奧氏體的形成過程課件

第4章鋼的熱處理4.1鐵碳合金相圖的分析及應(yīng)用4.2鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變4.3鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.4鋼的整體熱處理工藝4.5鋼的表面熱處理和化學(xué)熱處理目錄第4章鋼的熱處理4.1鐵碳合金相圖的分析及應(yīng)用目錄14.1.1純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

1.純金屬的結(jié)晶過程

(1)純金屬的冷卻曲線及過冷度(2)純金屬的結(jié)晶過程(3)晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響2.鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

4.1.1純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象1.純金屬的2(1)純金屬的冷卻曲線及過冷度圖4-1熱分析裝置示意圖

(1)純金屬的冷卻曲線及過冷度圖4-1熱分析裝置示意圖3圖4-2純金屬的冷卻曲線

圖4-3純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線圖4-2純金屬的冷卻曲線圖4-3純金屬結(jié)晶時的冷卻4綜上所述，純金屬的結(jié)晶有兩個特點:一是結(jié)晶總是在一定的過冷度條件下進(jìn)行;二是結(jié)晶的整個過程是在一恒溫(T1)情況下由開始到結(jié)束的。前者也是合金結(jié)晶以及其他固態(tài)下組織轉(zhuǎn)變的共同特點。

綜上所述，純金屬的結(jié)晶有兩個特點:一是結(jié)晶總是在一定5(2)純金屬的結(jié)晶過程

圖4-4純金屬結(jié)晶過程示意圖

(2)純金屬的結(jié)晶過程圖4-4純金屬結(jié)晶過程示意圖6(3)晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響常用的細(xì)化晶粒方法有:①增加過冷度②變質(zhì)處理③振動處理

(3)晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響常用的細(xì)化晶粒方法有:72.鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

1394℃912℃δ-Feγ-Feα-Fe（4-1）

圖4-5純鐵的冷卻曲線

2.鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象1394℃8圖4-6鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變示意圖

圖4-6鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變示意圖94.1.2鐵碳合金相圖的分析

1.鐵碳合金的基本組織

（1）鐵素體（2）奧氏體（3）滲碳體（4）珠光體（5）萊氏體4.1.2鐵碳合金相圖的分析1.鐵碳合金的基本組織104.1.2鐵碳合金相圖的分析

Fe-Fe3C相圖4.1.2鐵碳合金相圖的分析Fe-Fe3C相圖11①Fe-Fe3C相圖中的特性點:

1148℃LwC4.30%LdwC4.30%（AwC2.11%+Fe3C）（4-2）

共晶轉(zhuǎn)變

1148℃或LwC4.30%LdwC4.30%（4-3）

共晶轉(zhuǎn)變

727℃AwC0.77%PwC0.77%（FwC0.0218%+Fe3C）（4-4）

共析轉(zhuǎn)變

727℃或AwC0.77%PwC0.77%（4-5）

共析轉(zhuǎn)變

①Fe-Fe3C相圖中的特性點:114812②Fe-Fe3C相圖中的特性線:

二元相圖中的線條都是一些具有共同特征的點的連線。綜上所述，滲碳體可以有三個來源，從液態(tài)合金中直接結(jié)晶出來、從奧氏體中析出和從鐵素體中析出。

③Fe-Fe3C相圖中的相區(qū):簡化后的Fe-Fe3C相圖共有12個相區(qū)（5個單相區(qū);5個兩相區(qū);2個三相區(qū)）。

②Fe-Fe3C相圖中的特性線:

二元13(2)鐵碳合金的分類

根據(jù)Fe-Fe3C相圖中鐵碳合金的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC、組織轉(zhuǎn)變的特點及室溫組織，我們可將鐵碳合金分為以下幾類:①工業(yè)純鐵:wC≤0.0218%的鐵碳合金稱為工業(yè)純鐵。②鋼:0.0218%<wC<2.11%的鐵碳合金稱為鋼。根據(jù)其室溫組織和碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC的不同，又可分為

亞共析鋼——0.0218%<wC<0.77%;

共析鋼——wC=0.77%;

過共析鋼——0.77%<wC<2.11%。③白口鑄鐵:2.11%≤wC<6.69%的鐵碳合金稱為白口鑄鐵。根據(jù)其室溫組織和碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC的不同，又可分為

亞共晶白口鑄鐵———2.11%≤wC<4.3%;

共晶白口鑄鐵———wC=4.3%;

過共晶白口鑄鐵———4.3%<wC<6.69%。(2)鐵碳合金的分類根據(jù)Fe-Fe3C相圖中14(3)Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用

①根據(jù)Fe-Fe3C相圖判斷鐵碳合金的力學(xué)性能:圖4-8鐵碳合金室溫平衡組織與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC的關(guān)系(3)Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用①根據(jù)Fe-Fe3C相圖判斷15②作為選用鋼鐵材料的依據(jù):

③制定鑄、鍛和熱處理等熱加工工藝的依據(jù):圖4-10Fe-Fe3C相圖與鑄、鍛等工藝的關(guān)系②作為選用鋼鐵材料的依據(jù):

