第05章 钢的热处理

1、第五章第五章 钢的热处理钢的热处理 1 概述概述 热处理的概念热处理的概念 将固态钢材采用适当的方式进行将固态钢材采用适当的方式进行加热加热、保温保温和和冷却冷却以获得所以获得所需组织与性能的工艺。需组织与性能的工艺。 热处理的目的热处理的目的 （1）提高钢的力学性能）提高钢的力学性能 （2）改善钢的工艺性能）改善钢的工艺性能 热处理的理论依据：铁碳相图热处理的理论依据：铁碳相图热处理分类热处理分类2 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变 对于加热：非平衡对于加热：非平衡条件下的相变温度条件下的相变温度高于平衡条件下的高于平衡条件下的相变温度；相变温度； 对于冷却：非平衡对于冷却：非平衡条

2、件下的相变温度条件下的相变温度低于平衡条件下的低于平衡条件下的相变温度。相变温度。 加热与冷却速度越加热与冷却速度越大，温度提高与下大，温度提高与下降的幅度就越大。降的幅度就越大。实际相变温度与理论转变温度之间的关系一、相变温度一、相变温度二、奥氏体的形成过程二、奥氏体的形成过程 共析钢共析钢 亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是有先共析相。其奥氏亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是有先共析相。其奥氏体的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变，然后再进行体的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变，然后再进行先共析相的溶解。这个先共析相的溶解。这个PAPA的转变过程同共析钢相同，也是的转变过程同共析钢相

3、同，也是经过前面的四个阶段。经过前面的四个阶段。AAFPFACAC31ACFeACFePcmACAC331 三三、影响奥氏体形成速度的因素影响奥氏体形成速度的因素1. 加热速度的影响加热速度的影响 加热速度越快，奥氏体化温度越高，原子扩散速度也加快，提高形核与加热速度越快，奥氏体化温度越高，原子扩散速度也加快，提高形核与长大的速度，从而加快奥氏体的形成。长大的速度，从而加快奥氏体的形成。2. 化学成分的影响化学成分的影响 钢中钢中含碳量含碳量增加，碳化物数量相应增多，增加，碳化物数量相应增多，F和和Fe3C的相界面增多，奥氏的相界面增多，奥氏体晶核数增多，其转变速度加快。体晶核数增多，其转变速

4、度加快。 合金元素合金元素能改变钢的临界点，并影响碳的扩散速度，且它自身也存在扩能改变钢的临界点，并影响碳的扩散速度，且它自身也存在扩散和重新分布的过程，所以合金钢的奥氏体形成速度一般比碳钢慢。散和重新分布的过程，所以合金钢的奥氏体形成速度一般比碳钢慢。3. 原始组织的影响原始组织的影响 钢中原始珠光体越细，其片间距越小，相界面越多，越有利于形核，同钢中原始珠光体越细，其片间距越小，相界面越多，越有利于形核，同时由于片间距小，碳原子的扩散距离小，扩散速度加快，导致奥氏体形时由于片间距小，碳原子的扩散距离小，扩散速度加快，导致奥氏体形成速度加快。成速度加快。四四. 奥氏体晶粒度及对力学性能的影响

5、奥氏体晶粒度及对力学性能的影响 奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度 起始晶粒度起始晶粒度：珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。：珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。 实际晶粒度实际晶粒度：热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。：热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。 本质晶粒度：度量钢本身晶粒在本质晶粒度：度量钢本身晶粒在930以下，随温度升高，以下，随温度升高，晶粒长大的程度。晶粒长大的程度。 奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响 奥氏体晶粒均匀细小，热处理后钢的力学性能提高。奥氏体晶粒均匀细小，热处理后钢的力学性能提高。 粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形粗大的奥

6、氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。甚至开裂。 奥氏体晶粒大小的控制奥氏体晶粒大小的控制 加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。 加热速度越快，过热度越大，奥氏体实际形成温度越高，加热速度越快，过热度越大，奥氏体实际形成温度越高，可获得细小的起始晶粒。可获得细小的起始晶粒。 钢的化学成分钢的化学成分 碳全部溶于奥氏体时，随奥氏体中含碳量的增加，晶粒长碳全部溶于奥氏体时，随奥氏体中含碳量的增加，晶粒长大倾向增大。大倾向增大。 合金元素合金元素Ti、Zr、V、Nb、Al等，当其形成弥散稳定的碳等，当其形成弥散稳定的碳化物和氮化物

