1、第四章 钢的热处理 引言 材料的性能可以通过下面方法得以改善 1. 在钢铁的冶炼过程中，加入所需的合金元素； 2. 对材料进行后续处理 热处理 热处理 ：对金属材料在不同的固态温度范围内进行加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。 保温 加热 冷却 时间 温度 提供组织准备 通过改变冷却速度，控制组织中成分和结构变化，获得相应组织和性能 1 钢在加热时的组织转变 一、加热温度的确定 亚共析钢 : Ac3+(2040 ) 共析钢 : Ac1+(2040 ) 过共析钢 : Accm+(2040 ) 保温 加热 冷却 时间 温度 二、奥氏体的形成 以共析钢为例 F (0.
2、0218) +Fe3C（ 6.69） A（ 0.77） 面心立方 体心立方 正交晶格 1.晶格改组 2.碳原子的再分布 G 0.77 2.11 含碳量（ %） A E P S Q 0.0218 A1 Ac1 A3 Accm Ac3 Acm P F Fe3C A F A Fe3C a) 奥氏体晶核的形成 b) 奥氏体晶核的长大 c) 残余 Fe3C的溶解 d) 奥氏体成分均匀化 奥氏体化过程 : 影响奥氏体形成速度的因素 a.加热温度和加热速度 b.原始组织 (含碳量 ) c.合金元素 影响奥氏体晶粒大小的因素 a.加热温度和保温时间。加热温度越高，保温时间越长，晶粒就越粗大 b.钢的化学成分。
3、碳含量增加，晶粒有长大的倾向；合金元素磷（ P）、锰（ Mn）促进奥氏体晶粒长大，其它易形成稳定难溶化合物的合金均阻碍奥氏体晶粒长大。 2 钢在冷却时的组织转变 G 0.77 2.11 含碳量（ %） A E P S Q A1 Ar1 A3 Arcm Ar3 Acm 0.0218 P 过冷奥氏体 连续冷却 等温冷却 时间 温度 加热温度 临界温度 过冷奥氏体的两种冷却方式 一 . 过冷奥氏体的等温转变曲线（ C曲线） 金相法 过冷奥氏体 孕育期 转变开始 转变过渡区（过冷奥氏体和转变产物） 转变结束（转变产物：珠光体（ 550 ）； 贝 氏体（ 550 ）； 马氏体（ Ms与 Mf 之间） 1
4、. 珠光体转变 高温转变（ A1550 ） 珠光体形成示意图 等温转变形成的珠光体组织 . 贝氏体转变 中温转变（ 550 s） 上贝氏体形成示意图 下贝氏体形成示意图 上贝氏体： （ 550 350 ） 下贝氏体： （ 350 s） 贝氏体组织形态与性能 1）上贝氏体 （图 4-8） ： 2）下贝氏体 （图 4-9） ： 组织呈羽毛状，为一束大致平行的铁素体板条，碳化物呈棒状或片状分布在铁素体板条间。 强度较低，塑性和韧性都很差，不适用于机械零件 组织内铁素体呈针状，碳化物细小且均匀弥散分布在铁素体内。 强度和硬度高，且具有良好的塑性和韧性，综合力学性能较好。 马氏体转变是将奥氏体快速冷却到
5、 Ms温度以下得到的组织。 3. 马氏体转变 低温转变（ s f ） 马氏体转变的特点： 1）在较低的温度下进行， Fe及 C原子都不能进行扩散，因此马氏体实际是碳在 -Fe中的过饱和固溶体，晶体结构仍为体心结构，但由于碳的溶入使原体心立方结构变成体心正方结构，即 C轴伸长。 2）马氏体转变的非恒温性。奥氏体温度降到 Ms点以下任一温度时，马氏体转变以极大速度进行，但转变很快停止。为了使转变继续进行，必须继续降低温度。当温度降到某一温度以下时，虽然马氏体转变量未达到 100%，但转变已不能进行，该温度称为马氏体转变终了温度，用 Mf 表示。此时将有一部分奥氏体未转变而被保留下来，称为残余奥氏体
6、。 马氏体的组织形态 （ 1） 板条状马氏体： 在低、中碳钢及不锈钢中形成的一种马氏体。由许多马氏体板条集合而成。马氏体板条的立体形态可以是扁条状，也可以是薄板状。内部存在大量位错 位错马氏体 （ 2） 片状马氏体： 常在中、高碳钢析出。立体外形呈双凸透镜状，与试样磨面相截则呈针状或竹叶状，所以又称针状马氏体。亚结构主要为孪晶 孪晶马氏体。 板条状马氏体 片状马氏体 马氏体组织的性能 马氏体类型 b /MPa 0.2 /MPa HRC /% k /（ J/cm2） 板条马氏体（ 0.2%） 1500 1300 50 9 60 片状马氏体（ 1.0%） 2300 2000 66 1 10 1.马
