第五章 钢的热处理,钢的热处理,前 言 第一节 钢在加热时的转变 第二节 钢的冷却转变 第三节 钢的普通热处理 第四节 钢的表面热处理,前 言,什么叫钢的热处理 常见的热处理方法,热处理的概念,热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。,热处理工艺曲线的示意图,图5-1,常见的热处理方法,第一节 钢在加热时的转变,一、奥氏体化前的组织 二、奥氏体的形成温度与Fe- Fe3C状态图的关系 三、共析钢奥氏体的形成过程 四、亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程 五、影响奥氏体形成速度的因素 六、奥氏体晶粒大小及其影响因素,一、奥氏体化前的组织,我们只考虑比较简单的情况即奥氏体化前的组织为平衡组织的情况。 对于亚共析钢 F+P 共 析 钢 P 过共析钢 Fe3C+P,二、奥氏体的形成温度与Fe- Fe3C状态图的关系,对于加热：非平衡条件下的相变温度高于平衡条件下的相变温度； 对于冷却：非平衡条件下的相变温度低于平衡条件下的相变温度。 这个温差叫滞后度。加热转变 过热度， 冷却转变 过冷度，且加热与冷却速度越大，温度提高与下降的幅度就越大，导致热度与过冷度越大。此外，过热度与过冷度的增大会导致相变驱动力的增大，从而使相变容易发生。,钢在加热和冷却时的相变临界点,图5-2 实际相变温度与理论转变温度之间的关系,三、共析钢奥氏体的形成过程,1.奥氏体晶核的形成 2.奥氏体晶核的长大 3.残余渗碳体的溶解 4.奥氏体成分的均匀化,共析碳钢A形成过程示意图,A 形核,A 长大,残余Fe3C溶解,A 均匀化,图5-3,四、亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程,亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是有先共析相。其奥氏体的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变，然后再进行先共析相的溶解。这个PA的转变过程同共析钢相同，也是经过前面的四个阶段。 对于亚共析钢，平衡组织F+P，当加热到AC1以上温度时，PA，在AC1AC3的升温过程中，先共析的F逐渐溶入A，同样，对于过共析钢，平衡组织是Fe3C+P，当加热到AC1以上时，PA，在AC1ACCM的升温过程中，二次渗碳体逐步溶入奥氏体中。,五、影响奥氏体形成速度的因素,1. 加热速度的影响 加热速度越快，奥氏体化温度越高，过热度越大，相变驱动力也越大；同时由于奥氏体化温度高，原子扩散速度也加快，提高形核与长大的速度，从而加快奥氏体的形成。 2. 化学成分的影响 钢中含碳量增加，碳化物数量相应增多，F和Fe3C的相界面增多，奥氏体晶核数增多，其转变速度加快。 钢中的合金元素不改变奥氏体的形成过程，但能影响奥氏体的形成速度。因为合金元素能改变钢的临界点，并影响碳的扩散速度，且它自身也存在扩散和重新分布的过程，所以合金钢的奥氏体形成速度一般比碳钢慢，尤其高合金钢，奥氏体化温度比碳钢要高，保温时间也较长。 3. 原始组织的影响 钢中原始珠光体越细，其片间距越小，相界面越多，越有利于形核，同时由于片间距小，碳原子的扩散距离小，扩散速度加快导致奥氏体形成速度加快。同样片状P比粒状P的奥氏体形成速度快。,六、奥氏体晶粒大小及其影响因素,奥氏体的晶粒度及其分类 起始晶粒度 实际晶粒度 本质晶粒度 影响奥氏体晶粒大小的主要因素 加热温度和保温时间 钢的化学成分,标准晶粒度等级,图5-4 晶粒度评定标准,实际晶粒度,钢在加热时所获得的实际奥氏体晶粒的大小 实际晶粒度决定钢的性能。