ch2-4钢的热处理

1、第二章第二章 金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制第一节第一节 纯金属的结晶纯金属的结晶第二节第二节 合金的结晶合金的结晶第三节第三节 金属的塑性加工金属的塑性加工第四节第四节 钢的热处理钢的热处理第五节第五节 钢的合金化钢的合金化第六节第六节 表面技术表面技术普通热处理2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理l普通热处理：普通热处理： 退火退火、正火正火、淬火淬火、回火回火l表面热处理表面热处理l化学热处理化学热处理l定义：定义：将钢在固态下将钢在固态下加热加热到预定的温度，并在该温度下到预定的温度，并在该温度下保持保持一段时间，然后以一定的速度一段时间，然后以一定的速度冷却冷却下来

2、的一种工艺下来的一种工艺l目的：目的：改变钢的组织结构改变钢的组织结构改善性能改善性能l 三个阶段：三个阶段： 加热加热、保温、冷却、保温、冷却等温冷却等温冷却连续冷却连续冷却 2.4.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 l实际转变温度偏离平衡的临界温度实际转变温度偏离平衡的临界温度l加热时：加热时：标以标以“C”，如，如AC1、AC3、ACCm；l冷却时：冷却时：标以标以“r”，如，如Ar1、Ar3、Arcm。（一）（一）奥氏体化奥氏体化A 形核形核、A 长大长大、剩余渗碳体溶解、剩余渗碳体溶解、A 成分均匀化成分均匀化AAFPFACAC31ACFeACFePcmACAC 331 1. 加

3、热温度加热温度 提高提高, A化速度加快。化速度加快。 2. 加热速度加热速度 越快，发生转变的温度越高，转变所需的时间越短。越快，发生转变的温度越高，转变所需的时间越短。 3. 钢中碳含量钢中碳含量 增加，增加，F和和Fe3C的相界面增大，转变速度加快。的相界面增大，转变速度加快。 4. 合金元素合金元素 Co、Ni等加快等加快A化过程；化过程；Cr、Mo、V减慢；减慢；Si、Al、Mn不影响不影响。扩散速度慢，加热温度一般较高，保温时间更长。扩散速度慢，加热温度一般较高，保温时间更长 5. 原始组织原始组织 Fe3C为片状时为片状时A形成速度快，形成速度快，Fe3C间距越小，转变速度越快。

4、间距越小，转变速度越快。 (二二) 影响奥氏体转变速度的因素影响奥氏体转变速度的因素l 实际晶粒度：实际晶粒度： 决定钢的性能决定钢的性能14级级- -粗粗58级级- -细细（三）奥氏体晶粒度及其影响因素（三）奥氏体晶粒度及其影响因素l 本质晶粒度本质晶粒度：一定：一定的条件下奥氏体晶粒的条件下奥氏体晶粒长大的倾向性。长大的倾向性。93010，38h影响奥氏体晶粒度的因素影响奥氏体晶粒度的因素1）加热温度和保温时间）加热温度和保温时间2）加热速度）加热速度 3) 钢的化学成分钢的化学成分 C：在一定范围内，晶粒长大倾向增大：在一定范围内，晶粒长大倾向增大 Ti、V、Nb、Zr 碳化物碳化物 A

5、l 氧化物、氮化物氧化物、氮化物 Mn、P能能促进促进晶粒长大晶粒长大钢在钢在A化后有两种冷却方式：化后有两种冷却方式： 1、等温冷却、等温冷却 2、连续冷却、连续冷却过冷过冷 A ：在临界点以下存在且不稳定的将要发生转变的：在临界点以下存在且不稳定的将要发生转变的A 2.4.2 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变一、过冷一、过冷A 的等温转变的等温转变TTT 曲线（曲线（C 曲线）曲线）1、共析钢过冷、共析钢过冷A的等温转变的等温转变三三条条水水平平线线A1 A 和和P 的的平衡温度平衡温度Ms A M 的的开始转变温度开始转变温度Mf A M 的的终了转变温度终了转变温度两条两条曲线曲线左左

