金属材料热处理

1、金属材料热处理金属材料热处理 金属材料热处理金属材料热处理 金属材料热处理金属材料热处理 金属材料热处理金属材料热处理: 热处理是将金属工 件以一定的速度加热到 预定的温度并保温一定 的时间,再以预定的冷 却速率进行冷却的综合 工艺方法。 热处理时工件形状 尺寸不会发生变化,而 是内部组织发生变化. 热处理的基本要素热处理的基本要素 三大基本要素：加热、保温、冷却。其决定了热处理后 的组织和性能。 加热是热处理的第一道工序。不同的材料，其加热工艺 和加热温度都不同。 保温的目的是要保证工件烧透，防止脱碳、氧化等。保 温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一 般工件越大，导热性越差，

2、保温时间就越长。 冷却是热处理的最终工序，也是热处理最重要的工序。 钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。 金属材料热处理金属材料热处理 基本介绍 金属材料热处理金属材料热处理 基本介绍 热处理作用热处理作用：强化作用、消除组织缺陷（残余应力、偏析 等）。 讲述内容讲述内容:热处理理论、钢铁材料热处理和有色金属热处理。 金属材料的主要强化方式金属材料的主要强化方式 固溶强化、细晶强化、加工硬化、时效强化、第二相强化、 复合强化 金属材料热处理金属材料热处理 钢的热处理原理 钢在加热和冷却时的相变温度钢在加热和冷却时的相变温度 1）以相图为分析依据 2）根据铁碳相图，共析钢加热到超过A1温度时

3、，全部转变为奥氏 体；而亚共析钢和过共析钢必须加热到A3和Acm以上才能获得单相奥 氏体。在实际热处理加热条件下，相变是在不平衡条件下进行的， 其相变点与相图中的相变温度有一些差异。由于过热和过冷现象的 影响，加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温，这种现象称为 滞后。加热或冷却速度越快，则滞后现象越严重。通常把加热时的 实际临界温度标以字母“c”，如Ac1、Ac3、Accm；而把冷却时的实际 临界温度标以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arcm等。 录像:钢的热处理 第二节钢的热处理原理 金属材料热处理金属材料热处理 钢的热处理原理 钢在加热过程中的组织转变钢在加热过程中的组织转变 1）钢的热

4、处理多数需要先加热得到奥氏体，然后以不同速 度冷却使奥氏体转变为不同的组织，得到钢的不同性能。因 此掌握热处理规律，首先要研究钢在加热时的变化。 2）钢加热的实质是奥氏体化过程。钢加热的实质是奥氏体化过程。 3）共析钢、亚共析钢、过共析钢加热时的奥氏体的形成。 金属材料热处理金属材料热处理 钢的热处理 奥氏体形成过程奥氏体形成过程 奥氏体形核 奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上形成。 奥氏体晶核长大 奥氏体晶核形成以后，依靠铁、碳原子的扩散，使铁素体 不断向奥氏体转变和渗碳体不断溶入到奥氏体中去而进行的。 残留渗碳体的溶解 铁素体全部消失以后，仍有部分剩余渗碳体未溶解，随 着时间的延长，

5、这些剩余渗碳体不断地溶入到奥氏体中去，直至全部消失。 奥氏体均匀化 渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的成分是不均匀的，只有延 长保温时间，通过碳原子的扩散才能获得均匀化的奥氏体。 金属材料热处理金属材料热处理 钢的热处理原理 金属材料热处理金属材料热处理 钢的热处理原理 亚共析钢的加热过程：亚共析钢的加热过程： 过共析钢的加热过程：过共析钢的加热过程： 钢在冷却过程中的组织转变（共析钢）钢在冷却过程中的组织转变（共析钢） 1）冷却方式：等温冷却和连续冷却 2）过冷奥氏体：在相变温度A1以下未发生转变而处于不稳 定状态的奥氏体（A）。 3）过冷奥氏体的等温转变： C曲线分析：高温转变、中温转变和低温

