金属工艺学 课件 项目五钢的热处理

项目五

钢的热处理工作情景描述

钢的热处理依据的是铁碳合金相图，其实质是钢的性能发生变化，由于铁具有同素异构转变，所以会使钢在加热和冷却过程中发生组织结构变化。热处理一般不改变零件的形状和整体化学成分，而是通过改变零件内部的显微组织或表面化学成分，改善零件的使用性能和工艺性能。学习目标1.理解钢的热处理的概念。2.理解加热阶段的组织转变过程。3.理解和掌握冷却阶段的组织转变过程。4.理解退火、正火，能正确选择热处理方式。5.能正确选择淬火方式。任务一

钢在加热时的组织转变钢的热处理定义钢的热处理是将钢在固态下以适当的方式经过加热、保温和冷却，以获得所需组织结构和性能的工艺。目的是改变钢的内部组织结构，以改善钢的力学性能。热处理是改善金属材料使用性能和工艺性能的一种重要的工艺方法，是强化金属材料、提高产品质量和延长产品使用寿命的主要途径。三阶段室温钢铁素体和渗碳体奥氏体不同结构和形态的铁素体、渗碳体形成的组织加热冷却需要的性能热处理的实质热处理的分类加热合冷却阶段临界温度一、奥氏体的形成过程

热处理时须将钢加热到一定的温度，使其组织全部或部分转变为奥氏体。以共析钢为例，当共析钢加热到Ac1线上方的温度时，珠光体就会向奥氏体发生转变，这一转变遵循结晶过程的基本规律，共析钢奥氏体的形成过程可分为四个阶段，1.晶核形成

奥氏体晶核最容易在珠光体内部的铁素体和渗碳体界面上生成，这是因为铁素体和渗碳体界面上的原子排列紊乱，空位和位错密度高，成分不均匀，处于不稳定状态，为奥氏体晶核形成提供了有利的条件。2.晶核长大奥氏体晶核形成以后就逐渐长大，奥氏体晶核的长大实际就是珠光体内部的铁素体和渗碳体同时向奥氏体转变。随着加热温度的不断升高，铁素体和渗碳体继续向奥氏体转变，奥氏体晶核继续长大。。

3.残余渗碳体溶解

铁素体和渗碳体在向奥氏体转变的过程中，当铁素体全部转变成奥氏体以后，仍有部分渗碳体没有完成转变，通常称这部分渗碳体为残余渗碳体。随着加热温度的升高，残余渗碳体继续向奥氏体转变，直至全部消失。4.奥氏体成分均匀化

