1、电厂金属材料第三章第三章 钢的热处理钢的热处理电厂金属材料 通过加热、保温和冷却来改变钢的组织，从而改变钢机械性通过加热、保温和冷却来改变钢的组织，从而改变钢机械性能的工艺，称为热处理。热处理的这三个阶段，可以用工艺能的工艺，称为热处理。热处理的这三个阶段，可以用工艺过程曲线来表示，如图过程曲线来表示，如图31所示。所示。电厂金属材料第一节第一节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 热处理的第一道工序就是加热。铁碳合金相图是确定加热温度的理论基础。热处理的第一道工序就是加热。铁碳合金相图是确定加热温度的理论基础。共析钢在共析钢在A1临界温度下是珠光体组织，当加热温度超过临界点后珠光体就临界温度下
2、是珠光体组织，当加热温度超过临界点后珠光体就转变为奥氏体。转变为奥氏体。亚共析钢在亚共析钢在A1临界点温度下是铁素体和珠光体，当温度超过临界点温度下是铁素体和珠光体，当温度超过A1后，珠光体后，珠光体转变为奥氏体；如果继续加热，当温度转变为奥氏体；如果继续加热，当温度A3临界点铁素体也可转化为奥氏体。临界点铁素体也可转化为奥氏体。过共析钢在过共析钢在A1临界点温度下是渗碳体和珠光体，当加热温度超过临界点温度下是渗碳体和珠光体，当加热温度超过A1后，珠后，珠光体转变；如果继续加热至光体转变；如果继续加热至Acm以上，渗碳体将全部溶入奥氏体。以上，渗碳体将全部溶入奥氏体。钢的加热程度就是奥氏体的形
3、成过程，这种组织转变可以称为奥氏体化。钢的加热程度就是奥氏体的形成过程，这种组织转变可以称为奥氏体化。一、加热温度的确定一、加热温度的确定电厂金属材料注意：注意：加热时，钢的组织实际转变温度往往是高于相图中的理论相变温度；加热时，钢的组织实际转变温度往往是高于相图中的理论相变温度；冷却时，也往往低于相图中的理论相变温度。冷却时，也往往低于相图中的理论相变温度。在热处理工艺中，不加热时的临界点分别用在热处理工艺中，不加热时的临界点分别用AC1、AC3、ACCm表示；而冷却表示；而冷却是的临界点分别用是的临界点分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。表示。二、奥氏体化过程二、奥氏体化过程珠光体转变为奥
4、氏体是一个从新结晶的过程。由于珠光体是铁素体和渗碳体的珠光体转变为奥氏体是一个从新结晶的过程。由于珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，铁素体与渗碳体的晶包类型不同，含碳量差别很大，转变为奥氏机械混合物，铁素体与渗碳体的晶包类型不同，含碳量差别很大，转变为奥氏体必须进行晶包的改组和铁碳原子的扩散。体必须进行晶包的改组和铁碳原子的扩散。奥氏体化大致可分为四个过程，如图奥氏体化大致可分为四个过程，如图32所示。所示。电厂金属材料 1奥氏体形核奥氏体形核奥氏体的晶核上首先在铁素体和渗碳体的相界面上形成的。由于界面上的碳浓度处于中间值，奥氏体的晶核上首先在铁素体和渗碳体的相界面上形成的。由于界面上的碳浓
5、度处于中间值，原子排列也不规则，原子由于偏离平衡位置处于畸变状态而具有较高的能量。同时位错和空原子排列也不规则，原子由于偏离平衡位置处于畸变状态而具有较高的能量。同时位错和空间密度较高间密度较高 铁素体和渗碳体的交接处在浓度结构和能量上为奥氏体形核提供了有利条件。铁素体和渗碳体的交接处在浓度结构和能量上为奥氏体形核提供了有利条件。2奥氏体长大奥氏体长大奥氏体一旦形成，便通过原子扩散不断张大奥氏体一旦形成，便通过原子扩散不断张大 在于铁素体接触的方向上，铁素体逐渐通过改在于铁素体接触的方向上，铁素体逐渐通过改组晶胞向奥氏提转化；在与渗碳体接触的方向上，渗碳体不断溶入奥氏体。组晶胞向奥氏提转化；在
6、与渗碳体接触的方向上，渗碳体不断溶入奥氏体。3残余渗碳体溶解残余渗碳体溶解由于铁素体的晶格类型和含碳量的差别都不大，因而铁素体向奥氏体的转变总是先完成。当由于铁素体的晶格类型和含碳量的差别都不大，因而铁素体向奥氏体的转变总是先完成。当珠光体中的铁素体全部转变为奥氏体后，仍有少量的渗碳体尚未溶解。随着保温时间的延长，珠光体中的铁素体全部转变为奥氏体后，仍有少量的渗碳体尚未溶解。随着保温时间的延长，这部分渗碳体不断溶入奥氏体，直至完全消失。这部分渗碳体不断溶入奥氏体，直至完全消失。4奥氏体均匀化奥氏体均匀化刚形成的奥氏体晶粒中，碳浓度是不均匀的。原先渗碳体的位置，碳浓度较高；原先属于铁刚形成的奥氏
