第一章-钢的热处理原理

钢的热处理原理2第四节钢的热处理原理一、热处理的作用热处理（heattreatment）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。热处理的目的是改变钢的内部组织结构，以改善其性能。热处理工艺曲线示意图3热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的显微组织或化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般是肉眼所不能看到的。钢是机械工业中应用最广的材料，钢的显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。4早在公元前770～前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜、铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。1974年中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。5随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮制剑三千把，相传是派人到成都取水淬火的（“汉中的水钝弱，不任淬；蜀水爽烈”）。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了。西汉（公元前206～公元24年）中山靖王（刘胜）墓中的佩剑，其剑体含碳量为0.15～0.4％，而剑刃含碳量却达0.6％以上，说明已应用了渗碳工艺。61863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为另一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。7二、热处理与相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。合金相图8Fe-Fe3C相图PSK线：A1线GS线：A3线ES线：Acm线9通常把加热时的实际临界温度标以字母“c”，如Ac1、Ac3、Accm；而把冷却时的实际临界温度标以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arcm。10三、固态相变的特点固态相变是由固相转变为固相。固态相变的驱动力是新、旧两相之间的自由能差。与液态结晶相比，固态相变有着显著不同的特点。（一）相变阻力大界面能和体积应变能是固态相变过程的阻力，而液态金属结晶时的阻力只有界面能一项。此外，固态相变时原子的扩散更为困难。11（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时，为了减小新、旧两相之间的界面能，新相与母相晶体之间往往存在一定的晶体学位向关系，常以低指数、原子密度大且匹配较好的晶面和晶向相互平行。并且，新相往往在母相某一特定晶面上形成，母相的这个晶面称为惯习面，这种现象叫做惯习现象。12（三）母相晶体缺陷对相变起促进作用固态相变时，新相晶核往往优先在母相中的各种晶体缺陷处（如晶界、相界、位错、空位等）形成。（四）易于出现过渡相过渡相是一种亚稳定相，其成分和结构介于新相和母相之间，是为了克服相变阻力而形成的一种协调性中间转变产物。固态相变一方面力求使自由能尽可能降低，另一方面又力求沿着阻力最小、做功最少的途径而进行。13四、固态相变的类型扩散型相变在相变过程，发生成份变化，两相中的原子要进行长程扩散，相变依靠相界面的扩散移动而进行。非扩散型相变（切变型相变）在相变过程，没有成份变化，没有原子扩散，新相的成长是通过晶格的切变和转动进行的，新相的长大速度极快。半扩散型相变介于扩散型和非扩散型之间的相变。14第二节钢在加热时的转变任何热处理均以加热为其第一步。通常把钢加热获得奥氏体的转变过程称为“奥氏体化”。对于钢的大多数热处理工艺，奥氏体的形成及奥氏体晶粒的大小对随后冷却时奥氏体的转变特点和转变产物的组织与性能都有显著影响。一、共析钢奥氏体的形成过程+Fe3C（T＞Ac1）wc=0.0218%wc=6.69%wc=0.77%体心立方正交晶格面心立方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。15共析钢中奥氏体的形成由四个基本过程组成：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。16（一）奥氏体的形核奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成。原因：在铁素体和渗碳体的相界处原子排列不规则，处于高能不稳状态，具备形核所需要的结构起伏和能量起伏条件。同时铁素体和渗碳体相界面处碳浓度分布不均匀，容易出现奥氏体形核所需要的浓度起伏。17（二）奥氏体的长大18二、影响奥氏体形成速度的因素（一）加热温度和保温时间加热温度必须高于Ac1点，珠光体才能向奥氏体转变。转变需要一段孕育期以后才能开始，而且温度越高，孕育期越短。加热温度越高，奥氏体的形成速度越快，转变所需要的时间越短。在连续升温加热时，加热速度越快，则珠光体的过热度越大，转变的开始温度Ac1越高，终了温度也越高。但转变的孕育期越短，转变所需的时间也越短。19三、奥氏体晶粒大小及其影响因素奥氏体的晶粒大小对钢的冷却转变以及转变产物的组织和性能都有重要的影响，同时也影响工艺性能。在热处理过程中应当十分注意防止奥氏体晶粒粗化。（一）奥氏体晶粒度晶粒度是晶粒大小的度量。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。N=2G-1式中，N—100倍下每平方英寸（645.16mm2）面积内观察到的晶粒个数。G＜5级为粗晶粒，G≥5级为细晶粒。20奥氏体的实际晶粒度：在具体加热条件下所得到的奥氏体晶粒大小。当加热时奥氏体晶粒大小超过规定尺寸时就成为一种加热缺陷，称之为“过热”。