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qAAA第六章 钢的热处理 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 6 1 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变一、奥氏体的形成一、奥氏体的形成 根据根据 Fe-Fe3C 相图，钢在加热时发生珠光体向奥氏相图，钢在加热时发生珠光体向奥氏体的转变，此转变过程称体的转变，此转变过程称奥氏体化奥氏体化。共析钢：共析钢：P A 亚共析钢：亚共析钢：P+F A+F A 过共析钢：过共析钢：P+Fe3C A+Fe3C A 热处理时应进行适当时间的保温。保温的目的是使工热处理时应进行适当时间的保温。保温的目的是使工件各部分温度一致，组织转变充分均匀。件各部分温度一致，组织转变充分均匀。2二、二、奥氏体的晶粒度奥氏体的晶粒度1.奥氏体的晶粒的长大奥氏体的晶粒的长大 钢形成奥氏体后继续加热或保温，晶粒将会长大（此过程会钢形成奥氏体后继续加热或保温，晶粒将会长大（此过程会使晶界面积减小，降低能量，能自发进行）。使晶界面积减小，降低能量，能自发进行）。奥氏体的晶粒度对钢的力学性能有重要影响。奥氏体的晶粒度对钢的力学性能有重要影响。2.几个概念几个概念 起始晶粒度：奥氏体刚形成时的晶粒大小。起始晶粒度：奥氏体刚形成时的晶粒大小。实际晶粒度：在实际加热条件下的奥氏体晶粒大小。实际晶粒度：在实际加热条件下的奥氏体晶粒大小。本质晶粒度：在规定加热条件下的奥氏体晶粒大小。本质晶粒度：在规定加热条件下的奥氏体晶粒大小。为比较不同钢的奥氏体晶粒长大的倾向，把不同钢种在规定为比较不同钢的奥氏体晶粒长大的倾向，把不同钢种在规定条件下加热保温（条件下加热保温（930,8h），比较其晶粒大小。），比较其晶粒大小。晶粒易长大的称本质粗晶粒钢，晶粒不易长大的称本质细晶晶粒易长大的称本质粗晶粒钢，晶粒不易长大的称本质细晶粒钢。粒钢。3三、影响奥氏体晶粒长大的主要因素三、影响奥氏体晶粒长大的主要因素1.加热温度越高，保温时间越长，则奥氏体晶粒越大。加热温度越高，保温时间越长，则奥氏体晶粒越大。2.晶粒长大是一原子扩散的过程，在加热时钢的组织中若晶粒长大是一原子扩散的过程，在加热时钢的组织中若有未溶质点存在，则扩散阻力增大，故可阻碍奥氏体晶有未溶质点存在，则扩散阻力增大，故可阻碍奥氏体晶粒长大。粒长大。加热时未溶的碳化物质点可阻碍奥氏体晶粒长大，故加热时未溶的碳化物质点可阻碍奥氏体晶粒长大，故:碳化物形成元素可以细化晶粒，碳化物形成元素越碳化物形成元素可以细化晶粒，碳化物形成元素越 强，作用越显著。强，作用越显著。过共析钢在过共析钢在Ac1 Acm之间加热，可获得较细小的奥氏之间加热，可获得较细小的奥氏 体晶粒。体晶粒。46 2 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变一、一、过冷奥氏体的等温转变曲线过冷奥氏体的等温转变曲线Time-Temperature-Transformation1.共析碳钢的过冷奥氏体的等温转共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变曲线变曲线 (简称简称TTT曲线或曲线或C曲曲线）线）过冷奥氏体：在过冷奥氏体：在A1以下的奥氏体。以下的奥氏体。建立：实验方法，如右图。建立：实验方法，如右图。孕育期：孕育期：C曲线上曲线与纵轴间曲线上曲线与纵轴间的距离。在的距离。在550左右处孕育期左右处孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定。此最短，过冷奥氏体最不稳定。此处称处称C曲线的鼻部。曲线的鼻部。52.转变产物及性能转变产物及性能珠光体型转变珠光体型转变发生在鼻部以上（发生在鼻部以上（Ar1 550）产物为层片状的产物为层片状的 F 与与 Fe3C 机机械混合物，如右图所示。械混合物，如右图所示。