热处理基础知识

1、环球传动泰州有限公司环球传动泰州有限公司热处理基础知识热处理基础知识目录目录第一章第一章 热处理概述热处理概述第二章第二章 钢在加热过程中的组织转变钢在加热过程中的组织转变 第三章第三章 钢在冷却过程中的组织转变钢在冷却过程中的组织转变 第四章第四章 钢的常规热处理钢的常规热处理第五章第五章 钢的表面淬火钢的表面淬火第六章第六章 钢的化学热处理钢的化学热处理第七章第七章 热处理零件的结构工艺性及缺陷的预防热处理零件的结构工艺性及缺陷的预防一、钢的热处理一、钢的热处理二、常见的热处理方法二、常见的热处理方法三、钢的临界转变温度三、钢的临界转变温度第一章第一章 热处理概述热处理概述 中国在春秋晚期

2、已掌握冶铁技术。战国时期，冶铁业已逐渐盛行，到了晚期，不仅能炼出高碳钢，并掌握了淬火技术，于是开始进入以铁兵器代替铜兵器的时代。战国晚期还出现了铁制铠甲。热处理的发展：热处理的发展： 19 19世纪中期，英国的索拜世纪中期，英国的索拜( (H.C.SorbyH.C.Sorby) )和德国的马和德国的马登斯登斯( (A.MartensA.Martens) )等采用抛光、腐蚀等方法，并用光学等采用抛光、腐蚀等方法，并用光学显微镜成功地显示钢的显微组织，大大推动了热处理显微镜成功地显示钢的显微组织，大大推动了热处理技术的发展。英国的奥斯汀技术的发展。英国的奥斯汀( (O.RobertO.Robert

3、 Austen) Austen)和法国和法国的奥斯摩特的奥斯摩特( (F.OsmordF.Osmord) )应用相率建立了应用相率建立了Fe-CFe-C平衡图，平衡图，使得钢的热处理有了依据。使得钢的热处理有了依据。19301930年贝茵年贝茵( (E.C.BainE.C.Bain) )研研究了过程奥氏体的等温变化，建立了钢的过冷奥氏体究了过程奥氏体的等温变化，建立了钢的过冷奥氏体等温转变曲线，创立了等温淬火工艺，为以后制订各等温转变曲线，创立了等温淬火工艺，为以后制订各种热处理工艺提供了科学依据。热处理才真正形成了种热处理工艺提供了科学依据。热处理才真正形成了一门较完整的学科。一门较完整的学

4、科。一、钢的热处理一、钢的热处理 1.1.定义：热处理是指将钢在固态下加热、保温和冷却，定义：热处理是指将钢在固态下加热、保温和冷却， 以改变钢的组织结构，从而获得所需要性能的以改变钢的组织结构，从而获得所需要性能的 一种综合的热加工工艺过程。一种综合的热加工工艺过程。加热：促使组织发生转变保温：保证组织充分转变冷却：获得所需的组织和性能热处理工艺流程：时间时间温度温度临界温度临界温度加热加热保温保温冷却冷却温度时间Tc区别不同的热处理方法关键在区别不同的热处理方法关键在冷却冷却阶段阶段随炉冷却空冷油冷热热处处理理工工艺艺曲曲线线 热热加加保温保温时间时间温度温度临界温度临界温度A1连续冷却连

5、续冷却等温冷却等温冷却过冷过冷奥氏奥氏体的体的两种两种冷却冷却方式方式把加热到奥氏体状态的钢，以不同的冷却速度连续冷却到室温。钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变把加热到奥氏体状态的钢，快速冷却到低于A1的某一温度，并等温停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温。(1)(1)钢筋绕成弹簧状；钢筋绕成弹簧状；(2)(2)加热钢筋至红热，急剧冷却；加热钢筋至红热，急剧冷却；(3)(3)将将(2)(2)钢筋再次加热钢筋再次加热( (温度相对低温度相对低) )冷却。冷却。为什么弹簧状钢筋加热到红热急冷后变得又硬为什么弹簧状钢筋加热到红热急冷后变得又硬又脆？又脆？为什么再次加热和冷却后变得刚柔相济，

6、成为为什么再次加热和冷却后变得刚柔相济，成为真正的弹簧？真正的弹簧？在机床制造在机床制造中中，约约60-70%60-70%的零的零件要经过热处理。件要经过热处理。在在汽车、拖拉机制造业汽车、拖拉机制造业中中，需需热处理的零件达热处理的零件达70-80%70-80%。热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用. . 模具、滚动轴承模具、滚动轴承100%需经过热需经过热处理。处理。总之，总之，重要零件重要零件都需适当热处理都需适当热处理后才能使用。后才能使用。 2 2、热处理特点、热处理特点: : 热处理区别于其他加工工热处理区别于其他加工工艺如铸

7、造、压力加工等的特点艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。变性能，而不改变其形状。 铸造铸造轧制轧制3 3、热处理适用范围、热处理适用范围: : 只适用于固态下发生只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理相变的材料不能用热处理强化。强化。 热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称热热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称热 处理原理。处理原理。热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介 质等具体参数称热处理工艺。质等具体参数称热处

8、理工艺。(a)940淬火+220回火(板条M回+A少)(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火(板条M+条状F+A少)(e)940淬火+780淬火+220回火(板条M回+条状F+A少)(f)780淬火+220回火(板条M回+块状F) 20CrMnTi钢不同热处理工艺的显微组织钢不同热处理工艺的显微组织二、常见的热处理方法二、常见的热处理方法预备热处理预备热处理：为随后的加工为随后的加工( (冷拔、冲压、切削冷拔、冲压、切削) )或或 进一步热处理作准备的热处理。进一步热处理作准备的热处理。最终热处理最终热处理：赋予工件所要求的使用性能的热处理赋予工件所要求的使用性能的热处理.

