材料科学基础第7章补充内容第13节钢的热处理

第5章钢的热处理重点：热处理方法和选择。难点：热处理原理。学习方法：工作条件→性能要求→使用组织→热处理工艺改善钢的性能，主要有两条途径：①合金化，下几章研究的内容；②热处理，本章要研究的内容。热处理:

是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却下来的一种热加工工艺。第1节热处理的基本概念一、热处理的重要性和目的经铸造、锻造等热加工以后，工件中往往存在残余应力，硬度偏高或偏低，组织粗大，存在成分偏析等缺陷。危害：

1）力学性能差；

2）不利于切削加工和成型；

3）淬火时也容易造成变形和

开裂。

热处理的目的：1、预备热处理（中间热处理）：

1）改善加工性能；

2）为最终热处理作准备。

2、最终热处理：获得使用性能。

3、表面热处理：改善表面性能。在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中热处理的零件达70-80%。热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。模具、滚动轴承100%需经过热处理。总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。

二、热处理的基本要素

加热、保温和冷却。三、热处理工艺

根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热处理工艺。(a)940淬火+220回火（板条M回+A‘少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板条M+条状F+A’少）(e)940淬火+780淬火+220回火（板条M回+条状F+A‘少）(f)780淬火+220回火（板条M回+块状F）

20CrMnTi钢不同热处理工艺的显微组织四、热处理的理论依据

原子扩散和固态相变。五、热处理的特点改变组织与性能；而不改变形状与尺寸。六、热处理的分类1、普通热处理：

退火、正火、淬火和回火。2、表面热处理：表面淬火；化学热处理。

3、其它：真空热处理；可控气氛热处理；形变热处理等。七、钢的临界转变温度

A1→Ac1→Ar1A3→Ac3→Ar3

Acm→Accm→Arcm

第二节钢的热处理原理一、钢的加热转变目的：获得细小的奥氏体。（一）奥氏体的形成（共析钢）钢坯加热共析钢奥氏体化过程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

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.（二）奥氏体晶粒度

1、奥氏体晶粒度的概念用来度量奥氏体晶粒的大小的量。奥氏体晶粒度在100倍显微镜下，分为8级，1级最粗，8级最细。

2、晶粒度分类①起始晶粒度；②实际晶粒度；③本质晶粒度。（三）奥氏体晶粒度的影响因素⑴加热温度和保温时间:

加热温度高、保温时间长,晶粒粗大。⑵加热速度:加热速度越快,过热度越大,形核率越高,晶粒越细。

⑶合金元素：若钢中加入适量能形成难熔中间相的合金元素，如Ti、Zr、V、Al、Nb等，能强烈阻碍奥氏体晶粒长大，达到细化晶粒的目的。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二、钢在冷却时的组织转变（一）钢的冷却方式（二）过冷奥氏体等温转变图

1、“C曲线”的建立（TTT曲线）5506502s10s5s2s5s10s30s40s时间温度A1MSMfA过冷PBMA→MA→BA→P转变开始线转变终了线奥氏体2、影响C曲线的主要因素1）碳含量对碳钢C曲线的影响亚共析钢和过共析钢的“C曲线”左移2）合金元素对C曲线的影响大多数合金元素使“C曲线”右移。

3、三种等温转变的组织和性能

1）珠光体类型组织与性能

（1）珠光体类转变是过冷A在临界温度A1以下比较高的温度范围内进行的转变。是典型的扩散型相变。

珠光体转变过程（2）珠光体型组织：是由铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物，通常呈片层状。（3）分类：根据珠光体片间距的大小，可分为:珠光体、索氏体、屈氏体。珠光体索氏体托氏体珠光体×1000

屈氏体×1000珠光体、索氏体、屈氏体之间无本质区别，其形成温度也无严格界线，只是其片层厚薄和间距不同。（4）机械性能综合性能好，可制作性能要求不高的零件。主要取决于片层间距的大小：片层间距愈小，其强度、硬度愈高，同时塑性、韧性也有所改善。

珠光体<<索氏体屈氏体2)马氏体类型组织与性能

(1)马氏体转变：是指钢从奥氏体状态快速冷却(即淬火)而发生的无扩散型相变。是强化钢的重要途径之一。(2)马氏体：是碳溶于α-Fe中的过饱和间隙式固溶体，记为M。

马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c）轴比c/a称马氏体的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸变越严重。当＜0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格。(3)马氏体转变特点a、无扩散性:通过切变方式完成，转变速度极快。马氏体转变切变示意图马氏体转变产生的表面浮凸b、降温转变:

MfMsM(50%)M(90%)c、转变不完全：室温时仍有部分未转变的奥氏体存在，称之为残余奥氏体，记为Ar。’原因：多数钢的Mf在室温以下。消除方法：冷处理。（4）马氏体的形态主要取决于其含碳量C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体。C%大于1.0%C时几乎全部是针状马氏体。C%在0.2~1.0%之间为板条与针状的混合组织。马氏体形态与含碳量的关系0.45%C0.2%C1..2%C（4）马氏体的组织形态

a.低碳钢：板条马氏体（位错马氏体、低碳马氏体）。光镜下电镜下b.高碳钢：片状马氏体（孪晶马氏体、高碳马氏体）。

电镜下光镜下（5）马氏体的性能特点

a.显著特点：

是具有高硬度和高强度。

b.塑性和韧性:

主要取决于马氏体的亚结构。片状马氏体：脆性较大。

原因是含碳量高、晶格畸变大，存在许多显微裂纹。板条马氏体：

有相当有一定的塑、韧性。（6）马氏体的强化机制固溶强化

相变强化

造成晶格缺陷密度很高的亚结构。时效强化碳和其它合金元素的原子会向位错线等缺陷处扩散偏聚。晶界强化

3）贝氏体类型组织与性能贝氏体（B）=过饱和F+Fe3C

a、贝氏体的组织形态：

上贝氏体上贝氏体转变过程下贝氏体下贝氏体转变b、贝氏体的力学性能：上贝氏体：

强度和韧性较低。下贝氏体：

不但强度高，而且韧性也好。

c、应用上贝氏体：

无应用价值，工艺上应避免。下贝氏体：

综合性能好；在航空航天等领域得到应用；通过等温淬火工艺获得。过冷奥氏体转变产物（共析钢）

转变类型转变产物形成温度，℃转变机制显微组织特征HRC获得工艺珠光体PA1~650扩散型粗片状，F、Fe3C相间分布5-20退火S650~600细片状，F、Fe3C相间分布20-30正火T600~550极细片状，F、Fe3C相间分布30-40等温处理贝氏体B上550~350半扩散型羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和F条之间40-50等温处理B下350~MS竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上50-60等温淬火马氏体M针MS~Mf无扩散型针状60-65淬火M*板条MS~Mf板条状50淬火

4、“C曲线”的应用

1）临界冷却速度VK

VK临界冷却速度：获得100%马氏体的最低冷却速度，即与C曲线鼻尖相切的冷却速度Vk。C曲线越靠右边，Vk越小，越容易获得马氏体，即钢的淬透性越好。2）C曲线的应用将冷却曲线与C曲线叠加，可确定钢冷却后的组织与性能，是制定热处理工艺的理论依据。Vk’Vk时间/s温度/℃共析钢的CCT图共析温度连续冷却转变曲线完全退火正火等温转变曲线油淬水淬M+A’M+T+A’SP200100P均匀A细AP退火(炉冷)正火(空冷)S淬火(油冷)T+M+A’M+A’淬火(水冷)A1MSMf时间650℃600℃550℃用TTT曲线定性说明共析钢连续冷却时的组织转变炉冷空冷油冷水冷PST+M+A’M+A’(三)碳钢过冷奥氏体连续冷却转变图（CCT曲线）VKVK

、1、CCT曲线在C曲线的右下方，且无贝氏体转变，即半个C曲线。2、等温冷却时的临界冷却速度Vk比连续冷却时的临界冷却速度V、k大1.5倍。因此，只要实际冷却速度V大于Vk，就能保证大于V、k，在连续冷却时就能获得100%马氏体，达到淬火目的。结束预备热处理与最终热处理预备热处理——为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作准备的热处理。最终热处理——赋予工件所要求的使用性能的热处理。预备热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线时间温度/℃曲轴的加工工艺：下料→锻造→正火→粗机加工→调质处理（淬火+高温回火）→轴颈表面淬火

+低温回火→精机加工→成品第三节钢的退火与正火目的：“四化”1）“软化”：调整硬度改善切削加工和压力加工的性能；2）细化：改善组织和性能，淬火作准备；3）均匀化：消除成分和组织偏析，为淬火作准备；4）稳定化：消除残余应力，减小变形，提高尺寸精度。一、退火1、定义将钢加热到适当的温度，保温一段时间后，缓慢地冷却（炉冷、在煤木灰和石绵材料中的冷却）到室温，获得平衡组织的工艺。真空退火炉2、目的及作用：退火可降低硬度；消除内应力；提高钢材冷变形后的塑性；细化晶粒，改善组织。

