第三章 珠光体转变与钢退火和正火

1、第三章第三章珠光体转变与钢的珠光体转变与钢的退火和正火退火和正火1. 1. 热处理的定义热处理的定义: :热处理是将材料通过特定的加热和冷却方法热处理是将材料通过特定的加热和冷却方法获得所需的组织和性能的工艺过程。获得所需的组织和性能的工艺过程。时间温度温度临界温度临界温度 热热加加保温保温冷冷 却却概概 述述 珠光体转变是过冷奥氏体在临界温度珠光体转变是过冷奥氏体在临界温度A1以下比较高的温度以下比较高的温度范围内进行的转变；范围内进行的转变； 共析碳钢约在共析碳钢约在A1500温度之间发生，又称高温转变。温度之间发生，又称高温转变。 珠光体转变是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相珠光体

2、转变是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的相变过程，因此珠光体转变必然发生碳的的机械混合物的相变过程，因此珠光体转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组。重新分布和铁的晶格改组。 由于相变在较高的温度下进行，铁、碳原子都能进行扩散，由于相变在较高的温度下进行，铁、碳原子都能进行扩散，所以珠光体转变是典型的扩散型相变。所以珠光体转变是典型的扩散型相变。 + Fe3C 碳含量碳含量C% 0.77 0.0218 6.69晶格类型晶格类型 面心立方面心立方 体心立方体心立方 复杂斜方复杂斜方l 铁素体和渗碳体组成的层片状机械混合物，铁素铁素体和渗碳体组成的层片状机械混合物，铁素体为体心立

3、方，硬度低而塑性高；渗碳体为正交体为体心立方，硬度低而塑性高；渗碳体为正交晶系，质硬而脆，两者合理的匹配，可得到良好晶系，质硬而脆，两者合理的匹配，可得到良好的综合力学性能，是钢中的重要相变的综合力学性能，是钢中的重要相变。l 作为淬火的预先热处理，也可作为机加工的中间作为淬火的预先热处理，也可作为机加工的中间热处理，消除因前一道工序造成的加工硬化，便热处理，消除因前一道工序造成的加工硬化，便于下道工序的切削加工，为淬火作好组织上的准于下道工序的切削加工，为淬火作好组织上的准备；备；l 作为最终热处理，获得一定形态的珠光体，使结作为最终热处理，获得一定形态的珠光体，使结构件具有良好的综合力学性

4、能；构件具有良好的综合力学性能；l 对于要求高硬度、高强度的构件，则希望获得马对于要求高硬度、高强度的构件，则希望获得马氏体，为避免因工艺不当使组织中出现珠光体，氏体，为避免因工艺不当使组织中出现珠光体，则必须研究珠光体的形成动力学。则必须研究珠光体的形成动力学。一、 珠光体的类型 珠光体是过冷奥氏体在珠光体是过冷奥氏体在A1以下的共析转变以下的共析转变产物，是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。产物，是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。通常根据渗碳体的形态不同，把珠光体分为：通常根据渗碳体的形态不同，把珠光体分为：l片状珠光体；片状珠光体；l球状珠光体；球状珠光体；l针状珠光体针状珠光体 其中片状

5、和粒状珠光体是两种常见的珠其中片状和粒状珠光体是两种常见的珠光体组织。光体组织。 材料名称：共析钢。材料名称：共析钢。 浸蚀剂：浸蚀剂：4 4硝酸酒精溶液。硝酸酒精溶液。 处理情况：处理情况：820820加热保温加热保温后缓冷。后缓冷。 组织说明：片状珠光体（铁组织说明：片状珠光体（铁素体与渗碳体成层片状相间素体与渗碳体成层片状相间排列）。排列）。 片状珠光体片状珠光体珠光体团珠光体团：珠光体长大初期所：珠光体长大初期所形成的球团状，分辨率不高时形成的球团状，分辨率不高时为黑色球状物；为黑色球状物；珠光体领域珠光体领域：在每一个珠光体：在每一个珠光体团中片层排列方向大致相同的团中片层排列方向大

