第六周-2.4钢热处理2.5合金化

第二章金属材料组织和性能的控制第一节纯金属的结晶第二节合金的结晶第三节金属的塑性加工第四节钢的热处理第五节钢的合金化第六节表面技术2.4钢的热处理

(HeatTreatmentofSteel)概述钢在加热时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢的普通热处理工艺钢的表面热处理工艺概述1、热处理工艺:将钢在固态下加热、保温和冷却,以改变钢的组织结构,获得所需要性能的一种工艺方法.

热处理工艺过程包括加热、保温、冷却三个操作过程，通常用用热处理工艺曲线表示。（1）特点:通过改变工件的组织来改变性能，但不改变其形状---和铸造、压力加工等工艺方法是有区别的。铸造轧制（2）适用范围:只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。

2.热处理的主要目的:改变材料（钢）的力学性能。3.热处理的分类热处理普通热处理表面热处理退火;正火;淬火;回火;表面淬火

化学热处理感应加热淬火火焰加热淬火渗碳;渗氮;碳氮共渗;渗金属等。激光表面淬火等

2.4.1钢在加热时的组织转变一.转变温度——临界温度：A1、A3、AcmAc1、Ac3、Accm表示加热时的转变温度calefaction

Ar1、Ar3、Arcm表示冷却时的转变温度refrigeration二、钢的加热转变—奥氏体化过程1、奥氏体化：加热到临界点以上，以获得均匀奥氏体组织为目的的操作。2、奥氏体的形成过程--形核和长大的过程。以共析钢为例说明：分为四步。

第一步奥氏体晶核A形成:

首先在F与Fe3C相界形核.第二步奥氏体晶核长大：A晶核通过碳原子的扩散向F和Fe3C方向长大。A

形核铁素体Fe3CA

未溶Fe3CA长大第三步残余Fe3C

溶解：上述转变时，铁素体相先消失；残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。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。残余Fe3CA残余Fe3C溶解AA均匀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。但由于先共析F

或二次Fe3C的存在,要获得全部奥氏体组织,必须相应加热到Ac3或

Accm以上.1、奥氏体晶粒度■实际晶粒度:在给定热处理温度下奥氏体的晶粒度。可以相互比较。■本质晶粒度:在930℃、8h条件下奥氏体化得到的晶粒度。可以比较晶粒长大的倾向。2、影响奥氏体晶粒长大的因素⑴加热温度和保温时间:

加热温度高、保温时间长,晶粒粗大.和再结晶晶粒长大过程相同。⑵加热速度:

速度越快,过冷度越大,形核率越高,晶粒越细.三、奥氏体的晶粒度及其影响因素

奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的力学性能，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。⑶钢的化学成分：阻碍奥氏体晶粒长大的元素：Ti、V、Nb、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析出颗粒对黄铜晶界的钉扎Nb/%奥氏体晶粒尺寸/μmNb、Ti对奥氏体晶粒的影响■

处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。■过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变两种。两种冷却方式示意图1——等温冷却

等温转变过程2——连续冷却

连续冷却转变过程A1

2.4.2钢在冷却时的转变钢在A化后有两种冷却方式：

1、等温冷却将钢迅速冷却到临界点以下的给定温度，进行保温，在该温度恒温转变。

2、连续冷却将钢以某种速度连续冷却，使其在临界点以下变温连续转变。2.4.2钢在冷却时的转变1、过冷奥氏体等温转变图（TTT曲线）

过冷奥氏体等温转变图是表示奥氏体急速冷却到临界点A1以下，在各不同温度等温转变时转变量与转变时间的关系曲线。TTT曲线又称C曲线。一、过冷奥氏体的等温转变（C曲线）共析钢TTT图A1过冷奥氏体区产物区产物区温度在临界温度A1以上时，奥氏体是稳定的，能长期存在。降低到A1以下时，奥氏体处于过冷状态不稳定，发生转变。三条水平线A1

