金属材料的分类及牌号.doc

1、1金属材料的分类及牌号焊接基础、热处理葛兆祥 1 2江苏省电力试验研究院有限公司江苏省电机工程学会金属材料与焊接专委会金属材料分类及牌号金属材料的种类很多，常用的有钢、铁，铝及其合金，铜及其合金，钛及其合金，镁及其合金，锆及其合金，镍及其合金等。在我们电力系统，应用最多的还是钢和铁。所以，今天我们主要讨论钢和铁的有关内容。一、铸铁1、特点 铸铁与钢相比强度较低，塑性、韧性较差。但是具有良好的： 耐磨性 吸震性 铸造性、 可切削性铸铁的焊接性差，因此，影响了它的发展。但是随着焊接技术的发展，铸铁（设备）的焊接也取得了很大的成功，获得了很大的经济效益。2、铸铁的分类铸铁是含碳量为 24.5的铁碳合

2、金。在铸铁的化学成分中还有 Si、Mn 及 S、P 等杂质。为了改善铸铁的性能，常在铸铁中加入 Ni、Cr、Mn、Si、V、Ti、Mg 等元素，成为合金铸铁。按照 C 在铸铁中存在的状态和形式的不同，可将铸铁分为五类： 白口铸铁 C 在铁中绝大部分以渗碳体（Fe3C）的形式存在，断口呈白色而得名。渗碳体硬而脆，无法加工，故应用不广。主要用于轧辊、不需要加工的耐磨件等。 灰口铸铁 C 以片状石墨存在，其断口呈暗灰色而得名。普通灰铁石墨较粗，如在浇注之前的铁水中加入少量的硅铁或硅钙等孕育剂，进行孕育处理，促使石墨自发形核，可使粗片状石墨细化，形成孕育铸铁。2 可锻铸铁 C 团絮状石墨存在，是将白口

3、铁经长时间石墨化退火，使渗碳体分解形成石墨并呈团絮状分布于基体内，因其韧性较好故称可锻铸铁。可锻铸铁是由炼钢生铁在9001000的温度下经过 29 天长时间的退火形成。 球墨铸铁 C 以球状石墨存在，故称球墨铸铁。这是铁水中加入纯镁或稀土镁合金等球化剂而获得，具有较高的强度和韧性，可通过热处理改善力学性能，可制造强度高，形状复杂的铸件。 蠕墨铸铁 C 以蠕虫状石墨存在，浇注前在铁水中加入稀土硅铁、稀土镁钛等蠕化剂，促使 C 形成蠕虫状。 铁合金 铁合金是 Fe 和其它一定量的合金元素组成的合金。它是炼钢原料之一，也是焊接冶金必不缺少原材料。炼钢和焊接时作为脱氧剂或渗合金剂加入，起到脱氧、渗合金

4、等作用，改善钢材和焊缝的性能。 常用铁合金SiFe 硅铁分别有含硅 95、75、45的几种，也有 12的贫硅铁、硅铝合金、硅钙合金，硅锰合金。MnFe 按含碳量分为碳素锰铁（含碳量 7） ，中碳锰铁（C1.51.0） ，低碳锰铁（C0.50 ） 。CrFe 按含碳量分为碳素铬铁（C84） ，中碳铬铁（C40.5） ，低碳铬铁（0.50.15） ，微碳铬铁（C0.06） ，超微碳铬铁（C0.03） ，金属铬、硅铬合金。3、铸铁组织铸铁组织与化学成分和冷却速度有关化学成分影响 有些元素能促使石墨化，如 C、Ni、Si、Al、Cu 等； 有些是阻止石墨化元素，如 S、V、Cr 等。在铸铁中，C 以石

5、墨形式析出的过程称为石墨化。冷却速度的影响 冷却速度很快时，便形成以珠光体和渗碳体（为基体） ，构成白口铁； 冷却速度足够慢时，便形成以铁素体为基体的片状石墨分布的灰口铸 介于两者之间，形成以珠光体为基体和石墨组成灰口铁或珠光体和铁素体为基体灰口铁。34、铸铁的牌号和力学性能铸铁的牌号在 GB/T5612-1985 中作了相应的规定。规程对化学成分不做明确规定，仅规定力学性能。 灰口铸铁牌号和力学性能由代号和抗拉强度组成，以灰铁的汉语拼音第一个大写字母作代号，代号后面紧跟一组数据表抗拉强度。例如 HT 250，其中HT表示灰口铸铁，250 表示抗拉强度为 250MPa。 球墨铸铁牌号和力学性能

6、由代号、抗拉强度值、和伸长率组成。例如 QT 40018，其中QT表示球墨铸铁，400 为抗拉强度，18 为伸长率。5、灰口铸铁的焊接 灰口铸铁的特性成分在灰口铸铁中，C 含量 2.63.6、Si 含量 1.23.0、Mn 含量0.41.2、P0.3、S0.15。其中硅、锰是有益元素，硫、磷是有害元素。石墨80的 C 以片状石墨存在基体除石墨外的基体为铁素体、珠光体或铁素体珠光体特性脆性大，伸长率几乎为零良好的铸造性、流动性好、机加工性 高的抗耐磨性、抗震性 焊接性 焊接性差白口组织 （焊缝白口 熔合区白口）防止措施 控制焊接起始温度、层间温度和焊后缓冷增加石墨化元素选用铸铁型焊条淬硬组织4防