6、致相同的区域区域 。材料名称：共析钢。材料名称：共析钢。 浸蚀剂：浸蚀剂：4 4硝酸酒硝酸酒精溶液。精溶液。 处理情况：处理情况：780780加加热保温后，再在热保温后，再在680 680 保温后缓冷。保温后缓冷。 组织说明：球状珠组织说明：球状珠光体光体（渗碳体颗粒分布于（渗碳体颗粒分布于铁素体基体上）。铁素体基体上）。球状珠光体球状珠光体 通常所说的珠光体是指在光学显微镜下能清楚分辨出片层通常所说的珠光体是指在光学显微镜下能清楚分辨出片层状态的一类珠光体，而当片间距离小到一定程度后，光学状态的一类珠光体，而当片间距离小到一定程度后，光学显微镜就分辨不出片层的状态了。显微镜就分辨不出片层的状

7、态了。 根据片间距离的大小，通常把珠光体分为根据片间距离的大小，通常把珠光体分为普通珠光体、索普通珠光体、索氏体和屈氏体氏体和屈氏体 片状珠光体分类片状珠光体分类 （）（）珠光体（珠光体（P）: 片间距约为片间距约为450150nm，形成于，形成于A1650温度范围内。在光学显微镜下可清晰分辨出铁素体和温度范围内。在光学显微镜下可清晰分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态；渗碳体片层状组织形态；（）（）索氏体索氏体(S): 片间距约为片间距约为15080nm，形成于，形成于650600温度范围内。只有在温度范围内。只有在800倍以上光学显微镜下观察才能倍以上光学显微镜下观察才能分辨出铁素体和渗碳体

8、片层状组织形态；分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态；（）（）屈氏体屈氏体(T): 片间距约为片间距约为8030nm，形成于，形成于600550温度范围内。在光学显微镜下已很难分辨出铁素体和温度范围内。在光学显微镜下已很难分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态；渗碳体片层状组织形态；珠光体形成范围珠光体形成范围时间温度温度临界温度临界温度 热热加加保温保温冷冷 却却A1-650 普通珠光体普通珠光体650-600 索氏体索氏体600-550 屈氏体屈氏体珠光体珠光体组织特征图组织特征图 (a)珠光体珠光体(b) 索氏体索氏体(c)屈氏体屈氏体珠光体、索氏体、屈氏体之间无本质区别，都是出铁素体和渗碳珠

9、光体、索氏体、屈氏体之间无本质区别，都是出铁素体和渗碳体片层相间组织，其形成温度也无严格界线，只是其片层厚薄和体片层相间组织，其形成温度也无严格界线，只是其片层厚薄和片间距不同。片间距不同。 l Marder提出珠光体片间距与过冷度（提出珠光体片间距与过冷度（T）的关系如下：的关系如下： S0=C/T 或或 其中其中:C=8.02103(nmK)；S0：珠光体的：珠光体的片间距片间距(nm)； l 珠光体片间距的经验公式：珠光体片间距的经验公式： -T T：过冷度，即珠光体转变温度与：过冷度，即珠光体转变温度与临界点临界点A A1 1之差。之差。 -T-T，S S0 0 ，与，与A A晶粒大晶

10、粒大小无关。小无关。l珠光体型相变为扩散型相变，是受碳、铁原子的扩珠光体型相变为扩散型相变，是受碳、铁原子的扩散控制的。散控制的。l当珠光体的形成温度下降时，当珠光体的形成温度下降时，TT增加，扩散变得增加，扩散变得较为困难，从而层片间距必然减小（以缩短原子的较为困难，从而层片间距必然减小（以缩短原子的扩散距离），所以扩散距离），所以S S与与TT成反比关系。成反比关系。l原子所需扩散的距离就要增大，这使转变发生困难；原子所需扩散的距离就要增大，这使转变发生困难；l若若S S过小，则由于相界面面积增大，而使表面能增过小，则由于相界面面积增大，而使表面能增大，这时大，这时GGV V不变，不变，G

11、 GS S增加，必然使相变驱动力过增加，必然使相变驱动力过小，而使相变不易进行。可见，小，而使相变不易进行。可见，S S与与TT必然存在一必然存在一定的定量关系。定的定量关系。 二、珠光体的力学性能1. 片状珠光体： 由于铁素体的塑性变形受到阻碍，位错的移动限于渗碳片之间的铁素体中进行，增加了变形抗力，使强度得到提高。 渗碳体片越薄，抵抗塑性变形的能力越强，其硬度越高； 厚的渗碳体不易变形，薄片渗碳体却可以承受部分变形，故强度升高的同时，塑性也有所提高。l奥氏体晶界上珠光体团示意图 奥氏体的晶粒尺寸主要影响珠光体 团的大小，A晶粒越小,P团越细小。 珠光体团和领域的大小对珠光体的机械性能没有明

