第6章 钢的热处理

1、本章学习要求本章学习要求: : 理解钢在加热、冷却时的组织变化过程；理解钢在加热、冷却时的组织变化过程； 了解各种热处理的方式、目的以及应用；了解各种热处理的方式、目的以及应用； 重点掌握普通热处理（退火、正火、淬火、回火）重点掌握普通热处理（退火、正火、淬火、回火）的基本工艺方法、目的和应用。的基本工艺方法、目的和应用。热处理的发展历史v 战国时青铜器具的热处理工艺已达相当高水平：如战国时青铜器具的热处理工艺已达相当高水平：如越王勾践的青铜宝剑。越王勾践的青铜宝剑。v 辽阳出土的西汉钢剑，经金相检测，发现其内部组辽阳出土的西汉钢剑，经金相检测，发现其内部组织完全符合现在的淬火马氏体组织。织完

2、全符合现在的淬火马氏体组织。金属材料进行热处理的前提？金属材料须具有固态相变的特性。以钢铁为例。金属材料须具有固态相变的特性。以钢铁为例。热处理的主要目的充分发挥金属材料的潜力，提高其力学性能，改善充分发挥金属材料的潜力，提高其力学性能，改善其工艺性能。其工艺性能。1.热处理的在机械制造业中的重要地位工业用钢是主要的金属材料，占据工程材料的主导地位。钢的热处理钢的热处理：定义：将钢在固态固态下以适当方式进行加热、保温加热、保温和冷却冷却，以获得所需组织和性能的工艺过程。热处理分类热处理分类第一节第一节 钢的热处理基础钢的热处理基础一、概述一、概述 碳钢的平衡相变点碳钢的平衡相变点A1A1、A3

3、A3、AcmAcm 碳钢在加热时的临界温度为碳钢在加热时的临界温度为Ac1Ac1、Ac3Ac3、AccmAccm 碳钢在冷却时的临界温度为碳钢在冷却时的临界温度为Ar1Ar1、Ar3Ar3、ArcmArcm 加热加热是热处理工艺的首要步骤。多数情况下将是热处理工艺的首要步骤。多数情况下将钢加热到临界温度以上，使原有的组织转变成奥氏钢加热到临界温度以上，使原有的组织转变成奥氏体以后，再以不同的冷却方式或速度转变成所需要体以后，再以不同的冷却方式或速度转变成所需要的组织，以获得预期的性能。的组织，以获得预期的性能。奥氏体的形成是通过奥氏体的形成是通过形核形核和和晶核的长大晶核的长大实现的。实现的。

4、二、奥氏体的形成过程二、奥氏体的形成过程 共析钢共析钢科技开发研究中心2.3.1 钢的加热转变钢的加热转变2、亚共析钢和过共析钢的奥氏体化、亚共析钢和过共析钢的奥氏体化与共析钢有相似之处外，还有先共析的与共析钢有相似之处外，还有先共析的F F和渗碳体的转变和渗碳体的转变钢的奥氏体化的钢的奥氏体化的主要目的：主要目的：获得晶粒细小，成分均匀的获得晶粒细小，成分均匀的A A组织。组织。3、A晶粒度及其影响因素晶粒度及其影响因素A A晶粒的大小对冷却转变后钢的性能有很大影响。晶粒的大小对冷却转变后钢的性能有很大影响。A A晶粒的大小是评定热处理加热质量的主要指标之一。晶粒的大小是评定热处理加热质量的

5、主要指标之一。 （1 1）晶粒度：表示晶粒大小的尺度。）晶粒度：表示晶粒大小的尺度。（2 2）A A晶粒度的种类晶粒度的种类1 1、起始晶粒度起始晶粒度：P P刚刚全部转变为刚刚全部转变为A A时的晶粒度。一般细小而时的晶粒度。一般细小而均匀。均匀。2 2、实际晶粒度实际晶粒度：钢在实际加热或具体热处理条件下获得的：钢在实际加热或具体热处理条件下获得的A A晶晶粒度的大小。一般比起始晶粒度大，其直接影响热处理后性粒度的大小。一般比起始晶粒度大，其直接影响热处理后性能。能。3 3、本质晶粒度本质晶粒度：某种钢在规定加热条件下，：某种钢在规定加热条件下，A A长大的倾向，并长大的倾向，并不是晶粒大