7、止措施 采用低碳钢和合金钢焊条焊接 缓冷少母材熔化量焊接裂纹 （冷裂纹、热裂纹）冷裂纹（400以下，焊缝和热影响区）产生原因强度低塑性几乎为零加热不均匀 温差应力大接头产生白口组织和淬硬组织焊材选用不当工艺选用不当结构刚性大材质差防止措施铸铁型焊缝 预热、缓冷非铸铁型焊缝 选用塑性好的焊条小破口分段焊接锤击条件允许加热（缓焊、栽丝）热裂纹 主要出现在焊缝 异质焊缝更易出现，尤其是第一层焊缝更易出现母材的 S、P 含量高，熔入量较高； 同质焊缝焊接时，石墨析出，体积增加，有助于减小焊接应力，但也出现热裂倾向，这是第一层焊缝同样由于母材的熔入引起的。 焊接 焊接方法焊条电弧焊气焊5 焊接材料冷焊

8、非同质焊条 不预热热焊 同质焊条 需局部预热 600700，400以上焊接，焊后 600700保温消除焊接应力。半热焊 预热 400，采用铸铁型焊条二、钢材的分类及牌号钢材的种类很多，分类方法也很多。通常按照化学成分、用途、强度等级等进行分类。目前，世界各国都有自己分类方法，不尽相同。本章根据我国钢材的常用分类方法进行讨论。1、碳钢碳钢又称碳素钢钢，是 Fe 和 C 的合金。钢中还有 Mn 和 Si 以及杂质 S、P，钢材的性能主要取决 C 的含量。 碳钢的分类1)按照含碳量分类 低碳钢（C.0.25） HRB6090， 主要用于冷加工和合金结构；广泛用于厂房、桥梁、锅炉、船舶等行业。中碳钢（

9、C0.250.6） 主要用于强度要求较高的结构，根据强度要求的不同可进行淬火和回火；高碳钢（C0.6） 主要用来制造弹簧钢和耐磨部件。2）按照品质分类 （以杂质含量分）普通碳素钢 S0.05 ，P 0.045优质碳素钢 S0.035 ，P 0.035高级优质碳素钢 S 0.03，P 0.0353）按照脱氧程度分类沸腾钢 脱氧不完全的钢，一般用锰铁或铝脱氧，脱氧后钢水中还剩有相当量的氧（FeO ） ，FeO和 C 起作用放出 CO，使钢水在钢模中呈沸腾现象，故称沸腾钢。用作钢板，加工性能好，表面质量好，化学成分不均匀，便宜。镇静钢 脱氧完全的钢，先用锰铁后用硅铁再用铝脱氧。由于钢中含氧量少，没有

10、沸腾现象，故称镇静钢。成分均匀，力学性能均匀，焊接性好，抗腐蚀性能好。表面质量差缩孔，价高。6半镇静钢 性能介于上述两种钢之间，生产过程较难，很少生产。 普通碳钢的表示方法按照 GB/T700-1988碳素结构钢的规定，用屈服强度第一个拼音字母材料屈服点值质量等级脱氧方法，表示如下：例如 Q XXX-X XQ 为材料屈服点的“屈”字拼音字母首字大写，代表碳素钢。XXX 表示材料的屈服点值，通常为 N/mm2X（前）表示质量等级，共分 A、B、C、D 四级，D 级质量质量最好，A 级最差X（后）表示脱氧方法，表示如下：F沸腾钢，b半镇静钢，Z镇静钢（通常不标注） ，TZ特殊镇定钢 碳素结构钢（也

11、叫优质碳素结构钢）表示方法优质碳素结构钢表示方法执行 GB/T699-1999 标准，含碳量 0.8，除个别含碳量很低的钢用沸腾钢炼以外，基本上都用镇定钢熔炼。镇静钢分为正常含锰量（0.250.8）和较高含锰量（0.71.2)两种钢。后者具有较高的力学性能和加工性能。优质碳素结构钢的表示方法是：含碳量脱氧方法或化学符合质量等级例如 50 Mn F A50 材料的平均含碳量，以万分之几的数值表示，此为含碳量 0.5Mn 表示合金元素，当 Mn 含量为 0.71.0 时，须标出“Mn”字，否则不标F 表示脱氧方法，此钢为沸腾钢。无此号为镇定钢，b 为半镇静钢A 表示质量等级，无此号为优质，有“A”

