第06章 热处理

1、第六章 钢铁热处理,钢在加热时的组织转变 钢在冷却时的组织转变 钢的退火与正火 钢的淬火 钢的回火 钢的表面热处理,概述,一、热处理,利用加热、保温、冷却的方法，改变材料的组织与结构，达到改变材料性能的工艺过程称为热处理。,意义： 合适的热处理是让材料达到希望的性能，有时是为了便于进行加工，有时让材料满足工作条件的要求。他是合理使用材料、充分发挥材料潜力必不可少方法。数热处理过程中材料处于固态下，但内部都有不同程度的固态转变发生。,二、固态转变,固态转变有： 固态物质内部的组织结构的变化称为固态相变。 转变过程只有组织结构变化，无新相生成的非相变型，如再结晶转变。,三、固态相变的特点,概述,固

2、态相变中由于母相为固体，原晶体有固定的排列和取向，并不能随意改变其形状或发生流动，转变过程和产物有如下共同特点：,相变阻力大。新相形成除增加界面能外，由于存在体积变化造成应变能，相变阻力大，相变发生在较大的过冷度下。 新相与母相之间存在一定的晶体学位向关系。 母相的晶体缺陷对相变起促进作用。缺陷处形核可得到附加能量补充，同时缺陷的存在可加快扩散过程，有利于新相晶体的生长。 原子扩散迁移成为控制因素，特别是伴随成分改变的相变过程，固体中原子扩散速度慢，在温度较低时，大的相变驱动力可能改变转变类型，如从扩散型改变为协同型。 易出现过渡相，有些反应不能进行到底，过渡相可以长期保留。转变温度较低，原子

3、扩散慢，通常发生在稳定相的成分与母相相差较远时，钢中的渗碳体其实也是过渡相。,第一节 钢在加热时的组织转变,一、转变温度,对应铁碳相图中的线,这些温度点是平衡转变温度，在固态转变中，转变实际发生需要一定的过冷或过热下，显然加热转变的实际发生温度在临界点之上，而冷却转变的实际发生温度在临界点之下。,AC1、AC3、Accm表示加热时的转变温度 Ar1、Ar3、Arcm表示冷却时的转变温度,二、奥氏体的形成过程,第一节 钢在加热时的组织转变,以共析钢(Wc0.77%)为例，原始组织为层片珠光体。,在铁素体和渗碳体的交界处形成奥氏体的核心； 奥氏体是同时消耗两相来长大； 实际上总是铁素体先消失，随后

4、残余渗碳体的溶解； 奥氏体的均匀化，各处的碳浓度都达到平均成分，随后所含其它合金元素经扩散达到成分均匀； 亚(过)共析钢中过剩相的溶解(温度达到AC3或Accm以上)。,三、影响奥氏体转变的因素,第一节 钢在加热时的组织转变,加热温度 所以加热温度越高，提高原子活动迁移能力，自由能差(动力)大，奥氏体化的进程也越快。 加热速度 材料处于连续加热，奥氏体化的时间自然短，但是均匀化程度差。 含碳量 随碳量的增加，渗碳体与铁素体的界面数量也多，转变速度加快。但过共析钢中，二次渗碳体的溶解要求更高的温度，碳量的增加达到均匀化时间会增加。 合金元素 碳化物形成元素与碳的结合力高于铁，会阻碍碳的扩散迁移；

5、在碳化物消失后，合金元素自己扩散达到均匀，达到均匀奥氏体化的时间要大大延长。 原始组织 珠光体的层片越细，界面数量多，扩散的距离小，转变速度加快，片状珠光体的转变速度高于球化珠光体。,四、奥氏体晶粒度及其影响因素,第一节 钢在加热时的组织转变,1.奥氏体晶粒度,奥氏体的晶粒度指奥氏体的晶粒尺寸大小，对热处理后的性能有重要影响。在热处理过程中，以后所得到的组织都是有奥氏体转变的产物，奥氏体的晶粒细小，所得到的组织也就细小，通常其力学性能也优越。在奥氏体化的过程中伴随着晶粒的长大，这是自发过程，只有控制好奥氏体化的工艺过程，才能到较细的晶粒。,描述奥氏体晶粒度有以下三种不同的概念：,起始晶粒度 刚

6、刚完成奥氏体化的晶粒大小称为起始晶粒度，原珠光体的层片本身细小，所有的钢这时都是非常细小、均匀的。实际工程意义不大。 实际晶粒度 在具体的加热温度、保温时间的条件下获得的晶粒大小。它决定于钢的成分和奥氏体化的工艺过程。,四、奥氏体晶粒度及其影响因素,第一节 钢在加热时的组织转变,1.奥氏体晶粒度,本质晶粒度 不同的钢在同样的加热条件下，奥氏体的长大倾向性不一样，按冶金部标准，将钢加热到93010，保温8小时得到的实际晶粒度作为该钢的本质晶粒度。本质晶粒度是一材料特性，表示的是钢在奥氏体化时奥氏体晶粒的长大倾向。其结果小于4级的钢成为本质细晶粒钢。并不是本质细晶粒钢奥氏体化得到的晶粒一定细小，通

