机械工程材料第四章

1、热处理的分类热处理的分类 1普通热处理普通热处理 退火、正火退火、正火 淬火、回火；淬火、回火； 2 表面热处理表面热处理 表面淬火表面淬火 化学热处理化学热处理改善钢的性能的途径有两种：合金化法和热处理；改善钢的性能的途径有两种：合金化法和热处理；热处理热处理：将钢在固态下加热到预定温度，并在该温度下保：将钢在固态下加热到预定温度，并在该温度下保持一定时间，然后以一定的速度冷却下来，使钢的内部持一定时间，然后以一定的速度冷却下来，使钢的内部组织发生变化，从而获得所需性能的一种热加工工艺。组织发生变化，从而获得所需性能的一种热加工工艺。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理加热和冷却时的相变点Ac

2、1A1Ar1Ac3A3Ar3AccmAcmArcmSPGQEFF+PPP+Fe3C AF+AA+ Fe3C C%第一节第一节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变实线部分反映的是热力学上近于平衡状态时的铁碳合金实线部分反映的是热力学上近于平衡状态时的铁碳合金的组织状态与温度及合金成分之间的关系，所以的组织状态与温度及合金成分之间的关系，所以A1线、线、A3线、线、Acm线是钢在缓慢加热和冷却过程中组织转变的线是钢在缓慢加热和冷却过程中组织转变的临界点。临界点。在实际钢进行热处理时，其组织转变并不按铁碳相图在实际钢进行热处理时，其组织转变并不按铁碳相图上所示的平衡温度进行，而是有不同程度的滞后现象。

3、上所示的平衡温度进行，而是有不同程度的滞后现象。通常将加热时的实际临界温度标以通常将加热时的实际临界温度标以“c”，如：，如：Ac1、Ac3、Accm；冷却的实际温度标以冷却的实际温度标以“r”，如：，如：Ar1、Ar3、Arcm；ACFeFAcT13其中，其中，F：bcc、Wc=0.0218%; Fe3C:正交晶系、正交晶系、Wc=6.69%; A:fcc 、Wc=0.77%;在此转变中，包括在此转变中，包括：1.晶格重构；晶格重构；2.碳原子的重新分布；碳原子的重新分布；奥奥氏体的形成是通过形核和长大过程来实现的：氏体的形成是通过形核和长大过程来实现的：其基本过程包括以下四个步骤：如图其基

4、本过程包括以下四个步骤：如图6-1所示：所示： 一、奥氏体的形成：奥氏体的形成： 奥氏体化奥氏体化：将钢加热到相变温度以上，使常温组织转：将钢加热到相变温度以上，使常温组织转变为高温组织奥氏体，这种转变叫做奥氏体化。变为高温组织奥氏体，这种转变叫做奥氏体化。 热处理与相图之间的关系：只有在加热、冷却过程中热处理与相图之间的关系：只有在加热、冷却过程中有固态相变发生的合金才能进行热处理。有固态相变发生的合金才能进行热处理。1、奥氏体的形核：、奥氏体的形核：在在 F / Fe3C相界面上形核相界面上形核2、奥氏体的长大：、奥氏体的长大：3、剩余渗碳体的溶解：、剩余渗碳体的溶解：4、奥氏体的成分均匀

5、化：、奥氏体的成分均匀化：亚共析钢中奥氏体的形成亚共析钢中奥氏体的形成: 室温组织室温组织:F先先+P； 当加热到当加热到Ac1以上时，以上时，PA，若进一步提高温度，则，若进一步提高温度，则F先先A，温度超过，温度超过Ac3时，过剩的时，过剩的F完全消失，全部组织为完全消失，全部组织为A；如图如图6-2所示；所示；1.3 过共析钢中奥氏体的形成过共析钢中奥氏体的形成：室温组织：室温组织：P+Fe3C；当加热到当加热到Ac1以上时，以上时，PA，若进一步提高温度，若进一步提高温度，则则Fe3C 溶解，温度超过溶解，温度超过Accm时，过剩的时，过剩的Fe3C完全溶解，全部组织为完全溶解，全部组

6、织为A；如图如图6-2所示；所示；二、影响奥氏体形成速度的因素二、影响奥氏体形成速度的因素1.加热温度、速度：加热温度、速度： 随着随着加热温度加热温度碳原子扩散能力强，碳原子扩散能力强，A中碳浓度梯度中碳浓度梯度增大，加速增大，加速A的形成；的形成；加热速度越快加热速度越快奥氏体形成温度奥氏体形成温度升高，升高，A转变所需的时间越短；转变所需的时间越短；2.化学成分：化学成分： 随着随着含碳量的增加含碳量的增加原始组织中渗碳体多，相界多，形原始组织中渗碳体多，相界多，形核率增，越有利于核率增，越有利于A的形成；的形成；3. 原始组织原始组织： 原始组织为片状原始组织为片状P时，时，原始组织越

7、细原始组织越细，相界越多，形核，相界越多，形核率增，率增， 越有利于越有利于A的形成；的形成；三、奥氏体晶粒度三、奥氏体晶粒度3.1奥氏体的晶粒度可分为：起始晶粒度、实际晶粒度、奥氏体的晶粒度可分为：起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度；本质晶粒度； 起始晶粒度起始晶粒度：珠光体刚刚全部转变为奥氏体时奥氏体：珠光体刚刚全部转变为奥氏体时奥氏体的晶粒度；的晶粒度； 实际晶粒度实际晶粒度：钢在具体的热处理或热加工条件下实际：钢在具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒的大小；一般情况下，它大于起始获得的奥氏体晶粒的大小；一般情况下，它大于起始晶粒度；晶粒度； 本质晶粒度本质晶粒度：表征钢在一定

8、条件下奥氏体长大的倾向：表征钢在一定条件下奥氏体长大的倾向性；性；晶粒长大倾向大的晶粒为本质粗晶粒；晶粒长大倾向大的晶粒为本质粗晶粒；晶粒长大倾向小的晶粒为本质细晶粒；晶粒长大倾向小的晶粒为本质细晶粒；在评定本质晶粒度时，通常将钢加热到在评定本质晶粒度时，通常将钢加热到930，保温，保温38小时，冷却后制成金相样品，在小时，冷却后制成金相样品，在100倍的显微镜下观察，倍的显微镜下观察，与标准晶粒度等级进行比较，晶粒度为与标准晶粒度等级进行比较，晶粒度为14级为本质粗晶级为本质粗晶粒、粒、58级为本质细晶粒；级为本质细晶粒；如图如图；注意：本质晶粒度与实际晶粒度的区别：注意：本质晶粒度与实际晶

