1、第三章 钢的热处理,45钢加热到840，在不同冷却条件下冷却后的力学性能,1,上述表格数据说明了什么,2,什么是热处理？,3,热处理与金属组织和性能有什么关系,4,为达到使用要求，减速器的轴、齿轮应该采取何种热处理？,定义：将固态金属或合金通过加热(Heating)、保温(Insulation Work)和冷却(Cooling)，使其内部组织结构发生变化，获得所需要性能的工艺。,目的：一是改善材料工艺性能，确保后续加工顺利进行，这种热处理称为预先热处理；二是提高材料使用性能，延长零件使用寿命，这种热处理称为最终热处理。,分类：,普通热处理（四火：退火、正火、淬火、回火） 表面热处理 （表面淬火
2、、化学热处理） 其他热处理（真空热处理、形变热处理等 ）,热处理,第一节 钢在加热冷却时的组织转变,一、钢在加热时的组织转变（Transformation Of Steels Being Heated）,P,1.滞后现象(hysteresis),2.奥氏体的形成(formation of austenite),以共析钢为例，室温 PF+Fe3C混合物。,F体心立方 WC=0.0218%; Fe3C密排六方 WC=6.69%,A 面心立方 WC=0.77%,实质：奥氏体形成的过程就是铁晶格改组和 Fe、C原子的扩散过程。,A的形成过程可以分为四个阶段：,学习永远不晚。 高尔基,奥氏体晶核的形成,
3、色难。有事，弟子服其劳,有酒食，先生馔。曾足以为孝乎,奥氏体晶核的长大,学而时习之，不亦说乎,有朋自远方来，不亦乐乎,残余渗碳体溶解,奥氏体均匀化,道，可道，非恒道。,名，可名，非恒名。,加热保温的目的：获得成分均匀、晶粒细小A。,3.奥氏体晶粒度及其控制,晶粒度(grain size )：在单位面积或单位体积中晶粒数量的多少。,GB6394-86规定：晶粒度分为10级，1级最粗，10级最细。,起始晶粒度（initiative grain size）:珠光体向奥氏体的转变刚刚完成时奥氏体晶粒的大小。 实际晶粒度（actual grain size）:具体热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。 本质
4、晶粒度（inherent grain size）：某种钢在规定的加热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向性。,分类：根据A形成过程和晶粒长大的情况分为,影响奥氏体晶粒长大的因素：,加热温度和保温时间 加热速度 钢的组织及成分,二、钢在冷却时的组织转变,目的及重要性：决定了钢热处理后的组织和性能。同一种钢，加热温度和保温时间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。,奥氏体的冷却转变：奥氏体在临界点A1以上是稳定相，冷却至A1以下就成了不稳定相，要发生组织转变。,冷却方式：连续冷却和等温冷却。,过冷A（supercooled austenite ）：在A1线以下，未发生转变的奥氏体，为不稳定组织。,1
5、.过冷A的等温转变（以共析钢为例）,（1）过冷奥氏体等温转变曲线（TTT） (Temperature-Time-Transformation),A1,共析碳钢 C曲线的分析,稳定的奥氏体区,过冷奥氏体区,A向产 物转变开始线,A向产物 转变终止线,A+ 产物区,产物区,M+A,M,（2）过冷奥氏体的转变产物及转变过程,1）珠光体型转变（又称高温转变）,发生温度： A1-550。 转变产物：珠光体,A1-6500C：珠光体片层较粗， P（珠光体-pearlite ） 6500C-6000C：珠光体层片较细，S（索氏体- sorbite ） 6000C-5500C：珠光体层片极细，T (屈氏体tr
6、oolstite）,珠光体的铁素体和渗碳体层片粗细与转变温度有关。温度越低，珠光体的层片越细。层片变细，强度硬度增加，塑性韧性有所增加。,珠 光 体 形 貌 像,索 氏 体 形 貌 像,（录像）,屈 氏 体 形 貌 像,2）贝氏体型转变（又称中温转变）,转变温度： 550Ms（230） 转变产物：贝氏体（bainite）-由过饱和F和渗碳体组成的混合物。用符号B表示。,分类：按组织形态不同分为,上贝氏体（upper bainite ）（B上）：550350。羽毛状组织，强度与塑性都较低，脆性很高。,下贝氏体（lower bainite ）（ B下）：350 Ms。针片状组织，综合性能好。,上贝
