第三章 钢的热处理

第三章钢的热处理( Heat Treatment of Steel )本章教学目的及要求1 了解钢的热处理原理及工艺2 针对性能不同的机件会制定相应的热处理工艺金属固态相变的主要类型1 平衡转变（已在前面的章节中叙述过）1）纯金属的同素异构转变2）多形性转变（类似匀晶转变）3）共析转变4）平衡脱溶沉淀（二次相的析出）2 不平衡转变1）铁碳合金中的不平衡转变（1）伪共析转变（2）贝氏体转变（3）马氏体转变2）不平衡脱溶沉淀（AL 合金的淬火时效）绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章第一节概述一、热处理的定义时间温度保温热处理工艺曲线组织性能绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章二、热处理的应用范围三、热处理的分类热处理普通热处理表面热处理淬火回火表面淬火化学热处理感应加热淬火火焰加热淬火渗碳渗氮碳氮共渗等1 机床工业中占总量的60～70％，汽、拖工业占70～80％2 各种工具制造业达到100％退火正火绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章Ac3A3为了使钢件在热处理后获得所需的性能，对于大多数热处理工艺，都要将钢件加热到高于临界点的温度，以获得全部（或部分）奥氏体组织并使之均匀化，这个过程称为“奥氏体化”。

第二节钢在加热时的转变一、转变温度( transformation temperature )Acm Arcm Accm A1Ar1Ac1Ar3A+ Fe3CSG 727℃AK P QFe F+ Fe3C4.30.772.11 6.69Fe3CF C%→E 绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章晶界相界形核理论二、奥氏体的形成77.069.6302.01)(A C Fe F P Ac −−→−+以上显然，奥氏体的形成必须进行晶格的改组和铁、碳原子的扩散。

其基本过程是通过以下四个阶段来完成的。

1 基本过程(共析碳钢)A 晶核形成A 晶粒长大残余Fe3C 溶解A 成分均匀化Fe3CFA1)扩散型的转变2)是通过形核和长大过程来实现的A绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2 影响奥氏体形成的因素形核（处所）、长大（D ）两个点1）加热温度T↑→D↑→↑A 的形成速度2）加热速度V 加热↑→ A 形成时间↓ →↑A 的形成速度3）原始组织钢中的原始组织细↓→相界面↑→A 形成速度↑4）合金元素Me% (除Co 、Ni 等外)→↓D→↓奥氏体形成速度绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章三、奥氏体晶粒度及对力学性能的影响1 奥氏体晶粒度1)起始晶粒度珠光体刚刚转变成奥氏体时的晶粒大小2）实际晶粒度具体的热处理加热条件下所获得的奥氏体晶粒的大小在规定的加热条件下奥氏体晶粒长大倾向性的高低3）本质晶粒度930±10℃3～8小时1～4 本质粗晶粒钢5～8 本质细晶粒钢评级标准绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章钢的本质晶粒度示意图晶温度粒度Ac1900-950℃本质粗晶粒钢本质细晶粒钢绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2 奥氏体晶粒大小钢的性能影响1）奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高2）粗大的奥氏体晶粒（过热）在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂热处理的前提条件细小的A 性能提高严格控制T 、τ细小的产物绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章一、钢在热处理时的冷却方式保温时间温度临界温度连续冷却等温冷却第三节钢在冷却时的转变加热转变A绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章钢的热处理二、过冷奥氏体的等温冷却转变1 过冷奥氏体等温冷却转变曲线(TTT)的建立A 1温度时间(s)3001021031041010800-1001005007000的C 曲线A 绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章转变产物区2 共析钢的C 曲线分析1）图形分析Ms M f A 1时间(s)1021031041010-100A 转变开始线转变终了线过冷奥氏体区孕育期高温转变区扩散型转变P 转变中温转变区半扩散型转变贝氏体( B )转变低温转变区非扩散型转变马氏体( M ) 转变2 ）过冷奥氏体转变产物及性能转变产物区Ms M f A 1温度3001021031041010800-1001005007000A 230550-50转变开始线转变终了线过冷奥氏体区珠光体P 索氏体S 屈氏体T 上贝氏体B 上下贝氏体B 下钢的热处理（1）M 体的转变特点①在一个温度范围内连续冷却完成②转变速度极快,即瞬间形核与长大③非扩散转变，M 与原A 的成分相同，比容最大（4）M 体的性能A 中C%HRC M 中C% 1.0507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.9硬度( H R C )④转变不完全性，存在残余A绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章（2）M 体的晶体结构（3）M 体的组织形态P 型+FMs MfA 温度3001021031041010800-1001005007000AA 过共析钢的C 曲线先共析线与共析钢C 曲线的区别亚共析钢的C 曲线Ms MfA 1021031041010-100AA3、影响C 曲线的因素1）A 体中的化学成分亚：C%↑→过冷A 体稳定性↑→孕育期↑ → C 曲线右移过：C%↑→过冷A 体稳定性↓→孕育期↓ → C 曲线左移共：C 曲线最右→过冷A 体最稳定，在C 鼻部也仅1秒。

