《工程材料与金属热加工》 课件 项目4 钢的热处理

项目4

钢的热处理钢在冷却时的组织转变钢在加热时的组织转变钢的普通热处理

钢的表面热处理学习目标与技能要求1．熟悉钢的热处理的实质、目的和作用；2．掌握钢在热处理加热和冷却时的组织转变规律；3．掌握正火、退火、淬火和回火的特点、工艺要点和应用；4．掌握表面热处理和化学热处理的原理、工艺、特点和应用；5．了解热处理新技术、金属的表面防护与装饰知识；6．初步掌握整体热处理正火、退火、淬火和回火的基本工艺操作方法。案例导入热处理是一种改善钢材使用性能和工艺性能的重要工艺，通过恰当的热处理，可充分挖掘材料的潜力，提高产品质量，延长使用寿命。例如，只有通过热处理，锉刀才能更好地锉削工件；车刀才能更好地切削工件；火车的轮子才能更耐磨而不变形；火星探测器上用形状记忆合金制成的天线才能在进入轨道后打开等等，所以在工业制造、医药、通信、国防乃至航天航空领域，热处理都有着极其重要的作用。热处理能够改善材料性能，充分发挥材料性能的潜力，延长零件使用寿命，提高产品质量，在机械制造工业中占有十分重要的地位。钢的热处理原理定义：目的及重要性：

改善材料的组织结构；提高性能；提高寿命；减低成本

分类：

普通热处理（四火：退火、正火、淬火、回火）表面热处理（表面淬火、化学热处理）t(h)加热冷却热处理工艺曲线T(℃)保温

V加t

V冷T加固态金属材料（钢）加热冷却有规律地改变材料内部的组织保温蘸火热处理的四大要素APA1ETT1T2△E1△E2Ar1Ar3ArcmAC1AC3AccmA1A3AcmSP和A的自由能曲线平衡相变临界点：A1

、A3、Acm加热相变临界点：Ac1、Ac3、Accm冷却相变临界点：Ar1

、Ar3、Arcm4.1钢在加热时的转变一、相变的热滞现象二、奥氏体的形成（奥氏体化过程）完全奥氏体化不完全奥氏体化加热的目的：使钢奥氏体化，为随后冷却转变作准备奥氏体化分类：§1钢在加热时的转变A共析钢的奥氏体化（P

A）奥氏体晶核的形成奥氏体晶粒的长大残余渗碳体的溶解奥氏体成分的均匀化T加Cγ-αCγ-kdcA亚共析钢和过共析钢的奥氏体化先进行：P

A然后：先析出相

A亚共析钢过共析钢A影响奥氏体转变过程的因素加热温度和加热速度含碳量原始组织匀细合金元素

T2

T1△T1△T2奥氏体化加速T加奥氏体化加速奥氏体化加速碳化物形成元素非碳化物形成元素Co、Ni奥氏体化变慢奥氏体化加速奥氏体化加速

三、奥氏体晶粒的长大及控制奥氏体晶粒度的概念起始晶粒度实际晶粒度本质晶粒度1～4本质细晶粒钢本质粗晶粒钢5～8影响奥氏体晶粒度的因素（控制奥氏体晶粒大小的措施）TA、tA成分原始组织新工艺（如：形变热处理）C：两方面的影响Me：除Mn、P，均阻碍A长大Al、Ti、Zr、V、W、Mo、Cr、Si、Ni、Cu强弱基本概念：过冷奥氏体奥氏体的冷却转变目的及重要性获得所需要的组织和性能§4.2钢在冷却时的转变F＋AA＋Fe3CⅡA转变类型按转变温度高温转变中温转变低温转变按转变产物珠光体转变贝氏体转变马氏体转变按冷却方式等温转变连续转变

珠光体转变(高温转变)温度范围：A1～550(Ar1～550℃)转变特征：扩散型转变转变过程（A

P）富碳区贫碳区一、过冷奥氏体等温转变（共析钢）珠光体转变

珠光体转变（高温转变）转变产物：P组织名称形成温度（℃）片层间距（μm）片层形态可见倍数（×）HBS性能珠光体P（粗P）A1～650＞0.4较厚、平直、连续500170～250强、硬塑、韧索氏体S