9、.预备热处理预备热处理最终热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线钢热处理工艺曲线时间时间温度温度/ 根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：将热处理工艺分类如下：火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火感应加热表面淬火感应加热表面淬火接触加热表面淬火接触加热表面淬火激光热处理等激光热处理等热热处处理理普通热处理普通热处理：退火、正火、淬火、回火：退火、正火、淬火、回火表面热处理表面热处理其他热处理其他热处理表面淬火表面淬火化学热处理化学热处理渗碳渗碳渗氮渗氮( (氮化氮化) )碳氮共渗等碳氮共渗等可控气氛热处理可控气氛热处理

10、真空热处理真空热处理形变热处理形变热处理 等等 钢加热时的实际转变温度分别用钢加热时的实际转变温度分别用AcAc1 1、AcAc3 3、AcAccmcm表示表示； 钢钢冷却时的实际转变温度分别用冷却时的实际转变温度分别用ArAr1 1、ArAr3 3、ArArcmcm表示。表示。 由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中的数据是以中的数据是以303050/h 50/h 的速度加热或冷却时测得的的速度加热或冷却时测得的。 铁碳相图中铁碳相图中PSKPSK、GSGS、ESES线分别用线分别用A A1 1、A A3 3、A Acmcm表表示示。实

11、际加热或冷却时实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象，存在着过冷或过热现象，因此将因此将：三、钢的临界转变温度三、钢的临界转变温度序号序号代号代号表示表示备注备注1A奥氏体2F铁素体3Fe3C渗碳体4M马氏体5B贝氏体(上贝氏体为B上；下贝氏体为B下)6P珠光体(根据片层间距的不同，可细分为珠光体P、索氏体S、屈氏体T)7A1加热时珠光体向奥氏体转变Ac1；冷却时奥氏体向珠光体转变Ar18A3亚共析钢加热时，先共析铁素体完全溶入奥氏体的温度Ac3；或冷却时先共析铁素体开始从奥氏体中析出的温度Ar39Acm过共析钢加热时，先共析渗碳体完全溶入奥氏体的温度Accm；或冷却时先共析渗碳体开始从奥氏体中

12、析出的温度Arcm常用金相组织及临界点代号常用金相组织及临界点代号对于加热对于加热： 非平衡条件下的相变非平衡条件下的相变温度温度高高于平衡条件下的相于平衡条件下的相变温度；变温度；对于冷却对于冷却： 非平衡条件下的相变非平衡条件下的相变温度温度低低于平衡条件下的相于平衡条件下的相变温度。变温度。第二章第二章 钢在加热过程中的组织转变钢在加热过程中的组织转变一、奥氏体的形成一、奥氏体的形成 二、影响奥氏体形成速度的因素二、影响奥氏体形成速度的因素三、奥氏体晶粒大小及其影响因素三、奥氏体晶粒大小及其影响因素 加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种在加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种在

13、A A1 1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，加热目的是获得均匀的细晶奥氏体组织，称加热目的是获得均匀的细晶奥氏体组织，称奥氏体化奥氏体化。 钢坯加热钢坯加热1 1、奥氏体的形成条件、奥氏体的形成条件 一定的过热度，获一定的过热度，获得足够的自由能差。得足够的自由能差。 ( (加热到加热到A AC1C1以上以上) )一、奥氏体的形成一、奥氏体的形成奥氏体的形核奥氏体的形核：F F与与FeFe3 3C C相界形核。相界形核。奥氏体晶核长大：奥氏体晶核长大：A A晶核通过碳原子的扩散向晶核通过碳原子的扩散向F F和和FeFe3 3C C

14、方方向长大。向长大。残余残余FeFe3 3C C溶解：铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，溶解：铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。残余的因而先消失。残余的FeFe3 3C C随保温时间延长继续溶解直至随保温时间延长继续溶解直至消失。消失。2 2、奥氏体的形成过程、奥氏体的形成过程 奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现以共析钢为例说明：现以共析钢为例说明：PP( (F+ FeF+ Fe3 3C C) ) A A 奥氏体成分均匀化：奥氏体成分均匀化： FeFe3 3C C溶解后，其所在部位溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温碳含量仍

15、很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。使奥氏体成分趋于均匀。保温目的：保温目的：( (1 1) )工件热透，工件热透，相变完全；相变完全；( (2 2) )成分均匀成分均匀温度，温度，共析钢奥氏体化曲线共析钢奥氏体化曲线(875退火退火)奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程晶体结构的改变：晶体结构的改变：bccfccbccfccFeFe、C C原子的扩散原子的扩散共析钢奥氏体化过程共析钢奥氏体化过程 亚共析钢和过共析钢的亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析相同。但由于先共析F F 或二或二次次FeFe3 3C C的存在，要获得全部的存在，要获得

