4 材料力学性能与热处理1、钢的热处理

1、钢的热处理 Heat Treatment of Steels,主要内容： 热处理的基本概念 钢在加热时的转变 钢在冷却时的转变 钢的退火与正火 钢的淬火与回火 钢的表面热处理,热处理原理,热处理工艺,钢铁材料是工程材料中最重要的材料之一，在机械制造业中的比例达到90%左右，在汽车制造业中的比例达到70%，在其他制造业中也是最重要的材料之一。 改善钢铁材料性能的途径： 合金化（Alloying） 通过在钢中加入合金元素，调整钢的化学成分，从而获得优良的性能。 热处理（Heat Treatment） 将金属在固态下经加热、保温和冷却，以改变金属的内部组织和结构，从而获得优良的性能。,第一节 热处理

2、的基本概念 一、热处理的定义 热处理是指金属在固态下经加热、保温和冷却，以改变金属的内部组织和结构，从而获得所需性能的一种工艺过程。,加 热,保温,冷 却,临界温度,钢的热处理热处理的基本概念,二、热处理的基本要素和作用 热处理的三大要素 加热（ Heating） 目的是获得均匀细小的奥氏体组织。 保温（Holding） 目的是保证工件烧透，并防止脱碳和氧化等。 冷却（Cooling） 目的是使奥氏体转变为不同的组织。 热处理后的组织 加热、保温后的奥氏体在随后的冷却过程中，根据冷却速度的不同将转变成不同的组织。不同的组织具有不同的性能。,钢的热处理热处理的基本概念,热处理的特点 热处理不改变

3、工件的形状，仅改变钢的内部组织和结构，从而改变钢的性能。 热处理的作用 改善钢（工件）的力学性能或工艺性能，充分发挥钢的性能潜力， 提高工件质量，延长工件寿命。 重要结论： 材料是否能够通过热处理而改善其性能，关键条件是材料在加热和冷却过程中是否发生组织和结构的变化。,钢的热处理热处理的基本概念,普通热处理 (整体热处理),退火,表面淬火,热处理工艺,化学热处理,表面热处理,其他热处理,控制气氛热处理,真空热处理,形变热处理,三、热处理的类型 1.按加热、冷却方式及钢的组织、性能不同分类,正火,淬火,回火,感应加热表面淬火,火焰加热表面淬火,电接触加热表面淬火,渗碳,渗氮（氮化）,碳氮共渗,钢

4、的热处理-热处理的基本概念,2.按热处理在工件生产过程中的位置和作用不同分类,预备热处理：为随后的加工或热处理作准备,热处理工艺,最终热处理：赋予工件所需的力学性能,毛坯 （锻件）,预备热处理 （退火、正火）,机加工 （车削）,最终热处理 （淬火、回火）,精加工 （磨削）,钢的热处理热处理的基本概念,举例： 零件的典型加工工艺路线：,A1,A3,Acm,Ac1,Ar1,Ac3,Ar3,Arcm,Accm,四、钢的临界转变温度（Critical Temperature of Steels）,钢的临界转变温度是钢在热处理时制定加热、保温、冷却工艺的重要依据，由铁碳合金相图确定。 重要结论：钢的实际

5、临界转变温度总是滞后于理论临界转变温度,即加热时需要过热，冷却时需要过冷。,钢的热处理热处理的基本概念,第二节 钢在加热时的转变 两种加热方式：,钢的热处理钢在加热时的转变,加 热,保温,冷 却,Ac1,细小的奥氏体组织。该过程又称为钢的奥氏体化（Austenitizing）。,第种加热方式发生在临界温度Ac1以上，一定有组织转变，是一种相变过程。 第种加热方式发生在临界温度Ac1以下，不一定有组织转变。 加热的目的： 本节介绍第种加热过程，目的是使钢从室温组织（如珠光体）转变为奥氏体，即获得均匀,相变（Phase Transformation）： 材料中的一种相在一定条件下转变为另一种相的过

