【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(shí)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(shí)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(shí)，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(zhǎng)保溫時(shí)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(gè)界面之間也存在著碳濃度差 ，因此，碳在奧氏體中擴(kuò)散的同時(shí)，在鐵素體中也進(jìn)行著擴(kuò)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?yàn)樵谙嘟缑嫔咸紳舛确植疾痪鶆?，位錯(cuò)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(shí)的臨界溫度加注下標(biāo)“ c”，如 Ac Ac Accm，而把冷卻時(shí)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(diǎn)。下面分別介紹鋼在加熱及冷卻過(guò)程中組織轉(zhuǎn)變規(guī)律。據(jù)統(tǒng)計(jì)，拖拉機(jī)、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(shí)奧氏體化的基本過(guò)程；理解過(guò)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(shí)際應(yīng)用；掌握過(guò)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(diǎn)和性能特點(diǎn)。熱處理的實(shí)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(shí)間，然后以預(yù)定的方式冷卻下來(lái)，通過(guò)這樣一個(gè)工藝過(guò)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(guò)程中采用的預(yù)備熱處理包括進(jìn)去，可以說(shuō)所有的機(jī)械零件都要機(jī)械熱處理。 第 5章 鋼的熱處理原理 本章內(nèi)容 ● 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 ● 鋼在冷卻時(shí)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(shí)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(shí)際熱處理生產(chǎn)過(guò)程中，加熱和冷卻不可能極其緩慢，因此上述轉(zhuǎn)變往往會(huì)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(duì)臨界轉(zhuǎn)變溫度的影響 鋼在加熱時(shí)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(shuō)明奧氏體的形成過(guò)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(zhǎng)大 奧氏體形核后便開(kāi)始長(zhǎng)大。此時(shí)，兩個(gè)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(shì)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(shí)，另一個(gè)界面上，發(fā)生奧氏體碳原子向鐵素體的擴(kuò)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(kuò)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(zhǎng)大。 鋼在加熱時(shí)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(guò)形核和長(zhǎng)大過(guò)程進(jìn)行的，整個(gè)過(guò)程受原子擴(kuò)散控制。這是因?yàn)榧訜釡囟雀?(即過(guò)熱度大 )，則奧氏體形核率及長(zhǎng)大速率都迅速增大，原子擴(kuò)散能力也在增強(qiáng)，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(shí)，加熱速度對(duì)奧氏體化過(guò)程有重要影響，加熱速度越快，則珠光體的過(guò)熱度越大，轉(zhuǎn)變的開(kāi)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(shí)間也就越短。 鋼在加熱時(shí)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(guò)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(huì)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(zhǎng)時(shí)間加熱才能完全溶解。 鋼在加熱時(shí)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(duì)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(shí)也影響工藝性能。 1. 起始晶粒度 鋼加熱時(shí)，當(dāng)珠光體剛剛轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時(shí)，奧氏體晶粒大小叫起始晶粒度，此時(shí)的晶粒一般均較細(xì)小，若溫度提高或時(shí)間延長(zhǎng)，晶粒會(huì)長(zhǎng)大。顯然，晶粒長(zhǎng)大的推動(dòng)力是界面能的降低，而晶粒長(zhǎng)大的阻力來(lái)自第二相的阻礙等作用。即實(shí)際晶粒度為在具體的加熱條件下加熱時(shí)，所得到奧氏體的實(shí)際晶粒大小。凡是奧氏體晶粒容易長(zhǎng)大的鋼就稱為“本質(zhì)粗晶粒鋼”，反之，奧氏體晶粒不容易長(zhǎng)大的鋼則稱為“本質(zhì)細(xì)晶粒鋼”。這個(gè)晶粒開(kāi)始強(qiáng)烈長(zhǎng)大的溫度稱為“晶粒粗化溫度”。晶粒度是 1級(jí)～ 4級(jí)的定為本質(zhì)粗晶粒鋼， 5級(jí)～ 8級(jí)的定為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。這是因?yàn)殇X、鈦、鋯等元素在鋼中會(huì)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(zhǎng)大。因?yàn)?，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(zhǎng)時(shí)間加熱才能實(shí)現(xiàn)，這時(shí)若采用本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，就能防止工件心部和表層過(guò)熱，滲后就能直接進(jìn)行淬火。所以一切影響原子擴(kuò)散遷移的因素都能影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大。 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變 奧氏體化后的鋼只有通過(guò)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(guò)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(shí)間之后，逐個(gè)取出試樣，迅速淬入鹽水中激冷，使尚未分解的過(guò)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(guò)冷奧氏體的等溫分解過(guò)程，記下過(guò)冷奧氏體向其他組織轉(zhuǎn)變開(kāi)始的時(shí)間和轉(zhuǎn)變終了的時(shí)間；顯然，等溫時(shí)間不同，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物量就不同。 C曲線中轉(zhuǎn)變開(kāi)始線與縱軸的距離為孕育期，標(biāo)志著不同過(guò)冷度下過(guò)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(guò)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(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始線之間的區(qū)域?yàn)檫^(guò)冷奧氏體區(qū)，過(guò)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(guò)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(shí)間。高溫時(shí)，自由能差起主導(dǎo)作用；低溫時(shí)，原子擴(kuò)散系數(shù)起主導(dǎo)作用。當(dāng)奧氏體過(guò)冷到 A1以下時(shí)，首先在奧氏體晶界上產(chǎn)生滲碳體晶核，通過(guò)原子擴(kuò)散，滲碳體依靠周圍奧氏體供應(yīng)碳原子長(zhǎng)大，同時(shí)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(shí)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(jī)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(shí)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(jī)理，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)都不同于珠光體轉(zhuǎn)變。過(guò)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(cuò)，其密度為 108/cm2～ 109/cm2，比板條馬氏體低 2個(gè)～ 3個(gè)數(shù)量級(jí)。 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(guò)飽和的片狀鐵素體和其內(nèi)部沉淀的碳化物組成的機(jī)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(zhǎng)軸成 55176。下貝氏體的鐵素體內(nèi)含有過(guò)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(cuò)，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(guò)飽和度低，因而強(qiáng)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(shí)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(guò)飽和的碳及很高密度的位錯(cuò)，因此下貝氏體不但強(qiáng)度高，而且韌性也好，即具有良好的綜合機(jī)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(diǎn)。因此，貝氏體轉(zhuǎn)變