16、全部奥氏体组织，必须相应加热奥氏体组织，必须相应加热到到AcAc3 3或或AcAccmcm以上。以上。二二、影响奥氏体形成速度的因素、影响奥氏体形成速度的因素 奥氏体形成速度与奥氏体形成速度与加热温度加热温度、加热速度加热速度、钢的成分钢的成分以及以及原始组织原始组织等有关。等有关。 加热温度加热温度越高，奥氏体形成速度越快越高，奥氏体形成速度越快加热速度加热速度越快，奥氏体形成速度越快越快，奥氏体形成速度越快含碳量含碳量增加，利于奥氏体加速形成增加，利于奥氏体加速形成 合金元素合金元素显著影响奥氏体显著影响奥氏体 的形成速度的形成速度原始组织原始组织( (珠光体珠光体) )越细，奥氏体形成速

17、度越快越细，奥氏体形成速度越快钴、镍等钴、镍等 ；铬、钼、钒等铬、钼、钒等；硅、铝、锰等。硅、铝、锰等。三三、奥氏体晶粒大小及其影响因素、奥氏体晶粒大小及其影响因素1. 1. 奥氏体晶粒度：奥氏体晶粒度：l 起始晶粒度起始晶粒度l 实际晶粒度实际晶粒度l 本质晶粒度本质晶粒度 A形成刚结束，奥氏体晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小形成刚结束，奥氏体晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小奥氏体在具体加热条件下所获得奥氏体晶粒的大小奥氏体在具体加热条件下所获得奥氏体晶粒的大小特定条件下钢的奥氏体晶粒长大的倾向性，并不代表具体特定条件下钢的奥氏体晶粒长大的倾向性，并不代表具体的晶粒大小的晶粒大小特定条件特定

18、条件93010，保温，保温3-8h倾向性倾向性本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢(Mn，Si)本质细晶粒钢本质细晶粒钢(Al、Ti、Zr、V、Nb等等)是不是本质粗晶粒钢的晶粒一定粗？是不是本质粗晶粒钢的晶粒一定粗？本质晶粒本质晶粒度仅仅代度仅仅代表钢在加表钢在加热时奥氏热时奥氏体晶粒长体晶粒长大倾向的大倾向的大小大小2 2、影响奥氏体晶粒长大的因素、影响奥氏体晶粒长大的因素加热温度和保温时间加热温度和保温时间: : 加热温度高、保温时间长加热温度高、保温时间长, , 晶粒粗大。晶粒粗大。( (严格控制加热温度严格控制加热温度) )加热速度加热速度: : 加热速度越快加热速度越快, ,过热度越大过热度越

19、大, , 形核率越高形核率越高, ,起始晶粒越细。起始晶粒越细。( (快速加热、短时保温快速加热、短时保温) )碳及合金元素：碳及合金元素： 一定范围内含碳越高晶粒越易长一定范围内含碳越高晶粒越易长大；碳超过大；碳超过A A饱和度时，未溶饱和度时，未溶FeFe3 3C C阻碍阻碍A A长大。长大。 阻碍阻碍A A晶粒长大的元素晶粒长大的元素: : TiTi、V V、NbNb、TaTa、ZrZr、W W、MoMo、CrCr、AlAl等等Nb/%奥氏体晶粒尺寸奥氏体晶粒尺寸/mNb、Ti对奥氏体晶粒的影响对奥氏体晶粒的影响 促进奥氏体晶粒长大的元素：促进奥氏体晶粒长大的元素：MnMn、P P、C

20、C、N N( (加速加速FeFe扩散扩散) )。 原始组织原始组织: : 原始组织越细有利于获得细晶粒。原始组织越细有利于获得细晶粒。 奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均加热得到细而均匀的奥氏体晶粒匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。是热处理的关键问题之一。箱式可控气氛多用炉箱式可控气氛多用炉真空热处理炉真空热处理炉3、奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响、奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响(1)(1)奥氏体晶粒均匀细小，热处理后钢的力学奥氏体晶粒均匀细小，热处理后钢

21、的力学 性能提高。性能提高。(2)(2)粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件 产生较大的变形甚至开裂。产生较大的变形甚至开裂。第三章第三章 钢在冷却过程中的组织转变钢在冷却过程中的组织转变一、过冷奥氏体的等温转变一、过冷奥氏体的等温转变二、过冷奥氏体的连续冷却转变二、过冷奥氏体的连续冷却转变1 1) )奥氏体是不是降温到临界温度以下就奥氏体是不是降温到临界温度以下就立即发生转变呢？立即发生转变呢？2 2) )冷却方式及速度对冷却后的组织形态冷却方式及速度对冷却后的组织形态会不会产生影响呢？会不会产生影响呢？ 冷却方式：等温冷却方式和连续冷却方式冷却方式：等温

22、冷却方式和连续冷却方式。转变产物组织性能均匀，研究领域应用广转变产物组织性能均匀，研究领域应用广 ( (过冷奥氏体转变动力学曲线为过冷奥氏体转变动力学曲线为C C曲线曲线) )转变产物为粗细不匀甚至类型不同转变产物为粗细不匀甚至类型不同的混合组织，实际生产中广泛采用的混合组织，实际生产中广泛采用( (CCTCCT曲线曲线) )冷却是热处理工艺中最关键的工序。冷却是热处理工艺中最关键的工序。过冷奥氏体：在临界点以下存在的不稳定的且过冷奥氏体：在临界点以下存在的不稳定的且 将要发生转变的奥氏体，称为过冷奥氏体。将要发生转变的奥氏体，称为过冷奥氏体。 奥氏体的冷却转变，直接影响钢热处理奥氏体的冷却转

