材料热处理之认识

材料熱處理之認識互动讨论题1以同学们现有的经验与知识，在选择某种材料来制造某个机械零件时，应该考虑哪些因素？性能：能否满足使用要求制成零件的难易程度经济：材料是否容易获得材料价格及运输等成本资源环境：材料是否可以再生产材料生产及使用对环境的影响互动讨论题2在上述必须考虑的因素中，首先要考虑的关键因素是什么？A、材料的性能B、材料的成本C、材料对资源与环境的影响材料的性能使用性能：工艺性能：力学性能物理性能化学性能冷加工性能热加工性能热处理性能

定义：

钢的热处理是将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织结构与性能的工艺。

应用：

是改善钢材性能的重要工艺措施，在机械制造中应用广泛。第一节钢的热处理原理

热处理工艺分类：整体热处理：表面热处理：化学热处理：退火、正火、淬火、回火等表面淬火、物理气相沉积、化学气相沉积等渗碳、渗氮、碳氮共渗等

热处理的工艺要素：温度、时间

热处理工艺曲线：加热保温冷却时间温度一、钢在加热时的转变

钢的临界点：平衡临界点：加热临界点：冷却临界点：A1、A3、AcmAc1、Ac3、AccmAr1、Ar3、ArcmAr1Ar3ArcmA3A1AcmAc3Ac1AccmWc(%)温度名詞解釋固溶体：组成合金的组元，在固态时相互溶解，所形成的单一均匀的物质。金属化合物：合金组元之间发生相互作用而生成的晶格类型和性能不同于任一组元的物质。铁素体：碳溶于α-Fe中形成的固溶体。奥氏体：碳溶于γ-Fe中形成的固溶体。渗碳体：铁与碳形成的金属化合物Fe3C。珠光体：铁素体和渗碳体组成的两相混合物。莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的两相混合物。Fe3CⅠ：从液体金属中直接结晶出的渗碳体称为一次渗碳体.Fe3CⅡ：从奥氏体中析出的渗碳体称为二此渗碳体.Fe3CⅢ：由铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体.亚共析钢:含碳量为0.028℅─2.11℅之间的室温组织为F+P的钢.共析钢:含碳量为0.77℅、室温组织为P的钢.过共析钢:含碳量大于0.77℅、室温组织为P+Fe3CⅡ的钢。（一）A的形成

以共析钢为例：

将共析钢加热至Ac1时，发生P—A转变。其转变过程是一个形核和长大的过程。P—A转变分4个阶段进行：1、A晶核形成2、A晶核长大3、残余Fe3C溶解4、A成分均匀化Ac1以下FFe3CA未溶Fe3CA晶粒A晶界

对于亚共析钢：若加热至Ac1温度以上Ac3温度以下，只能使P—A，得到A+F组织；称之为不完全A化。

对于过共析钢：若加热至Ac1温度以上Accm温度以下，只能使P—A，得到A+Fe3C

ⅱ组织。

上述情况称为不完全A化。（二）A晶粒的长大

1、当P向A转变刚完成时，最初获得的A晶粒是很细小的。

为什么？

减少系统能量，使系统趋向更稳定。但在A后的继续加热保温过程中，A晶粒会继续长大：

加热温度越高、保温时间越长，A晶粒越粗大。

举例：

玻璃板上的小水珠长大

根据热力学定律：一切自发的运动（变化）总是朝着减少能量的方向进行的。

自由落体运动；

水的自然流动；

晶粒长大正是一个减少表面能的过程。

2、晶粒大小对性能的影响

金属材料的晶粒大小对性能有很大影响：

在常温下，金属的晶粒越细小，强度越高、塑性韧性越好。晶粒粗大会导致性能恶化。

因此，生产中总希望获得均匀细小的晶粒。

理论和实践都表明：

因为钢在加热时获得的A晶粒大小，直接影响冷却后转变产物的晶粒大小。（组织遗传）

A晶粒大小对性能有很大影响。讨论：A只是一种高温组织，其晶粒大小对性能是否会有影响？

为什么？

因此，A晶粒大小是评定热处理生产中加热质量的主要指标之一。

在热处理生产中，总是希望在加热时获得均匀细小的奥氏体组织，以确保金属材料在冷却后得到细小的晶粒组织。

3、怎么评定A晶粒大小？

A晶粒大小用A晶粒度来评定。

根据国家标准GB6394-86《金属平均晶粒度测定法》：

标准晶粒度分为12级：

00,0,1,2,3,4,

5,6,7,8,9,10粗晶粒细晶粒超细晶粒

4、热处理生产，在加热时怎样才能获得均匀细小的A晶粒？A晶粒大小与加热温度和保温时间有关。

P向A转变刚完成时，最初获得的A晶粒是很细小的。但随着加热的继续，晶粒会自发长大。

加热温度越高，保温时间越长，A晶粒就越粗大。

因此，在热处理生产中，首先必须合理选择加热温度和保温时间，并在生产中予以严格控制。

加热是热处理生产的第一道工序，也是重要的一道工序。二、钢在冷却时的转变

冷却是热处理的关键工序。

为什么？

先看一个实验：

将5个同尺寸的45钢试样加热至840℃保温相同时间，然后分别以不同冷却速度冷却，再测定它们的力学性能。

结果如下表：冷却方法力学性能硬度HRCb/MPas/MPa/%/%炉冷51927232.54915~18空冷657~70633315~1845~5018~24油冷88260818~204840~50水冷10787067~812~1452~6015%NaCl水溶液冷却57~62

