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1、第四章 钢的热处理,钢的热处理,前 言 1 钢在加热时的转变 2 钢的冷却转变 3 钢的普通热处理 4 钢的表面热处理,前 言,什么叫钢的热处理 常见的热处理方法,热处理的概念,热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。,热处理工艺曲线的示意图,图5-1,常见的热处理方法,1 钢在加热时的转变,一、奥氏体化前的组织 二、奥氏体的形成温度与Fe- Fe3C状态图的关系 三、共析钢奥氏体的形成过程 四、亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程 五、影响奥氏体形成速度的因素 六、奥氏体晶粒大小及其影响因素,一、奥氏体化前的组织,先考虑比较简单的
2、情况，即奥氏体化前的组织为平衡组织的情况。 对于亚共析钢 F+P 共 析 钢 P 过共析钢 Fe3C+P,二、奥氏体的形成温度与Fe- Fe3C状态图的关系,对于加热：非平衡条件下的相变温度高于平衡条件下的相变温度；对于冷却：非平衡条件下的相变温度低于平衡条件下的相变温度。这个温差叫滞后度。其中，加热转变 过热度， 冷却转变 过冷度。 加热与冷却速度越大，温度提高与下降的幅度就越大，导致热度与过冷度越大。此外，过热度与过冷度的增大会导致相变驱动力的增大，从而使相变容易发生。,钢在加热和冷却时的相变临界点,图5-2 实际相变温度与理论转变温度之间的关系,三、共析钢奥氏体的形成过程,1.奥氏体晶核
3、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,共析碳钢A形成过程示意图,A 形核,A 长大,残余Fe3C溶解,A 均匀化,图5-3,四、亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程,亚共析钢、过共析钢与共析钢的区别是具有先共析相。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的转变过程与共析钢相同，也经过前面的四个阶段。 对于亚共析钢，平衡组织F+P，当加热到AC1以上温度时，PA，在AC1AC3的升温过程中，先共析的F逐渐溶入A（A的碳浓度下降至0.77%），同样，对于过共析钢，平衡组织是Fe3C+P，当加热到AC1以上时，PA，在AC1AC
4、CM的升温过程中，二次渗碳体逐步溶入奥氏体中（A的碳浓度上升至0.77% ）。,五、影响奥氏体形成速度的因素,1. 加热速度的影响 加热速度越快，奥氏体化温度越高，过热度越大，相变驱动力也越大；同时由于奥氏体化温度高，原子扩散速度也加快，提高形核与长大的速度，从而加快奥氏体的形成。2. 化学成分的影响钢中含碳量增加，碳化物数量相应增多，F和Fe3C的相界面增多，奥氏体晶核数增多，其转变速度加快。钢中的合金元素不改变奥氏体的形成过程，但能影响奥氏体的形成速度。因为合金元素能改变钢的临界点，并影响碳的扩散速度，且它自身也存在扩散和重新分布的过程，所以合金钢的奥氏体形成速度一般比碳钢慢，尤其高合金钢
5、，奥氏体化温度比碳钢要高，保温时间也较长。3. 原始组织的影响钢中原始珠光体越细，其片间距越小，相界面越多，越有利于形核，同时由于片间距小，碳原子的扩散距离小，扩散速度加快导致奥氏体形成速度加快。同样片状P比粒状P的奥氏体形成速度快。,六、奥氏体晶粒大小及其影响因素,奥氏体的晶粒度及其分类 起始晶粒度 实际晶粒度 本质晶粒度 影响奥氏体晶粒大小的主要因素加热温度和保温时间钢的化学成分,标准晶粒度等级,图5-4 晶粒度评定标准,实际晶粒度,钢在加热时所获得的实际奥氏体晶粒的大小实际晶粒度决定钢的性能。,小贴士：,钢加热到93010、保温8小时、冷却后测得的晶粒度 其含义是表示钢在加热时奥氏体晶粒
