热处理基础理论知识

热处理基础理论知识

一.热处理基本原理

1. 碳合金的基本知识

钢和铁常通称为铁碳合金，其基体金属是铁，合金中除铁而外的其他组元如碳等，通称为合金元素。

我们通常在实际使用中只分析铁碳二元合金系，合金系中基本相有铁素体（F、α）、滲碳体（Fe3C）、奥氏体（γ）三种。

图1.铁碳相图

根据Fe-Fe3C相图，我们把钢分三类：

亚共析钢(含碳量＜0.77％C)

共析钢（0.77％C）

过共析钢（0.77～2.11％C）

铁碳合金的组织与它的含碳量关系极大，所以它的性能也随含碳量的多少而变。合金的室温组织是铁素体和滲碳体构成的机械混合物，随合金含碳量增加，合金中的滲碳体量愈来愈多，滲碳体的分布也随之发生变化。

2.奥氏体

铁－滲碳体相图是研究铁碳合金热处理的基础。例如，钢加热到A1温度以上时，将发生组织转变，形成奥氏体，而随后进行冷却时，会因冷却速度值不同而获得稳定组织、不稳定组织和介于两者之间的所谓亚稳定组织。这就说明，经过加热和冷却这样的处理之后，可使钢材表现出不同的性能。

奥氏体的形成 当把钢加热到Ac1温度时，组织中的珠光体即开始转变为奥氏体，一般将奥氏体的形成过程分为生核、长大、剩余滲碳体溶解和奥氏体成分均匀化四个阶段。

2.1奥氏体形核，奥氏体的晶核通常优先地产生于珠光体中铁素

体与渗碳体的相界面上。

因为在相界面上空位密度较高，原子排列较不规整，容易获得形成奥氏体所需要的能量和浓度的条件。

2.2奥氏体长大 奥氏体晶核形成后，一面与渗碳体相接，另一面与铁素体相接。在靠近铁素体处的碳含量较低，因此在奥氏体中出现了碳浓度梯度，引起了碳在奥氏体中不断地由高浓度向低浓度的扩散。随着碳扩散的影响，奥氏体与铁素体接触处的碳浓度增高，而使奥氏体与渗碳体接触处碳浓度降低，因此失去平衡。为了恢复平衡，渗碳体势必不断地溶解，又有碳原子溶入奥氏体，使其含碳量升高而恢复到奥氏体碳的最大溶解量，与此同时发生奥氏体的碳原子又向铁素体扩散，促使这部分铁素体转变为奥氏体，并使其自身的碳含量又下降，回复到奥氏体碳的最低溶解量。这样碳浓度再一次失去平衡和恢复平衡这种反复循环过程，就使奥氏体一方面逐步向渗碳体长大，另一方面向铁素体长大，直至铁素体消失，全部转变为奥氏体。

2.3残余碳化物（渗碳体）溶解珠光体转变为奥氏体刚结束时，钢中还保留一些未溶解的碳化物（渗碳体）。

由于渗碳体的晶体构造和含碳量都与奥氏体差别很大，所以渗碳体向奥氏体溶解速度低于铁素体向奥氏体转变速度，铁素体总是比渗碳体先消失。残余的渗碳体需要一定的时间，随着时间的增长，残余渗碳体继续溶解于奥氏体中，直至全部溶解。

2.4奥氏体均匀化在刚形成的奥氏体晶粒中碳浓度并不均匀，原渗碳体片层的区域含碳量高，原铁素体区域的含碳量较低。碳原子的扩散需要一定的时间，最后才能获得成分均匀的奥氏体。