7、体晶粒中，碳浓度是不均匀的。原先渗碳体的位置，碳浓度较高；原先属于铁素体的位置，碳浓度较低。因此，必须保温一段时间，通过碳原子的扩散获得成分均匀的奥素体的位置，碳浓度较低。因此，必须保温一段时间，通过碳原子的扩散获得成分均匀的奥氏体。这就是热处理应该有一个保温阶段的原因。氏体。这就是热处理应该有一个保温阶段的原因。电厂金属材料对于亚共析钢与过共析钢，若加热温度没有超过对于亚共析钢与过共析钢，若加热温度没有超过AC3或或ACCm，而在稍高于，而在稍高于AC1停留，只能使原始组织中的珠光体转变为奥氏体，而共析铁素体或二停留，只能使原始组织中的珠光体转变为奥氏体，而共析铁素体或二次渗碳体仍将保留。只
8、有进一步加热至次渗碳体仍将保留。只有进一步加热至AC3或或Accm以上并保温足够时间，以上并保温足够时间，才能得到单相的奥氏体。才能得到单相的奥氏体。如果加热温度过高，或者保温时间过长，将会促使奥氏体晶粒粗化。奥氏如果加热温度过高，或者保温时间过长，将会促使奥氏体晶粒粗化。奥氏体晶粒粗化后，热处理后钢的晶粒就粗大，会降低钢的力学性能。体晶粒粗化后，热处理后钢的晶粒就粗大，会降低钢的力学性能。电厂金属材料三、三、晶粒度的评定晶粒度的评定 晶粒的大小，或叫晶粒的粗细，是用晶粒的大小，或叫晶粒的粗细，是用晶粒度晶粒度来表示的。来表示的。1起始晶粒度起始晶粒度：指钢加热至奥氏体的过程中，当铁素体向奥氏
9、体转变刚刚完了是所形成：指钢加热至奥氏体的过程中，当铁素体向奥氏体转变刚刚完了是所形成的晶粒度，既当奥氏体成核长大时的晶粒度，既当奥氏体成核长大时，奥氏体晶粒的边界刚刚相碰时的晶粒的大小。，奥氏体晶粒的边界刚刚相碰时的晶粒的大小。2实际晶粒度：实际晶粒度：是指某一具体的热处理后或热加工条件下，所得到的奥氏体晶粒度。是指某一具体的热处理后或热加工条件下，所得到的奥氏体晶粒度。在加热温度升高和保温时间延长的情况下、会使奥氏体最初形成的晶粒长大，这是因在加热温度升高和保温时间延长的情况下、会使奥氏体最初形成的晶粒长大，这是因为在奥氏体晶粒的边界处，原子排列是不规则的，因而活动的能力强，较大的晶粒吞为
10、在奥氏体晶粒的边界处，原子排列是不规则的，因而活动的能力强，较大的晶粒吞并小的晶粒，使晶界迁移，晶粒就不断长大。并小的晶粒，使晶界迁移，晶粒就不断长大。在实际生产中影响奥氏体晶粒长大的主要原因是加热温度，加热温度越高，奥氏体的晶粒就越大；在实际生产中影响奥氏体晶粒长大的主要原因是加热温度，加热温度越高，奥氏体的晶粒就越大；其次是保温时间，保温时间长，奥氏体的晶粒也大。因此，热处理时要特别注意控制好加热温度，其次是保温时间，保温时间长，奥氏体的晶粒也大。因此，热处理时要特别注意控制好加热温度，并选择好适当的保温时间。并选择好适当的保温时间。电厂金属材料3 3本质晶粒度：本质晶粒度：不同的铜奥氏体
11、晶粒加热时长大的倾向不同，评定奥氏体晶不同的铜奥氏体晶粒加热时长大的倾向不同，评定奥氏体晶粒在加热时长大倾向的标准叫本质晶粒度。粒在加热时长大倾向的标准叫本质晶粒度。根据冶金部的标准规定，加热到根据冶金部的标准规定，加热到9301093010保温保温8h8h冷却下来后钢的晶粒大小，称为本质晶粒度。冷却下来后钢的晶粒大小，称为本质晶粒度。冶金部将钢分为两大类，一类叫本质粗晶粒钢，另一类叫本质细晶粒钢，其冶金部将钢分为两大类，一类叫本质粗晶粒钢，另一类叫本质细晶粒钢，其与温度的关系如图与温度的关系如图3 33 3所示。所示。电厂金属材料钢的本质晶粒度是由钢的成分和冶炼条件决定的。钢的本质晶粒度是由
12、钢的成分和冶炼条件决定的。含有钛、钒、钨等合金元含有钛、钒、钨等合金元素的钢，大多属于本质细晶粒钢。冶炼时采用铝脱氧的钢也为本质细晶粒钢，素的钢，大多属于本质细晶粒钢。冶炼时采用铝脱氧的钢也为本质细晶粒钢，而只用硅、锰脱氧的钢则为本质粗晶粒钢。而只用硅、锰脱氧的钢则为本质粗晶粒钢。工业生产采用工业生产采用奥氏体本质晶粒度奥氏体本质晶粒度来评定钢的长大倾向。来评定钢的长大倾向。奥氏体晶粒度的标准共奥氏体晶粒度的标准共定为定为18级，级，1级最粗，级最粗，8级最细，级最细，是在放大是在放大100倍的金相显微镜下观察定的级，倍的金相显微镜下观察定的级，晶粒度为晶粒度为14级的定为本质粗晶粒钢，级的定
