机械制造基础 第三章 钢热处理

1、第三章 钢的热处理钢的热处理：通过加热、保温和冷却工序改变钢的 内部组织结构，从而获得预期性能的工艺方法热处理是一种重要的加工工艺，制造业广泛应用. 机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。模具、滚动轴承100%需经过热处理。重要零件都需适当热处理后才能使用。 强化钢材，提高机械零件的使用性能 消除前道工序产生的缺陷，为后续工序的顺利进行创造条件 充分发挥材料的潜力，赋予工件所需的最终使用性能w 钢在固态下的加热和冷却过程中，发生一系列组织结构转变，这些转变具有严格的规律性 普通热处理 ：退火、正火、淬火、回火 表面热处理：表面淬火、物理气

2、相沉积、化学 气相沉积 化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗分类第一节 钢在加热时的组织转变奥氏体化：机械零件进行热处理时，加热到相变 点以上，以获得全部或部分均匀的奥氏体组织的过程一、奥氏体的形成 奥氏体成分与铁素体和渗碳体相差很大，转变过程必须通过原子的扩散使碳原子重新分布珠光体向奥氏体的转变属于扩散型转变1）奥氏体晶核的形成2）奥氏体晶核的长大 3）剩余渗碳体的溶解 4）奥氏体均匀化优先在铁素体与渗碳体相界面处形核。 成分不均匀，原子排列不规则，位错、空位密度高，有利于奥氏体晶核的形成 晶核形成后，形成两个新的相界面，通过原子扩散，相邻铁素体晶格改组为奥氏体晶格，渗碳体不断相奥氏体中溶解，A

3、晶核向F 和Fe3C方向长大。未溶Fe3C铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。Fe3C溶解后，所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温，碳原子扩散，使奥氏体成分趋于均匀。钢热处理需要一定保温时间 把工件热透，组织转变完全 获得成分均匀的奥氏体组织，在冷却后得到良好的组织和性能共析钢奥氏体化过程 亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同，具有过剩相的转变和溶解特点。 由于先共析 或二次Fe3C的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上.二、 奥氏体晶粒的长大奥氏体晶粒细小 冷却后转变产物晶粒细小 强度、韧性、塑性较

4、好奥氏体晶粒粗大 冷却后转变产物晶粒粗大 强度、塑性差，韧性显著降低1.奥氏体晶粒度晶粒度：表示晶粒大小的尺度。可用晶粒的平均面积或平均直径表示。 工业生产上采用晶粒度等级表示晶粒大小。1.起始晶粒度:加热过程中，珠光体刚刚全部转变为奥氏体时的晶粒大小，比较细小，不稳定2.本质晶粒度：钢的奥氏体晶粒在规定条件下的长大倾向3.实际晶粒度：具体加热条件下得到的奥氏体晶粒大小，直接影响钢冷却后的组织和性能影响奥氏体晶粒大小的因素：1.加热温度 温度越高，晶粒长大速度越大，奥氏体晶粒越粗大2.保温时间 随着保温时间的延长，晶粒长大3.加热速度 加热速度越快，保温时间越短，晶粒越细4.原始组织 热处理前

5、原始组织越细，奥氏体形核基地越多，形核率越大，晶粒越细小5. 合金元素 阻碍晶粒长大的元素: Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。促进晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。6. 含碳量 一定范围内，晶粒长大倾向随含碳量增加而增大，超过一定限度后，形成过剩二次渗碳体，阻碍晶粒长大第二节 钢在冷却时的转变奥氏体冷却曲线：一、过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体：A1温度以下暂时存在的处于不稳定状态的奥氏体过冷奥氏体的等温转变：将钢加热到奥氏体状态后，迅速冷却到低于A1的某一温度，保温足够时间，使奥氏体在该温度下完成组织转变过程过冷奥氏体等温转变曲线：过冷奥氏体在不同过冷

6、度下的等温过程中，转变温度、转变时间与转变产物间的关系曲线图（C曲线）等温转变图分析时间时间温度温度A1MSMfA过冷过冷PBMAMABAP转变开始线转变开始线转变终了线转变终了线奥氏体奥氏体孕育期：过冷奥氏体开始转变前保持的时间 C曲线拐弯的“鼻尖处”（约550），孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定。C曲线明确表示了过冷奥氏体不同温度下的等温转变产物。过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能1.高温转变（珠光体型转变）：727550 珠光体转变是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，长大过程中，两侧奥氏体含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。珠光体转变是扩散

