05 钢的热处理-(《工程材料》机械专业)[研究材料]
工程材料及热加工—钢的热处理原理
一、概述 二、钢的热处理原理
一、概述
1、定义： 将钢在固态下通过不同的加热、保温、冷却来改变金属 整体或表层的组织，从而改善和提高其性能的一种热加工 工艺。 工艺曲线：
2、目的： • 充分发挥材料的性能潜力。 • 调整材料的工艺性能和使用性能。
3、分类： • 普通热处理：整体穿透加热 • 表面热处理：表层的成分、组织、性能 • 特殊热处理：形变热处理、真空热处理
⑶ 马氏体型转变 • 定义：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， 转变产物称为马氏体，马氏体是碳溶于α-Fe中的过饱和间隙式固溶体， 记为M。 • 转变特点：⑴无扩散性： ⑵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Ms~Mf 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。 • 组织形态：钢中马氏体的形态很多，其中板条马氏体和片状马氏体最 为常见。 ⑴板条马氏体: 低碳钢＜0.2﹪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，故称为板条马氏体。板条马氏体的亚结构主要 为高密度的位错，故又称为位错马氏体。
二、钢的热处理原理
1、钢的临界温度 铁碳合金相图中组织转变的临界温度A1、A3、Acm 是在极其缓慢的加热和冷却条件下测定的。而在热处理中， 加热和冷却并不是极其缓慢的，和相图的临界温度相比发 生一定的滞后现象，也就是通常所说的需要有一定的过热 和过冷，组织转变才能充分进行。与相图上A1、A3、Acm 相对应，通常把实际加热时的临界温度用Ac1、Ac3、 Accm 表示，把实际冷却时的临界温度用Ar1、Ar3、Arcm 表示。
钢的热处理
钢的热处理
钢是最常见的金属材料，由于其优越的物理性能和加工性能，钢广泛应用于各行各业，因而需要进行热处理来提高其性能。
热处理是一种处理方法，它将钢通过加热、冷却、调质等物理方法，在获得所需性能的同时，改变钢的组织结构。
热处理的方法有很多，其中包括正火处理和退火处理等。
正火处理是指在高温下，将钢的组织结构变得更加紧密，使其力学性能和强度提高。
正火处理通常可以用于提高钢的强度、耐腐蚀性和耐磨损性能。
退火处理指将加热后的钢放置在一定的温度，然后慢慢冷却，直至钢内部的组织结构发生变化，使其柔韧性和可塑性提高。
退火处理可以用于提高钢的塑性和韧性，以及防止它易于疲劳断裂。
此外，调质处理也是一种常见的热处理方法，它可以改变钢内部的组织结构，从而改变钢的物理性能和化学成分。
以上就是热处理的基本内容，不同的热处理方法可以满足不同的需求，根据钢材的需求和性能，采取适当的热处理技术来改善钢材的性能，是提高钢材质量的重要手段。
为了使钢材的热处理质量更好，应严格控制热处理过程的参数，选择合适的热处理工艺，并加以监控，以确保热处理的质量。
钢的热处理是一项技术活动，也是一个复杂的系统工程，未来，热处理技术将会有更大的发展，同时，热处理技术也将会面临更大的挑战，以满足不断变化的市场需求。
gc05-1钢的热处理
1. 奥氏体是同时消耗两相来长大； 2. 实际上总是铁素体先消失，随后残余渗碳体 的溶解； 3. 奥氏体的均匀化，各处的碳浓度都达到平均 成分，随后所含其它合金元素经扩散达到成 分均匀； 4. 在铁素体和渗碳体的交界处形成奥氏体的核 心； 5. 亚(过)共析钢中过剩相的溶解(温度达到AC3或 Accm以上)。
奥氏体碳质量分数 与MS、Mf的位臵关系
碳质量分数 与残余A量的关系
②马氏体的形态 马氏体的形态有两类，主要取决于含碳量