7、常加热温度在930以下，本质细晶粒钢奥氏体化得到的晶粒比本质粗晶粒钢细小，超过这个温度或工艺处理不当，结果可能完全相反。,四、奥氏体晶粒度及其影响因素,第一节 钢在加热时的组织转变,2.影响奥氏体晶粒度的因素,加热速度 速度快用的时间少，转变在较高温度，形核率高，最终晶粒尺寸较细小。 保温温度愈高，保温时间长，奥氏体长大速度快，长大的时间多，晶粒变粗； 原始组织，固相转变组织的遗传性，珠光体细小，奥氏体的晶粒也细小；片状比球状细小，非平衡组织往往也可得到细小的奥氏体晶粒。 合金元素(成分) 含碳量增加，奥氏体转变加快，生长时间多，奥氏体晶粒的长大倾向增加；碳化物形成元素(Ti、V、Ta、Nb、

8、Zr、W、Mo、Cr)和碳结合力强，阻碍碳的扩散可阻碍奥氏体晶粒生长；不和碳作用而溶入基体元素(Si、Ni、Cu)对奥氏体晶粒生长无明显的影响；Co、P、Mn对奥氏体晶粒的长大有加速作用。,五、加热不当带来的组织缺陷,第一节 钢在加热时的组织转变,由于加热设备故障、工艺不合理或操作失误，加热过程中可能引起的缺陷有：,氧化 加热过程，工件表面和O2、CO2、H2O等气氛接触，工件表面发生氧化，更有甚者氧化气氛延晶界向内扩散造成较深的晶界氧化，这时主要表现晶界处的易氧化元素和氧结合使晶界性能下降，为内氧化。保温时间较长、温度高且表面要求较高，无多的加工余量要注意保护。 脱碳 含碳量较高的钢在加热和

9、O2、CO2、H2O、H2等结合，生成CO溢出，内层向表层扩散表层向内出现贫碳区，而影响表层性能。可用CO、CH4进行保护甚至渗碳。 过热 加热温度过高或保温时间过长，造成奥氏体晶粒过大。 过烧 加热温度太高，晶界过度氧化，甚至局部熔化，过烧工件只能报废。,第二节 钢在冷却时的组织转变,过冷奥氏体：钢奥氏体化后，从高温冷却到A1以下，此时奥氏体并不立即转变，而处于热力学不稳定状态，把这种存在于A1温度以下暂未发生转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体。,等温冷却：将钢迅速过冷到临界点(Ar1)以下某一温度，使奥氏体保持在该温度下进行转变。 连续冷却：将钢以某一固定速度不停顿地冷却(到室温)，使奥氏体

10、在连续降温的过程种转变。,冷却方式：,引子,一、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线的建立,第二节 钢在冷却时的组织转变,过冷奥氏体等温转变图，也称TTT(Time-Temperature-Transformation)曲线，或C曲线。它综合反映了过冷奥氏体在不同温度下等温转变的开始和终了时间及转变产物之间的关系。,快冷到某温度下保温，过冷奥氏体要经过一段时间a1后才开始转变，这个时间称为转变的孕育期。随后随着时间的延长，转变量不断增加。经过时间b1后全部转变完毕。图中横坐标为时间，利用对数坐标(log)；纵坐标为相对转变量(%)。然后对转变后的试样进行金相分析。另建一坐标，横坐标还是时间，纵坐标为转

11、变温度，将相同性质的连接起来。,一、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线的建立,第二节 钢在冷却时的组织转变,TTT曲线特征,这是实际测定得到的T8钢的等温冷却转变曲线(TTT曲线)，得到象字母“C”的曲线，俗称C曲线。在C曲线上，有一个孕育期最短的点，大约在550500附近，这个点俗称为C曲线的“鼻尖”。随温度降低，鼻尖上部因动力加大而转变速度加快；下部因降低原子活动能力而减慢。当快速冷却的温度低于某一临界值Ms后，孕育期消失，到达Ms立即发生转变，转变的方式发生了变化，Ms温度称为马氏体点。,二、珠光体型转变,第二节 钢在冷却时的组织转变,1.珠光体的形成,过冷奥氏体在Ar1到鼻尖(550)之间的

12、转变方式基本相同,属于珠光体型转变。,首先在奥氏体晶界处形成Fe3C的核心，然后不断长,大，周围奥氏体将发生晶格改组转变为铁素体，铁素体的生成促使渗碳体的长大和形核，长大的渗碳体可以分枝，它们共同生长的结果便得到层片的分布。在一个奥氏体晶粒中可能有数处形核，各自分别发展成不同的领域，直到奥氏体完全消失。此外，渗碳体形核与原奥氏体有一定的位向关系，所以珠光体在奥氏体中常为几种特定方向。,二、珠光体型转变,第二节 钢在冷却时的组织转变,2转变产物,过冷奥氏体按珠光体型方式发生转变，通常所得产物为铁素体和渗碳体交替分布的层片状组织，随着转变温度的降低，片间距愈细，即不同温度下所得产物的差别是层片间距

13、不同。采用特殊的方式冷却，也可能得到点状(小球)的渗碳体均匀分布在铁素体的基体上，如图所示。工程上对不同片间距的产物有一些习惯的称呼。,二、珠光体型转变,第二节 钢在冷却时的组织转变,3珠光体的性能,不同类型的珠光体由于层片间距不同，力学性能在一个较大范围内变化，总体趋势是随着片间距的减小，材料的强度和硬度呈现上升；其塑性和韧性以索氏体为最高，它的组织比珠光体细小且分布均匀，而屈氏体因层片的细小，塑性相铁素体的可变形范围小，强度最高，但塑性却下降了。,三、贝氏体型转变,第二节 钢在冷却时的组织转变,1基本特点,到500以下，相变的驱动力较大，铁的扩散系数已经很小，相变过程中来不及扩散，这时碳尽

