第五章钢铁热处理

1、引言 1、热处理概述、热处理概述热处理是一种重要的金属加工工艺；热处理是一种重要的金属加工工艺；钢的热处理的工艺特点钢的热处理的工艺特点: : 把钢在固态下加热到预定的温度，保温预定的时间。然后以把钢在固态下加热到预定的温度，保温预定的时间。然后以预定的方式冷却下来。通过这样一个工艺过程，使钢的性能发预定的方式冷却下来。通过这样一个工艺过程，使钢的性能发生预期的变化。生预期的变化。热处理的主要目的热处理的主要目的: : 在于改变钢的性能，即改善钢的工艺性能和提高钢的使用性在于改变钢的性能，即改善钢的工艺性能和提高钢的使用性能。能。 EXEX：钻头：钻头引言 钢的组织决定钢的性能钢的组织决定钢的

2、性能: :热处理改变钢的性能，是通过改变钢的组织来实现热处理改变钢的性能，是通过改变钢的组织来实现的。钢在固态加热、保温和冷却过程中，会发生一系列的。钢在固态加热、保温和冷却过程中，会发生一系列组织转变。这些转变具有严格的规律性，在一定的温度、组织转变。这些转变具有严格的规律性，在一定的温度、时间、介质条件下，必然形成一定的组织，具有一定的时间、介质条件下，必然形成一定的组织，具有一定的性能。在不同条件下则会形成不同的组织，具有不同的性能。在不同条件下则会形成不同的组织，具有不同的性能。如果钢中不存在这些固态相变也就不可能进行热性能。如果钢中不存在这些固态相变也就不可能进行热处理。处理。钢中组

3、织转变的规律就是热处理的原理。根据热处钢中组织转变的规律就是热处理的原理。根据热处理原理制订的温度、时间、介质等等参数就是理原理制订的温度、时间、介质等等参数就是热处理工热处理工艺艺。引言2、钢的临界温度、钢的临界温度Ac1: 加热时珠光体向奥氏体转变的开加热时珠光体向奥氏体转变的开 始温度。始温度。Ar1：冷却时奥氏体向珠光体转变的开：冷却时奥氏体向珠光体转变的开 始温度。始温度。Ac3：加热时游离铁素体全部转变为奥：加热时游离铁素体全部转变为奥 氏体的终了温度。氏体的终了温度。Ar3：冷却时奥氏体开始析出游离铁素：冷却时奥氏体开始析出游离铁素 体的温度。体的温度。Accm：加热时二次渗碳体

4、全部溶入奥氏：加热时二次渗碳体全部溶入奥氏 体的终了温度。体的终了温度。Arcm: 冷却时奥氏体开始析出二次渗碳冷却时奥氏体开始析出二次渗碳 体的温度。体的温度。第一节 钢在加热时的组织转变n一、共析钢的奥氏体化过程成分相差悬殊、晶格截然不同的两相，变成另一种晶格的单相均匀固溶体；必发生C、Fe的扩散和Fe原子的晶格改组。第一节 钢在加热时的组织转变n珠光体向奥氏体转变可分为三个阶段：n第一阶段：奥氏体的形核与长大。n第二阶段：残余渗碳体的溶解。n残留在奥氏体中的渗碳体颗粒，通过碳原子的扩散，逐渐溶入奥氏体使奥氏体的碳浓度逐渐趋近共析成分。一旦渗碳体全部消失，这一阶段便结束。n第三阶段：奥氏体

5、的均匀化。n当残余渗碳体溶解刚完毕时,奥氏体的成分是不均匀的，在原来是渗碳体的地方，碳浓度仍较高，而原来是铁素体的地方，碳浓度仍较低只有经过长时间的碳原子扩散,才能使奥氏体逐渐趋于均匀化，最后得到单相均匀的奥氏体。到此，奥氏体化过程便全部完成。第一节 钢在加热时的组织转变第一阶段:奥氏体的形核与长大。珠光体加热到A1点以上，经过一段孕育期,首先在铁素体和渗碳体的相界面上形成奥氏体晶核，然后晶核向铁素体和渗碳体两方面长大。与此同时又有新的奥氏体晶核在其他相界面上形成并随之长大。直到各个奥氏体晶粒都彼此相遇，珠光体消失，这一阶段便告结束。结构起伏，能量起伏，浓度起伏，晶界形核第一节 钢在加热时的组

6、织转变n 二、影响奥氏体化的因素n(1)加热温度和保温时间的影响1加热温度必须高于A1点，珠 光体才能向奥氏体转变。2转变温度越高，奥氏体的形成速度越快，转变所需时间越短。3同样一个奥氏体化状态，既可以通过较低温度较长时间的加热得到也可以通过较高温度较短时间的加热得到。A是原子扩散，形核长大进行的，凡影响扩散，都会影响A的形成。第一节 钢在加热时的组织转变n二、影响奥氏体化的因素n（2）加热速度的影响第一节 钢在加热时的组织转变n二、影响奥氏体化的因素n(3)合金元素的影响n1合金元素会改变钢的平衡临界点。n如镍、锰、铜等都使临界点降低；而铬、钼、钨、钒、硅等则使之升高。n2合金元素在珠光体中

7、的分布是不均匀的。n3某些合金元素会影响碳和铁的扩散速度。n如铬、钼、钨、钒、钛等都显著减慢碳的扩散速度；钴，镍等则加速碳的扩散速度，硅、铝、锰等影响不大。n4强烈形成碳化物的元素，如钛、钒、锆、铌、钼、钨等，会形成特殊碳化物，其稳定性比Fe3C高，很难溶入奥氏体，必须进行较高温度较长时间加热才能完全溶解。第一节 钢在加热时的组织转变n二、影响奥氏体化的因素n(4)原始组织的影晌淬火状态的钢在A1点以下升温过程中已经分解成微细粒状珠光体，组织最弥散，相界面最多，最有利于奥氏体的形核与长大，所以转变最快。 正火状态的细片状珠光体，其相界面积也很大，所以转变也很快。 球化退火状态的粒状珠光体，相界

