1、第4章 钢的热处理（重点内容） 热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料 整体或表面组织，从而获得所需性能的的工艺。,改变金属材料组织和性能的影响因素及其控制方法，包括金属的结晶、金属的塑性加工、钢的热处理、钢的合金化、表面技术等内容。,2,3,如T10钢经球化处理后，切削性能大大改善；而经淬火处理后，其硬度可 以从处理前的20HRC提高到 62HRC-65HRC。因此热处理是一种非常重要的加 工方法，而且大多数机械零件要经过热处理。根据零件所要求的性能不同，热处理的种类有多种，但其工艺过程都包 括加热、保温、冷却三个阶段。按照加热和冷却的方式不同，大致分类如下：,4,
2、4.1 钢在加热时的组织转变(相变过程)大多数热处理工艺（如淬火、正火、退火等）都要将钢加热到临界温度 以上，获得全部或部分奥氏体组织（并使其成分均匀化）即进行奥氏体化。加热形成的奥氏体的质量（成分均匀性及晶粒的大小等），对冷却转变 过程及组织、性能有极大的影响。4.1.1 转变温度 根据 Fe-Fe3C相图可知，共析钢、亚共析钢和过共析钢加热时，若要得到 全部奥氏体组织，合金必须加热到PSK线（A1）、GS线（A3）和 ES线（Acm） 以上，-PSK线（A1）、GS线（A3）和ES线（ Acm）为临界温度的先决条 件是在极其缓慢加热的情况下的）。,5,实际热处理加热和冷却的速度相对平衡结晶
3、条件加热和冷却速度而言是较大的， 因此热处理加热和冷却（强调加热、冷却两个过程）时的相变是在不完全平衡的条件 进行的，因此相变温度（实际热处理时的相变温度）与平衡相变点（温度）之间有一 定的差异，加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温，而且加热和冷却速度越大偏 差越大。,加热速度对临界点Ac1 Ac2 Accm 影响,冷却速度对临界点Ar1 Ar2 Arcm 影响,加热/冷却速度对临界点A1 A2 Acm 影响,7,4.1.2 奥氏体化加热温度高于相变温度，钢奥氏体化过程也是通过形核与长大过程实现的，也是依靠铁原 子和碳原子的扩散来实现的。 4.1.3 影响奥氏体转变速度的因素 1. 加热温度
4、 随加热温度的提高, 奥氏体化速度加快。 2. 加热速度 加热速度越快，发生转变的温度越高，转变所需的时间越短。 3. 钢中碳含量 碳含量增加，铁素体和渗碳体的相界面增大，转变速度加快。 4. 合金元素 钴（Co）、镍（Ni）等加快奥氏体化过程；铬（ Cr）、钼（Mo）、钒（V）等减慢奥氏体化过 程；硅（Si）、铝（AL）、锰（Mn）等不影响奥氏体化过程。由于合金元素的扩散速度比碳慢 得多，所以合金钢的热处理加热温度一般较高，保温时间更长。 5. 原始组织 原始组织中渗碳体为片状时奥氏体形成速度快，渗碳体间距越小，转变速度越快。,8,4.1.2 钢的奥氏体晶粒度 钢的奥氏体晶粒大小直接影响冷却
5、后所得的组织和性能。钢的奥氏体晶粒细时，退火组织 越细，则强度、塑性、韧性较好；淬火马氏体越细，因而韧性得到改善。一般根据标准晶粒度等级图确定钢的奥氏体晶粒大小。标准晶粒度等级分为8级，14 级 为粗晶粒度，58 级为细晶粒度。 1.实际晶粒度和本质晶粒度在某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度叫实际晶粒度，它决定钢的性能。 钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向用本质晶粒度来表示。钢加热到930 10 、保温8 小时、冷却后测得的晶粒度叫本质晶粒度。如果测得的晶粒细小，则该钢称为本质细晶粒钢， 反之叫本质粗晶粒钢。,9,2.影响奥氏体晶粒度的因素 加热温度和保温时间 随加热温度升高晶粒将逐渐长
