第六章钢的热处理

1、第六章 钢的热处理热处理工艺曲线示意图目的：掌握钢的热处理基本知识，以便在设计机器零件时能提出合理的热处理技术要求，并能选用相应的热处理方法。要求：1、 掌握有关热处理的基本概念，了解钢在加热和冷却时的相变规律。2、 能配合使用冷却曲线和C曲线，判断不同温度下过冷奥氏体的转变产物及其特点和性能。3、 掌握钢的常用热处理方法的目的和应用，能根据不同的性能要求选择合理的热处理方法。重点：退火、正火、淬火和回火的目的及应用，感应加热表面淬火、渗碳和氮化的特点及应用。难点：相变机理，只需一般了解。钢的热处理：在固态下，把钢加热到预定的温度，并保温一定时间，然后以预定的冷却速度冷却，使钢的组织结构发生变

2、化以获得所需性能的工艺。热处理的基础：固态下发生相变（同素异构转变）热处理的分类：热处理的用途和作用：1、 加工制造过程的中间工序预备热处理：改善工艺性能，为最终热处理做准备；常用热处理方法：退火、正火2、 使零件性能达到规定技术指标的最终工序最终热处理：改善机械性能常用热处理方法：淬火+回火、表面淬火、化学热处理§6-1 钢在加热时的转变以共析钢为例共析钢加热到Ac1以上稍高时，珠光体转变为奥氏体，转变过程伴随着Fe、C原子的扩散，属于扩散型相变。一、奥氏体的形成共析钢加热到Ac1或Ac1以上时，将转变为奥氏体。通过形核、核长大过程实现。1、奥氏体的形核在F和Fe3C相界和P晶界上

3、形核，相界和晶界处原子排列紊乱、晶体缺陷（空位、位错）密度高，能量高，原子易扩散。2、奥氏体长大奥氏体晶核向F和Fe3C两侧逐渐长大，直至F全部转变为A。3、残余渗碳体溶解随着时间延长，残余Fe3C不断溶入A中，直至全部消除。4、奥氏体均匀化A中C浓度不均匀，延长保温时间，通过C扩散，使A的含碳量均匀化。二、影响PA转变的因素1、加热温度加热温度提高，C原子的扩散能力提高，加速A的形成。2、钢的成分含碳量高，则Fe3C的含量大，F和Fe3C相界面积大，扩散系数高，A形核率和长大速度提高，A形成速度随之提高。合金元素含量大，合金元素在转变过程中需均匀化，使A形成速度下降。3、原始组织晶粒细化，晶

4、界面积增大，晶格畸变严重，能量高，稳定性下降，A形核率和长大速度提高，A形成速度随之提高。4、加热速度加热速度提高，所需过热度大，则A形成温度提高，A形成速度随之提高。三、奥氏体晶粒大小晶粒度起始晶粒度：P刚刚全部转变为A时的A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A晶粒的大小，直接影响钢的性能本质晶粒度：在规定的加热条件下（930×38h）A晶粒长大倾向的高低。曲线1本质粗晶粒钢；曲线2本质细晶粒钢。结构钢的A的晶粒度分为8级：1级粗，8级细。晶粒度为14级本质粗晶粒钢；晶粒度为58级本质细晶粒钢，但在9501000以上时，晶粒显著增大。本质细晶粒钢：用Al脱

5、氧，镇静钢。本质粗晶粒钢：用Mn、Si脱氧，沸腾钢。需经热处理的工件一般都要采用本质细晶粒钢。四、奥氏体的长大及其影响因素1、A的长大过程是一个自发过程： A长大可以使晶界面积减少，从而使能量减低，稳定性提高。2、影响A长大的因素1） 加热温度、保温时间加热温度高，保温时间长，则A晶粒粗大。2） A中含碳量A中含碳量大，则A长大倾向大。3） 组织：A晶界上存在未溶的残余Fe3C可阻碍A晶粒长大。4） 合金元素：Mn、P促进A晶粒长大，其它元素阻碍A晶粒长大。 为防止A晶粒长大，在实际生产中，常采用的控制A晶粒长大方法：1）快速加热；2）反复奥氏体化。§6-2 钢在冷却时的转变 以共析

