7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院1第三章 钢的热处理1 热处理定义 将钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以获得预期组织和性能的工艺。保温保温冷却冷却加热加热温度温度/时间时间/s0临界温度临界温度 为简明表为简明表示热处理的基示热处理的基本工艺过程，本工艺过程，通常用温度通常用温度时间坐标绘出时间坐标绘出热处理工艺曲热处理工艺曲线。线。3.1 概概 述述一、热处理概述十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院2第三章 钢的热处理2 2、热处理特点、热处理特点: : 热处理区别于其热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只等的特点是只通过改变工件的通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其组织来改变性能，而不改变其形状。形状。 铸造铸造轧制轧制l3 3、热处理适用范围、热处理适用范围: :只适只适用于用于固态下发生相变的材固态下发生相变的材料，料，不发生固态相变的材不发生固态相变的材料不能用热处理强化。料不能用热处理强化。 十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院3第三章 钢的热处理4.4.热处理目的和应用范围热处理目的和应用范围 目的目的：改变钢的性能；：改变钢的性能； 应用范围应用范围：整个制造业。：整个制造业。5.5.热处理的分类热处理的分类 热处理原理：热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律。描述热处理时钢中组织转变的规律。 热处理工艺：热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数。根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数。(a)940淬火淬火+220回火（板条回火（板条M回回+A少）少）(b)(c)(d)940淬火淬火+820、780、750淬火（板条淬火（板条M+条状条状F+A少）少）(e)940淬火淬火+780淬火淬火+220回火（板条回火（板条M回回+条状条状F+A少）少）(f)780淬火淬火+220回火（板条回火（板条M回回+块状块状F） 20CrMnTi钢钢不同热处理工艺的显微组织不同热处理工艺的显微组织十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院4第三章 钢的热处理u根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工热处理工艺分类如下：艺分类如下：其他热处理其他热处理普通热处理普通热处理表面热处理表面热处理热处理热处理退火退火正火正火淬火淬火回火回火真空热处理形真空热处理形变热处理激光变热处理激光热处理热处理控制气氛热处理控制气氛热处理表面淬火表面淬火感应加热、火焰加热、感应加热、火焰加热、电接触加热等电接触加热等化学热处理化学热处理渗碳、氮化、碳氮渗碳、氮化、碳氮共渗、渗其他元素等共渗、渗其他元素等十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院5第三章 钢的热处理6.6.预备热处理与最终热处理预备热处理与最终热处理预备热处理：预备热处理：为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作准备的热处理。处理作准备的热处理。最终热处理：最终热处理：赋予工件所要求的使用性能的热处理。赋予工件所要求的使用性能的热处理。预备热处理预备热处理最终热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线钢热处理工艺曲线时间时间温度温度/十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院6第三章 钢的热处理 用用Ac1、Ac3、Accm表示表示;冷却时的实际转变温度分别用冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。表示。 由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中的数据由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中的数据是以是以30-50/h 的速度加热或冷却时测得的的速度加热或冷却时测得的.7. 临界温度与实际转变温度临界温度与实际转变温度 铁碳相图中铁碳相图中PSK、GS、ES线线分别用分别用A1、A3、Acm表示表示. 实际加热或冷却时存在着过冷实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象，因此将钢加热时或过热现象，因此将钢加热时的实际转变温度分别的实际转变温度分别十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院7第三章 钢的热处理 加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在是在A A1 1以以下加热，不发生相变；另一种是下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，得均匀的奥氏体组织，称称奥氏体化奥氏体化。 