内部组织结构，以达到改变其性能的一种工艺。2.适用于钢、铸铁、有色金属及其合金，是一种重要的金属热加工工艺。1.热处理是基于同素异构转变、共析转变、固溶和脱溶等固态下的组织转变来改变材料性能的2.热处理工艺的任务是不改变原有形状和尺寸仅改变金属材料的性能。（基本上不改变材料的化学成分）热处理的种类和方法一、钢在加热时的组织转变1.碳钢在平衡条件下加热和冷却的相变线2.加热和冷却速度对钢的临界点的影响3.研究钢的热处理的依据4.钢的奥氏体化5.共析钢的奥氏体化6.非共析钢的奥氏体化7.奥氏体晶粒的长大及其影响1)PSK线—共析转变线（A1线）2)GS线—同素异构转变线（A3线）3)ES线—固溶线（Acm线）它们是平衡条件下钢的三条固态组织转变线A1、A3、Acm称为临界点。1)把钢加热到Ac3、Ａｃ1、Accm以上，将全部转变为奥氏体，称为奥氏体化。2)加热是热处理工艺的第一个环节，加热到A1以上或以下，钢的组织转变有着本质的不同。在加热、冷却时的内部结构转化是以Fe-Fe3C状态图为依据如果钢中不存在固态下的组织转变，也就不能进行热处理。所以，钢中组织转变的规律是进行热处理的基础。共析钢的室温组织是珠光体P，加热至Ac1以上时，全部转变为奥氏体A；转变是靠铁、碳原子的扩散和铁原子的晶格改组来完成的。奥氏体的形成是按形核与长大规律进行的。1)奥氏体的成核与长大2)剩余渗碳体的溶解3)奥氏体的均匀化%77.0%69.63%02.01面心立方晶格复杂斜方晶格体心立方晶格ACFeAcCCF形核：相界面局部具备形成奥氏体晶核的条件（如液体结晶，需要一定的条件：能量—相界面原子排列不规则处于高能状态；浓度—Fe3C高碳区为形核提供所需的碳原子）奥氏体晶核长大：晶核形成后，处于F与Fe3C与之间的A，两侧碳浓度不同，致使碳原子不断自高碳侧向低碳侧扩散，促使Fe3C不断溶解，A不断向两侧扩展而长大与此同时又有新的晶核产生和不断长大，直至A晶粒彼此相碰，珠光体P全部消失为止。由于铁素体F的碳浓度与结构和奥氏体A接近，故铁素体先消失，而在所形成的奥氏体中尚有未溶解的渗碳体存在。此时奥氏体的平均碳浓度低通过保温，剩余渗碳体的原子扩散，使奥氏体中的碳浓度达到共析成分剩余渗碳体溶解后，奥氏体碳浓度的分布不均匀，在原来渗碳体处浓度较高，而原来铁素体处则较低，必须经较长时间的保温使碳原子充分扩散，奥氏体成分才均匀。1.亚共析钢和过共析钢统称为非共析钢2.非共析钢加热后的奥氏体要分两步完成：1)第一步是加热到Ac1以上，完成珠光体的奥氏体化；2)第二步是继续加热至Ac3或Accｍ以上，完成铁素体或二次渗碳体的奥氏体化。由此可见，对于非共析钢要获得单一奥氏体相，必须加热到Ac3或Accｍ以上，才能完成全部奥氏体化。（１）奥氏体的晶粒度—评定钢材本质晶粒度的方法（２）影响奥氏体晶粒长大的因素（３）奥氏体的晶粒度对钢的机械性能影响奥氏体的晶粒度是评定加热质量的指标之一①起始晶粒度为奥氏体刚刚形成时的晶粒大小，故无实际意义。②实际晶粒度为钢在热处理或热加工的具体加热条件下所获得的奥氏体晶粒的大小，一般比起始晶粒度大，对钢的性能有直接影响③本质晶粒度反映钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向。(钢的本质晶粒如图所示)1.将钢加热到９３０℃，保温８小时，然后缓慢冷却。2.将其实际晶粒度分为八级１～４级为本质粗晶粒钢，５～８级为本质细晶粒钢。3.其中1级最粗，８级最细。从１～８级，晶粒由粗渐渐变细。需经热处理的零件多采用本质细晶粒钢。一般在930~950℃以下加热时晶粒长大倾向小，适于热处理。1.加热温度和保温时间：提高加热温度和延长保温时间都使奥氏体晶粒长大；2.