6、钢为例一、冷却方式1、连续冷却：把奥氏体化的钢置于某种介质中连续冷却到室温。2、等温冷却：把奥氏体化的钢快速冷却到Ar1以下某一温度，保持恒温，使奥氏体发生组织转变，待转变结束后连续冷却到室温。二、过冷奥氏体等温转变曲线图（C曲线、TTT图）1、TTT图的建立通过实验方法做出在各种过冷度下，过冷A向其它组织转变的转变量与恒温保温时间的关系曲线。经加热A化后迅速冷却到A1以下不同温度（t1t2t3t4t5），在不同温度下恒温；每经过一定时间取出一个试样淬入水中，过冷奥氏体转变为马氏体，之前的转变产物不发生转变，测出转变相对量。测出各不同等温温度下过冷A转变量与保温时间的关系，做出转变动力学曲线。

7、将转变转变开始时间和终止时间标记到转变温度时间为坐标的图上，连接各转变开始点和终止点，便可得到C曲线。2、TTT图分析孕育期：在各不同温度下过冷A发生转变所需的准备时间。1） 线：Ar1A、P平衡共存温度MSM转变开始温度MfM转变终止温度2） 区： TTT图反映了过冷A在不同温度区域中的等温转变类型和产物。（三）过冷A转变产物及其性能转变类型组织名称形成温度（）转变机制组织特征HB（HRC）珠光体类转变珠光体P索氏体S屈氏体TA1650650600600550扩散型F+Fe3C片层状F+Fe3C细片层状F+Fe3C极细片层状170200（20）230320（2535）330400（3540）

8、贝氏体转变上贝氏体B上（工业上不用）下贝氏体B下550350350MS半扩散型，只碳原子扩散呈羽毛状呈黑色针状（4248）（4858）马氏体转变针状马氏体（高碳）板条马氏体（低碳）MS Mf非扩散型竹叶状或凸透镜状细板状（6265）（5060）马氏体相变特点：1、 转变温度低，过冷度大，在MS Mf范围内进行；MS 、 Mf 不受冷却速度影响，只取决于A成分，其中C含量增加，则MS 、 Mf下降。2、 M相变仅是晶格重构（FCC体心正方），转变前后成分不变，属于非扩散型转变。3、 M相变是变温过程，如果转变过程中温度停止下降，则A发生稳定化，不转变为M。4、 M相变速度极快（小于10-7S）。

9、5、 M相变是不完全相变：由于Mf远低于室温，必然存在残余A；另外M相变伴随着体积膨胀，抑制了AM。6、 M相变产生很大的内应力：组织应力、热应力。残余奥氏体存在利弊：1、 不利：耐磨性、4组织稳定性、淬火硬度下降2、 有意：减震；提高冷模钢、低温用钢的韧性；提高轴承钢的疲劳强度、塑性、韧性。控制残余奥氏体的方法：1、 化学成分：碳含量增加、合金元素含量提高，则MS 、 Mf下降，残余奥氏体含量增加；2、 加热奥氏体条件：加热温度提高，保温时间延长，则奥氏体成分均匀程度提高，残余奥氏体含量增加；3、 淬火后进行冷处理：冷处理温度降低，则残余奥氏体含量减少；4、 回火：回火温度提高，则残余奥氏体

10、含量减少。（四）影响C曲线的因素1、 A中含碳量：亚共析钢随着含碳量增加，C曲线右移，过冷A稳定性提高，MS下降；过共析钢随着含碳量增加，C曲线左移，过冷A稳定性下降，MS下降；2、 A中合金元素：除Co和Al（2.5%）外，其它合金元素使C曲线右移，过冷A稳定性提高；当碳化物形成元素（Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr）含量较多时，会改变C曲线的形状；3、 加热温度和保温时间：加热温度提高，保温时间延长，A成分均匀，稳定性提高，C曲线右移。（五）过冷奥氏体连续转变曲线图（CTT图）与TTT图比较：CTT图曲线向右下方移动，无贝氏体转变区，M转变较完全。TTT图和CCT图的应用：1、 制定热

11、处理工艺：确定热处理工艺参数、选择冷却介质；2、 分析热处理后的组织和性能；3、 判断钢的淬透性，合理选择材料。§6-3 钢的退火与正火一、 退火1、定义：退火：将钢加热到低于或高于AC1的某一温度，保温一定时间，然后缓慢冷却以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。2、退火的工艺及其应用退火种类加热温度（）组织应用和目的完全退火AC3+3050F+P（细小）含碳量0.5%以上的亚共析钢的预备热处理，降低硬度，改善切削加工性能；细化晶粒。球化退火AC1+3050球化组织（F+Fe3C粒）过共析钢的预备热处理，降低硬度，改善切削加工性能，为淬火作组织准备。再结晶退火T再+100200AC1F