14、管扩散速度比高温下小了很多，但还能在一定的范围内进行短距离扩散，所以将发生混合型相变，在钢中称为贝氏体(Bainite)转变。,在较大的驱动力下，晶格中的铁原子以切变方式，将其晶格点阵从面心立方改组为体心立方。这时铁原子不改变相邻关系，每个原子相对周围原子发生仅为原来晶格间距几分之一的移动，整个晶体结构发生了变化。一方面原子移动距离小，另一方面，要求所有原子同时移动，所以变化阻力大，仅在驱动力足够大时才发生。碳在面心立方中的溶解度大于体心立方晶格，对切变形成了阻力，含碳量愈低，转变愈容易。,三、贝氏体型转变,第二节 钢在冷却时的组织转变,2上贝氏体转变,在“鼻尖”到350的温度范围内等温，这时

15、铁从fcc向bcc结构转变的趋势相当大，这时碳有一定的扩散能力，类似珠光体型转变，在原奥氏体的晶界形成Fe3C的核心，并慢慢长大，在碳化物的形成生长时，周围的奥氏体的溶碳量明显下降，从fcc向bcc结构转变的阻力就减小，这些铁原子就立即以切变方式发生晶格改组。,贝氏体的生长方式为从原奥氏体晶界开始，边向奥氏体晶内生长同时不断加宽，其组织为以奥氏体晶界为干线的羽毛状，在羽毛的毛翎之间分布着析出的Fe3C，这种碳化物存在于平行分布的铁素体片之间的贝氏体称为“上贝氏体”。,三、贝氏体型转变,第二节 钢在冷却时的组织转变,2上贝氏体转变,性能特点：在碳钢中，上贝氏体的力学性能指标并不好，这时的强度和硬

16、度不太高，而韧性很低，工业生产中一般不用这种组织的材料来制造机械零件。,三、贝氏体型转变,第二节 钢在冷却时的组织转变,3下贝氏体转变,在350到MS点(约230)的温度区间，转变的趋势更大，但碳的扩散迁移能力又进一步减慢，当碳在小范围内迁移聚集是，主体的奥氏体基体就出现贫碳区就可以发生切变，从奥氏体转变为铁索体。切变区一般为凸镜状，发展的程度在一个奥氏体晶粒之内，再形成的在已有的贝氏体和奥氏体晶界或两个已有的贝氏体之间。聚集的碳在转变的铁素体内部形成极细小的碳化物，不一定是Fe3C，在光学显微镜下看不见，但它的存,在会使贝氏体制样侵蚀加快成暗色；在电子显微镜下可以看到它们成细片状，这种碳化物

17、在贝氏体内的组织称为“下贝氏体”。,三、贝氏体型转变,第二节 钢在冷却时的组织转变,2下贝氏体转变,性能特点：下贝氏体有较高的强度和硬度，还有一定的韧性，即有较好的强韧性配合，或称有良好的综合力学性能。在生产实际中这是一种常用的状态，但为了完成下贝氏体转变，不能直接冷却到室温，需要保温设备，并且转变时间长，生产的效率不高。,四、马氏体型转变,第二节 钢在冷却时的组织转变,1转变过程,当钢很快冷却到MS(共析钢约为230)以下，这时碳的可迁移能力也很低，在巨大的转变驱动力作用下，铁以切变的方式进行从fcc到bcc的晶格改组，形成了碳在铁素体中的过饱和固溶体，成为“马氏体”。,由于大量碳的过饱和，

18、将会给这时的铁素体带来巨大的晶格畸变，碳原子处在的位置是体心立方的八面体间隙处，体心立方的八面体间隙是一扁形，溶入碳原子基本在一个方向变形即可，为了减小晶格畸变，碳原子大多在同样的方向，所以马氏体的晶格点阵严格说来已经不是体心立方，而是体心正方，即晶格常数在一个方向被拉长。如果拉长的方向的晶格常数为c，另两个方向相等为a，对于马氏体来说，c/a的值一般在11.05之间。,四、马氏体型转变,第二节 钢在冷却时的组织转变,2转变特点,速度非常快 钢从奥氏体向马氏体的转变速度非常快，几乎无法测量，一般认为是以声速发展。 转变数量不决定于保温时间，而取决于冷却到的温度 当奥氏体迅速冷却到MS温度以下，

19、立即发生相应的马氏体转变，继续停留尽管还存在未转变完的奥氏体，但马氏体的数量并不再增加；而是随着温度的降低，马氏体的数量不断增加，一直到某一温度Mf以后，马氏体的数量不再增加了。因此，把 MS 温度称为钢的马氏体点，即过冷奥氏体开始发生马氏体转变的温度，把温度 Mf 称为马氏体转变的结束温度。 转变不能进行到底 就是冷却到Mf温度以下，钢中总有一定数量的奥氏体存在不能转变，这部分奥氏体成为残余奥氏体，通常简记为A残 或A。一般钢的 Mf 温度在室温以下，快速冷却到室温的钢中必然存在一定数量的残余奥氏体。,四、马氏体型转变,第二节 钢在冷却时的组织转变,3马氏体的形态,快速冷却得到的马氏体，随着

