1.3钢的热处理剖析

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1、1.3 钢的热处理,一、概 述 钢的热处理就是将钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以改变钢的组织，从而获得所需性能的工艺方法。 热处理工艺曲线如右图所示。 热处理与其它加工方法 （如铸造、锻压、焊接、切削 加工等）不同，它只改变金属 材料的组织和性能，而不改变 其形状和尺寸。,加热,保温,冷 却,加热,保温,冷 却,1、确定下列钢件的退火方法，并指出退火目的及退火后的组织。 （1）锻造过热的60钢锻坯 （2）ZG270-500铸造齿轮 （3）片状渗碳体较多的T12钢,热处理,普通热处理,表面热处理,表面淬火,化学热处理,铁碳合金状态图中组织转变的临界温度曲线A1、A3、Acm，在实际的 和 条

2、件下的变化如左图：,退火,正火,淬火,回火,渗碳,渗氮,碳氮共渗,加热,冷却,Ac3,Accm,Ac1,Arcm,Ar3,Ar1,1.3 钢的热处理,热处理的工艺方法很多，常用的有如下几种：,奥氏体晶核的形成,奥氏体晶核的长大,残余渗碳体的溶解,奥氏体成分均匀化,1.3.1钢在加热时的组织转变,加热的目的：室温组织转变成均匀细小的奥氏体组织。 、奥氏体的形成过程,1.3.1钢在加热时的组织转变,2、奥氏体晶粒的长大及其影响因素 晶粒度是用来表示晶粒尺寸大小的一种尺度。奥氏体的标准晶粒度通常分为十二级。级数愈高，则表示晶粒愈细，钢材的性能愈好。 影响因素：,加热温度:T晶粒长大倾向,保温时间:t

3、晶粒长大倾向,碳的质量分数 : wC晶粒长大倾向,合金元素的质量分数: wMe（Mn、P除外）晶粒细化,3、保温的目的： 奥氏体的转变均匀彻底。,1.3.2、钢在冷却时的组织转变,冷却是热处理三个阶段中最重要的阶段，因为钢的性能最终取决于奥氏体冷却转变后的组织。 常用的冷却方式有等温冷却和连续冷却两种。,连续冷却,等温冷却,温度t /,A1,MS,Mf,时间/s,过冷奥氏体的等温转变 1、奥氏体等温转变图C曲线,马氏体转变开始线,过冷奥氏体转变终了线,马氏体转变终了线,过冷奥氏体转变开始线,鼻尖,2、过冷奥氏体转变产物的组织与性能,层片状珠光体的性能主要取决于层片间距。,A1680,（粗）珠光

4、体P,680600,600550,细珠光体，即索氏体S,极细珠光体，即托氏体T,P,S,T,680,600,550,珠光体转变（A1550）,A,C-Fe,-Fe,C,F,晶格重组,Fe3C,P,（ + ）,碳原子扩散,扩散型转变,贝氏体B转变 550230 ,由含碳过饱和的铁素体与碳化物所组成的非层状的亚稳组织,具有良好的 综合力学性能,强度低，塑 性、韧性差,黑色针片状,羽毛状,350230 ,550350 ,半扩散型转变,马氏体M转变 MSMf,碳在-Fe中的过饱和间隙固溶体,马氏体的组织形态,板条状：c0.2%，故叫低碳马氏体,片状：c 1.0%，故叫高碳马氏体,非扩散型转变,马氏体的

5、性能,马氏体的硬度主要取决于马氏体中的碳的质量分数量。 如图所示， c 硬度，但当c 0.6%时，硬度增加趋于平缓。,马氏体的塑性与韧性也受碳的质量分数的影响。低碳的板条状马氏体具有良好的塑性和韧性，是一种强韧性很好的组织。,wc100,马氏体转变的主要特点,a.转变速度极快，内应力较大 b.晶格发生严重畸变，塑性变形阻力增大 c.奥氏体中c MS、Mf d.转变的不完全性：奥氏体中 c 淬火后残余奥氏体的量, 过冷奥氏体的连续冷却转变,P,S,M+T,M,M,P,S,T,B上,B下,M,亚共析钢和过共析钢 过冷奥氏体等温转变曲线,1、在相同加热条件下：,亚共析钢：cC曲线右移,过共析钢：cC