碳含量低铁素体奥氏体碳含量高渗碳体奥氏体均匀分布的奥氏体保温碳扩散（措施）亚共析钢的室温组织是珠光体和铁素体，当加热

到Ac1线上方的温度时，珠光体转变为

奥氏体，随着温度的继续升高，铁素体也不断转变为奥氏体，直至加热到Ac3线上方的温度

时才全部转变为单一的奥氏体组织。过共析钢的室温组织是珠光体和二次渗碳体，当加热

到Ac1线上方的温度时，珠光体转变为奥氏体。随着温度的继续升高，渗碳体逐渐溶解到奥

氏体中，直至加热到Accm线上方的温度时才全部转变为单一的奥氏体组织。

二、奥氏体晶粒的长大及影响因素奥氏体吞并晶粒长大奥氏体晶粒的大小直接影响钢冷却后的组织和性能。细小的奥氏体晶粒会使冷却后钢内部组织的晶粒变细，细晶粒的组织能提高钢的强度和韧性；反之，钢内部组织的晶粒粗大，会降低钢的强度和韧性。刚形成的奥氏体晶粒比较细小，若继续加热或延长保温时间，奥氏体晶粒会慢慢长大。影响奥氏体晶粒长大的主要因素有以下两个。（1）加热温度和保温时间。加热温度是影响奥氏体晶粒长大的主要因素，随着加热温度的升高，奥氏体晶粒聚集长大。奥氏体晶粒的大小是评定热处理加热质量的重要指标之一，为了测定或比较钢的实际晶粒的大小，可将试样在金相显微镜下放大100倍，把在显微镜下看到的晶粒与标准晶粒号（2）钢的化学成分。奥氏体的含碳量越高，晶粒长大的倾向越大。当钢中含有形成稳定碳化物、氮化物的元素（如铬、钒、钛、钨、钼等）时，它们弥散分布在奥氏体晶界上，阻碍了奥氏体晶粒的长大，而磷、锰等元素则有助于加速奥氏体晶粒长大。金相镜下放大100倍的晶粒号晶粒号共分为8级，其中1～4级为粗晶粒，5～8级为细晶粒。任务二

钢在冷却时的组织转变钢加热获得奥氏体后，经不同条件下冷却，

可使钢获得不同的力学性能正确认识钢在冷却时的相变规律，对制定钢的热处理工艺具有重要作用。钢在冷却时，通常采用两种冷却方式：等温冷却和连续冷却，其工艺曲线如图5-2-1所示。连续冷却是将加热到奥氏体以后的钢从高温连续冷却到室温，让奥氏体在连续冷却过程中发生组织转变。等温冷却是将加热到奥氏体后的钢迅速冷却到A1线以下的某一温度，然后保温，使奥氏体在此温度下发生组织转变。一、过冷奥氏体的等温转变

过冷奥氏体过冷奥氏体是指在相变温度A1线以下，尚未发生转变而处于不稳定状态的奥氏体。冷奥氏体在不同温度下进行转变，将获得不同的组织。表示过冷奥氏体的转变温度、转变时间与转变产物之间的关系曲线图称为等温转变图。1.共析钢过冷奥氏体等温转变图的特点

C曲线图四线：MS线（马氏体转变开始线）、珠光体转变开始线、珠光体转变终了线、Mf线（转变终了线）。四区:过冷奥氏体区（转变等待区）、转变过程区、转变产物区、马氏体产物区主要组织：在过冷奥氏体区：主要产物为过冷奥氏体

转变过程区：

主要产物为过冷奥氏体和珠光体类型的组织

转变产物区：

这要产物为珠光体类型的组织以及可能出现的贝氏

体组织

马氏体产物区：主要产物是马氏体以及残余奥氏体

（1）珠光体转变。在A1～550℃温度范围内，奥氏体等温分解为铁素体和渗碳体的片层状混合物，称为珠光体，即奥氏体向珠光体转变。在珠光体转变区内，转变温度越低（过冷度越大），形成的珠光体片层越薄。根据形成的珠光体片层间距大小的不同，铁素体和渗碳体的片层状混合物又可分为珠光体（P）、索氏体（S）和托氏体（T）珠光体类型组织其中，珠光体片层较粗，索氏体片层较细，托氏体片层更细。珠光体的力学性能主要取决于片层间距的大小，片层间距越小，塑性变形抗力越大，强度和硬度越高。

