热处理的原理及分类.docx
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热处理的原理及分类
§4－1热处理的原理及分类
教学过程
一、复习提问：
铁碳合金的基本组织
二、新课教学：
钢丝的水冷与空冷
热处理的定义与分类
三、课堂练习：
比较热处理与加工工艺的区别
四、作业安排：
练习册P17，一、1、2；五、1
五、板书设计（见下页）：
六、教学后记：
§4－1热处理的原理及分类
一、实验：
钢丝的水冷与空冷
现象：
放在水中冷却的一根钢丝硬而脆，很容易折断；放在空气中冷却的一根较软、有较好的塑性，可以卷成圆圈而不断裂。
实验说明：
虽然钢的成分相同，加热的温度也相，但采用不同的冷却方法，却得到了不同的力学性能。
这主要是因为在不同冷却速度的情况下，钢的内部组织发生了不同的变化，性能改变。
二、热处理定义：
将固态金属或合金采用适当的方法时行加热、保温、冷却，以获得所需要的组织结构与性能的工艺。
三、目的：
获得所需组织和性能（使用性能和工艺性能）；
充分发挥钢材潜力（共析钢热处理后P→M，25HRC→65HRC）；
延长零件使用寿命；
改善零件工艺性能，提高切削加工工艺性，减少刀具磨损。
四、热处理理论基础：
固态金属或合金的同素异构转变，通过适当的方法改变组织，从而得到不同的性能。
意识能动性
物质基础
1、热处理的对象：
固态金属或合金
原因：
热处理加热在Ac1、Ac3、Accm附近，未达到熔点，金属处于固态；
热处理的理论基础同素异构现象是固态金属或合金才具备的特性。
2、工艺过程：
加热、保温、冷却，其加热温度范围、保温时间长短、冷却速度快慢因条件不同而不同。
3、工艺曲线：
T
（℃）T:
temperature
t:
time
加热保温冷却t
五、热处理的分类：
1、一般分类：
2、按目的和工序分类：
预备热处理：
退火、正火、调质
举例：
锉刀的工艺性和使用性
最终热处理：
淬火、回火、表面热处理
3、热处理适用范围：
60～70%机床制造中零件；
70～80%拖拉机制造中零件；
工具、模具、轴承几乎全部要热处理；
NdFeB材料要通过热处理改善性能。
4、学习热处理的意义：
了解材料在不同加热、保温、冷却条件下组织变化规律，正确设计和实施热处理工艺。
§4－2钢在加热及冷却时的组织转变
教学过程
一、复习提问：
热处理的目的和分类
二、新课教学：
钢在加热时的组织转变
钢在冷却时的组织转变
三、课堂练习：
分析等温转变曲线
四、作业安排：
练习册P17，一、3-10；二、1-12；三、1-5；
五、板书设计（见下页）：
六、教学后记：
§4－2钢在加热及冷却时的组织转变
钢加热的目的：
获得奥氏体，A的晶粒大小、成分和均匀程度对钢冷却后的组织和性能有重要影响。
温度选择依据：
Fe—Fe3C相图，其组织变化规律是在极缓慢加热和冷却条件下得到的。
一、钢在加热时的组织转变
1、钢在加热和冷却时的相变温度（临界点）：
平衡状态下的临界点：
A1、A3、Acm
加热时钢的转变温度要高于平衡状态下的临界点：
Ac1、Ac3和Accm
冷却时要低于平衡状态下的临界点：
Ar1、Ar3和Arcm
2、奥氏体的形成：
奥氏体化
定义：
热处理时，将钢加热到一定温度，使其组织全部或部分转变为奥氏体
过程：
奥氏体的形成+晶粒长大。
（1）以共析钢为例分析钢的奥氏体化过程
注：
共析钢室温组织：
P（F+Cm）。
P→A的转变规律：
形核和晶核长大
奥氏体晶核最易在铁素体和渗碳体的界面上生成，这是由于晶界处的原子不稳定；
晶核形成后，与奥氏体相邻的铁素体中的铁原子通过扩散转移到奥氏体晶核上，使奥氏体晶核长大；
