钢铁的热处理

利用加热, 保温, 冷却的方法, 改变材料的组织与结构, 达到改变材料性能的工艺过程称为热处理

热处理中的相变

奥氏体相变温度

1. $A_{3}$ 奥氏体中析出铁素体的相变温度
2. $A_{cm}$ 奥氏体中析出渗碳体(铁三碳)的相变温度
3. $A_{1}$ 奥氏体(包括莱氏体中的奥氏体)完全共析为珠光体
4. $A_{c}$ 加热下的相变温度, 需要考虑过热效应, 导致实际温度升高(通常作为前缀 eg. $A_{ccm}$)
5. $A_{r}$ 冷却下的相变温度, 需要考虑过冷效应, 导致实际温度降低

加热过程中奥氏体的转变

将共析钢重新加热, 其中的珠光体 $P$ 重新转变为奥氏体 $A$

1. 晶核的形成 奥氏体晶核最容易在 $F$ 与 $Fe_3C$ 的晶界上生成
2. 晶核的长大 主要是 $F$ 晶格转变与 $Fe_3C$ 的溶解
3. 残余渗碳体的溶解 $F$ 含碳量少, 溶解速度快, 当其完全溶解后, 还有部分 $Fe_3C$ 存在
4. 奥氏体的均匀化 珠光体完全溶解后, 根据原先相的不同, 不同位置含碳量不同, 还需要继续保温, 使其完全扩散
5. 对于其他类型的共析钢, 过程类似, 但还有先共析相的转变, 必须要加热到 $A_{c3}$ 或 $A_{ccm}$ 线上才能开始转变

奥氏体转变因素

1. 奥氏体的形成速度主要取决于原子的扩散速度
2. 加热温度
   1. 加热温度越高, $A$ 的转化速度越快
   2. 保温温度越高, 时间越长, $A$ 的晶粒变粗
3. 加热速度
   1. 加热速度越快, 过热度越高, 转变开始温度越高, 转变速度快, 但均匀化程度差
   2. 加热速度快, 得到的 $A$ 晶粒尺寸小
4. 化学成分
   1. 大部分化学元素将加快转变速度
   2. 能与碳结合的元素能阻碍碳的扩散, 阻碍奥氏体晶粒的生长
5. 含碳量
   1. 含碳量越高, $F$ 与 $Fe_3C$ 的晶界越多, 转变越快
   2. 由于 $A$ 转变加快, 因此相同保温时间, $A$ 长大的时间更多, 晶粒更大
6. 原始组织
   1. 片状珠光体(退火态)中, $F$ 与 $Fe_3C$ 的晶界多, 转变快; 球状珠光体(回火态), 晶界少, 转变慢
   2. 珠光体晶粒细小, 得到的 $A$ 晶粒也就更小; 通常片状珠光体晶粒小

奥氏体的晶粒度

1. 起始晶粒度 刚完成奥氏体化时的晶粒大小, 由于还未长大, 所有钢的晶粒都非常细小, 实际工程意义不大
2. 实际晶粒度 具体加热温度, 保温时间下获得的奥氏体晶粒的大小; 与成分和工艺有关
3. 本质晶粒度 通过将钢加热到 $930\degree C$, 保温 $8$ 小时的实际晶粒度称为本质晶粒度, 可以反映不同成分的钢, $A$ 长大的倾向

过冷奥氏体的转变

等温转变图的建立

1. 先将实验加热至奥氏体化, 得到均匀的奥氏体
2. 将式样快速冷却到 $A_{r1}$ 以下的不同温度, 并保温一段时间, 观察组织转变(体积膨胀)
3. 过冷 $A$ 都要先经过一段孕育期, 才能转变为 $P$; $550\degree C$ 下, 孕育期最短, 此时的 $A$ 最不稳定

过冷奥氏体的等温转变的组织形态

珠光体转变

1. 转变温度 $A_{r1}\sim 550(\text{鼻尖}) \degree C$
2. 根据转变温度由高到低, 将产物分为 珠光体(粗片 P), 索氏体(细片 S), 托氏体(极细 T)
3. 不同类型的珠光体由于片层间距不同, 力学性能不同
4. 转变温度越小, 片层间距越小, 材料强度和硬度越高
5. 索氏体珠光体细小且分布均匀, 其的塑性和韧性最高

