【正文】 第 5章 鋼的熱處理原理 ② 轉(zhuǎn)變溫度越高，奧氏體的形成速度越快，轉(zhuǎn)變所需要的時間越短。 1. 加熱溫度的影響 加熱溫度越高則奧氏體形成的速度就越快。 F C F γCC??? 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 4. 奧氏體成分均勻化 當(dāng)殘留滲碳體全部溶解完時，原滲碳體存在的地方含碳量比原鐵素體存在的地方含碳量要高，所以需要繼續(xù)延長保溫時間，讓碳原子充分?jǐn)U散，才能使奧氏體的含碳量處處均勻。另一方面，由于在鐵素體內(nèi)，鐵素體與滲碳體和鐵素體與奧氏體接觸的兩個界面之間也存在著碳濃度差 ，因此，碳在奧氏體中擴散的同時，在鐵素體中也進(jìn)行著擴散。從而破壞了相界面的平衡，使系統(tǒng)自由能升高。假定它與鐵素體和滲碳體相鄰的界面都是平直的，根據(jù) FeFe3C相圖可知，奧氏體與鐵素體相鄰的邊界處的碳濃度為 Cγ ，奧氏體與滲碳體相鄰的邊界處的碳濃度為 Cγ C。所以，奧氏體形核優(yōu)先在相界面上形成。這是因為在相界面上碳濃度分布不均勻，位錯密度較高、原子排列不規(guī)則，晶格畸變大，處于能量較高的狀態(tài)，能為產(chǎn)生奧氏體晶核提供濃度和結(jié)構(gòu)兩方面的有利條件。當(dāng)加熱至 Ac1以上溫度保溫，珠光體將全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。通常把加熱時的臨界溫度加注下標(biāo)“ c”，如 Ac Ac Accm，而把冷卻時的臨界溫度加注下標(biāo)“ r”，如 Ar Ar Arcm，如圖 。 A A Acm為鋼在平衡條件下的臨界點。下面分別介紹鋼在加熱及冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變規(guī)律。據(jù)統(tǒng)計，拖拉機、汽車零件的 70%～80%需要進(jìn)行熱處理；各種刀具、量具和模具 100%要進(jìn)行熱處理。 教學(xué)要求：了解鋼加熱時奧氏體化的基本過程；理解過冷奧氏體等溫冷卻和連續(xù)冷卻曲線的物理意義；熟悉影響 C曲線形狀和位置的因素，以及 C曲線在熱處理生產(chǎn)中的實際應(yīng)用；掌握過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 (珠光體、索氏體、屈氏體、馬氏體、貝氏體 )的組織特點和性能特點。熱處理的實質(zhì)是把金屬材料在固態(tài)下加熱到預(yù)定的溫度，保溫預(yù)定的時間，然后以預(yù)定的方式冷卻下來，通過這樣一個工藝過程，改變金屬材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，從而使工件的性能發(fā)生預(yù)期的變化。熱處理的目的在于改變工件的性能，即改善金屬材料的工藝性能，提高金屬材料的使用性能。 第 5章 鋼的熱處理原理 熱處理 (heat treatment)是一種重要的金屬加工工藝，它主要是把金屬材料在固態(tài)下加熱、保溫、冷卻，以改變其組織，從而獲得所需性能的一種熱加工工藝。如果將原材料在加工過程中采用的預(yù)備熱處理包括進(jìn)去，可以說所有的機械零件都要機械熱處理。 第 5章 鋼的熱處理原理 本章內(nèi)容 ● 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 ● 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 ● 小 結(jié) ● 本 章 習(xí) 題 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 轉(zhuǎn)變溫度 鋼的熱處理，一般都必須先將鋼加熱至臨界溫度以上，獲得奧氏體組織，然后再以適當(dāng)方式 (或速度 )冷卻，以獲得所需要的組織和性能。在實際熱處理生產(chǎn)過程中，加熱和冷卻不可能極其緩慢，因此上述轉(zhuǎn)變往往會產(chǎn)生不同程度的滯后現(xiàn)象。 第 5章 鋼的熱處理原理 圖 加熱和冷卻速度 (℃ /min)對臨界轉(zhuǎn)變溫度的影響 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 奧氏體的形成 以共析鋼為例說明奧氏體的形成過程。而由于鐵素體、滲碳體和奧氏體三者的含碳量和晶體結(jié)構(gòu)都相差很大。