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1、第5章 钢的热处理,第一节 热处理概述 第二节 钢的退火 第三节 钢的正火 第四节 钢的淬火 第五节 钢的回火 第六节 钢的表面热处理技术,第五章 钢的热处理,钢的热处理是将钢经过不同方式的加热、保温和冷却来改变钢的内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法 。,第一节 热处理概述,A1线（PSK线） A3线（GS线） Acm线（ES线）,一、钢在加热时的组织转变,加热时的临界温度用 Ac1、Ac3、Accm表示。,冷却时的临界温度用 Ar1、Ar3、Arcm表示。,以共析钢为例，说明加热时组织转变的情况 。 珠光体转变为奥氏体分为以下四个阶段。,1、钢的临界转变温度,第一步：奥氏体晶核的形成；
2、 第二步：奥氏体晶核的长大； 第三步：残余渗碳体的溶解 ； 第四步：奥氏体成分均匀化。,2、共析钢的奥氏体化,2、共析钢的奥氏体化,加热温度与加热速度的影响：加热速度越快，温度越高 ，转变越快。 钢中合金元素与碳质量分数对奥氏体形成的影响：合金元素会造成奥氏体的形成速度明显减慢；钢中碳质量分数越高，奥氏体的形成速度越快。,二、影响奥氏体形成的因素,奥氏体晶粒度是表示奥氏体晶粒大小的一种尺度，奥氏体晶粒度分为起始晶粒度、本质晶粒度与实际晶粒度三种。,三、奥氏体晶粒大小及影响因素,1.奥氏体晶粒度的概念,起始晶粒度：是珠光体在加热过程中刚刚转变为 奥氏体的晶粒大小，起始晶粒度都非常细小，但 在继续
3、加热或保温时间延长的情况下长大 。,本质晶粒度：,三、奥氏体晶粒大小及影响因素,晶粒度在1-4级范围内的钢称为本质粗晶粒钢； 晶粒度在5-8级范围内的钢称为本质细晶粒钢； 本质晶粒度不代表钢实际晶粒大小，只反映钢 在90010以下奥氏体晶粒长大的倾向。,8级奥氏体晶粒度标准图,三、奥氏体晶粒大小及影响因素,实际晶粒度：指在实际加热条件下得到的奥 氏体晶粒度。,三、奥氏体晶粒大小及影响因素,2.影响奥氏体晶粒大小的因素,三、奥氏体晶粒大小及影响因素,加热温度及保温时间,碳质量分数的影响,钢中合金元素的影响,钢在热处理过程中，冷却是关键工序，它决定钢在冷却后的组织和力学性能 。 在生产中，常用的热
4、处理冷却方式有两种，即等温冷却和连续冷却。,四、 钢在冷却时的组织转变,通过过冷奥氏体等温转变图，又称TTT曲线或C曲线，来分析过冷奥氏体在不同冷却条件下组织转变的规律。,1、过冷奥氏体的等温转变图,过冷奥氏体的等温转变图就是通过对过 冷奥氏体等温转变的温度、时间和转变 量三者之间的关系所作出的曲线图。,这种处于不稳定状态将要发生转变的奥氏体 称为过冷奥氏体。,C-曲线,1、过冷奥氏体的等温转变图,2.C-曲线的分析,A1-Ms 间及转变开始线以左的区域为过冷奥氏体区。 转变终了线以右及Mf以下为转变产物区。 两线之间及Ms与Mf之间为转变区。,过冷奥氏体转变分三种类型：珠光体型转变、贝氏体型
5、转变及马氏体型转变。,二、过冷奥氏体等温转变过程、产物及性能,以共析钢为例加以说明,过冷奥氏体在 A1到 550间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物。 根据片层厚薄不同，又细分为珠光体、索氏体和托氏体。,1.珠光体型转变高温转变（A1550）,珠光体,索氏体,托氏体,1.珠光体型转变高温转变（A1550）,1.珠光体型转变高温转变（A1550）,珠光体，用符号P表示， 形成温度为A1-650， 片层较厚。,珠光体显微组织,1.珠光体型转变高温转变（A1550）,索氏体，用符号S表示， 形成温度为650-600 ， 片层较薄。,索氏体显微组织,1.珠光体型转变高温转变