③制定鑄、鍛和熱處理等熱加工16在熱處理工藝上的應(yīng)用圖4-11Fe-Fe3C相圖與熱處理溫度的關(guān)系在熱處理工藝上的應(yīng)用圖4-11Fe-Fe3C相圖與熱174.2鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變熱處理是由加熱、保溫和冷卻三個基本環(huán)節(jié)組成的。在大多數(shù)熱處理工藝中，鋼加熱的主要目的是獲得奧氏體組織。圖4-12加熱（冷卻）時臨界點的位置4.2鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變熱處理是由加熱、保溫和冷184.2.1奧氏體的形成機(jī)理

1.奧氏體形成的熱力學(xué)條件

圖4-13珠光體和奧氏體自由能隨溫度的變化曲線4.2.1奧氏體的形成機(jī)理1.奧氏體形成的熱力學(xué)條件圖19

2.奧氏體的形成過程

圖4-14珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變示意圖（1）奧氏體晶核形成（2）奧氏體晶核長大（3）殘余滲碳體溶解（4）奧氏體成分均勻化

2.奧氏體的形成過程圖4-14珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變示204.2.3奧氏體的晶粒長大及其控制

1.奧氏體晶粒度的概念

圖4-15鋼的標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級示意圖4.2.3奧氏體的晶粒長大及其控制1.奧氏體晶粒度的概念212.奧氏體晶粒長大及其影響因素

（1）加熱溫度（2）保溫時間（3）加熱速度（4）化學(xué)成分

鋼中的碳含量和合金元素都會對奧氏體晶粒長大產(chǎn)生顯著影響。

①碳含量:②合金元素:

2.奧氏體晶粒長大及其影響因素（1）加熱溫度223.控制奧氏體長大的措施

(1)合理選擇加熱溫度和保溫時間(2)合理選擇鋼的原始組織(3)加入一定量的合金元素3.控制奧氏體長大的措施(1)合理選擇加熱溫度和保溫時間234.3鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變

4.3.1過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變鋼在冷卻時，主要的冷卻方式有兩種:一種是等溫冷卻，另一種是連續(xù)冷卻，如圖4-16所示。圖4-16不同冷卻方式示意圖4.3鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.3.1過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)241.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線

圖4-17共析鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線1.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖4-17共析鋼的過冷奧氏252.影響奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的因素

影響C曲線形狀、位置的因素很多，主要有下面幾個方面:(1)碳含量

(2)合金元素

(3)加熱溫度和保溫時間

2.影響奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的因素影響C曲線形狀、位置的因素264.3.2過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的近似分析

圖4-18共析鋼C曲線與CCT曲線關(guān)系4.3.2過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的近似分析圖4-18274.3.2過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的近似分析圖4-19連續(xù)冷卻的等溫轉(zhuǎn)變圖4.3.2過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的近似分析圖4-19284.3.3過冷奧氏體的組織轉(zhuǎn)變類型

1.珠光體型轉(zhuǎn)變

(1)珠光體的組織形態(tài)及力學(xué)性能(2)珠光體的形成機(jī)理珠光體的形成過程，包含兩個同時進(jìn)行的過程:一個是碳的擴(kuò)散，生成高碳的滲碳體和低碳的鐵素體;另一個是晶體的點陣重構(gòu)，由面心立方的奧氏體轉(zhuǎn)變成體心立方的鐵素體和復(fù)雜斜方的滲碳體。

4.3.3過冷奧氏體的組織轉(zhuǎn)變類型1.珠光體型轉(zhuǎn)29圖4-20片狀珠光體形成過程示意圖(2)珠光體的形成機(jī)理圖4-20片狀珠光體形成過程示意圖(2)珠光體的形成機(jī)302.貝氏體型轉(zhuǎn)變（1）貝氏體的組織形態(tài)和力學(xué)性能（2）貝氏體的形成機(jī)理上貝氏體和下貝氏體的轉(zhuǎn)變機(jī)理見圖4-21。

圖4-21貝氏體形成機(jī)理示意圖2.貝氏體型轉(zhuǎn)變（1）貝氏體的組織形態(tài)和力學(xué)性能圖4-2313.馬氏體型轉(zhuǎn)變

（1）馬氏體的組織形態(tài)及力學(xué)性能（2）馬氏體的形成條件（3）馬氏體型轉(zhuǎn)變的特點

鋼中馬氏體型轉(zhuǎn)變有著許多不同于珠光體型轉(zhuǎn)變的特點:①轉(zhuǎn)變的非擴(kuò)散性:②轉(zhuǎn)變的非等溫性:③轉(zhuǎn)變的非徹底性:④比容增大:

3.馬氏體型轉(zhuǎn)變（1）馬氏體的組織形態(tài)及力學(xué)性能324.4鋼的整體熱處理工藝4.4.1退火

所謂退火，就是將金屬或合金加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火的實質(zhì)是將鋼加熱奧氏體化后進(jìn)行珠光體型轉(zhuǎn)變。退火后的組織，對亞共析鋼是鐵素體加片狀珠光體;對共析或過共析鋼則是粒狀珠光體?？傊?，退火組織是接近平衡狀態(tài)的組織。4.4鋼的整體熱處理工藝4.4.1退火331.退火的目的

