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1、第3章 钢的热处理,改善钢的性能，主要有两条途径： 一是合金化，这是第4章研究的内容。 二是热处理，这是本章要研究的内容。,供应窄带钢行业热处理设备,第3章 钢的热处理,3.1 概述 3.2 钢在加热时的组织转变 3.3 钢在冷却时的组织转变 3.4 钢的基本热处理工艺 3.5 钢的表面热处理 3.6 铸铁的热处理,第3章 钢的热处理,3.1 概述 3.1.1 热处理的概念 3.1.2 热处理特点和适用范围 3.1.3 热处理分类 3.1.4 临界温度与实际转变温度 3.2 钢在加热时的组织转变 3.3 钢在冷却时的组织转变 3.4 钢的基本热处理工艺 3.5 钢的表面热处理 3.6 铸铁的热
2、处理,第3章 钢的热处理,3.1 概述 3.1.1 热处理的概念 3.1.2 热处理特点和适用范围 3.1.3 热处理分类 3.1.4 临界温度与实际转变温度 3.2 钢在加热时的组织转变 3.3 钢在冷却时的组织转变 3.4 钢的基本热处理工艺 3.5 钢的表面热处理 3.6 铸铁的热处理,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，获得所需要性能的一种工艺。,3.1 概述,3.1.1 热处理的概念,热处理作用：大幅度地改善金属材料的工艺性能和使用性能。,例 如 45号钢 热轧钢板 硬度18HRC 860加热，水冷 硬度55HRC T10钢 760加热，炉冷 硬度2
3、0HRC 760加热，水冷 硬度65HRC,热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。 在机床制造中约6070%的零件要经过热处理。 在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达7080 %。 模具、滚动轴承100%需经过热处理。 重要零件都需适当热处理后才能使用。,3.1 概述,滚动轴承,3.1.1 热处理的概念,为什么热处理后材料性能会改变？ 热处理后材料内部的微观结构（组织）发生变化，使材料性能改变。 问题1： 加热、冷却时材料内部的微观结构如何变化（热处理原理）？ 问题2： 热处理工艺有哪些？工程实际中有何应用？,3.1 概述,3.1.1 热处理的概念,热处理工艺曲线: 用温度时间坐标
4、表示的热处理过程。,3.1 概述,3.1.1 热处理的概念,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、介质等参数称热处理工艺。,3.1.1 热处理的概念,(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,3.1 概述,第3章 钢的热处理,3.1 概述 3.1.1 热处理的概念 3.1.2 热处理特点和适
5、用范围 3.1.3 热处理分类 3.1.4 临界温度与实际转变温度 3.2 钢在加热时的组织转变 3.3 钢在冷却时的组织转变 3.4 钢的基本热处理工艺 3.5 钢的表面热处理 3.6 铸铁的热处理,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。 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。,3.1 概述,3.1.2 热处理特点和适用范围,第4章 钢的热处理,3.1 概述 3.1.1 热处理的概念 3.1.2 热处理特点和适用范围 3.1.3 热处理分类 3.1.4 临界温度与实际转变温度
6、 3.2 钢在加热时的组织转变 3.3 钢在冷却时的组织转变 3.4 钢的基本热处理工艺 3.5 钢的表面热处理 3.6 铸铁的热处理,预备热处理与最终热处理 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。 最终热处理赋予工件所要求的使用性能的热处理。,3.1 热处理分类,依加热、冷却方式等不同，将热处理工艺分类如下：,3.1 热处理分类,第4章 钢的热处理,3.1 概述 3.1.1 热处理的概念 3.1.2 热处理特点和适用范围 3.1.3 热处理分类 3.1.4 临界温度与实际转变温度 3.2 钢在加热时的组织转变 3.3 钢在冷却时的组织转变 3.4 钢的基本热
7、处理工艺 3.5 钢的表面热处理 3.6 铸铁的热处理,在铁碳相图中 PSKA1线，GSA3线， ESAcm线。 均称为临界温度 实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象 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。,因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。,3.1.4 临界温度与实际转变温度,3.1 概述,第3章 钢的热处理,3.1 概述 3.2 钢在加热时的组织转变 3.2.1 奥氏体的形成过程 3.2.2 奥氏体晶粒长大及其影响因素 3.3 钢在冷却时的组织转变 3
8、.4 钢的基本热处理工艺 3.5 钢的表面热处理 3.6 铸铁的热处理,第3章 钢的热处理,3.1 概述 3.2 钢在加热时的组织转变 3.2.1 奥氏体的形成过程 3.2.2 奥氏体晶粒长大及其影响因素 3.3 钢在冷却时的组织转变 3.4 钢的基本热处理工艺 3.5 钢的表面热处理 3.6 铸铁的热处理,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。 另一种是将钢加热至临界相变温度Ac1以上，以获得全部或部分奥氏体组织，该过程称为奥氏体化。,3.2 钢在加热时的组织转变,3.2.1 奥氏体的形成过程,钢坯加热,奥氏体化是一个形核和长大的过程，分为四步。 现以共
