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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。 可锻铸铁 C团絮状石墨存在，是将白口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。4、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防止措施 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 焊接材料冷焊 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（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，P0.045优质碳素钢 S0.035，P0.035高级优质碳素钢 S0.03，P0.0353）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。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”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。 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，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，它在高温下能抵抗氧化和其它介质侵蚀，并有一定的强度，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 持久强度 蠕变极限 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，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。5）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C1或B1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，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 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。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，A1、A3、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、Ac3、Accm来表示；冷却时的各临界点分别用Ar1、Ar3、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、Ac3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2、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、550、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，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。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PA16800.60.825索氏体S6806000.10.32535托氏体T6005500.13540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。 马氏体形成后，碳的溶解量达到过饱和状态，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。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；V3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、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。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。图14 球状珠光体球化退火适用于共析钢及过共析钢，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，当力学性能要求不太高时可作为最终热处理；作为预备热处理，可改善低碳钢或低碳合金钢的切削加工性；消除过共析钢中的网状渗碳体，改善钢的力学性能，并为以后的热处理作好准备。（3）退火与正火的选择 退火与正火从某种程度上讲有相似之处，实际选用时可以从以下三方面考虑。 1）从切削加工性考虑 一般认为硬度往l70230HBS范闹内的钢材，其切削加工性最好。硬度过高难以加工，而且刀具容易磨损。硬度过低，切削时容易“粘刀”使刀具发热而磨损，而且工件的表面不光。因此，作为预备热处理低碳钢正火优于退火，而高碳钢正火后硬度过高，必须采用退火，图15为各种碳钢退火和正火的大致硬度值，其中阴影线部分为切削加工性较好的硬度范围。 2）从使用性能上考虑 对于亚共析钢制的零件来说，正火处理比退火具有较好的力学性能(见表2)。如果零件的性能要求不高，则可用正火作为最终热处理。但当零件形状复杂时正火的冷却速度较快，有引起开裂的危险，则以采用退火为宜。 3）从经济上考虑 正火比退火的生产周期短，成本低，操作方便，故在可能的条件应优先采用正火。图15退火和正火后钢的硬度值范围1一正火 2退火 3球化退火表2 45钢正火、退火状态的力学性能各种退火、正火的加热温度范围和工艺曲线如图4一16所示。图416各种退火和正火的工艺示意图a)加热温度范围 b)工艺曲线l完全退火 2一球化退火 3一去应力退火 4一正火4、钢的淬火 将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间，然后以适当速度冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。 淬火的主要目的是把奥氏体化的钢件淬成马氏体，然后和不同回火温度相配合，获得所需的力学性能。（1） 淬火冷却起始温度的选择钢的淬火冷却起始温度可根据FeFe3C相图来选择，见图17。图17 碳钢淬火温度范围亚共析钢的淬火冷却起始温度应选择在Ac3以上3050。这是为了得到细晶粒的奥氏体，以便淬火冷却获得细小的马氏体组织。如果加热温度过高，则引起奥氏体晶粒粗化，淬火后马氏体的组织粗大，使钢脆化。若加热温度过低(在Ac1-Ac3之间)，则淬火组织中含有未溶铁素体，将降低淬火工件的硬度及力学性能。过共析钢的淬火冷却起始温度选择在Ac1以上3050，淬火后形成在细小马氏体基体上均匀分布着细小渗碳体的组织。这种组织不仅耐磨性好，而且脆性也小，如果淬火冷却起始温度选择在Accm以上，不仅使奥氏体的晶粒粗化，淬火后得到粗大马氏体，增大脆性及变形开裂倾向，而且残余奥氏体量也多，降低了钢的硬度，因此，过共析钢加热到Ac1以上是适宜的。（2）淬火介质淬火后要求得到马氏体组织，故淬火冷却速度必须大于临界冷却速度。但冷却速度过快，工件的体积收缩及组织转变都很剧烈，从而不可避免地引起很大的内应力，容易造成工件变形及开裂，因此淬火介质的选择是个极其重要的问题。根据碳钢的等温转变图可知，为了拟制非马氏体转变的产生，在C曲线“鼻尖”附近（550左右）需要快冷，而在650以上或400以下温度范围，并不需要快冷。特别在Ms线附近发生马氏体转变时，尤其不应快冷，否则容易造成变形及开裂，因此，钢的理想冷却速度如图18所示。图18钢的理想淬火冷却速度 常用的淬火介质有水和盐类水溶液，以及油、熔盐、空气等。 不同淬火介质的冷却能力不同。介质冷却能力用淬火冷却烈度(H值)来表示。表3为几种冷却介质的H值。 从表3看出，为了获得更有效的冷却过程，工件淬入淬火介质要进行搅动，提高工件表面和淬火介质间的传热速度，从而获得更有效的冷却过程。表3 常用介质的冷却烈度 为了保证钢中的奥氏体转变为马氏体，而不出现非马氏体组织，对于临界冷却速度大的碳钢常采用淬火冷却烈度大的水或水溶液作为淬火介质；而合金钢一般适于用油作为淬火介质。（3）淬火方法 为了使淬火时最大限度地减少变形和避免开裂，除了正确地进行加热及合理选择冷却介质外，还应该根据工件的成分、尺寸、形状和技术要求选择合适的淬火方法。常用淬火方法如图19所示。单液淬火法 将钢件奥氏体化后，在单一淬火介质中冷却到室温的处理，称为单液淬火，如图19a中的曲线l所示。单液淬火时碳钢一般用水冷淬火；合金钢可用油冷淬火。单液淬火操作简单，易实现机械化、自动化。但由于单独用水或油、冷却特性不够理想，所以容易产生硬度不足或开裂等淬火缺陷。双介质淬火 将钢件奥氏体化后，先浸入一种冷却能力强的介质中，在钢的组织还未开始转变时迅速取出，马上浸入另一种冷却能力弱的介质中，缓冷到室温。如先水后油、先水后空气等。双介质淬火如图19a中曲线2所示。 双介质淬火的优点是内应力小，变形及开裂少，缺点是操作困难，不易掌握，故主要应用于碳素工具钢制造的易开裂的工件，如丝锥等。马氏体分级淬火 钢件奥氏体化后，随之浸入温度稍高或稍低于钢的上马氏体点的液态介质中，保持适当时间，待钢件的内外层都达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺称为马氏体分级淬火，如图19b所示。 马氏体分级淬火的钢在淬火地点附近保温，使工件内外的温差减到最小，可以减轻淬火应力，防止工件变形和开裂。但由于盐浴的冷却能力较差，对碳钢零件，淬火后会出现非马氏体组织。因而马氏体分级淬火主要应用于淬透性好的合金钢或截面不大、