8、面积最小，因此奥氏体化最慢。总之，原始组织越弥散，奥氏体化速度越快。第一节 钢在加热时的组织转变n三、奥氏体晶粒的长大n(一)晶粒大小对性能的影响dK02 . 0式中 0相当于单晶体的屈服强度，随温度而变化。K是比例系数与晶界情况有关。奥氏体晶粒大小是评定加热质量的指标之一。过热第一节 钢在加热时的组织转变 (二)奥氏体的晶粒度1实际晶粒度起始晶粒度 PA在每一个具体加热条件下所得到的奥氏体晶粒大小称为奥氏体的“实际晶粒度”2本质晶粒度本质晶粒度就是反映钢材加热时奥氏体晶粒长大倾向的一个指标。标准规定:93010,保温8h.第一节 钢在加热时的组织转变本质粗晶粒钢本质细晶粒钢第一节 钢在加热时

9、的组织转变n(三)影响奥氏体晶粒度的因素n1.加热温度和时间的影响 在每一温度加热时，随着时间的延长，晶粒不断长大，但是长到一定尺寸后就几乎不再长大。加热温度越高，晶粒长大越快，最终尺寸也越大。反之，温度越低，时间越短，晶粒就越细小。第一节 钢在加热时的组织转变n(三)影响奥氏体晶粒度的因素n2.加热速度的影响在最高加热温度相同时，加热速度越快，奥氏体晶粒越细小。这是两方面原因造成的。一方面，加热速度越快则过热度越大，形核率越高，因而奥氏体的起始晶粒度越小；另方面，加热速度越快则加热时间越短，晶粒越来不及长大。所以，快速短时加热是细化晶粒的手段之一。第一节 钢在加热时的组织转变n(三)影响奥氏

10、体晶粒度的因素n3.钢的成分的影响第二节 钢在冷却时的转变n一、冷却条件对钢性能的影响为了研究奥氏体的冷却转变规律,通常采用两种方法:一种是在不同过冷度下等温测定奥氏体的转变过程,绘出“奥氏体等温转变曲线”；另一种是在不同冷速的连续冷却过程中测定奥氏体的转变过程，绘出“奥氏体连续冷却转变曲线”。这两种曲线在热处理中的用处很大。冷却方式冷却方式b N/m2 s N/m2% %kN.m/cm2变脆温度变脆温度炉冷57.410728.91072258.461-60空冷67.810738.710719.357.380-70油冷185.61071591078.333.755-9040Cr钢经850加热,

11、不同条件冷却后的力学性能:第二节 钢在冷却时的转变n二、过冷奥氏体的等温转变曲线(C-曲线)过冷A等温转变图可综合反映过冷A在不同过冷度下的等温转变过程，转变开始和终了时间，转变产物类型以及转变量与温度和时间的关系等，由于等温转变图通常呈“C”形状，所以也称C曲线，另外还称TTT图，现以共析钢为例来说明TTT图的建立第二节 钢在冷却时的转变 1.C-曲线的建立 把钢材制成101.5mm的圆片试样，分成若干组。 取一组试样，在盐炉内加热使之A化。 将A化后的试样快速投入 A1 以下某一温度的浴炉中进行等温转变。 每隔一定时间取出一个试样急速淬入水中，而后将各试样取出制样，进行组织观察。当在显微镜

12、下观察发现某一试样刚出现灰黑色产物时，所对应的等温时间就是A开始转变时间,到某一试样未有M出现时，所对应的时间为转变终了时间。将其余各组试样，用上述方法，分别测出不同等温条件下A转变开始和终了时间，最后将所有转变开始时间点和终了时间点标在温度、时间(对数)坐标上,并分别连接起来，即得C曲线。第二节 钢在冷却时的转变第二节 钢在冷却时的转变2.C曲线的分析 过冷到A1以下的A处于不稳定状态,但不立即转变,而要经过一段时间才开始转变,称为孕育期。孕育期越长,过冷A越稳定,反之,则越不稳定。 鼻点:550 最不稳定,转变速度最快。C形状原因 过冷度和原子扩散为两个制约因素在A1 550区间,随过冷度

13、增大,原子扩散较快,转变速度较快。 550以下,随过冷度增大,原子扩散速度越来越慢,因而转变速度减慢。第二节 钢在冷却时的转变 4. 相变特点 高温转变- P转变(Ar1 550) AF+Fe3C(片层相间平行排列的机械混合物)珠光体转变是内一个单相固溶体分解为成分相差悬殊、晶格截然不同的二相混合组织。因此转变时必须进行碳的更新分布和铁的晶格重构。这两个过程是依靠碳原子和铁原子的扩散来完成的。所以，珠光体转变是典型的扩散性转变。第二节 钢在冷却时的转变分片形成机理：分片形成机理：F是基体，Fe3C是分散相n过冷奥氏体按珠光体型方式发生转变，通常所得产物为铁素过冷奥氏体按珠光体型方式发生转变，通

14、常所得产物为铁素体和渗碳体交替分布的层片状组织，随着转变温度的降低，体和渗碳体交替分布的层片状组织，随着转变温度的降低，片间距愈细，即不同温度下所得产物的差别是层片间距不同。片间距愈细，即不同温度下所得产物的差别是层片间距不同。采用特殊的方式冷却，也可能得到点状采用特殊的方式冷却，也可能得到点状( (小球小球) )的渗碳体均匀的渗碳体均匀分布在铁素体的基体上，如图所示。工程上对不同片间距的分布在铁素体的基体上，如图所示。工程上对不同片间距的产物有一些习惯的称呼。产物有一些习惯的称呼。转变产物转变产物 珠光体的性能珠光体的性能 不同类型的珠光体由于层片间距不同，力学性能在一个较大范围不同类型的珠

15、光体由于层片间距不同，力学性能在一个较大范围内变化，总体趋势是随着片间距的减小，材料的强度和硬度呈现内变化，总体趋势是随着片间距的减小，材料的强度和硬度呈现上升；其塑性和韧性以索氏体为最高，它的组织比珠光体细小且上升；其塑性和韧性以索氏体为最高，它的组织比珠光体细小且分布均匀，而屈氏体因层片的细小，塑性相铁素体的可变形范围分布均匀，而屈氏体因层片的细小，塑性相铁素体的可变形范围小，强度最高，但塑性却下降了。小，强度最高，但塑性却下降了。 片状珠光体 500片状索氏体1500片状屈氏体50001500第二节 钢在冷却时的转变 中温转变贝氏体转变(550240)1 1基本特点基本特点 到到5005