7、氏体组织金相图,(录像）,下贝氏体组织金相图,（录像）,3）马氏体转变（又称低温转变）,转变温度：Ms（230C）Mf 转变产物：马氏体（martensite ）+A(residual austenite ) 马氏体：碳在-Fe中形成的过饱和固溶体，用M表示。,分类： 低碳马氏体（low carbon martensite ）：呈板条状，具有较高的强度和塑韧性。也称板条M（lath martensite ）。 高碳马氏体（high carbon martensite ）：呈透镜状，片状，中间有脊线。其强度很高，但塑韧性差，脆性大。,低碳马氏体,高碳马氏体,动画,低碳板条状马氏体组织金相图,（录
8、像）,高碳针片状马氏体组织金相图,共析钢C曲线及转变产物,P + F,S + F,T,B,M+A,亚共析钢的C曲线,P + Fe3C,S + Fe3C,T + Fe3C,B,M+A,过共析钢的C曲线,Pf （P转变终了线）,Ps （P转变开始线）,A+P,K（P转变中止线）,Ms,Mf,2.过冷A连续转变冷却曲线（CCT曲线 ）(Continuous Cooling Transformation),过冷A区,产物区,M+A,M,-100,0,230,3.等温转变曲线在连续冷却曲线中的应用,由于“CCT转变曲线”的测定较为困难，“TTT曲线”的测定较为容易。故生产中常用TTT曲线（C曲线）近似地
9、分析连续冷却过程。,P,均匀A,细A,等温退火,P,P,退火,(炉冷),正火,(空冷),S,淬火,(油冷),T+M+A,等温淬火,B下,M+A,分级淬火,M+A,淬火,(水冷),M回,150-250,T回,350-500,S回,500-650,?,?,?,?,P,T+S回,S,T+B下+M+A,用C曲线定性说明连续冷却转变产物,根据与C曲线交点位置判断转变产物,550,600,650,共析钢加热到相变点以上，如下图所示的冷却曲线冷却，各应得到什么组织？各属于何种热处理方法？,举例,预先热处理,重要零部件制造工艺中路线,铸造锻造,退火 正火,粗加工,淬火,回火,精加工,成品,第二节 钢的退火与正
10、火,目的： 细化晶粒； 降低硬度，改善钢的成形和切削加工性能 消除内应力。,一、退火（annealing ）,分类：按退火的目的和工艺特点可分为完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火等。,将相本无种，男儿当自强。,定义：,1.完全退火（full annealing ）,适用范围：亚共析钢 加热温度： Ac3+3050 目的：细化组织，降低硬度，改善切削加工性能，消除内应力 室温组织：F+P,动画,AC3+30 50 ,2.球化退火（spheroidizing annealing ）,适用范围：共析钢和过共析钢 加热温度： Ac1+2030 目的：使网状或片状 Fe3C球化。 组织
11、：球状珠光体,AC1+20 30 ,3.等温退火(isothermal annealing ),工艺：加热到Ac1+3050或Ac3+3050，保温后，迅速冷却至Ar1以下某一位温度，待A都变为P类组织，出炉空冷。 组织：P类 优点：退火时间短，组织均匀。,4.去应力退火（relief annealing ）,目的：去除残余应力 加热温度：T加热AC1（500600） 应用：消除铸件，锻件，焊接件等的残余内应力。,5.均匀化退火（扩散退火）,目的：消除偏析；均匀成分、组织 加热温度： AC3150 250 组织：亚共析钢为P+F。 应用：主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件、锻件。,4.再结晶
12、退火(recrystallization annealing),工艺：加热到Ac1以下50-150，或T再+30-50，保温，缓冷。 目的：消除加工硬化，恢复钢材的塑韧性。 应用：冷加工后的工件消除加工硬化。如在钢丝拉拔过程中，中间进行的退火。,二、正火（normalizing),定义：将工件加热到Ac3或Accm以上3050，保温后从炉中取出在空气中冷却的热处理工艺。,目的： 低碳钢：提高硬度，利于切削。 过共析钢：消除网状二次渗碳体，利于P球化。 中碳钢和中碳低合金钢：受力不大，性能要求不高可作为最终热处理。,F+P,A+Fe3C,P+Fe3C,F,P,正火,Accm,Ac3,3050,组
13、织和性能,强度,正火 620,退火 530,硬度,正火 210,退火 160,塑性,正火 45,退火 49,45钢正火与退火性能比较图,退火与正火的选择,1.从切削加工性方面考虑,低碳钢采用正火；中碳钢用退火、正火都行；过共析钢在消除网状渗碳体后采用球化退火。,2.从使用性能方面考虑,一些受力不大的工件，性能要求不高，可用正火作为最终热处理；形状复杂、尺寸大或重要零件采用退火。,3.从经济性方面考虑,正火成本低，退火成本高。在满足钢质量的前提下，应尽可能用正火代替退火。,第三节 钢的淬火(Quenching),定义：,一、淬火的目的,获得M或B下组织，提高钢的的硬度和耐磨性。,二、淬火温度和加
