《金属热处理原理与工艺》课件 第9 章　钢的常规热处理工艺

第9章钢的常规热处理主要内容9.1钢的退火与正火9.2钢的淬火9.3钢的回火

预备热处理的作用是消除锻造的缺陷，如晶粒粗大、内应力、缺陷组织等，同时调整硬度，为后续的切削做准备。——退火；正火最终热处理的作用是使材料具有使用状态下的性能，如强度、硬度等。——淬火；回火；表面热处理9.1钢的退火与正火1、退火：将钢加热到适当温度（临界温度以上30~50℃），保温一定时间，然后在炉中缓慢地冷却的热处理工艺。2、目的：为后续加工和最终热处理作好组织准备。

1）降低硬度，提高塑性，改善加工性能；

2）细化晶粒，消除组织缺陷；

3）消除内应力。3、退火种类第一类退火是不以组织转变为目的的退火工艺方法。工艺特点：通过控制加热温度和保温时间使钢由冶金及冷、热加工过程中产生的不平衡状态如成分偏析、冷变形强化、内应力等过渡到平衡状态。扩散（均匀化）退火、再结晶退火、去应力退火。钢的退火工艺种类很多，根据热处理目的不同，可将退火工艺分为两大类。工艺特点：通过控制加热温度、保温时间及冷却速度等工艺参数，来改变钢中的珠光体、铁素体、渗碳体等组织形态及分布，从而改变其性能，如降低硬度、提高塑性、细化晶粒、改善机械加工性能等。第二类退火是以改变组织与性能为目的的退火工艺方法。完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火等。

1）完全退火

定义：将钢加热Ac3以上30~50ºC,完全奥氏体后，保温一定时间随之缓慢冷却到600ºC以下，出炉空冷。组织：细小而均匀的平衡组织（铁素体+珠光体）目的：①细化，均匀化粗大、不均匀组织；②接近平衡组织—调整硬度→切削性↑；③消除内应力适用范围：亚共析钢保温Ac3+(30~50)ºC温度炉冷空冷时间600ºC9.1.1完全退火与不完全退火完全退火组织问题：亚共析钢（共析钢）的平衡状态组织？45钢的完全退火组织（F+P）200X完全退火全过程所需时间非常长，特别是对于某些奥氏体比较稳定的合金钢，往往需要数十小时，甚至数天的时间。缺点：

不完全退火

钢加热至Ac1~Ac3之间（亚共析钢），Ac1~Accm之间（过共析钢），保温，缓慢冷却获得近于平衡组织的热处理工艺。亚共析钢：主要降低硬度、消除内应力。过共析钢：获得球状珠光体

9.1.2球化退火

定义：将钢加热到Ac1+(30~50)ºC

，保温后随炉缓冷至600ºC，出炉空冷，使钢中碳化物呈球状的工艺方法。不完全退火的一种组织：球状珠光体时间温度保温Ac1+(30~50)ºC缓冷空冷

600ºC1、降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能。如T10钢经球化退火后，硬度由255~321HBS降到≤197HBS，从而改善切削加工性能；2、获得球状珠光体也是为淬火作组织准备，使淬火加热时奥氏体晶粒不易长大，并可减小冷却时变形和开裂的倾向。适用范围：主要用于过共析钢、合金工具钢。球状珠光体对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先进行正火，以消除网状。球化退火的目的时间温度Ac3+(150~300)ºC保温10~15h缓冷

9.1.3扩散退火

定义：将钢加热到Ac3以上150~300ºC，保温10~15h后随炉缓冷。目的：使钢中的化学成分和组织均匀化。适用范围：主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件、锻坯。偏析存在形式及危害：铸造化学成分不均匀、非金属夹杂物分布不均匀、微气泡和气孔造成偏析。偏析直接导致大型铸件各处成分和组织不均匀、产生组织应力、出现裂纹、机械性能恶化。工件经扩散退火后，奥氏体的晶粒十分粗大，必须进行完全退火或正火处理来细化晶粒。由于扩散退火温度高、时间长，生产成本高，一般不轻易采用。只有一些优质的合金钢和偏析较严重的合金钢铸件才使用这种工艺。9.1.4去应力退火与再结晶退火时间温度