6、（A1550）,托氏体显微组织,托氏体，用符号T表示， 形成温度为600-550 ， 片层极薄。,2.贝氏体型转变中温转变（550Ms）,贝氏体转变是在550Ms温度内进行的，贝氏体通常用符号B表示。,贝氏体是由含碳过饱和的铁素体与渗碳体 （或碳化物）组成的两相混合物。,根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体 (B上)和下贝氏体(B下)。,2.贝氏体型转变中温转变（550Ms）,上贝氏体在550350 温度范围内形成的，用符 号B上表示。,上贝氏体,上贝氏体形成过程,2.贝氏体型转变中温转变（550Ms）,上贝氏体金相显微组织,上贝氏体显微镜下呈羽 毛状。,2.贝氏体型转变中温转变（550M
7、s）,下贝氏体,下贝氏体在350- 230 温度范围内形成的，用符 号B下表示。,下贝氏体转变,下贝氏体金相显微组织,下贝氏体的显微组织特征 是黑色针叶状。,2.贝氏体型转变中温转变（550Ms）,过冷奥氏体快速过冷到Ms点以下（230）时，将发生马氏体（M）转变 。,马氏体型转变低温转变（MsMf）,马氏体转变是在MsMf温度范围内。,马氏体转变是一种非扩散型转变。,马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体，当奥氏体过冷到Ms点以下时，马氏体晶核在奥氏体晶界、滑移面或晶内晶格畸变较大的地方形成。,马氏体的形成,马氏体晶格示意图,马氏体按形态分为板条状和片状两种 。,马氏体的组织形态,板条马氏体：碳
8、质量分数低于0.25%； 片状马氏体：碳质量分数大于1.0%。,板条马氏体：其立方形态呈椭圆形截面的细长条状，许多尺寸大致相同的马氏体定向地相互平行排列，形成细板条状的马氏体束。,板条状马氏体的显微组织,马氏体的组织形态,马氏体的组织形态,片状马氏体（高碳马氏体）， 其立方形态呈双凸透镜状或针状。,片状马氏体的显微组织,马氏体的转变特点,马氏体转变为无扩散型相变,变温形成,马氏体转变是不完全的,马氏体的性能特点：高硬度。,马氏体的性能,板条马氏体不仅具有高强度和硬度，也具有良好的塑性和韧性。,高碳针状马氏体硬度大，脆性也大、塑性、 韧性均差。,退火是将钢加热到一定温度并保温一定时间，然后缓慢冷
9、却（炉冷、坑冷、灰冷）的热处理工艺。,第二节 钢的退火,真空退火炉,常用的退火工艺可分 为完全退火、等温退火、 球化退火、去应力退火 和扩散退火。,一、退火,完全退火是把钢件加热到Ac3线以上3050并保温一定时间，随炉缓慢冷却（一般冷却速度为30120/h）。 完全退火主要用于亚共析钢。,一、退火,等温退火,等温退火是将亚共析钢加热到Ac3线以上3050或共析钢和过共析钢加热到Ac1线以上2030，保持一定时间后以较快速度冷却到珠光体区的某一温度，经等温保持，使奥氏体转变为珠光体组织，然后空冷的退火工艺。,高速钢等温退火与普通退火的比较,主要用于高碳钢、高合金钢及合金工具钢等。,等温退火,球
10、化退火是不完全退火，是将钢加热到Ac1线以上2040，保温一定时间，然后缓慢冷却到600以下，再出炉空冷。,球状珠光体的显微组织,球化退火,球化退火适用于共析或 过共析的碳钢和合金钢。,球化退火,去应力退火,去应力退火又称低温退火，其工艺过程是将工件加热到500650，经过适当保温时间，一般每毫米厚度保温3分钟，再以缓慢速度冷却到室温 。,主要用于消除冷变形加工中产生的加工硬化现象。,扩散退火又称均匀化退火，其工艺过程是将钢加热到低于固相线约100，长时间保温（10h20h），然后缓慢冷却。,扩散退火,目的是为了消除晶内偏析，使成分均匀化。,正火的工艺过程是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Acc
11、m（过共析钢）线以上3050，经保温一定时间后，在空气中冷却的热处理工艺。,第三节 钢的正火,正火是退火的一个特例 。,正火温度,不同之处主要是正火的冷却速度较快，过冷度较大，转变温度较低，获得的片间距较小的珠光体型组织。,正火,作为普通结构零件的最终热处理； 作为重要零件的预先热处理； 改善低碳钢的切削加工性能； 消除网状二次渗碳体。,正火的主要应用如下：,正火,第四节、钢的淬火,淬火是将工件加热至Ac3或Ac1线以上3050， 保温一定时间，然后在冷却介质中以大于临界 冷却速度（Vk）冷却到Ms点以下，这种热处理 工艺称为淬火。,淬火是以获得马氏体或下贝氏体组织为目的。,钢的淬火,淬火的目
