4.2金屬材料熱處理原理

4.2金屬材料熱處理原理

4.2.1鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變4.2.2奧氏體在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變4.2.3淬火鋼在回火時(shí)的轉(zhuǎn)變4.2.4金屬材料的脫溶沉淀與時(shí)效請思考？（見教材P83問題提示）1.鐵碳合金相圖在鋼鐵材料熱處理中的作用是什么呢？

鋼鐵材料冷卻轉(zhuǎn)變曲線（TTT、CCT曲線）的物理意義是什么？您會(huì)使用它來分析不同熱處理?xiàng)l件下所獲得的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（組織）嗎？您能在TTT或CCT曲線上示意地標(biāo)出退火、正火、單液淬火、雙液淬火、等溫淬火、分級(jí)淬火與不完全淬火的冷卻速度曲線嗎？2.“五大轉(zhuǎn)變”指的是哪五種類型的轉(zhuǎn)變，試從轉(zhuǎn)變性質(zhì)、所處溫度范圍、轉(zhuǎn)變特征、組織、性能的變化與應(yīng)用等方面說明？碳鋼淬火加熱溫度范圍請思考：回顧金工實(shí)習(xí)，各種熱處理工藝的

共同點(diǎn)是什么？熱處理工藝曲線示意圖→（a）加熱溫度（b）工藝規(guī)范圖4.35各種退火與正火工藝規(guī)范1.鋼加熱轉(zhuǎn)變的理論依據(jù)是什麼？加熱和冷卻對臨界轉(zhuǎn)變溫度的影響4.2.1鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變鐵碳相圖中PSK、GS、ES線分別用A1、A3、Acm表示。實(shí)際加熱或冷卻時(shí)存在著過冷或過熱現(xiàn)象，因此將鋼加熱時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度分別用Ac1、Ac3、Accm表示；冷卻時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度分別用Ar1、Ar3、Arcm表示。因加熱或冷卻速度直接影響轉(zhuǎn)變溫度，因此一般熱處理手冊中的數(shù)據(jù)是以30～50℃/h的速度加熱或冷卻時(shí)測得的。2.共析碳鋼奧氏體化過程共分為哪四個(gè)階段？圖4.3珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變示意圖3.亞、過共析鋼的奧氏體化過程

是如何進(jìn)行的呢？請看左面的示意圖←4.奧氏體晶粒大小及其控制

（1）奧氏體晶粒度等級(jí)

A晶粒大小對冷后室溫組織

粗細(xì)的影響詳情見下頁接下＃晶粒度及晶粒度對照表返回4.奧氏體晶粒大小及其控制（2）注意區(qū)分三種奧氏體晶粒度

A起始晶粒度；A實(shí)際晶粒度；A本質(zhì)晶粒度（如圖4.5所示）。（3）奧氏體晶粒度的控制①合理選擇加熱條件；②加熱速度的選擇（右下圖示）；③化學(xué)成分的控制＃珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變過程圖圖4.5本質(zhì)細(xì)晶粒和本質(zhì)粗晶粒示意圖因此在熱處理加熱時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制加熱溫度、保溫時(shí)間、加熱速度及合理選擇鋼種。4.2.2奧氏體在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變

1.奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變的理論依據(jù)是什麼？2.過冷奧氏體的等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線（C，TTT曲線）（1）C曲線是如何建立的？（2）C曲線分析（3）影響C曲線的主要因素有哪些？

①化學(xué)成分（碳含量；合金元素的含量）;②奧氏體化條件3.過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能

（1）珠光體（P）轉(zhuǎn)變；(2)馬氏體（M）轉(zhuǎn)變；（3）貝氏體（B）轉(zhuǎn)變4.過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT曲線）5.過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線的應(yīng)用請看：兩張表45鋼經(jīng)840加熱，于不同冷卻速度冷卻后的性能（表4.1）T8鋼經(jīng)不同速度冷卻后的性能（10mm，800加熱）請思考？1.為什么鋼（45，T8）加熱A化后于不同冷卻速度下的性能會(huì)有如此的差別呢？2.為什么冷卻速度越快，鋼的硬度、強(qiáng)度越高，而塑性、韌性則越低呢？如何判定

