第6讲-钢的热处理及合金化

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1、第三节钢的热处理一、热处理的作用钢的热处理就是根据钢在固态下组织转变的规律，通过不同的加热、保温和冷却，以改善其内部组织结构，达到改善钢材性能的一种加工工艺。热处理一般是由加热、保温和冷却三个阶段组成，其基本工艺过程可以用热处理工艺曲线来表示，如图2-60所示。v热处理是一种与铸、锻、焊接等加工密切相关的工艺。在铸、锻、焊过程中，不可避免地会出现这样或者那样的缺陷。如铸造过程中由于铸件形状复杂、厚薄不均，造成冷却不均、组织变化不均而产生很大的铸造应力。此外，铸件从高温缓慢冷却，晶粒易于粗大。锻造时，由于终锻温度过高或过低，会出现粗大的魏氏组织或带状组织。焊接件在焊接过程中的局部

2、加热与熔化，随后的冷却又较快，必然存在很大的内应力。缺陷的存在，将严重影响构件的使用性能。为了消除缺陷，需要进行一定的热处理，如退火可以改善构件组织结构和性能。热处理更重要作用还在于它是赋予工件最终性能的关键工序。不少重要零件加工成型后，并不能直接使用，还必须进行最终的热处理，以获得最佳使用性能，充分发挥钢材的潜力。因此，在冶金生产、机械制造和航空制造等众多工业中，热处理都占有重要的地位。v根据热处理所起作用的不同、加热和冷却方法的不同、以及组织和性能变化的不同，钢的热处理工艺通常分为退火、正火、淬火、回火和化学热处理等。在不同使用条件下，对钢材的性能要求不同。即使是同一零件，

3、在其加工过程中，前后性能的要求也不一样。因此，热处理的方式也就不同。二、钢的临界温度钢的热处理的依据就是钢在固态加热、保温和冷却过程中，会发生一些列组织转变。因此，铁碳相图的左下角（如图1-2所示），对于研究钢的相变和制定热处理工艺有重要的参考价值。由图可见，钢在缓慢加热和冷却时，其固态组织转变的临界温度是由PSK线（A1线）、GS线（A3线）、ES线（Acm线）来决定的。共析钢只有一个临界点A1,亚共析钢有两个临界点A1和A3，过共析钢有两个临界点A1和Acm。铁碳相图上的A1、A3、Acm都是平衡临界点，是新旧两相自由能相等的温度。而实际转变过程不可能在平衡临界点进行。加热

4、转变只有在平衡临界点以上（即有一定过热度）才能进行。相反，冷却转变只有在平衡临界点以下（即有一定的过冷度）才能发生。所以实际的加热转变点和冷却转变点都偏离平衡临界点。而且，加热和冷却速度越大，其偏离也越大。通常，加热转变点标以c，冷却转变点标以r。碳钢的实际转变点在铁-碳相图上的位置如图1-2中虚线所示.其物理意义如下：vAc1：加热时珠光体转变为奥氏体的温度；Ar1：冷却时奥氏体转变为珠光体的温度；Ac3：加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度；Ar3：冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度；Accm：加热时Fe3CⅡ全部溶入奥氏体的终了温度；Arcm：冷却时奥氏体开始

5、析出二次渗碳体的温度。应指出，工业碳素钢并不是单纯的Fe-C合金，里面还有Si、Mn、S、P等杂质。这些杂质元素对于碳素钢的平衡临界点是有影响的，不过因含量少，影响不大，可以忽略，仍可以用Fe-Fe3C相图确定钢临界点。对于合金钢，合金元素对平衡临界点有很大的影响，甚至会大大改变相图结构，使A1、A3、Acm点不再是恒定的温度，而变成一个温度区间。这时就不能再用Fe-Fe3C相图来确定合金钢的临界点，而必须用三元或者多元相图才行。三、奥氏体的形成钢加热时，奥氏体的形成过程，称作奥氏体化。根据Fe-Fe3C相图，由铁素体和渗碳体两相组成的珠光体，加热至AC1稍上温度时转变为奥氏体

6、，即由于奥氏体和铁素体及渗碳体的晶格类型和含碳量度不同，因此奥氏体化过程包含着奥氏体形核、核长大、残留渗碳体溶解以及奥氏体内成分的均匀化四个阶段。图1-3示意地表示了共析钢奥氏体形成各个阶段的主要特征。将钢加热至AC1以上温度时，珠光体组织处于不稳定状态，在铁素体和渗碳体的界面上择优生成奥氏体晶核。奥氏体晶核形成后，会同时向铁素体和渗碳体两侧生长，如图b。这个阶段实质上是铁素体和奥氏体间的晶格重构，同时渗碳体不断地溶入奥氏体，以及碳在奥氏体中扩散。共析钢奥氏体长大终了时，铁素体和渗碳体两相应同时消失。但实验发现，铁素体完全消失后，还有部分渗碳体未溶解。共析钢钢中铁素体总是先消失

7、，残留有渗碳体相，如图c。奥氏体形成时，残留渗碳体刚刚溶解，此时碳在奥氏体中的分布不均匀，如图d示。原先渗碳体区域，碳浓度较高；原先铁素体区域含碳量较低。这种不均匀性随着加热的速度增大而越加严重。只有经继续加热或保温，使碳充分扩散，才能使整个奥氏体中碳浓度趋于均匀，如图1-3示。共析钢奥氏体形成过程的四个阶段，对于任何钢材都是普适的。四、奥氏体晶粒度及其控制奥氏体晶粒度及均匀性是衡量钢件力学性能与工艺性能的重要指标，是分析服役构件断裂失效的主要参考依据。因此，控制奥氏体晶粒度有重要的实际意义