北京航空航天大学工程材料第三章 (热处理原理)

1、3.1.2 钢的热处理原理 P.42时间温度临界温度临界温度A1,A3和和 Acm 热热加加保温保温冷冷 却却A1、A3、A cm- 平衡条件下测定的 临界温度的位置Ac1、Ac3、A ccm - 实际加热时的位置Ar1、Ar3、A rcm - 实际冷却时的位置T0.77 C%A3A1AcmAc3Ar3Ar1Ac1ArcmAccm 钢在加热时的钢在加热时的组织转变组织转变加热工序的目的： 得到均匀细小的奥氏体。奥氏体的形成奥氏体的形成FFe3C未溶未溶Fe3CA残余残余Fe3CAAAA 形核形核A 长大长大残余残余Fe3C溶解溶解A 均匀化均匀化Schematic of forming pro

2、cess of austenite in eutectoid steel钢在热处理时的两种冷却方式钢在热处理时的两种冷却方式 热热加加保温保温时间温度临界温度临界温度连续冷却连续冷却等温冷却等温冷却钢的热处理工艺有两种冷却方式： （1）、等温冷却 （2）、连续冷却 C曲线曲线 (分析钢在冷却时的组织与性能转变的工具) 等温冷却方式对研究冷却过程中的组织转变较为方便，现以 共析钢（T8钢)为例作冷却实验。0200400600800A112t(秒）T冷却曲线的研究（1）等温冷却转变: TTT曲线曲线 T - timeT - temperatureT - transformation（2）连续冷却转

3、变：CCT 曲线曲线 C - continuousC - coolingT - transformation转变开始线转变终了线马氏体开始转变线Ms马氏体转变终了线Mf孕育期：奥氏体转变之前所经历的时间（处在孕育期内的奥氏体叫过冷奥氏体） (1). 等温冷却 (P.43 图3-6)共析钢等温转变TTT曲线的建立0400600700200B下B上TSPMM+A残A过冷A正常500300Ms (240)Mf (-55)110102103104105106T t()共析钢过冷奥氏体等温转变曲线TTT曲线曲线 图3-6 共析钢等温冷却转变曲线0400600700200B下B上TSPMM+A残A过冷A1

4、500300Ms (240 )Mf (-55)110102103104105106T (s)高温转变中温转变低温转变高温转变产物（A1550）等温转变的产物为珠光体型组织。 珠光体(727650） 索氏体(650600） (Sorbite)又叫细珠光体 屈氏体(600550） (Troostite) 又叫极细珠光体0400600700200B下B上TSPMM+A残A过冷A正常500300Ms (240)Mf (-55)110102103104105106T t()不同温度下奥氏体的等温转变产物共析钢等温转变的产物大致可分为三个类型:等温转变产物 奥氏体等温转变产物的组织性能珠光体型组织性能对比

5、珠光体的强度、硬度较低，塑性、韧性较好。随着转变温度降低，珠光体片层变细，强度、硬度提高。组织名称 珠光体P 索氏体S 屈氏体T HB 170230 230320 330400 b 820880 9001100 14001500 510 1020 1020等温转变产物性能P 3800 xS 8000 xT 8000 x珠光体的组织形成示意图Pearl-itic transformation图3-7 珠光体转变过程示意图P(Fe3C+F)AFFe3CFe3C珠光体金相照片 在650600之间转变而得到的组织为索氏体，又叫细珠光体；在600550之间转变而得到的为屈氏体，又叫极细珠光体。电镜形貌中

6、温转变Bain-itic transformation 共析钢奥氏体过冷到550240之间等温转变的产物属于贝氏体型的组织。550350:上上贝氏体组织B上上; 4045HRC350240:下贝氏体组织B下下; 5060HRC;0400600700200B下B上TSPMM+A残A过冷A正常500300Ms (240)Mf (-55)110102103104105106T t()中温转变产物 (550240 ) 上贝氏体：羽毛状。等温转变产物下贝氏体：针状。上贝氏体组织B上上 =过饱和碳过饱和碳 -Fe条状条状 + Fe3C细条状细条状过饱和碳过饱和碳-Fe条状条状 Fe3C细条状细条状羽毛状羽

