【正文】 、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，必須進行較高溫度較長時間加熱才能完全溶解?？墒?，合金元素的擴散速度比碳原子要慢得多，所以合金奧氏體的均勻化要緩慢得多。 (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。 合金元素影響的原因如下： (1) 合金元素會改變鋼的平衡臨界點：如鎳、錳、銅等都使臨界點降低，而鉻、鎢、釩、硅等則使之升高。 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。這是因為隨含碳量增加，滲碳體的數(shù)量相應(yīng)地增加，鐵素體和滲碳體相界面的面積增加，因此增加了奧氏體形核的部位，增大奧氏體的形核率。 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。可見，同樣一個奧氏體化狀態(tài)，既可通過較低溫度較長時間的加熱得到，也可由較高溫度較短時間的加熱得到。這是由兩方面原因造成的。轉(zhuǎn)變需要一段孕育期以后才能開始，而且溫度越高，孕育期越短。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，促進了滲碳體的溶解和鐵素體的轉(zhuǎn)變。主要因素如加熱溫度、原始組織和化學成分等。 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行的，整個過程受原子擴散控制。因此，奧氏體形成后，仍有未溶解的滲碳體存在，隨著保溫時間的延長，未溶滲碳體將繼續(xù)溶解，直至全部消失。由于擴散的結(jié)果，促使鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，從而促進奧氏體長大。由于奧氏體中碳的擴散，不斷打破相界面平衡，又通過滲碳體和鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變而恢復(fù)平衡的過程循環(huán)往復(fù)地進行，奧氏體便不斷地向鐵素體和滲碳體中擴展，逐漸長大。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。 αα 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 α由于擴散的結(jié)果，奧氏體與鐵素體相鄰的邊界處碳濃度升高，而與滲碳體相鄰的邊界處碳濃度降低。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)。奧氏體晶核形成之后，它一面與滲碳體相鄰，另一面與鐵素體相鄰。 2. 奧氏體晶核的長大 奧氏體形核后便開始長大。同時相界面處碳濃度處于鐵素體和滲碳體的過渡之間，容易出現(xiàn)奧氏體形核所需要的濃度起伏。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。 (a)奧氏體形核 (b)奧氏體長大 (c)剩余滲碳體溶解 (d)奧氏體均勻化 圖 珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變過程示意圖 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 1. 奧氏體的形核 奧氏體晶核通常優(yōu)先在鐵素體和滲碳體的相界面上形成。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。珠光體的平均含碳量為 %。 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。過熱度或過冷度隨加熱或冷卻速度的增大而增大。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。 在 FeFe3C相圖中，共析鋼在加熱和冷卻過程中經(jīng)過 PSK線 (A1)時，發(fā)生珠光體與奧氏體之間的相互轉(zhuǎn)變，亞共析鋼經(jīng)過 GS線 (A3)時，發(fā)生鐵素體與奧氏體之間的相互轉(zhuǎn)變，過共析鋼經(jīng)過 ES線 (Acm)時，發(fā)生滲碳體與奧氏體之間的相互轉(zhuǎn)變。 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 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，然后再以適當方式 (或速度 )冷卻，以獲得所需要的組織和性能。 要了解各種熱處理對鋼組織與性能的影響，必須研究鋼在加熱和冷卻過程中的相變規(guī)律。如果將原材料在加工過程中采用的預(yù)備熱處理包括進去，可以說所有的機械零件都要機械熱處理。 通過熱處理可以改善金屬材料的性能，所以絕大多數(shù)機械零件都要經(jīng)過熱處理以提高產(chǎn)品的質(zhì)量、延長使用壽命。 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。金屬材料中組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律，就是熱處理的原理。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 第 5章 鋼的熱處理原理 返回總目錄 第 5章 鋼的熱處理原理 教學提示：本章主要闡明鋼在加熱或冷卻過程中的相變規(guī)律。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。金屬材料在熱處理過程中，會發(fā)生一系列的組織變化，這些轉(zhuǎn)變具有嚴格的規(guī)律性。 教學要求：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。 熱處理的主要目的是為了改善金屬材料的性能，即改善鋼的工藝性能和提高鋼的機械性能和使用性能。據(jù)統(tǒng)計，拖拉機、汽車零件的 70%～80%需要進行熱處理；各種刀具、量具和模具 100%要進行熱處理。由此可見，熱處理在機械工業(yè)中占有重要地位。下面分別介紹鋼在加熱及冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變規(guī)律。通常把鋼加熱獲得奧氏體的轉(zhuǎn)變過程稱為奧氏體化過程。 A A Acm為鋼在平衡條件下的臨界點。實際轉(zhuǎn)變溫度與平衡臨界溫度之差稱為過熱度 (加熱時 )或過冷度 (冷卻時)。通常把加熱時的臨界溫度加注下標“ c”，如 Ac Ac Accm，而把冷卻時的臨界溫度加注下標“ r”，如 Ar Ar Arcm，如圖 。共析鋼在室溫時，其平衡組織為單一珠光體，是由含碳極微的具有體心立方晶格的鐵素體和含碳量很高的具有復(fù)雜斜方晶格的滲碳體所組成的兩相混合物，其中鐵素體是基體相，滲碳體為分散相。當加熱至 Ac1以上溫度保溫，珠光體將全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。因此，奧氏體的形成過程包括碳的擴散重新分布和鐵素體向奧氏體的晶格重組，也是一個形核、長大和均勻化的過程，如圖 示。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。在鐵素體和滲碳體的相界處原子排列不規(guī)則，處于高能不穩(wěn)狀態(tài)，具備形核所需要的結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏條件。所以，奧氏體形核優(yōu)先在相界面上形成。在 AC1以上的某一溫度 t1形成奧氏體晶核。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。由于 Cγ C＞ Cγ ，因此，在奧氏體中出現(xiàn)碳的濃度梯度，并引起碳在奧氏體中不斷地由高濃度向低濃度的擴散。從而破壞了相界面的平衡，使系統(tǒng)自由能升高。這樣，奧氏體的兩個界面就向鐵素體和滲碳體兩個方向推移，奧氏體便長大。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，在鐵素體中也進行著擴散。 3. 殘留滲碳體的溶解 鐵素體、滲碳體、奧氏體三相比較而言，鐵素體的碳濃度和晶體結(jié)構(gòu)與奧氏體相近，所以鐵素體先于滲碳體消失。 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，讓碳原子充分擴散，才能使奧氏體的含碳量處處均勻。因此，一切影響擴散、影響形核與長大的因素都影響奧氏體的形成速度。 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。 ① 加熱溫度必須高于 AC1點，珠光體才能向奧氏體轉(zhuǎn)變。 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 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。一方面，溫度越高則奧氏體與珠光體的自由能差越大，轉(zhuǎn)變的推動力越大，另一方面，溫度越高則原子擴散越快，因而碳的重新分布與鐵的晶格改變越快，所以，使奧氏體的形核、長大、殘余滲碳體的溶解及奧氏體的均勻化都進行得越快。因此，在制定加熱工藝時，應(yīng)全面考慮溫度和時間的影響。 3. 化學成分的影響 一方面，鋼中含碳量越高，奧氏體的形成速度越快。同時，碳化物數(shù)量增加，又使碳的擴散距離減小，以及隨奧氏體中含碳量增加，碳和鐵原子的擴散系數(shù)將增大，從而增大奧氏體的長大速度。但是，合金元素對于奧氏體化過程的進行速度有重要影響，一般都使之減慢。因此，在同一溫度奧氏體化時，與碳素鋼相比合金元素改變了過熱度，因而也就改變了奧氏體與珠光體的自由能差，這對于奧氏體的