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1、第五章钢的热处理,改善钢的性能的主要途径：,1、调整钢的化学成份，即合金化，第六章内容。,2、钢的热处理，本章讲。,热处理：钢在固体下通过加热、保温、冷却的方法，改变钢的组织结构，获得所需要的性能的一种加工方法。,加热,保温,冷却,保温时间,温度,原始组织结构,热处理组织结构,时间,热处理的分类：,热处理,普通 热处理,表面热处理,退火,正火,淬火,回火,表面淬火,化学热处理,火焰加热,感应加热,渗碳,氮化,其它,其它,第一节钢在加热时的转变,钢加热到A1（PSK）以上时都将发生P A，但是， 亚共析钢需加热到A3 （GS）以上，过共析钢需加热到 Acm （ES）以上才能完全奥氏体化。这种转变
2、是一种扩散型的转变。,一、奥氏体的形成,通常A1、A3 或 Acm加热时用AC1、Ac3 或 Accm表示，冷却时用Ar1 、Ar3 或 Arcm表示。,A1,Ar1,AC1,Acm,Arcm,Accm,A3,Ac3,Ar3,A,F,P,F+P,P+Fe3CII,A+Fe3CII,A+F,温度,含碳量,Fe,G,P,S,E,K,第三步：残余渗碳体溶解,通过碳原子的扩散，使铁素体向奥氏体转变，和渗碳体溶解来完成。,第二步：奥氏体的长大。,形核部位在铁素体和渗碳体的相界面处。,第一步：奥氏体晶核的形成。,（一）基本过程,下面以共析钢为例说明奥氏体的形成过程。,第四步：奥氏体均匀化,1、加热温度和加
3、热速度 加热温度高，加热速度快，转变速度快。 原因：碳原子扩散能力大，碳浓度差大加速奥氏体的形成。,（二）影响珠光体向奥氏体转变的因素,亚共析钢与过共析钢奥氏体的形成过程，在以上步骤后,当加热到AC3和Accm以上时铁素体将全部转变为奥氏体，渗碳体将全部溶入奥氏体。,3、化学成分 含碳量增加，转变速度快。 原因：渗碳体增加 F/Fe3C相界面增多，奥氏体的形核部位增加。 大部分合金元素减慢奥氏体的形成速度 原因：主要是减慢碳在奥氏体中的扩散速度。,2、原始组织 原始组织越细，转变速度快。 原因： F/Fe3C相界面增多，奥氏体的形核部位增加。,二、奥氏体晶粒的长大及其影响因素,（一）奥氏体晶粒
4、度的概念,根据奥氏体的形成过程和晶粒长大的情况，奥氏体的晶粒度可有三种定义：,1、起始晶粒度：珠光体刚刚转变为奥氏体时的晶粒度。一般较小。,2、本质晶粒度：通常采用标准实验方法：把钢加热到930 10 ，保温3-8小时侯测定其奥氏体晶粒的大小。根据标准晶粒度等级图谱评级， 14级为本质粗晶粒钢，58为本质细晶粒钢。如下图：,本质晶粒度只反应了钢在930 以下的奥氏体晶粒长大的倾向性。,3、实际晶粒度：具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒大小。 实际晶粒度直接影响钢的性能，比起始晶粒度大。 实际加热温度越高，保温时间越长，奥氏体的实际晶粒度越粗大，钢的机械性能越下降。,第二节 钢在冷却
5、时的转变,获得细小均匀的奥氏体晶粒仅是热处理的第一步，钢从奥氏体状态的冷却过程是热处理的关键步骤，它将最终决定钢的使用性能。钢在加热后的冷却方式有两种，如图：,奥氏体冷至临界温度以下处于不稳定的状态，称为过冷奥氏体。过冷奥氏体在不同过冷度下分别可转变为珠光体（P）、贝氏体(B)、马氏体(M)。,一、过冷奥氏体等温转变曲线图,将共析钢的过冷奥氏体在A1以下某一温度进行等温转变，测定过冷奥氏体转变开始的时刻及终了的时刻，分别将其时刻点用光滑的曲线连接起来，在温度时间坐标上，可得到两条曲线，如图：,等温转变曲线图又称C曲线或TTT曲线。,图形分析：A1是奥氏体和珠光体共存温度，左线为转变开始线，右线