①降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工。②細(xì)化晶粒，消除因鑄、鍛、焊引起的組織缺陷，均勻鋼的組織及成分，改善鋼的性能或為以后的熱處理做準(zhǔn)備。③消除鋼中的內(nèi)應(yīng)力，以防止變形和開裂。

1.退火的目的①降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷342.常用的退火工藝及應(yīng)用

（1）完全退火（2）球化退火（3）去應(yīng)力退火（4）再結(jié)晶退火（5）擴(kuò)散退火2.常用的退火工藝及應(yīng)用（1）完全退火354.4.2正火

將鋼加熱到Ac3(或Accm)以上30～50℃，保溫適當(dāng)時間后，在靜止的空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。由于正火將鋼加熱到完全奧氏體化狀態(tài)，使鋼中原始組織的缺陷基本消除，然后再控制以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度，所以正火得到以索氏體為主的組織。

正火與退火兩者的目的基本相同，但正火的冷卻速度比退火稍快，故正火鋼組織比較細(xì)，它的強(qiáng)度、硬度比退火鋼高。

4.4.2正火將鋼加熱到Ac3(或Acc361.正火工藝的應(yīng)用

（1）低碳鋼（2）中碳結(jié)構(gòu)鋼（3）過共析鋼

2.退火與正火的選擇

（1）切削加工性（2）使用性能（3）經(jīng)濟(jì)性

1.正火工藝的應(yīng)用（1）低碳鋼2.退火與正火的選擇374.4.3淬火

1.鋼的淬火工藝及種類

鋼的淬火就是將鋼加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保持一定時間，然后以適當(dāng)速度冷卻獲得馬氏體和(或)下貝氏體組織的熱處理工藝。淬火的目的是使過冷奧氏體進(jìn)行馬氏體(或下貝氏體)型轉(zhuǎn)變，得到馬氏體或下貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，獲得所需的力學(xué)性能。

4.4.3淬火1.鋼的淬火工藝及種類38(1)淬火加熱溫度

在具體選擇鋼的淬火加熱溫度時，除了遵循一般原則外，還應(yīng)考慮工件的化學(xué)成分、技術(shù)要求、尺寸形狀、原始組織以及加熱設(shè)備、冷卻介質(zhì)等諸多因素的影響，對加熱溫度予以適當(dāng)調(diào)整。圖4-22碳鋼的淬火加熱溫度范圍(1)淬火加熱溫度在具體選擇鋼的淬火加熱溫度時，除39(2)淬火介質(zhì)生產(chǎn)中實際使用的淬火介質(zhì)可分為兩大類:一類是工件在冷卻過程中會發(fā)生物態(tài)變化的介質(zhì);另一類是不發(fā)生物態(tài)變化的介質(zhì)。其冷卻特性的不同，直接影響了工件的冷卻速度。圖4-23鋼在理想淬火介質(zhì)中冷卻速度示意圖(2)淬火介質(zhì)生產(chǎn)中實際使用的淬火介質(zhì)可分為兩大類:40

●蒸氣膜階段（圖4-24中AB段）

●沸騰階段（圖4-24中BC段）

●對流階段（圖4-24中CD段）

圖4-24冷卻過程的三個階段●蒸氣膜階段（圖4-24中AB段）

●沸騰階段41常用的淬火介質(zhì)常用的淬火介質(zhì)有水、鹽水和堿水、油、熔鹽和熔堿等。●水●鹽水和堿水:●油:●熔鹽和熔堿:●新型淬火介質(zhì):主要有聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液等。

常用的淬火介質(zhì)常用的淬火介質(zhì)有水、鹽水和堿水、油、熔鹽和熔堿42(3)淬火冷卻方法

①單液淬火:②雙介質(zhì)淬火:③馬氏體分級淬火:④下貝氏體等溫淬火:⑤延遲淬火冷卻:⑥局部淬火:⑦深冷處理:圖4-25常用淬火方法冷卻曲線示意圖

(3)淬火冷卻方法①單液淬火:圖4-25常用淬火432.鋼的淬硬性和淬透性

淬硬性和淬透性是表示鋼接受淬火能力的兩項性能指標(biāo)。它們是選材、用材的重要依據(jù)，也是熱處理技師必須了解的材料的重要性能。

①淬硬性②淬透性2.鋼的淬硬性和淬透性淬硬性和淬透性是表示鋼接受淬444.4.4回火

1.淬火鋼在回火時的組織和性能轉(zhuǎn)變

回火就是鋼淬硬后，再加熱到低于Ac1以下的某一溫度，保溫一定的時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。

