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1、第三章 钢铁材料的改性处理,第一节 钢的热处理原理 第二节 钢的普通热处理 第三节 钢的表面热处理,第一节 钢的热处理原理 热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的一种热加工工艺。常用热处理工艺可分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）和表面热处理（表面淬火和化学热处理）。 （热处理示例）,一、钢在加热和冷却时的转变温度 钢在加热时，实际转变温度往往要偏离平衡的临界温度，冷却时也是如此。随着加热和冷却速度的增加，滞后现象将越加严重。通常把加热时的临界温度标以字母“C”，如AC1、AC3、ACm等；把冷却时的临界温度标以字母“r”，如Ar
2、1、Ar3、Arm等。,二、钢在加热时的组织转变 （一）奥氏体的形成过程 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。,奥氏体形核 奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上形成。 奥氏体晶核长大 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
3、程： 过共析钢的加热过程：,（二）奥氏体晶粒大小及其控制,1.晶粒大小的表示方法 晶粒大小广泛采用的是与标准金相图片（标准评级图）相比较的方法来评定晶粒大小的级别。通常将晶粒大小分为8级，1级最粗，8级最细。通常14级为粗晶粒度，58级为细晶粒度。,3.奥氏体晶粒大小的控制 加热温度与保温时间 加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大，因为这与原子扩散密切相关。,2.奥氏体晶粒度的概念 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1
4、4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。,加热速度 加热速度越快，过热度越大，奥氏体实际形成温度越高，可获得细小的起始晶粒。 钢的化学成分 碳全部溶于奥氏体时，随奥氏体中含碳量的增加，晶粒长大倾向增大。 合金元素Ti、Zr、V、Nb、Al等，当其形成弥散稳定的碳化物和氮化物时，由于分布在晶界上，因而阻碍晶界的迁移，阻止奥氏体晶粒长大，有利于得到本质细晶粒钢。Mn和P是促进奥氏体晶粒长大的元素。,三、钢在冷却时的组织转变 （一）过冷奥氏体等温转变曲线和连续冷却转变曲线 热处理时常用的冷却方式有两种：一是连续冷却；二是等温冷却。,共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图,A1,
5、1.共析钢过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线） 奥氏体在临界点以上为稳定相，不会发生转变，冷却至临界点以下处于不稳定状态，将会发生分解，把这种在临界点以下暂时存在的奥氏体称为过冷奥氏体。C曲线的左边一条线为过冷奥氏体转变开始线，右边一条线为过冷奥氏体转变终了线。该曲线下部还有两条水平线，分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms线和转变结束温度Mf线。,亚共析钢和过共析钢的C曲线与共析钢的C曲线不同。区别在于分别在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素体的转变开始线和过冷奥氏体析出二次渗碳体的开始线。,2.过冷奥氏体连续冷却转变曲线 连续冷却转变曲线（CCT曲线）是通过实验测定出来的。图中Ps和Pf线分
6、别表示珠光体转变的开始和终了线；KK线是珠光体转变终止线。共析钢以大于VK的速度冷却时，由于遇不到珠光体转变线，得到的组织为马氏体，这个冷却速度称为上临界冷却速度。冷却速度小于VK时，钢将全部转变为珠光体，为下临界冷却速度。,共析钢连续冷却时没有贝氏体形成（无贝氏体转变区）。,（二）珠光体转变 共析成分的奥氏体在A1550温度范围内等温停留时，将发生珠光体转变，形成铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物-珠光体。因转变的温度较高，也称高温转变。,1.珠光体的组织形态 珠光体的组织有两种形态：一种是片状珠光体；另一种是球状或粒状珠光体。,片状珠光体中，按片间距的大小可将其分为三类：即A1650之间形
7、成的片层较粗的珠光体，称为珠光体，以符号“P”表示；650600之间形成的片层较细的珠光体，称为索氏体，以符号“S”表示；600550之间形成的片层极细的珠光体，称为托氏体（屈氏体），以符号“T”表示。,片状珠光体组织,粒状珠光体组织,2.珠光体的力学性能 片状珠光体的性能主要取决于珠光体的片层间距。片层间距越小，则强度和硬度越高，塑性和韧性也越好。 形成粒状珠光体，渗碳体的颗粒越细小，则钢的强度硬度越高。在相同硬度下，粒状珠光体比片状珠光体的综合力学性能优越得多。,（三）马氏体转变 马氏体转变是典型的无扩散性相变。马氏体是碳在Fe中的过饱和固溶体，具有非常高的强度和硬度。所以，马氏体转变是强
8、化金属的重要途径之一。,1.马氏体的组织形态 钢中马氏体有两种基本形态：板条马氏体和片状马氏体。wc在0.25%以下时，基本上形成板条状马氏体（也称低碳马氏体），板条马氏体内有高密度的位错缠结的亚结构，又称为位错马氏体。 当wc 1.0%时，奥氏体几乎只形成片状马氏体（针状马氏体）。片状马氏体内部的亚结构主要是孪晶。因此，片状马氏体又称为孪晶马氏体。,图2-61 板条马氏体,图2-62 片状马氏体,wc在0.25%1.0%之间的奥氏体则形成上述两种马氏体的混合组织，含碳量越高，条状马氏体量越少而片状马氏体量越多。,2.马氏体的力学性能 马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量，通常情况是随含碳量的
