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清华大学工程材料32学时讲稿7/16钢的热处理：加热和冷却过程（教材P109P150）钢的热处理：冷却时的转变（教材P109P150）一、珠光体转变及其组织1珠光体组织在温度A1以下至550左右的温度范围内，过冷奥氏体转变产物是珠光体，即形成铁素体与渗碳体两相组成的相间排列的层片状的机械混和物组织（见图6-3），所以这种类型的转变又叫珠光体转变。在珠光体转变中，由A1以下温度依次降到鼻尖的550左右，层片状组织的片间距离依次减小。根据片层的厚薄不同，这类组织又可细分为三种。第一种是珠光体，其形成温度为A1650，片层较厚，一般在500倍的光学显微镜下即可分辨。用符号“P”表示。第二种是索氏体，其形成温度为650600，片层较薄，一般在8001000倍光学显微镜下才可分辨。用符号“S”表示。第三种是屈氏体，其形成温度为600550，片层极薄，只有在电子显微镜下才能分辨。用符号“T”表示。实际上，这三种组织都是珠光体，其差别只是珠光体组织的“片间距”大小，形成温度越低，片间距越小。这个“片间距”越小，组织的硬度越高，屈氏体的硬度高于索氏体，远高于粗珠光体。 2珠光体转变过程奥氏体转变为珠光体的过程也是形核和长大的过程。如图6-4所示，当奥氏体过冷到A1以下时，首先在奥氏体晶界上产生渗碳体晶核，通过原子扩散，渗碳体依靠其周围奥氏体不断地供应碳原子而长大。同时，由于渗碳体周围奥氏体含碳量不断降低，从而为铁素体形核创造了条件，使这部分奥氏体转变为铁素体。由于铁素体溶碳能力低（0.6%）三类。合金钢按合金元素的含量又可分为低合金钢（合金元素总量10%）三类。合金钢按合金元素的种类可分为锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、硅锰钢等。二、按冶金质量分类按钢中所含有害杂质硫、磷的多少，可分为普通钢（S%0.055%，P%0.045%）、优质钢（S%、P%0.040%）和高级优质钢（S%0.030%，P%0.035%）三类。此外，按冶炼时脱氧程度，可将钢分为沸腾钢（脱氧不完全）、镇静钢（脱氧较完全）和半镇静钢三类。三、按用途分类按钢的用途可分为结构钢、工具钢、特殊钢三大类。结构钢又分为工程构件用钢和机器零件用钢两部分。工程构件用钢包括建筑工程用钢、桥梁工程用钢、船舶工程用钢、车辆工程用钢。机器用钢包括调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢、渗碳和渗氮钢、耐磨钢等。这类钢一般属于低、中碳钢和低、中合金钢。工具钢分为刃具钢、量具钢、模具钢。主要用于制造各种刃具、模具和量具，这类钢一般属于高碳、高合金钢。特殊性能钢分为不锈钢、耐热钢等。这类钢主要用于各种特殊要求的场合，如化学工业用的不锈耐酸钢、核电站用的耐热钢等。四、按金相组织分类按钢退火态的金相组织可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢三种。按钢正火态的金相组织可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢等四种。在给钢的产品命名时，往往把成分、质量和用途几种分类方法结合起来。如碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优质碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢、高速工具钢等五、钢的发展趋势目前，钢的发展趋势有以下特点：1新品种不断增加为适应工业和科学技术的发展对钢提出的日益增高的要求，不断创造出具有某些特殊性能的新钢种。钢的种类在不断地增加。2旧钢种不断减少为了生产、管理和使用的方便，目前大量使用的成熟钢种又在不断地减少，集中生产使用效果较好的通用性强的少数品种。3旧的生产工艺不断改进，钢的性能不断提高在发展新钢种的同时，集中力量改进钢的生产工艺，提高现有钢种的质量。例如，在钢的冶炼上采用真空冶炼，电渣重熔或真空去气等技术，大大减少钢中的有害杂质和气体，提高钢的性能。因此对于同一种钢，由于生产工艺的改进，性能也不断在提高。