第六章钢铁热处理

1、钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢的热处理工艺钢的热处理工艺退火、正退火、正 火火、淬火、回火淬火、回火钢钢的表面热处理及化学热处理的表面热处理及化学热处理一、一、什么叫热处理什么叫热处理 将固态金属或合金通过将固态金属或合金通过加热加热、保温保温和和冷却冷却的方式来改变其的方式来改变其组织结构以获得预期的性能的加工工艺。组织结构以获得预期的性能的加工工艺。普通热处理：普通热处理： 退火、正火、淬火、回火；退火、正火、淬火、回火；表面热处理：表面热处理：表面淬火、化学热处理；表面淬火、化学热处理； 特殊热处理：特殊热处理：真空热处理、可控气氛真空

2、热处理、可控气氛 热处理热处理热处理目的热处理目的：改善性能：改善性能 。（工业上热处理（工业上热处理应用率达到应用率达到60100）热处理特点热处理特点：固态固态相变相变一、转变温度一、转变温度 固态相变同样需要固态相变同样需要一定的过冷一定的过冷度度（降温）（降温）或过热或过热度（升温）度（升温），因此，因此，加加热转变实际发生温度在平衡临界点之上，热转变实际发生温度在平衡临界点之上，而冷却转变的实际发生温度在平衡临界而冷却转变的实际发生温度在平衡临界点之下点之下。 Ac Ac1 1、AcAc3 3、AcAccmcm为为升温升温引起的奥氏引起的奥氏体化温度上移线体化温度上移线 ArAr1

3、1、ArAr3 3和和ArArcmcm则为则为降温降温时奥氏体分时奥氏体分解温度的下移线解温度的下移线 A1、A3、Acm、为平衡条件下合金获、为平衡条件下合金获得奥氏体的温度线。得奥氏体的温度线。为了对钢进行热处理，必须首先将钢加热到单相为了对钢进行热处理，必须首先将钢加热到单相A A区，然后进行适当的冷区，然后进行适当的冷却以获得特定的结构和性能。却以获得特定的结构和性能。A根据根据 Fe - Fe3C 相图，钢在加热时发生向奥相图，钢在加热时发生向奥氏体的转变，此转变过程称氏体的转变，此转变过程称奥氏体化。奥氏体化。 共析钢：共析钢： P A 亚共析钢：亚共析钢：P + F A + F

4、A 过共析钢：过共析钢：P + Fe3C A+ Fe3C A 热处理时应进行适当时间的保温。保温的目热处理时应进行适当时间的保温。保温的目的是使工件各部分温度一致，组织转变充分的是使工件各部分温度一致，组织转变充分均匀。均匀。 LFe3C930 C 以共析钢以共析钢(Wc(Wc0.77%)0.77%)为例，共析钢在室温下的组织为层片珠光体，在加热为例，共析钢在室温下的组织为层片珠光体，在加热到到Ac1Ac1以上，其将转变为以上，其将转变为A，这一过程称为，这一过程称为奥氏体化奥氏体化，这一过程是，这一过程是形核形核与与长大长大过程过程 。1.1. 在铁素体和渗碳体的在铁素体和渗碳体的交界处交界

5、处形成奥氏体的核心形成奥氏体的核心；2.2. 奥氏体同时消耗奥氏体同时消耗两相来长大两相来长大；F F晶格转变（晶格转变（BCCBCCFCCFCC），渗，渗C C体溶解；体溶解；3.3. 随后随后残余渗碳体的溶解残余渗碳体的溶解；4.4. 奥氏体的均匀化奥氏体的均匀化，各处的碳浓度都达到平均成分各处的碳浓度都达到平均成分。两个过程：晶格变化；两个过程：晶格变化；C的扩散的扩散1.1.奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度1)1) 实际晶粒度实际晶粒度 指在指在某一具体热处理条件下某一具体热处理条件下（如加热温度、保温时间）（如加热温度、保温时间）所得到的晶粒大小。它决定于钢的成分和奥氏体化的工艺过程。所得到

6、的晶粒大小。它决定于钢的成分和奥氏体化的工艺过程。2)2) 本质晶粒度本质晶粒度 不同的钢在同样的加热条件下，奥氏体的长大倾向性不不同的钢在同样的加热条件下，奥氏体的长大倾向性不一样，为比较不同钢的晶粒长大倾向，将不同的钢加热到一样，为比较不同钢的晶粒长大倾向，将不同的钢加热到9309301010，保温保温8 8小时小时得到的实际晶粒度作为该钢的本质晶粒度。得到的实际晶粒度作为该钢的本质晶粒度。本质晶粒度是一本质晶粒度是一材料特性，表示的是钢在奥氏体化时奥氏体晶粒的长大倾向材料特性，表示的是钢在奥氏体化时奥氏体晶粒的长大倾向。 晶粒易长大的称本质粗晶粒钢，晶粒易长大的称本质粗晶粒钢， 晶粒不易

7、长大的称本质细晶粒钢。晶粒不易长大的称本质细晶粒钢。奥氏体的晶粒大小对热处奥氏体的晶粒大小对热处理后的性能影响巨大理后的性能影响巨大2. 2. 奥氏体实际晶粒度的影响因素奥氏体实际晶粒度的影响因素1)1) 加热速度加热速度 加热加热速度速度愈愈快快，完成奥氏体转变，完成奥氏体转变用时间用时间就愈短，就愈短，形核率形核率就愈就愈高高，最终晶粒尺寸较细小。，最终晶粒尺寸较细小。 2)2) 保温保温温度温度、保温时间保温时间 温度温度愈高，时间愈长，愈高，时间愈长，奥氏体晶粒奥氏体晶粒就愈就愈粗粗大。大。3)3) 原始组织原始组织 固相转变固相转变具有具有组织的组织的遗传性遗传性。珠光体片珠光体片层

