1、第4章 钢的热处理,改善钢性能的两个途径合金化：调整钢的化学成分，加入合金元素；热处理：将钢通过加热、保温和冷却的方法，改变金属的组织和结构，从而获得所需要性能的操作工艺。其中加热温度和冷却速度是最重要的参数。,热处理方法很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段所组成。,热处理工艺曲线：表示热处理工艺的温度时间曲线。,4.1 钢在加热时的组织转变在铁碳相图中，共析钢、亚共析钢和过共析钢分别要加热A1点、GS线(A3)和ES线(Acm)以上才能全部转变为奥氏体。实际上，由于热滞作用，需要加热到比上述平衡临界点稍高的温度，这时的临界点分别记为 AC1、AC3、ACcm；同样地，实际
2、冷却时各临界点则记为Ar1、Ar3、Arcm。,4.1.1 钢的奥氏体化钢进行热处理时首先要加热，其目的是使钢获得均匀的奥氏体组织。通常将这种加热转变过程称为“钢的奥氏体化”。以共析钢为例，当加热到AC1点以上时，室温组织珠光体全部转变成奥氏体：,4.1.2 奥氏体的晶粒度钢在加热时，得到的奥氏体晶粒大小对冷却转变后钢的性能有很大影响：奥氏体晶粒细小，冷却后组织也细小；反之，组织则粗大。金属组织中晶粒的大小用晶粒度级别指数来表示。 GB 639486将奥氏体晶粒度分为00、010共12级。一般认为4级以下为粗晶粒，58级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。,4.2 钢在冷却时的组织转变在热处理生产中
3、，常用的冷却方式有等温冷却和连续冷却两种。等温冷却是将加热到奥氏体状态的钢，快速冷却到Ar1线以下某一温度，并等温停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温。连续冷却是将加热到奥氏体状态的钢，以不同的冷却速度(如炉冷、空冷、油冷、水冷等)连续冷却到室温。,4.2.1 过冷奥氏体的等温转变奥氏体在临界温度以上是稳定相，能够长期存在而不转变。一旦冷却到临界温度以下，则处于热力学的不稳定状态，称为“过冷奥氏体”。 (1)过冷奥氏体的等温转变曲线TTT曲线：过冷奥氏体转变的温度、时间与转变组织的关系图。包含转变开始线和转变终止线。也称之为C曲线。,共析钢过冷奥氏体等温转变曲线,(2)过冷奥氏体等
4、温转变产物的组织与性能 珠光体转变温度区间为550Ar1，且转变温度越低，过冷度越大，片间距越小，塑性变形抗力越大，强度、硬度越高。根据片间距的大小不同，将珠光体分为三种。,贝氏体转变在550230(Ms点)温度范围内，由于过冷奥氏体等温转变温度较低，原子扩散能力较弱，因此得到是由含碳过饱和的铁素体与弥散分布的渗碳体(或碳化物)组成的非层片状两相组织，称为贝氏体，用符号“B”表示。是半扩散型转变。 上贝氏体：过冷奥氏体在550350范围内的转变产物，在显微镜下呈羽毛状，称为上贝氏体(B上)。 下贝氏体：过冷奥氏体在350230温度范围内的转变产物，通常呈针状，记为B下。,马氏体转变当奥氏体的冷
5、却速度大于该钢的马氏体临界冷却速度，并过冷到Ms以下时就开始发生马氏体转变。马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体。有板条状(低碳M)和片状(高碳M) 两种。一般说来，马氏体组织具有高的强度、硬度，板条状马氏体也有良好的塑性和韧性。,马氏体转变的主要特点转变速度极快，内应力较大； 晶格发生严重畸变，塑性变形阻力增大； 奥氏体中的碳的质量分数愈高，则Ms与Mf愈低； 马氏体转变不能完全进行到底，会有少量的残余奥氏体被保留下来。奥氏体的碳的质量分数愈高，淬火后残余奥氏体的量愈多。,碳的质量分数对马氏体性能影响,应当指出，亚共析碳钢和过共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线与共析碳钢的不同。在相同加热条件下，亚
