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1、第4章,钢的热处理,第4章 钢的热处理,4.1概述 4.2钢铁材料的热处理 4.3 钢在冷却时的转变 4.4钢的退火与正火 4.5 钢的淬火与回火 4.6 钢的表面淬火 4.7 钢的化学热处理 4.8 钢的热处理新技术,改变钢的性能的主要途径: 一是合金化（加入合金元素，调整钢的化学成分）;二是进行热处理。热处理是改善钢的性能的最重要的加工方法。 在机械制造工业中，绝大部分重要零件都必须经过热处理。例如，机床工业中60%70%的零件要进行热处理，汽车、拖拉机工业中70%80%的零件要进行热处理，各种量具、刃具、模具和滚动轴承几乎100%要进行热处理。对此，非合金（碳）钢已不能完全满足这些要求。
2、由此可见，热处理在机械制造工业中占有十分重要的地位。,4.1概述,4.1.1 非合金（碳）钢的缺陷 4.1.2 热处理的分类 4.1.3 热处理的工艺过程,4.1.1非合金（碳）钢的缺陷 （1）淬透性差 一般非合金钢水淬的最大淬透直径只有1020mm。 （2）强度和屈强比较低 如非合金钢Q 235钢的s为235MPa，低合金结构钢Q345(16Mn)的s则为360 MPa以上;40钢的s/b仅为0.43，而合金钢35CrNi3Mo的s/b高达0.74。 （3）回火稳定性差 采用较低的回火温度，钢的韧性就偏低，采用高的回火温度，钢的强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能不高。 （4）不能满足特殊性能
3、要求 非合金钢的抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损以及特殊电磁性等方面都较差，不能满足特殊使用性能的需求。,4.1.2热处理的分类 1.普通热处理 特点是对工件整体进行穿透加热。常用的方法有退火、正火、淬火、回火。 2.表面热处理 特点是对工件表层进行热处理，以改变表层组织和性能。常用的方法有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光加热表面淬火。 3.化学热处理 特点是改变工件表层化学成分、组织和性能。常用的方法有渗碳、渗氮、碳氮共渗等。 4.热处理新技术 气相沉积、可控气氛热处理、真空热处理、形变热处理、激光热处理、电子束热处理。,热处理的工艺过程就是按加热保温冷却这三阶段进行，这三个阶段可
4、用冷却曲线来表示。,时间,温度,临界温度,热 加,保温,冷 却,图4-1热处理工艺曲线示意图,4.1.3热处理的工艺过程,图4-2 钢的Fe-Fe3C相图,4.2.1 钢的热处理原理 4.2.2 钢的奥氏体形成 4.2.3 奥氏体晶粒长大及其影响因素,4.2钢铁材料的热处理,图4-2 钢的Fe-Fe3C相图,碳钢在极其缓慢加热和冷却时的相变温度线线是 A1、A3、Acm 理论临界点A1、A3、Acm 加热时各实际的相变点分别用Ac1、Ac3、Acm 冷却时实际的相变点分别用Ar1、Ar3、Arcm,4.2.1钢的热处理原理,箱式电阻炉,台车式电阻炉,（a）普通型,(b)高温炉,(c)高频炉,4
5、.2.2钢的奥氏体形成 钢的奥氏体形成过程：当把钢加热到铁碳合金相图临界点以上温度时, 珠光体便逐渐转变成奥氏体组织，是一个通过铁、碳原子扩散而实现的重结晶过程，重结晶过程是通过形核和长大两个过程完成的，钢的奥氏体形成过程就是一个细化晶粒的过程。 1.共析钢的奥氏体化形成过程 (1)奥氏体晶核的形成 (2) 奥氏体晶核长大 (3) 残余Fe3C的溶解 (4) 奥氏体成分均匀化,(1)奥氏体晶核的形成 将钢加热到Ac1以上时，珠光体转变成奥氏体，奥氏体晶核首先在铁素体和渗碳体的相界面形成。如图4.3a所示。,(a)A形成核,图4-3共析钢奥氏体形成过程示意图,(2) 奥氏体晶核长大 奥氏体晶核形