7、时，由于分布在晶界上，因而阻碍晶界的迁，化物和氮化物时，由于分布在晶界上，因而阻碍晶界的迁，阻止阻止奥氏体晶粒长大，有利于得到细晶粒钢；奥氏体晶粒长大，有利于得到细晶粒钢；Mn和和P是是促促进进奥氏体晶粒长大的元素。奥氏体晶粒长大的元素。2 钢的冷却转变钢的冷却转变 过冷奥氏体：高温时所形成的奥氏体冷却到过冷奥氏体：高温时所形成的奥氏体冷却到A A1 1点以下尚未发点以下尚未发生转变的奥氏体生转变的奥氏体 。 冷却方式：冷却方式：TTT曲线 ( C 曲线 )T - timeT - temperatureT - transformation一、共析钢一、共析钢TTT曲线的建立曲线的建立二、过冷奥

8、氏体等温转变的产物的组织和性能二、过冷奥氏体等温转变的产物的组织和性能 珠光体型转变珠光体型转变Fe、C的扩散性相变的扩散性相变( A1550 ) : A1650 : P ; 片间距为片间距为0.60.7m ( 500 )。 650600 :细片状细片状P索氏体索氏体(S); 片间距为片间距为0.20.4m (1000); 600550:极细片状极细片状P屈氏体屈氏体(T); 片间距为片间距为0.2m ( 电镜电镜 );珠光体型转变示意图珠光体型转变示意图珠光体珠光体索氏体索氏体屈氏体屈氏体 2.贝氏体型贝氏体型 转变转变半扩散相变半扩散相变( 550230 ) 550350形成形成上贝氏体上

9、贝氏体，组织为，组织为过饱和片状过饱和片状F渗碳体，渗碳体，呈羽毛状，性脆无实用价值呈羽毛状，性脆无实用价值 。 350230形成形成下贝氏体下贝氏体，组织为，组织为过饱和针状过饱和针状F弥散弥散碳化碳化物，呈针片状，物，呈针片状，综合性能好综合性能好。上贝氏体上贝氏体下贝氏体下贝氏体过饱和过饱和片状片状F渗碳体渗碳体过饱和过饱和针状针状F弥散弥散碳化物碳化物 马氏体转变马氏体转变非扩散相变非扩散相变，Ms以下，以下，AM1) 当冷却当冷却VVK ，且过冷到，且过冷到MS线以下，过冷线以下，过冷AM，Fe Fe，过饱和的碳来不及以渗碳体形式自，过饱和的碳来不及以渗碳体形式自Fe中析出，中析出，

10、而很快由而很快由A 直接转变成直接转变成碳在碳在Fe中过饱和固溶体中过饱和固溶体，这就，这就称为马氏体（称为马氏体（M）。）。2) 转变特点转变特点: 在一个温度范围内连续冷却完成在一个温度范围内连续冷却完成; 转变速度极快，即瞬间形核与长大转变速度极快，即瞬间形核与长大; 无扩散转变无扩散转变( Fe、C原子均不扩散原子均不扩散 ), M与原与原A的成分相同。的成分相同。 转变不完全性，转变不完全性， QM = f ( T )奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响奥氏体含碳量对残余奥氏体量的影响奥氏体含碳量对残余奥氏体量的影响马氏体晶格示意图马氏体晶格示意图（图

11、中原子为可能出现的位置）（图中原子为可能出现的位置）c/a1 称为马氏体的称为马氏体的正方度正方度，含碳量高，正方度大。，含碳量高，正方度大。M的形态主要有两种：的形态主要有两种： 板条状板条状 M 含含C低，低，高的强韧性高的强韧性。(C%1%时完全时完全针针片状片状M） 钢中含碳量越高，淬火组织中片状钢中含碳量越高，淬火组织中片状M就越多，板条状就越多，板条状M就越就越少。少。板条状板条状 M针片状针片状 M亚共析钢的亚共析钢的TTT曲线曲线过共析钢的过共析钢的TTT曲线曲线影响影响C曲线形状与位置的因素曲线形状与位置的因素 影响影响C曲线的主要因素是曲线的主要因素是奥氏体的成分奥氏体的成

