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第七章钢的热处理原理钢的热处理是通过钢在固态下的加热、保温和冷却改变钢的内部组织，从而改变性能的一种工艺方法.钢经热处理后，内部组织的转变--相变，是热处理的基础。制定热处理工艺的根据，就是通过钢中固有的内在相变，确保获得相应于预期性的的组织。要掌握钢的热处理工艺，必须掌握钢的相变规律以及它和外界工艺条件间的相互关系．•第一节钢在加热时的组织相变•由铁碳相图可知PSK(A1)、GS(A3)、ES(Acm)是在极其缓慢加热或冷却时的组织转变温度。而在实际生产中，其组织转变温度随加热或冷却速度的变化而变化的。加热速度愈大，其临界温度升高愈多，反之，冷却速度愈大，则临界温度也降低愈多。所以，实际发生组织转变的温度和状态图所示的临界点A1、A3、Acm二之间是有一定偏离的。通常，把加热时的临界点标为Ac1、Ac3、Accm；冷却时的临界点标为Ar1、Ar3、Arcm。一、钢在加热时奥氏体的形成以共析钢为例,当加热温度在Ac1以上,珠光体转为奥氏体.由于铁素体、渗碳体与奥氏体不仅晶格类型不同,而且含碳量也相差较大。因此，这一转变过程必然伴随着晶格改变和碳原子的重新分布，而这两者之间又是依靠铁原子和碳原子的扩散过程来完成的。为此，奥氏体的为形成过程也遵循金属结晶的一般规律即生核及长大过程。具体转变过程通过以下三个步骤完成的：1.奥氏体晶核的形成和长大珠光体向奥氏体的转变，首先在铁素体和渗淡体相界面处形成奥氏体晶核。因为，相界面处约原子是按铁素体与渗碳沐两种晶格的过渡结构排列着，很不规则，原子偏离平衡位置处于畸变而具有较高能量状态。这就有利于铁原子的扩散和碳原子的扩散和聚集，为新相奥氏体形核提供了良好的条件，奥氏体晶核形成后，其长大在两个方向上进行。铁素体方向上奥氏体的长大依靠奥氏体-铁素体相界面的推移来完成。这种相界面的推移引起铁素体向奥氏体溶解，使铁素体相对量不断减少；在渗碳体方向上也发生相界面的推移和长大，引起渗碳体的溶解使渗碳体相对量不断减少。而新相奥氏体的相界面的推移是通过铁原子和碳原子的扩散来进行的。2.剩余渗碳体的溶解由于渗碳体的晶体结构和含量碳都与奥氏体差别很大，故渗碳体溶解入奥氏休，必然落后于铁素体向奥氏体的转变。在铁素体完全转变为奥氏体后，仍有部分渗碳体尚未溶解。这部分渗碳体还需要经过一段时间才能溶解完毕。3.奥氏体成分的均匀化•在刚形成的奥氏体晶粒中，由于原来是渗碳体片层的地方比原来是铁素体片层地方的碳浓度要高些，碳原子的扩散就需要一定的时间，最后才能得到均匀的奥氏体晶粒。因此，钢在加热时需要一定的保温时间。这不仅是为了使工件烧透（心部和表面温度一致），而且是为了获得成分均匀的奥氏体晶粒，以便在冷却时获得良好的组织和性能。•亚共析钢和过共析钢不同的是，在组织中除了珠光体外，正有铁素体或二次渗碳体。所以，亚共析和过共析钢加热时，在珠光体转变成奥氏体后，还有铁素体或二次渗碳体向奥氏体转变或溶解的过程。二、影晌珠光体向奥氏体转变速度的因素1.加热温度、加热速度的影响加热温度越高，奥氏体形成越迅速，珠光体向奥氏体转变所需的时间越短.这是因为加热温度高，原子扩散速度增大。与此同时，残余碳化物的溶解以及奥氏体均匀化的时间也将大大缩短。加热速度越快，珠光体向奥氏体转变开始温度越高，转变所经历的时间越短。高温快速加热时，由于奥氏体形成时间极短，又加之随着温度的升高形核率的增加远大于其长大线速度的增加，所以只要正确地控制加热时间，尽管加热温度很高依然可以得到细晶粒的组织.2.碳和合金元素的影响钢中的含碳量越高，渗碳体的数量越多，铁素体与渗碳体的相界面也越多，使奥氏体生核的基地增多，从而使奥氏体形成的速度加快。•钢中的合金元素除钴外，大多数合金元素都会减慢碳在奥氏休中的扩散速度，大大延缓了奥氏体的形成速度。碳化物形成元素，将会增加碳化物的稳定性，使碳化物不易溶解，而增加残余碳化物的数量。它的溶解只有在更高的温度和更长的时间内才能完戎。