而奧氏體形核和液態(tài)結(jié)晶形核一樣，需要一定的結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏和濃度起伏。 2. 奧氏體晶核的長大 奧氏體形核后便開始長大。此時，兩個邊界處于界面平衡狀態(tài)，這是系統(tǒng)自由能最低的狀態(tài)。為了恢復(fù)平衡，滲碳體勢必溶入奧氏體，使它們相鄰界面的碳濃度恢復(fù)到 Cγ C，與此同時，另一個界面上，發(fā)生奧氏體碳原子向鐵素體的擴散，促使鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，使它們之間的界面恢復(fù)到 Cγ ，從而恢復(fù)界面的平衡，降低系統(tǒng)的自由能。由于擴散的結(jié)果，促使鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，從而促進(jìn)奧氏體長大。 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 影響奧氏體轉(zhuǎn)變速度的因素 奧氏體的形成是通過形核和長大過程進(jìn)行的，整個過程受原子擴散控制。這是因為加熱溫度高 (即過熱度大 )，則奧氏體形核率及長大速率都迅速增大，原子擴散能力也在增強，促進(jìn)了滲碳體的溶解和鐵素體的轉(zhuǎn)變。這是由兩方面原因造成的。 2. 加熱速度的影響 在連續(xù)升溫加熱時，加熱速度對奧氏體化過程有重要影響，加熱速度越快，則珠光體的過熱度越大，轉(zhuǎn)變的開始溫度 AC1越高，終了溫度也越高．但轉(zhuǎn)變的孕育期越短，轉(zhuǎn)變所需的時間也就越短。 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 另一方面，鋼中加入合金元素，并不改變珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的基本過程。 (2) 合金元素在珠光體中的分布是不均勻的：如鉻、鉬、鎢、釩、鈦等能形成碳化物的元素，主要存在于共析碳化物中，鎳、硅、鋁等不形成碳化物的元素，主要存在于共析鐵素體中。 (4) 極易形成碳化物的元素：如鈦、釩、鋯、鈮、鉬、鎢等，會形成特殊碳化物，其穩(wěn)定性比滲碳體高，很難溶入奧氏體，必須進(jìn)行較高溫度較長時間加熱才能完全溶解。 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 奧氏體的晶粒度及其影響因素 奧氏體的晶粒大小對鋼的冷卻轉(zhuǎn)變及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能都有重要的影響，同時也影響工藝性能。 1. 起始晶粒度 鋼加熱時，當(dāng)珠光體剛剛轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時，奧氏體晶粒大小叫起始晶粒度，此時的晶粒一般均較細(xì)小，若溫度提高或時間延長，晶粒會長大。顯然，晶粒長大的推動力是界面能的降低，而晶粒長大的阻力來自第二相的阻礙等作用。即實際晶粒度為在具體的加熱條件下加熱時，所得到奧氏體的實際晶粒大小。凡是奧氏體晶粒容易長大的鋼就稱為“本質(zhì)粗晶粒鋼”，反之，奧氏體晶粒不容易長大的鋼則稱為“本質(zhì)細(xì)晶粒鋼”。這個晶粒開始強烈長大的溫度稱為“晶粒粗化溫度”。晶粒度是 1級～ 4級的定為本質(zhì)粗晶粒鋼， 5級～ 8級的定為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。這是因為鋁、鈦、鋯等元素在鋼中會形成分布在晶界上的超細(xì)的化合物顆粒，如 AlN、Al2O TiC、 ZrC等，它們穩(wěn)定性很高，不容易聚集；也不容易溶解，能阻礙晶粒長大。因為，有些熱處理工藝，如滲碳、滲金屬等工藝，必須在高溫進(jìn)行長時間加熱才能實現(xiàn)，這時若采用本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，就能防止工件心部和表層過熱，滲后就能直接進(jìn)行淬火。所以一切影響原子擴散遷移的因素都能影響奧氏體晶粒長大。 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 奧氏體化后的鋼只有通過適當(dāng)?shù)睦鋮s，才能得到所需要的組織和性能。 第 5章 鋼的熱處理原理 過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 生產(chǎn)中冷卻的方式是多種多樣的。