第九章钢的热处理原理

第九章钢的热处理原理 主讲人：黄建平单位：材料科学与工程学院电话：18508460184 Email：hjphit_1983@163.com

第八章内容回顾 扩散的本质、机制、分类扩散定律（菲克第一定律和菲克第二定律）影响扩散的因素：温度、组织结构、固溶体类型、晶体缺陷和化学成分。

第九章钢的热处理原理 本章的主要内容 9.1 热处理概述 9.2 钢在加热时的转变 9.3 钢在冷却时的转变 9.4 钢在回火时的转变

第九章钢的热处理原理 本章重点：本章目的： 1 阐明钢的热处理的基本原理； 2 揭示钢在热处理过程中工艺－组织－性能的变化规律； 1 曲线的实质、分析和应用； 2 过冷奥氏体冷却转变及回火转变的各种组织的本质、形态和性能特点； 3马氏体高强度高硬度的本质

9.1 热处理概述 T保温 T t保温 V加热 V冷却 t 一热处理的定义及作用 1 热处理的定义：金属或合金在固态下于一定介质中加热到一定温度，保温一定时间，以一定速度冷却下来的一种综合工艺。三个基本过程：加热、保温、冷却 2 热处理工艺曲线四个重要参数： V加热、 T保温、 t保温、V冷却

9.1 热处理概述

9.1 热处理概述 3 热处理的意义及作用意义：应用广泛、效果显著：汽车零件80%；工模具、轴承100% 例：45#钢，840℃加热，不同方式冷却作用：（1）显著提高材料的使用性能（2）改善加工性能（切削、热处理） (3)提高工件的耐磨损性和耐腐蚀性。

9.1 热处理概述 L L+γ L + β γ γ +β α+γ α+β 二热处理的条件 • 有固态相变 • 加热时溶解度显著变化的合金。 L L + β α+L α α+ β

9.1 热处理概述 铁碳相图 A H B δ L J D N T L+γ L +Fe3C F E C γ G γ +Fe3C α+γ K A1 P S α α+Fe3C 6.69 Q → Fe3C Fe C% 为什么钢能热处理? ① α→ γ 固态相变﹄有相变重结晶 ② C溶解度显著变化﹄可固溶强化热处理温度区间： A1 ＜T ＜ TNJEF 热处理第一步 —加热奥氏体化

9.1 热处理概述 钢临界温度 1、Fe—Fe3C相图上的临界温度共析钢：PSK线（A1） P(α+Fe3C) → γ 亚共析钢：原始组织F+P PSK线（A1）P→γ GS线（A3）F→γ 过共析钢：原始组织Fe3C+P PSK线（A1）P→γ ES线（Acm）Fe3C溶入γ

9.1 热处理概述 在加热（冷却）速度为0.125℃/min时，对临界点A1，A3，Acm的影响实际加热、冷却条件下的临界温度加热时的临界温度用脚标C表示，AC1、AC3、ACcm；冷却时的临界温度用脚标r表示，Ar1、Ar3、Arcm。

9.1 热处理概述 三、固态相变的特点（1）相变阻力大 ΔG=ΔGV +ΔGS +ΔGe 式中： ΔGV—新相与母相珠光体之间的体积自由能差； ΔGS —为形成新相时所增加的界面能； ΔGe—形成新相时所增加的应变能。（2）新相与母相之间存在着一定的晶体学位向关系在γ-Fe转变成α-Fe时，{110}α//{111}γ，<111>α//<110>γ （3）母相晶体缺陷促进相变母相中的缺陷，如晶界、相界、位错、空位等自由能高，优先形核。（4）常出现过渡相由于固态相变阻力大，原子扩散困难，难以形成稳定相。过渡相是逐渐向稳定相转变的亚稳相。

9.1 热处理概述 四、固态相变的分类按形核长大的特点扩散型相变：相变是依靠相界面的扩散移动进行，相界是非共格的。非扩散型相变：依靠切变和转动进行，母相原子有规则、集体地转变，相界面是共格的。过渡型转变：介于上述两类之间的相变。

9.2钢在加热时的转变 一奥氏体形成的机理 1 奥氏体组织结构和性能 ① 定义：C 及合金元素固溶于面心立方结构的 γ-Fe 中形成的固溶体。 C溶于γ相八面体间隙中， R间隙 = 0.535 Å ﹤ R c=0.77 Å →γ晶格畸变，并非所有晶胞均可溶碳， 1148℃ → 2.5个晶胞溶一个C原子。 ② 性能：顺磁性；比容最小；塑性好；线膨胀系数较大

