第九章钢热处理原理

第九章 钢的热处理原理

2013-3-26

9.1、概 述钢的热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定 的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。 通过热处理可以改变钢的内部组织结构，从而改善其工艺性 能和使用性能，充分挖掘钢材的潜力，延长零件的使用寿命，提 高产品质量，节约材料和能源。 钢中组织转变的规律是热处理的理论基础，称为热处理原理。 热处理原理包括钢的加热转变、珠光体转变、马氏体转变、 贝氏体转变和回火转变。 钢能进行热处理，固态下应有相变，或有溶解度的变化，固 态下不发生相变的纯金属或合金不能用热处理强化。

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钢为什么能够进行热处理？原则上只有在加热或冷却时发生溶解度的显著变化或发生固态

相变的合金才能进行热处理。根据Fe-Fe3C相图，钢在高温和低温时具有不同的结构状态： 共析钢在加热和冷却过程中经过PSK线(A1)时，发生珠光体和 亚共析钢经过GS线(A3)时，发生铁素体与奥氏体之间的相互 过共析钢经过ES线(Acm)时，发生渗碳体与奥氏体之间的相互

奥氏体之间的相互转变；转变； 转变。

钢在加热和冷却过程中越过上述临界点就要发生固态相变，所以能 进行热处理。2013-3-26 3

9.2、 钢在加热时的转变钢在冷却时发生的固态转变(P、B、M) ,其母相均为奥氏体。 奥氏体组织的状况(如成分、均匀程度、晶粒大小等)直接影响冷 却转变过程以及转变产物的组织和性能，因此，研究加热时奥氏体 的形成过程具有重要的意义。 由Fe-Fe3C相图可知 共析钢加热到A1以上 亚共析钢 过共析钢 A3以上 Acm以上

奥氏体

平衡温度

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实际加热或冷却时组织转变会产生滞后现象，加热和冷却速度 越快，滞后现象将越加严重。 加 热 Ac1: P → A 开始温度 Ac3: α → A 终了温度 Accm: Fe3CⅡ→ A 终了温度 冷 却 Ar1: A → P 开始温度 Ar3: A → α 开始温度 Arcm: A → Fe3CⅡ开始温度

加热和冷却速度为0.125 /min 时对临界温度的影响2013-3-26

奥氏体形成的热力学条件奥氏体形成时系统总的自由能变化为： ΔG=ΔGV+ΔGS+ΔGe

式中，ΔGV为新相奥氏体与母相之间的体积自由能差；ΔGS为形成奥氏体 时所增加的界面能；ΔGe为形成奥氏体时所增加的应变能。其中，ΔGV是 奥氏体转变的驱动力，ΔGS与ΔGe是相变的阻力。Gγ

Gp

氏体的自由能相等。只有当温度高

当温度等于A1时，珠光体与奥

于A1时，珠光体向奥氏体转变的驱

珠光体和奥氏体的自由能随 温度变化的曲线2013-3-26

动力才能克服界面能和应变能的相变 阻力，使奥氏体的自由能低于珠光体 的自由能，奥氏体才

能自发形核。

1. 奥氏体的形成过程 获得所需要的组织和性能，多数工艺都须先将钢加热至单相奥 氏体，然后再以适当方式(或速度)冷却，以获得所需要的组织和性 能。 钢加热获得奥氏体的转变过程，称为奥氏体化过程。 共析钢为例

Fe3C

α-Fe

γ-Fe0.77 fcc

P

6.69 复杂晶格

+

0.0218 bcc

共析钢的奥氏体化过程包括以下四个阶段

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(1) 奥氏体的形核

优先在铁素体和渗碳体 的相界面上形成，此处能量 较高，容易获得奥氏体形核 所需要的浓度起伏、结构起 伏和能量起伏。(2) 奥氏体晶核长大 奥氏体晶核形成后即开始长大， 长大机制如下 A与F相邻的边界处的碳浓度为 Cγ-α,A与Fe3C相邻的边界处的碳 浓度为Cγ-c 。2013-3-26 8

