漳职院金属工艺学课件02钢的热处理

第二章钢的热处理

将固态金属或合金，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织结构与性能的工艺方法称热处理。按目的、加热条件和特点不同，热处理分为：整体热处理、表面热处理和化学热处理。热处理的工艺由加热、保温和冷却三个阶段组成。

§2.1钢的热处理基本原理

一、钢在加热和冷却时的组织转变

在实际生产中，由于加热和冷却不是很缓慢，因此实际发生组织转变的温度与相图的A1、A3、Acm

有一定的偏离。通常加热用

Ac1、Ac3、Accm

表示，冷却用Ar1、Ar3、Arcm表示。将钢加热至Ac3或Ac1以上，获得完全或部分奥氏体组织的操作称为奥氏体化。

（一）奥氏体的形成

1.奥氏体晶核的形成奥氏体的晶核易于在渗碳体相界面上形成。这是因为在两相的相界上为形核提供了良好的条件。

2.奥氏体晶核的长大

奥氏体形核后，由于奥氏体与Fe3C晶界处的含碳量不同，将引起奥氏体中碳的扩散。通过铁、碳原子的扩散和铁原子的晶格改组，奥氏体向铁素体和Fe3C两个方向长大。

3.残余渗碳体溶解在奥氏体形成过程中，铁素体比渗碳体先消失，因此奥氏体形成之后，还残存未溶渗碳体。这部分未溶的残余渗碳体将随着时间的延长，继续不断地溶入奥氏体，直至全部消失。

4.奥氏体均匀化渗碳体完全溶解后，开始时奥氏体中碳的浓度分布并不均匀,原先是渗碳体的地方碳浓度高，原先是铁素体的地方碳浓度低。必须继续保温，通过碳的扩散，使奥氏体成分均匀化。

（二）影响奥氏体转变的因素

1.加热温度和加热速度的影响提高加热T,将加速A的形成。随着加热速度的增加,奥氏体形成温度升高（AC1

越高），形成所需的时间缩短。

2.化学成分的影响随着钢中含碳量增加,铁素体核渗碳体相界面总量增多，有利于奥氏体的形成。

3.原始组织的影响由于奥氏体的晶核是在铁素体和渗碳体的相界面上形成,所以原始组织越细，相界面越多，形成奥氏体晶核的“基地”越多，奥氏体转变就越快。

（三）奥氏体晶粒大小及其控制

1.奥氏体晶粒大小起始晶粒实际晶粒度《金属平均晶粒度测定法》

2.奥氏体晶粒大小的控制（1）合理选择加热温度和保温时间随着温度升高晶粒度将之间长大。温度愈高，晶粒长大于愈明显。在一定温度下，保温时间愈长，奥氏体晶粒也越粗大。（2）加入合金元素奥氏体中的含碳量增高时，晶粒长大的倾向增多。若碳以未溶的碳化物形式存在，则它有阻碍晶粒长大的作用。（3）合理选择原始组织

二、钢在冷却时的组织转变过冷奥氏体——暂时保留在A1以下的奥氏体。连续冷却转变——使加热到奥氏体化的钢连续降温进行组织转变等温冷却转变——使加热到奥氏体化的钢以较快的冷却速度冷到A1以下某温度保温，在等温下发生组织转变。

共析钢过冷A的等温转变曲线图

2.过冷奥氏体的等温转变产物组织和性能（1）珠光体型转变——高温转变（A1~550℃）

A1~650℃片层珠光体<25HRC650℃~600℃细珠光体（索氏体S）25HRC~30HRC600℃~550℃极细珠光体（托氏体T）35HRC~40HRC

（2）贝氏体型转变——中温转变（550℃~Ms）

550℃~350℃平行条状铁素体上分布细微渗碳体40HRC~45HRC350℃~Ms针状铁素体分布极细小碳化物50HRC~55HRC

共析钢过冷奥氏体等温转变包括二个转变区。

（1）高温转变在A1～550℃之间，过冷奥氏体的转变产物为珠光体型组织，此温区称珠光体转变区。珠光体型组织是铁素体和渗碳体的机械混合物，渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，转变温度越低，层间距越小，可将珠光体型组织按层间距大小分为珠光体（P）、索氏体（S）和屈氏体（T）。奥氏体向珠光体的转变为扩散型的生核、长大过程，是通过碳、铁的扩散和晶体结构的重构来实现的。

