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1、1钢的热处理钢的热处理对钢的热处理有了基本的了解，由于钢的热处理与珠光体、贝氏体、马氏体等组织形态是密不可分的，因此重点学习了钢的几种基本的固态转变及不同组织的力学性能。内容主要是钢的热处理 （西北工业大学出版社第三版）第 1-8 章1 钢的热处理热处理是通过对钢件加热、保温和冷却的操作方法，来改善其内部组织结构，以获得所需要性能的一种加工工艺。Fe - C 相图是热处理的基础。近年来出现了很多更加先进复杂的热处理工艺，如碳分配热处理、真空热处理、形变热处理等。对开发研究高性能钢种有着巨大的推动作用。1.1 退火退火是将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（炉冷、坑冷
2、、灰冷） ，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。其目的是减轻钢的成分及组织的不均匀性，细化晶粒，调整硬度，消除内应力，2为淬火作组织准备。退火又可分为以下几种：1.1.1 完全退火完全退火的加热温度在 Ac3 以上 20-30 度，可见完全退火的钢经历了完全奥氏体化过程，因此称之为完全退火。 由定义可以看出，完全退火只适用于亚共析钢，对过共析钢是不适用的，原因是：加热到 Accm 以上再缓慢冷却会得到平衡组织，即在晶界处会析出网状碳化物，造成钢的脆化。1.1.2 等温退火钢件或毛坯加热到高于 Ac3(或 Ac1)温度，保持适当时间后，较快地冷却到珠光体温度区间的某一温度并等温保持使奥氏
3、体转变为珠光体型组织，然后在空气中冷却的退火工艺。这样可以大大缩短退火时间。31.1.3 球化退火球化退火是将钢加热到 Ac1 以上 2030，保温一段时间，然后缓慢冷却到略低于 Ar1 的温度，并停留一段时间，使组织转变完成，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。实质是通过球化退火，使层状渗碳体和网状渗碳体变为球状渗碳体，球化退火后的组织是由铁素体和球状渗碳体组成的球状珠光体。因此达到了使 Fe3C 球化，降低硬度、提高韧性，改善切削加工性、为以后淬火做准备的目的。球化退火可适用于过共析钢和共析钢。1.1.4 去应力退火去应力退火是将工件加热至较低温度，保温一定时间后冷却，使
4、工件发生回复，从而消除残余内应力的工艺称为去应力退火。4去应力退火的目的是：消除铸、锻、焊件、冷冲压件（或冷拔件）及机加工的残余应力。因此在去应力退火过程中不发生相变。1.1.5 扩散退火 扩散退火又称均匀化退火，它是将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。其目的是消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，使成分和组织均匀化。 、扩散退火后钢的晶粒粗大吗，因此一般需再进行完全退火或正火。1.2 正火正火是将工件加热到 Ac3 或 Accm 以上 3080，保温后从炉中取出在空气中冷却。与退火的不同之处在于冷却方式的不同
5、。由于采用了较快的冷却速度，因此正火后的组织细，强度硬度提高。比如，共析钢正火后的组织为S、T，而退火后的组织为 P。5正火有以下几个方面的应用：用于普通结构零件，作为最终热处理，细化晶粒提高机械性能；用于低、中碳钢作为预先热处理，得合适的硬度便于切削加工； 用于过共析钢，消除网状 Fe3C，有利于球化退火的进行。退火与正火的主要区别是：正火是完全退火的一种变态或特例，二者仅是冷却速度不同，通常退火是随炉冷而正火是在空气中冷却，正火既适用于亚共析钢也适用于过共板钢，对于共析钢，正火一般用于消除网状碳化物；对于亚共析钢，正火的目的与退火基本相同，主要是细化晶粒，消除组织中的缺陷，但正火组织中珠光