如果碳化物聚集成大块状，或形成特殊碳化物，则即使延长加热时向也不能使其充分溶解，将造成奥氏体中含碳量及合金化程度的降低。•由于不同的合金元素和铁、碳的亲和力不同，因而它们在铁素体和碳化物中的分布也不同。非碳化物形成元素倾向集中在铁素体内；碳化物形成元素倾向集中在碳化物内。在奥氏体形成过程中，合金元素的这种不均匀分布，当残余碳化物完全溶解后，还明显地保留在奥氏体中。奥氏体均匀化过程，除了碳的均匀化外，还包括合金元素的均匀化过程.由于合金元素在钢中的扩散速度大大落后于碳的扩散速度，所以合金钢奥氏体均匀化所需的时间比碳钢长得多.•3.原始组织的影响•新相奥氏体晶核大多在铁素体与渗碳体相界面上形成。对同一成分的钢，原始组织越细，相界面越多，形成奥氏体晶核的基地越多，转变速度就越快。片状珠光休较球状珠光体有较多的相界面，故转变速度较球状珠光体快。•三、奥氏体晶拉的长大•1．晶粒度•晶粒度是表示晶粒大小的尺度。一般来说，在珠光体向奥氏体的转变刚完成时，所获得的奥氏体晶粒是比较细小的，此瞬间的奥氏体晶粒大小，称奥氏体起始晶粒度。•如果加热温度较高或保温时间较长，奥氏体晶粒就易长大，这是因为在较高温度下，原子扩散速度快，相邻的晶粒相互并吞的结果。如果加热时奥氏体晶粒越粗大，则冷却后所形成的组织也粗大，机械性能降低，特别是冲击韧性变坏。•通常，把奥氏体晶粒随温度的升高而迅速长大的钢，称本质粗晶粒钢，而把奥氏体晶粒长大倾向较小，只有加热到930~950℃时晶粒才显著长大的钢，称本质细晶粒钢。为了测定钢在加热时的晶粒长大倾向和实际形成奥氏体晶粒的尺寸，将钢加热至930℃的奥氏体晶粒度分为八级,1~4级为粗晶粒,5~8级为细晶粒。•2.影响奥氏体晶粒长大的因素•奥氏体晶粒长大是个自发过程,不同的外界因素可以在不同程度上促进或抑制其长大过程的进行。•(1)加热温度、保温时间的影响•奥氏体晶粒的长大是通过原子扩散来实现的。原子的扩散能力又是随温度按指数规律递增的。因此，奥氏体晶粒也将随温度的增高而急剧长大。在一定加热温度下，奥氏体晶粒一开始随保温时间的延长长大较快，然后逐渐减慢，到一定时间后，即使再延长保温时间，其晶粒变化不大。•(2)未溶第二相质点的影响•奥氏体状态一下，如果存在未溶第二相质点，如碳化物、不溶于奥氏体的氧化物、氧化物杂质等将阻碍奥氏体晶粒长大的晶界迁移。质点数量越多，越细小，其阻碍奥氏体晶拉长大的作用愈强烈。•(3)含碳量的影响•奥氏体的晶粒长大倾向随钢中含碳量的增加而增大。因为随着含碳量增加，碳在奥氏体中的扩散速度增加。只有含碳量超过一定限时,由于未溶渗碳体质点在晶界上起•了阻碍作用，使晶粒长大倾向减小。•(4)合金元素的影响•合金元素除Mn、P外，大多数合金元素都不同程度地阻止奥氏休晶粒长大。特别是碳化物形成元素在钢中形成难溶于奥氏体的特殊碳化物并分布在晶界上，阻碍奥氏体晶垃的长大。•第二节钢在冷却时的组织转变•钢在室温时的组织与机械性能不仅与加热时获得的奥奥氏体状态有关，而且与奥氏体在冷却时的转变有关。奥氏休冷却方式有等温冷却和连续冷却.•一、奥氏体等温转变•表示过冷奥氏体转变时的转变量与等温时间之间的关系曲线,称为奥氏体等温转变曲线。•它是将许多共析钢制成的小薄片圆试样加热到Ac1以上某个温度，使之获得均匀的奥氏体，然后将试样分别投入到不同温度(650℃、600℃、550℃、450℃、360℃…）的盐浴(或金属浴)中，进行等温转变，并测定奥氏体的转变开始与转变结束的时间，将其描绘在温度--时间坐标图上，再把奥氏体转变开始点、结束点分别连接起来所得的曲线。通常，把曲线称“c”曲线或称“s”曲线。•2．奥氏体等温转变产物及性能•将奥氏体过冷至（A1~MS）温度区间内进行等温转变。根据其转变产物及转变温度大致可分为三个转变区域。•(1)高温转变(珠光体型转变）•高温转变温度范围大约在Ar1至鼻尖（500℃）范围。奥氏体转变产物都是珠光体。等温温度越低，所得珠光体越细.