工程材料六钢的热处理PPT课件

第六章钢的热处理Chapter6HeatTreatmentofSteels,主要内容：热处理的基本概念钢在加热时的转变钢在冷却时的转变钢的退火与正火钢的淬火与回火钢的表面热处理,热处理原理,热处理工艺,钢铁材料是工程材料中最重要的材料之一，在机械制造业中的比例达到90%左右，在汽车制造业中的比例达到70%，在其他制造业中也是最重要的材料之一。改善钢铁材料性能的途径：合金化（Alloying）通过在钢中加入合金元素，调整钢的化学成分，从而获得优良的性能。热处理（HeatTreatment）将金属在固态下经加热、保温和冷却，以改变金属的内部组织和结构，从而获得优良的性能。,第六章钢的热处理,第一节热处理的基本概念一、热处理的定义热处理是指金属在固态下经加热、保温和冷却，以改变金属的内部组织和结构，从而获得所需性能的一种工艺过程。,加热,保温,冷却,临界温度,第六章钢的热处理6.1热处理的基本概念,二、热处理的基本要素和作用热处理的三大要素加热（Heating）目的是获得均匀细小的奥氏体组织。保温（Holding）目的是保证工件烧透，并防止脱碳和氧化等。冷却（Cooling）目的是使奥氏体转变为不同的组织。热处理后的组织加热、保温后的奥氏体在随后的冷却过程中，根据冷却速度的不同将转变成不同的组织。不同的组织具有不同的性能。,第六章钢的热处理6.1热处理的基本概念,热处理的特点热处理不改变工件的形状，仅改变钢的内部组织和结构，从而改变钢的性能。热处理的作用改善钢（工件）的力学性能或工艺性能，充分发挥钢的性能潜力，提高工件质量，延长工件寿命。重要结论：材料是否能够通过热处理而改善其性能，关键条件是材料在加热和冷却过程中是否发生组织和结构的变化。,第六章钢的热处理6.1热处理的基本概念,普通热处理(整体热处理),退火,表面淬火,热处理工艺,化学热处理,表面热处理,其他热处理,控制气氛热处理,真空热处理,形变热处理,三、热处理的类型1.按加热、冷却方式及钢的组织、性能不同分类,正火,淬火,回火,感应加热表面淬火,火焰加热表面淬火,电接触加热表面淬火,渗碳,渗氮（氮化）,碳氮共渗,第六章钢的热处理6.1热处理的基本概念,2.按热处理在工件生产过程中的位置和作用不同分类,预备热处理：为随后的加工或热处理作准备,热处理工艺,最终热处理：赋予工件所需的力学性能,毛坯（锻件）,预备热处理（退火、正火）,机加工（车削）,最终热处理（淬火、回火）,精加工（磨削）,第六章钢的热处理6.1热处理的基本概念,举例：零件的典型加工工艺路线：,A1,A3,Acm,Ac1,Ar1,Ac3,Ar3,Arcm,Accm,四、钢的临界转变温度（CriticalTemperatureofSteels）,钢的临界转变温度是钢在热处理时制定加热、保温、冷却工艺的重要依据，由铁碳合金相图确定。重要结论：钢的实际临界转变温度总是滞后于理论临界转变温度,即加热时需要过热，冷却时需要过冷。,第六章钢的热处理6.1热处理的基本概念,第二节钢在加热时的转变两种加热方式：,第六章钢的热处理6.2钢在加热时的转变,加热,保温,冷却,Ac1,细小的奥氏体组织。该过程又称为钢的奥氏体化（Austenitizing）。,第种加热方式发生在临界温度Ac1以上，一定有组织转变，是一种相变过程。第种加热方式发生在临界温度Ac1以下，不一定有组织转变。加热的目的：本节介绍第种加热过程，目的是使钢从室温组织（如珠光体）转变为奥氏体，即获得均匀,相变（PhaseTransformation）：材料中的一种相在一定条件下转变为另一种相的过程。,加热,保温,冷却,一、奥氏体的形成过程以共析钢为例：奥氏体的形成是一个形核和长大的固态相变过程，是铁素体(F)向奥氏体(A)的晶格改组，渗碳体(Fe3C)溶入奥氏体中，以及碳(C)在奥氏体中扩散的过程。共析钢奥氏体化的四个基本过程：奥氏体的形核奥氏体的长大残余渗碳体的溶解奥氏体成分的均匀化,第六章钢的热处理6.2钢在加热时的转变,1.奥氏体的形核A晶核优先在F/Fe3C相界处形成。,第六章钢的热处理6.2钢在加热时的转变,分析：形核需要3个起伏，即能量起伏、结构起伏、成分（浓度）起伏,在晶界处容易满足这3个起伏。相界处晶格畸变较大，能量较高，有利于获得A形核所需的能量要求。相界处晶格畸变较大，原子排列不规则，有利于获得奥氏体的fcc结构要求。相界处碳浓度相差较大，有利于获得A形核所需的碳浓度要求。,2.奥氏体的长大A晶核形成后,将通过FA转变和Fe3C溶入A的过程不断长大。分析：A形核后，由于A与Fe3C相界处存在碳浓度梯度，将引起A中C的扩散。通过Fe原子和C原子的扩散、Fe原子的晶格由bcc转变为fcc，A不断向F和Fe3C两侧扩展长大,直至F完全消失。,第六章钢的热处理6.2钢在加热时的转变,3.残余渗碳体的溶解Fe3C的溶解落后于FA转变，残留Fe3C将继续溶入A中。分析：在奥氏体的形成过程中，F比Fe3C先消失，因此奥氏体形成之后，还残留未溶的Fe3C。这些残余Fe3C将随着时间的延长，继续不断地溶入奥氏体，直至全部消失。