回火的目的是:合理調(diào)整力學(xué)性能，使工件滿足使用要求;穩(wěn)定組織，使工件在使用過程中不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，從而保證工件的形狀、尺寸不變;降低或消除內(nèi)應(yīng)力，以減少工件的變形并防止開裂。4.4.4回火1.淬火鋼在回火時的組織和45(1)回火時的組織轉(zhuǎn)變

淬火鋼回火時的組織轉(zhuǎn)變大致包括以下幾個過程:

①碳原子的偏聚和聚集:②馬氏體的分解:③殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變:④碳化物的析出、轉(zhuǎn)化和長大:⑤鐵素體的回復(fù)與再結(jié)晶:(1)回火時的組織轉(zhuǎn)變淬火鋼回火時的組織轉(zhuǎn)變大致包括以下幾46總之，淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變是由以上五個過程綜合作用的結(jié)果，難以用明確的溫度范圍將它們截然分開，它們有時互相交錯，有時同時進(jìn)行。

總之，淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變是由以上五個過程綜合作用的結(jié)果47(2)回火后的力學(xué)性能淬火鋼回火時力學(xué)性能總的變化趨勢是：隨著回火溫度的上升，硬度、強(qiáng)度降低，塑性、韌性升高。(2)回火后的力學(xué)性能淬火鋼回火時力學(xué)性能總的變化48①回火對淬火鋼硬度的影響圖4-26不同碳含量的碳鋼回火溫度與硬度的關(guān)系①回火對淬火鋼硬度的影響圖4-26不同碳含量的碳鋼回火49②回火對鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性的影響

圖4-27碳鋼的力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系②回火對鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性的影響圖4-27碳鋼的力502.回火的分類及回火工藝的制定

（1）回火的分類

①低溫回火:②中溫回火:③高溫回火:

（2）回火工藝的制定

制定回火工藝的主要參數(shù)有:

回火溫度、回火時間、回火后的冷卻速度。2.回火的分類及回火工藝的制定（1）回火的分類514.5鋼的表面熱處理和化學(xué)熱處理

4.5.1鋼的表面熱處理

1.感應(yīng)加熱表面淬火

(1)基本原理

圖4-28感應(yīng)加熱示意圖4.5鋼的表面熱處理和化學(xué)熱處理4.5.1鋼的表面熱52(2)特點及其在熱處理中的應(yīng)用

①感應(yīng)加熱能夠在一定范圍內(nèi)控制加熱層深度。②加熱速度快，生產(chǎn)效率高。③工件的熱處理質(zhì)量高而穩(wěn)定。④熱效率高。⑤易實現(xiàn)局部加熱和連續(xù)加熱。⑥便于實現(xiàn)機(jī)械化和自動化。

(2)特點及其在熱處理中的應(yīng)用①感應(yīng)加熱能夠在一定范圍內(nèi)控53(4)感應(yīng)加熱表面淬火后的組織及性能①感應(yīng)加熱表面淬火后的組織:②感應(yīng)加熱表面淬火后的力學(xué)性能:●硬度:●疲勞強(qiáng)度:●耐磨性:

圖4-29淬火鋼感應(yīng)加熱表面淬火后的組織、硬度與加熱溫度之間關(guān)系(4)感應(yīng)加熱表面淬火后的組織及性能①感應(yīng)加熱表面淬火后的組54(5)工藝

感應(yīng)加熱表面淬火的工藝參數(shù)分為熱參數(shù)和電參數(shù)兩種。

①感應(yīng)加熱表面淬火方法:●同時加熱淬火法；●連續(xù)加熱淬火法。

②淬火溫度和加熱速度的選擇

③感應(yīng)加熱設(shè)備的選擇:應(yīng)根據(jù)工件的淬硬層深度要求選擇電流頻率。

④感應(yīng)加熱后的冷卻：●噴射冷卻；●浸液冷卻；●埋油冷卻。

⑤感應(yīng)加熱表面淬火后的回火通常回火方法有三種:●爐中回火；●自回火；●感應(yīng)加熱回火。

(5)工藝感應(yīng)加熱表面淬火的工藝參數(shù)分為熱參數(shù)和電參數(shù)兩種552.火焰加熱表面淬火

(1)基本原理和特點(2)方法

①固定法；②旋轉(zhuǎn)法；③前進(jìn)法；④聯(lián)合法。

圖4-30火焰表面淬火方法示意圖1—火焰噴嘴;2—噴水裝置;3—加熱層;4—淬硬層2.火焰加熱表面淬火(1)基本原理和特點圖4-30564.5.2鋼的化學(xué)熱處理

1.化學(xué)熱處理的基本原理

(1)化學(xué)熱處理的概念

(2)化學(xué)熱處理的基本過程

2.滲碳

(1)滲碳概述

(2)氣體滲碳

(3)滲碳后的熱處理及其性能

①滲碳后的熱處理:②滲碳淬火后的組織:一類是從表面到心部組織依次為馬氏體+殘余奧氏體→馬氏體→心部組織;另一類是馬氏體+殘余奧氏體+碳化物→馬氏體+殘余奧氏體→馬氏體→心部組織。

