燃气轮机材料基础 课件 10钢的热处理3-工艺

燃气轮机材料基础§5.3钢的退火和正火§5.3

钢的退火和正火

铜棒Ø24mm如何消除拉拔过程中的硬化现象？

电缆线Ø0.15mm

切削件的硬度在170～230HB范围内，切削性能较好。

刀具具有较高的韧性时，不容易发生崩刃。切削件的硬度如何调整？刀具如何才能具有较高的韧性？季裂加工过程（铸、锻、焊、切削）产生的内应力如何消除加工过程中产生的内应力？§5.3

钢的退火和正火在实际的制造过程中，常见的工艺路线如：退火和正火是应用最为广泛的热处理工艺！！

为什么将其安排在铸/锻造与切削加工之间呢?为什么退火与正火有着非常广泛的应用?§5.3

钢的退火和正火

在铸造/锻造/焊接之后，钢件中不但残留有铸造或锻造应力，而且还往往存在着成分和组织上的不均匀性，因而机械性能也不均匀，还会导致以后淬火时的变形和开裂。也会存在硬度偏高或偏低的现象，严重影响后续的切削加工性能。经过退火和正火后，便可得到细而均匀的组织，并消除应力，改善钢件的机械性能并为随后的淬火作了准备经过退火与正火后，钢的组织接近于平衡组织，其硬度适中，有利于下一步的切削加工。如果工件的性能要求不高时，退火或正火常作为最终热处理。

§5.3

钢的退火和正火一.钢的退火

二.钢的正火三.退火和正火的选择§5.3

钢的退火和正火

2退火的分类：高温退火（相变重结晶退火）

T加热>Ac1(2)

低温退火完全退火不完全退火与球化退火等温退火扩散退火T加热<Ac1去应力退火再结晶退火去氢退火工艺参数:定义：将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（炉冷、坑冷、灰冷），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。目的：减轻钢的成分及组织的不均匀性，细化晶粒，调整硬度，消除内应力，为淬火作组织准备返回§5.3

钢的退火和正火（1）完全退火TtAc3+20-30ºCAc3Ac1工艺规范特点：工艺：完全奥氏体化；组织：层片状珠光体。适用范围：含碳0.30~0.60%的中碳钢、合金钢的铸、锻、热轧、焊件的预备热处理。名称由来：经历完全奥氏体化过程问题2：奥氏体区的温度区间很大，如果你是热处理工程师，你认为完全退火应该具体在哪一个温度段保温？问题1:在相图的哪一个区域可以获得完全奥氏体组织？完全退火的目的：①细化、均匀化，粗大、不均匀组织②得到接近平衡组织→调整硬度→切削性③消除内应力§5.3

钢的退火和正火加热温度：Ac3以上20-30度温度过高：奥氏体晶粒粗大，综合机械性能下降（霍尔佩奇公式）温度过低：不能得到均匀的单相奥氏体，温度较低热处理效率低。§5.3

钢的退火和正火

对结构钢、弹簧钢、热作模具钢等的完全退火退火加热速度取100～200℃/h，保温时间如下式：τ=8.5+Q/4（h）对于亚共析钢锻轧钢材完全退火主要是消除锻后的组织及硬度的不均匀性,改善切削加工性能,为后续的热处理做好组织准备.保温时间:τ=(3~4)+(0.4~0.5)Q(h)冷却速度:一般碳钢小于200℃/h，而碳钢,低合金钢:100℃/h高合金钢:50℃/h出炉温度:600℃以下晶粒细化的原因：完全退火→相变重结晶过程.α→γ→ααγα40钢退火前后金相组织——晶粒细化

45#钢锻后与完全退火后机械性能

状态σb(Mpa)σs(Mpa)δ(%)

ψ(%)