保温500~600ºC炉冷空冷200~300ºC定义：将钢加热到Ac1以下（一般约为500~600ºC），保温后随炉缓冷至200~300ºC出炉空冷，又称低温退火。目的：消除铸件、锻件、焊接件和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残余内应力。（没有发生组织变化）适用范围：用于所有的钢去应力退火再结晶退火适用：存在加工硬化的冷变形金属。目的：消除加工硬化，降低硬度，改善切削加工性能；提高延展性（塑性）及压延成型性能。加热温度：再结晶温度+150~250ºC，一般钢材再结晶退火温度650~700ºC。9.1.5等温退火加热到高于Ac3（或Ac1）温度，保持适当时间后，较快地冷却到珠光体转变温度区间的某一温度保持使奥氏体转变为珠光体型组织，然后在空气中冷却的退火工艺。对于亚共析钢可代替完全退火，对于过共析钢可代替球化退火。时间温度空冷名称目的工艺制度组织应用完全退火细化晶粒，消除铸造偏析，降低硬度，提高塑性加热到AC3以上30~50ºC，炉冷至600ºC左右空冷F＋P亚共析钢的铸、锻、轧件，焊接件球化退火降低硬度，改善切削性能，提高塑性韧性，为淬火作组织准备加热到AC1＋30~50ºC，然后出炉空冷球状珠光体共析、过共析钢及合金钢的锻件、轧件等扩散退火改善或消除枝晶偏析，使成分均匀化加热到Ac3以上150~300ºC，先缓冷，后空冷粗大组织合金钢铸锭及大型铸钢件或铸件再结晶退火消除加工硬化，提高塑性加热到再结晶温度，再空冷等轴晶冷变形加工的制品去应力退火除残余应力，提高尺寸稳定性加热到500~650ºC缓冷至200ºC空冷无变化铸、锻、焊、冷压件及机加工件把钢零件加热到临界温度以上30~50ºC，保温一定时间,然后在空气中冷却的热处理工艺。

临界温度：Ac3或Accm+30~50ºC

组织：S+（F或Fe3C）9.1.6正火及其应用热处理与硬度关系正火的应用（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，正火可以细化晶粒，使组织组织均匀化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。对于普通结构钢零件，机械性能要求不很高时，可以用正火作为最终热处理。

正火与退火的选择（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。淬火：将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温一定时间后，快速冷却的热处理工艺。目的：1、提高钢的硬度及耐磨性（如工具、轴承等要求高耐磨性的零件）；2、获得良好的综合机械性能（中碳钢经淬火+高温回火可获得强、韧兼备组织；各种弹簧都要求强度高、弹性好，一般用高碳钢制作，经淬火+中温回火后，弹性大大提高）。9.2钢的淬火9.2.1淬火分类1、单液淬火法工件在一种介质中连续冷却到室温的操作方法，如水淬，油淬。2、双液淬火法在Ms以上，在冷却能力较强的介质中冷却，接近Ms时转入冷却能力较弱的介质中冷却，如水淬油冷法，以防在马氏体相变时开裂。

3、分级淬火法在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后再取出缓冷。优点：操作简单，可有效防止应力和开裂缺点：需要盐浴炉适用：适用于尺寸较小(<φ10~12mm的碳钢或φ20~30mm的合金钢)，要求变形小、尺寸精度高的工件如刀具、模具等。4、等温淬火法将钢件淬入稍高于MS温度的硝盐浴或碱浴中，保温足够时间，使其发生下贝氏体转变，随后在空气中冷却。组织：获得下贝氏体。5、冷处理将淬火冷至室温的零件继续深冷至Mf以下的致冷剂中，保持一段时间，使残余奥氏体充分转变成马氏体的操作方法。目的：为了减少钢中的残余奥氏体以获得最大数量的马氏体，防止工件在保存或使用中发生组织转变。

