第五章 钢的热处理,第一节 钢在加热时的转变 第二节 钢在冷却时的转变 第三节 钢的退火与正火 第四节 钢的淬火 第五节 钢的回火 第六节 钢的淬透性 第七节 钢的表面淬火 第八节 钢的化学热处理 第九节 表面气相沉积 第十节 影响热处理件质量的因素 第十一节 热处理技术条件的标注及工序位置的安排,钢的热处理是指钢在固态下采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。,根据加热和冷却方法不同，常用的热处理方法大致分类如下：,热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段所组成。,图5-1 热处理工艺曲线,第一节 钢在加热时的转变,由Fe-Fe3C相图得知,碳钢在缓慢加热或冷却过程中，在PSK线、GS线和ES线上都要发生组织转变。通常把PSK线称为A1线；GS线称为A3线；ES线称为Acm线。而该线上的相变点，则相应地用A1点、A3点、Acm点来表示。,图4-2 Fe-Fe3C相图,A1、A3和Acm点都是平衡相变点。在实际生产中将加热时的各相变点用Ac1、 Ac3、 Accm表示；冷却时的各相变点用Ar1、Ar3、Arcm表示。,图5-2 加热和冷却时碳钢的相变点在Fe-Fe3C相图上的位置,一、钢的奥氏体化,奥氏体化必须进行晶格的改组和铁、碳原子的扩散，其转变过程遵循形核和长大的基本规律，并通过下列三个阶段来完成。,热处理时首先要加热，任何成分的碳钢加热到A1点以上时,其组织中的珠光体均转变为奥氏体，这种加热到相变点以上获得奥氏体组织的过程称为“奥氏体化”。,图5-3 共析碳钢的奥氏体化示意图 a) A形核 b) A长大 c) 残余Fe3C溶解 d) A氏体均匀化,1.奥氏体晶核的形成和长大 实践表明，奥氏体晶核是在铁素体和渗碳体的相界面处优先形成的。 2.残余渗碳体的溶解 未溶的残余渗碳体将随时间的增长，继续不断地向奥氏体溶解，直至全部消失为止。 3.奥氏体的均匀化 热处理加热的保温阶段，不仅为了使零件穿透加热和相变完全，且还为了获得成分均匀的奥氏体，以便冷却后能得到良好的组织与性能。,二、奥氏体晶粒长大及其控制,奥氏体晶粒的长大是大晶粒吞并小晶粒的过程，其结果是使晶界总面积减小，从而降低了表面能。因此，它是一个自发的过程。,(一)奥氏体晶粒度 奥氏体晶粒度是指将钢加热到相变点以上某一温度并保温给定时间所得到的奥氏体晶粒大小。,(二)奥氏体晶粒长大 在加热转变中，新形成并刚好互相接触时的奥氏体晶粒，称为奥氏体起始晶粒，其大小称为起始晶粒度。钢开始冷却时的奥氏体晶粒称为实际晶粒，其大小称为实际晶粒度。,1加热温度 一般都是将钢加热到相变点以上某一适当温度。 2保温时间 确定钢热处理时的保温时间，除考虑相变需要外，还要考虑工件穿透加热的需要。 3加热速度 采用快速加热和短时间保温的方法来细化晶粒。,(三)奥氏体晶粒度的控制,欲使钢在热处理加热时，奥氏体晶粒不粗化，除了在冶炼时采用Al脱氧和加入Nb、Ti、V等合金元素外，还必须制定合理的热处理加热制度：,第二节 钢在冷却时的转变,等温冷却：是把加热到奥氏体状态的钢，快速冷却到Ar1以下某一温度，并等温停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温。 连续冷却：是把加热到奥氏体状态的钢，以不同的冷却速度连续冷却到室温。,图5-5 两种冷却方式示意图 a）等温冷却 b)连续冷却,图5-6 共析碳钢过冷奥氏体 等温转变曲线建立示意图,一、过冷奥氏体的等温转变,奥氏体在相变点A1以下不立即发生转变，而经过一个孕育期后才开始转变，这种在孕育期暂时存在的、处于不稳定状态的奥氏体称为“过冷奥氏体”。,（一）过冷奥氏体等温转变曲线,1过冷奥氏体等温转变曲线的建立 过冷奥氏体等温转变曲线是利用过冷奥氏体转变产物的组织形态和性能的变化来测定的。