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机械工程材料的强韧——热处理 1、 使材料强度提高的过程称为材料强化2、工程材料强化的途径： （1）尽可能减少晶体中的位错，使材料接近于无缺陷的理想晶体，材料实际强度接近 于理论强度；（2）材料中有大量位错时，设法阻止位错运动，从而强化材料 工程材料常用的强化方式：固溶强化，冷变形强化，细晶强化，第二相强化，相变强化 工程材料常用的强韧化方式：细化晶粒，调整化学成分，控制轧制与控制冷却，形变热处理，马氏体强化，下贝氏体强化 改善钢的性能，主要有两条途径：一是合金化，二是热处理第一节概述 1、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所 需要性能的一种工艺2、热处理特点：热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变 工件的组织来改变性能，而不改变其形状 3、热处理适用范围：只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化 4、热处理分类 热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热处理工艺 根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：5、预备热处理与最终热处理预备热处理—为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作准备的热处理。

最终热处理—赋予工件所要求的使用性能的热处理第二节钢在加热时的转变加热是热处理的第一道工序加热分两种：一种是在 A1 以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化一、奥氏体的形成过程 奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步现以共析钢为例说明： 第一步：奥氏体晶核形成：首先在a 与 Fe3C 相界形核第二步：奥氏体晶核长大：g晶核通过碳原子的扩散向a和 Fe3C 方向长大 第三步：残余 Fe3C 溶解：铁素体在成分、结构上比 Fe3C 更接近于奥氏体，因而先于 Fe3C 消失，而残余 Fe3C 则随保温时间延长不断溶解直至消失第四步：奥氏体均匀化Fe3C 溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使 奥氏体成分趋于均匀亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同 但由于先共析a或二次 Fe3C 的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到 Ac3 或 Accm 以上 二、奥氏体晶粒长大及其影响因素1、 奥氏体晶粒的长大 奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时晶粒细小均匀 随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这也是一个自发的过程。

奥氏体晶粒长大的过程与再结晶晶粒长大过程相同 在给定温度下奥氏体的晶粒度称实际晶粒度 加热时奥氏体晶粒的长大倾向称本质晶粒度通常将钢加热到 940± 10℃奥氏体化后， 设法把奥氏体晶粒保留到室温来判断 g 晶粒度为 1-4 级的是本质粗晶粒钢，5-8 级的是本质细晶粒钢前者晶粒长大倾向 大，后者晶粒长大倾向小2、影响奥氏体晶粒长大的因素 ⑴ 加热温度和保温时间： 加热温度高、保温时间长，g 晶粒粗大⑵ 加热速度： 加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细 ⑶ 合金元素：阻碍奥氏体晶粒长大的元素：Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al 等，多为碳化 物和氮化物形成元素促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P ⑷ 原始组织：平衡状态的组织有利于获得细晶粒 奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一 第三节钢在冷却时的转变 冷却是热处理更重要的工序一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程 处于临界点 A1 以下的奥氏体称过冷奥氏体过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转 变随过冷度不同， 过冷奥氏体将发生珠光体转变、 贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。

以共析钢为例说明： ㈠ 珠光体转变1、珠光体的组织形态及性能 过冷奥氏体在 A1 到 550℃间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间 的机械混合物，根据片层厚薄不同，又细分为珠光体、索氏体和屈氏体⑴ 珠光体： 形成温度为 A1-650℃，片层较厚，500 倍光镜下可辨，用符号 P 表示 ⑵ 索氏体形成温度为 650-600℃，片层较薄，800-1000 倍光镜下可辨，用符号 S 表示 ⑶ 屈氏体 形成温度为 600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，用符号 T 表示珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也 是相对的 片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善2、珠光体转变过程 珠光体转变也是形核和长大的过程 渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成， 在长大过程 中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团 珠光体转变是扩散型转变㈡ 贝氏体转变1、贝氏体的组织形态及性能 过冷奥氏体在 550℃-230℃ (Ms)间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号 B 表示根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B 上)和下贝氏体（B 下） 。

⑴ 上贝氏体 形成温度为 550-350℃ 在光镜下呈羽毛状在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间⑵下贝氏体形成温度为 350℃-230℃ (Ms) 在光镜下呈竹叶状 在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈 55-60º角上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值 下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能， 是 生产上常用的强化组织之一2、贝氏体转变过程 贝氏体转变也是形核和长大的过程 发生贝氏体转变时， 首先在奥氏体中的贫碳区形成铁素体晶核， 其含碳量介于奥氏体与平衡铁素体之间，为过饱和铁素体 当转变温度较高（550-350℃）时，条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁 素体条伸长和变宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条间析出 Fe3C 短棒，奥氏体消失，形成 B 上 当转变温度较低（350- 230℃）时，铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状，由于碳 原子扩散能力低， 其迁移不能逾越铁素体片的范围， 碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出 当转变温度较低（350- 230℃）时，铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状，由于碳 原子扩散能力低， 其迁移不能逾越铁素体片的范围， 碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。

