第四章 金属强化理论和钢的热处理
第一节 金属强化理论简介
• 一、金属强度的实质 • 金属的强度指标(σ s、σ b)是代表着金属在一定变形过程中对塑 性变形的抵抗能力。金属对塑性变形的抗力愈大，则强度愈高。总之， 在实际工程材料中，一切阻碍位错运动的因素都会使金属的强度提高， 造成强化。
通过前面讨论，可以找出提高实际金 属强度的两个基本途径：其一是制造不含 位错的完整的金属晶体；目前强化金属材 料的主要手段，即通过增加实际金属晶体 中位错数目及其移动阻力来提高金属强度。 例如，加工硬化，细化晶粒与亚晶粒，加 大晶体空位浓度及溶入异类原子造成各种 形式的晶格畸变，增大第二相粒子的弥散 度以及位错与溶质原子应力场之间作用形 成的柯氏气团等等，这些都会使位错数目 增多及移动的阻力增大，从而导致金属材 料变形抗力的升高。
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第二节
钢的热处理概述
热处理是将金属或合金在固态下经过加热、保温和冷却三个步骤，以改 变其整体或表面的组织，从而获得所需性能的一种工艺(图4-2)。它可以提 高材料的强度和硬度，增加耐磨性或者改善材料的塑性和切削加工性等。通 过热处理可以充分发挥合金元素的作用和挖掘材料的潜力，延长机械的使用 寿命并降低金属材料的消耗。目前，各种类型的机床上有80％左右的零件需 进行热处理，而刀具、量具、模具和轴承等则l00％的需进行热处理。 按照应用特点，热处理工艺可大致分类如下：
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二、金属强化机制
阻碍位错运动的障碍可以有四种：第一种是溶质原子，引起固溶强化；第 二种是晶界，引起细晶强化；第三种是第二相粒子，引起沉淀强化(或弥散强 化)；第四种是位错本身，引起位错强化。 1.固溶强化：合金组织中的溶质原子与溶剂金属原子大小不同，溶剂晶格发 生畸变，并在周围造成一个弹性应力场与运动位错的应力场发生交互作用，增 大了位错运动的阻力，使金属的滑移变形困难，从而提高合金的强度和硬度， 这便是固溶强化。 2.细晶强化：晶界是一种面缺陷，能有效地阻碍位错运动，使金属强化。晶 粒越细，晶界越多也越曲折，强化作用越显著，强化量与晶粒直径的平方根成 反比。 3.第二相强化：当合金由多相混合物组成时，合金中除了基体之外还常常存 在第二相。此时合金的性能不仅决定于基体的性能，也决定于第二相的性质、 大小、形状和分布。材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而产生的强 化，称为弥散强化（也称沉淀强化)。第二相质点弥散度越高，强化效果也越明 显。 4.位错强化：运动位错碰上与滑移面相交的其它位错时，发生交割面位错使 运动受阻，其所造成的强化量与金属中的位错密度的平方根成正比。金属的冷 变形能产生大量位错，强化效果显著。合金中的相变，特别是低温下伴随有容 积变化的相变如马氏体相变等，都会产生大量的位错，使合金显著强化。
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二、奥氏体晶粒度及其影响因素
奥氏体晶粒大小对冷却转变后钢的性能有着重要的影响。热处理加热时获 得细小均匀的奥氏体晶粒，冷却后钢的力学性能就好。奥氏体晶粒大小是评 定加热质量的主要指标之一。
（1）晶粒度（定义）是表示晶粒大小的尺度。1-4级为粗晶粒，5-8级细晶粒。 （2）晶粒度的种类：有三种不同概念的晶粒度。
1)起始晶粒度 是指珠光体刚刚转变为奥氏体的晶 粒大小。一般细小均匀。
2)实际晶粒度 实际加热条件下得到的奥氏体晶粒度。