20、原奥氏体中的含碳量的不同，转变产物的组织形态也不相同，主要有两大类：板条马氏体和透镜状马氏体。,板条马氏体 奥氏体中的含碳量较低时，指小于0.3%Wt时，形成的马氏体为板条状，也称为低碳马氏体。组织形貌为一个原奥氏体晶粒可以有几个板条束，在板条束中有时又可以分成几个平行的板条块，在板条内分步着稠密的平行的马氏体板条。稠密的板条之间是一层连续的高度变形的极薄的奥氏体薄膜(约20nm)，马氏体内有大量位错。,四、马氏体型转变,第二节 钢在冷却时的组织转变,3马氏体的形态,特点：得到的低碳板条马氏体过饱和度不大，位错的强化结构有较高的强度和韧性，具有良好的综合力学性能。如0.2%C淬火后，HRC50

21、、 b1500MPa、 ak150180J/cm2。,四、马氏体型转变,第二节 钢在冷却时的组织转变,3马氏体的形态,片状马氏体 奥氏体的含碳量大于1.0时，得到的马氏体形状呈针片状或竹叶状，故称为片状马氏体，其立体形态是双凸透镜片状，所以又称为透镜马氏体或高碳马氏体。在一个原奥氏体晶粒中，首先形成一个贯穿整个晶粒的马氏体片，以后形成的马氏体片尺寸受到限制，在已经存在的马氏体和奥氏体晶,界或马氏体片之间，越后形成的马氏体片越小。马氏体片之间互不平行，最后的三角区为残余奥氏体。,四、马氏体型转变,第二节 钢在冷却时的组织转变,3马氏体的形态,性能特点：得到的高碳片状马氏体过饱和度大，严重的晶格畸

22、变产生大的内应力，大片之间易产生显微裂纹。片状马氏体具有高的硬度和强度，但塑性和韧性很低。HRC60、 ak 1J/cm2。,四、马氏体型转变,第二节 钢在冷却时的组织转变,3马氏体性能,马氏体一般是很硬的，硬度随马氏体中的含碳量的提高而增加，同时残余奥氏体的数量也正加。原因时过饱和的碳引起的晶格畸变和马氏体转变体积膨胀造成周围的强烈塑性变形，形成的高密度的位错或孪晶带来的加工硬化。,高碳马氏体虽很硬，但塑性和韧性却很差，并且内部存在巨大的内应力，如共析钢淬火得到的片状马氏体力学性能：硬度达60HRC，冲击韧性仅1J/cm2。低碳的板条马氏体的硬度虽不算很高，却具有一定的塑性和相当好的韧性，0

23、.2%C碳钢淬火得到的板条马氏体力学性能指标：硬度3540HRC，屈服强度8001000MPa，伸长率917%，冲击韧性60180J/cm2。,五、影响C曲线的因素,第二节 钢在冷却时的组织转变,1含C量的影响,钢的碳含量偏离共析点成分，平衡转变时存在先共析相的析出转变，在C曲线的上方有一条先共析相析出线，上趋近于Ac3或Accm，下到C曲线的鼻尖处，如图所示。在亚共析钢中为铁素体的开始析出线，而过共析钢则为二次渗碳体的开始析出线。,五、影响C曲线的因素,第二节 钢在冷却时的组织转变,2加热温度和保温时间,奥氏体中的含碳量对C曲线有明显的影响，注意奥氏体的含碳量和钢的含碳量在转变的过程中是不一

24、致，如钢的含碳量各不相同，但缓慢冷却到A1温度，奥氏体的含碳量均向S点看齐。与共析钢相比，在亚共析钢中，随着含碳量的增加，C曲线右移，即转变的孕育期和转变时间都加长；在过共析钢中，随着含碳量的增加，C曲线也左移，即转变的孕育期和转变时间都减少，先析出的碳化物会促使奥氏体的分解，所以共析钢的奥氏体是最稳定的。在一般的碳钢中，鼻子处的孕育期仅不到一秒钟。,随着加热温度的提高，保温时间的加长，奥氏体的均匀化程度高，不利于转变形核，不利于过冷奥氏体的分解，或称奥氏体的稳定性得到提高，C曲线右移。,五、影响C曲线的因素,第二节 钢在冷却时的组织转变,3合金元素的影响,除Co以外，几乎所有元素都会使C曲线

25、右移，即提高奥氏体的稳定性。此外，大量合金元素的加入，还会改变C曲线的形状，具体的分析到合金钢章节再讲。,六、过冷奥氏体的连续冷却曲线,第二节 钢在冷却时的组织转变,1. CCT(Continuous Cooling Transformation)曲线,将奥氏体化后的材料置于某一定的介质中冷却，随着时间的推移，材料的温度不断下降，奥氏体的分解过程在不同的温度下进行，得到的组织就较复杂。冷却环境不同，或冷却介质不同，材料的冷却速度也就不相同，得到的产物也不相同，对应的性能将不相同。这就是连续冷却过程，为了研究连续冷却过程的转变规律，许多钢也建立了相应的冷却曲线，即连续冷却曲线，也称CCT曲线。,

