[工学]3-ch3钢的热处理

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1、*1钢的热处理是将钢在固态范围内，采用适当的 方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结 构与性能的工艺方法。第三章 钢的热处理*2*3教学视频 热处理概述*4*5*6热处理的作用：热处理是机械零件及工具制 造过程中的重要工序。它担负着 改善工件的组织和性能，充分发 挥材料潜力，从而提高使用寿命 的重要任务。*7热处理的分类：*8热处理的理论依据：铁碳合金相图*9 热处理基础知识 热处理工艺 本章主要内容：*103.1 热处理基础知识钢在加热与冷却时的滞后特点 钢在加热时的组织转变 钢在冷却时的组织转变*113.1.1 钢在加热与冷却时的滞后特点热处理的理论依据： 铁碳合金平衡相图,但 实际

2、转变温度比相图 上的临界温度有一定 的滞后现象，即：过 冷(r)、过热(c)A3Ac3Ar3A1Ac1Ar1AcmAccm-Arcm*123.1.2 钢在加热时的组织转变皆转变成奥 氏体（A） 钢的奥氏体化 *13（1）奥氏体的形成(1)奥氏体晶核的形成；(2)奥氏体晶核的长大(3)残余渗碳体的溶解；(4)奥氏体成分的均匀化。奥氏体的形成过程：*14亚共析钢需加热到Ac3以上，共析钢需加热到Ac1以 上，过共析钢需加热到Accm以上，才能得到成分均匀 单一的奥氏体组织。*15（2）奥氏体晶粒的长大及控制钢中奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后的组织和性 能。奥氏体晶粒细小，则其转变产物的晶粒也较细

3、小，性能 较好；反之，转变产物的晶粒则粗大，而且其性能也较差。*16本质粗晶粒度：奥氏体 随温度的升高迅速长大 的钢。如用锰硅脱氧的 钢、沸腾钢等。本质细晶粒度：奥氏体 晶粒长大倾向小，加热 到较高温度时晶粒才显 著长大的钢，如用铝脱 氧的钢、镇静钢等。*1758级的钢为本质细 晶粒度的钢。14级的钢为本质粗晶 粒度钢。*18常采用以下措施来控制奥氏体晶粒的长大。合理选择加热温度和保温时间 奥氏体形成后，随着加热温度的升高，保温时间的延长，奥 氏体晶粒将会长大。特别是加热温度对其影响更大。这是由 于晶粒长大是通过原子扩散进行的，而扩散速度随加热温度 的升高而急剧加快 选用含有一定合金元素的钢

4、大多数合金元素，如r、Mo、T等，在钢中均可 以形成难溶于奥氏体的碳化物，如Cr7C、C、Mo2C、VC 、TiC等，分布在晶粒边界上，阻碍奥氏体晶粒长大*193.1.3 钢在冷却时的组织转变同一化学成分的钢，加热到奥氏体状态后，若采用不 同的冷却速度进行冷却，将得到形态不同的各种组织，从 而获得不同性能，如下表。上述现象已不能用铁碳状态图来解释。因为铁碳状态图只能说明平 衡状态的相变规律，冷却速度提高则脱离了平衡状态。因此研究钢在冷 却时的相变规律，对制定热处理工艺有着重要的意义。*20钢在冷却时相变大致流程:组织2(性能2)过冷奥氏体组织1(性能1)组织n(性能n)冷却条件1冷却条件2冷却

5、条件n冷却时发生相 变前的相定义:A1线以下,未来 得及转变的、暂时存 在的、不稳定的奥氏 体。*21钢在冷却时，可以采取两种冷却转变方式 ：等温转变和连续冷却转变。*22等温转变图，简称TTT曲线 （Time，Temperature， Transform ），亦称“C曲线 ”（1）过冷奥氏体的等温转变*23过冷奥氏体的等温转变转变规律：遵循等温冷却转变图（ C曲线图）共析钢等温冷却转变曲线（C曲线）TTT高温转变 ：在A1 550之间中温转变：在 550Ms(230 )之间低温转变：在 Ms (230 ) Mf(-50 )之间*24共析钢过冷奥氏体的等温转变 1）高温转变 在A1550之间,

