第三章1)钢的热处理——加热和冷却的组织变化

1、1 第第3 3章章 钢的热处理3.1 钢在加热时的组织转变3.2 钢在冷却时的组织转变3.3 钢的普通热处理3.4 钢的表面热处理2热处理是指将钢在固态下加热到预定的温度，保温一段时间，然后以预定的方式冷却到室温，来改变其内部组织结构，以获得所需性能的一种热加工工艺。特点：改变钢的内部组织，而不改变其形状和尺寸。分类：普通热处理（退火、正 火、淬火、回火）； 表面热处理（表面淬火、化学热处理）； 其他热处理加热冷却保温过程：过程：33.1 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变4A1、A3、AcmAc1、Ac3、AccmAr1、Ar3、Arcm两种加热：1.临界温度线以下的加热；2.临界线以

2、上的加热。5F FFe3CFe3C未未溶溶Fe3C未未溶溶Fe3CA A残残余余Fe3C残残余余Fe3CA AAA AA形形核核A长长大大残残余余Fe3C溶溶解解A 均均匀匀化化3.1.1 奥氏体化过程：奥氏体晶核长大奥氏体晶核形成残余渗碳体溶解奥氏体成分均匀化6 加热时由铁素体+渗碳体转变为奥氏体的过程。 涉及晶格改组和Fe、C原子的扩散过程。 遵循形核、长大规律。2共析钢奥氏体化温度共析钢奥氏体化温度 Ac1温度。 1）、共析钢的奥氏体化）、共析钢的奥氏体化1奥氏体化奥氏体化7a. 形核：优先在相界形核：优先在相界F，Fe3Cb. 长大：长大：c. 渗碳体完全溶解：渗碳体完全溶解：d. 碳

3、的均匀化：碳的均匀化：3共析钢奥氏体化过程共析钢奥氏体化过程F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69) A (Fcc, 0.77)示意82）、亚）、亚(过过)析钢的奥氏体化析钢的奥氏体化亚析钢亚析钢过析钢过析钢P + F AP+ Fe3C AAc1Ac3Ac1Accm93.1.2、奥氏体晶粒大小及控制、奥氏体晶粒大小及控制 表征晶体内晶粒大小的量度，通常用长度、面积、体积或晶粒度级别表示。1晶粒度晶粒度102起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度 本质晶粒度本质晶粒度：钢奥氏体晶粒长大的倾向。 奥氏体晶粒随温度的升高而迅速长大本质粗晶钢 奥氏体晶粒随温度升高

4、到某一温度时，才迅速长大本质细晶钢 （见下图） 起始晶粒度起始晶粒度：P A结束时的晶粒度； 实际晶粒度实际晶粒度：钢在某一具体处理过程中所得奥氏体晶粒的大小；11本质细晶粒和本质粗晶粒（示意图）本质细晶粒和本质粗晶粒（示意图）123、影响奥氏体化的因素、影响奥氏体化的因素a加热温度加热温度 TA化速度 (因为过热度、D、形核孕育期 ）V 转变开始温度，转变时间；V ，转变时间 ，接近平衡转变b加热速度加热速度13c含碳量含碳量 C% Fe3C / Fe3C界面多形核核心多转变快d合金元素合金元素 a. Cr、Mo、W、 Mn 、V、Nb、Ti强碳化物形成元素，形成碳化物，阻碍碳扩散， 奥氏体

5、形成速度 ； b. Co、Ni非碳化物形成元素，奥氏形成速度； c. Al、Si影响不太。e原始组织原始组织 片状，片间距小相界面多碳弥散度大碳原子扩散距离短奥氏体形核长大快 ； 片状 粒状。144奥氏体晶粒度的控制奥氏体晶粒度的控制a. 加热工艺加热工艺 合理的加热温度（见下图）与保温时间。b. 钢的成分钢的成分合金化合金化 i. A中C%晶粒 ii. 合金元素% 晶粒 碳化物形成元素碳化物形成元素：形成稳定碳化物阻碍扩散，细化晶粒； Al：形成氧或氮化合物于晶界，使形核率 且C扩散受阻本质细晶钢； Mn 、P等等：促进长大。15161.1.奥氏体晶粒均匀细小奥氏体晶粒均匀细小, ,热热处理

