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1、Chap5钢的热处理（原理、工艺、其它类型）Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望第一节第一节 概述概述l1、热处理热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺.l为简明表示热处理为简明表示热处理的基本工艺过程，的基本工艺过程，通常用温度通常用温度时间时间坐标绘出坐标绘出热处理工热处理工艺曲线艺曲线。 l 热处理在机械制造中具有重要的地位和作用，适当的热热
2、处理在机械制造中具有重要的地位和作用，适当的热处理可以处理可以显著提高钢的机械性能显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿延长机器零件的使用寿命命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料潜。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料潜力、降低结构重量、节省材料和能源，而且能够提高机械力、降低结构重量、节省材料和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。l消除铸锻焊等热加工工缺陷，细化晶粒，消除偏析，降低消除铸锻焊等热加工工缺陷，细化晶粒，消除偏析，降低内应力，使钢的组织和性能更均匀。内应力，使钢的组织和性能更均匀。l机械零件
3、加工的重要工序。高速钢制造钻头，预备热处理机械零件加工的重要工序。高速钢制造钻头，预备热处理降低硬度便于切削加工，最终热处理提高硬度和耐磨性。降低硬度便于切削加工，最终热处理提高硬度和耐磨性。l通过热处理可以使通过热处理可以使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物等特殊物理化学性能。理化学性能。 l在机床制造中在机床制造中约约60-70%的零的零件要经过热处理。件要经过热处理。l在汽车、拖拉机制造业中在汽车、拖拉机制造业中需需热处理的零件达热处理的零件达70-80%。l热处理是一种重要的加工工艺，热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用在制造业被广泛应用. l模具、
4、滚动轴承模具、滚动轴承100%需经过需经过热处理。热处理。l总之，重要零件总之，重要零件都需适当热处都需适当热处理后才能使用。理后才能使用。 l2、热处理特点、热处理特点: 热处理热处理区区别于其他加工工艺如铸造别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是压力加工等的特点是只通只通过改变工件的组织来改变过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状性能，而不改变其形状。 铸造铸造轧制轧制l3、热处理适用范围、热处理适用范围:只适用于固态下发生只适用于固态下发生相变的材料相变的材料，不发生，不发生固态相变的材料不能固态相变的材料不能用热处理强化。用热处理强化。 l4、热处理分类、热处理分类 l热处理原
5、理：热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理热处理原理。l热处理工艺：热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称介质等参数称热处理工艺热处理工艺。(a)940淬火+220回火（板条M回+A少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板条M+条状F+A少）(e)940淬火+780淬火+220回火（板条M回+条状F+A少）(f)780淬火+220回火（板条M回+块状F） 20CrMnTi钢不同热处理工艺的显微组织钢不同热处理工艺的显微组织l根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将根据
6、加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：热处理工艺分类如下：其他热处理其他热处理普通热处理普通热处理表面热处理表面热处理热处理热处理退火退火正火正火淬火淬火回火回火真空热处理真空热处理形变热处理形变热处理激光热处理激光热处理控制气氛热处理控制气氛热处理表面淬火表面淬火感应加热、火焰加热、感应加热、火焰加热、电接触加热等电接触加热等化学热处理化学热处理渗碳、氮化、碳氮渗碳、氮化、碳氮共渗、渗其他元素等共渗、渗其他元素等l5、预备热处理与最终热处理、预备热处理与最终热处理l预备热处理预备热处理为随后的加工（冷拔、冲压、切削）为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作准备