A和P的平衡温度Ms

A→M的开始转变温度Mf

A→M的终了转变温度两条曲线左过冷A转变开始线右过冷A转变终了线1、共析钢过冷A的等温转变（C曲线）2、共析碳钢等温转变组织与性能分析稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线

A+产物区产物区A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;P转变区。550～230℃;中温转变区;半扩散型转变;

贝氏体(B)转变区;230～-50℃;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf1）珠光体型(P)转变(A1～550℃):A1～650℃:片间距为0.6～0.7μm(500×);称珠光体（P），硬度：5～25HRC。

650～600℃:片间距为0.2～0.4μm(1000×);称索氏体(S);硬度：25～36HRC。600～550℃:片间距为＜0.2μm(电镜);称屈氏体(T);硬度：35～40HRC。片间距越小性能越好！珠光体形貌光镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌索氏体形貌屈氏体形貌电镜形貌光镜形貌珠光体P、索氏体S、屈氏体T

都属于珠光体类型的组织，都是铁素体和渗碳体组成的片层相间的机械混合物，它们的差别仅仅是片间距不同。2）贝氏体型(B)转变(550～230℃):贝氏体（B）是渗碳体分布在碳过饱和的F基体上的两相混合物，但二者的不同分布得到上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）。半扩散型转变，转变温度不同，形成的B形态不同，550~350℃B上羽毛状，小片状渗碳体分布在成排的F片之间350℃~MsB下，黑色针状上贝氏体下贝氏体2）贝氏体型(B)转变(550～230℃):

★B上，羽毛状，F和Fe3C较粗大，硬度低，韧性低。★B下，黑色针状，细小无方向性，而F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。上贝氏体：550～350℃:B上、典型形貌羽毛状;

硬度：40～45HRC。上贝氏体组织金相图下贝氏体：350～230℃:B下、典型形貌—黑色针状;

硬度：50～60HRC。下贝氏体组织金相图3）马氏体型(M)转变(230～-50℃):（1）定义:马氏体是一种碳在α–Fe中的过饱和固溶体。（2）马氏体的形态：由碳含量决定，典型形貌为板条状和片状两类。光镜下光镜下板条状片状◆

板条状---低碳马氏体(＜0.2%C);硬度：30～50HRC;延伸率：δ=9～17%。◆

针、片状---高碳马氏体(＞1%C);

硬度：66HRC左右;延伸率：δ≈1%。◆碳含量（0.2＜%C＜1.0）范围：

马氏体形态为板条状和片状的混合状，C%越高，片状马氏体所占的比例越多。45钢淬火组织，400×马氏体的碳浓度Wc100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度(HRC)2000抗拉强度σb(Mpa)180014001000600200（3）马氏体的性能:主要取决于马氏体中的碳含量。二、奥氏体连续冷却转变1、共析碳钢连续冷却转变曲线---CCT曲线只有P和M转变区没有B转变区Ps

—A过冷→P的开始线Pf—A过冷→P的终了线kk′—A过冷转变中止线2.临界冷却速度VK：钢在淬火冷却时，获得马氏体组织的最小冷却速度。3.连续冷却过程组织分析例共析钢（碳素钢）连续冷却组织分析（1）炉冷:室温组织

P（粗片状）（2）空冷：室温组织

P（细片状）（3）油冷：室温组织

P+M（4）水冷：室温组织

M

常用的热处理加热设备：2.4.3钢的普通热处理

2.4.3钢的普通热处理一般零件生产的工艺路线:毛坯生产预备热处理机械粗加工最终热处理机械精加工预备热处理:退火;正火最终热处理:淬火;回火一、钢的退火(Annealingofsteel)

1、定义:把钢加温到适当温度，保温一定时间后缓慢冷却（一般为随炉冷却）的热处理工艺．2、目的:消除内应力；

降低硬度为机加工做准备；均匀组织，为最终热处理作好组织准备。3、种类退火重结晶退火低温退火完全退火扩散退火球化退火再结晶退火去应力退火普通退火等温退火普通球化退火等温球化退火

