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1、第四章 钢的热处理,第四章 钢的热处理,在工业生产中，热处理的应用很广泛。凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能使用。本章介绍热处理的基本概念；钢在加热和冷却时的组织转变及转变产物的形态和性能特点；钢的退火和正火，钢的淬火和回火；钢的表面淬火和化学热处理等内容。,第四章 钢的热处理,第四章 钢的热处理,第一节 概述,热处理是将材料在固态下加热到一定温度，保温一定时间，并以适当速度冷却，以获得所需组织结构和性能的工艺过程。热处理不仅可用于强化材料，提高机械零件的使用性能，而且还可以用于改善材料的工艺性能，确保后续加工的顺利进行。各种热处理方法的共同点是：只改变内部组织结构，不改变表面形状与尺寸。
2、,第一节 概述,热处理的种类很多，根据其目的、加热和冷却方法的不同，可以分为：普通热处理、表面热处理及其他热处理方法。普通热处理有退火、正火、淬火、回火；表面热处理有表面淬火(感应加热、火焰加热等)、化学热处理(渗碳、渗氮等)；其他热处理有真空热处理、变形热处理和激光热处理等。,第一节 概述,图4-1热处理工艺曲线,热处理方法虽然很多，但都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的。通常用热处理工艺曲线表示(图4-1)。因此，要了解各种热处理工艺方法，必须首先研究加热(包括保温)和冷却过程中组织变化的规律。,第二节 钢在加热时的组织转变,图4-2钢在加热和冷却时的临界温度,Ac1：加热时珠光体向奥氏体
3、转变的温度； Ar1：冷却时奥氏体向珠光体转变的温度；,Ac3：加热时铁素体全部转变为奥氏体的终了温度； Ar3：冷却时奥氏体向铁素体转变的开始温度； Accm：加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度； Arcm：冷却时从奥氏体中开始析出二次渗碳体的温度。,第二节 钢在加热时的组织转变,一、钢的奥氏体化过程,1共析钢加热时奥氏体的形成过程,图4-3共析钢中奥氏体的形成过程示意图,第二节 钢在加热时的组织转变,一、钢的奥氏体化过程,1共析钢加热时奥氏体的形成过程,(1)奥氏体晶核的形成。实验证明，奥氏体晶核首先在F和Fe3C的相界面处形成。这是由于钢加热到Ac1以上时，变得不稳定，F和Fe3C
4、的界面在成分和结构上处于最有利于转变的条件下，所以首先在这里形成奥氏体晶核。 (2)奥氏体长大。稳定的奥氏体晶核形成后，开始长大生成小晶体，同时又有新的晶核形成。奥氏体的长大是新相界面分别向F和Fe3C两侧推移，直至F完全消失。奥氏体是依靠铁、碳原子的不断扩散，使Fe3C不断溶解、F晶格改组为面心立方的奥氏体晶格来完成。 (3)残余渗碳体的溶解。由于F的碳浓度和结构与奥氏体相近，F转变为奥氏体的速度远比Fe3C向奥氏体中的溶解快。F消失后，未溶解的残余渗碳体，在随后的保温过程中溶解，直到完全消失。 (4)奥氏体成分的均匀化。在Fe3C全部溶解完时，奥氏体的成分是不均匀的，因渗碳体的浓度不同，需
5、要保温一定时间，碳原子充分扩散，获得均匀的单相奥氏体。因此，热处理保温的目的，是使工件的组织转变完全以及使奥氏体成分均匀，以便在冷却后得到良好的组织和性能。,第二节 钢在加热时的组织转变,一、钢的奥氏体化过程,2亚共析钢与过共析钢加热时奥氏体的形成 亚共析钢与过共析钢的室温平衡组织分别为(P+F)和(P + Fe3C)。其中，加热时珠光体转变为奥氏体的过程与共析钢的相同；不同的是：亚共析钢多了铁素体向奥氏体的转变过程，过共析钢多了二次渗碳体的溶解过程。所以，亚共析钢要得到全部奥氏体需加热到Ac3以上，对过共析钢要在Accm以上。这一过程为完全奥氏体化。 如果亚共析钢仅在Ac1Ac3温度之间加热