随温度由高至低，层片由粗到随温度由高至低，层片由粗到细细,分别称为分别称为珠光体（珠光体（P）、索）、索氏体（氏体（S）、屈氏体（）、屈氏体（T），），硬硬度逐渐升高，同时韧性也有改度逐渐升高，同时韧性也有改善。善。P、S、T的比较见下表：的比较见下表：名名 称称 代号代号 转变温度转变温度 片间距片间距m 硬度硬度HRC 珠光体珠光体 Pearlite P Ar1 650 0.4 0.7 25 索氏体索氏体 Sorbite S 650 600 0.25 0.4 35 25 屈氏体屈氏体 Troostite T 600 550 0.25以下以下 40 35 6贝氏体型转变贝氏体型转变 贝氏体贝氏体:bainite发生在鼻部以下（发生在鼻部以下（550Ms）产物也为产物也为F与与Fe3C机械混合物，机械混合物，随温度由高至低，分别称为随温度由高至低，分别称为:上贝氏体上贝氏体 B上上、下贝氏体、下贝氏体 B下下，其形貌、性能如下表所示：其形貌、性能如下表所示：名名 称称 符符 号号 形形 成成 温温 度度 形形 貌貌 性性 能能 上贝氏体上贝氏体 B上上 550 350 羽毛状羽毛状 HRC4050,韧性差韧性差 下贝氏体下贝氏体 B下下 350 Ms 竹叶状竹叶状 HRC5055,韧性好韧性好 B下下具有优良的综合力学性能，生产实践中应用于要求高强韧具有优良的综合力学性能，生产实践中应用于要求高强韧性的工件（如工模具等）。性的工件（如工模具等）。7上贝氏体的形貌为羽毛状,如右图所示:下贝氏体的形貌为竹叶状,如右图所示:8马氏体型转变马氏体型转变产生：奥氏体急冷至产生：奥氏体急冷至Ms（约（约230）线以下，过冷度极大，）线以下，过冷度极大，转变趋势极大，奥氏体极快地由转变趋势极大，奥氏体极快地由 fcc 变成变成 bcc，而碳原子来，而碳原子来不及扩散，不及扩散，形成碳在形成碳在 Fe中的过饱和间隙固溶体，即马中的过饱和间隙固溶体，即马氏体，氏体，Martensite (M)。形貌：决定于奥氏体的含碳量：形貌：决定于奥氏体的含碳量：当当Wc 1.0%时，全部形成针片状马氏体时，全部形成针片状马氏体 M片片；当当Wc 0.2%时，全部形成板条状马氏体时，全部形成板条状马氏体 M条条；当当0.2%Wc1.0%时，形成混合马氏体。时，形成混合马氏体。性能：因碳在性能：因碳在 Fe中的过饱和，晶格严重畸变，所以中的过饱和，晶格严重畸变，所以 M片片具有高硬度高强度，但塑性韧性低；具有高硬度高强度，但塑性韧性低；M条条具有较高硬度强度，塑性韧性也较好。具有较高硬度强度，塑性韧性也较好。9 板条状马氏体的形貌板条状马氏体的形貌 针片状马氏体的形貌针片状马氏体的形貌 马氏体转变的主要特点马氏体转变的主要特点 转变驱动力极大，转变中无原子扩散，高速形成。转变驱动力极大，转变中无原子扩散，高速形成。转变总是进行不完全，存在残余奥氏体转变总是进行不完全，存在残余奥氏体 A。但碳素钢的残余奥氏体但碳素钢的残余奥氏体 少，可忽略。合金钢则不能忽略。少，可忽略。合金钢则不能忽略。在在Ms以下降温过程中形成，等温过程马氏体量不增加。以下降温过程中形成，等温过程马氏体量不增加。转变过程伴随体积膨胀，导致工件变形。转变过程伴随体积膨胀，导致工件变形。103.非共析碳钢非共析碳钢C曲线曲线亚共析碳钢的亚共析碳钢的C曲线还有一条曲线还有一条 AF 转变线（转变线（F是先共析相）；是先共析相）；过共析碳钢的过共析碳钢的C曲线还有一条曲线还有一条 AFe3C 转变线（转变线（Fe3C是先是先共析相）共析相）：114.合金元素对合金元素对C曲线的影响曲线的影响加热时，合金元素溶入奥氏体后一般都使加热时，合金元素溶入奥氏体后一般都使C曲线右移（钴曲线右移（钴元素除外），孕育期变长。这是合金元素提高钢淬透性的元素除外），孕育期变长。这是合金元素提高钢淬透性的理论根据。理论根据。某些合金元素使某些合金元素使C曲线出现二个鼻子。曲线出现二个鼻子。12二、过冷奥氏体的连续冷却转变曲线二、过冷奥氏体的连续冷却转变曲线Continuous Cooling Transformation（CCT曲线）曲线）1.CCT曲线的建立、形状及转变组织都曲线的建立、形状及转变组织都与与TTT曲线相似。