7、的热处理。或进一步热处理作准备的热处理。l最终热处理最终热处理赋予工件所要求的使用性能的热处理赋予工件所要求的使用性能的热处理.预备热处理预备热处理最终热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线钢热处理工艺曲线时间时间温度温度/ 钢加热时的实际转变温度分别用钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示表示;冷却时的实际转变温度分别用冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。表示。l由于加热冷却速度直接影响转变温度，加热冷却速度由于加热冷却速度直接影响转变温度，加热冷却速度越快，滞后越严重。越快，滞后越严重。因此一般手册中的数据是以因此一般手册中的数据是以30-50
8、/h 的速度加热或冷却时测得的的速度加热或冷却时测得的.l6、临界温度与实际转变、临界温度与实际转变温度温度l铁碳相图中铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用线分别用A1、A3、Acm表示表示.l实际加热或冷却时存在着实际加热或冷却时存在着过热或过冷现象，因此将过热或过冷现象，因此将第二节第二节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变l加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1以下加以下加热，不发生相变；另一种是热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获得均在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称匀的奥氏体组织，称奥氏体化奥氏体化。
9、 奥氏体的化学成分、均匀化程奥氏体的化学成分、均匀化程度、晶粒大小以及未溶解的碳化物等过剩相的数量的分布。度、晶粒大小以及未溶解的碳化物等过剩相的数量的分布。l奥氏体化的目的是活的成分均匀，晶粒细小的奥氏体组织。奥氏体化的目的是活的成分均匀，晶粒细小的奥氏体组织。钢坯加热钢坯加热l一、一、奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程l奥氏体化也是形核和长大的过奥氏体化也是形核和长大的过程，程，分为四步。现以共析钢为分为四步。现以共析钢为例说明：例说明：l第二步第二步 奥氏体长大：奥氏体长大： 晶粒长大是通晶粒长大是通过渗碳体溶解、过渗碳体溶解、碳原子在碳原子在 和和Fe3C中中的扩散和铁素体向奥氏体转变的
10、扩散和铁素体向奥氏体转变。l第三步第三步 剩余剩余Fe3C溶解溶解: 铁素体的成分、铁素体的成分、 结构更接近于奥氏体，因而先消失。结构更接近于奥氏体，因而先消失。 残余的残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解随保温时间延长继续溶解 直至消失。直至消失。l第四步第四步 奥氏体成分均匀化：奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解溶解l第一步第一步 奥氏体形核：首先在奥氏体形核：首先在 与与Fe3C相界形核。相界形核。界面处界面处C浓度不均匀，形核条件浓度不均匀，形核条件 Cc- 6.67%后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋
11、于均匀。共析钢奥氏体化过程共析钢奥氏体化过程l亚共析钢和过共析钢的奥亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本氏体化过程与共析钢基本相同相同。但由于先共析。但由于先共析 或或二次二次Fe3C的存在，要获得的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相全部奥氏体组织，必须相应加热到应加热到Ac3或或Accm以上以上.二、二、二、二、奥氏体晶粒长大及其影响因素奥氏体晶粒长大及其影响因素奥氏体晶粒长大及其影响因素奥氏体晶粒长大及其影响因素 l1、奥氏体晶粒长大、奥氏体晶粒长大l直接影响随后冷却过程中直接影响随后冷却过程中的转变、组织及性能。的转变、组织及性能。l奥氏体化奥氏体化刚结束时刚结束时的晶粒的晶粒度
12、称度称起始晶粒度起始晶粒度,此时晶粒此时晶粒细小均匀。细小均匀。 消失的瞬间。消失的瞬间。l随加热温度升高或随加热温度升高或长大，保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步，保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步，这也是一个自发的过这也是一个自发的过程。程。 奥氏体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同。奥氏体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同。 晶晶粒粒度度为为1-4 级级的的是是本本质质粗粗晶晶粒粒钢钢, 5-8 级级的的是是本本质质细细晶晶粒粒钢钢。前前者者晶晶粒粒长长大大倾倾向向大大，后后者晶粒长大倾向小。者晶粒长大倾向小。 l在某一具体加热条件下所得在某一具体加热条件下所得到的奥氏体的晶粒度称到的奥
