3X-金屬熱處理-工程材料及其熱處理-10

第3章

金屬的熱處理工程材料及其熱處理-31第3章

金屬的熱處理工程材料及其熱處理-31教學(xué)基本要求：1.了解強化金屬基本途徑。2.具有分析和應(yīng)用C曲線的初步能力，熟悉金屬熱處理基本概念。3.熟練掌握熱處理工藝知識,熟知整體熱處理方法中退火、正火、淬火、回火特點與應(yīng)用。4.掌握熱處理在零件加工工藝流程中的位置和作用等基本知識。5.了解熱處理工件的結(jié)構(gòu)工藝性及熱處理新工藝知識。工程材料及其熱處理-32教學(xué)基本要求：工程材料及其熱處理-32§1概述金屬熱處理是將固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM行加熱、保溫和冷卻，獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。熱處理用于消除上一工藝過程所產(chǎn)生的金屬材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)上的某些缺陷，改善切削性能，還可進一步提高金屬材料的性能，充分發(fā)揮材料性能的潛力。因此，大部分機器零件都要進行熱處理。工程材料及其熱處理-33§1概述金屬熱處理金屬熱處理可分為:

整體處理、表面熱處理和化學(xué)熱處理。整體處理包括：

退火、正火、淬火和回火等；本表要熟記！工程材料及其熱處理-34金屬熱處理可分為:本表要工程材料及其熱處理-34

一、鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變

由Fe-Fe3C相圖知,A1、A3和Acm是碳鋼在極緩慢地加熱或冷卻時的轉(zhuǎn)變溫度,因此,A1、A3和Acm點都是平衡臨界點。在實際中,加熱和冷卻并不是極緩慢的,鋼不可能在平衡點進行組織轉(zhuǎn)變。實際加熱時各臨界點的位置分別為圖中的Ac1、Ac3、Accm線,實際冷卻時各臨界點的位置分別為Arl、Ar3、Arcm。工程材料及其熱處理-35一、鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變工程材料及其熱處理-

鋼熱處理時先要加熱,任何成分的碳鋼加熱到A1(PSK線)點以上時,其組織都要發(fā)生P向A的轉(zhuǎn)變,這種轉(zhuǎn)變稱為奧氏體化A化。轉(zhuǎn)變過程是通過鐵原子和碳原子的擴散進行的,因此P向A的轉(zhuǎn)變是一種擴散型相變。加熱是熱處理的重要階段,下面以共析鋼為例,研究鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律。工程材料及其熱處理-36鋼熱處理時先要加熱,任何成分的碳鋼加熱到

1.奧氏體的形成過程

將共析鋼加熱至Ac1時,會發(fā)生P向A的轉(zhuǎn)變,過程也是形核和和長大的過程,分四個階段

⑴A晶核形成A晶核優(yōu)先在F和Fe3C的兩相界面上形成,因為相界面處成分不均勻,原子排列不規(guī)則,晶格畸變大,能為產(chǎn)生A晶核提供成分和結(jié)構(gòu)兩方面的有利條件。

⑵A晶核的長大

工程材料及其熱處理-371.奧氏體的形成過程工程材料及其熱處理-A晶核形成后,依靠F的晶格改組和Fe3C的不斷溶解,A晶核不斷向F和Fe3C二個方向長大。與此同時,新的A晶核也不斷形成并隨之長大,直至F全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳為止。

⑶殘余Fe3C的溶解在A的形成過程中，當(dāng)F全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳后,仍有部分Fe3C尚未溶解（稱為Fe3C殘）,隨著保溫時間的延長,Fe3C殘將不斷溶入A中，直至完全消失。

工程材料及其熱處理-38A晶核形成后,依靠F的晶格改組和Fe3

⑷A均勻化當(dāng)Fe3C殘溶解后,A中的C成分是不均勻的,在原Fe3C處的碳濃度比原F處的要高。只有經(jīng)過一定時間的保溫,碳原子的不斷擴散,才能使A中的C均勻一致。

亞共析鋼和過共析鋼的A形成過程與共析鋼基本相同,不同的是亞共析鋼的平衡組織中除了P外還有先析出的F。

過共析鋼中除了P外還有先析出的Fe3C。

工程材料及其熱處理-39⑷A均勻化工程材料及其熱處理-39

若加熱至Ac1溫度,只能使P轉(zhuǎn)變?yōu)锳，得到A+F或A+二次Fe3C殘組織,稱為不完全A化。只有繼續(xù)加熱至Ac3或Accm溫度以上,才能得到單相A組織,即完全A化。

2.影響奧氏體轉(zhuǎn)變的因素

1)加熱溫度加熱溫度高,C原子擴散快,A化加快。

2)加熱速度

加熱快,過熱度大,發(fā)生轉(zhuǎn)變的快!工程材料及其熱處理-310若加熱至Ac1溫度,只能使P轉(zhuǎn)變?yōu)锳，得到A+F

3)化學(xué)成分C濃度大,則Fe3C數(shù)量多,F與Fe3C的相界面增大,使A的核心增多,促進A化.常見合元能明顯影響A化的速度,以鈷和鎳等有加快轉(zhuǎn)變過程的效果；

鉻、鉬、釩等有降低轉(zhuǎn)變速度的作用；

硅、錳、鋁等對轉(zhuǎn)變過程基本沒有影響。4)原始組織在成分相同的鋼材中,P越細,相界面越大,形核機會越多,使得A形成速度變快；

工程材料及其熱處理-3113)化學(xué)成分工程材料及其熱處理-311A晶粒中碳濃度梯度大了長大速度變快。

3.奧氏體晶粒長大及其控制措施鋼加熱時P向A轉(zhuǎn)變剛結(jié)束時,A晶粒是細小的。如繼續(xù)加熱或保溫,A晶粒會變粗大。加熱溫度越高,保溫時間越長,A晶粒越粗大。粗大A晶粒冷卻后仍是粗大晶粒產(chǎn)物,使鋼的強度、塑性、韌性顯著下降。要控制A晶粒長大,制定合理的熱處理工藝,即合理選擇加熱溫度、保溫時間和加熱速度等。工程材料及其熱處理-312A晶粒中碳濃度梯度大了長大速度變快。工程材料及其熱處理一般將鋼加熱到臨界點以上某一適當(dāng)溫度,保溫時間的確定除考慮相變需要外,還考慮工件內(nèi)外溫度一致。當(dāng)加熱溫度相同時,加熱速度越快,保溫時間越短,晶粒越細,所以生產(chǎn)中常采用快速加熱、短時保溫的方法來細化晶粒。此外,加入一定量的合金元素（除Mn、P外），都會阻礙A晶粒長大,而達到細化晶粒的目的。工程材料及其熱處理-313一般將鋼加熱到臨界點以上某一適當(dāng)溫度,保溫時間的

二、鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變鋼A化后,采用不同方式冷卻,獲得所需要的組織和性能。冷卻是鋼熱處理的關(guān)鍵工序,實際生產(chǎn)中,不同加熱速度、冷卻方式、冷卻速度會得不同產(chǎn)物,對鋼的組織和性能有很大影響。在熱處理工藝中,A化后的冷卻方式通常有等溫冷卻和連續(xù)冷卻兩種。

工程材料及其熱處理-314二、鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變工程材料及其熱

等溫冷卻是將已A化的鋼迅速冷卻到臨界點以下的給定溫度進行保溫,使其在該等溫溫度下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變；

連續(xù)冷卻是將已A化的鋼以某種冷卻速度連續(xù)冷卻,使其在臨界點以下的不同溫度進行組織轉(zhuǎn)變。

1.過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能

A在相變點A1以上是穩(wěn)定相，冷卻至A1以下就成了不穩(wěn)定相，必然要發(fā)生轉(zhuǎn)變。工程材料及其熱處理-315等溫冷卻是將已A化的鋼迅速冷卻到臨界點不是冷卻至A1以下就立即轉(zhuǎn)變,而是在轉(zhuǎn)變前需要停留一段時間,此稱為孕育期。