23、变，直接影响钢热处理后的组织和性能。后的组织和性能。 钢在冷却时的转变，实质上是过冷奥氏体钢在冷却时的转变，实质上是过冷奥氏体的转变。过冷奥氏体的转变产物，决定于它的的转变。过冷奥氏体的转变产物，决定于它的转变温度，而转变温度又主要与冷却的方式和转变温度，而转变温度又主要与冷却的方式和速度有关。速度有关。 研究奥氏体冷却转变常用等温冷却转变曲研究奥氏体冷却转变常用等温冷却转变曲线及连续冷却转变曲线。线及连续冷却转变曲线。 过冷奥氏体的等温过冷奥氏体的等温转变曲线：表示奥氏体转变曲线：表示奥氏体急速冷却到临界点急速冷却到临界点A A1 1 以以下在各不同温度下的保下在各不同温度下的保温过程中转变

24、量、转变温过程中转变量、转变产物与转变时间的关系产物与转变时间的关系曲线曲线，又称又称C C 曲线或曲线或TTTTTT曲线。曲线。( (Time-Temperature-Transformation diagramTime-Temperature-Transformation diagram) )一、一、过冷奥氏体过冷奥氏体的的等温转变等温转变1 1、C C曲线的建立曲线的建立以共析钢为例：以共析钢为例：取一批小试样并取一批小试样并进行奥氏体化；进行奥氏体化；将试样分组淬入将试样分组淬入低于低于A A1 1 点的不同温点的不同温度的盐浴中度的盐浴中, ,隔一定隔一定时间取一试样淬入时间取一试样

25、淬入水中。水中。 测定每个试样的转变量，测定每个试样的转变量，确定各温度下转变量与转确定各温度下转变量与转变时间的关系。变时间的关系。将各温度下转变开始时将各温度下转变开始时间及终了时间标在温度间及终了时间标在温度时间坐标中，并分别连线。时间坐标中，并分别连线。 转变开始点的连线称转变开始点的连线称转变开始线。转变终了点转变开始线。转变终了点的连线称转变终了线。的连线称转变终了线。共共析碳钢析碳钢 TTT 曲线建立曲线建立时间时间(s)(s)30030010102 210103 310104 410101 10 0800800- -1001001001002002005005006006007

26、00700温度温度()()0 0400400A1A1共析碳钢共析碳钢 TTT TTT 曲线的分析曲线的分析稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区A A过冷奥氏体区过冷奥氏体区A A向产向产物转变开始线物转变开始线A A向产物向产物转变终止线转变终止线 A A + +产产 物物 区区产物区产物区A1A1550550；高温转变区；高温转变区；扩散型转变；扩散型转变； P P转变区。转变区。550550230230；中温转变；中温转变区；半扩散型转变；区；半扩散型转变；贝氏体贝氏体(B)(B)转变区；转变区；230230 -50-50；低温转；低温转变区；非扩散型转变；变区；非扩散型转变；马氏体马氏体(M)(

27、M)转变区。转变区。时间(s)30030010102 210103 310104 410101 10 0800800-100100100100200200500500600600700700温度温度()0 0400400A1A1MsMsMfMf5506502s10s5s2s5s10s30s40s A A1 1-Ms -Ms 间及间及转变开始线以左转变开始线以左的区域为过冷奥的区域为过冷奥氏体区。氏体区。 转变终了线转变终了线以右及以右及M Mf f以下为以下为转变产物区。转变产物区。 两线之间及两线之间及MsMs与与M Mf f之间为转之间为转变区。变区。时间时间温度温度A1MSMfA过冷过冷

28、PBMAMABAP转变开始线转变开始线转变终了线转变终了线奥氏体奥氏体2 2、C C 曲线的分析曲线的分析 曲线含义曲线含义 三条水平线：三条水平线： A1A1线为钢的临界点，线为钢的临界点，A A与与P P的平衡温度；的平衡温度； Ms Ms线为线为M M转变开始线转变开始线( (230230) )； Mf Mf线线M M转变终了线转变终了线( (-50-50 ) )。两条曲线：左边为过冷两条曲线：左边为过冷A A转转变开始线，右边为转变终变开始线，右边为转变终了线。了线。( (2 2) )孕育期孕育期：转变开始线转变开始线与纵坐标之间的距离为。与纵坐标之间的距离为。 反映了过冷奥氏体反映了

29、过冷奥氏体的稳定性。孕育期越小，的稳定性。孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小过冷奥氏体稳定性越小。 孕育期最小处称孕育期最小处称C C 曲线的曲线的“鼻尖鼻尖”。碳钢。碳钢鼻尖处的温度为鼻尖处的温度为550550。 过冷过冷A A的稳定性跟的稳定性跟驱动力和原子扩散系驱动力和原子扩散系数两因素有关。数两因素有关。 在鼻尖以上在鼻尖以上, , 温温度较高，相变驱动力度较高，相变驱动力小小。 在鼻尖以下，温在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。度较低，扩散困难。从而使奥氏体稳定性从而使奥氏体稳定性增加。增加。 01时 间 / sT /M + A A11 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0

30、 07 0 08 0 0-1 0 01 001 01 01 01 02345AMsMf过冷冷A过冷冷AAMA 下BAS转 变 开 始转 变 结 束A 上BATAPM下B上BTSP5 2 5 H R C2 5 3 5 H R C3 5 4 0 H R C4 0 5 0 H R C5 0 6 0 H R C6 0 6 5 H R C( (3 3) ) C C曲线表示了各温度下等温转变类型及产物。曲线表示了各温度下等温转变类型及产物。三类转变：三类转变：1)1)高温转变：高温转变： A1 A1550550 过冷过冷A PA P型组织型组织2)2)中温转变：中温转变： 550 550MS MS 过冷过

