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1、1,第四章 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、结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。,2,3,通常加热的目的是得到奥氏体，加热温度和保温时间决定了奥氏体状态，冷却速度决定了组织结构的类型。 铁碳相图中平衡临界点A1,A3,Acm，在实际热处理时要变化。加热时要升高(过热)，冷却时要降低(过冷)。,4,Ac1：加热时珠光体转变为奥氏体的温度。Ac3：加热时亚共析钢中先共析铁素体完全转变为奥氏体的温度。Accm：加热时过共析钢中二次渗碳体完全溶入奥氏体的温度。,5,Ar1：冷却时奥氏体转变为珠光体温度。Ar3：冷却时亚共析钢中奥氏体开始转变为先共析铁素体温度。Arc
2、m：冷却时过共析钢中奥氏体开始析出二次渗碳体温度。,6,7,热处理工艺分类：(一)普通热处理1、退火；2、正火；3、淬火；4、回火。(二)表面热处理1、表面淬火：火焰加热；感应加热。2、化学热处理：渗碳；氮化；碳氮共渗；渗硼；渗金属等。,8,4-1 钢在加热时的转变一、奥氏体的形成(一)基本过程1、共析钢 原始组织为珠光体，加热到Ac1，分四个步骤形成奥氏体。,9,(1)奥氏体在铁素体-渗碳体的界面上形核。(2)奥氏体晶核向铁素体及渗碳体两侧长大。 (3)铁素体完全转变后，残余渗碳体继续向奥氏体中溶解。(4)奥氏体中碳的扩散均匀化。,10,由形核和长大两个过程组成，分四个阶段。,11,2、亚共
3、析钢 原始组织：F和P。 Ac1: PA， Ac1- Ac3：FA。 Ac3：单相奥氏体。,12,3、过共析钢 原始组织：Fe3C和P。 Ac1: PA， Ac1- Accm： Fe3C A。 Accm：单相奥氏体。,13,(二)影响珠光体向奥氏体转变的因素1、加热温度升高，碳原子扩散能力增大，加速奥氏体形成。2、原始组织中铁素体和渗碳体的相界面多，形核率高，奥氏体形成速度快。(1)高碳钢比低碳钢快。(2)细小的珠光体比粗大的珠光体快。(3)片状珠光体比粒状珠光体快。,14,二、 奥氏体晶粒的长大及影响因素(一)晶粒大小的表示方法1、以晶粒度级别N表示。 通常为1-8级， 更粗大：0级、-1级
4、等， 更细小：9级、10级等。2、晶粒度级别N与晶粒大小之间的关系 ： n=2N-1 n：在放大100倍下，1平方英寸视野中平均晶粒数。,15,16,17,(二)奥氏体晶粒度的概念1、起始晶粒度：奥氏体转变过程刚结束时的奥氏体晶粒度。 通常，起始晶粒度较小，但大小不均匀，需要适当长大。2、实际晶粒度：在具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒度。 加热温度越低，奥氏体晶粒越细。,18,19,3、本质晶粒度：在规定的加热条件下（930，3-8小时）奥氏体的晶粒度。(1) 1-4级为本质粗晶粒钢，通常为沸腾钢；5-6级为本质细晶粒钢，通常为镇静钢。(2) 本质晶粒度反映了钢在规定条件下的奥氏
5、体晶粒长大倾向，本质细晶粒钢不易长大，本质粗晶粒钢易于长大，但不代表实际晶粒度。,20,加热温度对晶粒大小的影响,21,(三)奥氏体晶粒长大及影响因素1、加热温度升高，奥氏体晶粒长大。2、保温时间延长，晶粒长大；但长大到一定程度后，长大速度将减慢。3、过共析钢组织中的未溶碳化物能阻止奥氏体晶粒长大。4、V、Ti、Nb形成的特殊碳化物和Al形成的氮化物、氧化物，能阻止晶粒长大。,22,4-2 过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能 过冷奥氏体：温度在A1以下，处于热力学不稳定状态的奥氏体。 过冷奥氏体在不同温度下可以转变为珠光体、贝氏体和马氏体。,23,一、珠光体类型组织形态与性能(一)珠光体转变的