在700℃等温，由于过冷度较小，所得的是片距为0.4~0.5微米的片状珠光体，其硬度约为HB190；在650℃等温，得到片距为0.25微米的珠光体，又称索氏体，其硬度为HRC30;在500℃等温,过冷度增大，得到片距为0.1微米的极细珠光体又称屈氏体，其硬度约为HRC38.珠光体都是渗碳体和铁素体的片状组织，其本质没有区别，只是珠光体愈细，强度和硬度愈高•(2)中温转变（贝氏体型转变）•中温转变温度范围约在500℃至MS之间。•在350~500℃范围内等温，其转变产物呈密集平行的白亮条状组织，形若羽毛，这种组织称为上氏体，其硬度约为HRC40~45，塑性很差.•在350℃~MS(230℃左右）范围内等温，其转产物呈黑色竹叶状，这种组织称下贝氏佩其硬度约为HRG45～55，韧性较好.•3.奥氏体等温转变的特点•由于钢种及奥氏体化条件不同，等温转变曲线的形状及其位置也不相同，但转变的基本规律大致相同，共特点如下：•(1)当奥氏体过冷到临界点以下时，总要经过一定时间的间隔才开始转变，这段时间间隔称孕育期。钢的成分不同，等温温度不同，孕育期长短也各不相同。•(2)奥氏体等温转变过程，必须经过一段时间才能完成。钢种及等温温度不同，其完成转变所需的时间也不同。•(3)随着等温温度的降低,其孕育期先缩短，到某一温度(鼻尖)后，又逐渐加长.处于鼻尖下的奥氏体最不稳定,极易分解,而且完成转变所需的时间最短.•4.影响奥氏体等温转变的因紊•(1)含碳量的影响•含碳量在共析成分以下，增加含碳量将使整个曲线右移.含碳量超过共析成分时，由于过剩碳化物质点增多，增加含碳量反使曲线左移。但增加含碳量总是使曲线“鼻尖”及Ms点下降.•(2)合金元素的影响•除钴外，大多数合金元素都不同程度地增加过冷奥氏体的稳定性。一般来说，非碳化物形成元素Ni、Mn、Si、Cu、Al等及少量碳化物形成元素,对珠光体和贝氏体的转变的影响不大,但他们的使曲线右移,加入量越大,右移越甚.强碳化物形成元素如Ti、V、Mo、Cr等含量较多时,将强烈延缓珠光体转变但不同样强烈延缓贝氏体转变,以致使珠光体转变与贝氏体转变彼此分离,形成两个鼻子.而且当这些元素达到一定量后,甚至可以在高温和低温两个区域之间出现一个过冷奥氏体不易转变的亚稳定区.•(3)加热温度和保温时间的影响•加热温度越高，保温时间越长，过冷奥氏体越稳定，C曲线越向右移．这是因为加热温度越高，保温时间越长，奥氏体成分越均匀，晶粒越粗大未溶质点减少，而使新相形核困难，使过冷奥氏体不易分解。为此，即使同一成分的钢，加热温度或原组织的晶粒度不同，所测得的“C”曲线也有较大区别。故钢的“C”曲线都必须注明成分、加热温度和原始晶粒度。•二、奥氏休在连续冷却时的组织转变•等温转变曲线反映了过冷奥氏体等温转变规律，但是，实际生产中热处理的冷却过程多是连续冷却，如炉冷、空冷、油冷、水冷等。尽管连续冷却时，过冷奥氏体的转变规律并无根本的改变，而且也可以利用等温转变曲线粗略地估计连续冷却时的转变，但毕竟与等温过程不同。为此，要精确定性定量地说明连续冷却时奥氏体的转变过程，必须借助于所谓奥氏体连续冷却转变曲线。•1.奥氏体连续冷却转变曲线•表示过冷奥氏体以不同速度连续冷却时的转变产物及其转变量与时间关系的曲线，称为奥氏体连续冷却转变曲线．•线1为先共析铁素休析出开始线，线2为铁素体析出终止线，或珠光体形成开始线；线1、2的包围区域即为从过冷奥氏体中析出先共析铁素体的区域，线3为过冷奥氏体转变终止线，线2、3的包围的区域为珠光体转变区域，线4为贝氏体形成开始线，线5为贝氏体转变终止线；3、4、5的包围区域为贝氏体转变区域，线5以下的区域为马氏体转变区域．此外，图中冷却曲线与各转变终止线相交处的数字表示所形成转变产物的相对量.冷却曲线末端的数字表示冷却后得到的转变产物的硬度.•2．过冷奥氏休连续冷却转变产物的组织和性能•由于过冷奥氏体连续冷却时，其转变不是在恒温下进行的，而是在一个温度范围内进行的，因此往往不易获得均一的转变产物。即使得到相同组织，也由于先后转变