6、程。,加 热,保温,冷 却,一、奥氏体的形成过程 以共析钢为例： 奥氏体的形成是一个形核和长大的固态相变过程，是铁素体(F)向奥氏体(A)的晶格改组，渗碳体(Fe3C)溶入奥氏体中，以及碳(C)在奥氏体中扩散的过程。 共析钢奥氏体化的四个基本过程： 奥氏体的形核 奥氏体的长大 残余渗碳体的溶解 奥氏体成分的均匀化,钢的热处理钢在加热时的转变,1.奥氏体的形核 A晶核优先在F/Fe3C相界处形成。,第六章 钢的热处理6.2 钢在加热时的转变,分析： 形核需要3个起伏，即能量起伏、结构起伏、成分（浓度）起伏,在晶界处容易满足这3个起伏。 相界处晶格畸变较大，能量较高，有利于获得A形核所需的能量要求

7、。 相界处晶格畸变较大，原子排列不规则，有利于获得奥氏体的fcc结构要求。 相界处碳浓度相差较大，有利于获得A形核所需的碳浓度要求。,2.奥氏体的长大 A晶核形成后,将通过FA转变和Fe3C溶入A的过程不断长大。 分析： A形核后，由于A与Fe3C相界处存在碳浓度梯度，将引起A中C的扩散。通过Fe原子和C原子的扩散、Fe原子的晶格由bcc转变为fcc，A不断向F和Fe3C两侧扩展长大,直至F完全消失。,钢的热处理钢在加热时的转变,3.残余渗碳体的溶解 Fe3C的溶解落后于FA转变，残留Fe3C将继续溶入A中。 分析： 在奥氏体的形成过程中，F比Fe3C先消失，因此奥氏体形成之后，还残留未溶的F

8、e3C。这些残余Fe3C将随着时间的延长，继续不断地溶入奥氏体，直至全部消失。,钢的热处理钢在加热时的转变,钢的热处理钢在加热时的转变,4.奥氏体成分的均匀化 残余Fe3C溶解完成后,A成分极不均匀。最终通过C原子的扩散，奥氏体的成分达到均匀一致。 分析： 残留的Fe3C全部溶入A后,原先是Fe3C的地方碳浓度高,原先是F的地方碳浓度低，必须继续保温，通过C原子的扩散，使A成分均匀化。,钢的热处理钢在加热时的转变,F,奥氏体的形核,Fe3C,A,Fe3C,F,A,奥氏体的长大,未溶Fe3C,A,残余渗碳体的溶解,奥氏体成分的均匀化,A,珠光体向奥氏体转变的过程,第三节 钢在冷却时的转变 两种冷

9、却方式： 等温冷却（Isothermal Cooling） 将A快速冷至临界温度以下某一温度，使A在该温度下转变成其他组织，然后再冷却至室温。 连续冷却（Continuous Cooling） A在逐渐降温至室温的过程中转变成其他组织。,钢的热处理钢在冷却时的转变,保温,连 续 冷 却,临界温度,等 温 冷 却,加 热,一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程 过冷奥氏体（Undercooling Austenite）： 被过冷至临界温度以下、在热力学上不稳定、即将发生分解（即奥氏体转变为其他组织）的奥氏体，称为过冷奥氏体。 分析：,钢的热处理钢在冷却时的转变,(稳定的)奥氏体,过冷奥氏体,过冷奥氏

10、体转变产物： 珠光体（Pearlite） 符号：P 过冷奥氏体以缓慢的冷却速度冷却至室温，或过冷奥氏体在临界温度以下的高温范围内等温，将转变成珠光体。 典型的冷却方式：炉冷（退火） 珠光体相比马氏体和贝氏体，其强度和硬度较低。 马氏体（Martensite） 符号：M 过冷奥氏体以极快的冷却速度冷却至室温，将转变成马氏体。 典型的冷却方式：水冷或油冷（淬火） 马氏体具有很高的强度和硬度。 贝氏体（Bainite） 符号：B 过冷奥氏体在临界温度以下的中温范围内等温，将转变成贝氏体。 贝氏体的强度和硬度介于珠光体和马氏体之间。,钢的热处理钢在冷却时的转变,钢的退火与正火 一、退火（Anneali