●碳质量分数大于1.0%时，为片状马氏体 （高碳马氏体）。在光学显微镜中呈凸透镜状， ●碳质量分数在0.25%以下时，为板条马氏体 马氏体针之间形成一定角度(60°)。透射电镜分 （低碳马氏体）。 ●碳质量分数在0.25～1.0%之间时，为板条 析，片状马氏体内有大量孪晶，也称孪晶马氏体 在显微镜下为一束束平行排列的细板条。在 马氏体和针状马氏体的混和组织。 或针状马氏体。 高倍透射电镜下可看到板条马氏体内有大量位错 缠结的亚结构，所以也称位错马氏体。
加热、冷却时材料内部的微观结构如 何变化（热处理原理）？
问题2： 热处理工艺有哪些？工程实际中有何 应用？
根据加热和冷却及应用特点的不同，常用的热处理方法的大致 分类有：
第一节 钢在加热时的转变
一、奥氏体的形成
1.钢在加热时的临界温度 大多数热处理工艺将钢加热到临界温度以上， 获得全部或部分奥氏体组织，进行奥氏体化。
本质细晶粒钢：晶粒细小。 本质粗晶粒钢：晶粒粗大。
2. 影响奥氏体晶粒度的因素 （1）加热温度、加热速度和保温时间 加热温度越高或保温时间越长，奥氏体晶粒 长大越明显；而高温、快速、短时加热可获得细 小晶粒。 （2）钢的成分 ●奥氏体中碳含量增高，晶粒长大倾向增 大。未溶碳化物则阻碍晶粒长大。 ●钛、钒、铌、锆、铝有利于得到本质细 晶粒钢。碳化物、氧化物和氮化物弥散分布在 晶界上，能阻碍晶粒长大。 ●锰、磷促进晶粒长大。
机械工程材料钢的热处理实验报告
实验报告院系：课程名称: 日期:班级: 组号：学号：实验室：专业：姓名：教师签名：实验名称：钢的热处理实验成绩评定：实验仪器材料:箱式电炉若干，洛氏硬度计一台，45钢、T12钢试样若干(直径1.5CM)、淬火水槽-个. 实验目的要求：1.初步掌握普通热处理的基本工艺方法2、掌握成分(含碳量)、工艺（加温温度)对钢组织和性能的影响。
实验原理：热处理是将钢加热到一定温度、经过一定时间的保温，然后以一定速度冷却下来的操作，通过这样的工艺过程钢的组织和性能将发生改变。
普通热处理分为退火、正火，淬火和回火。
钢加热到一定温度保温后缓慢冷却(通常随炉冷却)至500℃以下空冷叫退火，得到接近平衡态的组织。
奥氏体化的钢在空气中冷却叫正火，得到共析铁素体（或渗碳体）加珠光体。
过冷奥氏体快冷(大于临界冷速)叫淬火，得到马氏体组织。
淬火钢再加热到A1以下会发生回火转变，随回火温度的升高分别得到回火马氏体，回火屈氏体和回火索氏体。
随冷却速度赠加，钢的硬度升高。
通常加热、保温的目的是为了得到成分均匀的细小的奥氏体晶粒，亚共析碳钢的完全退火、正火、淬火的加热温度范围是A c3+30~50℃，过失析钢的球化退火及淬火加热温度是A c1 +30~50℃，过共析钢的正火温度是A cⅢ+30~50℃，保温时间根据钢种，工件尺寸大小，炉子加热类型等由经验公式决定。
表格 1 碳钢普通热处理的加热温度、冷却方式、组织性能及应用范围表格 2 实验参数设计实验步骤：根据实验对45钢进行正淬火和回火热处理，并测定硬度，分析工艺对钢性能的影响。
结果分析:1.热处理条件加热温度、冷却速度、回温度等)对实验和性能的影响。
答：不同的条件下的材料组织和性能也会有所不同。
《钢的热处理》PPT课件
三) 转变产物的组织与性能
1.珠光体型 ( P ) 转变 ( A1～550℃ ) : A1～650℃ : P ; 5～25HRC; 片间距为0.6～0.7μm ( 500× )。
650～600℃ : 细片状P---索氏体(S); 片间距为0.2～0.4μm (1000×); 25～36HRC。
600～550℃:极细片状P---屈氏体(T); 片间距为＜0.2μm ( 电镜 ); 35～40HRC。
珠光体形貌像
光镜下形貌
电镜下形貌
索 氏 体 形 貌 像
光镜形貌
电镜形貌
屈 氏 体 形 貌 像