6、曲线左移,共析钢的C曲线最靠右,2、在C曲线上部分多出一条 先析出线,亚共析钢：先析出铁素体,过共析钢：先析出渗碳体,四、钢的普通热处理工艺,退火,1、定义：将钢件加热到适当的温度，保持一定时间，然后 缓慢冷却的热处理工艺。,2、冷却方式：炉冷或坑冷,3、组织,亚共析钢：P片+F 共 析 钢：P粒 过共析钢：P粒+Fe3C,接近平衡组织,4、目的,调整钢件硬度，改善切削加工性能,消除残余应力，稳定工件尺寸，防止其变形和开裂,细化晶粒，改善组织，提高力学性能和工艺性能,为最终热处理（淬火、回火）作好组织上的准备,5、退火方式,消除残余内应力,球化渗碳体，以降低硬度，改善切削加工性，并为淬火作好组

7、织准备,细化晶粒，消除内应力与组织缺陷，降低硬度，为随后的切削加工和淬火作好组织准备,目 的,铸件、锻件、焊接件或切削加工件,用于共析或过共析成分的碳和合金钢,亚共析钢成分的碳钢和合金钢的铸件锻件及热轧型材,应用范围,Ac1以下100200,Ac1+1020,Ac3+3050,加热温度,去应力退火,球化退火,完全退火,图,正火,1、定义：将钢件加热到相变点以上完全奥氏体化后，再在空气中冷却的热处理工艺。,2、加热温度,亚共析钢：Ac3+3050,过共析钢：Accm+3050,3、冷却方式：空冷,4、组织,亚共析钢：S+F 共 析 钢：S 过共析钢：S+Fe3C,5、目的：与退火相似,6、应用,

8、改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性,低碳钢,消除过共析钢中二次渗碳体，为球化退火作好组织准备,高碳钢,作为普通结构零件的最终热处理,中碳钢,7、退火与正火的选择,总的来说，退火与正火的目的大致相似，多数用作预备热处理，而且生产上有时还可互相代替。 选择时可从以下几方面考虑：,从切削加工方面考虑 根据实践经验，硬度在160230HBS范围内，切削加工性能最好。因此，低碳钢应选正火，高碳钢选退火。wC0.45%的碳钢以及某些合金结构钢如40Cr、40MnB等应选正火，而对于合金元素较多的30CrMnSiA、38CrMoAlA等钢则应选退火。,从使用性能方面考虑 对于亚共析钢，正火比退火的力学性能更

9、好，因此如果工件性能要求不高时，可用正火作为提高性能的最终热处理方法。对于某些形状比较复杂的大型铸件，为了减少内应力既避免变形和裂纹应该采用退火。 从最终热处理方面考虑 在减少最终热处理淬火时的变形开裂倾向方面，正火不如退火，不过对于准备进行快速加热的工件来说，正火组织有助于加快奥氏体化过程及碳化物的溶解。 从经济方面考虑 正火比退火的生产周期要短得多，设备利用率高，且操作简便，所以在可能条件下，应尽量以正火代替退火。, 淬火,1、定义：将钢加热到Ac1或Ac3以上3050，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。,3、加热温度,亚共析碳钢 t =Ac3+30 50,共析碳钢

10、 过共析碳钢,t =Ac1+30 50,2、目的,提高工件的硬度和耐磨性 与回火配合，获得各种优良 的使用性能,4、淬火冷却介质,理想淬火介质的冷却特性如右图所示。,常用冷却介质,水,油,此外，盐或碱的水溶液（如NaCl、NaOH水溶液等）、熔融状态的盐、水玻璃淬火剂等也可作淬火介质。,5、淬火方式,形状复杂、尺寸精度要求高的小型工件,等温淬火,形状复杂、小型的碳钢及合金钢工件,分级淬火,处理形状复杂的碳钢件,双液淬火,形状简单的工件或小件,单液淬火,碳钢,合金钢,6、淬透性,钢的淬透性是指在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。 淬硬深度一般为从钢的表面到半马氏体区（即50%马氏体+