8、愈层愈细细小，奥氏体的晶粒小，奥氏体的晶粒就愈就愈细小。细小。 4)4) 合金元素合金元素( (成分成分) ) 碳含量：碳含量：C C增加，增加，A A转变加快，晶粒的长大倾向增加；转变加快，晶粒的长大倾向增加； 合金元素合金元素：碳化物形成元素：碳化物形成元素(Ti(Ti、V V、TaTa、NbNb、ZrZr、W W、MoMo、Cr)Cr)和碳结合力强，阻碍碳的扩散和碳结合力强，阻碍碳的扩散和和奥氏体晶粒生长；奥氏体晶粒生长；等温冷却：等温冷却：将钢将钢迅速迅速过冷到临界点过冷到临界点(A(Ar1r1) )以下某一温度，使以下某一温度，使奥氏体保持在该温度下进行等温转变奥氏体保持在该温度下进

9、行等温转变 TTTTTT曲线曲线（TemperatureTemperatureTimeTimeTransformationTransformation）：）：在某一温度下在某一温度下A A转变量与时间的关系的曲线。转变量与时间的关系的曲线。连续冷却连续冷却：将钢以某一固定速度不停顿地冷却将钢以某一固定速度不停顿地冷却( (到室温到室温) )，使奥氏体在连续降温的过程中转变。使奥氏体在连续降温的过程中转变。 CCT CCT 曲线曲线（Continuous Cooling TransformationContinuous Cooling Transformation）：）：在连续冷却过程中，在连续

10、冷却过程中，A A转变量与时间的关系曲线。转变量与时间的关系曲线。一、冷却方式（两种方式）一、冷却方式（两种方式）：将钢加热到将钢加热到A区后，要通过冷却获得不同的组织结构区后，要通过冷却获得不同的组织结构不同性不同性能能不同用途不同用途 TTT曲线曲线CCT曲线曲线 过冷奥氏体过冷奥氏体等温等温转变图转变图，也称，也称 TTTTTT曲线，或曲线，或C C曲线。曲线。它综合反映了过冷奥氏它综合反映了过冷奥氏体在不同温度下等温转变的体在不同温度下等温转变的开始开始和和终了终了时时间及转变产物之间的关系。间及转变产物之间的关系。 钢在奥氏体化后，当温度降低钢在奥氏体化后，当温度降低到到ArAr1

11、1以下，此时奥氏体并不立即以下，此时奥氏体并不立即转变，要经历一段时间后，才开始转变，要经历一段时间后，才开始转变。转变。把这种存在于把这种存在于ArAr1 1温度以下温度以下暂未发生转变的不稳定奥氏体称为暂未发生转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体过冷奥氏体。A1、过冷奥氏体：、过冷奥氏体：TTT TTT 曲线（曲线（C C曲线）曲线）的建立的建立1 1）将共析钢加热奥氏体化（）将共析钢加热奥氏体化（A A），在），在Ar1Ar1温度以下选择一系列等温时间；温度以下选择一系列等温时间；2 2）将）将A A化的共析钢快冷到不同温度下保化的共析钢快冷到不同温度下保温，记录在各温度下的转变量与保温时温

12、，记录在各温度下的转变量与保温时间的关系间的关系转变动力学曲线转变动力学曲线，3 3）确定在不同温度下转变开始的时间）确定在不同温度下转变开始的时间 a a1 1， a a2 2, a, a3 3, , 和转变终了的时间和转变终了的时间b b1 1 b b2 2, , b b3 3，( (时间时间 a a1, 1, a a2 2, , 称为转变的称为转变的孕育孕育期期, ,在不同的温度下具有不同的孕育期）在不同的温度下具有不同的孕育期）4 4）将转变）将转变开始点开始点和转变和转变终了点终了点分别连分别连接起来接起来，即得到，即得到 TTT TTT 曲线，如右图所曲线，如右图所示。应形状示。应

13、形状“C”C”， 所以，也称为所以，也称为 C C曲曲线。线。 AP时间时间C C曲线曲线的特征的特征 （右下图为共析钢的（右下图为共析钢的C C曲线）曲线）（1） 在在Ar1Ar1线温度以上，线温度以上，奥氏体奥氏体稳定，不稳定，不会发生转变。会发生转变。（2 2）在）在Ar1Ar1线以下，线以下，C C曲线以左区域为过冷曲线以左区域为过冷A区，转变终了线以右的区域为转变产物区，转变终了线以右的区域为转变产物区，两条线之间为转变过渡区。区，两条线之间为转变过渡区。（3）不同温度等温对应的孕育期不同，在）不同温度等温对应的孕育期不同，在C C曲线曲线“鼻尖鼻尖”处的孕育期最短处的孕育期最短，鼻

14、尖以上，鼻尖以上（Ar1Ar1以下），随温度以下），随温度孕育期孕育期，因为，因为形核驱动力大，但在鼻尖以下，随温度形核驱动力大，但在鼻尖以下，随温度孕育期孕育期这是因为尽管驱动力大，但这是因为尽管驱动力大，但原子扩原子扩散缓慢散缓慢（受温度影响受温度影响）。）。A+MAr1 A转变同时受转变同时受原子扩散原子扩散（正比于（正比于温度）和转变驱动力（正比于过温度）和转变驱动力（正比于过冷度）的共同影响。冷度）的共同影响。A+MAr1（4）当冷速很快，绕过）当冷速很快，绕过C曲线的鼻尖，奥氏体快速曲线的鼻尖，奥氏体快速冷却到冷却到 Ms以下，则发生马以下，则发生马氏体转变，氏体转变，Ms为马氏体