6、为转变终了线。开始线左方是过冷奥氏体区（A），终了线右方是转变产物区（P、B），两线中间是转变进行区（AP或B）。MS是马氏体转变或形成的开始温度，Mf是马氏体转变或形成的终止温度，中间为马氏体转变区。,奥氏体转变有孕育期，在鼻尖处孕育期最短。从上到下可分为珠光体、贝氏体和马氏体转变三个区。,(一)过冷奥氏体的转变产物及性能,1、珠光体型组织,温度区间：C曲线鼻尖上部（A1-550）。,转变过程：通过形核和长大来完成。铁素体和渗碳体交替互相促进形核并长大。如图：,转变特点：1）扩散型转变、碳原子和铁原子的扩散，生成高碳的渗碳体和低碳的铁素体。 2）晶格的重构，由面心立方的奥氏体转变为体心立方的
7、铁素体和复杂晶格的渗碳体。,组织特点：层片状的铁素体与渗碳体的机械混合物。,贫碳A,富碳A,Fe3C,F,A晶界,Fe3C,P团,根据片间距的大小珠光体类型组织分三类: 1,珠光体（P），形成温度A1650，最粗. 2,索氏体（S），形成温度650600，较细 3,屈氏体（T），形成温度600550，最细,性能：与片层间距与有关，其强度和硬度关系如下：珠光体索氏体屈氏体,2、马氏体类型组织,马氏体（M）：含过饱和碳的固溶体。,温度区间：Ms Mf,特点： 马氏体的转变从Ms点开始，随温度下降，数量不断增加，Mf点温度终止，转变量最多。,MS 和Mf由奥氏体的含碳量及合金元素含量决定，不受冷却速
8、度的影响，例如含碳量增加，MS 和Mf点降低。,马氏体转变不完全，有残余奥氏体存在，用A或A残表示。,非扩散型的转变，在极大的冷速下，极大的过冷下，铁、碳原子无扩散的可能，奥氏体直接转变成含碳过饱和的固溶体。马氏体的含碳量与原奥氏体的含碳量相同。,1、板条马氏体（低碳马氏体，位错型马氏体）奥氏体含碳量小于百分0.3时形成板条马氏体，显微组织为一束束细条状组织，亚结构为高密度位错。因为碳的过饱和程度小和高密度位错，性能，韧性和塑性较好。,马氏体类型：,2、片状马氏体（高碳马氏体，孪晶马氏体），显微组织为双凸透镜状，亚结构主要是孪晶。因为碳的过饱和程度大和孪晶，性能，韧性和塑性差。,产生的条件：1
9、.0%C片状马氏体，中间，混合型。 获得马氏体是强化钢材的主要方法之一。 随含碳量的增加，马氏体硬度增加。,贝氏体(B)特点: 半扩散型转变，碳原子扩散，铁原子不扩散。过饱和的铁素体和渗碳体组成。,转变温度：550-Ms温度范围内,3、贝氏体类型组织,（一）上贝氏体（B上） 形成温度550350。组织特征：从晶界向晶内生长的成束的铁素体条，渗碳体以不连续的短杆状分布于铁素体条之间。典型组织：具有羽毛状的特征。,（二）下贝氏体（B下），形成温度350MS，组织特征：片状铁素体和其内部沉淀碳化物。典型组织，具有黑针状特征。,机械性能：下贝氏体的强度、塑性、和韧性高于上贝氏体。原因，上贝氏体形成温度
10、高，铁素体条宽，渗碳体分布条状铁素体晶界。下贝氏体位错 密度高，碳化物于晶内析出。,贝氏体类型：,碳钢中，共析钢过冷奥氏体最稳定（随含碳量的增加，亚共析钢的C曲线右移，过共析钢的C曲线左移）。 亚共析钢的C曲线与过共析钢的C曲线比共析钢的C曲线左上方多一条先共析线。,（二）影响C曲线的因素,C曲线的位置和形状十分重要，决定奥氏体的等温转变速度；转变产物的性质；钢的淬透性；指导热处理工艺的制定。,影响因素主要有：,1、碳的影响,2、合金元素的影响除Co以外，所有的合金元素溶入奥氏体后，都增大其稳定性，使C曲线右移。某些碳化物形成元素改变C曲线的形状。,3、加热温度和保温时间的影响 随加热温度的提
11、高和保温时间的延长，C曲线右移。,特点：共析钢CCT图位于TTT图右下方。PS和PZ分别表示AP转变开始线和终了线。K表示中止线。冷却曲线碰到K线过冷奥氏体就不再发生珠光体转变，而一直保持到MS点以下转变为马氏体。,二、过冷奥氏体连续转变曲线,在生产实践中，奥氏体大多数在连续冷却中转变，因此需要测定和利用过冷奥氏体连续转变曲线图（CCT图）。,临界冷却曲线（VK）：在CCT图上获得全部马氏体的最小冷却速度。,与VK相对应称VK为TTT图的临界冷却速度，显然，VKVK,通过C曲线可以定性分析连续冷却条件下的组织转变规律。如图：,3、细化晶粒，改善组织以提高钢的机械性能。作为最终热处理或为最终热处
