鋼的熱處理原理

LJNG

+Fe3C

+Fe3CL+Fe3CL+

+

G鐵碳合金碳含量增加，組織按下列順序變化：F、F+P、P、P+Fe3CⅡ、P+Fe3CⅡ+Ld′、Ld′、Ld′+Fe3CⅠ、Fe3C性能發生如圖的變化：問題的提出1.改變成分可以改變材料的性能，還有沒有其他手段可以改變材料的性能呢？2.一把含碳量1.0%的高碳鋸條不經過任何處理能使用嗎？

熱處理是改變材料性能的另一重要手段。1為什么要進行熱處理?2什么是熱處理?3如何進行熱處理?待解決的問題：W-W-HWhyWhatHow熱處理是改變材料性能的一種加工工藝1.為什么要進行熱處理?熱處理的作用1、強化金屬材料，充分發揮材料的潛力2、熱處理可以消除熱加工工藝過程中的缺陷3、是機械零件加工工藝過程中的重要工序4、使工件表面具有抗磨損、耐腐蝕等特殊物理化學性能熱處理是將固態金屬或合金在一定介質中加熱、保溫和冷卻，以改變材料整體或表面組織，從而獲得所需性能的一種熱加工工藝。2.什么是熱處理?特點：在固態下，只改變工件的組織，不改變形狀和尺寸鋼為什么可以進行熱處理？是不是所有金屬材料都能進行熱處理？只有固態相變的合金才能進行熱處理。熱處理的條件有固態相變加熱時溶解度顯著變化的合金α+LL+βα+βαLLL+γγα+γγ+

βα+

βL+β

為什么鋼能熱處理?①α→γ固態相變有相變重結晶②C溶解度顯著變化可固溶強化熱處理溫度區間A1＜

T＜TNJEF

熱處理第一步

—加熱奧氏體化LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQ

G

K

FDABC%6.69FeTJNHA1→Fe3C鐵碳相圖

第二節鋼在加熱時的組織轉變

鋼加熱的目的?

獲得奧氏體!

鋼加熱的溫度?

LJNG

+Fe3C

+Fe3CL+Fe3CL+

+

（一）奧氏體的形成過程

（二）影響奧氏體形成速度的因素（三）奧氏體晶粒大小及其影響因素實際加熱和冷卻時的相變點平衡時——A1A3Acm加熱時——Ac1Ac3Accm冷卻時——Ar1Ar3Arcm

以共析鋼為例

說明奧氏體化中須完成兩個過程①C成分變化：C的擴散②鐵晶格改組：Fe擴散奧氏體化中成分組織結構的變化F+Fe3C→A(727℃)成分(C%)0.02186.690.77結構體心立方復雜正交面心立方

（一）（共析鋼）奧氏體的形成過程1、形核（在F/Fe3C相界面上形核）2、晶核長大（F→A晶格重構，Fe3C溶解，C→A中擴散）3、殘余Fe3C溶解4、奧氏體均勻化（二）影響奧氏體形成速度的因素1、加熱溫度和保溫時間的影響2、原始組織的影響3、化學成分的影響

碳

合金元素的影響例：球化退火，要求獲得粒狀珠光體*奧氏體化的目的獲成分均勻、晶粒細小的奧氏體晶粒*實際熱處理中須控制奧氏體化程度

一）、奧氏體晶粒度1.晶粒大小的表示方法

通常將晶粒大小分為8級，1級最粗，8級最細。通常1-4級為粗晶粒度，5-8級為細晶粒度。（三）奧氏體晶粒大小及其影響因素奧氏體晶粒度概念奧氏體晶粒度表示奧氏體晶粒大小工業上一般分為8級1-4級粗，5-8級細，8級以上極細計算式為n=2N-1

N：晶粒度級別n：1平方英寸視場中所包含的平均晶粒數標準晶粒度級別圖2.奧氏體晶粒大小的控制

⑴加熱溫度與保溫時間

加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體晶粒越粗大，因為這與原子擴散密切相關。1250℃1050℃900℃保溫時間