αk(kJ.m-2)HB锻后650－750300－4005－1520－40200－400230完全退火600－700300－35015－2040－50400－600200完全退火后强硬度有所下降，而塑韧性较大幅度提高答：完全退火不能用于过共析钢，因为加热到Accm以上再缓慢冷却时会得到平衡组织，即在晶界处析出网状渗碳体，造成钢的脆化。应用范围：亚共析钢，共析钢，

不适用于过共析钢。

反问：过共析钢的平衡组织？网状渗碳体问题：为什么不适用于过共析钢呢？§5.3

钢的退火和正火完全退火组织P+F问题：亚共析钢（共析钢）的平衡状态组织？返回§5.3

钢的退火和正火（2）球化退火——不完全退火的一种

Ac1+20-30ºCAcm

或Ac3Ac1Tt工艺规范特点：工艺：不完全奥氏体化；组织：球状或粒状珠光体。目的：降低硬度，改善切削加工性能；获得均匀组织，改善热处理工艺性经淬火、回火后获得优良的综合机械性能

适用范围：含C量较高的工、模具钢的预备热处理。工艺关键：Fe3C形态控制控制奥氏体化程度球的大小控制控制过冷奥氏体冷却转变的温度球化退火目的：使Fe3C球化，降低硬度；提高韧性，改善切削加工性；为以后淬火做准备。实质：通过球化退火，使层状渗碳体和网状渗碳体变为球状渗碳体，球化退火后的组织是由铁素体和球状渗碳体组成的球状珠光体。§5.3

钢的退火和正火球化退火工艺：Ac1以上20-40度保温，缓冷应用范围：过共析钢，共析钢组织：球状P（F+球状FeC3）返回§5.3

钢的退火和正火片状与球状珠光体组织切削性能比较层片状珠光体粒(球)状珠光体刀具T12钢球化退火与完全退火的性能比较：

球化退火的强硬度更低，塑韧性更好，碳化物对基体的分割更均匀、彻底，更利切削加工状态σb(Mpa)δ(%)ψ(%)HB完全退火8101530230球化退火6202040160T12钢完全退火与球化退火后组织与性能比较（3）等温退火Ac1Ac3Ar1Tt等温完全退火等温球化退火优点：周期短，组织更均匀，是完全退火和球化退火工艺的改进。

炉子要求比较高，最好采用分段控温的连续加热炉，小批量生产时可采用两台炉子（加热炉和保温炉）进行操作。等温退火：先以较快的速度，将工件加热到Ac3以上30～50℃，保温一定时间后，先以较快的冷速冷到珠光体的形成温度等温，使奥氏体转变成珠光体，待等温转变结束再快冷。这样就可大大缩短退火的时间。完全退火的缺点：所需时间很长，特别是对于某些奥氏体比较稳定的合金钢，往往需要几十小时解决：为了缩短退火时间，可采用等温退火。§5.3

钢的退火和正火可见等温退火所需时间比完全退火缩短很多。等温温度根据要求的组织和性能而定：等温温度越高，则珠光体组织越粗大，钢的硬度越低。返回§5.3

钢的退火和正火（4）扩散退火1：定义：

扩散退火又称均匀化退火。将金属铸锭或锻坯，在稍低于固相线的温度下长期加热，消除或减少化学成分偏析及显维组织的不均匀性，以达到均匀化的目的的热处理工艺。2：工艺：a):一般均匀化温度可选择在高于0.8～0.9T熔，但低于固相线温度。b):碳钢一般选择1100～1200度.c):合金钢为使其共晶碳化物充分溶解，温度允许提高到1150～1250度（4）扩散退火工艺规范特点目的适用范围(1)高温，长时间(2)需再经重结晶工艺（完全退火或正火）以细化晶粒消除或减轻偏析、带状组织合金钢锭、大型铸钢件Acm

或Ac3Acm

或Ac3＋200~300ºCtT

为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线（固相线以下100℃～200℃）的温度，长时间保温（10h～15h），并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为扩散退火或均匀化退火。返回§5.3