12、理作好组织上的准备。,第三节 钢的退火和正火,退火和正火: 将钢加热、保温后在炉内缓冷（退火）或空冷（正火）的操作。,主要目的：,1、调整钢件硬度（HB160-230）以便进行机械加工。,2、消除残余应力以防钢件的变形和开裂。,主要应用：亚共析成份的各类碳钢和合金钢的铸、锻、焊接件的热处理，降低硬度，以便切削。常作为不重要零件的最终热处理或某些重要零件的预先热处理。,一、完全退火,完全退火：（又称重结晶退火）：将钢件加热到AC3以上3050，保温一定时间后随炉缓慢冷却至500以下出炉在空气中冷却。,组织：铁素体与珠光体的平衡组织。,目的：降低硬度，改善切削加工性能细化晶粒，均匀组织，不适用于低
13、碳钢和过共析钢。,二、等温退火：将某些合金钢件加热到AC3以上3050保温奥氏体后以较快速度冷却到C曲线鼻尖处，进行等温转变，然后空冷到室温，得到适合切削加工的索氏体，缩短退火时间。如高速钢的退火。,应用：过共析碳钢及合金工具钢，使其组织由层片状和网状渗碳体变为粒状。主要目的降低硬度，改善切削加工性，为以后淬火作好组织准备。 对网状渗碳体严重者可先进行一次正火。,三、球化退火：使钢在AC1-Accm之间长期保温，后缓慢冷却，使碳化物球化，获得球化组织的热处理工艺。,组织：粒状珠光体。由粒状渗碳体和铁素体组成的珠光体组织。,主要用于消除铸造件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件的残余应力。,四、去应力
14、退火,去应力退火（又称低温退火）：将钢件缓慢加热到500650（AC1）,长期保温后，随炉缓冷到200300出炉。,（3）普通结构件的最终热处理，提高普通零件的机械性能。,五、钢的正火,正火：将钢件加热到Ac3或Accm以上3050保温后从炉中取出，在空气中冷却。,与退火的区别，冷却速度较快，组织较细。,主要应用： （1）改善低碳钢或低合金结构钢的切削加工性，低碳钢或低合金结构钢退火后硬度低，切削易粘刀，正火后提高硬度，便于切削加工。,（2）用于过共析钢，消除网状渗碳体，为球化退火作好准备。,目的：为了获得马氏体，提高钢的强度、硬度等机械性能，是强化钢材常用的手段，与回火配合获得所需要的性能。
15、,第四节 钢的淬火与回火,一、钢的淬火,（一）淬火的目的,淬火：将钢加热到AC3或AC1以上3050，保温后以大于Vk的速度冷却得到马氏体的热处理工艺。,过共析钢在AC13050。得到均匀细小的马氏体和粒状碳化物的混合组织。淬火温度过高，马氏体粗大；变形严重；开裂倾向大；残余奥氏体增加，硬度和耐磨性下降。温度低，得到非马氏体组织，硬度不足。对合金钢加热温度可以高一些。,（二）淬火温度的选择,亚共析钢在AC33050，得到细小的马氏体组织，温度过高，得到粗大马氏体，钢件易变形，甚至开裂。温度低，出现铁素体，硬度不足，强度不高。,要求：即得到马氏体又不产生变形和开裂，理想的冷却介质是在650550
16、冷却速度快，其余温度冷却速度慢。 常用介质有：水、盐水、油。,（三）淬火冷却介质,（四）常用淬火方法,1单液淬火法 工件在一种介质中连续冷却到室温的操作方法。如水淬，油淬。,2双液淬火法 在Ms以上，在冷却能力较强的介质中冷却，接近Ms时转入冷却能力较弱的介质中冷却，如水淬油冷法，以防在马氏体相变时开裂。,3 分级淬火法 热浴淬火法，使工件先在稍高于Ms （150260）的硝盐或碱浴中冷却，减小表面和心部温差后，再取出在空气中冷却。减小钢的内应力，变形，适用于小件，复杂件。 组织：获得马氏体和残余奥氏体。,4 等温淬火法 将钢件淬入稍高于MS温度的硝盐浴或碱浴中，保温足够时间，使其发生下贝氏体转变，随后在空气中冷却。 组织：获得下贝氏体。,5 冷处理 冷处理：将淬火冷至室温的零件继续深冷至Mf以下的致冷剂中，保持一段时间，使残余奥氏