t晶粒度⑵加熱速度

加熱速度越快，過熱度越大，奧氏體實際形成溫度越高，可獲得細小的起始晶粒。—常規加熱速度下影響不大

—快速加熱，短時保溫的超細化工藝如高頻加熱，激光加熱等⑶鋼的化學成分

C、Mn和P是促進奧氏體晶粒長大的元素。合金元素Ti、Zr、V、Nb、Al等，當其形成彌散穩定的碳化物和氮化物時，由于分布在晶界上，因而阻礙晶界的遷移，阻止奧氏體晶粒長大，有利于得到本質細晶粒鋼。影響奧氏體晶粒長大的因素1、加熱溫度和保溫時間：加熱溫度越高、保溫時間越長，形核率I越大，長大速度G越大，奧氏體晶界遷移速度越大，其晶粒越粗大。(溫度升高，形核率增加，σ增加，r降低，σ/r增加，G′增大)2、加熱速度：加熱速度快，奧氏體實際形成溫度高，形核率增高，由于時間短奧氏體晶粒來不及長大，可獲得細小的起始晶粒度。3、合金元素：⑴C%的影響。C%高，C在奧氏體中的擴散速度以及Fe的自擴散速度均增加，奧氏體晶粒長大傾向增加，但C%超過一定量時，由于形成Fe3CⅡ，阻礙奧氏體晶粒長大。⑵合金元素影響。強碳化物形成元素Ti、Zr、V、W、Nb等熔點較高，它們彌散分布在奧氏體中阻礙奧氏體晶粒長大；非碳化物形成元素Si、Ni等對奧氏體晶粒長大影響很小。第三節鋼在冷卻時的轉變冷卻過程—熱處理工藝的關鍵部分，對控制熱處理以后的組織與性能起著極大作用，不同的冷卻速度獲不同的組織與性能過冷奧氏體的轉變方式有等溫轉變和連續冷卻轉變兩種。兩種冷卻方式示意圖1——等溫冷卻2——連續冷卻一、概述

過冷奧氏體等溫轉變圖TTT圖或C曲線是獲得等溫轉變組織的主要依據，是等溫淬火獲得馬氏體組織或貝氏體組織的主要依據。(Time-Temperature-Transformationdiagram)膨脹法、磁性法、電阻法、熱分析法、金相法。二、共析鋼過冷奧氏體的等溫轉變圖過冷奧氏體的等溫轉變圖是表示奧氏體急速冷卻到臨界點A1以下在各不同溫度下的保溫過程中轉變量與轉變時間的關系曲線.又稱C曲線、S曲線或TTT曲線。A1-Ms間及轉變開始線以左的區域為過冷奧氏體區。轉變終了線以右及Mf以下為轉變產物區。兩線之間及Ms與Mf之間為轉變區。時間溫度A1MSMfA過冷PBMA→MA→BA→P轉變開始線轉變終了線奧氏體C曲線的分析⑴轉變開始線與縱坐標之間的距離為孕育期。孕育期越小，過冷奧氏體穩定性越小.孕育期最小處稱C曲線的“鼻尖”。碳鋼鼻尖處的溫度為550℃。在鼻尖以上,溫度較高，相變驅動力小.在鼻尖以下，溫度較低，擴散困難。從而使奧氏體穩定性增加。⑵

C曲線明確表示了過冷奧氏體在不同溫度下的等溫轉變產物。高溫轉變產物——擴散類型——Fe、C均擴散亞共析鋼：F+P共析鋼：P過共析鋼：P+Fe3C化學成分與晶格類型的轉變均靠擴散實現中溫轉變產物——半擴散性——Fe不擴散，C部分擴散α(C過飽和的）+Fe3C的機械混合物

貝氏體類型(B)

化學成分的變化靠擴散實現低溫轉變產物——非擴散型Fe、C均不擴散獲得C在α-Fe中的過飽和固溶體馬氏體——馬氏體類型(M)①不同溫度下轉變產物不同高溫轉變產物(A1~550℃)

珠光體(P)——擴散型中溫轉變產物(550℃~MS)

貝氏體(B)—半擴散型低溫轉變產物(MS~Mf)

馬氏體(M)——非擴散型要點②存在孕育期

——過冷奧氏體等溫分解所需的準備時間

——代表A過冷穩定性③存在鼻點

——孕育期最短，A過冷最不穩定④T轉↓，產物硬度↑⑤馬氏體是過冷奧氏體連續冷卻中的一種轉變組織，非等溫轉變產物。將其畫入，使過冷奧氏體等溫轉變曲線更完備、實用三、影響C曲線的因素

與奧氏體狀態有關

1化學成分

（1）含碳量

理論:奧氏體中C%↑，C曲線右移

F相難析出，珠光體轉變難進行實際:亞共析鋼：C%↑，C曲線右移過共析：C%↑，左移指溶入奧氏體中的C（2）合金元素0.9%C0.9C+0.5Mn0.9C+1.2Mn