13、氏体的晶粒度称实际实际晶粒度晶粒度。l930 10 / 38h加热时奥加热时奥氏体晶粒度称氏体晶粒度称本质晶粒度本质晶粒度。奥氏体晶粒的长大倾向。奥氏体晶粒的长大倾向。l2、影响奥氏体晶粒长大的因素、影响奥氏体晶粒长大的因素l加加热热温温度度和和保保温温时时间间: 加加热热温温度高、保温时间长度高、保温时间长, 晶粒粗大晶粒粗大. 扩散扩散l加加热热速速度度: 加加热热速速度度越越快快,过过热热度越大度越大, 形核率越高形核率越高, 晶粒越细晶粒越细.l合金元素：合金元素：l阻碍奥氏体晶粒长大的元素阻碍奥氏体晶粒长大的元素: Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等形成高熔点等形成高
14、熔点弥散弥散碳化物和氮化物碳化物和氮化物析出颗粒析出颗粒对黄铜晶对黄铜晶界的钉扎界的钉扎Nb/%奥氏体晶粒尺寸奥氏体晶粒尺寸/mNb、Ti对对奥氏体晶粒的影响奥氏体晶粒的影响l促进奥氏体晶粒长大的元素：促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。削。削弱铁原子结合力，加速铁原子扩散。弱铁原子结合力，加速铁原子扩散。l 原始组织原始组织: 平衡状态的组织有利于获得细晶粒。平衡状态的组织有利于获得细晶粒。奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处
15、理的关键问题之一。匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。箱式可控气氛多用炉箱式可控气氛多用炉真空热处理炉真空热处理炉过冷奥氏体过冷奥氏体过冷奥氏体过冷奥氏体转变图转变图转变图转变图l大多数构件在室温工作，性能取决于过冷奥氏体的转变后的大多数构件在室温工作，性能取决于过冷奥氏体的转变后的组织。铸锻焊。组织。铸锻焊。等温转变等温转变和和连续冷却转变连续冷却转变两种。两种。 l在在A1温度以下存在，且不稳定将要发生转变的奥氏体。温度以下存在，且不稳定将要发生转变的奥氏体。第三节第三节 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变两种冷却方式示意图两种冷却方式示意图1等温冷却等温冷却 温度、时间影响温度、时间影响
16、2连续冷却连续冷却温度范围、过冷度变温度范围、过冷度变化、粗细不同或类型化、粗细不同或类型不同的混合组织不同的混合组织Ar1l过冷奥氏体的等温转过冷奥氏体的等温转变图变图是是表示奥氏体急表示奥氏体急速冷却到临界点速冷却到临界点A1 以以下在各不同温度下的下在各不同温度下的保温过程中转变量与保温过程中转变量与转变时间的关系曲线转变时间的关系曲线.又称又称C 曲线、曲线、S 曲线曲线或或TTT曲线。曲线。 过冷奥氏体的等温转变图过冷奥氏体的等温转变图(Time-Temperature-Transformation diagram)l1、C曲线的建立曲线的建立l以共析钢为例：以共析钢为例：l取一批小
17、试样取一批小试样并进行奥氏体化并进行奥氏体化.l将试样分组淬将试样分组淬入低于入低于A1 点的不点的不同温度的盐浴中同温度的盐浴中,隔一定时间取一隔一定时间取一试样淬入水中。试样淬入水中。 l测定每个试样的转变测定每个试样的转变量，确定各温度下转变量，确定各温度下转变量与转变时间的关系。量与转变时间的关系。l将各温度下转变开始将各温度下转变开始时间及终了时间标在温时间及终了时间标在温度度时间坐标中，并分时间坐标中，并分别连线。别连线。l转变开始点的连线称转变开始点的连线称转转变开始线变开始线。转变终了点转变终了点的连线称的连线称转变终了线转变终了线。lA1-Ms 间及转间及转变开始线以左变开始
18、线以左的区域为的区域为过冷过冷奥氏体区。奥氏体区。l转变终了线以转变终了线以右及右及Mf以下为以下为转变产物区。转变产物区。l两线之间及两线之间及Ms与与Mf之间为之间为转转变区变区。时间时间温温度度A1MSMfA过过冷冷PBMAMABAP转变开始线转变开始线转变终了线转变终了线奥奥氏氏体体5506502s10s5s2s5s10s30s40sl2、C 曲线的分析曲线的分析l 转变开始线与纵转变开始线与纵坐标之间的距离为坐标之间的距离为孕育期孕育期。l孕育期越小，过冷孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小奥氏体稳定性越小.l孕育期最小处称孕育期最小处称C 曲线的曲线的“鼻尖鼻尖”。碳钢鼻尖处的温度碳钢
