钢的热处理-金属工艺学剖析

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1、钢 的 热 处 理 1 钢的热处理概述 2 钢在加热和冷却时的转变 3 钢的整体热处理工艺 4 钢的表面热处理工艺 5 热处理新技术简介 热处理的定义:将金属或合金在固态下经过加热、保 温和冷却等三个工艺，以改变钢的内部组织结构，从 而改善钢的性能的一种热加工工艺。 时间 温度 临界温度 热 加 保温 冷 却 1 钢的热处理概述 热处理的主要目的:改变钢的性能。 热处理的应用范围:整个制造业。 热处理的分类 热处理 整 体 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 感应淬火 火焰淬火 渗碳; 渗氮; 碳氮共渗; 箱 式 电 阻 炉 台 车 式 电 阻 炉 连

2、 续 式 热 处 理 炉 钢的临界点： 平衡临界点： 加热临界点： 冷却临界点： A1、 A3、 Acm Ac1、Ac3、Accm Ar1、Ar3、Arcm 钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化。以 共析钢的奥氏体形成过程为例。 2 钢在加热和冷却时的转变 1、奥氏体的形成(PA) 一、 钢在加热时的转变 奥氏体形核条件 成分起伏 结构起伏 能量起伏 G0 奥氏体形核与晶核长大 奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上形成。 奥氏体晶核形成以后，依靠铁、碳原子的扩散，使铁素体不 断向奥氏体转变和渗碳体不断溶入到奥氏体中去而进行的。 残留渗碳体的溶解 铁素体全部消失以后，仍有部分剩余渗 碳体

3、未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗碳体不断地溶入到奥氏 体中去，直至全部消失。 奥氏体均匀化 渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的成分是不 均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩散才能获得均匀化的 奥氏体。 亚共析钢的加热过程： 过共析钢的加热过程： 2 钢在加热和冷却时的转变 奥氏体晶粒度的概念 晶粒度：表示晶粒大小的尺度。 钢进行加热时，当珠光体刚刚全部转变为奥氏体时，在一般情况 下，奥氏体晶粒是比较细小而均匀的，此时的晶粒大小称为奥氏体的 起始晶粒度。 在某一具体的加热条件下所得到的奥氏体晶粒大小称为实际晶粒 度。 用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度称为本质晶粒度。 通常采用标准试验方法，即

4、将钢加热到93010，保温38h后 测定奥氏体晶粒大小，如晶粒大小级别在14级，称为本质粗晶粒钢 ；如晶粒大小在58级，则称为本质细晶粒钢。 2、奥氏体晶粒的长大 2 钢在加热和冷却时的转变 晶粒度的测定方法：93010保温38小时(100) 本质粗 本质细 2 钢在加热和冷却时的转变 v晶粒度的控制 Al脱氧(本质细) Si/Mn脱氧(本质粗) 2 钢在加热和冷却时的转变 3.影响奥氏体晶粒长大的因素 1.加热温度 加热温度愈高，晶粒长大速度越快，奥氏体 晶粒也越粗大，热处理时必须规定合适的加热 温度范围。 2.保温时间 随保温时间的延长，晶粒不断长大，但随保 温时间的延长，晶粒长大速度越来

5、越慢，且不 会无限制地长大下去。 2 钢在加热和冷却时的转变 影响奥氏体晶粒长大的因素 3.加热速度 加热速度越快，奥氏体化的实际温度愈高，奥氏体 的形核率大于长大速度，获得细小的起始晶粒。生产 中常用快速加热和短时保温的方法来细化晶粒。 4.冶炼和脱氧条件 冶炼时用铝脱氧，或加入Nb、Zr、V、Ti等强碳化 物形成元素，形成难溶的碳化物颗粒,阻止奥氏体晶粒 长大，在一定温度下晶粒不易长大。 2 钢在加热和冷却时的转变 影响奥氏体晶粒长大的因素 5.含碳量的影响(有临界值) 随着奥氏体含碳量的增加，Fe、C原子的扩散 速度增大，奥氏体晶粒长大的倾向增加。 当超过奥氏体饱和碳浓度以后，由于出现了