12、+P等轴晶粒消除冷塑性变形产生的加工硬化，恢复塑性变形能力。去应力退火500600200300无变化消除铸、锻、焊接、冲压件及机械加工零件的残余内应力。扩散退火11001200F+P（粗大）减少钢锭、铸件、锻坯的成分偏析和组织不均匀。二、正火1、定义：将钢件加热到AC3（对亚共析钢）或ACCm（对过共析钢）以上3050，保温后在空气中自然冷却以获得先共析相和细珠光体的热处理工艺。2、正火的工艺及其应用钢种加热温度（）组织应用和目的低碳钢AC3+3050F+S提高硬度，改善切削加工性能；获得使用性能。中碳钢过共析钢ACCm+3050S+Fe3C片状消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。三、退

13、火、正火的选择1、 经济性：正火优于退火2、改善切削加工性能： 含碳量0.5%的碳钢正火；含碳量0.5%的碳钢退火；3、使用性能：工件性能要求不高，不进行最终热处理时采用正火；对大型、结构复杂的工件，为防止变形、开裂应采用退火为减少淬火变形、开裂倾向，应采用退火§6-4 钢的淬火一、定义淬火：把钢加热到AC3（对亚共析钢）或AC1（对过共析钢）以上3050，保温一定时间使之奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快速冷却，从而获得马氏体组织的热处理工艺。二、目的1） 获得马氏体组织，提高硬度和耐磨性；2） 为回火作组织准备。三、工艺1） 淬火加热温度2） 淬火加热时间：升温时间、保温时

14、间3） 冷却介质： 水：适用于截面尺寸小，形状简单的碳钢件。油：适用于合金钢或小尺寸的碳钢件。盐水或碱水：适用于淬透性低的碳钢件。四、淬火方法：1） 单液淬火（）：操作简单，易实现机械化、自动化，应用广泛。例如：形状简单的碳钢水淬和合金钢油淬。获得马氏体组织。2） 双液淬火（）：应用于形状复杂的碳钢件及大型合金钢件。获得马氏体组织。3） 分级淬火（）：适用于小尺寸工件。获得马氏体组织。4） 等温淬火（）：用于形状复杂，要求较高硬度和强韧性的工具、模具；形状复杂要求高的薄、小件，如弹簧。获得下贝氏体组织。五、淬火质量的测定1） 淬透性：取决于A中合金元素含量2） 淬透性的测定：顶端淬火法，3）

15、淬硬性：取决于加热时形成的奥氏体的含碳量。4） 淬透性的实际应用（1） 要求完全淬透：完全淬透，性能均匀，应用于截面均匀受力或受大冲击载荷。如螺栓、连杆、锤杆等（2） 要求一定深度的淬透层：应用于受弯曲、扭转的实心轴类零件及表面要求高耐磨性并受冲击的模具等。淬透层为零件半径的1/31/2。（3） 要求低淬透性：应用于焊接零件。§6-5 钢的回火一、定义回火：将淬火后的钢加热到不超过AC1临界温度进行保温，然后按不同方式进行冷却的热处理工艺。二、目的1） 获得所需组织和性能；2） 稳定组织和尺寸；3） 消除内应力。三、回火时的转变M分解则体积收缩；A分解则体积膨胀。M比容最大，A比容最

16、小。1、100：无明显转变发生，体积无变化，M中碳原子发生聚集，但M不发生分解。2、回火第一阶段（100250）：体积收缩，马氏体（M）开始转变为回火马氏体（M回：过饱和a固溶体和与其保持共格关系的弥散度极高的细小碳化物的混合物。）。由于过饱和强化与弥散强化的作用，强度、硬度基本不变，但晶格畸变、内应力减少，脆性下降。3、回火第二阶段（250350）：体积膨胀，残余奥氏体（AR）转变为下贝氏体（B下），马氏体（M）继续转变为回火马氏体（M回），组织以M回为主，强度、硬度下降不大，内应力进一步减少。4、回火第三阶段（350500）：体积收缩，回火转变产物为回火屈氏体（T回：针状F和弥散分布的细颗

