第四章钢的热处理

第四章钢的热处理,姜波,改善钢的性能，主要有两条途径：一是合金化；二是热处理。,热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。,为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度时间坐标绘出热处理工艺曲线。,根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：,其他热处理,普通热处理,表面热处理,热处理,临界温度与实际转变温度临界温度铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示，分别是各自的相变临界温度，即从一相向另一相转变的平衡相变温度。实际转变温度由于实际加热或冷却时存在过冷或过热现象，因此，各自的过冷度或过热温度即为其实际转变温度,珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。得名自其珍珠般（pearl-like）的光泽。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体。用符号P表示，含碳量为c=0.77%。在珠光体中铁素体占88%,渗碳体占12%,由于铁素体的数量大大多于渗碳体,所以铁素体层片要比渗碳体厚得多.,钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示，冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中的数据是以30-50/h的速度加热或冷却时测得的。,第一节钢在加热时的转变,加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。,钢坯加热,1.奥氏体的形成奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现以共析钢为例说明：,第一步：奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核。第二步：奥氏体晶核长大：晶核通过碳原子的扩散向和Fe3C方向长大。第三步：残余Fe3C溶解：铁素体在成分、结构上比Fe3C更接近于奥氏体，因而先于Fe3C消失，而残余Fe3C则随保温时间延长不断溶解直至消失。,第四步：奥氏体均匀化。Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。,二、奥氏体晶粒度大小及影响因素,1.晶粒度表示晶粒大小的尺度。（单位长度、面积、体积的晶粒数量或晶粒级别）可由下式表示：n=2G-1G晶粒度级别，1-4级为粗晶粒，5-8级为细晶粒，8-12级为超细晶粒。奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时晶粒细小均匀。随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这也是一个自发的过程。奥氏体晶粒长大的过程与再结晶晶粒长大过程相同。,实际晶粒度在给定温度下奥氏体的晶粒度本质晶粒度加热时奥氏体晶粒的长大倾向。通常将钢加热到94010奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒保留到室温来判断。晶粒度为1-4级的是本质粗晶粒钢，5-8级的是本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。,58级的钢为本质细晶粒度的钢,14级的钢为本质粗晶粒度钢,8,本质粗、细晶粒度钢,2.影响奥氏体晶粒长大的因素1）加热温度和保温时间：加热温度高、保温时间长，晶粒粗大。2）加热速度：加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细。,托辊网带式热处理生产线,3）合金元素：阻碍奥氏体晶粒长大的元素：Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等，多为碳化物和氮化物形成元素。促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。4）原始组织：平衡状态的组织有利于获得细晶粒。奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。,第二节钢在冷却时的转变,钢奥氏体化后，冷却条件不同，得到的组织和性能不同，冷却才是热处理的关键阶段。一、过冷奥氏体及其转变方式处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。,过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变两种。,两种冷却方式示意图1等温冷却2连续冷却,1.共析钢的等温转变曲线表示过冷奥氏体急速冷却到临界点A1以下在不同过冷度（温度）条件下，转变温度、转变时间、转变产物之间关系的曲线。又称C曲线或TTT曲线。(Time-Temperature-Transformation),二、共析碳钢过冷奥氏体等温转变,1）C曲线的建立以共析钢为例：取一批小试样并进行奥氏体化。将试样分组淬入低于A1点的不同温度的盐浴中，隔一定时间取一试样淬入水中。,测定每个试样的转变量，确定各温度下转变量与转变时间的关系。将各温度下转变开始时间及终了时间标在温度时间坐标中，并分别连线。转变开始点的连线称转变开始线。转变终了点的连线称转变终了线。,A1-Ms间及转变开始线以左的区域为过冷奥氏体区。转变终了线以右及Mf以下为转变产物区。两线之间及Ms与Mf之间为转变区。,2）C曲线的分析转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小。孕育期最小处称C曲线的“鼻尖”，过冷奥氏体的稳定性最小。