由此可见：

冷却条件不同，钢的性能不同。

因此，有必要掌握钢在冷却时的组织转变规律。

生产中常用冷却方式有等温冷却和连续冷却两种。时间温度A1等温冷却连续冷却（一）过冷A的等温转变

什么叫过冷A？A在A1温度以上是稳定相，冷却至A1温度以下就成了不稳定相，必然要发生转变。

但A并不是一冷却至A1温度以下需停留一定时间（孕育）才能发生转变。

我们把在A1温度以下暂时没有转变的不稳定A称为过冷A。

把A在A1温度以下发生转变前停留的那段时间称为过冷A转变的孕育期。

为研究过冷A转变规律，我们需要用到A等温转变图。A1Ms温度时间A等温转变图的建立：A1AA—PA—BA’MSA’+PA’+BPSTBM+A’Mf温度时间HRC1.共析钢A等温转变图（C曲线）2.过冷A等温转变产物的组织与性能：

过冷A等温转变的温度不同，发生的转变不同，转变产物的组织和性能也不同，如下表：等温转变温度℃组织名称组织形态层间距ℳm分辨所需放大倍数硬度HRCA1~650珠光体P粗大层片状~0.3<500<25650~600索氏体S细小层片状0.1~0.31000~150025~25600~550托氏体T极细层片状~0.110000~10000035~40550~350上贝氏体B上羽毛状_>40040~45350~Ms下贝氏体B下黑色针状_>40045~55（二）过冷A的连续冷却转变A等温转变图反映了在等温冷却条件下，等温温度与转变产物及性能之间的关系。

但是，在实际热处理生产中，更多的是连续冷却。

问？在连续冷却条件下，过冷A的转变规律是否相同呢？

基本相同，但有区别。因此，要研究A在连续冷却条件下的转变规律，有必要引入A连续冷却转变图。1、共析钢A连续冷却转变图温度时间A1MsMfPSPfPkV1(炉冷）V2(空冷）Vk’V3(油冷）V4(水冷）Vk2、过冷A连续冷却转变产物的组织与性能

通过A连续冷却转变图，我们可以很方便地了解过冷A连续冷却转变产物的组织与性能。

但是，A连续冷却转变图测定较困难。生产中常借用同种钢的A等温转变图分析过冷A连续冷却转变产物的组织与性能。

下面以共析钢为例，用A等温转变图来分析过冷A连续冷却转变产物的组织与性能：A1APsA’MSPSTBMf温度，℃时间HRCV4(M+A’）V3(M+T）V2(S）V1(P）-50230共析钢过冷A连续冷却转变产物的组织与性能冷却速度冷却方法转变产物硬度v1随炉冷却珠光体P170~220HBSv2空气冷却索氏体S25~35HRCv3油中冷却托氏体+马氏体T+M45~55HRCv4水中冷却马氏体+残余奥氏体M+AR55~65HRC第二节钢的退火与正火

热处理工艺分类：整体热处理：表面热处理：化学热处理：退火、正火、淬火、回火等表面淬火、物理气相沉积、化学气相沉积等渗碳、渗氮、碳氮共渗等按目的分类：预备热处理：最终热处理：为消除钢材经热加工后引起的某些缺陷，或为以后的加工做准备的热处理。退火正火为满足零件最终使用性能而进行的热处理。淬火、回火表面热处理化学热处理一、钢的退火定义：目的：将钢件加热到适当温度保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。1、降低硬度，提高塑性；2、细化晶粒，消除组织缺陷；3、消除内应力，提高塑性；

为以后的加工做准备。

为以后淬火做组织准备。

稳定尺寸，防止变形开裂。工艺：完全退火球化退火去应力退火扩散退火（一）完全退火定义：工艺：将钢件加热完全A化后保持一定时间，然后缓慢冷却，获得接近平衡的热处理工艺。1、加热温度：2、保温时间：3、冷却；

