涉及选材和热处理基本概念的若干问题Word文档格式.docx
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实际金相组织转变温度与理论转变温度之差叫过冷度。
热处理（特别是淬火处理）所获得的（金相）组织大多是在“过冷”条件下生成的，这种组织往往不太稳定，内应力大，常温下易有分解、软化的趋势，这也是实际热处理操作中淬火后必需（增加）回火处理的原因。
2．铁碳合金状态图中几个重要数据
铁Fe的熔点15380C（A点,纯铁、含碳量为0）；
渗碳体Fe3C熔点16000C（D点，含碳量6.67%）;
含碳量4.3%的液态铁Fe的共晶点（C点），11480C；
液态铁合金固相线（开始结晶线），ABCD线,,液体合金冷却到此线开始结晶，开始结晶温度随含碳量变化而不同;
共晶线,ECF，液态铁碳合金在此线上共晶生成莱氏体；
11480C；
A为纯铁熔点15380C;
N为γ铁δ铁同素异构转变点.渗碳体熔点16000CD○
H为碳在δ铁中的最大溶解度0.1%;
B为包晶反应时液态合金浓度含碳0.51；
A15380CB
1500 H○○○ABCD为液相线，此线以上为液态区，冷却到此线开始结晶
J包晶点，含碳0.16L
1400N○1394L+A液相L+Fe3CⅠ
液相+奥氏体液相+一次渗碳体
1300AHJE为钢的固相线,冷却到此线时全部结晶为奥氏体
1200A奥氏体C液相共晶出莱氏体+一次渗碳体
E为碳在γ铁中最大溶解E●L→Le+A●L→Le+Fe3CⅠ F
11002.11液相共晶出莱氏4.3C为共晶点,ECF为共晶线11480C
G点为α铁γ铁同素异构转变点体+奥氏体
1000C点共晶出
GS线也叫A3线，奥氏体冷却到该线时析出铁素体F.莱氏体Le
912G○ES线也叫Acm线,奥氏体冷却到A+Fe3CⅡ+Le
A+F该线时析出渗碳体体A+Fe3CⅡ奥氏体+二次渗碳体Fe3CⅠ+Le
奥氏体+铁素体奥氏体+二次渗碳体+莱氏体一次渗碳体+莱氏体
F SPSK为共析线
723P●A→P+F●A→P+Fe3CⅡA→P+Fe3CⅡ+Le→Le’●Fe3CⅠ+Le→Le’K
奥氏体共析出珠光体P奥氏体共析出珠光体奥氏体共析出Le’莱氏体转为低温莱
Q○+铁素体共析点+二次槮碳体珠光体+莱氏体莱氏体Le氏体+二次渗碳体
S转为低温莱氏体转为低温
P为α碳在铁中最大溶解读共析出+二次渗碳体工莱氏体Le’
Q为6000C时碳在铁中的溶解度0.006%珠光体
P
F铁素体,
即碳溶于
α铁中形
成的固溶体F+PPP+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ+Le’Le’Le’+Fe3CⅠ
室温为铁素体室温为珠光体室温为珠光体室温为珠光体室温为低室温为低温莱氏
+珠光体+二次渗碳体+二次渗碳体温莱氏体体+一次渗碳体
+低温莱氏体
F+Fe3CⅢ
铁素体+三次渗碳体
室温下
C%00.020.20.40.60.771.02.113.04.35.06.06.67
Fe3C%051015203040508090100
钢和铁含碳量分界点（碳在奥氏体中的最大溶解度），点E,含碳量为2.11%，11480C；
钢的固相线（液态铁Fe开始结晶为奥氏体—高温固相），AHJE，开始结晶温度随含碳量变化而不同；
亚共析钢铁素体开始从奥氏体析出线（又叫A3线），GS,奥氏体冷却到此线时开始析出铁素体，其温度随含碳量变化而变化;
;
