金属学及热处理课件：钢的热处理

钢的热处理[目标]1.了解钢的热处理分类、化学热处理、热处理新技术；2.掌握钢热处理原理：加热、保温、冷却过程及组织、性能转变规律；3.掌握钢的正火、退火、淬火、回火的热处理工艺和应用；钢的表面热处理的特点和应用；4.淬透性、淬硬性概念及其影响因素。[重点]1.钢在冷却时的转变过程和组织、性能；2.钢正火、退火、淬火、回火的热处理工艺和应用；3.钢的表面热处理的特点和应用。[难点]1.钢在冷却时的转变过程和组织；2.钢的表面热处理。钢的热处理第六章钢的热处理

将钢进行加热、保温和冷却，以获得所需结构、组织与性能的一种热加工工艺。

工艺简单成本低廉

历史悠久

应用广泛

效果卓越

重要零件都要经过热处理机床制造：60~70%汽车：70~80%模具、滚动轴承：100%6.1钢在加热时的组织转变6.1.1奥氏体的形成平衡时:A1A3Acm加热时:Ac1Ac3Accm冷却时:Ar1Ar3Arcm1.实际加热和冷却时相变点2.奥氏体的形成目标：成分均匀、晶粒细小的A奥氏体形核奥氏体长大剩余Fe3C溶解奥氏体成分均匀化途径：C、Fe原子的扩散

Fe的晶格改变P(F+Fe3C)→A6.1.2奥氏体晶粒的长大及其影响因素（1）加热温度↑

C扩散↑

（2）加热速度↑过热度↑

形核率↑（3）Wc↑

：C扩散速度↑

（4）合金元素：合金碳化物大多数阻碍A长大（5）原始组织晶粒细↑形核率↑粗↑保温时间↑长大↑细↑

粗↑细↑

细↑

快加热、短保温A思考题1.亚共析钢加热到Ac1时，其转变是怎样的2.过共析钢加热到Ac1时，其转变是怎样的A+FA+Fe3CP+F

P+Fe3C6.2钢在冷却时的组织转变1-连续冷却方式2-等温冷却方式6.2.1

共析钢过冷奥氏体等温冷却转变（

TTT

曲线、C

曲线)TimeTemperatureTransformation1.过冷奥氏体等温冷却转变图550

℃温度时间A1-50230550723T/℃0t/s110102103104A1稳定A过冷AA转变开始线A转变终止线2.C曲线建立示意图稳定奥氏体区过冷奥氏体区A转变开始线A转变终止线A

+产物区产物区A1～550℃(高温转变)

P转变550～230℃（中温转变）

B转变230～-50℃（低温转变）

M转变t/s3001021031041010800-100100200500600700

T/℃0400A1MsMf区物产M转变开始线M转变终止线3.共析钢过冷奥氏体等温冷却转变图2）C

曲线概述T/℃t/sA1（723

℃）稳定A

区转变开始线转变终止线转变开始线转变终止线过冷区A高温转变区（P

组织）550

℃中温转变区（B

组织）低温转变区（M

组织）3.共析钢过冷奥氏体等温冷却转变图（另一种，供选择）AF正常溶解度多余C充分析出Fe3CP

第二相强化1.珠光体型(P)转变--高温扩散型6.2.2共析钢过冷奥氏体等温转变产物及性能A1～650℃粗片珠光体（P）≈

20HRC650～600℃细片索氏体(S)≈30HRC600～550℃极细片屈氏体(T)≈

40HRC强硬度塑韧性提高1.珠光体型(P)转变PSTC

不能析出AFM

过饱和的F2.马氏体型(M)转变--低温非扩散型极度过饱和固溶强化马氏体硬度和碳含量的关系（1）马氏体的硬度取决于WcⱲc＜0.2％：低碳M（板条状--细长条状）