淬透性是钢的主要热处理性能是选材和制订热处理工艺的重要依据之一

9.2.2钢的淬透性与淬硬性

1）钢的淬透性淬透性：钢在奥氏体化后淬火时获得马氏体而不形成其它组织（珠光体等）的能力。淬透性大小用淬透层深度表示，淬透层深度由钢的表面至内部马氏体组织占50％处的距离来表示。淬透层越深，钢的淬透性越好。淬透性的概念钢的淬透性取决于其临界冷却速度Vk

，临界冷却速度Vk越小，则奥氏体越稳定，钢的淬透性越高。Vk取决于C曲线的位置，C曲线越靠右，Vk越小。淬透性不同的钢材淬火后沿截面的组织和力学性能差别很大

影响淬透性的因素

——VK，C曲线C%亚共析钢C%↑→淬透性↑过共析钢C%↑→淬透性↓奥氏体化温度T↑t↑→淬透性↑合金元素除Co%以外，C曲线右移，↑淬透性未溶第二相↓淬透性淬透性的表示方法即用表示，J表示末端淬透性，d表示半马氏体区到水冷端的距离，HRC为半马氏体区的硬度。⑴用淬透性曲线表示⑵用临界淬透直径表示临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被淬成半马氏体的最大直径，用D0表示。D0与介质有关，如45钢D0水=16mm，D0油=8mm。只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比较，如45钢D0油=8mm，40CrD0油=20mm。马氏体马氏体索氏体2）钢的淬硬性淬硬性：是指钢在理想条件下淬火成马氏体后所能达到的最高硬度。影响钢的淬硬性的因素主要取决于钢含碳量。低碳钢淬火的最高硬度值低，淬硬性差；高碳钢淬火的最高硬度值高，淬硬性好。淬透性与淬硬性？淬透性是钢淬火时获得M的能力取决于VK（上临界冷却速度）

淬硬性是钢淬火获得M的硬度取决于M中C%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。9.2.3淬火冷却介质为得到马氏体组织，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。水、含盐水溶液、油、盐浴、碱浴等到目前为止，在实际生产中还没有找到符合这一理想曲线的冷却介质。常用淬火介质淬火介质水油盐水碱浴硝盐浴冷速650~550ºC600ºC/s

快150/s太慢1000~1200ºC/s快比油快350ºC/s200~300ºC270ºC/s太快30ºC/s慢300ºC/s太快比油弱10ºC/s特点高温冷速快，可保证工件淬硬低温冷速快，工件易变形开裂冷却能力对水温敏感杂质使冷却能力下降低温冷速慢，工件不易变形、开裂高温冷速慢，工件易分解，淬不硬易老化、易燃油温增加，冷却能力增加（20~80ºC）冷却能力强工件表面质量好，硬度均匀易变形开裂易腐蚀既能保证工件淬硬，又能使变形开列程度减少流动性好工作环境差用途碳钢合金钢小截面碳钢形状简单，截面尺寸大的碳钢小件、形状复杂、精度要求高的工件1、碳钢⑴亚共析钢Ac3+30~50ºC9.2.4淬火温度碳钢的淬火加热温度范围

亚共析钢淬火组织：

0.5%C时为M

0.5%C时为M+A’65MnV钢(0.65%C)淬火组织45钢(含0.45%C)正常淬火组织⑵共析钢淬火温度为Ac1+30~50ºC；淬火组织为M+A’碳钢的淬火加热温度范围