11、ng） 1.退火的定义 退火是将钢加热至临界点Ac1以上或以下温度，保温后缓慢冷却下来以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。 2.退火的目的 调整硬度以便切削加工 适于机加工的硬度：HB170230。 消除残余内应力 防止工件淬火时变形或开裂。 细化晶粒，改善组织 为最终热处理（淬火和回火）作组织准备 获得粒（球）状珠光体。,钢的热处理钢的退火与正火,通常是随炉冷却,3.退火的种类 第一类退火： 目的和作用： 不以组织转变为目的，使钢的不平衡状态过渡到平衡状态。 种类： 扩散退火、再结晶退火、去应力退火。 第二类退火： 目的和作用： 以改变组织和性能为目的，获得以珠光体为主的组织，并使钢 中的珠

12、光体、铁素体和碳化物等组织形态及分布达到要求。 种类： 完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火。,钢的热处理钢的退火与正火,钢的热处理钢的退火与正火,完全退火（Complete Annealing） 工艺规范： 加热温度：Ac3 + 30C50C。 适用范围： 亚共析成分的钢。,保温,加 热,Ac3,600C,空,30C50C,冷,钢的热处理钢的退火与正火,等温退火（Isothermal Annealing） 工艺规范： 加热温度：对亚共析成分的钢，Ac3 + 30C50C； 对过共析成分的钢，Ac1 + 30C50C。 适用范围： 亚共析钢、（尤其是）合金钢。,保温,加 热,Ac3或Ac1

13、,AP转变温度区,等温,30C50C,空,冷,特点： 大大缩短工件在炉内的时间。,临界温度,球化退火（Spheriodizing Annealing） 工艺规范： 加热温度：Ac1附近。 目的： 使钢中的渗碳体或碳化物球状化，以获得粒（球）状珠光体。 适用范围： 共析成分和过共析成分的钢。 扩散退火（Diffusing Annealing） 又称为均匀化退火（Homogenizing Annealing）。 工艺规范： 加热温度：略低于相图上的固相线。 目的： 消除偏析。,钢的热处理钢的退火与正火,二、正火（Normalizing） 1.正火的定义 正火是将钢加热至Ac3或Accm+ 30C5

14、0C，保温后空冷以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。 与退火相比，正火冷却速度快，得到较细的P，强度和硬度也较高。 2.正火的目的 正火的目的与退火基本相同。 3.正火的应用 消除网状二次渗碳体。 作为要求不高的零件的最终热处理。 作为低、中碳结构钢的预备热处理，改善切削加工性能。,钢的热处理钢的退火与正火,三、退火和正火的选用 wC%0.25%的低碳钢宜采用正火代替退火作为预备热处理。 0.25%wC%0.50%的中碳钢，可采用退火或正火作为预备热处理。 0.50%wC%0.75%的中、高碳钢，采用完全退火。 wC%0.75%的高碳钢，首先用正火消除网状Fe3C，再进行球化退火。 退火和正火

15、通常属于预备热处理。,钢的热处理钢的退火与正火,钢的热处理钢的退火与正火,A,FA,AFe3C,PFe3C,FP,P,第五节 钢的淬(cui)（ushuizu）火与回火 淬火和回火通常属于最终热处理。 一、淬火（Quenching） 1.淬火的定义 淬火是将钢加热至Ac3或Ac1以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度vk冷却下来，以获得马氏体的热处理工艺。 2.淬火的目的 获得马氏体（有时也可以是下贝氏体），提高钢的硬度和耐磨性。 淬火是钢的最重要的热处理工艺。,钢的热处理钢的淬火与回火,3.淬火工艺参数 淬火温度 淬火温度，或称淬火加热温度，即是钢的奥氏体化温度。 确定淬火温度的原则： 获得

16、均匀细小的奥氏体。 确定淬火温度的依据： Fe-Fe3C相图。,钢的热处理钢的淬火与回火,各类钢淬火温度的确定： 亚共析钢： Ac3 + 30C50C 共析钢和过共析钢： Ac1 + 30C50C 合金钢： 临界温度以上50C100C,钢的热处理钢的淬火与回火,加热时间 加热时间由升温时间和保温时间组成。 确定加热时间的原则： 保证工件内外温度一致，奥氏体化过程充分，奥氏体均匀细小。 确定加热时间的依据： 通常根据经验公式估算或通过实验确定。 淬火介质 两个方面的问题： 冷却速度大，容易获得马氏体。 冷却速度大，内应力大，工件变形和开裂的倾向大。,钢的热处理钢的淬火与回火,理想淬火介质的冷却特

