第三章钢的热处理及金属的表面处理
1. 热处理及其主要参数
图3-1热处理工艺曲线示意图
热处理就是在固态下，将金属以一定的加热速度加热到预定的温度，保温一定的时间，再以预定的冷却速度进行冷却的综合工艺方法，如图3-1所示。
热处理过程中，金属形状没有明显变化，但是在加热和冷却过程中，其内部发生了组织或相的转变，性能相应也发生变化。加热温度、保温时间、冷却速度是热处理过程中的三个主要工艺参数。改变工艺参数就可以得到不同的性能，其原因是不同工艺参数下的热处理得到不同的组织，从而获得不同的性能。
2. 热处理的主要作用
热处理的主要作用有以下几个方面：
⑴改变工件的内部组织
例如，钢退火可以得到硬度较低的珠光体组织，而淬火可以得到高硬度的马氏体组织。
⑵改变工件的性能，便于切削加工，或者满足工件使用性能的要求
例如，低碳钢太软不利于切削，切削过程中容易粘刀，可以进行正火处理以提高其硬度，改善切削加工性能。又例如，调质钢经过调质处理后可以得到强度、硬度较高，塑性、韧性也较好，也就是较好的综合机械性能，满足一般工件的使用要求。
⑶改变工件表层的成分、组织、性能
例如，汽车汽缸的激光表面淬火可以提高其工作表面的硬度和耐磨性，延长其使用寿命。又例如低碳钢经过渗碳处理后表层含碳量可以达到1%左右，提高工件表面硬度和耐磨性。
⑷. 热处理可以消除铸造、锻造、焊接等加工工艺过程中所造成的多种缺陷
例如，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使钢的组织、性能更加均匀等。
总之，热处理工艺不仅可以强化材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构质量、节约材料和能源，而且可以提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。但是，并非每种热处理工艺都可以完成以上所有作用，只能完成其中一种或多种作用。
3. 热处理的分类
随着工业生产的发展和科技的进步，热处理工艺方法日益增多。本章中主要介绍了钢的热处理，其分类如下表所示。
4. 表面处理
表面处理是指通过化学或电化学的方法使金属表面或表层生成新的物质，这些物质具有不同于工件基体的性能，从而提高工件表层的耐腐蚀性、硬度，或者起到装饰作用。例如，铝合金型材的氧化着色处理，可以提高工件表面的抗腐蚀性和起装饰作用。表面处理工艺方法有很多，除了以上介绍的表面热处理工艺方法以外，还有喷丸处理、高密度太阳能表面处理、离子注入表面处理、发黑处理、发蓝处理等。
第一节钢的热处理基本原理
第二章中介绍了纯铁的同素异构转变，钢之所以能够进行热处理就在于此，通过热处理改变钢的晶体结构，进而改变其组织和性能。为了正确理解和应用热处理工艺方法，掌握钢在加热和冷却过程中组织与性能的变化规律是十分必要的。
一、钢在加热时的组织转变
（一）相变温度
铁碳合金平衡状态图上钢的组织转变临界温度A1、A3、Acm是在平衡条件下得到的，而实际热处理生产中加热或冷却都比较快，所以热处理时的实际相变温度总要稍高或稍低于平衡相变温度，即存在一定的“过热度”或“过冷度”。通常把实际加热时的相变温度标以字母“c”，Ac1、Ac3、Accm；而把实际冷却时相变温度标以字母“r”, Ar1、Ar3、Arcm。如图3-2所示。
（二）奥氏体的形成和晶粒长大
1. 奥氏体的形成
图3-2碳钢实际加热与冷却时的相变温度
钢在加热到相变温度Ac1以上时，其内部组织发生变化，如共析钢在室温时的平衡组织为100%的珠光体，当加热到Ac1以上温度时，珠光体将转变为含碳量0.77%的奥氏体。奥氏体的形成过程如图3-3所示，当温度升至Ac1时，首先在铁素体与渗碳体的相界面上形成奥氏体晶核，这些晶核周围的铁素体逐渐转变为奥氏体，渗碳体不断溶入奥氏体中，因此刚刚转变成的奥氏体，其碳浓度是
不均匀的，通过一段时间的保温，才能获得含碳均匀的奥氏体组织。
对于亚共析钢，加热至Ac1以上，原室温组织中的珠光体转变成奥氏体，而铁素体只有加热至Ac3以上时，才会全部转变成为奥氏体。
对于过共析钢，加热至Ac1以上，原室温组织中的珠光体发生奥氏体转变，随着温度的升高，Fe3CⅡ逐渐溶入奥氏体，但只有加热到Accm温度以上时,Fe3CⅡ才会完全溶入奥氏体，形成单一均匀的奥氏体组织，因此钢的加热过程实质上是奥氏体化过程。
