第1章 钢的热处理

78第一章钢的热处理热处理是机器零件及工具制造过程中的重要工序，零件热处理质量的高低对产品的质量往往具有决定性的影响。因此，热处理得到了广泛的应用，汽车、拖拉机制造中70～80%的零件需要热处理，各种工夹量具和轴承则100%进行热处理。热处理主要用于金属材料，但有时也用于部分陶瓷及塑料。热处理的传统定义已不能完全概括各种金属热处理工艺的基本过程。对于通常的金属热处理工艺，一般均由不同的加热、保温和冷却三个阶段组成，从而改变整体或表面组织（但形状不变），获得所需的性能。热处理原理研究热处理过程中组织转变的规律；而热处理工艺是根据原理制定的温度、时间、介质等参数。根据加热、保温和冷却工艺方法的不同，钢的热处理分类如下（GB/T12603－1990）：共渗）氮、渗其它元素、多元化学热处理（渗碳、渗物理气相沉积）淬火、化学气相沉积、面淬火、激光加热表面表面淬火、火焰加热表表面热处理（感应加热火、淬火、回火）整体热处理（退火、正热处理根据热处理在零件加工中的工序位置又可分为预先热处理和最终热处理。预先热处理是为了改善零件的加工工艺性能，如退火和正火。而最终热处理是为了提高零件的使用性能，充分发挥金属材料的性能潜力，如获得良好综合力学性能的淬火加高温回火。第一节钢在加热时的转变Fe-Fe3C平衡相图中的A1、A3、Acm三条相变线分别代表着共析钢、亚共析钢和过共析钢完全转变为奥氏体的临界温度。但在实际热处理加热和冷却条件下，相变是在不平衡条件下进行的，因此加热时的临界温度比理论值高一个过热度，通常标为Ac1、Ac3、Accm，如图6-1所示。而冷却时的临界温度又比理论值低一个过冷度，通常标为Ar1、Ar3、Arcm。上述实际的临界温度并不是固定的，它们受含碳量、合金元素含量、奥氏体化温度、加热和冷却速率等因素的影响而变化，手册中给出的数据是在一定条件下得到的，仅供参考。一、奥氏体的形成奥氏体的形成过程（也称“奥氏体化”）也是通过形核和长大的机制来完成的。该过程是依靠铁、碳原子的扩散来实现的，属于扩散型相变。以共析钢为例，当加热到Ac1以上时，奥氏体的自由能低于珠光体，必将发生珠光体向奥氏体的转变。此时珠光体很不稳定，铁素体和渗碳体的界面在成分和结构上处于有利于转变的条件，首先在这里形成奥氏体晶核。随即建立奥氏体与铁素体以及奥氏体与渗碳体之间的平衡，依靠铁、碳原子的扩散，使临近的铁素体晶格改组为面心立方晶格的奥氏体。同时，图6-1碳钢在加热和冷却时的临界点79邻近的渗碳体不断溶入奥氏体，一直进行到铁素体全部转变为奥氏体，这样各个奥氏体的晶核均得到了长大，直到各个位向不同的奥氏体晶粒接触为止。由于渗碳体的晶体结构和含碳量都与奥氏体的差别很大，故铁素体向奥氏体的转变速度要比渗碳体向奥氏体的溶解快得多，当铁素体转变成奥氏体后还有残存的渗碳体。残余渗碳体完全溶解后，奥氏体中碳浓度的分布是不均匀的，原来是渗碳体的地方碳浓度较高，原先是铁素体的地方碳浓度较低，必须继续保温，通过碳的扩散获得均匀的奥氏体。上述过程可以看成由奥氏体形核、晶核的长大、残留渗碳体的溶解和奥氏体的均匀化四个阶段组成，如图6-2所示。亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程和共析钢基本相同，当加热到Ac1以上时还存在先共析铁素体或二次渗碳体，必须继续加热到Ac3或Accm以上时才能得到单一的奥氏体。二、奥氏体晶粒的长大及影响因素奥氏体的晶粒越细，冷却后的组织也越细，其强度、塑性和韧性较好。因此，在用材和热处理工艺上，如何获得细的奥氏体晶粒，对工件最后的性能和质量具有重要的意义。1．奥氏体晶粒度晶粒度是指多晶体内晶粒的大小，可以用晶粒号、晶粒平均直径、单位面积或单位体积内晶粒的数目来表示。奥氏体有三种不同概念的晶粒度：1）起始晶粒度指珠光体刚刚转变为奥氏体时的晶粒度。一般情况下奥氏体的起始晶粒度较小，继续加热或保温将使它长大。2）实际晶粒度指某一具体热处理或加热条件下所获得的奥氏体晶粒大小，它直接影响了钢的性能。实际晶粒度一般比起始晶粒度大。