12、表示为高级优质例如 12Cr1MoV 专用碳素结构钢 锅炉用碳素钢锅炉用碳素钢执行 GB713-1997 标准，只有 20g 一种钢，20 表示含碳量0.20，g 表示锅炉钢。7 压力容器用碳素钢压力容器用钢有多种，其中碳素钢只有 20R 一种，20 表示含碳量0.20，R 表示压力容器用钢。执行 GB6654-1996 标准。 焊接结构用碳素钢铸件焊接结构用碳素钢铸件，执行 GB/T76591987 标准。共有三种分别为：ZG200-400H、ZG230-450H、ZG275-485H。ZG 是铸钢两字拼音字母的首字，200 为屈服强度值，400 为抗拉强度值，H 为焊字拼音字母的首字，表示

13、焊接用钢。三、碳钢的焊接 低碳钢焊接焊接性好，通常不会出现焊接裂纹等缺陷为了提高抗裂性能通常使焊缝的含碳量略低于母材冷却速度的快慢会直接影响到焊缝的强度提高焊缝的强度通常提高焊缝中的 Si、Mn 含量，焊缝强度提高会影响到塑性和韧性的下降 焊接时应注意如下要点 采用减小的冷却速度 单层厚板角焊缝时焊脚尺寸不宜过小 多层焊时尽量连续施焊 焊补表面缺陷时，焊缝应具有一定的尺寸 结构刚性较大时应进行预热或采用低氢型焊接材料 采用适当的焊缝形状系数 中碳钢的焊接含碳量接近下限时焊接性良好随着含碳量增加，焊接性变差，淬硬倾向增加热影响区易出现马氏体组织结构刚性较大和焊接材料选择不当时会产生焊接冷裂纹焊接

14、第一层焊缝时易出现热裂纹焊接过程中易出现气孔焊接材料的选择选择低氢型焊接材料8除了要求焊缝和母材等强外，选择比焊缝低一级别碱性焊条减小熔合比无法预热时可选用奥氏体焊条CO2 焊接时（C0.4）可选用低碳钢焊丝强度要求高时选用 ER502、ER503、ER507 实芯焊丝或药芯焊丝当用 Ar20CO2 焊接时，选择 GHS-60 焊丝焊接要点预热保持层间温度，不低于预热温度小熔合比（小直径焊条、小电流、多层焊焊后热处理（及时）600650，焊后不能热处理，要后热 150，2h无法热处理时，可锤击消应力 高碳钢焊接特点淬硬性高，易出马氏体焊后和热影响区易出热裂纹材料的高效率是通过热处理获得的，焊前

15、要退火，焊后重新热处理焊接材料要求焊缝等强是很困难的，选择 J707、J607 焊条，要求低时可选 J506、J507 焊条也可选择 A302、A307 焊条要求不高时，可选低碳钢焊条焊接要点先退火采用结构钢焊条时，预热 350，层间温度不低于预热温度减小熔合比焊条小直径、小电流，连续焊，低焊速高温回火，缓冷根据需要是否热处理四、合金结构钢1、概述9合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，加入一种或几种合金元素（Mn、Mo、Ni、Cr、V、Ti、B、Al、Nb、N、Cu、W）和稀土，使其具有特殊的物理性能、抗氧化性能、抗腐蚀性能。世界各国都根据自己的资源，设计自己的合金系钢。国外通常Cr、Ni 系为

16、主；我国则以 Si、Mn、V、Ti、Nb、B、Al、稀土为合金系。合金结构钢可按化学成分、合金系统、组织状态、用途、使用性能的方法进行分类。如按合金系统分类，可分为： 低合金钢 （合金元素含量5） 中合金钢 （合金元素含量 510） 高合金钢 （合金元素含量10）按照用途和性能分类，可分为： 强度用钢 （高强度用钢） 特殊用途用钢 （耐高温、低温、硫腐蚀）2、合金结构钢牌号表示方法合金结构钢的表示方法按照 GB/T221-2000 规程执行，表示方法是：前面两位数表示平均含碳量的万分数（不锈钢和耐热钢是千分数） ，后面的元素代号表示该钢所含的合金元素，元素代号的后面数字该元素平均含量的百分数，

17、若不注出数字则表示该元素的质量分数为1.5，1.5按照四舍五入相应注上 2、323。属专门用途的在尾部注专用符号，属高级优质钢，则最好加注“A” 。例如 16Mn 表示平均含碳量为 0.16，Mn 含量1.5低合金结构钢例如 16MnR 表示专门用于压力容器的 16Mn 钢例如 0Cr18Ni9A 表示平均含碳量为0.07、Cr 含量为 18、Ni 含量为 9的高级优质不锈钢 合金结构钢中低合金高强度钢牌号按照 GB/T1591-1994 的规定例如 Q345表示屈服点为 345MPa 低合金高强度钢，16Mn 钢属于这一类钢。 五、耐热钢 1、概述耐热钢是抗氧化钢和热强钢的总称，它在高温下能