12、显的影响，有决定影响的是珠光体的片层间距S. 球状珠光体中的渗碳体为球状，其阻碍铁素体变形的能力大为下降，比起片状 珠光体，它具有较低的强度以及较高的塑性。 2. 球状珠光体球状珠光体l珠光体团尺寸的减小，由Hall-Petch公式S=i+Kd-1/2知，强度将有所提高；l 晶粒的细小，使参与滑移的晶粒数增多，虽然每一晶粒的变形量减少，但总变形量增加，从而塑性亦有所提高。共析钢和过共析钢一般都要进行球化退火，以得到共析钢和过共析钢一般都要进行球化退火，以得到球状珠光的组织结构。球状珠光的组织结构。三、珠光体的形成三、珠光体的形成 + Fe3C 碳含量碳含量C% 0.77 0.0218 6.69

13、晶格类型晶格类型 面心立方面心立方 体心立方体心立方 复杂斜方复杂斜方 珠光体的形成过程，包含着两个同时进行的珠光体的形成过程，包含着两个同时进行的过程：过程：l一个是碳的扩散，以生成高碳的渗碳体和低碳的一个是碳的扩散，以生成高碳的渗碳体和低碳的铁素体；铁素体；l另一个是晶体点阵的重构，由面心立方的奥氏体另一个是晶体点阵的重构，由面心立方的奥氏体转变为体心立方点阵的铁素体和复杂单斜点阵的转变为体心立方点阵的铁素体和复杂单斜点阵的渗碳体。渗碳体。（1）形核）形核 条件条件：同样需要满足系统内的：同样需要满足系统内的“结构起伏、成结构起伏、成分起伏和能量起伏分起伏和能量起伏”。 部位部位：晶核多半

14、产生在奥氏体的晶界上（晶界：晶核多半产生在奥氏体的晶界上（晶界的交叉点更有利于珠光体晶核形成），或其它的交叉点更有利于珠光体晶核形成），或其它晶体缺陷（如位错）比较密集的区域。这是由晶体缺陷（如位错）比较密集的区域。这是由于在这些部位有利于产生能量、成分和结构起于在这些部位有利于产生能量、成分和结构起伏，晶核就在这些高能量、接近渗碳体的含碳伏，晶核就在这些高能量、接近渗碳体的含碳量和类似渗碳体晶体点阵的区域产生。量和类似渗碳体晶体点阵的区域产生。 但是，当奥氏体中碳浓度很不均匀或者有但是，当奥氏体中碳浓度很不均匀或者有较多未溶解的渗碳体存在时，珠光体的晶核也较多未溶解的渗碳体存在时，珠光体的晶

15、核也可以在奥氏体晶粒内出现。可以在奥氏体晶粒内出现。1. 片状珠光体的形成机理片状珠光体形成过程示意图片状珠光体形成过程示意图片状珠光体形成时片状珠光体形成时C的扩散示意图的扩散示意图珠光体形成时的领先相 相或Fe3C相，从热力学上讲，均可成为领先。 由于形成领先相的驱动力较小，所以起始相往往与母相保持共格关系： 111/110/011Fe3C / Fe3C 从成分上讲，由于钢的含碳量较低产生低碳区更为有利，即有利于从成分上讲，由于钢的含碳量较低产生低碳区更为有利，即有利于为领先相为领先相 从结构上讲，在较高温度，特别在高碳钢中，往往出现先共析从结构上讲，在较高温度，特别在高碳钢中，往往出现先