16、00以下，相变的驱动力较大，铁的扩散系数已经很小，以下，相变的驱动力较大，铁的扩散系数已经很小，相变过程中来不及扩散，这时碳尽管扩散速度比高温下小了很相变过程中来不及扩散，这时碳尽管扩散速度比高温下小了很多，但还能在一定的范围内进行短距离扩散，所以将发生多，但还能在一定的范围内进行短距离扩散，所以将发生混合混合型型相变，在钢中称为相变，在钢中称为贝氏体贝氏体(Bainite)(Bainite)转变。转变。 在较大的驱动力下，在较大的驱动力下，晶格中的晶格中的铁铁原子以原子以切变切变方式方式，将其晶，将其晶格点阵从面心立方改组为体心立方格点阵从面心立方改组为体心立方。这时铁原子不改变相邻关。这时

17、铁原子不改变相邻关系系，每个原子相对周围原子发生仅为原来晶格间距几分之一的每个原子相对周围原子发生仅为原来晶格间距几分之一的移动，整个晶体结构发生了变化。一方面原子移动距离小，另移动，整个晶体结构发生了变化。一方面原子移动距离小，另一方面，要求所有原子同时移动，所以变化阻力大，仅在驱动一方面，要求所有原子同时移动，所以变化阻力大，仅在驱动力足够大时才发生。碳在面心立方中的溶解度大于体心立方晶力足够大时才发生。碳在面心立方中的溶解度大于体心立方晶格，对切变形成了阻力，含碳量愈低，转变愈容易。格，对切变形成了阻力，含碳量愈低，转变愈容易。第二节 钢在冷却时的转变nAB (F+Fe3C),其中F具有

18、一定过饱和度nAB上(550350 ）羽毛状 nFe3C以较粗大片状分布在较宽的F片之间,易发生脆断 ,HRC=45。nAB下(350240 ）针状 n强韧性好, Fe3C细小,均匀分布在过饱和F针内. 第二节 钢在冷却时的转变 在在“鼻尖鼻尖”到到350350的温度范围内等温，这时的温度范围内等温，这时铁从铁从fccfcc向向bccbcc结构转变的趋势相当大，这时碳有结构转变的趋势相当大，这时碳有一定的扩散能力，类似珠光体型转变，在原奥氏一定的扩散能力，类似珠光体型转变，在原奥氏体的晶界优先形成体的晶界优先形成F F的核心，并慢慢长大，在周围的核心，并慢慢长大，在周围聚集聚集C C到一定程度

19、到一定程度, ,便析出片状或棒状的便析出片状或棒状的Fe3CFe3C，断，断续分布与平行而密集的铁素体片之间续分布与平行而密集的铁素体片之间. .形成贝氏体形成贝氏体。 上上贝氏体转变贝氏体转变贝氏体的生长方式为从原奥氏体晶界开始，边向贝氏体的生长方式为从原奥氏体晶界开始，边向奥氏体晶内生长同时不断加宽，其组织为以奥氏奥氏体晶内生长同时不断加宽，其组织为以奥氏体晶界为干线的羽毛状，在羽毛的毛翎之间分布体晶界为干线的羽毛状，在羽毛的毛翎之间分布着析出的着析出的FeFe3 3C C，这种，这种碳碳化物存在于平行分布的化物存在于平行分布的铁素体片之间的贝氏体铁素体片之间的贝氏体称为称为“上贝氏体上贝

20、氏体”。第二节 钢在冷却时的转变第二节 钢在冷却时的转变性能特点：性能特点：在碳钢中，上贝氏体的力学性能指标并不好，这时在碳钢中，上贝氏体的力学性能指标并不好，这时的强度和硬度不太高，而韧性很低，工业生产中一般不用这种的强度和硬度不太高，而韧性很低，工业生产中一般不用这种组织的材料来制造机械零件。组织的材料来制造机械零件。 第二节 钢在冷却时的转变下下贝氏体转变贝氏体转变 在在350350到到M MS S点点( (约约230)230)的温度区间，转变的趋的温度区间，转变的趋势更大，但碳的扩散迁移能力又进一步减慢，当碳在势更大，但碳的扩散迁移能力又进一步减慢，当碳在小范围内迁移聚集小范围内迁移聚

21、集时时，主体的奥氏体基体就出现贫碳，主体的奥氏体基体就出现贫碳区就可以发生切变，从奥氏体转变为铁区就可以发生切变，从奥氏体转变为铁素素体。切变区体。切变区一般为凸镜状，发展的程度在一个奥氏体晶粒之内，一般为凸镜状，发展的程度在一个奥氏体晶粒之内，再形成的在已有的贝氏体和奥氏体晶界或两个已有的再形成的在已有的贝氏体和奥氏体晶界或两个已有的贝氏体之间。聚集的碳在转变的铁素体内部形成极细贝氏体之间。聚集的碳在转变的铁素体内部形成极细小的碳化物，不一定是小的碳化物，不一定是FeFe3 3C C，在光学显微镜下看不见，在光学显微镜下看不见，但它的但它的存存在会使贝氏体制样侵蚀加快成暗色；在电子在会使贝氏

22、体制样侵蚀加快成暗色；在电子显微镜下可以看到它们成细片状，这种显微镜下可以看到它们成细片状，这种碳化物在贝氏碳化物在贝氏体内的组织称为体内的组织称为“下贝氏体下贝氏体”。 第二节 钢在冷却时的转变第二节 钢在冷却时的转变性能特点：性能特点：下贝氏体有较高的强度和硬度，还有一定的韧性，即下贝氏体有较高的强度和硬度，还有一定的韧性，即有较好的强韧性配合，或称有良好的综合力学性能。在生产实际有较好的强韧性配合，或称有良好的综合力学性能。在生产实际中这是一中这是一种种常用的状态，但为了完成下贝氏体转变，不能直接冷常用的状态，但为了完成下贝氏体转变，不能直接冷却到室温，需要保温设备，并且转变时间长，生产