650～6000.4～0.2～800～1000250～300综合性能屈氏体T（托氏体）600～550﹤0.2极薄、断续、弯曲2000～5000300～450强、硬塑、韧问题：P、S、T有何异同？珠光体：片层状F和Fe3C的机械混合物珠光体转变S

8000×T

8000×P

3800×

贝氏体转变（中温转变）温度范围：550～230℃（Ms）转变特征：半扩散型转变转变过程：分步进行

首先：

A

F

然后：C从F中析出切变fcc

bcc

贝氏体转变

贝氏体转变（中温转变）

转变产物：B

550～350℃B上

350～230℃B下ε贝氏体：F和碳化物的机械混合物组织名称形成温度（℃）显微组织特征硬度（HRC）性能B上

350~550铁素体呈平行扁平状，细小渗碳体条断续分布在铁素体之间，在光学显微镜下呈暗灰色羽毛状特征。40~45综合性能差（强、塑、韧）B下230~350铁素体呈针叶状，细小碳化物呈点状分布在铁素体中，在光学显微镜下呈黑色针叶状特征。45~55韧性好、综合性能好贝氏体转变上贝氏体500×下贝氏体500×

马氏体转变（低温转变）温度范围：

230～-50℃（Ms～Mf）转变特征：非扩散型转变转变过程：转变产物：M

快速共格切变

50m/s

bcc0.77%C

fcc0.77%CAM马氏体转变马氏体：碳溶于α-Fe中所形成的过饱和间隙固溶体M的形貌板条状M片状M（针叶状）M条M束M片

M形貌与含碳量的关系Wc（%）＜0.30.3～1.0＞1.0M形态板条状混合M片状材料：40Cr（800X）

工艺情况：淬火、回火

浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀

组织说明：板条马氏体及针状马氏体，为典型中碳马氏体[×500

正常淬火组织：隐晶马氏体高速钢隐晶M混合M产生体积膨胀（浮凸现象）产生组织应力在Ms～Mf之间进行不能进行到底产生残余奥氏体（Ar、AR、A′）M的组织特征M转变终止温度M转变开始温度结论：Wc

Ms～Mf

，A′

bccMM形态与碳质量分数的关系A中碳质量分数对残余A的影响硬度：与wc（%）有关板条状M：强度高、有一定的塑性和韧性片状M：硬而脆M的性能

正常加热淬火：Wc

HM

;

Wc＞0.6%后，HM基本不变M的硬度与的含碳量的关系a线：在Accm以上加热淬火C线：纯Mb线：正常加热淬火过冷奥氏体转变产物与转变温度的关系A1BsMsMf先析出相粗PSTB上B上M+Ar等温冷却曲线（TTT)二、过冷奥氏体转变曲线——描述过冷奥氏体在冷却转变过程中转变温度（T）、转变时间（t）、转变产物之间关系的曲线图连续转变曲线（CCT）

TTT曲线的建立

（以金相硬度法为例）制成金相试样并奥氏体化分组快冷至A1以下不同温度保温每隔一定时间取出一试样水淬观察显微组织（辅以硬度测定）确定相变点连接具有相同意义的点1、过冷奥氏体等温转变曲线（TTT）C曲线C曲线分析关于孕育期（τ）共析钢TTT（C）曲线简介T＞550℃，T＜550℃Dc，△T为主导因素∴T

τ∴T

τ△T，Dc为主导因素M+ArA→B共析钢TTT（C）曲线简介A→SA→PA→TA→B上A→B下A→MPSTB上B下M+Ar5～25HRC25～35HRC35～40HRC40～50HRC50～60HRC60～65HRC含碳量的影响合金元素的影响加热条件的影响影响TTT（C）曲线的因素合金元素的影响

v=v1：炉冷(5.5℃/s)a1

—开始点，b1

—终了点转变温度区间：△T1

转变产物:Pv=v2：空冷(20℃/s)

a2

—开始点，b2

—终了点转变温度区间：△T2

转变产物:S

v=v3：油冷(33℃/s)

