钢的热处理-钢的热处理工艺教案资料

1、钢的热处理-钢的热处理工艺一、回火过程中钢的组织状态变化一、回火过程中钢的组织状态变化马氏体的分解与碳化物的形成马氏体的分解与碳化物的形成碳原子在稳定较低时在位错处偏聚，降碳原子在稳定较低时在位错处偏聚，降低能量。大多数低碳钢（低能量。大多数低碳钢（0.2%C）在淬）在淬火时就发生碳原子的偏聚。火时就发生碳原子的偏聚。大于大于0.2%C的碳素钢，一部分碳原子偏的碳素钢，一部分碳原子偏聚在位错处，剩余原子占据间隙位置，马聚在位错处，剩余原子占据间隙位置，马氏体显示出正方性。氏体显示出正方性。马氏体分解和马氏体分解和碳化物的形成碳化物的形成大于大于0.2%C的钢在的钢在20150回火，从马回火，从

2、马氏体中析出氏体中析出碳化物。碳化物。碳化物：密排六方晶体结构，比碳化物：密排六方晶体结构，比FeFe3 3C C碳含碳含量 高 ， 与量 高 ， 与 相 保 持 共 格 关 系 ，相 保 持 共 格 关 系 ，(011)(011)M M(0001)(0001)，101101M M10111011。回火马氏体：马氏体在回火马氏体：马氏体在250250以下温度回火时，以下温度回火时，分解为低碳马氏体和分解为低碳马氏体和碳化物的混合物，碳化物的混合物，称为回火马氏体。称为回火马氏体。回火马氏体马氏体及其中析出的回火马氏体马氏体及其中析出的碳化物碳化物渗碳体的析出、球化与聚集长大渗碳体的析出、球化与

3、聚集长大约在约在250以上，以上， 碳化物向渗碳体转变，结碳化物向渗碳体转变，结果果碳化物消失，渗碳体形成。碳化物消失，渗碳体形成。碳化物颗粒逐渐溶入到碳化物颗粒逐渐溶入到相中消失，渗碳体相中消失，渗碳体形成，有放热现象。形成，有放热现象。有人认为有人认为碳化物的溶解和渗碳体的析出在同碳化物的溶解和渗碳体的析出在同一地点形成（渗碳体就地形核）。一地点形成（渗碳体就地形核）。碳化物形成元素推迟碳化物形成元素推迟碳化物向渗碳体的转化，碳化物向渗碳体的转化，使使碳化物存在于更高的温度。碳化物存在于更高的温度。在在450450以上温度回火时，含以上温度回火时，含TiTi、NbNb、V V、MoMo、C

4、rCr的钢在马氏体的基体上形成碳化物，起弥散强的钢在马氏体的基体上形成碳化物，起弥散强化作用，有时引起二次硬化。化作用，有时引起二次硬化。相的回复与再结晶相的回复与再结晶回复：回复：400渗碳体开始球化，铁素体胞状结渗碳体开始球化，铁素体胞状结构的边界和亚晶粒内部的位错密度急剧降构的边界和亚晶粒内部的位错密度急剧降低，点阵畸变开始消失，亚晶粒逐渐长大低，点阵畸变开始消失，亚晶粒逐渐长大变成多边晶粒。变成多边晶粒。再结晶：再结晶：600以上温度，铁素体由细小的晶以上温度，铁素体由细小的晶粒长成为较大的等轴晶粒。碳化物也聚集粒长成为较大的等轴晶粒。碳化物也聚集长大。长大。二、钢中残余奥氏体的转变二

5、、钢中残余奥氏体的转变对碳素钢来说，在通常回火条件下，残对碳素钢来说，在通常回火条件下，残余奥氏体转变为下贝氏体或回火马氏体。余奥氏体转变为下贝氏体或回火马氏体。残余奥氏体回火时，转变的产物随回火残余奥氏体回火时，转变的产物随回火温度的不同而异。在珠光体形成温度范围温度的不同而异。在珠光体形成温度范围内，从残余奥氏体中可以析出先共析相，内，从残余奥氏体中可以析出先共析相，随后分解为珠光体。在贝氏体的形成温度随后分解为珠光体。在贝氏体的形成温度内，残余奥氏体转变为贝氏体。内，残余奥氏体转变为贝氏体。回火脆性的概念：回火脆性的概念：有些钢在某些温度范围内有些钢在某些温度范围内回火时，其冲击韧性比在