珠光体索氏体托氏体≥≥（2）贝氏体转变。在550℃～Ms线范围内，转变温度较低，原子的活动能力较弱，过冷奥氏体虽然仍分解成渗碳体和铁素体的混合物，但铁素体中碳的含量已经超过正常的溶解度，转变后得到的组织为具有一定过饱和碳的铁素体和分散状的渗碳体（或碳化物）组成的混合物，称为贝氏体（B）。B上B下贝氏体又可分为上贝氏体和下贝氏体，通常情况下，550～350℃范围内形成的贝氏体称为上贝氏体，用符号B上表示。上贝氏体中的渗碳体以不连续的细条状分布于平行排列的铁素体片层之间，在显微镜下呈羽毛状，上贝氏体强度较低，塑性和韧性很差，具有这种组织的材料一般不适合用于制造机械零件。而在350℃～Ms线范围内形成的贝氏体称为下贝氏体，用符号B下表示。下贝氏体中的碳化物呈细小颗粒状或短杆状，均匀分布在针叶状的铁素体内，在显微镜下呈黑色针状，下贝氏体性能由于下贝氏体组织中的针状铁素体细小且无方向性，碳的过饱和程度大，碳化物分布均匀且弥散度大，所以其强度、硬度较高，并且具有良好的塑性和韧性。因而，许多机械零件经常选用等温淬火热处理，以获得具有良好综合力学性能的下贝氏体组织。3.过冷奥氏体的马氏体转变当过冷奥氏体迅速冷却到Ms线以下时则发生马氏体转变。马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，马氏体用符号M来表示。马氏体的转变是非扩散型转变，由于转变温度低，原子扩散能力小，且在马氏体转变过程中，只有γ-Fe向α-Fe的晶格转变，而不发生碳原子的扩散，因此，固溶在奥氏体中的碳转变后原封不动地保留在铁的晶格中，这就使得α-Fe中出现了过饱和的碳。马氏体转变的特点（1）转变是在一定温度范围内（Ms～Mf）的连续冷却过程中进行的，转变生成的马氏体的数量随转变温度的降低而不断增加。（2）转变的速度极快。马氏体的转变速度很快，转变的时间很短，整个转变过程大概只需10−7s。（3）马氏体转变是一个体积膨胀的过程。马氏体的比体积（单位质量物质的体积，俗称比容）比奥氏体的比体积要大，当奥氏体转变成马氏体时，由于比体积增加，体积膨胀，因而产生更大的内应力。马氏体转变不彻底存在残余奥氏体的原因：（4）马氏体转变的不彻底性。即使过冷到Ms线以下的温度，仍有一定量的奥氏体存在，这部分奥氏体称为残留奥氏体。存在残留奥氏体有两个原因：一是由于马氏体的比体积比奥氏体的比体积要大，导致体积膨胀，对还没有转变的奥氏体产生了多向的压应力，抑制了奥氏体的转变；二是钢的过冷奥氏体转变为马氏体的转变终了线（Mf线）温度大多低于室温，而在正常的冷却情况下只是冷却到室温，没有低于Mf线，奥氏体转变没有结束，也存在残留奥氏体。残留奥氏体的存在使淬火后的钢硬度和耐磨性降低，组织不稳定。为了消除残留奥氏体，通常在淬火后进行冷处理。所谓的冷处理就是将淬火后的钢放置到低于0℃的某一温度，停留一段时间，以减少残留奥氏体的存在。马氏体的结构、性能取决于马氏体的含碳量，根据马氏体中含碳量的不同，马氏体可分为低碳马氏体（含碳量在0.2%左右）和高碳马氏体（含碳量在1.0%左右）。低碳马氏体形状呈板条状，强度较高，塑性、韧性较好；高碳马氏体形状呈针片状，硬度高，塑性、韧性差。板条状马氏体与针片状马氏体的性能不同。二、过冷奥氏体等温转变图的应用

1.确定马氏体的临界冷却速度为了使奥氏体过冷到Ms线之前不发生任何组织转变，冷却后得到马氏体组织，就必须使其冷却速度大于或等于V临（在C曲线上估计连续冷却产物如图）。V临表示过冷奥氏体全部转变为马氏体的最小冷却速度，称为临界冷却速度。V临正好与C曲线的“鼻尖”相切。2.在等温转变图上估计连续冷却转变的产物

在实际生产过程中，过冷奥氏体的转变大多是在连续冷却过程中完成的，共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变图如图所示。

贝氏体是在连续冷却过程得到的么？

过冷奥氏体连续冷却转变图的测定比较困难，因此常用过冷奥氏体的等温转变图来近似分析过冷奥氏体连续冷却的转变过程。根据试验，等温转变的临界冷却速度大约是连续冷却的1.5倍，另外在连续冷却过程中，没有贝氏体转变过程，即得不到贝氏体组织。，冷却速度V1相当于随炉冷却，冷却转变后得到粗片状的珠光体组织；冷却速度V2相当于在空气中冷却，冷却转变后得到索氏体或托氏体组织；冷却速度V3相当于在油中冷却，冷却转变后得到托氏体、马氏体和残留奥氏体组织；冷却速度V4相当于在水中冷却，它不与C曲线相交，冷却转变后得到马氏体组织和少量的残留奥氏体组织。