31、冷A A 贝氏体贝氏体3)3)低温转变低温转变：( (连续冷却连续冷却) ) MSMSMf Mf 过冷过冷A A 马氏体马氏体( (M M) )3 3、影响、影响C C曲线的因素曲线的因素 成分的影响成分的影响 含碳量的影响：共析钢的过冷奥氏体最稳定，含碳量的影响：共析钢的过冷奥氏体最稳定，C C曲线曲线最靠右。最靠右。Ms Ms 与与M Mf f 点随含碳量增加而下降。点随含碳量增加而下降。 与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C C曲线的上部曲线的上部各多一条先共析相的析出线。各多一条先共析相的析出线。 合金元素的影响：合金元素的影响：除除CoCo外外, , 凡

32、溶入奥凡溶入奥氏体的合金元素都氏体的合金元素都使使C C曲线右移，增大曲线右移，增大过冷过冷A A的稳定性。的稳定性。 碳化物形成元素如碳化物形成元素如CrCr、MoMo、W W、V V、TiTi等，溶入等，溶入A A后不仅使后不仅使C C曲线右移，还可改变曲线右移，还可改变C C曲线的形状。曲线的形状。 除除CoCo和和Al Al 外外, ,所有合金元素都使所有合金元素都使MsMs与与M Mf f 点下降。点下降。注：合金元素只有溶入注：合金元素只有溶入A A才能对过冷才能对过冷A A的转的转变产生重要影响，如果未溶入变产生重要影响，如果未溶入A A，不但不会，不但不会提高过冷提高过冷A A

33、的稳定性，反而由于未溶碳化物的稳定性，反而由于未溶碳化物起到非均匀形核的作用，促进转变，使起到非均匀形核的作用，促进转变，使C C曲曲线左移。线左移。CrCr对对C C曲线的影响曲线的影响推杆式电阻炉推杆式电阻炉奥氏体化条件的影响奥氏体化条件的影响 奥氏体化温度提高和保温时间延长，使奥氏体成奥氏体化温度提高和保温时间延长，使奥氏体成分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加了过冷奥分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加了过冷奥氏体的稳定性，使氏体的稳定性，使C C曲线右移。曲线右移。 使用使用C C曲线时应注意奥氏体化条件及晶粒度的影响。曲线时应注意奥氏体化条件及晶粒度的影响。F渗碳体渗碳体片间距

34、：片间距：相邻两片渗碳体中心之间的距离2.3.2 2.3.2 珠光体转变珠光体转变一、珠光体的组织形态及性能一、珠光体的组织形态及性能 A1 A1到到 550550间转变为珠光体转变，产物为珠光体间转变为珠光体转变，产物为珠光体类组织。类组织。1 1、片状、片状P P：一般情况下，珠光体是铁素体与渗碳体片：一般情况下，珠光体是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物。层相间的机械混合物。珠光体珠光体索氏体索氏体托氏体托氏体根据片层根据片层间距间距( (厚薄厚薄) )不同不同, ,珠光体细分为珠光体细分为珠光体、索氏珠光体、索氏体和托氏体。体和托氏体。 珠光体：珠光体：形成温度为形成温度为A A1 1

35、650650，片层较厚，片层较厚，500500倍光镜下倍光镜下可辨，用符号可辨，用符号P P表示表示。光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌三维珠光体如同放在水中的包心菜三维珠光体如同放在水中的包心菜 索氏体索氏体形成温度为形成温度为650650600,600,片层较薄，片层较薄，80080015001500倍光镜下可辨，用符号倍光镜下可辨，用符号S S表示。表示。电镜形貌电镜形貌光镜形貌光镜形貌 托氏体托氏体( (屈氏体屈氏体) ) 形成温度为形成温度为600600550550，片层极薄，电镜下可，片层极薄，电镜下可辨，用符号辨，用符号T T 表示。表示。电镜形貌电镜形貌光镜形貌光镜形貌珠

36、光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是珠光体、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。形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。片间距片间距 bHRC 片间距越小，钢的强度、硬片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有度越高，而塑性和韧性略有改善。改善。 2、粒状珠光体、粒状珠光体形态：形态：渗碳体呈颗粒状均匀分布在渗碳体呈颗粒状均匀分布在F F基体上，一般经基体上，一般经球化退火或淬火后中、高温回火球化退火或淬火后中、高温回火得到。得到。性能：性能：与片状与片状P P相比，成分相同时，粒状相比，成分相同时，粒状P P的强度、硬的强度、硬度稍低度

37、稍低( (相界面少相界面少) )，但塑性较好，但塑性较好( (F F连续分布连续分布) )。 粒状粒状P P可切削性好、冷挤压成型性好、加热淬火可切削性好、冷挤压成型性好、加热淬火变形、开裂倾向小，所以很多时候希望得到粒状变形、开裂倾向小，所以很多时候希望得到粒状P P。 粒状粒状P P性能主要取决于渗碳体的颗粒大小、形态、性能主要取决于渗碳体的颗粒大小、形态、分布。颗粒越细，强度硬度越高；越接近球状，分布分布。颗粒越细，强度硬度越高；越接近球状，分布越均匀，塑性越好。越均匀，塑性越好。二、珠光体转变过程二、珠光体转变过程(1)(1)珠光体形成的条件：一定的过冷度。珠光体形成的条件：一定的过冷