过共析钢渗碳体Fe3C开始从奥氏体析出线（又叫Acm线）,ES，奥氏体冷却到此线开始析出渗碳体，其温度随含碳量变化而不同;
奥氏体的共析线（又称A1线）,PSK，奥氏体冷却到此线时共析生成珠光体，7230C；
奥氏体共析点，点S，含碳量0.77%,7230C。
3.钢和生铁的根本区别
钢和生铁的根本区别就在于：
钢处于铁碳状态图左半部，受渗碳体Fe3C影响比较小，属珠光体型组织区域，综合性能较好；
而生铁处于铁碳状态图右半部，受渗碳体Fe3C影响比较大，属莱氏体型组织区域，硬度很高、脆性大。
含碳量不同，导致各自金相转变过程和转变结果不同。
钢有两个固相，即高温固相γ--铁（奥氏体）和低温固相α--铁（铁素体），高、低温两固相间以共析线（7230C）分开。
在液态铁冷却过程中，它除有由液相转变为（高温）固相的结晶过程外，还存在两个固相间的“共析”转变，即当冷却到“共析”相变温度（7230C）时，由（高温）奥氏体共析生成珠光体型组织（性能较好、便于使用）乃至马氏体，而且人们可通过热处理对其共析过程和结果加以控制，这也是钢能进行热处理的原因；
而生铁只有液相和固相α--铁（铁素体）之分，在液态铁冷却过程中，只有由液相转变为固相的结晶过程，共晶生成莱氏体（性硬而脆，不便直接投入使用），而且，其结晶过程难以通过像钢的热处理那样予以控制，人们只能通过对生铁中的碳采取石墨化处理措施，对其共晶结果加以干涉。
二．碳C在钢和生铁中为什麽特别重要？
1．碳C在钢和生铁中有何特殊作用？
必须强调的是，钢和生铁中碳C含量很少，但是它决定着钢和生铁的性能。
通常用途最广的优质碳素钢和合金结构钢（亚共析钢），C含量只为≤0.77%，例如，优质碳素钢45号钢（钢号前的数字为万分之几），其C含量为0.45%，合金结构钢40Cr，其C含量为0.4%（合金元素Cr含量约为1%）；
即使是碳素工具钢或合金工具钢，其C含量也须≤2.11%；
至于生铁，其C含量须≤6.77%。
然而，重要的是，钢和生铁中的碳C含量虽少，但碳C不是独立存在的，它或溶于α--铁，形成铁素体，或与铁Fe所形成的碳化物Fe3C，特别是碳C与铁Fe所形成的碳化物Fe3C--渗碳体，对钢和生铁的性能起着关键的作用。
为了说明碳C的重要作用，这里顺便谈一下石墨和金刚石，它们虽然都是由碳C构成的结晶体，但因其所形成晶体结构不同（呈同素异形体），从而两者（绝对）硬度相差近5000倍：
石墨是碳C形成的、呈六边形层状结构的结晶体，其莫氏硬度（相对硬度）为1—1.2，比重为2.2—2.3，相当软，熔点为30000C（真空下）；
而金刚石是碳C形成的、呈四面体网状结构（有的资料也称之面心立方晶格结构）的结晶体，其莫氏硬度（相对硬度）为10—11，熔点为35500C，比重为3.5—3.6，非常硬，可作精细研磨材料（当其加热到10000C时可变成石墨）。
足见碳C的存在形式对含碳C物质的性能影响有多大了。
2．钢、生铁、“熟铁”及渗碳体的性能差异及其含碳量界限是多少？
如前所述，钢和铁都是以铁Fe为基础的铁碳合金，但因其含碳量不同、铁—碳结合方式及金相组织不同，从而其性能差别很大：
含碳量≤0.006%俗称为“熟铁”—术语称之铁素体，系少量的碳溶于α—铁后的组织，很软，用途不多（如硅钢片）。
关于α—铁见后述；
0.006%≤含碳量≤2.11%为钢，其中，含碳量为0.77%的为共析钢，其室温组织为由奥氏体共析生成的珠光体（铁素体与渗碳体Fe3C机械混合物）；
含碳量＞0.006%而＜0.77%的为亚共析钢，其室温组织为铁素体+珠光体；
含碳量＞0.77%而＜2.11%的为过共析钢，其室温组织为珠光体+渗碳体（碳化物Fe3C）。