17、性： 当冷却至“鼻尖”温度前冷却较慢， 以充分降低热应力。 在“鼻尖”温度附近具有较大的冷却能力，避免产生非马氏体组织。 在 Ms 点附近冷却尽量缓慢，以减少 马氏体转变时产生的组织应力。,钢的热处理钢的淬火与回火,常用淬火介质： 水 特点：经济，冷却能力较强，但在Ms点附近冷速过快。 适用范围：碳钢。 盐水：盐或碱的水溶液，高温冷却能力比水强，适用于碳钢。 油 特点：低温区（Ms点附近）冷速缓慢，可有效降低变形和开裂倾向， 但高温区冷却能力较低。 适用范围：合金钢。 种类：锭子油、机油、柴油。,钢的热处理钢的淬火与回火,（1）单液淬火（Simple Quenching） 操作简单，易实现机械

18、化。用于尺寸不大、形状简单的工件。 淬火后组织：M （2）双液淬火（Double Quenching） 操作复杂，不易掌握。用于形状复杂的高碳钢及尺寸较大的合金钢工件。 淬火后组织：M （3）分级淬火（Broken Quenching） 工艺较复杂。用于尺寸较大、形状复杂的合金钢工件。 淬火后组织：M （4）等温淬火（Isothermal Quenching） 用于形状复杂和要求较高的小工件。 淬火后组织：B下,4.淬火方法,钢的热处理钢的淬火与回火,5.钢的淬透性 淬透性（Hardenability）的概念 钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得淬透层深度的能力。 简单地讲，淬透性就是钢淬

19、火时获得马氏体的能力。,钢的热处理钢的淬火与回火,淬透性的量度： 淬透性的大小用规定条件下钢淬火后获得的淬硬层的深度表示。 淬硬层深度：由工件表面到半马氏体区域的深度。,影响淬透性的因素 淬透性的高低取决于钢的过冷奥氏体的稳定性。 过冷奥氏体的稳定性越高，淬透性越好，反之，淬透性越差。 什么因素影响过冷奥氏体的稳定性？ C曲线的位置。 C曲线右移，淬火临界冷却速度减小，淬透性提高。 重要结论： 凡是使钢的C曲线向右移的因素，均提高钢的淬透性。 最主要因素：化学成分 除Co外，所有溶入奥氏体中的合金元素均提高淬透性。 含碳量愈接近共析成分的碳钢，其C曲线愈靠右，淬透性越高。,钢的热处理钢的淬火与

20、回火,淬透性与淬硬性（Hardening Capacity）的区别： 淬透性表示钢淬火后获得淬透层深度的能力，取决于钢本身。 淬硬性表示钢淬火后所能达到的最高硬度，取决于钢的含碳量。,钢的热处理钢的淬火与回火,几种典型钢种淬透性与淬硬性的比较,淬透性的测定及其表示方法 （1）末端淬火试验（End-quench Hardenability test）法 通过端淬试验测定淬透性，淬透性的数值为 。 （2）临界淬透直径（Critical Quench Diameter）法 用钢在某种淬火介质中能够完全淬透的最大直径D0表示。,钢的热处理钢的淬火与回火,二、回火（Tempering） 回火是紧接淬火之

21、后的一种最终热处理工艺。 淬火钢为什么要回火？ 钢淬火后的组织是什么？ 马氏体残余奥氏体，均为亚稳定的组织，在一定条件下要转变。 马氏体的性能怎样？ 马氏体硬度高、脆性大（尤其是高碳针状马氏体），性能不能满 足工件的使用要求。 马氏体转变有什么特点？ 马氏体转变速度极快，工件淬火后内部有残余内应力，会导致工 件的变形或开裂。 结论： 淬火后的工件不能直接使用！,钢的热处理钢的淬火与回火,1.回火的定义 回火是将淬火钢加热到Ac1以下某一温度，保温后再冷却到室温的一种热处理工艺。 2.回火的目的 降低或消除残余内应力 防止工件变形或开裂。 减少或消除残余奥氏体 稳定组织，稳定工件的尺寸。 消除淬

