北科大热处理课件

通过加热、保温和冷却的方法改变钢内部组织结构以获得工件所要求性能的一种热加工工艺。

钢的热处理工艺

理论依据：钢在加热和冷却过程中的组织转变规律是制定正确的热处理工艺的理论基础；为使钢获得设定的性能要求：其热处理工艺参数的确定必须使具体工件满足钢的组织转变规律；

分类：根据加热、冷却和获得的组织和性能的不同，钢的热处理工艺可分：1）普通热处理（退火、正火、淬火和回火）;2)表面热处理（表面淬火和化学热处理）;3)形变热处理。第八节退火和正火一、钢的退火(annealing)1.概念：将钢加热到临界点Ac1以上或以下一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态的组织。退火可以达到以下目的：

(1)

消除钢锭的成分偏析，使成分均匀化。异分合金系的非平衡凝固，即存在成分偏析；

(2)

消除铸、锻件中存在的魏氏组织或带状组织，细化晶粒和均匀组织；

魏氏组织：在实际生产中，含碳量<0.6%的亚共析钢和含碳量>1.2%的过共析钢在铸造、热轧、锻造后的空冷，焊缝或热影响区空冷，或者当加热温度过高并以较快速度冷却时，先共析铁素体或先共析渗碳体从奥氏体晶界沿奥氏体一定晶面往晶内生长并呈针片状。

渗碳体魏氏体组织(过共析钢)

铁素体魏氏体组织(亚共析钢)

魏氏体组织

带状组织：合金元素的原始带状偏析引起枝干和枝间的Ar3温度不同所致;

在Ar3温度较高的地方先形成铁素体，并促使碳原子向Ar3温度较低因而仍保留为奥氏体的相邻区域扩散，在这些富集碳的地方，最后形成珠光体。先共析铁素体+珠光体组织—正常组织先共析铁素体+珠光体组织—带状组织通常是由于合金元素Mn的偏析引起的!先共析铁素体+珠光体组织—带状组织通常是由于合金元素Mn、Mo的偏析引起的!带状组织均匀组织组织对比3)降低硬度，改善组织，以便于切削加工；4)消除内应力和加工硬化；5)改善高碳钢中碳化物形态和分布(球化退火)，为淬火作好组织准备。3.退火的分类

扩散退火

完全退火普通退火

不完全退火

再结晶退火

软化退火

去氢退火等温退火普通退火(Ⅰ)与等温退火(Ⅱ)示意图

普通退火是将钢件加热到临界温度(Ac1或Ac3)以上或以下，保温一段时间后连续冷却至室温。

等温退火是将钢件加热到临界温度(Ac1或Ac3)以上奥氏体化后，迅速移入另一温度低于Ar1的炉中等温停留，待转变完成后，出炉空冷至室温。1.完全退火

将亚共析钢加热至Ac3以上20~30℃，保温足够时间奥氏体化后，随炉缓慢冷却，从而获得接近平衡状态的组织，这种热处理工艺称为完全退火。

完全退火的目的为：

(1)

消除铸、锻件中存在的魏氏组织或带状组织，细化晶粒和均匀组织；

(2)

消除铸、锻件中存在的内应力，降低硬度，便于切削加工。

完全退火只适用于亚共析钢，不适用于过共析钢。热锻轧钢材完全退火工艺曲线应用：锻轧终止温度过高的热锻轧件，晶粒粗大，容易得魏氏组织，并存在内应力，可以应用完全退火。2.不完全退火

将亚共析钢在Ac1~Ac3之间或过共析钢在Ac1~Accm之间两相区加热，保温足够时间后缓慢冷却的热处理工艺，称为不完全退火。

不完全退火的目的是：改善珠光体组织，消除内应力，降低硬度以便切削加工。

亚共析钢不完全退火的温度一般为740~780℃，其优点是加热温度低，操作条件好，节省燃料和时间。应用：较广，如果亚共析钢的锻轧终轧温度适当，并未引起晶粒粗化，铁素体和珠光体分布正常，可采用不完全退火，来细化晶粒，降低硬度和消除内应力。3.球化退火

球化退火是一种将钢中渗碳体或碳化物由片状变为粒状，均匀分布在铁素体基体上的热处理工艺。主要用于过共析钢，是一种不完全退火。

球化退火的目的是：消除钢中的片状珠光体，代之以粒状珠光体。

经球化退火后的组织有以下优点：由片状珠光体变为粒状珠光体，可降低钢的硬度，改善其切削加工性能；粒状珠光体加热时奥氏体晶粒不易长大，允许有较宽的淬火温度范围，淬火时变形开裂倾向小，即淬火工艺性能好；能获得最佳的淬火组织，即马氏体片细小，残余奥氏体量少，并保留有一定量均匀分布的粒状碳化物。一种球化退火工艺