6、成后，开始长大生成小晶体，同时又有新的晶核形成。奥氏体的长大是新相界面分别向渗碳体和铁素体两侧推移，直至铁素体完全消失，奥氏体晶核长大是依靠铁、碳原子的不断扩散，使渗碳体不断溶解、铁素体晶格改组为面心立方的奥氏体晶格来完成的。如图4.3b所示。,(b)A核长大,图4-3共析钢奥氏体形成过程示意图,(3) 残余Fe3C的溶解 由于铁素体的碳浓度和结构与奥氏体接近，铁素体转变为奥氏体的速度远比渗碳体向奥氏体中的溶解快。铁素体消失后，组织中还有一部分残余渗碳体存在,随保温时间的延长，残余渗碳体将不断溶入奥氏体，直到完全消失.如图4.3c所示,(c)残余Fe3C溶解,图4-3共析钢奥氏体形成过程示意图
7、,(4) 奥氏体成分均匀化 当残余渗碳体完全溶解后，奥氏体中碳浓度仍然是不均匀的，需要保温一定时间, 碳原子才能充分扩散，奥氏体成分得到均匀化。如图4.3d所示。,(d)A均匀化,图4-3共析钢奥氏体形成过程示意图,钢的奥氏体化过程是一个通过铁、碳原子扩散来实现的重结晶过程，重结晶过程是通过形核和长大两个过程完成的，由于P中F和Fe3C相界面很多，可以形成许多奥氏体晶核，所以钢的奥氏体化过程是个细化晶粒的过程，也是一个消除应力和重新组织的过程。,(a)A形成核 (b)A核长大 (c)残余Fe3C溶解 (d)A均匀化 图4-3共析钢奥氏体形成过程示意图,2.亚共析钢的奥氏体化形成过程 亚共析钢的
8、奥氏体形成与共析钢基本相同，但略有差别。亚共析钢加热A1温度以上，珠光体变成细小的奥氏体，加热至A3温度以上才能使铁素体都变成细小的奥氏体。 3.过共析钢的奥氏体化形成过程 过共析钢的奥氏体形成，与共析钢基本相同，只是奥氏体形成后，要先共析铁素体或二次渗碳体向奥氏体转变或溶解过程。过共析钢加热到A1温度以上，珠光体变成细小的奥氏体，加热至Acm温度以上才能使Fe3C全部溶入奥氏体中去，变成单相奥氏体。,4.2.3奥氏体晶粒长大及其影响因素 1.奥氏体晶粒的长大及其控制 （1）奥氏体晶粒的长大,图4-4奥氏体晶粒大小,奥氏体化的晶粒大小与加热温度和保温时间有着很大关系, 如果在临界点以上加温，加
9、温度越高，保温时间越长，奥氏体的晶粒就会长得越大。奥氏体化后的晶粒越细小，冷却后的组织晶粒就细小，奥氏体化后的晶粒越粗大，冷却后组织的晶粒就粗大。,为了得到细晶粒的奥氏体，通常加热温度在临界点以上3050oC，不超过100oC；合理的保温时间；快速加热、短时间保温。便可得到细小的奥氏体组织。,图4-4奥氏体晶粒大小,（2)奥氏体晶粒的控制,一般 14 级称粗晶粒,9 级以上称超细晶粒,58 级称细晶粒,国家标准将奥氏体标准晶粒度分为00,0,0.5,1,1.5,2,9.5,10等22个等级。,（3）钢的晶粒度标准,2、影响奥氏体晶粒长大的因素 (1)加热温度 加热温度愈高，晶粒长大速度越快，奥
10、氏体晶粒也越粗大，热处理时必须规定合适的加热温度范围。 (2)加热速度 在确定加热温度后，加热速度愈快，过热度愈大，奥氏体晶粒越细小。 (3) 合金元素 大多数合金元素都存在难溶于奥氏体的碳化物, 分布在晶粒边界上，阻碍奥氏体晶粒长大。 (4)钢的碳含量影响 当碳含量增加时，Fe3C量增多，F和Fe3C的相界面增大，因而奥氏体的核心增多，转变速度加快。,4.3.1 奥氏体的等温转变 4.3.2 过冷奥氏体的连续冷却转变,4.3 钢在冷却时的转变,钢件性能最终取决于奥氏体冷却转变后的组织，钢奥氏体化后，钢的冷却方式和冷却速度不同,所得到的组织和性能也不同。钢的冷却方式有两种:一是等温冷却;二是连
11、续冷却。如图4-6所示。,图4-6等温冷却曲线与连续冷却曲线,4.3.1奥氏体的等温转变 1.共析钢奥氏体等温转变 (1)共析钢过冷奥氏体等温转变图 （2)共析钢等温转变图的分析,图4-7共析钢过冷奥氏体等温转变图(C曲线),（a）实验方法示意图,（b）C曲线,(3)共析钢过冷奥氏体等温转变的组织与性能 1）高温转变：在A1550oC左右进行等温冷却，可得到珠光体型组织。 2）中温转变：在550oCMs温度之间进行等温冷却，得到贝氏体型组织。 3）低温转变：在Ms温度以下冷却将发生马氏体转变。它是在极快的连续冷却过程 中形成的。,2.C曲线的因素影响 （1）含碳量 前面详细介绍了共析钢的C曲线
