完整word版金属固态相变原理.docx

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完整word版金属固态相变原理

第2篇热处理原理及工艺

第7章钢的热处理

教学目标：

搞清奥氏体、珠光体、贝氏体、马氏体等基本概念；

掌握共析分解、马氏体相变、贝氏体相变基本知识;

掌握相变产物的形貌和物理本质。

第8章金属固态相变原理

§8钢的热处理

一、热处理的作用

机床、汽车、摩托车、火车、矿山、石油、化工、航空、航天等各行各业用的大量零部件需要通过热处理工艺改善其性能。

拒初步统计，在机床制造中，约60%70%的零件要经过热处理;在汽车、拖拉机制造中,需要热处理的零件多达70％80%，而工模具及滚动轴承，则要100％进行热处理。

总之，凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能投入使用。

热处理的定义：

将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需组织和性能的工艺过程.

热处理三大要素：

加热、保温和冷却

通过以上三个环节,材料的内部组织发生了变化，因而性能也发生变化。

例如:

碳素工具钢T8在市场购回的是球化退火的材料其硬度仅为20HRC，作为工具需经淬火并低温回火使硬度提高到60～63HRC,这是因为内部组织由淬火之前的粒状珠光体转变为淬火+低温回火的回火马氏体。

同一种材料，热处理工艺不一样其性能差别很大，导致性能差别如此大的原因是不同的热处理后内部组织截然不同.

表8—145号钢经不同热处理后的性能（试样直径15mm）

热处理工艺的选择要根据材料的成分来确定.材料内部组织的变化依赖于材料热处理和其他热加工工艺，材料性能的变化又取决于材料的内部组织变化。

所以，材料成分－加工工艺－组织结构－材料性能这四者相互依成的关系贯穿在材料制备的全过程之中。

我们的任务就是要了解和掌握其中的规律性。

二、热处理的基本要素

如上所述，热处理工艺中有三大基本要素：

加热、保温、冷却。

这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。

1、加热

按加热温度的高低,加热分为两种：

一种是在临界点A1以下加热,此时一般不发生相变;另一种是在A1以上加热,目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。

2、保温

保温是热处理的中间工序,其目的是既要保证工件“烧透”,又要防止工件脱碳、氧化等。

保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。

一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。

3、冷却

冷却是热处理的最终工序，也是热处理过程中最重要的工序。

钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织形态。

图8—1热处理工艺曲线示意图

三、热处理的分类

1、根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同，热处理可分为下列几类：

普通热处理:

退火、正火、淬火和回火。

即所谓热处理的“四把火”。

表面热处理：

感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、激光表面淬火和涂覆、渗碳、氮化和碳氮共渗等。

其它热处理：

可控气氛热处理、真空热处理和形变热处理等。

2、按照热处理在零件生产过程中的工序和作用不同，热处理工艺还可分为：

预备热处理：

零件加工过程中的一道中间工序（也称为中间热处理），其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力,为后续的机加工或进一步的热处理作组织上的准备。

最终热处理：

零件加工的最终工序。

其目的是使经过成型工艺达到形状和尺寸要求的零件，通过热处理使零件具备最终的使用性能.

是预备还是最终热处理在材料的生产过程中是相对的。

四、钢的临界转变温度

根据铁碳相图，共析钢缓慢加热到超过A1温度时，全部转变为奥氏体;亚共析钢和过共析钢必须加热到A3和Acm以上才能获得单相奥氏体。

在实际热处理加热条件下，加热速度不可能是缓慢的，因此，相变是在不平衡条件下进行的;其次，再考虑到过冷或过热现象的存在，相变点与相图中的相变温度有一些差异。

具体如下：

加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温，这种现象称为滞后（热滞或冷滞）。

在热处理工艺实施过程中,加热或冷却速度越快，则滞后现象越严重。

通常把加热时的实际临界温度标以右下标字母“c”表示，如Ac1、Ac3、Accm；

而把冷却时的实际临界温度标以右下标字母“r"表示，如Ar1、Ar3、Arcm等。

图8-2加热和冷却速度对钢的临界温度的影响

临界温度：

平衡时：

A1、A3、Acm

加热时：

Ac1、Ac3、Accm

冷却时：

Ar1、Ar3、Arcm

§8.1钢在加热时的转变

一般而言，钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体（奥氏体化、A化），然后以不同速度冷却，使奥氏体转变为不同的组织，使钢具有不同性能。