实践练习1、C曲线图（1）在图5-2-2所示的共析钢过冷奥氏体等温转变图中，说出C曲线图中涉及的四线、四个主要区间，并说出每个区间的组织是什么。2、（2）画出C曲线图，从中标出冷却过程中各个温度阶段的产物。（3）说出共析钢在冷却过程中发生的三个阶段的转变，以及转变产物有哪些。2.钢在冷却时的组织转变（1）钢在冷却时，根据冷却速度不同主要由奥氏体降低温度转变成珠光体、索氏体、托氏体和，以及。（2）马氏体的形态主要有和两种。其中强韧性较好。任务三

钢的退火与正火一、钢的退火

将钢加热到适当的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺称为退火。退火的目的：①降低钢的硬度，提高钢的塑性，改善钢的切削加工和冷变形加工工艺性能；②细化晶粒、均匀成分、改善钢的组织；③消除内应力，防止工件变形。根据钢的成分和退火的目的不同，可将退火分为完全退火、球化退火、均匀化退火、去应力退火等。1.完全退火

完全退火是将钢加热到Ac3线以上30～50℃（完全奥氏体化），保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的工艺方法。完全退火的目的是细化晶粒、消除过热组织、降低硬度、消除内应力、改善切削工艺性能。完全退火主要用于亚共析钢的铸、锻件，有时也用于焊接结构件。过共析钢不适合完全退火，以避免出现网状渗碳体使钢的力学性能变差。

2.球化退火球化退火是将钢加热到Ac1线以上20～30℃，保温一定时间，然后随炉缓慢冷却到600℃以下出炉空冷。球化退火主要适用于过共析钢，目的是使钢中的渗碳体球化，以降低钢的硬度，改善加工工艺性能，并为最终热处理做好组织准备。若钢的原始组织中有网状渗碳体，则应在球化退火之前正火处理，以保证球化退火的效果。3.均匀化退火

均匀化退火是将钢加热到略低于固相线温度（Ac3或Accm线以上150～300℃），长时间保温（10～15h），然后随炉冷却，以使钢的化学成分和组织变得均匀的热处理工艺。均匀化退火加热温度高，保热时间长，退火后晶粒容易粗大。为了使晶粒细化，均匀化退火后应进行完全退火或正火。均匀化退火主要用于质量要求较高的合金钢铸件或锻件。4.去应力退火去应力退火是将钢加热到低于Ac1线的某一温度（一般为500～600℃），保温一定时间后缓慢冷却的工艺方法。由于去应力退火的加热温度低于Ac1线，所以其组织不发生变化，主要是为了消除内应力。

二、钢的正火

正火是将钢加热到Ac3或Accm线以上30～50℃，保温适当的时间，出炉后在空气中冷却的工艺方法。正火与退火的目的基本相同，但正火的冷却速度比退火快，冷却后容易得到托氏体或索氏体组织，强度、硬度比退火钢高。正火主要有以下几方面的应用。（1）调整低碳钢和低碳合金钢的硬度，改善切削工艺性能。（2）细化晶粒，改善组织结构，改善材料的力学性能。（3）消除过共析钢中的网状渗碳体，为球化退火做好组织准备。正火比退火生产周期短，生产成本低，操作方便，因此在可能的条件下应尽可能采用正火。对于一些结构比较复杂的零件，由于正火冷却速度快，可能会引起零件的开裂，所以以采用退火为宜。思考问题（1）退火的目的？（2）简述退火与正火的区别？