(a)珠光体3800倍

(b)索氏体8000倍

(c)屈氏体8000倍

（2）中温转变

在550℃～Ms之间,过冷奥氏体的转变产物为贝氏体型组织,此温区称贝氏体转变区。

贝氏体是渗碳体分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物。奥氏体向贝氏体的转变属于半扩散型转变，铁原子不扩散而碳原子有一定扩散能力。

过冷奥氏体在550℃～350℃之间转变形成的产物称上贝氏体（上B)。上B呈羽毛状，小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间。

(a)光学显微照片500×(b)电子显微照片5000×上贝氏体形态

过冷奥氏体在350℃～Ms之间的转变产物称下贝氏体（B下）。B下在光学显微镜下为黑色针状，在电子显微镜下可看到在铁素体针内沿一定方向分布着细小的碳化物（Fe2.4C）颗粒。

上贝氏体中铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；同时渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断，因此强度和韧性都较差。下贝氏体中铁素体针细小，无方向性，碳的过饱和度大，位错密度高，且碳化物分布均匀、弥散度大，所以硬度高，韧性好，具有较好的综合机械性能。

(a)光学显微照片500倍(b)电子显微照片12000倍

下贝氏体形态

（二）过冷奥氏体的连续冷却转变

为了便于比较，同时在图上表示了这个钢的奥氏体等温转变曲线图（虚线表示），由图可以看出，连续冷却转变曲线比等温转变曲线略微偏右下一点，同时在转变曲线Ｂ上没有转变区。连续冷却转变曲线的测定，在技术上要比等温转变曲线困难，也不易达到准确，这就给使用带来不方便。但从图中可以看出，钢的冷却转变曲线与等温转变曲线的上半部分基本上是一致的，特别在高温时转变产物和性能差别不明显，所以目前生产中常根据等温转变曲线定性地，近似地分析连续冷却时的奥氏体转变的组织。

§2.2钢的普通热处理一、退火和正火

1.退火加热到适当的温度，保温后缓慢冷却。第一类退火（扩散退火、再结晶退火、去应力退火）是不以组织转变为目的的工艺方法，由不平衡状态过渡到平衡状态。第二类退火（完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火）是以改变组织和性能为目的，改变钢中珠光体、铁素体和碳化物等组织形态及分布。

2.正火加热到AC3（或ACcm

）以上30℃~50℃，保温后在空气中冷却。区别：冷却速度比退火稍快，组织较细，强度硬度稍有提高。目的：亚共析钢细化晶粒，提高硬度；过共析钢消除二次渗碳体网。应用：一般作为预备热处理，也可作大型或形状复杂零件的终热处理。

二、淬火将钢加热到AC3或AC1以上某一温度，保温后以适当速度冷却，获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。

1.淬火温度及冷却介质（1）淬火温度亚共析钢AC1+（30~50℃）全部奥氏体淬火后为细小马氏体共析钢和过共析钢AC3+（30~50℃）全部奥氏体或奥氏体和渗碳体淬火后为细小马氏体和少量渗碳体

（2）淬火冷却介质理想的淬火介质：在A1~650℃冷却慢，在600℃~400℃快速冷却，在300℃~200℃缓慢冷却。

①水及水溶液在650℃~400℃相对冷却速度较小，常用作碳钢的淬火。

②油在300℃~200℃间冷却速度比水小，用于合金钢的淬火。

2.淬火方法（1）单液淬火——形状简单的碳钢件在水中淬火，合金钢和小尺寸碳钢件在油中淬火。（2）双液淬火——形状复杂的高碳钢工件和尺寸较大的合金钢件。（3）分级淬火——尺寸较小、形状复杂工件的淬火。（4）等温淬火——形状复杂，尺寸要求较精确，强韧性要求较高的小型工模具及弹簧等的淬火。

