工程材料热处理

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1、1、热处理的定义：主要有三点要注意，一是热处理是在固态范围内进行的，二是有三个过程（加热、保温和冷 却），三是热处理是通过改变钢的组织结构来改善其性能的；2、热处理的实质3、热处理的目的：不改变材料的形状的尺寸，改善其性能，包括使用性能和工艺性能，可以充分发挥材料的潜 力，提高零件的内在质量；4、热处理的应用：十分广泛；5、热处理的分类：普通热处理，表面热处理，化学热处理6、热处理的三要素：加热温度、保温时间、冷却速度；第一节 钢在加热时的转变 目的是使原始组织转变为奥氏体，所以也称奥氏体化过程。然后以奥氏体为母相进行转变。一、钢的奥氏体化过程2、要使原始组织变为奥氏体，应将钢加热到Al （7

2、27C ）温度以上；具体的，亚共析钢应加热到Ac3线以上； 共析钢加热到Acl线以上；过共析钢如果进行完全奥氏体化应加热到Accm线以上。3、转变过程：1）奥氏体的形核和长大；2）残余渗碳体的溶解；3）奥氏体成分的均匀化；二、奥氏体晶粒度及其控制1、奥氏体晶粒大小对热处理的影响细小的组织力学性能高（塑性变形和再结晶一章中已学过）；另外，如果奥氏体的晶粒细小，那么由其转变的产 物也就细小；否则转变产物就比较粗大，或出现缺陷组织，还容易引起变形和开裂，所以要对奥氏体的晶粒大小 进行控制。2、奥氏体晶粒大小的表示方法1）用晶粒的直径 d 表示；2）用单位面积内的晶粒数目n表示；3、奥氏体晶粒度的控制

3、1）正确制订和执行加热规范；2）选用长大倾向小的钢种，如用Al脱氧的钢，以及含Nb、TI、V等元素的钢；第二节 钢在冷却时的转变冷却是热处理的最后一个工序，也是最关键的工序，它决定了钢热处理后的组织和性能。同一种钢，加热温度和 保温时间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。这是因为过冷奥氏体在冷却过程中转变成了不同的产 物。那么奥氏体在冷却时转变成什么产物？有什么规律呢？这就是本次课的主要内容。碳钢热处理时的冷却速度一般较大，大多都偏离了平衡状态（除退火外），所以热处理后的组织为非平衡组织。 碳钢非平衡组织和按铁碳相图结晶得到的平衡组织相比差别很大。所以不能再用铁碳相图加以分析，而应使用

4、C 曲线来确定。一、共析钢等温转变C曲线先介绍几个概念。 等温冷却和连续冷却；过冷奥氏体：处于A1以下热力学不稳定的奥氏体，而奥氏体在A1以上是稳定的，不会发生转变。所以等温转变 C 曲线讲的就是过冷奥氏体在等温冷却条件下的转变规律。（一）、等温C曲线的测定（略）（二）、等温C曲线的结构 坐标轴、线、区的含义；孕育期的问题，引出C曲线的“NOSE”，共析钢过冷奥氏体最不稳定的温度是550C，也就是说其“NOSE”出现 在550C。C曲线的“NOSE”对钢的热处理影响很大，应注意。（三）、转变产物 按照不同的冷却条件，过冷奥氏体在不同的温度范围内等温时将转变成不同的产物。1、珠光体类型转变在Al

5、550C之间等温时，过冷奥氏体转变成珠光体类型组织（即都是由F和Fe3C组成），而且等温温度越低， 组织中F和Fe3C的层片间距越小，组织越细，力学性能越高。这些组织分别称为珠光体、索氏体和屈氏体，用 符号P、S、T表示。其中S只有在1000倍的显微镜下才能分辨出其层片状形态；而T则只有在更高倍的电子显 微镜下才能分辨出其层片状形态。这个转变是一个扩散型相变，需要完成铁的晶格改组和碳原子的重新分布。2、贝氏体转变在550C-MS之间等温时，过冷奥氏体发生贝氏体转变。贝氏体是过饱和F和碳化物组成的机械混合物，用符号 B表示。在550C-350C之间等温时，过冷奥氏体转变成上贝氏体（B 上），呈黑