任务四

钢的淬火钢的淬火

将钢加热到Ac3或Ac1线以上某一温度，保温一定时间，然后以大于临界冷却速度冷却，获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火的目的是获得马氏体、贝氏体组织，以提高钢的强度和硬度。一、钢在淬火时加热温度的选择

钢的淬火加热温度可根据Fe-Fe3C相图来选择，碳钢淬火温度范围如图5-4-1所示。亚共析钢一般采用完全奥氏体化淬火，淬火加热温度在Ac3线以上30～50℃，使其加热完全得到奥氏体组织。如果加热温度在Ac1线和Ac3线间，则在淬火组织中有铁素体存在，使淬火钢的强度、硬度降低。如果加热温度过高，则会引起奥氏体晶粒的粗化，淬火后马氏体晶粒粗大，使钢的塑性下降。

共析钢和过共析钢的淬火加热温度在Ac1线以上30～50℃。过共析钢淬火加热温度选择在Ac1线和Accm线间，是为了淬火后得到细小的片状马氏体和细小的球状渗碳体混合组织，提高钢的耐磨性，而且脆性小。二、淬火冷却的方法淬火的目的是获得马氏体或贝氏体组织。为了得到马氏体组织，淬火的冷却速度必须大于临界冷却速度，但冷却过快会引起很大的内应力，使工件产生变形和开裂，因此，选择合适的冷却方法很重要。选择合理的冷却方法除了应该考虑冷却介质外，还应考虑工件的材料、尺寸、形状和技术要求等因素。常用淬火冷却的方法：单介质淬火：将钢件加热到淬火加热温度后，在单一淬火冷却介质中冷却到室温，如图曲线1所示。例如，碳钢在水中淬火冷却，合金钢在油中淬火冷却。双介质淬火：将钢加热到淬火加热温度后，先放到冷却能力比较强的冷却介质中冷却，待冷却接近Ms线时取出再放入冷却能力比较弱的冷却介质中冷却至室温，双介质淬火的优点是内应力小，不易发生变形和开裂；缺点是操作困难，不易把握淬火质量，主要用于由碳素工具钢制造的易开裂工件，如丝锥等。马氏体的分级淬火：将钢加热到淬火加热温度后先放入温度在Ms线附近（150～260℃）的盐浴或碱浴中，稍加停留（一般为2～3min），等工件整体温度趋于均匀时，再取出空冷以获得马氏体组织，如图5-4-2（b）所示。分级淬火能够更有效地避免淬火变形和开裂，而且比双介质淬火更容易操作，一般适用于形状较复杂、尺寸较小的工件。贝氏体等温淬火：。将钢加热到淬火加热温度后，放入温度稍高于Ms线的盐浴或碱浴中，保温足够时间，使奥氏体转变成下贝氏体，如图5-4-2（c）所示。等温淬火的内应力很小，工件不易变形与开裂，而且具有良好的综合力学性能。三、钢的淬透性和淬硬性钢的淬透性是钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力。工件淬硬层与冷却速度的关系如图5-4-3所示。工件在淬火后，整个截面的冷却速度不同，工件表层的冷却速度最大，中心层的冷却速度最小，如图5-4-3（a）所示。冷却速度大于临界冷却速度的表层部分，淬火后得到马氏体组织，图5-4-3（b）中的阴影线区域表示获得马氏体组织的深度。一般规定：由钢的表面至内部马氏体组织占50%处的距离为有效淬硬深度。