,图5-7 共析碳钢过冷奥氏体在750 的等温不同时间后水冷所得的显微组织,2过冷奥氏体等温转变曲线的分析,由图5-8可知： （1）A1以上是奥氏体稳定区域；A1以下、转变开始线以左的区域是过冷奥氏体区 （2）过冷奥氏体在各个温度下等温转变时，都要经 过一段孕育期 （3）在三个不同温度区间，共析碳钢的过冷奥氏体可以发生三种不同的转变,图5-8 共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线,（二）过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能,1珠光体转变 （1）珠光体的形态及其形成 奥氏体过冷到A1以下温度，首先在奥氏体晶界处形成渗碳体晶核，然后依靠渗碳体片的不断分枝，向奥氏体晶粒内部平行长大。,图5-9 层状珠光体形成示意图,（2）珠光体的性能 层状珠光体的性能主要取决于片层间距。转变温度越低，即过冷度越大，片层间距越小。 在680600范围内，形成片层间距较小的珠光体，称为细珠光体或索氏体，用符号“S”表示。 在600550范围内形成的片层间距极小的珠光体，称为及细珠光体或托氏体，用符号“T”表示。,图5-10 珠光体 a）光学显微组织（500x） b）电子显微组织（8000x）,图5-12 托氏体 a）光学显微组织（200x） b）电子显微组织（19000x）,图5-11 索氏体 a）光学显微组织（1000x） b）电子显微组织（19000x）,图5-13 共析碳钢珠光体的力学性能与片层间距和转变温度的关系,2.贝氏体转变 贝氏体是由含过饱和碳的铁素体与弥散分布的渗碳体（或碳化物）组成的非层状两相组织，用符号“B”表示。,（1）贝氏体的形态及其形成 贝氏体形成过程与珠光体不同，它是先在过冷奥氏体晶界或晶内贫碳区形成过饱和碳的铁素体，随后在铁素体生长过程中，通过碳原子扩散，在铁素体中陆续析出极细的渗碳体或碳化物。,图5-16 贝氏体形成示意图 a）上贝氏体 b）下贝氏体,图5-14 上贝氏体 a）光学显微组织（600x） b）电子显微组织（4500x）,图5-15 下贝氏体 a）光学显微组织（500x） b）电子显微组织（8500x）,3马氏体转变 过冷奥氏体在Ms温度以下将发生马氏体转变。马氏体用符号“M”表示，详细内容将在讲解过冷奥氏体的连续冷却转变之后讨论。,（2）贝氏体的性能 贝氏体力学性能主要取决于铁素体条（片）粗细、铁素体中碳的过饱和度和渗碳体（或其它结构的碳化物）的大小、形状与分布。 上贝氏体强度小，塑性变形抗力低；下贝氏体不仅具有高的强度、硬度与耐磨性，同时具有良好的塑性和韧性。,图5-17 碳钢的C曲线比较 a)亚共析碳钢 b)共析碳钢 c) 过共析碳钢,（三）亚共析碳钢与过共析碳钢过冷奥氏体的等温转变,1C曲线的形状与位置 由图5-17比较知: 三者都具有过冷奥氏体转变开始线与转变终了线； 在亚共析碳钢的C曲线上，多出一条先析铁素体析出线； 在过共析碳钢C曲线上，多出一条先析渗碳体（二次渗碳体）析出线。,2先析相的量与形态 转变温度越低时，先析相的量就越少，先析铁素体可以呈块状（等轴状）或网状，先析渗碳体一般呈网状。,图5-18 共亚析碳钢的魏氏组织（200x）,图5-19 过共析碳钢的魏氏组织（400x）,二、过冷奥氏体的连续冷却转变,（一）共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线的建立,图5-20 共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线建立示意图,过冷奥氏体连续冷却转变曲线常用膨胀法测定，如图5-20所示。,（二）共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线的分析,连续冷却转变有以下一些主要特点： 1.连续冷却转变曲线只有C曲线的上半部分，而没有下半部分。 2.冷却曲线碰到AB线时，过冷奥氏体就不再发生珠光体转变，而一直保留到Ms点以下，直接变为马氏体。 3.与过冷奥氏体连续冷却转变曲线鼻尖相切的冷却速度，称为马氏体临界冷却速度，用vc 表示。 4.在连续冷却过程中，过冷奥氏体的转变是在一个温度区间内进行的，随着冷却速度的增加，转变温度区间逐渐移向低温，并随之加宽，而转变时间则缩短。 5.过冷奥氏体的连续冷却转变是在一个温度区间内进行，在同一冷却速度下，因转变开始温度高于转变终了温度，则先后获得的组织粗细不均匀。