工程材料第六章钢的热处理

§6.2 钢在加热时的转变
（1）奥氏体的形核
A晶核优先在F/Fe3C相界处形成。 原因：
①能量起伏 相界处晶格畸变较大，能量较高，有利于获得A形核所 需的能量要求。
②结构起伏 相界处晶格畸变较大，原子排列不规则，有利于获得奥 氏体的fcc结构要求。
③成分起伏 相界处碳浓度相差较大，有利于获得A形核所需的碳浓 度要求。 （2）奥氏体的长大
珠光体向奥氏体转变的过程
共析钢奥氏体化的四个基本过程：
①奥氏体的形核 ②奥氏体的长大 ③残余Fe3C的溶解 ④奥氏体成分的均匀化
§6.2 钢在加热时的转变 珠光体向奥氏体转变的过程
亚共析钢和过共析钢: 奥氏体化过程与共析钢
基本相同。但由于先共析 或 二次Fe3C的存在，要获得全部 奥氏体组织，必须相应加热到 Ac3或Accm以上.
珠光体的性能与组织的粗细程度密切相关：片间距越小，片状珠光 体的硬度和强度越大、塑性和韧性越好；渗碳体颗粒越细小，分布越 弥散均匀，粒状珠光体的硬度和强度越大。
§6.3 钢在冷却时的转变
F
Fe3C
三维珠光体如同放在水中的包心菜
片状珠光体
粒（球）状珠光体
§6.3 钢在冷却时的转变
片状珠光体的片间距(s0)与其 形成温度或冷却速度有关：
形成温度越低，s0越小。 冷却速度越大，s0越小。
s0 片状珠光体的形态特征
根据片间距(s0)，片状珠光体可分为：
珠光体（P）：s0＝0.60～1.0m，形成温度为Ar1～650C; 索氏体（S）：s0＝0.25～0.3m，形成温度为650～600C; 托氏体（T）：s0＝0.10～0.15m，形成温度为600～550C
②热处理
将金属在固态下经加热、保温和冷却，以改变金属的内 部组织和结构，从而获得优良的性能。
可以这么认为： 合金化：改变原子种类 （引入固溶体或金属化合物）
热处理：改变原子排布方式 （通常得到非平衡组织，除退火外）
§6.1 热处理的基本概念
一、热处理的定义
热处理是指金属在固态下经加热、保温和冷却，以改变金属的内部 组织和结构，从而获得所需性能的一种工艺过程。
§6.3 钢在冷却时的转变
一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程
①珠光体（Pearlite）,符号：P
加热后的奥氏体以缓慢的冷却速度冷却至室温，或过冷奥氏体在较高 的温度下等温时，奥氏体将转变成珠光体。
典型的冷却方式：炉冷（退火） 珠光体相比马氏体和贝氏体，其强度和硬度较低。
②马氏体（Martensite），符号：M
（相界上的原子为两个相共有）
§6.3 钢在冷却时的转变
③在不断降温的过程中形成 马氏体转变在一个温度范围内完成，冷却中断，转变立即停止。 马氏体转变开始的温度称为Ms点，转变终了的温度称为Mf点。 Ms点和Mf点主要取决于奥氏体中的含碳量（C%）和合金元素的含量 （Me%）。
温度/ C
wc% 含碳量对Ms和Mf的影
保温
温 度
加热
临界温度
等温冷却 连续冷却
时间
①等温冷却
先将A快速冷至临界温度以下某一温度，然后A在该温度下完成组织 转变，最后再冷却至室温。
②连续冷却
A在逐渐降温至室温的过程中转变成其他组织。
过冷奥氏体：
奥氏体被过冷至临界温度以下即处于不稳定状态，即将发生分解 （即奥氏体转变为其他组织转变）。这种状态的奥氏体称过冷奥氏体。
感应加热
热处理工艺
表面热处理
感应加热表面淬火
表面淬火 火焰加热表面淬火 电接触加热表面淬火 渗碳
化学热处理 渗氮（氮化） 碳氮共渗
控制气氛热处理
火焰
渗碳
其他热处理 真空热处理
加热
形变热处理
§6.1 热处理的基本概念
2、按热处理在工件生产过程中的位置和作用不同分类
预备热处理：为随后的加工或热处理作准备
§6.3 钢在冷却时的转变 板条马氏体金相组织
§6.3 钢在冷却时的转变
原奥氏体晶界
M针
针状（片状）马氏体金相组织
§6.3 钢在冷却时的转变
M针 原奥氏体晶界
马氏体“针”或“片”的粗细主要取决于奥氏体的晶粒度。
隐晶马氏体：
当奥氏体的晶粒非常细小，以至于在光学显微镜下难以分辨出马氏体 的针状特征。这种马氏体称为隐晶马氏体。
§6.2 钢在加热时的转变
二、奥氏体晶粒的长大及其影响因素
奥氏体晶粒的大小关系到随后冷却的组织的粗细程度，对钢的性能有 着重大的影响。控制奥氏体晶粒度具有重要的意义。
影响因素:
①加热温度和保温时间 加热温度越高、保温时间越长，A晶粒越粗大。其中，温度的影响尤 为显著。 过热组织：因加热温度过高而导致的粗大晶粒组织。 ②加热速度 加热速度越快，A晶粒越细小。 短时快速加热工艺：生产上获得超细晶粒的重要手段之一。
响
重要结论：