23、的效率不高。却到室温，需要保温设备，并且转变时间长，生产的效率不高。 第二节 钢在冷却时的转变 低温转变- M转变转变过程转变过程 当钢很快冷却到当钢很快冷却到M MS S( (共析钢约为共析钢约为230)230)以下，这时碳的可迁移以下，这时碳的可迁移能力也很低，在巨大的转变驱动力作用下，铁以切变的方式进行能力也很低，在巨大的转变驱动力作用下，铁以切变的方式进行从从fccfcc到到bccbcc的晶格改组，形成了的晶格改组，形成了碳在铁素体中的过饱和固溶体，碳在铁素体中的过饱和固溶体，成为成为“马氏体马氏体”。 由于大量碳的过饱和，将会给这时的铁素体带来巨大的晶由于大量碳的过饱和，将会给这时的

24、铁素体带来巨大的晶格畸变，碳原子处在的位置是体心立方的八面体间隙处，体心格畸变，碳原子处在的位置是体心立方的八面体间隙处，体心立方的八面体间隙是一扁形，溶入碳原子基本在一个方向变形立方的八面体间隙是一扁形，溶入碳原子基本在一个方向变形即可，为了减小晶格畸变，碳原子大多在同样的方向，所以马即可，为了减小晶格畸变，碳原子大多在同样的方向，所以马氏体的晶格点阵严格说来已经不是体心立方，而是体心正方，氏体的晶格点阵严格说来已经不是体心立方，而是体心正方，即晶格常数在一个方向被拉长。如果拉长的方向的晶格常数为即晶格常数在一个方向被拉长。如果拉长的方向的晶格常数为c c，另两个方向相等为，另两个方向相等为

25、a a，对于马氏体来说，对于马氏体来说，c/ac/a的值一般在的值一般在1 11.051.05之间。之间。 （切变型相变）第二节 钢在冷却时的转变切变型相变两种形态nMS 240 MS HRC= 62 65 。第二节 钢在冷却时的转变转变转变特点特点速度非常快速度非常快 钢从奥氏体向马氏体的转变速度非常快，几乎钢从奥氏体向马氏体的转变速度非常快，几乎无法测量，一般认为是以声速发展。无法测量，一般认为是以声速发展。转变数量不决定于保温时间，而取决于冷却到的温度转变数量不决定于保温时间，而取决于冷却到的温度 当奥当奥氏体迅速冷却到氏体迅速冷却到M MS S温度以下温度以下，立即发生相应的马氏体转变

26、，立即发生相应的马氏体转变，继续继续停留尽管还存在未转变完的奥氏体，但马氏体的数量并停留尽管还存在未转变完的奥氏体，但马氏体的数量并不再增加不再增加；而是随着温度的降低，马氏体的数量不断增加而是随着温度的降低，马氏体的数量不断增加，一直到某一温度一直到某一温度M Mf f以后，马氏体的数量不再增加了。以后，马氏体的数量不再增加了。因此因此，把把 M MS S 温度称为钢的马氏体点，即过冷奥氏体开始发生马氏温度称为钢的马氏体点，即过冷奥氏体开始发生马氏体转变的温度，把温度体转变的温度，把温度 M Mf f 称为马氏体转变的结束温度。称为马氏体转变的结束温度。转变不能进行到底转变不能进行到底 就是

27、冷却到就是冷却到M Mf f温度以下，钢中总有一定温度以下，钢中总有一定数量的奥氏体存在不能转变，这部分奥氏体成为残余奥氏体，数量的奥氏体存在不能转变，这部分奥氏体成为残余奥氏体，通常简记为通常简记为A A残残 或或A A。一般钢的。一般钢的 M Mf f 温度温度在室温以下，快速在室温以下，快速冷却到室温的钢中必然存在一定数量的残余奥氏体。冷却到室温的钢中必然存在一定数量的残余奥氏体。 第二节 钢在冷却时的转变马氏体的形态马氏体的形态 快速冷却得到的马氏体，随着原奥氏体中的含碳量的不同，快速冷却得到的马氏体，随着原奥氏体中的含碳量的不同，转变产物的组织形态也不相同，主要有两大类：板条马氏体和

28、转变产物的组织形态也不相同，主要有两大类：板条马氏体和透镜状马氏体。透镜状马氏体。 板条马氏体板条马氏体 奥氏体中的含碳量较低时，指小于奥氏体中的含碳量较低时，指小于0.2%Wt0.2%Wt时，时，形成的马氏体为板条状，也称为低碳马氏体。组织形貌为一形成的马氏体为板条状，也称为低碳马氏体。组织形貌为一个原奥氏体晶粒可以有几个板条束，在板条束中有时又可以个原奥氏体晶粒可以有几个板条束，在板条束中有时又可以分成几个平行的板条块，在板条内分布着稠密的平行的马氏分成几个平行的板条块，在板条内分布着稠密的平行的马氏体板条。稠密的板条之间是一层连续的高度变形的极薄的奥体板条。稠密的板条之间是一层连续的高度

29、变形的极薄的奥氏体薄膜氏体薄膜( (约约20nm)20nm)，马氏体内有大量位错。，马氏体内有大量位错。第二节 钢在冷却时的转变条状马氏体-低碳马氏体、位错马氏体特点：特点：得到的得到的低碳板条低碳板条马氏体马氏体过饱和度不大过饱和度不大，位错的强化结构位错的强化结构有较高的强度和韧性，具有良好的综合力学性能。如有较高的强度和韧性，具有良好的综合力学性能。如0.2%C0.2%C淬火淬火后，后，HRC50HRC50、 b b1500MPa1500MPa、 a ak k150150180J/cm180J/cm2 2。第二节 钢在冷却时的转变片状马氏体片状马氏体 奥氏体的含碳量大于奥氏体的含碳量大于