,第六章钢的热处理6.2钢在加热时的转变,第六章钢的热处理6.2钢在加热时的转变,4.奥氏体成分的均匀化残余Fe3C溶解完成后,A成分极不均匀。最终通过C原子的扩散，奥氏体的成分达到均匀一致。分析：残留的Fe3C全部溶入A后,原先是Fe3C的地方碳浓度高,原先是F的地方碳浓度低，必须继续保温，通过C原子的扩散，使A成分均匀化。,第六章钢的热处理6.2钢在加热时的转变,F,奥氏体的形核,Fe3C,A,Fe3C,F,A,奥氏体的长大,未溶Fe3C,A,残余渗碳体的溶解,奥氏体成分的均匀化,A,珠光体向奥氏体转变的过程,二、奥氏体晶粒的长大及其影响因素奥氏体晶粒的大小关系到随后冷却的组织的粗细程度，对钢的性能有着重大的影响。控制奥氏体晶粒度具有重要的意义。1.奥氏体晶粒度起始晶粒度（InitialGrainSize）在临界温度以上，奥氏体化过程刚完成，晶粒边界恰好相互接触时的晶粒大小。实际晶粒度（PracticalGrainSize）在具体热处理条件下所获得的A晶粒度。本质晶粒度（InherentGrainSize）根据标准试验方法测定的A晶粒大小，表示了不同的钢在一定的加热条件下A晶粒长大的倾向。,第六章钢的热处理6.2钢在加热时的转变,本质晶粒度的标准试验方法：参数：930C10C加热、38h保温。规定：经上述试验，晶粒尺寸在八级标准晶粒度中14级者为本质粗晶粒钢；58级者为本质细晶粒钢。,第六章钢的热处理6.2钢在加热时的转变,讨论：本质粗晶粒钢随加热温度的升高，晶粒不断长大。本质细晶粒钢在930C以下，当温度升高时，晶粒尺寸没有明显的增大。本质细晶粒钢并不意味着在任何温度条件下都能保持细小的晶粒度。,第六章钢的热处理6.2钢在加热时的转变,标准晶粒度等级,2.影响奥氏体晶粒度的因素工艺因素（1）加热温度和保温时间加热温度越高、保温时间越长，A晶粒越粗大。其中，温度的影响尤为显著。过热组织（OverheatedStructure）：过热是指由于加热温度过高而产生的晶粒变粗的现象，因过热而导致的粗大晶粒组织，称为过热组织。（2）加热速度加热速度越快，A晶粒越细小。工业生产上常采用短时快速加热工艺，以获得超细晶粒。,第六章钢的热处理6.2钢在加热时的转变,化学成分因素（1）含碳量对于亚共析成分的钢，随wC%增加，A晶粒长大的倾向增大；对于过共析成分的钢，随wC%增加，A晶粒长大的倾向减小。原因：过共析钢中呈颗粒状的Fe3C有阻碍晶粒长大的作用。（2）碳化物形成元素碳化物形成元素与碳形成细小的颗粒状碳化物可阻碍晶粒的长大，从而使A晶粒细化。碳化物形成元素（Carbide-formingElement）：合金钢中与碳的亲和力较大、因而易形成碳化物的合金元素。如Ti、V、Nb、W、Mo、Cr等。含有上述元素的钢均是本质细晶粒钢。（3）Mn、P等元素促进A晶粒长大，易产生过热组织。,第六章钢的热处理6.2钢在加热时的转变,第三节钢在冷却时的转变两种冷却方式：等温冷却（IsothermalCooling）将A快速冷至临界温度以下某一温度，使A在该温度下转变成其他组织，然后再冷却至室温。连续冷却（ContinuousCooling）A在逐渐降温至室温的过程中转变成其他组织。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,保温,连续冷却,临界温度,等温冷却,加热,一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程过冷奥氏体（UndercoolingAustenite）：被过冷至临界温度以下、在热力学上不稳定、即将发生分解（即奥氏体转变为其他组织）的奥氏体，称为过冷奥氏体。分析：,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,(稳定的)奥氏体,过冷奥氏体,过冷奥氏体转变产物：珠光体（Pearlite）符号：P过冷奥氏体以缓慢的冷却速度冷却至室温，或过冷奥氏体在临界温度以下的高温范围内等温，将转变成珠光体。典型的冷却方式：炉冷（退火）珠光体相比马氏体和贝氏体，其强度和硬度较低。马氏体（Martensite）符号：M过冷奥氏体以极快的冷却速度冷却至室温，将转变成马氏体。典型的冷却方式：水冷或油冷（淬火）马氏体具有很高的强度和硬度。贝氏体（Bainite）符号：B过冷奥氏体在临界温度以下的中温范围内等温，将转变成贝氏体。贝氏体的强度和硬度介于珠光体和马氏体之间。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,1.珠光体转变（PearliteTransformation）珠光体在临界温度以下的较高温度范围（Ar1550C）内形成。珠光体的组织形态及性能（1）珠光体的组织形态层片状珠光体（LamellarPearlite）（又称片状珠光体）片状珠光体是层片状的铁素体与渗碳体相间排列的机械混合物。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,片状珠光体,s0,影响片状珠光体片间距（s0）的因素：形成温度形成温度越低，s0越小。