a3—开始点，a3′—无意义，转变分段进行，转变产物—T+M+

A′v=v4：水冷(≥138℃/s)Ms以前不分解，转变产物—

M+

A′△T1v1v2vcv3v4a1b1a3b2a2a3′△T2vc：淬火临界冷却速度（M临界冷却速度）

——获得100%

M

的最小冷却速度用过冷奥氏体等温转变曲线分析钢的连续转变过程

CCT曲线的建立

CCT曲线的分析与C曲线比较CCT曲线的应用2、过冷奥氏体连续转变曲线（CCT曲线）

vk：与vc相当，淬火临界冷却速度，

获得100%

M

的最小冷却速度；

一般

vk≤vc钢的CCT曲线APBFMMSA1A30.30%C

930℃

30minAPBFMMSA1A316Mn

900℃

5minAPBFMMSA1A340Cr

850℃

10minAPMMSA1Acm0.90%C

930℃

30min4.3钢的退火和正火一、退火定义：

加热随炉冷却P钢临界温度以上或以下分类：

完全退火（等温退火）球化退火去应力退火（低温退火）扩散退火（均匀化退火）再结晶退火适用范围：亚共析钢（铸、锻、焊件）加热温度：AC3+30～50℃AC3+30～50℃完全退火AC3+30～50℃炉冷AC3500℃，空冷完全退火工艺曲线退火后组织：P+F中碳钢：珠光体+铁素体完全退火目的：降低硬度，改善切削加工性能（Wc：0.5%～0.77%）细化晶粒消除应力均匀成份、组织提高塑性完全退火等温退火——完全退火的特例优点:

退火时间短，组织均匀高速钢的退火工艺曲线适用范围：共析钢、过共析钢加热温度：目的：使片状Fe3CⅡ球化Ar1-20℃炉冷AC1500℃，空冷AC1+20～30℃AC1+20～30℃H便于切削加工使塑性达到最佳为淬火、回火做准备球化退火AC1+20～30℃球状珠光体Fe3C的球化过程退火后组织：球状P（粒状P）

球化退火加热温度：目的：消除工件残余应力，稳定工件的尺寸；软化处理；扩散退火去应力退火再结晶退火T加热＜AC1T加热=AC3＋150～250℃T加热＞T再结晶去应力退火（低温退火）均匀化退火（扩散退火）再结晶退火加热温度：目的：消除偏析，均匀成份、组织；加热温度：目的：消除加工硬化，提高塑性；二、正火加热空冷S钢临界温度以上定义：加热温度：亚共析钢：Ac3+30～50℃共析钢及过共析钢：Accm+30～50℃AC3

(ACCM)+30～50℃空冷AC3或ACCM正火工艺曲线二、正火S具有与退火相同的目的；消除应力、细化晶粒、改善组织，提高钢的综合性能对于中低碳钢，可适当提高硬度，改善其切削加工性能；对于过共析钢，可消除网状Fe3CⅡ，为球化退火做准备；作为普通结构件的最终热处理。正火后组织：目的：加热温度

？组织和性能对切削加工的影响热处理缺陷经济问题为什么亚共析钢不在两相区加热？为什么过共析钢退火不能在Accm以上，但正火可以？三、退火与正火比较

定义：加热快冷（v＞vk）B区等温MB钢临界温度（Ac3或Ac1）以上§4.4钢的淬火目的：工艺特点：获得M，以提高钢的硬度和耐磨性；经回火后可获得理想的性能；获得B，以提高钢的综合性能。冷却速度快，热应力和组织转变应力大，工件易变形和开裂；淬火（+回火）一般是最终热处理，是决定产品质量的关键工序。

[下贝氏体][板条状马氏体][针状马氏体]淬火后组织：

淬火工艺参数的选择亚共析钢：AC3+30～50℃（完全淬火）共析钢及过共析钢：AC1

+30～50℃（不完全淬火）淬火加热温度1.加热温度为什么亚共析钢不在两相区加热？为什么过共析钢必须在两相区加热？如果T淬火＞Accm会有什么后果？？选择原则：①保证获得马氏体②防止工件变形开裂中碳钢：马氏体+铁素体（不完全淬火）中碳马氏体(完全淬火)

淬火工艺参数的选择奥氏体化程度对淬火组织的影响碳钢：尽可能快地加热合金钢淬火加热条件的选择

T淬火(AC+50～100℃)