不同冷卻條件下所獲得的組織？？？？馬氏體組織在哪里呢？→奧氏體（A）冷卻轉(zhuǎn)變的理論依據(jù)熱處理工藝曲線示意圖↓兩種不同冷卻方式示意圖↓

（a）等溫冷卻；（b）連續(xù)冷卻圖4.6不同冷卻方式示意圖過冷A等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線表示A急速冷卻到A1以下，在各不同溫度下保溫過程中轉(zhuǎn)變量與轉(zhuǎn)變時(shí)間的關(guān)系曲線.又稱C曲線、S

曲線或TTT

(Time-Temperature-Transformationdiagram)曲線。2.過冷A等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線（1）C曲線的建立以共析鋼為例（如右圖4.7所示→）：i取一批小試樣并進(jìn)行奧氏體化.ii將試樣分組淬入低于A1點(diǎn)的不同溫度的鹽浴中,隔一定時(shí)間取一試樣淬入水中。iii測定每個(gè)試樣的轉(zhuǎn)變量，確定各溫度下轉(zhuǎn)變量與轉(zhuǎn)變時(shí)間的關(guān)系。iv將各溫度下轉(zhuǎn)變開始時(shí)間及終了時(shí)間標(biāo)在溫度—時(shí)間坐標(biāo)中，并分別連線。轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)的連線稱轉(zhuǎn)變開始線。轉(zhuǎn)變終了點(diǎn)的連線稱轉(zhuǎn)變終了線。

轉(zhuǎn)變開始線與縱坐標(biāo)之間的距離為孕育期。孕育期越小，過冷奧氏體穩(wěn)定性越小.孕育期最小處稱C曲線的“鼻尖”。碳鋼鼻尖處的溫度為550℃。在鼻尖以上,溫度較高，相變驅(qū)動(dòng)力小;在鼻尖以下，溫度較低，擴(kuò)散困難。從而使奧氏體穩(wěn)定性增加。

C曲線明確表示了過冷奧氏體在不同溫度下的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。（2）C曲線分析C曲線的物理意義圖4.8共析碳鋼的A’等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線（C曲線）分析C曲線的物理意義——即指C曲線中各條特性線的含義，以及各個(gè)區(qū)域的組織這雙層含義。MfAPBMA’→M＋ARA’

→P轉(zhuǎn)變開始線轉(zhuǎn)變終了線過冷AMsA1C左C右2.過冷A等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線（C曲線）C曲線的物理意義

（各條特性線含義；各區(qū)域組織）各個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)何種類型組織？

①A1～Ms

間及轉(zhuǎn)變開始線以左的區(qū)域?yàn)锳’（過冷奧氏體）區(qū);②轉(zhuǎn)變終了線以右及A1以下為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū);③兩C線之間為A’與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物共存區(qū);④MS～Mf之間為M轉(zhuǎn)變區(qū)。特性線A1,MS,C左,C右線的含義是什么？①A1線：共析線；②MS線：A’向M轉(zhuǎn)變的開始線；③C左線：A’向轉(zhuǎn)變產(chǎn)物轉(zhuǎn)變的開始線；④C右線：A’向轉(zhuǎn)變產(chǎn)物轉(zhuǎn)變的終了線。溫度圖4.8共析碳鋼的C曲線（3）影響C曲線的主要因素①碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

在正常加熱條件下，共析鋼的過冷奧氏體最穩(wěn)定，C曲線的位置最靠右。Ms與Mf點(diǎn)隨碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而下降。與共析鋼相比，亞共析鋼和過共析鋼C曲線的上部各多一條先共析相的析出線。圖4.9亞共析碳鋼、共析碳鋼及過共析碳鋼的C曲線比較（a）亞共析鋼（b）共析鋼（c）過共析鋼圖4.10Me對C曲線的影響②合金元素的影響