6、 过冷过冷A 转变转变开始线开始线右右 过冷过冷A 转变转变终了线终了线TTT 曲线（曲线（C 曲线）曲线）四四个个区区A 状态：状态：A1线以上线以上过冷过冷A区：区：A1线以下、线以下、Ms 线以上和转变开始曲线之间线以上和转变开始曲线之间过冷过冷A正在转变区：正在转变区：转变开始和转变终了曲线之间转变开始和转变终了曲线之间转变终了区：转变终了区：转变终了曲线以右转变终了曲线以右孕育期：孕育期：从过冷到转变开始线之间的时间从过冷到转变开始线之间的时间 长短表示过冷长短表示过冷A稳定稳定性的高低性的高低 550 最短，过冷最短，过冷A最最不稳定不稳定扩散型扩散型相变相变P 型型组织组织（F

7、和和Fe3C 交替排列的交替排列的层片状组织层片状组织）形成温度越低形成温度越低 ，P 越细越细根据片间距的大小根据片间距的大小P、S、T三类。三类。(1)高温转变（高温转变（P 转变转变） A1 550珠光体珠光体P、索氏体索氏体S、屈氏体屈氏体T 都属于珠光体类型的组都属于珠光体类型的组织，都是织，都是F和和Fe3C组成的组成的片层相间片层相间的机械混合物，它们的机械混合物，它们的差别仅仅是片间距不同。的差别仅仅是片间距不同。片间距越小性能越好片间距越小性能越好！l半扩散型相变半扩散型相变，转变温度不，转变温度不同，形成的同，形成的B形态不同，形态不同，l550350 B上上 羽毛状羽毛状

8、，小片状渗碳体分布在成排的小片状渗碳体分布在成排的 F 片之间片之间l350 Ms B下下，黑色针状，黑色针状(2) 中温转变（中温转变（B 转变转变）：）： 550Ms贝氏体（贝氏体（B）是渗碳体分布）是渗碳体分布在碳过饱和的在碳过饱和的F基体上的两基体上的两相混合物相混合物B上上，羽毛状，羽毛状，F 和和Fe3C 较粗大，硬度低，韧性低。较粗大，硬度低，韧性低。B下下，黑色针状，黑色针状，细小无方向性，而细小无方向性，而F 内碳化物细小弥散，位错密内碳化物细小弥散，位错密度很高，强度高，韧性也很好，具有良好的综合机械性能。度很高，强度高，韧性也很好，具有良好的综合机械性能。上贝氏体上贝氏体

9、( (500)500)下贝氏体下贝氏体( (500)500)v多了一条过冷多了一条过冷 A F 的的开始线开始线v随着含碳量降低随着含碳量降低 ，C 曲曲线左移，线左移，Ms 、Mf 上移上移, 2、亚共析钢过冷、亚共析钢过冷A 的等温转变的等温转变例例45等温转变：等温转变： A1650 F+P 650 600 F(少少)+S 600 550 F(很少很少)+T 550 Ms Bv多了一条过冷多了一条过冷 A 析出析出 Fe3C 开始线开始线v随含碳量增加随含碳量增加 C 曲线曲线左移，左移， Ms 、Mf 下移下移, 3、过共析钢过冷、过共析钢过冷A的等温转变的等温转变例，例，T10 钢等

10、温转变：钢等温转变： A1650 Fe3C+ P 650 600 Fe3C(少少) +S 600 550 Fe3C(很少很少) +T 550 Ms BAFAFe3CIIl过冷过冷 A 在一个温度范围内所发生的转变在一个温度范围内所发生的转变l冷却速度冷却速度二、过冷二、过冷A的连续冷却转变的连续冷却转变 通过通过温度温度起作用起作用 不均匀的混合组织不均匀的混合组织CCT 曲线曲线l 只有只有 P 和和 M 转变区转变区l 没有没有B 转变区转变区Ps A过冷过冷 P 的的开始线开始线Pf A过冷过冷 P 的的终了线终了线kkA过冷过冷转变转变中止线中止线1、共析钢过冷、共析钢过冷A 的连续冷

11、却转变的连续冷却转变VK -上临界冷却速度上临界冷却速度 （临界淬火速度）（临界淬火速度）V冷冷VK 时，时， M组织组织VK -下临界冷却速度下临界冷却速度V冷冷VK时，时， 全部转变为全部转变为PlCCT 曲线中曲线中P转转变开始和终了线变开始和终了线均在均在TTT 曲线的曲线的右下方右下方l连续连续转变温度低转变温度低 ，孕育期长孕育期长共析钢转变过程及产物共析钢转变过程及产物空冷空冷V2：稍快速稍快速度，度，过冷过冷AS ，细片状细片状炉冷炉冷V1：缓慢冷：缓慢冷却，转变温度较却，转变温度较高，高，过冷过冷AP，粗片状粗片状油冷油冷V4 ：TM 残余残余AT+M+A水冷水冷V5 ：冷速