22、火钢的脆性 调整工件的组织和性能，满足工件的使用要求。 特别提示： 钢淬火后应及时回火。,钢的热处理钢的淬火与回火,3.淬火钢在回火时的转变 回火时的组织转变,钢的热处理钢的淬火与回火,第一阶段：马氏体的分解 温度范围：100C200C，组织：回火马氏体。,第二阶段：残余奥氏体的分解 温度范围：200C300C ，组织：回火马氏体。,第三阶段：碳化物类型的转变 温度范围：250C400C ，组织：回火托氏体。,第四阶段：渗碳体的聚集长大和 相的再结晶 温度范围：400C，组织：回火索氏体。,回 火 的 四 个 阶 段,第一阶段 温度范围：100C200C 马氏体的分解,钢的热处理钢的淬火与回火

23、,过程： 马氏体中的过饱和碳以亚稳定相 -FexC的形式析出。 组织： 名称：回火马氏体 （Tempered Martensite） 符号：M回 特征：细小的片状 -FexC均匀 分布在M（ ）基体上。,第二阶段 温度范围：200C300C 残余奥氏体的分解,钢的热处理钢的淬火与回火,过程： 残余奥氏体分解为过饱和 相和亚稳定的 -FexC相。 组织： 名称：回火马氏体 （Tempered Martensite） 符号：M回 特征：细小的片状 -FexC均匀 分布在M（ ）基体上。,第三阶段 温度范围：250C400C 碳化物类型的转变,钢的热处理钢的淬火与回火,过程： 亚稳定的 -FexC溶

24、入 中，同时从 中析出Fe3C，实现碳化物类型的转变。 组织： 名称：回火托氏体 （Tempered Troostite） 符号：T回 特征：细粒状Fe3C均匀分布在 保持M形态的 基体上。,第四阶段 温度范围：400C 渗碳体的聚集长大和 相的再结晶,钢的热处理钢的淬火与回火,过程： Fe3C聚集长大、 相(F)的形状通过再结晶从M的针状转变为多边形（等轴状晶粒）。 组织： 名称：回火索氏体 （Tempered Sorbite） 符号：S回 特征：细粒状Fe3C均匀分布在 多边形的F基体上。,回火时的性能变化 回火过程中，钢的性能随组织变化，性能总体变化趋势是： 随回火温度升高，钢的强度和硬

25、度降低、塑性和韧性升高。 随回火温度升高，内应力降低。,钢的热处理钢的淬火与回火,6.5 钢的淬火与回火,4.回火工艺 低温回火（Low Tempering） 目的：降低淬火应力，改善工件韧性，获得高硬度和高耐磨性。 温度：150C250C 。 组织：M回。 性能：硬度：HRC5864。高的硬度和高的耐磨性。 应用：工具、模具、轴承、渗碳工件、表面淬火工件等。,钢的热处理钢的淬火与回火,6.5 钢的淬火与回火,中温回火（Medium Tempering） 目的：提高工件韧性，获得高的弹性极限和屈服强度。 温度：350C500C 。 组织：T回。 性能：硬度：HRC3545。高的弹性，高的屈服强

26、度和屈强比，足够的韧性。 应用：各种弹簧。,钢的热处理钢的淬火与回火,6.5 钢的淬火与回火,高温回火（High Tempering） 目的：获得高的韧性，足够的强度和硬度。 温度：500C600C 。 组织：S回。 性能：硬度：HRC2535。 良好的综合力学性能。 应用：轴、齿轮、连杆等。 调质处理（Thermal Refining） ： 淬火加高温回火称为调质处理，简称调质。钢经调质处理后，具有良好的综合性能，应用广泛。,钢的热处理钢的淬火与回火,5.回火脆性（Temper Brittleness） 淬火钢在某些温度回火时，其冲击韧性显著下降的现象称为回火脆性。 第一类回火脆性 出现的温

