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1、工程材料及成型技术,机械学院,第3章 钢的热处理及表面处理,材料成型系,第三章 钢的热处理及表面处理,改性处理,热处理,表面处理,普通热处理,退火、正火、回火、淬火,渗碳、渗氮碳氮共渗渗金属,特殊热处理,表面淬火,化学热处理,表面热处理,形变热处理真空热处理可控气氛热处理,表面强化表面防护,热喷涂气相沉积高能束强化,发蓝（高温碱性和酸性、常温发蓝）磷化（高温、中温低温和常温磷化）电镀（镀锌、镀铬等）化学镀着色装饰,第一节 钢的热处理原理,普通热处理（退火、正火、淬火和回火）,表面热处理（表面淬火和化学热处理）。,加热、,保温,和冷却,改变组织(材料整体或表面),获得性能,的一种热加工工艺。,固
2、态金属或合金,在一定介质中,热处理,一、钢在加热时的组织转变加热时，实际转变温度往往要偏离平衡的临界温度， AC1、AC3、ACm等,冷却时,如Ar1、Ar3、Arm等,（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。,有形核、长大和均匀化等过程,以共析钢的奥氏体形成过程为例,1、奥氏体的形核,2、奥氏体晶核的长大,3、残留渗碳体的溶解,4、奥氏体成分均匀化,奥氏体的形成,A,A 形核,A 长大,残留Fe3C溶解,A 均匀化,奥氏体长大示意图,过共析钢的加热过程：,亚共析钢的加热过程：,（二）奥氏体晶粒大小及其控制,1.晶粒大小的表示方法标准金相图片（标准评级图）评定晶粒大小
3、的级别.,分为8级，1级最粗，8级最细。,14级为粗晶粒度，,58级为细晶粒度。,2.奥氏体晶粒度的概念,实际晶粒度:实际条件得到的晶粒大小,本质晶粒度:用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度称为。,标准试验方法:加热到93010，保温38h后测定奥氏体晶粒大小，,在14级，本质粗晶粒钢；在58级，本质细晶粒钢。,3.奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响,1).奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力 学性能提高。,2).粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起 工件产生较大的变形甚至开裂。,4.奥氏体晶粒大小的控制,加热速度,越快,d细小,过热度越大,钢的化学成分,无残Cm奥氏体中含碳量的增加,晶粒长大倾向增大
4、,Ti、Zr、V、Nb、Al等,碳化物和氮化物,阻碍晶界的迁移,本质细晶粒钢,Mn和P,促进奥氏体晶粒长大,加热温度与保温时间 T越高，t越长，,d粗大，,原子扩散,(一)钢在热处理时的冷却方式,二、钢在冷却时的组织转变,1、过冷奥氏体的高温转变（珠光体转变）,Fe、C原子扩散-扩散型转变,A1550,等温冷却,1）珠光体的组织形态,(二)钢在连续冷却时的组织转变,按片间距的大小可将其分为三类：,600550片层极细的， 托氏体（屈氏体）， “T” 。,650600 片层较细的，索氏体， “S” ；,A1650片层较粗 珠光体， “P”,2)珠光体的力学性能片层间距越小，则强度和硬度越高，塑性
5、和韧性也越好。,珠光体形成示意图,2、过冷奥氏体的低温转变（马氏体转变）,无扩散性相变（Fe、C原子失去扩散能力）,马氏体（M）是碳在Fe中的过饱和固溶体,马氏体晶体结构,1）马氏体的组织形态,板条马氏体,a.板条马氏体,Wc:0.25%以下,低碳马氏体,板条马氏体内有高密度的位错缠结的亚结构,位错马氏体,两种基本形态：,针状马氏体,wc在0.25%1.0%之间两种马氏体的混合组织含碳量越高，板条状马氏体量越少,b.针状马氏体,当wc 1.0%时,亚结构主要是孪晶,孪晶马氏体,2）马氏体的力学性能,WC/%,含碳量，含碳量的增加而升高。,塑性和韧性,板条（位错）型,比片状（孪晶）型马氏体好得多
6、,片状马氏体的韧性低，脆性大，断面收缩率和断后伸长率都很低。,亚结构,硬度,3）马氏体转变的主要特点,无扩散性、速度极快10-7s,转变是在一个温度范围内进行的 在MsMf,转变不完全,多数钢的Mf点在室温以下,残余（留）奥氏体，常用Ar表示。,奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响,奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响,3、过冷奥氏体的中温转变（贝氏体转变）,Ms点(230-550 ),C原子扩散半扩散型转变,贝氏体（B）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。,B,上贝氏体（B上）,550至350,组织形态呈羽毛状,下贝氏体（B下）,350至Ms(230 ),呈黑色针状或竹叶
7、状。,贝氏体的力学性能:,上贝氏体:强度和韧性均差。,下贝氏体:强度高，韧性也好，较好的综合力学性能,(三) 过冷奥氏体的等温冷却转变曲线,1. 建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转 变曲线 - TTT曲线 ( C 曲线 ),T - timeT - temperatureT - transformation,共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图,A1,孕育期,过冷度,原子扩散的温度,二) 共析碳钢 TTT 曲线的分析,稳定的奥氏体区,过冷奥氏体区,A向产物转变开始线,A向产物转变终止线,A +产 物 区,产物区,A1550;高温转变区;扩散型转变; P 转变区。,550230;中温转变区; 半扩散型
