第九章-钢的热处理原理(金属学与热处理)

第二节钢在加热时的转变第九章钢的热处理原理第三节钢在冷却时的转变第四节钢在回火时的转变第一节概述第一节概述热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺（图9-1）。一、热处理的作用图9-1热处理工艺曲线示意图原则上只有在加热或冷却时发生溶解度显著变化或者发生类似纯铁的同素异构转变，即有固态相变发生的合金才能进行热处理。纯金属、某些单相合金等不能用热处理强化，只能采用加工硬化的方法。二、热处理与相图图9-2合金相图（一）相变阻力大固态相变时，由于新、旧两相比体积不同，母相γ转变为新相时要产生体积变化，或者由于新、旧两相相界面不匹配而引起弹性畸变。故新相必然受到母相的约束，不能自由胀缩而产生应变。因此导致弹性应变能的额外增加。而液态金属结晶时能量的增加仅仅只有表面能一项。三、固态相变的特点固态相变的特点液态金属在已存在固相质点上形成非自发晶核时，新固相与现存固相质点之间必须符合结构和大小相适应原理，才能降低形核功，促进非自发晶核的形成。（二）新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系固态相变的特点固态相变时，母相中各种晶体缺陷，如晶界、相界、位错、空位等各种点、线、面缺陷对相变有明显的促进作用。新相晶核往往优先在这些缺陷处形成。这是由于在缺陷周围晶格有畸变，自由能较高，因此容易在这些区域首先形成晶核。试验表明，母相晶粒越细，晶界越多，晶内缺陷越多，则转变速度越快。（三）母相晶体缺陷对相变起促进作用固态相变的特点固态相变的另一特征是易于出现过渡相。过渡相是一种亚稳定相，其成分和结构界于新相和母相之间。因固态相变阻力大，原子扩散困难，尤其当转变温度较低，新、旧相成分相差很远时，难以形成稳定相。过渡相是为了克服相变阻力而形成的一种协调性中间转变产物。通常首先在母相中形成成分与母相接近的过渡相，然后在一定条件下由过渡相逐渐转变为稳定相。（四）易于出现过渡相无论是液态金属结晶，还是固态金属各种类型的相变都是通过生核和长大两个基本过程进行的。根据固态相变过程中生核和长大的特点，可将固态相变分为三类。第一类是扩散型相变。第二类是非扩散型相变。第三类是介于上述两类转变之间的一种过渡型相变。四、固态相变的类型第二节钢在加热时的转变共析钢中奥氏体的形成由下列四个基本过程组成：奥氏体形核、奥氏体长大、剩余渗碳体溶解和奥氏体成分均匀化，如图9-4所示。一、共析钢奥氏体的形成过程图9-4共析钢中奥氏体形成过程示意图a）A形核b）A长大c）残余Fe3C溶解d）A均匀化共析钢奥氏体的形成过程将钢加热到Ac1以上某一温度保温时，珠光体处于不稳定状态，通常首先在铁素体和渗碳体相界面上形成奥氏体晶核，这是由于铁素体和渗碳体相界面上碳浓度分布不均匀，原子排列不规则，易于产生浓度起伏和结构起伏区，为奥氏体形核创造了有利条件。珠光体群边界也可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。（一）奥氏体的形核共析钢奥氏体的形成过程奥氏体晶核形成以后即开始长大。奥氏体晶粒长大是通过渗碳体的溶解、碳在奥氏体和铁素体中的扩散和铁素体向奥氏体转变而进行的，其长大机制示于图9-5。（二）奥氏体的长大共析钢奥氏体的形成过程（二）奥氏体的长大图9-5共析钢奥氏体晶核长大示意图a）奥氏体相界面推移示意图b）在t1温度下奥氏体形核时各相的碳浓度共析钢奥氏体的形成过程铁素体消失后，在t1温度下继续保温或继续加热时，随着碳在奥氏体中继续扩散，剩余渗碳体不断向奥氏体中溶解。（三）剩余渗碳体的溶解共析钢奥氏体的形成过程当渗碳体刚刚全部溶入奥氏体后，奥氏体内碳浓度仍是不均匀的，原来是渗碳体的地方碳浓度较高，而原来是铁素体的地方碳浓度较低，只有经长时间的保温或继续加热，让碳原子进行充分地扩散才能获得成分均匀的奥氏体。