机械制造基础13钢的热处理

机械制造基础1.3钢的热处理热处理的概念钢的热处理是指将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。热处理的目的是：显著提高钢的力学性能，发挥钢材的潜力提高工件的使用性能和寿命还可以消除毛坯（如铸件、锻件等）中缺陷，改善其工艺性能，为后续工序作组织准备。热处理的分类

钢的热处理种类很多，根据加热和冷却方法不同，大致分类如下：热处理化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗钢在加热时的组织转变

在Fe-Fe3C相图中，共析钢加热超过PSK线（A1）时，其组织完全转变为奥氏体。亚共析钢和过共析钢必须加热到GS线（A3）和ES线（Acm）以上才能全部转变为奥氏体。相图中的平衡临界点A1、A3、Acm是碳钢在极缓慢地加热或冷却情况下测定的。如右图所示。

加热(冷却)时Fe-Fe3C相图中各临界点的位置

在实际生产中，加热和冷却并不是极其缓慢的。因此，钢的相变过程不可能在平衡临界点进行。加热转变在平衡临界点以上进行，冷却转变在平衡临界点以下进行。加热和冷却速度越大，其偏离平衡临界点也越大。为了区别于平衡临界点，通常将实际加热时各临界点标为Ac1、Ac3、Accm；实际冷却时各临界点标为Ar1、Ar3、Arcm。如右图所示。加热(冷却)时Fe-Fe3C相图中各临界点的位置1、奥氏体的形成

由Fe-Fe3C相图可知，任何成分的碳钢加热到相变点Ac1以上都会发生珠光体向奥氏体转变，热处理时进行Ac1以上加热的目的，就是为了得到奥氏体，通常把这种转变过程称为奥氏体化。

共析钢加热到Ac1以上由珠光体全部转变为奥氏体，这一转变可表示为：

P（

F

+

Fe3C

）

→

A

0.0218%ωc6.69%ωc

0.77%ωc

体心立方晶格复杂晶格面心立方晶格由上式看出,珠光体向奥氏体转变是由碳质量分数、晶格均不同的两相混合物转变成为另一种晶格的单相固溶体过程，因此，转变过程中必须进行碳原子和铁原子的扩散，才能进行碳的重新分布和铁的晶格改组，即发生相变。

奥氏体的形成是通过形核与长大过程来实现的，其转变过程分为三个阶段，如图所示。第一阶段是奥氏体的形核与长大第二阶段是剩余渗碳体的溶解第三阶段是奥氏体成分均匀化。亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析碳钢基本相同，不同处在于亚共析碳钢、过共析碳钢在Ac1稍上温度时，还分别有铁素体、二次渗碳体未变化。所以，它们的完全奥氏体化温度应分别为Ac3、Accm以上。2、奥氏体晶粒的长大及影响因素

钢在加热时，奥氏体的晶粒大小直接影响到热处理后钢的性能。加热时奥氏体晶粒细小，冷却后组织也细小；反之，组织则粗大。钢材晶粒细化，即能有效的提高强度，又能明显提高塑性和韧性。因此，在选用材料和热处理工艺上，如何获得细的奥氏体晶粒，对工件使用性能和质量都具有重要意义。（1）奥氏体晶粒度

晶粒度是表示晶粒大小的一种量度。有本质粗晶粒度和本质细晶粒度之分。

钢的晶粒度等级5～8级的钢为本质细晶粒度的钢。1～4级的钢为本质粗晶粒度钢。（2）影响奥氏体晶粒度的因素加热温度和保温时间

奥氏体起始晶粒是很细小的，随加热温度升高，奥氏体晶粒逐渐长大，晶界总面积减少而系统的能量降低。所以，在高温下保温时间越长，越有利于晶界总面积减少而导致晶粒粗大。奥氏体晶粒长大倾向示意图

钢的成分对于亚共析钢随奥氏体中碳的质量分数增加时，奥氏体晶粒的长大倾向也增大。但对于过共析钢部分碳以渗碳体的形式存在，当奥氏体晶界上存在未溶的剩余渗碳体时，有阻碍晶粒长大的作用。钢中加入能形成稳定碳化物元素，如钨、钛、钒、铌等时，钢中能形成高熔点化合物，并存在于奥氏体晶界上，有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。锰和磷是促进奥氏体晶粒长大的元素。

钢在冷却时的组织转变

加热时钢的奥氏体化，一般不是热处理的目的，它仅为随后的冷却转变作准备。冷却过程是热处理的关键工序，它决定着钢热处理后的组织与性能。在实际生产中，钢在热处理时采用的冷却方式通常是两种：等温冷却，如a图所示

连续冷却，如b图所示

两种冷却方式示意图1、过冷奥氏体的等温转变

奥氏体在临界温度以上是一稳定相，能够长期存在而不转变。一旦冷却到临界温度以下，则处于热力学的不稳定状态，称为“过冷奥氏体”，它总是要转变为稳定的新相。过冷奥氏体等温转变反映了过冷奥氏体在等温冷却时组织转变的规律。（1）过冷奥氏体的等温转变曲线