与奥氏体相邻的渗碳体通过分解不断溶入奥氏体中，使奥氏体长大，直到珠光体全部消失。
残余渗碳体的分解：
保温
由于渗碳体的晶格类型和含碳量与奥氏体相关很大，Cm向A溶解落后于F向A的转变，F消失后仍有部分Cm，随着时间的延长而继续向A中溶解，直到消失。
奥氏体的均匀化（保温）：
原因：
P中的F和Cm是两种含碳量相差很大的相，形成的奥氏体浓度不均匀，通过一定时间的保温，碳原子进一步扩散。
目的：
使工件热透，使组织转变完全及奥氏体成分均匀（工件内外收缩一致，不等时性下降）。
（2）亚共析钢的奥氏体化过程：
注:
亚共析钢室温组织:
P+F
奥氏体化的转变规律:
形核和晶核长大
当加热到Ac1时，P转变为A；
温度升高，F不断转变为A，当加热到Ac3线时，转变结束，组织为单相奥氏体。
残余渗碳体的分解：
奥氏体的均匀化（保温）：
（3）过共析钢的奥氏体化过程：
注:
过共析钢室温组织:
P+CmII
奥氏体化的转变规律:
形核和晶核长大
当加热到Ac1时，P转变为A；
温度升高，CmII溶解到A中,当加热到Accm线时，转变结束，组织为单相奥氏体。
残余渗碳体的分解：
奥氏体的均匀化（保温）：
3、奥氏体晶粒的长大
晶粒的长大是依靠较大晶粒吞并较小晶粒和晶界迁移的方式进行
（1）细小奥氏体形成:
P刚转化为A时,由于F和Cm界面多,形核率高.。
（2）奥氏体长大:
随着加热温度提高、保温时间延长,A晶粒自发长大.加热温度越高、保温时间越长,A的晶粒越大。
实际晶粒（本质晶粒）:
钢在一定加热条件下获得的奥氏体的晶粒大小。
起始晶粒：
珠光体向奥氏体转变刚完成时的晶粒。
（3）晶粒大小的作用：
A晶粒细小，冷却后组织也细小，强度、塑性比粗晶粒高，而且冲击韧性明显提高。
晶粒大小的控制方法：
严格控制加热温度和保温时间。
标准晶粒号：
分为8级，1～4为粗晶粒，5～8为细晶粒，见图6-4。
确定晶粒等级：
试样在金相显微镜下放大100倍，把显微镜看到的晶粒与标准晶粒相比较，以确定其等级。
二、钢在冷却时的组织转变
1、两种冷却方式：
等温处理：
将奥氏体化的钢迅速冷却到Ar1线以下某一温度保温,使奥氏体在此温度发生组织转变,用于理论研究。
连续冷却：
将奥氏体化的钢从高温冷却到室温，使奥氏体在连续冷却条件下发生组织转变，用于实际生产中。
2、冷却方式对钢性能影响：
同一种钢，在相同加热条件下，获得A组织，但经不同冷却过程，可获得不同的力学性能。
举例：
45钢制成的15mm轴，经840℃加热后，奥氏体化。
在空气中冷却，相当于正火，得到索氏体，硬度＜209HBS，相当于211HV；
在油中冷却，相当于不完全淬火，得到托氏体+马氏体，硬度约45HRC，相当于436HV；
在水中冷却，相当于淬火，得到马氏体，硬度约56HRC，相当于620HV。
结论：
冷却速度不同，获得的组织不同硬度明显不同。
工艺区别
保温
等温冷却
温度
T＞Ac1
T＜Ar1
作用
组织均匀，工件热透
过冷A发生等温转变
结果
A长大
A组织转变为P、S、T、B、M
3、过冷奥氏体的等温转变
奥氏体在Ar1线以上是稳定相，当冷却到Ar1线以下而又尚未转变的奥氏体称为过冷奥氏体。
这是一种不稳定的过冷组织，只要经过一段时间的等温保持，它就可以等温转变为稳定的新相。
这种转变就称为奥氏体的等温转变。
（1）过冷奥氏体：
共析温度Ar1下存在的奥氏体。
（2）过冷奥氏体产生的原因：
奥氏体在A1线以下不稳定，组织在发生转变，但转变存在滞后现象，一般在Ar1以下转变。
（3）等温转变图（TTT图，C曲线）：
定义：
表示过冷A的转变温度、转变时间和转变产物之间的关系曲线图称为等温转变图。
由于其形状似“C”，又叫C曲线。