9、析钢为例说明,3.2 钢在加热时的组织转变,当共析钢加热温度高于Ac1时，珠光体将转变为奥氏体,方,第一步 奥氏体晶核形成: 首先在F与Fe3C相界形核。 第二步 奥氏体晶核长大： A 晶核通过铁、碳原子的扩散向F 和Fe3C方向长大。 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。 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，原铁素体处碳浓度低，因而，要通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。,奥氏体化的四个过程,3.2 钢在加热时的组织转变,3.2 钢在加热时的组织转变,奥 氏 体 组 织,亚共
10、析钢的奥氏体化过程,3.2 钢在加热时的组织转变,亚共析钢F+P组织,奥氏体组织,Ac3以上,Ac1Ac3,A+F,A,P+F,过共析钢的奥氏体化过程,3.2 钢在加热时的组织转变,过共析钢P+Fe3C组织,奥氏体组织,Accm以上,Ac1Accm,A+FeC3,A,P+FeC3,第3章 钢的热处理,3.1 概述 3.2 钢在加热时的组织转变 3.2.1 奥氏体的形成过程 3.2.2 奥氏体晶粒长大及其影响因素 3.3 钢在冷却时的组织转变 3.4 钢的基本热处理工艺 3.5 钢的表面热处理 3.6 铸铁的热处理,奥氏体晶粒长大 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
11、自发的过程。 起始晶粒度 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。 实际晶粒度 在某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度。 本质晶粒度 钢加热到93010、保温8小时、冷却后测得的晶粒度。,3.2 钢在加热时的组织转变,3.2.2 奥氏体晶粒长大及其影响因素,实际晶粒度的大小，决定了钢的性能。,表征钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向。,如果测得的晶粒细小（5-8级)，则该钢称为本质细晶粒钢,如果测得的晶粒粗大（1-4级)，则该钢称为本质粗晶粒钢,3.2 钢在加热时的组织转变,影响奥氏体晶粒长大的因素 加热温度和保温时间 钢的成分 控制加热速度,温度越高，或在一定温度下保温时间
12、越长，奥氏体晶粒越粗大。,本质 粗晶粒钢,本质 细晶粒钢,奥氏体中碳含量增高，晶粒长大倾向增大。 加入钛、钒、铌、锆、铝等元素，阻碍晶粒长大，有利于得到本质细晶粒钢。 锰和磷促进晶粒长大。,加热速度越高，晶粒越细小,3.2 钢在加热时的组织转变,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。 加热保温得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。,第3章 钢的热处理,3.1 概述 3.2 钢在加热时的组织转变 3.3 钢在冷却时的组织转变 3.3.1 过冷奥氏体的等温转变 3.3.2 过冷奥氏体的连续转变 3.3.3 影响C曲线的因素 3.4 钢的基本热处理工艺 3.
13、5 钢的表面热处理 3.6 铸铁的热处理,A1,t,等温冷却,连续冷却,完成相变和组织变化 过冷奥氏体：在A1以下，未发生转变的不稳定奥氏体。,在钢的热处理工艺中，被加热之奥氏体有两种冷却方式,t,3.3 钢在冷却时的组织转变,第3章 钢的热处理,3.1 概述 3.2 钢在加热时的组织转变 3.3 钢在冷却时的组织转变 3.3.1 过冷奥氏体的等温转变 3.3.2 过冷奥氏体的连续转变 3.3.3 影响C曲线的因素,A1线为相变临界温度，Ms和Mf分别为马氏体转变开始温度和终了温度。 A1线以上为奥氏体稳定存在区；Ms线以下为马氏体转变区；A1与Ms间的区域为过冷奥氏体等温转变区,孕育期-表示
14、过冷A 的稳定程度 孕育期长短 过冷度（相变驱动力） 原子扩散能力,冷却是热处理更重要的工序。 钢在冷却时的转变 实质上是过冷A的转变。,共析钢过冷奥氏体的等温转变,（a）珠光体（高温）转变 转变温度范围 A1550 珠光体组成 F 和 Fe3C 的机械混合物 渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上 形成特点 在固态下形核、长大,3.3 钢在冷却时的组织转变,是扩散型相变（原子扩散能力强，通过碳、铁原子的扩散和晶体结构的重构来实现）, 共析钢过冷奥氏体的等温转变,（a）珠光体（高温）转变 形态 层片状，根据粗细不同，分为 A1 650 ：珠光体 P 650600 ：索氏体 S （细P） 600550
15、 ：托氏体 T （极细P，又称屈氏体） 转变温度越低，层间距越小。,3.3 钢在冷却时的组织转变,珠光体型组织的光学显微镜照片,珠光体,索氏体,屈氏体,3.3 钢在冷却时的组织转变,3.3 钢在冷却时的组织转变,珠光体 3800倍 索氏体 8000倍 屈氏体 8000倍 珠光体型组织的扫描电镜照片,珠光体的性能 片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。,3.3 钢在冷却时的组织转变,（b）贝氏体（中温）转变 转变温度范围 550 MS 贝氏体组成 过饱和F 和 Fe3C 的机械混合物。,3.3 钢在冷却时的组织转变,（b）贝氏体（中温）转变 形成特点 原子扩散能力较弱；过冷度较大
16、，主要通过 相变驱动力来改变晶格结构 半扩散型相变（铁原子难扩散，碳原子通过扩散形成碳化物） 形态 550 350 ：碳原子有一定的扩散能力，上贝氏体B上 350 Ms ：碳原子扩散能力更弱，下贝氏体B下,3.3 钢在冷却时的组织转变,上贝氏体形貌（羽毛状）,3.3 钢在冷却时的组织转变,光镜下,电镜下,光镜下：在铁素体片的晶界上析出不连续短杆状的渗碳体，形似羽毛，分辨不清条间的渗碳体粒子 。 电镜下观察：渗碳体沿条的长轴方向排列成行。,下贝氏体形貌（竹叶状黑针状）,3.3 钢在冷却时的组织转变,光镜下,电镜下,光学显微镜下：铁素体相呈针状或片状，针与针之间相交一定角度，分辨不清碳化物。 电镜下，可看出渗碳体呈断续条状，在晶内沿着与片的长轴相夹5565的方位排列。,3.3 钢在冷却时的组织转变,下贝氏体,贝氏体组织的透射电镜形貌,（b）贝氏体（中