30、1.01.0时，得到的马氏体时，得到的马氏体形状呈针片状或竹叶状，故称为片状马氏体，其立体形态是形状呈针片状或竹叶状，故称为片状马氏体，其立体形态是双凸透镜片状，所以又称为透镜马氏体或高碳马氏体。在一双凸透镜片状，所以又称为透镜马氏体或高碳马氏体。在一个原奥氏体晶粒中，首先形成一个贯穿整个晶粒的马氏体片，个原奥氏体晶粒中，首先形成一个贯穿整个晶粒的马氏体片，以后形成的马氏体片尺寸受到限制，在已经存在的马氏体和以后形成的马氏体片尺寸受到限制，在已经存在的马氏体和奥氏体晶界或马氏体片之间，越后形成的马氏体片越小。马奥氏体晶界或马氏体片之间，越后形成的马氏体片越小。马氏体片之间互不平行，最后的三角区

31、为残余奥氏体。氏体片之间互不平行，最后的三角区为残余奥氏体。马氏体的形态马氏体的形态第二节 钢在冷却时的转变片状马氏体，高碳马氏体、孪晶马氏体、显微裂纹性能特点：性能特点：得到的得到的高碳片状高碳片状马氏体马氏体过饱和度大过饱和度大，严重的晶格畸严重的晶格畸变产生大的内应力，大片之间易产生显微裂纹。片状马氏体具变产生大的内应力，大片之间易产生显微裂纹。片状马氏体具有高的硬度和强度，但塑性和韧性很低。有高的硬度和强度，但塑性和韧性很低。HRC60HRC60、 a ak k 1J/cm1J/cm2 2。第二节 钢在冷却时的转变n5. 亚共析钢和过共析钢的TTT曲线 n 图形分析(与共析钢图形一样)

32、n亚共析钢有先析出F线n过共析钢有先析出Fe3C线n 40钢过冷,F析出受抑制,P型,所以不能 用显微分析判断钢种。 第二节 钢在冷却时的转变n 6. 影响C曲线形状和位置的因素 碳钢a.a. C%C%亚共析钢,C曲线右移;过共析钢,C曲线左移;共析钢,C曲线最右. C C曲线位置表示曲线位置表示A A稳定性稳定性,C,C曲线越靠右曲线越靠右,A,A越稳定越稳定 b.b. C%，MS、Mf,C曲线下移。 第二节 钢在冷却时的转变 合金钢 a.a. A中含Co、大于2.5%的Al,C曲线左移,其它均会使C曲线右移,A稳定性升高,还有一些Me的存在会使C形状变化,如Cr、W、Mo； b.b. Me

33、 存在也会影响MS、 Mf点； 加热因素 t、 ,C曲线右移,A越稳定,且晶粒粗化三、连续冷却转变C曲线( CCT图)1. 无B转变,因冷却速度快,无孕育期；2. 图形特点:与TTT基本一致,位置稍 偏右下；3. 连续冷却A转变特点: 晶粒粗细不等,组织为混合组织; 临界冷却温度:获得完全M组织 的最小冷却速度,或与转变开始线 相切的冷却速度。由于生产中连续冷却曲线不易获 得,所以通常将冷却速度线叠加到 等温转变C曲线(TTT图)上,来大致 估计冷却后获得什么组织. 第二节 钢在冷却时的转变第二节 钢在冷却时的转变n四、TTT图与CCT图的比较第三节 钢的整体热处理n一、退火定义定义：将钢加热

34、到临界点以上，保温一定时间然后缓慢冷却(炉冷、坑冷、灰冷)到600C以下再空冷。这样一种热处理工艺，称为退火(也叫焖火)。退火的目的退火的目的：1降低硬度，提高切削加工性2提高塑性，便于冷变形加工3消除组织缺陷，改善性能4淬火过热返修品，须经退火消除过热影响，再重新 淬火。这对于高速钢的返修淬火件尤其重要。5消除铸造偏析、使化学成分均匀化 6脱除氢气防止白点 7消除应力，稳定尺寸退火工艺退火工艺：1. 完全退火 2.等温退火 3.球化退火 4.去应力退火 5.均匀化退火第三节 钢的整体热处理第三节 钢的整体热处理第三节 钢的整体热处理第三节 钢的整体热处理n 二、正火n 定义定义：将钢加热到上

35、临界点(Ac3、Accm。)以上，进行完全奥氏体化，然后在空气中冷却（夏天有时需吹风或喷雾），这种热处理工艺，称为正火，也叫“常化”。n 正火的目的正火的目的 1细化组织，消除热加工造成的过热缺陷，使组织正常化。 2用于低碳钢(C0.3)，提高硬度，改善切削加工性。由低碳钢退火后硬度太低，切削加工中易“粘刀”，且光洁度很差。通过正火增加珠光体的弥散度和伪共析量,同时减少自由铁素体，以使硬度提高，便于切削加工。 3用于中碳钢，代替调质处理，为高频淬火作组织准备，可以减少调质淬火造成的变形，并且大大降低成本。 4用于高碳钢，消除网状碳化物，便予球化退火。 5用于大件热处理，代替淬火。 6用于铸铁件

36、，增加基体的珠光体量，提高强度和耐磨性。 7用于淬火返修品，可消除过热影响，以便重新淬火。 8不太重要的工件在正火状态使用，性能有所提高。钢中含碳越多，正火状态的强度和硬度越高于退火状态。 n正火工艺参数n正火加热温度的通式如下:n低碳钢： T=Ac3+(100150)C ；n中碳钢：T=Ac3+(50一100) C；n高碳钢： TAcm+(3050) C。第三节 钢的整体热处理n三、淬火n定义：定义：将钢加热到临界点以上，保温一定时间，然后在水或油等冷却介质中快速冷却，这种热处理工艺称为淬火。n淬火的目的：淬火的目的：n1提高硬度和耐磨性；2.提高弹性；3提高强韧性；4提高硬磁性(永磁性)；

37、5提高耐蚀性和耐热性第三节 钢的整体热处理n三、淬火n1. 淬火加热温度的选定n（1）亚共析钢加热温度n Ac3+（3050）Cn（2）过共析钢加热温度n Ac1+（3050）C第三节 钢的整体热处理n三、淬火第三节 钢的整体热处理n2. 淬火加热时间的确定n =KDn为加热系数，与钢种和加热介质有关；K为装炉量有关的系数，K=1-1.5；D为有效工件厚度。n3.淬火介质n三、淬火第三节 钢的整体热处理n3.淬火介质n（1 1）水）水 （2 2）盐水、碱水）盐水、碱水 （3 3）油）油 （4 4）其他淬火介质）其他淬火介质第三节 钢的整体热处理n4.淬火方法n（1）单液淬火n（2）双介质淬火n

