热处理技术-原理

热处理技术简介制作人：张世忠目录◆◆1.热处理概念◆◆2.加热、冷却时的临界点◆◆3.钢在加热时的组织转变◆◆4.钢在冷却时的组织转变◆◆5.钢冷却时的转变产物及性能1.热处理概念◆◆

热处理：金属材料在固态下，通过加热、保温、冷却的方式，改变材料表面或内部的化学成分与组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。意义：通过热处理可以改善组织，获得人们所需要的性能，还可以大幅度提高金属材料的力学性能，充分发挥材料性能的潜力，延长机器零件的使用寿命。在汽车、拖拉机制造中，80%的零件要进行热处理，而工具、模具和滚动轴承100%要进行热处理。因此，钢的热处理在机械制造行业中有重要的意义。理解：金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分及组织，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件内部质量。下料锻造正火切削加工渗碳淬火低温回火精加工▉渗碳齿轮

材料：20CrMnTi、20Cr、30CrMnTiA等

服役场合：高速重载（汽车齿轮）工艺路线：热处理工艺分类

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根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同：热处理普通热处理表面热处理其它热处理表面淬火：感应加热、火焰加热、电接触加热等。化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗其他元素。退火正火淬火回火真空热处理可控气氛热处理形变热处理激光热处理金属材料的显微组织马氏体片状珠光体粒状珠光体铁的同素异晶转变（补充）◆

金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象称为同素异构转变。

❊❊铁的同素异构转变：合金的相结构（补充）◆◆

纯金属在实际中虽然得到了一定的应用，但由于纯金属除了具有较高的导电、导热性外，力学性能一般都比较低，且价格较高，因此，在工业上广泛应用的大多数都是合金。◆◆

合金的性能取决于组织，而组织又首先取决于合金中的相。因此，为了掌握合金的性能，首先必须要了解合金的相结构及其性质。根据合金中各个元素的相互作用，合金的相结构大致可分为固溶体和金属化合物两大基本类型。

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工业上应用广泛的钢铁材料主要是由铁和碳组成的合金。合金与组成它们的纯金属相比，除具有更高的力学性能外，有的还可能具有强磁性、耐蚀性等特殊性能。同时，还可以通过调节它们的组成比例来获得一系列性能各不相同的合金，用来满足工业生产中不同的需求。◆

相：物质中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态、同一性质，并以界面互相分开的、均匀的组成部分。◆

相是物质微观结构中的一个组成部分，只要化学成分、结构、性质有一方面不同，则分别是不同的相。例如水和冰，虽然化学成分相同，但是由于结构和性质不同，分别是不同的相，水是液相，冰是固相;石墨与金刚石也是如此，只不过两个全是固相。一种物质可以有许多相，同样，许多物质也可组成一个相，如盐水、糖水、空气等。合金的相结构（补充）组织（微观形貌）：合金中不同形状、大小、数量和分布不同的相组合而成的综合体称为组织。组织是相的综合体。在金属或合金中，由于形成条件的不同，各种相将以不同的数量、形状、大小互相组合，因而形成不同的组织。如果形成的组织由一个相构成，则称为单相组织；如果形成的组织由两个或两个以上的相构成，则称为多相组织。合金的相结构（补充）铁碳合金基本相介绍（补充）一、铁碳合金的基本概念组元：铁与碳是铁碳合金的两个组元。基本相：铁素体、奥氏体、渗碳体，它们构成了铁碳合金的基本组成相，从而对铁碳合金的组织和性能产生影响。组织：铁碳合金既有单相组织，也有两相组织。单相组织有：铁素体、奥氏体、渗碳体以及液相组织。复相组织：珠光体、莱氏体。铁碳合金相图1.铁素体（Ferrite）碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。铁素体仍然保持α-Fe的体心立方晶格。铁素体溶碳能力很低，在600℃时溶解碳的质量分数为0.006%;随着温度的升高，溶碳量逐渐增加，在727℃达到最大值0.0218%。铁素体在室温时的力学性能与纯铁差不多，强度、硬度低，塑性、韧性好（Rm=180～280MPa，ReL=180～280MPa，A=30～50%，Z=70～80%，KU2=128～160J，50～80HBW）。铁素体的显微组织呈现明亮的多边形晶粒，晶界曲折。铁素体200×铁碳合金相图基本相2.奥氏体（Austenite）C溶解于γ-Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体仍然保持着γ-Fe的面心立方晶格。一般情况下，奥氏体只有在高温下才能够稳定存在。奥氏体的溶碳能力较强，在727℃时溶解碳的质量分数为0.77%，随着温度的升高，溶碳量逐渐增加，在1148℃达到最大值2.11%，奥氏体含碳量范围为0~2.11%。奥氏体的强度、硬度低，塑性、韧性好（Rm=400MPa，A=40～50%，160～220HBW），易于塑性变形。奥氏体的显微组织与铁素体的显微组织相似，呈多边形，但是晶界较铁素体平直。奥氏体200×铁碳合金相图基本相3.渗碳体（Cementite）铁与碳形成具有复杂晶格的间隙化合物称为渗碳体，用分子式Fe3C表示。渗碳体的碳质量分数为6.69%，熔点为1227℃渗碳体的力学性能：硬度很高（约1000HV），塑性、韧性几乎为零，脆性很大。渗碳体在铁碳合金中常以片状、球状、网状等形态与其他相共存，它的形态、大小、数量和分布对钢的性能影响很大，是钢中的主要强化相。铁碳合金相图（补充）特征点：P：0.0218%，727℃，C在ɑ-Fe中的最大溶解度；S:0.77%，727℃，共析点E:2.11%，1148℃，C在γ-Fe中的最大溶解度；G:0%，912℃，ɑ-Feγ-Fe转折点铁碳合金相图（补充）特征线：PSK(A1)：PSK线为共析转变线，凡是碳的质量分数超0.0218%的铁碳合金缓慢冷却到PSK线上时均发生共析转变:

A(F+Fe3C共析)，共析转变产物统称为珠光体，用P表示。发生共析转变析出的渗碳体称为共析渗碳体。ES(Acm）：ES线是碳在A中的饱和溶解度曲线，碳质量分数最大为2.11%(E点)，最小为0.77%(S点)。凡是碳质量分数超过0.77%的铁碳合金，从1148℃缓慢冷却到727℃时，均从奥氏体A中析出渗碳体。为了区别于其他的渗碳体，把这种渗碳体称为二次渗碳体，用Fe3CⅡ表示。ES线很重要，故命名为Acm线。铁碳合金相图（补充）特征线：GS线：碳质量分数小于0.77%的铁碳合金在冷却过程中，当冷却到GS线时将会发生奥氏体A向铁素体F的同素异构转变，所以GS线是奥氏体转变为铁素体的开始线。同样，在加热过程中，当加热到GS线时，α-Fe（铁素体F）将全部转变为γ-Fe（奥氏体A），所以GS线也是铁素体转变为奥氏体的终了线。GS线又叫作

A3线。特征区：有五个。2.加热或冷却时的临界点

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热处理工艺一般由加热、保温和冷却三个阶段组成。加热是各种热处理必不可少的第一道工序，除回火、少数去应力退火外，热处理一般均需要加热到临界点以上温度使钢部分或全部形成奥氏体。钢热处理后的组织和性能，除了受冷却条件影响外，还与加热时所形成的奥氏体成分、均匀程度及其晶粒度有关。碳素钢的分类:1.按照室温组织的不同：三大类，7小类；2.按碳含量的不同：低碳钢、中碳钢、高碳钢；想一想：45钢所属范围？理论上钢的临界点：分别是A1(PSK线)、A3(GS线)、Acm(ES线)。而在实际生产中，加热速度和冷却速度比较快的，因此临界点也就发生了变化。2.加热或冷却时的临界点

实际上加热时相变点：在高于原临界点温度才发生相变，相对应的临界点加c，则相对应的临界点分别为：Ac1、Ac3、Accm;理解：大多数热处理过程首先必须把钢加热到奥氏体状态，然后采取适当的冷却方式以获得所期望的组织和性能，通常把钢加热获得奥氏体的转变过程称为奥氏体化。实际冷却时的相变点：则在低于原临界点温度发生相变，相对应的临界点加r，则相对应的临界点分别为：Ar1、Ar3、Arcm；图6-1

实际上钢在加热和冷却时的临界点位置3.钢在加热时的组织转变

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共析钢的奥氏体形成包括奥氏体的形核、奥氏体晶粒长大、残余渗碳体的溶解及奥氏体成分均匀化等四个阶段。◆◆

亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。区别在于：❊❊亚共析钢中有先析出的铁素体，要获得全部奥氏体组织，必须将亚共析钢加热到Ac3线以上❊❊过共析钢中有二次渗碳体的存在，要获得全部奥氏体组织，将过共析钢加热到Accm线以上。◆◆