（四）奥氏体成分均匀化（一）加热温度和保温时间为了描述珠光体向奥氏体的转变过程，将共析钢试样迅速加热到Ac1以上各个不同的温度保温，记录各个温度下珠光体向奥氏体转变开始、铁素体消失、渗碳体全部溶解和奥氏体成分均匀化所需要的时间，绘制在转变温度和时间坐标图上，便得到共析钢的奥氏体等温形成图（见图9-6）。二、影响奥氏体形成速度的因素图9-6共析钢奥氏体等温形成图影响奥氏体形成速度的因素钢的原始组织为片状珠光体时，铁素体和渗碳体组织越细，它们的相界面越多，则形成奥氏体的晶核越多，晶核长大速度越快，因此可加速奥氏体的形成过程。如共析钢的原始组织为淬火马氏体、正火索氏体等非平衡组织时，则等温奥氏体化曲线如图9-7所示。（二）原始组织的影响图9-7不同原始组织共析钢等温奥氏体曲线1—淬火态2—正火态3—球化退火态影响奥氏体形成速度的因素1.碳钢中的含碳量对奥氏体形成速度的影响很大。这是因为钢中的含碳量越高，原始组织中渗碳体数量越多，从而增加了铁素体和渗碳体的相界面，使奥氏体的形核率增大。此外，含碳量增加又使碳在奥氏体中的扩散速度增大，从而增大了奥氏体长大速度。（三）化学成分的影响影响奥氏体形成速度的因素2.合金元素合金元素主要从以下几个方面影响奥氏体的形成速度。首先，合金元素影响碳在奥氏体中的扩散速度。非碳化物形成元素Co和Ni能提高碳在奥氏体中的扩散速度，故加快了奥氏体的形成速度。Si、Al、Mn等元素对碳在奥氏体中扩散能力影响不大。而Cr、Mo、W、V等碳化物形成元素显著降低碳在奥氏体中的扩散速度，故大大减慢奥氏体的形成速度。（三）化学成分的影响（一）奥氏体晶粒度晶粒度是晶粒大小的量度。当以单位面积内晶粒的个数或每个晶粒的平均面积与平均直径来描述晶粒大小时，可以建立晶粒大小的清晰概念，但要测定这样的数据是很麻烦的。实际生产中通常使用晶粒度级别数G来表示金属材料的平均晶粒度（GB/T6394—2002）。晶粒度级别数G常用与标准系列评级图进行比较的方法确定。三、奥氏体晶粒大小及其影响因素奥氏体晶粒大小及其影响因素1.加热温度和保温时间的影响由于奥氏体晶粒长大与原子扩散有密切关系，所以加热温度越高，保温时间越长，则奥氏体晶粒越粗大。图9-8表示加热温度和保温时间对奥氏体晶粒长大过程的影响。（二）影响奥氏体晶粒大小的因素图9-8加热温度和保温时间对奥氏体晶粒大小的影响奥氏体晶粒大小及其影响因素2.加热速度的影响加热温度相同时，加热速度越快，过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，形核率的增加大于长大速度，使奥氏体晶粒越细小（见图9-9）。生产上常采用快速加热短时保温工艺来获得超细化晶粒。（二）影响奥氏体晶粒大小的因素奥氏体晶粒大小及其影响因素（二）影响奥氏体晶粒大小的因素图9-9加热速度对奥氏体晶粒大小的影响a）40钢b）T10钢奥氏体晶粒大小及其影响因素3.钢的化学成分的影响在一定的含碳量范围内，随着奥氏体中碳含量的增加，由于碳在奥氏体中扩散速度及铁的自扩散速度增大，晶粒长大倾向增加。但当含碳量超过一定量以后，碳能以未溶碳化物的形式存在，奥氏体晶粒长大受到第二相的阻碍作用，反使奥氏体晶粒长大倾向减小。（二）影响奥氏体晶粒大小的因素奥氏体晶粒大小及其影响因素4.钢的原始组织的影响一般来说，钢的原始组织越细，碳化物弥散度越大，则奥氏体晶粒越细小。与粗珠光体相比，细珠光体总是易于获得细小而均匀的奥氏体晶粒度。在相同的加热条件下，和球状珠光体相比，片状珠光体在加热时奥氏体晶粒易于粗化，因为片状碳化物表面积大，溶解快，奥氏体形成速度也快，奥氏体形成后较早地进入晶粒长大阶段。（二）影响奥氏体晶粒大小的因素第三节钢在冷却时的转变钢的加热转变，或者说钢的热处理加热是为了获得均匀、细小的奥氏体晶粒。因为大多数零构件都在室温下工作，钢的性能最终取决于奥氏体冷却转变后的组织，钢从奥氏体状态的冷却过程是热处理的关键工序。因此，研究不同冷却条件下钢中奥氏体组织的转变规律，对于正确制订钢的热处理冷却工艺、获得预期的性能具有重要的实际意义。