12、，现在简介亚共析钢和过共析钢C曲线。 （2）合金元素 在合金元素中，除钴以外，其它的合金元素溶入奥氏体后均能增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线向右移。 （3）加热温度和保温时间 加热的温度越高，保温的时间越长，奥氏体成分就越均匀，晶粒也就越粗大，晶界面积越少，使过冷奥氏体稳定性提高，C曲线向右移。,(a)亚共析钢的C曲线 b)过共析钢的C曲线 图4-8亚共析钢和过共析钢的C曲线,4.3.2过冷奥氏体的连续冷却转变 1.过冷奥氏体连续冷却转变曲线 如图4-9所示为共析钢连续冷却转变曲线图.,图4-9 共析钢连续冷却转变曲线,2. C曲线在连续冷却转变中的应用 图4-10是共析钢过冷奥氏体等温转变曲
13、线在连续冷却中的应用。,图4-10共析钢过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中的应用,Ps AP 开始线 Pf AP 终止线 KK P型转变终止线 Vk 上临界冷却速度 Vk 下临界冷却速度 MS A M 开始温度 Mf A M 终止温度,3.马氏体转变 (1)马氏体的组织形态 (2)马氏体的性能 1)强度与硬度 2)塑性与韧性 (3)马氏体转变的特点 (4)残留奥氏体,4.4 钢的退火与正火,4.4.1退火 4.4.2 正火 4.4.3正火与退火的区别,对工件整体进行穿透加热的热处理工艺，称为整体热处理。它包括退火、正火、淬火、回火。在机械零件和工、模具的制造加工过程中，退火和正火往往是不可缺少
14、的工序。零件退火或正火后，可以消除或减轻铸件、锻件及焊接件的内应力与成分、组织的不均匀性，改善钢件的机械性能和工艺性能，尤其是对一些性能要求不高的机械零件或工程构件，退火和正火亦可作为最终热处理。,1.退火：退火是将钢加热到奥氏体转变温度以上某一温度，保温一定时间,然后随炉冷却500oC以下出炉空冷的一种工艺方法。 2.正火：正火是钢加热到Ac3或Accm以上某一温度，保温一定时间，使钢的组织全部奥氏体化，然后从炉中取出，在空气中冷却的一种工艺方法。 退火与正火常用于毛坯另件的预备热处理,目的是： 改善或消除钢在铸造、轧制、锻造、焊接过程中所造成的各种组织缺陷。 细化晶粒，为最终热处理做好组织
15、准备。 降低硬度，改善组织，便于切削加工。,4.4.1退火 退火：是将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。根据钢的成分、退火的目的不同，常用的方法有完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火、去应力退火及再结晶退火等。,加热 保温后 缓冷(炉冷) 近平衡组织 P（ + F 或 Fe3CII ）,1.退火的目的 (1) 降低硬度，提高塑性，以利于切削加工，退火后，可使工件硬度调整到170250HBW,硬度值具有最佳的切削加工性能。 (2) 细化晶粒，均匀组织，提高工艺性能和使用性能。 (3) 消除残余内应力，以防止工件变形与开裂。 2.完全退火 完全退
16、火：是将钢加热到Ac3以上3050oC, 保温一定时间，使钢完全奥氏体化后进行缓慢冷却至600oC以下。,3.球化退火 球化退火：是将钢加热到Ac1以上20-30oC, 保温一定时间后，以不大于50oC/h的速度随炉冷却的工艺方法。 4.等温退火 等温退火：与完全退火加热温度完全相同，只是冷却方式有差别。,5.均匀化退火 均匀化退火，是将钢加热到11001200oC温度，保温时间一般为1015h。然后进行缓慢冷却的退火工艺。 6.去应力退火 去应力退火：是将钢件加热到略低于A1 以下的某一温度（一般取500650oC），保温一定时间后，随炉缓慢冷却的工艺方法。,4.4.2 正火 正火主要有以下几方面的作用 （1）对低碳钢或低碳合金钢退火后硬度太低，不便于切削加工。正火可提高其硬度，改善其切削加工性能。 （2）对中碳结构钢工件，正火可消除成形工艺过程中产生的缺陷，保证合适的切削加工硬度，为后续