因此，钢在加热时需要一定的保温时间，这不但是为了使工件各处温度一致，而且是为了

得到成分均匀的奥氏体，以便在冷却后获得良好的组织与性能。

从Fe-Fe3C相图看，亚共析钢在Ac1以上温度，组织中珠光体仍按上述过程转变为奥氏体，而只有把亚共析钢加热到Ac3以上才能获得单相奥氏体。

3.珠光体

通常，钢在退火、正火和索氏体化处理时，发生的主要相变即使珠光体转变。珠光体是由铁素体与渗碳体机械混合组成的。根据其形态我们分为片状珠光体和粒状珠光体。

片状珠光体是由一层铁素体与一层渗碳体紧密堆叠而成的。根据其层间距，我们又细分出屈氏体和索氏体。

粒状珠光体是在铁素体基体上分布着粒状渗碳体的组织。

工业上采用以上热处理工艺，是为了使钢获得比较均匀、稳定的组织。这类热处理方法，可以作为预先热处理，为后续的冷、热成型加工顺利进行做好显微组织准备。

4.马氏体

钢经奥氏体化后快速冷却，抑制其扩散性分解，在较低温度下发生的转变称为马氏体转变。马氏体转变是钢件热处理强化的主要手段。由于钢的种类、成分不同，以及热处理条件的差异会使淬火马氏体的形态和内部精细结构及形成显微裂纹的倾向性等发生很大变化。这些变化对马氏体的机械性能影响很大。据其特征，大体可分两类。

4.1 板条状马氏体

板条状马氏体是低、中碳钢，马氏体时效钢，不锈钢等铁系合金中形成的一种典型的马氏体组织。因其显微组织是由许多成群的板条组成，故称为板条马氏体。

4.2片状马氏体

铁系合金中出现的另一种典型的马氏体组织是片状马氏体，常见于淬火高、中碳钢中。这种马氏体的空间形态呈双凸透镜片状，因与试样磨面相截而在显微镜下呈现为针状或竹叶状，故又称为针状马氏体或竹叶状马氏体。

4.3影响Ms点的主要因素

Ms点在生产实践中具有很重要的意义。如分级淬火的分级温度，水油淬火的转油温度都应在Ms点附近。Ms点还决定这马氏体的亚结构和性能。Ms点的高低还决定着淬火后得到的残留奥氏体量多少，而控制一定量的残留奥氏体则可以达到减小变形开裂，稳定尺寸及提高产品质量等不同目的。

4.3.1化学成分对Ms点的影响

奥氏体化学成分对Ms点的影响十分显著。一般来说，Ms点主要取决于钢的化学成分，其中又以碳含量的影响最为显著，随着含碳量的增加，马氏体转变温度下降。并且含碳量对Ms和Mf的影响并不完全一致。对Ms点的影响基本上呈连续的下降。对Mf点的影响，在含碳量小于0.6％左右时比Ms的下降更显著，因而扩大了马氏体的转变温度范围；当碳含量大于0.6％时，Mf点下降很缓慢，且因Mf点已降到0℃以下，致使这类钢在淬火冷至室温的组织中将存在较多的残留奥氏体。

N对Ms点有类似C的影响

钢中常见合金元素如Mn、V、Cr、Cu、Mo、W、Ti等，均有使Ms点降低的作用，但效果不如C显著。只有Al和Co有使Ms点提高的作用。降低Ms点的元素按其影响强烈的顺序排列为：Mn、Ni、Cr、Mo、Cu、W、V、Ti。其中W、V、Ti等强碳化物形成元素在钢中多以碳化物形式存在，淬火加热时一般溶于奥氏体中甚少，故对Ms点影响不大。若钢中同时加入几种合金元素，则其综合影响比较复杂，如：钢中含碳量增加时，Cr、Mn、Mo降低Ms点的作用也增大。碳钢中Si含量高时，Si降低Ms点的影响很弱；而Ni-Cr钢中Si含量高时，Si会引起Ms点明显下降。

4.3.2奥氏体化条件对Ms点的影响

加热温度和时间对Ms点的影响较为复杂。加热温度和时间的增加有利于碳和合金元素进一步溶入奥氏体中，会使Ms点下降。但是，随加热温度升高，又会引起奥氏体晶粒长大，如果排除了化学成分的变化，即在完全奥氏体化条件下加热温度的提高和时间的延长将使Ms点有所提高（约在几度到几十度范围内）。

4.3.3淬火速度对Ms点的影响

在研究高速淬火对马氏体转变的影响时，发现很多铁基合金中Ms点过随淬火速度增大而升高。在淬火速度低时，看不到Ms点随淬火速度的变化。

5.钢的过冷奥氏体转变

钢的热处理过程基本上包括加热和冷却两个阶段。热处理后的性能在很大程度上取决与冷却时奥氏体转变产物的类型和形态。

将奥氏体迅速冷至临界温度以下的一定温度，并在此温度下进行等温，在等温过程中所发生的相变称为过冷奥氏体等温转变。过冷奥氏体等温转变图综合反映了过冷奥氏体在不同过冷度下等温转变的过程：转变开始和终了时间、转变产物和转变量与温度和时间的关系。由于等温转变图的曲线通常呈“C”形状，所以又称C曲线。