4.5.2鋼的化學(xué)熱處理1.化學(xué)熱處理的基本原理57

氣體滲碳工藝過程通?？蓜澐譃樯郎嘏艢?、滲碳(包括強(qiáng)滲和擴(kuò)散)、降溫冷卻三個階段，如圖4-31所示。

圖4-31井式爐滴注式氣體滲碳工藝過程

氣體滲碳工藝過程通?？蓜澐譃樯郎嘏艢狻B碳(583.滲氮

(1)滲氮概述

(2)氣體滲氮原理

(3)滲氮前的熱處理

(4)氣體滲氮工藝氣體滲氮的工藝曲線見圖4-32。

4.碳氮共滲及氮碳共滲

(1)碳氮共滲

(2)氮碳共滲

5.其他化學(xué)熱處理簡介

(1)滲硼

(2)其他多元共滲

(3)滲鋁

3.滲氮

(1)滲氮概述

(2)氣體滲氮原理

59

（1）滲氮概述（2）氣體滲氮原理（3）滲氮前的熱處理（4）氣體滲氮工藝氣體滲氮的工藝曲線見圖4-32。4.碳氮共滲及氮碳共滲

（1）碳氮共滲（2）氮碳共滲5.其他化學(xué)熱處理簡介

（1）滲硼（2）其他多元共滲（3）滲鋁

圖4-32氣體滲氮工藝曲線3.滲氮（1）滲氮概述圖4-32氣體滲氮工藝曲線3.滲氮60思考題

4-1鐵碳合金的基本組織有哪幾種?分別說明它們的性能特征。

4-2Fe-Fe3C相圖中各特性點、特性線有何意義?

4-3試述e-Fe3C相圖的運用。

4-4什么叫熱處理?熱處理的目的是什么?

4-5通常熱處理工藝分為哪幾個階段?4-6何為奧氏體化?其經(jīng)歷了哪幾個階段?

4-7奧氏體晶粒大小對鋼熱處理后的性能有什么影響?如何才能獲得細(xì)小、均勻的奧

氏體晶粒?4-8過冷奧氏體在不同溫度下等溫時其最終產(chǎn)物分別是什么?它們的組織形態(tài)和性

能如何?

4-9過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變與連續(xù)轉(zhuǎn)變有何區(qū)別?4-10簡述馬氏體型轉(zhuǎn)變的特點。

目錄思考題4-1鐵碳合金的基本組織有哪幾種?分別說明它們的性61第4章鋼的熱處理4.1鐵碳合金相圖的分析及應(yīng)用4.2鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變4.3鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.4鋼的整體熱處理工藝4.5鋼的表面熱處理和化學(xué)熱處理目錄第4章鋼的熱處理4.1鐵碳合金相圖的分析及應(yīng)用目錄624.1.1純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

1.純金屬的結(jié)晶過程

(1)純金屬的冷卻曲線及過冷度(2)純金屬的結(jié)晶過程(3)晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響2.鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

4.1.1純金屬的結(jié)晶過程及鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象1.純金屬的63(1)純金屬的冷卻曲線及過冷度圖4-1熱分析裝置示意圖

(1)純金屬的冷卻曲線及過冷度圖4-1熱分析裝置示意圖64圖4-2純金屬的冷卻曲線

圖4-3純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線圖4-2純金屬的冷卻曲線圖4-3純金屬結(jié)晶時的冷卻65綜上所述，純金屬的結(jié)晶有兩個特點:一是結(jié)晶總是在一定的過冷度條件下進(jìn)行;二是結(jié)晶的整個過程是在一恒溫(T1)情況下由開始到結(jié)束的。前者也是合金結(jié)晶以及其他固態(tài)下組織轉(zhuǎn)變的共同特點。

綜上所述，純金屬的結(jié)晶有兩個特點:一是結(jié)晶總是在一定66(2)純金屬的結(jié)晶過程

圖4-4純金屬結(jié)晶過程示意圖

(2)純金屬的結(jié)晶過程圖4-4純金屬結(jié)晶過程示意圖67(3)晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響常用的細(xì)化晶粒方法有:①增加過冷度②變質(zhì)處理③振動處理

(3)晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響常用的細(xì)化晶粒方法有:682.鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象

1394℃912℃δ-Feγ-Feα-Fe（4-1）

圖4-5純鐵的冷卻曲線

2.鐵的同素異構(gòu)現(xiàn)象1394℃69圖4-6鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變示意圖

圖4-6鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變示意圖704.1.2鐵碳合金相圖的分析

1.鐵碳合金的基本組織

（1）鐵素體（2）奧氏體（3）滲碳體（4）珠光體（5）萊氏體4.1.2鐵碳合金相圖的分析1.鐵碳合金的基本組織714.1.2鐵碳合金相圖的分析

Fe-Fe3C相圖4.1.2鐵碳合金相圖的分析Fe-Fe3C相圖72①Fe-Fe3C相圖中的特性點:

1148℃LwC4.30%LdwC4.30%（AwC2.11%+Fe3C）（4-2）

共晶轉(zhuǎn)變

1148℃或LwC4.30%LdwC4.30%（4-3）

共晶轉(zhuǎn)變

727℃AwC0.77%PwC0.77%（FwC0.0218%+Fe3C）（4-4）

共析轉(zhuǎn)變

727℃或AwC0.77%PwC0.77%（4-5）

共析轉(zhuǎn)變

①Fe-Fe3C相圖中的特性點:114873②Fe-Fe3C相圖中的特性線:

二元相圖中的線條都是一些具有共同特征的點的連線。綜上所述，滲碳體可以有三個來源，從液態(tài)合金中直接結(jié)晶出來、從奧氏體中析出和從鐵素體中析出。

③Fe-Fe3C相圖中的相區(qū):簡化后的Fe-Fe3C相圖共有12個相區(qū)（5個單相區(qū);5個兩相區(qū);2個三相區(qū)）。

②Fe-Fe3C相圖中的特性線:

二元74(2)鐵碳合金的分類

根據(jù)Fe-Fe3C相圖中鐵碳合金的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC、組織轉(zhuǎn)變的特點及室溫組織，我們可將鐵碳合金分為以下幾類:①工業(yè)純鐵:wC≤0.0218%的鐵碳合金稱為工業(yè)純鐵。②鋼:0.0218%<wC<2.11%的鐵碳合金稱為鋼。根據(jù)其室溫組織和碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC的不同，又可分為

亞共析鋼——0.0218%<wC<0.77%;

共析鋼——wC=0.77%;

過共析鋼——0.77%<wC<2.11%。③白口鑄鐵:2.11%≤wC<6.69%的鐵碳合金稱為白口鑄鐵。根據(jù)其室溫組織和碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC的不同，又可分為

亞共晶白口鑄鐵———2.11%≤wC<4.3%;

共晶白口鑄鐵———wC=4.3%;

過共晶白口鑄鐵———4.3%<wC<6.69%。(2)鐵碳合金的分類根據(jù)Fe-Fe3C相圖中75(3)Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用

①根據(jù)Fe-Fe3C相圖判斷鐵碳合金的力學(xué)性能:圖4-8鐵碳合金室溫平衡組織與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC的關(guān)系(3)Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用①根據(jù)Fe-Fe3C相圖判斷76②作為選用鋼鐵材料的依據(jù):

③制定鑄、鍛和熱處理等熱加工工藝的依據(jù):圖4-10Fe-Fe3C相圖與鑄、鍛等工藝的關(guān)系②作為選用鋼鐵材料的依據(jù):

③制定鑄、鍛和熱處理等熱加工77在熱處理工藝上的應(yīng)用圖4-11Fe-Fe3C相圖與熱處理溫度的關(guān)系在熱處理工藝上的應(yīng)用圖4-11Fe-Fe3C相圖與熱784.2鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變熱處理是由加熱、保溫和冷卻三個基本環(huán)節(jié)組成的。在大多數(shù)熱處理工藝中，鋼加熱的主要目的是獲得奧氏體組織。圖4-12加熱（冷卻）時臨界點的位置4.2鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變熱處理是由加熱、保溫和冷794.2.1奧氏體的形成機(jī)理

1.奧氏體形成的熱力學(xué)條件

圖4-13珠光體和奧氏體自由能隨溫度的變化曲線4.2.1奧氏體的形成機(jī)理1.奧氏體形成的熱力學(xué)條件圖80

2.奧氏體的形成過程

圖4-14珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變示意圖（1）奧氏體晶核形成（2）奧氏體晶核長大（3）殘余滲碳體溶解（4）奧氏體成分均勻化

2.奧氏體的形成過程圖4-14珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變示814.2.3奧氏體的晶粒長大及其控制

1.奧氏體晶粒度的概念

圖4-15鋼的標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級示意圖4.2.3奧氏體的晶粒長大及其控制1.奧氏體晶粒度的概念822.奧氏體晶粒長大及其影響因素

（1）加熱溫度（2）保溫時間（3）加熱速度（4）化學(xué)成分

鋼中的碳含量和合金元素都會對奧氏體晶粒長大產(chǎn)生顯著影響。

①碳含量:②合金元素:

2.奧氏體晶粒長大及其影響因素（1）加熱溫度833.控制奧氏體長大的措施

(1)合理選擇加熱溫度和保溫時間(2)合理選擇鋼的原始組織(3)加入一定量的合金元素3.控制奧氏體長大的措施(1)合理選擇加熱溫度和保溫時間844.3鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變

4.3.1過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變鋼在冷卻時，主要的冷卻方式有兩種:一種是等溫冷卻，另一種是連續(xù)冷卻，如圖4-16所示。圖4-16不同冷卻方式示意圖4.3鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.3.1過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)851.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線

圖4-17共析鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線1.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖4-17共析鋼的過冷奧氏862.影響奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的因素

影響C曲線形狀、位置的因素很多，主要有下面幾個方面:(1)碳含量

(2)合金元素

(3)加熱溫度和保溫時間

2.影響奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的因素影響C曲線形狀、位置的因素874.3.2過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的近似分析