除Co外，凡溶入A的Me，都能增加A’的穩(wěn)定性，使C曲線右移。除Co和Al外，凡溶入A的Me均能使Ms

與Mf

點(diǎn)下降。（3）影響C曲線的主要因素（a）Co（b）Ni（c）Cr③奧氏體化條件的影響

奧氏體化溫度提高和保溫時(shí)間延長，使奧氏體成分均勻、晶粒粗大、未溶碳化物減少，增加了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移。

使用C曲線時(shí)應(yīng)注意奧氏體化條件及晶粒度的影響.3.過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能

(1)珠光體（P）轉(zhuǎn)變(A1～550℃，高溫轉(zhuǎn)變或擴(kuò)散型相變)①定義與分類

按滲碳體的形態(tài)進(jìn)行分類片狀P和球化體（粒狀珠光體）②珠光體的組織形態(tài)與性能片狀珠光體表4.2共析碳鋼過冷奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變的類型、產(chǎn)物、性能及特征3.過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能

(1)珠光體（P）轉(zhuǎn)變(A1～550℃，高溫轉(zhuǎn)變或擴(kuò)散型相變)②珠光體的組織形態(tài)與性能片狀珠光體的顯微組織圖（a）500×（b）8000×P（珠光體）→（c）1000×（d）19000×←S（索氏體）（e）200×（f）19000×T（托氏體）→3.過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能

(1)珠光體（P）轉(zhuǎn)變(A1～550℃，高溫轉(zhuǎn)變或擴(kuò)散型相變)②珠光體的組織形態(tài)與性能片狀珠光體的性能#P片層間距與轉(zhuǎn)變溫度、性能關(guān)系＃P片層間距與硬度的關(guān)系圖②珠光體的組織形態(tài)與性能球化體（粒狀珠光體）珠光體的硬度（a）；（b）形態(tài)1000X;（c）原始組織1000X(a)（b）（c）片狀P與球化體力學(xué)性能對比片狀P與球化體切削性能比較

球化體與片狀P相比：

i當(dāng)碳含量相同時(shí)，球化體的塑韌性好，可切削加工性好，冷擠壓成形性也好，加熱淬火時(shí)變形、開裂傾向也小；ii當(dāng)σb相同時(shí)，球化體的σ-1高；

iii當(dāng)硬度相同時(shí)，球化體的綜合力學(xué)性能好（不易產(chǎn)生應(yīng)力集中、裂紋）。因此，高碳鋼在機(jī)械加工和最終熱處理之前，常要求材料先經(jīng)球化退火處理，以獲得均勻的球化體組織。圖4.15M的晶體結(jié)構(gòu)示意圖→（2）馬氏體（M）轉(zhuǎn)變

①M(fèi)的形成條件（T＜MS，V＞VkC）i冷卻速度必須大于臨界冷速VKC(VC);ii奧氏體必須過冷到230℃

(Ms)

以下將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體（M）類型組織（如右圖4.21所示）。②晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

馬氏體是碳在-Fe中的過飽和固溶體，

用M表示.M轉(zhuǎn)變時(shí)，A中的碳全部保留在M中；其具有體心正方晶格（a=b≠c），軸比c/a

稱M的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸變越嚴(yán)重；當(dāng)＜0.25%C時(shí),c/a=1,此時(shí)M為BCC晶格.圖4.21共析碳鋼的CCT曲線因此，伴隨M形成其比容增大，由此產(chǎn)生組織應(yīng)力，易使工件產(chǎn)生變形開裂。

③

M的組織形態(tài)與性能

鋼中M的組織形態(tài)主要有板條狀和片狀兩種基本類型。板條狀M，位錯(cuò)M或低碳M片狀M，孿晶M或高碳M③

M的組織形態(tài)與性能影響M形態(tài)的因素M形態(tài)→M轉(zhuǎn)變溫度→A化學(xué)成分（如左下圖所示）0.2%C低碳M；1.0%C高碳M。0.2%～1.0％C：當(dāng)小于0.6％C時(shí)，以低碳M為主；當(dāng)大于0.6％C時(shí)，以高碳M為主。應(yīng)注意：A的碳含量≠鋼的碳含量隨鋼中奧氏體碳含量的增加，M的轉(zhuǎn)變溫度下降，殘余奧氏體量增加，如右下圖所示。圖4.＃奧氏體的碳含量對M轉(zhuǎn)變溫度（a）及AR量（b）的影響圖4.＃M形態(tài)與碳含量關(guān)系③