碳钢鼻尖处的温度为550。,共析钢的过冷奥氏体等温转变产物分析：珠光体转变过冷奥氏体在A1到550间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据片层厚薄不同，又细分为珠光体、索氏体和托氏体。,珠光体：形成温度为A1-650，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示。,索氏体形成温度为650-600，片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S表示。,托氏体形成温度为600-550，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示。,珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。,片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。,珠光体转变过程珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。珠光体转变是扩散型转变。,珠光体转变过程,贝氏体转变过冷奥氏体在550-230(Ms)间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体（B下）。,上贝氏体形成温度为550-350在光镜下呈羽毛状。在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。,下贝氏体形成温度为350-230(Ms)。在光镜下呈竹叶状。在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈55-60角。,上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。,马氏体转变当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织。与前两种转变不同，马氏体转变是在一定温度范围内（Ms-Mf）连续冷却时完成的。马氏体转变是强化钢的重要途径之一。,过冷奥氏体转变产物（共析钢）,2.亚共析钢、过共析钢的等温转变,与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C曲线的上部各多一条先共析相的析出线。,3.影响等温转变的因素1）成分的影响含碳量的影响：共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。由共析钢成分开始，含碳量增加或减少都使C曲线左移。,Cr对C曲线的影响,合金元素的影响除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移。,2）奥氏体化条件的影响奥氏体化温度提高和保温时间延长，使奥氏体成分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。在使用C曲线时应注意奥氏体化条件及晶粒度的影响。,二、过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT曲线，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。,1.共析钢的CCT曲线共析钢的CCT曲线没有贝氏体转变区，在珠光体转变区之下多了一条转变中止线。当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变中止，余下的奥氏体一直保持到Ms以下转变为马氏体。,图中的Vk为CCT曲线的上临界冷却速度，即获得全部马氏体组织时的最小冷却速度。Vk为TTT曲线的下临界冷却速度，即获得全部珠光体的最大冷却速度。Vk1.5Vk。,CCT曲线获得困难，TTT曲线容易测得。可用TTT曲线定性说明连续冷却时的组织转变情况。方法是将连续冷却速度曲线绘在C曲线上，依其与C曲线交点的位置来说明最终转变产物。,2.过共析钢CCT曲线也无贝氏体转变区，但比共析钢CCT曲线多一条AFe3C转变开始线。由于Fe3C的析出,奥氏体中含碳量下降,因而Ms线右端升高。3.亚共析钢CCT曲线中有贝氏体转变区，还多一条AF的转变开始线,铁素体析出使奥氏体含碳量升高,因而Ms线右端下降。,四、马氏体转变1.马氏体的形成过冷奥氏体以大于vk的冷速快速地连续冷却到Ms-Mf之间时，由于转变温度低，转变速度极快，Fe、C原子不能扩散，靠Fe原子切变方式完成晶格改组，形成马氏体。2.马氏体的晶体结构碳在-Fe中的过饱和固溶体称马氏体,用符号M表示。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。,马氏体组织,马氏体具有体心正方晶格（a=bc）轴比c/a称马氏体的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸变越严重。当0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格。,3.马氏体的组织形态马氏体的形态分板条和针状两类。1）板条马氏体立体形态为细长的扁棒状在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织。,2）针状马氏体立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。,马氏体的形态主要取决于其含碳量C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体，又称低碳马氏体。C%大于1.0%C时则几乎全部是针状马氏体，又称高碳马氏体。C%在0.21.0%之间为板条与针状的混合组织。,4）马氏体的性能高硬度马氏体的硬度主要取决于其含碳量。含碳量增加，其硬度增加。