8、转变; 贝氏体( B ) 转变区;,230 - 50; 低温转变区; 非扩散型转变;马氏体 ( M ) 转变区。,2.亚共析钢的TTT曲线,P + F,S + F,T,B,M + A残,3.过共析钢的TTT曲线,P + Fe3C,S + Fe3C,T,B,M + A残,(四) 影响 TTT 曲线形状 与位置的因素,1.奥氏体中含碳量的影响:,2.奥氏体中含合金元素的影响: 除Co、Al (2.5% ) 外,所有合金元 素溶入奥氏体中,会引起:,合金元素的影响,2）碳化物溶解充分, 奥氏体成分均匀,提高了过冷奥氏体的稳定性, 从而使 TTT曲线向右移。,3.奥氏体状态的影响,1）奥氏体晶粒越细,
9、越有利形核和扩散,有利转变,加热温度越高, 保温时间越长,越稳定。,（五）.过冷奥氏体的连续冷却转变,一) 建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线 - CCT 曲线,C - continuousC - coolingT - transformation,c,1、 共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图,Pf,Ps,A+P,K,Ms,Mf,中止线,无贝氏体转变区,Vc上临界冷却速度,2 共析碳钢 TTT 曲线与CCT曲线的比较,Vc,V1 = 5.5/s :炉冷 ; P,V2 = 20/s :空冷 ; S,V3 = 33/s :油冷;T+M+A残,V4 138/s :水冷 ; M+A残,连续冷却过程
10、中 TTT 曲线的应用,V1 = 5.5/s :炉冷 ; P,V2 = 20/s :空冷 ; S,V3 = 33/s :油冷;T+M+A残,V4 138/s :水冷 ; M+A残,过共析钢,无贝氏体转变区,先共析渗碳体析出线,亚共析钢,先共析铁素体析出线,贝氏体转变区。,共析钢无贝氏体转变区,亚共析钢和过共析钢的连续转变曲线,第二节 钢的普通热处理工艺,预备热处理 : 退火 ; 正火,最终热处理 : 淬火 ; 回火,一般零件生产的工艺路线:,一、钢的退火,一)定义: 把零件加温到一定温度，保温一段时间,然后缓慢（随炉）冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。二)目的: 1、消除应力;2、降低
11、硬度以改善切削加工性能;3、细化晶 粒;4、均匀成分;5、为最终热处理作好组织准备。,三) 种类,退火,重结晶退 火,低温退火,完全退火,扩散退火,球化退火,再结晶退火,去应力退火,普通退火,等温退火,普通球化 退 火,等温球化 退 火,四) 工艺参数:,1、完全退火和等温退火, 加热到Ac3+3050，保温后炉冷,指加热到完全奥氏体化,目的：细化，软化,适用于：亚共析钢的铸、锻件，热轧型材，焊接件,组织：F + P, 加热到Ac3（Ac1）+3050， 保温后在Ar1以下等温后空冷,目的：细化，软化、省时,适用于：中、高合金钢,组织：F + P 或 Fe3C+ P,t,过共析钢,亚共析钢,完
12、全退火,等温退火,2、球化退火和扩散退火, 加热到Ac1+2030,目的：得到球状 Fe3C，软化,适用于：共析钢，过共析钢,组织：球状 P, 加热到Ac3+150300，长时间保温后慢冷,目的：均匀成分,适用于：铸钢件,组织：晶粒粗大,思考：过共析钢怎样退火？,扩散退火后应完全退火或正火,细化,扩散退火,均匀化退火,球化退火,T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 ,粒状珠光体,3、去应力退火和再结晶退火, 加热到Ac1-100200，保温后炉冷,目的：去内应力，稳定组织,适用于：冷加工件，热加工件,组织：不变, 加热到t再+150250，保温后空冷,目的：降低硬度，提高塑性,适用于：冷
13、变形工件,组织：等轴晶粒,再结晶温度：T再=T熔 0.4（绝对温度）,低温退火,低温退火,再结晶退火,去应力退火,二、钢的正火,一)定义: 把零件加温到临界温度以上 3050,保温一段时间,然后 在空气中冷却。,二)目的: 消除应力;调整硬度;细化晶 粒;均匀成分;为最终热处理 作好组织准备。,目的：与完全退火相似，且细化晶粒，改善性能,适用于： 低碳钢 改善切削加工性 过共析钢 消除网状 Fe3C 要求不高的结构件 机械性能,第三节钢的淬火,一、定义: 把零件加温到临界温度以上 30 50,保温一段时间,然 后快速冷却 ( 水冷 )。,二、目的: 为了获得马氏体或下贝氏体组织,提高钢的硬度和
14、耐磨性。,三 、工艺参数:,工艺参数:,四、热处理后的组织 :,M+Fe3C+A残,Ac1+3050,过共析钢,M + A残,Ac1+3050,共析钢,M + A残,Ac3+3050,亚共析钢Wc0.5%,M,Ac3+3050,亚共析钢Wc0.5%,五、淬火加热时间 ( ) 的选择:, = K D,六、淬火冷却介质,1.理想淬火冷却介质,2.常用的淬火冷却介质,七、 常用的淬火方法,深冷处理和局部淬火,分级淬火：在Ms附近稍保温，使内外均温，最后得M等温淬火：在Ms上等温，最后得到B下,等温淬火的内应力最小，工件不易变形开裂， 适合形状复杂零件,深冷处理 淬火后继续在 0以下冷却， 使残A M 目的：稳定组织，HRC 用于：量具（模具）,局部淬火：局部加热淬火 整体加热，局部冷却,