6、 残余渗碳体，产生机械阻碍作用，使晶粒长大 倾向减小。 2 钢在加热和冷却时的转变 热 加 保温 时间 温度 临界温度A1 连续冷却等温冷却 过冷 奥氏 体的 两种 冷却 方式 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。 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。 二、 钢在冷却时的转变 2 钢在加热和冷却时的转变 1、过冷奥氏 体的等温转变 2 钢在加热和冷却时的转变 共析钢的 等温转变图 稳定的奥氏体区 过冷奥氏体区 A向产 物转变开始线 A向产物 转变终止线 A + 产 物 区 产物区 A15

7、50;高温转变区; 扩散型转变; P 转变区. 550Ms(230);中温转 变区; 半扩散型转变; 贝氏体( B ) 转变区. Ms Mf(-50); 低温转变区; 非扩散型转变; 马氏体 ( M ) 转变区. 时间(s) 300 1021031041010 800 -100 100 200 500 600 700 温度 () 0 400 A1 Ms Mf 2 钢在加热和冷却时的转变 珠光体转变：扩散相变 (A1550, AP（F+Fe3C）) 1）在A1650形成的珠光体 ，因为过 冷度小，片间距较大(0.4m)，在500 以上的光学显微镜下，能分辨其片层状形 态；即为粗珠光体，习惯上称为

8、珠光体（ P）。 2 钢在加热和冷却时的转变 2）在650600形成片间距较小的珠光体 (0.20.4m)，在光学显微镜8001500能分辨 出其为铁素体薄层和碳化物（渗碳体）薄层交 替重叠的复相组织称为细珠光体或索氏体，用 字母S表示（以英国冶金学家HCSorby的名字 命名）。 珠光体转变：扩散相变 (A1550, AP（F+Fe3C）) 2 钢在加热和冷却时的转变 3）在600550形成片层间距极小的珠光体 ( 0.2m) ，在光学显微镜下高倍放大已无法分 辨出其内部构造，在电子显微镜下可观测到很薄 的铁素体层和碳化物（渗碳体）层交替重叠的复 相组织，称为极细珠光体或托氏体，用字母T表

9、示（以法国金相学家LTroost的名字命名）。 珠光体转变：扩散相变 (A1550, AP（F+Fe3C）) 2 钢在加热和冷却时的转变 珠光体转变：扩散相变 (A1550, AP（F+Fe3C）) a)光学显微组织（500） b)电子显微组织（8000） 珠光体组织 2 钢在加热和冷却时的转变 珠光体的物理本质 传统定义：珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物 问题： 由铁素体+渗碳体构成的组织不全是珠光体，如碳 素钢中的上贝氏体。 不是简单的机械混合物，铁素体和碳化物是有机 的结合和有序配合，两相成比例。 珠光体中的铁素体和碳化物是从奥氏体中共析共 生出来的，而且两相以界面相结合，各相之间具有

10、 一定位向关系。 奥氏体、铁素体和渗碳体之间的取向关系的测 定已经历数十年。 珠光体转变：扩散相变 (A1550, AP（F+Fe3C） ) 贝氏体转变：半扩散相变（C）550Ms, AB) 上贝氏体：550350，过饱和片状F渗碳体 下贝氏体：350Ms，过饱和针状F弥散-Fe2.4C 2 钢在加热和冷却时的转变 贝氏体是渗碳体分布在过饱和碳的铁素体上的两相混合物 贝氏体转变：半扩散相变（C）550Ms, AB) 贝氏体的贝氏体的 显微照片显微照片 上贝氏体：过饱和片状F渗碳体，性脆无实用价值 2 钢在加热和冷却时的转变 下贝氏体：过饱和针状F弥散-Fe2.4C，强度较高 ，韧性较好，综合性

11、能好 贝氏体转变：半扩散相变（C）550Ms, AB) 马氏体转变：非扩散相变，Ms以下, AM 马氏体马氏体C C在在-Fe-Fe中的过饱和固溶体中的过饱和固溶体 c/a1 称为马氏体的正方度 含碳量高，正方度大 2 钢在加热和冷却时的转变 形核位置：晶界、孪晶界或晶格畸变 较大的地方 形核方式：共格切变，即沿着奥氏体 的一定晶面，铁原子集体、不改变相 互位置关系地移动不超过一个原子的 距离，随即由fcc晶格改组成bcc晶格 ，C原子保留在新组成的晶胞中。 低碳(1.0%)马氏体：片状_硬而脆 2 钢在加热和冷却时的转变 非扩散型相变，是C在-Fe中的过饱和固溶体 马氏体转变的特点 转变速度