38、度。(2)(2)片状珠光体的形成过程：片状珠光体的形成过程： 转变类型：扩散型转变转变类型：扩散型转变( (FeFe、C C原子都进行扩散原子都进行扩散) )； 转变过程：形核和长大的过程来完成的；转变过程：形核和长大的过程来完成的； 领先相：领先相：F F和和FeFe3 3C C都可以成为领先相，通常亚共析钢都可以成为领先相，通常亚共析钢以以F F为领先相，过共析钢以为领先相，过共析钢以FeFe3 3C C为领先相，共析钢两者为领先相，共析钢两者都有可能。都有可能。 形核位置：形核位置：A A的晶界的晶界 转变过程描述转变过程描述: :( (领先相为渗碳体领先相为渗碳体) )渗碳体晶核首先在

39、奥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，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。形成一个珠光体团。珠光体转变过程珠光体转变过程( (3 3) )粒状珠光体的形成粒状珠光体的形成 粒状珠光体形成的特定条件：粒状珠光体形成的特定条件：A A化温度低，保温化温度低，保温时间短，时间短，( (即加热转变未充分进行，即加热转变未充分进行，A A中保留有未溶的中保留有未溶的碳化物成为非自发形核的球化核心碳化物成为非自发形核的球化核心) )等温温度高，等等温温度高

40、，等温时间足够长，或者冷速极慢，可使渗碳体成为颗粒温时间足够长，或者冷速极慢，可使渗碳体成为颗粒状。状。 具体工艺：球化退火或淬火后高温回火。具体工艺：球化退火或淬火后高温回火。 贝氏体转变贝氏体转变过冷奥氏体在过冷奥氏体在550550230 230 ( (MsMs) )间发生的转变为贝氏体间发生的转变为贝氏体转变，贝氏体组织用符号转变，贝氏体组织用符号B B表示。表示。B B组织：含碳过饱和的组织：含碳过饱和的F F和和FeFe3 3C C组成的机械混合物。组成的机械混合物。 1 1、B B的组织形态及性能的组织形态及性能 根据形成温度及形态不同根据形成温度及形态不同贝氏体分为贝氏体分为 B

41、 B上上和和 B B下。下。上贝氏体上贝氏体下贝氏体下贝氏体 上贝氏体上贝氏体形成温度为形成温度为550550350350；在光镜下呈羽毛状在光镜下呈羽毛状；在电镜下为不连续棒状在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。的铁素体条之间。光镜下光镜下电镜下电镜下下贝氏体下贝氏体形成温度为形成温度为350350MsMs。在光镜下呈竹叶状。在光镜下呈竹叶状。光镜下光镜下电镜下电镜下在电镜下为细片状或粒在电镜下为细片状或粒状碳化物分布于铁素体状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长针内，并与铁素体针长轴方向呈轴方向呈555560

42、60角。角。力学性能：力学性能： 上贝氏体形成温度高，上贝氏体形成温度高，F F条粗大，碳过饱和度低，条粗大，碳过饱和度低，强度硬度较低；碳化物粗大，断续分布于强度硬度较低；碳化物粗大，断续分布于F F条间，塑条间，塑性韧性较差，故无实用价值。性韧性较差，故无实用价值。 下贝氏体下贝氏体F F针细、分布均匀且碳的过饱和度大，针细、分布均匀且碳的过饱和度大，碳化物细小、弥散分布在碳化物细小、弥散分布在F F内，因此下贝氏体强度、内，因此下贝氏体强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。力学性能，是生产上

43、常用的强化组织之一。( (等温淬等温淬火工艺火工艺) )上贝氏体上贝氏体贝氏体组织的透射电镜形貌贝氏体组织的透射电镜形貌下贝氏体下贝氏体2 2、贝氏体转变过程、贝氏体转变过程 在珠光体和马氏体转变温度之间在珠光体和马氏体转变温度之间，过冷奥氏体，过冷奥氏体( (A A，相相) )贝氏体贝氏体( (B B，F F相相+ +碳化物碳化物) ) 半扩散型转变，介于珠光体和马氏体转变之间；半扩散型转变，介于珠光体和马氏体转变之间； 发生贝氏体转变时发生贝氏体转变时, ,首先在首先在奥氏体中的贫碳奥氏体中的贫碳区区形成铁素体晶核，其形成铁素体晶核，其含碳量介于奥氏体与平含碳量介于奥氏体与平衡铁素体之间，

44、为衡铁素体之间，为过饱过饱和铁素体。和铁素体。贝氏体转变也是形核和长大的过程，由铁素体贝氏体转变也是形核和长大的过程，由铁素体的成长和碳化物析出两个基本过程构成。的成长和碳化物析出两个基本过程构成。B B上上转变转变：当转变温度较高当转变温度较高( (550550350350) )时，条片状铁素时，条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变体从奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条间析宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条间析出出FeFe3 3C C短棒，奥氏体消失，形成短棒，奥氏体消失，形成B B上上 。下贝氏体转变：当

45、转变温度较低下贝氏体转变：当转变温度较低( (350- 230350- 230) )时，铁时，铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状，由于碳原子素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状，由于碳原子扩散能力低扩散能力低, ,其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体内的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。素体内的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。 下贝氏体转变下贝氏体转变 马氏体转变马氏体转变钢从钢从A A状态快速冷却，抑制其扩状态快速冷却，抑制其扩散性转变，当奥氏体过冷到散性转变，当奥氏体过冷到MsMs以下将发生以下将发生M M转变。转变。马氏体转变是强化钢的重

