第六章钢的热处理(同济王国华)20131128

《工程材料》授课教师：第6章钢的热处理(heattreatment)

热处理的三个阶段：加热、保温、冷却。临界点保温1加热2温度时间1等温处理2连续冷却图热处理工艺曲线示意图热处理：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。成份→工艺→组织、结构→性能→应用《工程材料》研究的主线：

例：轴，选材：45钢。硬度要求为：220HB～250HB；轴颈和锥孔进行表面淬火，硬度要求为52HRC。

(1)确定工艺路线、热处理工艺

(2)分析组织与性能

答:(1)工艺路线：锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火+低温回火→磨削加工。

(1)工艺路线热轧钢板（带）下料一锻（轧）柄部-正火-球化退火-机加工-淬火-低温回火。Ac1=730℃Accm=830℃例：板挫

对板挫的要求：表面刃部有高的硬度（64HRC-67HRC），柄部硬度<35HRC。选材：T12钢。

回答以下问题：

(1)确定工艺路线、热处理工艺参数

(2)分析组织与性能

刃部64HRC～67HRC图标注组织的铁碳相图6.1钢在加热时的转变1.奥氏体的形成铁碳相图中的三条线：PSK线(A1)GS线(A3)ES线(Acm)(1)亚共析钢加热到A3以上，完全转变为奥氏体A。(3)过共析钢加热到Acm以上，完全转变为奥氏体A。(2)共析钢加热到A1以上，完全转变为奥氏体A。图铁碳相图

实际加热和冷却时的相变是在不完全平衡条件下进行的，相变温度和平衡相变点之间存在一定的差异。右图表示加热和冷却速度0.125℃/min)对临界点A1、

A3、

Acm的影响。加热时临界温度标为：Ac1、

Ac3、

Accm冷却时临界温度标为：Ar1、

Ar3、

Arcm图加热和冷却速度0.125℃/min)对临界点A1A3Acm的影响共析钢：室温组织为：P(F+Fe3C)加热到Ac1:P→A图加热和冷却速度0.125℃/min)对临界点A1A3Acm的影响(c)剩余渗碳体溶解(d)奥氏体成分均匀化(a)奥氏体晶核形成(b)奥氏体晶核长大包括四个过程：亚共析钢:室温组织为：P+F加热到Ac1:P→A温度↑保温:F→AAc3:全部变成A过共析钢:室温组织为：P+Fe3C加热到Ac1:P→A温度↑保温:Fe3C溶入到A中Accm:全部变成A图加热和冷却速度0.125℃/min)对临界点A1A3Acm的影响2.影响奥氏体转变速度的因素(1)加热温度：温度↑奥氏体化速度↑(2)加热速度：速度↑发生转变的温度↑转变时间↓(3)钢中碳质量分数：W(C)↑奥氏体化速度↑(4)合金元素钴、镍等加快奥氏体化转变速度。铬、钼、钒等降低奥氏体化转变速度铝、硅、锰等不影响由于合金元素的扩散速度比碳慢得多，所以合金钢的热处理加热温度一般都高些，保温时间更长些。(5)原始组织渗碳体为片状→速度↑渗碳体间距↓→速度↑(3)奥氏体晶粒度及其影响因素晶粒度等级有1-8级图标准晶粒度等级

(1)本质晶粒度(inherentgrainsize)：钢加热到930℃±10℃、保温8h、冷却后测得的晶粒度。

(2)本质细晶粒钢：如果上述测得的晶粒度细小，则该钢称为本质细晶粒钢。反之称为本质粗晶粒钢。

(3)实际晶粒度：某一具体热处理或加工条件下的奥氏体的晶粒度。关于晶粒度的几个概念：影响奥氏体晶粒度的因素：

(1)加热温度和保温时间温度↑晶粒长大在一定温度下，保温时间↑晶粒增大

(2)钢的成分

W(C)↑晶粒长大，但若碳以未溶碳化物的形式存在，则它有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。阻碍晶粒长大的元素促进晶粒长大的元素6.2钢在冷却时的转变1.过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体(supercooledaustensite)：在A1以下温度存在的奥氏体。钢在冷却时的转变，实质上是过冷奥氏体的转变。过冷奥氏体转变的产物珠光体类型的组织：P（珠光体,pearlite）S（索氏体,sorbite）T（屈氏体,troolstite）贝氏体(B,bainite)组织：B上（上贝氏体,upperbainite）B下（下贝氏体,lowerbainite）马氏体(M,martensite）组织低碳M(lowermartensite)高碳M(highcarbonmartensite)