15、转为马氏体转变开始线，变开始线，Mf为马氏体转为马氏体转变终了线，两线之间为变终了线，两线之间为奥奥氏体马氏体氏体马氏体两相混合区。两相混合区。1 1. .珠光体型转变区珠光体型转变区温度：温度：Ar1550 产物（相）产物（相）：FFe3C 机械混合物机械混合物形貌形貌：片层结构，：片层结构，Fe3C片层分布在片层分布在 鉄素体鉄素体基体上，类似于共析基体上，类似于共析 钢的组织钢的组织。随着随着转变温度的转变温度的 降低，片间距愈细降低，片间距愈细。依据依据F/Fe3C的片层大小，分为的片层大小，分为： 珠光体（粗）珠光体（粗） 索氏体（细）索氏体（细） 屈屈氏体（托氏体）（很细）氏体（托

16、氏体）（很细） 三类组织转变区三类组织转变区 珠光体型转变区珠光体型转变区 贝氏体型转变区贝氏体型转变区 马氏体型转变区马氏体型转变区. .共析钢共析钢珠光体型转变区珠光体型转变区 性能性能：不同类型的珠光体由于层片间距不同，力学性能在一个较不同类型的珠光体由于层片间距不同，力学性能在一个较大范围内变化，大范围内变化，总体趋势是随着片间距的减小，材料的强度和硬总体趋势是随着片间距的减小，材料的强度和硬度度增高。增高。转变特点：转变特点：AP转变过程是经过转变过程是经过Fe、C充分扩散形成充分扩散形成F和和Fe3C1 1、转变特点转变特点 当转变温度在当转变温度在C C曲线的曲线的“鼻尖鼻尖”以

17、下（以下（500500以下），相变的驱动力以下），相变的驱动力较大较大（热力学）（热力学），但温度较低，原子，但温度较低，原子扩散减慢扩散减慢（动力学）（动力学）。这时，相变仅。这时，相变仅依靠小原子碳的扩散进行（依靠小原子碳的扩散进行（FeFe不扩不扩散），扩散发生在小范围内，所以将散），扩散发生在小范围内，所以将发生混合型相变发生混合型相变（半扩散）（半扩散），即，即贝氏贝氏体体(Bainite)(Bainite)转变。转变。 根据转变温度的高低，贝氏体转变又分为：根据转变温度的高低，贝氏体转变又分为： 上贝氏体转变上贝氏体转变 （ “鼻尖鼻尖”到到350350） 下贝氏体转变下贝氏体转变

18、 （350350到到 M MS S 点点) )上贝氏体转变上贝氏体转变下贝氏体转变下贝氏体转变 过冷过冷A转变为转变为Fe3C与含过饱和与含过饱和C的的 铁素体的机械混合物铁素体的机械混合物贝氏体贝氏体B上上：在在A晶界上首先析出晶界上首先析出F，周围富，周围富 C区形成区形成 Fe3C， 呈呈羽毛状羽毛状B下下：首先在首先在A晶界上形成晶界上形成F，沿一定，沿一定 晶面呈竹叶状生长，碳化物在晶面呈竹叶状生长，碳化物在F晶内晶内析出，呈（或析出，呈（或凸镜状凸镜状）。 名名 称称 符符 号号 形形 成成 温温 度度 形形 貌貌 性性 能能 上贝氏体上贝氏体 B上上 550 350 羽毛状羽毛状

19、 HRC4050, 韧性差韧性差 下贝氏体下贝氏体 B下下 350 Ms 竹叶状竹叶状 HRC5055, 韧性好韧性好 B下下具有优良的综合力学性能，生产实践中应用于要求高具有优良的综合力学性能，生产实践中应用于要求高 强韧性的工件（如模具等）。强韧性的工件（如模具等）。A晶界晶界350 C以上以上350 C以下以下B下下生长生长上贝氏体上贝氏体显微组织实例显微组织实例性能特点：性能特点：通常通常上贝氏体中的上贝氏体中的Fe3CFe3C粗大，粗大，较脆，且较脆，且韧性低，工业韧性低，工业生产中生产中的的机械零件机械零件应避免获得应避免获得这种组织。这种组织。 下下贝氏体贝氏体显微组织实例显微组

20、织实例性能特点：性能特点：下贝氏体有较高的强度和硬度，还有较好的韧性，即下贝氏体有较高的强度和硬度，还有较好的韧性，即有有较好较好的的综合力学性能综合力学性能。在生产实际中这是一。在生产实际中这是一种种常用的状态。常用的状态。 1 1形成形成奥氏体急冷至奥氏体急冷至Ms（约（约230）线）线以下，过冷度极大，相变驱动力以下，过冷度极大，相变驱动力极大，奥氏体极快地由极大，奥氏体极快地由 fcc 变成变成 bcc（），碳原子来不及扩碳原子来不及扩散，形成散，形成碳在碳在 Fe中的过饱和中的过饱和间隙固溶体，即马氏体。间隙固溶体，即马氏体。马氏体转变是非扩散型转变马氏体转变是非扩散型转变马氏体转变