光镜形貌
电镜形貌
三) 转变产物的组织与性能
2.贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550～230℃ ) :
形成，F 与 Fe3C 层片相间的混合组 织，与此同时，在晶界其他部位又可能 产生新的晶核（ Fe3C 小片），并不断 交替生核长大，直到各种不同取向的P晶 团（群）彼此相遇，A全部转变为P。 由此可见，P的形成，包含两个不 同的过程： 通过C的扩散而使成分产生改变，即 由含C量0.8％（0.77％）的A 含 C量极高的Fe3C和含C量极低的F转变；
( % ) 50 40 30 20 10 0 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 Wc 100
钢材的热处理介绍
钢材的热处理介绍
一、铁碳平衡状态图
1、钢中铁碳合金基本金相组织及性能
2、铁碳合金基本组织分布状况-铁碳平衡状态图
注：①随着含碳量和所处温度不同，铁碳平衡状态的金相组织。
含量在1.0％以下，只有可能产生奥氏体、铁素体、渗碳体和珠光体；含碳量＞1.0％的，除上述四种外，还有莱氏体出现。
②同一含碳量的铁碳合金，随温升高或下降，金相组织的转变称为相变。
3、铁碳平衡状态图上的主要特性线
4、铁碳平衡状态图上的主要特性点
5、室温下铁碳合金平衡组织的名称
二、钢的热处理
钢的热处理有淬火、回火、退火和正火四种。
1、淬火
注：淬火代号为C，C47表示淬火回火至HRC45～50。
2、回火
3、退火
注：退火代号为TH。
TH185表示退火HBS170～200。
4、正火
注：①正火代号为Z，Z195表示正火后HBS 180～210；
②亚共析钢的淬火、退火和正火加热温度均在Ac3以上30～50℃，保温一段时间。
冷却速度不同，可得到三种不同热处理结果；
③回火则视低温、中温、高温要求不同，加热温度亦不同。
5、钢结构焊接件热处理方法
注：对中、高碳钢，合金钢和铸铁的焊接通常都要预热和焊后热处理
三、钢中主要合金元素的作用和有害杂质的影响
1、钢中合金元素的作用
2、钢中有害杂质的影响
注：氢、氧、氮统称钢中的有害气体；硫和磷为杂质元素。
钢的主要热处理方法
火,等温淬火等.
一般在250-400°C和450-600°C会出现二个低冲击区.低温区
Hh
把预先经淬火或正火的钢,重新加热到相变点以下温 度,并以适当的温度冷却,以提高其塑性和韧度的工艺
过程.
获得稳定的金相组织;降低或消除淬火应力;降低强 (硬)度,提高塑性,韧性有利于切削加工.
的脆性不能靠重新回火来消除,被称为:不可逆回火脆性.因 此,一般应避免在此温度区回火. 高温回火脆性在回火后缓慢冷却时发生,可用重新回火快速冷
形变热处理
消除铸件的内应力,稳定其形状尺寸.对于特殊钢及特 殊性能合金或有色合金可用以提高强度等.含碳量越
高,效果越显著.
在温室下完成的是自然时效;用加热来加速完成的是人工时 效.
提高一般淬火钢的耐磨性及疲劳寿命,稳定精密零件 的 尺寸,形状,能缩短工艺周期,降低工艺成本(减少
残余奥氏体组织).
保持工件的心部韧性和使表面具有较好的耐磨性;可 提高冲击韧性和疲劳强度等使用性能.它只改变工件
表层组织,不改变表面化学成分.
S,D,Td等是以表面强化为主,提高表面强度,耐磨性和 疲劳强度,心部能保持原有的强度和韧性.
氰化同时也可以提高表面的热硬性和耐蚀性能.渗金属如铬, 铝,硅等主要是改善表面的物理,化学性质,如抗氧化,耐酸蚀 等;渗铬,硅还能增加耐磨性.它能改变表面的成分和组织,基
渗层性质与化分相同的钢类似.网状碳化物,并为淬 火作好组织准备.也能改善切削性能(对于低碳钢).
与退火的区别是冷却速度大.正火后的组织是细珠光体和少量 铁素体或单一的珠光体,硬度也较高.