钢坯加热钢坯加热1. 奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程 奥氏体化也是形核和长大的过奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现以共析钢为程，分为四步。现以共析钢为例说明：例说明：二、钢在加热时的转变十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院8第三章 钢的热处理u第一步奥氏体晶核形成：首先在F与Fe3C相界形核。u第二步奥氏体晶核长大：A晶核通过碳原子的扩散向和Fe3C方向长大。u第三步残余Fe3C溶解:铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。u第四步奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院9第三章 钢的热处理u亚共析钢和过共析钢的奥氏体化亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于过程与共析钢基本相同。但由于先共析先共析F F或二或二次次FeFe3 3C C的存在，要的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应获得全部奥氏体组织，必须相应加热到加热到AcAc3 3或或AcAccmcm以上以上.十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院10第三章 钢的热处理2.奥氏体晶粒长大及其影响因素1、奥氏体晶粒长大、奥氏体晶粒长大 起始晶粒度：珠光体向奥氏体转变刚刚完成时的晶粒度,此时晶粒细小均匀。实际晶粒度：钢在某一具体加热条件下的晶粒度；本质晶粒度：度量钢本身晶粒在930以下，随温度升高,晶粒长大的程度，表示奥氏体长大倾向。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院11第三章 钢的热处理通常将钢加热到94010奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒保留到室温来判断。A 晶粒度为1-4 级的是本质粗晶粒钢, 5-8 级的是本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。 随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这也是一个自发的过程。奥氏体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院12第三章 钢的热处理2、影响奥氏体晶粒长大的因素加热温度和保温时间：加热温度高、保温时间长，A 晶粒粗大。加热速度：加热速度越快,过热度越大, 形核率越高, 晶粒越细。钢的化学成分 碳含量：在一定范围内，随着奥氏体中碳含量增加，晶粒长大倾向增大，但碳量超过一定值后，碳能以未溶碳化物状态存在，反使晶粒长大倾向减小 合金元素：阻碍奥氏体晶粒长大的元素: Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。 原始组织: 平衡状态的组织有利于获得细晶粒。 奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院13第三章 钢的热处理u冷却是热处理的最后一个工序，也是最关键的工序，它决定了钢热处理后的组织和性能。同一种钢，加热温度和保温时间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。这是因为过冷奥氏体在冷却过程中转变成了不同的产物。那么奥氏体在冷却时转变成什么产物？有什么规律呢？三、钢在冷却时的转变十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院14第三章 钢的热处理u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u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。冷却方式十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院15第三章 钢的热处理n过冷奥氏体的等温冷却转变 建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线 - - TTTTTT曲线曲线 ( ( C C 曲线曲线 ) )T - timeT - temperatureT - transformation1. 1. 过冷奥氏体的转变产物及转变过程过冷奥氏体的转变产物及转变过程 当温度在当温度在A1A1以上时以上时, , 奥氏体是稳定的。当温度降到奥氏体是稳定的。当温度降到A1A1以下以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体过冷奥氏体。过。过冷冷A A是不稳定的，会转变为其它的组织。钢在冷却时的转变，实是不稳定的，会转变为其它的组织。钢在冷却时的转变，实质上是过冷质上是过冷A A的转变。随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体的转变。随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。 现以共析钢为例说明：现以共析钢为例说明：十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院16第三章 钢的热处理2.2.