6、转变（共析钢） 金属材料热处理金属材料热处理 钢的热处理原理 珠光体转变珠光体转变(高温转变) 1)共析成分的奥氏体在Ar1550温度范围内等温停留时， 将发生珠光体转变，形成铁素体和渗碳体两相组成的机械混 合物-珠光体。因转变的温度较高，也称高温转变。 2)珠光体的组织形态:一种是片状珠光体；另一种是球状或 粒状珠光体。 3)片状珠光体:片状珠光体中，按片间距的大小可将其分 为三类：即Ar1650之间形成的片层较粗的珠光体，称为 珠光体，以符号“P”表示；650600之间形成的片层较细 的珠光体，称为索氏体，以符号“S”表示；600550之间 形成的片层极细的珠光体，称为托氏体（屈氏体），以

7、符号 “T”表示。 金属材料热处理金属材料热处理 钢的热处理原理 片状珠光体组织粒状珠光体组织 4)珠光体的力学性能 片状珠光体的性能主要取决于珠光体的片层间距。片层间距越小， 相界面越多，则强度和硬度越高；同时由于渗碳体变薄，塑性和韧性 也越好。 形成粒状珠光体，渗碳体的颗粒越细小，则钢的强度硬度越高。 在相同硬度下，粒状珠光体比片状珠光体的综合力学性能优越得多。 金属材料热处理金属材料热处理 钢的热处理原理 贝氏体转变贝氏体转变(中温转变) 1)贝氏体转变是过冷奥氏体在“鼻子”温度至Ms点范围内 进行的转变，又称为中温转变。贝氏体转变时只发生碳原子 的扩散而不发生铁原子的扩散，因而，贝氏体

8、是碳化物（渗 碳体）分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物。 2)上贝氏体 共析钢的上贝氏体大约在550（“鼻子”温 度）至350之间形成。光学显微镜观察，典型上贝氏体组织 形态呈羽毛状。 3)下贝氏体 共析钢下贝氏体大约在350至Ms之间形成。光 学显微镜观察，下贝氏体呈黑色针状或竹叶状。 4)贝氏体的力学性能:上贝氏体的强度和韧性均差。下贝氏 体不仅强度高，而且韧性也好，表现为具有较好的综合力学 性能，是一种很有应用价值的组织。 金属材料热处理金属材料热处理 钢的热处理原理 上贝氏体 下贝氏体 金属材料热处理金属材料热处理 钢的热处理原理 马氏体转变马氏体转变（低温转变） 1)马氏体转变

9、是典型的无扩散性相变。 奥氏体为面心立方晶体结构，当过冷至Ms以下时，其晶体结构将 转变为体心立方晶体结构。由于转变温度较低，原奥氏体中溶解的碳 原子没有能力扩散，致使溶解的碳原子难以析出，从而使晶格发生畸 变。 所以，马氏体是碳在Fe中的过饱和间隙固溶体，具有非常高 的强度和硬度。所以，马氏体转变是强化金属的重要途径之一。 马氏体的硬度和强度取决于马氏体的含碳量，含碳量越高，畸变 越大，马氏体的强度和硬度越大。 金属材料热处理金属材料热处理 钢的热处理原理 金属材料热处理金属材料热处理 钢的热处理原理 2)马氏体的组织形态 A、钢中马氏体有两种基本形态：板条马氏体和片状马氏体。wc在 0.2

10、%以下时，基本上形成板条状马氏体（也称低碳马氏体），板条马氏 体内有高密度的位错缠结的亚结构，又称为位错马氏体。 B、当w c 0.6%时，奥氏体几乎只形成片状马氏体（针状马氏体）。 片状马氏体内部的亚结构主要是孪晶。因此，片状马氏体又称为孪晶马 氏体。 C、wc在0.2%0.6%之间的奥氏体则形成上述两种马氏体的混合组 织，含碳量越高，条状马氏体量越少而片状马氏体量越多。 板条马氏体片状马氏体 马氏体分解马氏体分解（100200） 100以上回火，马氏体开始发生分解，从过饱和固溶体中析出 弥散的碳化物，这种碳化物的成分和结构不同于渗碳体，是亚稳定 相。一定饱和度的固溶体和弥散分布的碳化物组成