在A1溫度以下暫時存在的不穩(wěn)定的A稱為過冷A。在不同的過冷度下，過冷A將發(fā)生P型轉(zhuǎn)變、B型轉(zhuǎn)變、M型轉(zhuǎn)變等三種組織轉(zhuǎn)變。

⑴珠光體型轉(zhuǎn)變過冷A在A1～550℃溫度范圍等溫時,發(fā)生P型轉(zhuǎn)變。因轉(zhuǎn)變溫度高,原子擴散能力強,轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為F薄層和Fe3C薄層交替重疊的層狀組織,即P型組織。工程材料及其熱處理-316不是冷卻至A1以下就立即轉(zhuǎn)變,而是在轉(zhuǎn)變前需等溫溫度越低,F層和Fe3C層越薄,層間距越小,硬度越高。為區(qū)別,對層間距不同的P型組織分別稱為珠光體(P)、索氏體(S)和托氏體(T),它們并無本質(zhì)區(qū)別,也無嚴(yán)格界限,只是形態(tài)上不同。

⑵貝氏體型轉(zhuǎn)變過冷A在550℃～Ms溫度范圍等溫時，將發(fā)生貝氏體型(B)轉(zhuǎn)變。工程材料及其熱處理-317等溫溫度越低,F層和Fe3C層越薄,層因轉(zhuǎn)變溫度較低,原子擴散差,Fe3C已經(jīng)很難聚集長大呈層狀。此時,轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為F及其內(nèi)分布著彌散的碳化物所形成的亞穩(wěn)組織,稱為貝氏體,用美國冶金學(xué)家名字命名,符號B來表示。

等溫溫度不同,貝氏體的形態(tài)也不同,分為上貝氏體(B上)和下貝氏體(B下)。

(B上)組織形態(tài)呈羽毛狀,強度較低,塑性和韌性較差；工程材料及其熱處理-318因轉(zhuǎn)變溫度較低,原子擴散差,Fe3C已經(jīng)(B下)組織形態(tài)呈黑色針狀,強度較高,塑性和韌性也較好,綜合力學(xué)性能好。

⑶馬氏體型轉(zhuǎn)變

1)馬氏體(M)型轉(zhuǎn)變的特點

①過冷A轉(zhuǎn)變?yōu)镸是非擴散型轉(zhuǎn)變,因轉(zhuǎn)變溫度很低,鐵和碳原子都不能進行擴散。鐵原子沿A一定晶面,集中的(不改變相互位置關(guān)系)作一定距離的移動(不超過一個原子間距),工程材料及其熱處理-319(B下)組織形態(tài)呈黑色針狀,強度較高,塑

使面心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心正方晶格,碳原子原地不動,過飽和地留在新組成的晶胞中；增大了其正方度c/a。

M就是碳在α-Fe中的過飽和固溶體。過飽和碳使α-Fe的晶格發(fā)生很大畸變,形成很強的固溶強化。

②M高速長大,連續(xù)轉(zhuǎn)變過程A冷卻到Ms點以下后,無孕育期,瞬時轉(zhuǎn)變?yōu)镸。隨著溫度下降,過冷A是不斷連續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)镸。

工程材料及其熱處理-320使面心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心正方晶格,碳原子原地不動,過飽

③M轉(zhuǎn)變留有A’

M轉(zhuǎn)變有不完全性,即使冷至Mf也要殘留少量奧氏體(A’)。A’的含量與Ms(M轉(zhuǎn)變開始線)、Mf

(M轉(zhuǎn)變終了線)的位置有關(guān)。奧氏體A中的碳含量越高,Ms,Mf就越低,A’含量就越高。通常在碳含量高于0.6%時，在轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中應(yīng)標(biāo)上A’,碳含量少于0.6%時,A’可忽略.工程材料及其熱處理-321③M轉(zhuǎn)變留有A’工程材料及其熱處理-321

④M形成時體積要膨脹膨脹要產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,淬火冷卻又快,使工件表面和心部產(chǎn)生溫差而引起熱應(yīng)力。兩者“一起叫勁”是造成工件淬火變形和開裂的主因。

3)馬氏體的形態(tài)與特點

過冷A在Ms溫度以下將產(chǎn)生M型轉(zhuǎn)變。M是碳和合金元素在α-Fe中溶解而形成的過飽和固溶體,用符號M表示。工程材料及其熱處理-322④M形成時體積要膨脹工程材料及其熱處理-M是單相的亞穩(wěn)組織,是以德國冶金學(xué)家A.Martens的名字命名的。M具有體心正方晶格,當(dāng)發(fā)生M型轉(zhuǎn)變時,過冷A中的碳全部保留在M中,形成過飽和的固溶體,產(chǎn)生嚴(yán)重的晶格畸變。M的組織形態(tài)因其成分和形成條件而異，通常分為板條M和片狀M兩種基本類型。

板條M在光學(xué)顯微鏡下所看到的只是邊緣不規(guī)則的塊狀,故亦稱為塊狀M。

工程材料及其熱處理-323M是單相的亞穩(wěn)組織,是以德國冶金學(xué)家A.M

板條M主要產(chǎn)生于低碳鋼的淬火組織中,在高倍透射電鏡下可看到板條M內(nèi)有大量位錯纏結(jié)的亞結(jié)構(gòu),所以低碳M也稱位錯M。

片狀M其單個晶體的立體形態(tài)呈雙凸透鏡狀，因每個M的厚度與徑向尺寸相比很小,所以粗略地說是片狀,故我國通常稱為片狀M。因在金相磨面上觀察到的通常都是與M片成一定角度的截面,呈針狀,故亦稱為針狀M。工程材料及其熱處理-324板條M主要產(chǎn)生于低碳鋼的淬火組織中,在高倍

針狀M主要產(chǎn)生于高碳鋼的淬火組織中,高倍透射電鏡分析表明,針狀M內(nèi)有大量孿晶,因此針狀M又稱孿晶M。

M具有高的硬度和強度,是M主要特點。M硬度取決于含碳量,塑性和韌性取決于組織。

板條M具有較高硬度、較高強度與較好塑性和韌性相配合的良好的綜合力學(xué)性能。

針片狀M具有比板條M更硬,脆性大,塑性和韌性較差。工程材料及其熱處理-325針狀M主要產(chǎn)生于高碳鋼的淬火組織中,高倍透

2.過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變曲線過冷A的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物決定于過冷A的轉(zhuǎn)變溫度,而轉(zhuǎn)變溫度又與冷卻方式和冷卻速度有關(guān)。要了解過冷A的轉(zhuǎn)變量與轉(zhuǎn)變時間的關(guān)系,必須了解過冷A的等溫轉(zhuǎn)變曲線和連續(xù)冷卻曲線。

⑴奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變

1)奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線

過冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線是表示過冷A在不同過冷度下的等溫過程中,轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時間與轉(zhuǎn)變工程材料及其熱處理-3262.過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變曲線工程材料及其產(chǎn)物量之間的關(guān)系曲線。因其形狀與字母“C”的形狀相似,所以又稱為“C曲線”,也稱為“TTT”曲線。圖中,A1為A向P轉(zhuǎn)變的相變點,A1以上區(qū)域為穩(wěn)定A區(qū)。兩條C形曲線中,左邊的曲線為轉(zhuǎn)變開始線，該線以左區(qū)域為過冷A區(qū)；

右邊的曲線為轉(zhuǎn)變終了線,該線以右區(qū)域為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)；工程材料及其熱處理-327產(chǎn)物量之間的關(guān)系曲線。工程材料及其熱處理-327兩條C形曲線之間的區(qū)域為過冷A與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物共存區(qū)。水平線Ms和Mf為M轉(zhuǎn)變開始線和終了線。