残余奥氏体(残余A或A’或Ar,residualaustenite)高温转变中温转变低温转变(1)共析钢过冷奥氏体的等温转变转变产物用等温转变曲线(TTT曲线,TimeTemperatureTransformation)图来分析。根据曲线的形状，等温转变曲线也可简称C曲线。Ms点：martensitestartingpointMf点：

martensitefinishingpoint过冷奥氏体转变开始线过冷奥氏体转变终了线P14时间

温度℃8007006005004003002001000过冷A珠光体P珠光体(P)：A1~650℃①高温转变图共析钢过冷A的等温转变曲线珠光体类型的组织：A1~550℃之间索氏体(S)：650~600℃屈氏体(T)：600~550℃(1)本质：铁素体与渗碳体的两相混合物(2)形态：层片状,层间距：

P>S>T(3)性能：硬度T>S>P关于珠光体类型的组织：图共析钢过冷A的等温转变组织贝氏体(bainite)类型的组织：上贝氏体(B上)：550~350℃②中温转变550℃~Ms之间图共析钢过冷A的等温转变曲线下贝氏体(B下)：350℃~Ms(1)本质上B:小片状的成排的渗碳体分布在铁素体片中间。下B:铁素体针内沿一定方向分布着细小的碳化物(Fe2.4C)颗粒。(2)形态上B:羽毛状;下B:黑色针状(3)性能上B:强度和韧性都较差。下B:硬度高、韧性好，具有较好的综合机械性能。关于贝氏体

羽毛状，小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间。铁素体呈暗黑色，渗碳体呈亮白色上贝氏体(upperbainite)铁素体针细小，无方向性，碳的过饱和度大，位错密度高，且碳化物分布均匀，弥散度大。下贝氏体(lowerbainite)高温转变：A1~550℃A1~650℃F+P650~600℃F+S600~550℃F+T

在高温区过冷奥氏体将先有一部分转变为铁素体。W(C)↓,C曲线左移，Ms、Mf线往上移。(2)亚共析钢过冷奥氏体的等温转变图亚共析钢过冷A的等温转变曲线高温转变：A1~550℃A1~650℃Fe3CⅡ+P650~600℃Fe3CⅡ+S600~550℃Fe3CⅡ+T

在高温区过冷奥氏体将先有一部分转变为渗碳体W(C)↑,C曲线左移，Ms、Mf线往下移。(3)过共析钢过冷奥氏体的等温转变图过共析钢过冷A的等温转变曲线2.过冷奥氏体连续转变产物Ps线为过冷A转变为珠光体型组织的开始线。(1)共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变共析钢过冷A的连续冷却转变曲线(ContinuousCoolingTransformationCCT曲线,)Pf线为转变终了线。KK’线为过冷A转变中止线。Vk为上临界冷却速度，Vk’为下临界冷却速度图共析钢的连续转变曲线

一般用等温转变曲线来分析，但注意下述几点：V>Vk：在Ms~Mf，低温转变,

转变产物为马氏体M+

（残余奥氏体A’）V<Vk’：钢全部转变为珠光体。①没有奥氏体转变为贝氏体的部分②与共析钢TTT曲线相比，CCT曲线稍靠右下一点图共析钢的连续转变曲线图共析钢的TTT曲线与CCT曲线比较炉冷：P170HB～220HB空冷：S25HRC～35HRC油冷：T+M+残余A45HRC～55HRC水冷：M+残余A55HRC～65HRC①转变产物图共析钢的连续转变曲线②马氏体转变的特点马氏体的本质：碳在α-Fe中的过饱和固溶体。a.过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转变。图马氏体晶格示意图图马氏体晶胞与母相奥氏体的关系b.马氏体转变速度很快，A冷到Ms点以下，无孕育期，瞬间转变为马氏体。随着温度下降，过冷A不断转变为M，是一个连续转变过程。c.马氏体转变不彻底，总是要残留少量奥氏体W(C)>0.6%，转变产物中应标上残余AW(C)<0.6%，残余A可忽略d.马氏体形成时体积膨胀，在钢中造成很大的内应力，严重时将使被处理零件开裂。③形态与性能性能：低碳M:强度高，塑性、韧性也好。高碳M:硬而脆、塑性、韧性极差。W(C)<0.25%时，基本上是低碳M(位错马氏体)。形态为板条状。

