第1章 钢的热处理

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1、第一章钢的热处理热处理是机器零件及工具制造过程中的重要工序，零件热处理质量的高低对产品的质量往往具有决定性的影响。因此，热处理得到了广泛的应用，汽车、拖拉机制造中70～80%的零件需要热处理，各种工夹量具和轴承则100%进行热处理。热处理主要用于金属材料，但有时也用于部分陶瓷及塑料。热处理的传统定义已不能完全概括各种金属热处理工艺的基本过程。对于通常的金属热处理工艺，一般均由不同的加热、保温和冷却三个阶段组成，从而改变整体或表面组织（但形状不变），获得所需的性能。热处理原理研究热处理过程中组织转变的规律；而热处理工艺是根据原理制定的温度、时间、介质等参数。根据加热、保温和冷却工艺方法的

2、不同，钢的热处理分类如下（GB/T12603－1990）：根据热处理在零件加工中的工序位置又可分为预先热处理和最终热处理。预先热处理是为了改善零件的加工工艺性能，如退火和正火。而最终热处理是为了提高零件的使用性能，充分发挥金属材料的性能潜力，如获得良好综合力学性能的淬火加高温回火。第一节钢在加热时的转变图6-1碳钢在加热和冷却时的临界点Fe-Fe3C平衡相图中的A1、A3、Acm三条相变线分别代表着共析钢、亚共析钢和过共析钢完全转变为奥氏体的临界温度。但在实际热处理加热和冷却条件下，相变是在不平衡条件下进行的，因此加热时的临界温度比理论值高一个过热度，通常标为Ac1、Ac3、Accm，

3、如图6-1所示。而冷却时的临界温度又比理论值低一个过冷度，通常标为Ar1、Ar3、Arcm。上述实际的临界温度并不是固定的，它们受含碳量、合金元素含量、奥氏体化温度、加热和冷却速率等因素的影响而变化，手册中给出的数据是在一定条件下得到的，仅供参考。一、奥氏体的形成奥氏体的形成过程（也称“奥氏体化”）也是通过形核和长大的机制来完成的。该过程是依靠铁、碳原子的扩散来实现的，属于扩散型相变。以共析钢为例，当加热到Ac1以上时，奥氏体的自由能低于珠光体，必将发生珠光体向奥氏体的111转变。此时珠光体很不稳定，铁素体和渗碳体的界面在成分和结构上处于有利于转变的条件，首先在这里形成奥氏体晶核。随即

4、建立奥氏体与铁素体以及奥氏体与渗碳体之间的平衡，依靠铁、碳原子的扩散，使临近的铁素体晶格改组为面心立方晶格的奥氏体。同时，邻近的渗碳体不断溶入奥氏体，一直进行到铁素体全部转变为奥氏体，这样各个奥氏体的晶核均得到了长大，直到各个位向不同的奥氏体晶粒接触为止。由于渗碳体的晶体结构和含碳量都与奥氏体的差别很大，故铁素体向奥氏体的转变速度要比渗碳体向奥氏体的溶解快得多，当铁素体转变成奥氏体后还有残存的渗碳体。残余渗碳体完全溶解后，奥氏体中碳浓度的分布是不均匀的，原来是渗碳体的地方碳浓度较高，原先是铁素体的地方碳浓度较低，必须继续保温，通过碳的扩散获得均匀的奥氏体。a)A形核b)A长大c)残余F

5、e3C溶解d)A均匀化图6-2共析钢的奥氏体化过程示意图上述过程可以看成由奥氏体形核、晶核的长大、残留渗碳体的溶解和奥氏体的均匀化四个阶段组成，如图6-2所示。亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程和共析钢基本相同，当加热到Ac1以上时还存在先共析铁素体或二次渗碳体，必须继续加热到Ac3或Accm以上时才能得到单一的奥氏体。二、奥氏体晶粒的长大及影响因素奥氏体的晶粒越细，冷却后的组织也越细，其强度、塑性和韧性较好。因此，在用材和热处理工艺上，如何获得细的奥氏体晶粒，对工件最后的性能和质量具有重要的意义。1．奥氏体晶粒度晶粒度是指多晶体内晶粒的大小，可以用晶粒号、晶粒平均直径、单位面积或单位

6、体积内晶粒的数目来表示。奥氏体有三种不同概念的晶粒度：1）起始晶粒度指珠光体刚刚转变为奥氏体时的晶粒度。一般情况下奥氏体的起始晶粒度较小，继续加热或保温将使它长大。图6-3加热温度与奥氏体晶粒长大的关系2）实际晶粒度指某一具体热处理或加热条件下所获得的奥氏体晶粒大小，它直接影响了钢的性能。实际晶粒度一般比起始晶粒度大。3）本质晶粒度表示钢在规定条件下奥氏体长大倾向性的高低。按冶金部标准规定，在评定钢的本质晶粒度时，将钢加热到930±10℃，保温3～8h冷却后制成金相样品，在放大100倍的金相显微镜下与国家标准晶粒度等级图进行对比。一般结构钢的奥氏体晶粒度按标准分为10级，1级最粗，10

7、级最细。对于碳素钢，奥氏体晶粒随加热温度升高会迅速长大，这类钢称为本质粗晶粒钢；而对大多数合金钢，奥氏体晶粒则不容易长大，这类钢称为本质细晶粒钢（见图6-3）。但不能认为本质细晶粒钢在任何加热条件下晶粒都不会粗化，如果温度111超过950～1000℃，阻止晶粒长大的因素消失，其晶粒比本质粗晶粒钢长的还要大。本质细晶粒钢在930~950℃以下加热时晶粒长大的倾向小，适宜进行热处理。不同冶炼工艺的钢，奥氏体长大倾向性是不同的。通常是经锰硅脱氧的钢为