6、共析碳钢的C曲线随着碳的质量分数的增加而右移；过共析碳钢的C曲线随着碳的质量分数的增加而左移。所以共析碳钢的C曲线最靠右，过冷奥氏体最稳定，孕育期最长。此外，在亚共析碳钢和过共析碳钢的C曲线上部分别多出一条先析铁素体析出线和二次渗碳体析出线。,图4.11 碳的质量分数对C曲线的影响,4.2.2 过冷奥氏体的连续冷却转变,过冷奥氏体的连续冷却转变曲线一般很难测定，近似采用等温转变曲线来分析其连续冷却转变过程 。,V1相当于炉冷(退火)，与C曲线相交于700650，转变产物为珠光体，硬度约为170220HBS。 V2相当于空冷(正火)，与C曲线相交于650600，转变产物为索氏体，硬度约为2535
7、HRC。 V3相当于油冷(淬火)，与C曲线转变开始线相交于600550，部分奥氏体先转变为托氏体，未转变的剩余奥氏体在与Ms线相交后继续转变为马氏体。转变产物为马氏体+托氏体+残余奥氏体混合组织，硬度约为4555HRC。 V4相当于水冷(淬火)，与C曲线不相交而直接过冷到Ms线以下转变为马氏体，转变产物为马氏体+少量残余奥氏体，硬度约为6065HRC。,4.3 钢的热处理工艺钢的热处理工艺是指通过加热、保温和冷却来改变材料组织，以获得所需性能的方法。典型的热处理工艺有：退火、正火、淬火、回火、表面淬火和化学热处理等。,4.3.1 退火与正火 主要目的： 调整钢件硬度，改善切削加工性能。 消除残
8、余应力，稳定工件尺寸，并防止其变形和开裂。 细化晶粒，改善组织，提高钢的力学性能和工艺性能。 为最终热处理(淬火、回火)作好组织上的准备。,(1)退火退火是将钢件加热到适当温度，保持一定时间后缓慢冷却的热处理工艺。 1)完全退火(重结晶退火)：AC1+3050、缓冷至600以下出炉空冷。亚共析钢不重要零件的最终热处理，或重要件的预先热处理。 2)球化退火：AC1+1020、冷至Ar1以下20左右一定时间、炉冷至600左右出炉空冷。共析或过共析钢，降低硬度改善加工性，作组织准备。 3)去应力退火(低温退火)： Ac1以下100200，随炉冷却。主要用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以及机加工工
9、件的残余应力。,(2)正火正火是将钢加热到相变点AC3或ACcm以上3050完全奥氏体化后，保温一定时间再在空气中冷却的热处理工艺。正火主要用于： 对于要求不高的结构零件，可作最终热处理。正火可细化晶粒，正火后组织的力学性能较高。而大型或复杂零件淬火时，可能有开裂危险，所以正火可作为普通结构零件或大型、复杂零件的最终热处理。,改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性。在160230HBS范围内，金属的切削加工性好。硬度过高时，不但加工困难，刀具还易磨损；而硬度过低时切削容易“黏刀”，也使刀具发热和磨损，且加工零件表面粗糙度值大。低碳钢和低碳合金钢退火后的硬度一般都在160HBS以下，需经过正火可以提
10、高硬度，改善其切削加工性。 消除过共析钢中二次渗碳体，为球化退火做好组织准备。因为正火冷却速度较快，二次渗碳体来不及沿奥氏体晶界呈网状析出。,4.3.2 淬火将钢加热到AC3或AC1点以上某一温度，保温一定时间后快速冷却以获得马氏体或下贝氏体的热处理工艺称为淬火。 (1)淬火工艺 淬火加热温度： AC3或AC1+ 3070 淬火冷却介质：常用的是水和油 淬火方法：单液淬火、双液淬火、等温淬火、分级淬火等。,常用淬火方法,生产中常用的淬火方法有以下几种： 单液淬火：将奥氏体化的工件浸入到一种淬火介质中连续冷却到室温的淬火工艺。 双液淬火：将奥氏体化的工件先浸入冷却能力较强的介质中，冷却到稍高于M
11、s温度，再立即转入另一种冷却能力较弱的介质中，使之发生马氏体转变的淬火工艺。 分级淬火：将奥氏体化的工件浸入温度在Ms点附近的盐浴和碱浴中，保持适当时间，待工件内外层都达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺。 等温淬火：将奥氏体化的工件浸入温度稍高于Ms的盐浴或碱浴中，保持足够时间，使其发生下贝氏体转变后取出空冷的淬火工艺。,碳钢的淬火加热温度范围,(2)淬透性钢的淬透性是指钢在淬火时能获得淬硬深度的能力，它是钢材本身固有的属性。淬透性的测定方法很多，结构钢末端淬透性试验(端淬试验)法是最常用的方法。在同一冷却介质中，钢的临界直径愈大，则其淬透性愈好。,4.3.3 回火回火是将淬火