冷却速度冷却速度越大，s0越小。片状珠光体的类型：珠光体（Pearlite）符号：Ps00.601.0m，形成温度为Ar1650C索氏体（Sorbite）符号：Ss00.250.3m，形成温度为650C600C托氏体（Troostite）符号：Ts00.100.15m，形成温度为600C550C,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,特别说明：珠光体（P）、索氏体（S）、托氏体（T）对钢的性能有不同的影响，但本质上都是层片状的F和Fe3C组成的机械混合物，仅片间距不同而已，其界限也是相对的。,粒状珠光体（GranularPearlite）（又称球状珠光体）粒状珠光体是颗粒状渗碳体分布在铁素体基体中的机械混合物。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,特别说明：粒状珠光体是许多碳素工具钢、合金工具钢以及轴承钢在淬火前需要获得的组织。通过球化退火可以获得粒状珠光体。,（2）珠光体的性能珠光体的性能与组织的粗细程度密切相关。片状珠光体的性能片间距越小，片状珠光体的硬度和强度越大、塑性和韧性越好。比较：珠光体（P）：25HRC索氏体（S）:25HRC30HRC托氏体（T）:35HRC40HRC粒状珠光体的性能渗碳体颗粒越多、越细小，分布越弥散、越均匀，粒状珠光体的硬度和强度越大。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,珠光体转变的过程珠光体转变（即AP转变）是一个形核和长大的过程，是碳原子重新分布和晶格重组的过程。以共析钢片状珠光体的形成为例：珠光体转变是典型的扩散型相变：珠光体形成时，碳原子和铁原子均要进行长程扩散。,片状珠光体的转变过程,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,2.马氏体转变（MartensiteTransformation）马氏体是碳溶解在体心立方晶格的-Fe中形成的过饱和间隙固溶体。马氏体转变在临界温度以下的低温范围内进行。马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构属于体心正方晶格（bct）。由于马氏体含碳过饱和,导致bcc晶格畸变成bct晶格。故bct晶格可以看成是bcc晶格沿c轴的伸长。c/a称为马氏体的正方度。c/a与wC%的关系：wC%越高，c/a越大；wC%越低，c/a越小。重要结论：马氏体含碳量越高，其正方度越大，晶格畸变越严重，故硬度越高。钢中获得马氏体组织是强化钢铁材料的重要手段之一。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,马氏体的组织形态（1）板条状马氏体（LathMartensite）板条状马氏体一般出现在低碳钢中,因此又称为低碳马氏体。形态特征：由许多成群的、大致平行的板条组成，板条的空间形态为椭圆断面的柱状体。又称为板条马氏体。亚结构：板条状马氏体的板条中含有高密度的位错，因此又称为位错马氏体。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,（2）针状马氏体（AcicularMartensite,PlateMartensite）针状马氏体一般出现在高碳钢中，因此又称为高碳马氏体。形态特征：呈针片状或竹叶状，周围往往存在着残余奥氏体。针片的空间形态呈双凸透镜状。又称为片状马氏体。亚结构：针状马氏体的针片中含有大量的精细孪晶，因此又称为孪晶马氏体。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,影响马氏体针片尺寸的因素：马氏体“针”或“片”的最大尺寸取决于原始奥氏体的晶粒度。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,讨论：最早形成的针片往往贯穿整个晶粒,后形成的针片大小将受到已形成的针片的限制。因此，原始奥氏体晶粒越细小，则马氏体片也越细小。隐晶马氏体：（CryptocrystallineMartensite）由于原始奥氏体的晶粒非常细小，以至于在光学显微镜下难以分辨出马氏体的针状特征，这种马氏体称为隐晶马氏体。,（3）影响马氏体形态的因素马氏体形态的主要影响因素是其形成温度，而形成温度又主要取决于奥氏体的含碳量。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,讨论：当wC%0.2%，马氏体转变后的组织中几乎全部是板条马氏体；当wC%1.0%，马氏体转变后的组织中几乎全部是针状马氏体；当0.2%wC%1.0%，马氏体转变后的组织中既有板条马氏体，也有针状马氏体。,马氏体的性能马氏体的性能主要取决于含碳量和组织形态。