⑵影響等溫轉(zhuǎn)變曲線的因素

①共析鋼過冷A的等溫轉(zhuǎn)變曲線加熱溫度高,保溫時間長,A成分越均勻,晶粒大,晶界減少,使過冷A的形核率降低,增大了其穩(wěn)定性,使C曲線右移,反之左移。過冷A轉(zhuǎn)變所需孕育期的長短不同,即過冷A的穩(wěn)定性不同。工程材料及其熱處理-328兩條C形曲線之間的區(qū)域為過冷A與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物共在約550℃處的孕育期最短,表明在此溫度下的過冷A最不穩(wěn)定,轉(zhuǎn)變速度也最快。

②含碳量的影響亞共析鋼和過共析鋼的過冷A在轉(zhuǎn)變?yōu)镻之前,分別有先析出F和先析出Fe3C的結(jié)晶過程。與共析鋼相比,亞共析鋼和過共析鋼的過冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線圖多了一條先析相的析出線。同時C曲線的位置也相對左移,說明亞共析鋼和過共析鋼過冷A的穩(wěn)定性比共析鋼要差。工程材料及其熱處理-329在約550℃處的孕育期最短,表明在此溫度下的正常加熱條件下,亞共析鋼的C曲線隨含碳量的增加而右移,過共析鋼的C曲線隨含碳量的增加而左移,因此,共析鋼的A最為穩(wěn)定。由于過冷A的轉(zhuǎn)變是一個形核與長大的過程,形核的作用更關(guān)鍵,亞共析鋼與過共析鋼先共析相的析出促進了向P轉(zhuǎn)變的形核,而且由于亞共析鋼含碳量越高,先共析F析出變慢；過共析鋼含碳量越高,先共析滲碳體越容易析出,使得共析鋼的過冷奧氏體最為穩(wěn)定。工程材料及其熱處理-330正常加熱條件下,亞共析鋼的C曲線隨含碳量的增

③合金元素的影響

除Co、Al以外,其余所有合金元素溶入A后,都使過冷A穩(wěn)定,即都使C曲線右移。當(dāng)過冷A中溶有較多的Cr、Mo、W、V、Ti等碳化物形成元素時,還會改變C曲線的形狀。要指出的是,如果碳化物形成元素含量較多,形成了較為穩(wěn)定的碳化物,且在A化時未能全部溶解,則會降低過冷A的穩(wěn)定性,使C曲線左移。工程材料及其熱處理-331③合金元素的影響工程材料及其熱處C曲線在生產(chǎn)上有重要用途:①制定等溫轉(zhuǎn)變工藝及分析等溫轉(zhuǎn)變過程；②分析連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程及其熱處理工藝的制定；③利用C曲線判定鋼的淬透性,以方便選材,等等。

各鋼種的C曲線都已測出,需要時可查閱有關(guān)手冊。

2)過冷A的連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線工程材料及其熱處理-332C曲線在生產(chǎn)上有重要用途:工程材料及其熱處理過冷A的連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線表示鋼經(jīng)A化后,在不同冷卻速度的連續(xù)冷卻條件下,過冷A的轉(zhuǎn)變開始及轉(zhuǎn)變終了時間與轉(zhuǎn)變溫度之間關(guān)系的曲線。共析鋼的過冷A連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線圖中Ps、Pf線為P轉(zhuǎn)變開始和轉(zhuǎn)變終了線,Pk為P轉(zhuǎn)變中止線。當(dāng)冷卻曲線碰到Pk線時,A向P的轉(zhuǎn)變將被中止,剩余A將一直過冷至Ms以下轉(zhuǎn)變?yōu)镸組織。

工程材料及其熱處理-333過冷A的連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線表示鋼經(jīng)A化后,在不同與等溫轉(zhuǎn)變圖相比,共析鋼的連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線圖中P轉(zhuǎn)變開始線,共析鋼過冷奧氏體的連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線和轉(zhuǎn)變終了線的位置均相對右下移，而且只有C形曲線的上半部分，沒有中溫的貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)。工程材料及其熱處理-334與等溫轉(zhuǎn)變圖相比,共析鋼的連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線圖中§2金屬的整體熱處理

一、退火退火是將金屬和合金加熱到適當(dāng)溫度保溫一定時間,然后緩慢冷卻的熱處理工藝按金屬成分和性能要求的不同,退火可分為:1.完全退火

將鐵碳合金完全A化,隨之緩慢冷卻,獲得接近平衡狀態(tài)組織的退火工藝。工程材料及其熱處理-335§2金屬的整體熱處理一、退火工程材

其目的是通過完全重結(jié)晶細化晶粒,降低硬度,改善切削性能。多用于亞共析鋼的鑄、鍛件。

過共析鋼不適用完全退火,因為過共析鋼加熱到Accm線以上緩慢冷卻時,溶解在A內(nèi)的Fe3C又重新沿A晶界析出,形成沿晶界分布的網(wǎng)狀Fe3C組織,降低鋼材的力學(xué)性能。

2.等溫退火等溫退火是指鋼件或毛坯加熱到高于Ac3(或工程材料及其熱處理-336其目的是通過完全重結(jié)晶細化晶粒,降低硬度,

Ac1)溫度,適當(dāng)保溫后,較快冷卻到P轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的某一溫度并等溫保持使A轉(zhuǎn)變?yōu)镻型組織,然后在空氣中冷卻的退火工藝。等溫退火用時短,效率高,工件內(nèi)外處于同一溫度下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變,可得均勻的組織與性能。

3.球化退火使鋼件中碳化物球狀化而進行的退火工藝。用于過共析鋼,目的使網(wǎng)狀Fe3C球化,降低硬度、提高韌性,改善切削性能,為淬火作組織準(zhǔn)備。工程材料及其熱處理-337Ac1)溫度,適當(dāng)保溫后,較快冷卻到P轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的某一4.去應(yīng)力退火

為了去除由于塑性變形加工、焊接等造成的以及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力而進行的退火。主要用于消除用于消除鑄件、鍛件、焊接件和切削件的殘余應(yīng)力。

對體積龐大的焊接結(jié)構(gòu)件,無法裝爐退火時,用火焰加熱或感應(yīng)加熱等局部加熱方法,對焊縫及熱影響區(qū)局部去應(yīng)力退火。

5.均勻化退火工程材料及其熱處理-3384.去應(yīng)力退火工程材料及其熱處理-3

均勻化退火是將鋼加熱到Ac3以上150～200℃(常為1000～1200℃),保溫10～15小時,然后再隨爐緩冷到350℃,再出爐冷卻。又:擴散退火。均勻化退火時間長,工件燒損嚴(yán)重,耗能大,是高成本工藝,多用于優(yōu)質(zhì)高合金鋼鑄錠和鑄件。目的為減少鑄錠、鑄件、鍛坯成分偏析和組織的不均勻而采用的退火工藝。6.再結(jié)晶退火經(jīng)冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶再結(jié)晶溫度工程材料及其熱處理-339均勻化退火是將鋼加熱到Ac3以上150～以上,保持適當(dāng)時間,使形變晶粒重新結(jié)晶為均勻的等軸晶粒,以消除形變強化和殘余應(yīng)力的退火工藝。

二、正火

正火是將鋼材或鋼件加熱到或Accm以上30～50℃，保溫適當(dāng)?shù)臅r間后，在靜止空氣中冷卻的熱處理工藝。與退火類似,冷卻速度比退火快。鋼件正火后的強度和硬度比退火稍高,但消除殘余應(yīng)力不徹底。又操作簡便、生產(chǎn)率高,所以,正火常優(yōu)先采用。低碳鋼件可代替退火。

工程材料及其熱處理-340以上,保持適當(dāng)時間,使形變晶粒重新結(jié)晶為均勻的等軸晶

三、淬火

淬火是將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度,保持一定時間,然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s獲得馬氏體(M)和(或)貝氏體(B)組織的熱處理工藝。

目的:提高鋼件的硬度和耐磨性,淬火＋不同回火,獲得各種需要的性能,是強化鋼的主要方法。

1.淬火加熱溫度加熱溫度是淬火主要參數(shù)。選擇原則以得到均勻細小的A晶粒,使淬火后獲得細小的M組織。工程材料及其熱處理-341三、淬火工程材料及其熱處理-341