四、淬火缺陷

淬透性是钢的一种重要的热处理工艺性能，是以钢在规定的淬火条件下能够获得的有效淬透深度表示的。用不同钢种制造相同形状和尺寸的工件，在同样条件下淬火，淬透性越好的钢，有效淬硬深度越大。钢的淬透性与钢的临界冷却速度有密切的关系，临界冷却速度越低，钢的淬透性越好。因此，可以通过增加过冷奥氏体的稳定性，以降低临界冷却速度，从而提高钢的淬透性。例如，合金钢的淬透性要比碳钢的淬透性好。淬透性钢的淬硬性指钢在理想条件下淬火后得到马氏体的最高硬度。钢的淬硬性主要取决于马氏体的含碳量，低碳钢淬火后硬度较低，淬硬性较差；高碳钢淬火后硬度较高，淬硬性较好。1.氧化与脱碳钢在热处理时，加热炉内的氧化气氛与工件表面的铁与碳相互作用，引起氧化与脱碳。氧化是指铁的氧化，即在工件表面形成一层松脆的氧化皮。氧化不仅会造成金属的损耗，还会影响工件的承载能力和表面质量。脱碳是指气体介质和钢表面的碳相互反应而生成气体逸出，使工件表面的含碳量降低。脱碳会降低工件表层的强度、硬度和疲劳强度。对于弹簧、轴承、模具等工具，脱碳是严重的缺陷。为防止氧化与脱碳，对于重要的受力零件和精密零件，通常应在盐浴炉内加热。对于要求更高的零件，应在工件表面涂覆保护剂或在保护气氛及真空中加热。2.过热与过烧钢在淬火加热时，加热温度过高或高温下停留时间较长使奥氏体晶粒显著粗化的现象，称为过热。加热温度达到固相线附近，使晶界氧化并部分熔化的现象，称为过烧。工件过热后，晶粒粗大，不仅降低钢的力学性能，而且会引起工件的变形和开裂。一旦出现了过热组织，则可以通过正火来消除，但过烧后的工件只能报废。为了防止过热与过烧，必须严格控制加热温度和保温时间。3.变形与开裂

淬火内应力是工件变形与开裂的主要原因。变形量小的工件可以通过减小淬火内应力予以纠正，而变形量太大或者开裂的工件则只能报废。为了防止工件的变形和开裂，应尽可能减小淬火内应力。通过合理设计零件结构和选择合理的淬火方法可以减小淬火内应力，以减少工件的变形与开裂。4.硬度不足

由于加热温度过低，亚共析钢加热后没有完全奥氏体化，淬火后马氏体中含有铁素体，从而降低了马氏体的硬度，引起硬度不足。冷却速度太慢、工件表面脱碳都会引起硬度降低。一般情况下，可以采用重新淬火来消除，但在淬火之前要进行一次退火或正火处理。任务五

钢的回火回火

回火是将淬火钢加热到Ac1线以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。回火的目的：①消除内应力。通过回火减小或消除工件在淬火时所产生的内应力，防止工件在使用过程中由于应力的作用而引起变形和开裂。②获得所需要的力学性能。通过回火可以提高钢的韧性，适当调整钢的强度和硬度，使工件具有较好的力学性能。③稳定组织和尺寸。回火可使钢的组织稳定，从而保证工件在使用过程中尺寸稳定。一、淬火钢在回火时组织与性能的变化钢淬火后的组织是马氏体及少量的残留奥氏体，是不稳定的组织，有自发向稳定组织转变的趋势。在室温时，由于原子的活动能力较弱，这种转变趋势较慢。但随着温度的升高，原子的活动能力增强，加速了组织转变。由于组织发生变化，钢的性能也会发生变化。随着回火温度的升高，淬火钢在回火时的组织转变可分为四个阶段。

1.第一阶段（80～200℃）马氏体的分解

淬火后的钢加热到80～200℃时，其内部原子的活动能力增强，马氏体中的过饱和碳开始以碳化物的形式析出，随着碳化物的析出，马氏体中过饱和碳的过饱和程度开始降低，晶格畸变程度开始减弱，内应力开始减小。回火后的组织由碳的过饱和程度较低的马氏体和碳化物组成，称为回火马氏体。回火马氏体仍然保持较高的硬度和耐磨性，由于内应力有所下降，所以韧性有所提高。2.第二阶段（200～300℃）残留奥氏体的分解

当加热温度超过200℃时，在马氏体继续分解的同时，残留奥氏体也开始分解，分解