应用：1)主要用于过共析钢，如碳素工具钢、低合金工具钢等，为淬火作准备。2)后面的课程讲到工具钢、轴承钢的热处理，会具体谈到。

球化退火的加热温度范围一般为：Ac1+20~30℃GCr15轴承钢球化退火工艺曲线4

扩散退火定义：又称均匀化退火，它是将钢锭、铸件或锻坯加热到略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。目的：异分结晶，必然导致偏析。通过高温长时间加热，消除或减小钢锭、铸件在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，使成分与组织均匀化。应用：常用的扩散退火温度是1100--1200℃，保温时间为10—15小时。应用于合金钢钢锭或铸件。

注意：由于扩散退火需要在高温下长时间加热，因此奥氏体晶粒十分粗大，需要再进行一次正常的完全退火或正火，以细化晶粒、消除过热缺陷。另外该工艺生产周期长、能耗大、工件氧化、脱碳严重以及成本高，因此，一般尺寸不大的铸件，因其偏析不严重，可用完全退火细化晶粒、消除铸造应力。

5低温退火定义：把钢件加热到低于Ac1温度退火，它包括软化退火和再结晶退火。软化退火：又称去应力退火。钢材在热轧或锻造后，在冷却过程中因表面和心部冷却速度不同造成内外温差会产生残余应力，这种应力与后面的工艺应力叠加，易使材料开裂；铸件也有残余应力。具体工艺：加热温度为650--720℃，保温后出炉空冷；主要是消除内应力和降低硬度。

再结晶退火：

定义：将冷加工硬化的钢材，加热至T再—Ac1之间进行，通常为650--700℃。在这过程中，变形晶粒恢复成等轴状晶粒，从而消除加工硬化。目的：钢经冷冲、冷轧或冷拉后产生加工硬化现象，使钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，切削性能和成型性变差，经过再结晶退火，钢的机械性能恢复。

再结晶温度T再

指在规定时间内（如一小时）能够完成再结晶，或再结晶量达到规定程度（例如95％）的最低温度。6去氢退火氢脆定义：钢件在热锻轧后冷却过程中，氢在钢中的溶解度不断减少，氢原子来不及扩散逸出，将聚集在钢的显微空隙和晶界处，结合成氢分子，造成很大的压力，加上钢中其他内应力，超过该处的断裂强度，就产生细小裂纹。钢样中的表现：该裂纹表现在纵向断口上呈椭圆形银白色斑点，所以称为白点。

低倍酸浸试样上的白点防止氢脆措施：为了消除白点，首先应从炼钢原料及浇注系统设计上减少氢的来源。通过热处理，即去氢退火。对于尺寸较大的锻轧件，轧后空冷至低于Ac1温度，约640--660℃，奥氏体变成珠光体，由于氢在铁素体中扩散速度大于奥氏体中，640--660℃等温使氢较快逸出，防止白点产生。防止白点的热处理工艺曲线(a)碳钢及低合金钢；(b)中合金钢

7等温退火定义：等温退火是将钢件加热到临界温度（Ac1或Ac3）以上奥氏体化，然后将钢件移入另一温度稍低于Ar1的炉中等温停留；当转变完成后，出炉空冷至室温。

等温温度确定：根据所要求的组织和性能，从该钢的C曲线来确定。二、钢的正火（normalizing）正火是将钢加热到Ac3或Accm以上约30~50℃，或者更高温度，保温足够时间，然后在静止空气中冷却的热处理工艺。(为什么可以加热到Accm？)注意：对于含有强碳化物形成元素钒、钛、铌等合金钢，加热温度应提高，原则是既使碳化物溶解，又不引起奥氏体晶粒粗化。冷速特点：与退火相比，正火的冷却速度快一些，但比淬火小，介于两者之间。正火后的组织

根据钢中过冷奥氏体的稳定性和钢的截面大小，正火后可以获得不同的组织，如粗细不同的珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合组织。正火的目的为：

(1)对于大锻件、截面较大的钢材、铸件，用正火来细化晶粒，均匀组织(如消除魏氏组织或带状组织)，为淬火处理作好组织准备，此时正火相当于退火的效果。

(2)