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,（1）含碳量的影响随M的wC%：M的硬度、强度，M的塑性、韧性，M的脆性。高碳针状马氏体“硬而脆”。,（2）组织形态的影响针状马氏体硬度大，塑性和韧性差；板条马氏体韧性较好，并且具有足够的强度。低碳板条马氏体“强而韧”。,特别提示：马氏体的硬度不等于淬火钢的硬度。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,马氏体的硬度由含碳量决定，淬火钢的硬度则与马氏体转变结束后钢中马氏体的相对量和未转变组织的相对量有关，即随淬火钢中未转变组织的相对量增多，淬火钢硬度降低。,a、b淬火钢；c马氏体。含碳量对马氏体和淬火钢硬度的影响,马氏体转变的特点马氏体转变同样是一个形核和长大的过程。（1）无扩散性Fe、C、Me（合金元素）的原子均不进行长程扩散。（fcc）M（bct）的晶格重组由原子集体的、有规律的近程迁移完成。转变前后合金的化学成分不变。M和原A中固溶的碳量一致。马氏体转变是典型的非扩散型相变。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,（2）共格切变性和表面浮凸现象（fcc）M（bct）的晶格重组以切变方式进行。新相（M）与母相（）保持共格关系。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,（3）在不断降温的过程中形成马氏体转变在一个温度范围内完成,冷却中断,转变立即停止。马氏体转变开始的温度称为Ms点，转变终了的温度称为Mf点。Ms点和Mf点主要取决于奥氏体中的wC%和wMe%。,重要结论：wC%增多，Ms点和Mf点降低。除Al、Co外，wMe%增多，Ms点和Mf点降低。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,（4）高速长大马氏体的形成速度极快，瞬间形核、瞬间长大，速度接近声速。（5）马氏体转变的不完全性即使温度降低至Mf点，奥氏体也不能100%转变为马氏体。残余奥氏体（RetainedMartensite）：M转变结束后，总有部分奥氏体未转变而残留下来，这部分奥氏体称为残余奥氏体，记作A、或R。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,重要结论：淬火钢中A的含量随wC%和wMe%（除Al、Co外）的增加而增加。淬火钢的硬度随A量的增多而降低。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,3.贝氏体转变（BainiteTransformation）贝氏体转变在临界温度以下的中温范围（550CMs）内进行。贝氏体转变具有P转变和M转变的某些特点，又具有自身的一些特点。贝氏体的组织形态及性能（1）贝氏体的组织形态贝氏体是由含碳过饱和的铁素体与渗碳体组成的机械混合物。根据形成温度的不同，贝氏体主要有上贝氏体和下贝氏体两种。上贝氏体的铁素体中轻度含C过饱和，下贝氏体的铁素体中C的过饱和度较大。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,上贝氏体（UpperBainite）符号：B上形成温度550C350C，金相组织呈羽毛状，电镜下可观察到在F板条之间分布着条状Fe3C。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,上贝氏体金相组织（羽毛状）,上贝氏体电镜组织（黑色板条为F；白色短条为Fe3C）,下贝氏体（LowerBainite）符号：B下形成温度350CMs，金相组织呈黑针状，电镜下可观察到在F板条内分布着细小、弥散的粒状或短条状Fe3C。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,下贝氏体金相组织（黑针状）,下贝氏体电镜组织（黑针为F；白色短条为Fe3C）,（2）贝氏体的性能贝氏体的力学性能主要取决于其组织形态。上贝氏体上贝氏体的铁素体板条粗大，碳的过饱和度低，强度和硬度较低；同时，渗碳体粗大，且呈条状断续分布于铁素体板条间，因而上贝氏体的韧性低，脆性大。上贝氏体是实际生产中应避免出现的组织。下贝氏体下贝氏体的铁素体针细小，碳的过饱和度较高，渗碳体细小、弥散，且均匀分布在铁素休针内，具有弥散强化的效果，因而下贝氏体不仅强度较高，而且韧性也好，即具有良好的综合力学性能。下贝氏体是实际生产中广泛应用的组织。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,贝氏体的转变过程贝氏体转变（即AB转变）也是一个形核和长大的过程。AB转变是A以切变的方式向过饱和F的晶格改组、C原子通过短程扩散从F中以Fe3C形式析出的过程。（1）上贝氏体的形成过程,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,F首先在A晶界上碳浓度较低的地方形成，其含碳为过饱和。