6、体片较退火者细，且亚共析钢中珠光数量多铁素体数量少，因此，经正火后钢的硬度、强度均较退火的高，由此可知，在生产实践中，钢中有网状渗碳体的材料需先经正火消除后方可使用其他工艺，而对热处理后有性能要求的材料，则据要求的不同及钢种不同选择退火工艺，如：要求热处理后有一定的强度、硬度，可选择正火工艺；要求有一定的塑性，尽量降低强度、硬度的则应选择退火工艺。 综上所述，正火和退火应用可总结为：在铸/锻造/焊接之后，钢件中不但残留有铸造或锻造应力，而且还往往存在着成分和组织上的不均匀性，因而机械性能较低，还会导致以后淬火时的变形和开裂。也会存在硬度偏高或偏低的现象，严重影响后续的切削加工性能。经过退火和正
7、火后，便可得到细而均匀6的组织，并消除应力，改善钢件的机械性能并为随后的淬火作了准备钢的组织接近于平衡组织，其硬度适中，有利于下一步的切削加工。如果工件的性能要求不高时，退火或正火常作为最终热处理。 1.3 淬火淬火是将钢件加热到 Ac3 或 Ac1 以上 3050，保温一定时间，然后快速冷却（一般为油冷或水冷） ，从而得马氏体（或下贝氏体）的一种操作。淬火加热温度是淬火工艺的主要参数。它的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以使淬火后获得细小的马氏体组织。为防止奥氏体晶粒粗化，淬火加热温度一般限制在临界点以上 30-50范围。亚共析钢的淬火加热温度为 Ac3(3050)。得到均匀细小的马
8、氏体组织。 温度过高则形成粗大马氏体组织，严重变形；温度过低则会在组织中出现铁素体，造成硬度不足，形成所谓的“软点” 。共析钢和过共析钢的淬火加热温度为 Ac1(3050)，得到组织为共折钢: 均匀细小 M+少量 A；过共析钢: 均匀细小 M+粒状 Fe3C+少量 A。有利于获得最佳硬度和耐磨性。淬火有以下几种类型：（1）单液淬火：是将奥氏体化后的钢件淬入一种介质中连续冷却获得马氏体组织的一种淬火方法（2）双液淬火：是先将奥氏体化后的钢件淬入冷却能力较强的介质中冷7至接近 MS 点温度时快速转人冷却能力较弱的介质中冷却，直至完成马氏体转变。 （3）分级淬火：是将奥氏体化后的钢件淬入稍高于 MS
9、 点温度的盐浴中，保持到工件内外温度接近后取出，使其在缓慢冷却条件下发生马氏体转变。 （4）等温淬火：是将奥氏体化后的钢件淬入高于 MS 点温度的盐浴中，等温保持，以获得下贝氏体组织的一种淬火工艺。关于临界冷却速度及淬透性的相关内容将在以下内容中总结。1.4 回火回火是将淬火钢加热到临界点 Acl 以下的某一温度，保温后以适当方式冷却到室温的一种热处理工艺。主要目的是：降低脆性、稳定组织和工件尺寸、获得要求的机械性能。对于回火的理解重点在于掌握回火的四个阶段：100-200发生过度碳化物的析出；200-300发生残余奥氏体的分解；200-350发生过渡碳化物转化为F3C；350以上发生 F3C
10、 的粗话和球化，以及等轴铁素体晶粒的形成。理解了这四个阶段就不难理解淬火钢回火后机械性能的变化：随着回火温度的升高，钢的强度、硬度连续降低（但是，高碳钢在 100左右回火时硬度缺略有提高） ，而延伸率和断面收缩率缺提高。这样可以看出回火的主要目的是：降低脆性、稳定组织和工件尺寸、获得要求的机械性能。淬火钢回火后的组织和性能决定于回火温度。按回火温度范围的不同，可将钢的回火分为三类：低温回火：回火温度范围一般为 150250，得到回火马氏体组织。 （HRC58-64）中温回火：回火温度范围通常为 350500，得到回火托氏体组织。 8（HRC35-45） 高温回火：回火温度范围通常为 50065
11、0，得到回火索氏体组织。 （HRC25-35）回火过程中要特别注意防止两类回火脆性的发生：回火马氏体脆性，TEM，发生在 250-400之间；其原因是残余奥氏体的分解导致 TEM（即在板条间产生了 F3C 薄膜） 。这种回火脆性是不可逆的。回火脆性，TE，发生在 350-500之间。其原因可参考钢的热处理的 P225。这种回火脆性是可逆的。1.5 钢的化学热处理及特种热处理还未认真学习，后续会补充。2钢的组织转变2.1 钢的过冷奥氏体转变图2.1.1 IT 图可以采用金相法、膨胀法、磁性法等建立 IT 图（TTT、C 曲线） 。共析钢的 C 曲线由五条线、孕育期、三种不同转变、六个区组成，如下
