钢的热处理部分.docx

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钢的热处理部分

一、教学目的及要求

通过本章学习，使学生理解热处理的基本概念，掌握钢的加热转变和冷却转变的基本规律及特点。

掌握并了解钢的常用热处理工艺，并能够运用过冷奥氏体转变曲线进行热处理工艺分析。

二、主要内容

1．热处理的基本概念

2．钢在加热和冷却时的组织转变及转变产物的形态和性能特点

3．钢的退火和正火，钢的淬火和回火

4．钢的表面淬火和化学热处理

三、学时安排

讲课8学时，实验5学时。

四、教学重点

1．钢在加热和冷却时的组织转变及转变产物的形态和性能特点

2．常用热处理工艺及应用

五、教学难点

1．钢的过冷奥氏体转变

2．钢的热处理工艺及应用

3．钢的淬透性的概念

六、教学过程

本篇（六、七章）讨论钢的热处理原理和热处理基本类型、含义、工艺要点及应用。

热处理概述

1．定义：

指将材料在固态下加热到一定温度，保温一定时间，以适当速度冷却，以获得所需组织结构和性能的工艺方法。

2．热处理的工艺过程。

包括三个阶段：

加热、保温和冷却，如图所示。

加热：

热处理的第一道工序。

不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。

保温：

目的是要保证工件烧透，防止脱碳、氧化等。

保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。

一般，按每分种1～2毫米计算；工件越大，材料的导热性越差，保温时间就越长。

冷却：

最后一道工序，也是最重要一道工序。

冷却速度不同，工件热处理后的组织和性能不同，如表所示：

组

材料成份－加工工艺－组织结构－材料性能四者相互依存。

3．目的和作用

在工业生产中，热处理的应用很广泛。

据统计，在机床制造中，约60%～70%的零件要经过热处理，在汽车、拖拉机制造中，需要热处理的零件多达70%～80%，而工模具及滚动轴承，则要100%进行热处理。

总之，凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能使用。

目的：

一是提高材料的使用性能，延长零件的使用寿命。

二是改善材料的工艺性能，确保后续加工的顺利进行。

其共同点是：

只改变内部组织结构，不改变表面形状与尺寸。

4．基本类型

（1）根据加热和冷却方式，以及组织和性能特点的不同分类（见教材）

（2）按热处理在零件生产工艺过程中的位置和作用不同分类

预备热处理：

是零件加工过程中的一道中间工序（也称为中间热处理），其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力，为后续的机加工或进一步的热处理作准备。

最终热处理：

是指能赋予工件使用性能的热处理，其目的是使经过成型工艺达到要求的形状和尺寸的零件达到所需要的使用性能。

附：

钢的临界转变温度

根据铁碳平衡相图，共析钢加热到超过A1温度时，全部转变为奥氏体；而亚共析钢和过共析钢加热到A3和Acm以上获得单相奥氏体。

在具体热处理操作中，因实际加热和冷却速度较快而存在过热和过冷的现象，使实际相变温度偏离平衡状态图中的平衡相变点（临界温度）。

加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温，这种现象称为热滞。

加热或冷却速度越快，则热滞现象越严重。

图示加热和冷却速度对碳钢临界温度的影响。

通常把加热时的实际临界温度标以字母“c”，如Ac1、Ac3、Accm；而把冷却时的实际临界温度标以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arcm等。