W(C)>1.0%时，高碳M(孪晶马氏体)。形态为针状。0.25%<W(C)<1.0%时，为板条状和针状马氏体的混合物。碳质量越高，马氏体硬度越高。高碳马氏体-针状马氏体、孪晶马氏体性能：硬而脆，塑性和韧性极差低碳马氏体-板条状马氏体一束束平行排列的细板条组成。性能：强度高、塑性和韧性也好(2)亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变图亚共析钢过冷A的连续冷却转变炉冷：F+P空冷：F+S油冷：T+M+(残余A)水冷：M+(残余A)(3)过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变图过共析钢过冷A的连续冷却转变炉冷：P+Fe3CⅡ空冷：S+Fe3CⅡ油冷：T+M+残余A水冷：M+残余A6.3钢的普通热处理四把火退火正火淬火回火低温回火中温回火高温回火热处理炉1.退火(anneal)

将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。退火扩散退火(diffusingannealing)完全退火(fullannealing)球化退火(spheroidizingannealing)去应力退火(relifannealing)等温退火(isothermalannealing)图碳钢各种退火和正火工艺规范示意图热处理工艺组织目的完全退火(重结晶退火)亚共析钢：Ac3+20~30℃F+P组织均匀化和细化，得到接近平衡状态的组织，以降低硬度，改善切削加工性能。由于冷却速度缓慢，还可消除内应力。等温退火亚共析钢：高于Ac3过共析钢：高于Ac1快冷到A1

~550℃之间，保温，然后再缓慢冷却。同上球化退火过共析钢：高于Ac1F、Fe3C（球状）使二次渗碳体或珠光体中的渗碳体球化，以降低硬度，改善切削加工性能。扩散退火熔点以下100~200℃减少化学成份和组织的不均匀去应力退火Ac1线以下(一般为500~600℃)消除工件中残留内应力

表退火的工艺、组织和目的2.正火(normalize)

钢材或钢件加热到Ac3（对于亚共析钢）和Accm（对于过共析钢）以上30℃-50℃，保温适当时间后，在自由流动的空气中均匀冷却的热处理工艺。正火视频加热温度组织目的亚共析钢Ac3+30~50℃F+S（1）作为最终热处理：细化晶粒、均匀组织（2）作为预先热处理：对结构较大的合金结构钢，淬火或调质前常进行正火，消除魏氏组织和带状组织，并获得细小而均匀的组织。（3）改善切削加工性能：调整硬度过共析钢Accm+30~50℃S+Fe3CⅡ

表正火的工艺、组织和目的3.淬火(quench)

将钢件加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺。淬火视频(1)淬火工艺①淬火温度亚共析钢：Ac3+30℃~50℃过共析钢：Ac1+30℃~50℃图钢的淬火温度范围钢的淬火温度范围②加热时间的确定升温和保温常用水和油。③淬火冷却介质淬火用水的温度控制在30℃以下。水一般用于碳钢。油一般用于合金钢。为了减少零件淬火时的变形，可用盐浴作淬火介质。④淬火方法淬火方法单介质淬火双介质淬火分级淬火等温淬火图不同淬火方法示意图(2)钢的淬透性①钢的淬透性及其测定方法钢的淬透性：钢接受淬火时形成马氏体的能力。容易形成马氏体的钢淬透性高(好)，反之则低(差)淬透性可用“末端淬火法”来测定。图末端淬火法淬透性可用“末端淬火法”来测定。图末端淬火法表示淬透性值用J表示末端淬火的淬透性；d表示距冷水端的距离；HRC为该处的硬度。表示距水冷端5mm试样硬度为42HRC。淬透层深度：从试样表面至半马氏体区(马氏体与非马氏体组织各占一半)的距离。钢在规定淬火条件下，可以达到的淬硬层深度。在同样淬火条件下，淬透层深度越大，钢的淬透越好。钢的淬硬性：钢淬火后硬度会大幅度提高，能够达到的最高硬度。钢的淬硬性主要取决于马氏体的碳含量。②影响淬透性的因素a.碳质量分数亚共析钢，w(C)↑→淬透性↑过共析钢，w(C)↑→淬透性↓共析钢淬透性最好。临界冷却速度越小，钢的淬透性越好。b.合金元素除Co外，其余合金元素降低临界冷却速度，是C曲线右移，提高淬透性。合金钢往往比碳钢的淬透性好。c.奥氏体化温度提高奥氏体化温度，增加淬透性。d.钢中未溶第二相钢中未溶第二相，降低淬透性。③淬透性曲线的应用(20CrNiMo;40Gr;45)图利用淬透性曲线比较钢的淬透性图淬透性不同的钢调质后机械性能的比较4.回火(temper)

钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的组织和性能，将其加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。(应力，不稳定M，残余A)1）马氏体的分解（＞100℃）

2）残余奥氏体的转变（200~300℃）

3）碳化物的转变（250~450℃）

4）渗碳体的聚集长大和铁素体再结晶（＞450℃）

(1)回火的目的(2)回火时组织的转变消除内应力并获得所要求的组织和性能回火温度低温回火(lowtempering)：150℃～250℃中温回火(middletempering)：350℃～500℃高温回火(hightempering)：500℃～650℃回火时间：一般为１～３小时。

回火冷却：一般空冷。(3)回火的工艺图回火马氏体（回火M）性能：高碳回火马氏体：强度、硬度高、塑性、韧性差。低碳回火马氏体：高的强度与韧性,硬度、耐磨性也较好。回火马氏体=ε碳化物(Fe2.4C)+过饱和的α固溶体(过饱和度下降)目的：降低淬火应力，提高工件的韧性，保证淬火后的高硬度(58HRC～64HRC)和高耐磨性。低温回火：150℃～250℃应用：主要用于高碳工具钢等组织：回火马氏体+A’图回火屈氏体（回火T）性能：屈服强度与弹性极限高。，同时也有一定的韧性，硬度一般为35HRC～45HRC。组织：回火屈氏体=铁素体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合物。铁素体保留M体形态，碳化物稍粗应用：主要用于处理各类弹簧中温回火：350℃～500℃图回火索氏体（回火S）性能：综合机械性能好。即强度、塑性和韧性都比较好，硬度一般为25HRC～35HRC。组织：回火索氏体=细粒状渗碳体和铁素体基体的混合物。应用：主要用于轴、连杆、齿轮等高温回火：500℃～650℃调质处理：淬火+高温回火回火温度与性能的关系：随着回火温度的升高，碳钢的硬度、强度降低，塑性提高。（残A转变，强度稍升；T太高-晶粒长大-塑性下降）图钢的硬度随回火温度的变化图40钢机械性能与回火温度的关系回火脆性：在250℃～400℃和450℃～650℃两个温度区间回火后，钢的冲击韧性明显下降。例：直径为10mm的共析钢加热到相变点以上（A1以上30℃），用图所示的冷却曲线冷却，各应得到什么组织？各属于何种热处理方法？a.马氏体+残余奥氏体；淬火g.珠光体；等温退火b.马氏体+残余奥氏体；分级淬火c.屈氏体+马氏体+残余奥氏体；淬火（油冷)d.下贝氏体；等温淬火e.索氏体；正火f.珠光体；退火碳钢组织总结铁碳相图的室温组织铁素体(F,ferrite)：碳在α-Fe中的间隙固溶体。渗碳体，Fe3C(Cm,cementite)：Fe与C形成的一种具有复杂结构的间隙化合物。珠光体(P,pearlite)：铁素体与渗碳体的共析(两相)混合物。过冷奥氏体转变的组织高温转变的组织：珠光体(P,pearlite)索氏体(S,sorbite)屈氏体，托氏体(T,troostite)中温转变的组织：上贝氏体(上B,upperbainite)下贝氏体(下B,lowerbainite)低温转变的组织：马氏体(M,martensite)低碳马氏体、板条马氏体、位错马氏体高碳马氏体、针状马氏体、孪晶马氏体、隐晶马氏体奥氏体(A,austenite)：过冷奥氏体(supercooledaustenite)：回火时的组织低温回火：回火马氏体(回火M)中温回火：回火屈氏体高温回火：回火索氏体球化退火时的组织在铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体。魏氏体：铁素体沿晶界分布并呈针状插入珠光体内。其他请对碳钢组织进行总结:(1)组织名称(2)名词解释(3)形成条件(4)形态(5)性能画出退火状态下亚共析钢、共析钢、过共析钢的显微组织图。6.4钢的表面热处理表面热处理概念：仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺。（表面组织）按加热方式分感应加热火焰加热电接触加热电解加热1.感应加热表面热处理(1)基本原理：感应线圈中通以交流电时，即在其内部和周围产生一与电流相同频率的交变磁场，若把工件置于磁场中，则在工件内部产生感应电流，并由于电阻的作用而被加热。图感应加热表面淬火示意图电流透入工件表层的深度，主要与电流的频率有关。对于碳钢存在以下关系：δ为电流透入深度(mm);f为电流的频率(Hz)。(2)适用的钢种：中碳钢和中碳低合金钢(3)特点表面硬度比一般淬火高2-3HRC，而且脆性低残余压应力，提高疲劳强度工件的氧化脱碳少，淬火变形小加热温度和淬硬层厚度易控制。2.火焰表面热处理火焰表面加热淬火，是用乙炔-氧等火焰加热工件表面，进行淬火。图火焰表面加热淬火示意图6.5钢的化学热处理化学热处理概念：将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。三个过程介质的分解表面的吸收原子扩散分类渗碳氮化碳氮共渗渗硼渗铝等1.渗碳