6、特点1、珠光体：层片状铁素体与渗碳体相间排列的机械混和物。2、在A1-550温度范围内转变，也称高温转变。3、扩散型转变。 Fe：扩散型转变重建bcc晶格。 C：扩散形成渗碳体。,24,(二)珠光体的分类1、珠光体：形成温度为A1650，片层较厚，在500倍的光学显微镜下即可分辨。用符号“P”表示。2、索氏体（细珠光体）：形成温度为650600，片层较薄，在8001000倍光学显微镜下才可分辨。用“S”表示。3、屈氏体（极细珠光体）：形成温度为600550，片层极薄，只有在电子显微镜下才能分辨。用符号“T”表示。,25,(三)珠光体的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
7、，则强度和硬度越高，塑性和韧性也越好。(四)粒状珠光体1、通过球化退火，得到铁素体基体分布着粒状渗碳体的组织。2、硬度、强度较低，塑性、韧性较好，是高碳钢切削加工和淬火前的预备组织。,26,不同类型的片状珠光体 (1000 ),27,二、马氏体类型组织形态与性能(一)马氏体转变的特点1、马氏体：碳在-Fe中的过饱和固溶体。用“M”表示。2、在Ms(230)以下温度范围内转变，也称低温转变。3、马氏体转变是在MsMf的温度范围内进行的，其转变量仅随温度的下降而增加。,28,4、非扩散型转变。 Fe：通过切变重建体心正方晶格。 C：保持固溶态。分布在-Fe体心立方晶格的c轴上，引起c轴伸长，a轴缩
8、短，使体心立方晶格发生正方畸变，形成体心正方结构。,29,马氏体的晶体结构: 由于碳的过饱和作 用,由体心立方变成体心正方晶格。,30,(二)马氏体的分类1、板条状马氏体(1)含碳在0.25%以下,也称低碳马氏体。(2)相互平行的板条组成马氏体束，不同位向的马氏体束组成马氏体晶粒。(3)板条内的亚结构为高密度的位错，也称位错马氏体。,31,32,33,2、片状马氏体(1)含碳在1.0%以上,也称高碳马氏体。(2)马氏体片呈针状或片状，各马氏体片之间相交成一定角度，马氏体片之间为残余奥氏体。(3)片内的亚结构为孪晶。也称高碳马氏体和孪晶马氏体。,34,35,36,3、含碳量在0.25-1%时，形
9、成上述两种马氏体的混合组织，含碳量越高，板条状马氏体量越少而片状马氏体量越多。,37,(三)马氏体的性能1、硬度(1)硬度随马氏体的含碳量的增加而升高，超过0.6%以后，由于残余奥氏体增多，硬度不再增加。(2)马氏体的硬化主要来源于碳的过饱和固溶强化，其次是切变产生的位错和孪晶。,38,39,2、塑性和韧性(1)板条状马氏体的塑性和韧性好。主要原因一是含碳量低，晶格畸变轻微，二是马氏体内的亚结构为位错。(2)片状马氏体的塑性和韧性很差。主要原因一是含碳量高，晶格畸变严重，二是马氏体内的亚结构为孪晶。,40,三、贝氏体类型组织形态与性能(一)贝氏体转变的特点1、贝氏体：过饱和铁素体和碳化物的机械
10、混合物。用“B”表示。2、在550-Ms温度范围内转变，也称中温转变。3、半扩散型转变。Fe：通过切变重建bcc晶格。C：既扩散形成渗碳体，也保留一定的过饱和度。,41,(二)贝氏体的分类1、上贝氏体(1)在550-350温度范围形成。(2)铁素体条成束的平行分布，具有羽毛状特征，渗碳体以不连续的短杆状分布在铁素体条之间。,42,43,44,2、下贝氏体(1)在350-Ms温度范围形成。(2)针片状铁素体之间相交成一定角度，短条状-FexC沿着与铁素体长轴相交55的方向成行排列。(三)贝氏体的性能1、上贝氏体强度和塑性、韧性均较差。2、 下贝氏体有较高的强度、塑性和韧性，具有较优良的综合机械性