12、图 了解影响 C 曲线的因素是非常重要的，对于合金钢元素的确定及热处理工9艺的选择都有很大帮助。（1）碳的影响亚共析钢 C 曲线上多一条先共析铁素体析出线；过共析钢 C 曲线上多一条先共析渗碳体析出线；亚共析碳钢的 C 曲线随着碳含量的增加向右移；过共析碳钢的 C 曲线，随着碳含量的增加向左移。在碳钢中以共析钢的过冷奥氏体最为稳定，亦即其 C 曲线处于最右的位置。（2）合金元素的影响 非(或弱)碳化物形成元素(如 Co、Ni、Mn、S、Cu、B) 除 Co 外，上述元素均不同程度地同时降低珠光体和贝氏体转变的速度，使 C 曲线右移，但不改变 C 曲线的形状。Co 的影响：Co 溶入奥氏体，使等
13、温转变的开始线和终了线左移，即缩短孕育期，但不改变 C 曲线的形状。Ni 的影响：Ni 不改变 C 曲线的形状，但能显著提高过冷奥氏体的稳定性，延长孕育期，并使鼻子略向下移。随 C 和 Ni 含量的增加，C 曲线的位置右移，即孕育期增长。Mn 的影响：作用与 Ni 相似，使 C 曲线右移但不改变其形状。Mn 使 C 曲线右移的作用大于 Ni。 碳化物形成元素(如 Cr、Mo、W、V、Ti )降低珠光体和贝氏体转变速度，同时使珠光体转变 C 曲线移向高温和贝氏体转变 C 曲线移向低温。当钢中合金元素含量较高时，将出现双 C 曲线的特征。Cr 的影响：Cr 显著提高过冷奥氏体的稳定性，使转变孕育期
14、延长；铬含量超过 3，两曲线完全分离；铬对贝氏体转变的推迟作用大于对珠光体转变10的推迟作用。当 Cr 含量相近时，碳含量高的其孕育期将更长一些。 Mo 的影响：Mo 对珠光体转变有强烈的抑制作用，但对贝氏体转变则影响不显著。Mo 对非共析钢先共析产物(铁素体或渗碳体)析出的速度也有抑制作用。W 的影响：与 Mo 相似。但只有当 W 量较多时(1.0 )才能使珠光体和贝氏体的转变曲线明显分离。（3）奥氏体化条件钢奥氏体化时，奥氏体成分愈均匀，则奥氏体转变的形核率就愈低，即过冷奥氏体的稳定性愈大，使 C 曲线愈趋向右移。加热温度偏低，保温时间不足，所获得的奥氏体成分不均匀，有较多量未溶解的第二相
15、存在，将促进过冷奥氏体的分解，使 C 曲线左移。（4）塑性变形无论在高温(指奥氏体稳定区)还是低温(指奥氏体亚稳定区)下对奥氏体进行塑性形变，由于形变可促使碳和铁原子的扩散，因而将加速珠光体的转变，使形成珠光体的孕育期缩短；对贝氏体转变的影响表现为高温(奥氏体稳定区)塑性形变对之有减缓作用，使形成贝氏体孕育期延长（原因：由于高温形变时将在奥氏体晶粒中产生多边化亚结构，这在一定程度上破坏了晶粒取向的延续性，使贝氏体转变时铁素体的共格成长受到阻碍而减慢转变过程） ；而低温(奥氏体亚稳区)塑性形变对之有加速作用，则孕育期缩短（原因：由于中温形变时将在奥氏体中形成大量位错而促进碳原子扩散，加之奥氏体中
16、一定的应力状态有利于贝氏体的形核，从而加速了转变过程） 。 2.1.2 CT 图11共析钢的 CT 曲线由五条线、孕育期、两种不同转变、四个区组成，如下图连续冷却转变时，共析钢中不会出现贝氏体。这是由于奥氏体碳浓度高，使贝氏体孕育期大大延长，在连续冷却时贝氏体转变来不及进行便冷却到低温。左图是亚共析钢的 CT 图，可以看出有六个区、四种转变。Ms 线右端下降，这是由于先共析铁素体的析出和贝氏体的转变使周围奥氏体富碳所致。右图是过共析钢的 CT 图，可以看出有五个区、三种转变。Ms 线右端升高，这是由于先共析渗碳体的析出或发生部分珠光体转变使周围奥氏体贫碳所致。2.1.3 IT 图和 CT 图的应用 确定淬火临界冷却速度12等温转变连续转变 分析转变产物及性能V1相当于炉冷得到 P；V2相当于空冷得到 S；V3相当于油冷得到 T 和M；V4相当于水冷得到 M+Ar 。 确定工艺规程a 普通退火和等温退火 普通退火时，可借助 IT 图确定钢在慢冷时大致的转变温度范围和