12、分和和奥氏体化条件奥氏体化条件。 含碳量的影响含碳量的影响 共析钢的过冷奥氏体最稳定，共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。曲线最靠右。由共析钢成分开始，含碳量增加或减少都使由共析钢成分开始，含碳量增加或减少都使C曲线左移。与曲线左移。与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C曲线的上部还各多一条曲线的上部还各多一条先共析相的析出线，先共析相的析出线， 合金元素的影响合金元素的影响 除除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素都使外，凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移。碳化物形成元素含量较多时，还会使曲线右移。碳化物形成元素含量较多时，还会使C曲线的形曲线的形状发生变化，状发生

13、变化， 1. 奥氏体化条件的影响奥氏体化条件的影响 奥氏体化温度提高和保温时间延长，奥氏体化温度提高和保温时间延长，使奥氏体成分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加了使奥氏体成分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加了过冷奥氏体的稳定性，使过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。曲线右移。三三.过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变CCT曲线曲线 Continuous、 Cooling、 TransformationV1 = 5.5/sV2 = 20/sV3 = 33/sV4 138/s3 钢的普通热处理钢的普通热处理 一般零件生产的工艺路线一般零件生产的工艺路线:一、钢的退火一、钢的退火

14、定义：将金属缓慢加热到一定温度，保温足够时间，然后以定义：将金属缓慢加热到一定温度，保温足够时间，然后以适宜速度冷却适宜速度冷却(通常是缓慢冷却通常是缓慢冷却)的一种金属热处理工艺的一种金属热处理工艺 。 目的：使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或工件消目的：使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或工件消除内应力、降低硬度、细化晶粒、均匀成分，为最终热处理除内应力、降低硬度、细化晶粒、均匀成分，为最终热处理作好组织准备。作好组织准备。 扩散退火扩散退火 扩散退火是将工件加热到扩散退火是将工件加热到AC3(150250)，略低于固略低于固相线的温度（亚共析钢通常为相线的温度（亚共析钢通常为1

15、0501150，合金钢为，合金钢为10501200 ），长时间（），长时间（1020小时）保温，然后随小时）保温，然后随炉缓慢冷却到室温。炉缓慢冷却到室温。 扩散退火的主要目的是使合金中的元素发生固态扩散，来扩散退火的主要目的是使合金中的元素发生固态扩散，来减轻化学成分不均匀性（偏析），主要是减轻晶粒尺度内减轻化学成分不均匀性（偏析），主要是减轻晶粒尺度内的化学成分不均匀性（晶内偏析或称枝晶偏析）。退火温的化学成分不均匀性（晶内偏析或称枝晶偏析）。退火温度所以如此之高，是为了加快合金元素扩散，尽可能缩短度所以如此之高，是为了加快合金元素扩散，尽可能缩短保温时间。保温时间。 主要适用于铸造后的高

16、合金钢。主要适用于铸造后的高合金钢。 完全退火完全退火 完全退火是将钢件或钢材加热到完全退火是将钢件或钢材加热到Ac3+3050 ，经完全，经完全奥氏体化后进行随炉缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热奥氏体化后进行随炉缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。处理工艺。 完全退火主要用于亚共析钢，一般是中碳钢及低、中碳合完全退火主要用于亚共析钢，一般是中碳钢及低、中碳合金结构钢锻件、铸件及热轧型材，有时也用于它们的焊接金结构钢锻件、铸件及热轧型材，有时也用于它们的焊接构件。完全退火不适用于过共析钢，因为过共析钢完全退构件。完全退火不适用于过共析钢，因为过共析钢完全退火需加热到火需加热到Accm以上

17、，在缓慢冷却时，渗碳体会沿奥氏体以上，在缓慢冷却时，渗碳体会沿奥氏体晶界析出，呈网状分布，导致材料脆性增大，给最终热处晶界析出，呈网状分布，导致材料脆性增大，给最终热处理留下隐患。理留下隐患。 等温退火等温退火 等温退火是将钢加热到等温退火是将钢加热到 Ac3（亚共析钢）或（亚共析钢）或 Ac1（共析钢（共析钢和过共析钢）以上一定的温度，保温一段时间，使钢奥氏和过共析钢）以上一定的温度，保温一段时间，使钢奥氏体化，然后迅速移入温度在体化，然后迅速移入温度在A1以下的另一炉内，等温保持以下的另一炉内，等温保持直到奥氏体全部转变为珠光体为止，然后出炉空冷。直到奥氏体全部转变为珠光体为止，然后出炉空

