钢的热处理及表面热处理

过热：指加热温度比正常温度偏高，出现的奥氏体晶粒粗大的现象。过热使钢件的强度和塑韧性降低，热处理后变形加大。过热的工件可通过重新奥氏体化，细化晶粒来补救。

过烧：指钢加热的温度太高，奥氏体晶界局部或全部氧化甚至熔化的现象。过烧使工件变脆，如果锻造一锻即裂。过烧的工件只能报废，无法挽救，属于致命性缺陷。

2．防止措施

（1）在真空中加热：工件在真空中加热是防止氧化脱碳的最有效措施，是热处理工艺的发展方向，在发达国家应用普遍。问题在于，真空热处理设备投资大，成本较高。

（2）可控气氛加热：工件加热过程中向炉内充入一定保护性气氛，保证钢在不脱碳、不增碳、不氧化的气氛下加热。实践证明它是行之有效与可靠的方法，是现代热处理的发展方向之一。

（3）盐浴加热：将工件置于一熔化了的中性熔融的盐浴炉中加热，盐浴进行充分脱氧，保证工件加热过程中少氧化，甚至无氧化。缺点主要是粘在工件上的盐难以清洗，操作过程中盐液遇水易炸，不小心灼伤人体，不太安全，操作过程中要多加小心。

第二节 钢在冷却时的转变

一、过冷奥氏体

奥氏体在临界点A 1以上是稳定相，冷却至A 1以下就成了不稳定相，要发生组织转变。 定义：把在临界温度A 1以下尚未发生组织转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体。 等温转变：过冷奥氏体转变是在临界点以下某个温度下等温过程中发生的，就称为过冷奥氏体的等温转变。

连续转变：转变在连续冷却的过程中发生的就称为过冷奥氏体的连续冷却转变。 等温冷却和连续冷却是工业生产中常用的两种热处理冷却方式。钢中过冷奥氏体在冷却过程中的转变规律常用过冷奥氏体转变图来描述，表示转变产物与温度、时间之间的关系，是选择和制定热处理工艺的重要依据。

二、过冷奥氏体等温转变曲线（以共析钢为例） 1．等温转变曲线的建立

（1）准备几组共析钢小试样（5组，每组8个试样，小圆片试样的尺寸：直径10～15mm，厚度1.0～1.1mm）；

（2）把这些试样加热至A1(7270C)以上奥氏体化（如8000C） ；

（3）然后迅速把各组试样分别迅速放入A1(7270C) 以下的不同温度（700，650，600，550，5000C）的恒温箱中保温；

(4)记录时间，每隔一定时间取出一块试样，立即淬入水中（保持当时的组织状态） （5）测量硬度，并在显微镜下观察其组织，找出各个等温温度下的转变开始时间和转变了时间，并画在“温度----时间”坐标系中。

（6）将转变开始点连接起来—A转变开始线；转变终了点连接起来—A转变终了线。该曲线称过冷奥氏体等温曲线。

孕育期:试样放入临界温度以下到开始发生转变之间的这段时间，即A开始转变线到温度轴的距离。鼻尖处孕育期最短，鼻尖处的温度称为鼻温，共析钢在5500C左右。

2．过冷奥氏体等温曲线

是描绘过冷奥氏体在不同温度下等温过程中，转变产物与温度、时间之间关系的曲线图，又称TTT曲线或C曲线。

下图为共析钢的过冷奥氏体等温曲线图。（解释：转变开始线、终了线、MS和Mf） 三、共析碳钢过冷奥氏体等温转变类型及转变产物

根据过冷奥氏体在不同温度间的转变特点，将其分为三类：珠光体型转变、贝氏体型转变和马氏体型转变。转变产物取决于等温的温度。 （一）珠光体型转变

1． 转变温度： 7270C—5500C 2． 转变产物： 珠光体

珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，这种类型的转变称为珠光体转变。 根据奥氏体化温度和程度不同，过冷奥氏体可以形成片状珠光体和球状珠光体。 （1）片状珠光体：由共析反应形成，是由铁素体片和渗碳体片交替排列的层片状组织，形貌为层片状。

珠光体中铁素体和渗碳体层片的粗细与转变温度有关。转变温度越低，过冷度越大，珠光体的层片越细。

在7270C—6500C：珠光体片层较粗，称为粗片状珠光体，简称珠光体，用P表示； 在6500C—6000C：珠光体层片较细，称为索氏体，用S 表示； 在6000C--5500C：珠光体层片极细，称为屈氏体，用T 表示。 层片越细，珠光体的强度硬度越高，塑性韧性越好。