3、分类

再结晶退火去应力退火4、退火的应用1）完全退火：晶粒细化，均匀组织，消除应力，降低硬度，以利于切削加工。主要用于亚共析钢的铸件、锻件、热轧件，有时也用于焊件。2、球化退火：使钢中碳化物呈球状化，以降低硬度，改善切削加工性能，并为以后的淬火做好组织准备。

主要用于过共析钢的刃具、滚动轴承和冷作模具等。球状珠光体3、扩散退火：成分均匀化。4、再结晶退火：消除加工硬化。5、应力退火：消除残余内应力，避免工件在使用或随后的加工过程中产生变形或开裂。主要用于铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件等。二、正火

1、定义是将钢件加热到Ac3或Accm以上，保温一定时间后，在空气中冷却得到细片状珠光体组织的热处理工艺。

正火温度2、正火目的：与退火基本相同。3、正火后的组织：

<0.6%C时，组织为F+S；

0.6%C时，组织为S

。3、正火的特点：其冷却速度较退火快些，所得到的组织较细，机械性能要好；在炉外冷却，不占用加热设备，生产周期比退火短，生产效率高，能量消耗少，工艺简单。

4、应用（1）对于亚共析钢：主要是细化晶粒，均匀组织，提高机械性能；对力学性能要求不高的普通结构零件，可作为最终热处理。改善中、低碳钢的切削性能；

钢的热处理与加工硬度（阴影部分为适合切削加工的硬度范围）（2）过共析钢：球化退火前作一次正火，可消除网状二次渗碳体，保证二次渗碳体全部球粒化；为淬火作组织准备。（3）用于铸钢件：可以细化铸态组织，改善切削加工性能。（4）用于大型锻件：可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向。

（5）用于球墨铸铁：提高硬度、强度、耐磨性。用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件。第四节钢的淬火

一、淬火是将钢件加热到Ac1或Ac3以上，保温一定时间后，快速冷却（通常大于临界冷却速度Vk），以得到马氏体（或下贝氏体）组织的热处理工艺。淬火是应用最广的热处理工艺之一。淬火目的是为获得马氏体组织，提高钢的性能。高强螺栓柴油机连杆齿轮二、淬火工艺1、淬火加热温度原则：获得细小奥氏体。亚共析钢：Ac3+30~50℃；对共析钢和过共析钢：

Ac1+30~50℃。钢的淬火温度范围亚共析钢淬火组织：0.5%C时为M；0.5%C时为M+A’。65MnV钢(0.65%C)淬火组织45钢(含0.45%C)正常淬火组织共析钢淬火组织：M+A’过共析钢淬火组织:

M+Fe3C颗粒+A’预备组织为P球T12钢（含1.2%C）正常淬火组织2、保温时间t

电炉加热1-1.5min/mm；盐炉加热45s/mm。

3、淬火冷却介质理想淬火曲线示意图MsMf水快用于碳钢，熔盐的能力在水和油之间,用于分级淬火和等温淬火。油慢用于合金钢。4、淬火方法：1-单液淬火；2-双液淬火；3-分级淬火；4-等温淬火。二、钢的淬透性和淬硬性1、淬透性（J）1）定义：在规定条件下，获得马氏体的能力。实际冷却速度、临界冷却速度与马氏体区的关系1、淬透性的测定常用末端淬火法d2、淬透性的表示方法⑴用淬透性曲线表示用淬硬层深度d（半马氏体区深度）与硬度表示，J(HRC/d)。

例、45钢：J(42/3.3)40Cr：J(46/9.4)

⑵用临界淬透直径D0表示用中心被淬成半马氏体的最大直径，用D0表示。45钢：D0水=16mm，D0油=8mm；40Cr：D0油=20mm。3）主要影响因素：合金元素↑→使C曲线右移→Vk降低→

淬透性越好。2、淬硬性定义：钢在规定条件下进行淬火时能达到的最高硬度的能力。主要影响因素：含碳量。3、钢的淬火变形与开裂（1）造成的原因：热应力；组织应力。（2）减小变形的措施：选淬透性好的钢；锻造和球化退火改善碳化物分布；结构设计合理：总原则：厚薄均匀和对称，避免应力集中。①避免尖角和截面突变。②结构要对称，必要时可增加工艺孔。③孔的位置距边与尖角的距离要适当，并应避免盲孔。④必要时可将整体件改成组装件。⑤采用封闭结构和加筋，热处理后切开或去掉。⑥为了减少零件的变形，热处理时可以上夹具。第五节