6、后钢的力学性能提高。处理后钢的力学性能提高。2.2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时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容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。甚至开裂。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173.1.3、钢在加热时常见的缺陷及防止措施、钢在加热时常见的缺陷及防止措施1常见缺陷常见缺陷氧化；脱碳；过热；过烧2防止措施防止措施在真空中加热；可控气氛加热；盐浴加热；183.2 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变1 连续处理 2 等温处理 过冷奥氏体的连续冷却转变 影响C曲线的因素 过冷奥氏体的等温转变 19A1、A3、AcmAc1、Ac3、A

7、ccmAr1、Ar3、Arcm20共析钢等温转变图（共析钢等温转变图（C曲线）曲线）（a）不同等温下的等温转变动力学曲线（b）等温转变图（C曲线）一、过冷奥氏体的等温转变一、过冷奥氏体的等温转变1共析钢过冷共析钢过冷A等温转变曲线等温转变曲线（TTT图、C曲线）获得获得：冷却到一定温度，保温，测量A过冷转变开始和终了时间T - timeT - temperatureT - transformationC - Shape21共共析析碳碳钢钢TTT 曲曲线线建建立立过过程程示示意意图图时时间间(s)3001021031041010800-100100200500600700温温度度()0400时时

8、间间(s)3001021031041010800-100100200500600700温温度度()04003001021031041010800-100100200500600700温温度度()04001021031041010800-100100200500600700温温度度()0400800-100100200500600700温温度度()0400A122特点：特点：i. A1（727度）以上：A稳定ii. A1 （727度）以下：过冷A不稳定，iii. C曲线有一最小孕育期（550度）： 1：T，AP的驱动力提高 2：TDiiii. 转变开始线与转变终了线23稳定的奥氏体区稳定的奥氏体

9、区过冷奥氏体区过冷奥氏体区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线 A +产产 物物 区区产物区产物区230 - 50; 低温转低温转变区变区; 非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体 ( M ) 转变区。转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf550230;中温转变中温转变区区; 半扩散型转变半扩散型转变; 贝氏体贝氏体( B ) 转变区转变区;A1550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变; P 转变区。转变区。 A +产产 2共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和特征共析钢

10、过冷奥氏体等温转变产物的组织和特征24A1鼻子温度（鼻子温度（550）A过冷过冷P（S，T）索氏体，屈氏体。）索氏体，屈氏体。 P的形成取决于形核、长大速率。的形成取决于形核、长大速率。 T，形核，长大。 T600，D，长大慢 层间距薄、短 扩散型相变，综合性能好扩散型相变，综合性能好。 HB较低，韧性好。 THB，强度（1）高温转变区）高温转变区 P S T25A1650 : P ; 525HRC; 片间距为片间距为0.60.7m ( 500 )。650600 : 细片状细片状P-索氏体索氏体(S); 片间距为片间距为0.20.4m (1000);2536HRC。600550:极细片极细片状

11、状P-屈氏体屈氏体(T); 片间片间距为距为0.2m ( 电镜电镜 );3540HRC。26珠珠 光光 体体 形形 貌貌 像像光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌27光镜形貌电镜形貌 索索 氏氏 体体 形形 貌貌 像像28 屈屈 氏氏 体体 形形 貌貌 像像电镜形貌光镜形貌29（2）中温区转变）中温区转变贝氏体转变贝氏体转变 550230 （Ms）A过冷过冷B，碳化物分布在含过饱和碳的，碳化物分布在含过饱和碳的F基体上的两相机械混合物。基体上的两相机械混合物。550350上贝氏体上贝氏体半扩散型，半扩散型，Fe不扩散不扩散羽毛状羽毛状（见下图）（见下图）碳化物在碳化物在F间，韧性差间，韧性