,本质晶粒度,钢加热到93010、保温8小时、冷却后测得的晶粒度 表示钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向 本质细晶粒钢 本质粗晶粒钢,本质细晶粒钢M和本质粗晶粒钢K晶粒长大示意图,图5-5,第二节 钢的冷却转变,一、过冷奥氏体 二、在冷却转变时，相变温度对转变速度的影响 三、过冷奥氏体等温转变曲线 四、过冷奥氏体等温转变的产物的组织和性能 五、过冷奥氏体连续冷却转变曲线,冷却方式,连续冷却 等温冷却,图5-6 冷却方式示意图,一、过冷奥氏体,高温时所形成的奥氏体冷却到A1点以下尚未发生转变的奥氏体 。,二、在冷却转变时，相变温度对转变速度的影响,图5-7 相变温度对转变速度的影响示意图,三、过冷奥氏体等温转变曲线,图5-8,共析碳钢过冷A等温曲线的建立,图5-9,四、过冷奥氏体等温转变的产物的组织和性能,珠光体转变 贝氏体转变 马氏体的组织与形态,珠光体转变,转变过程 组织与性能特征,珠光体形成示意图,图5-10,珠光体组织特征图,图5-11 珠光体组织,贝氏体转变,转变过程 组织特征与性能,贝氏体形成示意图,图5-12,贝氏体形成示意图,图5-13,上贝氏组织特征图,图5-14,上贝氏体组织金相图,图5-15,下贝氏组织特征图,图5-16,下贝氏体组织金相图,图5-17,低碳板条状马氏体组织金相图,图5-18,高碳针片状马氏体组织金相图,图5-19,过冷奥氏体连续冷却转变曲线,图5-20,第三节 钢的普通热处理,一、钢的退火与正火 二、钢的淬火 三、钢的回火,一、钢的退火与正火,钢的退火 完全退火 等温退火 球化退火（不完全退火） 去应力退火 钢的正火 退火和正火的选择,完全退火,加热温度：Ac3以上20-30度 组织：P+F 目的： 细化，均匀化粗大、不均匀组织 接近平衡组织调整硬度切削性 消除内应力 应用范围：亚共折钢，共析钢，不适用于过共析钢。,等 温 退 火,加热温度：Ac1以上10-20度，或Ac3以上30-50度 组织：P 目的： 与完全退火、球化退火相同 更均匀的组织和硬度 显著缩短生产周期 应用范围：高碳钢，合金工具钢，高合金钢。,球化退火（不完全退火）,加热温度：Ac1以上20-40度 应用范围：过共析钢，共析钢 组织：球状P（F+球状FeC3） 目的： 使FeC3球化HRC，韧性切削性 为淬火作准备,T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 ,图5-21,过共析钢球化退火组织,退火和正火的选择,（1）从切削加工性上考虑 切削加工性又包括硬度，切削脆性，表面粗糙度及对刀具的磨损等。 一般金属的硬度在HB170230范围内，切削性能较好。高于它过硬，难以加工，且刀具磨损快；过低则切屑不易断，造成刀具发热和磨损，加工后的零件表面粗糙度很大。表3-4列出了各种碳钢在退火与正火后的硬度值。可见，对于低、中碳结构钢以正火作为预先热处理比较合适，高碳结构钢和工具钢则以退火为宜。至于合金钢，由于合金元素的加入，使钢的硬度有所提高，故中碳以上的合金钢一般都采用退火以改善切削性。 （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，且操作简便，故在可能的条件下，应优先考虑以正火代替退火。,二、钢的淬火,1.淬火的目的 2.钢的淬火工艺 3.钢的淬透性,1.淬火的目的,为了获取组织，它是强化钢材最主要的热处理方法。,2.钢的淬火工艺,淬火加热温度的选择 淬火冷却介质 淬火方法,淬火加热温度的选择示意图,图5-22,淬火理想的冷却速度,图5-23,淬火方法,单液淬火法 双液淬火法 马氏体分级淬火法 贝氏体等温淬火法,各种淬火方法示意图,图5-24,3.钢的淬透性,淬透性的概念 淬透性表示的是钢在淬火时所能得到的淬硬层深度 淬硬性指的是钢在淬火能达到的最高硬度。 