19、鼻尖处的温度为为550。l在鼻尖以上在鼻尖以上, 温度较高，温度较高，受相变驱动力控制，受相变驱动力控制，过冷度增大，驱动力过冷度增大，驱动力增大。增大。l在鼻尖以下，温度较在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。低，扩散困难。从而从而使奥氏体稳定性增加。使奥氏体稳定性增加。 l C曲线明确表示了曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物。度下的等温转变产物。l3、影响、影响C 曲线的因素曲线的因素l 成分的影响成分的影响 l 含碳量的影响：含碳量的影响：共析钢的过冷奥氏体最稳定，共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲曲线最靠右。线最靠右。Ms 与与Mf 点随含碳量增加而下降。点随含
20、碳量增加而下降。 l与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C曲线的上部各曲线的上部各多一条先共析相的析出线。多一条先共析相的析出线。 CrCr对对C C曲线的影响曲线的影响l 合金元素的影响合金元素的影响l除除Co 外外, 凡溶入奥凡溶入奥氏体的合金元素都氏体的合金元素都使使C 曲线右移。曲线右移。lCrMoWVTi 右移右移l除除Co和和Al 外外,所有合金元所有合金元素都使素都使Ms 与与Mf 点下降。点下降。推杆式电阻炉推杆式电阻炉l 奥氏体化条件的影响奥氏体化条件的影响l奥氏体化温度越低，保温时间越短，奥氏体晶粒越细，奥氏体化温度越低，保温时间越短，奥氏体晶粒
21、越细，未溶解的第二相越多，奥氏体的碳浓度和合金元素浓未溶解的第二相越多，奥氏体的碳浓度和合金元素浓度越不均匀，从而促进奥氏体在冷却过程中的分解，度越不均匀，从而促进奥氏体在冷却过程中的分解，降低了过冷奥氏体的稳定性，使降低了过冷奥氏体的稳定性，使C 曲线左移。曲线左移。l拉应力和塑性变形促进奥氏体的等温转变。拉应力和塑性变形促进奥氏体的等温转变。 第三节第三节 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变l 过冷奥氏体的转变产物及转变过程过冷奥氏体的转变产物及转变过程l处于临界点处于临界点A1以下的奥氏体称以下的奥氏体称过冷奥氏体过冷奥氏体。过冷奥过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。氏体是非稳定组织，
22、迟早要发生转变。随过冷度不随过冷度不同，过冷奥氏体将发生同，过冷奥氏体将发生珠光体转变珠光体转变、贝氏体转变贝氏体转变和和马氏体转变马氏体转变三种类型转变。三种类型转变。l现以共析钢为例说明：现以共析钢为例说明： l 片状珠光体转变片状珠光体转变l1、珠光体的组织形态及性能、珠光体的组织形态及性能l过冷奥氏体在过冷奥氏体在 A1到到 550间将转间将转变为珠光体类型组织变为珠光体类型组织，它是，它是铁素铁素体与渗碳体片层相间的机械混合体与渗碳体片层相间的机械混合珠光体珠光体索氏体索氏体托氏体托氏体物物，根据片，根据片层厚薄不同层厚薄不同,又细分为又细分为珠珠光体光体、索氏索氏体体和和托氏体托氏
23、体.l 珠光体：珠光体：l形成温度为形成温度为A1-650，片层较厚，片层较厚，500倍光镜倍光镜下可辨，用符号下可辨，用符号P表示表示.光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌三维珠光体如同放在水中的包心菜三维珠光体如同放在水中的包心菜l 索氏体索氏体形成温度为形成温度为650-600,片层较薄，片层较薄，800-1000倍光镜下可倍光镜下可辨，用符号辨，用符号S 表示。表示。电镜形貌电镜形貌光镜形貌光镜形貌l 托氏体托氏体l形成温度为形成温度为600-550，片层极薄，电镜下可辨，片层极薄，电镜下可辨，用符号用符号T 表示。表示。电镜形貌电镜形貌光镜形貌光镜形貌l珠光体、索氏体、屈氏体珠光
24、体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。片间距片间距 bHRC l片间距越小，钢的强度、片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性硬度越高，而塑性和韧性略有改善。略有改善。 l2、珠光体转变过程、珠光体转变过程l珠光体转变也是形核和长大的过程。珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥 长大，形成一个珠光体团。长大，形成一个珠光体团。l珠光体转变是扩散型转变。珠光体转变是扩散型转变。氏体
25、的含碳氏体的含碳量下降，促量下降，促进了铁素体进了铁素体形核，两者形核，两者相间形核并相间形核并珠光体转变珠光体转变珠光体转变过程珠光体转变过程珠珠光光体体转转变变过过程程观观察察粒状珠光体粒状珠光体l渗碳体呈颗粒状分渗碳体呈颗粒状分布在连续的铁素体布在连续的铁素体基体中。基体中。过冷奥氏体直接分解过冷奥氏体直接分解片状珠光体球化片状珠光体球化淬火组织回火淬火组织回火l 贝氏体转变贝氏体转变l1、贝氏体的组织形态及贝氏体的组织形态及性能性能l过冷奥氏体在过冷奥氏体在550- 230 (Ms)间将转变为间将转变为贝氏体类型组织，贝氏贝氏体类型组织，贝氏体用符号体用符号B表示。表示。l根据其组织形
