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1、,1-9 钢的热处理,将钢在固态下进行不同方式的加热、保温和冷却，从而改变其内部组织，获得所需性能的工艺过程称为钢的热处理。,纯粹利用钢材的原始性能来满足对零件日益趋高的使用要求常常是不经济的，有时甚至是不可能的。,对同一种材料施以不同的热处理工艺获得截然不同的性能，可满足加工和使用要求,因此热处理的应用日益广泛，几乎80%的机械零件都要热处理，至于工具（刀具、量具、模具）和轴承则100%都要进行热处理,以延长零件的使用寿命。,一、热处理的基本概念,1.目的改善组织和性能,2.机理固态相变（纯金属的同素异构转变、 合金的晶体结构改变）及原子扩散,？钢烧红后放入水中急冷会变硬，紫铜却不会,4.分
2、类,3.工艺过程加热+保温+冷却,普通热处理（整体热处理）,表面热处理,化学热处理,形变热处理,5.过热和过冷过热-加热时高于平衡转变温度才发生相变,过冷-冷却时低于平衡转变温度才发生相变,*平衡转变温度： A1、A3、Acm,极缓慢加热、冷却时的相变温度线,钢加热到A1以上时P向A转变,二、钢加热时的组织转变（属于平衡转变）,奥氏体化+奥氏体长大,1.奥氏体的形成过程（=形核+长大）,*完全A化（加热至Ac3或 Accm 以上温度） F、P、 Fe3C A,*部分A化（仅加热至Ac1以上温度） P A,部分A化,部分A化,完全A化,Ac3线,Accm线,Ac1线,根据加热温度的不同，奥氏体化
3、可分为：,2.奥氏体的长大过程 奥氏体形成后，如果继续加热或保温，在伴随残余渗碳体溶解和奥氏体均匀化的同时，奥氏体晶粒将开始长大。奥氏体晶粒的长大是大晶粒吞并小晶粒的过程，其结果是使晶界面积减小，从而降低了表面能，因此它是一个自发的过程。,780 时A形成不到10S，碳化物溶解几百秒，A均匀化104S,奥氏体的晶粒度起始晶粒度-刚刚完成奥氏体转变（晶界刚 刚接触）时的A晶粒大小。实际晶粒度-在具体的热处理或热加工温度 下实际获得的A晶粒大小。本质晶粒度-将钢加热到93010，保温3 h，冷却后在放大100倍的 显微镜下所测定的A晶粒大小。 *本质晶粒度反映了钢在一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向性
4、。其与起始晶粒度和实际晶粒度是完全不同的概念。,912 以上,标准晶粒度58级的为本质细晶粒钢,标准晶粒度14级的为本质粗晶粒钢,Review,本质粗晶粒钢：奥氏体随温度的升高迅速长大的钢。如经锰硅脱氧的钢、沸腾钢等,本质细晶粒钢：奥氏体晶粒长大倾向小，加热到较高温度才显著长大的钢。如经铝脱氧的钢、镇静钢等,热处理生产中应严格控制加热温度，不能过热。常采用快速加热和短时间保温的方法来细化晶粒。因为适当提高加热速度有利于增大过热度，使A晶粒细化，则冷却后的组织也越细，材料的强度、塑性、韧性越好；适当的保温时间有利于A均匀化，但保温时间过长将使晶粒过份长大，形成粗晶。,影响奥氏体晶粒度的因素 热处
5、理时的加热温度、加热速度、保温时间以及钢中的碳元素、合金元素的含量都会影响A的长大程度，从而影响实际晶粒度。 加热温度越高、加热速度越慢、保温时间越长，实际晶粒度越粗。,三、钢在非平衡冷却时的组织转变,过冷奥氏体,珠光体,贝氏体,马氏体,过冷奥氏体-在A1温度以下，未发生转变的、 处于不稳定状态的奥氏体。,贝氏体-含碳略微过饱和的铁素体与弥散分布 的微细渗碳体的混合物，代号B。,马氏体-碳在-Fe中的过饱和固溶体，代号M。,平衡冷却时组织F、P、Fe3C,1、钢的等温冷却转变曲线（TTT曲线或C曲线）,550 ,600 ,650 ,Ms,Mf,转变开始线,转变终了线,-100 ,P,S,T,珠
6、光体转变,B,贝氏体转变,马氏体转变,温度,时间,A,共 析 钢 的TTT 曲 线,230,-50,转变产物的组织与性能,1.珠光体型 ( P ) 转变 ( A1550 ) :,A1650 : P ; 525HRC; 片间距为0.60.7m ( 500 )。,650600 : 细片状P-索氏体(S); 片间距为0.20.4m (1000); 2536HRC。,600550:极细片状P-屈氏体(T); 片间距为0.2m ( 电镜 ); 3540HRC。,层片间距越小（即从PS T），材料的强度、硬度、塑性、韧性越高。,珠 光 体 形 貌 像,索 氏 体 形 貌 像,屈 氏 体 形 貌 像,2）过
7、冷奥氏体在550 Ms之间发生的转变,贝氏体转变,1）贝氏体B -含碳略微过饱和的铁素体与弥 散分布的微细渗碳体的混合物。,3）根据转变温度的不同，B分为上B和下B。,上贝氏体（在550350 的转变产物），其形态 为羽毛状，即铁素体呈板条束状，渗碳体弥散分布 于板条的边界上，强度低、脆性大，无实用价值。,下贝氏体（在350 Ms 的转变产物），其形态为 针叶状，即铁素体呈针叶片状，渗碳体弥散分布于 叶片内，强度、硬度较高，韧性也好，实用价值大。,550350: B上; 4045HRC;,350230: B下; 5060HRC;,2）马氏体转变是过冷奥氏体急冷至Ms Mf 间 发生的转变，即M