强而韧

20～50HRCⱲc＞1.0％：高碳M（针状--双凸透镜状）

硬而脆≈65HRCM束M针（2）马氏体的分类低碳M高碳M在不断降温的过程中形成。如冷却中途停止，M转变即停止；高速长大；转变不彻底；

当Ⱳc＞0.6％时，Mf降至0℃以下，室温冷却时将有残余A（Ar/A＇）；

Ⱳc↑→Ar↑→HRC↓

稳定性↓精度↓

（高精度件需冷处理：干冰-78℃，液氮-196℃）体积膨胀；产生较大内应力，变形、开裂。（3）马氏体转变的特点C部分析出碳化物B3.贝氏体型(B)转变--中温半扩散型A过饱和

FB上B下过饱和固溶强化第二相强化550～350℃B上≈45HRC碳化物短杆状塑韧性差350℃～MsB下≈55HRC碳化物颗粒状良好塑韧性贝氏体性能共析钢三种产物组织示意图C充分析出C部分析出C未能析出7230550230-50650600350550230-50PSTBuBd7230550230-50t/sP型B型M型7230T/℃230-50A1稳定AMSMf2030404555M66共析钢等温冷却产物及硬度转变温度区间名称组织形貌HRCA1～650℃PF+Fe3C层片状≈20650℃～600℃S≈30600℃～550℃T≈40550℃～350℃B上含碳略过饱和F+碳化物羽毛状40～48350℃～230℃B下含碳略过饱和F+碳化物黑色针状48～55Ms～MfM碳极大过饱和的F板条状或片状50～65共析钢等温冷却产物及硬度6.2.3影响TTT曲线的因素1.碳含量合金元素3.奥氏体化温度和保温时间课堂练习：分析等温冷却组织转变①③②④①T②B下+M③B下④M+Ar6.2.4过冷奥氏体连续冷却转变（1）同一成分钢的连续冷却转变曲线较等温冷却转变曲线靠右下方；（2）CCT曲线只有上半部分，而没有下半部分；（3）CCT曲线珠光体转变区由三条曲线构成；

（4）CCT曲线的上\下临界冷却速度。800-100100200500600700

温度0400共析钢连续冷却的产物

时间(s)3001021031041010A1MsMfV1V2υkV3V4炉冷P空冷S油冷T+M+Ar水冷

M+Ar课堂练习

按硬度要求做出连续冷却曲线：Wc＝0.8％的工件,头部65HRC，尾部50HRC。800-100100200500600700

温度0400

时间(s)3001021031041010A1MsMf尾头时间炉冷：P空冷：S油冷、水冷：M6.3钢的退火和正火毛坯生产预备热处理机械粗加工

补充热处理

1.钢的热处理作用与分类去应力退火穿插进行退火正火再结晶退火改善加工工艺性能(160～230HBS)力学性能↑使用寿命↑淬火回火机械精加工最终热处理消除加工中的内应力渗碳、渗氮碳氮共渗热处理普通热处理表面热处理退火、正火淬火与回火表面淬火

化学热处理感应加热火焰加热根据工艺特点分类细化晶粒、改善组织：优化力学性能，为最终热处理

（淬火回火）做好组织准备；消除残余应力：稳定尺寸，防止变形、开裂；调整硬度：改善材料切削加工性能，160~230HBW；最终热处理：用于普通零件2.退火和正火的作用6.3.1钢的退火（a）加热温度范围

（b）工艺曲线各种退火工艺规范示意图

退火是将钢加热至一定温度，保温一定时间后缓慢冷却的热处理工艺。1.完全退火特点：完全A化，缓冷（炉冷等）应用：中、高碳亚共析钢（Ⱳc：0.3～0.6％）

(若Ⱳc↓→F↑→软/黏刀；工艺：Ac3＋30～50℃组织：F＋P作用：细化晶粒

消除内应力

HRC↓Ⱳc↑→Fe3C网↑→硬/脆）2.球化退火特点：不完全A化，缓冷（炉冷等）应用：高碳钢（Ⱳc＞0.6％）——共析、过共析钢工艺：A1＋30～50℃组织：F＋Fe3C（球状）作用：细化晶粒

