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1、【重点内容】 1. 钢加热及保温的目的； 2. 奥氏体晶粒度的概念及影响因素； 3. 共析钢过冷奥氏体等温冷却曲线中各种温度区域内奥氏体 的转变产物及组织形貌，性能特点。 4. 过冷奥氏体连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对钢的组 织变化和最终性能的影响； 5. 各种热处理的定义、目的、组织转变过程，性能变化，用 途和适用的钢种，零件的范围。 第4章 钢的热处理 【本章难点】 等温冷却曲线中各种温度区域内奥氏 体转变产物的组织形貌，性能特点、退火与 正火的工艺及目的、淬火加热温度的选择、 淬透性与淬硬性的概念及区别、回火的种类 及应用。 第4章 钢的热处理 【基本要求】 1.了解热处理的定义、目
2、的、分类及作用； 2.掌握钢加热和保温的目的 3.掌握钢在冷却转变时的产物及转变曲线； 4.熟悉钢的退火、正火、淬火、回火的目的、工艺 及应用； 5.掌握钢的淬透性概念、影响因素及与淬硬性的区 别； 6.了解表面热处理的目的及应用。 第4章 钢的热处理 第4章 钢的热处理 v改善钢的性能，主要有两条途径： v一是合金化，这是下几章研究的内容； v二是热处理，这是本章要研究的内容。 第一节 概述 v1、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，获得所需要性能的一种工艺. l为简明表示热处理 的基本工艺过程， 通常用温度时间 坐标绘出热处理工 艺曲线。 v在机床制造中约60-
3、70%的零 件要经过热处理。 v在汽车、拖拉机制造业中需 热处理的零件达70-80%。 l热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用. l模具、滚动轴承100%需经过 热处理。 l总之，重要零件都需适当热处 理后才能使用。 v2、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。 铸造 轧制 l3、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。 v4、热处理分类 v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。 v热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、 介质
4、等参数称热处理工艺。 (a)940淬火+220回火（板条M回+A少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板条M+条状F+A少） (e)940淬火+780淬火+220回火（板条M回+条状F+A少）(f)780淬火+220回火（板条M回+块状F） 20CrMnTi钢不同热处理工艺的显微组织 v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： 其他热处理 普通热处理 表面热处理 热处理 退火 正火 淬火 回火 真空热处理 形变热处理 激光热处理 控制气氛热处理 表面淬火感应加热、火焰加热、 电接触加热等 化学热处理渗碳、氮化、碳氮 共渗、渗其他元素等 v5、
5、预备热处理与最终热处理 v预备热处理为随后的加工（冷拔、冲压、切削） 或进一步热处理作准备的热处理。 v最终热处理赋予工件所要求的使用性能的热处理. 预备热处理最终热处理 W18Cr4V钢热处理工艺曲线 时间 温度/ 钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示 ;冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。 v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30-50/h 的速度加热或冷却时测得的. l6、临界温度与实际转变 温度 l铁碳相图中PSK、GS、ES 线分别用A1、A3、Acm表示. l实际加热或冷却时存在着 过冷或过热现象，因此将 7 钢的热
6、处理工艺过程及工艺参数： 1、钢的热处理工艺过程：（两大工艺过程）热处理条件是要有 固态相变，要加热到A相。 加热过程： 有升温和保温两阶段。要求固相转变，要到相变温 度以上才可，也即要加热到化，需到A1,A3,Acm线以上温度才转变 ，由于加热时速度影响，因此要有一定的过热度才转变，也即要加 热到A1,A3,Acm线以上温度才转变，才能化。保温（时间）使零 件热透及化转变成分均匀； 冷却过程： 由于冷却也有一定速度，也有一定过冷度，它 要冷却到Ar1、Ar3,Arcm以下才能转变。以不同的速度冷却，可得到 不同的组织。 8、热处理的主要参数：有工艺过程可知 加热温度： 到Ac1,Ac3,Ac
7、cm才能全化。 保温时间： 保温的目的是使零件热透和相变完全以及成 分均匀化，从而使冷却后得到良好的组织性能。 冷却速度冷： 冷却介质有盐水、碱水、油、空气、水。 第4章 钢的热处理 钢的热处理视频 第二节 钢在加热时的转变 v加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在 A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加 热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。 钢坯加热 l一、奥氏体的形成过程 l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： v第一步 奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核 。 v第二步 奥氏体晶核长大： 晶核通过碳原子的扩散向 和Fe3C方向长大
8、。 v第三步 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。残余的Fe3C随保温时间延长 继续溶解直至消失。 v第四步 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。 温度， 共析钢奥氏体化曲线（875退火） 共析钢奥氏体化过程 v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 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、奥氏体晶粒长大及其影响因素 v1、奥氏体晶粒长大 v奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒 度,此时晶粒细小均匀。 v随加热温度升高或