26、六、过冷奥氏体的连续冷却曲线,第二节 钢在冷却时的组织转变,2.曲线的建立,将钢奥氏体化后，以不同的冷却速度冷却到室温，测量出奥氏体的开始分解和转变结束的时间，在标注温度时间(对数坐标)图中，先画出温度时间关系曲线，标出奥氏体开始分解的时间和转变结束时间，下方同时记录转变产物的硬度，最后将不同冷却速度下的相同性质的点连接所得到的曲线就得到CCT曲线。,六、过冷奥氏体的连续冷却曲线,第二节 钢在冷却时的组织转变,2. 碳钢的CCT曲线分析,如果将TTT曲线用虚线画在同一图中，比较后发现： 珠光体型转变对应转变曲线没有明显的差别，开始和结束点滞后，CCT曲线在TTT曲线的右下方。达到同样的温度，等

27、温转变在较低温度下所处的时间比连续冷却长。 贝氏体转变被抑制不能发生，,在CCT曲线上有一奥氏体转变中止线，只有部分奥氏体分解，随后的一段时间内，剩余的奥氏体并不发生转变，直到马氏体点后，发生马氏体转变，所得组织为TMA； 马氏体点及以下的状态，连续冷却曲线和等温冷却转变曲线没有明显的差别。,六、过冷奥氏体的连续冷却曲线,第二节 钢在冷却时的组织转变,3. 碳钢连续冷却转变的组织,冷却速度小于5/S时，如随炉冷却过程，得到珠光体。随着冷却速度加快，转变类型相同，组织从珠光体、索氏体、屈氏体，即层片不断细化，同一冷却速度不同的转变阶段转变产物也有一定的差别。 冷却速度大于VK=138/S时，不与

28、曲线相交,全部得到MA，这个,冷却速度称为临界冷却速度或上临界冷却速度。把VK=33/S称为下临界冷却速度，小于这个速度冷却则无马氏体转变。 在上下临界冷却速度之间，如在油中冷却，通过了珠光体型转的开始线，未通过转变结束线，而通过转变的停止现，得到的组织为TMA,第三节 钢的退火与正火,一、退火操作及其应用,退火：将组织偏离平衡状态的钢加热到适当的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却(例如随炉冷却)，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做“退火”。,一、退火操作及其应用,第三节 钢的退火与正火,1完全退火,方法：将亚共析钢加热到Ac3以上3050，保温一定时间，缓慢冷却(随炉冷却或埋入石灰、干沙中

29、自然冷却)到500以下，取出空冷。,目的：先得到均匀的奥氏体，缓慢冷却转变基本接近相图描述转变过程，得到接近平衡组织，降低硬度，便于加工，消除内应力。 用途：碳钢和合金结构钢的锻、铸、轧制型材，可以作为一般要求工件的最终热处理，大多为重要零件的预先热处理。,一、退火操作及其应用,第三节 钢的退火与正火,2等温退火,方法：,加热方法同上(将亚共析钢加热到Ac3以上3050，保温一定时间)，在加热温度到珠光体开始转变前快速冷却(打开炉门，甚至吹风)到珠光体转变温度区等温保温到珠光体转变完毕后，取出空冷。 目的和用途同完全退火，生成率和组织控制较好，操作要求也相应高一些。,一、退火操作及其应用,第三

30、节 钢的退火与正火,3球化退火,方法：将过共析钢加热到Ac1以上3050，保温较长时间，冷却到Ar1温度附近时要足够慢的冷却(保温冷却，比随炉冷却还要缓慢)。 目的：最终组织为铁素体的基体上均匀分布颗粒状的渗碳体，称为球状珠光体。 用途：降低过共析钢材料的硬度，保证足够的韧性，便于进行机械加工，均匀组织为以后淬火作好组织准备。,一、退火操作及其应用,第三节 钢的退火与正火,4去应力退火,方法：将钢较慢(100150/hr)加热到500650(低于A1)，保温后随炉慢冷(50100/hr)到200300以下出炉。 目的：这个过程中，钢中应无相变发生，组织没有明显变化，可完全消除残余内应力。如果材

31、料原始有大的弹性应变能存在，可发生再结晶，组织也会有对应的变化。 用途： 锻造冷却未全恢复塑性变形，铸件的冷却热应力，焊接构件的热应力，拉、拔、挤压的加工硬化等都会存在残余内应，利用去应力退火可以消除变形或其它原因产生的内应力。,二、正火,第三节 钢的退火与正火,将钢加热到Ac3和Accm以上3050，保温一定时间(得到均匀的奥氏体)，从炉中取出在自由流动的空气中冷却，发生珠光体型转变的热处理工艺称为“正火”。 由于冷却速度大于退火，得到的珠光体的组织较细，材料的硬度和强度均比退火要高。合金钢在空气中冷却可能是发生珠光体型、贝氏体型甚至马氏体型相变，但一般正火是指空冷时珠光体转变的这一部分。,