一、概述概述在热处理生产中，钢在奥氏体化后通常有两种冷却方式：一种是等温冷却方式，如图9-10曲线1所示，将奥氏体状态的钢迅速冷却到临界点以下某一温度保温，让其发生恒温转变过程，然后再冷却下来；另一种是连续冷却方式，如图9-10曲线2所示，钢从奥氏体状态一直连续冷却到室温。图9-10奥氏体不同冷却方式示意图1—等温冷却2—连续冷却一般将奥氏体转变的体积分数为1%～3％所需要的时间定为转变开始时间，而把转变的体积分数为95%～98%所需时间视为转变终了时间。最后得到不同温度下奥氏体的转变体积分数与等温时间的关系曲线，如图9-12上所示。由图可见，经一段时间后，过冷奥氏体才发生转变，这段时间叫做孕育期。转变开始后转变速度逐渐加快，当奥氏体转变体积分数达50％时转变速度最大，随后转变速度趋于缓慢，直至转变结束。二、共析钢过冷奥氏体的等温转变图共析钢过冷奥氏体的等温转变图图9-12奥氏体转变速度与过冷度的关系共析钢过冷奥氏体的等温转变图为了清晰地显示出各个等温温度下过冷奥氏体等温转变进行的时间以及不同温度范围内的转变产物，把各个等温温度下转变开始和转变终了时间画在温度-时间坐标上，并将所有开始转变点和转变终了点分别连接起来，形成开始转变线和转变终了线，即得到共析钢过冷奥氏体等温转变图（见图9-11下）。因其具有英文字母“C”的形状，故也称为C曲线，亦称TTT曲线。图9-11共析钢过冷奥氏体等温转变图的建立共析钢过冷奥氏体的等温转变图（一）奥氏体成分的影响过冷奥氏体等温转变速度在很大程度上取决于奥氏体的成分，改变奥氏体的化学成分，影响了C曲线的形状和位置，从而可以控制过冷奥氏体的等温转变速度。1.含碳量的影响2.合金元素的影响三、影响过冷奥氏体等温转变的因素影响过冷奥氏体等温转变的因素奥氏体晶粒越细小，单位体积内晶界面积越大，从而使奥氏体分解时形核率增多，降低奥氏体的稳定性，使C曲线左移。铸态原始组织不均匀，存在成分偏析，而经轧制后，组织和成分变得均匀。因此在同样加热条件下，铸锭形成的奥氏体很不均匀，而轧材形成的奥氏体则比较均匀，不均匀的奥氏体可以促进奥氏体分解，使C曲线左移。奥氏体化温度越低，保温时间越短，奥氏体晶粒越细，未溶第二相越多，同时奥氏体的碳浓度和合金元素浓度越不均匀，从而促进奥氏体在冷却过程中分解，使C曲线左移。（二）奥氏体状态的影响影响过冷奥氏体等温转变的因素在奥氏体状态下承受拉应力将加速奥氏体的等温转变，而加等向压应力则会阻碍这种转变。这是因为奥氏体比体积最小，发生转变时总是伴随比体积的增大，尤其是马氏体转变更为剧烈。所以加拉应力促进奥氏体转变。而在等向压应力下，原子迁移阻力增大，使C、Fe原子扩散和晶格改组变得困难，从而减慢奥氏体的转变。对奥氏体进行塑性变形亦有加速奥氏体转变的作用。这是由于塑性变形使点阵畸变加剧并使位错密度增高，有利于C和Fe原子的扩散和晶格改组。同时形变还有利于碳化物弥散质点的析出，使奥氏体中碳和合金元素贫化，因而促进奥氏体的转变。（三）应力和塑性变形的影响（一）片状珠光体的形成、组织和性能由Fe-Fe3C相图可知，wC=0.77％的奥氏体在近于平衡的缓慢冷却条件下形成的珠光体是由渗碳体和铁素体组成的片层相间的组织。在较高奥氏体化温度下形成的均匀奥氏体于A1～550℃之间温度等温时也能形成片状珠光体。四、珠光体转变珠光体转变（一）片状珠光体的形成、组织和性能图9-17片状珠光体的组织形态a）珠光体（700℃等温）b）索氏体（650℃等温）c）托氏体（600℃等温）珠光体转变（一）片状珠光体的形成、组织和性能图9-19珠光体的片间距与硬度的关系珠光体转变（二）粒状珠光体的形成、组织和性能粒状珠光体组织是渗碳体呈颗粒状分布在连续的铁素体基体中，如图9-22所示。粒状珠光体组织既可以由过冷奥氏体直接分解而成，也可以由片状珠光体球化而成，还可以由淬火组织回火形成。原始组织不同，其形成粒状珠光体的机理也不同。图9-22粒状珠光体组织珠光体转变（二）粒状珠光体的形成、组织和性能要由过冷奥氏体直接形成粒状珠光体，必须使奥氏体晶粒内形成大量均匀弥散的渗碳体晶核。这只有通过非