9、保温时间延长，奥氏 体晶粒将进一步长大，这也是一个自发 的过程。奥氏体晶粒长大过程与再结晶 晶粒长大过程相同。 温来判断。 晶粒度为1-4 级的是本质粗晶粒钢, 5- 8 级的是本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后 者晶粒长大倾向小。 l在给定温度下奥氏体的 晶粒度称实际晶粒度。 l加热时奥氏体晶粒的长 大倾向称本质晶粒度。 l通常将钢加热到940 10奥氏体化后，设法 把奥氏体晶粒保留到室 v2、影响奥氏体晶粒长大的因素 v加热温度和保温时间: 加热温 度高、保温时间长, 晶粒粗大. v加热速度: 加热速度越快,过热 度越大, 形核率越高, 晶粒越细. l合金元素： l阻碍奥氏体晶粒长大的元
10、素: Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、 Mo、Cr、Al等碳化物和氮 化物形成元素。 析出颗粒 对黄铜晶 界的钉扎 Nb/% 奥氏体晶粒尺寸/m Nb、Ti对奥氏体晶粒的影响 v促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。 v 原始组织: 平衡状态的组织有利于获得细晶粒。 v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。 箱式可控气氛多用炉 真空热处理炉 第三节 钢在冷却时的转变 v冷却是热处理更重要的工序。 v一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程 v处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥 氏体是非稳定组
11、织，迟早要发生转变。随过冷度不 同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和 马氏体转变三种类型转变。 v现以共析钢为例说明： v 珠光体转变 v1、珠光体的组织形态及性能 v过冷奥氏体在 A1到 550间将转 变为珠光体类型组织，它是铁素 体与渗碳体片层相间的机械混合 珠光体 索氏体托氏体 物，根据片 层厚薄不同, 又细分为珠 光体、索氏 体和托氏体. v 珠光体： v形成温度为A1-650 ，片层较厚，500倍光 镜下可辨，用符号P表 示. 光镜下形貌电镜下形貌 三维珠光体如同放在水中的包心菜 v 索氏体 形成温度为650- 600,片层较薄，800 -1000倍光镜下可辨， 用符号S 表
12、示。 电镜形貌 光镜形貌 v 托氏体 v形成温度为600-550，片层极薄，电镜下可辨， 用符号T 表示。 电镜形貌光镜形貌 v珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只 是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。 片间距 b HRC l片间距越小，钢的强度、 硬度越高，而塑性和韧性 略有改善。 v2、珠光体转变过程 v珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首 先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥 长大，形成一个珠光体团。 l珠光体转变是扩散型转变。 氏体的含碳 量下降，促 进了铁素体 形核，两者 相间形核并 珠光体转变 珠光体转变过程 珠 光 体 转 变 过 程 观 察 v 贝
13、氏体转变 v1、贝氏体的组织形态及 性能 v过冷奥氏体在550- 230 (Ms)间将转变为 贝氏体类型组织，贝氏 体用符号B表示。 v根据其组织形态不同， 贝氏体又分为上贝氏体 (B上)和下贝氏体(B下). 上贝氏体 下贝氏体 v 上贝氏体 v形成温度为550- 350。 v在光镜下呈羽毛状. v在电镜下为不连续 棒状的渗碳体分布 于自奥氏体晶界向 晶内平行生长的铁 素体条之间。 光镜下 电镜下 v下贝氏体 v形成温度为350- Ms。 v在光镜下呈竹叶状。 光镜下 电镜下 l在电镜下为细片状碳 化物分布于铁素体针 内，并与铁素体针长 轴方向呈55-60角。 v上贝氏体强度与塑性都较低，无使
14、用价值。 v下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较 好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的 强化组织之一。 上贝氏体 贝氏体组织的透射电镜形貌 下贝氏体 v2、贝氏体转变过程 v贝氏体转变也是形 核和长大的过程。 v发生贝氏体转变时, 首先在奥氏体中的 贫碳区形成铁素体 晶核，其含碳量介 于奥氏体与平衡铁 素体之间，为过饱 和铁素体。 v当转变温度较高（550-350) 时，条片状铁素体从 奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变 宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条 间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成B上 。 上贝氏体转变过程 上 贝 氏 体 转 变 过 程 观 察
15、 v贝氏体转变属半扩散型转变，即只有碳原子扩散而 铁原子不扩散，晶格类型改变是通过切变实现的。 l当转变温度较低（350- 230) 时，铁素体在晶界或 晶内某些晶面上长成针状，由于碳原子扩散能力低, 其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一 定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。 下贝氏体转变 v 马氏体转变 v当奥氏体过冷到Ms以下将 转变为马氏体类型组织。 v马氏体转变是强化钢的重 要途径之一。 v1、马氏体的晶体结构 v碳在-Fe中的过饱和固溶 体称马氏体，用M表示。 马氏体组织 l马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中. v马氏体具有体心正方晶格（a=bc） v轴比c/a 称马氏体的正方度。 vC% 越高，正方度越大，正方畸变越严重。 v当0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格 . v2、马氏体的形态 v马氏体的形态分板 条和针状两类。 v 板条马氏体 v立体形态为细长的 扁棒状 v在光镜下板条马氏 体为一束束的细条 组织。 光镜下 电镜下 v每束内条与条之间尺 寸大致相同并呈平行 排列，一个奥氏体晶 粒内可形成几个取向 不同的马氏体束。 v在电镜下，板条内的