6、较低温度回火时回火时，其冲击韧性比在较低温度回火时反而显著降低，这种脆化现象称为回火脆反而显著降低，这种脆化现象称为回火脆性。性。回火脆性可分为低温回火脆性和高温回回火脆性可分为低温回火脆性和高温回火脆性。火脆性。三、钢的回火脆性及其本质三、钢的回火脆性及其本质低温回火脆性低温回火脆性碳钢和低合金钢在碳钢和低合金钢在250400回火时出现的脆回火时出现的脆性称为低温回火脆性，或第一类回火脆性。性称为低温回火脆性，或第一类回火脆性。几乎所用淬火后形成马氏体组织的碳钢及合几乎所用淬火后形成马氏体组织的碳钢及合金钢，在金钢，在300300左右温度回火时都会或多或少地发左右温度回火时都会或多或少地发生

7、这种脆性。生这种脆性。特点：特点：在此温度范围内回火，无论采用何种回火方在此温度范围内回火，无论采用何种回火方法或回火后采用何种冷却速度，都不可避免地使法或回火后采用何种冷却速度，都不可避免地使韧性降低。如果将这种已经产生脆性的工件在更韧性降低。如果将这种已经产生脆性的工件在更高一些温度回火后，其脆性将消失。在置于高一些温度回火后，其脆性将消失。在置于300300左右温度重新回火时，脆性不再重复出现。左右温度重新回火时，脆性不再重复出现。不同含碳量钢的冲击韧性随回火温度变化关系不同含碳量钢的冲击韧性随回火温度变化关系低温回火脆性产生的原因低温回火脆性产生的原因回火脆性的机理目前不十分清楚。回火

8、脆性的机理目前不十分清楚。以往大多认为，低温回火脆性是韧性较以往大多认为，低温回火脆性是韧性较高的残余奥氏体转变为脆性较大的马氏体高的残余奥氏体转变为脆性较大的马氏体造成的。造成的。另一种观点认为，在低碳和中碳钢内，另一种观点认为，在低碳和中碳钢内，由于原奥氏体晶界在高温加热时溶有氮、由于原奥氏体晶界在高温加热时溶有氮、碳和氧，低温回火时这些元素以化合物的碳和氧，低温回火时这些元素以化合物的形式析出，使脆性增大。形式析出，使脆性增大。目前大多认为，低温回火脆性可能与马目前大多认为，低温回火脆性可能与马氏体分解初期析出的渗碳体具有特殊的形氏体分解初期析出的渗碳体具有特殊的形态有关。态有关。影响低

9、温回火脆性的因素及消除方法影响低温回火脆性的因素及消除方法钢的碳含量越高，脆化的程度越严重。钢的碳含量越高，脆化的程度越严重。合金元素一般都不能抑制第一类回火脆合金元素一般都不能抑制第一类回火脆性，但可改变脆性产生的温度范围。性，但可改变脆性产生的温度范围。目前无有效方法消除低温回火脆性。目前无有效方法消除低温回火脆性。（）尽量避免在这一温度范围内回火是最（）尽量避免在这一温度范围内回火是最好方法；好方法；（）用快速加热回火的方法可以减小脆性；（）用快速加热回火的方法可以减小脆性；（）用等温淬火的方法代替淬火；（）用等温淬火的方法代替淬火；（）（）Ti、Al、B等元素对低温回火脆性有一等元素对

10、低温回火脆性有一定的抑制作用。定的抑制作用。高温回火脆性（第二类回火脆性）高温回火脆性（第二类回火脆性）概念：钢在概念：钢在450550或更高温度（或更高温度（650650左左右）回火时出现的脆性，称为高温回火脆右）回火时出现的脆性，称为高温回火脆性或第二类回火脆性。性或第二类回火脆性。特点：在上述温度范围内回火，如果快速冷特点：在上述温度范围内回火，如果快速冷却（水冷或油冷），韧性并不降低；反之，却（水冷或油冷），韧性并不降低；反之，慢冷（空冷或炉冷）则韧性显著下降，冷慢冷（空冷或炉冷）则韧性显著下降，冷却越慢，韧性降低的越显著。一般都是沿却越慢，韧性降低的越显著。一般都是沿晶断裂。晶断裂。