13、为本质粗晶粒钢，58级的定为本质细晶粒钢。级的定为本质细晶粒钢。这是因为钛、钒、钨及铝等合金元素在钢中能形成金属化合物，这些化合物微粒分这是因为钛、钒、钨及铝等合金元素在钢中能形成金属化合物，这些化合物微粒分布在奥氏体晶界上能机械地阻止奥氏体晶粒的长大。但是，当温度升得较高时，这些布在奥氏体晶界上能机械地阻止奥氏体晶粒的长大。但是，当温度升得较高时，这些化合物微粒会发生聚集甚至溶入奥氏体，这样也失去了机械阻碍的作用，晶粒便会迅化合物微粒会发生聚集甚至溶入奥氏体，这样也失去了机械阻碍的作用，晶粒便会迅速长大。速长大。电厂金属材料第二节第二节 奥氏体钢在冷却时的转变奥氏体钢在冷却时的转变 冷却是钢
14、热处理的三个工序中影响性能的最重要环节，所以冷却转变是热处冷却是钢热处理的三个工序中影响性能的最重要环节，所以冷却转变是热处理的关键。理的关键。热处理冷却方式通常有两种，即等温冷却和连续冷却。热处理冷却方式通常有两种，即等温冷却和连续冷却。电厂金属材料一、奥氏体的等温转变一、奥氏体的等温转变（一）奥氏体等温转变曲线（一）奥氏体等温转变曲线奥氏体等温转变曲线一般用金相硬度法测定。图奥氏体等温转变曲线一般用金相硬度法测定。图3-5 3-5 是共析钢是共析钢C C曲线测定方曲线测定方法示意图。图法示意图。图3-63-6是实测的共析钢是实测的共析钢C C曲线。曲线。110102103104105106
15、100200300400500600700800奥氏体A1MSMf时间（s）温度（）粗珠光体（HRC520）细珠光体（HRC 3040）上贝氏体（HRC 4045）下贝氏体（HRC 5060）马氏体残余奥氏体（HRC 55）图3-6 共析钢等温转变曲线电厂金属材料（二）奥氏体等温转变产物的组织和性能（二）奥氏体等温转变产物的组织和性能根据转变温度的不同，根据转变温度的不同，C曲线分为高温转变、中温转变和低温转变三个区曲线分为高温转变、中温转变和低温转变三个区域。域。根据转变结构特点和转变产物的不同，钢在冷却时奥氏体转变可分为根据转变结构特点和转变产物的不同，钢在冷却时奥氏体转变可分为珠光体型转
16、变、贝氏体型转变及马氏体型转变三种。珠光体型转变、贝氏体型转变及马氏体型转变三种。高温转变的温度范围为高温转变的温度范围为A1至至550区间，转变产物是珠光体组织，故称珠区间，转变产物是珠光体组织，故称珠光体转变；光体转变；中温转变的温度范围为中温转变的温度范围为550至至Ms线区间，转变产物是贝氏体组织，故称线区间，转变产物是贝氏体组织，故称贝氏体转变；贝氏体转变；低温转变的温度范围为低温转变的温度范围为Ms线至线至Mf线区间，转变产物是马氏体组织，故称马线区间，转变产物是马氏体组织，故称马氏体转变。氏体转变。电厂金属材料（1）高温转变（珠光体转变）高温转变（珠光体转变）珠光体转变是奥氏体转
17、变成珠光体的过程，通过碳原子和铁原子的扩散形珠光体转变是奥氏体转变成珠光体的过程，通过碳原子和铁原子的扩散形成铁素体和渗碳体的层片状机械混合物，转变温度为成铁素体和渗碳体的层片状机械混合物，转变温度为A1550，珠光体转，珠光体转变是一种扩散性相变。变是一种扩散性相变。珠光体的转变机理如图珠光体的转变机理如图3-7所示，微观组织如图所示，微观组织如图3-8 所示。所示。电厂金属材料图3-8 珠光体的显微组织（a）光学显微组织（硝酸酒精侵蚀，500）；（b）电子显微组织（硝酸酒精侵蚀，3800）电厂金属材料（1）中温转变（贝氏体转变）中温转变（贝氏体转变）转变温度为转变温度为550Ms线，由于转
18、变温度较低，原子的扩散能力较弱。奥氏线，由于转变温度较低，原子的扩散能力较弱。奥氏体在转变过程中，碳原子只能作短距离的扩散，而铁原子几乎不能扩散，仅体在转变过程中，碳原子只能作短距离的扩散，而铁原子几乎不能扩散，仅从面心立方晶格转变为体心立方晶格。奥氏体转变为贝氏体的过程与转变为从面心立方晶格转变为体心立方晶格。奥氏体转变为贝氏体的过程与转变为珠光体的不同，转变时，先析出含碳过饱和的铁素体，随后在铁素体中陆续珠光体的不同，转变时，先析出含碳过饱和的铁素体，随后在铁素体中陆续析出细的渗碳体。析出细的渗碳体。这种过饱和铁素体和细小颗粒状渗碳体的机械混合物，称这种过饱和铁素体和细小颗粒状渗碳体的机械
19、混合物，称为贝氏体，用符号为贝氏体，用符号B表示。表示。在中温转变区，在中温转变区，550350范围内，等温转变成的组织称为范围内，等温转变成的组织称为上贝氏体上贝氏体；350Ms范围，等温转变成的组织称为范围，等温转变成的组织称为下贝氏体下贝氏体。图3-9上贝氏体的显微组织 图3-10下贝氏体的显微组织电厂金属材料（3）粒状贝氏体）粒状贝氏体 粒状贝氏体也是在中温转变区，由奥氏体转变成的组织。粒粒状贝氏体也是在中温转变区，由奥氏体转变成的组织。粒状贝氏体是由铁素体及由铁素体基体所包围着的小岛状组织所组成，这些小状贝氏体是由铁素体及由铁素体基体所包围着的小岛状组织所组成，这些小岛状组织形态很不