渗碳：为了增加表层的碳质量分数和获得一定碳浓度梯度，钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面的工艺称为渗碳。(1)渗碳的目的

使低碳(碳质量分数0.15%～0.3%)钢件表面获得高碳浓度(碳质量分数约1.0%),在经过适当淬火+回火后，提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度，而使心部仍保持良好的韧性和塑性。主要用于同时受严重磨损和较大冲击载荷的零件。(2)渗碳方法：常用气体渗碳法。

将工件装在密封的渗碳炉中，加热到900℃～950℃，向炉内滴入易分解的有机液体(如煤油、苯等)，或直接通入渗碳气体(如煤气、石油液化气等)，产生下列反应产生活性碳。碳原子渗入工件表面，然后扩散进去。2CO→CO2+[C]CO2+H2→H2O+[C]CnH2n→nH2+n[C]CnH2n+2→(n+1)H2+n[C](3)渗碳工艺

渗碳温度：900℃～950℃。

900℃渗碳保温1h，渗层厚度为0.5mm,

保温4h，渗层厚度为1mm渗层的厚度：从表面到过渡层的一半处。

渗层厚度一般为0.5mm～2.5mm(4)渗碳后的热处理

渗碳后直接淬火(830℃～850℃)+低温回火(5)组织和性能表层：高碳回火M+碳化物+残余A;

硬度高、疲劳强度高。心部：低碳回火M(或含铁素体、屈氏体)2.氮化

氮化：向钢件表面渗入氮的工艺。目的在于更大地提高钢件表面的硬度和耐磨性，提高疲劳强度。3.碳氮共渗

碳氮共渗：同时向零件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺，也称氰化。6.6钢的热处理新技术新技术可控气氛热处理真空热处理离子渗扩热处理形变热处理激光加热表面淬火6.7热处理的工序位置热处理是机械制造过程中的重要工序,正确使用热处理方法,合理安排热处理工序在零件或工具加工工艺路线中的位置,对于改善钢的切削加工性能,保证零件或工具的质量,满足使用性能的要求,具有重要意义。预备热处理包括退火、正火、调质处理等,退火与正火通常安排在零件或工具毛坯生产之后,切削加工之前,其目的是消除残余应力、调整组织,改善切削加工性能,为最终热处理作准备。调质处理一般安排在粗加工之后,精加工之前,目的是获得良好的综合力学性能,并为最终热处理作准备。粗加工之前一般不进行调质处理,以免粗加工时将表层大部分调质组织切除而失去调质处理的作用。对于使用性能要求不高的零件,退火、正火、调质处理也可作为最终热处理使用。最终热处理包括淬火、回火、表面热处理及化学热处理等,其目的是获得零件或工具所需的使用性能。零件或工具经最终热处理后,硬度较高,因此除磨削加工