1).按加热温度分:完全淬火,不完全淬火等;
2).按加热速度分:普通加热淬火,快速加热淬火等;
是从某一适当的温度施行快速冷却的工艺操作.一般 使工件具备一定的显微组织,以保证某一截面部位在 3).按加热介质差异分:有空气中的氧化加热淬火,可控气氛保
钢的热处理工艺技术
钢的热处理工艺技术钢的热处理工艺技术是一种通过改变钢材的组织结构和性能来达到预期目标的方法。
不同的热处理工艺可以改善钢材的硬度、韧性、强度、耐磨性等性能，从而满足不同用途的要求。
以下是一些常见的钢的热处理工艺技术。
1. 退火：退火是将钢材加热到一定温度，然后缓慢冷却到室温。
退火能改善钢材的塑性和韧性，减少内部应力，使其易于加工和变形。
2. 淬火：淬火是将钢材加热到临界温度以上，然后迅速冷却到室温。
淬火能提高钢材的硬度和强度，但会降低其韧性。
常见的淬火方法包括水淬、油淬和气体淬火等。
3. 回火：回火是将已经淬火的钢材重新加热到一定温度，然后通过不同的冷却速率进行冷却。
回火能减少淬火时产生的脆性，提高钢材的韧性和抗疲劳性能。
4. 正火：正火是将钢材加热到过冷状态下的温度，然后冷却到室温。
正火能改善钢材的强度和韧性，减少内部应力。
5. 淬火和回火：淬火和回火是一种常用的复合热处理工艺。
先将钢材淬火，然后进行回火，能够在保持一定硬度的同时提高韧性。
6. 软化退火：软化退火是用于消除冷加工或焊接后的钢材内部应力和硬度的一种热处理方法。
通过加热到一定温度，然后进行适当速率的冷却，使钢材恢复到一定的韧性和塑性。
7. 预应力退火：预应力退火是一种用于提高钢材的强度和韧性的热处理方法。
通过在加热阶段施加机械应力，然后进行退火处理，能够在保持较高强度的同时提高韧性和耐疲劳性能。
以上是一些常见的钢的热处理工艺技术，每种方法在实践中都有其适用范围和特定工艺参数。
合理选择和控制热处理工艺，能够使钢材达到所需的性能要求，并满足具体工程应用的需要。
钢的热处理工艺技术是钢材加工和制造过程中非常重要的环节，它能够改善钢材的性能，增加其应用价值。
随着现代工业的发展，钢材的应用领域越来越广泛，对于不同类型的钢材，需要采用适当的热处理工艺来实现所需的性能要求。
首先，退火是最常见的钢材热处理工艺之一。
退火过程中钢材被加热到一定温度，然后缓慢冷却到室温。
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Mf
马氏体(M)转变区。
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16 0 调研学习 1
10
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103
104 时间(s)
5.3 钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变 ②共析钢等温转变产物的组织和特性
◆珠光体转变
过冷奥氏体在A1到 550℃间将
转变为珠光体类型组织；
珠光体
铁素体与渗碳体片层相间的机
械混合物；
转变温度越低，层间距越小；
10
调研学习
钢坯加热
5.2 钢的加热转变——(1)奥氏体形成过程
奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。 现以共析钢为例说明：
第一步奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核； 第二步奥氏体晶核长大： 晶核通过碳原子的扩散向 和Fe3C
方向长大； 第三步剩余Fe3C溶解：铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，
热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律； 热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介
质等参数。
(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）
奥氏体晶粒大小对钢的力学 性能的影响：
奥氏体晶粒均匀细小， 热处理后钢的力学性能 提高；
粗大的奥氏体晶粒在淬 火时容易引起工件产生 较大的变形甚至开裂。
14
调研学习
箱式可控气氛多用炉 真空热处理炉
5.3 钢的冷却转变
温 度
热 加
保温
临界温度
15
调研学习
连续冷却 等温冷却
时间
5.3 钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变
预备热处理——为随后的加工（冷拔、冲压、 切削）或进一步热处理作准备的热处理。
最终热处理——赋予工件所要求的使用性能的 热处理。
W18Cr4V钢热处理工艺曲线
8
调研学习 预备热处理
最终热处理
时间
5.1 概述——⑥临界温度与实际转变温度
铁碳相图中PSK、GS、 ES 线 分 别 用 A1 、 A3 、 Acm表示；
18 光调镜研下学习形貌
电镜下形貌
