Materials Science第第11章章 钢的热处理钢的热处理7/21/20241Introduction to Materials ScienceMaterials Science前言前言热处理通过加热、保温、冷却的操作方法，使材料的组织结构发生变化，以获得所需性能的一种加工工艺。可作为中间工序，也可作为最终工序。7/21/20242Introduction to Materials ScienceMaterials Science第第1节节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变基本内容：奥氏体的形成 在温度大于等于727时，发生PA转变，这是一种扩散型相变，存在形核及长大的过程。奥氏体的晶粒度及其长大的影响因素7/21/20243Introduction to Materials ScienceMaterials SciencePA转变的基本过程转变的基本过程基本过程以共析钢为例，存在如下过程： 与Fe3C相界面处形成奥氏体晶核； 奥氏体长大； 残余渗碳体的溶解； 奥氏体均匀化；7/21/20244Introduction to Materials ScienceMaterials SciencePA转变过程的影响因素转变过程的影响因素影响因素奥氏体形成温度含碳量珠光体的粗细和数量加热温度加热速度7/21/20245Introduction to Materials ScienceMaterials Science奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度起始晶粒度 PA完成时奥氏体的晶粒度；实际晶粒度 钢在具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒大小；本质晶粒度 规定加热条件下，奥氏体晶粒长大倾向性的高低；注：一般结构钢的奥氏体晶粒度为8级，数值越大，晶粒越细。高于规定温度时，本质细晶粒钢可能具有比本质粗晶粒钢更大的长大倾向。7/21/20246Introduction to Materials ScienceMaterials Science影响奥氏体长大的因素影响奥氏体长大的因素高温下奥氏体的长大时一个自发过程，具体有如下影响因素：奥氏体化温度；含碳量；合金元素；控制奥氏体长大的措施：合理选择加热温度、保温时间和钢的原始组织；加入合金元素；7/21/20247Introduction to Materials ScienceMaterials Science第二节第二节 过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能奥氏体是一种高温相，过冷至共析温度A1727以下时，可能成为处于热力学不稳定态的过冷奥氏体。冷却速度影响过冷度，过冷度不同，过冷奥氏体转变产物不同。奥氏体的转变产物有以下几种：珠光体P ；贝氏体B ；马氏体M ；7/21/20248Introduction to Materials ScienceMaterials Science珠光体的组织形态与性能珠光体的组织形态与性能A1 550A 珠光体型组织A1 650 A P650 600 A 索氏体 （S） （比P细）600 550 A 屈氏体 （T） （比P更细）珠光体的转变温度及组织7/21/20249Introduction to Materials ScienceMaterials Science珠光体的组织形态与性能（续）珠光体的组织形态与性能（续）强度、硬度比较屈氏体 索氏体 片状珠光体 粒状珠光体等温形变处理可以改变珠光体的组织形态，得到含有大量亚晶的形变铁素体均匀分布渗碳体微粒的珠光体组织，这种组织的强度良好，韧性优异，脆性转变温度降低，适合于低中碳钢线材、板材及易于形变加工的结构零件。共析碳钢形变正火后，可获得细密的珠光体组织，强度上升、抗磨损上升、抗疲劳性增强；7/21/202410Introduction to Materials ScienceMaterials Science马氏体的组织形态与性能马氏体的组织形态与性能工艺条件：淬火板条M片状M形状细长的板条状双凸透镜状亚结构位错孪晶高温奥氏体获得极大过冷度时（共析钢过冷至230 以下） 马氏体（M）7/21/202411Introduction to Materials ScienceMaterials Science马氏体的组织形态与性能（续）马氏体的组织形态与性能（续）马氏体的性能：C% 增加，硬度升高；（亚结构强化的结果）高温形变热处理或超细化处理可提高马氏体强度；中温形变热处理可细化马氏体组织，增加马氏体中位错密度，促进碳化物沿位错沉淀析出，降低奥氏体含碳量，减少孪晶马氏体相对量，提高淬火钢的强韧性；7/21/202412Introduction to Materials ScienceMaterials Science贝氏体的组织形态和性能贝氏体的组织形态和性能550 Ms，A B；B分为B上和B下；贝氏体的力学性能取决于其组织形态；B上的强度和韧性较差，B下的强度、韧性和塑性高于B上，综合机械性能优良；7/21/202413Introduction to Materials ScienceMaterials Science第三节第三节 过冷奥氏体转变曲线图过冷奥氏体转变曲线图基本内容：过冷奥氏体等温转变曲线图（TTT图、C曲线）过冷奥氏体转变产物的形成过程珠光体的形成过程贝氏体的形成过程马氏体的形成过程影响C曲线的因素7/21/202414Introduction to Materials ScienceMaterials Science过冷奥氏体等温转变曲线图（过冷奥氏体等温转变曲线图（TTTTTT图、图、C C曲线）曲线）共析钢C曲线的建立不同温度下，以转变量为纵轴，时间为横轴，作转变动力学曲线；以开始时间、温度为坐标，在温度时间坐标系中绘制点，将点连线，以及以转变终了时间，温度为坐标，绘制点，将点连线，得到C曲线。