11、高温回火脆性产生的原因高温回火脆性产生的原因迄今无一致看法。迄今无一致看法。（）（）相中的相中的氮、碳和氧，低温回火时这些氮、碳和氧，低温回火时这些元素以化合物的形式沿晶界析出，使脆性元素以化合物的形式沿晶界析出，使脆性增大。增大。（）碳化物从（）碳化物从相中析出导致体积变化，从相中析出导致体积变化，从而在原来的奥氏体晶界产生应力集中引起。而在原来的奥氏体晶界产生应力集中引起。（）晶界富集和偏析理论。合金元素或微（）晶界富集和偏析理论。合金元素或微量的的杂质元素（量的的杂质元素（P、Sb、Sn、As）偏聚）偏聚到原来的奥氏体晶界上，减弱了原奥氏体到原来的奥氏体晶界上，减弱了原奥氏体晶界上原子间

12、的结合力，使钢变脆。晶界上原子间的结合力，使钢变脆。防止和消除高温回火脆性的方法防止和消除高温回火脆性的方法（）两次淬火法，第一次在正常的（）两次淬火法，第一次在正常的Ac3点以点以上温度淬火，第二次是在上温度淬火，第二次是在Ac1 Ac3之间不之间不完全淬火；（）变形热处理，高温锻、完全淬火；（）变形热处理，高温锻、轧后立即进行热处理；（）细化奥氏体轧后立即进行热处理；（）细化奥氏体晶粒；（）快速加热回火；（）缩短晶粒；（）快速加热回火；（）缩短产生回火脆性温度下的保温时间。产生回火脆性温度下的保温时间。最常用的方法：回火后快冷或向钢中加入最常用的方法：回火后快冷或向钢中加入0.30.5%的

13、钼。的钼。钢的退火与正火钢的退火与正火退火：退火：将钢加热到低于或高于将钢加热到低于或高于Ac1点温度，保点温度，保持一定时间后随炉缓慢冷却，以获得接近持一定时间后随炉缓慢冷却，以获得接近平衡状态的组织。平衡状态的组织。正火：正火：将钢加热到将钢加热到Ac3点以上点以上3050或更高或更高温度的奥氏体区域，保持一定时间后在空温度的奥氏体区域，保持一定时间后在空气中进行冷却，以获得珠光体类的组织。气中进行冷却，以获得珠光体类的组织。一、退火与正火的目的与用途一、退火与正火的目的与用途退火的目的及其分类退火的目的及其分类目的：目的：（）降低钢的硬度，便于切削加工；（）降低钢的硬度，便于切削加工；（

14、）消除内应力或冷作硬化，提高塑性以（）消除内应力或冷作硬化，提高塑性以利于继续冷加工；利于继续冷加工；（）改善或消除毛坯在铸、锻、焊时所造（）改善或消除毛坯在铸、锻、焊时所造成的成分或组织不均（偏析、带状组织和成的成分或组织不均（偏析、带状组织和魏氏组织），以提高其工艺性能和组使用魏氏组织），以提高其工艺性能和组使用性能；性能；（）细化晶粒，改善高碳钢中碳化物的分（）细化晶粒，改善高碳钢中碳化物的分布和形态，为最终热处理作好准备。布和形态，为最终热处理作好准备。退火的类别：退火的类别：（）低温退火（）低温退火加热温度低于加热温度低于Ac1点，退火过程中没有相变发点，退火过程中没有相变发生，其目

15、的在于消除内应力，降低硬度，恢复塑生，其目的在于消除内应力，降低硬度，恢复塑性和消除冷作硬化；性和消除冷作硬化；（）不完全退火（）不完全退火加热到加热到Ac1点以上点以上2030，使珠光体转变成奥，使珠光体转变成奥氏体，对亚共析钢的先共析铁素体和过共析钢的氏体，对亚共析钢的先共析铁素体和过共析钢的先共析渗碳体均无改变。对锻、轧后的亚共析钢，先共析渗碳体均无改变。对锻、轧后的亚共析钢，不完全退火可消除内应力，降低硬度。对过共析不完全退火可消除内应力，降低硬度。对过共析钢不完全退火使片状珠光体球化，降低硬度，改钢不完全退火使片状珠光体球化，降低硬度，改善切削性能。因此，有时也把这种退火称为球化善切