12、很快：冷速很快 AM， 残余残余A（A），），冷却冷却到室温时，少量未转到室温时，少量未转变的变的 A A 保留下来保留下来M+ Al 马氏体转变的特点马氏体转变的特点非扩散型转变，非扩散型转变，M 是碳在是碳在 -Fe 中的过饱和固溶体中的过饱和固溶体b. 形成速度很快，无孕育期，形成速度很快，无孕育期，是一个连续冷却的转变过程是一个连续冷却的转变过程c. M 转变不彻底，总要残留少转变不彻底，总要残留少量量A 。w(c)0.6，标上，标上A d. M形成时造成体积膨胀形成时造成体积膨胀M 转变转变（低温转变）：（低温转变）： Ms MfM的形态有的形态有板条状板条状和和针状针状两种两种 w

13、(c)1.0为针状为针状M（高碳（高碳M、孪晶、孪晶M）呈竹叶状或凸透镜状）呈竹叶状或凸透镜状 0.25 w(c) 1.0为板条为板条M和针状和针状M的混合组织的混合组织M的硬度很高，含碳量越高的硬度很高，含碳量越高M的硬度越高的硬度越高l 出现了先共析出现了先共析F转变和转变和B转变区域转变区域2、亚共析钢过冷、亚共析钢过冷 A 的连续冷却转变的连续冷却转变3、过共析钢过冷、过共析钢过冷A 连续冷却转变连续冷却转变l 无无B 区，有先共析渗碳体析出区域区，有先共析渗碳体析出区域常用的热处理加热设备：常用的热处理加热设备： 2.4.3 钢的普通热处理钢的普通热处理 （一）退火（一）退火（炉冷）

14、（炉冷）退火退火：缓慢的速度冷却缓慢的速度冷却，以获得接近平衡状态组织的热，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。处理工艺。（2）等温退火）等温退火 Ac3（或（或Ac1）以上。）以上。珠光体转变温度等温保持珠光体转变温度等温保持目的：目的：缩短退火时间，提高生产效率，获得均匀的组织和性能缩短退火时间，提高生产效率，获得均匀的组织和性能 （3）球化退火）球化退火 略高于略高于Ac1。过共析钢过共析钢和合金工具钢。和合金工具钢。目的：目的：降低硬度、均匀组织、改善切削性能，为降低硬度、均匀组织、改善切削性能，为淬火作组织准备淬火作组织准备 获得获得粒状珠光体粒状珠光体。（1）完全退火）完全退火 A

15、c32030。获得接近平衡组织。获得接近平衡组织。目的：目的：细化晶粒、降低硬度以改善切削加工性能和消除内应力细化晶粒、降低硬度以改善切削加工性能和消除内应力（6）再结晶退火）再结晶退火 650700， 获得细小均匀的等轴晶粒，获得细小均匀的等轴晶粒，目的：目的：消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及成形性能。消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及成形性能。（5）去应力退火）去应力退火 500650，保温后随炉缓慢冷却。，保温后随炉缓慢冷却。目的：消除目的：消除因变形加工及铸造、焊接过程中引起的因变形加工及铸造、焊接过程中引起的残余内应力残余内应力，以提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂。以提

16、高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂。（4）扩散退火）扩散退火（均匀化退火）（均匀化退火）熔点以下熔点以下100200，1015h目的：目的：消除枝晶偏析，消除枝晶偏析，组织粗大组织粗大需要完全退火或正火处理。需要完全退火或正火处理。 （二）正火（二）正火（空冷）（空冷） 正火正火：Ac3或或Accm3050，保温，保温，空气中冷却空气中冷却。S ，强度、硬度较高。，强度、硬度较高。应用：应用： 作为最终热处理作为最终热处理 普通结构钢普通结构钢 作为预先热处理作为预先热处理 过共析钢过共析钢 改善切削加工性能改善切削加工性能 低碳（合金）钢低碳（合金）钢 （三）淬火（三）淬火（水冷或油冷）（水