回火1）定义：是将淬火后的钢加热到Ac1以下某一温度，保温后冷却下来的一种热处理工艺。

螺杆表面的淬火裂纹2）回火目的：

(1)是减小或消除淬火应力，稳定组织;（2）提高钢的塑性和韧性;（3）使钢的强度、硬度和塑性、韧性得到适当配合，以满足不同工件的性能要求。（4）高合金钢常用回火改善切削性能。

3）回火时组织的变化4）回火时性能的变化不同含碳量淬火钢回火时硬度的变化200℃以下，由于马氏体中碳化物的弥散析出，钢的硬度并不下降，高碳钢硬度甚至略有提高。200-300℃，由于高碳钢中A’转变为M回,硬度再次升高。大于300℃,由于Fe3C粗化，马氏体转变为铁素体,硬度直线下降。5）回火的分类和应用

按温度范围，回火可分为：低温回火中温回火高温回火

⑴低温回火

(150-250℃)

主要组织：回火马氏体

M回=ε（Fe2.4C）+F过饱和性能：降低残余应力和脆性；保持高强度、硬度和耐磨性。

应用：工具、滚动轴承、渗碳工件、表面淬火工件等。

⑵中温回火(350-500℃)组织：回火屈氏体T回。性能：内应力基本消除；具有极高的弹性极限和良好的韧性。应用：主要用于各种弹簧零件及热锻模具的处理。⑶高温回火(500-650℃)调质处理：淬火+高温回火组织：回火索氏体S回性能：具有较高综合机械性能。应用：重要零件，如轴类、连杆、高强螺栓。

三、钢的表面热处理

1、分类

1）表面淬火：感应加热、火焰加热、激光加热、电子束加热等。

火焰加热感应加热2）化学热处理：渗碳、渗氮和碳氮共渗等。2、表面淬火1）工艺

轴的感应加热表面淬火通过快速加热方法，使钢件表面达到临界温度（Ac1或Ac3）以上，不等热量传到工件内层就迅速予以冷却，只使表面被淬硬为马氏体，而内层仍为塑韧性良好组织的工艺。

2）方法：

感应加热、火焰加热、激光加热、电子束加热等。感应加热分为：①高频感应加热频率为250-300KHz；淬硬层深度0.5-2mm。传动轴连续淬火感应器感应加热表面淬火齿轮的截面图②中频感应加热频率为2500-8000Hz；淬硬层深度2-10mm。各种感应器中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴③工频感应加热频率为50Hz；淬硬层深度10-15mm。各种感应器感应穿透加热火焰加热:

利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。成本低，但质量不易控制。火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火激光热处理:①

利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。②效率高，质量好。激光表面热处理3）用钢中碳钢和中碳合金钢。例如：45、40Cr、35CrMo铸铁。机床导轨表面淬火齿轮4）热处理工艺调质处理（或正火）+表面淬火+低温回火

5）热处理后组织表层：M回；心部：S回或F+S。回火索氏体索氏体6）性能表层：55HRC，耐磨性好；心部：25~35HRC，综合性能很好；或10~20HRC，塑韧。感应加热表面淬火感应淬火机床7）其它特点生产周期短，几秒至几分钟表层深度：0.5~7mm；耐磨性较好；变形较小；抗疲劳性能好。

7）应用耐磨性要求较高、变形要求小、形状简单、尺寸不大的零件；如齿轮、轴、连杆等。

3、渗碳1）工艺在含碳介质中，将钢加热到900~950℃，保温3~9小时，向低碳钢制造的工件表面渗入碳原子，使工件表面达到高碳钢的含碳量（1.0%）。

渗碳目的提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。经渗碳的机车从动齿轮2）方法：固体、气体渗碳。

真空渗碳炉低碳钢渗碳缓冷后的组织渗碳缓冷后组织：

表层为P+网状Fe3CⅡ;心部为F+P;

中间为过渡区。3）用钢低碳钢和低碳合金钢。例：20、20Cr、20CrMnTi4）热处理工艺渗碳+淬火+低温回火

5）热处理后组织碳钢：表层：M回+碳化物；心部：F+P；合金钢：表层：M回+合金碳化物：心部：低碳M回；6）性能碳钢表层：58~62HRC，耐磨性高；心部：10~20HRC，塑韧。合金钢表层60~67HRC，耐磨性很高；心部：50HRC，强韧。6）其它特点生产周期较长，3~9小时；表层深度：0.5~2mm；耐磨性很好；变形较大；抗疲劳性能一般。