其物理意义分别为：

Ac1：

加热时珠光体向奥氏体转变的温度；

Ar1：

冷却时奥氏体向珠光体转变的温度；

Ac3：

加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度；

Ar3：

冷却时奥氏体向铁素体转变的开始温度；

Accm：

加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度；

Arcm：

冷却时从奥氏体中开始析出二次渗碳体的温度。

第六章钢的热处理原理

第一节钢在加热时的转变

加热是热处理的首道工序，大多是先把钢件加热到高温，目的是使钢得到奥氏体组织。

通常将这一过程称为钢的奥氏体化。

一、奥氏体的形成

1．共析钢加热时奥氏体的形成过程

奥氏体的形成遵循一般的相变规律，包括形核与长大两个基本过程，可分为四个阶段：

（1）奥氏体晶核的形成。

将钢加热到Ac1以上时，珠光体转变成奥氏体，奥氏体晶核首先在铁素体和渗碳体的相界面形成。

（2）奥氏体长大。

稳定的奥氏体晶核形成后，开始长大生成小晶体，同时又有新的晶核形成。

奥氏体的长大是新相界面分别向渗碳体和铁素体两侧推移，直至铁素体完全消失，奥氏体彼此相遇。

是依靠铁、碳原子的不断扩散，使渗碳体不断溶解、铁素体晶格改组为面心立方的奥氏体晶格来完成。

（3）残余渗碳体的溶解。

由于铁素体的碳浓度和结构与奥氏体相近，铁素体转变为奥氏体的速度远比渗碳体向奥氏体中的溶解快。

铁素体消失后，未溶解的残余渗碳体，在随后的保温过程中溶解，直到完全消失。

（4）奥氏体成分的均匀化。

在渗碳体全部溶解完时，奥氏体的成分是不均匀的，需要保温一定时间，碳原子充分扩散，获得均匀的单相奥氏体。

2．亚共析钢与过共析钢加热时奥氏体的形成

亚共析钢与过共析钢的室温平衡组织分别为（P+F）和（P+Fe3CⅡ）。

其中，加热时珠光体转变为奥氏体的过程与共析钢的相同；不同的是：

亚共析钢多了铁素体向奥氏体的转变过程，过共析钢多了二次渗碳体的溶解过程。

所以，亚共析钢要得到全部奥氏体需加热到Ac3以上，对过共析钢要在Accm以上。

这一过程为完全奥氏体化。

如果亚共析钢仅在Ac1～Ac3温度之间加热，加热后的组织是“A+F”两相共存；对过共析钢在Ac1～Accm温度之间加热，加热后的组织应为“A+Fe3CⅡ”两相共存。

这一过程为不完全奥氏体化。

在加热后的冷却过程中，只是奥氏体向其它的组织转变，铁素体或二次渗碳体则不会发生转变，保留在钢的室温组织中，会对钢的力学性能产生影响。

奥氏体的形成过程示意图

二、奥氏体晶粒的大小及控制

1．奥氏体晶粒度—表示奥氏体晶粒大小

晶粒度评级（冶标）：

00，0，1，2，…，10共12个等级；其中，3级以下为粗晶粒，4～6级中等晶粒，7～8级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。

根据加热时奥氏体晶粒长大的超势，钢种有

本质细晶粒钢：

加热时，A不容易长大，含Nb,Ti,V等元素的钢；意义：

渗碳！

本质粗晶粒钢：

加热时，A晶粒容易长大。

2．奥氏体晶粒的大小的控制

一般从以下几个方面考虑（

（1）加热温度和保温时间。

加热温度高，保温时间长，奥氏体晶粒长大。

加热温度高，保温时间短，可获得细小的晶粒。

加热温度一定，延长保温时间，晶粒不断长大，并趋于稳定。

生产中，要适当控制加热温度和保温度时间，尤其是加热温度。

原因：

原子的扩散能力主要与温度有关。

保温的目的主要是为了使工件温度均匀，奥氏体的成分均匀化。

（2）加热速度。

在实际生产中，常采用快速加热和短时保温的方法来获得细小晶粒。

原因：

加热速度越快，过热度越大，奥氏体化温度越高，形核率和长大速率越大，但前者大于后者，可获得细小的奥氏体起始晶粒；另一方面，温度较高时，界面能高，原子扩散能力增强，细小晶粒反而易于长大，所以保温时间又不能太长。

（3）原始组织。

（4）钢的化学成分

碳元素的影响：

随碳含量增加，奥氏体晶粒长大倾向增加；当有未溶碳化物存在时，可阻碍晶粒长大，得到细小奥氏体晶粒。

合金元素影响：

A．钢中加入Al、V、Zr、Ti、Nb元素可起到细化晶粒的作用。

因为能形成高熔点、弥散分布的碳化物或氮化物，阻碍晶界移动，强烈阻碍奥氏体晶粒长大。

B．Mn、P及过量的Al等溶入奥氏体中，可加速铁的扩散，促进奥氏体晶粒的长大。

三、钢加热时常见的缺陷及防止措施

1．常见的缺陷

氧化：

钢在氧化性气氛（如气氛中有O2、CO2、H2O等）加热时易被氧化，工件表面形成FeO、Fe2O3、Fe3O4等氧化物，导致钢的烧损，零件尺寸变小，表面粗糙，更重要的是严重影响后序热处理的质量。