38、（3）贝氏体等温淬火n（4）马氏体分级淬火n（5）深冷处理n三、淬火各种淬火方法示意图各种淬火方法示意图1单液淬火法单液淬火法2双液淬火法双液淬火法3分级淬火法分级淬火法4等温淬火法等温淬火法第三节 钢的整体热处理n5.淬火工件易出现的问题及其预防n（1 1）淬火后硬度不足或不均匀）淬火后硬度不足或不均匀n冷速不够或不均匀冷速不够或不均匀; ;脱碳脱碳; ;加热温度低于加热温度低于A AC3C3或保或保温不足温不足. .n（2 2）工件变形及开裂）工件变形及开裂n热应力和相变应力热应力和相变应力n三、淬火n6.钢的淬透性与淬硬性n淬透性淬透性是钢的一种热处理工艺性能,它表示钢在淬火时所能得到的

39、淬硬层深度。同样形状尺寸的工件，用不同的钢制造，在同样条件下淬火,淬硬层较深的，即淬透性较好,淬硬层较薄的，则淬透性较差。n通常把淬火钢从表面到马氏体组织占50处的距离成为淬硬层深度。实际淬硬层的深度除了与材料本身有关外，还与试样的大小、冷却方式有密切的关系。n淬硬性淬硬性是指正常淬火条件下获得马氏体组织所能达到的最高硬度。主要取决于马氏体的含碳量，而与合金元素关系不大。第三节 钢的整体热处理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过冷钢的淬透性好坏取决于钢的过冷奥氏体的稳定性，即奥氏体的稳定性，即C C曲线上的临界冷却速度。总的来说曲线上的临界冷却速度。总的来说有：有：钢的

40、含碳量，共析钢的淬透性最高；钢的含碳量，共析钢的淬透性最高；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，提高淬透曲线右移，提高淬透性；钢的成分组织不均匀，或因含有某些微量杂质，组性；钢的成分组织不均匀，或因含有某些微量杂质，组成第二相质点存在，可促使奥氏体分解，降低钢的淬透成第二相质点存在，可促使奥氏体分解，降低钢的淬透性；性；奥氏体化的温度、时间参数影响奥氏体的均匀性和稳定奥氏体化的温度、时间参数影响奥氏体的均匀性和稳定性，影响淬透程度，但这不全部为材料特征。性，影响淬透程度，但这不全部为材料特征。 第三节 钢的整体热处理第三节 钢的整体热处理淬透性的测定

41、方法淬透性的测定方法 目前普遍采用的是目前普遍采用的是“末端淬火法末端淬火法”( (简简称端淬称端淬) )方法，按国家标准方法，按国家标准GB225GB2256363执行。执行。 将将25X10025X100的试样加热奥氏体化后，迅的试样加热奥氏体化后，迅速放在专门的设备中喷水冷却。喷水条件：速放在专门的设备中喷水冷却。喷水条件：喷水管孔直径喷水管孔直径12.512.5，水温，水温23233030，自由，自由水柱高度水柱高度656555，喷水口到端面距离，喷水口到端面距离12.5mm12.5mm。测量出到端面不同距离的硬度，作。测量出到端面不同距离的硬度，作出硬度距离曲线，即淬透性曲线。出硬度

42、距离曲线，即淬透性曲线。 淬透性的表示方法淬透性的表示方法： ，其中，其中J J表示端淬法，表示端淬法，HRCHRC为硬度，为硬度，d d到端面的距离。例如，到端面的距离。例如， 。不同钢的淬透性。不同钢的淬透性带在相关手册中可以查到。带在相关手册中可以查到。 第三节 钢的整体热处理n四、回火 将淬火钢重新加热到A1点以下的预定温度，保温预定时间，然后冷却下来这种热处理操作称为“回火”。 回火目的： 1）消除应力，降低脆性； 2）稳定工件尺寸； 3）调整性能；第三节 钢的整体热处理n四、回火n1.淬火钢回火时的组织和性能变化 淬火后的钢组织为马氏体加残余奥氏体，都是不稳定组织，淬火后的钢组织为

43、马氏体加残余奥氏体，都是不稳定组织，本身有向稳定组织转变的趋势，回火的加热和保温仅仅是加速本身有向稳定组织转变的趋势，回火的加热和保温仅仅是加速这一过程的发展，这一过程的发展，是是转变发生的热处理阶段转变发生的热处理阶段。 1) 1)马氏体的分解（马氏体的分解（200200以下）以下） 回火时马氏体回火时马氏体中中过饱和的碳发生短距离的迁移，形成极细过饱和的碳发生短距离的迁移，形成极细的的碳化物碳化物(Fe(Fe2.42.4C)C)，以以薄片存在马氏体片中薄片存在马氏体片中，这种组织这种组织称为称为回回火马氏体火马氏体，马氏体中碳的过饱和度下降，晶格从体心正方向体，马氏体中碳的过饱和度下降，晶

44、格从体心正方向体心立方发展，残余奥氏体基本未发生变化。心立方发展，残余奥氏体基本未发生变化。 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，由于压应力的减小，残余奥，由于压应力的减小，残余奥氏体发生分解生产下贝氏体。回火马氏体的组织与下贝氏体非氏体发生分解生产下贝氏体。回火马氏体的组织与下贝氏体非常相象，难区常相象，难区分，分，分统一称为回火马氏体。碳化物在光学显微分统一称为回火马氏体。碳化物在光学显微镜下是不可见的，组织形貌有原来亮白色变为灰暗色镜下是不可见的，组织形貌有原来亮白色变为灰暗色。3)3)回火屈氏体的形成

45、（回火屈氏体的形成（250250400400） 这时碳的扩散运动能力有所加强，这时碳的扩散运动能力有所加强，过渡过渡碳化物转变成稳定碳化物转变成稳定渗碳体，铁素体的过饱和度明显减少，内应力大大消除，碳化渗碳体，铁素体的过饱和度明显减少，内应力大大消除，碳化物和母相的共格关系消失，原马氏体片的外形不清晰，大约到物和母相的共格关系消失，原马氏体片的外形不清晰，大约到400400全部完成全部完成，这时的组织为在铁素体上均匀分布极细的渗碳这时的组织为在铁素体上均匀分布极细的渗碳体，体，称为称为“回火屈氏体回火屈氏体”。在光学显微镜下，可以看到部分残。在光学显微镜下，可以看到部分残存的原马氏体的痕迹，但