20、规则，常呈粒状或长条状，如图岛状组织形态很不规则，常呈粒状或长条状，如图3-15，图，图3-16所示。所示。粒状贝氏体的形成与钢的成分及转变温度有关。在电厂用钢中，粒状贝氏体常出现于低碳的粒状贝氏体的形成与钢的成分及转变温度有关。在电厂用钢中，粒状贝氏体常出现于低碳的Cr-Mo钢和钢和Cr-Mo-V钢等钢种的原材料及焊接接头中。钢等钢种的原材料及焊接接头中。电厂金属材料3低温转变（马氏体转变）低温转变（马氏体转变）转变温度为转变温度为MsMf，当奥氏体以较快的速度冷却到，当奥氏体以较快的速度冷却到Ms以下时，由于温度较低，铁原以下时，由于温度较低，铁原子和碳原子都不能进行扩散，铁原子只是作微小
21、位移，使子和碳原子都不能进行扩散，铁原子只是作微小位移，使-Fe晶格转变为晶格转变为-Fe的晶的晶格，而碳原子来不及扩散全部固溶在格，而碳原子来不及扩散全部固溶在-Fe中，碳在中，碳在-Fe中的过饱和固溶体组织称为中的过饱和固溶体组织称为马氏体，用符号马氏体，用符号M表示。表示。（1）马氏体的形态马氏体的形态马氏体的组织形态与含碳量有关，根据马氏体组织的不同，把马氏体分为低碳马氏马氏体的组织形态与含碳量有关，根据马氏体组织的不同，把马氏体分为低碳马氏体、高碳马氏体和混合型马氏体。当含碳量体、高碳马氏体和混合型马氏体。当含碳量0.25，形成低碳马氏体（条状马氏，形成低碳马氏体（条状马氏体），低碳
22、马氏体组织中有许多尺寸大致相同的细长薄条单元，薄条平行排列组成体），低碳马氏体组织中有许多尺寸大致相同的细长薄条单元，薄条平行排列组成一束，束和束之间位向不同。低碳马氏体过饱和程度低、内应力小，不仅强度高，一束，束和束之间位向不同。低碳马氏体过饱和程度低、内应力小，不仅强度高，而且塑性、韧性也较好，所以在生产中应用较广。而且塑性、韧性也较好，所以在生产中应用较广。图3-17低碳马氏体电厂金属材料当含碳量大于当含碳量大于1时，形成高碳马氏体（针状马氏体），时，形成高碳马氏体（针状马氏体），图图3-18为为T10钢经钢经1000加热，水冷淬火处理后得到的高碳马氏体组织。加热，水冷淬火处理后得到的高
23、碳马氏体组织。针叶一般以针叶一般以60120相交。马氏体的针叶一般在奥氏体晶粒内形成，第一相交。马氏体的针叶一般在奥氏体晶粒内形成，第一片马氏体粗大，往往横贯整个马氏体的晶粒，稍后形成的马氏体则较小，最片马氏体粗大，往往横贯整个马氏体的晶粒，稍后形成的马氏体则较小，最后形成的马氏体就更小，如图后形成的马氏体就更小，如图3-19所示。所示。针状马氏体可称为高碳马氏体，也称为孪晶马氏体，其组织结构如图针状马氏体可称为高碳马氏体，也称为孪晶马氏体，其组织结构如图3-20所所示。示。图3-18高碳马氏体电厂金属材料含碳量在含碳量在0.25%0.25%1%1%之间的碳快速冷却所得到的组织为之间的碳快速冷
24、却所得到的组织为低碳马氏体和高碳马氏低碳马氏体和高碳马氏体体的混合结构。的混合结构。（2 2）马氏体的性能：）马氏体的性能：高碳度是马氏体的主要特征。高碳度是马氏体的主要特征。马氏体的硬度与其含碳量有马氏体的硬度与其含碳量有关，如图关，如图3-213-21所示。含碳量愈多，硬度愈高；当含碳量超过所示。含碳量愈多，硬度愈高；当含碳量超过0.6%0.6%以后，马氏以后，马氏体的硬度就增加不多。体的硬度就增加不多。电厂金属材料马氏体具有高硬度的主要原因是由于过饱和的碳原子所起的固溶强化作用马氏体具有高硬度的主要原因是由于过饱和的碳原子所起的固溶强化作用和形成马氏体时在马氏体内产生了大量的位错或孪晶引
25、起了加工强化的结和形成马氏体时在马氏体内产生了大量的位错或孪晶引起了加工强化的结果。果。高碳马氏体具有高的硬度，但韧性很低，脆性大高碳马氏体具有高的硬度，但韧性很低，脆性大；马氏体针叶愈粗大，韧；马氏体针叶愈粗大，韧性愈低，脆性愈大。所以，淬火得到高碳马氏体后，必须作消除脆性的回性愈低，脆性愈大。所以，淬火得到高碳马氏体后，必须作消除脆性的回火处理才能应用。火处理才能应用。低碳马氏体具有较高的硬度和强度，而且韧性也比较好低碳马氏体具有较高的硬度和强度，而且韧性也比较好；这种强度和韧性；这种强度和韧性的良好配合，使低碳马氏体得到了广泛应用。的良好配合，使低碳马氏体得到了广泛应用。（3）马氏体转变
