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【重点内容】1.钢加热及保温的目的；2.奥氏体晶粒度的概念及影响因素；3.共析钢过冷奥氏体等温冷却曲线中各种温度区域内奥氏体的转变产物及组织形貌，性能特点。4.过冷奥氏体连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对钢的组织变化和最终性能的影响；5.各种热处理的定义、目的、组织转变过程，性能变化，用途和适用的钢种，零件的范围。【本章难点】本质晶粒度的含义、等温冷却曲线中各种温度区域内奥氏体转变产物的组织形貌，性能特点、退火与正火的工艺及目的、淬火加热温度的选择、淬透性与淬硬性的概念及区别、回火的种类及应用。【基本要求】1.了解热处理的定义、目的、分类及作用；2.掌握钢加热和保温的目的；3.掌握钢在冷却转变时的产物及转变曲线；4.熟悉钢的退火、正火、淬火、回火的目的、工艺及应用；5.掌握钢的淬透性概念、影响因素及与淬硬性的区别；6.了解表面热处理的目的及应用。前言【什么叫钢的热处理】为了改变钢材内部的组织结构，以满足对零件的加工性能和使用性能的要求所施加的一种综合的热加工工艺过程。它包括三个环节：1.加热到预定的温度（加热）；2.在预定的温度下适当保温（保温），保温的时间与工件的尺寸和性能有关；3.以预定的冷却速度冷却（冷却）。如：橡胶机械中的挤出机和注射机中的螺杆等轴类零件的常用材料40Cr（中碳、低合金结构钢），为满足不同的加工和使用性能的要求，须进行不同的热处理：图5-1热处理工艺曲线的示意图1．炉冷珠光体（片）先共析FHB207易切削的硬度，满足了切削加工的性能的要求。2．空冷细片状P720～740MN/m2先共析FHB250Jb：72～74Kg/mm23．油冷粒状F和σb＞100Kg/mm2ak＞（6kg/cm2）60J/cm2回火粒状Fe3C组成强韧性好，从而能够满足这类零件的耐磨损、耐冲击、耐疲劳等性能的要求。可见，通过热处理可以改变钢的组织和性能，充分发挥材料的潜力，调整材料的机械性能，满足机械零件在加工和使用过程中对性能的要求。所以，在实际生产中凡是重要的零部件都必须经过适当的热处理。下面介绍两个热处理中常见的概念：1．热处理工艺：热处理时的加热温度、保温时间和冷却速度等工序的总和称为热处理工艺。2．热处理工艺曲线：将热处理工艺参数标示在温度——时间坐标图上，得到的曲线即为热处理工艺曲线。前面所给出的就是热处理工艺曲线的示意图。【常见的热处理方法】根据热处理时加热和冷却方法的不同，常用的热处理方法大致分类如下：退火正火普通热处理淬火热处理回火表面热处理表面淬火火焰加热表面淬火感应加热表面淬火化学热处理渗碳渗氮碳氮共渗§1钢在加热时的转变钢在加热时的转变实质上是奥氏体的形成。热处理的第一步就是把这些原始组织加热，使其转变为奥氏体。这第一步质量的好坏，直接影响到最终热处理后钢件的工艺性能和使用性能。【奥氏体化前的组织】我们只考虑比较简单的情况即奥氏体化前的组织为平衡组织的情况。对于亚共析钢→F+P共析钢→P过共析钢→Fe3CⅡ+P【奥氏体的形成温度与Fe-Fe3C状态图的关系】Fe-Fe3C相图是表示铁碳合金在接近平衡状态下相与成分和温度间的关系图，图中的临界点A1、A3和Acm也只是在这样的条件下才适用的。然而，生产中不可能以无限缓慢的速度加热和冷却，其相变是在非平衡的条件下进行的，研究发现这种非平衡的组织转变有滞后现象。对于加热：非平衡条件下的相变温度高于平衡条件下的相变温度；对于冷却：非平衡条件下的相变温度低于平衡条件下的相变温度。这个温差叫滞后度。加热转变→过热度冷却转变→过冷度且加热与冷却速度越大，温度提高与下降的幅度就越大，导致热度与过冷度越大。此外，过热度与过冷度的增大会导致相变驱动力的增大，从而使相变容易发生。平衡条件下的临界点：A1A3Acm非平衡加热的临界点：Ac1Ac3Accm非平衡冷却的临界点：Ar1Ar3Arcm用相图表示如下：图5-2钢在加热和冷却时的相变临界点【共析钢奥氏体的形成过程】当钢由室温加热到Ac1以上温度时，珠光体将转变为奥氏体。