為防止A晶粒粗化,加熱溫度一般限制在臨界點以上30～50℃范圍。碳鋼淬火加熱溫度范圍

.亞共析鋼加熱溫度為A

c3＋(30～50℃)?？傻镁鶆蚣毿〉腗組織。若溫度過高,易出現(xiàn)粗大M組織,還導(dǎo)致淬火鋼嚴(yán)重變形。加熱溫度過低,淬火組織會中出現(xiàn)F,造成淬火鋼硬度不足,甚至出現(xiàn)“軟點”現(xiàn)象。

共析鋼和過共析鋼的淬火加熱溫度為Ac1＋(30～50℃).淬火后,共析鋼組織為均勻細小的M和工程材料及其熱處理-342為防止A晶粒粗化,加熱溫度一般限制在臨界點以上30～少量殘余A；過共析鋼則可獲得均勻細小的M加粒狀Fe3CⅡ和少量殘余A的混合組織。這種淬火組織對過共析鋼是正常的,使其有最佳硬度和耐磨性。過共析鋼的加熱溫度過高,可得較粗大的M和較多的殘余A。不僅降低淬火鋼硬度和耐磨度性,還增大淬火變形和開裂傾向。

2.淬火加熱時間指達到加熱溫度和獲得A均勻化的時間。工程材料及其熱處理-343少量殘余A；過共析鋼則可獲得均勻細小的M加粒狀Fe3CⅡ淬火加熱時間包括升溫和保溫時間。加熱時間不能過長,也不能過短。在熱處理生產(chǎn)中具體要考慮鋼種、加熱介質(zhì)、加熱速度、裝爐方式、裝爐量以及工件的形狀、尺寸等諸多因素。

3.淬火介質(zhì)

淬火冷卻時所用的介質(zhì)。鋼的種類不同,淬火介質(zhì)不同,常用介質(zhì)：水、鹽水和油。工程材料及其熱處理-344淬火加熱時間包括升溫和保溫時間。工程材料及其熱處理-

水便宜,冷卻能力較強。其不足之處是在650～550℃范圍內(nèi)冷卻能力差,而在300～200℃范圍內(nèi)冷卻能力又偏強,性能不理想,理想方式：快-慢-快。鹽水冷卻能力比清水更強,尤其在650～550℃內(nèi)有很強的冷卻能力,這對尺寸較大的非合金鋼件的淬火是非常有利的。鹽水在300～200℃以下溫度時,冷卻能力仍像清水那樣相當(dāng)強,能使工件變形重,甚至發(fā)生開裂。工程材料及其熱處理-345水便宜,冷卻能力較強。工程材料及其熱處鹽水對工件有銹蝕作用,淬火后工件必須清洗鹽水和水差不多,適用形狀簡單、硬度要求高,而均勻、變形要求不嚴(yán)格的非合金鋼零件的淬火。

油是冷卻能力較弱的淬火冷卻介質(zhì)。淬火用油主要為各種礦物油,如錠子油、機油、柴油、變壓器油等。油在高溫區(qū)冷卻速度不夠,不利于非合金鋼的淬硬,但有利于減少工件的變形。工程材料及其熱處理-346鹽水對工件有銹蝕作用,淬火后工件必須清洗因此,在生產(chǎn)中,油主要用作過冷A穩(wěn)定性好的合金鋼和尺寸小的非合金鋼零件冷卻介質(zhì)。

油冷卻能力較水低、成本高,對防止工件產(chǎn)生裂紋等缺陷效果好,多用于合金鋼淬火的場合。冷卻介質(zhì)還有熔融狀態(tài)的堿浴和硝鹽浴。

堿浴在高溫區(qū)的冷卻能力比油強而比水弱,而硝鹽在高溫區(qū)的冷卻能力比油略弱。

在低溫區(qū)域,堿和硝鹽的冷卻能力都比油弱。工程材料及其熱處理-347因此,在生產(chǎn)中,油主要用作過冷A穩(wěn)定性好的

堿浴和硝鹽浴適宜截面不大、形狀復(fù)雜、限制變形的工具鋼分級淬火或等溫淬火的冷卻介質(zhì)。

4.淬火冷卻方法淬火介質(zhì)不能完全滿足淬火質(zhì)量的要求,要以適當(dāng)?shù)拇慊鸱椒ㄅ浜?以求所需要淬火組織和性能,還要盡量減小淬火缺陷。

⑴單液淬火

單液淬火是將A化后的鋼件淬入一種介質(zhì)中連續(xù)冷卻獲得M組織的一種淬火方法。工程材料及其熱處理-348堿浴和硝鹽浴適宜截面不大、形狀復(fù)雜、限單液淬火操作簡單,易控制熱處理;僅適用于形狀簡單的非合金鋼和合金鋼零件的淬火。

⑵雙液淬火

雙液淬火是將鋼件A化后先浸入冷卻能力較強的介質(zhì),在鋼件還未到達該淬火介質(zhì)溫度之前即取出,馬上浸入另一種冷卻能力較弱的介質(zhì)中冷卻,如先水后油、先水后空氣。雙液淬火利用了兩種介質(zhì)的優(yōu)點,獲得了較為理想的冷卻條件;在保證工件獲得M組織的同時工程材料及其熱處理-349單液淬火操作簡單,易控制熱處理;僅適用于形狀,減小了淬火應(yīng)力,能有效防止工件的變形或開裂。

⑶分級淬火

鋼材A化后,隨之浸入溫度稍高于或稍低于Ms點液態(tài)介質(zhì)（鹽浴或堿?。┲?適當(dāng)保持時間,待鋼件內(nèi)外都達到介質(zhì)溫度后取出空冷,以獲得M組織的淬火工藝。此法顯著降低了淬火應(yīng)力,有效地減小或防止了淬火工件的變形和開裂。因受熔鹽冷卻能力的限制,適用尺寸較小工件。

工程材料及其熱處理-350,減小了淬火應(yīng)力,能有效防止工件的變形或開裂。工程材料及其熱⑷貝氏體等溫淬火鋼材或鋼件加熱A化,隨之快冷到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間(260～400℃)等溫保持,使A轉(zhuǎn)變?yōu)锽的淬火工藝。這種淬火方法處理的工件強度高、韌性好；同時因淬火應(yīng)力很小,工件淬火變形極小。多用于處理形狀復(fù)雜、尺寸較小的零件。

⑸冷處理冷處理是把淬火冷卻到室溫的鋼繼續(xù)冷卻到零度以下(-70～-80℃)的處理工藝。工程材料及其熱處理-351⑷貝氏體等溫淬火工程材料及其熱處理-冷處理適用于Ms溫度位于0℃以下的高碳鋼和合金鋼。使過冷A向M的轉(zhuǎn)變更完全,縮減少殘余A量,提高鋼的硬度和耐磨性,穩(wěn)定尺寸。

冷處理的實質(zhì)是淬火鋼在零度以下的淬火。

冷處理后必須進行低溫回火,以消除所形成的應(yīng)力及穩(wěn)定新生成的M組織。精密量具、滾動軸承等都應(yīng)進行冷處理。冷處理的辦法是采用干冰(固態(tài)CO2)和酒精的混合劑或冷凍機冷卻。工程材料及其熱處理-352冷處理適用于Ms溫度位于0℃以下的高碳鋼和四、回火1.回火時組織和性能的變化

回火是鋼件淬硬后,再加熱至Ac1以下的某一溫度,保溫一定時間,然后冷卻到室溫的HT工藝。鋼淬火后硬度高,脆性大,屬存在很大內(nèi)應(yīng)力的M和殘余A都處于非平衡狀態(tài),是不穩(wěn)定的組織.經(jīng)過一定的時間和條件,會向平衡組織轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致工件的尺寸形狀改變,性能發(fā)生變化,為克服淬火組織的這些弱點而采取回火處理。工程材料及其熱處理-353四、回火工程材料及其熱處理-353