钢的退火和正火

扩散退火后钢的晶粒很粗大，因此一般再进行完全退火或正火处理。（5）再结晶退火与去应力退火（低温退火）工艺名称工艺规范目的适用范围再结晶退火①①消除加工硬化②完全消除残余应力冷塑性变形件去应力退火②消除内应力，防止工件变形铸、锻、焊、冲压、机加工件Ac1①②tT650－700ºC300－650ºC去应力退火目的：消除铸、锻、焊件、冷冲压件（或冷拔件）及机加工件的切削加工或使用中的变形和开裂；降低机器的精度；甚至会发生事故。§5.3

钢的退火和正火残余内应力。

将工件随炉缓慢加热至500～650℃（＜A1点），保温一段时间后随炉缓慢冷却，至200℃出炉空冷。退火温度愈高，内应力消除越充分，退火所需的时间越短。在去应力退火中不发生相变。返回§5.3

钢的退火和正火（6）去氢退火去氢退火热轧后锻件冷却到300-650ºC（珠光体或贝氏体区），长时间保温减小或消除钢中的氢重要的结构件工艺参数的选择必须能造成氢在钢中的溶解度小而扩散速度比较大的条件。

§7-2正火的目的、用途和工艺1

定义：钢加热到Ac3或Acm以上的A区域，保持 一定时间后在空气中冷却，以获得接近平 衡态组织的工艺。与退火相比：

加热温度较高；冷却速率较快；获得组织较细（索氏体）

——强硬度与塑韧性较高；生产效率较高Acm

或Ac3Ac1Acm

或Ac3＋30~50ºCT温度选择：Ac3+30~50℃

为缩短工件在高温时的停留时间，而心部又能达到要求得加热温度，采用稍高于完全退火的温度。保温时间以工件烧透为准。状态σb(Mpa)δ(%)

ψ(%)

αk(kJ.m-2)HB正火700－80015－2020－40500－800220完全退火650－70015－2040－50400－600200状态结构钢工具钢软的中等的硬的退火～125～160～185～220正火～140～190～230～270碳钢正火与退火后的硬度（HB）正火与退火态45#钢机械性能注：正火态强硬度与塑韧性均较高2正火的目的 ①细化晶粒，消除铸锻焊件组织缺陷；

②提高低碳钢的硬度，改善切削加工性能；

③消除高碳钢网状二次渗碳体，为球化退火做组织准备；

④型材或大型复杂铸钢件的最终热处理应注意的问题：1．低碳钢正火的目的：提高切削性能。2．中碳钢正火应根据钢的成分及工件尺寸来确定冷却方式。含碳量较高，含有合金元素，可采用较缓慢冷却速度，如在静止空气中或成堆堆放冷却，反之则采用较快冷却速度3．过共析钢正火：消除网状碳化物，可采用较大冷速，如鼓风，喷雾，甚至油冷，水冷至Ar1点以下，取出空冷。4．双重正火：过热组织或铸件粗大铸造组织，采用两次正火第一次正火：AC3+150~200℃第二次正火：A3+30~50℃目的是为了细化组织。正火的应用（2）用于低、中碳钢作为预先热处理，得合适的硬度便于切削加工。（3）用于过共析钢，消除网状Fe3CⅡ，有利于球化退火的进行。（1）用于普通结构零件，作为最终热处理，细化晶粒提高机械性能。返回§5.3

钢的退火和正火（2）从使用性能上考虑如工件性能要求不太高，随后不再进行淬火和回火，那么往往用正火来提高其机械性能。但若零件的形状比较复杂，正火的冷却速度有形成裂纹的危险，应采用退火。（3）从经济上考虑正火比退火的生产周期短，耗能少，操作简便，故在可能的条件下，应优先考虑正火。（1）从切削加工性上考虑一般金属的硬度在HB170～230范围内，切削性能较好。高则过硬，难加工，刀具磨损快；低则切屑不易断，刀具发热和磨损，加工后零件表面粗糙度大。对于低、中碳结构钢以正火作为预先热处理比较合适，高碳结构钢、工具钢和中碳以上合金钢则以退火为宜。§5.3