图3-3共析钢的奥氏体形成过程
图3-4加热温度对晶粒度的影响
图3-5 奥氏体化钢的冷却方式示意图（a）等温冷却 （b）连续冷却
2. 奥氏体晶粒长大
奥氏体化后，随着加热温度升高，或保温时间延长，会引起奥氏体晶粒长大粗化。粗大的奥氏体晶粒，冷却时转变生成的其它组织也是粗大的，如图3-4所示。细晶粒钢的室温机械性能要优于粗晶粒钢。
奥氏体晶粒的大小直接影响钢冷却后的组织和性能，因此热处理过程中需要严格控制加热温度和保温时间。
二、钢在冷却时的组织转变
钢经过加热、保温，发生了组织的转变，为随后冷却时的组织转变做组织准备。为获得所需性能，还需以一定的冷却方式和冷却速度冷至室温，以得到所需的组织和性能，因此冷却过程是热处理的关键，它决定着热处理的质量。
钢的热处理冷却通常有两种方式，即等温冷却与连续冷却。等温冷却是将奥氏体化的钢件迅速冷至A1以下某一温度并保温，待钢件内外温度一致后或使其在该温度下发生组织转变后，再继续冷却，如图3-5（a）所示。连续冷却是将奥氏体化的钢件以某一冷却速度连续冷却，并可能在连续冷却过程中发生组织转变，如图3-5（b）所示。
钢组织中的铁素体和渗碳体在从A1以上温度冷却到A1以下温度的过程中不会发生组织转变，因此，钢在冷却时的组织转变实质上是奥氏体的组织转变。冷却到A1以下温度尚未发生组织转变的奥氏体称为过冷奥氏体，钢在冷却时的组织转变又可以说是过冷奥氏体的组织转变。
（一）共析钢的等温冷却组织转变
图3-6共析钢的等温转变曲线
对共析钢进行一系列不同过冷度的等温冷却实验，分别测出过冷奥氏体在A1以下不同温度保温时的组织转变开始时间和转变终了时间；在温度-时间坐标图中，标出转变开始与转变终了的坐标点；分别将开始转变点与终了转变点连成两条曲线，即得到共析钢的过冷奥氏体等温冷却组织转变曲线，如图3-6所示，通常形象地称之为“C”曲线。从“C”曲线上可以看出，在不同过冷度下，过冷奥氏体等温冷却组织转变的开始时间是不同的，转变开始前的这一段时间称为“孕育期”。“孕育期”越短，说明此温度下的过冷奥氏体越不稳定，越容易发生其它组织转变。其中，以“C”曲线最突出处温度下的孕育期最短，此温度称为“鼻温”（共析钢大约为550℃）。在不同过冷度下，过冷奥氏体等温转变的组织形态和性能有明显差别，大致可分为以下三种类型：
1. 高温组织转变
过冷奥氏体在A1至鼻温温度范围内的转变称为高温组织转变。高温组织转变产物是铁素体与渗碳体相间分布的片层状组织，称为珠光体型组织，因此，高温组织转变又称为珠光体型转变。当转变温度为A1～650℃时得到较粗的片状珠光体，形态接近平衡状态下的珠光体，仍称为珠光体（P）；转变温度在650～600℃之间得到的较细的片状珠光体，称之为索氏体（S）；转变温度在600～550℃之间得到极细的片状珠光体，称为屈氏体（T）。过冷度越大，珠光体的片层越细，其强度和硬度越高。
2. 中温组织转变
当过冷奥氏体的转变温度在“C”曲线的鼻温至Ms温度（过冷奥氏体开始发生马氏体相变的温度）时，所发生的组织转变称为中温组织转变。中温组织转变产物为贝氏体（B），是铁素体与极细渗碳体的机械混合物。当转变温度较高（550～350
℃）时，得到极细渗碳体分布于铁素体针之间的羽毛状组织，称为上贝氏体（B上）；当转变温度较低（350～Ms）时，得到铁素体针内保留有极细渗碳体的竹叶状组织，称为下贝氏体（B下）。下贝氏体除了具有较高的强度和硬度外，还具有较大的塑性和韧性，而上贝氏体却具有较大的脆性，因此，在生产中常采用等温淬火得到下贝氏体组织。
3. 低温组织转变
若将过冷奥氏体激冷至Ms以下，由于冷却温度过快，很难实现等温组织转变，其相变实际上是在Ms～Mf这一温度范围内连续进行的。此相变称为低温组织转变，转变产物为马氏体（M），因而又称之为马氏体相变。马氏体相变必须具备以下两个条件：
⑴ 过冷奥氏体必须以大于临界淬火冷却速度冷却，以避免过冷奥氏体发生珠光体和贝氏体转变。
⑵ 过冷奥氏体必须过冷到Ms温度以下才能发生马氏体转变。