17、冷或油冷）淬火淬火：相变温度以上，保温一定时间，：相变温度以上，保温一定时间，快速冷却快速冷却以获得以获得马氏马氏体体组织的热处理工艺。组织的热处理工艺。 1. 淬火加热温度淬火加热温度亚共析钢：亚共析钢： Ac3以上以上3050共共(过共过共)析钢：析钢： Ac1以上以上3050l常用介质：常用介质：水水和和油油 水水，冷却能力大，碳钢，冷却能力大，碳钢 油油，冷却能力小，合金钢，冷却能力小，合金钢 盐浴，盐浴，冷却能力中等，分级和等温淬火冷却能力中等，分级和等温淬火 l理想淬火介质：理想淬火介质： 650以上缓冷以上缓冷，降低淬火热应力，降低淬火热应力 650 400 快冷快冷，避免，避免

18、P或或B转变转变 400 以下缓冷，以下缓冷，减少组织应力减少组织应力2.淬火冷却介质淬火冷却介质3.淬火方法淬火方法单液淬火单液淬火、双液淬火双液淬火、分级淬火分级淬火和和等温淬火等温淬火等。等。 u钢的淬透性：钢的淬透性：钢在淬火时获得马氏体的能力。钢在淬火时获得马氏体的能力。 决定于决定于临界冷却速度临界冷却速度4.钢的淬透性钢的淬透性u淬透层深度：淬透层深度：从试从试样表面至半马氏体样表面至半马氏体区的距离。区的距离。u钢的淬硬性：钢的淬硬性：淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬火后马氏体所能达到的最高硬度， 主要决定于主要决定于马氏体的碳含量马氏体的碳含量淬透性可用淬透性可用“末端淬火

19、法末端淬火法”测定（测定（GB/T 225-2006GB/T 225-2006）钢的淬透性钢的淬透性: J: J-d -d - HRC 或或 HV30J J表示末端淬火的淬透性表示末端淬火的淬透性 J35-15,J HV450-10J35-15,J HV450-10(a)(a)40CrNiMo40CrNiMo完全淬透完全淬透 (b)(b)40Cr40Cr淬透较大厚度淬透较大厚度 ( (c)c)4040钢钢淬透较小厚度淬透较小厚度 回火回火S S 表面回火表面回火S S心部心部S+F S+F 表面回火表面回火S S心部心部S+FS+F淬透性不同的钢调质后机械性能的比较淬透性不同的钢调质后机械性能

20、的比较 5. 淬透性的影响因素淬透性的影响因素 由其由其临界冷却速度临界冷却速度决定决定a. 碳质量分数碳质量分数 共析钢的淬透性最好。共析钢的淬透性最好。b. 合金元素合金元素 除除Co以外，使以外，使C曲线右移曲线右移, 提高钢的淬透性。提高钢的淬透性。c. 奥氏体化温度奥氏体化温度 提高温度，减少珠光体的生核率，增加其淬透性。提高温度，减少珠光体的生核率，增加其淬透性。d. 钢中未溶第二相钢中未溶第二相 可成为奥氏体分解的非自发核心，降低淬透性。可成为奥氏体分解的非自发核心，降低淬透性。回火回火：加热至：加热至Ac1以下以下某一温度，保温一定时间后冷却某一温度，保温一定时间后冷却至室温的

21、热处理工艺。至室温的热处理工艺。作用：作用：减少或消除淬火应力减少或消除淬火应力，稳定组织稳定组织，提高钢的塑性和韧性提高钢的塑性和韧性。 1. 低温回火低温回火150250，回火，回火M+A，降低应力和脆性，降低应力和脆性，M回火回火（+） 高的硬度、强度和耐磨性，工、模具高的硬度、强度和耐磨性，工、模具 2. 中温回火中温回火350500，回火，回火T， +Cm ,中温回火后具有高的弹性极限中温回火后具有高的弹性极限 弹簧件弹簧件 （四）回火（四）回火 3. 高温回火高温回火 500650，回火回火S ，高的综合力学性能高的综合力学性能。淬火淬火+高温回火高温回火=调质处理调质处理中碳结构

22、钢中碳结构钢曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车拖拉机半轴、机床主轴及齿轮拖拉机半轴、机床主轴及齿轮等重要机器零件。等重要机器零件。l钢的回火脆性：钢的回火脆性：有些钢在一有些钢在一定的温度范围内回火时，其定的温度范围内回火时，其冲击韧性显著降低的脆化现冲击韧性显著降低的脆化现象。象。l250400：第一类（低第一类（低温）回火脆性；温）回火脆性； 避免在脆化温度范围内回火避免在脆化温度范围内回火l450 650 ：第二类第二类（高温）回火脆性（高温）回火脆性 加热后快冷加热后快冷P转变B转变M转变退火退火正火正火淬火淬火淬透性淬透性淬硬性淬硬性回火回火20. 共析钢加热到相变

