金属材料及热处理11钢的热处理篇(3)

1、六、六、碳钢及钢的热处理碳钢及钢的热处理1、Fe-C相图与碳钢2、钢的加热转变（奥氏体化）3、 奥氏体的冷却转变（奥氏体分解， C曲线）4、 珠光体转变与钢的退火、正火5、 马氏体转变与钢的淬火6、 淬火钢的加热转变与钢的回火7、 贝氏体转变与钢的等温淬火8、 表面淬火9、 化学热处理10、热处理的工艺基础（略）4、珠光体转变与钢的退火、正火1）珠光体转变）珠光体转变 钢中的共析转变，产物呈珠母条纹状，而得名。 转变反应式： A（0.77%C，FCC）F（0.02%C，BCC）+Fe3C（6.69%C，复杂斜方）1864年索拜在碳素钢中观察到片状碳化物和铁素体混合物，定名为珠光的组成物（pea

2、rly constituent），后来金相学上称为珠光体(pearlite)。珠光体转变理论1960s似乎已成熟，但1980s再度引起重视，相应地，珠光体钢和珠光体组织的应用也得到了新的发展，如微合金化非调质钢取代传统调质钢、珠光体钢重型钢轨钢、高强冷拔钢丝（绳）用钢等 片层间距不同的珠光体A1-650（P, 珠光体）片间距大于0.25m ，鉴别片间与片层可用普通光镜，强度、硬度低，塑性好；650-600（S, 索氏体）片间距小于0.25m而大于0.10 m ，鉴别片间与片层可用高倍（X800-1000）光镜，强度、硬度较高，塑性较好；600-550（T, 屈氏体）片间距小于0.10 m ，鉴

3、别片间与片层要用电镜，强度、硬度高，塑性低。（尤其是伴生着贝氏体转变，而混杂上贝氏体，韧性急剧下降）通常，从综合性能来考虑，处理成索氏体（650-600 等温退火或正火，要求不是很高时，通常用正火片状索氏体，否则需回火粒状珠光体）珠光体珠光体索氏体索氏体屈氏体屈氏体层状珠光体层状珠光体粒状珠光体粒状珠光体在晶界处形在晶界处形核，领先相核，领先相很可能是渗很可能是渗碳体碳体形成渗碳体，形成渗碳体，Fe3C/A界面界面贫碳，贫碳，A改组改组成成F侧（横）向生长，侧（横）向生长，增加片层数增加片层数边（纵）向生长，边（纵）向生长，向片层平行方向向片层平行方向推进推进珠光体块基珠光体块基本上呈半球本上

4、呈半球生长生长珠光体球珠光体球珠光体领域（珠光体领域（pearlite colony）2）珠光体的形核长大过程）珠光体的形核长大过程 过冷奥氏体向珠光体组织转变过程是一个形核长大过程珠光体在奥氏体晶界（尤其是三叉晶界）处形核，向奥氏体晶粒中长大3）珠光体的形核长大过程的实验观察）珠光体的形核长大过程的实验观察在奥氏体晶界（尤其是三叉晶界）处形核，向奥氏体晶粒中长大开始有点像不连续脱溶的过程只是随后的长大过程会贯穿并占满整个奥氏体晶粒4）珠光体的形核长大过程中珠光体界面推进过程与界面前）珠光体的形核长大过程中珠光体界面推进过程与界面前沿的溶质原子再分布沿的溶质原子再分布C - (CF)C - (

5、C2)C Fe3C (C1)C Fe3C (6.69%C)造成C由F前沿相Fe3C前沿扩散，从而使FCC的A向BCC的F转变，而同时Fe3C形成，二者一起向前发展和向侧面发展，即纵向生长和横向生长。5）层状珠光体的片层间距与其形成温度之间的关系）层状珠光体的片层间距与其形成温度之间的关系p随温度下降，片层间距减小，存在如下经验关系：S=(8.02/T)10-4 (cm/ )6）层状珠光体的硬度、力学性能与片层间距之间的关系）层状珠光体的硬度、力学性能与片层间距之间的关系片间距大于0.25m的珠光体强度、硬度低，塑性好；片间距小于0.25m而大于0.10 m的索氏体强度、硬度较高，塑性较好；片间