如圖 2所示。因其形狀通常像英文字母“ C”，故俗稱其為 C曲線，亦稱為 TTT圖。首先選一組試樣加熱至奧氏體化后，迅速轉(zhuǎn)入 A1以下一定溫度的熔鹽浴中等溫，各試樣停留不同時間之后，逐個取出試樣，迅速淬入鹽水中激冷，使尚未分解的過冷奧氏體變?yōu)轳R氏體，這樣在金相顯微鏡下就可觀察到過冷奧氏體的等溫分解過程，記下過冷奧氏體向其他組織轉(zhuǎn)變開始的時間和轉(zhuǎn)變終了的時間；顯然，等溫時間不同，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物量就不同。 C曲線中轉(zhuǎn)變開始線與縱軸的距離為孕育期，標(biāo)志著不同過冷度下過冷奧氏體的穩(wěn)定性，其中以 550℃ 左右共析鋼的孕育期最短，過冷奧氏體穩(wěn)定性最低，稱為 C曲線的“鼻尖”。 A1線以上是奧氏體穩(wěn)定區(qū)。 A1線以下， Ms線以上以及縱坐標(biāo)與過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始線之間的區(qū)域為過冷奧氏體區(qū)，過冷奧氏體在該區(qū)域內(nèi)不發(fā)生轉(zhuǎn)變，處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。過冷奧氏體轉(zhuǎn)變終了線與縱坐標(biāo)之間的水平距離則表示在不同溫度下轉(zhuǎn)變完成所需要的總時間。高溫時，自由能差起主導(dǎo)作用；低溫時，原子擴散系數(shù)起主導(dǎo)作用。當(dāng)奧氏體過冷到 A1以下時，首先在奧氏體晶界上產(chǎn)生滲碳體晶核，通過原子擴散，滲碳體依靠周圍奧氏體供應(yīng)碳原子長大，同時由于滲碳體兩邊奧氏體含碳量降低，從而為鐵素體的形核創(chuàng)造了條件，使兩邊的奧氏體轉(zhuǎn)變成為鐵素體。 ? ? 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 圖 片狀珠光體形成示意圖 等溫形成片層狀鐵素體和滲碳體的機械混合物，統(tǒng)稱為珠光體 (pearlite)，用“ P”表示。它在 1000～ 1500倍的光學(xué)顯微鏡下，才能分辨清楚。表51給出了共析鋼的珠光體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的類型、形成溫度、層片間距及硬度等，以供參考。實踐表明，具有粒狀珠光體的鋼材，其切削加工性、淬火工藝性等都比片狀珠光體好。因此，貝氏體轉(zhuǎn)變的機理，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)都不同于珠光體轉(zhuǎn)變。過冷奧氏體在 350℃ ～ 550℃ 之間轉(zhuǎn)變將得到羽毛狀的組織，稱此為上貝氏體，用“”表示其硬度 40HRC～ 45HRC。上貝氏體中鐵素體的亞結(jié)構(gòu)是位錯，其密度為 108/cm2～ 109/cm2，比板條馬氏體低 2個～ 3個數(shù)量級。 在上貝氏體中的鐵素體條間還可能存在末轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體。典型的下貝氏體是由含碳過飽和的片狀鐵素體和其內(nèi)部沉淀的碳化物組成的機械混合物。在電子顯微鏡下可以觀察到下貝氏體中碳化物的形態(tài)，它們細(xì)小、彌散，呈粒狀或短條狀，沿著與鐵素體長軸成 55176。下貝氏體的鐵素體內(nèi)含有過飽和的碳，其固溶量比上貝氏體高，并隨形成溫度降低而增大。粒狀貝氏體形成于上貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)上限溫度范圍內(nèi)。初步研究認(rèn)為，粒狀貝氏體中鐵素體的亞結(jié)構(gòu)為位錯，但其密度不大。由于上貝氏體的形成溫度較高，鐵素體條粗大，碳的過飽和度低，因而強度和硬度較低。 圖 粒狀貝氏體顯微組織 1000X 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 下貝氏體中鐵素體針細(xì)小、分布均勻，在鐵素體內(nèi)又沉淀析出大量細(xì)小、彌散的碳化物，而且鐵素體內(nèi)含有過飽和的碳及很高密度的位錯，因此下貝氏體不但強度高，而且韌性也好，即具有良好的綜合機械性能，缺口敏感性和脆性轉(zhuǎn)折溫度都較低，是一種理想的組織。 (3) 貝氏體轉(zhuǎn)變的特點。因此，貝氏體轉(zhuǎn)變