4钢的纯净度越来越高为了适应科学技术发展对钢材性能的要求，发展出了高纯净度钢。其基本特点是高纯净度，硫、磷含量极低，已经达到百万分之一数量级。超纯净钢晶粒非常细小，无应变时效，成形性能极佳，被称为新一代超级钢。第二节 钢中的常存元素、隐存元素及合金元素对钢性能的影响一、常存元素、隐存元素在钢中的作用 1常存元素在钢中的作用 钢中的常存元素锰、硅、硫、磷是炼铁、炼钢过程中，由于矿石和焦炭含杂质以及脱氧等原因而带入，对钢的性能有一定的影响。常见的常存元素有硅、锰、硫、磷四种。一般认为锰（0.50.8%）和硅（0.170.37%）是有益元素，它们能溶于铁素体中，具有固溶强化效果，可提高钢的强度和硬度。锰还能与硫化合成MnS，减轻了硫的有害作用。另外，锰具有一定的脱氧能力，使钢中的FeO还原，降低了钢的脆性。硫和磷是钢中的有害杂质。硫在钢中以FeS的形式存在，使钢变脆，尤其是FeS和Fe能形成低溶点（985C）的共晶体（FeS+ Fe），当钢在10001200C进行轧制时，分布在奥氏体晶界上的共晶体（FeS+ Fe）处于溶化状态而使钢材被轧裂，这种现象称为钢的“热脆性”。磷使钢脆化，降低钢的塑性和韧性，产生“冷脆性”，使钢的冷加工性能和焊接性能变坏。磷不仅降低塑性，同时还提高钢的脆性转化温度，给钢材在低温下使用造成潜在的威胁。但硫和磷有时也有有利的一面。例如MnS对断屑有利，而且起润滑作用，降低刀具磨损，所以在自动切削车床上用的易切削钢，其硫含量高达0.15%，用以改善钢的切削加工性，提高加工光洁度。在炮弹钢中，含磷量高，其目的在于提高钢的脆性，增加弹片的碎化程度，提高炮弹的杀伤力。2隐存元素在钢中的作用当氮、氧、氢等隐存元素溶入钢中时，会产生不同程度的危害。比如钢中溶入过量的氮时，则会使钢的强度、硬度提高，而塑性、韧性指标下降，产生“时效脆化”。而在炼钢过程中形成的FeO 、 AI2O3 、SiO2 、 MnO 等，在钢中成为非金属夹杂物，使钢的性能变坏。氢常以原子态或分子态存于钢中，由于钢在液态下吸收大量的氢，冷却后又来不及析出，就聚集在晶体的缺陷处，造成很大的应力，并与钢发生组织转变时的局部内应力相结合，致使钢材的韧性下降，产生“氢脆”。二、合金元素在钢中的作用 合金元素在钢中可以两种形式存在：一是溶解于碳钢原有的相中，另一种是形成某些碳钢中所没有的新相。在一般的合金化理论中，按与碳亲合力的大小，可将合金元素分为碳化物形成元素与非碳化物形成元素两大类。常用的合金元素有以下几种：非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B；碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr。此外，还有稀土元素，一般用符号Re表示。1合金元素对钢中基本相的影响碳钢中有三个基本相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。合金元素加入钢中时，可以溶于此三相中形成合金铁素体、合金奥氏体及合金渗碳体。所有与碳亲和力弱的非碳化物形成元素，如镍、硅、铝、钴等，由于不能形成碳化物，除了极少数高合金钢中可形成金属间化合物外，几乎都溶解在铁素体或奥氏体中。碳化物形成元素中，有些元素（如Mn）与碳的亲合力较弱，除少量可溶于渗碳体中形成合金渗碳体外，大部分仍溶于铁素体或奥氏体中。而与碳亲和力较强的一些碳化物形成元素（如Cr、Mo、W等），当其含量较少时，多半溶于渗碳体中，形成合金渗碳体；当含量较高时，则可能形成新的特殊的合金碳化物。与碳亲合力很强的碳化物形成元素（如Nb、Ti、Zr等），几乎总是与碳形成特殊的碳化物。合金元素溶于铁素体中，由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变；另外合金元素易分布于位错线附近，对位错线的移动起牵制作用，降低位错的易动性，从而提高塑变抗力，产生固溶强化效果。碳化物是钢中的重要相之一，碳化物的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有很重要的影响。合金渗碳体是渗碳体中一部分铁被碳化物形成元素置换后所得到的产物，其晶体结构与渗碳体相同，可表达为(Fe，Me)3C（Me代表合金元素）。渗碳体中溶入碳化物形成元素后，硬度有明显增加，因而可提高钢的耐磨性。