12、差350Ms 下贝氏体下贝氏体 C原子有一定原子有一定的扩散能力的扩散能力 针状针状 （见下图）（见下图）碳化物在碳化物在F内，韧性高，内，韧性高，综合机械性能好综合机械性能好 B上B下30B上上 =过饱和碳过饱和碳 -Fe条状条状+ Fe3C细条状细条状过饱和碳过饱和碳-Fe条状条状 Fe3C细条状细条状羽毛状羽毛状B下下 =过饱和碳过饱和碳 -Fe针叶状针叶状 + Fe3C细片状细片状过饱和碳过饱和碳 -Fe针叶状针叶状Fe3C细片状细片状针叶状针叶状31上贝氏体组织金相图上贝氏体组织金相图下贝氏体组织金相图下贝氏体组织金相图32a. 转变产物：转变产物： 马氏体M，碳在-Fe中的过饱和固

13、溶体。 使-Fe 晶格发生变化。b. 实实 质：质： T低C无法扩散非扩散性晶格切变(见下图)过饱和C的铁素体。（3）低温区转变）低温区转变 马氏体转变，马氏体转变，MSMf之间一个温度范围内连续冷却完成的，之间一个温度范围内连续冷却完成的，属于非扩散型转变。属于非扩散型转变。 A过冷过冷M+A残余残余33 由于碳的过饱和作用由于碳的过饱和作用, ,使使FeFe晶格由晶格由体心立方体心立方变成体心正方晶格。变成体心正方晶格。34奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响6007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.0 1.21

14、.4 1.61.82.00温度Wc 1006007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.0 1.21.4 1.61.82.006007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.0 1.21.4 1.61.82.00温度Wc 100MsMsMfMf35奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7Wc 100残余奥氏体量( % )90805070406020301000

15、.60.90.80.71.00.51.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7Wc 100残余奥氏体量90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7Wc 100残余奥氏体量( % )36d. M的组织形态的组织形态板条状板条状 - 低碳马氏体低碳马氏体(0.23%C ); 3050HRC ; = 917%。C%1.0%，针，针/片状马氏体片状马氏体M针针37针、片状针、片状 - 高碳马氏体高碳马氏体(1.0%C); 66HRC左右左右 ; 1%。 高碳针片状马氏体组织金相图高碳针片状马氏体组织金相图38

16、e. M的性能的性能马氏体的碳浓度 Wc 100507040602030100.10.30.20.400.5 0.6 0.7 0.80.9 1.0硬度 ( HRC ) 2000抗拉强度b ( Mpa ) 1800 1400 1000 600 200主要取决于马氏体中的碳浓度。主要取决于马氏体中的碳浓度。39M转变的特征：转变的特征： 无扩散性； 瞬时性； 存在Ms,Mf； 不完全性； 体积膨胀。403共析钢等温转变组织共析钢等温转变组织性能的关系性能的关系 转变温度降低，片间距小，细晶强化强度、硬度、塑性、韧性提高。 B上（羽毛状）：强度、韧性差； B下（针状） ：硬度高，韧性好，具有优良的综

17、合机械性能。 硬度高C%HRC 针/片状马氏体（高C% ），硬而脆，塑、韧性差； 板条状（低C% ） ，强度高，塑性、韧性好。（1）珠光体型）珠光体型（2）贝氏体）贝氏体（3）马氏体）马氏体414亚（过）共析钢的等温冷却转变曲线亚（过）共析钢的等温冷却转变曲线在C曲线左端多一条曲线。 亚：先析出F， 过：先析出Fe3C碳含量对碳钢C曲线的影响42二、影响二、影响C曲线的因素曲线的因素 C曲线反映奥氏体的稳定性及分解转变特性，这些取决于奥氏体的化曲线反映奥氏体的稳定性及分解转变特性，这些取决于奥氏体的化学成分和加热时的状态。学成分和加热时的状态。 C曲线的形状位置，不仅对过冷奥氏体等温转变速度和