6、 转变产物：珠光体型（P）组织。 2）中温转变 在550Ms之间, 转变产物：贝氏体型（B）组织。3）低温转变 在Ms Mf之间，转变产物： 马氏体型（M）组织具体参见课本P45表3-1珠光体型组织：珠光体P、索氏体S、托氏体T贝氏体型组织：上贝氏体B上、贝氏体型B下马氏体型组织：片状马氏体M片、条状马氏体M条*25珠光体 3800 索氏体 8000 托氏体 8000 珠光体、索氏体 和托氏体三者之 间只有形态上的 粗细之分，无本 质区别*26(1)(1)贝氏体的组织形态和特性。贝氏体的组织形态和特性。过冷 奥氏体在550Ms将转变为贝氏体组织，贝氏体用符号“B”表示。贝氏体可分为上贝氏体（B

7、上）和下贝氏体（B下）。贝氏体转变贝氏体转变上贝氏体：形成温度为550350。特征：呈羽毛状。性能：上贝氏体的力学性能差，无实用价值。 下贝氏体：形成温度为350Ms。特征：呈黑针状。性能：下贝氏体具有优良的力学性能, 生产上常用。90*27 上贝氏体转变过程（过冷到550350）。上贝氏体转变过程。形成铁素体晶核片状铁素体平行生长析出渗碳体短棒上贝氏体 下贝氏体转变过程（过冷到350Ms时）。 形成铁素体晶核铁素体长成针状铁素体内析出片状碳化物下贝氏体 由于贝氏体形成时只有碳原子发生扩散，而铁原子不扩散，因此贝氏体转变属于半扩散型转变。(2)贝氏体转变过程91贝氏体形成*28上贝氏体形成示意

8、图条状 过饱和碳 -Fe细条状Fe3C羽毛状*29针叶状过饱和碳 -Fe细片状Fe3C针叶状下贝氏体形成示意图*301.亚共析钢过冷奥氏体的等温转变 2.共析钢过冷奥氏体的等温转变 3.过共析钢过冷奥氏体的等温转变*31（2）过冷奥氏体的连续冷却转变共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 CCT与共析钢TTT曲线相比, 共析钢CCT曲线稍靠右靠下一点，表 明连续冷却时, 奥氏体完成珠光体转变的温度较低, 时间更长。*32ABPsPfMsMfA共析钢的连续冷却转变曲线上临界冷却 速度下临界冷却速度*33*34马氏体转变特点 过冷A转变为马氏体是低温转变过程, 转变 温度在MsMf之间, 该温区称马氏体转

9、变区。过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转变马氏体的形成速度很快 马氏体转变是不彻底的 马氏体形成时体积膨胀, 在钢中造成很大的 内应力 低碳马氏体的组织形态 高碳马氏体的组织形态 *35马氏体的形态特点：其组织形态分为板条状和针状两大类板条马氏体：显微组织如图所示。形态呈细长的扁棒状，显微组织为细条状。马氏体板条内的亚结构是高密度的位错，因而又称为位错马氏体。针状马氏体：显微组织如图所示。形态呈双凸透镜的片状，显微组织为针状。其亚结构主要是孪晶，因此又称为孪晶马氏体。马氏体转变板条马氏体针状马氏体马氏体:碳在-Fe中过饱和固溶体，用符号“M”表示。*36马氏体的硬度、韧性与碳含量的关系如动画所

10、示。碳含量：如碳含量增加，其硬度就增加。所以马氏体是钢的主要强化手段之一。塑性和韧性：主要取决于亚结构形式和碳在马氏体中的过饱和度。 马氏体的性能： 动画 碳含量对马氏体性能的影响马氏体的形态取决于碳含量。当wC0.2%时，为板条M；当 wC 1.0%时，为针状M；当wC 0.2 %.0%时，为板条和针状的混合组织。*37马氏体点概念及马氏体转变归纳（见动画39）：94动画39 碳含量对马氏体转变温度的影响高速长大; 马氏体转变的不完全性; 存在残余奥氏体用“A 残”表示;Ms 、Mf取决于奥氏体的碳含量。上马氏体点：发生马氏体转变的开始温度称为上马氏体点，用 “Ms”表示。下马氏体点：马氏体