11、50%非马氏体）的垂直距离。 相同形状和尺寸的工件，在相同热处理条件，淬硬深度大的材料淬透性好，淬硬深度小的材料，淬透性差。,wMe淬透性；奥氏体化温度、保温时间淬透性,必须指出，钢的淬透性与淬硬性概念不同，后者是指钢经淬火后能达到的最高硬度，它主要取决于钢中的碳的质量分数，更确切地说是取决于马氏体中的碳的质量分数。,钢的淬透性主要取决于钢的化学成分和奥氏体化条件。, 回火,1、定义：将淬火后的钢件再加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。,2、目的,降低脆性，消除内应力 调整组织，提高韧性，以获得工件所需优良使用性能 稳定组织，从而稳定尺寸,3、组织转变,马氏体的

12、分解（200） 残余奥氏体的转变（200300 ） 渗碳体的形成（250400 ） 渗碳体的聚集长大，铁素体再结晶（ 400 ）,4、回火的种类和应用,350500,150250,500650,M回,T回,S回,脆性和内应力有所降低 保持高强度、高硬度,脆性和内应力显著下降 强度和硬度有所降低 塑性和韧性有所提高,脆性和内应力完全消失 强度和硬度明显降低 塑性和韧性明显提高,各种量具、刃具等工具钢的热处理,各种弹簧、锻模等的热处理,用于重要结构件热处理，如轴、齿轮等,注：淬火+高温回火称为调质处理,第二类回火脆性（又称高温回火脆性或可逆回火脆性）：在450650范围内回火时。生产中常采用回火后

13、快冷（水冷或油冷）或在合金钢中加入Mo、W等合金元素可有效地抑制这类回火脆性。,5、回火脆性,淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象称为回火脆性。,第一类回火脆性（又称低温回火脆性或不可逆回火脆性）：在250350范围内回火时。工件应尽量避免在这个温度范围内回火。,五、表面热处理,表面淬火,钢的表面淬火是一种不改变钢表层化学成分，但改变表层组织的局部热处理方法。,1、感应加热表面淬火,感应加热的主要依据是电磁感应、“集肤效应”和热传导三项基本原理。 感应加热时的淬硬层深度主要取决于电流频率。频率愈高，则淬硬层愈浅。,根据加热方法的不同，表面淬火可分为感应加热表面淬

14、火、火焰加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火和电子束加热表面淬火等。,与普通加热淬火相比，感应加热表面淬火有以下特点： 加热速度快 零件有室温加热到淬火温度仅需几秒到几十秒的时间； 淬火质量好 由于加热迅速，奥氏体晶粒来不及长大，淬火后表层获得针状马氏体，硬度比普通淬火高23HRC； 淬硬层深度易于控制，淬火操作也易实现机械化和自动化，但设备较昂贵，主要用于大批量生产。,常用感应加热方法的种类、特性和应用见下表：,2、火焰加热表面淬火,火焰加热表面淬火就是利用氧-乙炔（或其他可燃气）火焰对零件表面进行加热，随之淬火冷却的工艺。,感应加热淬火件的常用工艺路线为：锻造退火或正火粗加工

15、调质或正火精加工感应加热淬火低温回火磨削,火焰加热表面淬火淬硬层深度可达26mm，且设备简单、使用方便、不受工件大小和淬火部位的限制、灵活性大。但由于其加热温度不易控制、容易过热、硬度不匀，故主要用于单件小批生产及大型工件的表面淬火。,化学热处理,化学热处理是指将工件放在一定的活性介质中加热，使某些元素渗入工件表层，以改变表层化学成分和组织，从而改善表层性能的热处理工艺。,a.分解：由化学介质分解出能渗入工件表层的活性原子,b.吸收：活性原子溶入工件表面而形成固溶体或化合物,c.扩散：渗入的活性原子由表面向内部扩散，形成一定 厚度的扩散层,基本过程,1、渗碳,渗碳是一种为了增加钢件表层碳的质量分数和一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。,渗碳目的及用钢 在机器制造工业中，有许多重要零件（如汽车、拖拉机变速箱齿轮、活塞销、摩擦片及轴类等），它们都是在变动载荷、冲击载荷、很大接触应力和严重磨损条件下工作的，因此要求零件表面具有高的硬度、耐磨性及疲劳极限，而心部具有较高的强度和韧性。生产中一般采用wC=0.1%0.25%的低碳钢或低合金钢进行渗碳处理来达到其性能要求。,渗碳方法 渗碳