热处理基础知识概要

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1、环球传动泰州有限公司 热处理基础知识,目录,第一章 热处理概述 第二章 钢在加热过程中的组织转变 第三章 钢在冷却过程中的组织转变 第四章 钢的常规热处理 第五章 钢的表面淬火 第六章 钢的化学热处理 第七章 热处理零件的结构工艺性及缺陷的预防,一、钢的热处理 二、常见的热处理方法 三、钢的临界转变温度,第一章 热处理概述,中国在春秋晚期已掌握冶铁技术。战国时期，冶铁业已逐渐盛行，到了晚期，不仅能炼出高碳钢，并掌握了淬火技术，于是开始进入以铁兵器代替铜兵器的时代。战国晚期还出现了铁制铠甲。,热处理的发展：,19世纪中期，英国的索拜(H.C.Sorby)和德国的马登斯(A.Martens)等采用

2、抛光、腐蚀等方法，并用光学显微镜成功地显示钢的显微组织，大大推动了热处理技术的发展。英国的奥斯汀(O.Robert Austen)和法国的奥斯摩特(F.Osmord)应用相率建立了Fe-C平衡图，使得钢的热处理有了依据。1930年贝茵(E.C.Bain)研究了过程奥氏体的等温变化，建立了钢的过冷奥氏体等温转变曲线，创立了等温淬火工艺，为以后制订各种热处理工艺提供了科学依据。热处理才真正形成了一门较完整的学科。,一、钢的热处理,1.定义：热处理是指将钢在固态下加热、保温和冷却， 以改变钢的组织结构，从而获得所需要性能的 一种综合的热加工工艺过程。,加热：促使组织发生转变,保温：保证组织充分转变,

3、冷却：获得所需的组织和性能,热处理工艺流程：,Tc,区别不同的热处理方法关键在冷却阶段,随炉冷却,空冷,油冷,热处理工艺曲线,过冷奥氏体的两种冷却方式,把加热到奥氏体状态的钢，以不同的冷却速度连续冷却到室温。,钢在冷却时的转变,把加热到奥氏体状态的钢，快速冷却到低于A1的某一温度，并等温停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温。,(1)钢筋绕成弹簧状； (2)加热钢筋至红热，急剧冷却； (3)将(2)钢筋再次加热(温度相对低)冷却。,弹簧热处理过程,为什么弹簧状钢筋加热到红热急冷后变得又硬又脆？ 为什么再次加热和冷却后变得刚柔相济，成为真正的弹簧？,在机床制造中，约60-70%的零件要

4、经过热处理。 在汽车、拖拉机制造业中，需热处理的零件达70-80%。,热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用.,模具、滚动轴承100%需经过热处理。 总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。,2、热处理特点: 热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。,3、热处理适用范围: 只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。,热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称热 处理原理。 热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介 质等具体参数称热处理工艺。,二、常见的热处理方法,预备热处理：为随后的加工(冷拔、

5、冲压、切削)或 进一步热处理作准备的热处理。 最终热处理：赋予工件所要求的使用性能的热处理.,根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：,钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示； 钢冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。 由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中的数据是以3050/h 的速度加热或冷却时测得的。,铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象，因此将：,三、钢的临界转变温度,常用金相组织及临界点代号,对于加热： 非平衡条件下的相变温度高于平衡条件下的相变温度；

6、对于冷却： 非平衡条件下的相变温度低于平衡条件下的相变温度。,第二章 钢在加热过程中的组织转变,一、奥氏体的形成 二、影响奥氏体形成速度的因素 三、奥氏体晶粒大小及其影响因素,加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种在A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，加热目的是获得均匀的细晶奥氏体组织，称奥氏体化。,钢坯加热,1、奥氏体的形成条件 一定的过热度，获得足够的自由能差。 (加热到AC1以上),一、奥氏体的形成,奥氏体的形核：F与Fe3C相界形核。 奥氏体晶核长大：A晶核通过碳原子的扩散向F和Fe3C方向长大。 残余Fe3C溶解：铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。残余

7、的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。,2、奥氏体的形成过程 奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现以共析钢为例说明：P(F+ Fe3C) A,奥氏体成分均匀化： Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。 保温目的：(1)工件热透，相变完全；(2)成分均匀,奥氏体的形成过程,晶体结构的改变：bccfcc,Fe、C原子的扩散,共析钢奥氏体化过程,亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析F 或二次Fe3C的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上。,二、影响奥氏体形成速度的因素,奥氏体形成速度与加热温度、加热速

8、度、钢的成分以及原始组织等有关。,加热温度越高，奥氏体形成速度越快,加热速度越快，奥氏体形成速度越快,含碳量增加，利于奥氏体加速形成,合金元素显著影响奥氏体 的形成速度,原始组织(珠光体)越细，奥氏体形成速度越快,钴、镍等 ； 铬、钼、钒等； 硅、铝、锰等。,三、奥氏体晶粒大小及其影响因素,1. 奥氏体晶粒度：,起始晶粒度,实际晶粒度,本质晶粒度,A形成刚结束，奥氏体晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小,奥氏体在具体加热条件下所获得奥氏体晶粒的大小,特定条件下钢的奥氏体晶粒长大的倾向性，并不代表具体 的晶粒大小,特定条件,93010，保温3-8h,倾向性,本质粗晶粒钢 (Mn，Si),本质细晶粒钢

