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(共37张PPT)
钢的热处理原理
热处理概述
Part 01
钢在加热时的组织转变
Part 02
钢在冷却时的组织转变
Part 03
热处理概述
热处理概述
将一根直径为1mm左右的弹簧丝剪成两段，放在酒精灯上同时加热到赤红色，然后分别放入水中和空气中，冷却后用手进行弯折，对比观察两根钢丝性能的差异。
小实验
热处理概述
实验现象
放在水中冷却的钢丝硬而脆，很容易折断；而放在空气中冷却的钢丝较软且有较好的塑性，可以卷成圆圈而不断裂。
由这个实验可以看出，虽然钢的成分相同，加热温度也相同，但采用不同的冷却方法，却得到了不用的力学性能，这主要是因为在不同的冷却速度情况下，钢的内部组织发生了不同的变化。
钢在不同的加热和冷却条件下，其内部组织会发生不同的变化(这就是热处理的作用)，可改变其性能从而更广泛地适应和满足不同加工方法及使用性能的要求。
一、热处理的概念
热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。
热处理工艺包括加热、保温和冷却三个阶段，温度和时间是决定热处理工艺的主要因素，通常用温度-时间曲线来表示热处理工艺过程。
二、热处理的目的
不同成分的材料具有不同的性能，而同一成分的材料，由于有不同的内部组织，也可以具有不同的性能。因此改善金属材料的性能，可以借助两种主要方法：一种是调整金属材料的化学成分，即合金化的方法；另一种是通过改变其内部组织来改变其性能，即热处理的方法。这两种方法是密切相关，相辅相成的，而热处理更是充分发挥金属材料的性能潜力，改善金属力学性能和工艺性能，保证机器质量、寿命和可靠性的重要工艺。
热处理的目的：通过改变金属材料的内部组织来获得所需要的性能。
三、热处理的应用范围
金属的热处理应用非常广泛，在整个制造业中热处理都有应用。
四、热处理的分类
根据加热和冷却的规范以及钢的组织、性能变化的特点，热处理可以分为三大类。
钢在加热时的组织转变
一、钢在加热和冷却时的转变温度
钢在加热时，实际转变温度往往要偏离平衡的临界温度，冷却时也是如此。随着加热和冷却速度的增加，滞后现象将越加严重。通常把加热时的临界温度标以字母“C”，如AC1、AC3、ACcm等；把冷却时的临界温度标以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arcm等，如图示。
一、钢在加热和冷却时的转变温度
在热处理工艺中，钢的加热是为了获得奥氏体。钢只有呈奥氏体状态，才有可能以不同的冷却形式和速度转变成不同的组织，从而获得预期的性能。加热形成的奥氏体其组织特点（如均匀度、晶粒度等）与冷却后获得的最终的组织和性能有直接关系，所以研究奥氏体形成规律具有实际意义。
二、钢的奥氏体化
钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化。以共析钢为例说明钢的奥氏体化过程。
共析钢室温组织为珠光体，当加热温度高于Ac1时，则珠光体向奥氏体转变。这一过程遵循结晶过程的基本规律，也是通过形核及晶核长大来进行的，其过程如图示。
二、钢的奥氏体化
奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上形成。
（1）奥氏体形核
奥氏体晶核形成以后，依靠铁、碳原子的扩散，使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不断溶入到奥氏体中去而进行的。
（2）奥氏体晶核长大
二、钢的奥氏体化
（3）残留渗碳体的溶解
铁素体全部消失以后，仍有部分剩余渗碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗碳体不断地溶入到奥氏体中去，直至全部消失。