9.2钢在加热时的转变

9.2钢在加热时的转变 • 奥氏体化中成分组织结构的变化 • 以共析钢为例 • F + Fe3C → A (727 ℃) • 成分(C%) 0.0218 6.69 0.77 • 结构体心立方复杂正交面心立方说明奥氏体化中须两个过程： ① C 成分变化： C 的扩散 ② 铁晶格改组： Fe 扩散

9.2钢在加热时的转变 F FP FA A1 T 3 奥氏体形成热力学条件热力学条件: T﹥A1 原因：以珠光体与奥氏体的体积自由能之差来提供驱动力以克服新相晶核的表面能及弹性能 ⊿T T实际 ——存在过热度⊿T : T实际- T理论影响过热度主要因素: V加热 V加热↑，过热度⊿T↑；

9.2钢在加热时的转变 Accm Acm Ac3 A3 Arcm Ar3 Ac1 A1 Ar1 S 同理，冷却过程的固态相变需过冷度钢的热处理中六个重要的温度参数： A1 A3 Acm ； Ac1 Ac3 Accm ——加热过程 Ar1 Ar3 Arcm ——冷却过程

9.2钢在加热时的转变 4 奥氏体形成过程（共析钢）四个阶段：（1）奥氏体在F—Fe3C 界面上形核（10秒）（2）奥氏体向 F 及 Fe3C 两侧长大(几百秒) （3）剩余 Fe3C 的溶解； (千秒) （4）奥氏体中 C 的扩散均匀化。 (万秒)

9.2钢在加热时的转变 * 任何固态相变均需形核与长大过程 * 形核需要“三个起伏条件”：成分起伏、结构起伏、能量起伏 ——故晶界或缺陷处易形核

9.2钢在加热时的转变 5 亚共析钢、过共析钢的奥氏体化过程亚共析钢：F + P → F + A → A 过共析钢： Fe3C + P → Fe3C + A → A

9.2钢在加热时的转变 * 奥氏体化的目的：获成分均匀、晶粒细小的奥氏体晶粒 * 实际热处理中须控制奥氏体化程度。例：球化退火，要求获得粒状珠光体 → 要求A 中 C 不均匀 → 控制第三、四阶段

9.2钢在加热时的转变 三奥氏体晶粒度及影响因素 1 奥氏体晶粒度概念奥氏体晶粒度表示奥氏体晶粒大小，工业上一般分为8级。 1-4 级粗(0,-1)，5-8 级细，8级以上极细; 计算式： n = 2 N-1 N：晶粒度级别 n：1平方英寸视场中所包含的平均晶粒数(100X)。标准晶粒度级别图

9.2钢在加热时的转变 标准晶粒度级别图

9.2钢在加热时的转变 奥氏体有三种不同概念的晶粒度 (1) 初始晶粒度：奥氏体转变刚结束时的晶粒大小。 ——通常极细小 (2) 实际晶粒度：具体加热条件下获得的奥氏体晶粒大小 ①与具体热处理工艺有关：热处理温度↑，时间↑ ，晶粒长大，加热速度↑ ，晶粒越细。 ②与晶粒是否容易长大有关 ———引入本质晶粒度概念

9.2钢在加热时的转变 （3）本质晶粒度指钢在特定的加热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向性，分为本质粗晶粒度和本质细晶粒度。测定方法：加热至930±10℃，保温8h，若A晶粒1-4 级：本质粗晶粒度钢， 5-8 级：本质细晶粒度钢。

9.2钢在加热时的转变 关于本质晶粒度概念的要点： ① 表征该钢种在通常的热处理条件下 A 晶粒长大的趋势，不代表真实、实际晶粒大小； ② 本质粗晶粒度钢实际晶粒度并非一定粗大，本质细晶粒度钢实际晶粒度并非一定细小；而与具体的热处理工艺有关。 ③ 本质晶粒度主要与成分或冶炼条件有关机理：难溶粒子的机械阻碍作用 Al 脱氧镇静钢含V、Ti、Nb、Zr 钢

9.2钢在加热时的转变 机理：难溶粒子的机械阻碍作用例如：AlN、VN、TiN、NbN、ZrN 本质粗晶粒钢本质细晶粒钢

9.2钢在加热时的转变 ④ 是确定热处理工艺参数以及热处理质量的重要依据 “过热” ：热处理加热中A晶粒显著粗化本质粗晶粒钢：须严格控制加热T、t ——需热处理件尽可能选择本质细晶粒钢

9.2钢在加热时的转变 例如：渗 C 用钢 20MnVB, 20CrMnTi —— 本质细晶粒度钢

9.2钢在加热时的转变 1250℃ 晶粒度 1050 ℃ 900 ℃ 保温时间 t 2 影响奥氏体晶粒长大的因素 ① 加热温度和保温时间 T↑、 t↑ ，A 晶粒长大； T 的影响远大于 t ② 加热速度 ——常规加热速度下影响不大 ——快速加热，短时保温的超细化工艺如高频加热，激光加热等