18、抵抗氧化和其它介质侵蚀，并有一10定的强度，工作温度达 9001100，热强钢在高温下具有较高的强韧性和一定的抗氧化性，其工作温度可达到 600800。2、分类 按用途和特性分为抗氧化钢用于高温抗氧化介质侵蚀热强钢具有一定的高温强度蠕变极限持久强度 按合金体系分Cr 系CrMo 系CrMoV 系CrNi 系 按合金元素总量分5的低合金耐热钢512 中合金耐热钢12为高合金耐热钢 按金相组织分珠光体耐热钢马氏体耐热钢铁素体耐热钢奥氏体耐热钢3、性能 高温抗氧化和耐腐蚀 使钢表面生成致密的氧化层 提高钢电极电位 （加 Cr） 使钢形成单相固溶体（减少微电池量） 高温力学性能11 持久强度 蠕变极限

19、 高温脆化 475脆性 12Cr 钢在此温度下变脆，原因高 Cr相沉淀析出， 相脆化 16Cr 钢在 500800长期使用或加热，析出 相4、珠光体钢焊接 珠光体钢焊接性 合金含量57，属于低、中合金钢冷裂纹再热裂纹 （500700）回火脆性 P、Sb、Sn、As 杂质和合金元素有关，在晶界偏聚，降低断裂强度 焊接要点 适用多种焊接方法 焊接材料 与母材同成分、同强度 小热输入、小电流、多层多道、不摆动或小摆动 预热 热处理（不但消除应力，更改善焊缝组织、降低热影响区硬度）5、马氏体钢焊接 马氏体钢的焊接性 马氏体钢分为两大类，一类是 Cr13 型，另一类是 Cr12 为基多元合金型冷裂纹 遵

20、循三原则 淬硬 氢扩散 拘束度 含有 Cr、Mo、V 的 Cr12 型有晶粒粗化现象热影响区软化带 调质状态下焊接在热影响区的 Ac1 上温度附近出现软化带，高温强度下降，原始组织的硬度越高，软化的程度越严重。使持久强度降低，提前失效。回火脆性Cr13 型马氏体钢在 550附近有回火脆性，钢 Mo、W 可以回火脆性。 焊接要点可以用各种焊接方法焊接马氏体钢12裂纹倾向大对氢敏感用低氢或超低氢焊材和环境拘束度大的工件 TIG 或 MIG 焊接 焊接材料化学成分力求和母材相近最好焊缝中没有铁素体存在Cr13 型马氏体钢，焊材成分与母材相同，严格控制 C、S、P、和 Si 含量，可增加Ti、N、Al

21、，条件允许可选用奥氏体焊条焊接预热 焊条（250400） ，TIG（150250） 保持层间温度热处理 （680780）6、奥氏体耐热钢焊接主要有两个系列 18-8 系列 主要用作耐腐蚀 25-20 系列 主要用作抗氧化 焊接性热裂纹 （焊缝结晶裂纹 液化裂纹）焊缝金相组织的影响1） 单相奥氏体组织含镍量较高，随着含镍量的提高，奥氏体稳定化程度提高，对S、P、Pb、等杂质更为敏感，且与极限溶解度小的元素 Al、Si、Ti、Pb、Ni 等易形成低熔点共晶，降低了金属的实际结晶温度，增大了结晶温度区间。2） 奥氏体钢热导率小，线膨胀率大，易形成较大的焊接拉应力。3）单相的奥氏体焊缝易形成方向性强的

22、粗大柱状晶组织，有利于杂质和上述元素偏析，从而形成连续的晶间液态夹层。4）焊缝中增加少量的 组织（25） ，大大的提高了焊缝的抗结晶裂纹的能力，这是因为少量的 组织能阻止奥氏体晶粒的长大，细化凝固亚晶组织，打乱了枝晶的方向，增加了晶界和亚晶界的面积使液态薄膜更为分散地分布晶界和亚晶界上，且被 相分隔成不连续状，减弱了低熔点共晶的作用。135） 相能改变晶界夹层的成分和性能，起到冶金净化作用。6）Ni15奥氏体耐热钢，焊缝不宜采用 双相组织。 相增加必需增加铁素体元素，减小奥氏体元素，这样焊缝和母材的成分有一定的差异，导致性能的差异，焊缝塑性和韧性降低。7）如果钢中有了足以防止结晶裂纹的 相，则

23、不能防止在高温长期工作的 相析出脆化，所以对高 Cr、Ni 奥氏体钢需用其它双相组织来改善抗裂性能。研究表明可用 C 1或 B 1的双相组织。焊缝化学成分的影响1) Ni15的奥氏体耐热钢焊缝，增加适量铁素体化元素（Cr、Si、Ti、Nb、Mo、Al、V）可以增多焊缝中的 相数量，能显著提高其抗裂性能。2）Ni15单相奥氏体耐热钢焊缝，加入适量的 Mn（57） 、Mo（22.5） 、W（22.5） 、N（0.10.18） 、V（0.40.8） ，均可提高焊缝的抗裂性能。晶间腐蚀和应力腐蚀晶间腐蚀 焊缝区的晶间腐蚀在多层焊的前层焊缝的敏化温度（6001000）区域，晶界上易析出 Cr 的碳化物，