奥氏体为面心立方晶体结构，当过冷至Ms温度以下时，其晶体结构将由面心立方转变为体心立方。由于转变温度很低、转变速度很大，原奥氏体中溶解的过多的碳原子没有能力进行扩散，致使所有溶解在原奥氏体中的碳原子来不及析出而保留下来，并使晶格发生畸变，致使原来的立方晶格转变成正方晶格，接近于α- Fe的晶体结构，因此，将马氏体定义为：碳溶入α-Fe中所形成的一种过饱和间隙式固溶体。
马氏体机械性能的显著特点是高硬度和高强度。马氏体的性能主要取决于马氏体中碳的过饱和程度。当碳的过饱和程度低于0.2%时，得到如图3-7所示的、呈一束尺寸大体相同的平行条状马氏体，称为板条状马氏体，又叫低碳马氏体，具有较高的硬度（50HRC左右）和强度，同时又具有较好的塑性和韧性。当马氏体中碳的过饱和程度大于0.6%时得到片状马氏体，在金相磨面上马氏体被截面呈针状，又称针状马氏体或高碳马氏体，如图3-8所示，具有很高的硬度（60～65HRC），但其塑性和韧性很差，脆性大。当钢的含碳量在0.2～0.6%之间时，低温冷却组织转变得到板条马氏体和片状马氏体的混合组织，并随含碳量增加，板条马氏体的相对含量减少而片状马氏体的相对含量增加。这种将钢奥氏体化后急速冷却至较低的温度使其发生马氏体相变的热处理，在热处理工艺上称为淬火。
图3-7板条马氏体图3-8片状马氏体
马氏体的硬度的高低主要取决于碳的过饱和程度，而其他合金元素对马氏体的硬度影
响不大，但这些其他合金元素可以改善马氏体的强度、塑性和韧性。
马氏体相变是在Ms～Mf温度范围内进行的（如共析钢为230～-50℃），而钢的淬火冷却一般只进行到室温（20℃左右），即钢在淬火时马氏体相变不彻底，淬火后钢中还会有少量的过冷奥氏体未发生马氏体相变而保留下来，这种保留下来的奥氏体称为残余奥氏体。因此，钢进行淬火后得到的组织不是100%的马氏体，而是马氏体与残余奥氏体的混合组织。奥氏体转变成为马氏体时要发生体积膨胀，最后尚未转变的奥氏体受到周围马氏体的附加压力，失去长大的条件而保留下来。残余奥氏体的数量与奥氏体中的含碳量有关，奥氏体中的含碳量愈高，Ms和Mf愈低，则残余奥氏体的量越多。钢的淬火组织中存在残余奥氏体不仅会降低钢件的强度、硬度和耐磨性，而且，残余奥氏体是一种不稳定的组织，在钢件使用过程中容易发生组织转变而产生内应力，引起工件变形、降低工件精度。在生产中，对于一些硬度和精度要求高的工件进行冷处理，即将淬火后的工件迅速置于接近或低于Mf的温度下，促使残余奥氏体转变成马氏体。
（二）共析钢的连续冷却组织转变
在实际生产中，热处理通常采用连续冷却的冷却方式。由于研究过冷奥氏体在连续冷却过程中的组织转变非常困难，生产中常借用等温组织转变曲线大致判断连续冷却组织转变后的组织和性能。
图3-9示意共析钢以不同冷却速度进行连续冷却的冷却曲线。
图3-9
共析钢以不同冷却速度冷却的冷却曲线V1-炉冷V2-空冷V3-风冷V4-油冷V5-水冷Vc-临界淬火冷却速度
如何利用共析钢的等温冷却组织转变曲线即“C”曲线来判断连续冷却后共析钢的组织和性能是个非常重要的问题。如果冷却曲线穿进组织开始转变曲线，又穿出终了转变曲线，那么冷却曲线与两条“C”曲线就各有一个交点，这两个交点之间的温度范围就可看作是连续冷却时的大致相变温度范围。这一温度范围内发生等温转变得到何种组织，连续冷却也得到相应的组织。但应注意的是：连续冷却至贝氏体相变温度范围时，由于温度低、冷却快，原子扩散困难而不可能得到贝氏体。若连续冷却曲线只穿进开始转变“C”曲线而未穿出终了转变“C”曲线，一部分过冷奥氏体发生组织转变而转变成该区域中的组织，当继续冷却至Ms以下温度时，剩余过冷奥氏体开始发生马氏体转变，最终得到马氏体、少量残余奥氏体和在Ms温度以上组织转变得到的索氏体、屈氏体的混合组织。若以更快的速度冷却，冷却曲线未进入“C”曲线，则以该冷却速度连续冷却不会发生高温及中温组织转变，而只发生马氏体相变，得到马氏体和残余奥氏体。常把只发生马氏体相变的最低冷却速度称为临界淬火冷却速度，以Vc表示。
通过以上分析可以得出以下结论：同一种钢奥氏体化后，使其在不同的温度下发生等温组织转变，或以不同的冷却速度连续冷却，可得到不同的转变组织，因而可以获得不同的性能。
以上介绍了共析钢的“C”曲线以及共析钢在冷却过程中的组织转变，其它钢的“C”曲线以及在冷却过程中的组织转变与共析钢相似，只是“C”曲线的形状和位置存在一些差别。