6、距小于0.10 m的屈氏体强度、硬度高，塑性低。（尤其是伴生着贝氏体转变，而混杂上贝氏体，韧性急剧下降）通常，从综合性能来考虑，处理成索氏体（650-600 等温退火或正火，要求不是很高时，通常用正火片状索氏体，否则需回火粒状珠光体）7）亚、过共析钢过冷奥氏体分解产物的组织特点）亚、过共析钢过冷奥氏体分解产物的组织特点亚、过共析钢过冷奥氏体分解时，首先有先共析相（先共析铁素体或先共析渗碳体）析出，然后再A1温度发生珠光体转变，从而形成F先+P或Fe3C先+P，而这些先共析相随转变温度、时间、奥氏体晶粒大小、钢中C含量不同而呈现出不同的形态，主要有，（1）块状铁素体低碳，缓冷或高温等温时易形成。

7、（2）网状组织（铁素体或珠光体）共析成分附近，即先共析相不多，冷速不大，即，缓冷或临界点以下不太低的温度等温，F或Fe3C易在晶界形核长大，成网。（性能不好，需防）（3）魏氏组织奥氏体晶粒大且成分不均匀，冷速中等，晶核少，先共析相较多（含较高C的过共析钢和中碳的亚共析钢中）时，易沿某些惯析面生成，切入基体而形成。（韧性大跌，需防）。F魏的惯析面111A，位向关系（110）F /（111）A， F / A ；Fe3C魏的惯析面227A，位向（001）Fe3C /（311）A ， Fe3C / A （4）伪共析组织成分接近共析成分，冷速较大或较低温等温时易形成。抑制了先共析相析出，直接发生珠光体转

8、变，获得珠光体。这种非共析成分的珠光体谓之伪共析组织。深冲弹簧钢中的魏氏组织MGBAGBAP+BP+BPWW8）钢的退火与正火）钢的退火与正火正火广义上属于退火的一种特殊形式。退火的形式很多：完全退火、不完全退火（球完全退火、不完全退火（球化退火）化退火）、扩散退火（均匀化退火）、再结晶退火、低温退火（去应力退火）、正火正火等等（1）完全退火）完全退火用于亚共析钢工艺：i、加热温度 T = Ac3+2040 （完全奥氏体化）ii、加热时间 t = k加D（min）（碳钢k加= 1.5min/mm,碳钢k加= 2.0min/mm ）iii、冷却方式与速率a、普通退火 缓冷（炉冷、埋沙冷等）（碳钢

9、 100-200 /h，合金钢50- 100 /h ，高合金钢10- 50 /h ）（太快，淬火）b、等温退火 在珠光体转变范围保温温度、时间由所需硬度而定，优点：工艺周期短、断面温度一致，组织均匀；缺点：操作麻烦，多需一台炉子。完全退火不完全退火，对于亚共析钢很少用，除非利用F来提高塑性，牺牲强度（用F细化A，或防A长大，或F溶解S、P杂质时用）abAc3应用：i、消除前面工序形成的组织缺陷（魏氏组织、带状组织、过热粗晶等），重结晶以细晶；ii、机械加工前的软化处理，有利于切削，或为淬火做准备，以最终细晶、均匀；iii、消除内应力（2）球化退火）球化退火用于过共析钢（中、高C钢）球化退火的对

10、象：球化退火的对象：过共析钢，尤其是Fe3C成网严重，Fe3C片大而粗的情况过共析钢过共析钢工艺流程：工艺流程：下料锻造 (有时需正火作为球化的预处理，以消除网、易球化)球化退火球化退火机加工淬火+回火；球化退火的目的球化退火的目的： （1）消除片状P的Fe3C和网状的Fe3C，利于加工或后续淬火+回火；（2）组织球化，硬度下降，改善切削性；（3）降低退火温度，防晶粒粗大和魏氏组织；（4）细化晶粒，改善均匀性；（5）消除内应力。不完全退火完全退火，对于过共析钢很少用低碳钢一般不用中碳钢若要求低硬低强，用球化退火的原因球化退火的原因： （1）热锻后片状P的Fe3C和网状的Fe3C，粗大、脆硬，不