共析碳钢共析碳钢 TTT TTT 曲线的分析曲线的分析稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过过冷冷奥奥氏氏体体区区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线 A +产产 物物 区区产产物物区区A1550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变; P 转变区。转变区。550230;中温转变中温转变区区; 半扩散型转变半扩散型转变; 贝氏体贝氏体( B ) 转变区转变区;230 - 50; 低温转低温转变区变区; 非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体 ( M ) 转变区。转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院17第三章 钢的热处理3.转变产物（1）珠光体转变 过冷奥氏体在 Ar1到 550间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物。珠光体珠光体索氏体索氏体托氏体托氏体根据片层厚薄不同,又细分为珠光体、索氏体和屈氏体.十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院18第三章 钢的热处理珠光体型珠光体型 ( P ，Pearlite) 转变转变 ( Ar1550，扩散性转变），扩散性转变）:Ar1650 : P ; 525HRC; 片间距为片间距为0.60.7m ( 500 )。650600 : 细片状细片状P-索氏体索氏体(S); 片间距为片间距为0.20.4m (1000); 2536HRC。600550:极细片状极细片状P-屈氏体屈氏体(T); 片间距为片间距为0.2m ( 电镜 ); 3540HRC。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院19第三章 钢的热处理（2）贝氏体（）贝氏体（Bainite，半扩散性转变），半扩散性转变）u中温转变：550 Ms点u转变特点：半扩散型，铁原子不扩散，碳原子有一定的扩散能力。u转变产物：贝氏体，即Fe3C或碳化物分布在含碳过饱和的铁素体上的两相混合物。l上贝氏体： 550 350，呈羽毛状,小片状Fe3C分布在F体条间。强度和韧性差。l下贝氏体： 350 Ms点，呈针状,韧性高，综合力学性能好。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院20第三章 钢的热处理u上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。u下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院21第三章 钢的热处理u当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织。u马氏体转变是强化钢的重要途径之一。u马氏体（Martensite）概念：碳在-Fe中的过饱和固溶体。用M表示。u马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。马氏体组织马氏体组织（3）马氏体型转变（非扩散性转变）十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院22第三章 钢的热处理1）马氏体的晶体结构: 由于碳的过饱和作用, 使-Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格（a=bc）。轴比c/a 称马氏体的正方度。C% 越高，正方度越大，正方畸变越严重。当0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院23第三章 钢的热处理2）马氏体的形态马氏体的形态分板条状和针状两类。u板条状马氏体立体形态为细长的扁棒状在光镜下板条状马氏体为一束束的细条组织。光镜下光镜下电镜下电镜下十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院24第三章 钢的热处理u针状马氏体立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。电镜下电镜下电镜下电镜下光镜下光镜下十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院25第三章 钢的热处理u马氏体的形态主要取决于其含碳量C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体。C%大于1.0%C时几乎全部是针状马氏体.C%在0.21.0%之间为板条与针状的混合组织。马氏体形态与含碳量的关系马氏体形态与含碳量的关系0.45%C0.2%C1.2%C十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院26第三章 钢的热处理45钢正常淬火组织钢正常淬火组织先形成的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒，但不能穿过晶界和孪晶界。后形成的马氏体片不能穿过先形成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小。原始奥氏体晶粒细，转变后的马氏体片也细。当最大马氏体片细到光镜下无法分辨时，该马氏体称隐晶马氏体.十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院27第三章 钢的热处理3）马氏体的性能u高硬度是马氏体性能的主要特点。u马氏体的硬度主要取决于其含碳量。u含碳量增加，其硬度增加。