14、热时间的选择,1.淬火温度的选择,亚共析钢：AC3+30 50 ； 共析钢及过共析钢：AC1 +30 50 。,三、淬火冷却(quench cooling),淬火冷却是决定淬火质量的关键，理想的冷却速度应是如图所示的速度。,但到目前为止还没有找到十分理想的冷却介质能符合这一理想的冷却速度的要求。,650以上，慢，减小热应力 650-400 ，快，避免C曲线 400 以下，慢，减轻相变应力,1.常用的淬火介质(quenching medium),目前生产中常用的冷却介质有油、水、盐水，其冷却能力依次增加。,水：淬冷能力强，但工件表面有软点，易变形开裂。,盐水：淬冷能力更强，工件表面光洁、无软点，
15、但更易变形开裂；,油：淬冷能力弱，但工件不易变形开裂,2.常见的淬火冷却方法(quench cooling method),1）单液淬火(Single-stage Quenching),定义：将加热的工件放入一种淬火介质中一直冷到室温。,应用：适用于形状简单的碳钢和合金钢工件。形状简单、尺寸较大的碳钢工件多采用水淬，小尺寸碳钢件和合金钢件一般用油淬。,2）双液淬火（Double Quenching）,定义：工件先在一种冷却能力强的介质中冷却,在Ms点以下转入另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。,应用：主要用于形状复杂的碳钢工件及大型合金钢工件,3）分级淬火（Broken Harde
16、ning）,定义：把A化后的钢放入稍高于Ms点的盐浴中淬火，待工件内外温度均匀后再取出缓冷的淬火方法。,应用：主要适用于零件尺寸较小，要求变形小，尺寸精度高的工件，如模具、刀具等。,4）等温淬火（Isothermal Hardening）,定义：将加热工件在稍高于Ms温度的盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。,应用：适用于适用于尺寸较小，形状复杂，要求变形小，具有高硬度和强韧性的工具，模具等。,人非生而知之，孰能无惑？惑而不从师，其为惑也，终不解矣。 韩愈,5）冷处理(cold treatment ),定义：将淬火后的钢继续冷却到室温以下的某一温度，保持一定时间，使A转
17、变为M，然后恢复到室温的工艺。,时间,A1,Ms,1,2,3,4,1单液淬火 2双液淬火 3分级淬火 4等温淬火,不同淬火方法示意图,温度,四、钢的淬透性（Hardenability of steel ）,1. 钢的淬透性和淬硬性,淬透性（hardenability ） ：表示钢在淬火后能获得淬硬层的深度。,淬硬（hardenability ）：表示钢在淬火后能达到的最高硬度。取决于WC的含量。C%淬硬性,区别： 淬透性是钢本身的固有属性，取决于Vk或C曲线位置；实际淬硬层深度与工件形状、大小、冷却介质、淬透性有关； 淬硬性主要取决于M的含碳量。,淬硬层深度(depth of hardenin
18、g zone )：表面到半M组织的距离。淬硬度层越深， 淬透性越好。,2.淬透性的测定,常用末端淬火法测定。,天才免不了有障碍，因为障碍会创造天才。 罗曼罗,3.影响淬透性的因素,4.淬透性的应用,横截面受力均匀的零件：选用淬透性高的钢。 横截面受力不均匀的零件：选用淬透性不必高的钢。 避免脆性断裂的零件：选用淬透性不能高的钢。,第四节 回火(Tempering),定义：,一、回火的主要目的,消除内应力，降低脆性 稳定组织和工件尺寸 降低硬度，提高塑性,动画,注意：未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置使用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行回火。,读书而不思考，等于吃饭而不消化。
19、波尔克,二、回火的组织和性能变化,淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶段。随加热温度升高，淬火钢的组织发生四个阶段变化。,1.马氏体的分解,回火阶段：100回火时，组织无变化；100-200加热时，马氏体将发生分解。 获得组织：回火马氏体 M回（过饱和固溶体）。 性能变化：内应力逐渐减小，性能基本不变。,2.残余奥氏体分解,回火阶段： 200-300。 A分解，转变为B下。 获得组织：M回（Tempered Martensite）表示 性能变化：应力进一步降低，强度和硬度略有下降。,3.马氏体分解完成和渗碳体的形成,回火阶段： 300-400。碳化物转变成稳定的渗碳体。 获得组织：回火屈氏体