奥氏体的本质晶粒度：根据标准试验方法，在930±10℃保温足够时间（3～8小时）后测得的奥氏体晶粒大小。经上述试验，奥氏体晶粒度在5～8级者称为本质细晶粒钢，1～4级者称为本质粗晶粒钢。21（二）影响奥氏体晶粒大小的因素奥氏体晶粒长大基本上是一个奥氏体晶界迁移的过程，其实质是原子在晶界附近的扩散过程。所以影响原子扩散迁移的因素都能影响奥氏体晶粒长大。1.加热温度和保温时间随着加热温度升高和保温时间延长，奥氏体晶粒急剧长大。2.加热速度加热温度相同时，加热速度越快，奥氏体转变时的过热度越大，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。223.钢的化学成分钢中含碳量在一定范围之内，随含碳量的增加，奥氏体晶粒长大的倾向增大，但是含碳量超过一定量以后，奥氏体晶粒长大倾向反而减小。钢中加入适量的形成高熔点化合物的合金元素，如Ti、Zr、V、Al、Nb、Ta等，可强烈地阻碍奥氏体晶粒长大。4.钢的原始组织一般来说，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。23第三节钢在冷却时的转变一、概述冷却过程—热处理工艺的关键部分，对控制热处理以后的组织与性能起着极大作用，不同的冷却速度获不同的组织与性能通常有两种冷却方式：等温冷却连续冷却过冷奥氏体（supercoolingaustenite）：在临界温度以下存在且不稳定的、将要发生转变的奥氏体。24二、共析钢过冷奥氏体的等温转变图过冷奥氏体等温转变图又称IT（IsothermalTransformation）或TTT（Temperature-Time-Transformation）图，可综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下的等温转变过程：转变开始和转变终了时间、转变产物的类型以及转变量与时间、温度之间的关系等。因其形状通常像英文字母“C”，故俗称其为C曲线。2526（一）过冷奥氏体等温转变图的建立由于过冷奥氏体在转变过程中不仅有组织转变和性能变化，而且有体积膨胀和磁性转变，因此可以采用金相－硬度法、膨胀法、磁性法等来测定过冷奥氏体等温转变图。27（二）过冷奥氏体等温转变图的分析共析钢的C曲线28根据转变温度和转变产物不同，共析钢C曲线由上至下可分为三个区：A1～550℃：珠光体转变区（扩散型相变）550℃～Ms：贝氏体转变区（半扩散型相变）Ms～Mf：马氏体转变区（非扩散型相变）C曲线中转变开始线与纵轴的距离为孕育期，标志着不同过冷度下过冷奥氏体的稳定性，其中以550℃左右共析钢的孕育期最短，过冷奥氏体稳定性最低，称为C曲线的“鼻尖”。29四、珠光体转变（pearlitetransformation）（一）片状珠光体的形成、组织和性能共析成分的过冷奥氏体从Al以下至C曲线的“鼻尖”以上，即Al～550℃温度范围内等温停留时，会发生珠光体转变：→P(+Fe3C)。珠光体转变是全扩散型转变，即铁原子和碳原子均进行扩散运动。30另一种片状珠光体形成机制认为，珠光体形成层片状是渗碳体以分枝形式长大的结果。早期片状珠光体形成机制3132珠光体的片间距：珠光体团中相邻两片渗碳体（或铁素体）之间的距离（s0）。珠光体的片间距主要取决于珠光体的形成温度。过冷度越大，奥氏体转变为珠光体的温度越低，则片间距越小。经验公式：s0=(8.02/T)103式中，T为过冷度。片状珠光体的力学性能主要取决于珠光体的片间距。片层越细，强度硬度越高，塑性韧性越好。33根据片间距的大小，将珠光体分为三类：珠光体（P，pearlite）：A1～650℃，片间距0.6～1.0m；索氏体（S，sorbite）：650℃～600℃，片间距0.25～0.3m；托氏体（T，troostite）：600℃～550℃，片间距0.1～0.15m。34GB/T7232—1999《金属热处理工艺术语》对索氏体和托氏体的定义为：索氏体是指在光学显微镜下放大到600倍以上才能分辨片层的细珠光体。它是以英国冶金学家H.C.Sorby的名字命名的。托氏体是指在光学显微镜下已无法分辨片层的极细珠光体。它是以法国金相学家L.Troost的名字命名的。P、S和T都属于珠光体类型的组织，都是由渗碳体和铁素体组成的片层相间的机械混合物，它们之间的界限是相对的，其差别仅仅是片间距大小不同。35片状珠光体36索氏体37（二）粒状珠光体的形成、组织和性能如果渗碳体以颗粒状态分布在连续的铁素体基体内，这种组织称为粒状珠光体，也称为球化体。粒状珠光体组织38五、马氏体转变（martensitetransformation）钢从奥氏体化状态快速冷却，抑制其扩散性分解，在较低温度下（低于Ms点）发生的无扩散型相变叫做马氏体转变。（一）马氏体的晶体结构、组织和性能1.马氏体的晶体结构马氏体：碳在-Fe中的过饱和间隙固溶体。马氏体中的含碳量可与原奥氏体含碳量相同，最大可达到wC=2.11%。39马氏体一般有两种结构：体心立方：出现于含碳极少的低碳钢或无碳合金中。体心正方：出现于含碳较高的钢中。（如下图所示）轴比c/a称为马氏体的正方度。c/a=1+0.046wC马氏体的正方度可用来表示马氏体中碳的过饱和程度。402.马氏体的组织形态钢中马氏体有两种基本形态：板条状马氏体片状马氏体（1）板条状马氏体板条马氏体是低碳钢、中碳钢、马氏体时效钢、不锈钢等铁基合金中形成的一种典型马氏体组织，其显微组织是由许多成群的、相互平行排列的板条所组成，故称为板条马氏体。41板条的立体形态可以是扁条状，也可以是薄片状。马氏体板条的两种立体形态a）扁条状b）薄片状42（2）片状马氏体高碳钢（wC0.6%）、wNi=30%的不锈钢，以及一些有色金属和合金，淬火时形成片状马氏体组织。片状马氏体的空间形态呈凸透镜状，在光学显微镜下呈针状或竹叶状，故又称为针状马氏体或竹叶状马氏体。43影响马氏体形态的因素碳钢中马氏体的形态主要取决于奥氏体的含碳量。随着含碳量的增加，板条马氏体数量相对减少，片状马氏体的数量相对增加。含碳量小于0.2%的奥氏体几乎全部形成板条马氏体；含碳量大于1.0%的奥氏体几乎只形成片状马氏体；含碳