16、削性能。因此，有时也把这种退火称为球化退火。退火。（）完全退火（）完全退火加热到加热到Ac3点以上点以上3050，目的在于消，目的在于消除组织缺陷，细化晶粒。主要适用于亚共除组织缺陷，细化晶粒。主要适用于亚共析钢，消除铸造、锻、轧工艺产生的组织析钢，消除铸造、锻、轧工艺产生的组织缺陷。过共析钢一般使用正火工艺消除组缺陷。过共析钢一般使用正火工艺消除组织缺陷。织缺陷。（）扩散退火（）扩散退火加热到加热到Ac3点以上点以上150250，长时间保，长时间保温，使钢的成分和组织在高温下通过扩散温，使钢的成分和组织在高温下通过扩散均匀化。均匀化。正火的目的和用途正火的目的和用途目的：目的：（）对大型锻件

17、和较大界面的钢材，可使组织均（）对大型锻件和较大界面的钢材，可使组织均匀化，细化晶粒，为淬火作好组织上的准备；匀化，细化晶粒，为淬火作好组织上的准备；（）改善一些钢种的板材、管材、带材和型钢的（）改善一些钢种的板材、管材、带材和型钢的机械性能，正火往往是最终热处理工艺；机械性能，正火往往是最终热处理工艺；（）改善低碳钢和低碳合金钢的显微组织和性能，（）改善低碳钢和低碳合金钢的显微组织和性能，提高切削加工性能；提高切削加工性能；（）改善和细化铸钢件的铸态组织；（）改善和细化铸钢件的铸态组织；（）对大型工件，淬火容易产生变形，用正火工（）对大型工件，淬火容易产生变形，用正火工艺代替淬火工艺。艺代替

18、淬火工艺。退火与正火工艺的应用退火与正火工艺的应用（）冷加工钢材，一般使用再结晶退火工（）冷加工钢材，一般使用再结晶退火工艺消除加工硬化。包括有色金属、软钢、艺消除加工硬化。包括有色金属、软钢、硅钢片、精密合金、各种冷加工的板、管、硅钢片、精密合金、各种冷加工的板、管、丝、带、型钢等金属材料。丝、带、型钢等金属材料。（）结构钢热轧后，为了消除内应力，通（）结构钢热轧后，为了消除内应力，通常采用低温（低于常采用低温（低于Ac1点，约点，约650700)退火，均匀热透后出炉空冷或随炉冷却。退火，均匀热透后出炉空冷或随炉冷却。（）为了消除中碳结构钢铸、锻、轧后组（）为了消除中碳结构钢铸、锻、轧后组织

19、中的魏氏组织、晶粒粗大、带状组织，织中的魏氏组织、晶粒粗大、带状组织，常采用完全退火或正火工艺进行热处理。常采用完全退火或正火工艺进行热处理。（）低碳结构钢（小于（）低碳结构钢（小于0.25%C）和低合金）和低合金钢，如果采用退火工艺处理，反而使少量钢，如果采用退火工艺处理，反而使少量的珠光体球化，钢变的更软。为了提高硬的珠光体球化，钢变的更软。为了提高硬度和切削加工性能，大多采用正火处理，度和切削加工性能，大多采用正火处理，以获得细片状的珠光体。以获得细片状的珠光体。（）工具钢常使用球化退火（不完全退火，（）工具钢常使用球化退火（不完全退火，加热到加热到加热到加热到Ac1点以上点以上2030

20、）。碳素）。碳素工具钢、一部分合金工具钢和轴承钢，在工具钢、一部分合金工具钢和轴承钢，在轧（锻）后的堆冷或空冷时，组织中会出轧（锻）后的堆冷或空冷时，组织中会出现片状珠光体（甚至网状渗碳体），淬火现片状珠光体（甚至网状渗碳体），淬火过程中工件容易开裂。过程中工件容易开裂。钢的淬火工艺钢的淬火工艺淬火的定义：淬火就是把钢加热到临界温度淬火的定义：淬火就是把钢加热到临界温度（Ac1或或Ac3）以上，保温一定时间使之奥）以上，保温一定时间使之奥氏体化后，再以大于临界冷却速度的冷速氏体化后，再以大于临界冷却速度的冷速急剧冷却，从而获得马氏体组织的热处理急剧冷却，从而获得马氏体组织的热处理方法。方法。按