3.淬硬性与淬透性淬硬性是钢在理想条件下淬火硬化所能达到的最高硬度。淬透性是指在规定条件下，决定钢淬硬深度和硬度分布的特性。动画\金工动画\末端淬火法.swf

影响淬透性的因素是：奥氏体成分、淬火加热温度、钢的原始组织

三、回火回火是将钢淬硬后，再加热到AC1点以下某一温度，保温后冷却到室温的热处理工艺。目的：减少残余应力和脆性，稳定组织和尺寸，获得所要求的使用性能。

1.低温回火（150℃～250℃）组织：回火马氏体目的：减少应力和脆性，保持高硬度和耐磨性。应用：刃具、量具、模具、滚动轴承，以及渗碳、表面淬火的零件。

2.中温回火（350℃~500℃）组织：回火托氏体目的：高的弹性极限、屈服点和较好的韧性。应用：各种弹簧、锻模。

3.高温回火（500℃～650℃）调质组织：回火索氏体目的：强度、塑性和韧性都较好的综合力学性能应用：各种重要结构件，如连杆、齿轮。

4.回火脆性淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓冷通过该温度区间时，出现脆化现象称为回火脆性。第一类回火脆性

300℃左右回火，不可逆避免在250℃~350℃回火第二类回火脆性

500℃~650℃或更高温回火缓冷合金元素偏聚

§2.3钢的表面热处理一、表面淬火仅对工件表面层进行热处理，以改变其组织和性能的工艺。

1.感应加热表面淬火

A.感应加热表面淬火基本原理（1）高频感应加热表面淬火频率50KHz~300KHz，淬硬层深度0.5mm~2.0mm。

应用：中小模数齿轮和中小尺寸的轴类零件。

感应加热表面淬火示意图

（2）中频感应加热表面淬火频率1KHz~10KHz，淬硬层深度2mm~10mm

应用：大、中模数齿轮和较大直径轴类零件。（3）工频感应加热表面淬火频率50Hz，淬硬层深度10mm~20mm

应用：大直径轧辊、火车车轮等零件

B.感应加热表面淬火特点及应用适用于中碳钢和中碳合金钢的成批大量生产。

感应加热表面淬火

2.火焰加热表面淬火利用氧—乙炔（或其他可燃气）火焰对零件表面进行加热，随之冷却的工艺。适用于单件小批生产。

二、化学热处理将金属或合金工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层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。基本过程：活性介质分解，表面吸收，向内部扩散。

1.钢的渗碳目的：提高表层的硬度的耐磨性，并保持心部良好的韧性。分类：气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。（1）气体渗碳加热到900℃~950℃，工件在井式渗碳炉中，滴入易于热分解和气化的液体进行渗碳。（2）固体渗碳颗粒状的木炭为渗碳剂，平均速度为0.1mm/h.

（3）渗碳后的组织和热处理表层含碳量0.85%~1.05%，渗碳层厚度为0.5mm~2.5mm。

渗碳后进行淬火和低温回火。

2.钢的渗氮（氮化）目的：提高硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性。（1）气体渗氮（2）离子渗氮（离子氮化）

3.碳氮共渗

§2.4其他热处理工艺简介一、形变热处理二、真空热处理三、激光热处理

激光热处理技术简介

激光表面处理技术是近二十年来发展起来的一种新兴材料表面处理技术，尤其是进入八十年代以来，大功率工业激光器和辅助设备的制造技术日益提高，各种激光表面处理技术日益成熟，使得激光表面处理技术的工业应用和深入研究异常活跃，在欧美和日本，大功率激光器商业化程度很高，发展非常迅速，是工业发达国家非常瞩目的一项新技术。

激光表面处理技术可以解决其他表面处理方法无法解决或不好的材料强化问题。激光表面处理技术是利用激光束对金属表面进行瞬间淬头处理，经激光处理后，铸铁表层强度可达到HRC60以上，中碳及高碳的碳钢，合金钢的表层硬度可达HRC70以上，从而提

高其抗磨损，抗疲劳、耐腐蚀、防氧化等性能，延长其使用寿命。激光热处理技术与其他热处理如高频感淬头，渗碳、渗氮等传统工艺相比，具有以下特点：

1.无需使用外加材料，仅改变被处理材料表面层的组织结构。处理后的改性层具有足够的厚度，可根据需要调整深浅一般可达0.1-0.8mm。

2.处理层和基体结合强度高。激光表面处理的改性层和基体材料之间是致密的冶金结合，而且处理层本身是致密的冶金组织，具有较高的硬度和耐磨性。

3.