9、粒度的区别： 如图如图；注意：注意： 对同一种钢而言：加热获得晶粒细小的奥氏体，对同一种钢而言：加热获得晶粒细小的奥氏体，冷却后的组织也细小，其力学性能较好；反之，冷却后的组织也细小，其力学性能较好；反之，加热时奥氏体晶粒粗大，冷却后获得的组织也加热时奥氏体晶粒粗大，冷却后获得的组织也粗大，力学性能不好；粗大，力学性能不好； 过热：加热时，奥氏体晶粒超过规定尺寸，这过热：加热时，奥氏体晶粒超过规定尺寸，这种热缺陷叫做过热；种热缺陷叫做过热； 钢在加热时常见的热缺陷：过热、氧化、脱碳；钢在加热时常见的热缺陷：过热、氧化、脱碳；第二节第二节钢在冷却时的转变t连续冷却连续冷却过冷奥氏体过冷奥氏体：在

10、在A1以下，未发生以下，未发生转变的不稳定奥氏体。转变的不稳定奥氏体。钢加热后的冷却方式：钢加热后的冷却方式：等温冷却等温冷却：C曲线（曲线（TTT曲线）曲线）连续冷却连续冷却（CCT曲线）曲线）钢的热处理加热是为了获得均匀而细小钢的热处理加热是为了获得均匀而细小的奥氏体，但这不是最终的目的，的奥氏体，但这不是最终的目的，热处理的关键在冷却，能决定最终热处理的关键在冷却，能决定最终所得到的组织，从而获得所需的性所得到的组织，从而获得所需的性能。能。一、过冷奥氏体等温转变曲线一、过冷奥氏体等温转变曲线将共析钢的过冷奥氏体在临界温度将共析钢的过冷奥氏体在临界温度Ar1以下某一温度进行等温转变，以下

11、某一温度进行等温转变，测定过冷奥氏体测定过冷奥氏体过冷奥氏体过冷奥氏体过冷奥氏体等温转变曲过冷奥氏体等温转变曲线图。线图。反映过冷奥氏体等温冷却时：反映过冷奥氏体等温冷却时：温度、时间、转变三者之间的关系曲线；温度、时间、转变三者之间的关系曲线；线线:A1线线：奥氏体和珠光体的平衡：奥氏体和珠光体的平衡温度；温度；Ms线线：奥氏体向马氏体转变的开始：奥氏体向马氏体转变的开始线；线；Mf线线：奥氏体向马氏体转变的终了：奥氏体向马氏体转变的终了线；线；C曲线中左边的曲线为曲线中左边的曲线为转变开始线转变开始线，右边的曲线为右边的曲线为转变终了线转变终了线；共析钢C曲线分析孕育期孕育期 表示过冷表示

12、过冷A 的稳定程度的稳定程度四个区域四个区域： 奥氏体稳定区奥氏体稳定区 过冷奥氏体区过冷奥氏体区 转变产物区转变产物区 转变区转变区C曲线形状曲线形状三种转变类型三种转变类型 高温转变区：高温转变区：P型转变型转变 中温转变区：中温转变区：B型转变型转变 低温转变区：低温转变区：M型转变型转变 共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1A1550珠光体转珠光体转变区；变区；550Ms贝氏体转贝氏体转变区；变区；MsMf马氏体转马氏体转变区；变区；由图中由图中可

13、以看出，经过一段时间后，过冷奥氏体才开始可以看出，经过一段时间后，过冷奥氏体才开始转变，这段时间叫做转变，这段时间叫做孕育期孕育期；转变开始后转变速度逐渐；转变开始后转变速度逐渐加快，加快，当当A转变体积分数达到转变体积分数达到50%时转变速度最大时转变速度最大。注意：注意：孕育期孕育期：孕育期的长短表示过冷奥：孕育期的长短表示过冷奥氏体的稳定性的高低；氏体的稳定性的高低；由由C曲线可知，共析钢在曲线可知，共析钢在550左右左右孕育期最短，表示过冷奥氏体最不孕育期最短，表示过冷奥氏体最不稳定，此处叫做稳定，此处叫做C曲线的曲线的“鼻子鼻子”；“鼻子鼻子”所对应的温度叫做所对应的温度叫做“鼻温鼻

14、温”；从从A1到到“鼻温鼻温”之间，随着过冷度的之间，随着过冷度的增大，孕育期缩短，过冷奥氏体的增大，孕育期缩短，过冷奥氏体的稳定性下降；稳定性下降；从从“鼻温鼻温”到到Ms线之间，随着过冷度线之间，随着过冷度的增大，孕育期增长，过冷奥氏体的增大，孕育期增长，过冷奥氏体的稳定性增大；的稳定性增大；(一）过冷奥氏体的转变产物及性能一）过冷奥氏体的转变产物及性能1、珠光体转变：、珠光体转变：过冷奥氏体在过冷奥氏体在A1550的温度范围等温的温度范围等温停留时，将发生珠光体转变：停留时，将发生珠光体转变： AF+Fe3C珠光体的形成伴随着两个过程的同时进珠光体的形成伴随着两个过程的同时进行：行：a）

15、Fe、C原子扩散；原子扩散； b）晶格的重）晶格的重组；组；这两个过程是依靠碳原子和铁原子的扩这两个过程是依靠碳原子和铁原子的扩散来完的，所以，珠光体转变是一种散来完的，所以，珠光体转变是一种典典型的扩散型相变。型的扩散型相变。珠光体形态：过冷度不同，形态也不同；珠光体形态：过冷度不同，形态也不同； A1650 珠光体珠光体P 组织较粗，组织较粗， 片间距：片间距：0.61.0m（用（用500倍光学显微镜可观察）倍光学显微镜可观察） 650600 索氏体索氏体S 层片较细层片较细 片间距为片间距为0.250.3m（8001000倍光学显微镜才可分辨）倍光学显微镜才可分辨） 600550 屈氏体