6、大。温度越高，或在一定温度下保温 时间越长，奥氏体晶粒越粗大。 钢的成分 奥氏体中碳含量增高，晶粒长大倾向增大。未溶碳化物则阻碍晶粒长大。 钢中加入钛、钒、铌、锆、铝等元素，有利于得到本质细晶粒钢，因为碳化物、氧化物和 氮化物弥散分布在晶界上，能阻碍晶粒长大。锰和磷促进晶粒长大。,10,4.2 钢在冷却时的转变（重点内容） 当温度在A1以上时, 奥氏体是稳定的。当温度降到A1以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体。 过冷 A是不稳定的，会转变为其它的组织。钢在冷却时的转变，实质上是过冷A 的转变。 过冷奥氏体的转变产物，决定于它的转变温度，而转变温度又主要与冷却的方 式和速度有
7、关，而冷却方式有两种：等温冷却和连续冷却。,连续冷却时，过冷奥氏体的转变发生在一个较宽的温度范围内，冷却后得到的组织是粗细不均匀甚至类型不同的混合组织。连续冷却方式在生产上应用广泛，对于分析问题较为困难。,当合金等温冷却时，可以分别研究温度与时间对过冷奥氏体转变的影响，有利于我们研究温度和转变产物的组织与性能。,11,4.2.1 共析钢过冷奥氏体C曲线 在平衡结晶条件下铁碳合金结晶过程、转变产物的组织和性能，采用FeFe3C 相图来加以分析。 对于不完全平衡结晶条件下铁碳合金结晶过程、转变产物的组织和性能，则采 用 C（TTT）曲线（或CCT曲线）进行分析。共析钢过冷奥氏体的等温转变过程和转变
8、产物可用其等温转变曲线(可简称为TTT 曲线/C 曲线)图来分析。,12,一、C曲线的建立过程 将奥氏体化后的共析钢快冷至临界点 以下某一温度停留，并测定奥氏体转变量 与时间的关系，即可得到过冷奥氏体等温 转变动力学曲线（图a所示）。 将各个温度下转变开始和终了时间标 注在温度时间对数坐标系中，并连成曲 线，即可得过冷奥氏体等温转变曲线（图 b所示）。由于曲线形状类似字母“C”，故称 为 C曲线（也称为TTT图time temperature transformation）。,13,二、 C曲线上各线、区的含义 C曲线上部的水平线是珠光体和奥氏体的平 衡温度（理论），线上为奥氏体稳定区，线下
9、为过冷奥氏体转变区。 过冷奥氏体转变区内左边的曲线为过冷奥 氏体转变开始线，该线以左为过冷奥氏体孕育 区，孕育时间的长短标志着过冷奥氏体稳定性 的大小，右边的曲线为过冷奥氏体转变终了 线，转变终了线右部为过冷奥氏体转变产物 区，转变曲线之间是转变过渡区。 Ms、Mf两条水平线分别表示奥氏体向马氏 体转变开始温度点和奥氏体向马氏体转变终了 温度点，两条水平线之间为马氏体和过冷奥氏 体的共存区。,14,二、 C曲线上各线、区的含义 共析钢在550C左右孕育区最短，过冷奥氏体最不稳定。（也就是C 曲线的 “鼻尖”）。在鼻尖以上随温度下降（即过冷度增大），孕育时间变短，转变速度 加快，在鼻尖以下，随温
10、度下降，转变所需的原子的扩散能力降低，孕育时间逐渐 变长，转变变慢。,15,4.2.2 共析钢过冷奥氏体等温 转变产物的组织形态根据过冷奥氏体转变温度的 不同，C 曲线包括三个转变区： 高温转变 中温转变 低温转变;共析钢过冷奥氏体等温转变 只包括二个转变区：高温转变区 和中温转变区，马氏体转变不是 等温转变过程;,16,4.2.2 共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织形态 （1）高温转变 在A1550之间, 过冷奥氏体的转变产物为珠光体型组织, 此温区称珠光体 转变区。珠光体型组织是铁素体和渗碳体的机械混合物，渗碳体（ Fe3C ）呈层片状分布在铁 素体（ F）基体上，转变温度越低，层间距越小