目的:穩(wěn)定組織,減少內(nèi)應(yīng)力,降低脆性,獲得所需性能。鋼在回火中,隨著溫度提高,原子活動能力增大,組織相應(yīng)發(fā)生四個階段性的轉(zhuǎn)變：Ⅰ階段(80～200℃)：M開始分解。Ⅱ階段(200～300℃)：殘余A分解Ⅲ階段(300～400℃)：M分解完成和Fe3C形成。Ⅳ階段(400℃以上)：α固溶體的再結(jié)晶與Fe3C的聚集長大。工程材料及其熱處理-354目的:穩(wěn)定組織,減少內(nèi)應(yīng)力,降低脆性,獲得回火方法加熱溫度（℃）力學(xué)性能特點應(yīng)用范圍硬度（HRC）低溫回火150～250

高硬度、耐磨性刃具、量具、冷沖模等58～64中溫回火250～500高彈性、韌性彈簧、鋼絲繩等35～50高溫回火500～650良好的綜合力學(xué)性能連桿、齒輪及軸類20～302.回火種類及應(yīng)用工程材料及其熱處理-355回火加熱溫度（℃）力學(xué)性能應(yīng)用

3.回火脆性

淬火鋼在某些溫度區(qū)間回火或從回火溫度緩慢冷卻通過該溫度區(qū)間脆化現(xiàn)象稱為回火脆性。鋼淬火后在300℃左右回火時所產(chǎn)生的回火脆性稱為第一類回火脆性,也:低溫回火脆性或不可逆回火脆性.幾乎所有的淬火鋼在該溫度范圍內(nèi)回火時,都產(chǎn)生不同程度的回火脆性。第一類回火脆性一旦產(chǎn)生就無法消除,因此生產(chǎn)中一般不在此溫度范圍內(nèi)回火。工程材料及其熱處理-3563.回火脆性工程材料及其熱處理-含有Cr、Mn、Cr-Ni等元素的合金鋼淬火后，在脆化溫度(400～500℃)區(qū)回火,或經(jīng)更高溫度回火后緩慢冷卻通過脆化溫度區(qū)所產(chǎn)生的回火脆性稱為第二類回火脆性。又稱為高溫回火脆性或可逆回火脆性。但回火后采取快冷時,這種回火脆性的發(fā)生就會受到抑制或消失。工程材料及其熱處理-357含有Cr、Mn、Cr-Ni等元素的合金鋼淬火§3鋼的淬透性

一、鋼的淬透性1.淬透性的概念淬透性是指在規(guī)定條件下，決定鋼材淬硬深度和硬度分布的特性。淬火時,工件截面上各處冷卻速度是不同的。若以圓棒試樣為例,淬火冷卻時,其表面冷卻速度最大,愈到中心冷卻速度愈小.表層部分冷卻工程材料及其熱處理-358§3鋼的淬透性一、鋼的淬透性工程材料及

速度大于該鋼的M臨界冷卻速度,淬火后獲得M組織,在距表面某一深處的冷卻速度開始小于該鋼的M臨界冷卻速度,則淬火后將有非M組織出現(xiàn),工件未被淬透。用不同鋼種制成的相同形狀和尺寸的工件,在同樣條件下淬火,淬透性好的鋼,其淬硬深度較深;淬透性差的鋼,其淬硬深度較淺。淬硬深度理論上講,應(yīng)該是全淬成M的深度,實際上M中混入少量非M組織時,無論從顯微組織工程材料及其熱處理-359速度大于該鋼的M臨界冷卻速度,淬火后獲得M組織,在距表面某

或硬度測量上都難以辨別出來。規(guī)定,將由工件表面測量至半M區(qū)(50%M和50％非M)的表面測量至半M區(qū)(50%M和50%非M)的垂直距離作為淬硬深度(也稱有效淬硬深度)。要強調(diào):鋼的淬透性和鋼的淬硬性是兩種完全不同的概念,切勿混淆。

鋼的淬硬性也叫可硬性,是指鋼在理想條件下進行淬火硬化所能達到最高硬度的能力,它主要取決于馬氏體的含碳量。

工程材料及其熱處理-360或硬度測量上都難以辨別出來。工程材料及其熱處理-360

淬透性好的鋼,它的淬硬性不一定高。如低碳合金鋼的淬透性好,但淬硬性卻不高;如高碳工具鋼的淬透性較差,但淬硬性很高。

2.淬透性對熱處理后力學(xué)性能的影響淬透性對鋼的力學(xué)性能影響很大。用淬透性不同的兩種鋼材制成直徑相同的軸,進行淬火加高溫回火(調(diào)質(zhì)處理),其一淬透性好,整軸截面都淬透,另一種鋼材的軸淬透性較差。工程材料及其熱處理-361淬透性好的鋼,它的淬硬性不一定高。工程材料

兩根軸經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后,其力學(xué)性能比較,由圖可見,二者硬度相同,但力學(xué)性能卻有明顯差別。淬透性好的鋼,其力學(xué)性能沿截面基本相同的;而淬透性差的鋼,其力學(xué)性能沿截面是不同的,靠近心部,性能愈低,特別是韌性更為明顯。其原因是淬透的軸在調(diào)質(zhì)后,整個截面都獲得均勻的回火S組織,其中Fe3C呈粒狀分布。而未淬透的軸靠近心部的組織中,Fe3C仍為層片狀,故性能較低。工程材料及其熱處理-362兩根軸經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后,其力學(xué)性能比較,由圖可

但在選材時,不能因此而都選用淬透性好的鋼材，而是應(yīng)該根據(jù)具體工件的受力情況,工作條件及其失效原因,來確定其對鋼材淬透性的要求,然后再進行合理選材。

二、影晌淬透性及淬硬深度的因素1.影響淬透性的因素

凡能增加過冷A穩(wěn)定性的因素,或者說凡使C曲線位置右移,減小M臨界冷卻速度的,都提高鋼的淬透性。

工程材料及其熱處理-363但在選材時,不能因此而都選用淬透性好的影響淬透性主要因素是A的化學(xué)成分和A化條件。

⑴A化學(xué)成分除鈷外的合元,當(dāng)溶入A后,都增加過冷A的穩(wěn)定性,降低M臨界冷卻速度,使鋼的淬透性增高。

⑵A化條件

A化溫度越高,保溫時間越長,則A晶粒愈粗大,成分愈均勻,殘余Fe3C或碳化物的溶解也越徹底,使過冷A越穩(wěn)定,C曲線越右移,M臨界冷卻速度越小,故鋼的淬透性越好。工程材料及其熱處理-364影響淬透性主要因素是A的化學(xué)成分和A化條件。工程材料及其熱

2.影響淬硬深度的因素

鋼的淬硬深度與淬透性有密切關(guān)系，但兩者并不完全相同。因為影響淬硬深度的主要因素除了鋼的淬透性以外,還和工件的形狀、尺寸和冷卻介質(zhì)的冷卻能力等外部因素有關(guān)。在相同的A化條件下，同一鋼種的淬透性是相同的。但它的淬硬深度卻隨工件的形狀、尺寸和冷卻介質(zhì)的冷卻能力不同而變化。工程材料及其熱處理-3652.影響淬硬深度的因素工程材料及其熱如同一鋼種在相同的A化條件下,水淬要比油淬的淬硬深度深;小件要比大件的淬硬深度深。不能說成是同一種鋼水淬比油淬的淬透性好,小件比大件的淬透性好。所以,只是在其他條件都相同的情況下,才可按淬硬深度來判定鋼的淬透性高低。

三、淬透性的測定與表示方法1.端淬試驗

淬透性的測定方法很多,結(jié)構(gòu)鋼端淬試驗法是最常用的方法。工程材料及其熱處理-366如同一鋼種在相同的A化條件下,水淬要比油淬的將試樣加熱至規(guī)定淬火溫度后,置于支架上,然后從試樣末端噴水冷卻。