11、的复相组织， 称为回火马氏体。 金属材料热处理金属材料热处理 钢的热处理原理 3）马氏体的力学性能 马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量，通常情况是随含碳量的增 加而升高。 马氏体的塑性和韧性主要取决于它的亚结构。在相同屈服强度条件下， 板条（位错）型马氏体比片状（孪晶）型马氏体的韧性好得多。 4）马氏体转变的主要特点 无扩散性 马氏体的形成无需借助于扩散过程，转变前后没有化学成 分的改变，马氏体可在很低的温度下以高速形成。 转变是在一个温度范围内进行的 马氏体转变是在MsMf的温度范围 内进行的，其转变量随温度的下降而增加，一旦温度停止下降，转变立即 中止。 转变不完全 多数钢的Mf点在室温

12、以下，因此冷却到室温时仍会保留 相当数量未转变的奥氏体，这称之为残余（留）奥氏体，常用Ar表示。其 为不稳定组织，因此对要求高的工件 ，要进行“冷处理”。 金属材料热处理金属材料热处理 钢的热处理原理 非共析成分碳钢的等温转变 1）C曲线左移；共析钢的C曲线最靠右。 2）出现先共析铁素体线或渗碳体线。剩下的过冷奥氏体的碳质量分数达 到共析成分，再发生珠光型转变。 金属材料热处理金属材料热处理 钢的热处理原理 共析钢的连续冷却转变（CCT曲线） 1）连续冷却转变曲线。位于C曲线的右下侧，且没有C曲线的下部分，故 得不到B组织。 2）不同冷却速率下的组织。Vk：临界冷却速度获得全部M组织的最小冷

13、却速度。 金属材料热处理金属材料热处理 钢的热处理原理 金属材料热处理金属材料热处理 钢的普通热处理 钢的常用热处理方法 普通热处理 表面淬火 退火 正火 淬火 回火 化学热处理 渗碳 渗氮（氮化） 多元共渗 第三节钢的热处理方法 退火 1）定义：退火是将钢加热到一定温度并保温一定时间以后，以缓慢的 速度冷却下来，使之获得达到或接近平衡状态的组织的热处理工艺。 金属材料热处理金属材料热处理 钢的普通热处理 2）分类 （1）完全退火 将钢完全奥氏体化，随之缓 慢冷却。其目的是细化晶粒、降 低硬度以改善切削加工性能和消 除内应力。 （2）等温退火 等温退火的加热工艺与完全 退火相同。“等温”的含义

14、是， 发生珠光体转变时是在Ar1以下珠 光体转变区间的某一温度等温进 行。等温退火能有效缩短退火时 间，提高生产效率并能获得均匀 的组织和性能。 金属材料热处理金属材料热处理 钢的普通热处理 （3）球化退火 球化退火主要用于过共析钢 和合金工具钢。其目的是降低硬 度、均匀组织、改善切削性能， 为淬火作组织准备。获得粒状珠 光体。球化退火的加热温度一般 为Ac1以上2030。 （4）扩散退火（均匀化退火） 目的是消除钢锭或铸件中的 化学成分偏析，使其成分均匀化。 扩散退火的特点是，加热温度高 （一般在Ac3或Accm以上150 300），保温时间长（10h以 上）。因此，扩散退火后钢的晶 粒粗大

15、，需要进行一次正常的完 全退火或正火处理。 （5）去应力退火 主要用来消除因变形加工及铸 造、焊接过程中引起的残余内应力， 以提高工件的尺寸稳定性，防止变 形和开裂。工艺一般是将工件随炉 缓慢加热至500650，经一段时 间保温后随炉缓慢冷却至300 200以下出炉。是一种无相变退 火。 （6）再结晶退火 冷变形后的金属加热到再结晶 温度以上，保持适当的时间，使变 形晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒， 这种热处理工艺称为再结晶退火。 其目的是消除加工硬化、提高塑性、 改善切削加工及成形性能。一般钢 材的再结晶退火温度为650700。 金属材料热处理金属材料热处理 钢的普通热处理 正火 1）定义：正