7、氏体具有高强度和高硬度，随着含碳量增加，马氏体的硬度也增加。 2.马氏体的塑性和韧性均与含碳量有关。高碳马氏体（片状马氏体）晶格畸变较大，有许多显微裂纹，塑性和韧性较差；低碳马氏体（板条状马氏体）具有较好的塑性和韧性。 二 .奥氏体等温转变曲线（ C曲线）影响因素 1.碳的影响 2.合金元素的影响 3.加热温度和保温时间 三、奥氏体连续冷却转变曲线（ CCT曲线） （自学） 亚共析钢随碳含量增加， C曲线右移，过共析钢随碳含量增加， C曲线左移，共析钢的C曲线在最右边。 除 Co、 Al外其它合金元素均使 C曲线右移 加热温度越高，保温时间越长，奥氏体成分均匀，晶粒粗大，使C曲线右移 四 .奥
8、氏体等温转变曲线（ C曲线）的应用 Vk 炉冷 (退火 ) 空冷 (正火 ) 油冷 (淬火 ) 水冷 (淬火 ) Vk: 临界冷却速度，表示奥氏体在冷却过程中中途不发生转变，而直接转变成马氏体的最小冷却速度。 A1 Ms V1 P V2 S V3 M+T+Ar V4 M+Ar 钢的热处理工艺 钢的普通热处理：退火、正火、淬火和回火 钢的表面热处理 表面淬火：火焰加热、感应加热、 激光加热 表面化学热处理：渗碳、渗氮、 碳氮共渗等 钢的特种热处理：真空热处理、可控气氛热处理、 形变热处理等 3 钢的普通热处理 重要零部件 : 铸造 (或锻造 ) 退火 (或正火 ) 粗加工 淬火 回火 精加工 成
9、品 退火与正火冷却速度较慢，主要用来改善材料工艺性能，消除残余应力、改善组织、细化晶粒，调整硬度、改善切削性能等等 预备热处理 获得优异的综合力学性能 最终热处理 一、钢的退火 将钢件加热至适当温度，保温一定时间后缓慢冷却的一种热处理工艺。根据目的和要求不同，又可以分为完全退火、等温退火、球化退火和去应力退火。 一般来说，加热温度高于 Ac3的退火称为完全退火；加热温度在 Ac1与 Accm之间的称为不完全退火或球化退火；加热温度在 AC1以下称为低温退火或去应力退火。 A A1 A3 Acm 总共访问 2 5 9 6 次1、完全退火： A）工艺： Ac3+（ 3050 ），保温后随炉缓慢冷却
10、到500 以下后在空气中继续冷却 。 B）特点： 加热过程中获得完全的奥氏体组织，冷却后组织接近平衡组织。 C）目的： 使热加工过程中的造成的粗大晶粒细化，不均匀组织均匀化，或使中碳以上的碳钢及合金钢降低硬度，改善切削加工性能。同时消除残余应力。 D）适用范围： 用于亚共析成分的碳钢及合金钢的铸件、锻件以及热轧型材。 Ac3 Ac1 完全退火 炉冷 空冷 2、等温退火： A）工艺： Ac3+（ 3050 ），保温后快冷到 Ar1之下某一温度等温，使 A在恒温下转变为 P，然后出炉空冷。 B）特点： 转变在恒温下进行，组织均匀，可大大缩短退火时间。 C）目的： 同完全退火。 D）适用范围： 用于
11、降低硬度的碳钢及合金钢。 500 以下空冷 Ac3 Ac1 炉冷 完全退火 等温退火 Ar1 3、球化退火： A）工艺： Ac1+（ 2040 ），保温后随炉缓冷至 600 以下出炉空冷 。 B）特点： 加热过程中片状渗碳体发生不完全溶解而断开，形成细小渗碳体，冷却过程中以球粒状析出弥散分布在铁素体基体上。 C）目的： 使热轧、锻造空冷后组织中的网状二次渗碳体和珠光体中片层状的渗碳体球化，降低硬度，改善切削性能，并为后续的淬火做好组织准备。 D）适用范围： 过共析钢、合金工具钢 Ac3 Ac1 完全退火 等温退火 球化退火 4、去应力退火： A）工艺： A1以下某一温度（ 500650 ），保
12、温后随炉缓冷至 200 以下出炉空冷 。 B）特点： 低温退火，无组织变化 C）目的： 消除铸、锻、焊件等的残余应力 D）适用范围： 所有碳钢 Ac3 Ac1 完全退火 等温退火 去应力退火 球化退火 二、钢的正火 将钢件加热至单相奥氏体区（ Ac3、 Ac1 或 Accm 以上），保温后出炉空冷的热处理工艺。 A）工艺： Ac3（ Ac1 或 Accm） +（ 3050 ），空冷 。 B）特点： 冷却速度快，组织较细，钢的强度和硬度有所提高。 C）目的： 细化组织，适当提高硬度和强度。用于普通结构件作为最终热处理；亚共析钢正火后细化晶粒，消除组织缺陷，获得合适的硬度，改善切削加工性；过共析钢