由于試樣末段冷卻最快,越往上冷卻得越慢,因此,沿試樣長度方向便能測出各種冷卻速度下的不同組織和硬度。若從噴水冷卻的末端起,每隔一定距離測一硬度點,則最后繪成如圖所示的被測試鋼種的淬透性曲線?？梢?45鋼比40Cr鋼硬度下降得快,故40Cr鋼比45鋼的淬透性好。工程材料及其熱處理-367將試樣加熱至規(guī)定淬火溫度后,置于支架上,然

2.臨界直徑

鋼材在某種介質(zhì)中淬冷后,心部得到全部M或50%M組織時的最大直徑稱為臨界直徑.用Dc表示

臨界直徑(Dc)是直觀衡量淬透性的方法。顯然,同一鋼種在冷卻能力大的介質(zhì)中,比冷卻能力小的介質(zhì)中所得的臨界直徑要大。但在同一冷卻介質(zhì)中,鋼的臨界直徑Dc越大,則其淬透性越好。

表3-1(P46)為幾種常用鋼的臨界直徑。工程材料及其熱處理-3682.臨界直徑工程材料及其熱處理-368§4表面熱處理和化學(xué)熱處理

一、表面淬火

表面淬火是僅對工件表層進行淬火的工藝。目的：為了獲得高硬度的表面層和有利的殘余應(yīng)力分布，提高工件的硬度和耐磨性。表面淬火加熱的方法很多，如感應(yīng)加熱、火焰加熱、電接觸加熱、激光加熱等。工程材料及其熱處理-369§4表面熱處理和化學(xué)熱處理一、表

二、化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理是將金屬和合金工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。常用的有滲碳、滲氮、碳氮共滲和滲金屬元素等。

§5其他熱處理工藝簡介(p51)

§6熱處理工件的結(jié)構(gòu)工藝性(p53)工程材料及其熱處理-370二、化學(xué)熱處理工程材料及其熱處理-3工程材料及其熱處理-371工程材料及其熱處理-371工程材料及其熱處理-372工程材料及其熱處理-372工程材料及其熱處理-373工程材料及其熱處理-373工程材料及其熱處理-374工程材料及其熱處理-374工程材料及其熱處理-375工程材料及其熱處理-375工程材料及其熱處理-376工程材料及其熱處理-376工程材料及其熱處理-377工程材料及其熱處理-377工程材料及其熱處理-378工程材料及其熱處理-378工程材料及其熱處理-379工程材料及其熱處理-379工程材料及其熱處理-380工程材料及其熱處理-380工程材料及其熱處理-381工程材料及其熱處理-381工程材料及其熱處理-382工程材料及其熱處理-382工程材料及其熱處理-383工程材料及其熱處理-383快-慢-快工程材料及其熱處理-384快-慢-快工程材料及其熱處理-384495051工程材料及其熱處理-385495051工程材料及其熱處理-385工程材料及其熱處理-386工程材料及其熱處理-386工程材料及其熱處理-387工程材料及其熱處理-387工程材料及其熱處理-388工程材料及其熱處理-388工程材料及其熱處理-389工程材料及其熱處理-389第3章

金屬的熱處理工程材料及其熱處理-390第3章

金屬的熱處理工程材料及其熱處理-31教學(xué)基本要求：1.了解強化金屬基本途徑。2.具有分析和應(yīng)用C曲線的初步能力，熟悉金屬熱處理基本概念。3.熟練掌握熱處理工藝知識,熟知整體熱處理方法中退火、正火、淬火、回火特點與應(yīng)用。4.掌握熱處理在零件加工工藝流程中的位置和作用等基本知識。5.了解熱處理工件的結(jié)構(gòu)工藝性及熱處理新工藝知識。工程材料及其熱處理-391教學(xué)基本要求：工程材料及其熱處理-32§1概述金屬熱處理是將固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM行加熱、保溫和冷卻，獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。熱處理用于消除上一工藝過程所產(chǎn)生的金屬材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)上的某些缺陷，改善切削性能，還可進一步提高金屬材料的性能，充分發(fā)揮材料性能的潛力。因此，大部分機器零件都要進行熱處理。工程材料及其熱處理-392§1概述金屬熱處理金屬熱處理可分為:

整體處理、表面熱處理和化學(xué)熱處理。整體處理包括：

退火、正火、淬火和回火等；本表要熟記！工程材料及其熱處理-393金屬熱處理可分為:本表要工程材料及其熱處理-34

一、鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變

由Fe-Fe3C相圖知,A1、A3和Acm是碳鋼在極緩慢地加熱或冷卻時的轉(zhuǎn)變溫度,因此,A1、A3和Acm點都是平衡臨界點。在實際中,加熱和冷卻并不是極緩慢的,鋼不可能在平衡點進行組織轉(zhuǎn)變。實際加熱時各臨界點的位置分別為圖中的Ac1、Ac3、Accm線,實際冷卻時各臨界點的位置分別為Arl、Ar3、Arcm。工程材料及其熱處理-394一、鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變工程材料及其熱處理-

鋼熱處理時先要加熱,任何成分的碳鋼加熱到A1(PSK線)點以上時,其組織都要發(fā)生P向A的轉(zhuǎn)變,這種轉(zhuǎn)變稱為奧氏體化A化。轉(zhuǎn)變過程是通過鐵原子和碳原子的擴散進行的,因此P向A的轉(zhuǎn)變是一種擴散型相變。加熱是熱處理的重要階段,下面以共析鋼為例,研究鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律。工程材料及其熱處理-395鋼熱處理時先要加熱,任何成分的碳鋼加熱到

1.奧氏體的形成過程

將共析鋼加熱至Ac1時,會發(fā)生P向A的轉(zhuǎn)變,過程也是形核和和長大的過程,分四個階段

⑴A晶核形成A晶核優(yōu)先在F和Fe3C的兩相界面上形成,因為相界面處成分不均勻,原子排列不規(guī)則,晶格畸變大,能為產(chǎn)生A晶核提供成分和結(jié)構(gòu)兩方面的有利條件。

⑵A晶核的長大

工程材料及其熱處理-3961.奧氏體的形成過程工程材料及其熱處理-A晶核形成后,依靠F的晶格改組和Fe3C的不斷溶解,A晶核不斷向F和Fe3C二個方向長大。與此同時,新的A晶核也不斷形成并隨之長大,直至F全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳為止。

⑶殘余Fe3C的溶解在A的形成過程中，當(dāng)F全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳后,仍有部分Fe3C尚未溶解（稱為Fe3C殘）,隨著保溫時間的延長,Fe3C殘將不斷溶入A中，直至完全消失。

工程材料及其熱處理-397A晶核形成后,依靠F的晶格改組和Fe3

⑷A均勻化當(dāng)Fe3C殘溶解后,A中的C成分是不均勻的,在原Fe3C處的碳濃度比原F處的要高。只有經(jīng)過一定時間的保溫,碳原子的不斷擴散,才能使A中的C均勻一致。

亞共析鋼和過共析鋼的A形成過程與共析鋼基本相同,不同的是亞共析鋼的平衡組織中除了P外還有先析出的F。

過共析鋼中除了P外還有先析出的Fe3C。

工程材料及其熱處理-398⑷A均勻化工程材料及其熱處理-39

若加熱至Ac1溫度,只能使P轉(zhuǎn)變?yōu)锳，得到A+F或A+二次Fe3C殘組織,稱為不完全A化。只有繼續(xù)加熱至Ac3或Accm溫度以上,才能得到單相A組織,即完全A化。

2.影響奧氏體轉(zhuǎn)變的因素

1)加熱溫度加熱溫度高,C原子擴散快,A化加快。

2)加熱速度

加熱快,過熱度大,發(fā)生轉(zhuǎn)變的快!工程材料及其熱處理-399若加熱至Ac1溫度,只能使P轉(zhuǎn)變?yōu)锳，得到A+F

3)化學(xué)成分C濃度大,則Fe3C數(shù)量多,F與Fe3C的相界面增大,使A的核心增多,促進A化.常見合元能明顯影響A化的速度,以鈷和鎳等有加快轉(zhuǎn)變過程的效果；

