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1、第四章第四章 钢的热处理钢的热处理 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。 第一节第一节 概述概述 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60-70%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。
2、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
3、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， 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、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
4、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 第二节第二节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 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
5、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。 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
6、氏体组织，必须 相应加热到Ac3或Accm以 上. 二、二、奥氏体晶粒长大及其影响因素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
7、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
8、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 第三节第三节 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变 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.
9、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 (sorbite) 形成温度为650- 600,片层较薄，800 -1000倍光镜下可辨， 用符号S 表示。 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(troostite) 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
10、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 珠光体转变过程珠光体转变过程 珠珠 光光 体体 转转 变变 过过 程程 观观 察察 v 贝氏体转变 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(bainite)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
11、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，无实用价值。 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
12、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 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
13、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(martensite)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. 德国冶金学家 Adolf Martens(1850-1914) 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
14、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 亚结构主要是高密度 的位错，=1012/cm2, 又称位错马氏体。 SEM TEM v 针状马氏体 v立体形态为双凸透镜形的 片状。显微组织为针状。 v在电镜下，亚结构主要是 孪晶，又称孪晶马氏体。 电镜下 电镜下光镜下 v 马氏体的形态主 要取决于其含碳量 vC%小于0.2%时，组 织几乎全部是板条马 氏体。 vC%大于1.0%C时几 乎全部是针状马氏体
15、 . vC%在0.21.0%之间 为板条与针状的混合 组织。 马氏体形态与含碳量的关系 0.45%C0.2%C1.2%C 45钢正常淬火组织 v先形成的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒，但不能穿 过晶界和孪晶界。后形成的马氏体片不能穿过先形 成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小. l原始奥氏体晶粒 细，转变后的马 氏体片也细。 l当最大马氏体片 细到光镜下无法 分辨时，该马氏 体称隐晶马氏体. 马 氏 体 转 变 观 察 v3、马氏体的性能 v高硬度是马氏体性 能的主要特点。 v马氏体的硬度主要 取决于其含碳量。 v含碳量增加，其硬 度增加。 l当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。 l合
16、金元素对马氏体硬度的影响不大。 马氏体硬度、韧性与含碳量的关系 C% v马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。 此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。 v马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针 状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性. 针状马氏体板条马氏体 马氏体的透射电镜形貌 v4、马氏体转变的特点 v马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点是： v无扩散性 l铁和碳原子 都不扩散， 因而马氏体 的含碳量与 奥氏体的含 碳量相同。 v 共格切变性 v由于无扩散，晶格转变是以切 变机制进行的。使切变部分的 形状和体积发生变化，引起相 邻奥氏体随之变形，在预先抛 光的表面上产生浮凸现象。 马氏体