7、型转变。 珠光体转变过程珠光体：形成温度为A1-650，片层较厚，500倍光镜下可辨，符号P表示.光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌索氏体形成温度650-600,片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，符号S 表示。电镜形貌电镜形貌光镜形貌光镜形貌托氏体：形成温度600-550，片层极薄，电镜下可辨，符号T 表示。电镜形貌电镜形貌光镜形貌光镜形貌 珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，其界限也是相对的。 转变温度越低，片间距越小，相界面越多，钢的强度、硬度越高，塑性和韧性略有改善。 片间距片间距 bHRC 2.中温转变（贝氏体型转变）：550Ms贝氏体（B）：含

8、过饱和碳的铁素体与渗碳体的机械混合物 形成过程通过形核及核长大完成，转变温度较低，铁原子不能扩散，碳原子扩散不充分，晶格类型改变通过切变实现。属于半扩散型转变发生贝氏体转变时，首先在奥氏体中的贫碳区形成铁素体晶核，含碳量介于奥氏体与平衡铁素体之间，为过饱和铁素体。转变温度较高（550-350) 时，条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变宽，碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成B上 。上贝氏体转变过程转变温度较低（350- 230) 时，铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状，由于碳原子扩散能力低，迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一

9、定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。 下贝氏体转变上贝氏体（B上）：550350光镜下呈羽毛状.电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。光镜下电镜下下贝氏体(B下)：350MS光镜下电镜下光镜下呈竹叶状，电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，与铁素体针长轴方向呈55-60角。上贝氏体：脆性较大，强度较低无实用价值。下贝氏体：较高硬度和强度，良好的塑性和韧性，具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。等温淬火的方法获得 共析钢过冷奥氏体的等温转变亚共析钢和过共析钢的等温转变图二、过冷奥氏体的连续冷却转变1.过冷奥氏体的连续冷却转变图连续冷却转变图：钢经

10、奥氏体化后，在不同冷却速度的连续冷却条件下，过冷奥氏体转变为亚稳态产物时，转变开始及转变终了的时间与转变温度之间的关系曲线图过冷奥氏体连续冷却转变产物的组织和性能 较等温转变曲线向右下方移动，只有C曲线上半部分，没有中温贝氏体转变区域 按不同冷却速度冷却时，过冷奥氏体的转变产物接近于连续冷却转变曲线与等温转变曲线相交温度范围内所发生的等温转变产物将连续冷却的冷却曲线叠画在等温转变图上45钢850油冷组织M+T马氏体转变 冷却速度大于vk时，奥氏体快速冷却，转变快，铁、碳原子不及扩散，铁原子进行短距离移动发生晶格改组，过饱和碳来不及以渗碳体的形式从-Fe中析出，奥氏体中碳全部过量地溶解在-Fe晶

11、格中马氏体（M ）：碳在-Fe中的过饱和固溶体马氏体转化是强化金属材料的重要途径之一马氏体转变特点马氏体组织转变过程在一定温度范围内 连续冷却中进行 Ms点称为上马氏体点，冷却至Mf点时，马氏体转变终止，Mf称为下马氏体转变是一个无扩散型转变。 转变过冷度大，转变温度低，转变过程中没有成分变化，马氏体含碳量是原奥氏体含碳量马氏体转变特点马氏体转变没有孕育期。形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大奥氏体向马氏体的转变不完全。剩余的奥氏体称为残余奥氏体马氏体组织马氏体的组织形态 板条状马氏体 立体形态呈细长的扁棒状，光镜下为一束束细条组织。每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列，一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束。光镜下电镜下电镜下，板条内的亚结构主要是高密度位错，=1012/cm2，又称位错马氏体。主要产生于低碳钢（wc1.0%）的淬火组织中电镜下电镜下光镜下马氏体的力学性能 高强度 过饱和碳引起的晶格畸变，即固溶强化 马氏体转变时造成的大量晶体缺陷和组织的细化 过饱和碳以弥散碳化物的形式析出 硬度主要取