26、态不同，根据其组织形态不同，贝氏体贝氏体又分为又分为上贝氏体上贝氏体(B上上)和和下贝氏体下贝氏体(B下下).上贝氏体上贝氏体下贝氏体下贝氏体l 上贝氏体上贝氏体l形成温度为形成温度为550-350。l在光镜下呈在光镜下呈羽毛状羽毛状.l在电镜下为在电镜下为不连续不连续棒状的渗碳体分布棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁晶内平行生长的铁素体条之间。素体条之间。光镜下光镜下电镜下电镜下l下贝氏体下贝氏体l形成温度为形成温度为350-Ms。l在光镜下呈在光镜下呈竹叶状。竹叶状。光镜下光镜下电镜下电镜下l在电镜下为在电镜下为细片状碳细片状碳化物分布于铁素体针化物分布于铁素
27、体针内，并与铁素体针长内，并与铁素体针长轴方向呈轴方向呈55-60角。角。l上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。l下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。强化组织之一。 上贝氏体上贝氏体贝氏体组织的透射电镜形貌贝氏体组织的透射电镜形貌下贝氏体下贝氏体l2、贝氏体转变过程、贝氏体转变过程l贝氏体转变也是形贝氏体转变也是形核和长大的过程。核和长大的过程。l发生贝氏体转变时发生贝氏体转变时,首先在奥氏体中的首先在
28、奥氏体中的贫碳区形成铁素体贫碳区形成铁素体晶核，其含碳量介晶核，其含碳量介于奥氏体与平衡铁于奥氏体与平衡铁素体之间，为素体之间，为过饱过饱和铁素体。和铁素体。l当转变温度较高当转变温度较高（550-350) 时，条片状铁素体从时，条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条间析出间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成短棒，奥氏体消失，形成B上上 。上贝氏体转变过程上贝氏体转变过程上上贝贝氏氏体体转转变变过过程程观观察察l贝氏体转变属半扩散型转变贝氏体转
29、变属半扩散型转变，即只有碳原子扩散而，即只有碳原子扩散而铁原子不扩散，铁原子不扩散，晶格类型改变是通过切变实现的。晶格类型改变是通过切变实现的。 l当转变温度较低（当转变温度较低（350- 230) 时，铁素体在晶界或时，铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状，由于碳原子扩散能力低晶内某些晶面上长成针状，由于碳原子扩散能力低,其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。 下贝氏体转变下贝氏体转变Because bainitic steels have a finer structu
30、re (i.e., smaller -ferrite and particles),they are generally stronger and harder than pearlitic ones; yet they exhibit adesirable combination of strength and ductility.l 马氏体转变马氏体转变l当奥氏体以大于临界速度当奥氏体以大于临界速度的速度冷却的速度冷却(抑制抑制P和和B)，且过冷到且过冷到Ms以下将转变为以下将转变为马氏体类型组织。马氏体类型组织。l马氏体转变是强化钢的重马氏体转变是强化钢的重要途径之一。要途径之一。l1、
31、马氏体的晶体结构、马氏体的晶体结构马氏体组织马氏体组织l碳在碳在 -Fe中的过饱和固溶体称中的过饱和固溶体称马氏体马氏体，用用M表示。表示。l马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中.l马氏体具有体心正方晶格（马氏体具有体心正方晶格（a=bc）l轴比轴比c/a 称马氏体的正方度称马氏体的正方度。lC% 越高，正方度越大，正方畸变越严重。越高，正方度越大，正方畸变越严重。l当当0.25%C时，时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格，此时马氏体为体心立方晶格.l2、马氏体的形态、马氏体的形态l马氏体的形态分马氏体的形态分板板条条和和针状针状两类。两
32、类。l 板条马氏体板条马氏体l立体形态为细长的立体形态为细长的扁棒状扁棒状l在光镜下板条马氏在光镜下板条马氏体为一束束的细条体为一束束的细条组织。组织。光镜下光镜下电镜下电镜下l每束内条与条之间尺每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行寸大致相同并呈平行排列，一个奥氏体晶排列，一个奥氏体晶粒内可形成几个取向粒内可形成几个取向不同的马氏体束。不同的马氏体束。l在电镜下，板条内的在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度亚结构主要是高密度的位错，的位错， =1012/cm2,又称又称位错马氏体位错马氏体。SEMTEMl 针状马氏体针状马氏体l立体形态为双凸透镜形的立体形态为双凸透镜形的片状片状。显微组织为针