5.3 钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变 ②共析钢等温转变产物的组织和特性
◆珠光体转变——索氏体
形成温度为650～600℃, 片 层 较 薄 ， 800 ～ 1000 倍光镜下可辨；
①共析钢C曲线
温度
(℃)
A1
稳定的奥氏体区
700 600 500
过 冷 奥 氏 体
A
+ 产
物
A向产物转 变终止线
产 物 区
A1～550℃ 高温转变区；P转变区。
550～230℃
400
区
区 A向产物
300 Ms 转变开始线
中温转变区； 贝氏体(B)转变区。
200
230～－50℃
100
低温转变区；
为简明表示热处理 的基本工艺过程， 通常用温度—时间 坐标绘出热处理工 艺曲线。
3
调研学习
5.1 概述——②热处理的重要性
热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广
泛应用。
在 机床制造 中约 60-70%的零 件要经过热处理。
在汽车、拖拉机制造业中需热 处理的零件达70-90%。
4
调研学习
模具、滚动轴承100%需经过 热处理。
索氏体
根据片层厚薄不同,又细分为
珠光体(P)、索氏体(S)和屈氏
体(T)。
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调研学习
屈氏体
5.3 钢的冷却转变——(1)过冷奥氏体的等温转变 ②共析钢等温转变产物的组织和特性
◆珠光体转变——珠光体
形成温度为A1～650℃， 片层较厚，500倍光镜下 可辨；
用符号P表示。
三维珠光体如同放在水中的包心菜
，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3 12 或A调研cc学m习以上。
5.2 钢的加热转变 (2)奥氏体晶粒大小及其影响因素
珠光体向奥氏体转变完成时， 奥氏体的晶粒很细小，称此为 起始晶粒度；
随着加热温度升高和保温时间 延长，会出现晶粒长大现象， 在给定温度下的奥氏体晶粒度 称为实际晶粒度；
把钢加热到930±10℃保温8h，冷却后测得的晶粒度定为本质晶 粒度；
有些钢其奥氏体晶粒随温度的升高迅速长大，这种钢称为本质 粗晶粒钢；
有些钢其奥氏体晶粒长大倾向较小，只有加热到较高温度(93013 950℃调研以学习上)时，才显著长大——本质细晶粒钢。
5.2 钢的加热转变 (2)奥氏体晶粒大小及其影响因素
第五章 钢的热处理
1
调研学习
第5章 钢的热处理
改善钢的性能，主 要有两条途径：
一是合金化，这是 下几章研究的内容；
二是热处理，这
是本章要研究的内 容。
2
调研学习
5.1 概述——①什么是热处理？
热处理(heat treatment)：将固态金属或合金在
一定介质中加热、保温和冷却，以改变整体或表 面组织，从而获得所需材料性能的工艺过程。
总之，重要零件都需适当热处 理后才能使用。
5.1 概述——③热处理的特点及适用范围
热处理区别于其他加工工 艺如铸造、压力加工等的特 点是只通过改变工件的组
织来改变性能，而不改变
其形状。
铸造
适用于固态下发生组织转
变的材料，不发生固态相
变的材料不能用热处理来
轧制
5
调研学习
强化。
5.1 概述——④热处理的分类
因而先消失；残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失； 第四步奥氏体均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高 11 ，通调研过学长习 时间保温使奥氏体成分趋于均匀。
5.2 钢的加热转变——(1)奥氏体形成过程
亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢
基本相同。但由于先共析或二次Fe3C的存在
实际加热或冷却时存 在着过冷或过热现象。
钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、 Ac3、Accm表示；冷却时的实际转变温 9 度调分研学别习 用Ar1、Ar3、Arcm表示。
5.2 钢的加热转变
加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在 A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加 热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。
20CrMnTi钢不同热处理工艺的显微组织
6
调研学习
5.1 概述——④热处理的分类
根据加热、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：
退火
正火
热 普通热处理 淬火
处
回火
理 表面淬火——感应加热、火焰加热等
表面热处理
化学热处理——渗碳、渗氮、碳氮共渗等
7
调研学习
5.1 概述——⑤预备热处理与最终热处理