孕育期过冷奥氏体在不同温度下等温分解或转变时，都需要持续一段时间才发生分解，这一段时间称为孕育期。7/21/202415Introduction to Materials ScienceMaterials Science珠光体的形成过程珠光体的形成过程转变区域 “C”曲线“鼻尖”以上区域为珠光体相变区，一般 T 550；特征 Fe、C原子扩散； 晶格重构，A F+Fe3C，A为fcc而F为bcc，必须存在能量、成分和结构起伏。“鼻尖”处过冷奥氏体的转变速度最快；高于“鼻尖”温度，T过冷度形核长大；低于“鼻尖”温度，TDc（C原子扩散系数）形核长大。 7/21/202416Introduction to Materials ScienceMaterials Science贝氏体的形成过程贝氏体的形成过程转变区域“C”曲线以下区域为贝氏体相变区，B转变开始温度一般为550 。特征碳扩散，而Fe不扩散；贝氏体的形成速度受C原子扩散速度的控制，TDcB形成速度 。7/21/202417Introduction to Materials ScienceMaterials Science马氏体的形成过程马氏体的形成过程特征：C、Fe原子均不扩散；AM是不完全相变，不可能获得100%M；Ms和Mf主要由奥氏体成分决定，不受冷却速度的影响；部分A保留下来，成为A残；C%MfA残；7/21/202418Introduction to Materials ScienceMaterials Science影响影响C曲线的因素曲线的因素含碳量 C%，亚共析钢C曲线右移，过共析钢C曲线左移。 合金元素 除Co外，合金元素均使C曲线右移；碳化物形成元素较多时，C曲线形状发生变化。 加热温度与保温时间 加热温度和保温时间，C曲线右移。7/21/202419Introduction to Materials ScienceMaterials Science钢的钢的退火与正火退火与正火基本概念普通热处理工艺类型：退火、正火、淬火、回火；退火类型完全退火；等温退火；球化退火；去应力退火；7/21/202420Introduction to Materials ScienceMaterials Science退火与正火的目的退火与正火的目的一般作为预先热处理工序，一些不重要的热加工工件可作为最终热处理工序。软化钢件以便进行切削加工；消除残余应力，防止钢件变形和开裂；细化晶粒，改善组织以提高机械性能；为最终热处理（淬火、回火）作好组织上的准备；7/21/202421Introduction to Materials ScienceMaterials Science退火操作及其应用退火操作及其应用根据钢的成分和工艺目的，选择适合零件的退火操作，即选择：完全退火；球化退火；去应力退火（低温退火）；7/21/202422Introduction to Materials ScienceMaterials Science完全退火完全退火将亚共析钢工件加热到Ac3+30 50，保温，炉冷或砂冷到500以下空冷。应用场合： 亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸、锻件和热轧型材。等温退火： 为了缩短退火过程，对应于C曲线以上珠光体形成温度进行过冷奥氏体的等温转变处理。适用范围： 对于某些奥氏体比较稳定的合金钢。7/21/202423Introduction to Materials ScienceMaterials Science球化退火球化退火目的 降低硬度，改善切削加工性；适用范围 过共析碳钢及合金工具钢；7/21/202424Introduction to Materials ScienceMaterials Science去去应力退火（低温退火）应力退火（低温退火）工艺 缓慢加热至500 600（ A1)，保温，炉冷至300 200以下出炉。目的 消除铸造、锻压、焊接、热轧和冷拉工件等的残余应力。特征 温度低于A1，无组织变化。7/21/202425Introduction to Materials ScienceMaterials Science正火操作及其应用正火操作及其应用正火 将钢件加热至Ac3/Acm 30 50，保温，空冷。正火与退火的区别 正火冷却速度稍快，正火组织比退火的细，硬度、强度升高。适用范围普通结构件作为最终热处理；低、中碳结构钢作为预先热处理，以改善切削加工性；过共析钢经正火为球化退火作准备；7/21/202426Introduction to Materials ScienceMaterials Science第五节第五节 钢的淬火钢的淬火主要内容淬火；淬火方法；7/21/202427Introduction to Materials ScienceMaterials Science淬火淬火淬火工艺 将钢加热至Ac3或Ac1以上30 50，保温后快速冷却。目的 获得马氏体，提高力学性能，如硬度、耐磨性等。