16、共析FeFe3 3C C相，相，或存在未溶或存在未溶FeFe3 3C C微粒微粒 一般认为过共析钢的领先相为一般认为过共析钢的领先相为FeFe3 3C C，而亚共析钢的为，而亚共析钢的为F F，共析钢的并不，共析钢的并不排除排除F F的可能性。的可能性。若在奥氏体晶界上形成了一片渗碳体（领先相为若在奥氏体晶界上形成了一片渗碳体（领先相为片状，主要是由于片状的应变能较低，片状在形片状，主要是由于片状的应变能较低，片状在形核过程中的相变阻力小）核过程中的相变阻力小）同时向纵横方向生长同时向纵横方向生长由于横向生长，使周围碳原子在向渗碳体聚集的由于横向生长，使周围碳原子在向渗碳体聚集的同时，产生贫碳

17、区，当其同时，产生贫碳区，当其C%C%下降到该温度下下降到该温度下C C/Fe/Fe3 3C C浓度时，铁素体即在浓度时，铁素体即在FeFe3 3C/C/相界面上形相界面上形核并长成片状；随着核并长成片状；随着F F的横向生长，又促使渗碳体的横向生长，又促使渗碳体片的形核并生长片的形核并生长 如此不断形核生长，从而形成铁素体、渗碳如此不断形核生长，从而形成铁素体、渗碳体相相同的片层。体相相同的片层。 珠光体的横向生长：由于其两侧渗碳体片的形成而终止，渗碳体的横向生长亦然，故珠光体片的横向生长很快停止；而纵向生长继续，直到与另一方向长来的珠光体相遇为止。这就形成了层片状的珠光体。 随着温度的降低

18、，碳原子的扩散能力下降，从而形成的铁素体、渗碳体片逐渐变薄，片层间距缩短。由片状PST。动画2. 粒状珠光体的形成机理l渗碳体片中有位错存在，并可形成亚晶界，渗碳体片中有位错存在，并可形成亚晶界，在固溶体（奥氏体或铁素体，如为后者）在固溶体（奥氏体或铁素体，如为后者）与渗碳体亚晶界接触处则形成凹坑，如图与渗碳体亚晶界接触处则形成凹坑，如图所示。所示。l在凹坑两侧的渗碳体与平面部分的渗碳体在凹坑两侧的渗碳体与平面部分的渗碳体相比，具有较小的曲率半径。相比，具有较小的曲率半径。 l与坑壁接触的固溶体具有较高的溶解度，与坑壁接触的固溶体具有较高的溶解度，将引起将引起C在固溶体中的扩散，并以渗碳体的在

19、固溶体中的扩散，并以渗碳体的形式在附近平面渗碳体上析出。形式在附近平面渗碳体上析出。l为了保持亚稳定平衡，凹坑两侧的渗碳体为了保持亚稳定平衡，凹坑两侧的渗碳体尖角将逐渐被溶解，而使曲率半径增大。尖角将逐渐被溶解，而使曲率半径增大。这 样 又 破 坏 了 此 处 相 界 面 表 面 张 力这 样 又 破 坏 了 此 处 相 界 面 表 面 张 力（cem-a-cem-cem）的平衡。）的平衡。l为了保持表面张力的平衡，凹坑将因渗碳为了保持表面张力的平衡，凹坑将因渗碳体继续溶解而加深。在渗碳体片亚晶界的体继续溶解而加深。在渗碳体片亚晶界的另一面也发生上述溶解析出过程，如此不另一面也发生上述溶解析出

20、过程，如此不断进行直到渗碳体片溶穿，一片成为两截。断进行直到渗碳体片溶穿，一片成为两截。片状渗碳体破断、球化过程示意图3-13.swf动画3. 3. 亚（过）共析钢中的珠光体相变亚（过）共析钢中的珠光体相变 伪共析转变伪共析转变 先共析铁素体析出先共析铁素体析出 先共析渗碳体的形成先共析渗碳体的形成Fe-Fe3C相图中相图中GS、ES线的延线的延长线长线SG、SE具有一定的意义：具有一定的意义：GSG、ESE线把相图分成四个线把相图分成四个区：区：lGSE以上为以上为A区、区、lGSE以左为先共析以左为先共析F析出区、析出区、lESG以右为先共析以右为先共析Fe3C析出析出区、区、lESG以下