钢的成分：钢中的合金元素，如钒、钛、铌、钼、铬具有阻止晶粒长大的作用，而锰、磷、碳（若碳以渗碳体Fe3C的形式存在，则阻止晶粒长大）、氮等元素则具有促进奥氏体晶粒长大的作用钢的成分是形成本质粗或细晶粒钢的主要原因。钢加热后的奥氏体A的实际晶粒越细小，冷却后转变成珠光体P或其它相的晶粒也细小，钢的强度、硬度、塑性和韧性也越优良。二.钢在冷却时的组织转变连续冷却：是奥氏体在一定温度范围内，以一定冷却速度自高温冷至室温，如炉冷、空气冷、水冷、油冷及其他液体冷等等；等温冷却：是奥氏体自高温快速冷至临界温度A1以下的某一温度等温停留一段时间后再冷至室温。1．奥氏体的等温转变1)共析钢C曲线的建立2)共析钢等温转变曲线(C曲线)3)马氏体开始转变温度(Ms)：奥氏体过冷至230℃，则开始发生马氏体转变的温度4)马氏体转变终了温度(Mf)：冷却到－50℃马氏体转变结束，这一温度为马氏体转变终了温度。5)孕育期：表示奥氏体在不同过冷度开始转变所需要的时间，称之为孕育期，(离纵轴的距离)6)非共析钢的Ms、Mf随着含碳量的增加而逐渐降低。过冷奥氏体等温冷却转变曲线反映了过冷奥氏体等温转变的规律。因其形似“C”而得名。过冷奥氏体：暂存于临界点以下的（不稳定的）奥氏体相A1～680℃，呈粗片状680℃～600℃，呈细片状600℃～550℃，呈极细片状550℃～350℃形成，呈羽毛状350℃～Ms，呈针状或竹叶状Ms2．共析钢C曲线各区转变过程及特点1)C曲线上部的转变——珠光体转变2)C曲线下部的转变——贝氏体转变3)低于Ms线的转变——马氏体转变残余奥氏体马氏体的两种组织形态4)转变产物的各组织和性能的比较贝氏体：是过饱和的铁素体与碳化物所组成一种非层片组织)马氏体：当过冷奥氏体以极快的速度冷到低于Ms点时（共析钢为230℃），将发生马氏体转变，形成马氏体。碳原子过饱和地溶解在－Fe中，使晶格严重歪扭，所以表现出高硬度。残余奥氏体：在Ms～Mf温度范围内如果停止冷却，马氏体转变停止，这时钢中组织除马氏体外，尚有未转变的奥氏体，这种奥氏体称为“残余奥氏体”。马氏体的两种形态：1)板条状马氏体：一般是由含碳量＜0.2%的钢淬火后形成的，所以又称为低碳马氏体；显微组织呈一束束细条状2)针状马氏体：在光学显微镜下截面形态呈针片状或竹叶状，含碳量＞1．0％的钢淬火后的组织几乎全部都是针状马氏体，主要出现在高碳钢的淬火组织中，又称高碳马氏体。3)两种马氏体的混合组织：碳浓度在0．2％～1．0％的范围，(只是碳浓度越高，条状马氏体量越少，而针状马氏体量越多。)针状马氏体硬度高而脆性大条状马氏体是硬度高且韧性好3．非共析钢的等温转变1)亚共析钢的C曲线：比共析钢的C曲线增加了A→F的转变开始线2)过共析钢的C曲线：增加了A→Fe3C的转变开始线4．奥氏体等温转变的应用（共析钢）C曲线应用分析T炉冷V1冷却速度曲线：相当于退火炉冷的情况与等温C曲线交于710℃～680℃附近，可判断过冷奥氏体发生珠光体转变，形成珠光体。V2、V3冷却速度曲线：相当于正火空冷的情况，与等温C曲线交于670℃~600℃附近，可判断发生珠光体类转变，形成索氏体。V4冷却速度曲线：相当于淬火油冷，由于没与C曲线终了线相交，说明在中温区域没有发生完全的转变，一部分过冷奥氏体在高温区域发生了珠光体类转变，产生屈氏体，另一部分冷至Ms点发生马氏体转变，形成马氏体。最终组织为屈氏体+马氏体。V5冷却速度曲线：相当于淬火水冷情况，与C曲线不相交，所以过冷奥氏体在高、中温区域不发生转变，冷至Ms点以下发生马氏体转变。临界冷却速度若C曲线右移，V临减少，反之，V临则增大C曲线的变化随着钢中化学成分的不同而改变。