M的組織形態(tài)與性能M的性能

M具有高強(qiáng)度、高硬度：固溶強(qiáng)化，相變強(qiáng)化，時(shí)效強(qiáng)化，細(xì)晶強(qiáng)化等。M是最經(jīng)濟(jì)、有效的綜合強(qiáng)化效果。

M具有高的硬度和強(qiáng)度。M的硬度主要取決于碳含量（如右下圖所示）。＃碳含量對M強(qiáng)度和硬度影響表4.＃淬火鋼的塑、韌性與碳含量間關(guān)系

M的塑性、韌性則主要取決于其亞結(jié)構(gòu)：孿晶M----塑韌性差，位錯(cuò)M----強(qiáng)韌性好。請思考：如何理解“M的強(qiáng)度和硬度主要取決于M的碳含量”，試就圖4.18解釋之？（3）貝氏體（B）轉(zhuǎn)變①組織形態(tài)

圖4.19B上的顯微組織形態(tài)↓圖4.20B下的顯微組織形態(tài)↓金相顯微組織500X電子顯微組織4000X表4.2貝氏體型轉(zhuǎn)變的形成溫度、轉(zhuǎn)變機(jī)制、組織特征、形成特點(diǎn)、硬度及性能特點(diǎn)，獲得工藝→A’等溫轉(zhuǎn)變的類型、產(chǎn)物、性能及特征兩種馬氏體的性能比較（如下表所示）貝氏體轉(zhuǎn)變特征一覽表（共析鋼）注意區(qū)分與比較:

4.過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

（CCT曲線）（1）CCT曲線及分析i共析鋼的CCT曲線沒有貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，在P轉(zhuǎn)變區(qū)之下多了一條轉(zhuǎn)變中止線(K線)。當(dāng)連續(xù)冷卻曲線碰到K線時(shí)，P轉(zhuǎn)變中止，余下的過冷奧氏體一直保持到Ms以下轉(zhuǎn)變?yōu)镸。iiCCT曲線位于C曲線的右下方。圖4.21中

A1－共析線；PS線－A’轉(zhuǎn)變?yōu)镻開始線；Pf線－A’轉(zhuǎn)變?yōu)镻終了線；K線－A’轉(zhuǎn)變?yōu)镻中止線；Ms線－A’轉(zhuǎn)變?yōu)镸開始線。VkC為CCT曲線的臨界冷卻速度，即獲得全部馬氏體組織時(shí)的最小冷卻速度.圖4.22共析碳鋼CCT曲線與C曲線比較（2）CCT與C曲線比較圖4.21共析碳鋼的CCT曲線AA’M+ARP型4.過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線它是通過測定不同冷速下過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變量獲得的。圖4.21共析鋼CCT曲線＃過共析鋼CCT曲線圖4.24亞共析鋼CCT曲線

過共析鋼CCT曲線也無貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū),但比共析鋼CCT曲線多一條A→Fe3C轉(zhuǎn)變開始線。由于Fe3C的析出,奧氏體中含碳量下降,因而Ms線右端升高.

亞共析鋼CCT曲線有貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，還多A→F開始線,F析出使A含碳量升高,因而Ms線右端下降.過共析鋼CCT曲線亞共析鋼CCT曲線4.過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

（CCT曲線）5.

