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热处理基础知识一、热处理钢的热处理是根据钢在固态下组织转变的规律，通过不同的加热、保温和冷却，以改变其内部组织结构，达到改善钢材性能的一种热加工工艺。二、热处理的作用正确的热处理工艺不仅仅可以改善钢材的工艺性能和使用性能，还可以消除钢材经铸造、锻造、焊接等热加工工艺造成的各种缺陷，细化颗粒，消除偏析，降低内应力，使组织和性能更加均匀。三、钢的临界温度由Fe－Fe3C相图可知，共析钢在加热和冷却过程中经过PSK线（A1）时，发生珠光体（P）与奥氏体（A）之间的转变；亚共析钢经过GS线（A3）时，发生铁素体（F）与奥氏体（A)之间的相互转变；过共析钢经过ES线（Acm）时，发生渗碳体（Fe3C）与奥氏体（A）之间的相互转变。A1、A3、Acm称为碳素钢加热和冷却过程中组织转变的临界温度。四、钢在加热时的组织转变为了使钢在热处理后获得所需要的组织和性能，大多数热处理工艺都必须先将钢加热到临界温度以上，获得奥氏体组织，然后在以适当的方式（或速度）冷却，以获得所要的组织和性能。通常把钢加热获得奥氏体的转变过程称为奥氏体化过程。五、奥氏体的形成过程（一）共析钢的奥氏体形成过程共析钢在室温的平衡组织是单一的珠光体，珠光体是铁素体和渗碳体的两相混合物。若共析钢的原始组织为片状的珠光体，当加热至Ac1以上温度保温，将全部转变为奥氏体。奥氏体的形成过程包括碳的扩散重新分布和铁原子扩散使铁素体向奥氏体的晶格重组。(1)共析钢由珠光体到奥氏体的转变包括四个阶段：奥氏体形核、奥氏体长大、剩余渗碳体溶解和奥氏体均匀化。（2）奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成。这是因为在相界面上碳浓度分布不均匀，位错密度较高、原子排列不规则，处于能量较高的状态，所以容易达到奥氏体形核时所需要的密度起伏、结构起伏和能量起伏（二）亚（过）共析钢的奥氏体形成过程亚（过）共析钢中，除了珠光体外，还有先共析铁素体（或渗碳体），当加热到AC1温度时，珠光体先转变为奥氏体，然后随着加热温度的升高，先共析铁素体（或渗碳体）逐渐向奥氏体转变，当温度超过AC3（或ACCM），并保温足够的时间。才能获得均匀的单相奥氏体。六、影响奥氏体形成速度的因素奥氏体的形成是通过形核和长大过程进行的，整个过程受原子扩散控制。因此，一切影响原子扩散、奥氏体形核与长大的因素都影响奥氏体的转变速度。外因主要有加热温度和速度。内因主要有钢的化学成分和原始组织影响。七、奥氏体的晶粒大小及其影响因素（1）奥氏体晶粒度将钢加热到相变点（亚共析钢为AC3，过共析钢为AC1或ACCM)以上某一温度并保温给定时间所得到的奥氏体晶粒大小称为奥氏体晶粒度。奥氏体晶粒度一般分为八个标准等级，1---4级为粗晶粒，5---8为细晶粒，超过8级为超细晶粒。根据奥氏体的形成过程和晶粒长大情况，奥氏体晶粒度可分为：起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度。（2）影响奥氏体晶粒长大的因素奥氏体实际晶粒的大小主要取决于升温或保温过程中奥氏体晶粒长大的倾向。奥氏体晶粒长大基本上是一个奥氏体晶界迁移的过程，其实质是原子在晶界附近的扩散过程。所以一切影响原子扩散迁移的因素都能影响奥氏体晶粒长大。加热温度和保温时间加热速度含碳量④合金元素八、钢在冷却时的组织转变(1)过冷奥氏体等溫转变图在临界温度A1以下处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体。奥氏体冷至临界温度A1以下的转变称为钢额冷却转变。通过热分析、膨胀分析、磁性分析和金相分析等方法，测出在不同温度下过冷奥氏体发生相变的开始时刻和终了时刻，并把它们标在温度---时间坐标上，然后把所有转变开始和终了点分别连接起来，就可得到该钢种的过冷奥氏体等温转变图，也称TTT（或C）曲线。上图所示的是共析钢的C曲线，A1线是奥氏体向珠光体转变的临界温度；左边一条C形曲线为过冷奥氏体转变开始线；右边一条C形曲线为过冷奥氏体转变终了线。