（2）A 体中Me%除CO 、AL 外，Me 使过冷A 体稳定性↑↑ →C 曲线右移↑合金钢的C 曲线会变形（1）A 体中C%2）A 体的状态（2）第二相↑→利于过冷A 体转变→稳定性↓→C 曲线左移（1）T↑、τ↑→A 体成份均匀性↑，晶粒↑→晶界面积↓→不利于过冷A 体转变→稳定性↑→C 曲线右移绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章三、过冷奥氏体的连续冷却转变（CCT 曲线）过冷A 体的连续转变曲线一般很难建立（因为时间，温度总在变化，转变点不易测出来，所以通常用等温转变曲线（C 曲线）来定性说明连续冷却转变的情况。

A 1A 温度时间(s)300102103104101800-1001005007000共析钢PsP fK无贝氏体转变！！！绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章P 型M+A’MsM f A 1温度时间(s)3001021031041010800-1001005007000A M+A’+P 四、过冷奥氏体等温冷却转变曲线的应用V kV 1= 5.5℃/s 炉冷P 1 可估计临界冷却速度V K 的大小（获得M 体的最小冷速）2 冷速→产物→性能，（转变产物由冷却曲线与C 曲线相交的位置决定）。

3 为制定HT 工艺提供了依据退火V 2= 20℃/s 空冷S 正火V3 = 33℃/s 油淬T+M+A’V4 ≥ 138℃/s 水淬M+A’V 1V 2V3V4 一定的材料和HT 条件→具有一定的Vk 材料一定，HT 条件不同→Vk 不同 不同的材料Vk 不同绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章第四节钢的热处理工艺HT工艺是以原理为基础，具体的制定：（1）加热温度（2）保温时间（3）冷却方式（介质选定）等参数HT工艺作为机械加工过程中的一个环节，其作用不外乎两点。

改善材料的加工工艺性提高机件的耐用度（性能）零件要获得所需的性能相应的组织加热冷却热处理工艺绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章一、普通热处理预备热处理: 退火正火 最终热处理: 淬火回火一般零件的加工工艺路线:预备热处理的目的：（1）获设细小均匀的组织、消除内应力（2）调整硬度，便于机加工（HB170-250）（3）为最终HT 做好组织准备预备热处理机械粗加工最终热处理机械精加工锻造铸造毛坯绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章根据钢的成份和退火目的不同，其工艺可分为：1）完全退火（完全奥氏体化）适用：亚共成份的碳钢、合金钢加热温度：AC3+（20～40）℃加热时间：十几小时～几十个小时冷却方式：随炉冷至500℃左右出炉空冷组织：F+P2）球化退火（不完全奥氏体化）适用：共、过共析成份的碳钢；合金钢加热温度：AC1+（20～40）℃加热时间、冷却方式同上目的: ↓HRC 、改善切削加工艺，为最终HT 做准备组织：球状P （F+Fe3C 球）3）去应力退火（A1以下组织不变）适用：消除铸、锻、焊件及机加工后的内应力1 钢的退火(Annealing of steel)绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章（1）消除热加工造成的过热缺陷，细化组织使之正常化（2）作为低碳钢的预备HT ，↑HB 便于机加工（3）代替调质↓成本（4）为消除较大完整的Fe3C 网状，可用正火。

（5）对普通结构件，可作最终HT 。

1）正火是退火的特例将钢加热到Ac3或Accm 以（30～50C ）完全A 体化，然后在空气中冷却的一种工艺（常化）2）组织S+F (C ＜0.6%)S (C=0.6～1.4%) 伪共析转变（非共析成分得到完全共析体）正火的△T↑→组织中的P%↑且细（索氏体）→HB↑↑b σ3）适用范围：碳钢及低中合金钢4）目的及应用：2 钢的正火( Normalizing of steel )绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章扩散退火去应力退火各种退火（正火）的加热温度范围完全退火球化退火正火1.4110010009008007006005000.20.40.60.8 1.0 1.2温度℃C%→AF+Fe 3C绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章三个判据1 实际生产中退火与正火的选择钢的含碳量C%<0.50.5 ～0.77≥0.77HT 工艺正火完全退火球化退火组织F+SF+PP 球2 正火组织判断钢的含碳量C%<0.6≥0.6组织F+S S 3 组织中是否有残余奥氏体A 中含碳量C%<0.5≥0.5残余奥氏体无有绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章把零件加温到临界温度以上30 ～50℃，保温一段时间，然后快速冷却（水、油冷）的一种工艺。