Cγ-c > Cγ-α ,A中出现碳的浓度梯 度，引起碳在A中的扩散，逐渐长大。

A A

Fe3C

未溶

在铁素体内，Cα-c>Cα-γ ,促 进奥氏体长大。

当铁素体全部转变为奥氏体时，可以 认为，奥氏体的长大即完成。 但此时仍有部分渗碳体尚未溶解残留 在奥氏体中，这时奥氏体的平均碳浓度低 于共析成分。

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(3) 剩余渗碳体溶解 长大与碳的扩散和相界面碳浓度差有关。由 于F与A界面的浓度差 (Cγ-α一Cα-γ)远小于A与Cm 界面的浓度差(CFe3C一Cγ-c),因此，F→A转变远 比Fe3C溶解速度快。F总是首先消失。随后剩余 Fe3C通过扩散，不断溶人A中，使A碳浓度逐渐 趋于共析成分。 一旦渗碳体全部溶解，这一阶段便告结束。A

A

(4) 奥氏体成分均匀化 剩余渗碳体全部溶解后，A中的碳浓度 仍是不均匀的。只有继续延长保温时间或升 温，通过碳原子的扩散，才能使A碳浓度逐渐 趋于均匀化，最后得到均匀的单相奥氏体。 A形成过程全部完成。10

未溶碳化物2013-3-26

亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同， 当加热温度仅超过AC1时，只能使原始组织中的珠光体转变为奥 氏体，仍会保留一部分先共析铁素体或先共析渗碳体。 这种奥氏体化过程被称为 “部分奥氏体化”或“不完全奥 氏体化”。 只有当加热温度超过AC3或Accm,并保温足够的时间，才 能获得均匀的单相奥氏体，这又被称为是非共析钢的“完全奥 氏体化”。

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2. 奥氏体的形成速度共析钢的奥氏体等温形成图 珠光体向奥氏体转变开始

孕育期 AC1以上某温度等温时，奥 氏体需要一定时间后才开始形成， 这段时间称为孕育期。 温度 ↑ 孕育期 ↓

珠光体向奥氏体转变刚刚结束 奥氏体均 匀化完成

为获得同一状态，可用低 温长时间 V1,也可用高温短 剩余渗碳体 时间 V2加热。 溶解完毕 亚共析钢或过共析钢 ， 当珠光体全部转变成奥氏体 后，还有过

剩相铁素体或渗 碳体的继续转变。2013-3-26 12

亚共析钢或过共析钢奥氏体等温形成图当珠光体全部转变为奥氏体后，还有过剩相铁素体或渗碳体的继续转 变，也需要碳原子在奥氏体中的扩散及奥氏体与过剩相之间相界面的推移 来进行。与共析钢相比，过共析钢的渗碳体溶解和奥氏体的均匀化所需时 间要长得多。

亚共析钢2013-3-26

过共析钢13

3. 影响奥氏体形成速度的因素奥氏体形成是形核和长大过程，整个过程受原子扩散所控制。因此， 一切影响扩散、形核与长大的因素都影响奥氏体的形成速度。 主要影响因素有加热温度、原始组织和化学成分等。 (1)加热温度的影响 P→A转变是扩散相变过程，随加热温度↑,原子扩散系数↑, 特别是碳在A中的扩散系数↑,加快了A的形核和长大速度； A中的碳浓度差↑,浓度梯度↑,故原子扩散速度↑; A与P的自由能差↑,相变驱动力△Gv↑,A的形核率和长大速 度急剧↑,因此，转变的孕育期和转变所需时间显著↓,加热温度 越高，转变孕育期和完成转变的时间越↓。 影响奥氏体形成速度的各种因素中，温度是一个最主要的因素。

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(2)原始组织的影响 化学成分相同时，随原始组织中碳化物分散度的↑,F和Fe3C 相界面增多，A的形核率↑; 且P片层间距↓,使A中碳浓度梯度↑,碳的扩散距离↓,都 使A的长大速度↑。 因此，钢的原始组织越细，形成速度越快。 (3)化学成分的影响 a)含碳量越高，奥氏体的形成速度越快。 随含碳量增加，Fe3C量↑,F和Fe3C相界面积↑,A的形核部位↑, 增大了A的形核率； 碳化物数量↑,又使碳的扩散距离↓,碳浓度梯度↑; 随A中含碳量↑,碳和铁原子的扩散系数将↑,从而增大A的长大速 度。2013-3-26 15

b)合金元素的影响 ① 影响碳在A中的扩散速度 碳化物形成元素(如Cr、Mo、W、V、Ti等)大大减小了碳在A中的扩 散速度，故显著减慢了A的形成速度。 非碳化物形 …… 此处隐藏：2080字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……