11、（也就是说组织越细密），可将珠光体型组织 按层间距大小分为珠光体（P）、索氏体（S）和屈氏体（T）。珠光体（ P ）、索氏体（ S） 和屈氏体（T）他们彼此没有本质区别，也没有严格界限，只是形态上的不同。珠光体（P）组 织较粗，索氏体（S）较细而屈氏体（T）最细。,(a)珠光体 3800倍 (b) 索氏体 8000倍 (c)屈氏体 8000倍珠光体型组织,17,奥氏体向珠光体的转变为扩散型的生核、长大过程, 是通过碳、铁的扩散和晶体 结构的重构来实现的（扩散型转变）。 当奥氏体过冷到A1以下时，首先在奥氏体晶界或缺陷密集处生成渗碳体晶核，并依 靠周围奥氏体不断供给碳原子而长大； 与此同时，渗碳
12、体晶核周围的奥氏体中碳含量逐渐降低，为形成铁素体创造浓度条 件，并最终形成铁素体，铁素体的溶碳能力很低（0.0218%C），在长大过程中要将 多余的碳排到周围的奥氏体中，使其碳含量增加同时又为渗碳体的形成创造有利条件， 如此反复进行，奥氏体最终全部转变为铁素体和渗碳体片层相间的珠光体组织 。,18,(2) 中温转变 在550 Ms之间，过冷奥氏体的转变产物为贝氏体型组织（ B ）, 此温区称贝氏体转 变区。贝氏体（B）是碳化物（Fe3C、Fe2.4C ）分布在碳过饱和的铁素体（F）基体上的两相混 合物。 过冷奥氏体在550 350 之间转变形成的 产物称上贝氏体（ B上）B上呈羽毛状, 小片状
13、的渗 碳体分布在成排的铁素体片之间。（机械特性）上贝氏体中铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；同时渗碳体分布在铁素体片之 间，容易引起脆断，因此强度和韧性都较差，基本上没有实用价值 。,(a)光学显微照片 500 (b) 电子显微照片 5000 上贝氏体形态,19,过冷奥氏体在350 Ms之间的转变产物称下贝氏体（B下）。在光学显微镜下为 黑色针状，在电子显微镜下可看到在铁素体针内沿一定方向分布着细小的碳化物 （Fe2.4C）颗粒。（机械特性）下贝氏体中铁素体针细小，无方向性，碳的过饱和度 大，位错密度高，且碳化物分布均匀、弥散度大，所以硬度高，韧性好，具有较好的 综合机械性能，是生产上常用的组织
14、，获得下贝氏体组织是强化钢材的途径之一 。 奥氏体向贝氏体的转变属于半扩散型转变，铁原子不扩散而碳原子有一定扩散能 力。,(a) 光学显微照片 500 (b) 电子显微照片 12000 下贝氏体形态,20,4.2.2.3 低温转变 （马氏体转变特点）过冷A转变为马氏体是低温连续冷却转变过程， 转变温度在MsMf之间，该温区称马氏体转变区。马氏体是在连续冷却过程中形成的，所以Ms和 Mf不属于等温转变的特征点。 1.马氏体的转变过程过冷奥氏体 A在马氏体开始形成温度Ms以下转 变为马氏体，这个转变持续至马氏体形成终了温度 Mf。在Mf以下，过冷奥氏体停止转变，经冷却后未 转变的奥氏体保留在钢中，
15、称为残余奥氏体。在Ms与Mf温度之间过冷奥氏体与马氏体共存， 在Ms温度以下，转变温度越低，残余奥氏体量越少。,21,4.2.2.3 低温转变 （马氏体转变特点） 1.马氏体的转变过程 过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转变-铁和碳原子都 不能进行扩散，因此马氏体的化学成分和母相奥氏体的化学成 分相同， 铁原子沿奥氏体一定晶面（惯析面），集体地（不改变相 互位置关系）作一定距离的移动（不超过一个原子间距），由 于没有原子的扩散，所以奥氏体中的碳原子被迫留在相的晶 格中造成晶格的严重畸变，使面心立方晶格改组为体心正方晶 格，碳原子原地不动，过饱和地留在新组成的晶胞中；增大了 其正方度c/a），因此