21、的临界冷却速度马氏体转变的临界冷却速度2 2转变转变特点特点1)1) 速度非常快速度非常快 形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大 ，一般认为是以声，一般认为是以声速发展。速发展。（驱动力很大）（驱动力很大）2)无扩散型转变无扩散型转变 FeFe、C C均不扩散，马氏体和奥氏体成分相同均不扩散，马氏体和奥氏体成分相同。3)体积膨胀体积膨胀 马氏体转变会引起体积急剧膨胀马氏体转变会引起体积急剧膨胀 （C的过饱和固溶体的过饱和固溶体）4） 需连续冷却需连续冷却：若在：若在MsMf之间等温，之间等温，M转变停止，不同于转变停止，不同于AP、B的转的转变变4)转变不完全转变不

22、完全 存在残余奥氏体（简记为存在残余奥氏体（简记为A残残），），C含量越高，过冷奥氏体含量越高，过冷奥氏体越稳定，其越稳定，其Ms、Mf 点亦越低，残余奥氏体量也愈多。点亦越低，残余奥氏体量也愈多。3 3马氏体的形态马氏体的形态 决定于奥氏体的含碳量：决定于奥氏体的含碳量： C 1.0 wt%： 形成针状马氏体形成针状马氏体 M针针； C 0.2 wt%: 形成板条状马氏体形成板条状马氏体 M板条板条； 0.2wt%C1.0wt%: 形成混合马氏体形成混合马氏体。板条板条马氏体的马氏体的形态（低形态（低C C马氏体）马氏体）马氏体内有大量位错，马氏体内有大量位错， 也称为也称为“位错马氏体位错

23、马氏体”性能：性能：具有具有较高的强度和韧性较高的强度和韧性，即良好的综合力学性能。如，即良好的综合力学性能。如0.2%C0.2%C钢淬火后，钢淬火后，HRC50HRC50、 b b1500MPa1500MPa、 a ak k150150180J/cm180J/cm2 2。一个一个A晶粒内可形成几晶粒内可形成几个不同位向的个不同位向的M群群片状片状马氏体的马氏体的形态（高形态（高C C马氏体）马氏体）不管是板条马氏体还是片状马氏体，都具有相当高的硬度不管是板条马氏体还是片状马氏体，都具有相当高的硬度 （HRC50），其），其原因是：原因是：C在在F中的过饱和固溶中的过饱和固溶晶格畸变晶格畸变固

24、溶强化固溶强化高硬度。高硬度。马氏体高硬度的原因：马氏体高硬度的原因：在一个原奥氏体晶粒中，在一个原奥氏体晶粒中，首先形成一个贯穿整个首先形成一个贯穿整个晶粒的马氏体片，以后晶粒的马氏体片，以后形成的马氏体片存在于形成的马氏体片存在于马氏体和奥氏体之间或马氏体和奥氏体之间或马氏体片之间。最后的马氏体片之间。最后的三角区为残余奥氏体。三角区为残余奥氏体。马氏体中有大量挛晶，马氏体中有大量挛晶，也称也称“挛晶马氏体挛晶马氏体”性能：性能：片状马氏体具有高的硬度和强度片状马氏体具有高的硬度和强度 （ HRC 60HRC 60），）， 但塑性和韧性很低（但塑性和韧性很低（ a ak k 1J/cm1J

25、/cm2 2）M生长生长1 1C C含量的影响含量的影响 亚共析钢亚共析钢： 随着随着含碳量的增加含碳量的增加，C C曲线曲线右移右移，即转变的孕育期和转变时间，即转变的孕育期和转变时间都加长都加长。原因原因： C C使奥氏体更稳定。使奥氏体更稳定。过共析钢过共析钢： 随着含碳量的增加，随着含碳量的增加，C C曲线左移，即转变的孕育期和转变时间曲线左移，即转变的孕育期和转变时间 都减少都减少。原因原因： 过共析钢过共析钢先析出的碳化物先析出的碳化物会促使奥氏体的分解会促使奥氏体的分解。C曲线是指导钢的热处理工艺的依据，因此了解影响曲线是指导钢的热处理工艺的依据，因此了解影响C曲线的因素至关重要

26、曲线的因素至关重要 2 2加热温度和保温时间加热温度和保温时间 TT，t Fet Fe3 3C C溶解充分，晶粒粗大（溶解充分，晶粒粗大（晶界减小晶界减小）AA稳定稳定 C C曲线右移。曲线右移。 3 3合金元素的影响合金元素的影响 除除CoCo以外，几乎所有元素都会使以外，几乎所有元素都会使C C曲线右移曲线右移。原因：原因： 因为大部分因为大部分合金元素能合金元素能提高奥氏体的稳定性提高奥氏体的稳定性, ,其中弱碳化物形成元其中弱碳化物形成元素比强碳化物形成元素更能稳定奥氏体素比强碳化物形成元素更能稳定奥氏体。此外，大量合金元素的加入，还。此外，大量合金元素的加入，还会改变会改变C C曲线

27、的形状（如出现双曲线的形状（如出现双C C曲线曲线对应多个相变对应多个相变）。）。 1. CCT(Continuous Cooling Transformation)1. CCT(Continuous Cooling Transformation)曲线曲线2.2.曲线的建立曲线的建立方法：方法：一般用一般用膨胀法膨胀法或或热分析法热分析法 将钢奥氏体化后，以不同的冷却速度将钢奥氏体化后，以不同的冷却速度冷却到室温，测量出奥氏体的开始转冷却到室温，测量出奥氏体的开始转变和转变结束的时间，标注变和转变结束的时间，标注在在温度温度时间坐标图中，时间坐标图中，分别用线连结开始点分别用线连结开始点和终了