7、毛状下贝氏体组织B下下 =过饱和碳过饱和碳 -Fe针叶状针叶状 + Fe3C细片状细片状过饱和碳过饱和碳 -Fe针叶状针叶状Fe3C细片状细片状针叶状针叶状贝氏体(Bain-ite) 性能 下贝氏体形成温度较低，晶粒较细，其针叶状的铁素体中含有过饱和的碳，均匀分布的细小碳化物有着较大的弥散强化作用。因此下贝氏体有较高的强度和塑性韧性。上贝氏体硬度HRC4050，下贝氏体硬度为HRC5060。 上贝氏体的形成温度较高，其铁素体条较宽，变形抗力小，渗碳体排列在铁素体条之间，容易引起脆性。所以，上贝氏体的强度和塑性、韧性都很差。热处理时不希望得到上贝氏体。等温转变产物低温转变组织Martens-it

8、ic transformation 奥氏体在240以下碳原子移动极为困难。奥氏体只发生同素异构转变，由面心立方的-铁，转变为体心立方的铁。原奥氏体中所有的碳原子都保留在体心立方晶格内，形成过饱和的铁。这种碳在铁中的过饱和固溶体叫马氏体。 由于含碳量不同，马氏体有两种形态。含碳量较高的马氏体组织呈针叶状，叫针叶马氏体。含碳量较低的马氏体组织为板条状，叫板条马氏体。低温转变产物（24050） 马氏体：碳在-铁中的过饱和固溶体。 ( Martensite )条状马氏体针状马氏体等温转变产物马氏体组织金相照片 高碳马氏体（针叶状）由于含有大量过饱和的碳，其晶格发生严重畸变，内应力高，位错移动困难。所以

9、高碳马氏体的硬度很高，而塑性韧性极差。 低碳马氏体（板条状）的晶格畸变较小，内应力较小。所以硬度比高碳马氏体低。但其强度、塑性和韧性都较好。马氏体型组织性能组织含碳量 机械性能 HRC b (MN/ m2 ） ak（J/cm2 ） y (%)低碳板条状马氏体 0.2 4045 1500 60 2030高碳针叶状马氏体 1.2 6065 500 5 24等温转变产物残余奥氏体 共析钢奥氏体过冷到240(Ms)时，开始转变为马氏体，随着温度下降，马氏体逐渐增加，过冷奥氏体不断减少，直至 -50(Mf)时，过冷奥氏体才全部转变为马氏体。所以，Ms与Mf之间的组织为马氏体和残余奥氏体。 (2) 连续冷

10、却 P. 44 图图3-9 共析钢连续冷却转变曲线共析钢连续冷却转变曲线0200400600800A1Msabcde(秒)T 连续冷却的组织转变 P.44 a.为随炉冷却，冷却曲线与珠光体转变开始线相交时，奥氏体开始向珠光体转变；冷却曲线与转变终了线相交后转变完成。由于转变是珠光体区进行的，所以得到珠光体组织。 b.为在空气中冷却，由于冷速较快，转变在索氏体区进行，所以转变产物为索氏体。 c.为油冷，冷却曲线只与珠光体转变开始线相交(在屈氏体转变区)，未与转变终了线相交。所以只有一部分奥氏体发生了转变，转变产物为屈氏体；而另一部分奥氏体则在冷却到Ms线后转变为马氏体。最后得到的是马氏体和屈氏体

11、的混合组织。即为油中冷却的产物。 d.为水冷，由于冷速快，冷却曲线未与珠光体转变开始线相交，待冷到马氏体转变开始线以下时，奥氏体转变为马氏体。 几种连续冷却过程：（a)随炉冷却，珠光体(b)空气中冷却索氏体(c)油冷,马氏体和屈氏体的混合组织。(d)水冷，马氏体。 (e)(f)临界冷却速度 又称临界淬火速度奥氏体在连续冷却条件下的转变转变开始线转变终了线转变终止线0200400600800A1Msabcdet(秒)TfV实际 V临时,冷却全部得到马氏体。V实际 V临时,冷却组织没有马氏体。 在连续冷却条件下，不发生贝氏体转变。V临：e 上临界冷速 V临 f 下临界冷速 020040060080

12、0A1Msabcdet(秒)Tf 共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线与曲线与CCT曲线的比较曲线的比较稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMfCCT曲线曲线TTT曲线曲线A1MstT钢的淬透性是指钢在淬火时能获得淬硬层深度的能力，它是钢材本身固有的属性。2. 钢的淬透性(1)淬透性的概念钢的淬硬性也叫可硬性，是指钢在淬火后能达到最高硬度的能力，它主要取决于马氏体的含碳量。(2)淬透性对钢热处理后力学性能的影响事故（失效分析）事故（失效分析）1996年5月，地点：太湖旅游胜地。某轻型飞机坠毁 事故原