6、色羽毛状，其中断续的碳化 物分布在F片之间，这种上贝氏体力学性能较差，一般不用。在350C-MS之间等温时，过冷奥氏体转变成下 贝氏体（B下），呈黑色针状或竹叶状，其中颗粒状碳化物分布在F片之上，这种下贝氏体具有较好的力学性能， 应用广泛。3、马氏体转变1）定义：当等温温度低于Ms线时，过冷奥氏体将转变成马氏体。马氏体是碳在a-Fe中过饱和固溶体，用符号 M表示。2）形态：马氏体按形态不同分为板条状马氏体和片状马氏体两种。板条状马氏体又称为低碳马氏体，在显微镜 下呈一束束的板条状；片状马氏体又称为高碳马氏体，在显微镜下呈黑色针状，其立体形状为双凸透镜状。介于 二者之间的为混合马氏体，如45钢淬

7、火后的马氏体组织。3）晶体结构：由于马氏体中固溶了过饱合的碳，所以其晶体结构由体心立方晶格变体心正方晶格，即高度C比 宽度a大，C/a称为正方度，马氏体中的含碳量越多，正方度越大，组织转变应力越大，变形或开裂的危险也就 越大。另一个要注意的问题是，在钢的相和组织中马氏体的比容最大，而奥氏体的比容最小，所以当奥氏体转变成马氏 体时，钢的体积增大。这也是造成应力的主要原因。4）性能 马氏体是钢中最硬的组织，马氏体的硬度主要取决于其中的含碳量，与其它因素关系不大。但当含碳量增大到 0.6%时,马氏体的硬度不再继续升高，大约为60-64HRC.马氏体的高硬度主要是由于固溶强化造成,另外还有位错和孪晶影

8、响,奥氏体向马氏体转变造成组织细化也是一 个因素。原来认为马氏体是一个脆性相，但近年的研究发现，低碳板条马氏体有较好的塑性和韧性，因此常用低碳钢直接 淬火得到以马氏体代替渗碳淬火。高碳马氏体仍然是脆性较大的相。5）转变特点这里主要注意两个问题。首先，马氏体是在一个温度范围（Ms-Mf）内进行的，需要连续冷却，也就是说它不是一个等温转变。其次，马氏体转变具有不完全性，最后总有一部分奥氏体残留下来。原因是部分钢的Mf低于室温，所以残余奥 氏体的数量与Ms、Mf有关，而Ms、Mf又与钢的成分有关，含碳量和合金元素量越多，Ms、Mf越低，残余奥氏 体量越多。复习等温C曲线，然后做一个练习。转变温度组织

9、名称符号组织特征力学性能727-650C珠光体P较粗低650-600C索氏体S较细较高600-550C屈氏体T极细很高550-350C上贝氏体B上黑色羽毛状劣350-230C下贝氏体B下黑色针状强韧性好230C以下马氏体M板条状或片状硬度高将T8钢加热到800C，充分奥氏体化。问如何冷却才能得到下列组织：P、S、T、B、M；二、亚共析钢和过共析钢的等温C曲线首先，这两种的等温C曲线与共析钢相比，多一条先共析转变线。亚共析钢是铁素体转变线，过共析钢是渗碳体 转变线。其次，这两种钢的等温C曲线的位置比共析钢靠左，也就是说过冷奥氏体的稳定性较差。 最后，先共析产物的数量与等温温度有关系，等温温度越低

10、，先共析产物越少，有可能出现伪共析组织。三、共析钢连续冷却转变曲线1、连续冷却转变C曲线热处理生产多为连续冷却，所以研究连续冷却C曲线的实际意义更大。（一）、共析钢连续冷却C曲线这个曲线最明显的特点是只有半个C，也就是没有贝氏体转变，过共析钢也是如此。这是由于贝氏体相变被大大 推迟了。图中Ps是珠光体转变开始线，Pf是珠光体转变结束线，K线是转变中止线，当冷却到这条线时过冷奥氏体要 “休息一会儿”，直到冷却到Ms线时再继续转变。钢在连续冷却转变时并不会出现新的转变，所有转变都以等温C曲线为基础。它相当于是许多时间很短的等温转 变，其转变温度是在不断下降的，转变产物也在不断变化，所以连续冷却转变