28、点，和终了点，所得到的曲线就所得到的曲线就得到得到CCTCCT曲曲线。线。 右图为一碳钢对应的右图为一碳钢对应的CCTCCT曲线。曲线。PsPs线为开始转变线，线为开始转变线，P Pf f线为终止转变线为终止转变线线。3.3. 碳钢的碳钢的CCTCCT曲线曲线特点特点（1 1）CCTCCT曲线的相区和关键线、点曲线的相区和关键线、点 在在A1A1线以下，线以下，PsPs以左以左：为过冷奥氏体。：为过冷奥氏体。 P Pf f以右以右：为转变产物区（：为转变产物区（P型）型）； P Ps sP Pf f之间：之间：P 型型奥氏体奥氏体区区 kkkk为过冷为过冷奥氏体奥氏体向向珠光体（型）珠光体（型

29、）转变的终止线，转变的终止线， 在在KK以下区域，以下区域，A将终止向将终止向P转变，部分转变，部分 过冷过冷A将保持到将保持到Ms点，发生马氏体转变点，发生马氏体转变。 MsMs马氏体转变开始线，马氏体转变开始线，MfMf马氏体马氏体 转变终了线转变终了线 V Vk k：连续冷却条件下获得：连续冷却条件下获得“完全完全”马氏体的马氏体的 临界冷去速率（临界冷去速率（还有部分还有部分A残余残余）。）。 V Vk1k1：当冷速小于：当冷速小于V Vk1k1将获得全部将获得全部珠光体（型）。珠光体（型）。 V Vk k V Vk1k1之间之间：得到：得到 P P M M A残余残余混合物。混合物。

30、 TTTTTT图位于图位于CCTCCT图左上方，表明图左上方，表明连续冷却的孕育期大于等温转变的连续冷却的孕育期大于等温转变的孕育期孕育期。 由由TTTTTT图确定的马氏体转变的临图确定的马氏体转变的临界冷却速率大于由界冷却速率大于由CCTCCT图确定的速图确定的速率，率，即以即以TTTTTT临界冷速连续冷却时，临界冷速连续冷却时，可保证获得最多的马氏体。可保证获得最多的马氏体。 CCTCCT图只有类似于图只有类似于TTTTTT图的上半图的上半部分（没有下部分）。因此，连续部分（没有下部分）。因此，连续冷却时冷却时不可能得到贝氏体组织不可能得到贝氏体组织。一、一、退火退火定义：定义：将钢（材料

31、）将钢（材料）加热加热到适当的温度，到适当的温度，保保温温一定时间，然后一定时间，然后缓慢冷却缓慢冷却( (例如：例如：随炉冷随炉冷却却) )，以获得，以获得接近平衡状态组织接近平衡状态组织的热处理工的热处理工艺叫做艺叫做“退火退火”。作用：作用：消除残余内应力、改变组织的形态。消除残余内应力、改变组织的形态。 钢在加热到奥氏体区后，在钢在加热到奥氏体区后，在不同的温度等温不同的温度等温或以或以不同冷却速率连续冷却不同冷却速率连续冷却可以获得不同的组织，使产品具有不同的性能。实际工作中就是依据材可以获得不同的组织，使产品具有不同的性能。实际工作中就是依据材料使用时所需要的性能对材料进行不同工艺

32、的热处理，主要热处理工艺料使用时所需要的性能对材料进行不同工艺的热处理，主要热处理工艺有：有：退火、正火、淬火、回火。退火、正火、淬火、回火。退火类别：退火类别：完全退火完全退火 球化退火球化退火 去应力退火去应力退火 不同类型的退火选用不同的温度。不同类型的退火选用不同的温度。1 1完全退火（用于亚共析钢）完全退火（用于亚共析钢）方法方法：将亚共析钢将亚共析钢加热到加热到Ac3Ac3以上以上30503050，保温一定时间，缓，保温一定时间，缓慢冷却。慢冷却。目的：目的：通过重新结晶通过重新结晶细化晶粒细化晶粒，改善改善钢锭钢锭或坯料粗大，不均匀的原始组织，充或坯料粗大，不均匀的原始组织，充分

33、（分（1 1）消除内应力消除内应力，（，（2 2）降低硬度，降低硬度，（3 3）防止开裂。）防止开裂。组织组织：F + P（接近平衡组织）（接近平衡组织）用途：用途：用于亚共析钢在铸造、锻造和焊接用于亚共析钢在铸造、锻造和焊接后的后的预备热处理预备热处理 。 2 2球化退火球化退火 （适用于共析钢和过共析钢）（适用于共析钢和过共析钢）定义：定义：使某些高使某些高C C钢中的片状碳化物变成钢中的片状碳化物变成粒状（球化）的热处理工艺。粒状（球化）的热处理工艺。 方法：方法：将共析钢或过共析钢加热在将共析钢或过共析钢加热在A1A1以上以上30305050长时间长时间保温，使保温，使FeFe3 3C

34、 C球化。球化。然后极缓慢冷却，使然后极缓慢冷却，使A A发生珠光体转变。发生珠光体转变。组织：组织：铁素体的基体上均匀分布颗粒状的铁素体的基体上均匀分布颗粒状的渗碳体，称为渗碳体，称为球状珠光体球状珠光体。用途：用途：1 1）降低过共析钢材料的硬度）降低过共析钢材料的硬度， 保证足够的韧性，便于保证足够的韧性，便于进行进行 机械加工。机械加工。 2 2）均匀组织均匀组织，为以后淬火作好组，为以后淬火作好组 织准备。织准备。 3 3去应力退火去应力退火方法方法：将钢缓慢加热到：将钢缓慢加热到A1A1以下某一温度以下某一温度（如：（如：200200400 C)400 C)，保温后慢冷。，保温后慢