21、淬火加热温度不同可分为完全淬火和按淬火加热温度不同可分为完全淬火和不完全淬火。不完全淬火。一、淬火温度的选择一、淬火温度的选择选择的依据：选择的依据：）钢的化学成分；）钢的化学成分；）工件尺寸、形状与技术要求；）工件尺寸、形状与技术要求；）奥氏体晶粒的长大倾向；）奥氏体晶粒的长大倾向；）采用的淬火介质与淬火方法。）采用的淬火介质与淬火方法。钢的化学成分与淬火温度钢的化学成分与淬火温度亚共析钢一般选择在亚共析钢一般选择在Ac3以上以上3050淬火加热。原因是，如果低于淬火加热。原因是，如果低于Ac3，组织中，组织中会保留一部分先共析铁素体，淬火后出现会保留一部分先共析铁素体，淬火后出现软点，钢的

22、硬度达不到要求。软点，钢的硬度达不到要求。过共析钢淬火加热温度选为过共析钢淬火加热温度选为Ac1 3050。因为过共析刚淬火以前，一般都。因为过共析刚淬火以前，一般都要经过球化处理，加热温度在要经过球化处理，加热温度在Ac1以上时，以上时，钢的组织是奥氏体和一部分未溶解的粒状钢的组织是奥氏体和一部分未溶解的粒状碳化物（渗碳体），淬火后，奥氏体转变碳化物（渗碳体），淬火后，奥氏体转变为马氏体，未溶解碳化物保留下来，提高为马氏体，未溶解碳化物保留下来，提高钢的耐磨性。钢的耐磨性。二、保温时间的确定二、保温时间的确定（）钢的化学成分；（）钢的化学成分；（）工件的形状与尺寸；（）工件的形状与尺寸；（）

23、加热介质；（）加热介质；（）装炉情况（）装炉情况（Kt）；）；（）炉温。（）炉温。盐浴炉：盐浴炉：t=0.20.4D （D-有效直径，有效直径，mm）空气电阻炉：空气电阻炉： t=1.01.2D （碳钢）（碳钢） t=1.21.5D （合金钢）（合金钢）三、加热介质的选择三、加热介质的选择空气、可控气氛、燃料气体、各种盐浴。空气、可控气氛、燃料气体、各种盐浴。液体介质液体介质主要是盐浴。优点：炉温容易控制、工件受热均匀、主要是盐浴。优点：炉温容易控制、工件受热均匀、加热速度快、工件不易氧化脱碳、变形小。加热速度快、工件不易氧化脱碳、变形小。常用盐浴成分及其使用温度常用盐浴成分及其使用温度盐浴的

24、配比盐浴的配比熔化温度（熔化温度（）正常使用温度（正常使用温度（）100%BaCl296011001350100%Na2Ba4O770080013502030%NaCl+BaCl265070010002030%NaCl+KCl66067070010002030%NaCl+KCl+BaCl256058088050%Na2CO3+ 50%KCl550590810四、淬火介质四、淬火介质工件在淬火介质中的工件在淬火介质中的冷却过程冷却过程（）蒸汽膜阶段（）蒸汽膜阶段(AB)（）沸腾冷却阶段（）沸腾冷却阶段(BC)（）对流冷却阶段（）对流冷却阶段(CD)常用淬火介质常用淬火介质（）水（）水优点：易得、

25、廉价、冷却能力强。优点：易得、廉价、冷却能力强。缺点：缺点：在马氏体转变区间冷速太大；在马氏体转变区间冷速太大；冷冷却能力对水温敏感；却能力对水温敏感；不溶杂质会显著降不溶杂质会显著降低其冷却能力。低其冷却能力。（）盐水与碱水（）盐水与碱水优点：优点：蒸汽膜因盐的加入提早破裂，高温蒸汽膜因盐的加入提早破裂，高温（650650550550）区间的冷却能力约为水的）区间的冷却能力约为水的1010倍；倍；冷却能力受温度的影响较水为小。冷却能力受温度的影响较水为小。缺点：缺点：在低温区间（在低温区间（200200300300）的冷速）的冷速过大；过大；对工件有一定的腐蚀作用。对工件有一定的腐蚀作用。（）油（）油