加热时形成的奥氏体的质量（成分均匀性及晶粒大小等），对冷却转变后的组织、性能有极大的影响（组织遗传）。

因此，掌握热处理规律，首先要研究钢在加热时的变化—即奥氏体化过程。

§8。

1。

1奥氏体的形成过程

一、共析钢奥氏体的形成

共析碳钢加热前为珠光体组织，一般为铁素体与渗碳体交替排列的层片状组织，加热过程中珠光体转变为奥氏体过程可分为四步进行：

奥氏体形核、晶核的长大、未溶碳化物（Fe3C）溶解、奥氏体成分均匀化。

①奥氏体晶核的形成

由Fe—Fe3C相图知,在P转变为A过程中,原F的bcc晶格改组为A的fcc晶格，原渗碳体的复杂斜方晶格转变为fcc晶格.

所以,奥氏体的形成过程就是晶格的改组和Fe、C原子的扩散过程。

常将这一过程和奥氏体冷却过程的转变称为“相变重结晶".

基于能量与成分条件,奥氏体晶核在珠光体中的铁素体与渗碳体两相交界处产生，两相交界面越多，奥氏体晶核越多。

②奥氏体晶核的长大

奥氏体晶核形成后，它的一侧与渗碳体相接,另一侧与铁素体相接。

随着铁素体的转变（铁素体区域的缩小）,以及渗碳体的溶解（渗碳体区域缩小），奥氏体不断向其两侧的原铁素体区域及渗碳体区域扩展长大，直至铁素体和渗碳体完全消失,奥氏体彼此相遇，形成一个个的奥氏体晶粒。

奥氏体形成时碳浓度分布情况--

图8—3奥氏体形成时碳浓度分布示意图

③剩余渗碳体的溶解

由于铁素体转变为奥氏体速度远高于渗碳体的溶解速度，在铁素体完全转变之后尚有不少未溶解的“剩余渗碳体”存在，还需一定时间保温，让渗碳体全部溶解并转变为奥氏体.

④奥氏体成分的均匀化

即使渗碳体全部溶解，奥氏体内的成分仍不均匀，在原铁素体区域形成的奥氏体含碳量偏低,在原渗碳体区域形成的奥氏体含碳量偏高,还需保温足够时间，让碳原子充分扩散，奥氏体成分才可能趋于均匀。

下图表示共析钢奥氏体形成的四个基本阶段：

奥氏体晶核的形成;奥氏体晶核的长大;剩余渗碳体的溶解；奥氏体成分的均匀化。

图8—4奥氏体形成的四个基本阶段

上述分析表明,珠光体转变为奥氏体并使奥氏体成分均匀必须有两个充要条件：

一是温度条件，要在Ac1以上加热；二是时间条件，要求在Ac1以上温度保持足够时间.

在一定加热速度条件下,超过Ac1的温度越高，奥氏体的形成与成分均匀化需要的时间愈短;在一定的温度（高于Ac1）条件下，保温时间越长,奥氏体成分越均匀。

二、非共析钢奥氏体的形成

亚共析钢与过共析钢加热转变为A过程与共析钢转变过程是一样的，即在Ac1温度以上加热无论亚共析钢或是过共析钢中的P均要转变为A。

不同的是亚共析钢的先析出F的转变与过共析钢的Fe3CⅡ的溶解。

先析出F的完全转变要在Ac3以上，Fe3CⅡ的完全溶解要在温度Accm以上。

即亚共析钢加热后组织全为奥氏体需在Ac3以上、过共析钢要在Accm以上,即表象点必须处在A的单相区。

图8—5非共析钢奥氏体的形成

§8.1.1奥氏体的形成过程

如果亚共析钢仅在Ac1~Ac3温度之间加热，无论加热时间多长，组织中仍为铁素体与奥氏体共存;

对过共析钢在Ac1～Accm温度之间加热，组织中应为二次渗碳体与奥氏体共存;

在这种情况下，经加热保温在随后冷却过程中,组织转变也仅是奥氏体向其它组织的转变，其中的铁素体或二次渗碳体在冷却过程中不会发生转变.

