材工—熱處理原理2

1、9.1.2 鋼的冷卻轉(zhuǎn)變同一種鋼加熱到奧氏體狀態(tài)后，由于爾后的冷卻速度不一樣，奧氏體轉(zhuǎn)變成的組織不一樣，因而所得的性能也不一樣。研究奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變常用等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線，即TTT曲線（過冷奧氏體在一定溫度下隨時間變化組織轉(zhuǎn)變情況）及連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，即CCT曲線（過冷奧氏體依冷卻速度變化組織轉(zhuǎn)變情況）。TTT曲線是選擇熱處理冷卻制度的參考，CCT曲線更能反映熱處理冷卻狀況，作為選擇熱處理冷卻制度的依據(jù)。9.1.2.1 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線 當溫度在A1以上時，奧氏體是穩(wěn)定的，不發(fā)生分解。當溫度降到A1以下后，奧氏體即處于過冷狀態(tài)，這種奧氏體稱為過冷奧氏體。過冷A是不穩(wěn)定的，會轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌慕M織。

2、鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變，實質(zhì)上是過冷A的轉(zhuǎn)變，而過冷A的轉(zhuǎn)變也是一個點陣重構(gòu)和C的擴散過程。 一、過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線定義：過冷A向其他組織轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變量與等溫保溫時間的關(guān)系曲線（TTT曲線Time Temperature Transformation或C曲線或IT曲線Isothermal Transformation）。測定方法：金相硬度法膨脹法磁性法熱分析法等二、共析鋼過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線孕育期：過冷A從過冷到轉(zhuǎn)變開始這段時間，其長短反應了過冷A的穩(wěn)定性大小。C曲線中，鼻尖處（550）的孕育期最短，過冷A穩(wěn)定性最小。為何不同溫度下過冷A穩(wěn)定性不同？727過冷度較小時，由于過冷A和P之間的自

3、由能差較?。ㄏ嘧凃?qū)動力較?。?，過冷A比較穩(wěn)定，故孕育期很長，轉(zhuǎn)變所需總時間也很長;溫度下降，過冷度增大，新舊相之間的自由能差不斷加大，過冷A的穩(wěn)定性最低，孕育期最短，轉(zhuǎn)變速度最快；繼續(xù)降低溫度，新舊相的自由能差不再起主導作用，原子擴散能力起主導作用，溫度降低使擴散過程越來越困難，過冷A的孕育期和轉(zhuǎn)變時間逐漸增長。三、亞共析鋼過冷A的等溫轉(zhuǎn)變曲線 亞共析鋼的過冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線與共析鋼C曲線不同的是，在其上方多了一條過冷A轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體（F）的轉(zhuǎn)變開始線。亞共析鋼隨著含碳量的減少，C曲線位置往左移，同時Ms、Mf線住上移。亞共析鋼的過冷A等溫轉(zhuǎn)變過程與共析鋼類似。只是在高溫轉(zhuǎn)變區(qū)過冷A將先有一部分轉(zhuǎn)

4、變?yōu)镕，剩余的過冷A再轉(zhuǎn)變?yōu)镻型組織。 四、過共析鋼過冷A的等溫轉(zhuǎn)變曲線 過共析鋼過冷A的C曲線的上部為過冷A中析出二次滲碳體(Fe3CII)開始線。當加熱溫度為Ac1以上3050時，過共析鋼隨著含碳量的增加，C曲線位置向左移，同時Ms、Mf線往下移。過共析鋼的過冷A在高溫轉(zhuǎn)變區(qū)，將先析出Fe3CII，其余的過冷A再轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織。 9.1.2.2 過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變及其產(chǎn)物 奧氏體冷卻到A1溫度以下，由于過冷A的自由能較其他組織的自由能高，所以將向其他組織轉(zhuǎn)變。高溫轉(zhuǎn)變區(qū)(A1550的珠光體轉(zhuǎn)變區(qū))中溫轉(zhuǎn)變區(qū)( 550MS的貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū))低溫轉(zhuǎn)變區(qū)( MS以下的馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū))一、高溫轉(zhuǎn)變（