鉻、鉬、釩等有降低轉(zhuǎn)變速度的作用；

硅、錳、鋁等對轉(zhuǎn)變過程基本沒有影響。4)原始組織在成分相同的鋼材中,P越細,相界面越大,形核機會越多,使得A形成速度變快；

工程材料及其熱處理-31003)化學(xué)成分工程材料及其熱處理-311A晶粒中碳濃度梯度大了長大速度變快。

3.奧氏體晶粒長大及其控制措施鋼加熱時P向A轉(zhuǎn)變剛結(jié)束時,A晶粒是細小的。如繼續(xù)加熱或保溫,A晶粒會變粗大。加熱溫度越高,保溫時間越長,A晶粒越粗大。粗大A晶粒冷卻后仍是粗大晶粒產(chǎn)物,使鋼的強度、塑性、韌性顯著下降。要控制A晶粒長大,制定合理的熱處理工藝,即合理選擇加熱溫度、保溫時間和加熱速度等。工程材料及其熱處理-3101A晶粒中碳濃度梯度大了長大速度變快。工程材料及其熱處理一般將鋼加熱到臨界點以上某一適當(dāng)溫度,保溫時間的確定除考慮相變需要外,還考慮工件內(nèi)外溫度一致。當(dāng)加熱溫度相同時,加熱速度越快,保溫時間越短,晶粒越細,所以生產(chǎn)中常采用快速加熱、短時保溫的方法來細化晶粒。此外,加入一定量的合金元素（除Mn、P外），都會阻礙A晶粒長大,而達到細化晶粒的目的。工程材料及其熱處理-3102一般將鋼加熱到臨界點以上某一適當(dāng)溫度,保溫時間的

二、鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變鋼A化后,采用不同方式冷卻,獲得所需要的組織和性能。冷卻是鋼熱處理的關(guān)鍵工序,實際生產(chǎn)中,不同加熱速度、冷卻方式、冷卻速度會得不同產(chǎn)物,對鋼的組織和性能有很大影響。在熱處理工藝中,A化后的冷卻方式通常有等溫冷卻和連續(xù)冷卻兩種。

工程材料及其熱處理-3103二、鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變工程材料及其熱

等溫冷卻是將已A化的鋼迅速冷卻到臨界點以下的給定溫度進行保溫,使其在該等溫溫度下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變；

連續(xù)冷卻是將已A化的鋼以某種冷卻速度連續(xù)冷卻,使其在臨界點以下的不同溫度進行組織轉(zhuǎn)變。

1.過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能

A在相變點A1以上是穩(wěn)定相，冷卻至A1以下就成了不穩(wěn)定相，必然要發(fā)生轉(zhuǎn)變。工程材料及其熱處理-3104等溫冷卻是將已A化的鋼迅速冷卻到臨界點不是冷卻至A1以下就立即轉(zhuǎn)變,而是在轉(zhuǎn)變前需要停留一段時間,此稱為孕育期。

在A1溫度以下暫時存在的不穩(wěn)定的A稱為過冷A。在不同的過冷度下，過冷A將發(fā)生P型轉(zhuǎn)變、B型轉(zhuǎn)變、M型轉(zhuǎn)變等三種組織轉(zhuǎn)變。

⑴珠光體型轉(zhuǎn)變過冷A在A1～550℃溫度范圍等溫時,發(fā)生P型轉(zhuǎn)變。因轉(zhuǎn)變溫度高,原子擴散能力強,轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為F薄層和Fe3C薄層交替重疊的層狀組織,即P型組織。工程材料及其熱處理-3105不是冷卻至A1以下就立即轉(zhuǎn)變,而是在轉(zhuǎn)變前需等溫溫度越低,F層和Fe3C層越薄,層間距越小,硬度越高。為區(qū)別,對層間距不同的P型組織分別稱為珠光體(P)、索氏體(S)和托氏體(T),它們并無本質(zhì)區(qū)別,也無嚴(yán)格界限,只是形態(tài)上不同。

⑵貝氏體型轉(zhuǎn)變過冷A在550℃～Ms溫度范圍等溫時，將發(fā)生貝氏體型(B)轉(zhuǎn)變。工程材料及其熱處理-3106等溫溫度越低,F層和Fe3C層越薄,層因轉(zhuǎn)變溫度較低,原子擴散差,Fe3C已經(jīng)很難聚集長大呈層狀。此時,轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為F及其內(nèi)分布著彌散的碳化物所形成的亞穩(wěn)組織,稱為貝氏體,用美國冶金學(xué)家名字命名,符號B來表示。

等溫溫度不同,貝氏體的形態(tài)也不同,分為上貝氏體(B上)和下貝氏體(B下)。

(B上)組織形態(tài)呈羽毛狀,強度較低,塑性和韌性較差；工程材料及其熱處理-3107因轉(zhuǎn)變溫度較低,原子擴散差,Fe3C已經(jīng)(B下)組織形態(tài)呈黑色針狀,強度較高,塑性和韌性也較好,綜合力學(xué)性能好。

⑶馬氏體型轉(zhuǎn)變

1)馬氏體(M)型轉(zhuǎn)變的特點

①過冷A轉(zhuǎn)變?yōu)镸是非擴散型轉(zhuǎn)變,因轉(zhuǎn)變溫度很低,鐵和碳原子都不能進行擴散。鐵原子沿A一定晶面,集中的(不改變相互位置關(guān)系)作一定距離的移動(不超過一個原子間距),工程材料及其熱處理-3108(B下)組織形態(tài)呈黑色針狀,強度較高,塑

使面心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心正方晶格,碳原子原地不動,過飽和地留在新組成的晶胞中；增大了其正方度c/a。

M就是碳在α-Fe中的過飽和固溶體。過飽和碳使α-Fe的晶格發(fā)生很大畸變,形成很強的固溶強化。

②M高速長大,連續(xù)轉(zhuǎn)變過程A冷卻到Ms點以下后,無孕育期,瞬時轉(zhuǎn)變?yōu)镸。隨著溫度下降,過冷A是不斷連續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)镸。

工程材料及其熱處理-3109使面心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心正方晶格,碳原子原地不動,過飽

③M轉(zhuǎn)變留有A’

M轉(zhuǎn)變有不完全性,即使冷至Mf也要殘留少量奧氏體(A’)。A’的含量與Ms(M轉(zhuǎn)變開始線)、Mf

(M轉(zhuǎn)變終了線)的位置有關(guān)。奧氏體A中的碳含量越高,Ms,Mf就越低,A’含量就越高。通常在碳含量高于0.6%時，在轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中應(yīng)標(biāo)上A’,碳含量少于0.6%時,A’可忽略.工程材料及其熱處理-3110③M轉(zhuǎn)變留有A’工程材料及其熱處理-321

④M形成時體積要膨脹膨脹要產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,淬火冷卻又快,使工件表面和心部產(chǎn)生溫差而引起熱應(yīng)力。兩者“一起叫勁”是造成工件淬火變形和開裂的主因。

3)馬氏體的形態(tài)與特點

過冷A在Ms溫度以下將產(chǎn)生M型轉(zhuǎn)變。M是碳和合金元素在α-Fe中溶解而形成的過飽和固溶體,用符號M表示。工程材料及其熱處理-3111④M形成時體積要膨脹工程材料及其熱處理-M是單相的亞穩(wěn)組織,是以德國冶金學(xué)家A.Martens的名字命名的。M具有體心正方晶格,當(dāng)發(fā)生M型轉(zhuǎn)變時,過冷A中的碳全部保留在M中,形成過飽和的固溶體,產(chǎn)生嚴(yán)重的晶格畸變。M的組織形態(tài)因其成分和形成條件而異，通常分為板條M和片狀M兩種基本類型。

板條M在光學(xué)顯微鏡下所看到的只是邊緣不規(guī)則的塊狀,故亦稱為塊狀M。

工程材料及其熱處理-3112M是單相的亞穩(wěn)組織,是以德國冶金學(xué)家A.M

板條M主要產(chǎn)生于低碳鋼的淬火組織中,在高倍透射電鏡下可看到板條M內(nèi)有大量位錯纏結(jié)的亞結(jié)構(gòu),所以低碳M也稱位錯M。