钢的退火和正火正火和退火工艺总结§5.3

钢的退火和正火退火：完全退火(等温退火)、不完全退火(球化退火)、扩散退火、再结晶退火、去应力退火。正火：空冷、吹风冷、喷雾冷。正火与退火的选用

（1）含0．25％C以下的钢，在没有其它热处理工序时，可用正火来提高强度。

（2）对渗碳钢，用正火消除锻造缺陷及提高切削加工性能。但对含碳低于0．20％的钢，如前所述，应采用高温正火。对这类钢，只有形状复杂的大型铸件，才用退火消除铸造应力。

（3）对含碳0．25—0.50％的钢，一般采用正火。其中含碳0．25—0.35％钢，正火后其硬度接近于最佳切削加工的硬度。对含碳较高的钢，硬度虽稍高(200HB)，但由于正火生产率高，成本低，仍采用正火。只有对合金元素含量较高的钢才采用完全退火。（4）对含碳0．50—0．75％的钢，一般采用完全退火。因为含碳量较高，正火后硬度太高，不利于切削加工，而退火后的硬度正好适宜于切削加工。此外，该类钢多在淬火、回火状态下使用，因此二般工序安排是以退火降低硬度，然后进行切削加工，最终进行淬火、回火。

（5）含碳0．75～1．0％的钢，有的用来制造弹簧，有的用来制造刀具。前者采用完全退火作预备热处理，后者则采用球化退火。诚然，当采用不完全退火法使渗碳体球化时，应先时行正火处理，以消除网状渗碳体，并细化珠光体片。

（6）含碳大于1，0％的钢用于制造工具，均采用球化退火作预备热处理。

淬火的定义和目的

钢的淬火工艺钢的淬透性§5.4

钢的淬火§5.4钢的淬火

概念：将钢件加热到Ac3或Ac1以上30～50℃，保温一定时间，然后快速冷却（一般为油冷或水冷），从而得马氏体（或下贝氏体）的一种操作。目的：获得马氏体（或下贝氏体）。下Ｂ板条Ｍ针状Ｍ返回淬火加热温度的选择

淬火冷却介质淬火方法中国古代淬火技术§5.4

钢的淬火返回淬火加热温度是淬火工艺的主要参数。它的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以使淬火后获得细小的马氏体组织。为防止奥氏体晶粒粗化，淬火加热温度一般限制在临界点以上30一50℃范围。细小细小淬火加热温度的选择亚共析钢:

温度：Ac3＋(30～50℃)。组织：均匀细小的马氏体组织。温度过高:粗大马氏体组织，严重变形温度过低:组织中出现铁素体，硬度不足。“软点”淬火加热温度的选择共析钢和过共析钢温度：Ac1＋(30～50℃)

组织：共析钢:均匀细小M+少量A’

过共析钢:均匀细小M+粒状Fe3C+少量A’

有利于获得最佳硬度和耐磨性。

温度过高：粗大的M+较多A’，降低了钢的硬度和耐磨性，增大淬火变形和开裂倾向。温度过低：？淬火加热温度的选择淬火加热温度的选择为得到马氏体组织，淬火冷却速度必须大于临界冷却速度Vk。但这必然会产生很大的内应力，往往会引起工件变形和开裂，为此人们提出了理想的淬火冷却曲线。淬火加热温度的选择返回时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf

在“鼻尖”温度以上，在保证不出现珠光体类型组织的前提下，可以尽量缓冷；在“鼻尖”温度附近则必须快冷，以躲开“鼻尖”，保证不产生非马氏体相变；而在Ms点附近又可以缓冷，以减轻马氏体转变时的相变应力。