贝氏体转变属半扩散型转变， 即只有碳原子扩散而铁原子不扩散， 晶格类型改变是通过 切变实现的㈢ 马氏体转变 当奥氏体过冷到 Ms 以下将转变为马氏体类型组织马氏体转变是强化钢的重要途径之一 1、马氏体的晶体结构 碳在α-Fe 中的过饱和固溶体称马氏体,用符号 M 表示马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中 马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c） 轴比 c/a 称马氏体的正方度C% 越高，正方度越大，正方畸变越严重 当＜0.25%C 时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格2、马氏体的形态马氏体的形态分板条和针状两类 ⑴ 板条马氏体 立体形态为细长的扁棒状在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列， 一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同 的马氏体束 在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错，r =1012/cm2，又称位错马氏体⑵ 针状马氏体 立体形态为双凸透镜形的片状显微组织为针状 在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体⑶ 马氏体的形态主要取决于其含碳量C%小于 0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体 C%大于 1.0%C 时则几乎全部是针状马氏体。

C%在 0.2~1.0%之间为板条与针状的混合组织先形成的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒， 但不能穿过晶界和孪晶界 后形成的马氏体片 不能穿过先形成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小原始奥氏体晶粒细，转变后的马氏体片也细 当最大马氏体片细到光镜下无法分辨时，这种马氏体称隐晶马氏体 3、马氏体的性能高硬度是马氏体组织性能的主要特点 马氏体的硬度主要取决于其含碳量 含碳量增加 其硬度增加 当含碳量大于 0.6%时，其硬度趋于平缓合金元素对马氏体硬度的影响不大 马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化 此外， 马氏体转变产生的组织细化 也有强化作用马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式 针状马氏体脆性大， 板条马氏体具有 较好的塑性和韧性 4、马氏体转变的特点马氏体转变也是形核和长大的过程其主要特点是： ⑴ 无扩散性 铁和碳原子都不扩散，因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同⑵ 共格切变性 由于没有扩散，晶格的转变是以切变的机制进行的 切变还使切变部分的形状和体积发生变化， 引起相邻奥氏体随之变形， 在预先抛光的表面上产生浮凸现象 ⑶降温形成 马氏体转变开始的温度称上马氏体点， 用 Ms 表示。

马氏体转变终了温度称下马氏体点，用 Mf 表示.，只要温度达到 Ms 以下即发生马氏体转变在 Ms 以下，随温度下降， 转变量增加，冷却中断，转变停止 ⑷高速长大马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使 已形成的马氏体产生裂纹 ⑸ 转变不完全即使冷却到 Mf 点，也不可能获得 100%的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下 来，称残余奥氏体，用A’表示Ms、Mf 与冷速无关，主要取决于奥氏体中的合金元素含量（包括碳含量） 马氏体转变后，A’ 量随含碳量的增加而增加，当含碳量达 0.5%后，A’量才显著二、过冷奥氏体转变图 过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变两种㈠ 过冷奥氏体的等温转变图 过冷奥氏体的等温转变图是表示奥氏体急速冷却到临界点 A1 以下在各不同温度下的保温过程中转变量与转变时间的关系曲线又称 C 曲线或 TTT 曲线C 曲线的分析 ⑴ 转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小 孕育期最小处称 C 曲线的“鼻尖” 碳钢鼻尖处的温度为 550℃ 在鼻尖以上，温度较高，相变驱动力小在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。

从而使奥氏体稳定性增加 ⑵ C 曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物2、 影响 C 曲线的因素 ⑴ 成分的影响 ① 含碳量的影响：共析钢的过冷奥氏体最稳定，C 曲线最靠右由共析钢成分开始，含碳量增加或减少都使 C 曲线左移 Ms 与 Mf 点随含碳量增加而下降 与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢 C 曲线的上部各多一条先共析相的析出线②合金元素的影响 除 Co 外，凡溶入奥氏体的合金元素都使 C 曲线右移 除 Co 和 Al 外，所有合金元素都使 Ms 与 Mf 点下降⑵奥氏体化条件的影响 奥氏体化温度提高和保温时间延长，使奥氏体成分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减 少，增加了过冷奥氏体的稳定性，使 C 曲线右移在使用 C 曲线时应注意奥氏体化条件及晶粒度的影响㈡过冷奥氏体连续冷却转变图过冷奥氏体连续冷却转变图又称 CCT 曲线，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的 转变量获得的1、共析钢的 CCT 曲线共析钢的 CCT 曲线没有贝氏体转变区， 在珠光体转变区之下多了一条转变中止线 当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变中止，余下的奥氏体一直保持到 Ms 以下转变为马氏体图中的 Vk 为 CCT 曲线的临界冷却速度，即获得全部马氏体组织时的最小冷却速 度。

Vk’为 TTT 曲线的临界冷却速度Vk’=» 1.5 Vk 2、过共析钢 CCT 曲线也无贝氏体转变区，但比共析钢 CCT 曲线多一条 A→Fe3C 转变开始线由于 Fe3C 的析出, 奥氏体中含碳量下降, 因而 Ms 线右端升高3、亚共析钢 CCT 曲线中有贝氏体转变区，还多一条 A→F 的转变开始线。