46、看不到碳化物，组织几乎为一片黑。存的原马氏体的痕迹，但看不到碳化物，组织几乎为一片黑。 第三节 钢的整体热处理回火组织回火组织第三节 钢的整体热处理回火组织回火组织 微观组织分析结果：随着回火温度的升高，马氏体在微观组织分析结果：随着回火温度的升高，马氏体在150150400400变化明显；残余奥氏体变化明显；残余奥氏体200200开始分解，开始分解，300300消失；消失；内应力不断减小，内应力不断减小，450450基本消失；碳化物成分向渗碳体过渡，基本消失；碳化物成分向渗碳体过渡，尺寸不断增大，超过尺寸不断增大，超过600600会明显加速生长。会明显加速生长。 硬度在硬度在200200以下

47、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，强度强度也如此也如此。塑性随回火温度提高而提高塑性随回火温度提高而提高, ,到超过到超过600600因碳化物过大因碳化物过大会下降；韧性变化的趋势随回火温度的提高而提高，直到会下降；韧性变化的趋势随回火温度的提高而提高，直到600600附近最大而随后下降，此外在附近最大而随后下降，此外在350350附近有一低谷。附近有一低谷。 第三节 钢的整体热处理性能性能2.2.回火脆性回火脆性 第一类回火脆性第一类回火脆性 普通碳钢的韧性在普通碳钢的韧性在300300350350附近有一低谷，称为回火附近有一低谷，称为回火脆性。细小

48、薄片状过渡碳化物和刚形成的渗碳体在马氏体脆性。细小薄片状过渡碳化物和刚形成的渗碳体在马氏体的板条边界或马氏体片面的边界析出，硬而脆的碳化物割的板条边界或马氏体片面的边界析出，硬而脆的碳化物割裂了基体的连续性使钢的韧性下降，残余奥氏体分解的应裂了基体的连续性使钢的韧性下降，残余奥氏体分解的应力加重了脆性的程度，这种在力加重了脆性的程度，这种在回火时韧性出现谷值的现象回火时韧性出现谷值的现象成为成为“回火脆性回火脆性”。所有的钢几乎都存在。所有的钢几乎都存在第一类回火脆性第一类回火脆性，因此一般应避免在因此一般应避免在250250400400进行回火。弹簧钢加一定的进行回火。弹簧钢加一定的合金元素

49、来改变合金元素来改变第一类回火脆性出现的温度范围。第一类回火脆性出现的温度范围。 第三节 钢的整体热处理第三节 钢的整体热处理 第二类回火脆性第二类回火脆性 对于含对于含NiNi、CrCr、MnMn的钢在的钢在450450600600时，也出现韧时，也出现韧性下降现象，其原因有多种说法，主要认为是回火性下降现象，其原因有多种说法，主要认为是回火后冷却时，杂质元素在晶界的偏聚，这个现象称为后冷却时，杂质元素在晶界的偏聚，这个现象称为第二类回火脆性。第二类回火脆性仅在部分材料中第二类回火脆性。第二类回火脆性仅在部分材料中发生，并且回火后采用快速冷却可以抑制其发生，发生，并且回火后采用快速冷却可以抑

50、制其发生，因此对具有第二类回火脆性的钢在高温回火后必须因此对具有第二类回火脆性的钢在高温回火后必须采用快速冷却。采用快速冷却。 3.3.回火种类及其应用回火种类及其应用 低温回火低温回火 回火温度为回火温度为150150250250，得到的组织为，得到的组织为回火马氏体回火马氏体，保，保留淬火时的高硬度，消除淬火的残余应力。这时钢有好的耐留淬火时的高硬度，消除淬火的残余应力。这时钢有好的耐磨性，常用于轴承、冷作模具的热处理，回火温度低于磨性，常用于轴承、冷作模具的热处理，回火温度低于200200时，硬度可达到时，硬度可达到585864HRC64HRC。 中温回火中温回火 回火温度为回火温度为3

51、50350500500，得到的组织是，得到的组织是回火屈氏体回火屈氏体，在，在具有一定韧性的同时，有高的弹性极限和屈服强度。主要用具有一定韧性的同时，有高的弹性极限和屈服强度。主要用于弹簧类和要求较高强度硬度又要一定韧性的工件，如刀杆、于弹簧类和要求较高强度硬度又要一定韧性的工件，如刀杆、轴套等。轴套等。 第三节 钢的整体热处理第三节 钢的整体热处理 高温回火高温回火 回火温度为回火温度为500500650650，得到的组织是，得到的组织是回火索氏体回火索氏体，目，目的是使钢得到强度、硬度、塑性、韧性有良好配合的综的是使钢得到强度、硬度、塑性、韧性有良好配合的综合力学性能，尤其是冲击韧性高，且

52、可以直接进行机械合力学性能，尤其是冲击韧性高，且可以直接进行机械加工。淬火后进行高温回火的工艺通常称为加工。淬火后进行高温回火的工艺通常称为“调质调质”处处理。主要用于承受较大应力，特别是有冲击应力场合下理。主要用于承受较大应力，特别是有冲击应力场合下的结构零件，如各种轴、连杆、齿轮等，对具有第的结构零件，如各种轴、连杆、齿轮等，对具有第二二类类回火脆性的钢注意回火后应在水或油中冷却。回火脆性的钢注意回火后应在水或油中冷却。 3.3.回火种类及其应用回火种类及其应用 第四节 钢的表面热处理 机械零件在服役时，常常要求表面与心部具有不同的机械零件在服役时，常常要求表面与心部具有不同的力学性能，能