u当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。u合金元素对马氏体硬度的影响不大。u板条状马氏体：强度高、韧性好；针状马氏体：强度和硬度高，韧性差。马氏体硬度、韧性与含碳量的关系马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C%十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院28第三章 钢的热处理u马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。u马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性。针状马氏体针状马氏体板条马氏体板条马氏体马氏体的透射电镜形貌马氏体的透射电镜形貌十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院29第三章 钢的热处理4）马氏体转变的特点马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点是：u无扩散性铁和碳原子都不扩散，因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院30第三章 钢的热处理u共格切变性 由于无扩散，晶格转变是以切变机制进行的。使切变部分的形状和体积发生变化，引起相邻奥氏体随之变形，在预先抛光的表面上产生浮凸现象。 马氏体转变马氏体转变切变示意图切变示意图马氏体转变产生的表面浮凸马氏体转变产生的表面浮凸十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院31第三章 钢的热处理u降温形成 马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用Ms 表示。马氏体转变终了温度称下马氏体点，用Mf表示。只要温度达到Ms以下即发生马氏体转变。在Ms以下，随温度下降，转变量增加，冷却中断，转变停止。MfMsM(50%)M(90%)十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院32第三章 钢的热处理u高速长大 马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。 当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的马氏体产生裂纹。u转变不完全即使冷却到Mf点，也不可能获得100%的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称残余奥氏体，用A或表示。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院33第三章 钢的热处理Ms、Mf与冷速无关，主要取决于奥氏体中的合金元素含量（包括碳含量）。马氏体转变后，A量随含碳量的增加而增加，当含碳量达0.5%后，A量才显著。含碳量对马氏体转含碳量对马氏体转 变温度的影响变温度的影响含碳量对残余奥含碳量对残余奥氏体量的影响氏体量的影响十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院34第三章 钢的热处理过冷奥氏体转变产物（共析钢） 转变类型转变产物形成温度，转变机制显微组织特征HRC获得工艺珠光体PA1650扩散型粗片状，F、Fe3C相间分布5-20退火S650600细片状，F、Fe3C相间分布20-30正火T600550极细片状，F、Fe3C相间分布30-40等温处理贝氏体B上550350半扩散型羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和F条之间40-50等温处理B下350MS竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上50-60等温淬火马氏体M针MSMf无扩散型针状60-65淬火M*板条MSMf板条状50淬火十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院35第三章 钢的热处理4.过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT(Continuous-Cooling-Transformationdiagram)曲线，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。共析钢共析钢CCTCCT曲线曲线过共析钢过共析钢CCTCCT曲线曲线亚共析钢亚共析钢CCTCCT曲线曲线十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院36第三章 钢的热处理Vku共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图时间时间( lg ( lg ) )温温度度A1PZPsA+PKMsMf水冷水冷油冷油冷Vk1炉冷炉冷空冷空冷Ps AP 开始线开始线Pz AP 终止线终止线K P型转变终止线型转变终止线Vk 上临界冷却速度上临界冷却速度 MS A M 开始温度开始温度 Mf A M 终止温度终止温度十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院37第三章 钢的热处理u过冷A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M。冷却速度小于Vk（下临界冷却速度）时, 钢将全部转变为P型组织。共析钢过冷A在连续冷却转变时得不到B组织。