5、P轉(zhuǎn)變）轉(zhuǎn)變溫度： A1550（擴散型轉(zhuǎn)變）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：珠光體型組織 ，是鐵素體和滲碳體的機械混合物，滲碳體呈層片狀分布在鐵素體基體上；轉(zhuǎn)變溫度越低，層間距越小。按層間距大小，珠光體組織分為：珠光體（P）索氏體（S）屈氏體（T）過冷A高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形成溫度和性能名 稱符號形成溫度/硬 度能分辯片層的放大倍數(shù)珠光體PA1650170200HB<500×索氏體S6506002535HRC>800×屈氏體T6005503540HRC>2000× 實際上，這三種組織都是珠光體，并無本質(zhì)差別，且無嚴格的溫度界限，其差別只是珠光體組織的“片間距”大??；形成溫度

6、越低，片間距越小，組織的硬度越高，屈氏體的硬度高于索氏體和粗珠光體 二、中溫轉(zhuǎn)變（B轉(zhuǎn)變）(半擴散型轉(zhuǎn)變）轉(zhuǎn)變溫度： 550MS(240)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：貝氏體滲碳體分布在碳過飽和的鐵素體基體上的兩相混合物 。550 350 ：上貝氏體（上B)，呈羽毛狀，微觀上為小片狀的滲碳體分布在成排的鐵素體片之間。350 Ms：下貝氏體（下B），在光學顯微鏡下為黑色針狀，在電子顯微鏡下可看到在鐵素體針內(nèi)沿一定方向分布著細小的碳化物（Fe2.4C）顆粒。 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物性能上貝氏體：鐵素體片較寬，塑性變形抗力較低；同時滲碳體分布在鐵素體片之間，容易引起脆斷，因此強度和韌性都較差。 下貝氏體：鐵素體針細小，無方向性，碳的

7、過飽和度大，位錯密度高，且碳化物分布均勻、彌散度大，所以硬度高，韌性好，具有較好的綜合機械性能。 三、低溫轉(zhuǎn)變（M轉(zhuǎn)變）(非擴散型轉(zhuǎn)變）馬氏體：C在-Fe中的過飽和間隙固溶體，具有很大的晶格畸變，強度很高。馬氏體轉(zhuǎn)變：鋼從A狀態(tài)快速冷卻，在較低溫度（MsMf ）下發(fā)生的無擴散型相變。（廣義上講，凡是相變基本特征屬于M型的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物都稱為M，該過程稱為M轉(zhuǎn)變。）馬氏體轉(zhuǎn)變是強化金屬的主要途徑之一，大多數(shù)工件、零件都需要淬火和回火獲得最終的使用性能。鋼、許多有色金屬和合金以及陶瓷材料等均有馬氏體轉(zhuǎn)變。9.1.2.3 過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線 一、過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 實際生產(chǎn)中較多情況下是連續(xù)

8、冷卻，比如說正火、退火、淬火等熱處理等都是從高溫到低溫連續(xù)冷卻，因此研究連續(xù)連續(xù)冷卻更有意義。 連續(xù)冷卻：在一定冷卻速度下，過冷奧氏體在一個溫度范圍內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)變，得到的產(chǎn)物往往是不均勻的混合組織。 連續(xù)冷卻時采用過冷A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線-Continuous Cooling Transformation)來研究。二、共析鋼過冷A的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 1、連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線水冷 Ps過冷A轉(zhuǎn)變?yōu)镻型組織開始線Pf過冷A轉(zhuǎn)變?yōu)镻型組織終了線KK過冷A轉(zhuǎn)變中止線Vk上臨界冷卻速度，共析鋼以大于該速度冷卻時，由于遇不到P轉(zhuǎn)變線，得到馬氏體（M）組織。Vk下臨界冷卻速度，共析鋼以小于該速度冷卻時，得到全

9、部P型組織。CCT曲線與TTT曲線比較CCT曲線與TTT曲線之間有何差異？共析鋼過冷A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線中沒有奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w的部分，在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時得不到貝氏體組織。與共析鋼的TTT曲線相比，共析鋼的CCT曲線稍靠右靠下一點，表明連續(xù)冷卻時，奧氏體完成珠光體轉(zhuǎn)變的溫度較低，時間更長。CCT曲線較難測定，一般用過冷A的TTT曲線來分析連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的過程和產(chǎn)物，但要注意二者之間的差異。 緩慢冷卻（V1爐冷）：過冷AP，轉(zhuǎn)變溫度較高，P呈粗片狀，硬度170HB220HB稍快冷卻（V2空冷）：過冷AS，P呈細片狀，硬度25HRC35HRCV3（油冷）：TMAR，硬度4555HRC過冷AT（KK線以上