⑶过共析钢淬火温度:Ac1+30~50ºC温度高于Accm，则奥氏体晶粒粗大、含碳量高，淬火后马氏体晶粒粗大、A’量增多，使钢硬度、耐磨性下降，脆性、变形开裂倾向增加。淬火组织:M+Fe3C颗粒+A’（预备组织为P球）T12钢（含1.2%C）正常淬火组织回火：将淬火后的钢在A1以下的温度重新加热、保温，并以适当的速度冷却，这一工艺过程称为“回火”。目的：提高淬火钢的塑性和韧性，降低其脆性，但却往往不可避免地要降低其强度和硬度；

降低或消除淬火引起的残余内应力，稳定尺寸。淬火后必须进行回火，而且要及时。回火处理可以使钢的性能在很宽的范围内变化：从淬火马氏体的性能直到粗大的粒状碳化物＋充分再结晶的铁素体组织的性能，因此，淬火加回火又是调整钢的性能以满足使用要求的有效手段9.3钢的回火淬火组织：M＋AR淬火组织是高度不稳定的：①马氏体中溶解的碳是高度过饱和的；②马氏体中有很高的应变能；③马氏体中有很高的界面能；④马氏体中还存在着一定量的残余奥氏体。正是由于马氏体和残余奥氏体的这种不稳定状态与状态图所规定的稳定状态的自由能差，提供了转变的驱动力，使得回火转变成为一种自发的转变。碳钢的碳含量＜0.5%时，AR量＜2％；碳含量为0.8%时，AR量约为6％；碳含量为1.25%时，AR量约为30％；合金钢的AR量可能更多（一）淬火钢在回火时的组织变化

回火处理——人为地加热，使原子的活动能力加大，使转变以适当的速度进行；或在适当的时间内，使转变达到所要求的程度。碳钢的回火过程可分为如下的五个阶段：时效阶段（100ºC以下）：碳原子的重新分布;回火第一阶段（100~200ºC）：过渡碳化物(ε/η或ε’)的沉淀；回火第二阶段（200~300ºC）：残余奥氏体AR的分解；回火第三阶段（200~350ºC）：过渡碳化物(ε/η或ε’)转变为Fe3C；回火第四阶段（350ºC以上）：Fe3C的粗化和球化，以及等轴铁素体晶粒的形成◆钢的硬度：随着回火温度的升高，硬度连续降低，但高碳钢在低温回火时（200ºC以下）硬度却略有增高（二）淬火钢回火后机械性能的变化◆硬度的低温回火峰值的出现与η碳化物的共格析出有关。◆马氏体的硬度最主要来自过饱和碳的固溶强化效应。在回火过程中，马氏体中碳含量不断降低，因而硬度就不断降低。◆回火后性能变化规律：★随着回火温度的升高，强度、硬度降低，延伸率和断面收缩率则提高。◆弹性极限：在300~400ºC之间出现峰值。高温回火后弹性极限值低是因为钢的强度太低，而低温回火后弹性极限低则主要是因为其内应力（由马氏体相变和激冷而引起）太大，没有得到很好的消除。◆回火对于消除显微裂纹有很大的作用：只有回火的η碳化物析出阶段和碳化物聚集长大阶段才对消除显微裂纹有明显作用，前者是由于内应力的下降、马氏体正方度大大下降和体积收缩等引起的塑性流变的作用；后者是由于碳化物聚集长大时的桥接作用和扩散控制的愈合作用。显微裂纹的减少，必然会提高钢的机械性能。回火温度、保温时间、冷却方式1、回火温度的确定回火温度是决定回火钢的组织和性能最重要的因素，因此制订回火工艺首先是选定回火温度。把回火分成三类：即低温回火(150—250ºC)、中温回火(350—500ºC)和高温回火(＞500ºC)。（三）回火工艺（1）低温回火（150－250ºC）低温回火时马氏体发生分解，析出ε／η碳化物而变成回火马氏体，淬火内应力得到部分消除，淬火微裂纹大部愈合。在很少降低硬度的同时使钢的韧性明显提高