影响淬透性的因素 化学成分 奥氏体化温度 淬透性的表示方法及应用,钢的淬透性曲线,图5-25,淬透性不同的钢调质后机械性能,a) 全淬透 b) 未淬透,图5-26,三、钢的回火,1.什么是钢的回火及回火的目的 2.淬火钢在回火时组织和性能的变化 3.回火的方法及应用,1.钢的回火及回火的目的,回火的概念: 将淬火钢重新加热到A1点以下某一温度，保温后冷却到室温的热处理工艺。 回火的目的: 1改变强度、硬度高，塑性、韧性差的淬火组织。 2使不稳定的淬火组织M和残余A转变为稳定组织，保证工件不再发生形状和尺寸的改变。 3消除淬火内应力，防止进一步变形、开裂。 钢淬火后一般都必须进行回火处理，回火决定了钢在使用状态的组织和寿命。,2.淬火钢回火时组织和性能的变化,1.淬火钢回火时组织的变化 80200，发生马氏体的分解 200300发生残余奥氏体分解 250400，马氏体分解完成 400以上回复与再结晶 2.淬火钢回火时性能的变化,3.回火的方法及应用,（1）低温回火 回火温度范围150250。得到的组织：回火马氏体。内应力和脆性降低，保持了高硬度和高耐磨性。 这种回火主要应用于高碳钢或高碳合金钢制造的工、模具、滚动轴承及渗碳和表面淬火的零件，回火后的硬度一般为HRC 58-64。 （2）中温回火 回火温度范围为350500，回火后的组织为回火屈氏体，硬度HRC35-45，具有一定的韧性和高的弹性极限及屈服极限。 这种回火主要应用于含碳0.5-0.7%的碳钢和合金钢制造的各类弹簧。 （3）高温回火 回火温度范围为500650，回火后的组织为回火索氏体，其硬度HRC 25-35，具有适当的强度和足够的塑性和韧性。 这种回火主要应用于含碳0.3-0.5% 的碳钢和合金钢制造的各类连接和传动的结构零件，如轴、连杆、螺栓等。 淬火后高温回火称调质处理。 应用：在冲击负荷下工作的重要结构零件，连杆，螺栓，齿轮及轴类,第四节 钢的表面热处理,一、钢的表面淬火 二、钢的化学热处理 三、表面处理的具体工艺 四、钢的化学热处理具体工艺,一、钢的表面淬火,表面淬火概念及应用 快速加热使钢的表面奥氏体化后淬火冷却，获得表层硬而耐磨的M组织，心部仍保持原来的组织。 应用：中碳钢和中碳低合金钢 表面淬火特点 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，硬度，脆性 c. 残余压应力提高寿命 d. 不易氧化、脱碳、变形小 e. 工艺易控制，设备成本高 表面淬火方法 1. 感应加热表面淬火 2. 火焰加热表面淬火 3.接触电阻加热表面淬火,二、钢的化学热处理,钢的渗碳 气体渗碳 固体渗碳 钢的氮化 碳氮共渗,三、表面处理的具体工艺,火焰加热表面淬火 感应加热表面淬火,火焰加热表面淬火,图5-27 火焰加热表面淬火示意图,感应加热表面淬火,图5-28 感应加热表面淬火示意图,四、钢的化学热处理具体工艺,什么是化学热处理 钢制工件放置于某种介质中，通过加热和保温，使化学介质中某些元素渗入到工件表层，从而改变表层的化学成分，使心部与表层具有不同的组织与机械性能。 钢的渗碳 渗碳是把钢放在渗碳介质中，加热到单相奥氏体区，保温一定时间，使碳原子渗入钢表层的过程 气体渗碳 固体渗碳法 钢的氮化（气体氮化） 在一定温度(一般在AC1以下)使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺 目的： 提高工件表面硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度 钢的碳氮共渗 在一定温度下同时将碳、氮原子渗入工件表层的奥氏体中,并以渗碳为主的化学热处理工艺。 中温气体碳氮共渗 低温气体碳氮共渗（气体软氮化）,钢的气体渗碳,图5-29 气体渗碳炉,钢的固体渗碳,图5-30 钢的固体渗碳炉,