0.9+2.8MnTτTτ0.5C0.5C+2%Cr0.5C+4%Cr0.5C+8%Cr

①除Co、Al（WAl>2.5%）外，其它合金元素Me%↑，C曲線右移——須溶入A中TτMsCo,AlNi,Si,Cu,MnSiNi,Cu,MnCo,Al外所有合金元素非碳化物形成元素只改變C曲線位置：如Co,Al,Ni,Cu,Si強碳化物形成元素的影響Tτ中強碳化物形成元素Cr的影響

強碳化物形成元素W,Mo,V,Ti,Nb等的影響W,Mo,V,Ti,Nb等改變C曲線位置和形態②碳化物形成元素改變C曲線位置和形狀Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr等③對Ms點的影響

Co、Al使Ms↑其它合金元素使Ms↓

愈細，成分及組織愈不均勻，未溶第二相愈多，A穩定性越差——左移

T↑、t↑，晶粒粗大，成分、組織均勻，A穩定性↑——右移2奧氏體組織3其它：應力和塑性變形四、珠光體轉變1、珠光體的組織形態過冷奧氏體在A1到550℃間將轉變為珠光體類型組織，它是鐵素體與滲碳體片層相間的機械混合物，根據片層厚薄不同,又細分為珠光體、索氏體和托氏體.⑴珠光體：形成溫度為A1-650℃，片層較厚，500倍光鏡下可辨，用符號P表示.光鏡下形貌電鏡下形貌⑵索氏體形成溫度為650-600℃,片層較薄，800-1000倍光鏡下可辨，用符號S表示。電鏡形貌形成溫度為600-550℃，片層極薄，電鏡下可辨，用符號T表示。⑶托氏體珠光體、索氏體、托氏體三種組織無本質區別，只是形態上的粗細之分，因此其界限也是相對的。2.珠光體的力學性能片間距越小，鋼的強度、硬度越高，塑性和韌性略有改善。3.珠光體轉變過程珠光體轉變也是形核和長大的過程。珠光體轉變是擴散型轉變。五、

馬氏體轉變當奧氏體過冷到Ms以下將轉變為馬氏體類型組織。馬氏體轉變是強化鋼的重要途徑之一。馬氏體的晶體結構碳在

-Fe中的過飽和固溶體，用M表示。馬氏體組織馬氏體轉變時，奧氏體中的碳全部保留到馬氏體中.馬氏體具有體心正方晶格（a=b≠c）軸比c/a稱馬氏體的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸變越嚴重。當＜0.25%C時，c/a=1，此時馬氏體為體心立方晶格.馬氏體的組織形態馬氏體的形態分板條和針狀兩類。

C%<0.25%時，板條馬氏體在光鏡下板條馬氏體為一束束的細條組織。板條內的亞結構主要是高密度的位錯，又稱位錯馬氏體。光鏡下電鏡下C%>1.0%C時針狀馬氏體立體形態為雙凸透鏡形的片狀。顯微組織為針狀。在電鏡下，亞結構主要是孿晶，又稱孿晶馬氏體。電鏡下電鏡下光鏡下馬氏體的性能高硬度是馬氏體性能的主要特點。馬氏體的硬度主要取決于其含碳量。含碳量增加，其硬度增加。當含碳量大于0.6%時，其硬度趨于平緩。合金元素對馬氏體硬度的影響不大。馬氏體強化的主要原因是過飽和碳引起的固溶強化。此外，馬氏體轉變產生的組織細化也有強化作用。馬氏體的塑性和韌性主要取決于其亞結構的形式。針狀馬氏體脆性大，板條馬氏體具有較好的塑性和韌性.馬氏體轉變的主要特點馬氏體轉變也是形核和長大的過程。其主要特點是：⑴無擴散性鐵和碳原子都不擴散，因而馬氏體的含碳量與奧氏體的含碳量相同。(2)在一個溫度范圍內進行的馬氏體轉變開始的溫度稱上馬氏體點，用Ms

表示.馬氏體轉變終了溫度稱下馬氏體點，用Mf表示.只要溫度達到Ms以下即發生馬氏體轉變。在Ms以下，隨溫度下降,轉變量增加，冷卻中斷,轉變停止。(3)轉變不完全即使冷卻到Mf點，也不可能獲得100%的馬氏體，總有部分奧氏體未能轉變而殘留下來，稱殘余奧氏體，用A’

或

’