16、屈氏体T 极细片间距极细片间距0.10.15m（电子显微镜观察）（电子显微镜观察） P、S、T都为都为F和和Fe3C的机械混合物，只不过是片层的粗细不同，的机械混合物，只不过是片层的粗细不同，珠光体性能：珠光体性能： 珠光体片珠光体片越细越细 HB，b C%相同时，球状相同时，球状 P 比片状比片状 P HB，b，a)700C等温等温2500b)650C等温等温7500c)600C等温等温11000 珠珠 光光 体体 形形 貌貌 像像光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌 索索 氏氏 体体 形形 貌貌 像像 屈屈 氏氏 体体 形形 貌貌 像像电镜形貌光镜形貌三. 珠光体组织图

17、5-46 0.7%C钢950 C退火珠光体的薄膜透射电子显微组织同一晶团内铁素体和渗碳体的分布 17000a)珠光体中铁素体和渗碳体交叠时形成的水纹花样 460002、贝氏体转变：、贝氏体转变： 过冷奥氏体在过冷奥氏体在550Ms点温度范围点温度范围内等温停留内等温停留时，将发生贝氏体类型的转变；得到贝氏体，用时，将发生贝氏体类型的转变；得到贝氏体，用B表示；表示； 贝氏体：贝氏体：过饱和的铁素体过饱和的铁素体F和渗碳体和渗碳体的混合物；的混合物； 由于转变的温度较低，过冷度较大，贝氏体转变由于转变的温度较低，过冷度较大，贝氏体转变时只有碳原子扩散，铁原子不扩散，所以贝氏体时只有碳原子扩散，铁

18、原子不扩散，所以贝氏体转变是一种转变是一种半扩散型转变。半扩散型转变。贝氏体的形态：贝氏体的形态： 分为上贝氏体分为上贝氏体B上上和下贝氏体和下贝氏体B下下；上贝氏体：在上贝氏体：在550350等温停留等温停留如图如图6-10所示所示； 亚结构：位错；亚结构：位错；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毛状形态形态：光学显微镜下：中、高碳钢上贝氏体的典型特征呈：光学显微镜下：中、高碳钢上贝氏体的典型特征呈羽毛羽毛状，如图状，如图a所示；所示；在电子显微镜下：上贝氏体由许多从奥氏体晶界向晶内平在电子显微镜下

19、：上贝氏体由许多从奥氏体晶界向晶内平行生长的行生长的板条状板条状铁素体和在相邻铁素体和在相邻铁素体条间存在的不连续铁素体条间存在的不连续的的短杆状短杆状的渗碳体所组成。的渗碳体所组成。可以看到铁素体呈暗黑色，渗可以看到铁素体呈暗黑色，渗碳体呈白亮色，碳体呈白亮色， 上贝氏体组织金相图上贝氏体组织金相图图5-41 20Mn钢中的无碳化物贝氏体 图5-42 25Cr2Ni4WA钢420C等 2000 温淬火形成的上贝氏体 10000 下贝氏体：在下贝氏体：在350Ms点等温停留点等温停留 形态形态： 在在光学显微镜光学显微镜下：呈黑色针状；下：呈黑色针状； 在在电子显微镜电子显微镜下：在下贝氏体针

20、状的铁下：在下贝氏体针状的铁素体内分布着细微的碳化物，这些碳化素体内分布着细微的碳化物，这些碳化物平行排列并与铁素体的长轴呈物平行排列并与铁素体的长轴呈5565取向。亚结构：位错，但密度大于上贝取向。亚结构：位错，但密度大于上贝氏体；氏体； 下贝氏体组织金相图下贝氏体组织金相图图5-45 40Cr840C加热,310C等温时形成的下贝氏体 明场 30000贝氏体的性能：主要取决于组织的形态；贝氏体的性能：主要取决于组织的形态； 上贝氏体：上贝氏体： 铁素体条较宽铁素体条较宽强度、硬度低强度、硬度低 渗碳体以短杆状分布在铁素体条之间，渗碳体以短杆状分布在铁素体条之间，塑性和韧性差；塑性和韧性差；

21、 机械性能不好，生产中应用较少。机械性能不好，生产中应用较少。下贝氏体：下贝氏体：铁素体针细小而均匀分布铁素体针细小而均匀分布塑性、韧性好；塑性、韧性好；在铁素体内又沉淀析出细小、多量而弥散分布的在铁素体内又沉淀析出细小、多量而弥散分布的渗碳体，而且具有高密度的位错渗碳体，而且具有高密度的位错强度高；强度高；HB，b 耐磨性耐磨性 ，塑、韧性好，塑、韧性好。机械性能好机械性能好3、马氏体转变：、马氏体转变： 当冷却速度很大时，过冷奥氏体冷到当冷却速度很大时，过冷奥氏体冷到230以下，将发生马氏体转变，形成以下，将发生马氏体转变，形成马氏体，用马氏体，用M表示；表示； 马氏体：碳在马氏体：碳在-

22、Fe中的过饱和固溶体，中的过饱和固溶体，具有体心正方晶格，具有体心正方晶格，如图如图6-14所示。所示。马氏体转变的特点：马氏体转变的特点：奥氏体向马氏体的转变奥氏体向马氏体的转变在一个温度范围内进行；在一个温度范围内进行； Ms点点：A开始发生开始发生M转变的温度叫做转变的温度叫做Ms点。点。 Mf点点：马氏体转变终了温度；：马氏体转变终了温度；马氏体相变是不完全相变。转变终了后，并不能获得马氏体相变是不完全相变。转变终了后，并不能获得100的马氏体，总有部分奥氏体保留下来，这部分奥的马氏体，总有部分奥氏体保留下来，这部分奥氏体叫做氏体叫做残余奥氏体，用残余奥氏体，用A表示；表示；Ms点、点