33、状。显微组织为针状。l在电镜下，亚结构主要是在电镜下，亚结构主要是孪晶孪晶，又称，又称孪晶马氏体孪晶马氏体。电镜下电镜下电镜下电镜下光镜下光镜下l 马氏体的形态主要马氏体的形态主要取决于其含碳量取决于其含碳量lC%小于小于0.2%时，时，组组织几乎全部是织几乎全部是板条马板条马氏体氏体。lC%大于大于1.0%C时时几几乎全部是乎全部是针状马氏体针状马氏体.lC%在在0.21.0%之间之间为为板条与针状的混合板条与针状的混合组织组织。马氏体形态与含碳量的关系马氏体形态与含碳量的关系0.45%C0.2%C1.2%C45钢正常淬火组织钢正常淬火组织l先形成的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒，但不能穿先形成
34、的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒，但不能穿过晶界和孪晶界。过晶界和孪晶界。后形成的马氏体片不能穿过先形后形成的马氏体片不能穿过先形成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小.l原始奥氏体晶粒原始奥氏体晶粒细，转变后的马细，转变后的马氏体片也细。氏体片也细。l当最大马氏体片当最大马氏体片细到光镜下无法细到光镜下无法分辨时，该马氏分辨时，该马氏体称体称隐晶马氏体隐晶马氏体.马马氏氏体体转转变变观观察察l3、马氏体的性能、马氏体的性能l高硬度高硬度是马氏体性是马氏体性能的主要特点。能的主要特点。l马氏体的硬度主要马氏体的硬度主要取决于其含碳量。取决于其含碳量
35、。l含碳量增加，其硬含碳量增加，其硬度增加。度增加。l当含碳量大于当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。时，其硬度趋于平缓。l合金元素对马氏体硬度的影响不大。合金元素对马氏体硬度的影响不大。马氏体硬度、韧性与含碳量的关系马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C%l马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。l马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针针状马氏体脆性大，状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性板条马
36、氏体具有较好的塑性和韧性.针状马氏体针状马氏体板条马氏体板条马氏体马氏体的透射电镜形貌马氏体的透射电镜形貌l4、马氏体转变的特点、马氏体转变的特点l马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点是：马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点是：l无扩散性无扩散性l铁和碳原子铁和碳原子都不扩散都不扩散，因而马氏体因而马氏体的含碳量与的含碳量与奥氏体的含奥氏体的含碳量相同。碳量相同。l 共格切变性共格切变性l由于无扩散，晶格转变是以切由于无扩散，晶格转变是以切变机制进行的。变机制进行的。使切变部分的使切变部分的形状和体积发生变化，形状和体积发生变化，引起相引起相邻奥氏体随之变形，在预先抛邻奥氏体随之变
37、形，在预先抛光的表面上产生浮凸现象。光的表面上产生浮凸现象。 马氏体转变马氏体转变切变示意图切变示意图马氏体转变产生的表面浮凸马氏体转变产生的表面浮凸l 降温形成降温形成l马氏体转变开始的温度称马氏体转变开始的温度称上马氏体点上马氏体点，用，用Ms 表示表示.l马氏体转变终了温度称马氏体转变终了温度称下马氏体点下马氏体点，用，用Mf 表示表示.l只要温度达到只要温度达到Ms以下即以下即发生马氏体转变。发生马氏体转变。l在在Ms以下，随温度下降以下，随温度下降,转变量增加，冷却中断转变量增加，冷却中断,转变停止。转变停止。MfMsM(50%)M(90%)l高速长大高速长大l马氏体形成速度极快，马
38、氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大瞬间形核，瞬间长大。l当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的马氏体产生裂纹。马氏体产生裂纹。l 转变不完全转变不完全 l即使冷却到即使冷却到Mf 点，点，也不可能获得也不可能获得100%的马氏体，总有部的马氏体，总有部分奥氏体未能转变分奥氏体未能转变而残留下来，称而残留下来，称残余奥氏体残余奥氏体，用，用A 或或 表示。表示。l(6) 特定的惯习面和惯习方向特定的惯习面和惯习方向lMs、Mf 与冷速无关，与冷速无关，主要取决于奥氏体中的合主要取决于奥氏体中的合金元素含量（包括碳含量）金元素含量（包括碳含量）。
