第一章 钢的热处理原理

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（一）奥氏体的形核 奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界 面上形成。 面上形成。 原因： 原因 ： 在铁素体和渗碳体的相界处原子排列不规 则 ， 处于高能不稳状态 ， 具备形核所需要的结构 处于高能不稳状态， 起伏和能量起伏条件。 起伏和能量起伏条件 。 同时铁素体和渗碳体相界 面处碳浓度分布不均匀， 面处碳浓度分布不均匀 ， 容易出现奥氏体形核所 需要的浓度起伏。 需要的浓度起伏。
Fe-Fe3C相图 相图
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通常把加热时的 实际临界温度标以 字母“ ， 字母“ c”，如Ac1、 Ac3、Accm；而把冷 却时的实际临界温 度 标 以 字 母 “ r” ， 如 Ar1 、 Ar3 、 Arcm 。
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三、固态相变的特点
固态相变是由固相转变为固相。固态相变的驱动 固态相变是由固相转变为固相。固态相变的驱动 旧两相之间的自由能差。与液态结晶相比， 力是新、旧两相之间的自由能差。与液态结晶相比， 固态相变有着显著不同的特点。 固态相变有着显著不同的特点。 （一）相变阻力大 界面能和体积应变能是固态相变过程的阻力 是固态相变过程的阻力， 界面能和体积应变能是固态相变过程的阻力，而 液态金属结晶时的阻力只有界面能一项。此外， 液态金属结晶时的阻力只有界面能一项。此外，固 态相变时原子的扩散更为困难。 态相变时原子的扩散更为困难。
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（二）新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向 关系 固态相变时，为了减小新、旧两相之间的界面能， 固态相变时，为了减小新、旧两相之间的界面能， 新相与母相晶体之间往往存在一定的晶体学位向关 常以低指数、 系，常以低指数、原子密度大且匹配较好的晶面和 晶向相互平行。并且， 晶向相互平行。并且，新相往往在母相某一特定晶 面上形成，母相的这个晶面称为惯习面 惯习面， 面上形成，母相的这个晶面称为惯习面，这种现象 惯习现象。 叫做惯习现象 叫做惯习现象。
一、共析钢奥氏体的形成过程
α + Fe3C wc=6.69% 正交晶格 → γ （T ＞ Ac1） wc=0.0218% 体心立方 wc=0.77% 面心立方
奥氏体的形成过程就是铁晶格的改组和铁、 奥氏体的形成过程就是铁晶格的改组和铁、碳原子的扩散 过程。 过程。
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共析钢中奥氏体的形成由四个基本过程组成： 共析钢中奥氏体的形成由四个基本过程组成 ： 奥氏体形核、奥氏体长大、剩余渗碳体溶解和 奥氏体形核、奥氏体长大、剩余渗碳体溶解和奥氏 体成分均匀化。 体成分均匀化。
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三、奥氏体晶粒大小及其影响因素
奥氏体的晶粒大小对钢的冷却转变以及转变产物的组 织和性能都有重要的影响， 同时也影响工艺性能。 织和性能都有重要的影响 ， 同时也影响工艺性能 。 在热 处理过程中应当十分注意防止奥氏体晶粒粗化。 处理过程中应当十分注意防止奥氏体晶粒粗化。 （一）奥氏体晶粒度 晶粒度是晶粒大小的度量。 晶粒度是晶粒大小的度量 。 实际生产中通常使用晶粒 度级别数G来表示金属材料的平均晶粒度。 度级别数 来表示金属材料的平均晶粒度。 来表示金属材料的平均晶粒度 N = 2G-1 式中， 倍下每平方英寸（ 式中，N — 100倍下每平方英寸（645.16mm2）面积内 倍下每平方英寸 观察到的晶粒个数。 观察到的晶粒个数。 G＜5级为粗晶粒，G≥5级为细晶粒。 ＜ 级为粗晶粒 级为粗晶粒， 级为细晶粒。 级为细晶粒
亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相 但是只有当加热温度超过Ac 同 ， 但是只有当加热温度超过 3或 Accm并保温足够时 间后，才能获得均匀的单相奥氏体。 间后，才能获得均匀的单相奥氏体。
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二、影响奥氏体形成速度的因素
（一）加热温度和保温时间 加热温度必须高于Ac 珠光体才能向奥氏体转变。 加热温度必须高于 1点，珠光体才能向奥氏体转变。 转变需要一段孕育期以后才能开始， 而且温度越高， 转变需要一段孕育期以后才能开始 ， 而且温度越高 ， 孕育期越短。 孕育期越短。 加热温度越高， 奥氏体的形成速度越快， 加热温度越高 ， 奥氏体的形成速度越快 ， 转变所需 要的时间越短。 要的时间越短。 在连续升温加热时， 加热速度越快， 在连续升温加热时 ， 加热速度越快 ， 则珠光体的过 热度越大，转变的开始温度Ac 越高，终了温度也越高。 热度越大，转变的开始温度 1越高，终了温度也越高。 但转变的孕育期越短，转变所需的时间也越短。 但转变的孕育期越短，转变所需的时间也越短。
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早在公元前770～ 前 222年 ， 中国人在生产实践 ～ 早在公元前 年 中就已发现， 中就已发现，铜、铁的性能会因温度和加压变形的 影响而变化。 影响而变化。 公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用， 公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高 钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。 钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。1974年中国 年中国 河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟， 河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微 组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。 组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。