16、火的加热温度为Ac3或Accm以上3050， 保温以后的冷却方式在空气中进行。由于正火比退火的冷却 速度大，故珠光体的片层间距较小，因而正火后强度、硬度 较高。 2）正火的应用： 低碳钢和某些低碳低合金钢采用正火来调整硬度，改 善切削加工性能。 过共析钢的正火是为了消除网状碳化物。 某些受力不大，性能要求不高的中碳钢和中碳合金钢 件，正火后的力学性能尚能满足要求，可作为最终热处理。 金属材料热处理金属材料热处理 钢的普通热处理 淬火（录像：钢轨淬火） 1）定义：将钢加热到Ac1或Ac3以上，保温一定时间，然后快速冷却以 获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。 2）淬火加热温度 淬火加热温度的选择

17、应以得到细而均匀的奥氏体晶粒为原则，以便冷却 后获得细小的马氏体组织。亚共析钢的淬火加热温度通常为Ac3以上30 50；过共析钢的淬火加热温度通常为Ac1以上3050。 3）淬火冷却介质 常用的淬火冷却介质是水和油。水主要用于形状简单、截面较大的碳钢 零件的淬火。油一般用作合金钢的淬火冷却介质。 为了减少零件淬火时的变形，盐浴也常用作淬火介质，主要用于分级淬 火和等温淬火。 金属材料热处理金属材料热处理 钢的普通热处理 金属材料热处理金属材料热处理 钢的普通热处理 4）淬火方法 为了保证获得所需淬火 组织，又要防止变形和开 裂，必须采用已有的淬火 介质再配以各种冷却方法 才能解决。通常的淬火方

18、 法包括单液淬火、双液淬 火、分级淬火和等温淬火 等。 回火 1）定义：将淬火后的钢件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间后 冷却至室温的热处理工艺叫回火。 2）作用：淬火钢件经回火可以减少或消除淬火应力，稳定组织，提 高钢的塑性和韧性，从而使钢的强度、硬度和塑性、韧性得到适当配合， 以满足不同工件的性能要求。 金属材料热处理金属材料热处理 钢的普通热处理 金属材料热处理金属材料热处理 钢的普通热处理 3）分类 A、低温回火：低温回火的温度范围在150250之间。回火的目的是 降低应力和脆性，获得回火马氏体组织，使钢具有高的硬度、强度和耐磨 性。低温回火一般用来处理要求高硬度和高耐磨性的工件

19、，如刀具、量具、 滚动轴承和渗碳件等。 B、中温回火：回火温度范围为350500之间，回火后的组织为回火 托氏体。中温回火后具有高的弹性极限，所以主要用于各种弹簧件。 C、高温回火：回火温度范围为500650之间，得到回火索氏体组织。 高温回火使工件的强度、塑性、韧性有较好地配合，即具有高的综合力学 性能。一般把淬火加高温回火的热处理称为“调质处理”。适用于中碳结 构钢制作的曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车拖拉机半轴、机床主轴及齿轮等 重要机器零件。 4）回火脆性 需要指出，有些钢在250400和450650的范围内回火时，其冲 击韧性比在较低温度回火时还显著下降，这种脆化现象称为回火脆性。 在25

20、0400回火时出现的脆性称为低温回火脆性，又叫第一类回火脆 性；而在450650温度范围内回火时出现的脆性称为高温回火脆性， 也叫第二类回火脆性。 为了防止低温回火脆性，通常的办法是避免在脆化温度范围内回火。 防止高温回火脆性的方法是加热后快冷。 金属材料热处理金属材料热处理 钢的普通热处理 钢的表面淬火钢的表面淬火 1）定义：表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却， 仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持淬火前组织的热处理方法。 3）分类： A、感应加热表面淬火：感应加热是利用电磁感应原理。其特点为： 淬火温度高于一般淬火温度。 淬火后获得非常细小的隐晶马氏体组织，表层硬度比普通