被处理件变形极小，由于激光功率密度高，与零件的作用时间很短（10-2-10秒），零件的热影响区和整体变化都很小。故适合于高精度零件处理，作为材料和零件的最后处理工序。

4.

加工柔性好，适用面广。利用灵活的导光系统可随意将激光导向处理部位，从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等，可进行选择性的局部处理。

工艺简单优越。激光表面处理均在大气环境中进行，免除了镀膜工艺中漫长的抽真空时间，没有明显的机械作用力和工具损耗，无噪音、无污染、无公害、劳动条件好。再加上激光器配以微机控制系统，很容易实现自动化生产，易于批量生产。产品成品率极高，几乎达到100%，效率很高，经济效益显著。

一、过冷奥氏体等温冷却转变

1.亚共析钢过冷奥氏体的等温转变

亚共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线与共析钢C曲线不同的是：在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素体的转变开始线。亚共析钢随着含碳量的减少，C曲线位置往左移，同时Ms、Mf线住上移。

亚共析钢的过冷奥氏体等温转变过程与共析钢类似，只是在高温转变区过冷奥氏体将先有一部分转变为铁素体，剩余的过冷奥氏体再转变为珠光体型组织。

45钢过冷A等温转变曲线

2.过共析钢过冷奥氏体的等温转变

过共析钢过冷奥氏体的C曲线的上部为过冷奥氏体中析出二次渗碳体(Fe3CII)开始线。当加热温度为AC1以上30～50℃时，过共析钢随着含碳量的增加，C曲线位置向左移，同时Ms、Mf线往下移。

过共析钢的过冷奥氏体在高温转变区，将先析出Fe3CII，其余的过冷奥氏体再转变为珠光体型组织。

T10钢过冷A的等温转变曲线

二、过冷奥氏体的连续冷却转变

1.共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变

（1）转变产物在共析钢过冷奥氏本的连续冷却转变曲线（CCT曲线）中，共析钢以大于Vk（上临界冷却速度）的速度冷却时，得到的组织为马氏体。冷却速度小于Vk′（下临界冷却速度）时，钢将全部转变为珠光体型组织。共析钢过冷奥氏体在连续冷却转变时得不到贝氏体组织。

与共析钢的TTT曲线相比，共析钢的CCT曲线稍靠右靠下一点，表明连续冷却时，奥氏体完成珠光体转变的温度较低，时间更长。

共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变组织

（2）马氏体转变特点

过冷奥氏体转变为马氏体是低温转变过程，转变温度在Ms～Mf之间，该温区称马氏体转变区。

①过冷奥氏体转变为马氏体是一种非扩散型转变，铁和碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥氏体一定晶面，集体地（不改变相互位置关系）作一定距离的移动（不超过一个原子间距），使面心立方晶格改组为体心正方晶格，碳原子原地不动，过饱和地留在新组成的晶胞中，增大了其正方度c/a

。马氏体就是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。过饱和碳使α-Fe的晶格发生很大畸变，产生很强的固溶强化。

②马氏体的形成速度很快

奥氏体冷却到Ms点以下后，无孕育期，瞬时转变为马氏体。随着温度下降，过冷奥氏体不断转变为马氏体，是一个连续冷却的转变过程。

③马氏体转变是不彻底的

总要残留少量奥氏体。残余奥氏体的含量与MS、Mf的位置有关。奥氏体中的碳含量越高，则MS、Mf越低，残余A含量越高。只在碳质量分数少于0.6%时，残余奥氏体可忽略。

④马氏体形成时体积膨胀

体积膨胀在钢中造成很大的内应力,严重时导致开裂。

奥氏体碳质量分数对残余奥氏体含量的影响

（3）马氏体的形态与特点

①马氏体形态

碳质量分数在0.25%以下时，基本上是板条马氏体（亦称低碳马氏体）