過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線的應(yīng)用（1）C曲線的應(yīng)用爐冷空冷油冷水冷PST+M+A’M+A’用C曲線定性說明共析鋼連續(xù)冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變CCT曲線獲得困難;TTT曲線容易測得.可用TTT曲線定性說明連續(xù)冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變情況。方法是將連續(xù)冷卻曲線繪在C曲線上，依其與C曲線交點(diǎn)的位置來說明最終轉(zhuǎn)變產(chǎn)物.圖4.23在C曲線上估計(jì)連續(xù)冷卻時(shí)過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物示意圖P均勻A細(xì)AP退火(爐冷)正火(空冷)S淬火(油冷)T+M+A’M+A’(水冷)淬火A1MSMf時(shí)間650℃600℃550℃課堂練習(xí)：試分析下圖中不同熱處理?xiàng)l件下所獲得的組織。45鋼的CCT曲線及其應(yīng)用M+T40Cr鋼的CCT曲線及應(yīng)用→45鋼850℃油冷組織M+T40Cr鋼油淬組織為全部M。請思考：為什么其所獲得的組織不同？4.2.3淬火鋼在回火時(shí)的轉(zhuǎn)變

請思考：1.鋼經(jīng)淬火后為何必須立即回火？2.回火時(shí)，淬火鋼中組織與性能究竟發(fā)生了哪些變化？3.回火共分為哪三種，其相應(yīng)的組織與適用范圍如何？4.何謂回火脆性，第一、二類回火脆性的溫度范圍與適用條件分別是什麼？1.鋼經(jīng)淬火后為何必須立即回火？（1）M、AR均為亞穩(wěn)組織；（2）M中存在大量晶體缺陷；（3）殘余內(nèi)應(yīng)力。淬火鋼在回火時(shí)的變化如右圖4.25所示→2.回火時(shí)，淬火鋼中組織與性能究竟發(fā)生了哪些變化？（1）M分解；（2）AR的分解；（3）K類型的轉(zhuǎn)變；（4）K聚集長大、α相再結(jié)晶.表4.3淬火鋼回火時(shí)的轉(zhuǎn)變特征3.回火共分為哪三種，其相應(yīng)的組織與適用范圍如何？表4.7回火組織及其力學(xué)性能特點(diǎn)圖4.26回火M的顯微組織圖圖4.27回火托氏體的顯微組織圖4.28回火索氏體顯微組織圖4.26回火馬氏體的組織形態(tài)（a）淬火M，850X（b）回火M，850X圖4.26回火馬氏體的顯微組織返回圖4.27回火托氏體的顯微組織a）光學(xué)顯微組織（500X）b）電子顯微組織（7500X）圖4.27回火托氏體的顯微組織返回圖4.28回火索氏體的顯微組織a）光學(xué)顯微組織（500X）b）電子顯微組織（7500X）圖4.2845鋼的回火索氏體顯微組織4.何謂回火脆性，第一、二類回火脆性的溫度范圍與適用條件分別是什麼？圖4.29淬火鋼的硬度與回火溫度的關(guān)系圖4.30鋼的沖擊韌度隨回火溫度的變化4.2.4金屬材料的脫溶沉淀與時(shí)效（Precipitationprocessandagehardeningofmetallicmaterials）從過飽和固溶體中析出第二相（沉淀相）或形成溶質(zhì)原子的聚集區(qū)，以及亞穩(wěn)定的過渡相的過程稱為脫溶或沉淀，它是一種擴(kuò)散型相變。1.基本條件2.固溶處理與時(shí)效強(qiáng)化3.鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化及機(jī)理簡介1.基本條件（如圖4.31所示）（1）合金在相圖上是否有固溶度的變化；（2）而且其固溶度是否隨溫度降低而減少。二次析出反應(yīng)：αc0→αc1＋βⅡ請思考：該合金室溫下的相組分和組織組分各是什么？2.固溶處理與時(shí)效強(qiáng)化（1）固溶處理

將（α+β）雙相組織加熱到固溶線以上某一溫度（如T1）保溫足夠時(shí)間，會(huì)獲得均勻的單相固溶體α相，這種處理稱為固溶處理。（2）時(shí)效強(qiáng)化若將經(jīng)固溶處理后的C0合金急冷，抑制α相分解，則在室溫下獲得亞穩(wěn)的過飽和α固溶體。這種過飽和固溶體在室溫或較高溫度下等溫保持時(shí)，亦