53、更好的发挥材料的潜力作用。例如在机力学性能，能更好的发挥材料的潜力作用。例如在机械中常用的齿轮，表面承受巨大的接触应力，希望有械中常用的齿轮，表面承受巨大的接触应力，希望有高的硬度来提高其耐磨性和接触疲劳抗力，同时又要高的硬度来提高其耐磨性和接触疲劳抗力，同时又要传递动力，齿部经受弯曲疲劳，要求材料有高的韧性，传递动力，齿部经受弯曲疲劳，要求材料有高的韧性，但一般材料当硬度高时韧性就差，然而若材料表面具但一般材料当硬度高时韧性就差，然而若材料表面具有高硬度，心部有高的韧性就可以兼顾二者的需求，有高硬度，心部有高的韧性就可以兼顾二者的需求，内燃机的曲轴也是同样的情况，传递动力且轴颈处耐内燃机的曲

54、轴也是同样的情况，传递动力且轴颈处耐磨。磨。达到材料表面和心部具有不同性能达到材料表面和心部具有不同性能的方法可能多的方法可能多种，一种是相同的材料，种，一种是相同的材料，表面和心部经过不同方式的表面和心部经过不同方式的热处理热处理；另一种方法是通过；另一种方法是通过改变材料表面成分改变材料表面成分的方法的方法来达到具有不同的性能，以下分别介绍之。来达到具有不同的性能，以下分别介绍之。 引言引言第四节 钢的表面热处理n1.1.基本原理基本原理： 首先对零件进行整体热处理，让零件首先对零件进行整体热处理，让零件心部达到要求的性能，例如轴、机床齿轮类，先进行心部达到要求的性能，例如轴、机床齿轮类，

55、先进行调质，再利用快速加热的方法，只将工件的部分表层调质，再利用快速加热的方法，只将工件的部分表层奥氏体化，然后淬火。表面淬火不改变材料的化学成奥氏体化，然后淬火。表面淬火不改变材料的化学成分，只表面获得马氏体组织，得到强化和硬化心部组分，只表面获得马氏体组织，得到强化和硬化心部组织并不发生变化，保持高的韧性。织并不发生变化，保持高的韧性。n2.2.淬火组织：淬火组织： 加热时，从表面到心部的温度不同，加热时，从表面到心部的温度不同，淬火后在组织也不同，最表层加热温度到淬火后在组织也不同，最表层加热温度到 Ac3Ac3以上，以上，为细小的马氏体为细小的马氏体，可能有少量未溶的铁素体；次表层可能

56、有少量未溶的铁素体；次表层的温度在的温度在Ac1Ac1Ac3Ac3之间，加热组织为铁素体加奥氏体，之间，加热组织为铁素体加奥氏体，淬火组织为铁素体加马氏体或铁素体加屈氏体；里层淬火组织为铁素体加马氏体或铁素体加屈氏体；里层温度在温度在 Ac1Ac1以下，未奥氏体化，不可能形成马氏体，以下，未奥氏体化，不可能形成马氏体，心部依然保留原始组织。心部依然保留原始组织。一、一、表面淬火表面淬火 第四节 钢的表面热处理3.3.加热方法加热方法： 将工件置于中频或高频将工件置于中频或高频(500(500500KHz)500KHz)的交变磁场中，在工件上有的交变磁场中，在工件上有感应电流，由于电流的集肤效应

57、，感应电流，由于电流的集肤效应，电流集中于表层，大的电流产生的电流集中于表层，大的电流产生的热量将工件表面迅速达到热量将工件表面迅速达到 80080010001000，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。由于冷却，达到表层淬硬的结果。由于加热速度快，温度高，奥氏体晶粒加热速度快，温度高，奥氏体晶粒细，硬度高于普通淬火硬度细，硬度高于普通淬火硬度2 23HRC3HRC，象象4545、40Cr40Cr、40MnB40MnB经正火或调质后经正火或调质后表面淬火，表层硬度大于表面淬火，表层硬度大于50HRC50HRC。感应加热表面淬火：感应加热表面淬火：3.3.加热

58、方法加热方法：感应加热表面淬火：感应加热表面淬火： 利用目测或用光学比色温温度计来测利用目测或用光学比色温温度计来测温温，以表面达到要求的，以表面达到要求的温度来决定加热的时间，因此在工艺性方面有一定的波动；温度来决定加热的时间，因此在工艺性方面有一定的波动； 感应功率越大，频率越高，淬硬层越浅。如感应功率越大，频率越高，淬硬层越浅。如2020500KHz500KHz获得获得的淬硬层的淬硬层2mm2mm，而，而0.50.510Khz10Khz下淬硬层为下淬硬层为2 26mm6mm。此外感应圈。此外感应圈的形状和结构对淬火质量也有很大的影响。的形状和结构对淬火质量也有很大的影响。 火焰加热表面淬

59、火：火焰加热表面淬火： 用氧乙炔用氧乙炔( (或其他燃料气或其他燃料气) )的高温火焰，可达近的高温火焰，可达近30003000，快，快速加热工件的表面，使表层迅速达到淬火温度，喷水冷却，也能速加热工件的表面，使表层迅速达到淬火温度，喷水冷却，也能达到表面淬火的目的。根据操作者控制，淬硬层深度可在达到表面淬火的目的。根据操作者控制，淬硬层深度可在0.80.86mm6mm范围。优点是简单、方便、价廉，特别是大型工件，但质量范围。优点是简单、方便、价廉，特别是大型工件，但质量的控制完全决定于操作者。的控制完全决定于操作者。 第四节 钢的表面热处理二、二、化学热处理简介化学热处理简介 化学热处理概念

60、化学热处理概念：化学热处理是化学热处理是指将材料置于一定的化学介质指将材料置于一定的化学介质中加热、保温，使介质中一种或几种元素的原子渗入工件表中加热、保温，使介质中一种或几种元素的原子渗入工件表层，层，以以改变工件表层化学成分和组织结构，来获得心部和表改变工件表层化学成分和组织结构，来获得心部和表层层兼顾有兼顾有不同性能要求的热处理方法不同性能要求的热处理方法。 过程过程：介质分解介质分解出出活性原子活性原子 介质加热分解释放出待渗元素介质加热分解释放出待渗元素的活性原子；的活性原子；界面上的原子交换界面上的原子交换 活性原子被材料表面吸收和溶解；活性原子被材料表面吸收和溶解；材料内原子的扩