23、点以上, 用下图所示的冷却曲线冷却,各应得到什么组织?各属于何种热处理方法?例题：P31，20、21、22 M+A，淬火（水，淬火（水冷）冷）M+A，分级淬火，分级淬火T+M+A，淬火，淬火（油冷）（油冷）B，等温淬火，等温淬火S，正火，正火P，退火，退火P，等温退火，等温退火21.T12钢加热到Ac1以上；用图5-4所示各种方法冷却，分析其所得到的组织。(a) M+A+Fe3CII(b) B下下+M+A+Fe3CII(c) B下下+Fe3CII22.某钢的连续冷却转变曲线如图5-5所示，试指出该钢按图中(a)(b)(c)(d)速度冷却后得到的室温组织。(a) F+M+A(b) F+B+M+A

24、(c) F+B+M+A(d) F+P 2.4.4 钢的表面热处理钢的表面热处理 表面淬火：表面淬火：将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持却，仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持淬火前组织的热处理方法。淬火前组织的热处理方法。1、（火焰表面淬火）（火焰表面淬火） 乙炔乙炔-氧氧或煤气或煤气-氧氧2、感应加热表面淬火感应加热表面淬火原理：原理：电磁感应原理电磁感应原理 集肤效应：集肤效应：高频、中频、工频高频、中频、工频f500特点：特点： 过热度大。过热度大。 细小隐晶细小隐晶M组织，高组织，高23HRC。 表层

25、存在很大的残余压应力。表层存在很大的残余压应力。 无氧化、脱碳，工件变形很小。无氧化、脱碳，工件变形很小。 易于实现机械化与自动化。易于实现机械化与自动化。3、激光表面淬火激光表面淬火激光表面处理示意图激光表面处理示意图 超快加热相变超快加热相变加热速度：加热速度：104106/s冷却速度：冷却速度：106108/s，自冷淬火，自冷淬火 2.4.5 钢的化学热处理钢的化学热处理定义：定义：将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或几种元素原子中的一种或几种元素原子渗入渗入工件表面，以改变工件表面，以改变钢件表层化学成分和组织的热处理工艺。钢件

26、表层化学成分和组织的热处理工艺。基本过程：基本过程： 介质的分解：形成活性原子；介质的分解：形成活性原子； 表面吸收和溶解：形成固溶体或化合物；表面吸收和溶解：形成固溶体或化合物； 原子扩散：形成一定的扩散层。原子扩散：形成一定的扩散层。 1渗碳渗碳渗碳：渗碳：活性碳原子活性碳原子C渗入钢的表层。渗入钢的表层。目的：增加表面目的：增加表面C含量，淬火低温回火，含量，淬火低温回火，表面硬，心部韧表面硬，心部韧 方法：方法：气体气体、固体固体、液体液体钢种：钢种：低碳钢低碳钢和和低碳合金钢低碳合金钢 如如20、20Cr、20CrMnTi工艺：工艺：900950，时间，时间-厚度厚度 1h, 0.5

27、mm,4h, 1mm缓冷组织：缓冷组织：P+碳化物、碳化物、P、P+F，原始组织。，原始组织。渗碳后热处理：渗碳后热处理：淬火淬火（直接、一次直接、一次和和二次）二次）低温回火低温回火。 表层组织：高碳回火表层组织：高碳回火M碳化物碳化物A， 心部组织：低碳回火心部组织：低碳回火M或或F、T 2渗氮渗氮氮化氮化：在一定温度下使：在一定温度下使活性氮原子活性氮原子N渗入工件表面。渗入工件表面。目的：提高硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性目的：提高硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性方法：方法：气体渗氮气体渗氮、离子渗氮离子渗氮、氮碳共渗氮碳共渗（软氮化）等（软氮化）等工艺：调质，工艺：调质，500600，2050h，0.30.5mm38CrMoAl钢氮化工艺曲线图钢氮化工艺曲线图 Fe-N相图相图 渗氮温度低且渗氮后不再进行热处理，工件变形小渗氮温度低且渗氮后不再进行热处理，工件变形小渗氮前调质处理。渗氮前调质处理。 3碳氮共渗碳氮共渗 氰化氰化：同时向钢件表面渗入碳和氮原子同时向钢件表面渗入碳和氮原子。 性能介于渗碳与渗氮零件之间。性能介于渗