由于横坐标time（时间）,纵坐标temperature（温度）,坐标内容transformation（转变产物）三词的第一个字母均为T，又叫TTT图
（4）等温转变图的建立：
方法：
实验方法，以共析钢为例。
步骤：
将含碳量为0.77%的共析钢制成若干个一定尺寸的试样；
将试样加热到Ac1以上，使其转变为均匀的A（形核、长大）；
试样分别放入低于Ar1不同温度熔盐槽中（710、450、350℃）；
迫使A过冷，发生等温转变；
测出开始转变、终了转变的时间，记录在时间—温度坐标图上，连接相同意义的点，即开始转变点（a）和终了转变点（b），得到C曲线。
共析钢等温转变图（TTT图或C曲线）
（5）分析C曲线：
名称
温度
特点与组织
点
C曲线捌弯“鼻尖”
约550℃
孕育期最短，A最不稳定，最容易分解，最先转化为转变产物
线
Ar1
过冷A的临界点
低于此温度，过冷A开始转变
aa'
过冷A转变开始线
bb'
过冷A转变终了线
Ms
约230℃
过冷A向M转变开始线
Mf
约-50℃
过冷A向M转变终了线
面
Ar1以上
单相奥氏体区
aa'以左
孕育区：
过冷A区
bb'以右
转变产物区：
P、S、T、B
aa'、bb'之间
过渡区，转变产物+过冷奥氏体
Ms、Mf之间
马氏体区，M+A残余
（6）过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能:
珠光体型转变区——高温等温转变
表4-1
共析钢的过冷奥氏体在A1～550℃温度范围内，过冷奥氏体将发生奥氏体向珠光体型的转变，即转变为铁素体和渗碳体。
产物为铁素体和渗碳体片层混合物，性能决定于组织结构，片层间距越小，晶粒越细，塑性变形抗力越大，强度和硬度越高。
一般炉冷生成粗片状P，空冷生成细片S。
珠光体：
P，727～650℃内形成，片层较粗，＜25HRC
索氏体：
S，650～600℃内形成，片层较细，25～35HRC
屈氏体：
T，600～550℃内形成，片层很细，35～40HRC
贝氏体型转变区——中温等温转变
在550℃～Ms温度范围内，因转变温度较低，原子的活动能力较弱，转变后得到的组织为含碳量具有一定过饱和程度的铁素体和分散的渗碳体（或碳化物）所组成的混合物，称为贝氏体，用符号B表示。
表4-2
产物为贝氏体（B），原因是：
转变温度低，过冷度大，原子活动能力弱，过冷A分解成F和Cm，但F中溶解的C超过了正常的溶解度，转变成含碳量具有一定过饱和程度的F和极分散的Cm的混合物，称为贝氏体。
（1）上贝氏体；B上，550～350℃内生成，羽毛状，40～45HRC；A↓ak↓
（2）下贝氏体：
B下，350℃～Ms内生成，黑色针状，45～55HRC,A↑ak↑。
马氏体型转变区——低温连续转变
当钢从奥氏体区急冷到MS以下时，奥氏体便开始转变为马氏体。
由于转变温度低，原子扩散能力小，在马氏体转变过程中，只有γ－Fe向α－Fe的晶格改变，而不发生碳原子的扩散。
因此，溶解在奥氏体中的碳，转变后原封不动地保留在铁的晶格中，形成碳在α－Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体，用符号M表示。
当钢急冷到Ms时，A开始转变为M。
这是一种非扩散过程，由于转变温度低，原子扩散能力小，在M转变过程中，只有铁晶格转变（γ-Fe→α-Fe）,面心立方→体心立方，不发生碳的扩散。
（1）马氏体：
C溶于α-Fe中的过饱和固溶体，由于大量碳的存在，使α-Fe晶格发生畸变，形成碳位于晶格间隙的体心正方晶格。
（2）马氏体分类：
针状M：
C=1.0%，硬而脆，＞65HRC
板条状M：
C=0.2%，良好的强度和韧性，65HRC
（3）马氏体硬度：
取决于马氏体中的含碳量，由于M中溶入过多的C使α-Fe晶格畸变，增加其变形抗力，故M含C越高，硬度越高。