9、增加而升高。 马氏体的塑性和韧性主要取决于它的亚结构。在相同屈服强度条件下，板条（位错）型马氏体比片状（孪晶）型马氏体的韧性好得多。,3.马氏体转变的主要特点 无扩散性 马氏体的形成无需借助于无扩散过程，转变前后没有化学成分的改变，马氏体可在很低的温度下以高速形成。 转变是在一个温度范围内进行的 马氏体转变是在MsMf的温度范围内进行的，其转变量随温度的下降而增加，一旦温度停止下降，转变立即中止。 转变不完全 多数钢的Mf点在室温以下，因此冷却到室温时仍会保留相当数量未转变的奥氏体，这称之为残余（留）奥氏体，常用Ar表示。,（四）贝氏体转变 贝氏体转变是过冷奥氏体在“鼻子”温度至Ms点范围内进
10、行的转变，又称为中温转变。贝氏体是碳化物（渗碳体）分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物。,上贝氏体 共析钢上贝氏体大约在550（“鼻子”温度）至350之间形成。光学显微镜观察，典型上贝氏体组织形态呈羽毛状。,下贝氏体 共析钢下贝氏体大约在350至Ms之间形成。光学显微镜观察，下贝氏体呈黑色针状或竹叶状。,2.贝氏体的力学性能 上贝氏体的强度和韧性均差。下贝氏体不仅强度高，而且韧性也好，表现为具有较好的综合力学性能，是一种很有应用价值的组织。,四、钢在回火时的组织转变,1.马氏体分解（100200） 100以上回火，马氏体开始发生分解，从过饱和固溶体中析出弥散的碳化物，这种碳化物的成分和结构
11、不同于渗碳体，是亚稳定相。一定饱和度的固溶体和弥散分布的碳化物组成的复相组织，称为回火马氏体。,2.残留奥氏体的转变（200300） 在200300之间回火时，钢中的残留奥氏体将会发生分解，产物是过饱和的固溶体和碳化物组成的复相组织，相当于回火马氏体或下贝氏体。,3.碳化物的转变（300400） 在300400范围内回火，碳化物将自发地向稳定相渗碳体转变。由饱和针状的固溶体和细小颗粒状的渗碳体组成的组织称为回火托氏体。,4.渗碳体的聚集长大和相的再结晶（400以上） 回火温度升高到400以上，渗碳体明显聚集长大。由等轴的相和粗粒状的渗碳体组成的组织称为回火索氏体。,第二节 钢的普通热处理,一、
12、钢的退火 退火或正火是将钢加热到一定温度并保温一定时间以后，以缓慢的速度冷却下来，使之获得达到或接近平衡状态的组织的热处理工艺。,1.退火,（1）完全退火 其目的是细化晶粒、降低硬度以改善切削加工性能和消除内应力。 （2）等温退火 等温退火的加热工艺与完全退火相同。“等温”的含义是，发生珠光体转变时是在Ar1以下珠光体转变区间的某一温度等温进行。等温退火能有效缩短退火时间，提高生产效率并能获得均匀的组织和性能。 （3）球化退火 球化退火主要用于过共析钢和合金工具钢。其目的是降低硬度、均匀组织、改善切削性能，为淬火作组织准备。获得粒状珠光体。球化退火的加热温度一般为Ac1以上2030。,（4）扩
13、散退火（均匀化退火）扩散退火的特点是，加热温度高（一般在Ac3或Accm以上150300），保温时间长（10h以上）。因此，扩散退火后钢的晶粒粗大，需要进行一次正常的完全退火或正火处理。 （5）去应力退火 主要用来消除因变形加工及铸造、焊接过程中引起的残余内应力，以提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂。工艺一般是将工件随炉缓慢加热至500650，经一段时间保温后随炉缓慢冷却至300200以下出炉。,（6）再结晶退火 冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒，这种热处理工艺称为再结晶退火。其目的是消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及成形性能。一般钢
14、材的再结晶退火温度为650700。,二、钢的正火 正火的加热温度为Ac3或Accm以上3050，保温以后的冷却方式在空气中进行。由于正火比退火的冷却速度大，故珠光体的片层间距较小，因而正火后强度、硬度较高。,正火的应用： 低碳钢和某些低碳低合金钢采用正火来调整硬度，改善切削加工性能。 过共析钢的正火是为了消除网状碳化物。 某些受力不大，性能要求不高的中碳钢和中碳合金钢件，正火后的力学性能尚能满足要求，可作为最终热处理。,三、钢的淬火 将钢加热到Ac1或Ac3以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。,1.淬火加热温度 淬火加热温度的选择应以得到细而均匀的奥氏体晶粒为
15、原则，以便冷却后获得细小的马氏体组织。亚共析钢的淬火加热温度通常为Ac3以上3050；过共析钢的淬火加热温度通常为Ac1以上3050。,2.淬火冷却介质 常用的淬火冷却介质是水和油。水主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。油一般用作合金钢的淬火冷却介质。 为了减少零件淬火时的变形，盐浴也常用作淬火介质，主要用于分级淬火和等温淬火。,3.淬火方法 为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。通常的淬火方法包括单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等，如图所示。,4.钢的淬透性 钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小通常用规定条件
16、下淬火获得淬透层的深度（又称有效淬硬深度）的距离作为淬透层深度。,淬透性可用“末端淬火法”测定。 钢的淬透性用 表示，其中d表示淬透性曲线上测试点至水冷端的距离（mm）,HRC为该处的硬度值。,生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。所谓临界淬火直径，是指圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏体的最大直径），用Do表示。在相同冷却条件下，Do越大，钢的淬透性越好。 钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。,四、钢的回火 将淬火后的钢件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间后冷却至室温的热处理工艺叫回火。 淬火钢件经回火可以减少或消除淬火应力，稳定组织，提高钢的塑性和韧性，从而使钢的强度、硬度和塑性、韧性得到适当配合，以满足不同工件的性能要求。,1.低温回火 低温回火的温度范围在150250之间。回火的目的是降低应力和脆性，获
