机械制造基础 钢在加热和冷却时的组织转变 3.1 钢在加热时的组织转变.docx

任务二 热处理后金相组织的识别观察 使用金相显微镜观察碳钢经不同热处理后的显微组织。熟悉碳钢几种典型热处理组织（M、T、S、M回火、S回火等）的形态及特征。 相关知识 相关知识 材料的强化和处理主要包括钢铁材料的热处理、高分子聚合物的改性强化和正在迅速发展的表面处理技术。 所谓钢的热处理是将钢在固态下以适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织和性能的工艺。 各种热处理都是由加热、保温和冷却三个阶段组成，可以用以温度一时间为坐标的曲线图来表示，如图3.1所示。改变加热速度、保温时间、冷却速度，会在一定程度上发生相应的预期组织转变，从而改变材料的性能。 图3.1 钢的热处理曲线 钢的热处理具有以下特点： （1）只改变机械零件的内部组织及其性能，而不改变其外形和尺寸，是改善钢材性能的重要措施。 (2）热处理能充分发挥钢材的性能潜力，显著提高零件使用寿命，节省金属材料，节约能源。 （3）机械零件毛坯通过热处理可以改善其加工性能。零件通过最终热处理，可以获得所需的使用性能。 热处理工艺种类很多，根据其加热、冷却方法的不同及钢组织和性能变化特点可分为： （1）普通热处理。主要包括退火、正火、淬火和回火等。 （2）表面热处理。主要包括表面淬火和化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等）。 目前，热处理在机械制造业、汽车制造业、航空制造业、冶金业中应用很广泛。如各种工具、模具、轴承、齿轮等几乎都需要热处理。 3.1 钢在加热时的转变 加热是热处理的第一道工序。 在生产中，有两种不同性质的加热，一种是在A1（727℃）温度以下加热，这种热处理工艺并不需要通过相变来完成，如去应力退火。另一种是在A1温度以上的加热，其目的是钢全部或部分获得均匀的奥氏体组织，以便采用适当的冷却方式，获得需要的组织结构。由Fe-Fe3C状态图可知，共析钢、亚共析钢和过共析钢分别加热到PSK（A1）线、GS（A3）线和ES（Acm）线以上温度，都可获得单相的奥氏体组织，通常把这种加热转变称为奥氏体化。但在实际生产中，热处理的加热和冷却都不是极其缓慢的，转变温度都将偏移理论临界点，如图3-2所示。随着加热和冷却速度的增加，相变点的偏离将增大。为与平衡条件下的相变点相区别，而将钢在实际加热时的相变点分别用Ar1、Ar3、Arcm表示，在冷却时的相变点分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。 图3.2 钢的加热和冷却温度临界点 3.1.1 钢在加热时的转变 大多数热处理工艺首先要将钢加热到相变点（又称临界点）以上，目的是获得奥氏体。才能获得单相奥氏体组织。 1.奥氏体的形成过程 共析钢加热到Ac1以上温度时，便会发生珠光体向奥氏体的转变过程（奥氏体化）。奥氏体的形成过程可分为奥氏体晶核的形成、奥氏体晶核的长大、剩余渗碳体的溶解和奥氏体的均匀化四个阶段，如图3.3所示。 （1）奥氏体晶核的形成 通常奥氏体晶核总是优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成。这是因为此处空位、位错等晶体缺陷较多，原子排列紊乱，且碳的质量分数介于铁素体与渗碳体之间，容易满足奥氏体形成所需的成分条件、结构条件和能量条件。 （1）奥氏体晶核的长大 奥氏体晶核形成后，立即向铁素体和渗碳体两方面推移，奥氏体晶核不断长大。与此同时，新的晶核不断形成和长大，直至珠光体全部转变为奥氏体。 （1）残余渗碳体的溶解 奥氏体向两侧的长大速度是不同的，铁素体向奥氏体的转变比渗碳体的溶解速度快得多，当铁素体全部消失后，仍有部分Fe3C尚未分解溶入，需延长保温时间，使Fe3 C继续溶入奥氏体中。 （1）奥氏体成分的均匀化 残余Fe3C全部溶解后，奥氏体的成分是不均匀的，原渗碳体处碳的质量分数较高，原铁素体处碳的质量分数较低，需经一段时间的保温，通过碳原子的扩散，使奥氏体成分均匀。 亚共析钢或过共析钢奥氏体的形成过程，基本上与共析钢相同，但具有过剩相转变和溶解的过程。亚共析钢或过共析钢若加热至Ac1温度，只能使珠光体转变为奥氏体，得到A十F或A十Fe3CⅡ组织，称为不完全奥氏体化。只有继续加热至Ac3或Acm温度以上，才能得到单相奥氏体组织，即完全奥氏体化。 亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成的过程与共析钢基本相似，不同之处是亚共析钢和过共析钢需加热到Ac3或Accm以上时，才能获得单一的奥氏体组织，即完全奥氏体化。但对过共析钢来说，此时奥氏体晶粒已经粗化。 奥氏体晶粒的大小对冷却转变后钢的性能有很大影响。热处理加热时，若获得细小、均匀的奥氏体，则冷却后钢的力学性能就好。所以，奥氏体晶粒的大小是评定热处理加热质量的主要指标之一。 图3.3共析钢奥氏体形成