七.热处理原理

热处理原理一.概述二.钢在加热时的转变三.钢在冷却时的转变四.马氏体转变五.淬火钢在回火时的转变一.概述定义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工艺.热处理工艺中的冷却方式：

(1)等温处理

将钢迅速冷却到临界点以下的给定温度,进行保温,使其在该温度下恒温转变.

(2)连续冷却

钢以某种速度从高温到低温度连续冷却,在临界点以下变温连续转变.

二.钢在加热时的转变(一).奥氏体的形成1.钢在加热时的临界温度

(1)奥氏体化实际热处理中,加热时相变温度偏向高温,冷却时偏向低温,且加热和冷却速度愈大偏差愈大.

将加热时的临界温度标为Ac1、Ac3、Accm,冷却时标为Ar1、Ar3、Arcm.

2.钢在加热时的组织转变

共析钢加热到Ac1以上(亚共析钢加热到Ac3

、或过共析钢加热到Accm以上时)时，获得单一的奥氏体。

四个基本过程：

(1)奥氏体晶核的形成(2)奥氏体晶核的长大

(3)剩余渗碳体的溶解(4)奥氏体成分的均匀化(二).影响奥氏体转变速度的因素加热温度

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、镍等加快奥氏体化过程；

铬、钼、钒等减慢奥氏体化过程；

硅、铝、锰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，保温时间较长

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。(三).钢的奥氏体晶粒度

1标准晶粒度等级分为8级:

1～4级为粗晶粒度，5～8级为细晶粒度。

2.实际晶粒度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。

3.本质晶粒度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。

本质细晶粒钢和本质粗晶粒钢。

4.影响奥氏体晶粒度的因素

（1）加热温度和保温时间

随加热温度升高或在一定温度下保温时间延长,晶粒将逐渐长大。

（2）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,其碳化物、氧化物和氮化物弥散分布在晶界上,能阻碍晶粒长大,有利于得到本质细晶粒钢。锰和磷促进晶粒长大。

三.钢在冷却时的转变

(一).过冷奥氏体

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。(二).钢过冷奥氏体的等温转变

1.共析钢过冷A的等温转变曲线图

(简称:共析钢的C曲线或TTT曲线)（1）高温转变区(珠光体转变区)

在A1～550℃之间,过冷奥氏体的转变产物为珠光体型组织。珠光体的转变为扩散型。

珠光体型组织是铁素体和渗碳体的机械混合物,渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，转变温度越低，层间距越小。

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)

(a)珠光体3800倍(b)索氏体8000倍(c)屈氏体8000倍(2)中温转变区(贝氏体转变区)

在550℃～Ms之间,过冷奥氏体的转变产物为贝氏体型组织。贝氏体是渗碳体分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物。贝氏体转变为半扩散型(铁原子不扩散而碳原子有一定扩散能力)。

在550℃～350℃之间转变为上贝氏体（上B)，呈羽毛状,小片状的渗碳体分布在成排的F片之间。光学显微镜照片500×电子显微镜照片5000×上贝氏体形态在350℃～Ms之间的转变为下贝氏体(下B),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。

上B中F片较宽,塑性变形抗力较低,同时Fe3C分布在F片之间,容易引起脆断,强度和韧性都较差。

下B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。光学显微镜照片500×电子显微镜照片5000×下贝氏体形态2.亚共析钢过冷奥氏体的等温转变

亚共析钢（钢45）的C曲线

亚共析钢的C曲线在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素体的转变开始线。

亚共析钢随着含碳量的减少，C曲线位置往左移，同时Ms、Mf线住上移。

亚共析钢的过冷奥氏体等温转变过程与共析钢类似。只是在高温转变区过冷奥氏体将先有一部分转变为铁素体，剩余的过冷奥氏体再转变为珠光体型组织。3.过共析钢过冷奥氏体的等温转变

过共析钢（T10）的C曲线过共析钢的C曲线的上部为过冷A中析出二次渗碳体(Fe3CII)开始线。

当加热温度为Ac1以上30℃～50℃时，过共析钢随着含碳量的增加,C曲线位置向左移,同时Ms、Mf线往下移。

过共析钢的过冷A在高温转变区,将先析出Fe3CII,其余的过冷A再转变为珠光体型组织。

当钢中碳的质量分数为0.2%～0.8%时:

Ms=520-320•%C-45•%Mn-35•%Cr-25•%Mo

-26•%Ni-30•%V-7•%Cu+18•%Al+12•%Co

(三).过冷奥氏体的连续冷却转变

1.共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变

(简称:共析钢的CCT曲线)

