碳钢的热处理_.ppt

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第五章钢的热处理q将固态金属或合金，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织结构与性能的工艺方法称热处理。

第五章钢的热处理实质：

在加热、保温和冷却过程中，钢的组织结构发生了变化，从而改变了其性能；目的：

改善钢（工件）的力学性能或工艺性能；作用：

充分发挥材料的性能潜力，提高零件质量，延长零件寿命；应用：

十分广泛。

第五章钢的热处理q按目的、加热条件和特点不同，热处理分为：

整体热处理表面热处理化学热处理其它热处理热处理的工艺参数有：

加热温度保温时间冷却方式q目的：

通过加热使原始组织转变为奥氏体；q将钢加热至Ac3或Ac1以上，获得完全或部分奥氏体组织的操作称为奥氏体化。

q钢热处理加热的临界温度为727。

5.1钢在加热时的组织转变5.1钢在加热时的组织转变在实际生产中，由于加热和冷却不是很缓慢，因此实际发生组织转变的温度与相图的A1、A3、Acm有一定的偏离。

通常加热用Ac1、Ac3、Accm表示，冷却用Ar1、Ar3、Arcm表示。

（一）奥氏体的形成1.奥氏体晶核的形成奥氏体的晶核易于在渗碳体相界面上形成。

这是因为在两相的相界上为形核提供了良好的条件。

2.奥氏体晶核的长大A形核后,由于A与Fe3C形界处的含C量不同。

将引起A中C的扩散。

通过Fe、C原子的扩散和Fe原子的晶格改组,A向F和Fe3C两个方向长大。

3.残余渗碳体溶解在奥氏体形成过程中,铁素体比渗碳体先消失,因此奥氏体形成之后,还残存未溶渗碳体。

这部分未溶的残余渗碳体将随着时间的延长,继续不断地溶入奥氏体,直至全部消失。

4.奥氏体均匀化渗碳体完全溶解后奥氏体中碳的浓度分布并不均匀,原先是渗碳体地方碳浓度高,原先铁素体的地方碳浓度低。

必须继续保温,通过碳的扩散,使奥氏体成分均匀化。

（二）影响奥氏体转变的因素1.加热温度和加热速度的影响提高加热温度，将加速A的形成。

随着加热速度的增加,奥氏体形成温度升高（AC1越高）,形成所需的时间缩短。

2.化学成分的影响随着钢中含碳量增加,铁素体核渗碳体相界面总量增多,有利于奥氏体的形成。

3.原始组织的影响由于奥氏体的晶核是在铁素体和渗碳体的相界面上形成,所以原始组织越细,相界面越多,形成奥氏体晶核的基地越多,奥氏体转变就越快。

（三）奥氏体晶粒大小及其控制1.奥氏体晶粒大小一般根据标准晶粒度等级图确定钢的奥氏体晶粒大小。

标准晶粒度等级分为8级，14级为粗晶粒度，58级为细晶粒度。

2.实际晶粒度和本质晶粒度某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度叫实际晶粒度，它决定钢的性能。

钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向用本质晶粒度来表示。

钢加热到93010、保温8小时、冷却后测得的晶粒度叫本质晶粒度。

如果测得的晶粒细小，则该钢称为本质细晶粒钢，反之叫本质粗晶粒钢。

3.奥氏体晶粒大小的控制

（1）合理选择加热温度和保温时间随着温度升高晶粒度将之间长大。

温度愈高,晶粒长大于愈明显。

在一定温度下,保温时间愈长,奥氏体晶粒也越粗大。

（2）加入合金元素奥氏体中的含碳量增高时,晶粒长大的倾向增多。

若碳以未溶的碳化物形式存在,则它有阻碍晶粒长大的作用。

（3）合理选择原始组织5.2钢在冷却时的组织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。

5.2钢在冷却时的组织转变当温度在A1以上时,奥氏体是稳定的。

当温度降到A1以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体。

过冷A是不稳定的，会转变为其它的组织。

钢在冷却时的转变，实质上是过冷A的转变。

连续冷却转变使加热到奥氏体化的钢连续降温进行组织转变等温冷却转变使加热到奥氏体化的钢以较快的冷却速度冷到A1以下某温度保温，在等温下发生组织转变。

5.2钢在冷却时的组织转变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C曲线来确定。

共析钢过冷A的等温转变曲线图

（1）高温转变（珠光体型转变）在A1550之间,过冷奥氏体的转变产物为珠光体型组织,此温区称珠光体转变区。

珠光体型组织是铁素体和渗碳体的机械混合物,渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，转变温度越低，层间距越小，可将珠光体型组织按层间距大小分为珠光体（P）、索氏体（S）和屈氏体（T）。

奥氏体向珠光体的转变为扩散型的形核、长大过程,是通过碳、铁的扩散和晶体结构的重构来实现的。

2.过冷奥氏体的等温转变产物组织和性能A1650片层珠光体25HRC650600细珠光体（索氏体S）25HRC30HRC600550极细珠光体（托氏体T）35HRC40HRC（a）珠光体3800倍（b）索氏体8000倍（c）屈氏体8000倍

（2）中温转变在550Ms之间,过冷奥氏体的转变产物为贝氏体型组织,此温区称贝氏体转变区。

贝氏体是渗碳体分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物。

奥氏体向贝氏体的转变属于半扩散型转变，铁原子不扩散而碳原子有一定扩散能力。

过冷奥氏体在550350之间转变形成的产物称上贝氏体（上B）。

上B呈羽毛状,小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间。

40HRC45HRC（a）光学显微照片500（b）电子显微照片5000上贝氏体形态在350-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（Fe2.4C）沿一定方向分布分布在F片之上，50HRC55HRC。

光学显微照片500倍（b）电子显微照片12000倍下贝氏体形态上贝氏体中铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；同时渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断，因此强度和韧性都较差。

下贝氏体中铁素体针细小，无方向性，碳的过饱和度大，位错密度高，且碳化物分布均匀、弥散度大，所以硬度高，韧性好，具有较好的综合机械性能。

这种下贝氏体应用广泛。

共析钢不同转变温度转变产物的硬度和冲击韧度1.亚共析钢过冷奥氏体的等温转变亚共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线与共析钢C曲线不同的是，在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素体的转变开始线。

亚共析钢随着含碳量的减少，C曲线位置往左移，同时Ms、Mf线住上移。

亚共析钢的过冷奥氏体等温转变过程与共析钢类似。

只是在高温转变区过冷奥氏体将先有一部分转变为铁素体，剩余的过冷奥氏体再转变为珠光体型组织。

45钢过冷A等温转变曲线2.过共析钢过冷奥氏体的等温转变过共析钢过冷A的C曲线的上部为过冷A中析出二次渗碳体（Fe3CII）开始线。

当加热温度为Ac1以上3050时，过共析钢随着含碳量的增加,C曲线位置向左移,同时Ms、Mf线往下移。

过共析钢的过冷A在高温转变区,将先析出Fe3CII,其余的过冷A再转变为珠光体型组织。

T10钢过冷A的等温转变曲线二、过冷奥氏体的连续冷却转变1.共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏本的连续冷却转变曲线（CCT曲线）中，共析钢以大于Vk（上临界冷却速度）的速度冷却时,得到的组织为马氏体。

冷却速度小于Vk（下临界冷却速度）时,钢将全部转变为珠光体型组织。

共析钢过冷奥氏体在连续冷却转变时得不到贝氏体组织。

与共析钢的TTT曲线相比，共析钢的CCT曲线稍靠右靠下一点，表明连续冷却时，奥氏体完成珠光体转变的温度较低，时间更长。

共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变组织

（2）马氏体转变特点过冷A转变为马氏体是低温转变过程,转变温度在MsMf之间,该温区称马氏体转变区。

过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转变铁和碳原子都不能进行扩散。

铁原子沿奥氏体一定晶面,集体地（不改变相互位置关系）作一定距离的移动（不超过一个原子间距），使面心立方晶格改组为体心正方晶格，碳原子原地不动，过饱和地留在新组成的晶胞中；增大了其正方度c/a。