26、的特点）马氏体转变的特点 奥氏体是在奥氏体是在Ms点温度以下转变成马氏体的。点温度以下转变成马氏体的。由于转变温度很低，奥氏体中的由于转变温度很低，奥氏体中的铁、碳原子都不能进行扩散，因而只有铁元素的晶格改变，面心立方晶格铁、碳原子都不能进行扩散，因而只有铁元素的晶格改变，面心立方晶格-Fe转化为体心立方晶格转化为体心立方晶格-Fe。由于碳原子无扩散能力而过饱和固溶在。由于碳原子无扩散能力而过饱和固溶在-Fe中，中，当含碳量大于当含碳量大于0.25%时，将使晶格撑开。时，将使晶格撑开。电厂金属材料马氏体的形成速度极快。马氏体的形成速度极快。马氏体转变是在一定温度范围（马氏体转变是在一定温度范围
27、（M Ms sM Mf f）内进行的）内进行的。奥氏体向马氏体转变是一个连续冷却的过程。奥氏体向马氏体转变是一个连续冷却的过程。钢钢MsMs和和M Mf f点温度的高低取决于点温度的高低取决于奥氏体中含碳量，奥氏体中含碳量，奥氏体中含碳量愈高，奥氏体中含碳量愈高，MsMs和和MfMf温度愈低，温度愈低，如图如图3-223-22所示。所示。当含碳量大于当含碳量大于0.6%0.6%后，后，MfMf点已下降到点已下降到00以下的温度；因此，高碳钢淬火后常以下的温度；因此，高碳钢淬火后常常含有一定数量的残余奥氏体。常含有一定数量的残余奥氏体。电厂金属材料残余奥氏体的存在会降低钢的强度和硬度，影响钢的耐
28、磨能力。当然如果钢中有残余奥氏体存在，残余奥氏体的存在会降低钢的强度和硬度，影响钢的耐磨能力。当然如果钢中有残余奥氏体存在，可减少淬火时的变形并增加淬火钢的韧性，残余奥氏体还有阻止裂纹扩散的作用。所以，一定量可减少淬火时的变形并增加淬火钢的韧性，残余奥氏体还有阻止裂纹扩散的作用。所以，一定量的残余奥氏体存在于钢中，并不是有害的。的残余奥氏体存在于钢中，并不是有害的。从奥氏体转变为马氏体后体积要膨胀。从奥氏体转变为马氏体后体积要膨胀。体积的膨胀将引起很大的内应力，这种内应力又称为组织应力。而从奥氏体转变为马氏体积的膨胀将引起很大的内应力，这种内应力又称为组织应力。而从奥氏体转变为马氏体时需要快速
29、冷却，在短时间内温度变化很大，使钢热胀冷缩又会产生一种内应力，这体时需要快速冷却，在短时间内温度变化很大，使钢热胀冷缩又会产生一种内应力，这种内应力称为热应力。这两种应力的叠加，是造成钢件淬火开裂和变形的重要原因。种内应力称为热应力。这两种应力的叠加，是造成钢件淬火开裂和变形的重要原因。（三）含碳量对奥氏体等温转变曲线的影响（三）含碳量对奥氏体等温转变曲线的影响亚共析钢和过共析钢从奥氏体转变才为珠光体之前，均有先共析相析出的过亚共析钢和过共析钢从奥氏体转变才为珠光体之前，均有先共析相析出的过程；因此，它们的等温转变曲线与共析钢的等温转变曲线有所不同，如图程；因此，它们的等温转变曲线与共析钢的等
30、温转变曲线有所不同，如图3-233-23、图、图3-243-24所示。所示。电厂金属材料从中可以看出，与共析钢等温转变曲线相比，亚共析钢的等温转变曲线上半部多一条铁素体共析从中可以看出，与共析钢等温转变曲线相比，亚共析钢的等温转变曲线上半部多一条铁素体共析转变线；过共析钢的等温转变曲线上半部多一条渗碳体共析转变线。说明亚共析钢和过共析钢的转变线；过共析钢的等温转变曲线上半部多一条渗碳体共析转变线。说明亚共析钢和过共析钢的奥氏体在等温转变过程中分别先析出铁素体和渗碳体，然后再完成珠光体转变过程。奥氏体在等温转变过程中分别先析出铁素体和渗碳体，然后再完成珠光体转变过程。电厂金属材料二、奥氏体的连续
31、冷却转变 在连续冷却过程中，过冷奥氏体同样会转变成珠光体或贝氏体或马氏体，组在连续冷却过程中，过冷奥氏体同样会转变成珠光体或贝氏体或马氏体，组织转变的温度区域与奥氏体的等温转变时大致相同。织转变的温度区域与奥氏体的等温转变时大致相同。连续冷却是指按照一定的速度从较高的温度冷却，奥氏体的组织转变发生在连续冷却是指按照一定的速度从较高的温度冷却，奥氏体的组织转变发生在各个不同的转变温度区域；因此，就会得到各个不同区域的产物。各个不同的转变温度区域；因此，就会得到各个不同区域的产物。连续冷却时的速度不同，在各个转变温度区域内停留的时间也不同，所得到连续冷却时的速度不同，在各个转变温度区域内停留的时间