35、冷。 目的目的：完全消除残余内应力。：完全消除残余内应力。组织：组织：无相变发生，无组织明显变化。无相变发生，无组织明显变化。用途：用途：用于铸、锻、焊及冷变形件去用于铸、锻、焊及冷变形件去除应力。除应力。定义定义：将钢加热到：将钢加热到AC3（亚共析钢亚共析钢）或）或ACcm(过共析钢过共析钢)以上以上3050保温一段时间后，再保温一段时间后，再空冷空冷得到得到珠光体型珠光体型组织的工艺。组织的工艺。 注：注：合金钢合金钢在空气中连续冷却可能发生珠光体型、贝氏体型甚至马氏体型在空气中连续冷却可能发生珠光体型、贝氏体型甚至马氏体型相变，但正火一般是指空冷时发生珠光体型转变的热处理工艺。相变，但

36、正火一般是指空冷时发生珠光体型转变的热处理工艺。用途：用途：亚共析钢：在低、中碳钢中代替完全退亚共析钢：在低、中碳钢中代替完全退 火。（火。（消除缺陷和内应力消除缺陷和内应力 ，降低硬度，降低硬度， 均匀组织）。均匀组织）。 过共析钢：因空气冷却速度较快，先过共析钢：因空气冷却速度较快，先 析出相析出相 Fe3C 的量较少，不能连成网的量较少，不能连成网 状，故起到状，故起到消除网状组织的作用。消除网状组织的作用。组织：组织：亚共析钢亚共析钢 ：F(少量少量) + S(或或T) 共析钢：共析钢： S(或或T) 过共析钢：过共析钢：Fe3C (少量少量) + S(或或T)定义：定义：将钢加热到将

37、钢加热到A A后，以大于后，以大于V Vk k的速度快速冷至的速度快速冷至MsMs点以下以获得点以下以获得马氏体组马氏体组 织织的热处理工艺，叫作的热处理工艺，叫作“淬火淬火”。目的：目的：提高钢的提高钢的硬度和耐磨性硬度和耐磨性。 注注：马氏体不是热处理所要得到的最终组织马氏体不是热处理所要得到的最终组织，马氏体再经过适当的，马氏体再经过适当的 回火回火，可以得到需要的组织和使用性能。，可以得到需要的组织和使用性能。 淬火后获得的马氏体淬火后获得的马氏体淬火马氏体淬火马氏体 回火后获得的马氏体回火后获得的马氏体回火马氏体回火马氏体 加热温度和淬火组织加热温度和淬火组织亚共析钢：亚共析钢： A

38、c3 + 3050 保温时组织：保温时组织：A 淬火组织：淬火组织： M + A（少量）（少量）共析、过共析钢：共析、过共析钢： Ac1 + 3050 保温时组织：保温时组织：A + Fe3C（粒）（粒） 淬火组织：淬火组织： M +A （少量）（少量）+ Fe3C（粒）（粒） 粒状的粒状的Fe3C可以提高淬火组织的耐磨性。可以提高淬火组织的耐磨性。淬火温度淬火温度淬火介质淬火介质决定了决定了冷却速度冷却速度淬火后的组织淬火后的组织。理想的淬火介质应达到的两个要求：理想的淬火介质应达到的两个要求：（1 1）足够高的冷却速度；）足够高的冷却速度；得到尽可能多的马得到尽可能多的马氏体。氏体。（2

39、2）防止零件变形、开裂防止零件变形、开裂，在绕过，在绕过“鼻尖鼻尖”部后，应减缓冷却速度部后，应减缓冷却速度 所以理想的冷却速度如图所示，所以理想的冷却速度如图所示，开始冷却缓慢开始冷却缓慢，在在快要发生组织转变时快冷快要发生组织转变时快冷，随后，随后再慢冷再慢冷让马让马氏体转变慢慢的进行氏体转变慢慢的进行。 常用介质常用介质盐水、碱水盐水、碱水 10101515的的NaClNaCl水溶液，这是最强的冷却介质。水溶液，这是最强的冷却介质。清水清水 直接冷却，冷却能力也很强。直接冷却，冷却能力也很强。 碱浴、硝盐浴碱浴、硝盐浴 在在120120180180以上的温度下有好的冷却能力以上的温度下有

40、好的冷却能力（适用于（适用于分级淬火）分级淬火）。 矿物油矿物油 冷却能力约为水的冷却能力约为水的1/41/41/81/8，适用于大多数，适用于大多数合金钢合金钢，可以有，可以有效防止零件的变形开裂。效防止零件的变形开裂。 原则：原则：淬火时既要快冷获得淬火时既要快冷获得M，又要尽可能减少，又要尽可能减少变形和开裂。变形和开裂。 单液淬火：单液淬火：碳钢碳钢 水水 合金钢合金钢 油。油。双液淬火：双液淬火：水淬油冷。先在水或盐水中快速水淬油冷。先在水或盐水中快速冷却，冷却，绕过绕过“鼻尖鼻尖”然后装入油中，放慢然后装入油中，放慢冷速，继续冷却至室温，（适用于较复杂冷速，继续冷却至室温，（适用于

41、较复杂的零件）。的零件）。 分级淬火分级淬火：首先淬入稍高于：首先淬入稍高于Ms点的盐浴中，点的盐浴中，保温待表面与心部温度相接近保温待表面与心部温度相接近后，再快淬。后，再快淬。（适合于大工件）。（适合于大工件）。等温淬火：等温淬火：先快冷到某一温度，保温，使先快冷到某一温度，保温，使AB下下氏体转变，再空冷至室温获得下贝氏体转变，再空冷至室温获得下贝氏体。氏体。(5)深冷处理：深冷处理：将冷却至室温的零件继续冷却到将冷却至室温的零件继续冷却到室温以下温度，入液氮温度（室温以下温度，入液氮温度（179）作）作用：降低钢中残余奥氏体量）用：降低钢中残余奥氏体量） 。 将淬火后的钢件加热到将淬火