20、，用T回（Tempered Troostite）表示（F+极细粒状Fe3C）。 性能变化：内应力基本消除，硬度下降，塑韧性增加。,4.Fe3C聚集长大和固溶体的回复与再结晶,回火阶段：400以上。 相开始回复，500以上时发生再结晶； 获得组织：回火索氏体，用S回（Tempered Sorbite）表示（F+细粒状Fe3C）。 性能变化：获得良好的综合性能。,回火时力学性能变化总的趋势：随回火温度提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。,三、回火工艺及应用,调质处理（Modified Treatment）：淬火加高温回火的热处理。,动画,总结：,本表要 熟记！,第五节 钢的表面热处理（Sur
21、face Heat Treatment Of Steel）,在生产中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性能，一般是表面硬度高，有较高的耐磨性和疲劳强度；而心部要求有较好的塑性和韧性。,在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热处理方法，都有不能满足其要求。解决这一问题的方法是表面热处理 。,表面热处理：只对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的热处理工艺。,分类：表面淬火和化学热处理。,一、表面淬火(surface quenching ),方法：感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。,定义：仅对工件表面进行淬火（+回火）的热处理工艺 目的：使工件表硬心韧。 表面淬火用钢：中碳结构钢（含碳量0.
22、4-0.5）,1.感应加热表面淬火(induction surface quenching),基本原理：感应圈通入交流电 形成涡流（集肤效应） 表层得A 水冷得M。,分类,高频感应加热：200300kHz，0.52.5mm 中频感应加热：0.510kHz， 210mm。 工频感应加热：50Hz，1020mm。,规律：电流频率越大，淬硬层深度越浅。,动画,应用：大批量生产,2.火焰加热表面淬火(flame heating surface quenching),定义：火焰加热表面淬火是应用氧乙炔（或其它可燃气体）火焰，对零件表面加热，然后快速冷却的淬火，淬硬层深度一般为26mm。,动画,应用：适用
23、于单件、小批量生产。,二、钢的化学热处理（chemical heat treatment ）,定义：将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。,分类：根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳（carburizing ）、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铝等,动画,1.钢的渗碳（Carburize of steel）,目的：提高工件表面的硬度和耐磨性 渗碳用钢：低碳钢或者低碳合金钢，如20，25 介质：最常用的气体（煤油、苯等),具有活性碳原子。 温度：在奥氏体区，900950 时间：根据渗层深度而定，约10小时左右。 渗碳后的组织：若工
24、件渗碳后缓慢冷却，从表面到心部的组织为P+FeCPP+F。,表面,心部,2.其他化学热处理方法,碳氮共渗(carbonitriding)：碳氮同时渗入工件表层。提高表面硬度、抗疲劳性和耐磨性，并兼具渗碳和渗氮的优点。,渗铬(chromizing)：有较好的耐蚀性和优良的抗氧化性、硬度和耐磨性，可代替不锈钢和耐热钢用于工具制造。,渗硼(boronizing)：十分优秀的耐磨性、耐腐蚀磨损和泥浆磨损的能力，耐磨性明显优于渗氮、碳和碳氮共渗层，但不耐大气和水的腐蚀。主要用于泥浆泵零部件、热作模具和工件夹具。,渗氮（nitriding ）：在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的热处理工艺。提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。,