贝氏体转变

1. 转变温度 $550\sim 230(M_s) \degree C$
2. 为渗碳体与含碳量过饱和的铁素体的机械混合物, 称为贝氏体(B)
3. 由于转变温度较低, $Fe$ 原子不能扩散, 只有 $C$ 原子具有一定的扩散能力
4. 根据转变温度由高到低, 将产物分为 上贝氏体($B_\text{上}$) 与下贝氏体($B_\text{下}$)
5. 上贝氏体为羽毛状组织, 力学性能较差
6. 下贝氏体为针状铁素体, 其间分布极细的碳化物, 具有较好的强度和韧性

马氏体转变

1. 转变温度 $230\sim -50(M_f) \degree C$
2. 马氏体转变是一个连续的过程, 在一个温度下保温, 只能得到部分马氏体($B$ 和 $P$ 需要保温一段时间得到)
3. 由于速度快, 且温度过低, 没有扩散, 转变不彻底(存在残余奥氏体)
4. 奥氏体快速转变为铁素体, 体积快速膨胀, 导致内应力增大, 需要进一步热处理消除内应力
5. 马氏体是碳在 $\alpha-Fe$ 中过饱和的间隙固溶体
6. 由于晶格畸变, 马氏体具有高硬度与高强度
7. 根据含碳量的不同, 马氏体分为片状马氏体(含碳高)与板条马氏体(含碳低)

影响转变的因素

1. 珠光体转变 共析钢的奥氏体最稳定, 离共析钢成分越远, 转变速度越快
2. 贝氏体转变 含碳量越少, 转变速度越快
3. 马氏体转变 随碳含量增大, $M_s$ 与 $M_f$ 点降低, 碳过饱和固溶, 是马氏体高强度, 硬度的根本因素
4. 提高奥氏体化温度与保温时间, 能使奥氏体更加均匀, 晶粒更大, 从而稳定性更强, 延长孕育期, 曲线右移

共析钢的连续转变

贝氏体需要足够长的孕育期保温才能产生, 连续转变不能生成贝氏体

整体热处理

退火

1. 过程 加热到一定温度, 保温, 缓慢冷却(炉冷), 得到接近平衡态的组织
2. 目的
   1. 降低硬度, 提高塑性
   2. 细化晶粒, 消除组织缺陷
   3. 消除内应力
   4. 为淬火做准备
3. 工艺
   1. 完全退火 得到接近平衡的组织, 主要用于亚共析钢和中碳合金结构钢的预备热处理
   2. 球化退火 用于高碳工具钢或高碳合金钢, 用于降低其硬度, 改善切削性能; 当球化退火前有较多的网状 $Fe_3C$, 需要先正火处理
   3. 均匀化/扩散退火 减少钢锭中的偏析与组织不均匀
4. 组织 得到强度较低, 塑性较高的 珠光体 $P$

正火

1. 过程 加热到 $A_{ccm}$ 或 $A_{c3}$ 以上 $30 \sim 50\degree C$, 保温, 静止在空气中冷却
2. 目的
   1. 细化晶粒
   2. 均匀组织
   3. 调整硬度, 便于切削加工
   4. 可作为一般零件的最终热处理工序
3. 组织 得到比退火组织强度, 硬度更高, 组织更细小的索氏体 $S$

淬火

1. 过程 将钢加热到 $A_{ccm}$ 或 $A_{c3}$ 以上 $30 \sim 50\degree C$, 保温一段时间, 然后快速冷却到 $M_s$ 以下, 发生马氏体转变
2. 组织 得到马氏体 $M$, 和残留奥氏体 $A_r$与弥散的粒状渗碳体(T12)
3. 目的 提高钢的硬度, 保证钢的耐磨性, 不是最终组织, 还需要回火调整

淬火工艺

1. 要求

   1. $650\degree C$ 以上缓慢冷却, 降低应力
   2. $650\sim 400\degree C$ 快速冷却, 不能进入 $A$ 转化区域(C型线), 保证 $A$ 不转化
   3. $400\degree C$ 以下缓慢冷却, 减少应力(贝氏体不会产生)

2. 方法

   1. 单液淬火 冷却速度快, 无变化
   2. 双液淬火 冷却速度有变化, 无保温
   3. 贝氏体等温淬火 在下贝氏体转变区保温, 得到下贝氏体
   4. 马氏体分级淬火 在马氏体化前保温, 使零件的心部与表面温度均一再继续冷却, 可以避免受热不均导致零件开裂