需预热t800～600～T(℃)T淬火

淬火工艺参数的选择

2.保温时间t

=

αKDα—加热系数（电阻炉1-1.5min/mm）

K—装炉系数(1—1.5)

D—工件尺寸（mm）

3.加热速度CABD650℃400℃理想淬火冷却曲线

淬火工艺参数的选择4.冷却速度vkA→BA→M淬火介质水油盐水碱浴硝盐浴冷速650～550℃600℃/s快150℃/s太慢1000～1200℃/s比油快比油稍弱200～300℃270℃/s太快30℃/s慢300℃/s比油弱比油弱特点高温冷速快，可保证工件淬硬低温冷速快，工件易变形开裂冷却能力对水温敏感杂质使冷却能力下降低温冷速慢，工件不易变形、开裂高温冷速慢，工件易分解，淬不硬易老化、易燃油温增加，冷却能力增加（20～80℃）冷却能力强工件表面质量好，硬度均匀易变形开裂易腐蚀既能保证工件淬硬，又能使变形开列程度减少流动性好工作环境差用途碳钢合金钢小截面碳钢形状简单，截面尺寸大的碳钢小件、形状复杂、精度要求高的工件

淬火工艺参数的选择4.冷却速度——淬火介质①②④③心部表面T(℃)t⊿T

淬火工艺参数的选择4.冷却速度——淬火方法①单介质淬火：碳钢—水；合金钢—油优点：操作简单、成本低；缺点：淬火件质量较低、热应力大②双介质淬火：水—油；水—空气优点：能保证淬火件的质量要求缺点：操作难度大、热应力大③分级淬火：转变产物—M；优点：热应力小，工件不易变形；缺点：操作难度大④等温淬火：转变产物—B下；优点：综合性能及尺寸精度高、不需回火；缺点：工艺复杂、成本高加热淬火钢Ac1以下保温冷却室温§4.4钢的回火

定义：目的：松懈淬火应力，防止工件变形和开裂。使组织向稳态过度，保证工件尺寸和性能的稳定性。改善材料的塑性和韧性，获得所需要的性能。马氏体的分解残余奥氏体的分解碳化物的析出和变化α相（F）的回复和再结晶

回火时的组织转变及性能变化回火时的组织转变及性能变化回火阶段组织变化内应力体积性能回火后组织（一）＜200℃（二）200～300℃（三）300～400℃（四）＞400℃c/a»1c/a＞1c/a＞1c/a＝1εFe3CAr

B下或M回马氏体分解MH

不变或略δ、ψ、ak

略含C过饱和α(针)+

ε

(点)

M回马氏体分解残余奥氏体分解

(略)σ、H

(略)脆性M回1马氏体分解碳化物聚集长大α相（F）的回复和再结晶消失Hδ、ak

＞M回σ、H

较高弹性最佳σs

最佳针状

F+颗粒状Fe3C

T回σ、Hδ、ψ、ak综合性能最佳等轴

F+颗粒状Fe3C

S回回火后钢的的组织回火托氏体回火索氏体

回火板条马氏体

回火片状马氏体马氏体回火后的性能：影响回火后性能的关键因素：回火温度[40Cr钢经不同温度回火后的机械性能](直径D=12mm,油淬)回火后的性能：工艺名称回火温度(℃

)回火后组织回火后硬度(HRC)性能特点用途低温回火150～250

M回58～64硬度耐磨性内应力降低工具钢、滚动轴承渗碳件、表面淬火件※调质处理＝淬火＋高温回火中温回火350～500T回35～50弹性σs

屈强比(σs/σs)一定韧性、抗疲劳性弹簧钢、热作模具高温回火500～600S回25～35综合性能重要结构件、机械零件回火工艺：合金钢的回火回火稳定性高回火温度相应升高合金碳化物弥散析出二次硬化残余奥氏体多需多次回火