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随着淬火技术的发展， 人们逐渐发现淬冷剂对 随着淬火技术的发展 ， 淬火质量的影响。 淬火质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为 诸葛亮制剑三千把， 诸葛亮制剑三千把，相传是派人到成都取水淬火的 （“汉中的水钝弱，不任淬；蜀水爽烈”）。这说 汉中的水钝弱，不任淬；蜀水爽烈” 明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了。 明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了。 西汉（公元前206～公元 年）中山靖王（刘胜） 西汉（公元前 ～公元24年 中山靖王（刘胜） 墓中的佩剑， 其剑体含碳量为0.15～ 0.4％ ， 而剑 墓中的佩剑 ， 其剑体含碳量为 ～ ％ 刃含碳量却达0.6％以上，说明已应用了渗碳工艺。 刃含碳量却达 ％ 以上 ， 说明已应用了渗碳工艺 。
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合金元素对奥氏体形成速度的影响
（1）合金元素影响碳在奥氏体中的扩散速度。 ）合金元素影响碳在奥氏体中的扩散速度。 （ 2） 合金元素改变了钢的临界点和碳在奥氏体中的 ） 溶解度， 溶解度，从而改变了钢的过热度和碳在奥氏体中的扩 散速度。 散速度。 （ 3） 合金元素在铁素体和碳化物中的分布是不均匀 ） 在合金钢中除了碳的均匀化之外， 的，在合金钢中除了碳的均匀化之外，还有合金元素 的均匀化过程。 的均匀化过程。 与碳钢相比，合金钢的加热温度要高， 与碳钢相比，合金钢的加热温度要高，保温时间要 长。
第一章 钢的热处理原理
第一节 概 一、热处理的作用
述
热处理（heat treatment） 热处理（ ） 是将钢在固态下加热到预定的 是将钢在固态下加热到预定的 固态下 温度，并在该温度下保持一段 温度， 时间， 时间，然后以一定的速度冷却 到室温的一种热加工工艺。 到室温的一种热加工工艺。 热处理的目的是改变钢的内 热处理的目的是改变钢的内 部组织结构，以改善其性能。 部组织结构，以改善其性能。
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二、热处理与相图
原则上只有在加热或冷却时发生溶解度显著变化或者 发生类似纯铁的同素异构转变， 发生类似纯铁的同素异构转变 ， 即有固态相变发生的合 金才能进行热处理。纯金属、 金才能进行热处理 。 纯金属 、 某些单相合金等不能用热 处理强化。 处理强化。
合金相图
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PSK线：A1 线 线 GS线：A3 线 线 ES线：Acm 线 线
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1863年 ， 英国金相学家和地质学家展示了钢 年 铁在显微镜下的六种不同的金相组织， 铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢 在加热和冷却时内部会发生组织改变， 在加热和冷却时内部会发生组织改变，钢中高温 时的相在急冷时转变为另一种较硬的相。法国人 时的相在急冷时转变为另一种较硬的相。 奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论， 奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人 奥斯汀最早制定的铁碳相图， 奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺 初步奠定了理论基础。 初步奠定了理论基础。
固态相变一方面力求使自由能尽可能降低，另一方 固态相变一方面力求使自由能尽可能降低， 面又力求沿着阻力最小、做功最少的途径而进行。 面又力求沿着阻力最小、做功最少的途径而进行。
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四、固态相变的类型
扩散型相变 在相变过程，发生成份变化， 在相变过程 ， 发生成份变化 ， 两相中的原子要进 行长程扩散，相变依靠相界面的扩散移动而进行。 行长程扩散，相变依靠相界面的扩散移动而进行。 非扩散型相变（切变型相变） 非扩散型相变（切变型相变） 在相变过程，没有成份变化，没有原子扩散， 在相变过程 ， 没有成份变化 ， 没有原子扩散 ， 新 相的成长是通过晶格的切变和转动进行的， 相的成长是通过晶格的切变和转动进行的 ， 新相的 长大速度极快。 长大速度极快。 半扩散型相变 介于扩散型和非扩散型之间的相变。 介于扩散型和非扩散型之间的相变。
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第二节 钢在加热时的转变
任何热处理均以加热为其第一步。 任何热处理均以加热为其第一步 。 通常把钢加热获得奥氏 体的转变过程称为“ 奥氏体化” 体的转变过程称为 “ 奥氏体化 ” 。 对于钢的大多数热处理工 艺 ， 奥氏体的形成及奥氏体晶粒的大小对随后冷却时奥氏体 的转变特点和转变产物的组织与性能都有显著影响。 的转变特点和转变产物的组织与性能都有显著影响。
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（二）奥氏体的长大
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奥氏体晶粒长大是通过渗碳体的溶解、 奥氏体晶粒长大是通过渗碳体的溶解 、 碳在 奥氏体和铁素体中的扩散， 奥氏体和铁素体中的扩散 ， 以及铁素体向奥氏 体转变而进行的。 体转变而进行的。 铁素体向奥氏体的转变速度比渗碳体溶解的 速度快得多， 因此， 速度快得多 ， 因此 ， 珠光体中的铁素体总是首 先消失。 先消失。
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（三）剩余渗碳体的溶解
铁素体消失后，仍有未溶解渗碳体存在。继续保温或继续 铁素体消失后， 仍有未溶解渗碳体存在。 加热时，未溶渗碳体不断向奥氏体中溶解，直至全部消失。 加热时，未溶渗碳体不断向奥氏体中溶解，直至全部消失。
（四）奥氏体成分均匀化