淬火冷却介质高温区（650-550oC）低温区（300-200oC）理想介质快慢水慢快盐水快快油慢慢碱/硝盐浴慢特慢淬火冷却介质生产中常用的淬火介质应用水形状简单、硬度要求高、变形度要求不高的碳钢盐水油合金钢和小尺寸碳钢碱/硝盐浴截面不大、形状复杂、变形要求严格的合金钢淬火冷却介质单液淬火：是将奥氏体化后的钢件淬入一种介质中连续冷却获得马氏体组织的一种淬火方法双液淬火：是先将奥氏体化后的钢件淬入冷却能力较强的介质中冷至接近MS点温度时快速转入冷却能力较弱的介质中冷却，直至完成马氏体转变。分级淬火：是将奥氏体化后的钢件淬入稍高于MS点温度的盐浴中，保持到工件内外温度接近后取出，使其在缓慢冷却条件下发生马氏体转变。

等温淬火：是将奥氏体化后的钢件淬入高于MS点温度的盐浴中，等温保持，以获得下贝氏体组织的一种淬火工艺。淬火冷却介质直径为10mm的共析钢小试样加热Ac１+60℃，用图1-6所示的冷却曲线进行冷却，分析其所得到的组织，说明各属于什么热处理方法。答：

a—M+A′单液淬火

b—M+A′分级淬火

c—T+M+A′油冷淬火

d—下B 等温淬火

e—S 正火

f—P 完全退火

g—P 等温退火亚共析钢连续冷却转变炉冷→F+P空冷→F+S油冷→T+M水冷→M过共析钢连续冷却转变炉冷→P+Fe3CⅡ空冷→S+Fe3CⅡ油冷→T+M+A'水冷→M+A'返回

中国在春秋晚期已掌握冶铁技术。战国时期，冶铁业已逐渐盛行，到了晚期，不仅能炼出高碳钢，并掌握了淬火技术，于是开始进入以铁兵器代替铜兵器的时代。战国晚期还出现了铁制铠甲。西汉《史记·天官书》中有“水与火合为淬”一说，正确地说出了钢铁加热、水冷的淬火热处理工艺要点。

《汉书·王褒传》中记载有“清水淬其锋”的制剑技术。明代科学家宋应星在《天工开物》一书中对钢铁的退火、淬火、渗碳工艺作了详细的论述。返回钢的淬透性一、淬透性的概念

钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力，其大小可用钢在一定条件下淬火获得淬透层的深度表示。淬透层越深，表明钢的淬透性越好。淬透层深度：由工件表面→半马氏体点(50%M)的深度HBσbσsak（a）（b）（c）淬火得M组织淬火后未得M组织工件淬硬层与冷却速度的关系淬透性与淬硬性？淬透性是钢淬火时获得M的能力！淬硬性是钢淬火获得M的硬度！淬透性与具体工件的淬透深度？淬透性是钢的一种属性，在相同的奥氏体化温度下淬火时，其淬透性是不变的！具体工件的淬透深度是指在实际生产条件下得到半马氏体区至工件表面的距离，是不确定的，受淬透性、工件尺寸、冷却介质等的影响。钢的淬透性淬透性与淬硬性

淬硬性：钢淬火时的硬化能力，用淬成M可能得 到的最高硬度表示。

——取决于M中的C%.

淬透性：钢的临界冷却速度－合金元素。

淬透性淬硬性钢种小低碳素结构钢(20)小高碳素工具钢(T12A)大低低碳合金结构钢(20Cr2Ni4A)大高高碳高合金工具钢(W18Cr4V)二、淬透性的影响因素

主要为化学成分，除Co外，合金使VK↓,淬透性↑奥氏体的均匀性、晶粒大小及是否存在第二相等因素都会影响淬透性钢的淬透性二、淬透性影响因素——与影响C曲线的因素一致（1）钢的化学成分：