10、）過冷AM（ MsMf：馬氏體轉(zhuǎn)變）過冷AAR（殘余奧氏體AR 連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變后少量沒有轉(zhuǎn)變而保留到室溫的過冷奧氏體）VKVK'V4冷卻（水冷）：M AR圖中：1、P轉(zhuǎn)變開始線2、P轉(zhuǎn)變終了線3、P轉(zhuǎn)變中止線4、M轉(zhuǎn)變開始線5、M轉(zhuǎn)變終了線三、亞共析鋼過冷A的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 與共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的差異亞共析鋼過冷A在高溫時有一部分將轉(zhuǎn)變?yōu)镕，而共析鋼沒有F的轉(zhuǎn)變。亞共析鋼過冷A在中溫轉(zhuǎn)變區(qū)會有少量貝氏體（上B）產(chǎn)生，共析鋼沒有。 如油冷的產(chǎn)物為F+T+上B+M，但F和上B量很少，有時可忽略。 另外，如果W(C) 0.6%，則油冷和水冷后的產(chǎn)物中會有少量AR 。四、過共析鋼過冷A的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)

11、變 與共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的差異過共析鋼過冷A在高溫區(qū)，將首先析出二次滲碳體（Fe3C），而后轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌M織。由于過共析鋼奧氏體中碳含量高，所以油冷、水冷后的組織中應包括殘余奧氏體(AR ）。過共析鋼與共析鋼一樣，其冷卻過程中無貝氏體（B）轉(zhuǎn)變。五、TTT曲線和CCT曲線的意義 鋼的TTT曲線和CCT曲線對生產(chǎn)與科學研究都有重要意義。是制定合理的熱處理工藝規(guī)程和發(fā)展新的熱處理工藝（如形變熱處理）等方面的重要依據(jù)；對于分析研究各種鋼在不同熱處理后的金相組織與性能，進而合理地選用鋼材等方面也有很大的參考價值。六、鋼的冷卻轉(zhuǎn)變小結(jié) 鋼在冷卻時，過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物根據(jù)其轉(zhuǎn)變溫度的高低可分為高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物

12、珠光體、索氏體、屈氏體，中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物上貝氏體、下貝氏體，低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物馬氏體等幾種。隨著轉(zhuǎn)變溫度的降低，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的硬度增高，而韌性的變化則較為復雜。 9.1.2.4 影響C曲線的因素一、含C量的影響亞共析和過共析鋼的C曲線中有先共析相析出線;共析鋼（C%=0.77%）的過冷A最穩(wěn)定，C曲線最靠右；亞共析鋼的過冷A穩(wěn)定性隨含C量降低而降低，C曲線向左邊移動；過共析鋼的過冷A穩(wěn)定性隨含C量增加而降低，C曲線向左邊移動；A中的含C量越高，Ms點越低，RA越多。二、合金元素的影響除Co和Al外，所有合金元素都增大過冷A的穩(wěn)定性，使C曲線右移，使Ms下移；非碳化物形成元素Ni、Si、Cu等和弱碳化物形成

13、元素Mn，只改變C曲線的位置，不改變C曲線的形狀；碳化物形成元素Cr、Al、W、V、Ti等不但使C曲線右移，而且改變C曲線形狀，使其分為兩個部分，相當于P轉(zhuǎn)變和B轉(zhuǎn)變。Si、Ti、V、Mo、W等元素使P區(qū)鼻溫上升，而Ni、Mn、Cu等則使之下降；所有碳化物形成元素均使B區(qū)鼻溫下降；Cr、Mn對P的推遲作用小于對B的影響，其他元素剛好相反。三、加熱條件的影響A化溫度越高，保溫時間越長，則形成的A晶粒越粗大，成分越均勻；同時有利于先共析相和其他難溶相顆粒的溶解。這些因素都能降低A分解時的形核率，增加A的穩(wěn)定性，使C曲線右移。加熱溫度偏低，保溫時間不足，將獲得成分不均勻得細晶粒A，甚至有大量未溶的第