24、形成贫铬晶界，如果该区恰好暴露在表面并与腐蚀介质接触，则会产生晶间腐蚀。防止方法：1) 焊缝超低碳。2) 选用有 Ti、Nb 等稳定化元素奥氏体焊接材料。Ti/（C-0.02)8.59.5或 Nb8C3) 使焊缝中存在少量铁素体（）相。 相散布在晶界上，不致形成贫铬层。 相富铬，有良好供应 Cr 的条件，可以 减少晶粒形成贫铬层焊缝中最佳 相为 412。 热影响区的晶间腐蚀在敏化温度区间，仍是贫铬层造成。1) 小热输入2) 快速冷却 熔合区的晶间腐蚀14沿着熔合区线的走向似刀削切口状向内腐蚀，故称刀状腐蚀。初期宽度只有 35 个晶粒，逐步扩展到 11.5mm 左右，主要发生 188 钢上，实质

25、是在晶界有 M23C6沉淀形成贫铬层所致。应力腐蚀 因为奥氏体不锈钢的热导率小、线膨胀系数大，焊接残余应力大，这些为应力腐蚀抗裂创造了必要的条件；另外，焊接热过程导致接头碳化物析出，促进了应力腐蚀的发生。防止办法 减小焊接残余应力1)热处理 18-8 钢 850900退火，含奥氏体钢 9001000退火 2)合理的焊接工艺措施选用抗应力腐蚀性能好的母材和焊材1)含碳量低的母材和焊材2)含镍量高的母材和焊材3)含铁素体 相高的母材和焊材 对腐蚀表面进行喷丸和抛光 接头脆化对于接头在低温和高温工作的工件防止脆化防止低温脆化选择单相 组织减少 相，不超过 5；消除 相 10501100，保温 1h

26、水淬 奥氏体耐热钢的焊接方法焊条电弧焊氩弧焊埋弧焊等离子弧焊 焊接材料选用和母材相同和相近的焊材 焊接要点 焊接热输入小，比碳钢小 2030，小电流、短弧、不摆动、低层间温度、急冷 防止污染 坡口清理，焊材清理，气体纯度 氧化膜去除15 根部保护 低层间温度（250以下） 焊后通常不进行热处理 必需要进行热处理的固溶处理：10001050， 每 mm 保温 2min，用水急冷，500900区间特快冷消除应力处理：8001000，每 mm 保温 2min，空冷 高温合金 镍基高温合金在镍基中加入少量的 Al、Ti、Cr、Nb、Ta（钽） 、W、Mo、V、Zr（锆）合金元素及适量的稀土，形成以镍为

27、主的合金。工作温度 8001000。 （燃汽轮机叶片） 铁镍高温合金镍含量高于 20，Cr 含量一般在 15左右。工作温度 700750。钴基高温合金以钴为主的合金，同时加入各种合金元素。钴基合金中有 530的 Ni，2035Cr以及 Al、Ti、Nb、Ta 合金。 （燃汽轮机叶片）在高温下具有如下性能 足够的持久强 蠕变强度 热疲劳强度 高温韧性 高温组织的稳定性六 钢的热处理热处理是将固态金属或合金，采用适当的方法进行加热、保温、和冷却，以获得需要的组织结构与性能的一种工艺。热处理工艺在机械行业中应用极为广泛，它提高零件的使用性能，充分发挥材料的潜力，延长零件的使用寿命。同时，热处理还能改

28、善工件的加工性能，提高加工质量，减少刀具的磨损。热处理在工业生产起着十分重要的作用，尤其是在机械行业中更是一项不可缺少的工艺。钢是金属和合金产品中采用热处理工艺最为广泛的金属材料。钢的热处理方法可分为退火、正火、淬火、回火及表面热处理等若干种，如图 1 所示。16图 1 热处理分类热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段所组成的，因此，热处理工艺过程可用“温度时间”为坐标的曲线图表示，如图 2 所示，此曲线称为热处理工艺曲线。图 2 热处理工艺曲线热处理之所以能使钢的性能发生变化，其根本原因是由于铁有同素异构转变的特点，从而使钢在加热和冷却过程中，其内部发生了组织

29、与结构变化的结果。因此，要正确掌握热处理工艺，必须首先了解在不同的加热及冷却条件下，钢的组织变化的规律。1、钢在加热时的转变在热处理工艺中，钢的加热是为了获取奥氏体。奥氏体虽然是钢在高温状态时的组织，但它的晶粒大小、成分及其均匀程度，对钢冷却后组织和性能有重要影响。因此，了解和掌握钢在加热过程中的组织结构的变化规律，是进行正确热处理的先决条件。由 FeFe3C 相图可知，A 1、A 3、Acm 是钢在极缓慢加热和冷却时的临界点，但在实际的加热和冷却条件下，钢的组织转变总有滞后现象。即在加热时要高于临界点，在冷却时要低于临界点。为了便于区别，通常把加热时的各临界点分别用 Ac1、Ac 3、Acc

