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1、第五章 钢的热处理,将固态金属或合金（固态钢件）通过加热、保温和冷却的工艺方法，使合金（钢件）的内部组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。,什么叫热处理？,为什么要热处理？,改变零件或毛坯的内部组织和力学性能，而不改变其形状和尺寸。（1）提高钢的力学性能（2）改善钢的工艺性能,热处理的理论依据：铁碳相图,热处理方法,热处理,普通热处理,表面热处理,特殊热处理,表面淬火,化学热处理,火焰加热,感应加热(高、中、低频),第一节 钢在加热时的组织转变,固态相变同样需要一定的过冷度（降温）或过热度（升温），因此，加热转变实际发生温度在平衡临界点之上，而冷却转变的实际发生温度在平衡临界点之下。,A
2、c1、Ac3、Accm为升温引起的奥氏体化温度上移线；Ar1、Ar3和Arcm则为降温时奥氏体分解温度的下移线； A1、A3、Acm、为平衡条件下合金获得奥氏体的温度线。,第一节 钢在加热时的组织转变,任何成分的碳钢加热到AC1点以上时，其组织都要发生珠光体向奥氏体的转变，这种转变称为奥氏体化 。,一、奥氏体的形成,以共析钢(Wc0.77%)为例，共析钢在室温下的组织为层片珠光体，在加热到Ac1以上，其将转变为A，奥氏体化过程。这一过程是形核与长大过程 。,晶格转变； Fe、C原子的扩散。,一、奥氏体的形成,奥氏体晶核的形成； 在铁素体与渗碳体的相界面上形成。 奥氏体的长大； 3. 残余渗碳体
3、的溶解 ； 4. 奥氏体成分均匀化。,亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是有先共析相。其奥氏体的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变，然后再进行先共析相的溶解。这个PA的转变过程同共析钢相同，也是经过前面的四个阶段。,亚共析钢的加热过程：,过共析钢的加热过程：,二、奥氏体的形成速度共析钢加热到Ac1点以上某一温度，奥氏体并不是立即出现，而是需要保温一定时间才开始形成，这段时间称为孕育期。因为形成奥氏体晶核需要原子的扩散，扩散需要一定时间。随着温度的升高，原子扩散速度加快，孕育期缩短。加热温度愈高，原始组织愈细小，,奥氏体形成速度愈快。,三、奥氏体晶粒大小及其影响因素 （一）奥氏体的晶粒度晶粒度分
4、8级，如下图,（二）影响奥氏体晶粒长大的因素奥氏体晶粒长大的过程是奥氏体晶界迁移的过程，其实质是原子在晶界附近的扩散过程。所以一切影响原子扩散迁移过程的因素都能影响奥氏体晶粒的长大。加热温度 随加热温度升高，奥氏体晶粒急剧长大; 保温时间 随保温时间的延长，晶粒不断长大; 加热速度 加热速度愈大，奥氏体转变时的过热度愈大，奥氏体的实际形成温度愈高，奥氏体的形核率大于长大速率，因此获得细小的起始晶粒。,奥氏体晶粒均匀细小，热处理后钢的力学性能提高。 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。,奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响,第二节 钢在非平衡冷却时的转变 不完全符合FeFe
5、3C相图所反映的规律。过冷奥氏体：经奥氏体化的钢快速冷却至Ar1点以下，处于不稳定状态还未进行转变的奥氏体，称为过冷奥氏体。 过冷奥氏体冷却到室温，有两种方式：,等温冷却：将钢迅速过冷到临界点(Ar1)以下某一温度，使奥氏体保持在该温度下进行等温转变。 连续冷却：将钢以某一固定速度不停顿地冷却(到室温)，使奥氏体在连续降温的过程中转变。,等温冷却： TTT曲线（TemperatureTimeTransformation）：在某一温度下A转变量与时间的关系的曲线。 连续冷却： CCT 曲线（Continuous Cooling Transformation）：在连续冷却过程中，A转变量与时间的关