23、、Mf点的高低主要取决于奥氏体的含碳量及合金点的高低主要取决于奥氏体的含碳量及合金元素含量。元素含量。C和合金元素和合金元素(除除Al、Co外）均使外）均使Ms点、点、Mf点下降，使室温下点下降，使室温下A的数量增多的数量增多马氏体转变是奥氏体在较低的温度区极大过冷度下进马氏体转变是奥氏体在较低的温度区极大过冷度下进行的，铁原子和碳原子都不能进行扩散行的，铁原子和碳原子都不能进行扩散,因而不发生成因而不发生成分的变化分的变化,转变前的奥氏体的成分与转变后马氏体具有转变前的奥氏体的成分与转变后马氏体具有相同的含碳量；转变是相同的含碳量；转变是无扩散式无扩散式的。的。奥氏体转变为马氏体，奥氏体转变

24、为马氏体，体积增大体积增大马氏体的形态马氏体的形态:取决于含碳量；取决于含碳量； 板条马氏体板条马氏体(1.0%C)高碳高碳 M （孪晶（孪晶 M） 如如图图6-22所示，其立体形态为双凸透镜形，截面形所示，其立体形态为双凸透镜形，截面形状为针状，亚结构为孪晶，所以又叫孪晶马氏体。状为针状，亚结构为孪晶，所以又叫孪晶马氏体。 混合马氏体含碳量在混合马氏体含碳量在0. 31.0%为。为。 低碳板条状马氏体组织金相图低碳板条状马氏体组织金相图 高碳针片状马氏体组织金相图高碳针片状马氏体组织金相图马氏体的性能：马氏体的性能： 高强度和高硬度高强度和高硬度； C%HB马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳

25、量，马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量，即母相奥氏体的含碳量即母相奥氏体的含碳量如图；随着含碳量的增加，硬如图；随着含碳量的增加，硬度也增高，尤其在含碳量较低的情况下，硬度增高的度也增高，尤其在含碳量较低的情况下，硬度增高的很明显，到含碳量大于很明显，到含碳量大于0.6%时，硬度增加趋于平缓。时，硬度增加趋于平缓。马氏体高强度、高马氏体高强度、高硬度的原因：硬度的原因：固溶强化；固溶强化；相变强化；相变强化；马氏体的塑性、韧性马氏体的塑性、韧性低碳低碳M位错（板条）马氏体的塑性、韧性好位错（板条）马氏体的塑性、韧性好碳在马氏体中过饱和程度小，晶格畸变轻微、淬火内应力小，不碳在马氏体中过饱和程

26、度小，晶格畸变轻微、淬火内应力小，不存在显微裂纹，亚结构主要是位错存在显微裂纹，亚结构主要是位错高碳高碳M：孪晶（针状）马氏体塑性、韧性差：孪晶（针状）马氏体塑性、韧性差碳在马氏体中过饱和程度大，晶格畸变严重、内碳在马氏体中过饱和程度大，晶格畸变严重、内 应力大，存在淬火显微裂纹，亚结构主要是孪晶应力大，存在淬火显微裂纹，亚结构主要是孪晶因此因此，低碳低碳 M 强韧性好强韧性好 高碳高碳 M 必须回火必须回火（二）、影响（二）、影响C曲线的因素：曲线的因素：1、 含碳量的影响：含碳量的影响： 亚共析钢亚共析钢含碳量含碳量， C曲线右移；如图曲线右移；如图6-24a所示；在此曲线的鼻尖上部区域比

27、共析钢多了一所示；在此曲线的鼻尖上部区域比共析钢多了一条先共析铁素体析出线；这表示此类钢在奥氏体条先共析铁素体析出线；这表示此类钢在奥氏体转变之前先有铁素体的析出；转变之前先有铁素体的析出； 过共析钢过共析钢含碳量含碳量 ，C曲线曲线左移左移；如图；如图6-24c所所示；在此曲线的鼻尖上部区域比共析钢多了一条示；在此曲线的鼻尖上部区域比共析钢多了一条先共析渗碳体的析出线；这表示此类钢在奥氏体先共析渗碳体的析出线；这表示此类钢在奥氏体转变之前先有渗碳体的析出；转变之前先有渗碳体的析出；奥氏体中含碳量的影响奥氏体中含碳量的影响:过共过共析钢析钢共析共析 钢钢亚共亚共析析钢钢时间温度A12、 合金元

28、素的影响：合金元素的影响：除了除了Co之外之外，所有的溶入奥氏体，所有的溶入奥氏体的合金元素均使奥氏体的稳定性的合金元素均使奥氏体的稳定性增加，增加，使使C曲线右移；曲线右移；有些合金元素溶入奥氏体之后还有些合金元素溶入奥氏体之后还会使会使C曲线的形状发生变化；曲线的形状发生变化；3、奥氏体状态的影响、奥氏体状态的影响加热温度加热温度，加热时间，加热时间 C曲线曲线右移右移使奥氏体成分均匀，奥氏体的稳使奥氏体成分均匀，奥氏体的稳定性增加定性增加 tA1Cr,Mo,W,VCr,Mo,W,VCo先析出相先析出相二、过冷奥氏体连续转变曲线二、过冷奥氏体连续转变曲线 在生产实践中，奥氏体转变大多是在连

29、续冷却的在生产实践中，奥氏体转变大多是在连续冷却的过程中进行的，为此，我们要研究过冷奥氏体连过程中进行的，为此，我们要研究过冷奥氏体连续转变曲线，它又叫续转变曲线，它又叫CCT图；图；CCT图的分析图的分析: 如图如图6-25是共析钢的连续冷却转变曲线；是共析钢的连续冷却转变曲线； 特点：特点：没有贝氏体转变区没有贝氏体转变区； 线：线：PS线：线：AP转变开始线；转变开始线； Pz线：线： AP转变终了线；转变终了线； K线：线：AP转变中止线；转变中止线； 过冷奥氏体的冷却速度不同，发生的转变和室温过冷奥氏体的冷却速度不同，发生的转变和室温组织不同；组织不同； 当当VVC时，发生时，发生A

