【正文】 第五章 鋼的熱處理 ? 改善鋼的性能，主要有兩條途徑： ? 一是合金化 ，這是下幾章研究的內容； ? 二是熱處理 ，這是本章要研究的內容。 概述 ? 熱處理 ： 是指將鋼在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的組織結構，獲得所需要性能的一種工藝 . ? 為簡明表示熱處理的基本工藝過程，通常用溫度 — 時間坐標繪出 熱處理工藝曲線 。 ? 在機床制造中 約 6070%的零件要經過熱處理。 ? 在汽車、拖拉機制造業(yè)中 需熱處理的零件達 7080%。 ? 熱處理是一種重要的加工工藝， 在制造業(yè)被廣泛應用 . ? 模具、滾動軸承 100%需經過熱處理。 ? 總之，重要零件 都需適當熱處理后才能使用。 ? 熱處理特點 : 熱處理 區(qū)別于其他加工工藝如鑄造、壓力加工等的特點是 只通過改變工件的組織來改變性能，而不改變其形狀。 ? 熱處理適用范圍 :只適用于固態(tài)下發(fā)生相變的材料 ，不發(fā)生固態(tài)相變的材料不能用熱處理強化。 ? 熱處理分類 ? 熱處理原理： 描述熱處理時鋼中組織轉變的規(guī)律稱 熱處理原理 。 ? 熱處理工藝： 根據熱處理原理制定的溫度、時間、介質等參數(shù)稱 熱處理工藝 。 ? 根據加熱、冷卻方式及鋼組織性能變化特點不同，將熱處理工藝分類如下： 其他熱處理 普通熱處理 表面熱處理 熱處理 退火正火淬火回火 真空熱處理形變熱處理激光熱處理 控制氣氛熱處理 表面淬火 — 感應加熱、火焰加熱、 電接觸加熱等 化學熱處理 — 滲碳、氮化、碳氮 共滲、滲其他元素等 ? 預備 (或叫 預先 )熱處理與最終熱處理 ? 預備熱處理 — 為隨后的加工（冷拔、沖壓、切削）或進一步熱處理作準備的熱處理。 ? 最終熱處理 — 賦予工件所要求的使用性能的熱處理 . 預備熱處理 最終熱處理 W18Cr4V鋼熱處理工藝曲線 時間 鋼加熱時的實際轉變溫度分別用 Ac Ac Accm表示 。冷卻時的實際轉變溫度分別用 Ar Ar Arcm表示。 ? 由于加熱冷卻速度直接影響轉變溫度，因此一般手冊中的數(shù)據是以 3050℃ /h 的速度加熱或冷卻時測得的 . ? 臨界溫度與實際轉變溫度 ? 鐵碳相圖中 PSK、 GS、 ES線分別用 A A Acm表示 . ? 實際加熱或冷卻時存在著過冷或過熱現(xiàn)象，因此將 第一節(jié) 鋼在加熱時的轉變 ? 加熱是熱處理的第一道工序。加熱分兩種：一種是在A1以下加熱，不發(fā)生相變；另一種是 在臨界點以上加熱，目的是獲得均勻的奧氏體組織，稱 奧氏體化 。 ? 一、 奧氏體的形成過程 ? 奧氏體化也是形核和長大的過程， 分為四步?，F(xiàn)以共析鋼為例說明： ? 第一步 奧氏體晶核形成： 首先在 ?與 Fe3C相界形核。 ? 第二步 奧氏體晶核長大： ? 晶核通過碳、鐵原子的擴散向 ? 和 Fe3C方向長大。 ? 第三步 殘余 Fe3C溶解 : 鐵素體的成分 、 結構更接近于奧氏體，因而先消失。殘余的 Fe3C隨保溫時間延長繼續(xù)溶解直至消失。 ? 第四步 奧氏體成分均勻化 ： Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通過長時間保溫使奧氏體成分趨于均勻。 ? 亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體化過程與共析鋼基本相同 。但由于先共析 ? 或二次 Fe3C的存在，要獲得全部奧氏體組織，必須相應加熱到 Ac3或 Accm以上 . 二、 奧氏體晶粒長大及其影響因素 ? 奧氏體晶粒長大 ? 奧氏體化剛結束時的晶粒度稱 起始晶粒度 ,此時晶粒細小均勻。 ? 隨加熱溫度升高或保溫時間延長，奧氏體 晶粒將進一步長大 ，這也是一個自發(fā)的過程。奧氏體晶粒長大過程與再結晶晶粒長大過程相同。 溫來判斷。 ? 晶粒度為 14 級的是 本質粗晶粒鋼 , 58 級的是 本質細晶粒鋼 。前者晶粒長大傾向大，后者晶粒長大傾向小。 ? 在給定溫度下奧氏體的晶粒度稱 實際晶粒度 。 ? 加熱時奧氏體晶粒的長大傾向稱 本質晶粒度 。 ? 通常將鋼加熱到 940? 10℃ 奧氏體化后，設法把奧氏體晶粒保留到室 ? 影響奧氏體晶粒長大的因素 ? ⑴ 加熱溫度和保溫時間 : 加熱溫度高 、 保溫時間長 , ? 晶粒粗大 . ? ⑵ 加熱速度 : 加熱速度越快 ,過熱度越大 , 形核率越高 , 晶粒越細 . ? ⑶ 合金元素： ? 阻礙奧氏體晶粒長大的元素 : Ti、 V、 Nb、 Ta、 Zr、 W、Mo、 Cr、 Al等 碳化物和氮化物形成元素。 析出顆粒對黃銅晶界的釘扎 Nb/% 奧氏體晶粒尺寸/μm Nb、 Ti對 奧氏體晶粒的影響 ? 促進奧氏體晶粒長大的元素： Mn、 P、 C、 N。 ? ⑷ 原始組織 : 平衡狀態(tài)的組織有利于獲得細晶粒。 ? 奧氏體晶粒粗大，冷卻后的組織也粗大，降低鋼的常溫力學性能，尤其是塑性。因此加熱得到細而均勻的奧氏體晶粒是熱處理的關鍵問題之一。 第二節(jié) 過冷奧氏體轉變產物的組織形態(tài)與性能 ? 冷卻是熱處理更重要的工序 。 ? 過冷奧氏體的轉變產物及轉變過程 : ? 處于臨界點 A1以下的奧氏體稱 過冷奧氏體 。 過冷奧氏體是非穩(wěn)定組織，遲早要發(fā)生轉變。 隨過冷度不同，過冷奧氏體將發(fā)生 珠光體轉變 、 貝氏體轉變 和馬氏體轉變 三種類型轉變。 ? 現(xiàn)以共析鋼為例說明： 一、珠光體轉變 珠光體的組織形態(tài)與性能 ? 過冷奧氏體在 A1到 550℃ 間將轉變?yōu)橹楣怏w類型組織 ，它是 鐵素體與滲碳體片層相間的機械混合 珠光體 索氏體 屈氏體 物 ，根據片層厚薄不同 ,又細分為 珠光體 、索氏體 和 屈氏體 (或 托氏體 ). ? ⑴ 珠光體： ? 形成溫度為 A1650℃ ，片層較厚， 500倍光鏡下可辨，用符號 P表示 . ? ⑵ 索氏體 形成溫度為 650600℃ ,片層較薄， 8001000倍光鏡下可辨，用符號 S 表示。 電鏡形貌 光鏡形貌 ? ⑶ 屈氏體 ? 形成溫度為 600550℃ ，片層極薄，電鏡下可辨，用符號 T 表示。 電鏡形貌 光鏡形貌 ? 珠光體、索氏體、屈氏體 三種組織無本質區(qū)別，只是形態(tài)上的粗細之分，因此其界限也是相對的。 片間距 ?b HRC ? ? 片間距越小，鋼的強度、硬度越高，而塑性和韌性略有改善。 ? 