6、系曲线。,表5-1 45钢在不同冷却速度时的力学性能,一、过冷奥氏体等温转变曲线 1、过冷奥氏体等温转变曲线的建立,图55 共析碳钢TTT曲线建立方法示意图,过冷奥氏体等温转变曲线常用金相法来测定 。它是将若干组奥氏体化的共析碳钢薄片快速冷却到A线以下不同温度（如720、700、650、600）的等温浴槽中保温，然后测定各个不同温度下过冷奥氏体转变开始的时间和转变终止的时间，如图55。,由于曲线的形状与“C”字相似，故共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线又简称“C”曲线,图5-6 共析碳钢C曲线及转变产物,2、C曲线的特征 （右下图为共析钢的C曲线）,（1）在A1线温度以上，奥氏体稳定区，不会发生转
7、变。 （2）在A1线以下，C曲线以左区域为过冷奥氏体区，转变终了线以右的区域为转变产物区，两条线之间为转变过渡区。 （3）由纵坐标轴到转变开始线之间的水平距离表示过冷奥氏体等温转变前所经历的时间，称为“孕育期”。 不同温度下等温转变对应的孕育期不同，在C曲线“鼻尖”处的孕育期最短。,（4）Ms为马氏体转变开始线，Mf为马氏体转变终了线，两线之间为奥氏体马氏体两相混合区。,二、过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能,转变类型 1、高温转变 （珠光体型转变） 过冷奥氏体在A1到550温度范围内转变为珠光体，在转变过程中铁原子和碳原子都可进行扩散，故珠光体型转变属于扩散型相变。,过冷奥氏体在550 Ms
8、点温度范围内等温保温时，将转变为贝氏体组织，用符号B表示。由于过冷度较大，转变温度稍低，贝氏体转变时只发生碳原子扩散，铁原子不扩散，因此，贝氏体转变为半扩散型转变。,2、中温转变（贝氏体型转变）,3、低温转变（马氏体型转变）,如果将奥氏体以极大的冷却速度快冷到Ms以下，使其冷却曲线不与C曲线相遇，则将发生马氏体型转变。,1、高温转变（珠光体型转变）,表5-2 共析碳钢三种珠光体型组织,珠光体,索氏体,屈氏体,2、中温转变（贝氏体型转变） 半扩散相变( 550230 ) 550350形成上贝氏体，组织为过饱和片状F渗碳体，呈羽毛状，性脆无实用价值 。 350230形成下贝氏体，组织为过饱和针状F
9、弥散碳化物，呈针片状，综合性能好。,上贝氏体显微组织实例,性能特点：通常上贝氏体中的Fe3C粗大，较脆，且韧性低，工业生产中的机械零件应避免获得这种组织。,下贝氏体显微组织实例,性能特点：下贝氏体有较高的强度和硬度，还有较好的韧性，即有较好的综合力学性能。在生产实际中这是一种常用的状态。,3、马氏体转变的特点及组织形态,形成：,奥氏体急冷至Ms（约230）线以下，过冷度极大，相变驱动力极大，奥氏体极快地由 fcc 变成 bcc（），碳原子来不及扩散，形成碳在 Fe中的过饱和间隙固溶体，即马氏体。,马氏体转变是非扩散形转变,（1）马氏体转变是非扩散型转变 （2）奥氏体向马氏体转变无孕育期； （3
10、）马氏体形成速度极快，接近声速； （4）奥氏体转变成马氏体后，钢件的体积会产生约1%的膨胀，形成很大的内应力； （5）奥氏体转变为马氏体具有不彻底性，钢中会有部分残余奥氏体存在，残余奥氏体量随奥氏体含碳量的增加而增多。,转变特点,马氏体的形态,决定于奥氏体的含碳量：C 1.0 wt%： 形成针片状马氏体 M针；C 0.2 wt%: 形成板条状马氏体 M板条；0.2wt%C1.0wt%: 形成混合马氏体。,板条马氏体的形态（低C马氏体）,马氏体内有大量位错， 也称为“位错马氏体”,性能：具有较高的强度和韧性，即良好的综合力学性能。,一个A晶粒内可形成几个不同位向的M群,针片状马氏体的形态（高C马
11、氏体）,不管是板条马氏体还是片状马氏体，都具有相当高的硬度 强度和耐磨性，其原因是： C在-Fe中的过饱和固溶晶格畸变固溶强化高硬度。,在一个原奥氏体晶粒中，首先形成一个贯穿整个晶粒的马氏体片，以后形成的马氏体片存在于马氏体和奥氏体之间或马氏体片之间。最后的三角区为残余奥氏体。 马氏体中有大量孪晶，也称“孪晶马氏体”,性能：片状马氏体具有高的硬度和强度，但塑性和韧性很低。,三、过冷奥氏体连续冷却转变曲线,实际热处理生产中，钢被加热后的冷却方式大多采用连续冷却，此时过冷奥氏体的转变是在不断的降温过程中完成的。图5-12是用膨胀法测得的共析碳钢连续冷却转变曲线，也称为连续冷却曲线，根据英文字头，又