11、的产物多是混合组织。上图冷却后，V1是珠光体；V2是S T M； V3是M。VK是一个临界冷却速度，它是保证过冷奥氏体全部冷却到MS线以下转变成马氏体的最小冷却速度，称上临界冷 却速度，也称淬火临界冷却速度，因为淬火时冷却速度必须大于它。一般地，钢连续冷却转变C曲线的位置在等温C曲线的右下方，即钢在连续冷却时比在等温冷却时稳定。2、C曲线的应用 确定等温热处理的工艺参数； 确定淬火工艺参数和淬火后组织性能； 在等温C曲线估计连续冷却时的产物。第三节退火和正火 前二节学习的内容是热处理的原理，从这一节开始学习热处理工艺，也就是具体的热处理实现方法。 在一个零件的加工路线中，热处理起着很重要的作用

12、，一般有两种情况，如一个齿轮： 下料-锻造-预备热处理（退火或正火）-铣齿-最终热处理（淬火回火）-精加工（磨削）； 其中预备热处理的作用是消除锻造的缺陷，如晶粒粗大、内应力、缺陷组织等，同时调整硬度，为后续的切削做 准备。最终热处理的作用是使材料具有使用状态下的性能，如强度、硬度等。一、钢的退火1、定义2、特点：缓冷，一般用随炉冷却。过冷奥氏体在C曲线的上部进行转变，热处理后的组织接近于平衡组织，以 珠光体为主。亚共析钢为F、P,共析、过共析钢为球状珠光体。3、用途：降低硬度，以利于切削（比较适合的切削硬度为160-260HBS）；消除内应力，稳定尺寸，防止变 形或开裂；消除偏析，均匀成分；

13、4、分类：1）完全退火：适用于亚共析钢的铸件、锻件、焊接件，（目的同上）。工艺参数为：加热到Ac3以上3050C, 保温，随炉冷却到600C出炉空冷。2）等温退火：原理与完全退火相同，主要是为了缩短工艺周期，特别是对一些大型合金钢件的退火。3）球化退火：适用于共析及过共析钢，目的是为了获取球状珠光体，降低这些高碳钢的硬度，以利于切削。所 有的高碳钢在切削之前一般都要进行球化退火。工艺参数为：加热到Ac1 3050C，保温，随炉冷却或等温冷 却；4）均匀化退火：一般用于铸件，消除偏析，使成分均匀；通常是将钢加热到固相线以下100200C长时间保 温，使原子充分扩散。5）去应力退火：属于低温热处理

14、，加热温度一般在A1线以下，对于钢来说，大约为600C。二、正火将钢加热到Ac或Accm线以上完全A化，然后在空气中冷却的一种热处理工艺。它的主要特点是空冷，对于大型 零件或在炎热地区，也可用风冷或喷雾冷却。正火和退火的区别主要有以下几点：1、正火的加热温度较高；2、正火的冷却速度比退火快，热处理后的组织比退火细，先共析相数量也较少，所以正火后性能比在退火时高；3、正火的用途也和退火有所不同：1） 正火能提高硬度，一般用于低碳钢的预备热处理；2）正火可以消除魏氏组织、粗大组织、网状组织等;如过共析钢在球化退火之前，应先用正火消除网状的Fe3CII；3）对于一些大件，正火可代替调质作为最终热处理

15、使用； 第四节钢的淬火将钢加热到Acl或Ac3以上3050C，适当保温，然后快速冷却，获取马氏体或下贝氏体的一种热处理工艺。 淬火是一种很早就应用热处理工艺，它的目的是获得马氏体或下贝氏体，但主要是马氏体。从性能上看，它是为 了强化材料，提高材料强度或硬度。一、淬火工艺为了获得好的淬火效果，就必须制定正确的淬火工艺参数。1、加热温度根据钢的成分确定，亚共析钢加热到Ac3 3070C，共析、过共析钢加热到Acl 3070C； 根据铁碳相图进行解释。例如，45钢的Ac3=780C，其淬火温度为840860C；T8、T12钢的Ac1=730C，其淬火温度为760780C； 合金钢由于合金元素的影响，加热温度比碳钢高，具体情况可以查阅热处理手册。2、加热时间 一般将升温时间和保温时间加在一起，称为加热时间。加热时间的确定应考虑二个问题，一个是材料的均温，一 个是组织转变的时间。淬火加热时间与零件的尺寸和加热设备有关，可按下列经验公式确定；T = aXD ；其中a是系数，一般取11.5； D是零件的有效厚度。3、淬火冷却介质淬火冷却速度应大于VK，但不是越快越好，在保证大于VK的前提下应尽量缓慢，这主要是为了避免出现大的应 力，引起