三者相比：屈氏体的强度硬度最高，塑性韧性最好；索氏体次之；珠光体再次之。

例如：冷拔弹簧钢丝，等温处理成索氏体，变性量可达80%，强度达到3000MPa。

（2）球状珠光体 由片状珠光体经球化退火得到，是渗碳体呈颗粒状均匀分布在铁素体基体上的组织，形貌为颗粒状。

在实际生产中，高碳工模具钢多采用球化退火获得球状珠光体来改善组织和切削加工性能。

（二）贝氏体型转变

1．转变温度：在550—2300C（Ms）温度之间。 2．转变产物：贝氏体，记为B。

3．定义：贝氏体是由过饱和铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 4．组织形态和性能特点：有两种类型，其组织形态与等温温度有关。

（1）上贝氏体，记为B上：在550－3500C之间形成，呈羽毛状，细小的短棒状渗碳体分布在过饱和铁素体片间。

性能特点：硬度高，强度低，塑性韧性差，少用。

（2）下贝氏体，记为B下：在350－Ms（2300C）之间形成，呈针片状或竹叶状状，渗碳体以短片状分布在过饱和铁素体针片的内部，具有较高的位错密度。

性能特点：具有较高的强度硬度（45～55HRC）和良好的塑性韧性，即良好的综合力学性能。工业中，对于中碳钢、中碳合金钢，希望得到下贝氏体组织，提高钢的强韧性。

（三）马氏体型转变

1．转变温度：Ms（2300C）～Mf之间。 2．转变产物：马氏体，记为M。

3．定义、结构：马氏体是碳在Fe中形成的过饱和固溶体，体心正方晶格结构。 4．主要转变特点 （1）是无扩性相变；

（2）在Ms～Mf范围内不断降温中形成，冷却中断转变中止，转变量随温度的降低

而增加；

（3）A向M 的转变是一个体积膨胀过程，引起内应力。（A的比容小，M的比容大）

（4）马氏体转变不能完全进行到底，有一定量的残余奥氏体。

钢的组织中存在残余奥氏体会使零件尺寸不稳定、硬度降低，应尽量减少。

措施：采用多次回火或冷处理。工模具钢量具钢的热处理中常采用这种工艺来减少残余奥氏体量，提高尺寸稳定性及耐磨性。

5．马氏体的组织形态和性能特点：有两种类型。

（1）板条马氏体：呈板条状；具有较高的强度和良好的韧性，即良好的综合力学性能。Ms温度较高、含碳量较低的钢淬火时易得到板条马氏体。

板条马氏体是低、中碳钢和低、中碳合金钢淬火组织中的一种典型组织形态。

（2）片状马氏体：呈针片状或竹叶状；具有高的强度和硬度，但塑性韧性差，即硬而

脆。Mf较低、含碳量较高的钢淬火时易得到。

片状马氏体主要出现在中高碳钢、中高碳合金钢和高镍的铁镍合金的淬火组织中。必须经过回火处理后才能使用。

6．影响马氏体性能的因素

马氏体组织的最主要特点是高强度和高硬度。

硬度：主要取决于其本身的含碳量，与合金元素含量关系不大。

随着碳含量的增加，马氏体的硬度升高。对淬火钢来说，当含碳量为0.6～0.8％时，硬度达到最高；含碳量进一步增加时，硬度提高趋于平缓。

马氏体的高强度：是由于碳在α-Fe中的过饱和而产生的固溶强化，相变时在马氏体内部造成大量的位错或孪晶等晶格缺陷而产生的相变强化，以及时效强化效应等综合作用的结果。另外，奥氏体晶粒越细小，马氏体尺寸越小，其强度也越高。

塑性和韧性：取决于马氏体的亚结构。板条马氏体的亚结构为位错，具有高的强度和良好的韧性，特点是具有良好的综合机械性能；片状马氏体的亚结构为孪晶，具有高的强度和硬度，但塑韧性很差，特点是硬而脆。

7．应用

要求高硬度高耐磨性的零件，得到高碳的片状马氏体组织，如工模具、渗碳件等。 要求综合力学性能好的零件，得到低碳马氏体，如发动机连杆、螺栓、石油钻井的吊环和吊钳等。

四、影响C曲线的主要因素

1．含碳量的影响

对C曲线形状的影响：亚共析钢，在P转变之前有先共析铁素体析出，C曲线上有A→F转变线。过共析钢，在P转变之前有二次渗碳体析出，C曲线上有A—Fe3C转变线。 对C曲线位置的影响：亚共析钢，Wc↑,C曲线右移，转变推迟。