淬火温度 按FeFe3C相同进行选择；冷却介质 盐水、水、油等；注意： 为保证淬火质量（得到马氏体组织的同时，减少变形和避免裂纹），需注意两个方面理想的淬火介质；改进淬火的冷却方法；7/21/202428Introduction to Materials ScienceMaterials Science 淬火方法淬火方法单液淬火法双液淬火法 水淬油冷；分级淬火法 适用于尺寸较小的工件；等温淬火法 得到下贝氏体组织，适于薄且尺寸较小的工件；7/21/202429Introduction to Materials ScienceMaterials Science第六节第六节 钢的淬透性钢的淬透性主要内容淬透性淬透性的测定及表示方法零件设计选材时应注意的问题7/21/202430Introduction to Materials ScienceMaterials Science淬透性淬透性淬硬层深度 钢淬火后，表面至内部马氏体组织占50处的距离；淬透性 钢淬火后能获得淬硬层的深度的一种性质；淬硬层越深，说明淬透性越好； 淬透性对钢的力学性能影响很大，工件截面尺寸很大时，更加显著。7/21/202431Introduction to Materials ScienceMaterials Science淬透性的测定及表示方法淬透性的测定及表示方法测定方法 末端淬火法；表示方法 表示为：JHRC/d； 其中， J 为末端淬透性；d 至水冷端的距离；HRC 相应的硬度值；淬透性曲线可以用于选材7/21/202432Introduction to Materials ScienceMaterials Science零件选材零件选材零件设计选材时应注意的问题如下：1.大截面零件和动载荷下工作的零件，选用全部能淬透的钢；2.工件的心部力学性能对使用条件无影响时，选用淬透性低，淬硬层浅的钢；3.某些工件如焊接件不能选用淬透性高的钢； 4.设计时小尺寸试样的数据不能用于大尺寸工件的强度计算；5.淬透性低的工件，淬硬层浅，应考虑在淬火前进行切削加工；6. 碳钢正火比碳钢调质处理经济。7/21/202433Introduction to Materials ScienceMaterials Science第七节第七节 钢的回火钢的回火回火定义 将淬火后的钢加热到不超过Ac1临界温度进行保温，然后冷却下来的一种热处理操作；回火的主要目的降低脆性，消除或减少内应力；调整力学性能；稳定工件尺寸；软化组织，提高切削加工性；7/21/202434Introduction to Materials ScienceMaterials Science回火种类及应用回火种类及应用根据温度的高低可将回火分类为：低温回火（150 250）中温回火（350 500 ）高温回火（500 650 ）7/21/202435Introduction to Materials ScienceMaterials Science低温回火低温回火目的 降低钢中残余应力和脆性；组织 回火马氏体；硬度 HRC58 64时效处理 淬火长时间低温回火7/21/202436Introduction to Materials ScienceMaterials Science中温回火中温回火特点 保持一定韧性的同时，兼有高的弹性和屈服极限；组织 回火屈氏体；硬度 HRC35 457/21/202437Introduction to Materials ScienceMaterials Science高温回火高温回火特点 强度、塑性和韧性均较好；组织 回火索氏体；硬度 HRC20 35调质处理 淬火高温回火7/21/202438Introduction to Materials ScienceMaterials Science钢的钢的表面淬火表面淬火主要内容表面淬火的定义和目的表面淬火方法7/21/202439Introduction to Materials ScienceMaterials Science表面淬火表面淬火定义 快速加热使钢件表面很快达到淬火温度，在热量未传到中心部分前予以冷却。表层为马氏体，而中心仍为未淬火组织，如塑性、韧性较好的退火、正火或调质状态组织。目的 提高表面的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限，保持心部足够的塑性和韧性。7/21/202440Introduction to Materials ScienceMaterials Science表面淬火方法表面淬火方法按照加热方法不同，主要有如下：感应加热表面淬火火焰加热表面淬火电接触加热表面淬火电解液加热表面淬火其中，感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火在工业中应用最为广泛。7/21/202441Introduction to Materials ScienceMaterials Science第九节第九节 钢的化学热处理钢的化学热处理化学热处理 将工件置于一定介质中加热保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，改变表层化学成分和组织，从而使工件表面具有某些特殊的力学或物理化学性能的一种热处理工艺。与表面淬火的区别 化学热处理的表面层组织和成分均有变化，而表面淬火仅仅表面层组织有变化，而化学成分没有变化。7/21/202442Introduction to Materials ScienceMaterials Science化学热处理的种类化学热处理的种类化学热处理的种类是按渗入元素的种类来划分的：渗C 、碳氮共渗 提高硬度、耐磨性和疲劳强度；渗N、渗B、渗Cr 提高硬度、耐磨性、耐蚀性；渗S 提高减摩性；渗Si 提高耐酸性；渗Al 提高耐热抗氧化性；7/21/202443Introduction to Materials Science