热处理是通过合金在固态下加热、保温和冷却,使合金内部组织发生符合规律的变化,从而获得要求的性能的一种工艺方法。
通常热处理规范可以用热处理工艺曲线表示,如图所示。热处理不仅是强化金属材料、充分发挥金属材料潜力的重要途径,也是改善其加工性能的主要手段。
根据Fe—Fe
3C相图可以分析钢在加热或冷却时的组织变化,但在实际生产中,加热或冷却并不是极其缓慢的。因此,临界点的位置存在过热或过冷现象,加热时钢的临界点用A
c1、A
c3、A
cm表示,冷却时则分别用A
r1、A
r3、A
rm表示。
热处理工艺过程示意图
(1)在加热时的转变。当加热至温度A
c1以上时,珠光体向奥氏体转变的过程通过三个步骤,即在换素体与渗碳体的交界面处形成奥氏体的晶格;依靠铁素体晶格的改组(从体心立方晶格转变成面心立方晶格)和渗碳体的溶解(相当于碳的溶入)完成奥氏体的成长;奥氏体成分的均匀化。
珠光体向奥氏体转变刚完成时,奥氏体的晶粒是非常细小的,但随着加热温度的升高或保温时间的延长,会出现晶粒长大现象。奥氏体晶粒长大的结果,是使钢在冷却后的机械性能,特别是塑性和韧性降低。
合金元素对加热组织转变有不同的影响,所以,合金钢在加热时奥氏体的形成,特别是奥氏体的均匀化过程都比碳钢要慢,加热时必须进行较长时间的保温。
(2)在冷却时的转变。根据不同的过冷度下的转变结构特点和所得到的转变产物的不同,钢在冷却时奥氏体转变可分为珠光体型转变、贝氏体型转变及马氏体型转变3种。
1)珠光体型转变。温度范围一般为500℃~A
1。A
1~700℃时组织为珠光体,其层片状组织在低倍(小于500×)显微镜下就能分辨。700~650℃时得到层片较细的珠光体组织,称为索氏体,只能在高倍(1000×)显微镜下才能分辨。650~560℃时得到层片更细的珠光体组织,称为屈氏体,只能在电子显微镜才能分辨。
珠光体型转变得到的组织,片层越细,塑性变形的抗力越大,强度、硬度越高,而塑性、韧性越低。
2)贝氏体型转变。温度范围一般为500℃~M
s(马氏体开始转变温度),转变产物为呈铁素体和渗碳体机械混合物的贝氏体组织,但在形态上和珠光体类型的组织完全不同,性能也有很大差别。500~350℃时贝氏体组织在显微镜下呈羽毛状,它是由许多平行而密集的铁素体片和分布在片间的断续、细小的渗碳体共同组成的,称为上贝氏体。350℃~M
s时贝氏体组织在显微镜下呈黑色的竹叶状,它在竹叶状的铁素体内分布着渗碳体质点,称为下贝氏体。下贝氏体的铁素体比较细小,所以它与上贝氏体相比,具有较高的硬度和强度,塑性和韧性也较好。
3)马氏体型转变。温度范围小于M
s,它与珠光体型转变、贝氏体型转变的相变完全不同,是在一定温度内M
s~M
f(马氏体转变终了温度)连续冷却时的非扩散型转变;马氏体是一种过饱和碳的a固熔体,其成分与母相奥氏体完全一样。马氏体具有很高的硬度,但其冲击韧性很低,脆性很大,延伸率和断面收缩率几乎等于零。