9.2钢在加热时的转变 ③成分强烈阻碍：Al、V、Ti、Zr、Nb 原因：机械阻碍理论 ——形成难溶碳、氮化物中等阻碍：Cr、W、Mo 促进长大： Mn、P、溶入 A 的 C ┖降低铁原子的结合力，促进铁的扩散 ④钢的原始组织

9.3 钢在冷却时的转变 冷却过程——热处理工艺的关键部分，对控制热处理以后的组织与性能起着极大作用，不同的冷却速度获不同的组织与性能。

9.3 钢在冷却时的转变 1 高温转变产物 ——Fe、C均扩散亚共析钢： F+P; 共析钢：P；过共析钢： P+Fe3C ┗ 珠光体类型化学成分与晶格类型的转变均靠扩散实现 ——扩散类型

9.3 钢在冷却时的转变 2 中温转变产物 ——Fe不扩散，C部分扩散 α(C过饱和的）+Fe3C的机械混合物 ┗ 贝氏体类型( B) 化学成分的变化靠扩散实现晶格类型的转变非扩散性 ——半扩散性

9.3 钢在冷却时的转变 3 低温转变产物 Fe、C均不扩散——非扩散型得 C 在α-Fe 中的过饱和固溶体 ┗ 马氏体 ——马氏体类型( M)

9.3 钢在冷却时的转变 热处理的两种冷却方式：等温冷却 ——过冷奥氏体等温转变动力学曲线连续冷却——过冷奥氏体连续转变动力学曲线

9.3 钢在冷却时的转变 一过冷奥氏体等温转变动力学曲线 (Temperature-Time-Transformation) ——C曲线 A HRC 过冷奥氏体与奥氏体的区别 A1 A过冷 700 15 P A→P 产物： P：珠光体 B：贝氏体 M：马氏体鼻点 500 40 B τ孕 T A→B 45 55 Ms 200 A→M Mf >60 M+AR 1 10 102 103 104 105 τ

9.3 钢在冷却时的转变

9.3 钢在冷却时的转变 2 要点; ① 不同温度下转变产物不同；高温转变产物(A1~550℃)：珠光体( P)——扩散型中温转变产物(550℃~MS)：贝氏体( B)—半扩散型低温转变产物(MS~Mf)：马氏体( M)——非扩散型

9.3 钢在冷却时的转变 ② 存在孕育期 ——过冷奥氏体等温分解所需的准备时间 ——代表 A过冷稳定性。 ③ 存在鼻点： ——孕育期最短， A过冷最不稳定； ④ T转↓，产物硬度↑。 ⑤ 马氏体是过冷奥氏体连续冷却中的一种转变组织，非等温转变产物。将其画入，使过冷奥氏体等温转变曲线更完备、实用

9.3 钢在冷却时的转变 亚共析钢、过共析钢C曲线：

9.3 钢在冷却时的转变 亚共析钢、过共析钢C曲线：以珠光体转变为例：亚共析钢珠光体型转变式： A→F先共析+ P 过共析钢珠光体型转变式： A→ Fe3C先共析 + P

9.3 钢在冷却时的转变 ① 多一条先共析相析出线； ② 先共析相量随转变温度下降而减少，鼻点温度以下无先共析相析出。 ——转变温度的降低会抑制先共析相的析出；当转变温度足够低，先共析相的析出被完全抑制——由非共析成分获得的共析组织称为伪共析体

9.3 钢在冷却时的转变 二影响 C 曲线的因素指溶入奥氏体中的C 与奥氏体状态有关 1 化学成分（1）含碳量：理论：奥氏体中 C%↑，C 曲线右移。 F 相难析出，珠光体转变难进行，实际；亚共析钢：C%↑，C 曲线右移；过共析：C%↑，左移；未溶 Fe3C↑

9.3 钢在冷却时的转变 0.9%C （2）合金元素 ① 除Co、Al（WAl>2.5%）外，其它合金元素随 Me%↑，C曲线右移 ——须溶入 A 中 0.9C+0.5Mn T 0.9C+1.2Mn 0.9+2.8Mn τ 0.5C+2%Cr 0.5C 0.5C+8%Cr T 0.5C+4%Cr τ

9.3 钢在冷却时的转变 非碳化物形成元素：只改变C曲线位置 Co,Al,Ni,Cu,Si T Si Co,Al Ni,Si,Cu,Mn Ni,Cu,Mn Ms Co,Al 外所有合金元素 τ

9.3 钢在冷却时的转变 T τ 中强碳化物形成元素Cr 的影响强碳化物形成元素W,Mo,V,Ti,Nb 等的影响强碳化物形成元素W,Mo,V,Ti,Nb 等的影响：改变C 曲线位置和形态

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