6、，加热后的组织是“A + F”两相共存；对过共析钢在Ac1Accm温度之间加热，加热后的组织应为“A + Fe3C”两相共存。这一过程为不完全奥氏体化。 在加热后的冷却过程中，只是奥氏体向其它的组织转变，铁素体或二次渗碳体则不会发生转变，保留在钢的室温组织中，会对钢的力学性能产生影响。,第二节 钢在加热时的组织转变,二、奥氏体晶粒的控制,1奥氏体晶粒度表示奥氏体晶粒大小 一般根据标准晶粒度等级图确定钢的奥氏体晶粒大小，标准晶粒度等级分为8级，14级为粗晶粒度，58级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。 钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向用本质晶粒度来表示。钢加热到93010，保温8小时，冷却后测得的晶粒
7、度叫本质晶粒度。如果测得的晶粒度细小，则该钢称为本质细晶粒钢；反之叫本质粗晶粒钢。,第二节 钢在加热时的组织转变,二、奥氏体晶粒的控制,2影响奥氏体晶粒度的因素 (1)加热温度和保温时间。 随加热温度升高晶粒将逐渐长大。温度越高，或在一定温度下保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。 (2)钢的化学成分 随碳含量增加，奥氏体晶粒长大倾向增加。当有未溶碳化物存在时，可阻碍晶粒长大，得到细小奥氏体晶粒。 当钢中加入钛、钒、铌、锆、铝等元素，可起到细化晶粒的作用。因为能形成高熔点、弥散分布的碳化物或氮化物，阻碍晶界移动，强烈阻碍奥氏体晶粒长大。 当锰和磷等元素溶入奥氏体中，可加速铁的扩散，促进奥氏体晶粒的长
8、大。,第三节 钢在冷却时的组织转变,在热处理生产中，常用的冷却方式有两种，即等温冷却和连续冷却，如图4-4所示。 等温冷却。将奥氏体化的钢迅速冷却到Ar1以下某一温度，并等温停留一段时间，让奥氏体在此温度下完成其转变过程，然后再冷却到室温。 连续冷却。将奥氏体化的钢以不同的冷却速度(如炉冷、空冷、油冷、水冷等)连续冷却到室温。,图4-4两种冷却方式示意图,第三节 钢在冷却时的组织转变,一、奥氏体的等温转变,A在临界转变温度以上是稳定的，不会发生转变。A冷却至临界温度以下，在热力学上处于不稳定状态，要发生转变。这种在临界点以下存在的不稳定的且将要发生转变的奥氏体，称为过冷奥氏体。而在转变前需停留
9、一定时间，这段时间称为孕育期。 将高温奥氏体迅速冷却到低于A1的某一温度，并保持恒定，让过冷奥氏体在恒定温度下完成转变，称为过冷奥氏体的等温转变。,第三节 钢在冷却时的组织转变,一、奥氏体的等温转变,图4-5共析钢过冷奥氏体等温转变图,1C曲线图的概况,将共析钢制成若干小圆型薄片试样，加热至奥氏体化后，分别迅速投入A1点以下不同温度的恒温盐浴槽中进行等温转变。分别测出在各温度下，过冷奥氏体转变开始时间、终止时间以及转变产物量。将其画在温度时间坐标图上，并把各转变开始点和终止点分别用光滑曲线连接起来，便得到共析钢过冷奥氏体等温转变图，因曲线形状与字母“C”相似，故又称为C曲线图或TTT图(图4-
10、5)。,第三节 钢在冷却时的组织转变,一、奥氏体的等温转变,图4-5共析钢过冷奥氏体等温转变图,1C曲线图的概况,(1)C曲线上各线、区的含义,C曲线上部的水平线A1线，是珠光体和奥氏体的平衡(理论转变)温度。A1线以上为奥氏体稳定区。A1线以下为过冷奥氏体转变区。在该区内，左边的曲线为过冷奥氏体转变开始线，该线以左为过冷奥氏体孕育区，它的长短标志着过冷奥氏体稳定性的大小；右边的曲线为过冷奥氏体转变终了线，其右部为过冷奥氏体转变产物区。两条曲线之间为转变过渡区。 C曲线下面的两条水平线分别表示奥氏体向马氏体转变开始温度Ms点，共析钢约为230；奥氏体向马氏体转变终了温度Mf点，共析钢约为-50
11、。两条水平线之间为马氏体和过冷奥氏体的共存区。,第三节 钢在冷却时的组织转变,一、奥氏体的等温转变,图4-5共析钢过冷奥氏体等温转变图,1C曲线图的概况,(2)C曲线的“鼻尖”,由图4-5可知，共析钢在550左右孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定，它是C曲线的“鼻尖”。在鼻尖以上，随温度下降(即过冷度增大)，孕育区变短，转变加快；在鼻尖以下，随温度下降，转变所需的原子的扩散能力降低，孕育区逐渐变长，转变渐慢。,第四节 钢的退火与正火,退火和正火是应用非常广泛的热处理工艺。在机械零件或工、量、模具等工件的制造加工过程中，退火和正火通常作为预先热处理工序，安排在铸造或锻造之后，切削粗加工之前，用以消除