21、为伪共析以下为伪共析P析出区。析出区。（1）亚共析钢中的先共析铁素体 奥氏体晶界上形成的晶核，一侧为共格，另一侧为非共格奥氏体晶界上形成的晶核，一侧为共格，另一侧为非共格 形成温度较高，非共格晶界易迁移，向奥氏体晶粒一侧长成形成温度较高，非共格晶界易迁移，向奥氏体晶粒一侧长成球冠状球冠状 若原奥氏体含碳量较高，析出的铁素体若原奥氏体含碳量较高，析出的铁素体 量较少，则铁素体量较少，则铁素体易长成网状；易长成网状； 若原奥氏体含碳量较低，析出的铁素体若原奥氏体含碳量较低，析出的铁素体 量较多，且单位体量较多，且单位体积排出的碳原子较少，非共格界面更易迁移，铁素体长入奥氏体积排出的碳原子较少，非共

22、格界面更易迁移，铁素体长入奥氏体呈块状分布。呈块状分布。F（白色）（白色）P（黑色）（黑色） 形成温度较低，铁原子不易作长距离迁移，使非共格晶界不易迁移，铁素体的长大，主要依靠共格晶界迁移。 共格界面与母相往往有一定的位向关系，且为减小应变能，铁素体呈条状沿奥氏体某一晶面向晶粒内生长。铁素体彼此平行，或互成60，90。形成魏氏组织（片状铁素体）。 魏氏铁素体（2 2） 过共析钢中的渗碳体过共析钢中的渗碳体 粒状渗碳体 网状渗碳体 针状渗碳体魏氏渗碳体毛坯生产毛坯生产 预备热处理预备热处理 机械加机械加工工 最终热处理最终热处理 机械精加工机械精加工预备热处理预备热处理 : 退火退火 ; 正火正

23、火最终热处理最终热处理 : 淬火淬火 ; 回火回火一般零件生产的工艺路线一般零件生产的工艺路线:四、钢的退火与正火四、钢的退火与正火1.钢的退火钢的退火（1）定义）定义: 将零件加热到适当温度，经过保温后以将零件加热到适当温度，经过保温后以适当速度冷却，以降低硬度、改善组织、提高加工适当速度冷却，以降低硬度、改善组织、提高加工性的一种热处理工艺。性的一种热处理工艺。 （2）目的）目的: 消除应力消除应力;降低硬度降低硬度;细化晶粒细化晶粒;均匀成分均匀成分;为最终热处理作好组织准备。为最终热处理作好组织准备。 （3）特点）特点: 加热温度在加热温度在Ac1以上以上缓冷缓冷得到珠光体的组织得到珠

24、光体的组织 （4） 种类种类退火退火重结晶重结晶退退 火火低温低温退火退火完全退火完全退火扩散退火扩散退火球化退火球化退火再结晶退火再结晶退火去应力退火去应力退火普通退火普通退火等温退火等温退火普通球化普通球化 退退 火火等温球化等温球化 退退 火火（5） 工艺参数工艺参数:温温 度度 ( C )名名 称称Ac3 + 3050完全退火完全退火Ac1 + 3050球化退火球化退火500600去应力退火去应力退火Ac3 + 150250扩散退火扩散退火 完 全 退 火完 全 退 火 (f u l l annealing ) 是将亚共析钢加热到是将亚共析钢加热到Ac3以上，保温一定时间，以上，保温一

25、定时间，使组织完全奥氏体化后缓使组织完全奥氏体化后缓慢冷却，以获得接近平衡慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。组织的热处理工艺。 不 完 全 退 火不 完 全 退 火 ( s l a c k annealing) 不完全退火是将钢加不完全退火是将钢加热到热到Ac1Ac3(亚共析钢亚共析钢)或或Ac1Accm(过共析钢过共析钢)之间，保温后缓慢冷却，之间，保温后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热以获得接近平衡组织的热处理工艺。处理工艺。 球化退火球化退火(spheroidizing annealing ) 是不完全退火的一种，通常是不完全退火的一种，通常的加热温度是的加热温度是Ac1以上以上2030, 使片状渗碳体转变为球状或粒使片状渗碳体转变为球状或粒状。主要用于过共析的碳钢及状。主要用于过共析的碳钢及合金工具钢。近年来球化退火合金工具钢。近年来球化退火应用于亚共析钢也取得成功。应用于亚共析钢也取得成功。 扩 散 退 火扩 散 退 火 (d i f f u s i o n annealing ) 是指将钢加热到