总结奥氏体化过程:

即Fe、C原子扩散和晶格改组的过程--—

共析钢：

加热到Ac1以上时，P→A.

共析钢A化过程：

形核、长大、Fe3C完全溶解、C的均匀。

亚（过）析钢的A化:

P→A后，先共析F或Fe3CⅡ溶解。

图8—6共析钢的奥氏体形成过程示意图

§8。

1。

2影响奥氏体转变速度的因素

奥氏体的形成是通过形核与长大过程进行的，整个过程受原子扩散所控制，因此，凡是影响扩散、形核与长大的一切因素，都会影响奥氏体的转变速度。

一、加热温度和保温时间

加热温度越高，原子扩散速度越大，奥氏体化越快;保温时间越长，奥氏体化所需加热温度相对可以降低。

详见下图——

图8—7共析钢的奥氏体化曲线（原始状态：

875℃退火）

二、加热速度

图8—8加热速度对奥氏体转变的影响（示意图）

热速度V越大,则孕育期越短,A化开始和终了温度越高，所需时间越短；加热速度V越小,则孕育期越长，A化开始和终了温度越低，所需时间越长。

三、原始组织

原始组织中Fe3C为片状时,Fe3C片间距越小，相界面积越大，奥氏体形核速度越大此时奥氏体中的C浓度梯度也越大，扩散距离短,奥氏体长大速度越快。

四、钢的碳含量

C%↑→界面多→核心多→转变快.

五、合金元素

Co、Ni、Cu:

增加C扩散速度，加快A化过程；

Cr、Mo、V、Ti等：

与C亲和力大，形成难溶化合物，显著降低C扩散速度，减慢奥氏体化过程；

Si、Al、Mn等：

不影响奥氏体化过程。

由于合金元素的扩散速度比碳慢得多,所以一般合金钢的热处理加热温度一般较高，保温时间更长。

§8。

1。

3奥氏体的晶粒度及其影响因素

晶粒度：

表征晶体内晶粒大小的量度，通常用长度，面积，体积或晶粒度级别表示。

一般根据标准晶粒度等级图确定钢的奥氏体晶粒大小。

标准晶粒度等级分为8级：

1－4级为粗晶粒度，5－8级为细晶粒度，超过8级的为超细晶粒小于1级的为超粗晶粒。

图8—10标准晶粒等级（放大100倍）

奥氏体晶粒度N与晶粒数量n的关系：

式中:

n－放大100倍时，每平方英寸（6.45cm2）视场中观察到的平均晶粒数.

每mm2面积平均晶粒数：

一、奥氏体的晶粒度

钢在加热后形成的奥氏体组织，特别是奥氏体晶粒大小对冷却转变后钢的组织和性能有重要影响。

一般来说，奥氏体晶粒越细，钢热处理后的强度越高,塑性越好，冲击韧性越高.

衡量A晶粒大小有三种晶粒度：

起始晶粒度；本质晶粒度；实际晶粒度.

⑴起始晶粒度

起始晶粒度定义:

钢在临界温度以上A形成刚结束,其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。

起始晶粒度与形核率N和长大速度G有关。

增大N,降低G，可细化A起始晶粒；反之,粗化起始晶粒.

例如：

增大加热速度，则A转变温度升高，形核率增加，A起始晶粒细化。

⑵本质晶粒度

本质晶粒度定义：

表征钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向.一般采用标准试验方法（YB27-64）测定：

即钢加热到930℃±10℃、保温8小时、冷却后测得的晶粒度叫本质晶粒度.

如果测得的晶粒细小，则该钢称为本质细晶粒钢.这种钢的奥氏体晶粒随温度升高到某一温度时，才迅速长大。

如果测得的晶粒粗大，则该钢称为本质粗晶粒钢.这种钢的奥氏体晶粒随温度的升高而且迅速长大。

⑶实际晶粒度

实际晶粒度定义：

某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度叫实际晶粒度，它决定钢冷却后的组织和性能。

实际晶粒度尺寸一般大于起始晶粒尺寸，取决于加热温度和保温时间。

二、影响奥氏体晶粒度的因素

奥氏体晶粒长大，实质为晶界迁移，而晶界迁移的实质就是原子在晶界附件的扩散过程，故凡影响晶界原子迁移的因素均影响奥氏体晶粒的长大。

1加热温度和保温时