18、转变产物的性曲线的形状位置，不仅对过冷奥氏体等温转变速度和转变产物的性能具有重要意义，而且对钢的热处理工艺也有指导性作用。能具有重要意义，而且对钢的热处理工艺也有指导性作用。 A中中C%C曲线右移曲线右移. 对亚共析钢对亚共析钢：钢中：钢中C%，A中中C%C曲线右移曲线右移 对过共析钢对过共析钢：一般在：一般在AC1以上以上A化，钢中化，钢中C%，未溶，未溶Fe3C 有利于形核有利于形核C曲线左移；曲线左移； 当温度超过当温度超过Accm时，时， Fe3C全溶解，全溶解， C曲线右移曲线右移 共析钢共析钢：C曲线最靠右边，稳定性最高，孕育期最长。曲线最靠右边，稳定性最高，孕育期最长。1含碳量含

19、碳量下图：碳含量对碳钢下图：碳含量对碳钢C曲线的影响曲线的影响43碳含量对碳钢碳含量对碳钢C曲线的影响曲线的影响过过 共共析析 钢钢过过 共共析析 钢钢共共 析析钢钢共共 析析钢钢亚亚 共共析析 钢钢亚亚 共共析析 钢钢时 间温度A1时 间温度A1温度A144除除Co以外，所有合金元素溶入以外，所有合金元素溶入A中，增大过冷中，增大过冷A稳定性稳定性C曲线右移曲线右移 非碳化物形成元素，非碳化物形成元素，Si、Ni、Cu, 不改变不改变C曲线形状，使右移曲线形状，使右移 强碳化物形成元素，强碳化物形成元素，Cr、Mo、W、V、Nb、Ti, 改变改变C曲线形状并右移曲线形状并右移除除Co、Al

20、外，均使外，均使Ms、Mf 下降，残余下降，残余A2合金元素，（合金元素，（Co%左移）左移）（见下图见下图） A化温度化温度或加热时间或加热时间（成分均匀，晶粒大，未溶碳化物少，形（成分均匀，晶粒大，未溶碳化物少，形核率降低）核率降低）A稳定性稳定性，孕育期延长，孕育期延长，C曲线右移曲线右移3加热温度和加热时间加热温度和加热时间45合金元素对碳钢合金元素对碳钢C曲曲线的影响线的影响（a）Ni的影响的影响（b）Cr的影响的影响（c）W的影响的影响A1Ms含含Cr合金钢合金钢MsA1向右移向右移向下移向下移除除Co、Al (2.5% ) 外外,所有所有合金元素溶入奥合金元素溶入奥氏体中，会使氏

21、体中，会使:46三、过冷奥氏体的连续冷却转变三、过冷奥氏体的连续冷却转变 （CCT曲线）Ps：AP开始线开始线Pf：AP终止线终止线K：珠光体型转变终止线：珠光体型转变终止线Vk：上临界冷却速度（马氏体临界：上临界冷却速度（马氏体临界冷却速度）冷却速度）M最小冷速最小冷速Vk：下临界冷速：下临界冷速完全完全P最大冷速最大冷速1过冷奥氏体的连续冷却转变图过冷奥氏体的连续冷却转变图C - continuousC - coolingT - transformation47（1）CCT位于位于TTT曲线右曲线右下方下方 ，AP转变温度低转变温度低一些，一些，t长一些长一些（2）CCT无无AB转变转变

22、CCT测定困难，常用测定困难，常用TTT曲线定性分析曲线定性分析2连续冷却转变曲线和等连续冷却转变曲线和等温转变曲线的比较温转变曲线的比较48（1）根据工件的组织与性能要求，确定热处理工艺。）根据工件的组织与性能要求，确定热处理工艺。（2）为了获得）为了获得M，确定工件淬火时的临界冷速。，确定工件淬火时的临界冷速。（3）可以指导连续冷却操作。）可以指导连续冷却操作。（4）选择钢材的依据。钢号不同，）选择钢材的依据。钢号不同，C曲线不同。曲线不同。（5）C曲线对选择淬火介质与淬火方法有指导。曲线对选择淬火介质与淬火方法有指导。3C曲线的应用曲线的应用V1 ：炉冷（退火）：炉冷（退火） PV2 ：空冷，：空冷，S，TV3：空冷，：空冷，S，TV4：油冷，：油冷，T+M+AV5 ：M+A稳稳定定的的奥奥氏氏体体区区时