12、钢重新加热到A1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。回火的主要目的 获得工件所需的组织和性能； 稳定工件尺寸； 消除或减小淬火应力。,(1)回火时的组织转变马氏体的分解(200) ；残余奥氏体的转变(200300) ；渗碳体的形成(250400) ；渗碳体的聚集长大，铁素体再结晶(400 )。,(2)回火种类低温回火：温度范围为150250，组织为回火马氏体。中温回火：温度范围为350500，组织为回火托氏体。高温回火：温度范围为500650，组织为回火索氏体。,(3)回火脆性淬火钢在某些温度范围内回火时，韧性不仅没有提高，反而显著降低的这种现象称为回火脆性。,4.3.4
13、表面淬火表面热处理是指只对零件表面进行热处理，以改变其组织(化学热处理还改变表层的化学成分)和性能的工艺。它可分为表面淬火和化学热处理两大类。 (1)感应加热表面淬火感应加热的主要依据是电磁感应、“集肤效应”和热传导三项基本原理。感应加热时的淬硬层深度主要取决于电流频率。,与普通加热淬火相比，感应加热淬火有以下特点 加热速度快 淬火质量好 淬硬层深度易于控制，淬火操作也易实现机械化和自动化，但设备较昂贵，主要用于大批量生产。,感应加热淬火工件的常用工艺路线为：锻造退火或正火粗加工调质或正火精加工感应加热淬火低温回火磨削。(2)火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火就是利用氧-乙炔(或其他可燃气)火焰
14、对零件表面进行加热，随之淬火冷却的工艺。,4.3.5 化学热处理化学热处理是指将工件放在一定的活性介质中加热，使某些元素渗入工件表层，以改变表层化学成分和组织，从而改善表层性能的热处理工艺。化学热处理要经历三个基本过程：分解(介质中分解出活性原子)、吸收(活性原子被工件表面吸收)、扩散(活性原子由工件表面向内部扩散)。,(1)渗碳渗碳是一种为了增加钢件表层碳的质量分数和一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。 渗碳用钢：低碳钢或低碳合金钢； 渗碳方法：气体渗碳固体渗碳液体渗碳； 渗碳后的组织：渗层组织为针状回火马氏体碳化物+少量残余奥氏体，其硬度为586
15、4HRC，而心部则随钢的淬透性而定。,(2)渗氮渗氮是在一定温度下(一般在AC1温度下)使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。 气体渗氮 离子氮化：离子渗氮是用来加速渗氮过程的一种工艺。 渗氮用钢：38CrMoAl 渗氮零件的一般工艺路线为：锻造正火或退火粗加工调质精加工去应力粗磨氮化精磨或研磨。,(3)碳氮共渗碳氮共渗是向钢的表面同时渗碳和氮原子的过程。其主要目的是提高工件的表面硬度、耐磨性和疲劳极限。中温气体碳氮共渗 低温碳氮共渗,4.3.6 热处理新技术简介 (1)可控气氛热处理在炉气成分可控制在预定范围内的热处理炉中进行的热处理称为可控气氛热处理。(2)真空热处理在真空中进行的热处理称为真空热处理。,(3)形变热处理形变热处理是将塑性变形同热处理有机结合在一起，获得形变强化和相变强化综合效果的工艺方法。(4)激光热处理激光热处理是利用专门的激光器发出能量密度极高的激光，以极快的速度加热工件表面、自冷淬火后使工件表面强化的热处理。,4.3.7 热处理工序位置安排热处理工序一般安排在铸、锻、焊等热加工和切削加工的各个工序之间。根据热处理的目的和工序位置的不同，可将其分为预先热处理和最终热处理两大类。预先热处理包括退火、正火和调质等。最终热处理包括各种淬火、回火及表面热处理等。有些零件性能要求不高，在铸、锻后经退火、正火调质后即可满足要求，则它们也可作为最终热处理。,