（2）等温退火

Ac3＋20℃~30℃（快速冷却）

目的：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

Ac1＋20～30℃。过共析钢和合金工具钢。目的：降低硬度、均匀组织、改善切削性能，为淬火作组织准备获得粒状珠光体。（1）完全退火

Ac3＋20℃~30℃。获得接近平衡组织。（缓慢冷却）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

共析钢球化退火组织(化染)700T10钢球化退火组织(化染)500（6）再结晶退火

650～700℃，获得细小均匀的等轴晶粒。目的：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500～650℃，保温后随炉缓慢冷却。目的：消除因变形加工及铸造、焊接过程中引起的残余内应力，以提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂。（4）扩散退火（均匀化退火）Ac3或Accm＋100～200℃，10-15h。目的：消除枝晶偏析，组织粗大需要完全退火或正火处理。二、钢的正火(Normalizingofsteel)1、定义:

把零件加温到临界温度以上30～50℃,保温一段时间,然后在空气中冷却。2、目的:

作为最终热处理-细化晶粒，均匀组织，提高强度、硬度、塑性;

作为预先热处理-细化晶粒，均匀组织，为淬火或球化退火做准备；

改善切削加工性能-可提高硬度。温度(°C)名称Ac3+30～50亚共析钢Ac1+30～50共析钢Accm+30～50过共析钢3、工艺参数温度(°C)名称Ac3+30～50亚共析钢Ac1+30～50共析钢Ac1+30～50过共析钢三、钢的淬火1、定义：加热到相变(临界）温度以上30～50℃，保温一定时间，快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺。

2、工艺参数3、热处理后的组织:

M+Fe3C+A残

Ac1+30～50过共析钢

M+A残

Ac1+30～50

共析钢

M+A残

Ac3+30～50亚共析钢Wc＞0.5%

M

Ac3+30～50亚共析钢Wc≤0.5%

最终组织淬火温度(℃)

钢种4、淬火加热时间(τ)的选择:

升温+保温τ

=α

K

D工件有效厚度(尺寸最小部位)装炉量有关系数一般K=1～1.5加热系数,与钢种及加热介质有关高温区（650-550oC）低温区（300-200oC）理想介质快慢水快快盐水慢快油慢慢碱/硝盐浴慢特慢5常用的淬火冷却介质6、钢的淬硬性(Hardeningofsteel)1）定义:是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。2）影响钢的淬硬性的因素:主要取决于马氏体的含碳量.7、钢的淬透性(Hardenabilityofsteel)1）定义:是指钢在淬火时所能得到的淬硬层(马氏体组织占50%处)的深度。2）影响钢的淬透性的因素:主要受碳含量和合金元素的影响。例：加入合金元素Cr、Ni、Mn等显著提高钢的淬透性采用“多组元、少含量”效果更显著3）淬硬性与淬透性之间的关系:淬透性淬硬性钢种小低碳素结构钢(20)小高碳素工具钢(T12A)大低低碳合金结构钢(20Cr2Ni4A)大高高碳高合金工具钢(W18Cr4V)四、钢的回火(Temperingofsteel)1、定义:

把淬火后的零件重新加温到临界温度（Ac1线）以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到室温。2、目的:(1)消除淬火应力,降低脆性;---易变形和开裂(2)稳定组织和工件尺寸;----马氏体组织不稳定，易分解(3)调整淬火零件的力学性能,获得强韧配合。---马氏体组织硬度大，塑性低3、淬火钢回火过程中的组织变化