30、m 来表示；17冷却时的各临界点分别用 Ar1、Ar 3、Arcm 来表示，如图 3 所示。图 3 钢在加热和冷却时的临界温度当钢加热到临界点以上时，钢的组织将发生变化。（1） 钢的奥氏体化将钢加热到 Ac1、Ac 3 以上时，以获得完全（或者部分）奥氏体组织的操作称为奥氏体化。下面以共析钢为例来说明钢的奥氏体化过程。共析钢加热到 Ac1 以上时，钢中珠光体将向奥氏体转变。这一转变过程遵循结晶过程的基本规律，也是通过形核及晶核长大的过程来进行的。其基本过程如图 4 所示。图 4 共析钢中奥氏体形成过程示意图a) A 形核 b) A 长大 c) 残余渗碳体溶解 d) A 均匀化1) 奥氏体晶核的

31、形成及长大 奥氏体晶核最容易在铁素体与渗碳体的相界面上生成。由于相界面上原子排列紊乱，处于不稳定状态，为奥氏体的形核提供了有利条件。晶核生成后，与奥氏体相邻的铁素体中的铁原子通过扩散运动，转移到奥氏体晶核上来，使奥氐体晶核长大。同时与奥氏体相邻的渗碳体通过分解，C 不断地溶入生成的奥氏体中，使奥氏体逐渐长大，直至珠光体全部消失为止。2）残余渗碳体的溶解 由于渗碳体的晶体结构和含碳量都与奥氏体相差很大，故渗18碳体向奥氏体的溶解，必然落后于铁素体向奥氏体的转变。即在铁素体全部消失后仍有部分渗碳体尚未溶解。随着时间的延长，残余渗碳体继续向奥氏体中溶解，直至全部消失为止。3）奥氏体的均匀化 由于珠光

32、体中的铁素体和渗碳体是两种含碳量相差悬殊的相，所以当渗碳体刚刚消失时，奥氏体中的碳浓度仍是不均匀的。在原来的渗碳体处含碳量较高，在原来的铁素体处含碳量较低，需要一个保温时间，通过碳原子进一步的扩散，才能使奥氏体中含碳量渐趋均匀。因此，热处理加热后的保温阶段，不仅为了使工件热透，也是为了使组织转变完全，以及奥氏体成分均匀。亚共析钢的奥氏体温度一般在 Ac3 以上，同样，对于过共析钢则要加热到 Accm 以上，才能获得单相奥氏体组织。（2） 奥氏体晶粒的长大当珠光体向奥氏体转变刚刚完成时，奥氏体晶粒是比较小的。这是由于珠光体内铁素体和渗碳体的相界面很多，有利于形成数目众多的奥氏体晶核。不论原来钢的

33、晶粒是粗或是细，通过加热时的奥氏体化，都能得到细小晶粒的奥氏体。但是随着加热温度的升高，保温时间的延长，奥氏体晶粒会自发地长大，它是通过晶粒之间的相互吞并来完成的。加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越大。 钢在具体加热条件下获得的奥氏体晶粒大小，称为奥氏体的实际晶粒。它的大小对冷却转变后钢的性能有明显的影响，奥氏体晶粒细小，冷却后产物组织的晶粒也细小。细晶粒组织不仅强度、塑性比粗晶粒高，尤其是韧性有明显的提高。因此，钢在加热时，为了得到细小而均匀的奥氏体晶粒，必须严格控制加热温度和保温时间。 为了测定或比较钢的实际晶粒大小，将试样在金相显微镜下放大 100 倍，把显微镜下看到的晶粒大小与标

34、准晶粒号(见图 5)相比较来确定。晶粒号分 8 级，其中 14 级为粗晶粒，58 级为细晶粒。图 5 标准晶粒号示意图192、钢在冷却时的转变钢经加热获得奥氏体组织后，如在不同的冷却条件下冷却，最后可使钢获得不同的力学性能。如 45 钢制造的直径为 15mm 的轴，经 840加热后，如在空气中冷却，其表面硬度小于 HBS209；如在油中冷却，其表面硬度可达 HRC45 左右；如在水中冷却，其表面硬度则可达 HRC56 左右。可见，同样的钢，加热条件相同，但由于冷却条件不同，它们在性能上会产生明显差别。为了弄清这些差别的原因，必须了解奥氏体在冷却过程中的组织变化规律。在热处理工艺中，常采用等温冷

35、却和连续冷却两种冷却方式。其工艺曲线如图 6 所示。由于等温转变对研究钢在冷却时的组织转变较为方便，下面以共析钢为例，说明冷却方式对钢组织及性能的影响。图 6 两种冷却方式示意图1)连续冷却 2)等温冷却（1）过冷奥氏体的等温转变 奥氏体在临界点 Al 以下是不稳定的，必定要发生转变。但并不是一冷却到 A1 温度以下立即发生转变，在共析温度以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体。将钢经奥氏体化后冷却到相变点以下的温度区间内等温保持时，过冷奥氏体所发生的相转变称为等温转变。过冷奥氏体在不同过冷度下的等温过程中，转变温度、转变时间与转变产物量(转变开始及终了)的关系曲线图称为等温转变图，也称 C 曲线图或

