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钢在加热时的转变 热处理将固体金属或合金在一定介质中的加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需要的工艺性能。大多数热处理工艺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，即奥氏体化。 奥氏体的形成奥氏体的形成是形核和长大的过程，也是Fe，C原子扩散和晶格改变的过程。 分为四步。共析钢中奥氏体的形成过程如图1所示： 第一步奥氏体晶核形成：首先在a与Fe3C相界形核。第二步奥氏体晶核长大：g晶核通过碳原子的扩散向a和Fe3C方向长大。 第三步残余Fe3C溶解:铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。 第四步奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。图1奥氏体的形成示意图 亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析a或二次Fe3C的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上。 2.影响奥氏体转变速度的因素 （1）加热温度和速度增加转变快； （2）钢中的碳质量分数增加或Fe3C片间距减小界面多，形核多转变快； (3)合金元素钴、镍增加奥氏体化速度，铬、钼等降低奥氏体化速度。 3.奥氏体晶粒度 （1）奥氏体晶粒度奥氏体晶粒越细，退火后组织细，则钢的强度、塑性、韧性较好。淬火后得到的马氏体也细小，韧性得到改善。某一具体热处理或加工条件下的奥氏体的晶粒度叫实际晶粒度。奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时晶粒细小均匀。通常将钢加热到93010奥氏体化后，保温8小时，设法把奥氏体晶粒保留到室温测得的晶粒度为本质晶粒度。用来衡量钢加热时奥氏体晶粒的长大倾向。g晶粒度为1-4级的是本质粗晶粒钢,5-8级的是本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。 （2）影响奥氏体晶粒度的因素 第一，加热温度越高，保温时间越长晶粒尺寸越大。 第二，碳质量分数越大晶粒长大倾向增多。加入合金有利于得到本质细晶粒钢。 钢在冷却时的转变 处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。冷却的方式有两种，第一是等温冷却，使其在某个温度下恒温转变，第二是连续冷却。 1.过冷奥氏体的等温转变 过冷奥氏体:当温度在A1以上时，奥氏体是稳定的。在A1以下时，奥氏体处于过冷状态称为过冷奥氏体。过冷奥氏体转变是在临界点以下某个恒温下发生，就称为过冷奥氏体的等温转变。转变在连续冷却的过程中发生，称为过冷奥氏体的连续冷却转变。 共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线（TTT或C曲线）如图1所示。 图1共析钢的C曲线 随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。 高温转变，A1550，过冷奥氏体珠光体型组织，此温区称为珠光体转变区， 珠光体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，按层间距珠光体组织分为珠光体P、索氏体S和屈氏体T，如图2所示。形成温度为A1-650，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示；形成温度为650-600，片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S表示。形成温度为600-550，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示。 珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。 屈氏体索氏体珠光体 图2不同温度下的珠光体转变组织 珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。珠光体转变是扩散型转变。珠光体显微组织转变过程见（I3-17）。 中温转变，550MS过冷奥氏体贝氏体（B），此温度区称为贝氏体转变区。 过冷奥氏体在350550之间转变产物称为上贝氏体。过冷奥氏体在350MS之间转变产物称为下贝氏体。上贝氏体呈羽毛状，小片渗碳体分布在成排铁素体片之间。上贝氏体显微组织见 （I3-18），其形成温度较高，铁素体片较宽，塑性变形抗力较低，且渗碳体分布在铁素体片之间，易引起脆断，强度和韧性都较差。上贝氏体的转变过程见图3所示。 图3上贝氏体转变过程 下贝氏体呈黑色针状，下贝氏体显微组织见（I3-19），铁素体针内沿一定方向分布细 小的碳化物颗粒。其形成温度较低，铁素体针细小，无方向性，碳过饱和度大，位错密度高。碳化钨分布均匀，弥散度大，所以硬度高，韧性好，有实际应用价值。下贝氏体的转变过程见图4所示。贝氏体的转变是只有C原子扩散的半扩散型转变。 图4下贝氏体转变过程 低温转变，MSMf过冷A马氏体(M)。 当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织，是Fe原子和C原子都不扩散的非扩散型转变，马氏体转变是强化钢的重要途径之一。马氏体是碳在a-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。 马氏体具有体心正方晶格（a=bc），轴比c/a称马氏体的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸变越严重。当0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格。 马氏体的形态分板条和针状两类。第一种是板条马氏体，其立体形态为细长的扁棒状，在光学显微镜下板条马氏体为一束束的细条组织。每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列，一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束。