17、粒状Fe3C的混合物）。内应力基本消除，强度、硬度下降，塑性、韧性提高，弹性极限达到最大值（400）。5）回火第四阶段（500）：Fe3C长大，铁素体内亚结构发生回复、再结晶，强度、硬度进一步下降，塑性、韧性进一步提高，内应力完全消除。在500650回火的产物为回火索氏体（S回：多边形等轴F和粒状Fe3C的混合物），具有良好的综合机械性能。四、回火的分类1）低温回火（150250）：马氏体（M）开始转变为回火马氏体（M回：过饱和a固溶体和与其保持共格关系的弥散度极高的细小碳化物的混合物。）。由于过饱和强化与弥散强化的作用，强度、硬度基本不变，但晶格畸变、内应力减少，脆性下降。3）中温回火（35

18、0500）：回火转变产物为回火屈氏体（T回：针状F和弥散分布的细颗粒状Fe3C的混合物）。内应力基本消除，强度、硬度下降，塑性、韧性提高，弹性极限达到最大值（400）。4）高温回火（500650）：塑性、韧性进一步提高，内应力完全消除。在500650回火的产物为回火索氏体（S回：多边形等轴F和粒状Fe3C的混合物），具有良好的综合机械性能。4、回火的种类和应用回火种类加热温度（）组织性能应用低温回火150250M回+碳化物高强度、硬度、耐磨性HRC5864工具钢、滚动轴承钢、渗碳件、表面淬火件；降低内应力、脆性中温回火350500T回高弹性极限、韧性、屈服强度 弹簧、弹性夹具、热锻模、刀杆高温

19、回火500650S回良好的综合机械性能 重要结构件：轴、齿轮、连杆、螺栓等低温回火脆性：在250350回火时钢的韧性显著下降。过程不可逆，应避免在该温度区间回火。高温回火脆性：在450600回火后缓冷，含Cr、Ni、Mn、Si较多的合金钢韧性明显下降。过程可逆，重新加热回火，然后快冷，或在钢中加入适量的W（1%）和Mo（0.5%）也可防止。§6-6 钢的表面淬火和化学热处理一、表面淬火1、定义表面淬火：把钢件的表面层迅速加热使之奥氏体化并快速冷却以获得马氏体组织，而心部保持原始组织的一种淬火工艺。2、特点表面淬火与正火或调质处理相配合，可有效提高零件表层的硬度和耐磨性，达到外硬内韧的

20、效果，并在表层造成压应力，提高疲劳强度。表面淬火只改变表层的组织而不改变其化学成分。3、适用材料钢：含碳量为0.400.50%的亚共析钢，如40、45、50、40Cr、45Cr制造要求表面耐磨的零件：齿轮、凸轮轴、曲轴、连杆。 9Cr2W、9Cr2Mo制造冷轧辊铸铁：球墨铸铁热轧辊、校正辊 灰口铸铁车床床身的导轨4、加热方法：火焰、电接触、感应加热感应表面淬火：淬硬层深度H=0.520mm，其中f为感应电流频率（Hz）。感应器用紫铜管制造，通水冷却。加热原理集肤效应。优点：加热迅速，生产率高，组织细小，氧化、脱碳少，用于大批量生产。缺点：参数调整复杂，设备昂贵。二、钢的化学热处理1、定义钢的化

21、学热处理：把钢件置于某种化学介质中，通过加热和保温，使介质中某些元素渗入钢件表层，从而改变钢件表层化学成分、组织和性能的热处理工艺。2、种类1） 提高硬度、耐磨性：渗碳、渗氮、渗硼、碳氮共渗2） 提高耐蚀性：渗铬、渗碳、渗氮3） 提高特殊性能：抗氧化渗铝；耐酸性渗硅3、钢的渗碳1） 渗层深度：小于2mm2） 适用钢材：渗碳钢，如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnVB3） 渗碳目的：表面高硬度，内部高韧性4） 渗碳方法：固体渗碳、气体渗碳渗碳后的成分梯度：高碳中碳低碳表面心部不需渗碳处涂防渗碳涂料。5） 加热温度：AC3+3050，一般常用温度为930±106） 热 处 理：（1） 直接淬火：渗碳预冷淬火（AC1+3050，M+AR+Fe3C）低温回火（150250，M回+AR+Fe3C）（2） 一次淬火：渗碳正火或退火淬火（AC3或AC1+3050）低温回火（3） 两次淬火：渗碳淬火（AC3+3050）淬火（AC1+3050）低温回火（150250，M回+AR+Fe3C）4、钢的