同时它们在加热时也较难溶于奥氏体中，因此热处理时加热温度应该高一些。当钢中合金元素含量超过一定限度时，可以生成一些碳钢中没有的新相。其中最重要的是由强碳化物形成元素生成的各种合金碳化物（如W2C、VC、TiC等）。它们熔点高、硬度高，加热时很难溶于奥氏体中，因此对钢的机械性能及工艺性能有很大影响。2合金元素对铁碳相图的影响合金元素对碳钢中的相平衡关系有很大影响，加入合金元素后Fe-Fe3C相图要发生变化。加入合金元素，可使Fe与Fe存在范围发生变化。按照对Fe或Fe的作用，可将合金元素分为两大类。（1）扩大奥氏体区的元素扩大奥氏体区域的元素有镍、锰、碳、氮等，这些元素使A1和A3温度降低，使S点、E点向左下方移动，从而使奥氏体区域扩大。其中与Fe无限互溶的元素镍或锰的含量较多时，可使钢在室温下以奥氏体单相存在而成为一种奥氏体钢。如Ni%9%的不锈钢和Mn%13%的ZGMn13耐磨钢均属奥氏体钢。由于A1和A3温度降低，就直接地影响热处理加热的温度，所以锰钢、镍钢的淬火温度低于碳钢，图7-1是锰对奥氏体区的影响。同时由于S点的左移，使共析成分降低，与同样含碳量的亚共析钢相比，组织中的珠光体数量增加，而使钢得到强化。由于E点的左移，又会使发生共晶转变的含碳量降低，在C%较低时，使钢具有莱氏体组织。如在高速钢中，虽然含碳量只有0.70.8%,但是由于E点的左移,在铸态下会得到莱氏体组织, 成为莱氏体钢。（2）缩小奥氏体区的元素缩小奥氏体区的元素有铬、钼、硅、钨等，使A1和A3温度升高，使S点、E点向左上方移动，从而使奥氏体区域缩小。由于A1和A3温度升高了，这类钢的淬火温度也相应地提高了。图7-2表示铬对奥氏体区域位置的影响。当加入的元素超过一定含量后，则奥氏体可能完全消失，此时，钢在包括室温在内的广大温度范围内获得单相铁素体，通常称之为铁素体钢。如含17%28%Cr的Cr17、Cr25、Cr28不锈钢就是铁素体不锈钢。3合金元素对钢的热处理的影响合金钢一般都是经过热处理后使用的，主要是通过改变钢在热处理过程中的组织转变来显示合金元素的作用的。合金元素对钢的热处理的影响主要表现在对加热、冷却和回火过程中的相变等方面。（1）合金元素对加热转变的影响钢在加热时，奥氏体化过程包括晶核的形成和长大，碳化物的分解和溶解，以及奥氏体成分的均匀化等过程。整个过程的进行，与碳、合金元素的扩散以及碳化物的稳定程度有关。合金元素对奥氏体化过程的影响体现在以下两个方面：a）大多数合金元素（ 除镍、钴以外）都减缓钢的奥氏体化过程。含有碳化物形成元素的钢，由于碳化物不易分解，使奥氏体化过程大大减缓。因此，合金钢在热处理时，要相应地提高加热温度或沿长保温时间，才能保证奥氏体化过程的充分进行。b）几乎所有的合金元素（除锰以外）都能阻止奥氏体晶粒的长大，细化晶粒。尤其是碳化物形成元素钛、矾、钼、钨、铌、锆等，在元素周期表中，这些元素都位于铁的左侧，越远离铁，越易形成比铁的碳化物更稳定的碳化物，如TiC、VC、MoC等，这些碳化物在加热时很难溶解，能强烈地阻碍奥氏体晶粒的长大。此外，一些晶粒细化剂如AlN等在钢中可形成弥散质点分布于奥氏体晶界上，阻止奥氏体晶粒的长大，细化晶粒。所以，与相应的碳钢相比，在同样加热条件下，合金钢的组织较细，机械性能更高。（2）合金元素对冷却转变的影响a）大多数合金元素（除钴以外），都能提高过冷奥氏体的稳定性，使C曲线位置右移，临界冷却速度减小，从而提高钢的淬透性。所以对于合金钢就可以采用冷却能力较低的淬火剂淬火，如采用油淬，以减小零件的淬火变形和开裂倾向。合金元素对钢的淬透性的影响，由强到弱可以排列成下列次序：钼、锰、钨、铬、镍、硅、矾。通过复合元素，采用多元少量的合金化原则，对提高钢的淬透性会更有效。对于非碳化物形成元素和弱碳化物形成元素，如镍、锰、硅等，会使C曲线右移，如图7-3（a）所示。而对中强和强碳化物形成元素，如铬、钨、钼、矾等，溶于奥氏体后，不仅使C曲线右移，提高钢的淬透性，而且能改变C曲线的形状，把珠光体转变与贝氏体转变明显地分为两个独立的区域，如图7-3（b）所示。b）除钴、铝外，多数合金元素溶入奥氏体后，使马氏体转变温度Ms和Mf点下降，钢的Ms点越低，Ms点至室温的温度间隔就越小，在相同冷却条件下转变成马氏体的量越少。因此，凡是降低Ms点的元素都使淬火后钢中残余奥氏体含量增加。