16、，马氏体就是碳在-Fe中的过饱和固溶 体，马氏体的正方度取决于马氏体中的含碳量，含碳量越高， 正方度越大。 马氏体是含碳过饱和的固溶体，是单一的相，同高温、 中温转变产物有本质区别。,22,马氏体转变，它的主要特点是： （1）无扩散性； （2）有共格位向关系； （3）在不断降温的过程中形成； （4）高速长大； （5）马氏体转变的不完全性。 马氏体晶胞与母相奥氏体的关系： （1）马氏体就是碳在-Fe中的过饱和固溶体。过饱和碳使-Fe 的晶格发生很大畸 变, 产生很强的固溶强化。 （2）马氏体的形成速度很快 奥氏体冷却到Ms 点以下后, 无孕育期, 瞬时转变为马 氏体。随着温度下降，过冷A不断转变
17、为马氏体,是一个连续冷却的转变过程。 （3）马氏体转变是不彻底的 总要残留少量奥氏体。残余奥氏体的含量与MS、Mf 的 位置有关。 奥氏体中的碳含量越高，则MS、Mf越低，残余A含量越高。只在碳质量分数少于0.6% 时, 残余A可忽略。 （4）马氏体形成时体积膨胀 体积膨胀在钢中造成很大的内应力, 严重时导致开裂。,23,2.马氏体的形态马氏体形状上分有两种：板条状M和针片状M。马氏体的形状取决于M中的含碳量。 碳质量分数在0.20% 以下时，基本上是板条马氏体（亦称低碳马氏体），板条马 氏体在显微镜下为一束束平行排列的细板条。在高倍透射电镜下可看到板条马氏体内 有大量位错缠结的亚结构，所以也
18、称位错马氏体。,低碳马氏体的组织,24,2.马氏体的形态马氏体形状上分有两种：板条状M和针片状M。马氏体的形状取决于M中的含碳量。 当碳质量分数大于1.0%时，则大多数是针状马氏体。针状马氏体在光学显微镜中 呈竹叶状或凸透镜状，在空间形同铁饼。马氏体针之间形成一定角度（60或120)。由于M氏体晶粒不会贯穿A氏体晶界，最初形成的M针片往往贯穿整个A氏体晶粒， 较为粗大；后形成的M针片逐渐变细、变短。高倍透射电镜分析表明，针状马氏体内 有大量孪晶，因此亦称孪晶马氏体。,高碳马氏体的组织形态,25,2.马氏体的形态碳质量分数在0.251.0% 之间时，为板条马氏体和针状马氏体的混和组织。 “针”或
19、“条”的粗细主要取决于奥氏体晶粒的尺寸大小，奥氏体晶粒越大，“针” 或“条”越粗。,马氏体形态与碳质量分数的关系,26,3. 马氏体的性能 a.硬度很高。碳质量分数对马氏体硬度的影响 马氏体的硬度很高，碳质量分数越高，马氏体的硬度 越高。马氏体的塑性和韧性与碳质量分数（或形态） 密切相关。高碳由于过饱和度大，内应力高和存在挛 晶结构，所以硬且脆塑性、韧性差。但晶粒细化得到 的隐晶马氏体却有一定的韧性。至于低碳马氏体，由 于过饱和度小，内应力低和存在位错亚结构，则不仅 强度高，而且塑性、韧性也较好。b.马氏体的比容比奥氏体大。当奥氏体转变为马氏 体时，体积会膨胀。马氏体是铁磁相，而奥氏体为顺 磁
20、相。马氏体晶格畸变严重，因此电阻率高。,含量与马氏体硬度间关系图,27,4.2 影响C曲线的因素 影响钢淬透性的因素/影响奥氏体稳定程度的因素C曲线的位置和形状代表过冷奥氏体的稳定性、等温转变速度,以及转变 产物的性质。影响C曲线位置和形状的主要因素是奥氏体的成分与奥氏体化 条件：碳含量 合金元素 奥氏体化温度 钢中未溶第二相,28,4.2.3 影响C曲线的因素 （影响钢淬透性的因素强调）C曲线的位置和形状代表过冷奥氏体的稳定性、等温转变速度，以及转变产物的性质。影响 C曲线位置和形状的主要因素是奥氏体的成分与奥氏体化条件：碳含量 在碳钢中，共析钢的临界冷速最小最靠右侧（淬透性最好）；亚共析钢