46、要途马氏体转变是强化钢的重要途径之一。径之一。1 1、马氏体的晶体结构、马氏体的晶体结构碳在碳在 -Fe-Fe中的过饱和固溶体称中的过饱和固溶体称马氏体，用马氏体，用M M表示。表示。马氏体组织马氏体组织马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中. .碳分布在碳分布在 -Fe-Fe体心立方晶格的体心立方晶格的c c轴上，引起轴上，引起c c轴伸长，轴伸长，a a轴缩短，发生正方畸变，所以马氏体具有体心正方晶格轴缩短，发生正方畸变，所以马氏体具有体心正方晶格( (a=bca=bc) )。轴比。轴比c/a c/a 称马氏体的正方度。称马氏体的正方度。C

47、% C% 越高，正方度越大，正方畸变越严重。越高，正方度越大，正方畸变越严重。当当0.25%C0.25%C时，时，c/a=1c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格，此时马氏体为体心立方晶格. .2 2、马氏体的形态、马氏体的形态马氏体的形态分板条和马氏体的形态分板条和针针( (片片) )状两类。状两类。 板条马氏体板条马氏体低中碳钢的典型组织低中碳钢的典型组织立体形态为细长的扁棒立体形态为细长的扁棒状状在光镜下板条马氏体为在光镜下板条马氏体为一束束的板条组织。一束束的板条组织。光镜下光镜下电镜下电镜下每板条束内条与条之间尺寸每板条束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列大致相同并呈平行排列( (条

48、条与条之间存在薄壳状的残余与条之间存在薄壳状的残余A A) )，一个，一个A A晶粒内可形成几晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束。个取向不同的马氏体束。电镜下，板条内的亚结构主电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错，要是高密度的位错， =10=101212/cm/cm2 2, ,又称位错又称位错M M。SEMTEM 针针( (片片) )状马氏体状马氏体高碳钢的典型组织高碳钢的典型组织立体形态为双凸透镜形的片立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。状。显微组织为针状。在电镜下，亚结构主要是孪在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。晶，又称孪晶马氏体。电镜下电镜下电镜下电镜下光镜下光镜下

49、注：片状注：片状M M中存在大量的显中存在大量的显微裂纹：微裂纹：M M高速形成时相互高速形成时相互撞击或撞击或M M与晶界撞击造成的。与晶界撞击造成的。 所以高碳钢脆性较大。所以高碳钢脆性较大。电镜下电镜下电镜下电镜下光镜下光镜下马氏体的形态主要取马氏体的形态主要取决于其含碳量决于其含碳量C%C%小于小于0.2%0.2%时，组织几时，组织几乎全部是板条马氏体。乎全部是板条马氏体。C%C%大于大于1.0%C1.0%C时几乎全时几乎全部是针状马氏体部是针状马氏体. .C%C%在在0.20.21.0%1.0%之间为之间为板条与针状的混合组织。板条与针状的混合组织。马氏体形态与含碳量的关系马氏体形态

50、与含碳量的关系0.45%C0.2%C1.2%C45钢正常淬火组织钢正常淬火组织先形成的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒，但不能穿过先形成的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒，但不能穿过晶界和孪晶界。后形成的马氏体片不能穿过先形成的晶界和孪晶界。后形成的马氏体片不能穿过先形成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小马氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小. .原始奥氏体晶粒细，转变原始奥氏体晶粒细，转变后的马氏体片也细。后的马氏体片也细。当最大马氏体片细到光镜当最大马氏体片细到光镜下无法分辨时，该马氏体下无法分辨时，该马氏体称隐晶马氏体称隐晶马氏体. .正常淬火得到的正常淬火得到的M M都是隐都是隐晶晶M

51、M。3 3、马氏体的性能、马氏体的性能高硬度、高强度是高硬度、高强度是M M性性能的主要特点。能的主要特点。马氏体的硬度主要取决马氏体的硬度主要取决于其含碳量。于其含碳量。含碳量增加，其硬度增含碳量增加，其硬度增加。加。当含碳量大于当含碳量大于0.6%0.6%时，其硬度趋于平缓。时，其硬度趋于平缓。( (残余残余A A) )合金元素对马氏体硬度的影响不大。合金元素对马氏体硬度的影响不大。马氏体硬度、韧性与含碳量的关系马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C%M M强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，相变强化、组织细化相变强化、组织细化( (晶界晶

52、界) )也起到较大作用。也起到较大作用。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马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性. .板条状板条状M M具有优良的强韧性，片状具有优良的强韧性，片状M M硬但脆。硬但脆。针状马氏体针状马氏体板条马氏体板条马氏体马氏体的透射电镜形貌马氏体的透射电镜形貌4 4、马氏体转变的特点、马氏体转变的特点马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点是：马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点是：无扩散性无扩散性铁和碳原子都铁和碳原子都不扩散，因而不扩散，因而马氏体的

53、含碳马氏体的含碳量与奥氏体的量与奥氏体的含碳量相同。含碳量相同。 共格切变性共格切变性由于无扩散，晶格转变是以切变由于无扩散，晶格转变是以切变机制进行的。使切变部分的形状机制进行的。使切变部分的形状和体积发生变化，引起相邻奥氏和体积发生变化，引起相邻奥氏体随之变形，在预先抛光的表面体随之变形，在预先抛光的表面上产生浮凸现象。上产生浮凸现象。 马氏体转变马氏体转变切变示意图切变示意图马氏体转变产生的表面浮凸马氏体转变产生的表面浮凸 降温形成降温形成马氏体转变开始的温度称上马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用马氏体点，用Ms Ms 表示表示. .马氏体转变终了温度称下马氏体转变终了温度称下马氏体点