当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。合金元素对马氏体硬度的影响不大。,马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。针状马氏体硬度高、脆性大，塑性、韧性差；板条马氏体具有较高的硬度，塑性和韧性也较好，具有良好的综合力学性能。,5）马氏体转变的特点马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点是：无扩散性铁和碳原子都不扩散，因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。,马氏体形成速度极快瞬间形核，瞬间长大由于没有扩散，晶格的转变是以切变的机制进行的。切变还使切变部分的形状和体积发生变化，引起相邻奥氏体随之变形，在预先抛光的表面上产生浮凸现象。,3）马氏体转变是一个连续冷却的过程碳钢只有在MsMf点之间连续冷却，马氏体才能转变完成。Ms、Mf的位置与冷却速度无关，主要取决于奥氏体的成分。,转变不完全即使冷却到Mf点，也不可能获得100%的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称残余奥氏体，用A或表示。,残余奥氏体对钢的性能的影响残余奥氏体的存在，降低了钢的硬度和耐磨性，又会带来尺寸的不稳定性，影响尺寸精度。消除A的方法冷处理,第三节退火与正火,一、退火将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺叫做退火。1、退火目的调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB。消除内应力，稳定尺寸，防止加工中变形。细化晶粒，改善组织，为最终热处理作组织准备。,真空退火炉,2、退火种类退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火。完全退火主要用于亚共析钢。加热温度Ac3+3050。组织：F+P,等温退火亚共析钢加热温度Ac3+3050共析、过共析钢加热温度Ac1+3050保温后快冷到略低于Ar1的温度等温转变成珠光体组织，然后出炉空冷。等温退火可缩短工件在炉内停留时间。,高速钢等温退火与普通退火的比较,球化退火球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。主要用于共析钢和过共析钢。加热温度Ac1+30-50通过缓冷或者冷却到略低于Ar1的温度550600下保温，使珠光体中的渗碳体球化后出炉空冷。,球化退火的组织：在铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体，称球状珠光体，用P球表示。对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先进行正火，以消除网状。,球状珠光体,二、正火正火是将亚共析钢加热到Ac3+3050，共析钢加热到Ac1+3050，过共析钢加热到Accm+3050，保温后空冷的工艺。正火比退火冷却速度大。,正火温度,1、正火后的组织：0.6%C时组织F+S0.6%C时组织S2、正火的目的减少C和其他合金元素的成分偏析。细化奥氏体晶粒，消除过共析钢中网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。,3、正火的应用（1）对力学性能要求不高的普通结构钢作为最终热处理（2）对低碳钢调整硬度，改善切削加工性（3）对共析钢、过共析钢，消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备,4、改善切削性能方法低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火，高碳钢用球化退火。,第四节淬火与回火,一、淬火淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。淬火是应用最广的热处理工艺之一。淬火的目的：获得马氏体组织，提高钢的性能。,真空淬火炉,（一）淬火工艺1、碳钢亚共析钢淬火温度：Ac3+30-50。预备热处理组织：退火(F+P)或正火组织(F+S或S)。,亚共析钢淬火组织：0.5%C时为M0.5%C时为M+A。,在Ac1Ac3之间的加热淬火称亚温淬火。亚温淬火组织为F+M强硬度低，但塑韧性好。,共析钢淬火温度Ac1+30-50淬火组织M+A。,过共析钢淬火温度Ac1+30-50温度高于Accm，奥氏体晶粒粗大、淬火后马氏体晶粒粗大；M含碳量高，A量增多。使钢硬度、耐磨性下降，脆性、变形开裂倾向增加。淬火组织为M+颗粒状Fe3C+A预备热处理组织P球。,T12钢（含1.2%C）正常淬火组织,2、合金钢由于多数合金元素(Mn、P除外)对奥氏体晶粒长大有阻碍作用，因而合金钢淬火温度比碳钢高。亚共析钢淬火温度Ac3+50100共析钢、过共析钢淬火温度Ac1+50100,（二）淬火方法采用不同的淬火方法可弥补介质的不足。1、单介质淬火法加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。操作简单，易实现自动化。,2、双介质淬火法工件先在一种冷却能力强的介质中冷却，躲过鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。如水淬油冷，油淬空冷。优点是冷却理想，缺点是不易掌握。用于形状复杂的碳钢件及大型合金钢件。,3、分级淬火法在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后再取出缓冷。可减少内应力,用于小尺寸工件。,4、等温淬火法将工件在稍高于Ms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。