12、快 马氏体转变是不完全的，有残余奥氏体存在 A M，晶格由fcc变为体心正方，马氏体体积 增大，在钢中引起较大的淬火应力，是工件变形 和开裂 硬度、强度高，塑性、韧性差 残余奥氏体(AR)的影响 少量的残留奥氏体与马氏体共存时，对钢的性能有一定 影响。 不利影响 降低工件的淬火硬度、耐磨性及工具钢的疲劳强度， 降低硬磁钢的磁感应强度，易产生磨削裂纹。残留奥氏体 不稳定，容易产生时效变形甚至开裂。 有益的作用 残留奥氏体具有缓和应力集中、提高钢的韧性和降低 脆性转变温度及减振作用。在交变压应力作用下可提高轴 承钢的疲劳强度。当其含量达1025时可防止齿轮的齿 面发生点蚀。 近年来又常利用残留奥氏

13、体的存在，采用新工艺，发 展优良的低温用钢和高韧性钢。 2. 过冷奥氏体连续冷却转变图 过冷奥氏体连续冷却转变图又称 CCT(Continuous-Cooling-Transformation diagram)曲线，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体 的转变量获得的。 只有P、M转变 vk为临界冷却速度 2 钢在加热和冷却时的转变 2 钢在加热和冷却时的转变 图中的Vk 为CCT 曲线的临界冷却速 度，即获得全部马 氏体组织时的最小 冷却速度. Vk 为TTT曲线的 临界冷却速度. Vk 1.5 Vk 。 VkVk 时间/s 温度/ 共析钢的CCT图 共析温度 连续冷却转 变曲线 完全退火 正火

14、等温转 变曲线 油淬 水淬 M+AM+T+A S P 200 100 三、钢的整体热处理工艺 退火 正火 淬火 回火 钢的退火与正火 一、退火和正火的目的 降低或提高硬度，便于进行切削加工 。 消除残余应力。 细化晶粒，改善组织以提高钢的力学性能。 为最终热处理作好组织准备。 二、退火工艺及其应用 完全退火和等温退火 （亚共析钢） 球化退火 （共析、过共析钢） 去应力退火 扩散退火 加热、保温后，缓冷(炉冷) 近平衡组织 P（ + F 或 Fe3C球 ） 完全退火（亚共析钢） 加热温度 Ac3 + 3050 缓冷 F + P 目的：细化晶粒，均匀化组织， 降低硬度 切削性 等温退火（亚共析钢）

15、 等温转变F + P，再缓冷 球化退火(共析、过共析钢) 在Ac+2040保温，使Fe3C球化， 再缓冷球状P(F+球状F3C) 目的：硬度,切削性,韧性 扩散退火 加热至略低于固相线 目的：使成分、组织均匀 再结晶退火 加热温度 T再 + 100200 目的：消除加工硬化 去应力退火 加热温度 Ac1 ，一般为 500 650 目的：消除冷热加工后的内应力 三、正火工艺及其应用 应用： 1) 钢的最终热处理 细化晶粒，组织均匀化，增加亚共析钢中P%（S%） 强度、韧性、硬度 2) 预先热处理 淬火、球化退火前改善组织。 3) 增加低碳钢的硬度，以改善切削加工性能。 加热温度 Ac3 ( Accm ) + 3050， 空冷 S 过共析钢正火加热温度 必须高于Accm。 其目 的是消除网状渗碳体。 加热、保温后，空冷 S（ + F 或 Fe3C粒 ） 钢的淬火 一、淬火的目的 获得马氏体组织 二、淬火的一般工 艺 3.淬火冷却介质 1.淬火温度的选择 2.保温时间的确定 1.淬火温度的选择 (1) 亚共析钢： Ac3+3050细小均匀M 温度过低：残余F 温度过高：粗大马氏体 (2) 过共析钢: Ac1+3050细小均匀M+粒状 Fe3C 温度过低：残余F 温度过高(大于Accm)：得到粗大马氏体，引起变 形或开裂；二次渗碳体全部溶解，降