C%增多，Ms点和Mf点降低。 除Al、Co外，Me%增多，Ms点 和Mf点降低。
§6.3 钢在冷却时的转变
④高速长大 马氏体形成速度极快，瞬间形核、瞬间长大，速度接近声速。
⑤马氏体转变的不完全性 即使温度降低至Mf以下，奥氏体也不能100%转变为马氏体。
残余奥氏体：
→M转变结束后，总有部分奥氏体未转变而残留下来，这部分奥氏体 称为残余奥氏体，记作A、或 R 。
重要结论：
马氏体含碳量越高，其正方度越大，晶格畸变越严重，故硬度越高。 钢中获得马氏体组织是强化钢铁材料的重要手段之体的组织形态
①板条状马氏体（简称板条马氏体） 板条马氏体呈条片状，由许多成群的平行马氏体板条束组成。 板条马氏体主要出现在低碳钢中。 板条马氏体的亚结构为高密度的位错。 板条马氏体又称低碳马氏体、位错马氏体。 ②针状马氏体（又称片状马氏体） 针状马氏体呈针片状或竹叶状，立体形态呈透镜状。 针状马氏体主要出现在高碳钢中。 针状马氏体的亚结构为孪晶。 针状马氏体又称高碳马氏体、孪晶马氏体。
热处理的特点：
热处理不改变工件的形状，仅改变钢的内部组织和结构，从而改变钢 的性能。
重要结论：
材料是否能够通过热处理而改善其性能，关键条件是材料在加热和冷 却过程中是否发生组织和结构的变化。
§6.1 热处理的基本概念
三、热处理的类型
1、按加热、冷却方式及钢的组织、性能不同分类
普通热处理
退火：炉冷 正火：空冷 淬火：油、水 回火
珠光体在临界温度以下的较高温度范围（Ar1～550C）形成。
1、珠光体的组织形态及性能
（1）珠光体的组织形态 ①片层状珠光体（简称片状珠光体） 片状珠光体是相间排列成层片形态的铁素体与渗碳体的机械混合物。
②粒状珠光体（又称球状珠光体） 粒状珠光体是颗粒状渗碳体分布在铁素体基体中的机械混合物。 （2）珠光体的性能
③影响马氏体形态的因素
§6.3 钢在冷却时的转变
100
体 75 积 ， 50 % 25
板条马氏体量
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
wc% 马氏体形态与含碳量的关系
当C%＜0.2%，马氏体转变后的组织中几乎全部是板条马氏体； 当C%＞1.0%，马氏体转变后的组织中几乎全部是针状马氏体； 当0.2%＜C%＜1.0%，马氏体转变后的组织中既有板条马氏体，也有针 状马氏体。
珠光体组织 金相显微镜
索氏体组织
托氏体组织
§6.3 钢在冷却时的转变
2、珠光体的转变过程
珠光体转变（即A→P转变）是一个形核和长大的过程，是碳原子重新 分布和晶格重构的过程。
以共析钢片状珠光体的形成为例：
片层状珠光体的转变过程
珠光体转变是典型的扩散型相变：
珠光体形成时，碳原子和铁原子均需进行长程扩散。
工程材料
Engineering Materials
第六章 钢的热处理
第六章 钢的热处理
钢铁材料是工程材料中最重要的材料之一， 在机械制造业中的比例达到90%左右，在汽车制 造业中的比例达到70%，在其他制造业中也是最 重要的材料之一。
改善钢铁材料性能的途径：
①合金化
通过在钢中加入合金元素，调整钢的化学成分，从而获 得优良的性能。
§6.3 钢在冷却时的转变
3、马氏体的性能
马氏体的性能主要取决于含碳量和组织形态。 ①含碳量的影响 C%高则硬度和强度高，但脆性大。 高碳针状马氏体“硬而脆”。
②组织形态的影响 针状马氏体塑性和韧性差，而板条马氏体韧性好，且具足够的强度。 低碳板条马氏体“强而韧”。
马氏体的硬度与淬火钢的硬度之间的关系：
§6.2 钢在加热时的转变
③碳化物形成元素 钢中有碳化物形成元素时，钢组织中存在的细小碳化物 可阻碍晶粒的长大，从而使A晶粒细化。 碳化物形成元素：Ti、V、Nb、W、Mo、Cr等。 含有上述元素的钢均是本质细晶粒钢。
④Mn、P等元素 促进A晶粒长大，易产生过热组织。
两种冷却方式：
§6.3 钢在冷却时的转变
过冷奥氏体以极快的冷却速度冷却至室温，奥氏体将转变成马氏体。 典型的冷却方式：水冷或油冷（淬火） 马氏体具有很高的强度和硬度。
③贝氏体（Bainite），符号：B
过冷奥氏体在中等温度范围内等温时，奥氏体将转变成贝氏体。 贝氏体的强度和硬度介于珠光体和马氏体之间。
§6.3 钢在冷却时的转变
（一）珠光体转变
Acm
Arcm
Ac1 A1 Ar1
重要结论：
钢的实际临界转变温度 总是滞后于理论临界转变 温度，即加热时需要过热， 冷却时需要过冷。
wc（%） Fe－Fe3C相图的共析转变部分
两种加热方式：
§6.2 钢在加热时的转变
加热 在临界温度Ac1以上的加热——发生相变 在临界温度Ac1以下的加热——不发生相变
A晶核形成后，将通过F→A转变和Fe3C溶入A的过程不断长大。 （3）残余Fe3C的溶解