但当C＞0.6%时，淬火钢硬度增加很慢。
表4-3
（4）马氏体转变特点：
M转变需很大的过冷度，必须过冷到Ms～Mf；
M转变如果冷却中途停止，则A→M转变也停止；
M转变速度快，一般不需孕育期，每个M形成时间约10-7S；
M转变晶格畸变，体积膨胀，产生很大内应力；
M转变不完全，有一部分残余A。
思考：
P、S、T相图，M转变的ΔT，按硬度排列PSTB上B下M板M针。
4、奥氏体的连续冷却转变--在等温转变图上估计连续转变产物：
原因：
实际生产中，过冷奥氏体转变大部分在连续过程中进行，但测定困难，可用等温转变图近似分析。
方法：
把连续冷却曲线迭画在等温转变图上。
分析：
V1相当于随炉冷却，属于高温转变，最终组织为粗片状P；
V2相当于空冷，属于高温转变，最终组织为细片状S；
V3相当于油冷，在鼻尖附近分解一部分T，其余为低温转变，得到M，最终组织为T+M+A残余；
V4相当于在水中冷却，属于低温转变，最终组织为M+A残余。
确定马氏体临界冷却速度：
为保证奥氏体过冷到Ms之前不发生组织转变，最终得到M，所以冷却速度应大于V临。
临界冷却速度：
V临恰与C曲线鼻尖相切，表示钢中奥氏体在连续冷却时不产生非马氏体组织所需的最小冷却速度
自学：
等温转变曲线图的建立
过冷奥氏体转变产物
名称
性质
珠光体P
贝氏体B
马氏体M
产物类型
高温产物
A1～550
中温产物
550～MS
低温产物
MS～Mf
过冷度
小,晶粒粗
中，晶粒较细
大，晶粒很细
冷却速度
慢，接近平衡组织
中，不平衡组织
快，不平衡组织
组织形状
P
粗片
S
细片
T
极细
B上
羽毛状
B下
针状
C=0.2%
板条状
C=1.0%
针状
性能
片层越细,Rm、HB高
韧性改善
硬且脆
不实用
硬且韧
硬且韧
硬且脆
晶格类型
F+Cm晶格
畸变的F+Cm晶格
体心正方
硬度
低
中
高
§4－3热处理的基本方法
教学过程
一、复习提问：
钢在加热时的组织转变
钢在冷却时的组织转变
热处理的目的和分类
二、新课教学：
退火与正火
淬火与回火
三、课堂练习：
对比热处理的基本方法
四、作业安排：
练习册P17，一、11-17；二、13-19；三、6-17；
五、板书设计（见下页）：
六、教学后记：
§4－3热处理的基本方法
一、退火与正火
机械零件一般的加工工艺顺序：
作用：
消除前一工序所造成的某些组织缺陷及内应力，可以改善材料的切削性能，为随后的切削加工及热处理（淬火—回火）做好组织准备。
（一）退火：
1、定义：
把钢加热到适当温度，保持一定时间，缓慢冷却（随炉冷却）的热处理。
2、加热温度：
2.1完全退火：
加热到Ac3线以上30～50℃。
2.2球化退火：
加热到Ac1线以上20～30℃。
2.3去应力退火：
加热到Ac1线以下某温度（500～650℃）。
退火目的：
3.1降低钢的硬度,提高塑性,以利于切削加工及冷变形加工；
3.2细化晶粒，均匀组织及成分，改善热处理工艺；
3.3消除钢中残余内应力，防止变形和开裂，保证尺寸和形状精度。
完全退火
球化退火
去应力退火
加热
温度
Ac3线以上30～50℃
钢完全奥氏体化
Ac1线以上20～30℃，钢部分奥氏体化
Ac1线以下，一般为500～650℃，钢室温组织不变
冷却
缓慢冷却
≤50℃/h速度冷却
缓慢冷却
对象
亚共析钢
共析钢、过共析钢
钢
最终
组织
接近平衡组织（P+F）
（P球）细颗粒球形Cm
弥散分布在F基体上
P+F，P，P+Cm
室温组织不变化，
只消除内应力
适用
材料
中碳钢和低、中碳合金结构钢的锻件、铸件、热轧型材
细化晶粒，消内应力
共析钢和过共析钢
碳素工具、合金工具钢、轴承钢有利于切削