14、二相，這些促進A冷卻時的分解過程，使C曲線左移。9.2 常規(guī)熱處理9.2.1 鋼的退火與正火 9.2.1.1 退火的定義、目的及分類一、退火的定義 退火是將鋼加熱到低于或高于Ac1點以上溫度，保持一定時間后緩慢地爐冷或控制冷卻速度，以獲得平衡態(tài)組織的熱處理工藝。 退火既可作為預備熱處理，為最終熱處理（淬火、回火、化學或表面熱處理等）創(chuàng)造良好的組織條件或適于后續(xù)加工工藝性能的需要，也可作為鋼的成品或半成品的最終熱處理。二、退火的目的降低鋼的硬度，便于切削加工；消除內(nèi)應力或冷作硬化，提高塑性以利于繼續(xù)冷加工；改善或消除毛坯在鑄、鍛（軋）、焊時所產(chǎn)生的化學或組織不均（如偏析、帶狀組織和魏氏組織等），

15、提高其工藝性能和使用性能;細化晶粒，提高大批量生產(chǎn)零件的組織均勻性，為最終熱處理作好組織準備。三、退火的分類第一類：在臨界溫度（Ac1或Ac3）以上的退火，又稱相變重結(jié)晶退火，包括：完全退火、球化退火、不完全退火、擴散退火第二類：在臨界溫度（Ac1）以下的退火，包括：再結(jié)晶退火、去應力退火其它：等溫退火、去氫退火碳鋼各種退火和正火工藝規(guī)范示意圖9.2.1.2 常用退火工藝方法(固相線以下100200)。，處六、去氫退火 去氫退火的目的是消除鋼中的氫所造成的白點（發(fā)裂）。采用溫度需加熱到Ac3以上，然后迅速冷卻到C曲線“鼻尖”稍下一點溫度等溫并保持較長時間，使氫原子從鋼內(nèi)逸出。 冶金工廠生產(chǎn)的鋼

16、軌和某些對氫敏感的合金鋼坯，鍛、軋后從高溫冷卻到300500轉(zhuǎn)入保溫箱或灌中進行長時間的等溫擴散，然后冷卻到室溫即可將氫消除。七、等溫退火等溫退火：將鋼件加熱到高于Ac3 (或Ac1 ) 的溫度，保溫適當時間后，較快地冷卻到珠光體區(qū)的某一溫度，并等溫保持，使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。 目的：與完全退火相同，能獲得均勻的預期組織；對于奧氏體較穩(wěn)定的合金鋼，可大大縮短退火時間9.2.1.3 鋼的正火 9.2.1.4 退火正火后的組織和性能火 9.2.1.5 退火與正火工藝的制定原則一、加熱溫度的選擇 加熱溫度首先要按照鋼的狀態(tài)圖和臨界點來選擇。一般的原則：不完全退火為Ac120 3

17、0；完全退火為Ac33050；正火為Ac3 (或Acm)3050(或加3080)。 生產(chǎn)上在不影響質(zhì)量和性能的前提下，將溫度相近、要求相似的不同鋼號混合裝爐。碳鋼各種退火和正火工藝規(guī)范示意圖 二、加熱速度的選擇 對于一般碳鋼和低合金鋼而言，加熱速度可不予限制，鋼材入爐后可隨爐升溫，也可高溫裝爐。在連續(xù)生產(chǎn)條件下，大多采用高溫直接裝爐與快速加熱，這對提高生產(chǎn)率、縮短生產(chǎn)周期、降低能耗較為有利，但操作上要以保證保溫階段溫度的均勻性為前提。 對某些導熱性低的高合金鋼或合金材料，加熱速度應限于150/時以下，而且原則上應低溫(250)裝爐，開始加熱速度較慢，溫升至600后可加快升溫速度。三、保溫時間的選擇保溫的目的是使爐料內(nèi)外溫度一致，并完成所需的組織轉(zhuǎn)變。保溫時間的確定應考慮鋼的成分及原始組織狀態(tài)、裝爐量、裝爐方式以及加熱爐的特性等因素。合金鋼在退火、正火時的保溫時間應比碳鋼長一些，因為大多合金元素阻礙碳和鐵原子的擴散，合金元素自身擴散能