32、也不同，所得到的各种转变产物相对数量也就不同，就会有不同的机械性能。的各种转变产物相对数量也就不同，就会有不同的机械性能。连续冷却转变比较复杂，转变规律不如等温转交明显，有时有几种组织，这连续冷却转变比较复杂，转变规律不如等温转交明显，有时有几种组织，这些组织也较难区分。些组织也较难区分。奥氏体的连续冷却转变在实际生产中，如一般淬火、正火、退火等，过冷奥氏体的转奥氏体的连续冷却转变在实际生产中，如一般淬火、正火、退火等，过冷奥氏体的转变均是在连续冷却时转变的。所以，研究奥氏体在连续冷却过程中的转变具有十分重变均是在连续冷却时转变的。所以，研究奥氏体在连续冷却过程中的转变具有十分重要的意义要的意
33、义电厂金属材料 奥氏体的连续冷却转变用连续冷却曲线来进行分析。奥氏体的连续冷却转变用连续冷却曲线来进行分析。连续冷却曲线也是用连续冷却曲线也是用试验方法试验方法测定绘制的，共析钢的连续冷却曲线如图测定绘制的，共析钢的连续冷却曲线如图325所示。所示。电厂金属材料 奥氏体的连续冲却曲线较难测定。奥氏体的连续冲却曲线较难测定。工程上常参照等温转变曲线来近似地、定性工程上常参照等温转变曲线来近似地、定性地分析连续冷却时奥氏体的转变过程。地分析连续冷却时奥氏体的转变过程。为了预测某种钢在某一冷却速度下所得到的组织，可将此冷却速度线画在该钢为了预测某种钢在某一冷却速度下所得到的组织，可将此冷却速度线画在
34、该钢种的等温转变曲线上，种的等温转变曲线上，根据冷却速度线在等温转变曲线中的位置来估计所得到的根据冷却速度线在等温转变曲线中的位置来估计所得到的组织，并以此来分析其力学性能组织，并以此来分析其力学性能，如图，如图326所示。所示。电厂金属材料 亚共析钢或过共析钢的连续冷却转变曲线要比共析钢复杂一些亚共析钢或过共析钢的连续冷却转变曲线要比共析钢复杂一些，45号钢的连续号钢的连续冷却曲线见图冷却曲线见图327所示。所示。连续冷却曲线在生产实践中具有效大的实用意连续冷却曲线在生产实践中具有效大的实用意义。可以用来制定正确的热处理冷却工艺，分义。可以用来制定正确的热处理冷却工艺，分析淬火、正火、退火后
35、钢件所得到的组织和力析淬火、正火、退火后钢件所得到的组织和力学性能；还可以用来分析焊接热影响区的组织学性能；还可以用来分析焊接热影响区的组织和力学性能。和力学性能。电厂金属材料第三节 钢的淬火和回火 一、淬火一、淬火 淬火是将钢加热到淬火是将钢加热到Ac3或或Ac1以上以上3050，保温一定时间，然后快速冷却从，保温一定时间，然后快速冷却从而得到马氏体或下贝氏体组织的工艺。淬火的主要目的是把材料的组织转变成而得到马氏体或下贝氏体组织的工艺。淬火的主要目的是把材料的组织转变成马氏体或下贝氏体。马氏体或下贝氏体。钢的淬火是热处理中的一种重要工艺，电厂许多的重要零部件如叶片、紧固件等钢的淬火是热处理
36、中的一种重要工艺，电厂许多的重要零部件如叶片、紧固件等都是采用淬火和回火的热处理工艺，以便获得优良的使用性能。都是采用淬火和回火的热处理工艺，以便获得优良的使用性能。（一）加热温度的选择（一）加热温度的选择 碳钢的淬火加热温度如图碳钢的淬火加热温度如图3-28所示所示。从中可以看出，亚共析钢的淬火温。从中可以看出，亚共析钢的淬火温度为度为Ac3以上以上3050。加热到此温度。加热到此温度范围时，组织完全为奥氏体，淬火后范围时，组织完全为奥氏体，淬火后的组织为均匀的马氏体。如果加热温的组织为均匀的马氏体。如果加热温度小于度小于Ac3，则淬火后的组织中会因出，则淬火后的组织中会因出现铁素体而降低钢
37、的硬度。现铁素体而降低钢的硬度。电厂金属材料（二）冷却速度及冷却介质的选择淬火时的冷却速度必须大于临界冷却速度；淬火时的冷却速度必须大于临界冷却速度；但过快的冷却又会增加内应力，但过快的冷却又会增加内应力，引起钢件的变形和开裂。因此，选择合理的冷却介质是淬火工艺的关镀。引起钢件的变形和开裂。因此，选择合理的冷却介质是淬火工艺的关镀。钢的等温转变曲线是选择淬火时的冷却速度和介质的依据，钢的等温转变曲线是选择淬火时的冷却速度和介质的依据，理想的冷却曲线理想的冷却曲线如图如图329所示。所示。理想的冷却曲线先应稍慢冷却，理想的冷却曲线先应稍慢冷却，但在高温转变区快速冷却，不但在高温转变区快速冷却，不
38、能碰及等温转变曲线；在中温能碰及等温转变曲线；在中温转变区也不应该快冷。按这样转变区也不应该快冷。按这样的速度冷却，既能使奥氏体转的速度冷却，既能使奥氏体转变为马氏体，又能适当地调整变为马氏体，又能适当地调整钢件的温差，减少淬火冷却过钢件的温差，减少淬火冷却过程的内应力，避免变形和开裂。程的内应力，避免变形和开裂。生产中常用的淬火冷却介质是水和油。生产中常用的淬火冷却介质是水和油。电厂金属材料(三)淬透性的概念淬透性是指钢件接受淬火提高硬度的能力，通常用淬硬层的深度来评定。淬透性是指钢件接受淬火提高硬度的能力，通常用淬硬层的深度来评定。淬淬硬层是淬火后马氏体和半马氏体组织的深度大小，半马氏体是