锻后，为淬火准备
锻、铸、焊、切削后
需消除内应力的工件。
不适用
材料
过共析钢,若完全退火，要加热到Accm线以上，在慢冷时产生网状Cm,性能下降
（二）正火：
1、定义：
把钢加热到Ac3、Accm以上30～50℃，保持一定时间，在静止的空气中冷却的热处理工艺。
2、加热温度：
2.1亚共析钢:
Ac3以上30～50℃。
2.2共析钢、过共析钢：
Accm以上30～50℃。
3、正火目的：
3.1改善低碳钢、低碳合金钢的切削工艺性,
一般160～230HBS切削性好。
硬度过高，刀
具磨损，硬度过低，发生粘刀。
3.2细化晶粒，力学性能较高。
对要求不高的工件，可作为最终热处理。
3.3消除钢中残余内应力，防止变形和开裂，保证尺寸和形状精度。
3.4消除过共析钢中网状Cm，形成S，改善力学性能。
4、正火后组织：
非平衡组织—索氏体（S）。
5、特点：
冷却速度比退火快，故产生非平衡组织，晶粒细、强度、硬度较高。
见表6-2。
6、适用场合：
6.1改善低碳钢、低碳合金钢的切削工艺性,一般160～230HBS切削性好。
6.2正火后力学性能较好，晶粒细，要求不高的零件可作最终热处理。
6.3消除过共析钢中的网状Cm，改善力学性能，为球化退火作准备。
6.4代替中碳钢、低碳合金钢的完全退火，降低淬火变形和开裂倾向。
（三）选择退火、正火的考虑原则：
正火
退火
加工性
中、低碳钢用正火，硬度保持在160～230HBS
高碳钢用球化退火，因为正火后高碳钢硬度太高不宜切削
使用
性能
力学性能要球不高，正火作为最终热处理；
亚共析钢正火性能好，一般用正火代替退火
零件形状复杂，正火冷却速度快，易开裂，应选退火
经济性
正火周期短、生产率高、成本低、操作方便，优先用正火
正火冷却速度快，大尺寸、形状复杂零件，优先用退火
退火、正火对比
工艺名称
项目
完全退火
球化退火
去应力退火
正火
加热温度
AC3以上
30～50℃
AC1以上
20～30℃
AC1以下
约500～650℃
AC3、Accm以上
30～50℃
保温
适当时间
冷却
随炉冷却
＜50℃/h
随炉冷却
空冷
组织
P+F
球状P
P+F，P，P+Cm
估计为S
作用
降低硬度
细化晶粒
消除内应力
消除内应力
减少变形、开裂
同退火
消除网状Cm
强度硬度高于退火
适用场合
中、低碳钢
锻、铸件
工具钢
轴承钢
塑性变形、
焊接、铸件
低碳钢优先正火；
球退前用正火消除网状Cm
钢材种类
亚共析钢
共析、过共析钢
钢
钢
工艺曲线
二、淬火与回火
（一）钢的淬火
1、定义：
钢加热到AC3、AC1以上某一温度，保温一段时间，以适当的速度冷却，获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。
2、目的：
获得M，提高钢的强度和硬度。
3、淬火加热温度：
（1）根据：
Fe-Fe3C相图。
（2）举例：
2-1亚共析钢：
选择AC3以上30～50℃，可得到细小的M。
若温度过高，奥氏体晶粒粗大，M粗大，钢脆化；
若温度过低，淬火组织中有未溶的F，会降低淬火钢的强度和硬度。
2-2过共析钢：
AC1以上30～50℃，得到细小的M基体上分布细颗粒Cm，该组织耐磨性好，脆性小。
若温度过高，A粗大，得到的M粗大，脆性及变形开裂倾向增大，且残余A多，钢的硬度降低；
若温度过低，组织不发生转变。
4、淬火冷却介质：
（1）指导思想：
1.1淬火的目的为获得M，故V淬火＞V临界；
1.2V淬火不可太大，以免工件收缩，组织转变剧烈，内应力大，精度受影响，或变形开裂。
（2）依据：
C曲线。
2.1为抑制非马氏体组织,在鼻尖附近应决冷；
2.2而在＞650℃，或＜400℃无需快冷；