11、利于加工或后续淬火+回火；（2）用完全退火能消除部分Fe3C，但缓冷时Fe3C沿晶界网状析出，无法消除网状Fe3C；（3）完全退火温度过高，C，Fe自扩散加剧，易晶粒粗大，可能会出现魏氏组织；（4）普通的不完全退火，温度低、时间短，也无法消除网、和粗块Fe3C；（5）如使Fe3C球化，软，以切削，晶粒易控制，且更易获得板条马氏体，淬火组织好。PFe3C PFe3C GB Fe3C容易沿 晶 界 以网状析出温度太高，A晶粒容易粗化严重。魏氏组织球化退火的机制球化退火的机制： （1）能量分析类似于颗粒粗化，第二相在固溶体中的溶解度与颗粒大小有关，通常颗粒大，溶解度小。换而言之，溶解度与曲率半径有关

12、，曲率半径大，表面平，溶解度小；（2）尖角、沟槽、或棱角处，曲率半径小，溶解度大，而平直处，曲率半径大，溶解度小，于是，构成浓度差（梯度），形成的扩散；（3）溶解，生长，于是棱角消失，平直突起；（4）直到成球，曲率一致，扩散为止。小大C小C大ABr小r大r首先在亚晶界或位错密度高（冷变形或热变形时形成的）处溶断。普通球化退火工艺普通球化退火工艺： i、加热温度 T = Ac1+3050 （20-30 ） （不完全奥氏体化）ii、加热时间 t = k加D（min） +球化时间（时间很长）（碳钢k加= 1.5min/mm,碳钢k加= 2.0min/mm ）iii、冷却方式与速率 缓冷，比完全退火慢

13、（碳钢 50-100 /h，合金钢10- 50 /h ，高合金钢小于10 /h ）（太快，淬火）等温球化退火工艺：等温球化退火工艺：Ac1+2030缓冷到Ar1+2030保温长时间空冷 Ar1+2030温度较低可以防止Fe3C过分粗化，A晶粒粗化，有利于细晶abAccmFe3C球化其它球化退火工艺其它球化退火工艺：（a）普通球化退火工艺； （b）等温球化退火工艺（c）周期球化退火工艺； （d）调质球化退火工艺Ac1AccmAc1AccmAr1（a）（b）（c）（d）（3）正火）正火常化（Normalizing）正火的对象：正火的对象：低、中、高碳钢正火的目的正火的目的： （1）低碳钢的车削前的

14、热处理；（2）中碳钢替代调质处理，为最终热处理；（3）消除过共析钢的粗大Fe3C或网状Fe3C（粗、大者球化退火的准备） ；（4）消除缺陷，细化晶粒，改善均匀性，为最终热处理做准备；（5）对于存在魏氏组织的中碳钢铸件或锻件。消除魏氏组织。正火的工艺正火的工艺：完全奥氏体化后空冷，奥氏体化温度选择与含碳量有关。虽C，温度不宜太高，防粗晶。低TN=Ac3+100-150 中TN=Ac1+50-100 高TN=Accm+30-50 完全奥氏体化i、完全奥氏体化Ii、空冷正火的组织：细珠光体或正火索氏体亚、共则有先共析相，随碳含量接近0.77%， 先共析相减少，0.6-0.7%C者可形成伪共析组织。进入单相区，冷速较快，不宜成网，但TN不宜太高，防粗晶，和网Fe3C正火与退火的选择：正火与退火的选择：（1）正火与退火的异同点（略）工艺、原理、目的、安排、经济（2）正火可以作为最终热处理，而退火很少用作最终（除了退火供货的普通碳素结构钢）。钢一般很少直接使用退火态。（3）作为中间热处理工艺，两者的选择使用也