3)本质晶粒度 代表着钢的晶粒长大倾向。冶金标准 (YB／T5148—1993)中规定，将钢试样加热到 (930±10)℃、保温3~8h，冷却后制成金相试样。在 显徽镜下放大100倍观察，然后再和标准晶粒度等 级图比较确定的该试样的晶粒度。它取决于钢的成 分及冶炼方法。用铝脱氧的钢以及含钛、钒、铅等 元素的合金钢都是本质细晶粒钢。用硅、锰脱氧的 钢为本质粗晶粒钢。本质细晶粒钢在加热温度超过 一定限度后，晶粒也会长大粗化。图3-4所示为两种 钢加热时晶粒的长大倾向。
钢在热处理时，首先要将工件加热，使之转变成奥氏体组织，这一过程也 称为奥氏体化。加热时奥氏体化的程度及晶粒大小，对其冷却转变过程及最 终的组织和性能都有极大的影响。因此了解奥氏体形成的规律，是掌握热处 理工艺的基础。
大多数热处理工艺都要将钢加热到临界温 度以上（奥氏体区），使室温组织转变为 均匀奥氏体。铁碳合金状态图中的A1、A3 和Acm线都是反映了不同含碳量的钢在加热 和冷却时的平衡状态下组织转变的临界温 度(或称临界点)。由于在实际冷却过程中, 冷却速度不可能无限缓慢，总有过冷现象 (加热时，转变也有过热现象)，如图4-3 所示，因而，实际上的临界温度(不平衡 状态)就与状态图中(平衡状态)有所不同。 为区别起见，把冷却时的临界点加上注脚 r,即Ar1，Ar3、Arcm;把加热时的临界点加 上注脚c，即Ac1，Ac3、Accm。
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一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程
1.珠光体型转变——高温转变(A1~550℃)
奥氏体向珠光体的转变是一种扩散型转 变，它们也是由形核和核心长大，并通过 原子扩散和晶格重构的过程来完成的，如 右图所示。首先，新相的晶核优先在奥氏 体的晶界处形成，一般认为形成珠光体的 领先相是渗碳体。由于渗碳体碳的质量分 数(wc=6.69％)比奥氏体(WC=0.77％)高得 多，因此它需要从周围的奥氏体中吸收碳 原子才能长大，这样就造成附近的奥氏体 贫碳，为形成铁素体创造了条件，于是在 渗碳体两侧通过晶格改组形成铁素体。而 在铁素体长大的过程中，不断向周围奥氏 体排出碳，形成局部富碳区，又促进了另 一片渗碳体的形成。这样不断交替地生核 长大直到各个珠光体区相互接触，奥氏体 全部消失为止。
(1)普通热处理 退火、正火、淬火和回火等。
(2)表面热处理和化学热处理 表面热处理包括感应加热淬火、火焰加热淬 火和电接触加热淬火等； 化学热处理包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗 硼、渗铝、渗铬等。 (3)其他热处理 包括可控气氛热处理、真空热 处理和形变热处理等。
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图4-2热处理工艺曲线
钢的热处理基础
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高温转变产物都是片层相间的珠光体，但由于转变温度不同．原子扩散能 力及驱动力不同，其片层间距差别很大，一般转变温度愈低，层间距愈小。
习惯上把珠光体型组织分为珠光体(P)、索氏体(s)和托氏体(T)，但它们从组 织上并没有本质的区别，也没有严格的界限，只在形态上有片间距的不同。 下表为它们大致形成的温度和性能。 由表可见，转变温度较高即过冷度较小时，铁、碳原子易扩散，获得的珠 光体片层较粗大。转变温度越低，过冷度越大，获得的珠光体组织就越细。 珠光体的力学性能也随着片间距变小而提高。
图4-4 共析钢中奥氏体形成过程示意图
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（(共析钢)奥氏体的形成四个阶段） (1)奥氏体晶核的形成 奥氏体晶核一般优先在铁素体和渗碳体相界处形成。这