18、冷。 钢的等温退火的目的，与完全退火基本相同，但工艺操作钢的等温退火的目的，与完全退火基本相同，但工艺操作和所需设备都比较复杂，所以通常主要是应用于过冷奥氏和所需设备都比较复杂，所以通常主要是应用于过冷奥氏体在珠光体型相变温度区间转变相当缓慢的合金钢。因为体在珠光体型相变温度区间转变相当缓慢的合金钢。因为若采用完全退火方法，往往需要数十小时，很不经济；采若采用完全退火方法，往往需要数十小时，很不经济；采用等温退火则能大大缩短生产周期，并能使整个工件获得用等温退火则能大大缩短生产周期，并能使整个工件获得更为均匀的组织和性能。更为均匀的组织和性能。 球化退火球化退火 球化退火是将钢加热至球化退火是

19、将钢加热至Ac1以上、以上、Accm以下的双相区，较以下的双相区，较长时间保温，并缓慢冷却的工艺。长时间保温，并缓慢冷却的工艺。 目的在于使珠光体内的片状渗碳体以及先共析渗碳体都变目的在于使珠光体内的片状渗碳体以及先共析渗碳体都变为球粒状渗碳体，均匀分布于铁素体基体中为球粒状渗碳体，均匀分布于铁素体基体中(这种组织称为这种组织称为球化珠光体球化珠光体)。具有这种组织的中碳钢和高碳钢硬度低、切。具有这种组织的中碳钢和高碳钢硬度低、切削性好、冷形变能力大。削性好、冷形变能力大。 适用于共析钢与过共析钢。适用于共析钢与过共析钢。 T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 再结晶退火应用于经过冷变形

20、加工的金属及合金的一种退再结晶退火应用于经过冷变形加工的金属及合金的一种退火方法。目的为使金属内部组织变为细小的等轴晶粒，消火方法。目的为使金属内部组织变为细小的等轴晶粒，消除形变硬化，恢复金属或合金的塑性和形变能力（回复和除形变硬化，恢复金属或合金的塑性和形变能力（回复和再结晶）。再结晶）。 去应力退火：铸、锻、焊件在冷却时由于各部位冷却速度去应力退火：铸、锻、焊件在冷却时由于各部位冷却速度不同而产生内应力，金属及合金在冷变形加工中以及工件不同而产生内应力，金属及合金在冷变形加工中以及工件在切削加工过程中也产生内应力。若内应力较大而未及时在切削加工过程中也产生内应力。若内应力较大而未及时予以

21、去除，常导致工件变形甚至形成裂纹。去除应力退火予以去除，常导致工件变形甚至形成裂纹。去除应力退火是将工件缓慢加热到较低温度（钢是是将工件缓慢加热到较低温度（钢是500650），保温），保温一段时间一段时间, 然后缓冷下来。去应力退火并不能将内应力完全然后缓冷下来。去应力退火并不能将内应力完全去除，而只是部分去除，从而消除它的有害作用。去除，而只是部分去除，从而消除它的有害作用。 消除内应力500650去应力退火消除加工硬化TR +3050 再结晶退火过共析、共析钢使Fe3C球化HRC， 韧性，切削性为淬火作组织准备Ac1 +2030球化退火亚共析钢、共析钢细化晶粒，均匀化组织降低硬度 切削性消

22、除内应力Ac3 +3050完全退火高合金钢均匀钢内部的化学成分略低于固相线扩散退火适用钢种退火目的加热温度退火工艺二、钢的正火二、钢的正火 正火是将钢加热到正火是将钢加热到Ac3以上以上3050（亚共析钢）或（亚共析钢）或Accm以上以上3050 （过共析钢），保温后空冷的热处理工艺。（过共析钢），保温后空冷的热处理工艺。 正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快，正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其力学性能也有所提因而正火组织要比退火组织更细一些，其力学性能也有所提高。另外，正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生高。另外，正火