当加热到Accm以上温度时P→A，即0.02%C6.69%C0.8%Cb.c.c复杂斜方f.c.c可见，这一转变是由化学成分、晶体结构都不相同的两相组织，转变为另一成分和晶体结构的单相固溶体。研究表明，由于新形成的A和原来的F以及Fe3C的含碳量和晶体结构相差很大，因而A的形成是一个Fe3C的溶解，F到A的点阵重构以及C在A中扩散的过程。A的形成符合一般的规律，即通过形核长大完成的。整个奥氏体的形成过程分为四个阶段，即：晶核形成、晶核长大、残余渗碳体的溶解和奥氏体成分的均匀化。1．奥氏体晶粒的形成：珠光体是由铁素体和渗碳体两相片层交替组成的，在F和Fe3C两相交界处，原子排列处于过渡状态，能量较高，碳浓度的差别也比较大，有利于在奥氏体形成时碳原子的扩散。此外，由于界面原子排列的不规则，也有利于Fe原子的扩散，导致晶格的改组重建，这样为奥氏体晶核的形成提供了能量、浓度和结构条件，因此，奥氏体优先在F和Fe3C的界面处形核。2．奥氏体晶核长大：刚形成的奥氏体晶核内部的碳浓度是不均匀的，与渗碳体相接的界面上碳浓度大于与铁素体相接的界面浓度。由于存在碳的浓度梯度，使碳不断从Fe3C界面通过奥氏体晶核向低浓度的铁素体界面扩散，这样破坏了原来F和Fe3C界面的碳浓度关系，为维持原界面的碳浓度关系，铁素体通过Fe原子的扩散（短程），晶格不断改组为奥氏体，而Fe3C则通过碳的扩散，不断溶入奥氏体中，结果奥氏体晶粒不断向铁素体和渗碳体两边长大，直至铁素体全部转变为奥氏体为止。3．残余渗碳体的溶解：由于Fe3C的晶格结构和含碳量与奥氏体的差别远大于铁素体与奥氏体的差别。所以铁素体优先转变为奥氏体后，还有一部分渗碳体残留下来，被奥氏体包围，这部分残余的Fe3C在保温过程中，通过碳的扩散继续溶于奥氏体，直至全部消失。4．奥氏体成分的均匀化：Fe3C刚全部溶解时，奥氏体中原先属Fe3C的部位含碳较高，属于F部位含碳较低，随着保温时间的延长，通过碳原子的扩散，奥氏体的含碳量逐渐趋于均匀。整个共析钢的奥氏体形成过程用示意图表示如下：a)A形核b)A长大c)残余Fe3C溶解d)A均匀化图5-3共析碳钢A形成过程示意图【亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程】亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是有先共析相。其奥氏体的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变，然后再进行先共析相的溶解。这个P→A的转变过程同共析钢相同，也是经过前面的四个阶段。对于亚共析钢，平衡组织F+P，当加热到AC1以上温度时，P→A，在AC1～AC3的升温过程中，先共析的F逐渐溶入A，同样，对于过共析钢，平衡组织是Fe3CⅡ+P，当加热到AC1以上时，P→A，在AC1～ACCM的升温过程中，二次渗碳体逐步溶入奥氏体中。【影响奥氏体形成速度的因素】奥氏体的形成是通过形核与长大实现的，所以凡是影响形核与长大的因素，都影响奥氏体的形成速度。1.加热速度的影响加热速度越快，奥氏体化温度越高，过热度越大，相变驱动力也越大；同时由于奥氏体化温度高，原子扩散速度也加快，提高形核与长大的速度，从而加快奥氏体的形成。2.化学成分的影响钢中含碳量增加，碳化物数量相应增多，F和Fe3C的相界面增多，奥氏体晶核数增多，其转变速度加快。钢中的合金元素不改变奥氏体的形成过程，但能影响奥氏体的形成速度。因为合金元素能改变钢的临界点，并影响碳的扩散速度，且它自身也存在扩散和重新分布的过程，所以合金钢的奥氏体形成速度一般比碳钢慢，尤其高合金钢，奥氏体化温度比碳钢要高，保温时间也较长。3.原始组织的影响钢中原始珠光体越细，其片间距越小，相界面越多，越有利于形核，同时由于片间距小，碳原子的扩散距离小，扩散速度加快导致奥氏体形成速度加快。同样片状P比粒状P的奥氏体形成速度快。【奥氏体晶粒大小及其影响因素】奥氏体晶粒大小对后续的冷却转变以及转变产物的性能有重要的影响。