,图5-21 连续冷却获得的托氏体和马氏体（700x）,图5-22 45钢连续冷却获得的混合组织（400x）,（三）过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中应用,v1相当于炉冷的速度； v2相当于空冷的速度； v3相当于油冷的速度； v4相当于水冷的速度； vc与C曲线鼻尖相切，为该钢的马氏体临界冷却速度。,常应用过冷奥氏体等温转变曲线定性地、近似地来分析奥氏体在连续冷却中的转变。,图5-23 应用等温转变曲线分析奥氏体在连续冷却中的转变,三、马氏体转变,（一）马氏体的晶体结构,图5-24 马氏体的晶体结构示意图,当奥氏体的冷却速度大于该钢的马氏体临界冷却速度，并过冷到Ms以下时，就开始发生马氏体转变。,（二） 马氏体的组织形态,钢中马氏体组织形态主要有片状和板条状两种基本类型。,1、片状马氏体 片状马氏体的立体形态呈双凸透镜状，而显微镜下所看到的则是金相试样面上的马氏体截面形态，故呈针片状。,图5-25 片状马氏体显微组织（400x）,图5-26 片状马氏体的形成过程示意图,2、板条马氏体 马氏体板条的立体形态呈扁条状或薄板状，其金相试样面上的截面形态呈细长的条状或板状。在光学显微镜下，可以看到板条马氏体是由许多位向不同的板条束组成。,图5-27 板条马氏体显微组织（1000x）,图5-28 45钢淬火马氏体显微组织（400x）,（三）马氏体的性能,1马氏体的强度与硬度 马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体的含碳量。随着马氏体含碳量的增高，其强度与硬度也随之增高。,图5-29含碳量对马氏体的强度与硬度的影响,2马氏体的塑性与韧性 由表5-2可见，马氏体的塑性和韧性随含碳量增高而急剧降低。,3马氏体的比体积 钢中不同组织的比体积是不同的。马氏体的比体积最大，奥氏体的比体积最小，珠光体居中。,（四）马氏体转变的特点,马氏体转变过程和其他相变一样，也是由形核和长大两个基本过程所组成。但它和其他相变比较，又有以下几方面特点： 1马氏体转变是无扩散型相变 2马氏体转变的速度极快 3马氏体转变发生在一定温度范围内 4马氏体转变不完全性,图5-30 奥氏体含碳量对Ms和Mt的影响,图5-31 含碳量对残留奥氏体量的影响,第三节 钢的退火与正火,退火或正火的主要目的大致可归纳为如下几点： 1.调整钢件硬度，以利于随后的切削加工。 2.消除残余应力，以稳定钢件尺寸，并防止其变形和开裂。 3.使化学成分均匀，细化晶粒，改善组织，提高钢的力学性能和工艺性能。 4.为最终热处理（淬火、回火）作好组织上的准备。,一、退火,退火是将钢件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。,（一）完全退火 适用范围：亚共析成分的碳钢和合金钢的铸件、锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构件。 目的：细化晶粒，消除内应力与组织缺陷，降低硬度，为随后的切削加工和淬火作好组织准备。,（二）等温退火 优点：不仅可以有效地缩短退火时间，提高生产率，而且工件内外都是处于同一温度下发生组织转变，故能获得均匀的组织与性能。,图5-32 高速工具钢的普通退火与等温退火工艺比较,（三）球化退火 适用范围：共析或过共析成分的碳钢和合金钢。 目的：使工件中的碳化物球化，以降低硬度，改善切削加工性，并为淬火作好组织准备。 特点：低温短时加热和缓慢的冷却。,图5-34 T10钢球化退火工艺曲线,图5-33 粒状珠光体显微组织（800x）,（四）均匀化退火 适用范围：质量要求高的优质高合金钢的铸锭和铸件。 目的：为了消除铸造中产生的枝晶偏析，使成分均匀化。,（五）去应力退火 适用范围及目的：消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以及机加工工件中的残余应力，以降低工件在使用过程中变形、开裂的倾向。,二、正火,正火是将钢加热到相变点（Ac3、Accm）以上完全奥氏体化后，再在空气中冷却以得到以较细珠光体为主的组织的热处理工艺。,图5-35 45钢退火与正火后的显微组织（400x） a）