30、P转变，转变，室温组织：室温组织：P；当当VCVVC时，冷至时，冷至PS线时，发生线时，发生AP转变，转变，继续冷至继续冷至K线，线，P转变中转变中止，再继续冷至止，再继续冷至MS线，线，发生发生AM转变，转变，室温组织：室温组织：P+M；当当VVC时，发生时，发生AM转变，转变，室温组织：室温组织：M+A；VC：表示过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解而全部冷至表示过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解而全部冷至MS点以下发生马点以下发生马氏体转变的最小冷却速度，叫做上临界冷却速度氏体转变的最小冷却速度，叫做上临界冷却速度 ，也叫，也叫临界淬火速度临界淬火速度；VC：表示过冷奥氏体在连续冷却过

31、程中全部转变为珠光体的最大冷却速度，叫：表示过冷奥氏体在连续冷却过程中全部转变为珠光体的最大冷却速度，叫做下临界冷却速度；做下临界冷却速度；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曲线曲线第三节第三节 钢的退火与正火钢的退火与正火毛坯生产毛坯生产 预备热处理预备热处理 机械机械加工加工 最终热处理最终热处理 机械精加机械精加工工预备热处理预备热处理 : 退火退火 ; 正火正火最终热处理最终热处理 : 淬火淬火

32、; 回火回火一般零件生产的工艺路线一般零件生产的工艺路线: 将钢加热、保温冷却后，使其组织达到或接近平将钢加热、保温冷却后，使其组织达到或接近平衡状态的热处理工艺称之为衡状态的热处理工艺称之为退火和正火退火和正火。 退火：炉内缓冷；退火：炉内缓冷； 正火：正火： 空冷空冷退火与正火的目的：退火与正火的目的：退火与正火一般安排在铸造或锻造之后，切削加工退火与正火一般安排在铸造或锻造之后，切削加工之前，作为预先热处理，目的如下：之前，作为预先热处理，目的如下： 软化钢件以便进行切削加工；软化钢件以便进行切削加工； 消除残余应力，以防钢件的变形与开裂；消除残余应力，以防钢件的变形与开裂； 细化晶粒，

33、改善组织以提高钢的机械性能；细化晶粒，改善组织以提高钢的机械性能； 为最终热处理（淬火、回火）作组织上的准备；为最终热处理（淬火、回火）作组织上的准备；一、钢的退火一、钢的退火退火退火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等温退火等温退火根据钢的成分、工艺与目的不同，根据钢的成分、工艺与目的不同，扩散退火扩散退火（一）扩散退火（均匀化退火）（一）扩散退火（均匀化退火）定义定义：将钢锭、铸件或锻坯加热到稍低于固相：将钢锭、铸件或锻坯加热到稍低于固相线的温度，长时间保温，然后缓冷以消除化学线的温度，长时间保温，然后缓冷以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。成分不均匀现象的热处理工艺。

34、 目的目的：消除有害气体的危害，如氢致白点；使合金元素：消除有害气体的危害，如氢致白点；使合金元素扩散均匀，改善或消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的扩散均匀，改善或消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，轧锻材中的带状组织；消除轴承枝晶偏析及区域偏析，轧锻材中的带状组织；消除轴承钢中的液析碳化物，均匀成分，均匀组织。钢中的液析碳化物，均匀成分，均匀组织。 适用钢种适用钢种：一些优质中、高合金钢或偏析严重的合金钢：一些优质中、高合金钢或偏析严重的合金钢铸件及铸锭铸件及铸锭 工艺参数工艺参数： 加热温度：加热温度：AcAc3（A Accm）+150+150300300 碳钢碳钢 1100

35、 1100 1200 1200 ； 合金钢合金钢 1200 1200 1300 1300 。 55 保温时间保温时间： 与钢种和偏析程度有关，一般为与钢种和偏析程度有关，一般为（30306060）min/25mmmin/25mm，或（，或（1.51.52.52.5）min/mmmin/mm 按装炉量按装炉量Q Q计算：计算： .5.5/ /（小时）（小时） 装炉量（吨）装炉量（吨） 一般为一般为10101515问题问题： 一般扩散退火加热温度高，时间长，一般扩散退火加热温度高，时间长，晶粒会粗大晶粒会粗大（不能作为淬火的预备组织），（不能作为淬火的预备组织），扩散退火之后要进行一次扩散退火之后

36、要进行一次完全退火或正火完全退火或正火来进行细化晶粒，消除过热缺陷。来进行细化晶粒，消除过热缺陷。 高温扩散退火周期长、能耗大、氧化脱碳高温扩散退火周期长、能耗大、氧化脱碳严重、成本高严重、成本高 故：尺寸不大的铸件或碳钢铸件，有时可故：尺寸不大的铸件或碳钢铸件，有时可采用完全退火来代替（偏析轻）。采用完全退火来代替（偏析轻）。（二）完全退火：（二）完全退火： 完全退火：完全退火：将工件加热到将工件加热到Ac3以上以上2030，保温一定时，保温一定时间后，间后，随炉缓慢随炉缓慢冷至冷至500以下，在以下，在空气中冷却空气中冷却至室温至室温的一种热处理工艺。的一种热处理工艺。 用途：用于用途：用

37、于亚共析钢亚共析钢（Wc=0.30.6%）或）或合金钢合金钢的锻、的锻、铸、焊接件。铸、焊接件。 目的：目的：降低硬度、便于切削加工；细化晶粒、消除应降低硬度、便于切削加工；细化晶粒、消除应力、均匀组织。力、均匀组织。 完全退火后的组织：完全退火后的组织：F先先+P；低碳钢和过共析钢不适合于完全退火低碳钢：退火后硬度偏低，切削时易粘刀过共析钢：加热至Accm以上奥氏体化后缓冷得到组织为P+Fe3C，硬度较高，强度、塑性、韧性下降（三）等温退火：（三）等温退火：将某些高合金钢加热到将某些高合金钢加热到Ac3以上以上2030，保温一段时间奥氏体化，保温一段时间奥氏体化后，以较快速度冷到珠光体后，以