由于转变温度较高(550C350C)，F向A晶粒内部生长成大致平行的粗大板条束，而C原子通过扩散富集在F板条束之间的A中，最终以Fe3C形式析出，这样就形成了羽毛状的上贝氏体。,上贝氏体的形成,F板条,Fe3C,A晶界,（2）下贝氏体的形成过程,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,F同样在A晶界上碳浓度较低的地方形成，其含碳为过饱和。由于转变温度较低（350CMs），F针较细小，而C原子已难以扩散至A中，只能以细小的颗粒或短条状的Fe3C形式在F内部不连续地析出，这样就形成了黑针状的下贝氏体。,贝氏体转变是半扩散型相变：贝氏体形成时，铁原子不能扩散，碳原子可以扩散。,二、过冷奥氏体转变曲线1.过冷奥氏体等温转变曲线又名TTT曲线：T：TimeT：TemperatureT：Transformation曲线形似英文字母“C”，故又称“C曲线”。以下以共析钢C曲线为例。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,共析钢过冷奥氏体等温转变曲线,C曲线分析A1线以上为奥氏体区域。两个“C”分别是过冷奥氏体转变开始线和转变终了线。A1线以下、Ms以上、转变开始线以左的区域是过冷奥氏体区。转变开始前需要一定的时间，称孕育期（IncubationPeriod）。C曲线的“鼻尖”处孕育期最短,其温度大致是550C。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,C曲线分析（续）：C曲线由上至下分三个区域：A1550C：珠光体转变区550CMs：贝氏体转变区MsMf：马氏体转变区以恰好与“鼻尖”相切的冷却速度将钢冷却下来时,过冷A将不发生P和B转变，钢冷却后的组织为M。这一冷却速度vk称为钢的临界冷却速度（CriticalCoolingRate）。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,vk,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,共析钢过冷奥氏体等温转变曲线,P,M,S,T,B上,B下,影响C曲线的因素各种不同因素对C曲线的影响体现在对C曲线在坐标平面上的位置和形状的影响。具体表现为：C曲线是向左移，还是向右移。C曲线是否发生形状的变化。如变成上下两个C曲线。,重要结论：过冷奥氏体越稳定，C曲线越向右移。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,C曲线的影响因素：含碳量的影响对共析钢而言，当wC%变化后，钢即成为亚共析钢或过共析钢。亚共析钢的情况：wC%，C曲线向右移。过共析钢的情况：wC%，C曲线向左移。合金元素的影响除Co外，所有溶入A的合金元素均使C曲线向右移。一些碳化物形成元素还将改变C曲线的形状。例如Cr、Mo等。奥氏体化条件的影响随A化温度的提高和保温时间的延长，C曲线向右移。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,2.过冷奥氏体连续转变曲线又称CCT曲线：C：ContinuousC：CoolingT：Transformation共析钢CCT曲线分析：CCT曲线中只有P和M转变，没有B转变。CCT曲线中除AP转变开始和终了线外，还有一条中止线。中止线的意义：当冷却曲线碰到中止线时,AP转变终止，随后，未转变的A在冷至Ms点以下将转变为M。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,共析钢过冷奥氏体连续转变曲线,共析钢CCT曲线分析（续）：vk称为CCT曲线的临界冷却速度，它是获得全部M组织(实际上还含有少量的A)的最小冷却速度。冷却速度大于vk时，转变得到M；冷却速度小于vk时，转变得到P；冷却速度大于vk而小于vk时，转变得到PM。临界冷却速度越小，奥氏体越稳定，越容易获得M组织。这对淬火工艺操作具有十分重要的意义。,第六章钢的热处理6.3钢在冷却时的转变,共析钢过冷奥氏体连续转变曲线,第四节钢的退火与正火一、退火（Annealing）1.退火的定义退火是将钢加热至临界点Ac1以上或以下温度，保温后缓慢冷却下来以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。2.退火的目的调整硬度以便切削加工适于机加工的硬度：HB170230。消除残余内应力防止工件淬火时变形或开裂。细化晶粒，改善组织为最终热处理（淬火和回火）作组织准备获得粒（球）状珠光体。,第六章钢的热处理6.4钢的退火与正火,通常是随炉冷却,3.退火的种类第一类退火：目的和作用：不以组织转变为目的，使钢的不平衡状态过渡到平衡状态。种类：扩散退火、再结晶退火、去应力退火。第二类退火：目的和作用：以改变组织和性能为目的，获得以珠光体为主的组织，并使钢中的珠光体、铁素体和碳化物等组织形态及分布达到要求。