C含量及合金元素（2）奥氏体晶粒度：

奥氏体晶粒尺寸增大，淬透性提高。（3）奥氏体化温度：提高奥氏体化温度，提高淬透性。

（4）第二相及其分布:

奥氏体中未溶的非金属夹杂物和碳化物的存在以及其大小和分布，影响过冷奥氏体的稳定性，从而影响淬透性。

实际淬透层深度：淬透性、工件大小、淬火介质

（1）临界直径法生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。临界淬火直径——圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏体的最大直径），用Do表示。在相同冷却条件下，Do越大，钢的淬透性越好。三

淬透性的实验测定方法油淬水淬M非M

（2）顶端淬火法—端淬法该法为乔迈奈等于1938年建议采用的，因而国外常称为“Jominy”端淬法．

端淬曲线、端淬曲线带

各种钢的淬透性曲线可以参考《合金钢手册》

顶端淬火法φ25×100，1.53.04.56.07.59.010.512.013.515.0010203040506070距端面距离/mmHRC40Cr45三、淬透性的测定及表示方法

测定钢的淬透性的最常用的方法是末端淬火法（简称端淬法）。先将标准试样加热至奥氏体化温度，停留30～40min，然后迅速放在端淬试验台上喷水冷却，从试样的末端开始向上测量硬度值，得出硬度沿轴线方向的分布。

淬透性实验钢的淬透性四、淬透性曲线的应用

根据淬透性曲线可以比较不同钢种的淬透性大小利用淬透性曲线可以确定钢棒的临界淬火直径利用淬透性曲线可推导圆钢淬火后横截面上的硬度分布淬透性与机械设计钢的淬透性5.5钢的回火回火的主要目的是：降低脆性稳定组织和工件尺寸获得要求的机械性能

回火是将淬火钢加热到临界点Acl以下的某一温度，保温后以适当方式冷却到室温的一种热处理工艺。一、淬火钢在回火时的转变与回火组织1.淬火钢在回火时的转变

残余奥氏体转变200-300℃碳化物的转变250-400℃渗碳体聚集长大和α相再结晶400℃以上马氏体分解80-350℃第五章钢的热处理2.回火组织

碳钢的主要回火组织分为三类：回火马氏体含C过饱和的α固溶体和ε碳化物回火屈氏体板条状或片状铁素体与细颗粒渗碳体回火索氏体颗粒状渗碳体分布于等轴状铁素体基体二、回火钢的性能淬火钢在回火过程中，回火温度—回火组织—钢的性能之间存在着一一对应关系。回火温度越高，钢的硬度越低在较低温度（200-300℃）回火时，因淬火引起的内应力被消除，钢的屈服强度和抗拉强度都得到提高。第五章钢的热处理三、回火种类淬火钢回火后的组织和性能决定于回火温度。按回火温度范围的不同，可将钢的回火分为三类：

低温回火：回火温度范围一般为150～250℃，得到回火马氏体组织。（HRC58-64）中温回火：回火温度范围通常为350～500℃，得到回火托氏体组织。

（HRC35-45）高温回火：回火温度范围通常为500～650℃，得到回火索氏体组织。（HRC25-35）调质处理四、回火脆性1.低温回火脆性

淬火钢在250～400℃温度范围内回火出现的脆性称为低温回火脆性，也叫第一类回火脆性。

2.高温回火脆性淬火钢在500-650℃温度范围内回火出现的脆性称为高温回火脆性，又叫第二类回火脆性。

不可逆回火脆性可逆回火脆性，快速冷却可消除5.6钢的表面淬火概念：表面淬火是采用快速加热的方法使工件表面奥氏体化，然后快冷获得表层淬火组织，而心部仍保持原来组织的一种热处理工艺。应用：中低碳钢和中低碳合金钢特点：

a.加热速度快(几秒——几十秒)b.加热时实际晶粒细小，淬火得到极细马氏体

c.残余压应力，提高寿命