消除内应力

球化Fe3C

塑韧性↑

HRC↓

主要用于合金钢铸件消除铸造枝晶偏析，使钢成分均匀。

加热至Ac3或Acm+150～250℃，保温10～15h，随炉冷至350℃，出炉空冷。3.均匀化退火4.去应力退火为消除或减小工件内部残余内应力，稳定尺寸和形状。加热至A1以下（550～650℃），保温后随炉缓冷至200℃，出炉空冷。6.3.3钢的正火特点：完全A化，空冷应用：亚、共、过共析钢工艺：Ac3或Acm以上30～50℃组织：亚共析钢：S+F

共析钢：S

过共析钢：S＋Fe3CⅡ

（呈断续链状）作用：与退火相似

但速度快，生产效率高组织更细密，性能更好正火的应用（1）具有综合性能：正火可作为力学性能要求不高时的最终热处理；（2）用于亚共析钢（Ⱳc：0.2~0.4%）：较完全退火，HRC↑（150~220HBW）；（3）用于过共析钢：能消除Fe3CⅡ

呈网状分布。过共析钢正火前过共析钢正火后正火球化退火正火＋球化退火Ⱳc＝0.2～0.6％：低、中碳——优先采用正火Ⱳc≥0.6％：高碳——球化退火Ⱳc≥1％：正火+球化退火1.选用原则16.3.3退火和正火在零件制造中的应用2.选用原则2（参考）0.5％正火球化退火0.75％完全退火正火＋球化退火0.2％6.3.3退火和正火在零件制造中的应用6.4钢的淬火与回火

时间(s)6.4.1钢的淬火加热

快冷（υ

≥

υk）等温冷却MB下钢

A

临界温度以上

6.4钢的淬火与回火淬火工艺（1）淬火加热温度亚共析钢：Ac3+30

50℃共、过共析钢：Ac1+30℃50℃t>AcmAcm>t>A1过共析钢不同温度下的淬火组织

加热保温时间过长，A晶粒易长大，且零件氧化、脱碳倾向增大；反之，奥氏体化不充分。

确定零件的加热保温时间时应考虑加热方法、钢的种类、工件形状尺寸和装炉方式等因素。

详见各类热处理工艺手册（2）加热保温时间

（3）淬火冷却介质V碱水＞V盐水＞V清水＞V熔盐＞V油最常用的冷却介质是水和油生产中接近理想冷却曲线的实际操作理想的淬火冷却曲线1.缓冷2.快冷3.缓冷1.缓冷3.缓冷2.快冷出炉①单介质淬火：形状简单小件；应力大碳钢—水合金钢—油②双介质淬火:形状复杂、大件；应力↓

水—油油—空气如：浴以五牲之溺，淬以五牲之脂---唐《北齐书》③分级淬火：精密件，应力↓↓④等温淬火：尺寸小、精度高的强韧性件（B下）应力↓↓↓

②①④③2.常用淬火方法6.4.2钢的回火

回火：淬火钢重新加热至A1以下某预定温度并保温一定时间，然后冷却至室温。

1.回火的作用（1）消除或减少内应力；

（2）稳定工件尺寸；（3）获得工件所要求的力学性能。回火的原因C

不能析出MA

F

晶格畸变程度↑应力↑脆性↑Ar↑

过饱和C↑

自然析出F+Fe3C稳定的平衡组织非平衡组织冷速↑自发变形释放体心立方F

不可阻挡强度↑

硬度↑马氏体的分解（80～200℃）

过饱和碳以极细小片状过渡碳化物Fe2.4C形式部分析出。

过饱和针状铁素体+Fe2.4C（Mˊ）。残余奥氏体的转变（200～300℃），B下渗碳体的形成（250～450℃）Fe2.4C向更稳定的、弥散、细小的Fe3C转变