脱碳：

指钢中的碳被烧损，导致钢件表面含碳量降低的现象，常伴随氧化发生。

脱碳的气氛主要有氧化性气氛和H2气氛。

脱碳使钢件表面的含碳量降低，使钢件强度硬度降低，特别是疲劳强度和耐磨性严重下降。

过热：

指加热温度比正常温度偏高，出现的奥氏体晶粒粗大的现象。

过热使钢件的强度和塑韧性降低，热处理后变形加大。

过热的工件可通过重新奥氏体化，细化晶粒来补救。

过烧：

指钢加热的温度太高，奥氏体晶界局部或全部氧化甚至熔化的现象。

过烧使工件变脆，如果锻造一锻即裂。

过烧的工件只能报废，无法挽救，属于致命性缺陷。

2．防止措施

（1）在真空中加热：

工件在真空中加热是防止氧化脱碳的最有效措施，是热处理工艺的发展方向，在发达国家应用普遍。

问题在于，真空热处理设备投资大，成本较高。

（2）可控气氛加热：

工件加热过程中向炉内充入一定保护性气氛，保证钢在不脱碳、不增碳、不氧化的气氛下加热。

实践证明它是行之有效与可靠的方法，是现代热处理的发展方向之一。

（3）盐浴加热：

将工件置于一熔化了的中性熔融的盐浴炉中加热，盐浴进行充分脱氧，保证工件加热过程中少氧化，甚至无氧化。

缺点主要是粘在工件上的盐难以清洗，操作过程中盐液遇水易炸，不小心灼伤人体，不太安全，操作过程中要多加小心。

在以后的退火、正火、淬火、回火工艺的加热过程中，都会遇到这些问题，生产中要特别重视。

第二节钢在冷却时的转变

知识要点：

过冷奥氏体等温转变产物及其性能；影响c曲线的因素；应用等温转变图判断钢冷却至室温的组织

一、过冷奥氏体

奥氏体在临界点A1以上是稳定相，冷却至A1以下就成了不稳定相，要发生组织转变。

定义：

把在临界温度A1以下尚未发生组织转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体。

等温转变：

过冷奥氏体转变是在临界点以下某个温度下等温过程中发生的，就称为过冷奥氏体的等温转变。

连续转变：

转变在连续冷却的过程中发生的就称为过冷奥氏体的连续冷却转变。

等温冷却和连续冷却是工业生产中常用的两种热处理冷却方式。

钢中过冷奥氏体在冷却过程中的转变规律常用过冷奥氏体转变图来描述，表示转变产物与温度、时间之间的关系，是选择和制定热处理工艺的重要依据。

二、过冷奥氏体等温转变曲线（以共析钢为例）

1．等温转变曲线的建立

（1）准备几组共析钢小试样（5组，每组8个试样，小圆片试样的尺寸：

直径10～15mm，厚度～1.1mm）；

（2）把这些试样加热至A1（7270C）以上奥氏体化（如8000C）；

（3）然后迅速把各组试样分别迅速放入A1（7270C）以下的不同温度（700，650，600，550，5000C）的恒温箱中保温；

（4）记录时间，每隔一定时间取出一块试样，立即淬入水中（保持当时的组织状态）

（5）测量硬度，并在显微镜下观察其组织，找出各个等温温度下的转变开始时间和转变了时间，并画在“温度----时间”坐标系中。

（6）将转变开始点连接起来—A转变开始线；转变终了点连接起来—A转变终了线。

该曲线称过冷奥氏体等温曲线。

孕育期:

试样放入临界温度以下到开始发生转变之间的这段时间，即A开始转变线到温度轴的距离。

鼻尖处孕育期最短，鼻尖处的温度称为鼻温，共析钢在5500C左右。

2．过冷奥氏体等温曲线

是描绘过冷奥氏体在不同温度下等温过程中，转变产物与温度、时间之间关系的曲线图，又称TTT曲线或C曲线。

下图为共析钢的过冷奥氏体等温曲线图。

（解释：

转变开始线、终了线、MS和Mf）

Ms：

马氏体开始转变温度，Mf马氏体转变结束温度（有时在零度以下）

三、共析碳钢过冷奥氏体等温转变类型及转变产物

根据过冷奥氏体在不同温度间的转变特点，将其分为三类：

珠光体型转变、贝氏体型转变和马氏体型转变。

转变产物取决于等温的温度。

（一）珠光体型转变

1．转变温度：

7270C—5500C

2．转变产物：

珠光体

珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，这种类型的转变称为珠光体转变。

根据奥氏体化温度和程度不同，过冷奥氏体可以形成片状珠光体和球状珠光体。

（1）片状珠光体：

由共析反应形成，是由铁素体片和渗碳体片交替排列的层片状组织，形貌为层片状。

珠光体中铁素体和渗碳体层片的粗细与转变温度有关。

转变温度越低，过冷度越大，珠光体的层片越细。

在7270C—6500C：

珠光体片层较粗，称为粗片状珠光体，简称珠光体，用P表示；

在6500C—6000C：

珠光体层片较细，称为索氏体，用S表示；

在6000C--5500C：

珠光体层片极细，称为屈氏体，用T表示。

层片越细，珠光体的强度硬度越高，塑性韧性越好。

三者相比：

屈氏体的强度硬度最高，塑性韧性最好；索氏体次之；珠光体再次之。

例如：

冷拔弹簧钢丝，等温处理成索氏体，变性量可达80%，强度达到3000MPa。

（2）球状珠光体由片状珠光体经球化退火得到，是渗碳体呈颗粒状均匀分布在铁素体基体上的组织，形貌为颗粒状。

同一成分的钢在退火状态下，球状珠光体比片状珠光体的强度硬度低，塑性和韧性高。

在实际生产中，高碳工模具钢多采用球化退火获得球状珠光体来改善组织和切削加工性能。

（二）贝氏体型转变

1．转变温度：

在550—2300C（Ms）温度之间。

2．转变产物：

贝氏体，记为B。

3．定义：

贝氏体是由过饱和铁素体和渗碳体组成的机械混合物。

4．组织形态和性能特点：

有两种类型，其组织形态与等温温度有关。

（1）上贝氏体，记为B上：

在550－3500C之间形成，呈羽毛状，细小的短棒状渗碳体分布在过饱和铁素体片间。

性能特点：

硬度高，强度低，塑性韧性差，少用。

（2）下贝氏体，记为B下：

在350－Ms（2300C）之间形成，呈针片状或竹叶状状，渗碳体以短片状分布在过饱和铁素体针片的内部，具有较高的位错密度。

性能特点：

具有较高的强度硬度（45～55HRC）和良好的塑性韧性，即良好的综合力学性能。

工业中，对于中碳钢、中碳合金钢，希望得到下贝氏体组织，提高钢的强韧性。

（三）马氏体型转变

1．转变温度：

Ms（2300C）～Mf之间。

2．转变产物：

马氏体，记为M。

3．定义、结构：

马氏体是碳在Fe中形成的过饱和固溶体，体心正方晶格结构。

4．主要转变特点

（1）是无扩性相变；

（2）在Ms～Mf范围内不断降温中形成，冷却中断转变中止，转变量随温度的降低而增加；

（3）A向M的转变是一个体积膨胀过程，引起内应力。

（A的比容小，M的比容大）

（4）马氏体转变不能完全进行到底，有一定量的残余奥氏体。

钢的组织中存在残余奥氏体会使零件尺寸不稳定、硬度降低，应尽量减少。

措施：

采用多次回火或冷处理。

工模具钢量具钢的热处理中常采用这种工艺来减少残余奥氏体量，提高尺寸稳定性及耐磨性。

5．马氏体的组织形态和性能特点：

有两种类型。

（1）板条马氏体：

呈板条状；具有较高的强度和良好的韧性，即良好的综合力学性能。

Ms温度较高、含碳量较低的钢淬火时易得到板条马氏体。

板条马氏体是低、中碳钢和低、中碳合金钢淬火组织中的一种典型组织形态。

（2）片状马氏体：

呈针片状或竹叶状；具有高的强度和硬度，但塑性韧性差，即硬而脆。

Mf较低、含碳量较高的钢淬火时易得到。