右图为过冷奥氏体的等温转变曲线：A1以下转变开始以左的区域是过冷奥氏体区；A1以下，转变终了线以右和Ms点以上的区域为转变产物区；在转变开始线与转变终了线之间的区域为过冷奥氏体和转变产物共存区。Ms线和Mf线是马氏体转变开始线和终了线。（2）过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能

（3）亚共析碳钢与过共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变

1）亚共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变

亚共析碳钢在过冷奥氏体转变为珠光体之前，首先析出先共析相铁素体，所以在C曲线上还有一条铁素体析出线，如右图所示2）过共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变

过共析碳钢在过冷奥氏体转变为珠光体之前，首先析出先共析相二次渗碳体，所以C曲线上还有一条二次渗碳体析出线，如右图所示。2、过冷奥氏体的连续冷却转变右图为共析碳钢连续冷却转变曲线：

实际冷却速度Vc′（炉冷、空冷）珠光体转变组织：珠光体和索氏体实际冷却速度Vc，（水冷）马氏体转变组织：马氏体Vc′

Vs

Vc：（油冷）组织：

Ms以上：P（屈氏体）+AMs以下：P（屈氏体）+M3、马氏体转变

当转变温度在Ms和Mf之间时，即有马氏体组织转变。马氏体是碳在α-Fe中过饱和的固溶体，用符号“M”表示。（1）马氏体的组织形态

马氏体组织形态分为板条状和针状两大类：板条马氏体：显微组织如图所示。形态呈细长的扁棒状，显微组织为细条状。针状马氏体：显微组织如图所示。形态呈双凸透镜的片状，显微组织为针状。板条马氏体针状马氏体马氏体的形态取决于碳含量。当wC＜0.2%时，为板条M；当wC＞1.0%时，为针状M；当wC＝0.2%～１.0%时，为板条和针状的混合组织。（2）马氏体的性能

马氏体的强度与硬度主要取决于马氏体中碳的质量分数，如图所示。碳含量：如碳含量增加，其硬度就增加。所以马氏体是钢的主要强化手段之一。塑性和韧性：马氏体的塑性与韧性随碳的质量分数增高而急剧降低。主要取决于亚结构形式和碳在马氏体中的过饱和度。随着碳的质量分数或合金元素（除Co外）增加，马氏体转变点不断降低，碳的质量分数大于0.5%的碳钢和许多合金钢的Mf都在室温以下。由于残余奥氏体不稳定，可采用冷处理使之继续向马氏体转变。冷处理可达到增加硬度、耐磨性与稳定工件尺寸的目的。调整硬度以便进行切削加工。消除残余应力。细化晶粒，改善组织。为最终热处理做好组织上的准备。其目的是:

提高金属材料的强度和硬度，增加耐磨性。既要得到马氏体组织，同时又要避免产生变形和开裂。亚共析钢：Ac3+（30～50C）共析钢：过共析钢：Ac1+（30～50C）获得工件所要求的力学性能稳定工件尺寸降低脆性，消除或减少内应力电流频率愈高，电流透入深度愈小，加热层也愈薄，调节频率，可得到不同的淬硬层深度。钢的化学热处理

钢化学热处理，是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性能以及疲劳强度目的。化学热处理可分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铬、渗铝等。渗碳的目的：是提高工件表面的硬度和耐磨性，同时保持心部的良好韧性。2、钢的氮化通过氨气的受热分解，分解出活性氮原子，使氮原子被钢吸收并渗入表面的化学热处理工艺过程。氮化温度一般为550～570℃，因此氮化件变形很小，比渗碳件变形小得多。氮化的目的：提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度及耐蚀性。氮化广泛应用于耐磨性和精度均要求很高的零件，如镗床主轴、精密传动齿轮；在循环载荷下要求高疲劳强度的零件，如高速柴油机曲轴；以及要求变形很小和具有一定抗热、耐蚀能力的耐磨件，如阀门、发动机气缸以及热作模具等。氮化工艺：气体氮化专门设备中通氮气并加热至560～570℃。氮化时间约20～50h，氮化层深度一般0.1～0.6mm。生产周期长，氮化层较脆，不能承受冲击。

离子氮化

在低真空度容器内，稀薄的氨气在高电压作用下，使电离后的氮离子高速冲击工件，使其渗入工件表面。氮化时间短，易于控制操作，氮化层质量好，脆性低些。（2）气体氮碳共渗(软氮化)

工件表面渗入氮和碳，并以渗氮为主的化学热处理，称为氮碳共渗。共渗层达0.01～0.02mm。与气体氮化相比，渗层硬度较低，脆性较低，故又称软氮化。氮碳共渗具有处理温度低，时间短，工件变形小的特点，而且不受钢种限制；碳钢、合金钢及粉末冶金材料均可进行氮碳共渗处理，达到提高耐磨性、抗咬合、疲劳强度和耐蚀性的目的。由于共渗层很薄、不宜在重载下工作，目前软氮化广泛应用于模具、量具、刃具以