3）本质晶粒度表示钢在规定条件下奥氏体长大倾向性的高低。按冶金部标准规定，在评定钢的本质晶粒度时，将钢加热到930±10℃，保温3～8h冷却后制成金相样品，在放大100倍的金相显微镜下与国家标准晶粒度等级图进行对比。一般结构钢的奥氏体晶粒度按标准分为10级，1级最粗，10级最细。对于碳素钢，奥氏体晶粒随加热温度升高会迅速长大，这类钢称为本质粗晶粒钢；而对大多数合金钢，奥氏体晶粒则不容易长大，这类钢称为本质细晶粒钢（见图6-3）。但不能认为本质细晶粒钢在任何加热条件下晶粒都不会粗化，如果温图6-3加热温度与奥氏体晶粒长大的关系a)A形核b)A长大c)残余Fe3C溶解d)A均匀化图6-2共析钢的奥氏体化过程示意图80度超过950～1000℃，阻止晶粒长大的因素消失，其晶粒比本质粗晶粒钢长的还要大。本质细晶粒钢在930~950℃以下加热时晶粒长大的倾向小，适宜进行热处理。不同冶炼工艺的钢，奥氏体长大倾向性是不同的。通常是经锰硅脱氧的钢为本质粗晶粒钢，而经铝脱氧的钢为本质细晶粒钢。沸腾钢为本质粗晶粒钢，镇静钢为本质细晶粒钢。需要热处理的工件，一般采用本质细晶粒钢制造。2．影响奥氏体晶粒度的因素高温下奥氏体晶粒长大是一个自发过程。一切影响原子迁移扩散的因素都能影响奥氏体晶粒的长大。1）加热温度和保温时间奥氏体化温度越高，晶粒长大越明显。在一定温度下，保温时间越长越有利于晶界总面积减少而导致晶粒粗化。2）加热速度的影响实际生产中有时采用高温快速加热、短时保温的方法，可以获得细小的晶粒。因为加热速度越大，奥氏体转变时的过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，则奥氏体的形核率越高，起始晶粒越细。由于高温下保温时间短，奥氏体晶粒来不及长大，因此可以获得细晶粒组织。但是，如果在高温下长时间保温，晶粒则很容易长大。3）钢的成分对于亚共析钢随奥氏体中含碳量，奥氏体晶粒的长大倾向也增大，因为碳是一个促使奥氏体晶粒长大的元素。但对于过共析钢，部分碳以未溶碳化物的形式分布于奥氏体晶界，它有阻碍晶粒长大的作用。除了Mn和P为促进奥氏体晶粒长大的元素外，大部分合金元素（如Ti、V、Nb、Al等）加入钢中后能形成稳定的碳化物、氧化物和氮化物弥散分布在晶界上，从而阻碍奥氏体晶粒长大。第二节钢在冷却时的转变钢在高温时所形成的奥氏体，过冷至Ar1以下就成为处于热力学不稳状态的过冷奥氏体（A冷）。在不同过冷度下，过冷奥氏体可能转变为贝氏体、马氏体等亚稳定组织。现以共析碳钢为例，讨论过冷奥氏体转变产物——珠光体、马氏体、贝氏体的组织形态与性能。一、珠光体类型转变1．珠光体的组织形态和性能过冷奥氏体在A1至550℃温度范围内，将分解为珠光体类型组织。该组织为层片状的渗碳体和铁素体的机械混合物（如图4-22）。由于转变温度不同，原子扩散能力不同，形成的片层厚度也不同。根据层片的厚薄即组织粗细程度，这类组织可细分为：1）珠光体（P）形成温度A1～650℃，片层厚度0.4m，在500倍金相显微镜下即可分辩片层。硬度约为160～250HBS。2）索氏体（S）形成温度650~600℃，片层厚度0.2～0.4m，在800~1000倍金相显微镜下才能鉴别。硬度约为25～35HRC。3）屈氏体（T）形成温度600~550℃，片层厚度0.2m。组织极细，只有在高倍电子81显微镜下才能分辨清，否则呈黑色团状组织。硬度约为35～48HRC。可见，珠光体的转变温度越低即过冷度越大，组织越细，则强度、硬度越高。因为片层间距越小，相界面越多，位错受阻越大，塑性变形抗力就越大。同时由于渗碳体片变薄，越易变形，不易脆断，使得塑性和韧性有所改善。过冷奥氏体所分解的珠光体类型组织，其渗碳体一般呈片状，只有在A1附近的温度范围内作足够长的时间保温，才可能使片状渗碳体球化。此时转变产物可能是粒状珠光体（渗碳体呈颗粒状分布在铁素体基体上）而不是层片状珠光体。对于相同成分的钢，粒状珠光体比片状珠光体具有较少的相界面，因而其硬度、强度较低，但塑性、韧性较高。粒状珠光体常常是高碳钢（高碳工具钢）切削加工前要求获得的组织状态。2．