马氏体就是碳在-Fe中的过饱和固溶体。

过饱和碳使-Fe的晶格发生很大畸变，产生很强的固溶强化。

马氏体的形成速度很快奥氏体冷却到Ms点以下后，无孕育期，瞬时转变为马氏体。

随着温度下降，过冷奥氏体不断转变为马氏体，是一个连续冷却的转变过程。

马氏体转变是不彻底的总要残留少量奥氏体。

残余奥氏体的含量与MS、Mf的位置有关。

奥氏体中的碳含量越高，则MS、Mf越低，残余A含量越高。

只在碳质量分数少于0.6%时,残余A可忽略。

马氏体形成时体积膨胀体积膨胀在钢中造成很大的内应力,严重时导致开裂。

奥氏体碳质量分数对残余奥氏体含量的影响（3）马氏体的形态与性能马氏体形态碳质量分数在0.25%以下时，基本上是板条马氏体（亦称低碳马氏体），板条马氏体在显微镜下为一束束平行排列的细板条。

在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。

当碳质量分数大于1.0%时，则大多数是针状马氏体。

针状马氏体在光学显微镜中呈竹叶状或凸透镜状，在空间形同铁饼。

马氏体针之间形成一定角度（60）。

高倍透射电镜分析表明，针状马氏体内有大量孪晶，因此亦称孪晶马氏体。

高碳马氏体的组织形态碳质量分数在0.251.0%之间时，为板条马氏体和针状马氏体的混和组织。

如45钢淬火的组织就是混合马氏体。

（2）马氏体的性能a.硬度高。

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的,另外还有位错和孪晶的影响,奥氏体向马氏体转变造成的组织细化也是一个因素。

碳质量分数对马氏体硬度的影响b.马氏体的塑性和韧性与其碳含量（或形态）密切相关。

高碳马氏体由于过饱和度大、内应力高和存在孪晶结构，所以硬而脆，塑性、韧性极差，但晶粒细化得到的隐晶马氏体却有一定的韧性。

而低碳马氏体，由于过饱和度小，内应力低和存在位错亚结构，则不仅强度高，塑性、韧性也较好。

c.马氏体的比容比奥氏体大。

当奥氏体转变为马氏体时，体积会膨胀。

马氏体是铁磁相，而奥氏体为顺磁相。

马氏体晶格畸变严重，因此电阻率高。

2.亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变亚共析钢过冷A在高温时有一部分将转变为F，在中温转变区会有少量贝氏体（上B）产生。

如油冷的产物为F+T+上B+M，但F和上B量很少，有时可忽略。

亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变3.过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变过共析钢过冷A在高温区，将首先析出二次渗碳体,而后转变为其它组织。

由于奥氏体中碳含量高，所以油冷、水冷后的组织中应包括残余奥氏体。

与共析钢一样，其冷却过程中无贝氏体转变。

过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变q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。

q在一个零件的加工路线中，热处理起着很重要的作用，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）；q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。

第三节钢的退火和正火一、退火q加热到适当的温度，保温一定时间后缓慢冷却（炉冷）。

q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。

q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；q第一类退火（扩散退火、再结晶退火、去应力退火）是不以组织转变为目的的工艺方法，由不平衡状态过渡到平衡状态。

q第二类退火（完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火）是以改变组织和性能为目的，改变钢中珠光体、铁素体和碳化物等组织形态及分布。

q完全退火：

适用于亚共析钢的铸件、锻件、焊接件。

q工艺参数为：

加热到Ac3+30-50，保温，随炉冷却到600出炉空冷。

q等温退火：

原理与完全退火相同，主要是