种类：完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火。,第六章钢的热处理6.4钢的退火与正火,第六章钢的热处理6.4钢的退火与正火,完全退火（CompleteAnnealing）工艺规范：加热温度：Ac3+30C50C。适用范围：亚共析成分的钢。,保温,加热,Ac3,600C,空,30C50C,冷,第六章钢的热处理6.4钢的退火与正火,等温退火（IsothermalAnnealing）工艺规范：加热温度：对亚共析成分的钢，Ac3+30C50C；对过共析成分的钢，Ac1+30C50C。适用范围：亚共析钢、（尤其是）合金钢。,保温,加热,Ac3或Ac1,AP转变温度区,等温,30C50C,空,冷,特点：大大缩短工件在炉内的时间。,临界温度,球化退火（SpheriodizingAnnealing）工艺规范：加热温度：Ac1附近。目的：使钢中的渗碳体或碳化物球状化，以获得粒（球）状珠光体。适用范围：共析成分和过共析成分的钢。扩散退火（DiffusingAnnealing）又称为均匀化退火（HomogenizingAnnealing）。工艺规范：加热温度：略低于相图上的固相线。目的：消除偏析。,第六章钢的热处理6.4钢的退火与正火,二、正火（Normalizing）1.正火的定义正火是将钢加热至Ac3或Accm+30C50C，保温后空冷以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。与退火相比，正火冷却速度快，得到较细的P，强度和硬度也较高。2.正火的目的正火的目的与退火基本相同。3.正火的应用消除网状二次渗碳体。作为要求不高的零件的最终热处理。作为低、中碳结构钢的预备热处理，改善切削加工性能。,第六章钢的热处理6.4钢的退火与正火,三、退火和正火的选用wC%0.25%的低碳钢宜采用正火代替退火作为预备热处理。0.25%wC%0.50%的中碳钢，可采用退火或正火作为预备热处理。0.50%wC%0.75%的中、高碳钢，采用完全退火。wC%0.75%的高碳钢，首先用正火消除网状Fe3C，再进行球化退火。退火和正火通常属于预备热处理。,第六章钢的热处理6.4钢的退火与正火,第六章钢的热处理6.4钢的退火与正火,A,FA,AFe3C,PFe3C,FP,P,第五节钢的淬火与回火淬火和回火通常属于最终热处理。一、淬火（Quenching）1.淬火的定义淬火是将钢加热至Ac3或Ac1以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度vk冷却下来，以获得马氏体的热处理工艺。2.淬火的目的获得马氏体（有时也可以是下贝氏体），提高钢的硬度和耐磨性。淬火是钢的最重要的热处理工艺。,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,3.淬火工艺参数淬火温度淬火温度，或称淬火加热温度，即是钢的奥氏体化温度。确定淬火温度的原则：获得均匀细小的奥氏体。确定淬火温度的依据：Fe-Fe3C相图。,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,各类钢淬火温度的确定：亚共析钢：Ac3+30C50C共析钢和过共析钢：Ac1+30C50C合金钢：临界温度以上50C100C,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,加热时间加热时间由升温时间和保温时间组成。确定加热时间的原则：保证工件内外温度一致，奥氏体化过程充分，奥氏体均匀细小。确定加热时间的依据：通常根据经验公式估算或通过实验确定。淬火介质两个方面的问题：冷却速度大，容易获得马氏体。冷却速度大，内应力大，工件变形和开裂的倾向大。,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,理想淬火介质的冷却特性：当冷却至“鼻尖”温度前冷却较慢，以充分降低热应力。在“鼻尖”温度附近具有较大的冷却能力，避免产生非马氏体组织。在Ms点附近冷却尽量缓慢，以减少马氏体转变时产生的组织应力。,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,常用淬火介质：水特点：经济，冷却能力较强，但在Ms点附近冷速过快。适用范围：碳钢。盐水：盐或碱的水溶液，高温冷却能力比水强，适用于碳钢。油特点：低温区（Ms点附近）冷速缓慢，可有效降低变形和开裂倾向，但高温区冷却能力较低。适用范围：合金钢。种类：锭子油、机油、柴油。,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,（1）单液淬火（SimpleQuenching）操作简单，易实现机械化。用于尺寸不大、形状简单的工件。淬火后组织：M（2）双液淬火（DoubleQuenching）操作复杂，不易掌握。用于形状复杂的高碳钢及尺寸较大的合金钢工件。淬火后组织：M（3）分级淬火（BrokenQuenching）工艺较复杂。