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1、第五章 钢的热处理,热处理：通过加热、保温、冷却的操作方法 使钢的组织发生变化，以获得所需 性能 的一种加工工艺。 实施热处理是改善钢 的性能的重要的途径,5.1 钢在加热时的转变,加热转变主要为A的形成过程 A1以上PA Ac1 Ac3 Accm 碳原子和铁原子扩散，晶格类型改变,A1 A3 Acm:平衡时的转变温度 Ac1 Ac3 Accm:实际加热时的转变温度 Ar1 Ar3 Arcm:实际冷却时的转变温度,一、A 的形成过程,（一）基本过程 PA的过程通过形核和长大来完成 分四个步骤描述其基本过程 第一步：A晶核的形成 在F 和 Fe3C的相界面形核 第二步：A的长大 晶格转变，原子扩
2、散， Fe3C溶解,第三步：参与Fe3C的溶解 第四步：A的均匀化 亚共析钢的A形成： 过共析钢的A形成：,亚共析钢的A形成： 过共析钢的A形成： Ac1Accm,Ac1Ac3,（二）影响PA转变的因素,1. 温度 T 加速转变 2. C C，相界面多，有利于形核加速 3. 原始组织粗细 组织细，相界面多，有利于形核加速 4. 加热速度 速度快，转变温度，加速,二、A晶粒的长大及影响因素,A晶粒度分为起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度 起始晶粒度：P刚刚全部转变为A时的晶粒度 实际晶粒度：钢在具体的热处理和热加工 条件下实际获得的晶粒度 晶粒度等级：18级 14级为粗晶粒，58级为细晶粒,本质
3、晶粒度：表示A晶粒长大的倾向性 测定：加热到92010，保温8小时， 缓冷，测其晶粒大小。 若14级，则本质粗晶粒钢 若58级，则本质细晶粒钢 生产中，需热处理的钢一般采用本质细 晶粒钢,（二）A晶粒长大及其影响因素,在高温下，晶粒长大是一个自发过程 A晶粒大小影响冷却后的组织粗细，进而 影响工件的机械性能。应加以控制。 影响因素： 温度 温度越高，晶粒越粗大 第二相颗粒 阻碍晶粒长大 合金元素 除了Mn以外，均阻碍长大,5.2 钢在冷却时的转变,冷却过程是热处理的第二步，也是关键的 一步。 热处理生产中，冷却往往比较快，转变组织不符合FeFe3C相图所反映的规律。 两个曲线：奥氏体等温转变曲
4、线 TTT 奥氏体连续冷却转变曲线 CCT,一、过冷奥氏体等温转变曲线,又称C曲线，也称TTT曲线 C曲线的建立 共析钢的C曲线 用磁性法 一批试样加热到A1以上温度在A1的不同温度保温测动态转变曲线转换坐标，时间温度坐标,一批试样 加热到A1以上温度 在A1的不同温度保温 测动态转变曲线 转换坐标，时间温度坐标,二、过冷奥氏体转变产物的组织与性能,三种类型的转变 （一）珠光体类转变 扩散类转变，碳原子和铁原子都扩散 A1鼻尖（550）区域 组织特征：由铁素体和Fe3C两相组成 呈层片状,根据粗细（层片间距）其产物分为三种,珠光体 P A1650，形成温度高，层片间距最大 在低倍光学显微镜下能
5、分辨两相 索氏体 S 650 600 ，层片间距比珠光体小 在高倍光学显微镜下能分辨两相 屈氏体 T 600 550 ，层片间距最小 只有在电子显微镜下才能分辨两相,珠光体类组织的性能： 与层片间距有关 层片间距越小（组织越细小），强度、硬度越高，塑性有所下降,（二）贝氏体类转变,鼻部Ms温度区域 只有碳原子扩散，铁原析不扩散。 组织由铁素体和渗碳体组成，但不是呈 层片状 有两种类型的贝氏体,上贝氏体 550350 形态：呈羽毛状,短杆状的渗碳体分布在铁素体条之间,性能：脆性大，无实用价值,下贝氏体 350Ms区域,因温度低，原子扩散不充分，析出的碳化物在过饱和的铁素体针内分布,性能：具有良好
6、的强韧性,（三）马氏体转变,Ms温度以下 因温度低，原子无扩散能力 马氏体转变为非扩散型转变 特点：转变前后新相和母相的成分相同 马氏体是过饱和的固溶体 不完全的转变 残余奥氏体AR或A,AR:因马氏体转变不完全而残留下来的A AR量：与A中的C有关， C， AR ,按形态马氏体分为两种 板条状马氏体 0.25 ，全部为板条状马氏体 板条状马氏体的塑性韧性好，因为 a)过饱和度小 b) 亚结构为位错,片状马氏体 1.0 ，全部为片状马氏体 片状马氏体的塑性韧性不好，因为 a)过饱和度大 b) 亚结构为孪晶,马氏体的硬度取决与马氏体中的含碳量 C，马氏体的硬度越高,A中的C，残余奥氏体量越多,三
7、、影响C曲线的因素,1. 碳的影响 亚共析钢： C，C曲线右移 过共析钢： C， C曲线左移,与共析钢相比，在鼻尖多了先共析铁素体转变线,2. 合金元素的影响 除了Co以外，均使C曲线右移 3. 加热温度和保温时间 温度 时间， C曲线右移,四、过冷奥氏体的连续转变曲线,生产实践中，大部分是连续冷却过程 应参考连续冷却转变曲线图（CCT） 共析钢的CCT曲线， 临界冷却速度：Vk,测定CCT曲线比TTT曲线困难，所以定性分析多用TTT,5.3 钢的退火和正火,一、目的 是应用广泛的热处理工艺，一般作为预先 热处理工序，一些普通铸件、焊接件以及 不重要件的最终热处理工序,主要目的： 1）软化钢件