曲线相似。主要区别：共析钢和过共析钢的主要区别：共析钢和过共析钢的 CCT无贝氏体转变。无贝氏体转变。在生产实践中一般以在生产实践中一般以TTT曲线代替曲线代替CCT曲线分析连续冷却转变组织。曲线分析连续冷却转变组织。2.应用应用 根据根据TTT（或（或CCT）曲线可以方便）曲线可以方便地解决以下问题：地解决以下问题：冷却方式冷却方式 所得组织所得组织3.临界冷却速度：临界冷却速度：在连续冷却过程中只发生马氏体转在连续冷却过程中只发生马氏体转变的最小冷却速度（图中变的最小冷却速度（图中Vk）。）。136 3 钢的整体热处理钢的整体热处理 概概 述述 1.机械零件加工的一般工艺流程机械零件加工的一般工艺流程 铸（锻）造成形铸（锻）造成形 预先（备）热处理预先（备）热处理 粗加工粗加工 最终最终热处理热处理 精加工精加工 2.热处理工序的作用热处理工序的作用 预先（备）热处理预先（备）热处理：包括退火、正火。包括退火、正火。消除铸（锻）件的组织缺陷，均匀组织，细化晶粒，降低消除铸（锻）件的组织缺陷，均匀组织，细化晶粒，降低 硬度，消除应力。硬度，消除应力。最终热处理最终热处理：包括淬火、回火。包括淬火、回火。形成零件使用时需要的组织和性能。形成零件使用时需要的组织和性能。14一、退火、退火 annealing 1.完全退火完全退火 用于亚共析钢用于亚共析钢加热温度加热温度Ac3+2030，保温后缓，保温后缓慢冷却。慢冷却。组织：组织：F+P降低硬度，均匀组织。降低硬度，均匀组织。2.球化退火球化退火 用于过共析钢用于过共析钢 加热温度加热温度Ac1+2030，保温后，保温后缓慢冷却。缓慢冷却。在两相区保温时，形成在两相区保温时，形成 A+大量大量未溶的未溶的 Fe3C 颗粒。颗粒。缓冷过程中产生的缓冷过程中产生的 Fe3C 依附于未依附于未溶的溶的Fe3C 颗粒长大，最后形成：颗粒长大，最后形成：铁素体基体上分布着颗粒状铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C，即粒状珠光体，即粒状珠光体，这种组织硬度这种组织硬度低，利于切削加工。低，利于切削加工。153.去应力退火去应力退火加热至加热至Ac1以下（以下（250400），保温后缓冷。），保温后缓冷。无组织变化，用于铸、锻、焊及冷变形件去除应力。无组织变化，用于铸、锻、焊及冷变形件去除应力。二、正火二、正火 normalizing1.工艺：工艺：加热温度：加热温度：亚共析钢亚共析钢 Ac3+3050 过共析钢过共析钢 Acm+3050 冷却方式：保温后在空气中冷却。冷却方式：保温后在空气中冷却。2.组织：组织：亚共析钢亚共析钢：F(少量少量)+S(或或T)过共析钢：过共析钢：Fe3C(少量少量)+S(或或T)3.主要作用：主要作用：亚共析钢：在低、中碳钢中代替完全退火。亚共析钢：在低、中碳钢中代替完全退火。过共析钢：因空气冷却速度较快，先共析相过共析钢：因空气冷却速度较快，先共析相 Fe3C 的析出量的析出量较少，不能连成网状，故起到较少，不能连成网状，故起到消除网状组织的作用。消除网状组织的作用。16三、淬火三、淬火 quenching将钢加热至临界点以上保温后，以大于临界冷却速度的冷速将钢加热至临界点以上保温后，以大于临界冷却速度的冷速冷至冷至Ms点以下获得马氏体的热处理工艺。点以下获得马氏体的热处理工艺。1.加热温度加热温度亚共析钢：亚共析钢：Ac3+3050 淬火组织：淬火组织：M+A（少量）（少量）过共析钢：过共析钢：Ac1+3050保温时组织：保温时组织：A+Fe3C（粒）（粒）淬火组织：淬火组织：M+A少量少量+Fe3C（粒）（粒）保温时未溶的保温时未溶的Fe3C（粒）（粒）可阻碍可阻碍奥氏体晶粒长大，淬火组织中奥氏体晶粒长大，淬火组织中Fe3C(粒粒)可以提高钢的耐磨性。可以提高钢的耐磨性。最终得到高硬度、高耐磨性及适最终得到高硬度、高耐磨性及适当韧性的淬火组织。当韧性的淬火组织。172.冷却方法冷却方法原则：淬火时既要快冷获得原则：淬火时既要快冷获得M，又要尽可能减小内应力，又要尽可能减小内应力，减少变形和开裂。减少变形和开裂。