13、正火的目的是抑制或消除网状渗碳体，有利于球化退火的进行。 D）适用范围： 所有碳钢 A A1 A3 Acm 与退火相比具有以下特点： 1）由于冷却速度较退火快，所得组织比退火时要细； 2）正火后的零件的强度和硬度比退火时高，且含碳量越高，差别越大； 3）低碳钢经正火处理后的强度与硬度，与退火处理的差别不多，但正火处理是在炉外进行，不占用设备，生产率高，所以低碳钢多采用正火代替退火处理。 4）中碳钢的正火可替代调质处理，为高频淬火作准备。 5）高碳钢可消除网状渗碳体，为球化退火做准备。 三、钢的淬火 将钢件加热到 Ac3或 Ac1以上 3050 ，保温一定时间，然后在冷却液（水或油）中快速冷却，
14、以获得马氏体（或下贝氏体）组织的一种热处理工艺。 1.钢的淬火工艺 1）加热温度的选择 亚共析钢： Ac3+（ 3050 ） 共析钢和过共析钢： Ac1 +（ 3050 ） 2）加热保温时间的确定 根据钢的化学成分、工件尺寸形状、加热炉类型等因素按照经验公式估算。 淬火后组织为细小均匀的 M 淬火后组织为细小均匀的 M+未溶粒状渗碳体 A 3）冷却速度（大于淬火临界冷却速度） A1 Ms Mf 钢的理想冷却淬火速度 理想冷却速度应在 C曲线鼻尖处快冷，而在650 以上以及 Ms点 以下缓慢冷却。这样即可以得到马氏体组织，同时尽量避免淬火应力。 a）淬火介质的选择（ P79） 水：便宜， 冷却速
15、度大，但容易造成组织应力，导致工件变形、开裂。一般碳素钢多采用水做冷却液。 油：冷却能力较小，合金钢多采用。 熔融盐浴和碱浴 单液淬火 仅在水或油等一种介质中冷却。操作简单，易于实现机械化，但受介质特性的限制，不适用形状复杂的零件。 双液淬火 水淬油冷。减小了变形与开裂的可能性，但要求较高的操作技术。 分级淬火 将钢件放入温度高于 Ms点的恒温盐浴或碱浴中，保温一段时间，使工件表面与心部温度均匀一致后取出空冷，以获得马氏体组织。减小热应力和组织应力，有效的抑制变形和开裂，但由于冷却能力小，工件尺寸不能太大。 等温淬火 与分级淬火法相类似，只是在冷却介质中保温足够长的时间，转变为有高强韧性的下贝
16、氏体，然后空冷。适用于尺寸小、形状复杂，强韧性要求高的工件。 冷处理 适用于 Mf点低于零度的高碳钢和合金钢。 b）淬火方法的选择 2.钢的淬透性 1）概念 钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。用淬透层的深度来衡量：表面至半马氏体（马氏体组织占 50%）的距离。 A1 Ms S T M V心 V临 V表 M+T d 50%M+50%T 3）淬透性的测定方法 末端淬火法（ P82） 2）淬透性的影响因素 C曲线右移，淬透性提高：化学成分（碳含量及合金元素）、奥氏体化温度、 第二相等 4）如何在选材中考虑钢的淬透性 a)机械制造中许多大截面零件和动载荷下工作的重要零件，以及承受拉力和压力的许
17、多重要零件，如螺栓、拉杆、锻模、锤杆等要求表面和心部力学性能一致，此时应当选用淬透性高的钢，保证工件全部淬透。 b)某些工件心部力学性能对零件使用寿命无明显影响时，例如承受弯曲和扭曲的轴类零件，则可选用淬透性较低的钢，获得一定的淬硬层，一般为工件半径或厚度的 1/21/4。 c)有些工件则不宜选用淬透性高的钢，例如焊接工件、齿轮等。 3.淬火的目的 （ 获得马氏体或下贝氏体，充分发挥材料性能潜力） 1）提高钢的硬度和耐磨性 例如 T8钢（切削刀具），退火后硬度为 163187HBS（小于 20HRC），经淬火 +低温回火，硬度可达6064HRC，且具有高的耐磨性。 2）获得优异的综合性能 例如 45钢（轴类），正火后力学性能为： 250 HBS， s =320 MPa， b=750 MPa， =18%， k=70 J/cm2，经 淬火 +高 温 回火后， 250 HBS， s =450 MPa， b=800 MPa， =23%， k=100 J/cm2
