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第五章钢的热处理改善钢的性能，主要有两条途径：一是合金化，这是下几章研究的内容；二是热处理，这是本章要研究的内容。第5章钢的热处理热处理(heattreatment)：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变整体或表面组织，从而获得所需材料性能的工艺过程。为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度—时间坐标绘出热处理工艺曲线。5.1概述——①什么是热处理？在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-90%。热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。模具、滚动轴承100%需经过热处理。总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。5.1概述——②热处理的重要性热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。铸造轧制适用于固态下发生组织转变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理来强化。5.1概述——③热处理的特点及适用范围热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律；热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数。(a)940淬火+220回火（板条M回+A’少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板条M+条状F+A’少）(e)940淬火+780淬火+220回火（板条M回+条状F+A’少）(f)780淬火+220回火（板条M回+块状F）20CrMnTi钢不同热处理工艺的显微组织5.1概述——④热处理的分类根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：普通热处理表面热处理热处理退火正火淬火回火表面淬火——感应加热、火焰加热等化学热处理——渗碳、渗氮、碳氮共渗等5.1概述——④热处理的分类预备热处理——为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作准备的热处理。最终热处理——赋予工件所要求的使用性能的热处理。预备热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线时间5.1概述——⑤预备热处理与最终热处理钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示；冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示；实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象。5.1概述——⑥临界温度与实际转变温度加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。钢坯加热5.2钢的加热转变第一步奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核；第二步奥氏体晶核长大：晶核通过碳原子的扩散向和Fe3C方向长大；第三步剩余Fe3C溶解：铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失；残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失；第四步奥氏体均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现以共析钢为例说明：5.2钢的加热转变——(1)奥氏体形成过程亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析或二次Fe3C的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上。5.2钢的加热转变——(1)奥氏体形成过程珠光体向奥氏体转变完成时，奥氏体的晶粒很细小，称此为起始晶粒度；随着加热温度升高和保温时间延长，会出现晶粒长大现象，在给定温度下的奥氏体晶粒度称为实际晶粒度；把钢加热到930±10℃保温8h，冷却后测得的晶粒度定为本质晶粒度；有些钢其奥氏体晶粒随温度的升高迅速长大，这种钢称为本质粗晶粒钢；有些钢其奥氏体晶粒长大倾向较小，只有加热到较高温度(930-950℃以上)时，才显著长大——本质细晶粒钢。5.2钢的加热转变(2)奥氏体晶粒大小及其影响因素奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响：奥氏体晶粒均匀细小，热处理后钢的力学性能提高；粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。箱式可控气氛多用炉真空热处理炉5.2钢的加热转变(2)奥氏体晶粒大小及其影响因素热加保温时间温度临界温度连续冷却等温冷却5.3钢的冷却转变稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线A+产物区产物区A1～550℃高温转变区；P转变区。550～230℃中温转变区；贝氏体(B)转变区。230～－50℃低温转变区；马氏体(M)转变区。时间(s)1021031041010300800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf①共析钢C曲线5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体在A1到550℃间将转变为珠光体类型组织；铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物；转变温度越低，层间距越小；根据片层厚薄不同,又细分为珠光体(P)、索氏体(S)和屈氏体(T)。珠光体索氏体屈氏体5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆珠光体转变形成温度为A1～650℃，片层较厚，500倍光镜下可辨；用符号P表示。光镜下形貌电镜下形貌三维珠光体如同放在水中的包心菜5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆珠光体转变——珠光体形成温度为650～600℃,片层较薄，800～1000倍光镜下可辨；电镜形貌光镜形貌用符号S表示。5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆珠光体转变——索氏体形成温度为600～550℃，片层极薄，电镜下可辨；用符号T表示。电镜形貌光镜形貌5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆珠光体转变——屈氏体（托氏体）珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。片间距越小，钢的强度、硬度越高，塑性和韧性略有改善。5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆珠光体转变扩散型的形核、长大过程，通过碳、铁原子的扩散和晶体结构的重构来实现；渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆珠光体转变转变过程：5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆珠光体转变转变过程：贝氏体转变也是形核和长大的过程；贝氏体转变属半扩散型转变，即只有碳原子扩散而铁原子不扩散；根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下)。上贝氏体下贝氏体5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆贝氏体转变上贝氏体转变过程当转变温度较高（550～350℃)时，条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长；随铁素体条伸长和变宽，其碳原子向条间奥氏体富集；最后在铁素体条间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成B上。5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆贝氏体转变——上贝氏体光镜下电镜下B上在光镜下呈羽毛状；在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆贝氏体转变——上贝氏体下贝氏体转变当转变温度较低（350～230℃)时，铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状；由于碳原子扩散能力低，其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆贝氏体转变——下贝氏体光镜下电镜下在光镜下，B下呈针状；在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内。5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆贝氏体转变——下贝氏体上贝氏体贝氏体组织的透射电镜形貌下贝氏体上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值；下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆贝氏体的机械性能强化钢的重要途径之一；非扩散型转变。马氏体组织5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆马氏体转变当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织；碳在-Fe中的过饱和固溶体；马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中；铁原子微调整，使原来奥氏体的面心立方晶格改组成体心立方晶格。5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆马氏体转变——马氏体的形成板条状、针状；形态取决于奥氏体的含碳量：0.30%时，板条马氏体；0.30%～1.0%之间时，板条、针状马氏体混合组织；1.0%时，针状马氏体。马氏体形态与含碳量的关系0.45%C0.2%C1.2%C5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆马氏体转变——马氏体的形态板条马氏体：立体形态为细长的扁棒状；在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织；每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列，一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束。光镜下电镜下在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错，=1012/cm2，又称位错马氏体。5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆马氏体转变——马氏体的形态在光镜下，针状、竹叶状、凸透镜状；在电镜下，亚结构主要是孪晶；高碳针状马氏体又称孪晶马氏体。电镜下光镜下针状马氏体：5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆马氏体转变——马氏体的形态马氏体的硬度主要取决于其含碳量；含碳量增加，其硬度增加；当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓；合金元素对马氏体硬度的影响不大。高硬度！马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C%5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆马氏体转变——马氏体的性能主要原因是过饱和碳引起的晶格畸变，即固溶强化；转变过程中的大量晶体缺陷和引起的组织细化；过饱和的碳以弥散碳化物的形式析出。针状马氏体板条马氏体马氏体的透射电镜形貌塑韧性比较：高针状马氏体的塑性和韧性均很差；低碳板条马氏体的塑性和韧性好。5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆马氏体转变——马氏体的性能a.非扩散型铁和碳原子都不扩散，转变形成碳在α铁中的过饱和固溶体；因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。板条状马氏体针状马氏体5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆马氏体转变——马氏体转变的特点b.共格切变性由于无扩散，晶格转变是以切变机制进行的；使切变部分的形状和体积发生变化，引起相邻奥氏体随之变形；在预先抛光的表面上产生浮凸现象。马氏体转变切变示意图马氏体转变产生的表面浮凸5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆马氏体转变——马氏体转变的特点c.降温形成马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用Ms表示；马氏体转变终了温度称下马氏体点，用Mf表示；只要温度达到Ms以下即发生马氏体转变；在Ms以下，随温度下降,转变量增加，冷却中断,转变停止。MfMsM(50%)M(90%)5.3钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变②共析钢等温转变产物的组织和特性◆马氏体转变——马氏体转变的特点d.形成速度极快马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。当一片马氏体形成时，可能因撞击作用