在P转变区之下多了一条转变中止线。 u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，A完成珠光体转变的温度较低，时间更长。u当连续冷却曲线碰到转变中止线时，P转变中止，余下的A一直保持到Ms以下转变为M。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院38第三章 钢的热处理VkVk共析钢的共析钢的CCT曲线曲线u共析碳钢 TTT 曲线与CCT曲线的比较图中的Vk为CCT曲线的临界冷却速度，即获得全部马氏体组织时的最小冷却速度.Vk为TTT曲线的临界冷却速度.Vk1.5Vk。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院39第三章 钢的热处理uCCT曲线获得困难，TTT曲线容易测得。u可用TTT曲线定性说明连续冷却时的组织转变情况。方法是将连续冷却曲线绘在C 曲线上，依其与C 曲线交点的位置来说明最终转变产物。用用TTT曲线定性说明共析钢连续冷却时曲线定性说明共析钢连续冷却时的组织转变的组织转变炉冷炉冷空冷空冷油油冷冷水水冷冷PST+M+AM+A用用TTT曲线定性说明共析钢连续冷却时曲线定性说明共析钢连续冷却时的组织转变的组织转变炉冷炉冷空冷空冷油油冷冷水水冷冷PST+M+AM+A用用TTT曲线定性说明共析钢连续冷却时曲线定性说明共析钢连续冷却时的组织转变的组织转变炉冷炉冷空冷空冷油油冷冷水水冷冷PST+M+AM+A十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院40第三章 钢的热处理3.2 钢的退火和正火毛坯生产毛坯生产 预备热处理预备热处理 机械加工机械加工 最终热处理最终热处理 机械精加工机械精加工最终热处理最终热处理 : : 淬火淬火 ; ; 回火，目的回火，目的-使工使工件获得所要求的性能。件获得所要求的性能。一般零件生产的工艺路线一般零件生产的工艺路线: :预备热处理预备热处理 : : 退火退火 ; ; 正火，目的正火，目的-消除消除坯料、半成品中的某些缺陷，为后续冷加坯料、半成品中的某些缺陷，为后续冷加工，最终热处理作组织准备。工，最终热处理作组织准备。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院41第三章 钢的热处理一、钢的退火(Annealing of steel) 定义定义: 将钢件加热到高于或低于钢的临界点，保温一定时间，将钢件加热到高于或低于钢的临界点，保温一定时间，随后在炉内或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，以获得接近随后在炉内或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，以获得接近平衡的组织的热处理工艺。平衡的组织的热处理工艺。目的目的: 调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB。 消除内应力，防止加工中变形。 细化晶粒，改善组织，均匀成分，提高力学性能。(4)为最终热处理作组织准备。 十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院42第三章 钢的热处理n 种类种类退火退火重结晶重结晶退退 火火低温低温退火退火完全退火完全退火扩散退火扩散退火球化退火球化退火再结晶退火再结晶退火去去应力退火应力退火普通退火普通退火等温退火等温退火普通球化普通球化 退退 火火等温球化等温球化 退退 火火十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院43第三章 钢的热处理n退火工艺退火工艺1. 1. 完全退火完全退火u工艺：工艺：将工件加热到将工件加热到Ac3+3050保温后缓冷（炉冷）的退保温后缓冷（炉冷）的退 火工艺。火工艺。u目的：目的：细化晶粒，消除应力，均匀化组织，降低硬度，便细化晶粒，消除应力，均匀化组织，降低硬度，便 于切削加工。于切削加工。u适于钢种：适于钢种：亚共析钢（包括合金钢）的铸、锻、焊件。低亚共析钢（包括合金钢）的铸、锻、焊件。低 碳钢及过共析钢不宜。碳钢及过共析钢不宜。u组织：组织： F + PF + P（或（或P P）。）。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院44第三章 钢的热处理2.等温退火亚共析钢加热到Ac3+3050,共析、过共析钢加热到Ac1+3050，保温后快冷到Ar1以下的某一温度下停留，待相变完成后出炉空冷。等温退火可缩短工件在炉内停留时间，更适合于孕育期长的合金钢。等温转变F+P。除冷却方式外，其他均与完全退火相同。高速钢等温退火与普通退火的比较高速钢等温退火与普通退火的比较十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院45第三章 钢的热处理3. 球化退火 球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。u工艺：将工件加热到Ac1+ 30-50 保温后缓冷，或者加热后冷却到略低于 Ar1 的温度下保温，使珠光体中的渗碳体球化后出炉空冷。u目的：降低硬度,改善切削性,为淬火作好准备。（使Fe3C球化）u适于钢种：（过）共析钢及合金钢。 u组织：球状P （F +球状Fe3C）十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院46第三章 钢的热处理u球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织，称球状珠光体, 用P球表示。