36、 TTT 曲线图。等温转变图是一种用来研究冷却过程中，奥氏体不平衡转变的重要工具。1) 等温转变图的建立 钢的奥氏体等温转变图是用实验方法建立的。下面以共析钢为例来说明等温转变图的建立。把含碳量为 0.77的共析钢制成若干个一定尺寸的试样，加热到 Ac1 以上的温度，使其组织成为均匀的奥氏体。然后，分别迅速地放入低于 A1 的不同温度(例如 710、650、20550、500、450、350)的熔盐槽中，迫使奥氏体过冷，发生等温转变。再在不同的温度等温过程中，测出的过冷奥氏体转变开始和终了的时间，把它们按相应的位置标记在时间温度坐标图上。分别连接各开始转变点(a 点)和转变终了点(b 点)，便

37、得到如图 7所示的曲线图，这一曲线图称奥氏体等温转变图图 7 共析钢奥氏体等温转变曲线建立方法示意图 图 8 共析钢的等温转变图由共析钢的等温转变图(图 8)可知，在 A1 以上是奥氏体稳定区域。 aa为过冷奥氏体转变的开始线，在转变开始线左方是过冷奥氏体区(这一时间称为孕育期)；bb为过冷奥氏体转变终了线，在转变终了线右方，转变已经完成，是转变产物区。在 aa线与 bb线之间是过渡区，转变正在进行中。在等温转变图的下方有两根水平线，Ms 称为上马氏体点，约 230，Mr 称为下马氏体点约一 50。在等温转变图上的“C”字曲线拐弯处(约 550)俗称“鼻子” ，孕育期最短，此时奥氏体最不稳定，

38、最容易分解。2） 过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能 过冷奥氏体在 A1 以下等温转变的温度不同，转变产物也不同，在 Ms 点以上，可发生以下两种类型的转变：珠光体转变 在 A1550温度范围内。奥氏体等温分解为铁素体和渗碳体的片层状混合物珠光体，即奥氏体向珠光体转变。在珠光体转变区内，转变温度越低(过冷度越大)，则形成的珠光体片层越薄。根据所形成的珠光体片层间距大小，分别称为珠光体、索氏体和托氏体(见表 1)。其中珠光体片层较粗，索氏体片层较细，托氏体片层更细，需要用电子显微镜才能分辨出它们呈片状。21珠光体的力学性能主要取决于片层间距的大小，片层间距越小，则珠光体的塑性变形抗力越大，强度和

39、硬度越高，同时塑性、韧性也有所改善。表 1 共析钢珠光体转变所形成的组织组织名称 符号 形成温度范围（） 大致片层间距 um 硬度（HRC）珠光体 P A1680 0.60.8 25索氏体 S 680600 0.10.3 2535托氏体 T 600550 0.1 3540贝氏体转变 在 550Ms 温度范围内，因转变温度较低，原子的活动能力较弱，过冷奥氏体虽然仍分解成渗碳体和铁素体的混合物，但铁素体中溶解的碳超过了正常的溶解度。转变后得到的组织为含碳量具有一定过饱和程度的铁素体和极分散的渗碳体所组成的混合物，称为贝氏体，用符号“B“ 表示。贝氏体有上贝氏体和下贝氏体之分，通常把 550350范

40、围内形成的贝氏体称为上贝氏体，它在显微镜下呈羽毛状的组织，如图 9a 所示。在 350Ms 范围内形成的贝氏体称为下贝氏体，在显微镜下呈黑色针状的组织，如图 9b所示。图 9 贝氏体显微组织a)上贝氏体 b)下贝氏体3）马氏体转变 当钢从奥氏体区急冷到 Ms 时，奥氏体便开始转变为马氏体。这是一种非扩散过程，因为转变温度低，原子扩散能力小，在马氏体转变过程中，只有铁的晶格改组，不发生碳的扩散。为此，包含在奥氏体中的碳，转变后原封不动地保留在铁的晶格中，大量碳原子的存在，使 Fe 品格畸变，使马氏体晶格成了碳原子位于晶格间隙位置的体心立方晶格，如图 10 所示。22马氏体形成后，碳的溶解量达到过

41、饱和状态，所以，碳在 Fe 中的过饱和固溶体，称为马氏体，用符号“M”表示。马氏体转变的特点：马氏体转变是在一定温度范围内(MsMr)，连续冷却过程中进行的，马氏体的数量随转变温度的下降而不断增多，如果冷却在中途停止，则奥氏体向马氏体转变也停止，马氏体转变速度极快。转变时体积发生膨胀(马氏体的比容比奥氏体的比容大)，因而产生很大内应力。故马氏体转变不能进行到底，即使过冷到 Mf 以下温度，仍有一定量奥氏体存在。这部分奥氏体称为残余奥氏体。 图 10 马氏体晶格示意图马氏体的显微组织如图 11 所示。图 11a 所示为含碳量高(1.0)的马氏体，每个马氏体晶体的厚度与径向尺寸相比是很小的，其断面