炉冷时过冷A转变为P（粗片状），转变温度较高。空冷时过冷A转变为S，转变温度降低，为细片状组织。油冷时过冷A先有一部分转变为T，剩余的过冷A在冷却到Ms点以下后转变为M，冷却到室温时，还有少量A保留下来（A残），转变后组织为T+M+A残。水冷时过冷A在Ms点以下转变为M，冷却到室温时也有少量A残。

在共析钢的CCT曲线中，冷却速度大于Vk（上临界冷却速度）时得到的组织为（M+A残）。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在连续冷却转变时得不到贝氏体组织。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。uA化温度830℃,保温15min温度℃时间s亚共析钢(45钢)的CCT曲线2.亚共析钢过冷A的CCT曲线

在高温时部分将转变为F，在中温转变区会有少量上B产生。如油冷的产物为F+T+上B+M，F和上B量少可忽略。温度℃时间s过共析钢(T10钢)的CCT曲线1.03%C,0.22%MnA化温度:860℃MsMAPFe3C876867347289104HV3.过共析钢过冷A的CCT曲线

过共析钢过冷A的连续冷却转变过程中无贝氏体转变。

在高温区，将首先析出二次渗碳体,而后转变为其它组织。油冷、水冷后的组织中应有A残。

四.马氏体转变

过冷A在Ms～Mf之间转变为M,该温区称M转变区

(一).马氏体转变特点1.马氏体转变是非扩散型转变

铁和碳原子都不能进行扩散.铁原子沿奥氏体一定晶面,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),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.

马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体.过饱和碳使α-Fe的晶格严重畸变,产生强烈的固溶强化.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.奥氏体中的碳质量分数(二).马氏体形态

低碳马氏体(0.25%C以下)是板条马氏体,也是位错马氏体.高碳马氏体(1.0%C以上)是针状马氏体,也是孪晶马氏体.

低碳马氏体高碳马氏体

(三).马氏体的特点

1.硬度很高。

过饱和碳的固溶强化,位错孪晶剧烈增殖的位错强化,细晶强化(M形成时,M被分割成许多较小的位向不同的区域-M束,相当晶粒细化)

2.M的塑性和韧性

高碳M过饱和度大、内应力高且为孪晶结构,所以硬而脆,塑性、韧性极差,但晶粒细化得到的隐晶M却有一定的韧性

低碳M过饱和度小,内应力低且为位错亚结构,不仅强度高,塑性、韧性也较好.

3.M的物理性能变化。A转变为M时体积膨胀.顺磁性变铁磁相,晶格畸变严重,因此电阻率增高.五.淬火钢在回火时的转变(一).淬火钢的回火转变及组织1.马氏体中碳的偏聚

T回火为80-100℃以下时,M中过饱和的碳原子向晶体缺陷处聚集.2.马氏体分解

T回火>80℃,开始从过饱和α固溶体(M)中析出ε-FexC,ε碳化物具有密排六方晶格,和母相α共格联系.M分解形成的低碳α相和弥散分布的ε碳化物组成的复相称为回火马氏体.直到约350℃,M分解结束.3.残余奥氏体转变在140℃回火时残余A开始分解.在140-250℃低温回火时,部分残余A转变为下贝氏体.

残余A和过冷A无本质区别,在更高温度回火时,按其c曲线作相应转变.4.碳化物的转变

M分解和残余A转变形成的ε-FexC是亚稳定过渡相,250-400℃回火时向更稳定的碳化物转变:ε-FexC→x-Fe5C2→θ-Fe3C

刚形成的θ-Fe3C和母相共格联系,接近400℃时,长大到一定尺寸,脱离α相独立.400℃回火时,M完全分解,成为针状α相和独立、细小的Fe3C相的机械混合物,称回火屈氏体.5.碳化物的集聚长大和α相再结晶⑴回火温度大于400℃时,已脱离共格关系的渗碳体开始集聚长大.⑵400-500℃回火时,α相发生回复:α相的形态保持板条状(针状),由于碳化物的析出,α相的晶格畸变大为减少,位错密度下降,残余内应力基本消除,剩余位错排列成墙,形成亚晶粒.⑶回火温度大于500℃时,α相发生再结晶:α相由板条晶(或针状)逐步变成位错密度很低的等轴晶,这种多边形的铁素体和粗粒状渗碳体的机械混合物为回火索氏体.回火索氏体(二).淬火钢在回火中的性能转变40钢20钢35钢60钢T12T8(三).回火脆性

钢在回火时会产生回火脆性现象,即在250～400℃(第一类回火脆性)和4