39、指组织中有硬层是淬火后马氏体和半马氏体组织的深度大小，半马氏体是指组织中有50的马氏体，另外的的马氏体，另外的50是贝氏体或极细珠光体。钢件淬火冷却时，沿整个是贝氏体或极细珠光体。钢件淬火冷却时，沿整个截面的冷却速度是不相同的，因而钢件的表层和中心的组织和机械性能就会截面的冷却速度是不相同的，因而钢件的表层和中心的组织和机械性能就会有差异，如图有差异，如图330所示。所示。电厂金属材料 钢的淬透性主要取决于钢的化学成分，钢的淬透性主要取决于钢的化学成分，因为钢中的化学成分不同，奥氏体等温因为钢中的化学成分不同，奥氏体等温转变曲线的位置就不同，淬火的临界冷却速度也不同。只有当临界冷却速度小于转变
40、曲线的位置就不同，淬火的临界冷却速度也不同。只有当临界冷却速度小于实际冷却速度，才能得到马氏体。实际冷却速度，才能得到马氏体。在生产实践中，选择适当的冷却介质，提高实在生产实践中，选择适当的冷却介质，提高实际冷却速度，当然也增加淬透性。际冷却速度，当然也增加淬透性。电厂热力设备中有许多大截面的钢件，如汽轮机和发电机的主轴、紧固件、主蒸汽阀门电厂热力设备中有许多大截面的钢件，如汽轮机和发电机的主轴、紧固件、主蒸汽阀门等。这些钢件都要求有较大的淬透性。等。这些钢件都要求有较大的淬透性。（四）淬火的分类 常用的淬火方法可分为单液淬火、常用的淬火方法可分为单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火及表双液
41、淬火、分级淬火、等温淬火及表面淬火等。除表面淬火外，其他淬火面淬火等。除表面淬火外，其他淬火方法如图所示。方法如图所示。电厂金属材料1 单液淬火单液淬火将奥氏体化后的钢件，迅速置于一种介质中冷却至室温，这种方法称为单液淬将奥氏体化后的钢件，迅速置于一种介质中冷却至室温，这种方法称为单液淬火，是生产中应用的最广泛的淬火方法。一般碳钢和低合金钢用水来冷却，简火，是生产中应用的最广泛的淬火方法。一般碳钢和低合金钢用水来冷却，简称为水淬；大多数合金钢用油作冷却介质，简称为油淬。但水淬容易产生变形称为水淬；大多数合金钢用油作冷却介质，简称为油淬。但水淬容易产生变形和开裂；油淬容易出现硬度不足等缺点。和开
42、裂；油淬容易出现硬度不足等缺点。2 双液淬火双液淬火将奥氏体化后的钢件，先置于一种冷却速度较大的介质（如水）中冷却，冷将奥氏体化后的钢件，先置于一种冷却速度较大的介质（如水）中冷却，冷却到却到300左右时再将钢件移入另一种冷却速度较小的介质（如油）中冷却至左右时再将钢件移入另一种冷却速度较小的介质（如油）中冷却至室温，这种方法称为双液淬火。室温，这种方法称为双液淬火。3.分级淬火法分级淬火法将奥氏体化后的钢件，迅速置于温度高于将奥氏体化后的钢件，迅速置于温度高于Ms的介质中，并保留一段时间，的介质中，并保留一段时间，使钢件内外温度一致，然后迅速将钢件移入另一种介质中冷却至室温。使钢件内外温度一
43、致，然后迅速将钢件移入另一种介质中冷却至室温。4.等温淬火法等温淬火法将奥氏体化后的钢件，迅速放到温度稍高于将奥氏体化后的钢件，迅速放到温度稍高于M的冷却介质中，并保留较长的冷却介质中，并保留较长的时间，使过冷的奥氏体在等温条件下转变为贝氏体，然后在将钢件置于的时间，使过冷的奥氏体在等温条件下转变为贝氏体，然后在将钢件置于空气空气 中冷却至室温，这种方法称为等温淬火。中冷却至室温，这种方法称为等温淬火。电厂金属材料5 表面淬火表面淬火将钢件的表面迅速地加热到奥氏体化的温度，再将钢件迅速的冷却到室温，使表面的将钢件的表面迅速地加热到奥氏体化的温度，再将钢件迅速的冷却到室温，使表面的组织转变为马氏
44、体，而心部的组织为来的及变化，这种方法称为表面淬火，如图组织转变为马氏体，而心部的组织为来的及变化，这种方法称为表面淬火，如图332所示。所示。表面淬火的零件，一般是用中碳钢制造的。表面淬火的零件，一般是用中碳钢制造的。表面淬火的加热方法最常用的是火焰加热表面淬火的加热方法最常用的是火焰加热和感应电加热两种。和感应电加热两种。火焰加热表面淬火操作工艺如图火焰加热表面淬火操作工艺如图333所示。火焰加热表面淬火的所示。火焰加热表面淬火的淬硬层深度一般为淬硬层深度一般为26mm，这种操作方法比较简便，但加热温度不易控制，钢件表面质，这种操作方法比较简便，但加热温度不易控制，钢件表面质量不够稳定。量