珠光体的转变过程奥氏体向珠光体的转变是一种扩散型相变，它通过铁、碳原子的扩散和晶格重构两个物理过程来实现，也是一个形核和长大的过程。如图6-4所示，当过冷奥氏体在Ar1～550℃范围发生珠光体转变，首先在奥氏体晶界上产生渗碳体小片晶核（图a）。这种小片状渗碳体晶核向纵、横向长大时，吸收了两侧奥氏体中的碳原子，使其两侧的奥氏体含碳量显著降低，从而出现了铁素体片（图b）。新生成的铁素体片，除了伴随渗碳体片沿纵向长大外，也沿横向长大。铁素体横向长大时，必然要向侧面的奥氏体中排出多余的碳，因而显著增高侧面奥氏体的碳浓度，这就促进了另一片渗碳体的形成，而出现新的渗碳体片。如此反复进行，最后形成一个珠光体团。同时，在长大的珠光体与奥氏体相界上，也有可能产生新的具有另一长大方向的渗碳体晶核，成长为新的珠光体集团（图c）。一直长大到各个珠光体集团相碰，奥氏体全部转变为珠光体时，珠光体形成即告结束。随着转变温度的下降，渗碳体形核和长大加快，因此形成的珠光体变得越来越细。二、贝氏体类型转变1．贝氏体组织形态和性能过冷奥氏体在550℃~Ms温度范围将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号“B”表示。贝氏体组织随转变温度不同主要有上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）两种，它们都是碳化物分布在过饱和铁素体基体上所形成的亚稳组织。（1）上贝氏体组织形态a)b)c)图6-4片状珠光体转变过程示意图82上贝氏体约在550～350℃温度范围内形成，在低碳钢中形成温度要高些。在光学显微镜下呈羽毛状，即成束的自晶界向晶粒内生长的铁素体条，如图6-5a）所示。在电子显微镜下，可以看到铁素体和渗碳体两个相，渗碳体（亮白色）以不连续的、短杆状形状分布于许多平行而密集的过饱和铁素体条（暗黑色）之间，如图6-6a）所示。在铁素体条内分布有位错亚结构，位错密度随形成温度的降低而增大。（2）下贝氏体组织形态下贝氏体约在350℃~Ms较低温度范围内形成，这时其铁素体的碳过饱和度较上贝氏体更大。在光学显微镜下呈黑针状，如图6-5b）所示。在电子显微镜下方可看清是由针片状过饱和铁素体和与其共格的碳化物（Fe2.4C）组成。碳化物呈短条状，沿着与铁素体片的长轴相夹55~65°角的方向分列成排，如图6-6b）所示。下贝氏体的亚结构与上贝氏体一样，也是位错，但其密度较高些。至于是否存在孪晶型下贝氏体则尚未肯定。（3）贝氏体的机械性能贝氏体的机械性能主要取决于其组织形态。上贝氏体的铁素体条较宽，塑变抗力较低。同时渗碳体分布在铁素体条之间，易引起脆断，因此，上贝氏体的强度和韧性均较差，在工业中基本不使用。下贝氏体组织中片状铁素体细小，碳的过饱和度大、位错密度高，而且碳化物沉淀在铁素体内弥散分布。因此强度、硬度、韧性和塑性均高于上贝氏体，具有优良的综合机械性能。生产上中、高碳钢常利用等温淬火获得以下贝氏体为主的组织，使钢件具有较高的强韧性，同时由于下贝氏体比容比马氏体小，可减少变形开裂。2．贝氏体转变过程奥氏体向贝氏体的转变属半扩散型相变，铁原子基本不扩散而碳原子有一定扩散能力。a)上贝氏体b)下贝氏体图6-5上贝氏体与下贝氏体的光学金相照片a)上贝氏体b)下贝氏体图6-6上贝氏体与下贝氏体的电子显微镜照片83发生贝氏体转变时，首先在过冷奥氏体的贫碳区孕育出铁素体晶核（仍是过饱和状态），然后随碳原子的扩散逐渐长大。当温度较高（550～350℃）时，条状过饱和铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长，随着密排的铁素体条伸长变宽，碳原子不断向条间的奥氏体富集，最终在条间沿条的长轴方向析出杆状碳化物，形成典型的上贝氏体组织，见图6-7。当温度较低（350℃~Ms）时，过饱和铁素体在奥氏体的晶界或晶内某些晶面呈针状分布，因温度较低，碳原子扩散能力很小，碳原子的迁移不能逾越铁素体片的范围，只能在铁素体内沿一定晶面偏聚进而沿与片的长轴成55~65°夹角的方向上沉淀出碳化物粒子