39、l马氏体转变后，马氏体转变后，A 量随含碳量的增加而增加量随含碳量的增加而增加，当当含碳量达含碳量达0.5%后，后，A量才显著。量才显著。含含 碳碳 量量 对对 马马 氏氏体转体转 变变 温温 度度 的的 影响影响含碳含碳 量对残余奥量对残余奥氏体氏体 量的影响量的影响In contrast to pearlitic steels, strength and hardness of martensite are not thought to be related to microstructure. Rather, these properties are attributed to the
40、effectiveness of the interstitial carbon atoms in hindering dislocation motion (as a solid-solution effect), and to the relatively few slip systems (along which dislocations move) for the BCT structure.过冷奥氏体转变产物（共析钢）过冷奥氏体转变产物（共析钢） 转变转变类型类型转变转变产物产物形成温形成温度，度， 转变转变机制机制显微组织特征显微组织特征HRC获得获得工艺工艺珠珠光光体体PA165
41、0扩扩散散型型粗片状，粗片状，F、Fe3C相间分布相间分布5-20退火退火S650600细片状，细片状，F、Fe3C相间分布相间分布20-30正火正火T600550极细片状，极细片状，F、Fe3C相间分布相间分布30-40等温等温处理处理贝贝氏氏体体B上上550350半扩半扩散型散型羽毛状，短棒状羽毛状，短棒状Fe3C分布于分布于过饱和过饱和F条之间条之间40-50等温等温处理处理B下下350MS竹叶状，细片状竹叶状，细片状Fe3C分布于分布于过饱和过饱和F针上针上50-60等温等温淬火淬火马马氏氏体体M针针MSMf无扩无扩散型散型针状针状60-65淬火淬火M*板条板条MSMf板条状板条状50
42、淬火淬火l 过冷奥氏体连续冷却转变图过冷奥氏体连续冷却转变图又称又称CCT(Continuous-Cooling-Transformation diagram)曲线，是通曲线，是通过测定不同冷速下过过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获冷奥氏体的转变量获得的。得的。共析钢共析钢CCT曲线中珠曲线中珠光体转变开始线和终光体转变开始线和终了线均在了线均在TTT曲线的曲线的右下方右下方。说明：。说明：CCT的转变温度较低，孕的转变温度较低，孕育期较长。育期较长。l1、共析钢的共析钢的CCT曲线曲线共析钢的共析钢的CCT曲线没曲线没有贝氏体转变区，在有贝氏体转变区，在珠光体转变区之下多珠光体转变区之下多
43、了一条转变中止线。了一条转变中止线。当连续冷却曲线碰到当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光转变中止线时，珠光体转变中止，余下的体转变中止，余下的奥氏体一直保持到奥氏体一直保持到Ms以下转变为马氏体。以下转变为马氏体。l图中的图中的Vk 为为CCT曲线的曲线的临界冷却临界冷却速度速度，即获得全即获得全部马氏体组织时部马氏体组织时的最小冷却速度的最小冷却速度.lVk 为为TTT曲线曲线的临界冷却速度的临界冷却速度. Vk 1.5 Vk 。P均匀均匀A细细AP退火退火(炉冷炉冷)正火正火(空冷空冷)S淬火淬火(油冷油冷)T+M+AM+A淬火淬火(水冷水冷)A1MSMf时间时间650600550共析钢
44、的共析钢的CCT图图l2、过共析钢过共析钢CCT曲线也无贝氏体转变区曲线也无贝氏体转变区, 但比共析钢但比共析钢CCT曲线多一条曲线多一条AFe3C转变开始线。由于转变开始线。由于Fe3C的的析出析出, 奥氏体中含碳量下降奥氏体中含碳量下降, 因而因而Ms 线右端升高线右端升高.l3、亚共析钢、亚共析钢CCT 曲线有贝氏体转变区，还多曲线有贝氏体转变区，还多AF开始线开始线, F析出使析出使A含碳量升高含碳量升高, 因而因而Ms 线右端下降线右端下降. 过共析钢过共析钢CCT曲线曲线亚共析钢亚共析钢CCT曲线曲线l普通热处理普通热处理 退火退火 正火正火 淬火淬火 回火回火l表面热处理表面热处
45、理 表面淬火表面淬火 化学热处理化学热处理l形变热处理形变热处理第四节第四节 钢的退火与正火钢的退火与正火 l机械零件的一般加工工艺为：机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）毛坯（铸、锻）预预 备热处理备热处理机加工机加工最终热处理。最终热处理。l退火与正火主要用于退火与正火主要用于预备热处理预备热处理，只有当，只有当工件性能要求不高时工件性能要求不高时才作为最终热处理。才作为最终热处理。 一、退火一、退火l将钢加热至适当温将钢加热至适当温度保温，然后缓慢度保温，然后缓慢冷却冷却 (炉冷炉冷) 获得近获得近于平衡状态组织的于平衡状态组织的热处理工艺。热处理工艺。l1、退火目的、退火目的l调调