圖4-18共析鋼C曲線與CCT曲線關(guān)系4.3.2過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的近似分析圖4-18884.3.2過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的近似分析圖4-19連續(xù)冷卻的等溫轉(zhuǎn)變圖4.3.2過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的近似分析圖4-19894.3.3過冷奧氏體的組織轉(zhuǎn)變類型

1.珠光體型轉(zhuǎn)變

(1)珠光體的組織形態(tài)及力學(xué)性能(2)珠光體的形成機(jī)理珠光體的形成過程，包含兩個同時進(jìn)行的過程:一個是碳的擴(kuò)散，生成高碳的滲碳體和低碳的鐵素體;另一個是晶體的點陣重構(gòu)，由面心立方的奧氏體轉(zhuǎn)變成體心立方的鐵素體和復(fù)雜斜方的滲碳體。

4.3.3過冷奧氏體的組織轉(zhuǎn)變類型1.珠光體型轉(zhuǎn)90圖4-20片狀珠光體形成過程示意圖(2)珠光體的形成機(jī)理圖4-20片狀珠光體形成過程示意圖(2)珠光體的形成機(jī)912.貝氏體型轉(zhuǎn)變（1）貝氏體的組織形態(tài)和力學(xué)性能（2）貝氏體的形成機(jī)理上貝氏體和下貝氏體的轉(zhuǎn)變機(jī)理見圖4-21。

圖4-21貝氏體形成機(jī)理示意圖2.貝氏體型轉(zhuǎn)變（1）貝氏體的組織形態(tài)和力學(xué)性能圖4-2923.馬氏體型轉(zhuǎn)變

（1）馬氏體的組織形態(tài)及力學(xué)性能（2）馬氏體的形成條件（3）馬氏體型轉(zhuǎn)變的特點

鋼中馬氏體型轉(zhuǎn)變有著許多不同于珠光體型轉(zhuǎn)變的特點:①轉(zhuǎn)變的非擴(kuò)散性:②轉(zhuǎn)變的非等溫性:③轉(zhuǎn)變的非徹底性:④比容增大:

3.馬氏體型轉(zhuǎn)變（1）馬氏體的組織形態(tài)及力學(xué)性能934.4鋼的整體熱處理工藝4.4.1退火

所謂退火，就是將金屬或合金加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火的實質(zhì)是將鋼加熱奧氏體化后進(jìn)行珠光體型轉(zhuǎn)變。退火后的組織，對亞共析鋼是鐵素體加片狀珠光體;對共析或過共析鋼則是粒狀珠光體?？傊嘶鸾M織是接近平衡狀態(tài)的組織。4.4鋼的整體熱處理工藝4.4.1退火941.退火的目的

①降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工。②細(xì)化晶粒，消除因鑄、鍛、焊引起的組織缺陷，均勻鋼的組織及成分，改善鋼的性能或為以后的熱處理做準(zhǔn)備。③消除鋼中的內(nèi)應(yīng)力，以防止變形和開裂。

1.退火的目的①降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷952.常用的退火工藝及應(yīng)用

（1）完全退火（2）球化退火（3）去應(yīng)力退火（4）再結(jié)晶退火（5）擴(kuò)散退火2.常用的退火工藝及應(yīng)用（1）完全退火964.4.2正火

將鋼加熱到Ac3(或Accm)以上30～50℃，保溫適當(dāng)時間后，在靜止的空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。由于正火將鋼加熱到完全奧氏體化狀態(tài)，使鋼中原始組織的缺陷基本消除，然后再控制以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度，所以正火得到以索氏體為主的組織。

正火與退火兩者的目的基本相同，但正火的冷卻速度比退火稍快，故正火鋼組織比較細(xì)，它的強(qiáng)度、硬度比退火鋼高。

4.4.2正火將鋼加熱到Ac3(或Acc971.正火工藝的應(yīng)用

（1）低碳鋼（2）中碳結(jié)構(gòu)鋼（3）過共析鋼

2.退火與正火的選擇

（1）切削加工性（2）使用性能（3）經(jīng)濟(jì)性

1.正火工藝的應(yīng)用（1）低碳鋼2.退火與正火的選擇984.4.3淬火

1.鋼的淬火工藝及種類

鋼的淬火就是將鋼加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保持一定時間，然后以適當(dāng)速度冷卻獲得馬氏體和(或)下貝氏體組織的熱處理工藝。淬火的目的是使過冷奧氏體進(jìn)行馬氏體(或下貝氏體)型轉(zhuǎn)變，得到馬氏體或下貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，獲得所需的力學(xué)性能。