如奥氏体晶粒细，后续冷却转变产物就既强度高又韧性好。一般情况下，奥氏体的晶粒每细化一级，其转变产物的ak值就提高2-4kg/cm2。1.奥氏体的晶粒度及其分类晶粒度是表示晶粒大小的一种尺度。为了研究上的方便，首先要区分三种晶粒度的概念。（1）起始晶粒度：是指在临界温度以上，奥氏体形成刚刚完成，其晶粒边界刚刚接触时的晶粒大小。（2）实际晶粒度：是指在某一具体的热处理加热条件下所得到的晶粒尺寸。（3）本质晶粒度：根据标准试验方法，在930±10℃保温足够时间（3-8小时）后测定的钢中晶粒的大小。晶粒度的级别与晶粒大小的关系：n：放大100倍进行金相观察时，每平方英寸（6.45cm2）视野中，平均所含晶粒的数目。N：晶粒度的级别数。可见，晶粒度的级别越高，N↑晶粒愈细。为了区别奥氏体的晶粒度，冶金部规定的标准，将奥氏体的晶粒度分为8级，如图5-4。一般认为1-3级为粗晶粒，4-6级为中等晶粒，7-8级为细晶粒。具体测定晶粒度的方法：制成金相试样，放在100倍的显微镜下与标准晶粒度等级进行比较，与哪一级的一样大就是哪一级。图5-4奥氏体晶粒度评定标准生产中发现，不同牌号的钢，其奥氏体晶粒的长大倾向是不同的。有些钢的奥氏体晶粒随着加热温度升高会迅速长大；而有些钢的奥氏体晶粒则不容易长大，只有加热到更高温度时才开始迅速长大。一般称前者称为“本质粗晶粒钢”，后者为“本质细晶粒钢”。在实际生产中遇到一块钢料，如何区分它是本质粗晶粒钢还是本质细晶粒钢，不可能去作一条加热温度与晶粒直径的关系曲线，看是那种长大趋势。所以抓住这两条曲线的主要特征，930℃左右晶粒大小相差最明显，这一条件下测得的晶粒度正是本质晶粒度。本质晶粒度钢晶粒度在1-4级，细晶粒钢在5-8级左右。反过来，利用测定本质晶粒度的级别就可确定这一钢料是本质粗晶粒钢还是本质细晶粒钢，1-4级本质粗晶粒钢，5-8级本质细晶粒钢。是不是本质粗晶粒钢的晶粒一定粗而本质细晶粒钢的晶粒就一定细？从前面的分析中知，本质晶粒度只代表钢在加热时奥氏体晶粒长大倾向的大小。从图5-5可见，本质粗晶粒钢在较低加热温度下可获得细晶粒，而本质细晶粒钢若在较高温度下加热也会得到粗晶粒。图5-5本质细晶粒钢M和本质粗晶粒钢K晶粒长大示意图2．影响奥氏体晶粒大小的主要因素（1）加热温度加热温度越高，保温时间足够长，奥氏体晶粒越容易自发长大粗化。当加热温度确定后，加热速度越快，相变时过热度越大，相变驱动力也越大，形核率提高，晶粒越细，所以快速加热，短时保温是实际生产中细化晶粒的手段之一。加热温度一定时，随保温时间延长，晶粒也会不断长大。但保温时间足够长后，奥氏体晶粒就几乎不再长大而趋于相对稳定。若加热时间很短，即使在较高的加热温度下也能得细小晶核。对同一种钢而言，当奥氏体晶粒细小时，冷却后的组织也细小，其强度较高，塑性、韧性较好；当奥氏体晶粒粗大时，在同样冷却条件下，冷却后的组织也粗大。粗大的晶粒会导致钢的机械性能下降，甚至在淬火时形成裂纹。所以，凡是重要的工件，如高速切削刀具等，淬火时都要对奥氏体晶粒度进行金相评级，以保证淬火后有足够的强度和韧性。可见，加热时如何获得细小晶粒的奥氏体晶粒常常成为保证热处理的关键问题之一。（2）钢的化学成分碳：当钢中的碳以固溶态存在时，C↑，D↑，晶粒粗化，当钢中的碳以碳化物形成存在时，有阻碍晶粒长大的作用。对于钢中的合金元素，碳化物形成元素能阻碍晶粒长大，非碳化物形成元素有的阻碍晶粒长大如：Cu、Si、Ni等；有的促进晶粒长大，如PMn。实际生产中因加热温度不当，使奥氏体晶粒长大粗化的现象叫“过热”，过热后将使钢的性能恶化，因此控制奥氏体晶粒大小，是热处理和热加工制定加热温度时必须考虑的重要问题。§2钢的冷却转变钢的冷却转变实质上是过冷奥氏体的冷却转变。【过冷奥氏体】由Fe-Fe3C相图可知，钢的温度高于临界点（A1、A3、Acm）以上时，其奥氏体是稳定的，当温度处于临界点以下时，奥氏体将发生转变和分解。然而在实际冷却条件下，奥氏体虽然冷到临界点以下，并不立即发生转变，这种处于临界点以下的奥氏体称为过冷奥氏体。随着时间的推移，过冷奥氏体将发生分解和转变，