，碳化物充分析出。

平衡成分的针状铁素体+

颗粒状Fe3C（Tˊ）。渗碳体球化、长大及铁素体形态变化（>450℃）渗碳体集聚长大球化为细粒状；铁素体发生再结晶，由针状转变为细小等轴状晶粒。

等轴状（粒状）铁素体+

颗粒状Fe3C（Sˊ）2.淬火钢回火时的组织转变及产物（1）马氏体的分解（80～200℃）（2）残余奥氏体的转变（200～300℃）（3）渗碳体的形成（250～450℃））（4）渗碳体球化、长大及铁素体形态变化（>450℃）2.淬火钢回火时的组织转变及产物低温回火≈200℃碳化物析出少M′中温回火≈400℃碳化物充分析出（细小Fe3C）T′高温回火≈600℃铁素体形态发生变化（针→粒）S′

3.淬火钢回火时的性能变化淬火钢（0.4%)回火时力学性能的变化

不同淬火钢的回火硬度曲线C

回火获得不同组织和性能4.

回火的种类及应用25中低Ⱳc0.3～0.5％受力复杂传动件如：轴、连杆、螺栓综合性能强、硬塑、韧均衡S′

45中高Ⱳc0.5～0.7％弹性零件如：弹簧、热作模具高强度足够韧性T′60高Ⱳc＞0.8％高硬度耐磨件如:车刀、锯条、卡尺轴承、冷作模具高硬度M′

HRC钢含碳量应用性能组织第一类(低温回火脆性)：不可逆250～350℃：M界面上析出薄片状碳化物。与冷速无关，无法消除，应避免该温度第二类(高温回火脆性)：可逆

1）再加热至550℃，快冷消除2）消除杂质3）大件加入

W/Mo防偏聚5.

回火脆性500～650℃:慢冷时，P/S/Sn/As等元素向晶界偏聚、析出。Cr/Mn/Ni/Si促进此偏聚。6.4.3淬火钢的冷处理

将淬火钢从室温继续冷却至0℃以下温度的工艺称为冷处理。消除Ar硬度、耐磨性↑；稳定性、精度↑

常用的冷处理介质：酒精加干冰（-78℃）、液氮（-196℃）和液氧（-183℃）。6.5钢的淬硬性和淬透性6.5.1钢的淬硬性1.淬硬性：淬火钢获得最高硬度或马氏体硬度的能力。与Ⱳc有关与合金元素无关2.淬硬性的应用

工具：

Ⱳc≥0.8%,弹簧：

Ⱳc=0.5～0.7%轴和部分齿轮：

Ⱳc=0.3～0.5%6.5.2钢的淬透性

淬透性是指在规定淬火条件下，钢获得高硬度马氏体层（淬硬层）深度的能力。（a）工件截面不同冷速

（b）截面不同冷速与M层深度的关系1.临界淬透直径——dc

心部也被淬硬时的最大直径6.5钢的淬硬性和淬透性dc是钢中的合金元素及其含量。2.影响钢淬透性的最主要因素种类：C曲线右移Vk↓

淬透性↑合金总量↑：淬透性↑（1）大工件：淬透性↑

心部淬透↑

性能一致（2）同一工件：淬透性↑冷速↓应力↓3.淬透性应用课堂思考2：如何根据零件受力状况选择淬透性横截面受力均匀的零件横截面受力不均匀的零件避免脆性断裂的零件淬透性要高淬透性不必高淬透性不能高课堂思考1：某细长冲孔凸模，应力大时易变形，要求高精度，选哪种材料更合适：T8、9CrWMn？

6.6钢的表面热处理表硬心韧6.6钢的表面热处理6.6.1钢的表面淬火1.感应加热表面淬火①心部:整体热处理正火S

或调质

S′②表面:淬火：A→M→M′

电流

频率

高频（100kHz～500kHz）

中频（500Hz～10000Hz）