38、较快速度冷到珠光体C曲线鼻尖部位，曲线鼻尖部位，并进行等温转变，转变结束后，可空冷至并进行等温转变，转变结束后，可空冷至室温，这种退火方法叫做等温退火室温，这种退火方法叫做等温退火。 特点：比完全退火节省时间；特点：比完全退火节省时间；如图如图6-29所示；得到适合加工的所示；得到适合加工的索氏体组织索氏体组织 等温退火的等温温度根据钢的成分和要等温退火的等温温度根据钢的成分和要求的硬度，由该种钢的求的硬度，由该种钢的C曲线确定。曲线确定。（四）球化退火：（四）球化退火：是使钢中的碳化物球化是使钢中的碳化物球化的一种热处理工艺。的一种热处理工艺。 用途：用途：主要应用于共析钢、过共析钢和高碳合

39、金工具钢。主要应用于共析钢、过共析钢和高碳合金工具钢。 定义定义：将过共析钢加热到：将过共析钢加热到Ac1 Accm 之间，经保温后缓慢之间，经保温后缓慢冷却，使钢中碳化物球化冷却，使钢中碳化物球化 ，获得球化组织的一种热处理工，获得球化组织的一种热处理工艺。艺。 目的：目的：降低硬度、改善切削加工性能，并为淬火做组降低硬度、改善切削加工性能，并为淬火做组 织准织准备。备。 过共析钢的室温平衡组织为：过共析钢的室温平衡组织为：P （片）（片） +Fe3C （网）（网）； 球化退火后的组织：球化退火后的组织：铁素体和球状渗碳体的混合物，铁素体和球状渗碳体的混合物，叫做叫做球状珠光体或粒状珠光体，

40、用球状珠光体或粒状珠光体，用P粒粒表示，表示，如图如图6-30所示所示； 生产中常采用等温球化退火；生产中常采用等温球化退火；为什么将加热温度定于为什么将加热温度定于Ac1 Accm ？ 过共析钢的室温平衡组织为：过共析钢的室温平衡组织为： P+Fe3C，不仅硬，不仅硬度高，而且增大了钢的脆性，所以切削加工困难，度高，而且增大了钢的脆性，所以切削加工困难，淬火时易变形、开裂；淬火时易变形、开裂； 加热温度为加热温度为Ac1以上以上2030，在在A中保留大量的中保留大量的未未溶渗碳体质溶渗碳体质点，并造成点，并造成A的碳浓度分布不均匀，的碳浓度分布不均匀，在随后的缓冷过程中，或以原有的渗碳体质点

41、为在随后的缓冷过程中，或以原有的渗碳体质点为核心，或在核心，或在A富碳区产生新的核心，均匀的形成富碳区产生新的核心，均匀的形成颗粒状渗碳体；颗粒状渗碳体； 球化退火前，若二次渗碳体网较厚，可先正火。球化退火前，若二次渗碳体网较厚，可先正火。 共析钢球化退火组织 ( 化染 ) 700 T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 （五）（五） 去应力退火：去应力退火：又叫低温退火，一般又叫低温退火，一般是将工件随炉缓慢加热（是将工件随炉缓慢加热（100150/h）至）至500650（Ac1），保温一定时间后随炉），保温一定时间后随炉缓冷（缓冷（50100/h）至）至200出炉。出炉。 特点特点：在

42、退火过程中没有相变在退火过程中没有相变；残余应；残余应力主要是通过钢在力主要是通过钢在50065保温后缓冷保温后缓冷过程中消除的；过程中消除的； 用途用途：用来消除铸件、锻件、焊接件、：用来消除铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件等的残余应力；热轧件、冷拉件等的残余应力； 二、钢的正火二、钢的正火 定义定义：将钢加热到将钢加热到Ac3或或Accm以上以上3050，保温保温完全化后完全化后，从炉中取出从炉中取出空冷空冷以得到以得到珠光体珠光体类型类型组织的热处理工艺，称为正火。组织的热处理工艺，称为正火。正火与退火的比较：正火与退火的比较：实质上：正火是退火的一个特例；实质上：正火是退火的一个特例

43、；共同点：共同点：；扩散型相变，得到软韧组织；扩散型相变，得到软韧组织；不同点：不同点：工艺上：工艺上：冷却速度快些，转变温度低冷却速度快些，转变温度低组织上：组织上：比退火组织细，比退火组织细，性能上：性能上：钢的强度、硬度也较高钢的强度、硬度也较高工艺参数工艺参数:温温 度度 ( C )名名 称称Ac3 + 3050亚共析钢亚共析钢Ac1 + 3050共析钢共析钢Accm + 3050过共析钢过共析钢热处理后的组织热处理后的组织: :S (Wc=0.61.4%) S+F少少 (Wc0.6%)、应用应用：改善切削加工性能改善切削加工性能：预备热处理预备热处理 （含碳低于（含碳低于0.25%0

44、.25%的的-HB140-190-HB140-190）低碳钢低碳钢消除热加工缺陷，为淬火做组织准备消除热加工缺陷，为淬火做组织准备：（中碳结构钢铸、：（中碳结构钢铸、锻、轧件、焊接件的魏氏组织、粗大晶粒、带状组织）锻、轧件、焊接件的魏氏组织、粗大晶粒、带状组织）消除消除过共析钢过共析钢中的中的Fe3CFe3C，有利于球化退火的进行，有利于球化退火的进行 （抑制二次碳化物的析出，获得伪共析体。）（抑制二次碳化物的析出，获得伪共析体。）提高普通结构件的机械性能：提高普通结构件的机械性能：作为最终热处理，代替调作为最终热处理，代替调质处理，力学性能要求不高的质处理，力学性能要求不高的中低碳钢和中低合

45、金钢结中低碳钢和中低合金钢结构件构件 三、退火和正火的选取原则三、退火和正火的选取原则（1 1）0.250.25的的低碳钢，正火低碳钢，正火代替退火，代替退火，利于切削加工；防止游离三次渗碳体的析出，利于切削加工；防止游离三次渗碳体的析出，提高工件的冷变形性。提高工件的冷变形性。（2 2）0.250.250.50.5的的中碳钢中碳钢，也采用，也采用正正火火，硬度偏高，但因成本低，硬度偏高，但因成本低, ,生产率高；生产率高；（3 3）.5.5.75%.75%的的中高碳钢中高碳钢，一般，一般采用采用完全退火完全退火，降低硬度，改善切削加工性；，降低硬度，改善切削加工性；（4 4）.75% .75