42、形状呈针状，故称为针状马氏体。针状马氏体的性能特点是硬度高而脆性大，图 11b 所示为含碳量(02)较低的马氏体，其单元立体形状为板条状，故称板条马氏体。板条马氏体的性能特点是具有良好的强度及较好的韧性。图 11 马氏体的显微组织a)针状马氏体 b)板条马氏体马氏体的硬度主要取决于马氏体中的含碳量。马氏体中由于溶入过多的碳而使 Fe晶格发生畸变，增加其塑性变形的抗力，故马氏体的含碳量越高，其硬度也越高，如图 12所示。但当钢中含碳量大于 0.6时，淬火钢的硬度增加很慢。23图 12 舍碳量与淬火钢硬度的关系（2）等温转变图的应用1）在等温转变图上估计连续冷却转变产物 钢经奥氏体化后，在连续冷却

43、过程中，过冷奥氏体氏体所发生的相转变称为连续冷却转变。因为连续冷却转变图的测定比较困难，故常用等温转变图近似地分析连续冷却转变的过程。下面以共析钢为例加以说明。把代表连续冷却的冷却曲线叠画在等温转变图上(见图 13)，根据它们同 C 曲线相交的位置，便可大致估计其冷却转变情况。例如，图中冷却速度 V1 相当于随炉冷却，则奥氏体将在 A1 以下附近的温度进行转变，得到较为粗片的珠光体组织； V2 相当于在空气中的冷却速度，可估计出它将转变为索氏体；V 3 相当于在油中的冷却速度，则奥氏体在 “鼻子”附近分解一小部分，而其余的奥氏体则转变为马氏体，最后得到托氏体和马氏体的混合组织：V4 相当于在水

44、中冷却，它不与 C 曲线相交，则奥氏体将全部过冷到 Ms 以下进行马氏体转变。图 13 在 C 曲线上估计连续冷却时的组织2）确定马氏体临界冷却速度 为了使奥氏体过冷至 Ms 之前不发生任何转变，使淬火得到马氏体组织，则其冷却速度必须大于 V 临。图 13 中 V 临恰好与 C 曲线“鼻尖”相切，表示钢在淬火时为抑制非马氏体转变所需的最小冷却速度。马氏体临界冷却速度的大小是选择热处理冷却介质及评定钢淬透性的主要依据。各种钢的等温转变图可在有关手册中查到。必须指出，用等温转变图来估计连续冷却转变过程是很粗略的，要比较精确地定性、24定量说明连续冷却时的转变，必须借助于连续冷却转变图。本章不作介绍

45、。3、 退火与正火（1）退火将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却(一般随炉冷却)的热处理工艺称为退火。退火的目的：、降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。、细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理作准备。、消除钢的残余内应力，以防变形和开裂。常用的退火方法有完全退火、球化退火、去应力退火等几种。1）完全退火 将钢完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接近平衡状态组织的工艺称为完全退火。 完全退火在加热热过程中，使钢的组织全部转变为奥氏体，在冷却过程中，奥氏体转变为细小而均匀的平衡组织，从而降低钢的强度、细化晶粒、充分消除内应力。完全退火主要用于中碳钢及低、中

46、碳合金结构钢的锻件、铸件等。过共析钢不宜采用完全退火。因为过共析钢完全退火需加热到 Accm 以上，在缓慢冷却时，钢中将析出网状渗碳体，使钢的力学性能变坏。2）球化退火 为使钢中碳化物呈球状化而进行的退火称为球化退火。球化退火工艺为：加热温度在 Ac1 以上 2030，保温一定时间，以不大于 50h的冷却速度随炉冷却下来，得到球状珠光体组织。球状珠光体组织是其中的渗碳体呈球形的颗粒，弥散分布在铁素体基体之内的混合物。如图 14 所示。球状珠光体同片状珠光体相比。不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易粗大，冷却时工件的变形和开裂倾向小。25图 14 球状珠光体球化退火适用于共

47、析钢及过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。这些钢在锻造加工以后，必须进行球化退火，才适于切割加工，同时也为最后的淬火处理做好组织准备。 在球化退火前，若钢的原始组织中有明显网状渗碳体时，应先进行正火处理。3）去应力退火 为了去除由于塑性变形、焊接等原因造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的退火称为去应力退火。去应力退火工艺是：将钢加热到略低于 A1 的温度（一般取 550650） ，经保温缓慢冷却即可。在去应力退火中，钢的组织不发生变化，只是消除内应力。零件中存在的内应力是十分有害的，如不及时消除，将使零件在加工及使用过程中发生变形，影响工件的精度。此外，内应力与外加载荷叠加在一起，还会引起材料发生意外的断裂。因此，锻造、铸造、焊接以及切削加工后（精度要求高）的工件应采用去应力退火，以消除加工过程中产生的内应力。（2）正火将钢材或钢件加热到 Ac3 或 Accm 以上 3050，保温适当的时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火与退火两者的目的基本相同，但正火的冷却速度比退火稍快，故正火钢的组织比较细，它的强度、硬度比退火钢高。正火主要用于普通结构零什，当力学性能