机械制造基础1.6

1、1.6 刚的热处理 1.6.1 钢在加热时的转变 1.6.2 钢在冷却时的转变 1.6.3 常用钢的热处理1.6 钢的热处理 1.6.1 钢在加热时的转变 钢的热处理是指将钢在固态下施以不同的加热、保温、冷却，改变其内部（或表面的）组织，从而获得所需的性能的工艺过程。热处理通常分为普通热处理（包括退火、正火、淬火、回火）、表面热处理（包括表面淬火、化学热处理）和特殊热处理（如磁场热处理、形变热处理）几种主要方法。热处理可以消除上一工艺过程所产生的缺陷，为下一工艺过程创造条件，也可以直接提高工件使用性能，是充分发挥钢材潜力，提高产品质量、延长工件使用寿命的工艺方法。任何一种热处理都是由加热、保温

2、和冷却三个阶段组成 （如图所示）。1.6 钢的热处理 1.6.1 钢在加热时的转变 在 Fe-Fe3C相图中，A1、A3和Acm是碳钢在极其缓慢的加热或冷却时的转变温度，是平衡临界点。在实际生产中，不可能极其缓慢地加热和冷却，因此不可能在平衡临界点进行组织转变。如图所示，实际加热时各临界点分别用Ac1、Ac3和Accm线表示，而实际冷却时各点临界位置分别用Ar1、Ar3和Arcm线表示。 1.6 钢的热处理 1.6.1 钢在加热时的转变 冷却保温温度/临界点加热时间/sSA温度/EP+FwC100A+ Fe3CP+Fe3CA+FAc1A1Ar1A3Ar3Ac3AcmAccmArcm 热处理工艺

3、曲线示意图 碳素钢加热冷却温度临界点 1.6 钢的热处理 1.6.1 钢在加热时的转变 将共析钢加热到Ac1时便发生珠光体向奥氏体的转变。奥氏体的形成过程分三个阶段，如图所示 。1奥氏体的形成 FFe3CA核正在长大的A核未溶的Fe3CAa) 形核b) F向A转变渗碳体溶解c) A中残余渗碳体溶解d) A成分均匀化1.6 钢的热处理 1.6.1 钢在加热时的转变 2奥氏体晶粒的长大 奥氏体晶粒形成后，继续加热或保持恒温，它们将聚集长大，即由小晶粒合并为较粗大的晶粒。由热力学原理可知，这是一种必然发生的过程，因为晶粒合并将使晶界总面积减少，从而使总晶界能降低。 1.6 钢的热处理 1.6.2 钢

4、在冷却时的转变 加热钢使其奥氏体化只是热处理的第一步，而冷却过程则是热处 理的关键一步。在热处理生产中，奥氏体冷却时发生转变的温度通常都低于临界点，即有一定的过冷度，为了了解奥氏体在冷却过程的相变规律，通常采用两种方法：1）把钢加热到奥氏体化后,快速冷却到A1以下，在不同过冷度下等温，测定奥氏体的转变过程，绘出奥氏体等温转变曲线。2）在不同冷却速度（如炉冷、空冷、油冷、水冷）的连续冷却过程中测定奥氏体的转变过程，绘出奥氏体连续冷却转变曲线。这两种曲线能正确说明奥氏体的冷却条件与组织转变间的相互关系，是热处理的理论基础 。1.6 钢的热处理 1.6.2 钢在冷却时的转变 1过冷奥氏体等温转变动力

5、及TTT曲线 转变动力学研究转变量与转变温度和时间的关系，以及影响这种关系的因素。如将奥氏体后的共析钢急冷至A1以下的某个温度，并在该温度下保温，设法测定过冷奥氏体转变量与时间的关系，即可绘出等温转变动力学曲线（见图所示）。在若干不同温度下测得若干不同动力学曲线，分别截取转变开始和转变终了（或终止）所需的时间，即可绘出这种钢的等温转变图，简称TTT曲线（Time, TempeRature, TRansform），也称“C曲线”（如图的下半部分所示）。 1.6 钢的热处理 1.6.2 钢在冷却时的转变 10065104Ms硬度HRC5545403015温度/500bscsasafcscfA1A8

6、007006005004003002001000100Mf20APBABAP转变开始转变完了AMM0.5110102103时间/s共析钢 TTT曲线1.6 钢的热处理 1.6.2 钢在冷却时的转变 上图中A1以上是奥氏体稳定区域。A1以下转变开始线（图中as、bs、cs的连线，称奥氏体转变开始线），转变完毕形成的线段（图中af、bf、cf的连线）称奥氏体转变终了线。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。A1以下转变终止线以右的区域为转变产物区，在转变开始线和转变终止线之间为过冷奥氏体和转变产物共存区。图中水平线Ms为马氏体转变开始温度线，Mf为马氏体转变终止温度 。过冷奥

7、氏体的转变可以分为三种：550以上为珠光体转变，Ms线以下为马氏体转变，550至Ms线之间为贝氏体转变。1.6 钢的热处理 2过冷奥氏体转变产物特点、形成条件及力学性能 类型名 称特 点形成条件力学性能珠光体粗大片壮珠光体铁素体及渗碳体片层在光学显微镜下清晰显现，片间距大于0.4m转变温度较高(共析钢约700650)强度、硬度、塑性、韧性一般细珠光体（索氏体）在光学显微镜下片层难以分辨，片间距较小（0.40.2m）转变温度较低（共析钢约650600）强度、硬度、塑性较粗大片状好极细珠光体（托氏体）片层在光学显微镜下不能分辨，片间距较小（0.2m）转变温度更低（共析钢约600550）强度、硬度、