8、，以便进行切削加工 2）消除残余应力，以防钢件的变形、开裂 3）细化晶粒，提高机械性能 4）为最终热处理作好组织准备,二、退火和正火操作及其应用,（一）退火操作及其应用 不同的退火工艺，其目的不同 1. 完全退火与等温退火 完全退火：加热 AC3+3050，随炉冷却 等温退火： AC3+3050，在鼻部等温处理 随后较快速度冷却 目的相同，等温退火的工艺周期较完全退火短,2.球化退火 用于过共析的碳钢和合金工具钢 目的：降低硬度，改善切削加工性，为以后淬火作组织准备 球化退火后的组织：渗碳体转变为颗粒状， 分布在铁素体基体上球化体,3. 去应力退火 又称低温退火 退火温度低于AC1，缓慢加热，
9、缓慢冷却 用于消除铸件、锻件、焊接件、热轧件、 冷拉件等的残余应力,（二） 正火操作及应用,亚共析钢： AC3+3050 过共析钢： Accm+3050 冷却方式：空气中冷却 应用：用于普通件，作为最终热处理 用于低、中碳钢，获得合适的硬度， 便于切削加工 用于过共析钢，可抑制网状二次渗 碳，球化退火前的处理,5.4 钢的淬火,一、目的 亚共析钢： AC3+3050 过共析钢： AC1+3050 冷却方式：以大于临界冷却速度（Vk）冷却 目的：获得马氏体,二、淬火温度的选择 亚共析钢： AC3+3050 获得细小的马氏体组织 若温度过高，组织粗大，性能降低，变形大 过共析钢： AC1+3050
10、 获得细小马氏体和颗粒状渗碳体的混合组织 以具有高硬度和耐磨性,若温度超过ACCm： 组织粗大 变形、开裂的倾向大 渗碳体溶解得多，A中的含碳量 高，淬火后AR量多，硬度,三、淬火冷却介质 冷却能力必须大于临界冷却速度（Vk） 但不是越大越好 理想淬火介质的特征： 常见介质：水 油 盐水,四、常用淬火方法 1. 单液淬火法 2. 双液淬火法 3. 分级淬火法 获得M组织 4.等温淬火法 获得B下组织 5. 冷处理 以减少AR为目的,5.6 钢的淬透性,一、概念 淬透性：钢在淬火后能获得淬硬层深度的 能力。或 钢在淬火后获得马氏体的能力 淬硬性：钢在正常淬火条件下所能达到的 马氏体组织的最高硬度
11、 主要取决于含碳量,二、影响淬透性的因素,决定性因素是临界冷却速度VK VK越小，淬透性越好 VK取决于C曲线的位置，C曲线右移， VK越小 所以影响C曲线的因素都影响VK ，进而影响淬透性 C，合金元素，加热温度和加热时间,三、淬透性与淬硬层深度,淬透性主要取决于化学成分，加热温度范围不大时，可看作是钢的固有属性。 淬硬层深度：与淬透性有关 还与外部条件有关，如工件尺寸， 冷却介质等,5.6 钢的回火,一、目的 淬火后的钢加热到低于AC1的温度，而后冷却的工艺 1）降低脆性，消除或减少内应力 2）获得工件所需要的性能 3）稳定工件尺寸 4）对于某些钢，降低硬度，便于切削,二、回火转变,淬火后
12、的组织是不稳定的，有转变为稳定组织的倾向性，回火促使其转变 回火转变的四个阶段： 第一：100200 马氏体开始分解，过饱和的碳以 碳化物的形式析出，并与母相 保持共格关系，相仍为过饱和 性能：硬度降低不明显，具有高硬度,第二：200300 参与奥氏体的分解，分解为下贝氏体 马氏体继续分解 性能：马氏体继续分解导致硬度降低 参与奥氏体的分解，硬度升高 硬度变化不大,第三：250400 碳化物转变为Fe3C 碳从过饱和固溶体中析出，成为 平衡状态 此时组织为，F+Fe3C 性能：内应力大量消除，高的屈服极限,第四：400 随着温度的提高，Fe3C聚集长大 温度越高， Fe3C颗粒越大 钢的强度、
13、硬度越低，塑性、韧性 较大提高,三、回火种类及应用,1. 低温回火（150250） 组织：回火马氏体 性能：保持淬火后的高硬度、高耐磨性 2. 中温回火（400500 ） 组织：回火屈氏体 性能：一定的韧性，高的弹性极限和 屈服极限,3. 高温回火（500650） 组织：回火索氏体 性能：良好的综合机械性能 调质处理：淬火+高温回火,表面淬火及化学热处理 通过表面处理,改善表面性能，如提高表面硬度、提高耐磨性等，而心部具有良好的塑性、韧性。 即，通过表面处理可获得“表硬心韧”工件,一、以下几种说法是否正确？为什么？ 1. 过冷奥氏体的冷却速度越快，则淬火后钢的硬度越高。 2. 钢经淬火后处于硬、脆状态。 3. 钢中合金元素含量越多，则淬火后钢的硬度越高。 4. 本质细晶粒钢加热后实际晶粒比本质粗晶粒钢的细。,5. 同一种钢材在相同的加热条件下，水淬的比油淬的淬透性好。 二、用T10钢制造形状简单的冲压模，其工艺路线为： 锻造热处理1机加工热处理2磨削 试指出热处理工艺，并说明其作用。,共析钢加热到奥氏体化以后，以如下图中所示的四种方式冷却。 试指出冷却后的组织。,