11、转变的终 了温度称为下马氏体点， 用“Mf”表示。因此马氏体转变可归纳为：*38低碳板条状马氏体 组织金相图高碳针片状马氏体 组织金相图*39马氏体（M）转变的两个注意点1、M硬度与碳含量的关系 P49（1）当C% 0.6%， C% ， HRC （2）当C% 0.6%， C% ， HRC2、M转变的不彻底性 P50（1）Ms和Mf的位置取决于含碳量： C% ， Ms和Mf （2）C% ，残余A *40综上所述，钢在冷却时，过冷奥氏体的转变产物根据其转变 温度的高低可分为高温转变产物珠光体、索氏体、屈氏体， 中温转变产物上贝氏体、下贝氏体，低温转变产物马氏体等 几种。随着转变温度的降低，其转变产

12、物的硬度增高，而韧 性的变化则较为复杂。*41钢的热处理是指将钢在固态下施以不同的加热、保温、冷却，以求获得所需性能的一种工艺。钢的热处理工艺的作用：(1)能消除上一工艺过程所产生的缺陷。(2)能为下一工艺过程创造条件。(3)能充分发挥钢材潜力，提高工件性能，提高产品质量，延长工件使用寿命。任何一种热处理都是由加热、保温和冷却三个阶段组成。热处理通常有退火、正火、淬火、回火、表面淬火和化学热处理等几种 主要方法。95热处理工艺曲线3.2 钢的普通热处理*42钢的普通热处理退火正火淬火回火*43教学视频 钢的退火一、退火*44退火：将钢加热、保温，然后缓慢冷却的热处理工艺 。退火工艺：包括完全退

13、火、等温退火、球化退火、去应力退火 、再结晶退火和均匀化退火 等。(1)完全退火。加热到Ac3以上3050，保温后随炉冷到600以下，再出炉空气冷却。目的是细化晶粒，消除内应力，降低硬度以便于切削加工。 动画 各种退火工艺示意(1)*45(2)等温退火。 亚共析钢加热到Ac3以上，共析钢加热到 Ac1以上2030，保温后快速冷却到稍低于Ar1的温度后进行 等温处理,使A转变为P,再在空气中冷却。目的与完全退火相同，但时间可缩短一半，适用于大批生产。(3)球化退火。将过共析钢 加热到Ac1以上2030，保温 后随炉冷到700左右，再出炉空气冷却。使渗碳体球化，降 低硬度，改善切削加工性。(4)去

14、应力退火。将钢加热 到500650,保温后随炉冷却。目的是消除残余应力,提高工 件的尺寸稳定性。各种退火工艺示意(2)98*46T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 过共析钢球化退火组织*47(5)再结晶退火。 在再结晶温度以上的退火，不发生同素 异构转变。目的是消除加工硬 化，细化晶粒。(6)均匀化退火。将工件加 热到1100左右，保温1015h ，随炉缓冷到350，再出炉空冷。高温下长期保温的目的是 使原子充分扩散，消除晶内偏 析。各种退火工艺示意(3)99*48钢的退火分类：完全退火：Ac3以上3050 等温退火：Ac3 (或Ac1 )以上球化退火：略高于Ac1 去应力退火：500

15、650“完全”退火 时钢件被加热 到完全A状态， 使钢的组织全 部进行了重结 晶。 目的：通过 重结晶，使铸 、锻、焊件粗 大晶粒细化； 使中碳以上 钢件获得平衡 组织，降低硬 度，便于切削 加工。加热到Ac3 (或 Ac1 )以上，较 快地冷却到稍低 于Ar1温度，再 进行等温处理， 使A转变成P。 目的：主要用于 高碳钢，作用类 似于中高碳钢的 完全退火（改善 切削加工性）。 好处：缩短退火 时间。主要用于过共 析钢，将片状P 和网状渗碳体 转变成球状P。 目的：改善切 削加工性低温退火，消 除铸、锻、焊 件的残余内应 力。过程中无 组织转变。*49钢的退火用途1) 降低硬度，以利于机械加工细化晶粒，提高钢的塑性和韧性消除内应力球化退火去应力退火完全退火 等温退火*50教学视频 钢的正火二、正火*51正火是将钢加热到 Ac3或Accm以上3050，保温后空气中冷却的热处理工艺。正火具有以下几方面的应用：(1)碳含量C0.25%的钢经正火后能提高硬度，改善切削加 工性能。退火后组织正火后组织(2)消除过共析钢中的二次渗碳体。(3)作为普通结构零件的最终热处理。正火的冷却速度稍快于退火， 由TTT曲线可知，二者的组织是不一样的。正火后的组织比退火细.*52正火目的正火的目的是使钢的组织正常化，亦称常化 处理，一般应用于以下方面：1作为最终热处理 2