32、用途：,中低碳钢用正火代替退火进行预先热处理，改善加工性能。 普通结构钢(中碳钢)正火尽管为达到最好的性能，已经达到希望的强度和韧性，可以进行机械加工，作为最终热处理的成本较低。 过共析钢正火时，可以抑制二次渗碳体网状析出，对已经存在网状碳化物的工具钢，利用正火先溶化后抑制，用来消除网状碳化物，为下一部的球化处理作组织准备。,第四节 钢的淬火,一、淬火概念,淬火：将钢加热到临界点以上，保温一定时间进行奥氏体化，然后快速冷却到Ms点以下，发生马氏体转变的热处理工艺，叫作“淬火”。 目的：钢的淬火组织主要是马氏体，可以提高钢的高硬度，保证高的耐磨性和承受高的接触应力。虽然马氏体不是热处理所要得到的

33、最终组织，但马氏体再经过适当的回火，可以得到需要的组织和使用性能，最终达到理想的热处理目的。,二、淬火加热温度,第四节 钢的淬火,淬火加热温度的确定应以获得晶粒细小、成分均匀的奥氏体为原则，以便得到细小的马氏体组织。,亚共析钢：Ac3以上3050，铁素体可以全部溶解得到得到单一的奥氏体，从而消除未溶铁素体而带来的软相。也不宜过高，防止奥氏体晶粒粗大带来马氏体粗大，并且温度高带来的热变形也将严重。 过共析钢：Ac1以上3050，含碳量在0.8以上，这时得到的马氏体有了足够的硬度，反而提高温度，淬火时开裂的倾向加大，并且淬火后残余奥氏体量增加反而降低硬度；同时保持未溶解的颗粒状碳化物也可以提高材料

34、的硬度和耐磨性。 合金钢：合金元素大多可以阻止奥氏体晶粒长大，为了合金元素的均匀，加热温度和保温时间都要比碳钢稍微提高一些。,三、淬火冷却介质,第四节 钢的淬火,理想的淬火冷却速度 为了保证得到多的马氏体，冷却速度应该大于临界冷却速度Vk；为防止零件变形、开裂，冷却应慢一些。所以理想的冷却速度如图，开始冷却可以慢一些，在快要发生组织转变时快冷，以躲开鼻子尖，随后又可以慢冷让马氏体转变慢慢的进行。,常用介质,盐水、碱水 1015的NaCl水溶液这是最强的冷却介质。 清水 直接冷却和沸腾的蒸汽冷却，冷却能力也很强。 碱浴、硝盐浴 熔融的氢氧化钠、硝酸盐、亚硝酸盐导热能力很强，在120180以上的高

35、温下有好的冷却能力。 矿物油 冷却能力约为水的1/41/8，用于奥氏体较稳定钢，如大多数合金钢，可以有效防止零件的变形开裂。,四、淬火方法,第四节 钢的淬火,单液淬火 直接放入某液体介质(水或油)中冷却到室温。方法简单，易于操作。 双液淬火(水淬油冷)对复杂的碳钢零件，先在水或盐水中快速冷却，躲开鼻子温度，估计温度低于500时立即转入油中，放慢冷却速度继续冷却到室温。操作者的经验控制。,分级淬火 淬入150260硝盐浴中躲过了鼻尖，停留一段时间让表面和心部温度均匀，热应力松弛。取出空冷。 等温淬火 直接淬入硝盐浴中保温，发生贝氏体转变。 局部淬火 局部加热法或局部冷却法 冷处理 冷却到室温以下

36、的过程称为“冷处理”。,五、淬火组织缺陷,第四节 钢的淬火,加热缺陷 过热、过烧、氧化脱碳、奥氏体晶粒过大等。 硬度不足或出现软点 前者是整体硬度低于要求，后者是个别部位硬度低于要求。产生原因有加热不足，冷却介质的冷却能力不够，工件表面不干净，局部散热不良等。 变形与开裂 零件淬火后发生变形是热应力和组织应力综合作用的结构，完全不变形是困难的，但超量的变形甚至开裂则是要防止的。减小变形的途径有：零件结构设计合理，结构对称，避免过大的尺寸突变；淬火前组织要均匀，必要时经过退火或正火；加热温度适当，不要过热；冷却介质和方法适当，包括入水的角度；及时回火，防止当时未裂在放置时开裂。,六、钢的淬透性,

37、第四节 钢的淬火,1.淬透性的概念,淬硬层深度 当试样尺寸较大时，从表面向内冷却速度逐渐减小，当冷却速度低于Vk，就不能得到全部马氏体，随着深度的加深，马氏体的数量愈来愈少，得到一定的深度后，冷却速度低于Vk，根本不能发生马氏体相变。所以大尺寸试样想全部得到马氏体是不可能的，随着马氏体数量的减少，对应的硬度也不断下降，通常把淬火钢从表面到马氏体组织占50处的距离成为淬硬层深度。实际淬硬层的深度除了与材料本身有关外，还与试样的大小、冷却方式有密切的关系。,淬透性 同样形状和尺寸的工件，在同样加热和冷却条件下淬火，由于钢种类不同，淬硬层的深度也不同，把钢在淬火后能获得淬硬层深度的一种性质叫淬透性。