对于一般机械结构件来说，使用的最广的是0.2%＜含碳量＜0.77%的亚共析钢，故其室温组织为铁素体+珠光体。
2.11%＜含碳量＜6.77%为生铁，它只有以共晶温度线（11480C）分开的液相和固相之分（不存在“共析”而只有“共晶”），在加热或冷却至共晶温度时（11480C），液、固相间发生转换，其中，由液相冷却至固相的转换称为共晶。
生铁的室温组织为由液态铁共晶所生成的莱氏体+铁素体（或渗碳体），其硬度很高而塑性很低，只能通过石墨化（游离的碳）改变其硬度和塑性；
生铁一般只用于铸（铁）件。
含碳量≥6.67为渗碳体（Fe3C）,它是碳与铁形成的稳定化合物（俗称白口铁），很硬而脆，实用价值不大，但浮封环中的合金铸铁具有渗碳体的性质。
三．钢为什么能通过热处理改变其机械性能？
通过热处理获得所要求性能（或组织）的必要条件是什么？
1．钢之所以能通过热处理改变其性能，就是因为作为钢基础成分的铁Fe具有（随温度变化而）同素异构转变的性质：
室温下，钢中的铁为α--铁，呈体心立方晶格，其溶碳能力很小（室温下仅为0.006%），溶有碳的α--铁称为铁素体，强度和硬度很低，很少单独使用，而当其加热至相变温度（7230C）以上时，钢中的铁则由α--铁转变为γ--铁，呈面心立方晶格，溶碳能力较大（在7230C时溶解度为0.77%）,溶有碳的γ--铁称为奥氏体；
相反，钢加热至相变温度以上所呈现的溶碳能力较大的γ--铁（面心立方晶格，奥氏体），在随后的冷却过程中又转变为溶碳能力很小的α--铁（体心立方晶格，铁素体），因α--铁溶碳能力小，则相当一部分碳未溶于α--铁而析出，这部分碳与铁结合成为碳化物即渗碳体（Fe3C），这些-渗碳体附着在铁素体晶界处，（随着不同的冷却及保温过程）与铁素体形成机械混合物---珠光体型组织乃至马氏体，这些珠光体乃至马氏体具有人们所需要的机械性能（硬度、强度等），也正是人们所要求的金相组织；
同时，在钢的同素异构转变过程中，还可通过对加热温度和冷却速度的控制，控制所形成的γ--铁（奥氏体）和α--铁（铁素体）晶粒的大小，进而可进一步改善所获得的珠光体乃至马氏体性能。
这就是钢能通过热处理改变其机械性能的根本原因。
作为钢基础成分的铁在其同素异构转变中晶格的变化如下图所示。
原子（结点）原子（结点）
体心立方晶格面心立方晶格
（α--铁）（γ--铁）
（含碳称铁素体）（含碳称奥氏体）
2．钢通过热处理获得所要求机械性能的必要条件是：
a．钢中须含有稳定的化学成分。
优质碳素钢以上、具有稳定化学成分（C和其它合金元素）的钢才能用于热处理；
普通碳素结构钢（如Q275等），其主要要求屈服强度，化学成分不稳定，波动量大，故不能用于热处理；
b.钢中需含有足够的碳（0.2%以上），以使之具有足够的淬硬性。
所谓淬硬性，即淬火使钢热处理截面所能达到的强硬化程度。
具有足够的碳、形成足够的渗碳体，才能与铁素体生成足够的珠光体乃至马氏体，以使所处理截面具有所要求的硬度及其它机械性能，达到所要求的淬硬性。
c.钢中需含有适量的提高淬透性的合金元素。
所谓钢的淬透性，即钢在加热至相变温度以上后的冷却过程中所能达到的淬硬层深度。
某些合金元素，如Mn、Si、Cr和Mo等，能显著降低临界冷却速度，使C曲线右移（见后述），进而加大淬硬层深度，提高钢的淬透性。
碳和合金元素是影响钢机械性能的极重要成分,对于含碳量既很低（≤0.2%），、又无必要合金元素的钢,就谈不到热处理。
（当然,可通过渗碳、渗氮等热处理工艺来改变钢件表面的化学成分，实施表面淬火）.