低碳钢退火后硬度太低，切削加工中易粘刀，光洁度较差。改用正火，可提高硬度，改善切削加工性。

(3)可以作为某些中碳钢或中碳低合金钢工件（非调质钢）的最终热处理，以代替调质处理，具有一定的综合力学性能。

(4)用于过共析钢，可消除网状二次碳化物，为球化退火作好组织上的准备。第九节钢的淬火与回火一、钢的淬火(quenching)

概念：将钢加热到临界点Ac1或Ac3以上一定温度，保温一定时间，然后在水或油等冷却介质中快速冷却。

目的：把奥氏体化的工件淬成马氏体，以便在适当温度回火时，获得所需要的力学性能。强化钢材最重要的热处理方法。冷却速度与钢件内部组织

注意：由于1）过冷奥氏体的稳定性(CCT曲线的位置)；

2）截面大小（冷却速度），

一般淬火工件不一定获得全部马氏体，可能还有贝氏体、珠光体的存在。1.淬火工艺参数的选择

1)加热温度：亚共析碳钢：

Ac3+30～50℃

共析碳钢以及过共析碳钢：Ac1+30～50℃碳钢的淬火加热温度范围对于亚共析钢：淬火加热温度为Ac3+30--50℃，可得到细而均匀的奥氏体晶粒，淬火后获得细小的马氏体；如果温度在Ac1—Ac3之间两相区加热，马氏体中有铁素体，造成硬度不足，降低力学性能；如果在Ac3以上过高温度加热，奥氏体晶粒粗化，马氏体粗大，脆性增大，工件在淬火过程中容易变形。2)对于过共析钢：淬火加热温度Ac1+30--50℃。如原始组织为粒状珠光体，加热淬火后获得马氏体、颗粒状渗碳体及少量残余奥氏体，因而硬度高，耐磨性好，还有点韧性。如果加热到Accm以上，先共析渗碳体全部溶入奥氏体，使奥氏体含碳量增加，马氏体转变点Ms和Mf降低，淬火后保留大量奥氏体，而且获得粗片状马氏体，使钢的硬度和耐磨性降低，脆性增加，并增加淬火开裂倾向。因此，过共析钢不能在Accm以上加热淬火。

3）淬火冷却介质定义：钢从奥氏体状态过冷至Ms点以下所用的冷却介质，称淬火冷却介质。淬火冷却时为了得到马氏体，必须使冷却速度大于Vc(上临界冷却速度)，如下图。介质冷却能力越大，钢的冷却速度越快，越易超过钢的临界淬火速度；工件越容易淬硬，淬硬层的深度越深。

时间C’C’C’MM+PPC______等温冷却___连续冷却温度连续冷却转变图---临界淬火速度工件内部不同深度，冷却速度是不一样的，因此，组织也是不一样！C’

马氏体组织---淬透区贝氏体、铁素体+珠光体----未淬透区钢工件

选择淬火介质的理想冷却曲线常用淬火介质的冷却速度淬火介质冷却速度(℃/s)在650~550℃区间在300~200℃区间水(18℃)水(26℃)水(50℃)水(74℃)10%苛性钠水溶液(18℃)10%氯性钠水溶液(18℃)矿质机油油水乳状液60050010030120011001007027027027020030030020200在高温区，盐和碱的冷却速度最大，其次是水，但是在低温区的其冷却速度太快；适合于尺寸不大、形状简单的碳钢工件。油的优点：低温区的冷却速度比水小得多，可大大降低淬火工件得组织应力；缺点：高温区冷却能力低；油比较适合过冷奥氏体稳定的合金钢淬火；实际生产中根据钢种的特点，碳钢的临界冷却速度大，用水淬火；而合金钢的冷却速度小，可用油来淬火。各种淬火方法的冷却曲线示意图(a)单液淬火(b)双液淬火(c)分级淬火(d)等温淬火

③分级淬火将奥氏体化后的高温工件迅速投入温度略高于Ms点的盐浴或碱浴中，等温停留一段时间(以不发生贝氏体转变为准)，使工件内外温度均匀，然后取出空冷，这种淬火冷却方式称为分级淬火。④等温淬火将奥氏体化后的高温工件迅速投入温度略高于Ms点的盐浴中，停留足够时间，使过冷奥氏体等温转变为下贝氏体，然后取出空冷，这种淬火冷却方式称为等温淬火。6.常用钢的淬火工艺以及组织转变

1)20钢

2)T127.钢的淬透性

淬透性是指奥氏体化后的钢接受淬火的能力。其大小通常用一定条件下淬火后钢的淬透层深度来表示，它主要取决于钢的临界冷却速度的大小。(1)工件截面上冷却速度的分布与淬透情况(a)(b)工件截面的冷却速度(a)与未淬透区(b)示意图