用于尺寸较大、形状复杂的合金钢工件。淬火后组织：M（4）等温淬火（IsothermalQuenching）用于形状复杂和要求较高的小工件。淬火后组织：B下,4.淬火方法,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,5.钢的淬透性淬透性（Hardenability）的概念钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得淬透层深度的能力。简单地讲，淬透性就是钢淬火时获得马氏体的能力。,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,淬透性的量度：淬透性的大小用规定条件下钢淬火后获得的淬硬层的深度表示。淬硬层深度：由工件表面到半马氏体区域的深度。,影响淬透性的因素淬透性的高低取决于钢的过冷奥氏体的稳定性。过冷奥氏体的稳定性越高，淬透性越好，反之，淬透性越差。什么因素影响过冷奥氏体的稳定性？C曲线的位置。C曲线右移，淬火临界冷却速度减小，淬透性提高。重要结论：凡是使钢的C曲线向右移的因素，均提高钢的淬透性。最主要因素：化学成分除Co外，所有溶入奥氏体中的合金元素均提高淬透性。含碳量愈接近共析成分的碳钢，其C曲线愈靠右，淬透性越高。,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,淬透性与淬硬性（HardeningCapacity）的区别：淬透性表示钢淬火后获得淬透层深度的能力，取决于钢本身。淬硬性表示钢淬火后所能达到的最高硬度，取决于钢的含碳量。,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,几种典型钢种淬透性与淬硬性的比较,淬透性的测定及其表示方法（1）末端淬火试验（End-quenchHardenabilitytest）法通过端淬试验测定淬透性，淬透性的数值为。（2）临界淬透直径（CriticalQuenchDiameter）法用钢在某种淬火介质中能够完全淬透的最大直径D0表示。,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,二、回火（Tempering）回火是紧接淬火之后的一种最终热处理工艺。淬火钢为什么要回火？钢淬火后的组织是什么？马氏体残余奥氏体，均为亚稳定的组织，在一定条件下要转变。马氏体的性能怎样？马氏体硬度高、脆性大（尤其是高碳针状马氏体），性能不能满足工件的使用要求。马氏体转变有什么特点？马氏体转变速度极快，工件淬火后内部有残余内应力，会导致工件的变形或开裂。结论：淬火后的工件不能直接使用！,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,1.回火的定义回火是将淬火钢加热到Ac1以下某一温度，保温后再冷却到室温的一种热处理工艺。2.回火的目的降低或消除残余内应力防止工件变形或开裂。减少或消除残余奥氏体稳定组织，稳定工件的尺寸。消除淬火钢的脆性调整工件的组织和性能，满足工件的使用要求。特别提示：钢淬火后应及时回火。,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,3.淬火钢在回火时的转变回火时的组织转变,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,第一阶段：马氏体的分解温度范围：100C200C，组织：回火马氏体。,第二阶段：残余奥氏体的分解温度范围：200C300C，组织：回火马氏体。,第三阶段：碳化物类型的转变温度范围：250C400C，组织：回火托氏体。,第四阶段：渗碳体的聚集长大和相的再结晶温度范围：400C，组织：回火索氏体。,回火的四个阶段,第一阶段温度范围：100C200C马氏体的分解,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,过程：马氏体中的过饱和碳以亚稳定相-FexC的形式析出。组织：名称：回火马氏体（TemperedMartensite）符号：M回特征：细小的片状-FexC均匀分布在M（）基体上。,第二阶段温度范围：200C300C残余奥氏体的分解,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,过程：残余奥氏体分解为过饱和相和亚稳定的-FexC相。组织：名称：回火马氏体（TemperedMartensite）符号：M回特征：细小的片状-FexC均匀分布在M（）基体上。,第三阶段温度范围：250C400C碳化物类型的转变,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,过程：亚稳定的-FexC溶入中，同时从中析出Fe3C，实现碳化物类型的转变。组织：名称：回火托氏体（TemperedTroostite）符号：T回特征：细粒状Fe3C均匀分布在保持M形态的基体上。