13、因：机翼撑杆接头断裂；零件分析：接头本应是淬火、高温回火组织，但事故零件组织分析：事故零件淬火组织不完全 普通热处理：退火、正火、淬火和回火 表面热处理： 表面淬火、渗碳、渗氮和碳氮共渗等 (渗碳、渗氮和碳氮共渗又叫化学热处理）3.1.3 热处理工艺：1. 退火 annealing 退火是将钢件加热到高于或低于钢的临界温度，保温一定时间，随后以极缓慢的速度冷却，(一般是切断热源随炉冷却到室温)，以获得接近Fe-Fe3C相图上的平衡组织的一种热处理工艺。退火的目的： 降低硬度，以利于切削加工。 细化晶粒，改善组织，提高机械性能。 消除内应力，为下一道淬火工序作好准备 提高钢的塑性和韧性，便于进行

14、冷冲压或冷拉拔加工。将钢件加热到Ac3以上3050，保温后随炉缓慢冷却。目的：晶粒细化，便于切削加工，消除内应力适用范围： 亚共析钢和共析钢。(1)完全退火full annealing(dead soft annealing)T0.77 C%A3A1AcmAr3Ar1ArcmAc3Ac1Accm将钢件加热到Ac1以上2030，保温后缓冷，或在Ar1以下20等温，使渗碳体成为颗粒状的热处理工艺叫球化退火。目的：把过共析钢的片状珠光体和网状渗碳体组织转变为球状或粒状渗碳体，从而改善钢件的切削加工性，并减少最终热处理时工件变形和开裂的倾向。适用范围：主要用于过共析钢。(2)球化退火(不完全退火) p

15、artial annealing 将钢件加热，保温后即较快地冷却到稍低于Ar 1的温度，再进行等温，当奥氏体转变结束后，取出在空气中冷却。(3)等温退火应用：主要用于奥氏体比较稳定的合金工具钢和高合金钢。特点：与完全退火相比，可以大大缩短整个退火时间。此外，由于奥氏体分解是在恒温下进行的，所以工件截面上的结构和性能也较均匀一致。(5)再结晶退火 将冷拉、冷轧、冷压等发生加工硬化的钢材，加热到再结晶温度以上(650750)，保温后空冷。 通过再结晶使钢材的塑性恢复到冷变形以前的状况。(4)去应力退火 将钢加热到Ar1以下的某一温度(约500600)，保温后缓慢冷却。 一般用于消除铸件、锻件和焊接

16、件等的残余内应力，在退火过程中无组织变化。(6)扩散退火 将钢加热到高于Ac3以上，保温很长时间(约612小时)，然后随炉缓慢冷却。 扩散退火主要用来消除钢件的化学成份不均匀现象。 改善细化组织，消除网状渗碳体和亚共析钢中的针状铁素体。 提高性能（正火索氏体具有一定的强度，又有较高的韧性。综合机械性能较好）。 改善切削加工性（低碳钢）。 低碳钢多采用正火来代替退火。组织: 索氏体 将钢件加热到Ac3或Accm以上3050，保温后在空气中冷却的热处理工艺。目的：2. 正火 (常化) normalizing1000110040060080000.40. 771. 2扩散退火正火 完全退火正火球化退

17、火再结晶退火低温退火TC%(1). 淬火 quenching 将钢加热至Ac3线或Ac1线以上某一温度，保温一定时间，迅速冷却至室温，从而获得马氏体组织的工艺。目的：在于提高钢的硬度，或得到马氏体,以便通过回火调整组织、性能。3. 淬火与回火 亚共析钢，Ac3以上3050， 共析钢和过共析钢，Ac1以上3050。T600700800900100000.20.611.4C%AcmA3A1淬火加热温度淬火加热温度(2). 回火 tempering 将淬火后的钢加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后取出空冷或油冷的热处理工艺过程称为回火。目的：稳定组织， 降低了淬火钢的脆性，提高韧性， 消除

18、淬火内应力稳定零件尺寸和性能， 回火组织：回火马氏体性 能：高硬度和耐磨性（这种回火主要是为了降低钢中的残余应力和脆性）主要用途各种工具，滚珠轴承及渗碳件等HRC5864 。 低温回火 low-temperature tempering （ 150250 ） 回火组织：回火屈氏体。性 能：较高的弹性极限的屈服极限，内应力大大降低，硬度为HRC3545。主要用途：弹簧元件、锻模等b. 中温回火 medium-temperature tempering （ 350500 ） 回火组织：回火索氏体。性 能：良好的综合性能。主要用途：要求具有一定强度和较高塑性、韧性的各类机械零件。特别是受交变载荷和冲击载荷的重要零件。齿轮、连