23、炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。产中尽可能采用正火来代替退火。应用范围应用范围: 1.预备热处理预备热处理:调整低、中碳钢的硬度调整低、中碳钢的硬度;消除过共析钢中的消除过共析钢中的 Fe3C。 2.最终热处理最终热处理:用于力学性能要求不高的普通零件。用于力学性能要求不高的普通零件。三、钢的淬火三、钢的淬火 钢的淬火是将钢加热到临界温度钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到分奥氏

24、体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以以下（或下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。理工艺。 淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。满足各种机械零件和工具的不同使用要求。淬火方法示意图淬火方法示意图 淬火方法淬火方法

25、 单液淬火：直冷，简单易操作。单液淬火：直冷，简单易操作。 双液淬火：先快后慢，降低组织应力。双液淬火：先快后慢，降低组织应力。 分级淬火：快分级淬火：快-恒恒-快，降低热应力与组织应力。快，降低热应力与组织应力。 等温淬火：得到等温淬火：得到B下下（工模具、弹簧）。（工模具、弹簧）。 局部淬火：量具等的局部区域。局部淬火：量具等的局部区域。1. 冷冷 处处 理：理：-70-80，降低，降低A残残%，稳定尺寸。，稳定尺寸。卡规局部淬火卡规局部淬火 钢的淬透性钢的淬透性 淬透性：是指钢在淬火时获得马氏体的能力。主要受奥氏淬透性：是指钢在淬火时获得马氏体的能力。主要受奥氏体中的碳含量和合金元素的影

26、响。钢材淬透性好与差，常体中的碳含量和合金元素的影响。钢材淬透性好与差，常用淬硬层深度来表示。淬硬层深度越大，则钢的淬透性越用淬硬层深度来表示。淬硬层深度越大，则钢的淬透性越好。淬硬层一般规定为工件表面至半马氏体（马氏体量占好。淬硬层一般规定为工件表面至半马氏体（马氏体量占50%）之间的区域，它的深度叫淬硬层深度。）之间的区域，它的深度叫淬硬层深度。1. 淬硬性：是指钢淬火后获得的马氏体组织所能达到的最高淬硬性：是指钢淬火后获得的马氏体组织所能达到的最高硬度。钢的淬硬性主要决定于马氏体的含碳量，即取决于硬度。钢的淬硬性主要决定于马氏体的含碳量，即取决于淬火前奥氏体的含碳量。淬火前奥氏体的含碳量

27、。淬硬层示意图淬硬层示意图用末端淬火法测定淬透性用末端淬火法测定淬透性四、钢的回火四、钢的回火 定义：将淬火钢重新加热到定义：将淬火钢重新加热到A1点以下某一温度，保温后冷点以下某一温度，保温后冷却到室温的热处理工艺。却到室温的热处理工艺。 回火的目的回火的目的: 改变强度、硬度高，塑性、韧性差的淬火组织。改变强度、硬度高，塑性、韧性差的淬火组织。 使不稳定的淬火组织使不稳定的淬火组织M和残余和残余A转变为稳定组织，保证工件转变为稳定组织，保证工件不再发生形状和尺寸的改变。不再发生形状和尺寸的改变。 消除淬火内应力，防止进一步变形、开裂。消除淬火内应力，防止进一步变形、开裂。 钢淬火后都必须进

28、行回火处理，回火决定了钢在使用状态钢淬火后都必须进行回火处理，回火决定了钢在使用状态的组织和寿命。的组织和寿命。 淬火钢回火时组织和性能的变化淬火钢回火时组织和性能的变化 马氏体分解马氏体分解（100200） 回火回火M(过饱和过饱和碳化物碳化物) 残余奥氏体的分解残余奥氏体的分解（200300） B下下 碳化物的转变碳化物的转变（300400） 碳化物转变为碳化物转变为Fe3C 渗碳体的聚集长大和渗碳体的聚集长大和相再结晶相再结晶（400） 成为粒状成为粒状Fe3C，600后粗化后粗化回火的分类及应用回火的分类及应用回火类型回火温度组织性能应用组织形态低温回火150250 M高硬度和高耐磨脆性及残余应力低。工模具钢，表面淬火及渗碳淬火件过饱和-Fe+碳化物中温回火350500 T弹性极限和屈服极限高弹性元件F针状+ Fe3C细粒状高温回火500650 S良好的综合机械性