54、，用马氏体点，用M Mf f 表示表示. .只要温度达到只要温度达到MsMs以下即发以下即发生马氏体转变。生马氏体转变。在在MsMs以下，随温度下降以下，随温度下降, ,转转变量增加，冷却中断变量增加，冷却中断, ,转变转变停止。停止。MfMsM(50%)M(90%)高速长大高速长大马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的马当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的马氏体产生裂纹。氏体产生裂纹。 转变不完全转变不完全即使冷却到即使冷却到M Mf f 点，也点，也不可能获得不可能获得100%100%的马的马氏体

55、，总有部分奥氏氏体，总有部分奥氏体未能转变体未能转变而残留下来，称残余奥氏体，用而残留下来，称残余奥氏体，用A A 或或 表示。表示。MsMs、M Mf f 与冷速无关，主要取决于奥氏体中的合金元与冷速无关，主要取决于奥氏体中的合金元素含量素含量( (包括碳含量包括碳含量) )。马氏体转变后，马氏体转变后，A A 量随含碳量的增加而增加，当量随含碳量的增加而增加，当含碳量达含碳量达0.5%0.5%后，后，AA量才显著。量才显著。含含 碳碳 量量 对对 马马 氏体氏体转转 变变 温温 度度 的的 影响影响含碳含碳 量对残余奥量对残余奥氏体氏体 量的影响量的影响过冷奥氏体转变产物过冷奥氏体转变产物

56、( (共析钢共析钢) ) 转变转变类型类型转变转变产物产物形成温形成温度，度， 转变转变机制机制显微组织特征显微组织特征HRC获得获得工艺工艺珠珠光光体体PA1650扩扩散散型型粗片状，粗片状，F、Fe3C相间分布相间分布5-20退火退火S650600细片状，细片状，F、Fe3C相间分布相间分布20-30正火正火T600550极细片状，极细片状，F、Fe3C相间分布相间分布30-40等温等温处理处理贝贝氏氏体体B上上550350半扩半扩散型散型羽毛状，短棒状羽毛状，短棒状Fe3C分布于分布于过饱和过饱和F条之间条之间40-50等温等温处理处理B下下350MS竹叶状，细片状竹叶状，细片状Fe3C

57、分布于分布于过饱和过饱和F针上针上50-60等温等温淬火淬火马马氏氏体体M针针MSMf无扩无扩散型散型针状针状60-65淬火淬火M*板条板条MSMf板条状板条状50淬火淬火二、过冷奥氏体转变图二、过冷奥氏体转变图过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变两过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变两种。种。 两种冷却方式两种冷却方式示意图示意图11等温冷却等温冷却22连续冷却连续冷却 过冷奥氏体连续冷却转变图过冷奥氏体连续冷却转变图过冷奥氏体连续冷却转变图又称过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCTCCT( (Continuous-Continuous-Cooling-Transformatio

58、n diagramCooling-Transformation diagram) )曲线，是通过测曲线，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。共析钢共析钢CCTCCT曲线曲线过共析钢过共析钢CCTCCT曲线曲线亚共析钢亚共析钢CCTCCT曲线曲线1 1、共析钢的共析钢的CCTCCT曲线曲线共析钢的共析钢的CCTCCT曲线没有贝曲线没有贝氏体转变区，在珠光体氏体转变区，在珠光体转变区之下多了一条转转变区之下多了一条转变中止线。变中止线。当连续冷却曲线碰到转当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变中止线时，珠光体转变中止，余下的奥氏体变中止，余下的奥

59、氏体一直保持到一直保持到MsMs以下转变以下转变为马氏体。为马氏体。VkVk共析钢的共析钢的CCT曲线曲线图中的图中的V Vk k 为为CCTCCT曲曲线的临界冷却速度，线的临界冷却速度，即获得全部马氏体即获得全部马氏体组织时的最小冷却组织时的最小冷却速度速度. .V Vk k 为为TTTTTT曲线的曲线的临界冷却速度临界冷却速度. . V Vk k 1.5 V1.5 Vk k 。VkVk时间时间/s温度温度/共析钢的共析钢的CCT图图共析温度共析温度连续冷却转连续冷却转变曲线变曲线完全退火完全退火正火正火等温转等温转变曲线变曲线油淬油淬水淬水淬M+AM+T+ASP200100CCTCCT曲线

60、位于曲线位于TTTTTT曲线右下曲线右下方。方。CCTCCT曲线获得困难，曲线获得困难，TTTTTT曲线容易测得。曲线容易测得。可用可用TTTTTT曲线定性说明连曲线定性说明连续冷却时的组织转变情况。续冷却时的组织转变情况。方法是将连续冷却曲线绘方法是将连续冷却曲线绘在在C C 曲线上，依其与曲线上，依其与C C 曲曲线交点的位置来说明最终线交点的位置来说明最终转变产物转变产物. . 用用TTT曲线定性说明共析钢连续冷却时曲线定性说明共析钢连续冷却时的组织转变的组织转变炉冷炉冷空冷空冷油油冷冷水水冷冷PST+M+AM+AP均匀均匀A细细AP退火退火(炉冷炉冷)正火正火(空冷空冷)S淬火淬火(油