对碳钢而言，亚共析钢和过共析钢的TTT图的形状基本上与共析钢相似。但是，亚共析钢奥氏体在低于A3的某一温度范围内等温时，首先析出先共析铁素体（F3C）。在C曲线左上方有一条先共析铁素体开始析出线，随着碳含量增加，该线向右下方移动。

与亚共析钢相似，过共析钢（包括合金钢）在Acm 以上奥氏体化时，等温转变曲线的左上方有一条先共析碳化物析出线，且随含碳量增加逐渐向左上方移动。

下图是45＃钢在冷却时的转变，我们用等温转变图（TTT图）来说明：

从图中看，把钢迅速冷却到临界点以下各种不同温度，并保温，过冷奥氏体要经历一段时间后才开始转变，这段时间叫孕育期，过冷到“鼻子”以上Ar1以下温度区的奥氏体将转变为珠光体，这样的转变叫珠光体转变，在Ms线以下，过冷奥氏体发生马氏体转变，这个温度区叫马氏体转变区。此外，钢的马氏体开始转变温度（Ms线），随钢的含碳量升高而降低。并且，共析钢的过冷奥氏体是最稳定，在它的等温转变图上，转变曲线离温度轴最远，亚共析钢和过共析钢其过冷奥氏体的稳定性较低，造成等温转变曲线向左方偏移。

所以我们在钢件滲碳时,当表面碳含量增加达到过共析成分,并经保温扩散,使滲层碳浓度达到共析点成分0.85%C,从而在冷却过程中得到稳定的过冷奥氏体,避开了珠光体转变区,我们淬火的温度的选择也必须在Ms线以下。

影响奥氏体等温转变图的因素 5.1合金元素的影响

一般的说，除Co之外，常用合金元素都增加过冷奥氏体的稳定性，推迟转变和降低转变速度，使等温转变曲线向右移，延长过冷奥氏体转变开始和终了时间。但是，应该指出，合金元素只有固溶于奥氏体中时才能起上述作用。否则，由于存在未溶解的碳化物或夹杂物，他们将其非均质晶核的作用，促使过冷奥氏体转变，导致C曲线向左移按照合金元素对过冷奥氏体等温转变影响的性质不同，可分为两大类：

第一类属于非（或弱）碳化物形成元素。他们对过冷奥氏体转变的影响在性质上与碳的影响相似，即减慢珠光体和贝氏体的形成，降低Ms点。这类合金元素中最重要的是Ni和Mn。Cu和Si的影响较小。

第二类属于碳化物形成元素。其中的大多数减慢铁素体－珠光体形成的作用大于减慢贝氏体形成的作用，同时也降低Ms点。

5.2奥氏体晶粒尺寸的影响

超细的奥氏体晶粒（13.5级）会加速过冷奥氏体向珠光体转变，而对贝氏体转变的影响较小；粗大的奥氏体晶粒（3.5级），显著推迟珠光体转变，而对贝氏体转变仅稍有推迟作用。

5.3原始组织、加热温度和保温时间的影响

工业用钢在相同加热条件下，原始组织越细，越容易得到较均匀的奥氏体，使等温转变曲线右移，Ms点降低；当原始组织相同时，提高奥氏体化温度或延长奥氏体化时间，将促使碳化物溶解、成分均匀和奥氏体晶粒长大，也会使等温转变曲线右移。

5.4变形的影响

变形对过冷奥氏体转变有加速的作用。

6.钢的临界冷却速度

为了使钢件在淬火后得到完全马氏体组织，应使奥氏体从淬火温度至Ms点的冷却过程不发生分解。为此，钢件的冷却速度应大于某一临界值，此临界值称为临界淬火速度或临界冷却速度，通常用Vc表示之。Vc 时得到完全马氏体组织（包括残余奥氏体）的最低冷却速度，Vc值表征了钢接受淬火的能力，它是决定钢件淬透层