6、小的实际度量。不是晶粒大小的实际度量。（3 3）影响）影响A A晶粒度的因素晶粒度的因素A A的形成是通过的形成是通过形核形核和和长大长大过程实现的过程实现的v合理地选择加热速度、加热温度和保温时间合理地选择加热速度、加热温度和保温时间v成分（加入一些形成碳化物的合金元素）成分（加入一些形成碳化物的合金元素）1.1.合理选择原始组织合理选择原始组织 冷却冷却是热处理更重要的工序。是热处理更重要的工序。 一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程 处于临界点处于临界点A1以下的奥氏体称以下的奥氏体称过冷奥氏体过冷奥氏体。过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变

7、。随过冷度不同，过冷是非稳定组织，迟早要发生转变。随过冷度不同，过冷奥氏体将发生奥氏体将发生珠光体（珠光体（P）转变转变、贝氏体（贝氏体（B）转变转变和和马马氏体（氏体（M）转变转变三种类型转变。三种类型转变。6.2 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变科技开发研究中心 6.2 6.2 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变6.2.1 6.2.1 过冷奥氏体及其转变过冷奥氏体及其转变 1. 1.连续冷却转变连续冷却转变使加热到奥氏体化的钢使加热到奥氏体化的钢连续降温连续降温进进行组织转变。行组织转变。 2. 2.等温冷却转变等温冷却转变使加热到奥氏体使加热到奥氏体化的钢以较快的冷却化的钢

8、以较快的冷却速度冷到速度冷到A A1 1以下某温以下某温度度保温保温，在等温下发，在等温下发生组织转变。生组织转变。 TTT曲线 ( C 曲线 )T - timeT - temperatureT - transformation一、共析钢一、共析钢TTTTTT曲线的建立曲线的建立时间时间温度温度组织组织转变转变关系关系曲线曲线 ，简称，简称“T T T ”线。线。按温度划分三个区按温度划分三个区：高温区：高温区：A1550 珠光体型转变珠光体型转变（P） 中温区：中温区：550Ms 贝氏体型转变贝氏体型转变（B）低温区：低温区：Ms（230）以）以下下 马氏体型转变马氏体型转变（M）二、过冷奥

9、氏体等温转变的产物的组织和性能二、过冷奥氏体等温转变的产物的组织和性能 珠光体型转变珠光体型转变FeFe、C C的的扩散性扩散性相变相变( A( A1 1550 ) ;550 ) ; A1650 : P ; 650600 : 细片状细片状P索氏体索氏体(S); 600550 : 极细片状极细片状P托氏体托氏体(T); 珠光体珠光体索氏体索氏体托氏体托氏体2. 2.贝氏体型转变贝氏体型转变半扩散半扩散相变相变( 550( 550230 ) 230 ) 中中温转变温转变550550350350形成形成上贝氏体上贝氏体，组织为，组织为过饱和片状过饱和片状F F渗碳体，呈羽毛状，性脆无实用价值渗碳体，

10、呈羽毛状，性脆无实用价值 。350350230230形成形成下贝氏体下贝氏体，组织为，组织为过饱和针状过饱和针状F F弥散弥散碳化物，呈针片状，碳化物，呈针片状，综合性能好综合性能好。上贝氏体上贝氏体下贝氏体下贝氏体过饱和过饱和片状片状F渗碳体渗碳体过饱和过饱和针状针状F弥散弥散碳化物碳化物 马氏体转变马氏体转变非扩散非扩散相变相变，Ms以下以下, AM 转变特点转变特点: 在一个温度范围内连续冷却完成在一个温度范围内连续冷却完成; 转变速度极快转变速度极快,即瞬间形核与长大即瞬间形核与长大; 无扩散转变无扩散转变( Fe、C原子均不扩散原子均不扩散 ), M与原与原A的成的成分相同。分相同。

11、奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响 过冷奥氏体转变产物（共析钢） 科技开发研究中心转变转变类型类型转变转变产物产物形成温度，形成温度， 转变转变机制机制显微组织特征显微组织特征HRC获得获得工艺工艺珠珠光光体体PA1650扩扩散散型型粗片状，粗片状，F、Fe3C相间分布相间分布5-20退火退火S650600细片状，细片状，F、Fe3C相间分布相间分布20-30正火正火T600550极细片状，极细片状，F、Fe3C相间分布相间分布30-40等温等温处理处理贝贝氏氏体体B上上550350半扩半扩散型散型羽毛状，短棒状羽毛状，短棒状Fe3C分布于分布于过饱和过饱和F