12、称为CCT曲线。,CCT曲线Continuous、 Cooling、 Transformation,1、连续冷却C曲线只有上半部分，而没有下半部分，这就是说共析碳钢在连续冷却时，只发生珠光转变和马氏体转变，而没有贝氏体转变。 2、连续冷却C曲线珠光体转变区有三条曲线构成：Ps线为AP转变开始线；Pf线为AP转变终了线；K线为AP转变中止线，它表示当冷却曲线碰到K线时，过冷奥氏体就不再发生珠光体转变，而一直保留到Ms点以下转变为马氏体。,三、过冷奥氏体连续冷却转变曲线,由于过冷奥氏体连续冷却C曲线的测定比较困难，因此用等温冷却曲线来定性地、近似地分析连续冷却的转变过程。,图5-13 在C曲线上估
13、计连续冷却后过冷奥氏体的转变产物,冷却速度大小的顺序：,冷却速度Vk与C曲线鼻尖相切，是保证过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解而全部过冷到马氏体区的最小冷却速度，称为马氏体临界冷却速度，用Vk表示。,第三节 钢的常用热处理工艺,热处理工艺一般分为预先热处理和最终热处理。预先热处理是为了消除或改善前道工序引起的某些缺陷，为最终热处理做准备。退火和正火是零件预先热处理的主要方式。在某些情况下，若零件经退火或正火后已满足要求，这时的退火和正火工艺就作为最终热处理。,一、 钢的退火和正火,退火：将钢加热保温，然后随炉冷却或埋入灰中缓慢冷却。 退火目的：,1、退火,细化晶粒，改善组织，提高钢的塑性和韧
14、性； 降低钢的硬度，提高切削性能； 消除、减少内应力，稳定尺寸； 消除阻止缺陷，使成分均匀化，为下一道热处理工序（如淬火）作准备。,第三节 钢的常用热处理工艺,退火种类：,表5-3 退火和正火的热处理工艺,表5-3 退火和正火的热处理工艺（续）,T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 ,2、正火,方法：加热到Ac3或Accm以上3050保温，在空气中冷却 。目的：细化晶粒，并使组织均匀化，提高低碳钢工件的硬度和切削加工性能；消除过共析钢中的网状碳化物，为后续热处理做组织准备。,退火与正火的主要区别： 正火的冷却速度比退火稍快些,应用范围:1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬度;消除过共析钢中
15、的Fe3C。2.最终热处理:用于力学性能要求不高的普通零件。,3、正火与退火的选择,图5-14 几种退火和正火的加热温度范围及工艺曲线示意图,3、正火与退火的选择 （1）从使用性能上考虑： （2）从切削加工性上考虑：低碳钢用正火，高碳钢和工具钢采用退火 （3）从作用上考虑：过共析钢在球化退火之前往往要先进行一次正火，以抑制网状二次渗碳体的形成。 （4）从经济上考虑,优先选用正火,淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上，保温一定时间后快速冷却（大于临界冷却速度），以获得马氏体组织的热处理工艺。淬火钢得到的组织主要是马氏体（或下贝氏体），其目的是提高钢的硬度、强度和耐磨性。,二、钢的淬火,图5-15
16、碳钢的淬火加热温度范围,二、钢的淬火,（一）加热温度和淬火组织 亚共析钢： Ac3 + 3050 保温时组织： A 淬火组织： M + A（少量） 共析、过共析钢： Ac1 + 3050保温时组织：A + Fe3C（粒）淬火组织：M +A （少量）+ Fe3C（粒）粒状的Fe3C可以提高淬火组织的耐磨性。,（二）淬火加热时间 KD 式中：加热时间（min） ；加热系数（min/mm） K装炉修正系数； D工件有效厚度（mm）,淬火加热缺陷：过热、过烧或表面氧化、脱碳等,过热是指工件在淬火加热时，由于温度过高或时间过长，造成奥氏体晶粒粗大的现象。使马氏体粗大，引起脆断、淬火裂纹。纠正过热工件：进行细化晶粒的退火或正火。过烧是指工件在淬火加热时，温度过高，使奥氏体晶界发生氧化或出现局部熔化的现象，过烧的工件无法补救，只得报废。表面氧化、脱碳：工件与加热介质相互作用。,