6、长大的倾向。与钢冶炼时脱氧方法及所加的合金元素有关。本质细晶粒钢：用Al、Ti脱氧，加入W、Mo、V、Zr元素，阻碍晶粒的长大，一般属于镇静钢本质粗晶粒钢：用Si、Mn脱氧，一般属于沸腾钢,根据冶炼时脱氧程序的不同，钢分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。镇静钢为完全脱氧的钢。通常注成上大下小带保温帽的锭型，浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的收得率低，但组织致密，偏析小，质量均匀。优质钢和合金钢一般都是镇静钢。,本质晶粒度,本质细晶粒钢M和本质粗晶粒钢K晶粒长大示意图,图5-5,第二节 钢的冷却转变,一、过冷奥氏体 二、在冷却转变
7、时，相变温度对转变速度的影响 三、过冷奥氏体等温转变曲线 四、过冷奥氏体等温转变的产物的组织和性能 五、过冷奥氏体连续冷却转变曲线,冷却方式,连续冷却 等温冷却,图5-6 冷却方式示意图,一、过冷奥氏体,高温时所形成的奥氏体冷却到A1点以下尚未发生转变的奥氏体 。,二、在冷却转变时，相变温度对转变速度的影响,图5-7 相变温度对转变速度的影响示意图,三、过冷奥氏体等温转变曲线,图5-8,共析碳钢过冷A等温曲线的建立,图5-9,四、过冷奥氏体等温转变的产物的组织和性能,1.珠光体转变 2.贝氏体转变 3.马氏体的组织与形态,1.珠光体转变,转变过程 组织与性能特征,珠光体形成示意图,图5-10,
8、珠光体组织特征图,图5-11 珠光体组织,2.贝氏体转变,转变过程 组织特征与性能,贝氏体形成示意图,图5-12,贝氏体形成示意图,图5-13,上贝氏组织特征图,图5-14,上贝氏体组织金相图,图5-15,下贝氏组织特征图,图5-16,下贝氏体组织金相图,图5-17,3.马氏体（A）,马氏体是指钢从奥氏体状态快速冷却(即淬火)而发生的无扩散型相变产物。(1) 马氏体的组织形态A、板条马氏体低碳钢中的马氏体组织是由许多成群的、相互平行排列的板条所组成。板条马氏体的亚结构主要为高密度的位错，又称为位错马氏体。B、片状马氏体 在高碳钢中形成的马氏体完全是片状马氏体。在显微镜下观察时呈针状或竹叶状。片
9、状马氏体内部的亚结构主要是孪晶。因此，片状马氏体又称为孪晶马氏体。(2) 马氏体转变特点A、 无扩散性马氏体转变过程中铁的晶格改组（由面心立方晶格到体心正方晶格）是通过切变方式完成的，转变速度极快。同时，马氏体中的碳浓度与原奥氏体中的碳浓度完全相同，可见，马氏体是碳溶于-Fe中的过饱和间隙式固溶体，记为M。晶体结构为体心正方。其轴比c/a称为正方度，马氏体含碳量愈高，正方度愈大。见下一页,3.马氏体（B）,B. 降温转变 过冷奥氏体向马氏体转变的开始温度用Ms表示。而马氏体转变的终了温度用Mf表示。马氏体转变量是在MsMf温度范围内，通过不断降温来增加的。由于多数钢的Mf在室温以下，因此钢快冷
10、到室温时仍有部分未转变的奥氏体存在，称之为残余奥氏体，记为Ar。(3)马氏体的性能特点A . 马氏体的硬度和强度 钢中马氏体力学性能的显著特点是具有高硬度和高强度。马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量。通常情况下，马氏体的硬度随含碳量的增加而升高。但必须注意，淬火钢的硬度取决于马氏体和残余奥氏体的相对含量。只有当残余奥氏体量很少时，钢的硬度与马氏体的硬度才趋于一致。B .马氏体的塑性和韧性 主要取决于马氏体的亚结构。片状马氏体脆性较大，其主要原因是片状马氏体中含碳量高，晶格畸变大，同时马氏体高速形成时互相撞击使得片状马氏体中存在许多显微裂纹。而板条马氏体有相当高的塑、韧性。,马氏体具有高硬度、
11、高强度的原因是多方面的，其中包括固溶强化、相变强化、时效强化和晶界强化等。A. 固溶强化： 首先是碳对马氏体的固溶强化。过饱和的间隙原子碳在相晶格中造成晶格的正方畸变，形成一个很强的应力场，该应力场阻碍位错的运动，从而提高马氏体的强度和硬度。B. 相变强化： 马氏体转变时，在晶体内造成晶格缺陷密度很高的亚结构。如板条马氏体中高密度的位错、片状马氏体中的孪晶等，这些缺陷都将阻碍位错的运动，使马氏体得到强化。C.时效强化： 马氏体形成以后，在随后的放置过程中，碳和其它合金元素的原子会向位错线等缺陷处扩散而产生偏聚，使位错难以运动，从而造成马氏体的强化。D. 晶界强化：通常情况下，原始奥氏体晶粒越细