是因为在相界处，原子排列紊乱，能量较高，能满足晶核形成的结构、能 量和浓度条件。 (2)奥氏体晶核的长大 奥氏体晶核形成后，它一面与铁素体相接，另一面和渗 碳体相接，并在浓度上建立起平衡关系。由于和渗碳体相接的界面碳浓度 高，而和铁素体相接的界面碳浓度低，这就使得奥氏体晶粒内部存在着碳 的浓度梯度，从而引起碳不断从渗碳体界面通过奥氏体晶粒向低碳浓度的 铁素体界面扩散，为了维持原来相界面碳浓度的平衡关系，奥氏体晶粒不 断向铁索体和渗碳体两边长大，直至铁素体全部转变为奥氏体为止。 (3)残余渗碳体的溶解 在奥氏体形成过程中，奥氏体向铁素体方向成长的速度 远大于渗碳体的溶解．因此在奥氏体形成之后，还残留一定量的未溶渗碳 体。这部分渗碳体只能在随后的保温过程中，逐渐溶入奥氏体中，直至完 全消失。 (4)奥氏体成分的均匀化 渗碳体完全溶解后，奥氏体中碳浓度的分布并不均匀， 原来属于渗碳体的地方含碳较多，而属于铁素体的地方含碳较少，必须继 续保温，通过碳的扩散，使奥氏体成分均匀化。 (亚共析钢和过共析钢中奥氏体的形成过程与共析钢基本相同 )Fra bibliotek9/38
第四节 钢在冷却时的组织转变
铁碳合金状态图上所示室温下的钢的组织，是在非常缓 慢的冷却条件下形成的，如果冷却条件不同，钢的实际组织 与状态图上的组织力学性能就有区别。钢加热后处在临界点 以下的奥氏体并不立即发生转变，这种在临界点以下存在的 奥氏体，称为过冷奥氏体。 钢的加热并不是热处理的最终目的，冷却是热处理更重 要的工序，因为钢的常温性能与其冷却后的组织密切相关。 钢在不同的过冷度下可转变为不同的组织，包括平衡组织和 非平衡组织。 过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。随过冷度 不同，过冷奥氏体将发生三种类型转变：即珠光体转变、贝 氏体转变和马氏体转变。
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珠光体形貌像
光镜下形貌
电镜下形貌
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索 氏 体 形 貌 像
光镜形貌
电镜形貌
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托（屈）氏 体 形 貌 像
光镜形貌
电镜形貌
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2.贝氏体型转变——中温转变 (550℃~Ms)
过冷奥氏体在，550℃-Ms的中温区等温转变的产物 称为贝氏体，用符号B表示。 在中温转变区，由于转变温度低，过冷度大，只有 碳原子有一定的扩散能力，这种转变属于半扩散型 转变。在这个温度下，有一部分碳原子在铁素体中 已不能析出，形成过饱和的铁素体，碳化物的形成 时间增长，渗碳体已不能呈片状析出。因此，转变 前的孕育期和进行转变的时间都随温度的降低而延 长，贝氏体是碳化物(渗碳体)分布在过饱和碳的铁 素体基体上的两相混合物。 根据转变温度和产物组织形态的差异，贝氏体又分 为550~350℃范围内形成的上贝氏体(B上)，和在 350℃~Ms范围内形成的下贝氏体(B下)。 上贝氏体的形成过程如上图所示。首先在奥氏体晶 界上形成铁素体晶核，然后向晶内沿一定方向成排 长大。在上贝氏体温度区内，碳原子有一定的扩散 能力，铁素体片长大时，它能从铁素体中扩散出去， 使周围的奥氏体富碳，当铁素体片间的奥氏体的碳 达到一定浓度时，便从中析出小条状或小片状渗碳 体，断续地分布在铁素体片之间，形成羽毛状的上 贝氏体．如下图所示。
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图3-4加热温度与晶粒大小