12、条之间条之间40-50等温等温处理处理B下下350MS竹叶状，细片状竹叶状，细片状Fe3C分布于分布于过饱和过饱和F针上针上50-60等温等温淬火淬火马马氏氏体体M针针MSMf无扩无扩散型散型针状针状60-65淬火淬火M*板条板条MSMf板条状板条状50淬火淬火2.3.2钢的冷却转变钢的冷却转变三三. .过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变 建立连续冷却转变图，转变图分析建立连续冷却转变图，转变图分析 上临界冷却速度上临界冷却速度 下临界冷却速度下临界冷却速度6.3 钢的普通热处理钢的普通热处理 一般零件生产的工艺路线一般零件生产的工艺路线:一、退火一、退火概念概念：将工件加热到适

13、当温度，保温一定时：将工件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却间，然后缓慢冷却（炉冷）（炉冷）的热处理工艺，的热处理工艺，称称退火退火。分：分：完全退火完全退火、等温退火、等温退火、球化退火球化退火、去去应力退化应力退化、再结晶退火等。、再结晶退火等。1、完全退火、完全退火（1）概念：概念：将工件加热到将工件加热到A AC C3 3+30-50+30-50完全奥氏完全奥氏体化体化，随之缓慢冷却，获得接近平衡组织（，随之缓慢冷却，获得接近平衡组织（P+FP+F）的退火工艺。的退火工艺。AA3Ac3完全退火完全退火P+FP+F（2）目的）目的：细化晶粒，细化晶粒，提高性能；消除应力，提高性能

14、；消除应力，防止变形；降低硬度。防止变形；降低硬度。提高切削加工性提高切削加工性。（3）应用）应用：亚共析钢亚共析钢；铸件；锻件；焊接件。铸件；锻件；焊接件。2、球化退火（、球化退火（教学录像教学录像）（1）概念）概念：将钢中渗碳体球状化的退火工艺：将钢中渗碳体球状化的退火工艺。A+Fe3CP+Fe3CAAc130-50完全退火完全退火球化退火球化退火加热温度加热温度Ac1+10-20 （2）目的）目的：HB，切削加工性切削加工性（195HBS左右）；左右）；为淬火做准备。为淬火做准备。（3）应用应用：过共析过共析钢钢，模具钢，合金工，模具钢，合金工具钢具钢。500600A+Fe3CP+Fe3

15、CAAc13050完全退火完全退火球化退火球化退火3、去应力退火、去应力退火（1）概念）概念：将工件加热到：将工件加热到500600左右，保留一左右，保留一段时间，然后随炉冷到段时间，然后随炉冷到200300，再，再空冷空冷的方法。的方法。去应力去应力 退火退火500600（2）目的）目的：去除内应力，稳定尺寸，减少变形：去除内应力，稳定尺寸，减少变形。（3）应用）应用：铸件，锻造件，焊接件，切削加工件。：铸件，锻造件，焊接件，切削加工件。二、二、正火正火AF+AA+Fe3CP+Fe3CSFPG1、概念、概念：将工件加热到：将工件加热到奥氏体化奥氏体化状态，然后在状态，然后在空空气气中冷却的热

16、处理工艺。中冷却的热处理工艺。2、加热温度、加热温度：Ac3或或 Accm+30-50正火正火AccmAc330-503、目的、目的：细化晶粒，调整：细化晶粒，调整硬度，消除网状硬度，消除网状Fe3C。4、应用、应用：碳钢件。：碳钢件。正火比退火冷却速度大。正火比退火冷却速度大。三、退火与正火的选择三、退火与正火的选择1. 使用性能使用性能：工件要求不高，用：工件要求不高，用正火正火；形状复杂、大；形状复杂、大件用件用退火退火。2. 可加工性可加工性：低碳钢用：低碳钢用正火正火，中碳钢用，中碳钢用退火或正火退火或正火，高碳钢用高碳钢用球化退火球化退火。3. 经济性经济性：正火：正火经济；退火经

17、济；退火工艺繁杂。工艺繁杂。四、四、 钢的淬火（钢的淬火（教学录像教学录像）一、淬火一、淬火1、概念、概念将工件加热到奥氏体化后以适当的方式冷却获将工件加热到奥氏体化后以适当的方式冷却获得得组织的热处理工艺。组织的热处理工艺。2、目的、目的：提高硬度，高弹性和耐磨性：提高硬度，高弹性和耐磨性。3、加热温度、加热温度亚共析钢：亚共析钢：AC3+ 30 - 50过共析钢：过共析钢：AC1+ 30 - 50AA+Fe3C M+A少少M+Fe3C+ A很少很少4、保温时间：、保温时间：太短太短奥氏体化不均奥氏体化不均匀，出现软点匀，出现软点；太长太长钢件表面出现钢件表面出现氧化、脱碳、晶粒粗大。氧化、