12、的： 提高钢的硬度和耐磨性； 提高综合力学性能； 获得某些特殊的物理、化学性能。,淬火的加热温度和保温时间,亚共析钢淬火加热温度为Ac3线以上3050， 淬火后则为细小均匀的马氏体组织。,亚共析钢淬火组织,钢的淬火,共析钢淬火温度 为Ac1 线以上3050，淬火后则为细小的马氏体基体上分布着颗粒状渗碳体的混合组。,共析钢淬火组织,钢的淬火,过共析钢淬火组织,过共析钢淬火温度 为Ac1 线以上3050，淬火后则为细小的马氏体基体上分布着颗粒状渗碳体的混合组。,钢的淬火,常用淬火介质根据冷却特性分为两大类 。,3.淬火冷却介质,第一类为水质淬火冷却介质和油质淬火冷却介 质以及加入少量水的低温盐浴或
13、碱浴。,第二类淬火冷却介质为各种低温盐浴、碱浴等。,4.常用的淬火方法,单介质淬火,单介质淬火示意图,把加热好的工件投入 到单一淬火介质中冷 却至室温的热处理 方式称为单介质淬火。,双介质淬火示意图,4.常用的淬火方法,双介质淬火：,把加热好的工件先在 一种冷却能力较强的 介质中冷却至400 300避免珠光体 的转变，然后再把工 件迅速转移到冷却能 力较弱的冷却介质中 继续冷却至室温的淬 火方法，称为双介质 淬火。,分级淬火 ： 把加热好的工件放入温度在Ms点附近即150260范围内的盐浴或碱浴中，放置约25min，等工件里外都达到介质温度后出炉空冷。,4.常用的淬火方法,分级淬火示意图,等温
14、淬火：,把加热好的工件淬入温 度稍高于Ms点的盐浴中， 保温足够的时间，使过 冷奥氏体转变为下贝氏 体组织，然后再取出在 空气中冷却的淬火方法 称为等温淬火。,4.常用的淬火方法,等温淬火示意图,局部淬火：对于仅局部需要硬化、耐磨的工 件，则在所需部位进行局部加热淬火的方法。 冷处理：把淬火工件冷却到室温后，继续深冷至-70-80或更低温度。,4.常用的淬火方法,淬透性是指钢在淬火时 获得淬硬层深度的能力。 其大小是用规定条件下 淬硬层深度来表示。,5.钢的淬透性与淬硬性,淬透层越深，表明其 淬透性越好。,以工件表面到半马氏体 （即马氏体和珠光体型组 织各占50%的区域） 的距离为淬透层深度。
15、,钢的淬硬性是指钢在理想条件下进行淬火硬化时所能达到最高硬度的能力 。 钢的淬硬性主要取决于加热时固溶于奥氏体中的碳质量分数，碳质量分数越高，钢的淬硬性就越好，淬火后的硬度值就越高 。,淬透性与淬硬性是两个不同的概念，没有必然的联系,5.钢的淬透性与淬硬性,氧化与脱碳 ： 过热或过烧 ： 变形与开裂： 硬度不足：,6淬火缺陷,将淬火后的钢重新加热到Ac1线以下某一温度，经保温一定时间，再冷却到室温的热处理工艺称为回火 。,第五节 钢的回火,工件表面的淬火裂纹,40钢力学性能与回火温度的关系,回火的目的就是降低或消除因 淬火而产生的内应力、防止工 件在使用过程中的变形和开裂、 降低淬火钢的脆性、
16、提高淬火 钢的韧性、适当调整钢的硬度 和强度、稳定组织。,五、钢的回火,钢在回火时的变化,回火分四步进行： 马氏体分解（200） 残余奥氏体分解（200300）,1.回火时组织和性能的变化,淬火马氏体 500,回火马氏体 500,回火托氏体的形成（250400）,45钢的回火托氏体显微组织,光学显微组织500,电子显微组织7500,1.回火时组织和性能的变化,碳化物的聚集长大及相再结晶,45钢的回火索氏体显微组织,光学显微组织 500,电子显微组织 500,1.回火时组织和性能的变化,2回火的分类及应用,淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质。,淬火钢回火时随着温度的升高，一般其强度、硬度降低，而塑性、韧性提高，但在某些温度范围内出现冲击韧性下降的现象，称为钢的回火脆性。,3钢的回火脆性,回火脆性分为低温回火脆性（第一类回火脆性） 和高温回火脆性(第二类回火