12、前一工序(锻、铸、冷加工等)所造成的某些缺陷，并为随后的工序(热处理、拉拔等)做好准备。一些对性能要求不高的机械零件或工程构件，退火和正火亦可作为最终热处理。,第四节 钢的退火与正火,一、退火,将组织偏离平衡状态的钢件加热到适当的温度，经过一定时间保温后缓慢冷却(一般为随炉冷却)，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。 1.退火目的 调整硬度以便进行切削加工。经适当退火后，可使工件硬度调整到170250HBS，该硬度值具有最佳的切削加工性能。 均匀钢的成分及组织的不均匀性(如偏析等)，以提高工艺性能和使用性能。 消除残余内应力(或加工硬化)，可减少工件后续加工中的变形和开裂。 细化晶粒，
13、改善高碳钢中碳化物的分布和形态，为淬火作好组织准备。,第四节 钢的退火与正火,一、退火,2.常用的退火方法 退火工艺种类很多，常用的有完全退火、球化退火、扩散退火、去应力退火及再结晶退火等。 完全退火(重结晶退火) 是将钢加热到Ac3以上3050，完全奥氏体化后保温一定时间，随炉缓慢冷却或埋入石灰和砂中冷却，以获得接近平衡组织的一种热处理工艺。完全退火主要适用于亚共析钢，用于锻、轧、焊等热加工后的钢件毛坯。 球化退火 将钢加热到AC1以上2030，充分保温使未溶二次渗碳体球化，然后随炉缓慢冷却下来的工艺称为球化退火。球化退火主要用于制造刀具、量具、模具等的共析钢和过共析钢，如工具钢、轴承钢其主
14、要目的在于降低硬度，改善切削加工性能，为以后的淬火作组织准备。 去应力退火 去应力退火是将钢加热到低于Ac1的某一温度(一般为600650)，保温一定时间，然后随炉缓慢冷却，从而消除冷加工以及铸造、锻造和焊接过程中引起的残余内应力而进行的热处理工艺。,第四节 钢的退火与正火,图4-7 常用退火、正火的加热温度范围和工艺曲线示意图,第四节 钢的退火与正火,二、正火 将钢件加热到Ac1 (对于亚共析钢)和Ac3 (对于过共析钢)以上3050，保温适当时间后，在自由流动的空气中均匀冷却，得到珠光体型组织(一般为S)的热处理称为正火。对于某些合金钢(如18 CrMnTi钢)，由于钢中含有碳化物形成元素
15、，为了能较快地溶入奥氏体，故加热到AC3以上 100150进行正火称为高温正火。,第四节 钢的退火与正火,1.正火目的 细化晶粒，均匀组织，调整硬度等。 2.正火组织 共析钢S、亚共析钢F+S、过共析钢Fe3C+S。 3.正火的应用 作为最终热处理 作为预先热处理 改善切削加工性能 改善和细化铸钢件的铸态组织 代替淬火,第四节 钢的退火与正火,三、正火与退火的选择 正火与退火在某些方面有相似之处，在实际选用时可从以下三方面考虑。 从切削加工性考虑 正火改善低碳钢的加工性能，退火改善高碳钢的切削性能。 (2)从使用性能上考虑 一些受力不大的工件，力学性能要求不高，可用正火作为最后热处理。对某些大
16、型或形状复杂的零件，当淬火有开裂的危险时，可用正火代替淬火、回火处理。 (3)从经济性上考虑 由于正火比退火生产周期短，操作简便，工艺成本低。因此，在满足钢的使用性能和工艺性能的前提下，应尽可能用正火代替退火。,第五节 钢的淬火,一、淬火及其目的 淬火就是将钢加热到临界温度(Ac1或Ac3)以上3050，保温一定时间使之奥氏体化后，再以大于临界冷却速度的冷速急剧冷却，以获得高硬度的热处理工艺方法。淬火后可得到以马氏体为主的不稳定组织，然后和不同的回火温度相配合，获得所需的力学性能。,第五节 钢的淬火,二、钢的淬火工艺 1淬火温度的确定 钢的淬火温度的确定根据钢的具体组成(含碳量、合金元素等)来确定。 亚共析钢的淬火温度为Ac3+(3050)。在此温度下可获得全部为细晶粒的奥氏体组织，淬火后可获得细小均匀的马氏体。如果温度过高则有晶粒粗大现象，淬火后获