8、塑性较索氏体好贝氏体上贝氏体渗碳体分布在铁素体条间，使条间容易脆性断裂约在550350的温度区间恒温形成脆性大，基本上无实用价值下贝氏体过饱和的铁素体呈针片状，其上分布着与针长轴呈5560角的微细碳化物（Fe2,4C）颗粒或薄片，弥散度大大约在350左右等温形成具有较高的强度、硬度、塑性和韧性马氏体板条马氏体碳的质量分数与奥氏体相同的过饱和固溶体、体心立方结构平行的板条群由奥氏体晶界长入晶内，板条群间成一定角度，板条宽约0.10.2m奥氏体中wc0.3%, Ms300。在每个板条内有高质量分数位错，也称位错马氏体有较高的塑性和韧性片状马氏体凸透镜片状（针状、竹叶状），初生者较厚长，横跨奥氏体晶

9、粒，次生者尺寸较小，在初生片与A晶界之间分布，片间互成一定夹角奥氏体中wc=1%1.4%, Ms=300100。奥氏体中wc=0.3%1%时形成板条、片状马氏体晶格畸变大，淬火应力大，往往存在很多显微裂纹，塑性和韧性很差1.6 钢的热处理 1.6.3 常用钢的热处理 常用钢的热处理方法通常有退火、正火、淬火、回火、表面淬火、化学热处理等几种。其工艺简介如表所示。钢的各种退火和正火的加热温度范围如图和碳素钢的淬火温度范围如图所示。1.6 钢的热处理 热处理名称热 处 理 方 法热处理后的组织应 用 场 合完全退火将亚共析钢加热到Ac3以上3050，保温后随炉冷到以下，再出炉空气冷却得到平衡组织：

10、铁素体+珠光体用于亚共析钢和合金钢的铸、锻件，目的是细化晶粒，消除应力，软化钢等温退火将亚共析钢加热到Ac3以上，共析钢加热到Ac1以上2030，保温后快速冷到稍低于Ar1的温度，再进行等温处理使A转变为P后，然后在空气中冷却得到平衡组织：铁素体+珠光体，组织比较均匀主要应用于奥氏体比较稳定的合金工具钢和高合金钢，与完全退火相比，可大大缩短整个退火时间球化退火将过共析钢加热到Ac1以上2030，保温后随炉冷到左右再出炉空气冷却在铁素体基体上均匀分布着球状渗碳体组织用于共析和过共析成分的碳钢和合金钢，能降低硬度，改善切削加工性能去应力退火将钢加热到500650，保温后随炉冷却无组织变化消除铸、煅

11、、焊、机加工件的残余应力正火将钢加热到Ac3或Ac1以上3050，保温后在空气中冷却可细化普通结构钢晶粒；使共析钢获得索氏体组织；对过共析钢，可以消除二次渗碳体网低、中碳钢的预备热处理；为球化退火作准备；普通结构零件的最终热处理淬火将钢加热到Ac3或Ac1以上3050，保温后在水、油等淬火介质中快速冷却亚共析钢为细小马氏体组织，过共析钢为马氏体和颗粒状二次渗碳体组织提高钢件的硬度和耐磨性，是强化钢材最重要的热处理方法表面淬火主要有感应加热和火焰加热表面淬火表层获得硬而耐磨的马氏体组织，心部保持原来塑性、韧性较好的退火、正火或调质状态组织表面耐磨，不易产生疲劳破坏，而心部要求有足够的塑性和韧性的

12、工件高温回火淬火后，加热到以上，保温后在空气中冷却，又称调质处理回火索氏体，由细粒状渗碳体和多边形铁素体组成，硬度在3545HRC重要零件如轴、齿轮等中温回火淬火后，加热到350500，保温后在空气中冷却回火屈氏体，由极细粒状渗碳体和针状铁素体组成，硬度在3545HRC5各种弹簧低温回火淬火后加热到150250，降低应力和脆性回火马氏体，高硬度（硬度在5862HRC），耐磨性好各种工模具及渗碳或表面淬火的工作常用的热处理工艺简介1.6 钢的热处理 1.6.3 常用钢的热处理 A+Fe3去应力退火球化退火正火完全退火00.20.60.81.01.21.45006007008009001000温度

13、/C10000.20.40.60.81.01.21.47001000温度/C100AAcm A3A+FP+F P+ Fe3CA1F0.4各种退火和正火的加热温度范围 碳素钢的淬火温度范围1.6 钢的热处理 1.6.3 常用钢的热处理 1淬火方法 （1）单液淬火法：把加热到奥氏体化后的工件放入一种淬火冷却介质中一直冷却到室温的淬火，称为单液淬火法。（2）双液淬火法：也常称为水淬油冷。（3）分级淬火法：分级淬火是把加热好的工件先放入温度稍高于Ms点的盐浴或碱浴中保持一段时间，使工件内外的温度达到均匀，然后取出来在空气中冷却。（4）等温淬火法： 等温淬火的操作方法与分级淬火相似，只是在盐浴和碱浴中的保温时间要足够长，使过冷奥氏体等温转变为有高强韧性的下贝氏体组织，然后取出空冷。1.6 钢的热处理 1.6.3 常用钢的热处理 表面心部温度/MfMsMsA1表面心部Mf油冷(a)单液淬火 (b)双液淬火 1.6 钢的热处理 1.6.3 常用钢的热处理 温度/Mf表面心部空