四．钢经热处理最终获得的金相组织有哪些？
机械性能如何？
如何实施相应的热处理？
1.钢经热处理所获得的金相组织及其机械性能
a.珠光体型组织（包括珠光体、索氏体及屈氏体）。
它们是铁素体和渗碳体组成的机械混合物.铁素体片和渗碳体片交替排列呈层状.其性能介于渗碳体与铁素体之间,强度较好,σb=72kgf/mm2=750MPa,HB=180，塑性δ≈20%，其片层组织的粗细随冷却剂对奥氏体的冷却速度（或过冷度）的不同而不同,冷却速度越快（过冷度越大）,则其片层组织越细，强度也越高一些。
珠光体是由过冷奥氏体冷却至7230C–6500C、且适当保温，由过冷奥氏体共析反应所生成的；
索氏体是由过冷奥氏体冷却至500—650OC、适当保温，由过冷奥氏体共析生成，也称细珠光体；
屈氏体是由过冷奥氏体冷却至350---500OC、适当保温，由过冷奥氏体共析生成，也称极细珠光体。
应注意的是，通过淬火（加热后快速冷却）所获得的上述珠光体、索氏体及屈氏体，通常也称之为一次珠光体、一次索氏体及一次屈氏体，系奥氏体在过冷度较大情况下发生共析所生成的不稳定组织，因过冷度较大，内应力大，常温下易发生分解，不便直接使用。
当然，可通过淬火随后的回火得到性能更好的回火珠光体P、回火索氏体S及回火屈氏体T（见后述）。
b.淬火马氏体M。
它是过冷奥氏体在大于或等于临界冷却速度的条件下淬火冷却所得的不稳定组织，也称之一次淬火马氏体，是碳在α—Fe中的过饱和固溶体，其显微组织呈针叶状。
具有很高的硬度，且硬度随含碳量增加而提高（但当钢含碳量超过0.8%后硬度基本不再变），但冲击韧性很低,脆性大，故一般不便直接投入使用。
淬火温度越低，奥氏体晶粒越细，则得到的一次淬火马氏体针叶越细小--即无针状淬火马氏体组织，其韧性将有所提高。
（所谓“过冷”，是指实际冷却速度大于铁—碳状态图中的金相组织变化所需要的极其缓慢的冷却速度而言的，实际操作中，冷却速度远远大于形成碳状态图金相组织所要求的极其缓慢的冷却速度，故形成“过冷）。
c.回火索氏体S.又称二次索氏体，是淬火后重新加热至回火温度500—650OC所获得的、由铁素体和较细的粒状渗碳体所组成的组织。
与一次索氏体相比，在强度相同的情况下塑性和韧性都要高一些；
随回火温度提高，强度和硬度下降而冲击韧性提高。
其硬度约为HRC23—35，综合机械性能比较好，也是结构件（包括耐磨板材）常用的金相组织。
d.回火屈氏体T。
又称回火屈氏体或二次屈氏体，是淬火后重新加热至回火温度350—450OC（即中低温回火）所获得的、由铁素体和更细的粒状渗碳体所组成的组织，具有较高的硬度和强度，其硬度和强度虽比马氏体低，但因其组织很致密，仍具有较高的硬度和强度，并有比马氏体好的韧性和塑性。
其硬度在HRC35---45之间，是结构件（包括耐磨板材）常用的金相组织。
e.回火马氏体。
它是把经淬火所获得的一次马氏体重新加热至回火温度150—250OC（即低温回火）所获得的组织。
比淬火马氏体硬度低HRC（1—3）而脆性得到很大改善，内应力也有所降低，系传动机件和耐磨机件常用的金相组织。
f.低碳马氏体.低碳马氏体本来是低碳钢（含碳量≤0.2%）、尤其是低碳合金钢淬火后所得到的马氏体组织，但当钢含碳量为0.2—0.4%时，钢在常温下的组织仍以这种低碳马氏体组织为主（约占80%以上）.这种低碳马氏体组织呈板条状，故也称之为板条状马氏体。
其特点是，它除有相当高的强度外,尚有良好的塑性和韧性,同时，其脆性转变温度较低,缺口敏感性也较低，综合机械性能（强韧化性能）良好,是钢进行强韧化的一个途径。
这种低碳马氏体常用于（芯部）强韧度要求较高的机件，例如，作为矿用高强度圆环链材质的23CrNiMnMo，经淬火和回火后所得到的即为低碳马氏体；
作为齿轮材质的18Cr2Ni4w，其芯部经淬火和回火后所得到的也是具有较高强韧性的低碳马氏体组织。
2．获得上述金相组织的热处理途径
a.通过正火（空冷）与退火（炉冷）都能得到上述组织中的（一次）珠光体型组织（珠光体、索氏体和屈氏体）,并因正火与退火冷却速度较低、过冷度较小，这些（一次）珠光体型组织（珠光体、索氏体和屈氏体）可作为最终金相组织投入使用。
正火得到的是一次屈氏体，退火得到的是一次索氏体；