45、不够稳定。感应电加热表面淬火是利用感应电流对钢件表面进行加热，然后喷水冷却，使钢件表感应电加热表面淬火是利用感应电流对钢件表面进行加热，然后喷水冷却，使钢件表面淬硬的一种热处理方法。面淬硬的一种热处理方法。感应电加热温度容易控制，加热速度极快，表面质量比较稳感应电加热温度容易控制，加热速度极快，表面质量比较稳定，是目前应用得较为广泛的表面淬火方法。定，是目前应用得较为广泛的表面淬火方法。电厂金属材料二、回火 将淬火后的钢件再加热到临界点将淬火后的钢件再加热到临界点AC1以下的某一温度，经过一定时间的保温，以下的某一温度，经过一定时间的保温，然后以适当的速度冷却到室温，这种方法成为回火。然后以适
46、当的速度冷却到室温，这种方法成为回火。淬火后的钢件一般是硬而脆，其组织不稳定而且存着较大的内应力，如不及淬火后的钢件一般是硬而脆，其组织不稳定而且存着较大的内应力，如不及时回火，将会影响钢的机械性能和尺寸的稳定性，其至会导致变形和开裂。时回火，将会影响钢的机械性能和尺寸的稳定性，其至会导致变形和开裂。回火的目的回火的目的是为了降低钢的脆性，消除内应力，稳定尺寸。控制回火的加热是为了降低钢的脆性，消除内应力，稳定尺寸。控制回火的加热温度，还可得到所需要的组织和机械性能。一般情况下，回火是热处理的最温度，还可得到所需要的组织和机械性能。一般情况下，回火是热处理的最后一道工序，对钢的机械性能有很大的
47、影响。后一道工序，对钢的机械性能有很大的影响。（一）回火时组织和性能的变化（一）回火时组织和性能的变化 回火过程中，随着加热温度的高低不同，淬火成马氏体组织的钢将发生四个回火过程中，随着加热温度的高低不同，淬火成马氏体组织的钢将发生四个阶段的组织变化。阶段的组织变化。电厂金属材料1室温室温200，马氏体分解为回火马氏体，马氏体分解为回火马氏体在这一温度回火时，马氏体不断地析出极细的在这一温度回火时，马氏体不断地析出极细的碳化物碳化物(Fe2.4C)。马氏体的过。马氏体的过饱和程度稍有降低。但由于温度较低，碳原子的扩散能力很弱，饱和程度稍有降低。但由于温度较低，碳原子的扩散能力很弱，族化物是族化
48、物是弥散地分布在马氏体的基本上与马氏体保持着共格关系，弥散地分布在马氏体的基本上与马氏体保持着共格关系，这种组织称为回火这种组织称为回火马氏体。马氏体。由于碳化物是均弥散得分部在马氏体上的，所以回火马氏体与淬火由于碳化物是均弥散得分部在马氏体上的，所以回火马氏体与淬火马氏体的形态基本一样，只是在相同腐蚀条件下，回火比淬火更易腐蚀，金马氏体的形态基本一样，只是在相同腐蚀条件下，回火比淬火更易腐蚀，金相片中的组织成黑色，如图相片中的组织成黑色，如图334。图3-34 回火后的金相组织电厂金属材料2200300，残余奥氏体分解为回火马氏体，残余奥氏体分解为回火马氏体 含碳量大于含碳量大于0.6%的钢
49、，淬火后往往有一部分残余奥氏体组织。当淬火马氏体的钢，淬火后往往有一部分残余奥氏体组织。当淬火马氏体转变为回火马氏体后使体积缩小，从而减小了对残余奥氏体的压力，为其分解提转变为回火马氏体后使体积缩小，从而减小了对残余奥氏体的压力，为其分解提供条件，它也分解为回火马氏体，然后，钢的硬度会有所提升。供条件，它也分解为回火马氏体，然后，钢的硬度会有所提升。3300400 碳化物是不稳定的，随着温度的升高，向渗碳体转化。这要在温度升高时才碳化物是不稳定的，随着温度的升高，向渗碳体转化。这要在温度升高时才能转化。转化过程是以能转化。转化过程是以相重新溶入相重新溶入Fe，Fe3C又从又从Fe不断析出这一方
50、式进不断析出这一方式进行的。这要在温度升高到行的。这要在温度升高到250以后，碳原子的活动稍强了一些才有条件，在以后，碳原子的活动稍强了一些才有条件，在400以下的温度，所形成的渗碳体（以下的温度，所形成的渗碳体（Fe3C），是细粒状的。这种细粒状的渗碳），是细粒状的。这种细粒状的渗碳体和铁素体的机械混合物称为屈氏体，用符号体和铁素体的机械混合物称为屈氏体，用符号T表示，表示，4400以上，马氏体转变为索氏体以上，马氏体转变为索氏体当回火温度高于当回火温度高于400时，由于原子的扩散能力增强，粒状的渗碳体聚集张时，由于原子的扩散能力增强，粒状的渗碳体聚集张大，铁素体中的过饱和度也减少和消失，铁