二、钢的奥氏体化
渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩散才能获得均匀化的奥氏体。
亚共析钢和过共析钢奥氏体的形成过程与共析钢相似，但亚共析钢加热到Ac1以上，尚有未溶的铁素体，需加热到Ac3以上，才能得到全部奥氏体。过共析钢加热到Ac1以上，仍存在二次渗碳体，只有加热到Accm以上，才能获得单一的奥氏体。
亚共析钢的奥氏体化过程：
过共析钢的奥氏体化过程：
（4）奥氏体均匀化
三、奥氏体晶粒的长大
当珠光体刚刚全部转变为奥氏体时，奥氏体晶粒还是很细小的，此时，将奥氏体冷却后得到的组织也很细小。如果在形成奥氏体后继续升温或延长保温时间，会使奥氏体晶粒逐渐长大。晶粒的长大是依靠较大晶粒吞并较小晶粒和晶界迁移的方式进行的，如图示。
钢在热处理加热后必须有保温阶段，不仅是为了使工件热透，也是为了使组织转变完全，以保证奥氏体成分均匀。钢在加热时为了得到细小均匀的奥氏体晶粒，必须严格控制加热温度和保温时间，以免发生晶粒粗大的现象。
钢在冷却时的组织转变
钢在冷却时的组织转变
钢的热处理常用的冷却方式有两种：一是等温冷却（常用于理论研究）；二是连续冷却（常用于生产）。
钢的性能是由其组织决定的，所以要弄清其性能不同的原因，首先要了解奥氏体在冷却时组织变化的规律。
两种冷却方式示意图
一、奥氏体的等温转变
奥氏体在A1线以上是稳定相当冷却到A1线以下而尚未转变时的奥氏体称为过冷奥氏体。这是一种不稳定的过冷组织，只要经过一段时间的邓文保持，就可以等温转变为稳定的新相。这种转变就称为奥氏体的等温转变。
一、奥氏体的等温转变
由于过冷奥氏体的过冷温度和转变时间不同，所以转变的组织也不同。
表示过冷奥氏体的等温转变温度、转变时间与转变产物之间的关系曲线称为等温转变曲线（该曲线通过实验方法获得），它是分析奥氏体转变产物的依据，如图所示为共析钢等温转变曲线。
1. 等温转变曲线
一、奥氏体的等温转变
奥氏体等温冷却曲线形似“C”字，故俗称C曲线，它反应了“温度－时间－转变产物”的关系。
曲线的左边一条线为aa′过冷奥氏体转变开始线；右边一条线bb′为过冷奥氏体转变终了线。该曲线下部还有两条水平线，分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms线和转变结束温度Mf线。
在C曲线中，在不同过冷奥氏体开始出现组织转变的时间不同，这段时间称为“孕育期”。其中，以C曲线最突出处（凸点）所对应的温度孕育期最短。
可以通过等温转变曲线曲线图来分析过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能。从图中可以看出：过冷奥氏体在A1线以下等温转变的温度不同，转变产物也不同；在Ms线以下，共析钢可以发生珠光体型和贝氏体型两种类型的转变。当奥氏体以极快的冷却速度不穿越C曲线中的过冷奥氏体转变开始线 ，而直接过冷到Ms 线以下并继续冷却时，过冷奥氏体将发生连续的马氏体型转变。
2. 等温转变曲线分析
一、奥氏体的等温转变
共析钢的过冷奥氏体在A1~550℃温度范围内，过冷奥氏体将发生奥氏体向珠光体型的转变，即转变为铁素体和渗碳体。
珠光体：粗片层状铁素体和渗碳体的混合物，片层间距大于0.4μm一般在500倍以下的光学显微镜下即可分辨。
（1）珠光体型转变区（高温等温转变）
一、奥氏体的等温转变
索氏体：为细片状珠光体，片层较薄间距在0.4～0.2μm，一般在800～1000倍的光学显微镜下才可分辨。
一、奥氏体的等温转变
屈氏体：是极细片状的珠光体，片层极薄间距小于0.2μm，只有在电子显微镜下（5000倍）才能分辨出它们呈片状。
一、奥氏体的等温转变