4.4.3淬火1.鋼的淬火工藝及種類99(1)淬火加熱溫度

在具體選擇鋼的淬火加熱溫度時，除了遵循一般原則外，還應(yīng)考慮工件的化學(xué)成分、技術(shù)要求、尺寸形狀、原始組織以及加熱設(shè)備、冷卻介質(zhì)等諸多因素的影響，對加熱溫度予以適當(dāng)調(diào)整。圖4-22碳鋼的淬火加熱溫度范圍(1)淬火加熱溫度在具體選擇鋼的淬火加熱溫度時，除100(2)淬火介質(zhì)生產(chǎn)中實際使用的淬火介質(zhì)可分為兩大類:一類是工件在冷卻過程中會發(fā)生物態(tài)變化的介質(zhì);另一類是不發(fā)生物態(tài)變化的介質(zhì)。其冷卻特性的不同，直接影響了工件的冷卻速度。圖4-23鋼在理想淬火介質(zhì)中冷卻速度示意圖(2)淬火介質(zhì)生產(chǎn)中實際使用的淬火介質(zhì)可分為兩大類:101

●蒸氣膜階段（圖4-24中AB段）

●沸騰階段（圖4-24中BC段）

●對流階段（圖4-24中CD段）

圖4-24冷卻過程的三個階段●蒸氣膜階段（圖4-24中AB段）

●沸騰階段102常用的淬火介質(zhì)常用的淬火介質(zhì)有水、鹽水和堿水、油、熔鹽和熔堿等?！袼覃}水和堿水:●油:●熔鹽和熔堿:●新型淬火介質(zhì):主要有聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液等。

常用的淬火介質(zhì)常用的淬火介質(zhì)有水、鹽水和堿水、油、熔鹽和熔堿103(3)淬火冷卻方法

①單液淬火:②雙介質(zhì)淬火:③馬氏體分級淬火:④下貝氏體等溫淬火:⑤延遲淬火冷卻:⑥局部淬火:⑦深冷處理:圖4-25常用淬火方法冷卻曲線示意圖

(3)淬火冷卻方法①單液淬火:圖4-25常用淬火1042.鋼的淬硬性和淬透性

淬硬性和淬透性是表示鋼接受淬火能力的兩項性能指標(biāo)。它們是選材、用材的重要依據(jù)，也是熱處理技師必須了解的材料的重要性能。

①淬硬性②淬透性2.鋼的淬硬性和淬透性淬硬性和淬透性是表示鋼接受淬1054.4.4回火

1.淬火鋼在回火時的組織和性能轉(zhuǎn)變

回火就是鋼淬硬后，再加熱到低于Ac1以下的某一溫度，保溫一定的時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。

回火的目的是:合理調(diào)整力學(xué)性能，使工件滿足使用要求;穩(wěn)定組織，使工件在使用過程中不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，從而保證工件的形狀、尺寸不變;降低或消除內(nèi)應(yīng)力，以減少工件的變形并防止開裂。4.4.4回火1.淬火鋼在回火時的組織和106(1)回火時的組織轉(zhuǎn)變

淬火鋼回火時的組織轉(zhuǎn)變大致包括以下幾個過程:

①碳原子的偏聚和聚集:②馬氏體的分解:③殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變:④碳化物的析出、轉(zhuǎn)化和長大:⑤鐵素體的回復(fù)與再結(jié)晶:(1)回火時的組織轉(zhuǎn)變淬火鋼回火時的組織轉(zhuǎn)變大致包括以下幾107總之，淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變是由以上五個過程綜合作用的結(jié)果，難以用明確的溫度范圍將它們截然分開，它們有時互相交錯，有時同時進(jìn)行。

總之，淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變是由以上五個過程綜合作用的結(jié)果108(2)回火后的力學(xué)性能淬火鋼回火時力學(xué)性能總的變化趨勢是：隨著回火溫度的上升，硬度、強(qiáng)度降低，塑性、韌性升高。(2)回火后的力學(xué)性能淬火鋼回火時力學(xué)性能總的變化109①回火對淬火鋼硬度的影響圖4-26不同碳含量的碳鋼回火溫度與硬度的關(guān)系①回火對淬火鋼硬度的影響圖4-26不同碳含量的碳鋼回火110②回火對鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性的影響

圖4-27碳鋼的力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系②回火對鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性的影響圖4-27碳鋼的力1112.回火的分類及回火工藝的制定

（1）回火的分類

①低溫回火:②中溫回火:③高溫回火:

（2）回火工藝的制定

制定回火工藝的主要參數(shù)有:

回火溫度、回火時間、回火后的冷卻速度。2.回火的分類及回火工藝的制定（1）回火的分類1124.5鋼的表面熱處理和化學(xué)熱處理

4.5.1鋼的表面熱處理

1.感應(yīng)加熱表面淬火

(1)基本原理

圖4-28感應(yīng)加熱示意圖4.5鋼的表面熱處理和化學(xué)熱處理4.5.1鋼的表面熱113(2)特點及其在熱處理中的應(yīng)用

①感應(yīng)加熱能夠在一定范圍內(nèi)控制加熱層深度。②加熱速度快，生產(chǎn)效率高。③工件的熱處理質(zhì)量高而穩(wěn)定。④熱效率高。⑤易實現(xiàn)局部加熱和連續(xù)加熱。⑥便于實現(xiàn)機(jī)械化和自動化。