46、% 的的高碳钢或工具钢高碳钢或工具钢，一，一般采用般采用球化退火球化退火。若有网状二次渗碳体，先正。若有网状二次渗碳体，先正火消除之。火消除之。 （5 5）含碳量、合金元素高，奥氏体稳定性高，）含碳量、合金元素高，奥氏体稳定性高，完全退火，易缓冷得到马氏体和贝氏体，应高完全退火，易缓冷得到马氏体和贝氏体，应高温回火。温回火。工艺参数工艺参数:第四节第四节 钢的淬火与回火钢的淬火与回火一、钢的淬火一、钢的淬火（一）淬火的目的：（一）淬火的目的： 淬火：淬火：将钢加热将钢加热到到Ac3或或Ac1以上以上3050，保保温温一定时间一定时间奥氏体化后以大于奥氏体化后以大于临界冷却速度临界冷却速度Vk的

47、冷却的冷却速度冷却速度冷却( 水冷水冷 ) ，得到马氏体得到马氏体的热处的热处理工艺。理工艺。 目的：使奥氏体化的工件目的：使奥氏体化的工件获得获得尽量多的尽量多的马氏体马氏体，提高钢的硬度、强度，并配以不同温度的回火，提高钢的硬度、强度，并配以不同温度的回火，以获得各种需要的性能。以获得各种需要的性能。（二）淬火温度的选择（二）淬火温度的选择 原则：原则：获得均匀细小的奥氏体晶粒以便获得细小获得均匀细小的奥氏体晶粒以便获得细小M；亚共析钢：亚共析钢：加热到加热到Ac3以上以上3050；过共析钢：过共析钢：加热到加热到Ac1以上以上3050；淬火后的组织：淬火后的组织：亚共析钢：亚共析钢：M+

48、A；过共析钢：过共析钢：M+碳化物碳化物+A；三三)热处理后的组织热处理后的组织 : M+Fe3C+A残残 Ac1+3050过共析钢过共析钢 M + A残残 Ac1+3050 共析钢共析钢 M + A残残 Ac3+3050亚共析钢亚共析钢Wc0.5% M Ac3+3050亚共析钢亚共析钢Wc0.5% 最终组织最终组织淬火温度淬火温度() 钢种钢种若过共析钢于若过共析钢于Ccm以上温度淬火，不仅得到以上温度淬火，不仅得到粗片状马氏体组织，脆性极大，而且由于渗碳粗片状马氏体组织，脆性极大，而且由于渗碳体溶解，奥氏体的含碳量提高，钢的体溶解，奥氏体的含碳量提高，钢的Ms和和Mf点降低，将使残余奥氏体

49、量增加，导致钢的硬点降低，将使残余奥氏体量增加，导致钢的硬度、韧性、耐磨性降低，而且会使钢件发生严度、韧性、耐磨性降低，而且会使钢件发生严重变形甚至开裂。重变形甚至开裂。 若加热温度过低，低于若加热温度过低，低于Ac1，淬火后得不到马氏体，淬火后得不到马氏体 若亚共析钢于若亚共析钢于c3以下温度淬火，在淬火组织以下温度淬火，在淬火组织中除中除M外，还保留部分铁素体，使钢强硬度降外，还保留部分铁素体，使钢强硬度降低；也不能超过低；也不能超过Ac3太多，否则晶粒粗大淬太多，否则晶粒粗大淬后后M粗大，使钢的韧性下降。粗大，使钢的韧性下降。原因：原因：（三）（三） 淬火冷却介质淬火冷却介质1.理想淬火

50、冷却介质理想淬火冷却介质时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf650以上应缓冷，以降低淬火以上应缓冷，以降低淬火的热应力；的热应力；650400应快冷，以通过过冷应快冷，以通过过冷奥氏体最不稳定区；奥氏体最不稳定区；400以下缓冷，以减小马氏体以下缓冷，以减小马氏体转变时产生的组织应力；转变时产生的组织应力；常用的淬火冷却介质常用的淬火冷却介质 名名 称称 最大冷却速度时最大冷却速度时平均冷却速度平均冷却速度/(s-1)所在温所在温度度/ 冷却速度冷却速度 /( s-1)650550 300200 20静止水静止水34

51、077513545040静止水静止水28554511041060静止水静止水2202758018510%NaCl 溶液溶液58020001900100010%NaOH 溶液溶液560283027507752010号机油号机油43023060658010号机油号机油4302307055203号号锭子油锭子油50012010050（四（四) 常用的淬火方法常用的淬火方法单液淬火单液淬火双液淬火双液淬火分级淬火分级淬火等温淬火等温淬火时间时间温度MsA1 由于淬火冷却介质不能完全满足淬火质由于淬火冷却介质不能完全满足淬火质量的要求，所以在热处理方面还应从淬火量的要求，所以在热处理方面还应从淬火方法上

52、去加以解决。方法上去加以解决。5.冷处理 将淬火冷至室温的零件继续置于Mf以下的以下的制冷剂中，保持一段时间，进行冷处理，制冷剂中，保持一段时间，进行冷处理，以尽量减少残余奥氏体的数量。以尽量减少残余奥氏体的数量。 用于要求尺寸稳定性很高的精密工件，如用于要求尺寸稳定性很高的精密工件，如量具、精密轴承等。量具、精密轴承等。二、二、 钢的淬透性钢的淬透性（一）淬透性、淬硬性的定义及影响因素（一）淬透性、淬硬性的定义及影响因素淬透性：奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体而淬透性：奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体而不形成其他组织的能力。其大小用在一定条件不形成其他组织的能力。其大小用在一定条件下淬硬层深

53、度来表示。下淬硬层深度来表示。一般规定：由钢的表面至内部马氏体组织占一般规定：由钢的表面至内部马氏体组织占50%处处（半马氏体区）的距离为淬硬层深度。（半马氏体区）的距离为淬硬层深度。淬硬层越深，表明钢的淬透性越好，如果淬硬层深度淬硬层越深，表明钢的淬透性越好，如果淬硬层深度达到心部，表明该钢全部淬透。达到心部，表明该钢全部淬透。淬硬性表示钢淬火后获得马氏体组织的淬硬性表示钢淬火后获得马氏体组织的最高硬度。与马氏体的含碳量有关；最高硬度。与马氏体的含碳量有关；如图为一根较粗的如图为一根较粗的45钢试棒，加热到钢试棒，加热到A温度水淬，击断观温度水淬，击断观察其断口：察其断口：表面：细瓷状组织；