Ac3+30~50℃

按钢件有效厚度计算。

炉冷至500~600℃后出炉空冷。工艺曲线：温度时间500~600℃Ac3Ac1炉冷空冷应用：主要用于中碳钢和中碳合金钢的铸、焊、锻件和轧制件。对于过共析钢，因缓冷时沿晶界析出网状二次渗碳体，会显著降低钢的塑性和韧性，并给以后的切削加工和淬火带来不利影响。因此，过共析钢不宜采用完全退火。注意：（二）球化退火定义：工艺：使钢中碳化物球状化的退火工艺称为球化退火。1、加热温度：2、保温时间：3、冷却；

Ac1+20~30℃

同上普通球化退火：等温球化退火：炉冷至500~600℃后出炉空冷。普通球化退火：等温球化退火：先在Ar1以下20℃等温足够时间后，炉冷至500~600℃后出炉空冷。工艺曲线：温度时间500~600℃Ac3Ac1炉冷空冷炉冷普通球化退火等温球化退火讨论1：

为什么球化退火能使钢中碳化物球状化？1、片状球化能减少表面能量，使系统更稳定；2、球化退火冷却条件为碳化物球化提供了外界条件。

与层片状珠光体相比，球状珠光体硬度低、塑性好，有利于切削加工；并在以后的淬火过程中，A晶粒不容易长大，冷却时产生变形和裂纹的倾向也较小。讨论2：

为什么要使钢中碳化物球状化？应用：主要用于共析钢和过共析钢的锻轧件。如果原始组织中存在较多的渗碳体网，应先进行正火消除渗碳体网后，再进行球化退火。注意：讨论3：为什么亚共析钢不进行球化退火？亚共析钢球化退火后硬度太低。（三）去应力退火定义：工艺：为去除因塑性变形、焊接等而造成的应力热处理工艺。1、加热温度：2、冷却；500~600℃

炉冷至室温应用：广泛应用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以及机加工件中的残余应力。讨论：去应力退火过程中是否有相变发生？

没有。因为加热温度在A1以下。目的：稳定钢件尺寸，减少变形，防止开裂。二、钢的正火定义：目的：将钢件加热到Ac3(或Accm)温度以上30~50℃，保持一定时间，然后在静止空气中冷却的热处理工艺。与完全退火相似。1、细化晶粒；3、调整硬度。2、均匀组织；工艺曲线：温度时间Ac3AccmAc1空冷应用：1、消除过共析钢的碳化物网，为球化退火做好组织准备；2、对低、中碳钢和低合金结构钢，作为消除应力，细化组织，改善切削加工性能和为淬火做组织准备的预备热处理；3、用于某些碳钢、低合金钢工件在淬火返修时，消除应力，细化组织，以防止重新淬火时产生变形和开裂。4、对于某些力学性能要求不是很高的普通结构件，正火也可取代调质处理作为最终热处理使用。各种退火、正火工艺曲线：温度时间500~600℃Ac3Ac1完全退火球化退火正火去应力退火扩散退火Ac3+150~200℃Ac3+30~50℃Ac1+20~30℃三、退火和正火的选择

（完全）退火和正火都属于预备热处理。

完全退火和正火的工艺相似。

完全退火和正火的作用也基本相同。讨论1：

完全退火和正火能否相互替代？

有时相互替代，有时不能替代。讨论2：

在实际生产中，退火和正火怎么选用？

1、从切削加工性考虑最宜切削加工的硬度：170~260HBS因此对Wc<0.50%的结构钢：预备热处理宜采用正火。对Wc>0.50%的结构钢：预备热处理宜采用完全退火。对高碳工具钢：预备热处理宜采用球化退火。

2、从零件的结构形状考虑

3、从经济性考虑

对形状复杂或尺寸较大的零件：

预备热处理宜采用完全退火而不用正火，以减少应力和变形。

正火生产周期短，成本低，操作简单。因此，在可能条件下尽量采用正火，以降低生产成本。定义：

将钢件加热到Ac3或Ac1以上温度保持一定时间，然后以适当速度冷却，获得M或B下的热处理工艺称为淬火。第三节钢的淬火与回火

钢件淬火后，再加热到A1以下某一温度保持一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。注意：

淬火回火工艺通常配合在一起使用，是强化钢材、发挥钢材性能潜力、提高机械零件使用寿命的重要手段。

通过淬火与一定温度的回火相配合，可以获得各种不同的组织和性能，满足各类零件和工具对使用性能的不同要求。因此：淬火回火是生产中应用最广泛的热处理工艺一、钢的淬火工艺淬火加热温度加热保温时间淬火冷却介质淬火加热温度

碳钢：根据Fe-Fe3C确定：

亚共析钢：Ac3+30~50℃共析钢过共析钢：Ac1+30~70℃

合金钢：根据相变临界点确定，

可适当提高。加热保温时间=KDK——装炉系数（1~1.5）

——加热系数，D——钢件有效厚度.淬火冷却介质A1MSMf温度时间钢件淬火时理想的冷却曲