上述珠光体、索氏体、屈氏体三种组织，只有形态上的厚薄片之分，并无本质上的区别，统称为珠光体转变。随着转变温度降低，片层间距减少，强度、硬度升高，但对塑性影响较小。
一、奥氏体的等温转变
（2）贝氏体转变区（中温等温转变）
在550℃～Ms温度范围内，因转变温度较低，原子的活动能力较弱，转变后得到的组织为含碳量具有一定饱和度的铁素体和弥散的渗碳体（或碳化物）所组成的混合物，称为贝氏体，用符号B表示。贝氏体分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）。
一、奥氏体的等温转变
上贝氏体形成温度范围550~350℃
上贝氏体中渗碳体呈较粗的片状，平行分布于平行排列的铁素体片层之间，它在显微镜下呈羽毛状的组织。
性能特点：硬度为40~45HRC，强度低，塑性很差，基本没有使用价值。
一、奥氏体的等温转变
下贝氏体形成温度范围350℃～Ms
下贝氏体中的碳化物呈细小颗粒状或短杆状均匀分布在铁素体内，在显微镜下呈黑色针叶状的组织。
性能特点：硬度可达45~55HRC，具有较高的强度及良好的塑性和韧性。
一、奥氏体的等温转变
上贝氏体脆性大，性能差；下贝氏体具有较高的硬度和强度，同时塑性、韧性也较好，并具有较高的耐磨性和组织稳定性，是制造各种复杂模具、量具、刀具的理想组织。
一、奥氏体的等温转变
当钢从奥氏体区急冷到Ms 以下时，奥氏体便开始转变为马氏体。这是一种非扩散的转变过程。由于转变温度低，原子扩散能力小，在马氏体转变过程中，只有只有晶格改变 γ-Fe→ α-Fe，而无碳原子的扩散。因此，溶解在奥氏体中的碳，转变后原封不动地保留在铁的晶格中，形成碳在α-Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体，用符号M表示，马氏体转变的组织和性能如图示。
（3）马氏体型转变区（低温连续转变）
一、奥氏体的等温转变
低碳马氏体(C<0.2%)
低碳马氏体其形状为一束一束相互平行的细条状，故也称板条状马氏体。
含碳量在0.2%左右的低碳马氏体硬度可达45HRC，具有良好的强度及较好的韧性。
一、奥氏体的等温转变
高碳马氏体(C>1.0%)
高碳马氏体其断面呈针叶状，故也称针状马氏体。
高碳马氏体的硬度均在60HRC以上，硬度高、脆性大。
一、奥氏体的等温转变
马氏体转变有以下一些特点：
1.转变是在一定的温度范围内（Ms ～ Mf）连续冷却中进行，马氏体的数量随转变温度的下降而不断增加，如果冷却在中途停止，则奥氏体向马氏体的转变也停止。
2．转变速度极快。
3．转变时体积发生膨胀，因而产生很大的内应力
4．转变不能完全进行到底，即使过冷到Mf温度以下仍有少量奥氏体存在，这部分奥氏体称为残余奥氏体（用A残表示）。
马氏体的硬度主要取决于马氏体中的含碳量。马氏体中由于溶入过多的碳，而使α-Fe晶格发生畸变，增加了其塑性抗力。马氏体的含碳量越高，其硬度也越大，但当钢中含碳量大于0.6%时，淬火钢的硬度增加很慢。
二、奥氏体的连续冷却转变
C曲线反应了过冷奥氏体等温转变的全貌，但在实际生产中，钢的热处理大多是采用连续冷却，由于奥氏体的连续冷却转变图测定比较困难，故常用连续冷却曲线与等温转变图叠加，近似地分析连续冷却转变的产物和性能。
二、奥氏体的连续冷却转变
图中V1、V2、V3、V4、V临分别代表不同的冷却速度，根据它们同C曲线相交的温度范围，可定性地确定其连续冷却转变的产物和性能。
与C曲线“鼻尖”相切的冷却速度V临，就是冷却时获得全部马氏体的最小冷却速度。奥氏体变成马氏体所需的最小冷却速度称为临界冷却速度，用符号V临表示。为使奥氏体过冷至Ms前不发生非马氏体转变，冷却速度必须大于 V临。
谢谢观看！

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