9、(Al、 Ti、Zr、V、Nb等),是不是本质粗晶粒钢的晶粒一定粗？,本质晶粒 度仅仅代 表钢在加 热时奥氏 体晶粒长 大倾向的 大小,2、影响奥氏体晶粒长大的因素 加热温度和保温时间: 加热温度高、保温时间长, 晶粒粗大。(严格控制加热温度) 加热速度: 加热速度越快,过热度越大, 形核率越高,起始晶粒越细。(快速加热、短时保温),碳及合金元素： 一定范围内含碳越高晶粒越易长大；碳超过A饱和度时，未溶Fe3C阻碍A长大。 阻碍A晶粒长大的元素: Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等,Nb、Ti对奥氏体晶粒的影响,促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N(加速Fe扩散)。 原始

10、组织: 原始组织越细有利于获得细晶粒。 奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。,3、奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响,(1)奥氏体晶粒均匀细小，热处理后钢的力学 性能提高。,(2)粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件 产生较大的变形甚至开裂。,第三章 钢在冷却过程中的组织转变,一、过冷奥氏体的等温转变 二、过冷奥氏体的连续冷却转变,1)奥氏体是不是降温到临界温度以下就立即发生转变呢？,2)冷却方式及速度对冷却后的组织形态会不会产生影响呢？,冷却方式：等温冷却方式和连续冷却方式。,转变产物组织性能均匀，研究

11、领域应用广 (过冷奥氏体转变动力学曲线为C曲线),转变产物为粗细不匀甚至类型不同的混合组织，实际生产中广泛采用 (CCT曲线),冷却是热处理工艺中最关键的工序。,过冷奥氏体：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。,奥氏体的冷却转变，直接影响钢热处理后的组织和性能。,钢在冷却时的转变，实质上是过冷奥氏体的转变。过冷奥氏体的转变产物，决定于它的转变温度，而转变温度又主要与冷却的方式和速度有关。 研究奥氏体冷却转变常用等温冷却转变曲线及连续冷却转变曲线。,过冷奥氏体的等温转变曲线：表示奥氏体急速冷却到临界点A1 以下在各不同温度下的保温过程中转变量、转变产物与转变时间的

12、关系曲线，又称C 曲线或TTT曲线。,(Time-Temperature-Transformation diagram),一、过冷奥氏体的等温转变,1、C曲线的建立 以共析钢为例： 取一批小试样并进行奥氏体化； 将试样分组淬入低于A1 点的不同温度的盐浴中,隔一定时间取一试样淬入水中。,测定每个试样的转变量，确定各温度下转变量与转变时间的关系。 将各温度下转变开始时间及终了时间标在温度时间坐标中，并分别连线。 转变开始点的连线称转变开始线。转变终了点的连线称转变终了线。,共析碳钢 TTT 曲线建立,A1,共析碳钢 TTT 曲线的分析,稳定的奥氏体区A,过冷奥氏体区,A向产 物转变开始线,A向产

13、物 转变终止线,A + 产 物 区,产物区,A1550；高温转变区； 扩散型转变； P转变区。,550230；中温转变 区；半扩散型转变； 贝氏体(B)转变区；,230 -50；低温转 变区；非扩散型转变； 马氏体(M)转变区。,A1-Ms 间及转变开始线以左的区域为过冷奥氏体区。 转变终了线以右及Mf以下为转变产物区。 两线之间及Ms与Mf之间为转变区。,2、C 曲线的分析 曲线含义 三条水平线： A1线为钢的临界点，A与P的平衡温度； Ms线为M转变开始线(230)； Mf线M转变终了线(-50 )。 两条曲线：左边为过冷A转变开始线，右边为转变终了线。,(2)孕育期：转变开始线与纵坐标之

14、间的距离为。 反映了过冷奥氏体的稳定性。孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小。 孕育期最小处称C 曲线的“鼻尖”。碳钢鼻尖处的温度为550。,过冷A的稳定性跟驱动力和原子扩散系数两因素有关。 在鼻尖以上, 温度较高，相变驱动力小。 在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而使奥氏体稳定性增加。,(3) C曲线表示了各温度下等温转变类型及产物。,三类转变： 1)高温转变： A1550 过冷A P型组织 2)中温转变： 550MS 过冷A 贝氏体 3)低温转变：(连续冷却) MSMf 过冷A 马氏体(M),3、影响C曲线的因素 成分的影响 含碳量的影响：共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。Ms 与Mf

15、点随含碳量增加而下降。 与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C曲线的上部各多一条先共析相的析出线。,合金元素的影响： 除Co外, 凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移，增大过冷A的稳定性。,碳化物形成元素如Cr、Mo、W、V、Ti等，溶入A后不仅使C曲线右移，还可改变C曲线的形状。 除Co和Al 外,所有合金元素都使Ms与Mf 点下降。,注：合金元素只有溶入A才能对过冷A的转变产生重要影响，如果未溶入A，不但不会提高过冷A的稳定性，反而由于未溶碳化物起到非均匀形核的作用，促进转变，使C曲线左移。,Cr对C曲线的影响,推杆式电阻炉,奥氏体化条件的影响 奥氏体化温度提高和保温时间延长，使奥氏体成分均匀

16、、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。 使用C曲线时应注意奥氏体化条件及晶粒度的影响。,F,渗碳体,片间距：相邻两片渗碳体中心之间的距离,2.3.2 珠光体转变 一、珠光体的组织形态及性能 A1到 550间转变为珠光体转变，产物为珠光体类组织。 1、片状P：一般情况下，珠光体是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物。,根据片层间距(厚薄)不同,珠光体细分为珠光体、索氏体和托氏体。, 珠光体： 形成温度为A1650，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示。, 索氏体,形成温度为650600,片层较薄，8001500倍光镜下可辨，用符号S表示。, 托氏体(屈氏体) 形成温度为600550，片层极薄，电镜下可辨，用符号T 表示。