7）应用耐磨性要求很高、形状复杂的零件，如齿轮、轴等。

4、氮化1）工艺在含氮介质中，将钢加热到500℃左右，保温几十小时，向钢的表面层渗入氮原子，在其表面形成氮化物层的过程。井式气体氮化炉2）方法：最常用的是气体氮化法。3）用钢：38CrMoAl。4）热处理：调质处理+渗氮。5）组织：表层：氮化物，如AlN、CrN、MoN、TiN、VN等；心部：S回。6）性能：表层：65~70HRC，很硬。心部：

25~35HRC，综合性能很好。

7）特点：时间很长，30~50小时。厚度：0.2~0.5mm。耐磨性最好。抗疲劳性能最好。耐蚀性能最好。变形最小。时间最长。

8）应用：高速传动的精密齿轮、精密机床的主轴，如镗床和磨床。

5、离子氮化

6、渗铝

7、其它表面处理方法

1）热喷涂；2）气相沉积；

3）离子注入；4）化学镀。四、热处理新技术1、可控气氛热处理；2、真空热处理；3、形变热处理；4、热处理生产线。第十节表面处理新技术近年来，金属材料表面处理新技术得到了迅速发展，开发出许多新的工艺方法，这里只介绍主要的几种。

全方位离子注入与沉积设备一、热喷涂技术

将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为热喷涂。利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘性等。广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技术在内的几乎所有领域。等离子热喷涂1、涂层的结构热喷涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起的层状结构，粒子之间存在着孔隙和氧化物夹杂缺陷。喷涂层与基体之间以及喷涂层中颗粒之间主要热喷涂层组织是通过镶嵌、咬合、填塞等机械形式连接的，其次是微区冶金结合及化学键结合。2、热喷涂方法常用的热喷涂方法有：①火焰喷涂:多用氧-乙炔火焰作为热源。②电弧喷涂:丝状喷涂材料作为自耗电极、电弧作为热源的喷涂方法③等离子喷涂:是一种利用等离子弧作为热源进行喷涂的方法。火焰热喷涂电弧热喷涂等离子喷涂3、热喷涂的特点及应用⑴工艺灵活：热喷涂的对象小到Φ10mm的内孔,大到铁塔、桥梁,可整体喷涂，也可局部喷涂。⑵基体及喷涂材料广泛：基体可以是金属和非金属，涂层材料可以是金属、合金及塑料、陶瓷等。⑶涂层可控:从几十m到几mm⑷生产效率高⑸工件变形小：基体材料温度不超过250℃(冷工艺)涡轮叶片的热障涂层(热喷涂层)由于涂层材料的种类很多，所获得的涂层性能差异很大，可应用于各种材料的表面保护、强化及修复并满足特殊功能的需要。热喷涂二、气相沉积技术

气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。根据沉积过程的原理不同，气相沉积技术可分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类。物理气相沉积TiAl靶1、物理气相沉积（PVD）物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法，使材料汽化成原子、分子或电离成离子，并通过气相过程，在材料表面沉积一层薄膜的技术。物理沉积技术主要包括真空蒸镀、溅射镀、离子镀三种基本方法。磁控溅射镀膜设备真空蒸镀是蒸发成膜材料使其汽化或升华沉积到工件表面形成薄膜的方法。真空蒸镀TiN活塞环真空蒸镀Al膜的塑料制品溅射镀是在真空下通过辉光放电来电离氩气，氩离子在电场作用下加速轰击阴极，溅射下来的粒子沉积到工件表面成膜的方法。溅射镀示意图磁控溅射镀膜机磁控溅射镀Al的塑料制品离子镀是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原子部分电离成离子，与同时产生的大量高能中性粒子一起沉积到工件表面成膜的方法。多弧离子镀膜机物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；工艺简单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜。离子镀产品2、化学气相沉积(CVD)化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基体CVD设备表面相互作用而在基体表面形成金属或化合物薄膜的方法。例如，气态的TiCl4与N2和H2在受热钢的表面反应生成TiN，并沉积在钢的表面形成耐磨抗蚀的沉积层。化学气相沉积由于化学气相沉积膜层具有良好的耐磨性、耐蚀性、耐热性及电学、光学等特殊性能，已被广泛用于机械制造、航空航天、交通运输、煤化工等工业领域。经CVD处理的模具经CVD处理的活塞环三、三束表面改性技术

三束表面改性技