在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错，r=1012/cm2,又称位错马氏体。显微组织见（I3-20）。第二种是针状马氏体，其立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。显微组织见（I3-21）。马氏体的形态主要取决于其含碳量，当C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体，C%大于1.0%C时几乎全部是针状马氏体，C%在0.2-1.0%之间为板条与针状的混合组织。其形态与含碳量的关系如图5所示。 图5马氏体形态与含碳量的关系 马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性。 过冷奥氏体的连续转变 实际生产中多采用连续冷却，研究连续冷却更有实际意义。 共析钢过冷奥氏体连续冷却转变。 共析钢过冷A的连续冷却转变曲线（CCT）如图6所示。共析钢的CCT曲线没有贝氏体转变区，在珠光体转变区之下多了一条转变中止线。当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变中止，余下的奥氏体一直保持到Ms以下转变为马氏体。 图6共析钢过冷奥氏体冷却曲线 图6中的Vk为CCT曲线的临界冷却速度，即获得全部马氏体组织时的最小冷却速度，Vk为TTT曲线的临界冷却速度。Vk1.5Vk。CCT曲线位于TTT曲线右下方。CCT曲线获得困难，TTT曲线容易测得。可用TTT曲线定性说明连续冷却时的组织转变情况。方法是将连续冷却曲线绘在C曲线上，依其与C曲线交点的位置来说明最终转变产物。 转变过程及产物： 在缓慢冷却时，过冷A将转变为珠光体，其转变温度高，珠光体呈粗片状。以稍快速度冷却时，过冷A转变为索氏体，为细片状组织。采用油冷时过冷A有部分转变为屈氏体，剩余A在冷却到MS线下以后转变为马氏体，冷却到室温时，还有少量的A留下来，称为残余奥氏体。当以很快的速度水冷时，奥氏体过冷到MS点以下，发生马氏体转变，冷却到室温也会保留部分残余A，组织为残余奥氏体+马氏体。 过冷A为马氏体低温转变过程，转变温度在MSMf之间，该温区称为马氏体转变区。 亚共析钢过冷奥氏体连续冷却转变 炉冷F+P空冷F+S油冷T+M水冷M过共析钢过冷奥氏体连续冷却转变 炉冷P+Fe3C 空冷S+Fe3C 油冷T+M+A水冷M+A过共析钢CCT曲线也无贝氏体转变区,但比共析钢CCT曲线多一条AFe3C转变开始线。由于Fe3C的析出,奥氏体中含碳量下降,因而Ms线右端升高。 亚共析钢CCT曲线有贝氏体转变区，还多AF开始线,F析出使A含碳量升高,因而Ms线右端下降，如图7所示。 图7a过共析钢CCT曲线图7b亚共析钢CCT曲线 综上所述，刚在冷却时，过冷奥氏体的转变产物根据转变温度的高低可分为高温产物珠光体、索氏体、屈氏体，中温产物上贝氏体、下贝氏体，低温转变产物马氏体。随着转变温度的降低，其转变产物的硬度增加，韧性变化较为复杂。 钢的普通热处理 1.退火 将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温到一定时间，然后缓慢冷却（随炉冷却），获得接近平衡状态组织的热处理工艺。退火的目的是调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HBS；消除内应力，防止加工中变形；细化晶粒，为最终热处理作组织准备。常用的退火设备为退火炉（I3-22）。 根据目的和要求分类，钢的退火分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火。各种退火方式的加热温度如图1所示。 图1退火方式 完全退火重结晶退火，钢加热到Ac3以上20-30，保温一段时间后随炉冷却，获得接近平衡组织的热处理工艺。目的通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，以提高性能。或使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态的组织，以降低硬度，改善切削加工性能。 应用亚共析钢，过共析钢不宜采用。 等温退火是将钢件或毛坯加热高于Ac3以上30到50度的温度保温适当时间后较快的冷却到珠光体区的某一温度，并等温保持，使奥氏体转变为珠光体组织，缓慢冷却。目的与完全退火相同，但转变较易控制，对于奥氏体较稳定的合金钢，缩短退火时间。 球化退火随炉加热到Ac1+30-50，在较长的保温一段时间，保证二次渗碳体自发球化，之后随炉冷却。 应用过共析钢，如工具钢、滚珠轴承钢等。 目的使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化，以降低硬度，改善切削加工性能，为淬火作准备。球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织，称球状珠光体（I3-23），用P球表示。对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先进行正火，以消除网状。 扩散退火为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线的温度，长时间的保温并进行缓慢冷却工艺。扩散退火后钢的晶粒很粗大，因此一般再进行完全退火或正火。 去应力退火为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行低温退火。将钢件加热至低于Ac1的某一温度，保温，随炉冷却。 2.正火 钢材或钢件加热到Ac3（亚共析钢）和Accm（过共析钢）以上3050，保温适当时间后，在自由流动的空气中均匀冷却的热处理工艺为正火。 正火后的组织:亚共析钢为F+S,共析钢为S，过共析钢为S+Fe3C正火与完全退火的主要差别在于冷却速度快些，目的是让钢组织正常化，亦称常化处理。 应用： 最终热处理正火可以细化晶粒，使组织均匀化，减少亚共析钢中铁素体含量，使珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。对于普通结构钢零件，机械性能要求不高时，作为最终热处理。 