8、只能是淬火处理的产物。,马氏体转变,1）马氏体M -碳在-Fe中的过饱和固溶体,3）共析钢的Mf在 - 50左右，所以一般在室温 环境下的 M转变不彻底，仍有少量 A会残存 下来，称为残余A。 且Ms 和 Mf 随含碳量 的增加而降低，故残余 A 的量也就随含碳量 的增加而增多。,转变特点:转变温度 ( 230 -50 ) 在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度极快,即瞬间形核与长大;无扩散转变( Fe、C原子均不扩散 ), M与原A的成分相同,造成晶格畸变。转变不完全性, QM = f ( T ),4）根据含碳量不同，M分为板条M和片状M。,板条M：即低碳M，碳的过饱和度较小，晶格的畸变 不
9、大，故硬度不很高，塑性、韧性较好。,片状M：即高碳M，碳的过饱和度大，晶格畸变大， 硬度很高；但内应力大，易造成显微裂纹， 塑性、韧性极差。,高碳钢极易淬硬，机械设备中需要高硬度、高耐磨的零件都选用高碳钢。但淬火后脆性大，易开裂，必须再回火才能投入使用。,低碳钢是淬不硬的钢，机械设备中需要高硬度、高耐磨的零件不会选用低碳钢。,低碳板条状马氏体,高碳片状马氏体,回火马氏体,AF,AP,AFe3C,AP,亚共析钢C曲线,共析钢C曲线,过共析钢C曲线,亚共析钢、过共析钢的TTT曲线与共析钢的基本相似，但两者在奥氏体向珠光体转变之前都有先析相（铁素体或二次渗碳体）出现，且曲线中鼻尖及Ms、Mf 的位置
10、不同。（课本P49）,亚共析钢：碳量增加C曲线右移过共析钢：碳量增加C曲线左移所有的钢，碳量增加，Ms、Mf下降,影响 TTT 曲线形状 与位置的因素,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:,3.加热温度和保温时间的影响: 加热温度越高, 保温时间越长, 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。,2、 钢的连续冷却转变曲线（CCT曲线）,在热处理生产中，奥氏体的转变大多是在连续冷却条件下进行的，所以CCT曲线对制定热处理工艺更加具有重要的指导意义。,当采用不同的冷却速度V1、V2
11、、V3和 V4 连续冷却时，可从图中分析出所获得的组织和性能。,V临-获得M的临界冷却温度,M临界线，共析钢138 /S,P+少量M，碰到K线不再变P,3、 TTT曲线与CCT曲线的差别及应用价值,差别：所有碳钢的TTT曲线上都有 B 转变区， 而对CCT曲线而言，只有亚共析钢有B 转变区， 共析钢和过共析钢均无 B 转变区。,也即当采用等温冷却方式进行热处理时，只要温度适当，任何碳钢都可获得韧性较好的 B；而当采用连续冷却方式时，只有亚共析钢能获得 B，且不是单一相的B，而是与F、P（或S、T）等许多组织混杂在一起的B。,应用价值：热处理生产中，我们根据TTT曲线 可准确分析出各种钢材在不同
12、温度下的等温转 变产物，从而推断出材料热处理后的性能变化。 同样，也可根据CCT曲线准确分析不同速度的 连续冷却方式下材料的转变产物和性能。 反过来，也可以根据所需要的材料性能来确定 等温转变的温度或连续冷却的方式。,同时，由于同一钢种的TTT曲线与CCT曲线并没有本质的差别，因此，在缺少CCT曲线的情况下，往往就依据TTT曲线粗略地估计连续冷却时的转变产物与性能。,四、常用的热处理工艺,1、退火（加热保温随炉缓冷）,完全退火,种类 适用对象 加热温度 目的,中高碳的亚共析钢和共析钢,AC3以上2030,软化材料有利切削消除应力,球化退火,过共析钢,AC1以上2030,去应力退火,铸、锻、焊件
13、,500 650,消除残余内应力,再结晶退火,发生冷变形硬化的钢件,650 700,恢复材料塑性,实现平衡相变,等温退火,获球状P有利切削淬火前准备,奥氏体稳定的合金钢,AC1 或AC3以上3050,SHANGHAI UNIVERSITY,注意：除等温退火外的几种退火均采用连续冷却（随炉 冷却）方式，占用炉子时间长；而等温退火是将 奥氏体化后的钢快冷至珠光体形成温度区等温保 温，待完成珠光体转变后，即出炉空冷至室温。 所以同样能达到软化材料、消除应力等目的，但 时间可缩短一半，经济性好，且组织也较均匀。,等温退火,完全退火,共析钢转变示意图,2、正火（加热保温空气中冷却）,加热温度,亚共析钢：Ac3 以上 3050,共析、过共析钢： Accm 以上 3050,组织转变：加热时完全A化，冷却时S或T转变,目的：改善切削加工性能（低碳钢增硬度、防粘刀， 中高碳钢降硬度，使切削省力，刀具磨损小）,细化铸、锻、焊件的粗晶组织，改善性能,消除网状的二次渗碳体,退火和正火通常作为零件加工前的预备热处理，对一些不太重要的零件可用正火作为最终热处理,各种退火和正火的加热温度见下图：,Accm,Ac3,Ac1,球化退火,再结晶退火,去应力退火,650,500,700,正火,完全退火,各种退火和正火的工艺曲线见下图：,正火,