3. 介质 盐水的冷却速度最快, 清水次之, 油最慢

淬火缺陷

1. 硬度不足或出现软点 原因有加热不足(温度不够高, 由残留 $F$)、介质冷却能力不够、 工件表面不净、局部散热不良等
2. 变形与开裂, 避免途径有:
   1. 零件结构设计合理
   2. 淬火前组织要均匀, 先进行退火或正火
   3. 加热温度适当
   4. 冷却介质和方法适当
   5. 及时回火，防止当时未裂在放置时开裂

淬火指标

只与材料和工艺有关

1. 淬透性
   1. 淬火时获得 $M$ 的能力, 淬透性差时, 工件心部的力学性能低于表面, 导致变形开裂; 对于大尺寸零件无法淬透, 应使用正火代替淬火
   2. 正常加热淬火条件下，亚共析钢的淬透性随碳含量的增加而增加，过共析钢的淬透性随碳含量的增高而减小
   3. 钢中未溶的碳化物的存在，将使钢的淬透性降低
2. 淬硬性
   1. 淬火后 $M$ 的硬度, 与 $M$ 中的碳含量有关, 碳含量越高, 淬硬性越高
   2. 淬硬性与合金元素关系不大

回火

1. 过程 将淬火后的零件加热到 $A_{c1}$ 以下, 保温一段时间, 然后冷却到室温
2. 目的
   1. 消除内应力
   2. 稳定组织和尺寸 消除不稳定的 $A_r$, 防止变形
   3. 调整性能 增大韧性
   4. 便于加工 降低硬度

淬火钢回火过程中的转变

1. 马氏体分解 ($100\sim 200\degree C$)
   1. 马氏体析出过渡碳化物
   2. 内应力部分消除
   3. 得到组织 回火马氏体 $M_{\text{回}}$
2. 残余奥氏体的分解 ($200\sim 300\degree C$)
   1. $A_r$ 发生分解生成 $B_{\text{下}}$, $M$ 完全转变
   2. 得到组织 $B_{\text{下}}$ 与 $M_{\text{回}}$
3. 回火托氏体的形成 ($300\sim 500\degree C$)
   1. 过饱和的 $F$ 析出碳, 得到 $F$ 基体与极细的颗粒状 $Fe_3C$
   2. 内部应力大部分消除
   3. 产物称为回火托氏体 $T_\text{回}$
4. 碳化物的聚集长大 ($500\sim 650\degree C$)
   1. $F$ 将发生回复与再结晶，$Fe_3C$ 颗粒将以大吃小的方式不断长大, 颗粒较粗大
   2. 内应力完全消除
   3. 产物称为回火索氏体 $S_\text{回}$

回火分类

1. 低温回火 ($150\sim 250\degree C$) 保持淬火后的高硬度, 部分消除淬火内应力与脆性, 提升韧性和塑性
2. 中温回火 ($350\sim 500\degree C$) 得到回火托氏体, 可以得到高弹性极限和屈服强度, 内应力消除大半
3. 高温回火 ($500\sim 650\degree C$) 得到回火索氏体, 综合力学优良, 将淬火加高温回火称为调质处理

回火性能

1. 强度和硬度在 $200\degree C$ 以下变化不明显，以后随温度的上升而下降
2. 塑性和韧性随回火温度提高而提高，到超过 $600\degree C$ 因碳化物过大会下降

回火脆性

回火温度升高, 冲击韧性反而下降称为回火脆性

1. 第一类回火脆性 ($200\sim 350\degree C$)
   1. 无法避免几乎所有钢都存在, 不可逆, 需要避免在此温度回火
   2. 与冷却速度无关
   3. 减少杂质元素可以减轻
2. 第二类回火脆性 ($450\sim 600\degree C$)
   1. 出现在某些合金钢中
   2. 对冷却速度敏感, 需要加快冷却速度避免

表面淬火

表面加热, 淬火, 内部保持

1. 感应加热表面淬火
2. 火焰加热表面淬火

化学热处理

包括化学介质的分解、活性原子的吸附和活性原子的扩散三个阶段

渗碳

处理温度范围 $900\sim 950 \degree C$

• 经过渗碳 + 淬火 + 低温回火 才能发挥渗碳层的作用

1. 气体渗碳法
2. 固体渗碳法

渗氮

处理温度低于 $A_1$, 不进行后续热处理, 防止去除渗氮层