18、脱碳、晶粒粗大。5、淬火冷却介质、淬火冷却介质水：水：较快，易变形开裂。较快，易变形开裂。油油：较慢，减少变形，如较慢，减少变形，如10#、20#机油。机油。食盐水食盐水：冷却能力提高，加：冷却能力提高，加10%NaCI。网带式淬火炉网带式淬火炉M量和硬度随量和硬度随深度的变化深度的变化l淬透性淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。l淬硬层深度淬硬层深度是指由是指由工件表面到半马氏工件表面到半马氏体区体区(50%M + 50%P)的深度。的深度。l淬硬性淬硬性是指钢淬火是指钢淬火

19、后所能达到的最高后所能达到的最高硬度，即硬化能力硬度，即硬化能力.l1、淬透性的测定常用、淬透性的测定常用末端淬火法末端淬火法l不同冷却条件下的转变产物不同冷却条件下的转变产物等温退火等温退火P退火退火(炉冷炉冷)正火正火(空冷空冷)S(油冷油冷)T+M+AM+A淬火淬火(水冷水冷)A1MSMf时间时间温度温度淬火淬火PP均匀均匀A细细Al回火回火是指将淬火钢加热是指将淬火钢加热到到A1以下的某温度保温以下的某温度保温后冷却的工艺。后冷却的工艺。l回火的目的：回火的目的：l1、减少或消除淬火内、减少或消除淬火内应力。应力。l2、改善稳定组织。、改善稳定组织。l3、获得所需要的力学性能。、获得所

20、需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。性大，回火可调整硬度、韧性。螺杆表面的螺杆表面的淬火裂纹淬火裂纹3、回火方法、回火方法 （组织转变、性能、应用）（组织转变、性能、应用）（1）低温回火低温回火 （150250）；获得组织获得组织 M回回：5865HRC；用于；用于 高碳钢、高碳钢、工具钢（刀具、量具、模具工具钢（刀具、量具、模具）、）、滚动轴承钢滚动轴承钢。（2）中温回火中温回火（350500）；回火后回火后 b、s 较高，内应力消除较高，内应力消除。回火组织：回火组织：T回回；用于弹簧钢制造的；用于弹簧钢制造的弹性件、锻模弹性件、锻模。（3）

21、高温回火高温回火 ( 500650)；回火组织：回火组织：S回回；特点是；特点是 综合力学性能好。综合力学性能好。应用广泛，汽车、拖拉机、机车，承受较大载荷应用广泛，汽车、拖拉机、机车，承受较大载荷的结构零件，如：的结构零件，如：轴轴、齿轮齿轮等。等。淬火淬火+高温回火称高温回火称调质处理调质处理，简称：，简称：调质调质。说明说明：回火组织与等温冷却转变组织的区别：回火组织与等温冷却转变组织的区别：S回回、T回回 是是粒状，而粒状，而 S、T 是片状；是片状；正火与调质硬度很接近，但结构正火与调质硬度很接近，但结构件一般经调质而不正火后用，因调质综合力学性能好。件一般经调质而不正火后用，因调质

22、综合力学性能好。6.5 钢的表面热处理钢的表面热处理 通过快速加热与立即淬火冷却相结合的方法来实现通过快速加热与立即淬火冷却相结合的方法来实现表硬表硬、心韧心韧表面淬火：通过快速加热使钢的表层奥氏体化，然表面淬火：通过快速加热使钢的表层奥氏体化，然后急冷，使表层形成马氏体组织，而心部仍保持不后急冷，使表层形成马氏体组织，而心部仍保持不变。因此表面淬火是一种变。因此表面淬火是一种不改变钢表层化学成分不改变钢表层化学成分，但但改变表层组织改变表层组织的局部热处理工艺。的局部热处理工艺。化学热处理：将零件置于一定的化学介质中化学热处理：将零件置于一定的化学介质中 ，通过，通过加热、保温，使介质中一种或几种元素原子渗入工加热、保温，使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层，以件表层，以改变钢表层的化学成分和组织的改变钢表层的化学成分和组织的热处理热处理工艺。工艺。 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火一、表面淬火一、表面淬火感应加热表面淬