片状马氏体主要出现在中高碳钢、中高碳合金钢和高镍的铁镍合金的淬火组织中。

必须经过回火处理后才能使用。

6．影响马氏体性能的因素

马氏体组织的最主要特点是高强度和高硬度。

硬度：

主要取决于其本身的含碳量，与合金元素含量关系不大。

随着碳含量的增加，马氏体的硬度升高。

对淬火钢来说，当含碳量为～％时，硬度达到最高；含碳量进一步增加时，硬度提高趋于平缓。

马氏体的高强度：

是由于碳在α-Fe中的过饱和而产生的固溶强化，相变时在马氏体内部造成大量的位错或孪晶等晶格缺陷而产生的相变强化，以及时效强化效应等综合作用的结果。

另外，奥氏体晶粒越细小，马氏体尺寸越小，其强度也越高。

塑性和韧性：

取决于马氏体的亚结构。

板条马氏体的亚结构为位错，具有高的强度和良好的韧性，特点是具有良好的综合机械性能；片状马氏体的亚结构为孪晶，具有高的强度和硬度，但塑韧性很差，特点是硬而脆。

注：

低碳的板条马氏体硬度不是太高，所以低碳钢淬火主要是为了获得良好的强韧性，而淬火后的硬度并不能明显提高。

7．应用

要求高硬度高耐磨性的零件，得到高碳的片状马氏体组织，如工模具、渗碳件等。

要求综合力学性能好的零件，得到低碳马氏体，如发动机连杆、螺栓、石油钻井的吊环和吊钳等。

四、影响C曲线的主要因素

1．含碳量的影响

对C曲线形状的影响：

亚共析钢，在P转变之前有先共析铁素体析出，C曲线上有A→F转变线。

过共析钢，在P转变之前有二次渗碳体析出，C曲线上有A—Fe3C转变线。

对C曲线位置的影响：

亚共析钢，Wc↑,C曲线右移，转变推迟。

过共析钢：

Wc↑，C曲线左移，C曲线左移。

共析钢的C曲线最靠右。

三者相比，淬火时，共析钢最易获得马氏体组织，易淬火。

对Ms和Mf的影响：

Wc↑，Ms↓，Mf↓，残余奥氏体量增多。

问题：

比较45钢、T8钢和T12钢淬火时，哪个最易

2．合金元素的影响

除Co元素外，其它溶入奥氏体中的合金元素都使C曲线右移。

3．奥氏体化温度

五、过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）

1．共析碳钢的CCT曲线

由三条线组成：

Ps线为过冷奥氏体转变为珠光体的开始线，Pf为转变终了线，两线之间为转变过渡区。

KK′线为转变的中止线，当冷却曲线碰到此线时，过冷奥氏体向珠光体型组织转变中止，继续冷却一直保持到Ms点以下，剩余的过冷奥氏体转变为马氏体。

淬火临界冷却速度Vk：

指获得全部马氏体组织（实际还含有一小部分残余奥氏体）的最小冷却速度，为CCT曲线的临界冷却速度，又称淬火临界冷却速度。

在连续转变冷却曲线中，过冷奥氏体的转变产物取决于冷却速度。

由图可以看出：

当V冷>Vk时，得到全部马氏体组织；

当V冷

Vk′

    Vk越小，奥氏体越稳定，因而即使在较慢的冷却速度下也会得到马氏体组织，这对淬火工艺操作具有十分重要的意义。

2.共析碳钢的CCT曲线与TTT曲线的

（1）CCT曲线位于TTT曲线的右下方。

说明在连续冷却时过冷奥氏体在较低温度下和经过较长时间后才开始珠光体转变，即孕育期长些，过冷度大些。

（2）CCT曲线中没有贝氏体转变区。

说明共析钢要获得贝氏体组织必须采用等温冷却。

附：

（1）亚共析碳钢的CCT曲线图中，有铁素体析出区和中温贝氏体转变区。

（2）过共析碳钢的CCT曲线与共析碳钢的相似，也没有贝氏体转变区，但多了一条先共析渗碳体析出线，同时Ms线右端上升。

六、C曲线的应用

1．用TTT曲线来估计连续冷却转变得到的组织

以共析钢为例说明。

方法:

将连续冷却速度线画在钢的C曲线上，分析冷却速度线与C曲线相交点的位置来判断得到的室温组织。

（1）υ1700～650℃随炉冷P170～220HBS

（2）υ2650～600℃空冷S25～35HRC

（3）υ3油冷T＋M＋Ar45～55HRC

（4）υ4水冷M＋Ar55～65HRC

2．在正确选材和制定热处理工艺方面

（1）正确制定淬火的冷却制度，选择淬火剂；

（2）制定分级淬火规范和等温淬火制度；

（3）制定经济合理的退火工艺，如等温退火时等温时间的确定；

（4）分析淬火转变产物的类型，并估计其性能。