54、心部：纤维状组织；表面：细瓷状组织；心部：纤维状组织；表面：硬度高：表面：硬度高： 心部：硬度低；心部：硬度低；表面：马氏体组织；心部：屈氏体组织；表面：马氏体组织；心部：屈氏体组织；从表面到心部马氏体逐渐减少；从表面到心部马氏体逐渐减少；影响淬透性的因素：影响淬透性的因素： 临界淬火速度临界淬火速度Vk: 是决定性的因素，是决定性的因素，Vk越小越小（C曲线越靠右），钢的淬透性就越好。曲线越靠右），钢的淬透性就越好。 含碳量的影响含碳量的影响：亚共析钢：亚共析钢：WcC曲线右移曲线右移VC淬透性淬透性；过共析钢：过共析钢： WcC曲线左移曲线左移VC淬透淬透性性； 合金元素的影响合金元素的影

55、响：除除Co之外，大多数合金元素的加入使之外，大多数合金元素的加入使C曲线曲线右移右移VC淬透性淬透性；工件淬硬层与冷却速度的关系工件淬硬层与冷却速度的关系4.淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响未淬透钢未淬透钢淬透钢淬透钢3、淬透性的测定方法：自学、淬透性的测定方法：自学末端淬火法：末端淬火法：临界淬火直径；临界淬火直径；4、淬透性的应用：自学；、淬透性的应用：自学；dHRCJ三、淬火三、淬火 钢的回火钢的回火回火的定义回火的定义：将淬火后的钢加热至临界温度将淬火后的钢加热至临界温度Ac1以下某一温度，保温一定时间然后冷却以下某一温度，保温一定

56、时间然后冷却到室温的一种热处理工艺。到室温的一种热处理工艺。回火的目的回火的目的：消除脆性，降低淬火应力；消除脆性，降低淬火应力； 调整淬火钢的力学性能；调整淬火钢的力学性能； 稳定零件的形状、尺寸；稳定零件的形状、尺寸； （一）回火时组织转变：以共析钢为例进行（一）回火时组织转变：以共析钢为例进行分析；分析； 淬火后的组织为淬火后的组织为M+A；它们都不稳定，有自发；它们都不稳定，有自发转变为铁素体和渗碳体的倾向，淬火钢在回火转变为铁素体和渗碳体的倾向，淬火钢在回火时就是这种转变；时就是这种转变； 我们根据淬火钢在回火时的体积变化来研究回我们根据淬火钢在回火时的体积变化来研究回火时的相变。（

57、马氏体分解时，钢的体积减小；火时的相变。（马氏体分解时，钢的体积减小；残余奥氏体转变时，钢的体积增大；）残余奥氏体转变时，钢的体积增大；）1。碳化物的析出。碳化物的析出 当回火温度当回火温度T100时时，钢的体积不变，所以，钢的体积不变，所以淬火钢中没有明显的转变发生，淬火钢中没有明显的转变发生，只是马氏体中只是马氏体中发生碳原子的偏聚；发生碳原子的偏聚；低温回火（低温回火（100250） 回火回火M ( 过饱和过饱和F +薄薄片状片状Fe2.4C ) + A钢的体积减小；所以马氏体开始分解；钢的体积减小；所以马氏体开始分解； M分解分解固溶在固溶在M中的过饱和的碳原子脱溶析出中的过饱和的碳原

58、子脱溶析出碳化物，碳化物，并与并与M保持共格联系；（保持共格联系；（ 碳化物：晶体结构为正交晶碳化物：晶体结构为正交晶系，分子式：系，分子式：Fe2.4C；它不是平衡相，而是向渗碳体过；它不是平衡相，而是向渗碳体过渡相）此时由于温度较低，渡相）此时由于温度较低，M中的碳原子并未完全析出，中的碳原子并未完全析出，仍含有过饱和的碳原子，我们将这种转变叫做回火的第仍含有过饱和的碳原子，我们将这种转变叫做回火的第一次转变，或回火的第一阶段；一次转变，或回火的第一阶段； 单相过饱和的单相过饱和的固溶体固溶体+与母相共格联系的与母相共格联系的碳化物叫做碳化物叫做回火马氏体，用回火马氏体，用M表示表示 淬火

59、应力淬火应力 ，韧性，韧性 ，保持淬火后的高硬度。，保持淬火后的高硬度。 用于高用于高C工具钢等。工具钢等。 固溶体仍保持针状特征；回火马氏体形貌仍维持原马氏固溶体仍保持针状特征；回火马氏体形貌仍维持原马氏体形貌，只是易受腐蚀，颜色较暗体形貌，只是易受腐蚀，颜色较暗【M分解分解】 回火马氏体组织金相图回火马氏体组织金相图（200300），钢的体积增大。所以钢中），钢的体积增大。所以钢中的残余奥氏体发生转变，转变为下贝氏体的残余奥氏体发生转变，转变为下贝氏体（M ）。这种转变叫做回火的第二次转变，）。这种转变叫做回火的第二次转变，或回火的第二阶段；或回火的第二阶段； 此阶段转变终止在此阶段转变终

60、止在300左右；左右； 此时，此时，固溶体中的含碳量约为固溶体中的含碳量约为0.150.20%; 此阶段，钢的硬度也没有明显的降低；此阶段，钢的硬度也没有明显的降低；固溶体固溶体+碳化物碳化物【残余奥氏体转变残余奥氏体转变】中温回火中温回火（300400） 回火回火T钢的体积又减小，过饱和的碳原子从钢的体积又减小，过饱和的碳原子从固溶固溶体中继续析出，形成渗碳体，同时体中继续析出，形成渗碳体，同时碳化物碳化物也转变为极细粒状渗碳体，与也转变为极细粒状渗碳体，与固溶体失去固溶体失去共格关系，这种转变叫做回火的第三次转变共格关系，这种转变叫做回火的第三次转变或回火的第三阶段；或回火的第三阶段； 组