38、它是一种材料特性，与零件的尺寸和淬火工艺无关，并不直接表明钢淬火能得到多大的淬硬层深度，同样淬透性的钢，用不同冷却方法得到的淬硬层深度是不一样的 。,六、钢的淬透性,第四节 钢的淬火,1.淬透性的概念,淬硬性 指在正常情况下，淬火后能得到多高的硬度，也就是能形成全部马氏体所能达到的最高硬度。显然它决定于淬火时奥氏体的含碳量。淬火后的实际硬度决定于钢的淬硬性和实际获得的马氏体比例。,影响淬透性的因素 钢的淬透性好坏取决于钢的过冷奥氏体的稳定性，即C曲线上的临界冷却速度。总的来说有：,钢的含碳量，共析钢的淬透性最高； 合金元素中除Co外，绝大部分都使C曲线右移，提高淬透性；钢的成分组织不均匀，或因

39、含有某些微量杂质，组成第二相质点存在，可促使奥氏体分解，降低钢的淬透性； 奥氏体化的温度、时间参数影响奥氏体的均匀性和稳定性，影响淬透程度，但这不全部为材料特征。,六、钢的淬透性,第四节 钢的淬火,2.淬透性的测定方法,目前普遍采用的是“末端淬火法”(简称端淬)方法，按国家标准GB22563执行。,将25X100的试样加热奥氏体化后，迅速放在专门的设备中喷水冷却。喷水条件：喷水管孔直径12.5，水温2330，自由水柱高度655，喷水口到端面距离12.5mm。测量出到端面不同距离的硬度，作出硬度距离曲线，即淬透性曲线。,淬透性的表示方法： ，其中J表示端淬法，HRC为硬度，d到端面的距离。例如，

40、 。不同钢的淬透性带在相关手册中可以查到。,六、钢的淬透性,第四节 钢的淬火,3.淬透性的意义,钢的淬透性不同，淬火后表层和心部的组织、性能也有一定的差别，在机械设计和施工工艺种要主义以下问题：,重要零件对心部性能要求较高的，如连杆、锻模等，为保证心部的性能需要淬透，选用淬透性较高的钢；对焊接件为减小热影响区内出现淬火组织，造成变形开裂，应用淬透性较低的钢为宜。 根据钢的淬透性不同，在淬火时选用合适的淬火冷却介质。 由于淬透性的影响，在零件强度校核时，大小零件的性能数据要有区别。 对于大尺寸、低淬透性的钢，反正淬不透，进行淬火后回火的意义不大，经常直接用正火来代替调质，可以减少因淬火带来的可能

41、开裂，并工艺简单经济。,第五节 钢的回火,一、回火概念,回火：,消除内应力 钢在淬火后，存在较大的内应力，加上淬火马氏体性能较脆时，容易出现开裂，有的零件淬火当时未裂，在大的内应力作用下，放置或稍有受力就开裂。利用回火可以消除或减小内应力，达到防止以后变形开裂。,将淬火后的钢制工件，加热到Ac1以下的某一温度，保温一段时间，然后冷却到室温的一种热处理工艺操作叫“回火”。,目的：,一、回火概念,第五节 钢的回火,目的：,稳定组织和尺寸 淬火后的组织为马氏体加残余奥氏体，它们都是不稳定组织，使用过程中温度发生变化，它们都会发生转变，会带来零件的尺寸和性能的变化。利用回火让可能的变化的热处理时发生，

42、得到的亚稳组织在使用过程中不再发生变化，达到稳定零件的组织性能和尺寸。 调整性能 淬火后得到的马氏体在含碳量较高时，材料的硬度高，脆性大，通过回火处理，控制回火的温度和时间，达到需要的强度、塑性和韧性。 便于加工 实际也是调整性能，让某些钢经过回火，碳化物发生聚集，降低硬度，便于机械加工。,二、淬火钢的回火过程中的转变,第五节 钢的回火,淬火后的钢组织为马氏体加残余奥氏体，都是不稳定组织，本身有向稳定组织转变的趋势，回火的加热和保温仅仅是加速这一过程的发展，是转变发生的热处理阶段。,1马氏体的分解（200以下）,回火时马氏体中过饱和的碳发生短距离的迁移，形成极细的碳化物(Fe2.4C)，以薄片

43、存在马氏体片中，这种组织称为回火马氏体，马氏体中碳的过饱和度下降，晶格从体心正方向体心立方发展，残余奥氏体基本未发生变化。,2残余奥氏体的分解（200300）,马氏体向回火马氏体转变时，由于压应力的减小，残余奥氏体发生分解生产下贝氏体。回火马氏体的组织与下贝氏体非常相象，难区区，分统一称为回火马氏体。碳化物在光学显微镜下是不可见的，组织形貌有原来亮白色变为灰暗色。,二、淬火钢的回火过程中的转变,第五节 钢的回火,3回火屈氏体的形成（250400）,这时碳的扩散运动能力有所加强，过渡碳化物转变成稳定渗碳体，铁素体的过饱和度明显减少，内应力大大消除，碳化物和母相的共格关系消失，原马氏体片的外形不清

44、晰，大约到400全部完成， 这时的组织为在铁素体上均匀分布极细的渗碳体，称为“回火屈氏体”。在光学显微镜下，可以看到部分残存的原马氏体的痕迹，但看不到碳化物，组织几乎为一片黑。,4碳化物的聚集长大（400以上）,到400以上，铁素体已经不是过饱和，一方面铁素体中的缺陷按回复机制不断下降，另一方面，渗碳体的颗粒在界面能的驱使下，以大吃小的合并方式不断长大。得到平衡状的铁素体中分布着颗粒状的碳化物混合组织，称为“回火索氏体”。随着到达的温度愈高，相应渗碳体颗粒就愈大。在光学显微镜下可以看到渗碳体的颗粒。,三、回火组织的性能,第五节 钢的回火,回火组织,三、回火组织的性能,第五节 钢的回火,回火组织