淬透层深度为：表面至半马氏体区(即由50%马氏体和50%非马氏体组成)的距离。淬硬-未淬硬区过渡部分的马氏体量与硬度变化淬透层深度的测定

为了测试方便，通常采用由表面至半马氏体区（即50%马氏体和50%非马氏体组成）的距离作为淬透层的深度。这是因为半马氏体区的硬度下降明显，容易测定；从组织观测上也容易认定。淬透性和淬硬性它们是两个不同概念；淬硬性是指钢在淬火后能够达到的最高硬度，它主要与钢的含碳量有关。如高碳工具钢的淬硬性高，但淬透性很低；而低碳合金结构钢的淬硬性不高，但淬透性较高。合金元素使得CCT曲线往右移动，因而使临界淬火速度变小，淬透性增大。影响淬透性及淬透层深度的因素

a．影响淬透性的因素：(1)奥氏体化学成分：除Co以外的合金元素，当其溶入A后，使C曲线右移，提高钢的淬透性。(2)奥氏体化条件：A化温度越高，保温时间越长，成分愈均匀，使过冷A越稳定，C曲线越右移，钢的淬透性越好。b．

影响淬透层深度的因素：

(1)

钢的淬透性

(2)

零件的形状与尺寸

(3)

淬火介质的冷却能力某种钢材的淬透性曲线根据淬透性曲线确定不同直径钢材截面上硬度的分布直径为50mm的某钢材淬火后沿截面的硬度分布图二、钢的回火(Tempering)(1)钢回火的定义：将淬火后的钢在A1温度以下加热，使之转变成稳定的回火组织的工艺过程。(2)回火的目的：保证组织转变（亚稳组织）；消除内应力；达到一定的性能要求；其中回火温度是决定回火后组织和性能的最重要因素；但要避免在低温回火脆性和高温回火脆性区进行回火处理。(3)回火的种类在生产实际中采用的方法有三种（按温度来分类）：低温回火在150--250℃之间进行，回火后组织为回火马氏体;其目的是降低淬火内应力，使其具有一定韧性，并保持高的硬度;它一般用来处理要求高硬度和高耐磨性工件，如刀具、量具、轴承、渗碳件和表面淬火工件等。

这类低温回火钢大部分是淬火高碳钢与高碳合金钢；经淬火并低温回火后得到隐晶回火马氏体和均匀细粒碳化物颗粒组织，具有很高的硬度和耐磨性，同时显著降低了钢的淬火应力和脆性；对于淬火获得低碳马氏体的钢，低温回火后主要是可以减少内应力，并进一步提高钢的强度和塑性；2）中温回火在350--500℃之间，回火后组织为回火屈氏体。对于一般碳钢和低合金钢，此温度范围内回火（第三阶段），碳化物开始聚集和长大，基体开始回复，淬火应力基本消失；中温回火后的钢具有高的弹性极限，较高的强度和硬度，并有良好的塑性和韧性。它主要用来处理各种弹簧零件和热锻模具。3)高温回火在500--650℃之间进行，回火后组织为回火索氏体。淬火+高温回火称为调质处理；调质处理后的工件具有高的塑性、韧性和强度的配合；高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢，用来制作曲轴、连杆、连杆螺栓、机床主轴等重要零件。这些机械零件在使用中要求较高的强度并能承受冲击和交变负荷的作用。

三、淬火加热缺陷与防止1）淬火工件的过热与过烧过热：工件在淬火加热时，由于温度过高或者时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷；由于过热不仅在淬火后得到粗大马氏体组织，而且易于引起淬火裂纹，降低强度与韧性，引起脆断。轻微过热，可延长回火时间；严重过热，则需进行一次细化晶粒退火，然后重新淬火；过烧：淬火加热温度太高，使奥氏体晶界出现局部熔化或者发生氧化的现象；过烧是严重的加热缺陷，工件一旦过烧就无法补救，只能报废；过烧的原因主要是设备失灵或操作不当造成的，火焰炉加热局部温度过高也容易造成过烧；高速钢淬火温度高，容易造成过烧。2）淬火加热时的氧化和脱碳淬火加热时，钢件与周围加热介质相互作用往往会产生氧化和脱碳等缺陷；氧化：是钢件在加热时与炉气中的O2、H2O、CO2等氧化性气体发生的化学作用；Fe-O相图在570℃以下的温度加热，钢中