42、后的钢件加热到ACAC1 1以下以下某一温度，等温一段时间后，再冷却至室温某一温度，等温一段时间后，再冷却至室温而获得不同组织的热处理工艺而获得不同组织的热处理工艺叫叫“回火回火”1.1. 消除内应力消除内应力 钢在淬火后，存在较大的内应力钢在淬火后，存在较大的内应力（热应力热应力和和相变应力相变应力），容易出现开裂容易出现开裂。利用回火可以消除或减小内应力，达到防止变形开裂。利用回火可以消除或减小内应力，达到防止变形开裂。2.2. 稳定组织和尺寸稳定组织和尺寸 淬火后的组织为淬火后的组织为马氏体马氏体 残余奥氏体残余奥氏体，它们都不，它们都不是稳定组织，使用过程中会发生转变，是稳定组织，使用

43、过程中会发生转变，从而从而带来零件的尺寸和性能的带来零件的尺寸和性能的变化。利用回火让可能变化的变化。利用回火让可能变化的组织组织发生发生转变转变，达到稳定零件的组织性，达到稳定零件的组织性能和尺寸。能和尺寸。3.3. 调整性能调整性能 淬火后得到的马氏体的碳含量较高，材料的硬度高，脆性淬火后得到的马氏体的碳含量较高，材料的硬度高，脆性大，通过回火处理，达到所需要的强度、塑性和韧性的组合。大，通过回火处理，达到所需要的强度、塑性和韧性的组合。4.4. 便于加工便于加工 降低硬度，便于机械加工。降低硬度，便于机械加工。2 2、目的、目的：1 1、定义、定义1 1）马氏体的分解（）马氏体的分解（2

44、00200以下）以下）回火马氏体回火马氏体回火时马氏体回火时马氏体中中过饱和的碳发生过饱和的碳发生短距离短距离的迁移，形成极细的碳化物的迁移，形成极细的碳化物(Fe(Fe2.42.4C)C)（称为（称为碳化物）碳化物），以以薄片形式薄片形式存在存在M M中中，该组织该组织称为称为回火马氏体回火马氏体。 2 2残余奥氏体的分解（残余奥氏体的分解（200200300300）马氏体向回火马氏体转变马氏体向回火马氏体转变时时，由于应力的减小，残余奥氏体发生分解产生，由于应力的减小，残余奥氏体发生分解产生下贝氏体（贝氏体温区）下贝氏体（贝氏体温区）。最终组织：最终组织：回火马氏体回火马氏体下贝氏体下贝氏

45、体 3 3回火屈氏体的形成（回火屈氏体的形成（300300500500）由于回火温度的升高，由于回火温度的升高，碳的扩散运动能力加强，碳的扩散运动能力加强，过渡过渡碳化物转变成碳化物转变成稳定渗碳体稳定渗碳体，马氏体转变为鉄素体马氏体转变为鉄素体，组织为：组织为： F F 上均匀分布极细的渗碳体，上均匀分布极细的渗碳体，称为称为“回火屈氏体回火屈氏体”。 F FFeFe3 3C C（弥散分布）（弥散分布）回火屈氏体回火屈氏体 4 4回火索氏体的形成（回火索氏体的形成（500500650650） 鉄素体发生鉄素体发生再结晶再结晶形成形成等轴晶铁素体等轴晶铁素体，同时细小的，同时细小的FeFe3

46、3C C颗粒不断长颗粒不断长大大，得到平衡状铁素体中分布着颗粒状的碳化物混合组织，称为得到平衡状铁素体中分布着颗粒状的碳化物混合组织，称为“回火索氏回火索氏体体”。最终组织：等轴晶。最终组织：等轴晶 F F颗粒状颗粒状FeFe3 3CC回火索氏体回火索氏体 硬度和强度：硬度和强度： 硬度在硬度在200200以下变化不明显，以后随温度的上升而下降以下变化不明显，以后随温度的上升而下降， 强度也如此强度也如此；塑性：塑性： 塑性随回火温度提高而提高；塑性随回火温度提高而提高；韧性：韧性： 韧性变化的趋势随回火温度的提高而提高。韧性变化的趋势随回火温度的提高而提高。回火脆性：回火脆性：在回火过程中出

47、现韧性下降的现象称为回火脆性在回火过程中出现韧性下降的现象称为回火脆性,主要是由于主要是由于碳碳 化物析出和长大化物析出和长大所致。所致。1 1）低温回火低温回火 回火温度为回火温度为150150200200， 组织组织： 回火马氏体回火马氏体， 性能：性能： 高硬度，高硬度， 硬度可达到硬度可达到585864HRC64HRC，好的，好的耐磨性耐磨性 应用：应用： 常用于轴承、冷作模具的热处理常用于轴承、冷作模具的热处理。 2 2）中温回火中温回火 回火温度为回火温度为350350500500 组织组织： 回火屈氏体回火屈氏体 性能：性能： 具有一定韧性具有一定韧性，同时，同时有高的有高的弹性

48、极限弹性极限 应用：应用： 弹簧弹簧钢（如：钢（如： 65, 70)65, 70)和要求较高强度和要求较高强度和和一定韧性的工件，一定韧性的工件， 如刀杆、轴套等。如刀杆、轴套等。 3 3）高温回火高温回火 回火温度为回火温度为500500650650（淬火后进行高温回火的工艺淬火后进行高温回火的工艺也也称为称为“调质调质”处理处理） 组织组织： 回火索氏体，回火索氏体， 性能性能： 具具有良好的有良好的综合力学性能综合力学性能，尤其是冲击韧性高，尤其是冲击韧性高。 应用：应用： 可以直接进行机械加工。主要用于承受较大应力，特别是有冲可以直接进行机械加工。主要用于承受较大应力，特别是有冲 击应