45、,微观组织分析结果：随着回火温度的升高，马氏体在150400变化明显；残余奥氏体200开始分解，300消失；内应力不断减小，450基本消失；碳化物成分向渗碳体过渡，尺寸不断增大，超过600会明显加速生长。,三、回火组织的性能,第五节 钢的回火,2性能,硬度在200以下变化不明显，以后随温度的上升而下降，强度也如此。塑性随回火温度提高而提高,到超过600因碳化物过大会下降；韧性变化的趋势随回火温度的提高而提高，直到600附近最大而随后下降，此外在350附近有一低谷。,四、回火脆性,第五节 钢的回火,第一类回火脆性 普通碳钢的韧性在300350附近有一低谷，称为回火脆性。细小薄片状过渡碳化物和刚形

46、成的渗碳体在马氏体的板条边界或马氏体片面的边界析出，硬而脆的碳化物割裂了基体的连续性使钢的韧性下降，残余奥氏体分解的应力加重了脆性的程度，这种在回火时韧性出现谷值的现象成为“回火脆性”。所有的钢几乎都存在第一类回火脆性，因此一般应避免在250400进行回火。弹簧钢加一定的合金元素来改变第一类回火脆性出现的温度范围。,第二类回火脆性 对于含Ni、Cr、Mn的钢在450600时，也出现韧性下降现象，其原因有多种说法，主要认为是回火后冷却时，杂质元素在晶界的偏聚，这个现象称为第二类回火脆性。第二类回火脆性仅在部分材料中发生，并且回火后采用快速冷却可以抑制其发生，因此对具有第二类回火脆性的钢在高温回火

47、后必须采用快速冷却。,五、回火种类及其应用,第五节 钢的回火,低温回火 回火温度为150250，得到的组织为回火马氏体，保留淬火时的高硬度，消除淬火的残余应力。这时钢有好的耐磨性，常用于轴承、冷作模具的热处理，回火温度低于200时，硬度可达到5864HRC。,中温回火 回火温度为350500，得到的组织是回火屈氏体，在具有一定韧性的同时，有高的弹性极限和屈服强度。主要用于弹簧类和要求较高强度硬度又要一定韧性的工件，如刀杆、轴套等。,高温回火 回火温度为500650，得到的组织是回火索氏体，目的是使钢得到强度、硬度、塑性、韧性有良好配合的综合力学性能，尤其是冲击韧性高，且可以直接进行机械加工。淬

48、火后进行高温回火的工艺通常称为“调质”处理。主要用于承受较大应力，特别是有冲击应力场合下的结构零件，如各种轴、连杆、齿轮等，对具有第而类回火脆性的钢注意回火后应在水或油中冷却。,第六节 钢的表面热处理,引言,机械零件在服役时，常常要求表面与心部具有不同的力学性能，能更好的发挥材料的潜力作用。例如在机械中常用的齿轮，表面承受巨大的接触应力，希望有高的硬度来提高其耐磨性和接触疲劳抗力，同时又要传递动力，齿部经受弯曲疲劳，要求材料有高的韧性，但一般材料当硬度高时韧性就差，然而若材料表面具有高硬度，心部有高的韧性就可以兼顾二者的需求，内燃机的曲轴也是同样的情况，传递动力且轴颈处耐磨。达到材料表面和心部

49、具有不同性能的方法可能多种，一种是相同的材料，表面和心部经过不同方式的热处理；另一种方法是通过改变材料表面成分的方法来达到具有不同的性能，以下分别介绍之。,一、表面淬火,第六节 钢的表面热处理,基本原理： 首先对零件进行整体热处理，让零件心部达到要求的性能，例如轴、机床齿轮类先，进行调质，再利用快速加热的方法，只将工件的部分表层奥氏体化，然后淬火。表面淬火不改变材料的化学成分，只表面获得马氏体组织，得到强化和硬化心部组织并不发生变化，保持高的韧性。,淬火组织： 加热时，从表面到心部的温度不同，淬火后在组织也不同，最表层加热温度到 Ac3以上，为细小的马氏体，可能有少量未溶的铁素体；次表层的温度

50、在Ac1Ac3之间，加热组织为铁素体加奥氏体，淬火组织为铁素体加马氏体或铁素体加屈氏体；里层温度在 Ac1以下，未奥氏体化，不可能形成马氏体，心部依然保留原始组织。,一、表面淬火,第六节 钢的表面热处理,3.加热方法：,感应加热表面淬火：,将工件置于中频或高频(500500KHz)的交变磁场中，在工件上有感应电流，由于电流的集肤效应，电流集中于表层，大的电流产生的热量将工件表面迅速达到 8001000，然后迅速置于水中或喷水冷却，达到表层淬硬的结果。由于加热速度快，温度高，奥氏体晶粒细，硬度高于普通淬火硬度23HRC，象45、40Cr、40MnB经正火或调质后表面淬火，表层硬度大于50HRC。,一、表面淬火,第六节 钢的表面热处理,3.加热方法：,感应加热表面淬火：,利用目测或用光学比色温温度计来测温