表示。六、

貝氏體轉變1、貝氏體的組織形態過冷奧氏體在550℃-230℃(Ms)間將轉變為貝氏體類型組織，貝氏體用符號B表示。根據其組織形態不同，貝氏體又分為上貝氏體(B上)和下貝氏體(B下).上貝氏體下貝氏體⑴上貝氏體形成溫度為550-350℃。在光鏡下呈羽毛狀.在電鏡下為不連續棒狀的滲碳體分布于自奧氏體晶界,向晶內平行生長的鐵素體條之間。⑵下貝氏體形成溫度為350℃-Ms。在光鏡下呈竹葉狀。在電鏡下為細片狀碳化物分布于鐵素體針內。上貝氏體強度與塑性都較低。下貝氏體除了強度、硬度較高外，塑性、韌性也較好，即具有良好的綜合力學性能，是生產上常用的強化組織之一。上貝氏體貝氏體組織的透射電鏡形貌下貝氏體2.貝氏體的力學性能七、

過冷奧氏體連續冷卻轉變圖過冷奧氏體連續冷卻轉變圖又稱CCT(Continuous-Cooling-Transformationdiagram)曲線，是通過測定不同冷速下過冷奧氏體的轉變量獲得的。1）、共析鋼的CCT曲線共析鋼的CCT曲線沒有貝氏體轉變區，在珠光體轉變區之下多了一條轉變中止線。當連續冷卻曲線碰到轉變中止線時，珠光體轉變中止，余下的奧氏體一直保持到Ms以下轉變為馬氏體。Vk’Vk共析鋼的CCT曲線圖中的Vk為CCT曲線的臨界冷卻速度，即獲得全部馬氏體組織時的最小冷卻速度.Vk’

為TTT曲線的臨界冷卻速度.

Vk’

1.5Vk

。Vk’Vk時間/s溫度/℃共析鋼的CCT圖共析溫度連續冷卻轉變曲線完全退火正火等溫轉變曲線油淬水淬M+A’M+T+A’SP2001002）、過共析鋼CCT曲線也無貝氏體轉變區,但比共析鋼CCT曲線多一條A→Fe3C轉變開始線。由于Fe3C的析出,奧氏體中含碳量下降,因而Ms

線右端升高.3、亞共析鋼CCT曲線有貝氏體轉變區，還多A→F開始線,F析出使A含碳量升高,因而Ms線右端下降.過共析鋼CCT曲線亞共析鋼CCT曲線第四節鋼在回火時的轉變問題的提出1、什么叫回火tempering？回火是將淬火后的鋼加熱至A1點以下某一溫度保溫一定時間后，使淬火組織轉變為穩定的回火組織，以適當方式冷卻到室溫的熱處理工藝。2、為什么（淬火鋼）要進行回火？淬火后的鋼不穩定；有向穩態組織轉變的趨勢；溫度低，擴散困難。3、回火的作用？消除內應力，防止變形和開裂；獲得穩定組織和性能。1、淬火鋼的回火轉變及其組織1）碳的偏聚

100℃回火時，碳的偏聚。2）.馬氏體的分解100-250℃加熱時，馬氏體將發生分解,從馬氏體中析出

-碳化物(

-FeXC)使馬氏體過飽和度降低。析出的碳化物以細片狀分布在馬氏體基體上，這種組織稱回火馬氏體，用M回表示。透射電鏡下的回火馬氏體形貌3）殘余奧氏體轉變200-300℃時,由于馬氏體分解，奧氏體所受的壓力下降,Ms上升，A’分解為

-碳化物和飽合鐵素體，即M回。4）碳化物的轉變發生于250-400℃，此時，

-碳化物溶解于F中，并從鐵素體中析出Fe3C。用T回表示。回火索氏體5）碳化物的聚集長大和

的回復再結晶(400℃以上)400℃以上,Fe3C開始聚集長大。450℃以上鐵素體發生多邊形化.這種在多邊形鐵素體基體上分布著顆粒狀Fe3C的組織稱回火索氏體，用S回表示。

2、淬火鋼回火時的性能轉變1）硬度

低溫回火：回火馬氏體(＞500℃)回火溫度升高，硬度總的趨勢是下降。(1)高碳鋼(＞0.8%C)100℃左右回火時硬度稍有上升，是由于C原子偏聚和共格ε-FexC析出造成的。(2)200-300℃回火時出現硬度平臺是由于殘余奧氏體轉變(使硬度上升)和馬氏體大量分解