21、淬火高2 3HRC。 表层存在很大的残余压应力。 无氧化、脱碳现象，且工件变形也很小。 易于实现机械化与自动化。感应加热淬火后，为了减小淬火应力和 降低脆性，需进行170200低温回火。 B、火焰表面淬火 金属材料热处理金属材料热处理 钢的特殊热处理 金属材料热处理金属材料热处理 钢的特殊热处理 钢的化学热处理钢的化学热处理 1）定义：化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或 几种元素原子渗入工件表面，以改变钢件表层化学成分和组织，进而达到改进表面性 能，满足技术要求的热处理工艺。基本过程：化学介质的分解；活性原子被钢件 表面吸收和溶解；原子由表面向内部扩散，形成一定的

22、扩散层。 2）渗碳 将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。 其目的是通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使表面具有高的硬度、耐磨性和抗疲劳 性能，而心部具有一定的强度和良好的韧性配合。 （1）渗碳方法： 渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。目前广泛应用的是气 体渗碳法。 （2）渗碳后的组织 常用于渗碳的钢为低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi、 12CrNi3等。渗碳后缓冷组织自表面至心部依次为：过共析组织（珠光体+碳化物）、 共析组织（珠光体）、亚共析组织（珠光体+铁素体）的过渡区，直至心部的原始组织。 （3）渗碳后的热处理 渗碳后进行淬火

23、和低温回火的热处理。 金属材料热处理金属材料热处理 钢的特殊热处理 渗氮渗氮 1）定义：渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工 件表面的热处理工艺。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、 热硬性和耐蚀性等。常用的渗氮方法有气体渗氮、离子渗氮、氮碳共渗 （软氮化）等。生产中应用较多的是气体渗氮。 2）特点：与渗碳相比，渗氮温度低且渗氮后不再进行热处理，所以 工件变形小。 为了提高渗碳工件的心部强韧性，需要在渗氮前对工件进行调质处 理。 碳氮共渗碳氮共渗 碳氮共渗是同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学热处理工艺，也 俗称为氰化。碳氮共渗零件的性能介于渗碳与渗氮零件之间。 其它热处理方

24、法其它热处理方法：真空热处理、激光热处理等 金属材料热处理金属材料热处理 钢的特殊热处理 金属材料热处理金属材料热处理 固溶和时效处理 固溶与时效强化的基本原固溶与时效强化的基本原 理及步骤理及步骤 1）固溶和时效强化的必要条件： A）合金元素在固溶体（基 体）中的溶解度随温度的降低而 减少 B）与强化相（过饱和固溶 体分解时析出的相）的结构和特 性有关。 2）步骤：固溶处理淬火时 效 有色金属的热处理 金属材料热处理金属材料热处理 钢的热处理原理 亚共析钢的加热过程：亚共析钢的加热过程： 过共析钢的加热过程：过共析钢的加热过程： 金属材料热处理金属材料热处理 钢的热处理原理 2)马氏体的组织

25、形态 A、钢中马氏体有两种基本形态：板条马氏体和片状马氏体。wc在 0.2%以下时，基本上形成板条状马氏体（也称低碳马氏体），板条马氏 体内有高密度的位错缠结的亚结构，又称为位错马氏体。 B、当w c 0.6%时，奥氏体几乎只形成片状马氏体（针状马氏体）。 片状马氏体内部的亚结构主要是孪晶。因此，片状马氏体又称为孪晶马 氏体。 C、wc在0.2%0.6%之间的奥氏体则形成上述两种马氏体的混合组 织，含碳量越高，条状马氏体量越少而片状马氏体量越多。 共析钢的连续冷却转变（CCT曲线） 1）连续冷却转变曲线。位于C曲线的右下侧，且没有C曲线的下部分，故 得不到B组织。 2）不同冷却速率下的组织。Vk：临界冷却速度获得全部M组织的最小冷 却速度。 金属材料热处理金属材料热处理 钢的热处理原理 钢的化学热处理钢的化学热处理 1）定义：化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或 几种元素原子渗入工件表面，以改变钢件表层化学成分和组织，进而达到改进表面性 能，满足技术要求的热处理工艺