珠光體轉變過程 ? 珠光體轉變也是形核和長大的過程。 滲碳體晶核首先在奧氏體晶界上形成，在長大過程中，其兩側奧 長大，形成一個珠光體團。 ? 珠光體轉變是擴散型轉變 (鐵、碳原子均擴散）。 氏體的含碳量下降，促進了鐵素體形核，兩者相間形核并 珠光體轉變 珠光體轉變過程 ? 二、 貝氏體轉變 ? 貝氏體的組織形態(tài)及性能 ? 過冷奧氏體在 550℃ 230℃ (Ms)間將轉變?yōu)樨愂象w類型組織，貝氏體用符號 B表示。 ? 根據其組織形態(tài)不同，貝氏體 又分為 上貝氏體(B上 )和 下貝氏體 (B下 ). 上貝氏體 下貝氏體 ? ⑴ 上貝氏體 ? 形成溫度為 550350℃ 。 ? 在光鏡下呈 羽毛狀 . ? 在電鏡下為 不連續(xù)棒狀的滲碳體分布于自奧氏體晶界向晶內平行生長的鐵素體條之間。 光鏡下 電鏡下 ? ⑵ 下貝氏體 ? 形成溫度為 350℃ Ms。 ? 在光鏡下呈 竹葉狀。 光鏡下 電鏡下 ? 在電鏡下為 細片狀碳化物分布于鐵素體針內，并與鐵素體針長軸方向呈 5560186。角。 ? 上貝氏體強度與塑性都較低，無實用價值。 ? 下貝氏體除了強度、硬度較高外，塑性、韌性也較好，即具有良好的綜合力學性能，是生產上常用的強化組織之一。 ? 貝氏體轉變也是形核和長大的過程，貝氏體轉變屬半擴散型轉變 （碳原子擴散，鐵原子不擴散）。 上貝氏體 貝氏體組織的透射電鏡形貌 下貝氏體 ? 貝氏體轉變過程 ? 貝氏體轉變也是形核和長大的過程。 ? 發(fā)生貝氏體轉變時 ,首先在奧氏體中的貧碳區(qū)形成鐵素體晶核，其含碳量介于奧氏體與平衡鐵素體之間，為 過飽和鐵素體。 ? 當轉變溫度較高 （ 550350℃ ) 時，條片狀鐵素體從奧氏體晶界向晶內平行生長，隨鐵素體條伸長和變寬，其碳原子向條間奧氏體富集，最后在鐵素體條間析出 Fe3C短棒，奧氏體消失，形成 B上 。 上貝氏體轉變過程 ? 貝氏體轉變屬半擴散型轉變 ，即只有碳原子擴散而鐵原子不擴散， 晶格類型改變是通過切變實現(xiàn)的。 ? 當轉變溫度較低（ 350 230℃ ) 時，鐵素體在晶界或晶內某些晶面上長成針狀，由于碳原子擴散能力低 ,其遷移不能逾越鐵素體片的范圍，碳在鐵素體的一定晶面上以斷續(xù)碳化物小片的形式析出。 下貝氏體轉變 ? 三、 馬氏體轉變 ? 當奧氏體過冷到 Ms以下將轉變?yōu)轳R氏體類型組織。 ? 馬氏體轉變是強化鋼的重要途徑之一。 ? 馬氏體的晶體結構 ? 碳在 ?Fe中的過飽和固溶體稱 馬氏體 ， 用 M表示。 馬氏體組織 ? 馬氏體轉變時，奧氏體中的碳全部保留到馬氏體中 . ? 馬氏體具有體心正方晶格（ a=b≠c） ? 軸比 c/a 稱馬氏體的正方度 。 ? C% 越高，正方度越大，正方畸變越嚴重。 ? 當＜ %C時， c/a=1，此時馬氏體為體心立方晶格 . ? 馬氏體的形態(tài) ? 馬氏體的形態(tài)分 板條 和針狀 兩類。 ⑴ 板條馬氏體 /位錯馬氏體 ? 立體形態(tài)為細長的扁棒狀 ? 在光鏡下板條馬氏體為一束束的細條組織。 光鏡下 電鏡下 ? 每束內條與條之間尺寸大致相同并呈平行排列，一個奧氏體晶粒內可形成幾個取向不同的馬氏體束。 ? 在電鏡下，板條內的亞結構主要是高密度的位錯， ?=10