回火脆性的概念

第一类回火脆性250～350℃（低温、不可逆）

产生范围：所有钢

防止措施：避免在该脆性区回火；钢中加少量Si；

第二类回火脆性

500～650℃

（高温、可逆）产生范围：部分合金结构钢（含Cr、Ni、Si、Mn）

防止措施：回火后快冷加少量Mo、W减少钢中杂质改变热处理工艺[形变热处理]回火脆性：小型工件：V表面＞V心部＞Vk

能淬透组织为100%M大型工件：V表面＞Vk＞V心部淬不透表面—M；心部—非M[大尺寸工件的淬透情况示意图][淬透性不同的钢调质后机械性能]钢的淬透性淬硬层深度（淬透层深度、有效淬硬尺寸）50%M表面心部淬硬层半马氏体层的硬度/HRC钢的淬透性

淬透性在规定条件下，决定钢的淬硬深度和硬度分布的特性（钢淬火时获得M的能力）一定条件下，

Vk

淬透性淬硬性（可硬性）

在理想条件下，钢淬火时所能达到的最高硬度

wc

淬硬性

vC(vk)钢的淬透性淬透性≠淬透性影响淬透性的因素合金元素的影响：除Co、Al，均使C

曲线右移淬透性碳的影响：亚共析钢，wc

C曲线右移淬透性过共析钢，wc

C曲线左移淬透性碳钢中共析钢淬透性最好加热条件的影响未溶第二相的影响合金元素对钢淬透性的影响※凡能使A稳定性增加的因素都能增加钢的淬透性

淬透性值的表示：半M区到水冷端距离半M区硬度如:

淬透性曲线的测定——末端淬火法（端淬试验）钢的淬透性临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被淬成半马氏体的最大直径，用D0（Dc）表示。D0与冷却介质有关，如45钢D0水=16mm，D0油=8mm只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比较

如：45钢D0油=

8mm，40Cr

D0油=

20mm

临界淬火直径（D0）的测定断面受力均匀、应力状态复杂的重要零件——淬透（螺栓、连杆）受弯曲、扭转应力作用的零件——不必淬透（轴类）受交变应力和震动的弹簧零件，要求无塑性变形，屈强比高——淬透工具类，要求高硬度、强度、耐磨性——高淬透性钢（模具）形状复杂、尺寸精度高的工件——高淬透性钢特殊零件——低淬透性钢（焊接件、齿轮等）大尺寸工件——考虑尺寸效应尺寸小的工件——能淬透——调质处理尺寸大的工件——不能淬透——正火大尺寸工件淬火时——先加工、再淬火螺栓连杆淬透性原理的应用——选材及热处理工艺制定不同冷却条件下的转变产物等温退火P退火(炉冷)正火(空冷)S(油冷)T+M+A’等温淬火B下M+A’分级淬火M+A’淬火(水冷)A1MSMf时间温度淬火PP均匀A细A？？？§4.5钢的表面热处理定义：指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。目的：①强化表面，使其具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限。②心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。基本概念所用钢种：基本概念中碳成分的优质碳素结构钢、合金结构钢（如果工件只需表面硬度高、耐磨性好，也可用高碳钢）应用：承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件：齿轮、凸轮、曲轴、轧辊等——只需表面淬硬的工件；机床导轨等大型、复杂工件——只能表面淬硬的工件。分类：感应加热淬火、火焰加热淬火、激光加热淬火……感应加热表面淬火工作原理淬硬层深度分类

高频感应加热f=200～300kHZ

δ=0.5～2.0mm中频感应加热f=2500～8000HZ

δ=2～10mm工频感应加热f=50HZ

δ=10～15mm加热速度快，温度高，生产效率高A晶粒细小隐晶马氏体H脆性强度表面产生压应力疲劳强度氧化脱碳表面质量耐磨性心部无相变刚性变形精度δ易控制自动化程度高设备昂贵，耗电量大感应加热表面淬火特点：应用：大批量生产锻造→退火或正火→粗加工→调质或正火→精加工→

→感应加热表面淬火→低温回火→粗磨→时效处理→精磨消除锻造应力；调整硬度，便于机加工细化晶粒，提高心部综合性能，为淬火做准备T加：Ac3＋30～50℃强化表面，获得MT加：Ac3＋30～50℃降低淬火应力稳定表面组织T加：160～200℃进一步降低应力，稳定组织，防止工件变形开裂感应加热表面淬火工艺路线：工作原理淬硬层深度:δ=2～8mm

特点简单、方便