Ms和Mf线分别是过冷奧氏体向马氏体转变的幵始线和终了线。等温条件下不能获得马氏体，只有在连续冷却条件下才可能获得马氏体。A1线以上是奥氏体稳定区；A1线以下、Ms线以上、过冷奥氏体转变幵始线以左.是过冷奧氏体区：过冷奥氏体转变幵始线和终了线之间是过冷奥氏体和转变产物的共存区；过冷奥氏体转变终了线以右是转变产物区；Ms线以下是马氏体区（或者叫马氏体与残余奧氏体共存区）。共析钢的过冷奥氏体在三个不同的温度区间.可以发生三种不同的转变：在A1点至C曲线鼻尖区间发生高温转变.其转变产物是珠光体（P），故又称为珠光体型转变；在C曲线箅尖至Ms线区间发生中温转变，其转变产物是贝氏(B),故又称为贝氏体型转变（包括上贝氏体B上和下贝氏体B下);在Ms至Mf线之间的转变，称为低温转变，其转变产物是马氏体（M),故又称为马氏体型转变。（2）过冷奥氏体等溫转变产物的組织与性能A、珠光体型转变以共析钢为例，过冷奥氏体在A1〜550°C温度范围内等温转变.将形成珠光体型的组织，其组织特征为层片状，并且随着转变温度的降低，珠光体中的铁素体和渗碳体的层片越来越薄，组织越细密。一般把A1〜650°C温度范围形成的层片组织称为珠光体,用符号P表示，它的硬度较低，小于25HRC;在650〜600°C温度范围形成的细片状珠光体，称为索氏体.用符号S表示.它的硬度较高，达25〜35HRC；在600〜550°C温度范围形成的更细的层片状珠光体.称为托氏体，只有在电子显微镜下才能分辨出其层片状.用符号T表示，它的硬度更高，达35〜40HRC。由此可见，片状珠光体的性能主要取决于层片间距离。层片间距离越小，珠光体的塑性变形抗力越大，强度和硬度越高.同时塑性和韧性也有所改善。需要说明.在一般情况下，过冷奧氏体分解成珠光体类组织时，其渗碳体呈片状.但片状组织在A1附近的温度范围内保温足够长的时间时.片状的渗碳体将会球化.这时转变产物为粒状珠光体。对于相同成分的钢，粒状珠光体比片状珠光体具有较少的界面.因而其硬度、强度较低，但塑性、韧度较高。粒状珠光体常常是高碳钢切削加工前所要求的组织状态。B、贝氏体型转变共析钢上贝氏体约在550〜350°C温度范围形成。在光学显微镜可明显看到成束的自晶界内部生成的铁索体条.它的分布具有羽毛状特征。共析钢下贝氏体约作350°C〜Ms温度范围形成，由于下贝氏体易受浸蚀.在光学显微镜下，呈黑色针状特征。贝氏体的转变特点是：当转变温度稍高时，先形成过饱和的铁索体，铁素体呈密集而平行排列的条状生长，随后铁素体中的部分C原子扩散迁移到条间的奥氏体中，使奥氏体析出不连续的短杆状的碳化物，这种组织称为上贝氏体。当转变温度较低时，先形成过饱和铁素体，呈针片状。由于转变温度低，C原子扩散很困难，只能在过饱和的铁索体内作短程迁移、聚集，结果形成与铁索体片长轴呈55〜65度的夹角的碳化物小片，这种组织称为下贝氏体。C、马氏体型转变马氏体的组织型态钢中马氏体组织形态主要有两种类型，一类是板条状马氏体，另一类是针片状马氏体。板条状马氏体的立体形态呈细长板条状。显微组织呈一束束的细条状组织，每束内条与条之间大致平行排列，束与束之间有较大的晶格位向差，在一个奥氏体晶粒内可以形成几个位向不同的马氏体束。在透射电镜下，马氏体板条内的亚结构是高密度的位错，因而也称为位错马氏体。针状马氏体的立体形态呈双凸透镜状，显微组织为针片状，是立体形态的截面。片与片之间有较大的位相差。在一个奥氏体晶粒内，先形成的马氏体片横贯奥氏体晶粒，但不能穿越晶界，后形成的马氏体片不能穿过先形成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片也就越小。显然，奥氏体晶粒越细，马氏体片的尺寸也就越小。在透射电镜下，针片状马氏体的亚结构主要是孪晶，因而这种马氏体又称孪晶马氏体。马氏体的形态主要取决于碳的质量分数。当碳的质量分数小于0.2％时，马氏体转变后的组织全部是板条马氏体；当碳的质量分数高于1％时.则几乎全部是针片状马氏体；碳的质量分数介于0.2％〜1％之间时是板条马氏体和针状马氏体的混合组织。