淬火后的组织为马氏体+残余奥氏体，都是不稳定组织，本身有向稳定组织转变的趋势，回火过程加热和保温加速这一过程的发展。

随回火温度升高，淬火组织变化过程如下：

回火马氏体组织金相图组织：回火马氏体M回+残余奥氏体1.低温回火150～250℃，回火M+A’降低应力和脆性，高的硬度、强度和耐磨性，耐磨件

回火屈氏体组织金相图组织：回火屈氏体T回(铁素体+粗粒状渗碳体）

2.中温回火350～500℃，回火T中温回火后具有高的弹性极限，弹簧件

回火索氏体组织金相图组织：回火索氏体S回（铁素体+细粒状渗碳体）高温回火

500～650℃，回火S

高的综合力学性能，淬火+高温回火=调质处理中碳结构钢曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车拖拉机半轴、机床主轴及齿轮等重要机器零件。耐磨件M回150～250低温回火弹簧等T回350～500中温回火调质件S回500～650高温回火高合金钢P粒650～A1高温软化总结：回火工艺参数和组织淬火+高温回火=调质处理用途组织温度(℃)名称淬火+高温回火=调质处理

2.4.4钢的表面热处理

表面淬火：仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面处理，也叫表面淬火。1、（火焰表面淬火）

乙炔-氧或煤气-氧2、感应加热表面淬火原理：电磁感应原理

特点：①过热度大。②细小隐晶M组织，高2～3HRC。③表层存在很大的残余压应力。④无氧化、脱碳，工件变形很小。⑤易于实现机械化与自动化。3、激光表面淬火激光表面处理示意图超快加热相变加热速度：104~106℃/s冷却速度：106~108℃/s，自冷淬火

2.4.5钢的化学热处理定义：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渗入工件表面，以改变钢件表层化学成分和组织的热处理工艺。基本过程：①介质的分解：形成活性原子；②表面吸收和溶解：形成固溶体或化合物；③原子扩散：形成一定的扩散层。1．渗碳渗碳：活性碳原子［C］渗入钢的表层。目的：增加表面C含量，淬火＋低温回火，表面硬，心部韧

方法：气体、固体、液体钢种：低碳钢和低碳合金钢如20、20Cr、20CrMnTi工艺：900~950℃，时间-厚度1h，0.5mm，4h，1mm

2．渗氮氮化：在一定温度下使活性氮原子［N］渗入工件表面。目的：提高硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性方法：气体渗氮、离子渗氮、氮碳共渗（软氮化）等工艺：调质，500~600℃，20~50h，0.3~0.5mm38CrMoAl钢氮化工艺曲线图3．碳氮共渗氰化：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。5.渗铬耐磨耐蚀及抗氧化性6.渗铝

提高热稳定性、耐磨耐蚀性4.渗硼提高硬度、耐磨性和耐蚀性602.5钢的合金化合金元素：碳钢中有意识地加入的元素。Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Al、Co、B、RE等，P、S、N。目的：需要的组织结构、物理、化学和力学性能61合金元素在钢中的分布：①溶解于固溶体→合金F及合金A；②形成强化相→碳、氮化合物或溶于渗碳体中形成合金渗碳体③少量夹杂物→氧化物、硫化物等；④在高合金钢中还可能形成金属间化合物。存在方式主要取决于它们与铁和碳的相互作用情况62一、合金元素与铁、碳的作用1.溶于铁中部分扩大A相区的元素：C、N、Cu完全扩大A相区的元素：Mn、Ni、Co按其对α-Fe或γ-Fe的作用，可将合金元素分为两大类：奥氏体稳定化元素（扩大γ相区的元素

）：63部分缩小A：B、Nb、Zr铁素体稳定化元素（缩小γ相区元素）：完全封闭A：Cr（7%）、Mo、W、V、Ti、A1、Si64与碳亲和力，两大类：（1）非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、A1、N、B等。溶于铁素体和奥氏体中。（2）碳化物形成元素：V、Nb、Zr、Ti、W、Mo、Cr、Mn等2.与碳的作用碳化物都有较高的硬度和熔点，是重要的强化相65所有合金元素匀使S、E点左移，即这两点的含碳量下降，使碳含量比较低的钢出现过共析组织（如4