屈氏体比索氏体组织细密,故其机械性能也较好,但其片状渗碳体在材料受荷时会引起应力集中。
b.通过淬火可获得上述各种组织，但淬火后需进行相应的回火，以获得性能改善了的相应回火组织。
所以，“淬火”在热处理中的作用显得特别突出。
五．优质碳素结构钢“优”在何处？
怎样评价钢的好坏？
1.钢的分类。
总体来讲，钢分为3大类：
一类为只保力学性能的钢，如普通碳素钢Q×
×
，化学成分不稳定，不宜热处理；
二类为保化学成分的钢，如用于渗碳处理的合金结构钢20Cr等，力学性能一般，但化学成分稳定，适于相应的热处理满足预定要求；
三类为既保化学成分又保力学性能的钢，力学性能好，且化学成分稳定，可通过不同的热处理满足不同的设计要求，如各种优质碳素结构钢和合金结构钢等。
对我们来说，第三类钢用的最多。
实际上，机械设计手册是按含碳量、合金含量及特殊性能等，把钢细分为普通碳素钢、优质碳素结构钢、低合金结构钢（合金元素总含量≤3%）、合金结构钢（合金元素总含量≥4%）以及工具钢、模具钢、奥氏体（不锈）钢等等多种钢材，设计选材中应特别注意各自的用途。
2.优质碳素结构钢与普通碳素钢的比较
显然，普通碳素钢（Q×
）属于只保力学性能的钢，化学成分不稳定，不宜（也不能）热处理。
与普通碳素钢相比，优质碳素结构钢“优就优在”：
优质碳素结构钢属于既保化学成分又保力学性能的钢，它除了要保证所规定的力学性能外，对含碳量波动范围、机械性能范围以及对磷、硫及其它残余元素含量限制都比较严：
含碳量波动范围限制在0.08%以下（我国钢材标准，而德国为0.06%以下），特别对磷、硫和其它残余元素含量限制在≤0.035%（我国钢材标准，而德国为0.03%以下）。
之所以必须限制磷、硫及其它残余元素含量，就是因为磷和硫是钢中的有害元素，它们是在冶炼过程中由冶炼焦炭进入钢水的。
其中，磷虽然可溶于铁素体、使钢强度和硬度有所增加，进而使钢硬化，但同时使钢可塑性降低，特别是会导致钢低温下产生冷脆性；
而硫在钢中形成硫化铁FeS,使钢变脆，产生热脆性，在压力加工过程中极易脆裂。
所以必须限制磷和硫在钢中的含量。
3.评价钢的好坏的基本原则
衡量钢的好坏的基本条件是
a.对磷、硫和其它残余元素含量的限制（避免钢的冷脆性和热脆性）
b.对含碳量及机械性能波动范围的限制（便于热处理、保证性能稳定性）
c.晶粒度粗细：
晶粒越细越好，通常晶粒度分为8级，1—4为粗晶粒，5—8为细晶粒（含有形成有益碳化物、抑制加热过程中奥氏体晶粒长大的合金元素，特别是Mo）.
d.有益合金元素的含量（提高钢材淬透性、细化晶粒、置换固溶强化）；
低合金结构钢合金元素总含量≤3%，合金结构钢合金元素总含量≥4%。
有些国家钢材之所以好（例如德国钢材），就在于对上述限制规定得更严一些。
六．何谓调质钢？
如何正确使用？
（NM360作为中部槽中板，42CrNi作为链轮材质）
“调质钢”这个词在一般机械设计手册中并不出现（只在专门材料手册中才有），这里只是为了便于选材，根据本人设计选材过程中的体会和经验，而从上述钢种中把适于调质处理的部分提炼出来，称之为“调质钢”，供设计人员参照。
机械零件选材中经常会遇到如何有效利用和发挥所选钢材性能的问题，而在适当的条件下对所选钢材进行调质，往往是有效利用材质性能的最佳途径。
所谓调质，即淬火+高温回火（回火温度500—6500C）；
所谓调质钢，顾名思义，这些钢更适于（整体）调质处理，以使另件全断面获得良好综合机械性能；
其含碳量在0.25%---0.45%之间，并最好能配以适量的合金元素，以提高其淬透性和淬硬性。
调质钢是煤矿机械另部件广泛选用的钢种。
根据用途不同，调质钢又有低碳调质钢和中碳调质钢之分。
1.低碳调质钢，含碳量为0.20%---0.3%，合金元素总含量2%--4%，基本属于（低碳）合金结构钢范畴。
它有板材和圆钢两种供货型式，且以板材为主。
以板材供货时，通常为热轧态交货，但也可根据批量需要以调质态交货，这种板材适于用作对耐磨性、强度及可焊性均有较高要求的焊接钢板，例如，用作中部槽中板的板材NM360，它实际就是调质态的（低碳）合
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