11、能。,45,46,47,48,4-3 过冷奥氏体转变曲线图根据冷却方式不同，可分为：过冷奥氏体等温转变曲线（TTT曲线） 过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）因TTT曲线的形状像字母“C”，又称C曲线。一、过冷奥氏体等温转变曲线图,49,50,(一)C曲线的建立1、将试样加热奥氏体化后，2、在A1以下不同温度等温不同时间，3、测定奥氏体开始转变和结束转变的时间，4、标注在温度-时间图上，5、将所有开始转变点和结束转变点分别连成曲线。,51,52,(二)C曲线的特点1、高温、中温、低温转变产物分别是P、B、M。2、P、B转变随等温时间延长，转变数量增加； M转变数量与等温时间无关，但随温度下
12、降而增加。3、P、B转变有孕育期，550时孕育期最短，孕育期随等温温度升高或降低而延长；M转变无孕育期。,53,4、P、B转变需要原子扩散和相变动力。等温温度降低，相变动力增大，但原子扩散速度减慢；等温温度升高，原子扩散速度增大，但相变动力减小，所以在550孕育期最短，反应最快。5、亚共析钢在珠光体转变前析出先共析铁素体；过共析钢在珠光体转变前析出二次渗碳体。,54,55,56,(三)影响C曲线的因素1、共析钢的孕育期最长，含碳量增加或减小都使C曲线左移。2、除单独加入Co以外，所有合金元素都使C曲线右移。3、提高加热温度和延长保温时间使C曲线右移。,57,58,二、过冷奥氏体连续冷却曲线 生
13、产实践中奥氏体大多是在连续冷却中发生转变的。虽然TTT曲线（C曲线）实验方法比较简单，容易建立，但和生产实际相差较大，所以有必要建立CCT曲线。(一)CCT曲线的建立 试样经奥氏体化后以不同冷却速度连续冷却，用金相法、膨胀法等方法测出转变开始和结束的时间，组织种类和硬度。,59,(二)CCT曲线的特点1、CCT曲线和TTT曲线相比，向右下方移动，即转变开始时间推迟，开始温度降低。2、P、B转变曲线中出现中止线，当实际冷却曲线和此线相交时转变停止。,60,3、上临界冷却速度：保证过冷奥氏体完全转变为马氏体的最小冷却速度。4、根据CCT曲线，可以推测在已知冷却速度下得到的组织种类、相对数量和硬度。
14、,61,上临界淬火速度VC 下临界冷却速度VC,62,亚共析钢的CCT曲线,63,过共析钢的CCT曲线,64,4-4 钢的退火和正火 一、退火 (一)退火的定义 将钢加热到适当温度，保温后缓慢炉冷，获得平衡状态组织的工艺。,65,(二)退火的分类和操作1、完全退火(1)工艺：将亚共析钢工件加热到Ac3以上30-50，保温后随炉缓慢冷却到500以下出炉。（完全是指加热时完全奥氏体化）(2)组织：细小、均匀的F+P。(3)目的： 降低硬度； 细化晶粒；消除应力，均匀组织。,66,2、球化退火(1)工艺：将过共析钢工件加热到Ac1以上20-30，保温后随炉缓慢冷却到500以下出炉。(2)组织：球状珠
15、光体（铁素体基体上分布着球(粒)状碳化物）(3)目的： 降低硬度,便于切削； 为淬火做组织准备。,67,3、等温退火(1)定义：将钢加热保温后，较快地冷却到珠光体转变区（720-680）等温，待奥氏体转变结束直接出炉空冷。(2)优点：组织均匀；并可大大缩短退火周期。(3)适用范围：亚共析钢的完全退火；过共析钢的球化退火。,68,4、扩散退火(1)工艺：将工件加热到1100-1200，长时间保温后随炉缓慢冷却。(2)组织：成分和组织均匀化。(3)目的：改善或消除铸态偏析。(4)适用范围：合金钢铸件、铸锭。,69,5、去应力退火(1)工艺：将工件缓慢加热到500-650，保温后随炉缓慢冷却到200-300以下出炉。(2)组织：金相组织不发生变化。(3)目的：消除残余应力，防止变形、开裂。(4)适用范围：铸、锻、热轧、焊件。,70,二、正火(一)定义：将钢加热到Ac3 或Accm以上30-50，保温后在空气中冷却，以获得接近平衡状态组织的工艺。,71,(二)正火的特点1、正火的冷却速度比退火快，组织细化。2、亚共析钢的珠光体数量增多，铁素体数量减少。3、过共析钢不出现二次渗碳体，力学性能好。4、正火的生产周期短，效率高。,