3 钢的淬火（Quenching of steel ）实质：过冷A 体→M 体1）工艺参数钢种加热温度组织亚共析钢Ac 3+（30-50）℃A共析钢A c 1+（30-50）℃A 过共析钢Ac 1+（30-50）℃A+Fe 3C 球（1）淬火加热温度（2）保温时间、冷却方式碳钢水冷合金钢油冷mmm DT /1αα⨯= D 工件有效厚度mm绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2）淬火冷却组织钢种加热温度加热组织淬火组织亚共析＜0.5C%Ac 3+ (30 ～50)℃A M 亚共析≥0.5C%Ac 3+ (30 ～50)℃A M+A’共析钢Ac 1+ (30 ～50)℃A M+A’过共析钢Ac 1+ (30 ～50)℃A+Fe3C 球M+A’+Fe3C 球3）淬火缺陷（1）变形开裂组织应力A→M→体积↑所致热应力≥Vk 冷速大→热胀冷缩不均匀解决的途径（2）硬度不足、软点淬透性淬火方法冷却介质绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章4）两个概念（1）钢的淬硬性( Hardening of steel )是指钢在淬火后所能达到的最高硬度的能力主要取决于马氏体的含碳量（2）钢的淬透性( Hardenability of steel )是指钢在淬火时所能得到的淬硬层(M50%+非M50%的组织处) 厚度的能力淬透性↑→淬硬层厚度↑钢种淬硬性淬透性T12高差20CrMnTi 低好绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章①淬透性分析假定：钢种、尺寸、冷却介质一定，在某种HT 加热条件下温度A1时间V kV 表V 心Ms 冷速↑V kM 体区非M 体区变动：改变加热条件，↑过冷A 体稳定性→C 曲线右移→Vk↓V k全淬透未淬透绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章②影响淬透性的因素HT 生产中一般碳钢用水淬，合金钢用油淬主要取决于V K 的大小过冷A 稳定性↑→孕育期↑ → C 曲线右移→V K ↓→淬透性↑T↑τ↑→A 体均匀↑晶粒↑→C 曲线右移↑→V k ↓→淬透性↑化学成分合金钢比碳钢的淬透性好大多Me→A→稳定性↑→C 曲线右移↑↑→V k ↓→淬透性↑水淬合金钢Φk ～200mm碳钢Φk ＜20mm 加热温度、保温时间绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章全淬透③淬透性对钢的力学性能的影响例如：做两个材料不同，尺寸形状相同，HT 条件相同的试验45钢调质40Cr 钢调质表面中心表面表面中心表面HBHBb σ2.0σkαb σ2.0σkα④提高淬透性的意义使零件整个截面性能均匀一致使淬火速度降低→零件变形、开裂的倾向↓绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章-7-23钢的热处理4 钢的回火(Tempering of steel)1）回火的目的（1）↓脆性、↓内应力（2）稳定零件尺寸（3）获得所需要组织和性能淬火后紧接着（<0.5Hr ）一个工序→回火1 ～3Hr保温温度A1时间Ms变形开裂淬火钢的不足脆性大（M ）高应力状态（组织应力、热应力）组织不稳定（M 、A’）绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2013-7-23M 回Fe 3C 细粒Fe 3C 粗细粒Fe 3C 细片+2）回火时的组织和性能变化AM （过饱和C 的α）A’Fe 2.4C(ε）M （C%↓）F （稍过饱和C%）F 等轴（平衡C%）F 长大回火温度HRC软化淬火钢M 体分解 ℃残余A 体转变℃碳化物长大F 体多边形化T 回S 回P 回+++-7-23钢的热处理3）回火的分类及应用回火类型温度℃组织应用低温回火150 ～250M 回高HRC 耐磨件中温回火350 ～500T 回弹性零件高温回火500 ～650S 回综合性能↑零件高温软化回火650～A 1P 回返修件淬火+ 高温回火= 调质处理绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章预备HT 最终热处理淬火组织回火组织过共析钢球退P 球M+A’+Fe 3C 球低回M 回+A’+Fe 3C 球共析钢球退P 球M+A’低回M 回+A’亚0.5~0.77C%退火F+P M+A’中回T 回亚0.25~0.5C%正火S M高回S 回渗碳淬火表M+A’+Fe 3C 中心M+F亚<0.25C%钢种组织正火S低回表M 回+A’+Fe3C 中心M 回+F钢种应用范围共、过共析钢刃、模、量具的高HRC 耐磨性工具钢亚0.5~0.77C%高弹性、高屈强比的弹性零件亚0.25~0.5C%良好综合力学性能的轴类零件二、表面热处理以上谈到的是普通热处理的“四把火”，它们在生产实践应用十分广泛，也有局限性。