球状珠光体球状珠光体l对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先进行正火，以消除网状。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院47第三章 钢的热处理4.扩散退火u工艺：加热至Ac3+（150300），长时间保温，然后炉冷。u目的：使成分、组织均匀适于钢种：合金钢铸件及锻坯。u组织：不变。但可能出现过热，且工件烧损严重。5.再结晶退火u工艺：加热加热至T再+150250，保温后空冷。u目的：消除加工硬化，恢复原来的组织。u适于工件：冷扎、冷拉、冷冲等冷加工件。6.去应力退火u工艺：加热至Ac1以下100200，保温，炉冷至200以下空冷。u目的：去应力，以防钢件的变形及开裂。u适于工件：铸、锻、焊接件及冷加工件。u组织：不变。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院48第三章 钢的热处理消除内消除内应力力500650去去应力退火力退火消除加工硬化消除加工硬化TR +3050 再再结晶退火晶退火过共析、共析共析、共析钢使使Fe3C球化球化HRC， 韧性性，切削性，切削性为淬火作淬火作组织准准备Ac1 +2030球化退火球化退火亚共折钢、共析钢亚共折钢、共析钢细化晶粒，均匀化化晶粒，均匀化组织降低硬度降低硬度 切削性切削性消除内消除内应力力Ac3 +3050完全退火完全退火高合金高合金钢均匀均匀钢内部的化学成分内部的化学成分略低于固相略低于固相线扩散退火散退火适用适用钢种种退火目的退火目的加加热温度温度退火工退火工艺十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院49第三章 钢的热处理二、钢的正火( Normalizing of steel )n定义:把零件加温到临界温度以上3050,保温一段时间,然后在空气中冷却。加热：亚共析钢加热到Ac3+3050，共析钢加热到Ac1+3050，过共析钢加热到Accm+3050。冷却：空冷正火比退火冷却速度大。n目的: 对于低、中碳钢(0.6C%)，目的与退火的相同。对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。普通件最终热处理。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院50第三章 钢的热处理 要改善切削性能，低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火,高碳钢用球化退火。热处理与硬度关系热处理与硬度关系合适切削加工硬度合适切削加工硬度十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院51第三章 钢的热处理n热处理后的组织:S+Fe3C(过共析钢)S+F(亚共析钢400）成为粒状Fe3C，600后粗化3.淬火钢回火时组织变化 淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶段。随加热温度升高，淬火钢的组织发生四个阶段变化。 十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院81第三章 钢的热处理u马氏体分解(100200)100回火时，钢的组织无变化。100-200加热时，马氏体将发生分解，从淬火马氏体中析出-碳化物薄片(-FeXC)，使马氏体过饱和度降低。部分残余奥氏体转变为下贝氏体，但量不多。析出的有共格关系的碳化物以细片状分布在马氏体基体上，这种组织称回火马氏体，用M回表示。所以低温回火后组织为M回+A残。MM回回（相相+-FeC） 0.25% 23l 0.2%C 时，不析出碳化物。只发生碳在位错附近的偏聚。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院82第三章 钢的热处理u残余奥氏体转变 (200300)u马氏体分解完成和碳化物的转变（300400） 200-300时, 由于马氏体分解，奥氏体所受的压力下降, Ms 上升，A分解为-碳化物和过饱和铁素体，即M回或B下。发生于250-400，此时，-碳化物溶解于F中，并从铁素体中析出Fe3C。到350,马氏体含碳量降到铁素体平衡成分,内应力大量消除，M回转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状Fe3C组织，称回火托氏体，用T回表示。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院83第三章 钢的热处理u铁素体的回复、再结晶和碳化物的聚集长大 （400）400以上,Fe3C开始聚集长大。450以上铁素体发生多边形化，由针片状变为多边形。这种在多边形铁素体基体上分布着细小的颗粒状Fe3C的组织称回火索氏体，用S回表示。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院84第三章 钢的热处理钢的回火温度和力学性能之间的关系钢的回火温度和力学性能之间的关系 钢在回火时，随着温度的增加，其组织、性能将发生变化，通常是强度、硬度降低，而塑性、韧性增加。n回火时的性能变化规律十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院85第三章 钢的热处理l200以下，由于马氏体中碳化物的弥散析出，钢的硬度并不下降，高碳钢硬度甚至略有提高。l200-300，由于高碳钢中A转变为M回, 硬度再次升高。l大于300,由于Fe3C粗化，马氏体转变为铁素体,硬度直线下降。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院86第三章 钢的热处理p 低温回火u温度：150250。