27、度范围：250C350C。 特点：淬火钢一旦在这一温度范围回火，就极可能产生这类回火脆性，且无法消除。 解决办法：避免将淬火钢在该温度范围内回火。 第一类回火脆性又称为低温回火脆性、不可逆回火脆性。,钢的热处理钢的淬火与回火,第二类回火脆性 出现的温度范围：500650C。 特点：淬火钢在这一温度范围内回火后，如果缓冷则会出现回火脆性，如果快冷则不产生回火脆性。 解决办法：产生第二类回火脆性的钢可重新回火后进行快速冷却。 第二类回火脆性又称为高温回火脆性、可逆回火脆性。,钢的热处理钢的淬火与回火,第六节 钢的表面热处理 很多零件要求表面和心部具有不同的性能。 举例：齿轮。,钢的热处理钢的表面热

28、处理,受力分析： 啮合的齿表面受到很大的接触应力和磨擦力，只有表面具有很高的硬度，才能满足要求。 啮合的齿表面受到交变应力，只有表面具有很高的接触疲劳强度，才能满足要求。 啮合的齿受到弯曲应力和时有的冲击载荷，只有齿心部具有高的韧性和足够的强度，才能保证不断齿，满足要求。,齿轮的性能要求： 表面：要求具有高的硬度、高的耐磨性和高的接触疲劳强度。 心部：要求具有良好的塑性、韧性和足够的强度。 即赋予齿轮“表硬内韧”的性能组合。 问题： 选择何种钢，采用何种热处理可以满足“表硬内韧”呢？ 选择高碳钢，采用普通（整体）热处理，行吗？ 选择中碳钢，采用普通（整体）热处理，行吗？ 选择低碳钢，采用普通（

29、整体）热处理，行吗？ 答案： NO!,钢的热处理钢的表面热处理,怎么办？ 选择合适的钢，采用表面热处理！,钢的热处理钢的表面热处理,?,表面淬火或化学热处理,一、钢的表面淬火（Surface Quenching of Steels） 1.表面淬火的定义 表面淬火是在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表面层奥氏体化后进行淬火，以强化工件表面的热处理工艺。 2.表面淬火用材料及表面淬火后的组织 表面淬火用材料 典型材料：中碳钢和中碳合金钢。 预备热处理 典型工艺：调质处理。如果心部性能要求不高，可采用正火。 表面淬火后的组织 预备热处理为调质：表面M回，心部S回。 预备热处理为正

30、火：表面M回，心部FS。,钢的热处理钢的表面热处理,3.感应加热表面淬火 感应加热表面淬火的基本原理 集肤效应： 当感应线圈中的交变电流在工件表面感生出感应电流时，该感应电流绝大部分分布在工件表面，而工件内部几乎没有电流通过，这种现象称为集肤效应。 感应加热表面淬火原理： 基于集肤效应，工件表面被迅速加热到奥氏体化温度（几秒钟即升至8001000C），而工件内部几乎未被加热，随后喷水冷却，实现表面淬火。,钢的热处理钢的表面热处理,感应加热表面淬火示意图,感应电流透入工件表面层的深度： 取决于交变电流的频率。 ：感应电流的透入深度（mm）； ：工件的电阻率（mm2/m）； ：工件的磁导率（H/m

31、）； f：交变电流的频率（Hz）。,钢的热处理钢的表面热处理,感应加热表面淬火的种类 （1）高频感应加热 电流频率：250300kHz。 淬硬层深度：0.52.0mm。 应用：中、小模数齿轮及中、小尺寸的轴件。 （2）中频感应加热 电流频率：25008000kHz。 淬硬层深度：210mm。 应用：较大尺寸的轴和大、中模数齿轮。 （3）工频感应加热 电流频率：50Hz。 淬硬层深度：1015mm。 应用：要求淬硬层很深的工件。,钢的热处理钢的表面热处理,感应加热表面淬火的特点 加热温度高，加热时间短，升温快。 可实现“短时快速加热”。 工件表层奥氏体晶粒细小。 淬火后，表层多为隐晶马氏体，硬度 比普通淬火高HRC23。 工件表面质量好。 加热时间短，不易氧化和脱碳，同时 淬火变形小。 工件疲劳强度高。 表面层M相变产生压应力。 工作效率高。 适用于大批量生产。,钢的热处理钢的表面热处理,感应加热表面淬火生产实景,二、钢的化学热处理（Chemical Heat Treatment of Steels） 1.化学热处理的定义 化学热处理是将钢工件放在一定的活性介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，从而改变工件表面化学成分和组织，进而改变其性能的热处理工艺。 2.化学热处理的基本过程