片狀M其單個晶體的立體形態(tài)呈雙凸透鏡狀，因每個M的厚度與徑向尺寸相比很小,所以粗略地說是片狀,故我國通常稱為片狀M。因在金相磨面上觀察到的通常都是與M片成一定角度的截面,呈針狀,故亦稱為針狀M。工程材料及其熱處理-3113板條M主要產(chǎn)生于低碳鋼的淬火組織中,在高倍

針狀M主要產(chǎn)生于高碳鋼的淬火組織中,高倍透射電鏡分析表明,針狀M內(nèi)有大量孿晶,因此針狀M又稱孿晶M。

M具有高的硬度和強度,是M主要特點。M硬度取決于含碳量,塑性和韌性取決于組織。

板條M具有較高硬度、較高強度與較好塑性和韌性相配合的良好的綜合力學(xué)性能。

針片狀M具有比板條M更硬,脆性大,塑性和韌性較差。工程材料及其熱處理-3114針狀M主要產(chǎn)生于高碳鋼的淬火組織中,高倍透

2.過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變曲線過冷A的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物決定于過冷A的轉(zhuǎn)變溫度,而轉(zhuǎn)變溫度又與冷卻方式和冷卻速度有關(guān)。要了解過冷A的轉(zhuǎn)變量與轉(zhuǎn)變時間的關(guān)系,必須了解過冷A的等溫轉(zhuǎn)變曲線和連續(xù)冷卻曲線。

⑴奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變

1)奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線

過冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線是表示過冷A在不同過冷度下的等溫過程中,轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時間與轉(zhuǎn)變工程材料及其熱處理-31152.過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變曲線工程材料及其產(chǎn)物量之間的關(guān)系曲線。因其形狀與字母“C”的形狀相似,所以又稱為“C曲線”,也稱為“TTT”曲線。圖中,A1為A向P轉(zhuǎn)變的相變點,A1以上區(qū)域為穩(wěn)定A區(qū)。兩條C形曲線中,左邊的曲線為轉(zhuǎn)變開始線，該線以左區(qū)域為過冷A區(qū)；

右邊的曲線為轉(zhuǎn)變終了線,該線以右區(qū)域為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)；工程材料及其熱處理-3116產(chǎn)物量之間的關(guān)系曲線。工程材料及其熱處理-327兩條C形曲線之間的區(qū)域為過冷A與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物共存區(qū)。水平線Ms和Mf為M轉(zhuǎn)變開始線和終了線。

⑵影響等溫轉(zhuǎn)變曲線的因素

①共析鋼過冷A的等溫轉(zhuǎn)變曲線加熱溫度高,保溫時間長,A成分越均勻,晶粒大,晶界減少,使過冷A的形核率降低,增大了其穩(wěn)定性,使C曲線右移,反之左移。過冷A轉(zhuǎn)變所需孕育期的長短不同,即過冷A的穩(wěn)定性不同。工程材料及其熱處理-3117兩條C形曲線之間的區(qū)域為過冷A與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物共在約550℃處的孕育期最短,表明在此溫度下的過冷A最不穩(wěn)定,轉(zhuǎn)變速度也最快。

②含碳量的影響亞共析鋼和過共析鋼的過冷A在轉(zhuǎn)變?yōu)镻之前,分別有先析出F和先析出Fe3C的結(jié)晶過程。與共析鋼相比,亞共析鋼和過共析鋼的過冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線圖多了一條先析相的析出線。同時C曲線的位置也相對左移,說明亞共析鋼和過共析鋼過冷A的穩(wěn)定性比共析鋼要差。工程材料及其熱處理-3118在約550℃處的孕育期最短,表明在此溫度下的正常加熱條件下,亞共析鋼的C曲線隨含碳量的增加而右移,過共析鋼的C曲線隨含碳量的增加而左移,因此,共析鋼的A最為穩(wěn)定。由于過冷A的轉(zhuǎn)變是一個形核與長大的過程,形核的作用更關(guān)鍵,亞共析鋼與過共析鋼先共析相的析出促進了向P轉(zhuǎn)變的形核,而且由于亞共析鋼含碳量越高,先共析F析出變慢；過共析鋼含碳量越高,先共析滲碳體越容易析出,使得共析鋼的過冷奧氏體最為穩(wěn)定。工程材料及其熱處理-3119正常加熱條件下,亞共析鋼的C曲線隨含碳量的增

③合金元素的影響

除Co、Al以外,其余所有合金元素溶入A后,都使過冷A穩(wěn)定,即都使C曲線右移。當(dāng)過冷A中溶有較多的Cr、Mo、W、V、Ti等碳化物形成元素時,還會改變C曲線的形狀。要指出的是,如果碳化物形成元素含量較多,形成了較為穩(wěn)定的碳化物,且在A化時未能全部溶解,則會降低過冷A的穩(wěn)定性,使C曲線左移。工程材料及其熱處理-3120③合金元素的影響工程材料及其熱處C曲線在生產(chǎn)上有重要用途:①制定等溫轉(zhuǎn)變工藝及分析等溫轉(zhuǎn)變過程；②分析連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程及其熱處理工藝的制定；③利用C曲線判定鋼的淬透性,以方便選材,等等。

各鋼種的C曲線都已測出,需要時可查閱有關(guān)手冊。

2)過冷A的連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線工程材料及其熱處理-3121C曲線在生產(chǎn)上有重要用途:工程材料及其熱處理過冷A的連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線表示鋼經(jīng)A化后,在不同冷卻速度的連續(xù)冷卻條件下,過冷A的轉(zhuǎn)變開始及轉(zhuǎn)變終了時間與轉(zhuǎn)變溫度之間關(guān)系的曲線。共析鋼的過冷A連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線圖中Ps、Pf線為P轉(zhuǎn)變開始和轉(zhuǎn)變終了線,Pk為P轉(zhuǎn)變中止線。當(dāng)冷卻曲線碰到Pk線時,A向P的轉(zhuǎn)變將被中止,剩余A將一直過冷至Ms以下轉(zhuǎn)變?yōu)镸組織。

工程材料及其熱處理-3122過冷A的連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線表示鋼經(jīng)A化后,在不同與等溫轉(zhuǎn)變圖相比,共析鋼的連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線圖中P轉(zhuǎn)變開始線,共析鋼過冷奧氏體的連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線和轉(zhuǎn)變終了線的位置均相對右下移，而且只有C形曲線的上半部分，沒有中溫的貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)。工程材料及其熱處理-3123與等溫轉(zhuǎn)變圖相比,共析鋼的連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線圖中§2金屬的整體熱處理

一、退火退火是將金屬和合金加熱到適當(dāng)溫度保溫一定時間,然后緩慢冷卻的熱處理工藝按金屬成分和性能要求的不同,退火可分為:1.完全退火

將鐵碳合金完全A化,隨之緩慢冷卻,獲得接近平衡狀態(tài)組織的退火工藝。工程材料及其熱處理-3124§2金屬的整體熱處理一、退火工程材

其目的是通過完全重結(jié)晶細化晶粒,降低硬度,改善切削性能。多用于亞共析鋼的鑄、鍛件。

過共析鋼不適用完全退火,因為過共析鋼加熱到Accm線以上緩慢冷卻時,溶解在A內(nèi)的Fe3C又重新沿A晶界析出,形成沿晶界分布的網(wǎng)狀Fe3C組織,降低鋼材的力學(xué)性能。

2.等溫退火等溫退火是指鋼件或毛坯加熱到高于Ac3(或工程材料及其熱處理-3125其目的是通過完全重結(jié)晶細化晶粒,降低硬度,

Ac1)溫度,適當(dāng)保溫后,較快冷卻到P轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的某一溫度并等溫保持使A轉(zhuǎn)變?yōu)镻型組織,然后在空氣中冷卻的退火工藝。等溫退火用時短,效率高,工件內(nèi)外處于同一溫度下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變,可得均勻的組織與性能。