u组织：在低温回火时，从淬火马氏体内部会析出碳化物薄片（Fe2.4C),马氏体的过饱和度减小。部分残余奥氏体转变为下贝氏体,但量不多可忽略。所以亚共析钢低温回火后组织为回火马氏体(M回)。过共析钢低温回火后组织为回火马氏体碳化物残余奥氏体。u目的：部分降低淬火应力和脆性，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度(一般为58HRC64HRC)和高耐磨性。u用途：主要用于处理各种高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳和表面淬火的零件。4.回火的种类及其特点十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院87第三章 钢的热处理p 中温回火u温度：350 500 。u组织：得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，叫做回火屈氏体(T回)。铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。 u目的：内应力基本消除，获得高的弹性极限和一定韧性。回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35 HRC45 HRC。u用途：主要用于处理各类弹簧，部分模具以及承受小能量、多次冲击载荷的零件。 十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院88第三章 钢的热处理p 高温回火u温度：500650。u组织：得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织，称回火索氏体(S回)。u目的：获得较高的综合力学性能。回火索氏体综合力学性能最好,即强度、塑性和韧性都比较好，硬度一般为2535HRC。通常把淬火加高温回火称为调质处理。u用途：要求综合力学性能好的中碳结构钢和低合金结构钢制造的各种重要的结构零件，各种重要的机器结构件，是受交变载荷的零件，如连杆、轴、齿轮等最重要的热处理工序之一。也是表面热处理、化学热处理、某些精密工件如量具、模具等常用的预备热处理工序之一。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院89第三章 钢的热处理心部：硬度低，韧性高 在生产中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性能，一般是表面硬度高，有较高的耐磨性和疲劳强度；而心部要求有较好的塑性和韧性。表面：硬度高，耐磨十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院90第三章 钢的热处理 在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热处理方法，都不能满足其要求。u低碳钢：可满足心部要求，表面要求不能满足；u高碳钢：可满足表面要求，心部要求不能满足；解决这一问题的方法是表面热处理和化学热处理十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院91第三章 钢的热处理3.4表面淬火和化学热处理u表面热处理概念：指仅对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺；u分类：表面淬火和化学热处理；u应用范围：主要是某些在冲击载荷、交变载荷及摩擦条件下工作的机械零件，如曲轴、凸轮轴、齿轮等；u工艺的核心:使零件具有“表硬里韧”的力学性能。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院92第三章 钢的热处理一、表面淬火u定义:表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。u目的:心部保持较高的综合力学性能，获得高硬度的表面层，以提高工件的耐磨性和疲劳强度。u表面淬火用钢：选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。u表面淬火加热的方法：感应加热( 高、中、工频 )、火焰加热、激光加热等。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院93第三章 钢的热处理感应加热表面淬火感应加热表面淬火1原理交变磁场感应电流工件电阻加热，集肤效应表面加热2分类a.高频200-300KHz，淬硬深度0.5-2mm小工件b.中频2500-8000Hz淬硬深度2-5mm尺寸较大的工件c.低频50Hz淬硬深度10-15mm大型工件d.超音频30-40KHz3钢种中碳钢和中碳低合金钢磨损部位（高硬度，耐磨）十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院94第三章 钢的热处理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4特点特点锻造退火或正火粗加工调质精加工表面淬火低温回火（粗磨时效精磨）5工艺路线工艺路线十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院95第三章 钢的热处理感应加热表面淬火示意图集肤效应示意图十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院96第三章 钢的热处理u工艺要求工艺要求* 表面淬火前，必须对零件进行正火或调质处理，以保证零件有良好的基体。 * 表面淬火后，必须对零件进行低温回火处理，以降低淬火应力和脆性。