46、整整硬硬度度，便便于于切切削削加加工工。适适合合加加工工的的硬硬度度为为170-250HB。l 消除内应力和加工硬化，消除内应力和加工硬化，防止加工中变形。防止加工中变形。l 细化晶粒，均匀成分和组织。为最终热处理作细化晶粒，均匀成分和组织。为最终热处理作组织准备。组织准备。 真空退火炉真空退火炉l2、退火工艺、退火工艺l退火的种类很多，常用的有退火的种类很多，常用的有完全退火完全退火、等温退火等温退火、球化退火球化退火、扩散退火扩散退火、去应力退火去应力退火、再结晶退火再结晶退火。l 完全退火完全退火l将工件加热到将工件加热到Ac3+3050保保温后缓冷的退温后缓冷的退火工艺，火工艺，主要主
47、要用于亚共析钢用于亚共析钢 和焊接件和焊接件. l 等温退火等温退火l亚共析钢加热到亚共析钢加热到Ac3+3050, 共析共析、过共析钢加热过共析钢加热到到Ac1+3050，保温后快冷到，保温后快冷到Ar1以下的某一温度以下的某一温度下停留，待相变完成后出炉空冷。下停留，待相变完成后出炉空冷。等温退火可缩短等温退火可缩短工件在炉内停留时间，更适合于孕育期长的合金钢工件在炉内停留时间，更适合于孕育期长的合金钢. 高速钢等温退火与普通退火的比较高速钢等温退火与普通退火的比较l 球化退火球化退火l球化退火球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。l它是将工件加热到它是将
48、工件加热到Ac1+ 30-50 保温后保温后缓冷，或者加热后冷缓冷，或者加热后冷却到略低于却到略低于 Ar1 的温的温度下保温，使珠光体度下保温，使珠光体中的渗碳体球化后出中的渗碳体球化后出炉空冷。炉空冷。主要用于共主要用于共析、过共析钢。析、过共析钢。l球化退火的组织为铁素体基球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的体上分布着颗粒状渗碳体的组织，称组织，称球状珠光体球状珠光体, 用用P球球表示。表示。球状珠光体球状珠光体l对于有网状二次渗碳体的对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应过共析钢，球化退火前应先进行先进行正火正火，以消除网状，以消除网状.l退火扩散退火扩散：均匀化退火
49、：均匀化退火1000-1200 1015h 铸铸件中的枝晶偏析，使成分均匀化。件中的枝晶偏析，使成分均匀化。 过热（晶粒过热（晶粒剧烈长大）再进行完全退火或正火消除过热缺剧烈长大）再进行完全退火或正火消除过热缺陷。陷。l去应力退火去应力退火：低温退火。消除加工件中的残余：低温退火。消除加工件中的残余应力，稳定尺寸，减少变形。应力，稳定尺寸，减少变形。l再结晶退火再结晶退火：l二、正火二、正火l正火是将正火是将亚共析钢亚共析钢加热到加热到Ac3+30 50，共析钢共析钢加热加热到到Ac1+3050，过共析钢过共析钢 加热到加热到Accm+30 50保温保温 后后空冷得到珠光体类组织空冷得到珠光体
50、类组织。l正火比退火冷却速度大正火比退火冷却速度大。l1、正火后的组织：、正火后的组织： 11012cm2)，使亚晶粒极大地细化，并形，使亚晶粒极大地细化，并形成较高的宏观残余压应力，因而提高工件的抗疲劳性能和成较高的宏观残余压应力，因而提高工件的抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能抗应力腐蚀性能l例：将例：将1Crl3不锈钢采用喷丸强化处理后，将试样加载产不锈钢采用喷丸强化处理后，将试样加载产生生420MPa的拉应力，并放入的拉应力，并放入150的饱和水蒸汽中作应力的饱和水蒸汽中作应力腐蚀试验。腐蚀试验。 结果未喷丸的在一周内断裂，而喷丸后的试结果未喷丸的在一周内断裂，而喷丸后的试样到样到8周后才断裂
51、。周后才断裂。l常用的喷丸有铸铁弹丸常用的喷丸有铸铁弹丸(含含2.753.60C，5865HRC，经退火提高韧性，硬度降低为，经退火提高韧性，硬度降低为3057HRC,弹丸直径弹丸直径d=0.21.5mm)，钢弹丸，钢弹丸(含含0.7C的弹簧钢或不锈钢，的弹簧钢或不锈钢，4550HRC,d=0.41.2mm)和玻璃弹丸和玻璃弹丸(4650 HRC，d=0.050.4mm)l喷丸设备可采用机械离心式喷丸机或气动式喷丸喷丸设备可采用机械离心式喷丸机或气动式喷丸机机l l2. 2. 滚压滚压滚压滚压l滚压强化适用于外圆柱面，锥面，平面，齿面，滚压强化适用于外圆柱面，锥面，平面，齿面，螺纹，圆角，沟槽及其它特殊形状的表面，滚压螺纹，圆角，沟槽及其它特殊形状的表面，滚压加工属于少无切削加工，能较容易地压平工件表加工属于少无切削加工，能较容易地压平工件表面的粗糙度凸峰，使表面粗糙度面的粗糙度凸峰，使表面粗糙度Ra达到达到0.40.1m，同时不切断金属纤维，增加滚压层的位错，同时不切断金属纤维，增加滚压层的位错密度，形成有利的残余压应力，提高工件的耐磨密度，形成有利的残余压应力，提高工件的耐磨性和疲劳强度性和疲劳强度l例如，滚压螺纹比车削螺纹提高生产率例如，滚压螺纹比车削螺纹提高生产率1030倍，倍，抗拉强度提高抗拉强度提高20%30%，疲劳强度提高，疲劳强度提高50%