,第四阶段温度范围：400C渗碳体的聚集长大和相的再结晶,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,过程：Fe3C聚集长大、相(F)的形状通过再结晶从M的针状转变为多边形（等轴状晶粒）。组织：名称：回火索氏体（TemperedSorbite）符号：S回特征：细粒状Fe3C均匀分布在多边形的F基体上。,回火时的性能变化回火过程中，钢的性能随组织变化，性能总体变化趋势是：随回火温度升高，钢的强度和硬度降低、塑性和韧性升高。随回火温度升高，内应力降低。,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,6.5钢的淬火与回火,4.回火工艺低温回火（LowTempering）目的：降低淬火应力，改善工件韧性，获得高硬度和高耐磨性。温度：150C250C。组织：M回。性能：硬度：HRC5864。高的硬度和高的耐磨性。应用：工具、模具、轴承、渗碳工件、表面淬火工件等。,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,6.5钢的淬火与回火,中温回火（MediumTempering）目的：提高工件韧性，获得高的弹性极限和屈服强度。温度：350C500C。组织：T回。性能：硬度：HRC3545。高的弹性，高的屈服强度和屈强比，足够的韧性。应用：各种弹簧。,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,6.5钢的淬火与回火,高温回火（HighTempering）目的：获得高的韧性，足够的强度和硬度。温度：500C600C。组织：S回。性能：硬度：HRC2535。良好的综合力学性能。应用：轴、齿轮、连杆等。调质处理（ThermalRefining）：淬火加高温回火称为调质处理，简称调质。钢经调质处理后，具有良好的综合性能，应用广泛。,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,5.回火脆性（TemperBrittleness）淬火钢在某些温度回火时，其冲击韧性显著下降的现象称为回火脆性。第一类回火脆性出现的温度范围：250C350C。特点：淬火钢一旦在这一温度范围回火，就极可能产生这类回火脆性，且无法消除。解决办法：避免将淬火钢在该温度范围内回火。第一类回火脆性又称为低温回火脆性、不可逆回火脆性。,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,第二类回火脆性出现的温度范围：500650C。特点：淬火钢在这一温度范围内回火后，如果缓冷则会出现回火脆性，如果快冷则不产生回火脆性。解决办法：产生第二类回火脆性的钢可重新回火后进行快速冷却。第二类回火脆性又称为高温回火脆性、可逆回火脆性。,第六章钢的热处理6.5钢的淬火与回火,第六节钢的表面热处理很多零件要求表面和心部具有不同的性能。举例：齿轮。,第六章钢的热处理6.6钢的表面热处理,受力分析：啮合的齿表面受到很大的接触应力和磨擦力，只有表面具有很高的硬度，才能满足要求。啮合的齿表面受到交变应力，只有表面具有很高的接触疲劳强度，才能满足要求。啮合的齿受到弯曲应力和时有的冲击载荷，只有齿心部具有高的韧性和足够的强度，才能保证不断齿，满足要求。,齿轮的性能要求：表面：要求具有高的硬度、高的耐磨性和高的接触疲劳强度。心部：要求具有良好的塑性、韧性和足够的强度。即赋予齿轮“表硬内韧”的性能组合。问题：选择何种钢，采用何种热处理可以满足“表硬内韧”呢？选择高碳钢，采用普通（整体）热处理，行吗？选择中碳钢，采用普通（整体）热处理，行吗？选择低碳钢，采用普通（整体）热处理，行吗？答案：NO!,第六章钢的热处理6.6钢的表面热处理,怎么办？选择合适的钢，采用表面热处理！,第六章钢的热处理6.6钢的表面热处理,?,表面淬火或化学热处理,一、钢的表面淬火（SurfaceQuenchingofSteels）1.表面淬火的定义表面淬火是在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表面层奥氏体化后进行淬火，以强化工件表面的热处理工艺。2.表面淬火用材料及表面淬火后的组织表面淬火用材料典型材料：中碳钢和中碳合金钢。预备热处理典型工艺：调质处理。如果心部性能要求不高，可采用正火。表面淬火后的组织预备热处理为调质：表面M回，心部S回。预备热处理为正火：表面M回，心部FS。,第六章钢的热处理6.6钢的表面热处理,3.感应加热表面淬火感应加热表面淬火的基本原理集肤效应：当感应线圈中的交变电流在工件表面感生出感应电流时，该感应电流绝大部分分布在工件表面，而工件内部几乎没有电流通过，这种现象称为集肤效应。感应加热表面淬火原理：基于集肤效应，工件表面被迅速加热到奥氏体化温度（几秒钟即升至8001000C），而工件内部几乎未被加热，随后喷水冷却，实现表面淬火。,第六章钢的热处理6.6钢的表面热处理,感应加热表