u生产特点生产特点 淬火件的质量好； 工件变形小；不易氧化及脱碳;淬火层容易控制；生产率高。设备投资大,不适于复杂形状零件和小批量生产。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院97第三章 钢的热处理二、化学热处理( Chemical Heat Treatment )u定义:将零件置于一定的化学介质中，通过加热、保温，使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层，以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。 十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院98第三章 钢的热处理1.钢的渗碳 ( Carburize of steel )1)定义: 向钢的表面渗入碳原子的过程。2)目的:提高表面硬度，耐磨性，而使心部仍保持一定的强度和良好的塑性和韧性。3)用钢: 低碳钢和低碳合金钢。4)方法: 固体、气体、液体渗碳。5）加工工艺路线 锻造正火切削加工渗碳淬火（直接淬火、一次淬火，二次淬火）低温回火喷丸磨削十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院99第三章 钢的热处理 固体渗碳法示意图零件零件渗碳剂渗碳剂试棒试棒盖盖泥封泥封渗碳箱渗碳箱十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院100第三章 钢的热处理6)工艺: 加热温度为900950; 渗碳时间一般为39小时;7)渗碳后的组织:1%CP+Fe3C0.2%CF+P少表面中心零件PP+F十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院101第三章 钢的热处理渗碳淬火低温回火后的组织：表层组织：表层组织：M M回回粒状碳化物少量粒状碳化物少量A AR R 硬度为硬度为585862HRC62HRC心部组织心部组织：低碳钢低碳钢 P P类类+F,+F,硬度为硬度为101015HRC15HRC低碳合金钢低碳合金钢 低碳低碳M M回回F,F,硬度为硬度为353545HRC45HRC 具有较高强度和足够高的韧性具有较高强度和足够高的韧性十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院102第三章 钢的热处理（1）直接淬火）直接淬火 （如图a、b曲线） 奥氏体晶粒大，马氏体粗，残余马氏体粗，残余A多多，耐磨性低，变形大。 只适用于本质细晶本质细晶钢或耐磨性要求低和承载低的零件。（2）一次淬火）一次淬火 （如图c曲线） 心部要求高时AC3以上 表面要求高时AC1以上30-500 （3）二次淬火）二次淬火 （如图d曲线） 第一次，改变心部组织 AC3以上30-500 第二次，细化表面组织 AC1以上30-500 8）渗碳工艺）渗碳工艺-组织组织-性能关系性能关系 加热温度，保温时间渗碳层厚度十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院103第三章 钢的热处理正火工艺正火工艺十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院104第三章 钢的热处理十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院105第三章 钢的热处理例题一例题一 现需要制造一汽车、拖拉机传动齿轮，要求表面具有现需要制造一汽车、拖拉机传动齿轮，要求表面具有高的硬度、耐磨性和高的接触疲劳强度，心部具有良高的硬度、耐磨性和高的接触疲劳强度，心部具有良好的韧性，好的韧性，应采用如下哪种材料及热处理工艺应采用如下哪种材料及热处理工艺：T10T10钢经淬火钢经淬火+ +低温回火；低温回火； 4545钢经调质处理；钢经调质处理；低碳合低碳合金钢金钢20CrMnTi20CrMnTi经渗碳经渗碳+ +淬火淬火+ +低温回火。说明其理由。低温回火。说明其理由。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院106第三章 钢的热处理例题二例题二 在一批在一批4545钢制的螺栓中（要求头部热处理后的硬度钢制的螺栓中（要求头部热处理后的硬度为为434348HRC48HRC）混入少量）混入少量2020钢和钢和T12T12钢，若按钢，若按4545钢工艺进行钢工艺进行淬火、回火处理，试问能否达到要求？分别说明为什么淬火、回火处理，试问能否达到要求？分别说明为什么？十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院107第三章 钢的热处理例题三例题三u 现有三个形状、尺寸、材质（低碳钢）完全相同现有三个形状、尺寸、材质（低碳钢）完全相同的齿轮，分别进行普通整体淬火、渗碳淬火和高频感的齿轮，分别进行普通整体淬火、渗碳淬火和高频感应淬火，试用最简单的办法将它们区分开。应淬火，试用最简单的办法将它们区分开。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/30/2024材料科学与工程学院材料科学与工程学院108第三章 钢的热处理例题四例题四用45钢制车床主轴，要求轴颈部位硬度为5658HRC，其余地方为2024HRC，其加工工艺路线为：锻造正火机械加工轴颈表面淬火低温回火磨削加工。请说明以下问题：正火的目的及大致热处理工艺参数；表面淬火及低温回火的目的；使用状态下轴颈及其他部位的组织。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报