而钢的残余奥氏体量的多少，对钢的硬度、尺寸稳定性、淬火变形均有较大影响。（3）合金元素对淬火钢回火转变的影响a）对淬火钢回火稳定性的影响。淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称为回火稳定性。由于合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大过程，使回火的硬度降低过程变缓，从而提高钢的回火稳定性。由于合金钢的回火稳定性比碳钢高，若要求得到同样的回火硬度时，则合金钢的回火温度就比同样含碳量的碳钢来的高，回火的时间也长，内应力消除得好，钢的塑性和韧性指标就高。所以，当回火温度相同时，合金钢的强度、硬度就比碳钢高。b）一些碳化物形成元素如铬、钨、钼、钒等，在回火过程中有二次硬化作用。例如高速钢在560回火时，又析出了新的更细的特殊碳化物，发挥了第二相的弥散强化作用，使硬度又进一步提高。这种二次硬化现象在合金工具钢中是很有价值的。c）含铬、镍、锰、硅等元素的合金结构钢，在450600范围内长期保温或回火后缓冷均出现高温回火脆性。这是因为合金元素促进了锑、锡、磷等杂质元素在原奥氏体晶界上的偏聚和析出，削弱了晶界联系，降低了晶界强度而造成的。因此，对这类钢应该在回火后采用快冷的工艺，以防止高温回火脆性的产生。4合金元素对钢的机械和工艺性能的影响加入合金元素的目的是使钢具有更优异的性能，所以合金元素对性能的影响是我们最关心的问题。合金元素主要通过对组织的影响而对性能起作用，因此必须根据合金元素对相平衡和相变影响的规律来掌握其对机械性能的影响。（1）合金元素对强度的影响强度是金属材料最重要的性能指标之一，使金属材料的强度提高的过程称为强化。强化是研制结构材料的主要目的。金属的强度一般是指金属对塑性变形的抗力。金属强化一般有以下几种方式：a）固溶强化。溶质原子由于与基体原子的大小不同，因而使基体晶格发生畸变，造成一个弹性应力场。此应力场增加了位错运动的阻力，产生强化。固溶强化的强化量与溶质的浓度有关，在达到极限溶解度之前，溶质浓度越大，强化效果越好。一般而言，间隙固溶强化效果比置换固溶强化的效果要强烈得多，其强化作用甚至可差12个数量级。但是，固溶强化是以牺牲塑性和韧性为代价的，固溶强化效果越好，塑性和韧性下降越多。b）细晶强化。晶界或其它界面可以有效地阻止位错通过，因而可以使金属强化。晶界强化的强化量与晶界的数量，即晶粒的大小有密切的关系。晶粒越细，单位体积内的晶界面积越大，则强化量越大。许多碳化物形成元素（如钒、钛、铌）由于其容易与碳形成熔点非常高的碳化物，可以阻碍晶粒的长大，所以具有细化晶粒的作用。晶粒细化是一种非常有效的强化手段，当晶粒细化达到d5以后，得到所谓的超细晶粒，这时纯铁或软钢的屈服强度可以达到400600MPa，接近于中强钢的屈服强度。晶粒细化不仅可以提高强度，而且可以改善钢的韧性，这是其它强化方式难以达到的。因此细晶化，特别是超细晶化，是目前正在大力发展的重要强化手段。c）弥散强化。合金元素加入到金属中，在一定的条件下会析出第二相粒子。而这些第二相粒子可以有效地阻止位错运动。当运动位错碰到位于滑移面上的第二相粒子时，必须通过它，滑移变形才能继续进行。这一过程需要消耗额外的能量，或者需要提高外加应力，这就造成了强化。必须指出，只有当粒子很小时，第二相粒子才能起到明显的强化作用，如果粒子太大，则强化效应将微不足道。因此，第二相粒子应该细小而分散，即要求有高的弥散度。粒子越细小，弥散度越高，则强化效果越好。（2）合金元素对塑性和韧性的影响除了极少数几个置换式合金元素外，所有的合金元素都会降低钢材的塑性和韧性，使钢脆化。一般而言，除了细晶强化能同时提高强度和塑韧性外，所有的强化方式都会降低塑性和韧性。在这些强化方式中，危害最大的是间隙固溶强化，因此，间隙固溶强化尽管能显著提高强度，也不能作为一种实用的基本强化机制。而淬火马氏体必须回火，也是为了减轻间隙固溶强化对塑性和韧性的影响。冷变形强化也会降低塑性和韧性，所以，对于大多数钢来说，冷变形强化只能作为一种辅助的强化方式。相对而言，析出强化（即第二相强化）的脆化作用最小，因此它是应用最广泛的强化方法之一。（3）合金元素对钢的工艺性能的影响合金元素对钢的工艺性能的影响，同样是一个重要问题。材料没有良好的工艺