12、小，所得到的马氏体板条束也越细小，而马氏体板条束阻碍位错的运动，使马氏体得到强化。,(4) 马氏体相变强化机制,3.马氏体（C）,低碳板条状马氏体组织金相图,图5-18,高碳针片状马氏体组织金相图,图5-19,过冷奥氏体连续冷却转变曲线,图5-20,与等温转变曲线比较,第三节 钢的普通热处理,一、钢的退火与正火 二、钢的淬火 三、钢的回火,一、钢的退火与正火,钢的退火完全退火等温退火 球化退火（不完全退火）去应力退火钢的正火 退火和正火的选择,完全退火,加热温度：Ac3以上20-30组织：P+F目的：细化，均匀化粗大、不均匀组织接近平衡组织调整硬度切削性消除内应力应用范围：亚共折钢，共析钢，不
13、适用于过共析钢。,等温退火,加热温度：Ac1以上10-20 ，或Ac3以上30-50 组织：P目的：与完全退火、球化退火相同更均匀的组织和硬度显著缩短生产周期应用范围：高碳钢，合金工具钢，高合金钢。,工艺 亚共析钢加热到Ac1Ac3度或过共析钢加热到Ac1Acm温度，保温并缓冷的热处理工艺。亚共析钢的不完全退火温度一般为740780。特点 加热到上述温度后珠光体转变成奥氏体，但亚共析钢的先共析铁素体或过共析钢的先共析渗碳体没有发生转变；保温一定时间后随炉缓冷，以消除钢中内应力，降低钢的硬度，改善珠光体形貌。 相比完全退火，其加热温度低，操作条件好，节省燃料和退火时间，因而在冶金厂得到较广泛的应
14、用应用范围 如果亚共析钢的变形制度和温度制度选择合适，终轧后未引起晶粒粗化，且铁素体和珠光体的分布比较均匀时，采用不完全退火加热有利于珠光体向奥氏体转变，缓冷时重新析出细化组织、降低硬度和消除内应力。,不完全退火,注意：不完全退火一般是针对高于Ac1，低于Ac3和Accm的退火统称。 球化退火是不完全退火应用最广泛的一种，改变了碳化物的形态,球化退火（过共析钢的不完全退火）,加热温度：Ac1以上20-40 应用范围：过共析钢，共析钢组织：球状P（F+球状FeC3）目的：使FeC3球化HRC，韧性切削性为淬火作准备应用特点 对于已有网状碳化物的过共析钢，球化退火可得到的球状珠光体组织，即其中渗碳
15、体呈球状颗粒，弥散分布在铁素体基体上。和片状珠光体相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件变形和开裂倾向小。 而不完全退火则用于晶粒未粗化的中/高碳钢和低合金钢锻/轧件等，降低硬度，改善切削加工性，消除内应力。,小贴士：如果过共析钢片状珠光体满足工艺要求，可不需球化组织，在Ac1Acm之间的较高加热温度进行奥氏体化，然后冷却。简化热处理工艺,?为什么说用球化退火来消除网状碳化物，是不正确的,由于球化退火时奥氏化是“不完全”的，只是片状珠光体转变成奥氏体，及少量过剩碳化物溶解。因此，它不可能消除网状碳化物，如过共析钢有网状碳化物存在，则在球化退火前须先进行
16、正火，将其消除，才能保证球化退火正常进行。,T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 ,图5-21,过共析钢球化退火组织,退火和正火的选择,（1）从切削加工性上考虑切削加工性又包括硬度，切削脆性，表面粗糙度及对刀具的磨损等。一般金属的硬度在HB170230范围内，切削性能较好。高于它过硬，难以加工，且刀具磨损快；过低则切屑不易断，造成刀具发热和磨损，加工后的零件表面粗糙度很大。列出各种碳钢在退火与正火后的硬度值。对于低、中碳结构钢以正火作为预先热处理比较合适，高碳结构钢和工具钢则以退火为宜。至于合金钢，由于合金元素的加入，使钢的硬度有所提高，故中碳以上的合金钢一般都采用退火以改善切削性。（2）从使用性能上考虑如工件性能要求不太高，随后不再进行淬火和回火，那么往往用正火来提高其机械性能，但若零件的形状比较复杂，正火的冷却速度有形成裂纹的危险，应采用退火。（3）从经济上考虑正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，故在可能的条件下，应优先考虑以正火代替退火。,