马氏体的塑性和韧性主要取决于碳的饱和度与亚结构。板条马氏体塑形和韧性相当好，其主要原因是：①碳在马氏体中过饱和程度小，晶格畸变小，残余应力小；②板条马氏体亚结构为错位。高碳片状马氏体的塑形和韧性都很差，其主要原因是：①碳在马氏体中过饱和程度大，晶格畸变严重，残余应力大；②片状马氏体的亚结构主要是孪晶。马氏体的转变特点马氏体转变是在较低的温度下进行的，因而具有一系列的特点，主要如下：①无扩散性②变温形成③髙速长大④马氏体转变的不完全性(2）过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体连续冷却转变图的分析由图2.23可见，当冷却速度很小时，转变的过冷度很小，转变幵始和结束所需的时间很长。冷却速度加大，则转变温度降低，过冷度加大，转变开始和结束的时间缩短。而且冷却速度越大，转变所经历的温度区间也越宽。图中的KK'线为转变的中止线，表示冷却曲线与此线相交时，转变并未最后完成，但过冷奥氏体已停止分解，剩余部分将冷却到更低温度下发生马氏体转变。但当冷却速度大于通过K点的冷却速度Vk时，过冷奥氏体将不发生珠光体转变。冷却速度小于通过K'点的冷却速度Vk'时，过冷奥氏体全部转变成为珠光体，而不发生马氏体转变。当冷却速度大于Vk'而小于Vk时，过冷奥氏体将部分发生珠光体转变，其余部分发生马氏体转变。九、钢的加热（1）加热的目的和要求评定加热质量好坏一般有以下几方面的指标：奥氏体的碳浓度与合金浓度；奥氏体的成分均匀性；奥氏体的晶粒度；④第二相的数量、大小和分布；⑤表面氧化、脱碳或增碳的程度；⑥变形开裂的程度。不同钢种、不同工件、不同的热处理工艺，对上述指标的要求是不同的。例如，淬火加热时.要求奥氏体的碳浓度要适当，合金浓度尽可能髙.成分越均匀越好，晶粒越细小越好。亚共析钢中通常不允许有未溶铁素体存在，共析钢、过共析钢中未溶碳化物数量要适当.越细小、均匀分布越好。不允许有表面氣化、脱碳或增碳现象.不允许发生幵裂，要严防变形。（2）加热速度的选择塑性高的钢材加热速度可大一些，反之，脆性大的钢材加热速度应相对减小。导热性差的钢（如髙铬钢、高速钢等）应采用较小的加热速度。对大尺寸工件应采用较小的加热速度。④形状复杂、截面相差悬殊的工件加热速度宜小一些。⑤若加热前工件存有较大的残余应力，当加热产生的热应力与内应力方向一致时，易导致工件变形开裂，故加热速度应小一些。（3）钢加热时常见的缺陷在实际热处理生产中，，由于钢的加热不当，容易引起许多热处理的质量问题，因此必须研究钢在加热过程中产生的缺陷及其防止措施。钢加热时常见的缺陷有欠热、过热、过烧、氧化、脱碳以及变形开裂等几种。欠热、过热和过烧都是加热时的组织缺陷，它们都因加热不当形成非正常组织，导致材料的性能下降，甚至报废。欠热钢在加热时，由于加热温度过低或者加热时间过短，造成未充分奥氏体化而引起的组织缺陷，称为欠热，也叫加热不足。亚共析钢淬火时，由于欠热，組织中残存一些铁素体，钢淬火后出现软点或硬度不均匀现象。过共析钢淬火时，由于欠热，组织中出现较多未溶碳化物，使得基体的碳浓度不够，造成钢淬火后硬度不足，并且由于奥氏体中合金浓度不够而淬进层深度不够。过热钢在加热时，由于加热温度过高或者加热时间过长，引起奥氏体晶粒粗大而产生的组织缺陷，称为过热。过热使钢的力学性能显著降低，严重影响钢的冲击韧度，而且还易引起淬火变形和开裂。另外，有时还易于促使工件在冷却过程中形成魏氏组织，这种组织的力学性能比一般的粗大晶粒还要差。过烧钢在加热时，由于加热温度过高，造成晶界氧化或局部熔化的组织缺陷，称为过烧。过烧不仅奥氏体晶粒剧烈粗化，而且晶界也被严重氧化甚至局部熔化，造成工件报废。④氧化和脱碳钢的氧化分为两种，一种是表面氧化，在钢的表面生成氧化膜；另一种是内氧化，在一定深度的表面层中发生晶界氧化。表面氧化影响工件的尺寸，内氧化影响工件的性能。⑤变形与开裂热处理在加热过程中有变形和开裂的倾向，其主要原因是：工件在加热过程中，由于不同部位存在温差，从而产生热应力而致使工件变形与开裂。同时也与工件的装炉方式有一定关系。工件的加热速度较大，而工件材料的导热性