49、力场合下的结构零件，如各种击应力场合下的结构零件，如各种轴、连杆、齿轮轴、连杆、齿轮等等。 1.1.淬透性：淬透性：是指钢件在淬火时能获得淬硬层（是指钢件在淬火时能获得淬硬层（马氏体马氏体）的深度。）的深度。由于表面冷却速度高于心部，所以从由于表面冷却速度高于心部，所以从表面至心部的马氏体的表面至心部的马氏体的量存在一个分布量存在一个分布，通常将马氏体含量达到，通常将马氏体含量达到5050的深度作为淬的深度作为淬硬层深度，用硬层深度，用淬硬层深度淬硬层深度来表征不同材料的淬透性。来表征不同材料的淬透性。2. 2. 淬硬性淬硬性：淬硬性指正常淬火情况下获得马氏体组织所能达到：淬硬性指正常淬火情况

50、下获得马氏体组织所能达到 的的最高硬度最高硬度。主要取决于马氏体中的。主要取决于马氏体中的C含量含量（与合金元素的（与合金元素的 关系不大），也与淬火工艺有关。关系不大），也与淬火工艺有关。 注意：注意：淬透性和淬硬性是两个不同概念，淬透性和淬硬性是两个不同概念，淬透性是一种材料淬透性是一种材料 特性，特性，与工艺无关。而与工艺无关。而淬硬性淬硬性是材料经热处理后表现是材料经热处理后表现 出的性质，与工艺有关。出的性质，与工艺有关。 影响淬透性的因素影响淬透性的因素钢的淬透性好坏取决于钢的钢的淬透性好坏取决于钢的过冷奥氏体的稳定性过冷奥氏体的稳定性，即，即C C曲线上曲线上的临界冷却速度。因此

51、，影响临界冷却速度的因素的临界冷却速度。因此，影响临界冷却速度的因素（即：（即：C C曲曲线是左移还是右移）线是左移还是右移）均对淬透性有影响。均对淬透性有影响。1)1) 化学成分化学成分 亚共析钢：亚共析钢： C C 淬透性淬透性 过共析钢过共析钢 C C 淬透性淬透性 合金元素中除合金元素中除CoCo外，绝大部分都使外，绝大部分都使C C曲线右移，提高淬透性曲线右移，提高淬透性2 2）淬火温度和保温时间淬火温度和保温时间 加热温度的升高和保温时间延长加热温度的升高和保温时间延长（FeFe3 3C C溶解充分），稳定溶解充分），稳定奥氏体奥氏体，均可适当的提高钢的淬透性。，均可适当的提高钢的

52、淬透性。 一、为什么要进行表面热处理一、为什么要进行表面热处理 许多零件（齿轮，轴承等）需要表面具有高硬度，高耐磨性，而心部具有好许多零件（齿轮，轴承等）需要表面具有高硬度，高耐磨性，而心部具有好的塑韧性，表面淬火即可达到这一要求。的塑韧性，表面淬火即可达到这一要求。1 1、淬火工艺：、淬火工艺： 将钢件表面迅速加热到奥氏体化后，急冷使表面层形成马氏体。而心将钢件表面迅速加热到奥氏体化后，急冷使表面层形成马氏体。而心部组织不发生变化，这样部组织不发生变化，这样表面具有强硬表面具有强硬特征而特征而心部保持好的心部保持好的韧性韧性。 用于表面淬火用钢大多为用于表面淬火用钢大多为低低C C或中或中C

53、 C钢钢 （即为亚共析钢）（即为亚共析钢）。 2、淬火组织、淬火组织：由于由于从表面到心部的温度不同，淬火后在组织也不同从表面到心部的温度不同，淬火后在组织也不同表面表面：温度：温度 AC3 ，表面奥氏体化，表面奥氏体化， 淬火后得到细小的马氏体（淬火后得到细小的马氏体（M）中间中间：温度在：温度在 AC1AC3之间，加热组织为之间，加热组织为AF， 淬火后得到淬火后得到 MF心部：心部：温度温度 在在AC1以下，以下， 加热组织主要为加热组织主要为 F， 淬火后仍为淬火后仍为F3.3.淬火方法淬火方法1 1）感应加热感应加热淬火淬火： 将工件置于中频或高频将工件置于中频或高频(500(500

54、500KHz)500KHz)的交变磁场中，在工件上有感的交变磁场中，在工件上有感应电流，由于电流的应电流，由于电流的集肤效应集肤效应，电流，电流集中于表层，大的电流产生的热量集中于表层，大的电流产生的热量使使温度迅速升高至温度迅速升高至ACAC1 1（共析共析）或）或ACAC3 3（亚亚共析共析）或）或AcmAcm（过共析过共析）以上）以上 ，发生发生奥氏体化，奥氏体化，然后迅速置于水中或喷水然后迅速置于水中或喷水冷却，达到表层淬硬的结果。由于加冷却，达到表层淬硬的结果。由于加热速度快，温度高，热速度快，温度高，奥氏体晶粒细奥氏体晶粒细，硬度高于普通淬火硬度硬度高于普通淬火硬度。感应功率越大，频率越高，淬感应功率越大，频率越高，淬硬层越浅。如硬层越浅。如2020500KHz500KHz获得的淬硬获得的淬硬层层2mm2m