2.3特别注意在MS附近不可快冷，
否则工件变形或开裂，理想图线见
（3）淬火介质：
3.1常用：
碱水，盐水，水，油，空气，电炉。
3.2适用：
盐水在650～550℃内冷却速度快，在300～200℃内冷却速度也很快，容易引起开裂，适用于形状简单碳钢零件；
油在300～200℃内冷却速度慢，在650～550℃冷却速度过慢，适用于合金钢零件，因为合金元素使C曲线右移，其临界冷却速度较小。
3.3冷却烈度（H值）：
介质冷却能力
搅动情况
空气
油
水
盐水
静止
0.02
0.25～0.30
0.9～1.0
2.0
中等
－
0.35～0.40
1.1～1.2
－
强
－
0.50～0.80
1.6～2.2
－
强烈
0.08
0.8～1.0
4.0
5.0
5、淬火方法：
（1）原则：
最大限度减少变形和开裂。
（2）考虑因素：
工件材质、尺寸、形状、技术要求。
工艺：
一种介质很难满足技术要求，一般先后选用几种介质，以便保证在鼻尖附近快冷，而在其它位置慢冷。
四种淬火方法
方法
特点
单液淬火
双介质淬火
马氏体
分级淬火
贝氏体
等温淬火
步骤
钢奥氏体化
单一介质冷却
钢奥氏体化
先浸入强介质快冷
接近MS时浸入弱介质，生成M
钢奥氏体化
先浸入温度在MS附近保温，内外层均温；
后空冷或没冷，得到M
钢奥氏体化，
先浸入高于MS盐浴或碱浴保温
生成B下；
后慢冷至室温
适用
碳钢—水
合金钢--油
先水后油，
先水后空气，
碳素工具钢
V临小的合金钢
截面不大形状复杂的碳钢工件
形状复杂的模具、成形刀具
工艺图
优点
操作简单
机械化自动化
内应力小
变形开裂小
内应力小
变形开裂小
强化钢材
良好强度韧性
较高硬度耐磨
缺点
冷却特性差
硬度不足或
开裂
操作困难
不易掌握
盐浴能力差，对碳钢件可能出现非M组织
--
6、钢的淬透性和淬硬性：
（1）淬透性：
在规定条件下，钢在淬火冷却时获得M组织深度的能力。
1.1影响淬透性的因素：
合金元素的多，淬透性好；
V临小，淬透性好；
过冷奥氏体稳定性高，不易转变为P、S、T、B，淬透性好
1.2利用：
淬透性好，截面组织均匀一致，综合力学性能好，可用于受力大、形状复杂、截面大的零件。
淬透性好，可用缓和的冷却介质，降低应力及变形倾向。
（2）淬硬性：
在理想条件下，淬火成马氏体后能达到的最高硬度。
2.1影响淬硬性的因素：
含碳量
2.2举例：
低碳钢淬火最高硬度值低，淬硬性差；
高碳钢淬火最高硬度值高，淬硬性好。
7、淬透性和淬硬性比较：
项目及名称
影响因素
反映本质
力学性能
淬透性
内因：
合金元素
过冷A稳定状态
外因：
冷却速度
尺寸加热温度
A→M难易程度及
淬硬深度和硬度分布
综合力学性能
淬硬性
含碳量
淬火硬化程度
硬度值
HRCHRC
σ
ak
已淬透未液透0.6%C%
淬透性对调质后钢的力学性能的影响含碳量对淬硬性的影响
8、淬火缺陷：
由于工艺控制不当，加热温度、保温时间、冷却速度不合适，造成下列淬火缺陷。
名称
项目
氧化脱碳
过热过烧
变形开裂
硬度不足（软点）
属性
化学成分
加热保温
内应力
力学性能
产生过程
加热
加热保温
冷却
加热保温冷却
原因
1、Fe氧化成氧化皮，Fe损耗；
2、C氧化逸出，含C量降低
1、过热：
A粗大
2、过烧：
A晶界熔化
1、冷却速度大；
2、应力＞断裂强度，造成开裂
1、加热温度↓
2、保温时间↓
3、冷却速度↓
4、表面脱碳
结果
1、力学性能↓
2、耐磨性↓
强度、硬度↓
1、晶粒粗大
2、力学性能↓
3、变形开裂
1、形状、尺寸精度↓
2、开裂
1、整体硬度↓
2、局布软点
处理
1
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