经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，淬火应力小。适用于形状复杂及要求较高的小型件。,网带式淬火炉,（三）钢的淬透性与淬硬性1.钢的淬透性淬透性是钢的主要热处理性能。是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。,淬透性是指钢在淬火时获得马氏体组织深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区的深度。,M量和硬度随深度的变化,2.钢的淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力，取决于马氏体中的碳含量。,辊棒式电阻炉,3.淬透性与淬硬层深度的关系同一材料的淬硬层深度与工件的尺寸、冷却介质有关。工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。它是钢本身固有的特性,只用于不同材料之间的比较。是在尺寸、冷却介质相同时，用不同材料的淬硬层深度来进行比较的。,二、回火,井式回火炉,回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。（一）回火的目的1、减少或消除淬火内应力，防止变形或开裂。2、获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。,3、稳定尺寸。回火可使非平衡M与A转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。4、高淬透性钢的软化，这类钢空冷即可淬火，如采用回火软化既能降低硬度，又能缩短软化周期。未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置或使用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行回火。,（二）回火方法及应用1、低温回火回火温度：150250组织转变：从马氏体中析出细片状-碳化物；A分解为-碳化物和过饱和铁素体。,低温回火的目的是在保留淬火后高硬度高耐磨性的同时，降低内应力，提高韧性。主要用于处理各种工具、模具、轴承及经渗碳和表面淬火的工件。,2、中温回火回火温度：350-500组织转变：-碳化物溶解于铁素体中,同时从铁素体中析出Fe3C。到350,马氏体中的含碳量已降到铁素体的平衡成分，内应力大量消除。,回火托氏体,回火托氏体组织具有较高的弹性极限和屈服极限，并具有一定的韧性，硬度一般为3545HRC。主要用于各类弹簧的热处理。,汽车板簧,热卷弹簧,回火索氏体,3、高温回火回火温度：500-650组织转变：Fe3C发生聚集长大，铁素体发生多边形化.这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织称回火索氏体，用S回表示。,回火索氏体组织具有良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。通常把淬火加高温回火的热处理工艺称作“调质处理”，简称“调质”。调质广泛用于连杆、轴、齿轮等各种重要结构件的处理。也可作为精密零件、量具等的预备热处理。,柴油机连杆,第三节钢的表面热处理与化学热处理,一、表面热处理表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。,表面淬火目的：使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。,感应加热表面淬火示意图,感应加热表面淬火机床,1.感应加热表面淬火利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热的方法。,感应加热分为：高频感应加热频率为250-300KHz，淬硬层深度0.5-2mm,中频感应加热频率为2500-8000Hz淬硬层深度2-10mm,工频感应加热频率为50Hz淬硬层深度10-15mm,2.火焰加热表面淬火利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。成本低，但质量不易控制。,二、化学热处理,化学热处理是指将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织，进而改变其性能的热处理工艺。,与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。,可控气氛渗碳炉,1.渗碳是指向钢的表面渗入碳原子的过程。（1）渗碳目的提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。（2）渗碳用钢为含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高则心部韧性降低。,井式气体渗碳炉,气体渗碳法示意图,（3）渗碳方法1）气体渗碳法将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。渗剂为气体(煤气、液化气等)或有机液体(煤油、甲醇等)。优点：质量好，效率高；缺点：渗层成分与深度不易控制。,2）固体渗碳法将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。渗剂为木炭。优点：操作简单；缺点：渗速慢，劳动条件差。,真空渗碳炉,（4）渗碳温度:900-950。渗碳层厚度(由表面到过度层一半处的厚度)：一般为0.5-2mm。渗碳层表面含碳量：以0.85-1.05为最好。渗碳缓冷后的组织:表层为P+网状Fe3C；心部为F+P；中间为过渡区。,低碳钢渗碳缓冷后的组织,（5）渗碳后的热处理淬火+低温回火。回火温度为160-180。淬火方法有：预冷淬火法渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。,渗碳后的