预先热处理对于截面较大的合金结构钢件，在淬火或调质处理前常进行正火处理。改善切削加工性能低碳钢或低碳合金钢退火后硬度太低，不便于切削，正火提高硬度。 要改善切削加工性能，低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火,高碳钢用球化退火方式。 3.淬火 将钢加热到相变温度以上，保温一段时间，然后快速冷却获得马氏体组织的热处理工艺。淬火是钢的最重要的强化方法，常用的淬火设备为淬火炉（I3-24）。 淬火工艺 淬火温度的选定 一般情况，亚共析钢的淬火温度为Ac3以上3050；亚共析钢淬火后的组织（I3-25） 为马氏体或马氏体加残余奥氏体；共析钢和过共析钢的淬火温度为Ac1以上3050。共析钢淬火后的组织（I3-26）为马氏体加残余奥氏体，过共析钢淬火后的组织（I3-27）为马氏体加残余奥氏体加少量渗碳体颗粒。 加热时间的确定，加热时间包括升温和保温时间。 淬火冷却介质 常用的冷却介质是水和油，水的温度控制在30以下，在生产上主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。淬火油一般用于合金钢的淬火介质。为了减少零件淬火的变形，可用盐浴作为淬火介质。 淬火方法 常用淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火。 钢的淬透性 钢的淬透性 钢接受淬火时形成马氏体的能力叫做钢的淬透性。在实际生产中，往往要测定淬火工件的淬透层深度试样表面至半马氏体区的距离。同样淬火条件下，淬透层深度越大，则反应钢的淬透性越好。钢淬火后硬度会大幅度提高，能够达到的最高硬度较钢的淬硬性，主要取决于马氏体的含碳量。 同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质有关。工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。淬透性与工件尺寸、冷却介质无关，它只用于不同材料之间的比较，是通过尺寸、冷却介质相同时的淬硬层深度来确定的。 影响淬透性的因素 钢的淬透性由其临界冷却速度决定，临界冷却速度越小，奥氏体越稳定，钢的淬透性越好。 a碳质量分数共析钢淬透性最好。 b合金元素合金钢的淬透性比碳钢好。 c奥氏体化温度，提高奥氏体温度增加淬透性。 d钢中未熔第二相，第二相越多，淬透性降低。 淬透性曲线应用 利用淬透性曲线，可比较不同钢种的淬透性，淬透性是选择钢材的重要依据。 对于截面承载均匀的重要件，要全部淬透，如螺栓、连杆、模具等。对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透(淬硬层深度一般为半径的1/21/3)，如轴类、齿轮等。 4.回火 回火钢件淬火后，为了消除内应力防止变形或开裂（I3-28），并获得所要求的组织和性能，将其加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。常用的回火设备为回火炉（I3-29）。 回火时组织会发生转变，组织转变分为四个阶段。 （1）马氏体的分解 100回火时，钢的组织无变化。100-200加热时，马氏体将发生分解,从马氏体中析出e-碳化物(e-FeXC)，使马氏体过饱和度降低。析出的碳化物以细片状分布在马氏体基体上，这种组织称回火马氏体（I3-30），用M回表示。在光镜下M回为黑色，A为白色。0.2%C时，不析出碳化物。只发生碳在位错附近的偏聚。 (2)残余奥氏体分解 200-300时,由于马氏体分解，奥氏体所受的压力下降,Ms上升，A分解为e-碳化物和过饱和铁素体，即M回。 (3)e-碳化物转变为Fe3C 发生于250-400，此时，e-碳化物溶解于F中，并从铁素体中析出Fe3C。到350，马氏体含碳量降到铁素体平衡成分,内应力大量消除，M回转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状Fe3C组织，称回火托氏体（I3-31），用T回表示。 (4)Fe3C聚集长大和铁素体多边形化 400以上，Fe3C开始聚集长大。450以上铁素体发生多边形化，由针片状变为多边形。这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织称回火索氏体（I3-32），用S回表示。 根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。 低温回火 回火温度：150250。 回火目的：降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度和高耐磨性。 回火应用：各种高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳和表面淬火零件。 中温回火 回火温度：350500，得到回火托氏体。 回火目的：高强度、硬度，高的弹性极限及屈服强度；具有一定的塑性、韧性。 回火应用：Wc=0.50.7%碳钢、合金钢制造的各种弹簧。高温回火 回火温度：500650，得到回火索氏体。 回火索氏体综合机械性能最好，即强度、塑性和韧性都比较好。 通常把淬火加高温回火称为调质处理，广泛用于各种重要的机械结构件，特别是受交变载荷的零件。 钢的表面热处理 钢的表面热处理仅对钢的表面加热，冷却而不改变其成分的热处理工艺，也叫表面淬火。 具体方法：将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未达到心部时立即迅速冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法。 目的：提高表面硬度，保持心部良好的塑韧性。使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限；而心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。 表面热处理常加工的材料有：0.4-0.5%C的中碳钢；由于其含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。含碳量过高，心部韧性下降；铸铁，主要提高其表面耐磨性。 表面热处理的加热方法主要有两种。 1.感应加热表面热处理 基本原理：交变磁场感应表面电流表面加热，如图1所