在实际生产中，通常亚共析钢要完全奥氏体化；过共析钢加热到Ac1以上进行部分奥氏体化，保留一部分渗碳体，以保证具有足够的硬度，来达到耐磨性要求。3.钢在加热时的组织转变

为便于生产检验，通常将金相试样在放大100倍的显微镜下，与GB/T6394-2002给出的奥氏体晶粒度标准图谱相对比，来确定晶粒度级别N，1-4级为粗晶粒，5-8级为细晶粒。

评价方法3.钢在加热时的组织转变评价指标1）起始晶粒度：奥氏体形成刚刚结束，奥氏体晶界刚刚接触时的晶粒度。

2）本质晶粒度：按照标准实验方法，把钢加热到930±10℃，保温3-8h后测定的晶粒度。（表征：钢在一定条件下晶粒长大的倾向，不表示实际晶粒大小），晶粒度1-4级本质粗晶钢，5-8级为本质细晶钢。

3）实际晶粒度：具体的加热条件下奥氏体晶粒的大小。3.钢在加热时的组织转变影响晶粒大小因素：1.合理的加热温度、保温时间加热温度越高，保温时间越长，形核率越高，长大速度越快，奥氏体晶界迁移的速度越快，奥氏体晶粒越粗大。2.钢的成分亚共析钢：随含碳量增大，奥氏体化速度增加；过共析钢：由于Fe3CⅡ的存在，随含碳量增加，奥氏体化速度减慢；Ti、Nb、Zr、V、W有利于得到本质细晶粒钢，因为碳化物、氧化物和氮化物弥散分布在晶界上，能阻碍晶粒长大；非碳化物形成元素对奥氏体大小影响不大；Mn、P、O元素促进晶粒长大。3.加热速度加热速度越快，奥氏体实际形成的温度越高，形核率越高，由于时间短，晶粒来不及长大，易形成细晶粒。4.钢在冷却时的组织转变

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钢在冷却时有两种方式:等温冷却和连续冷却。

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等温冷却：就是使加热到奥氏体区的钢，先以较快的冷却速度冷到Ar1或Ar3线以下某一温度，之后进行保温，使奥氏体在等温下发生组织转变。❊❊过冷奥氏体等温冷却转变曲线称为TTT图或等温冷却“C“曲线。◆◆

连续冷却：就是使加热到奥氏体区的钢，在温度连续下降的过程中发生组织转变。❊❊过冷奥氏体连续冷却转变曲线称为CCT图或连续冷却”C”曲线。

4.钢在冷却时的组织转变

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钢在冷却时有两种方式:等温冷却和连续冷却。

TTT图/等温冷却转变曲线CCT图/连续冷却转变曲线5.钢冷却时的转变产物及性能

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过冷奥氏体转变产物及其性能：

（1）珠光体型转变A1～550℃温度范围形成珠光体型转变，转变温度较高，也称为高温转变。珠光体是由铁素体和渗碳体（或碳化物）有机结合的整合组织，两相具有一定的比例和相对量，珠光体（Pearlite）用符号P表示渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，按层间距珠光体型组织分为珠光体、细珠光体（索氏体S）和极细珠光体（屈氏体或托氏体T）5.钢冷却时的转变产物及性能

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过冷奥氏体转变产物及其性能：

（1）珠光体型转变图6-9共析钢过冷奥氏体等温冷却组织转变曲线5.钢冷却时的转变产物及性能

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过冷奥氏体转变产物及其性能：❊❊（2）贝氏体型转变550℃～Ms温度形成贝氏体型转变，属于中温转变。贝氏体（Bainite）用符号B表示。

❊350～550℃温度范围内的转变产物称为上贝氏体（B上）。上贝氏体在光镜下呈羽毛状，在电镜下为不连续棒状的渗碳体，分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。其形成温度较高，条状或片状铁素体从奥氏体晶界开始向晶内以同样方向平行生长，随着铁素体的伸长和变宽，其中的碳原子向条间的奥氏体中富集，当浓度足够高时，便在铁素体内间断续地析出渗碳体短棒，奥氏体消失，形成典型的羽毛状B上，B上中的铁素体片较宽，塑性变形抗力较低，且渗碳体分布在铁素体片之间，易引起脆断，强度和韧性都较差，基本没有应用价值。

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350℃～Ms温度范