21、随碳含量减少，C曲 线左移；过共析钢随碳含量增加， C曲线左移。 合金元素 除钴CO以外的所有合金元素溶于奥氏体后，都能增加奥氏体的稳定性，使C曲线右移（有的 C曲线形状也发生变化），如果合金元素没有完全溶于奥氏体则会奥氏体转变的核心降低奥氏体 的稳定性，使C曲线左移。 奥氏体化温度 提高奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大、成分均匀，可减少珠光体的生核率，增加A的稳 定性，C曲线右移（降低钢的临界冷却速度，增加其淬透性）。 钢中未溶第二相 钢中未溶入奥氏体中的碳化物、氮化物及其它非金属夹杂物，可成为奥氏体分解的非自发 核心，降低过冷A 的稳定性,C 曲线左移（使临界冷却速度增大，降低淬透性）。,
22、29,提示 综上所述，钢在冷却时，过冷奥氏体的转变产物根据其转变温 度的高低可分为高温转变产物珠光体、索氏体、屈氏体，中温转变产物 上贝氏体、下贝氏体，低温转变产物马氏体等几种。随着转变温度的降 低，其转变产物的硬度增高，而韧性的变化则较为复杂。,30,与共析钢的TTT曲线相比, 共析钢的 CCT曲线稍靠右靠下一点，表明连续冷却 时, 奥氏体完成珠光体转变的温度较低, 时间更长。 在共析钢过冷A的连续冷却转变曲线 （CCT曲线）中，共析钢以大于VK（上临界 冷却速度）的速度冷却时, 得到的组织为 马氏体。冷却速度小于VK （下临界冷却 速度）时, 钢将全部转变为珠光体型组织。 共析钢过冷A在连
23、续冷却转变时得不到贝 氏体组织。,4.2.4 过冷奥氏体的连续冷却转变曲线 1.共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变转变产物,31,2. 亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变（简要介绍）亚共析钢过冷A在高温时有一部分将转变为F，在中温转变区会有少量贝氏体（上 B）产生。如油冷的产物为F+T+上B+M，但F和上B量很少，有时可忽略。水冷的产物： M+A残（C%06% A残可忽略）,32,3. 过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变（简要介绍） 过共析钢过冷A 在高温区，将首先析出二次渗碳体, 而后转变为其它组织。由于 奥氏体中碳含量高，所以油冷、水冷后的组织中应包括残余奥氏体。与共析钢一样， 其冷却过程中无贝氏
24、体转变。含C（碳）量高MS、Mf下降，淬火后残余量增加。,33,1、连续冷却转变曲线位于等温转变曲线 的右下方，表明连续冷却时，A向P转变的 温度要低，时间要长。 2、连续冷却转变曲线中没有A转变为B的 部分，所以共析钢在连续冷却时得不到B 组织，B组织只能在等温处理时才能得到。 3、过冷 A连续冷却转变产物不是单一的、 均匀的组织。 4、连续冷却转变曲线可直接用于制定热 处理工艺规范，但由于等温冷却曲线容易 测定，且能够较好的说明转变组织。,4.2.5 CCT曲线和C（TTT）曲线比较与应用,34,小结 钢的热处理过程中奥氏体化，影响奥氏体转变速度的因素 共析钢过冷奥氏体C曲线建立及分析 共析钢过冷奥氏体等温转变特点、转变产物的组织形态（高温转变、中温转变、低温转变） 亚、过共析钢过冷奥氏体等温转变特点、转变产物的组织形态（高温转变、中温转变、低温转变） 共析钢过冷奥氏体等温转变与连续冷却转变对比,