单液淬火：碳钢单液淬火：碳钢 水水 合金钢合金钢 油。油。双液淬火：水淬油冷。双液淬火：水淬油冷。分级淬火：冷却时短暂停留，分级淬火：冷却时短暂停留，减小冷却温差。减小冷却温差。等温淬火：获得下贝氏体。等温淬火：获得下贝氏体。18四、回火四、回火 tempering1.目的：淬火组织为目的：淬火组织为M+A，不稳定，内应力大，脆性大，所以钢，不稳定，内应力大，脆性大，所以钢 淬火后必须淬火后必须回火。回火。淬火钢再加热至淬火钢再加热至Ac1以下某温度保温后冷却，获得回火组织，可以稳定组织，消以下某温度保温后冷却，获得回火组织，可以稳定组织，消除应力，降低脆性，调整性能。除应力，降低脆性，调整性能。2.回火组织与性能：回火组织与性能：回火时回火时 碳化物逐渐析出，碳化物逐渐析出，A 逐渐消失，逐渐消失，形成碳化物分布在形成碳化物分布在 M 或或 F 的基体之上的基体之上 的的 粒状组织。粒状组织。随回火温度升高，颗粒渐粗，随回火温度升高，颗粒渐粗，硬度渐低。因此组织粒度可调，材料性能可调。硬度渐低。因此组织粒度可调，材料性能可调。与片状组织相比，粒状组织在相同强度时韧性更好，具有更好的综合力学性能。与片状组织相比，粒状组织在相同强度时韧性更好，具有更好的综合力学性能。回回 火火 组组 织织 符符 号号 形成温度形成温度 硬硬 度度 及及 应应 用用 回火马氏体回火马氏体 M回回 150250 高硬度、高耐磨性高硬度、高耐磨性 用于工模具、轴承、齿轮表面等用于工模具、轴承、齿轮表面等 回火屈氏体回火屈氏体 T回回 350500 HRC 3545 各类弹簧各类弹簧 回火索氏体回火索氏体 S回回 500650 HRC 2535 用于要求强韧性配合的零件用于要求强韧性配合的零件,如轴类等如轴类等19 3.回火温度回火温度 低温回火：低温回火：150250；中温回火：中温回火：350500；高温回火：高温回火：500650，淬火淬火+高温回火又称为调质。高温回火又称为调质。五、钢的淬透性与淬硬性五、钢的淬透性与淬硬性1.淬硬性：淬硬性：淬火得到马氏体硬度的高低。淬火得到马氏体硬度的高低。影响淬硬性主要因素是：马氏体内含碳量越多，硬度越高。影响淬硬性主要因素是：马氏体内含碳量越多，硬度越高。2.淬透性：淬透性：淬火得到马氏体层的深度淬火得到马氏体层的深度,即得到马氏体多少的能力。即得到马氏体多少的能力。影响淬透性主要因素是：加热时溶入影响淬透性主要因素是：加热时溶入A的合金元素越多，的合金元素越多，C曲曲线就越右移，则零件淬火时得到的线就越右移，则零件淬火时得到的M越多，淬透性就越好。越多，淬透性就越好。合金钢的淬透性优于碳素钢。合金钢的淬透性优于碳素钢。20 6 4 钢的表面热处理钢的表面热处理一、一、表面淬火：表面淬火：对工件表面快速加热，迅速冷却，只使对工件表面快速加热，迅速冷却，只使表面发生相变。表面发生相变。1.加热方法：加热方法：感应加热、火焰加热。感应加热、火焰加热。2.选用钢种：中碳钢、中碳合金钢。选用钢种：中碳钢、中碳合金钢。3.工序位置：整体热处理（调质）、工序位置：整体热处理（调质）、精加工以后进行。后精加工以后进行。后 接低温回火。接低温回火。4.性能：表硬里韧，变形小。性能：表硬里韧，变形小。5.典型零件：机床齿轮。典型零件：机床齿轮。21二、化学热处理二、化学热处理1.概念：将工件置于一定化学介质中加热、保温，介质中的活性概念：将工件置于一定化学介质中加热、保温，介质中的活性原子渗入工件表面，然后进行渗后热处理，既改变表面化学成原子渗入工件表面，然后进行渗后热处理，既改变表面化学成分，又改变表面组织。分，又改变表面组织。2.渗碳渗碳 选用钢种：低碳钢，低碳合金钢，（皆是低碳的亚共析钢）。选用钢种：低碳钢，低碳合金钢，（皆是低碳的亚共析钢）。热处理：热处理：渗碳渗碳+淬火淬火+低温回火低温回火 组织：表面为过共析钢：组织：表面为过共析钢：M回回+A+Fe3C（粒），高硬度、（粒），高硬度、高耐磨性。高耐磨性。心部为亚共析钢：一般为混合组织，心部为亚共析钢：一般为混合组织，具有较高的强具有较高的强 韧性。韧性。典型零件：汽车、拖拉机变速箱齿轮。典型零件：汽车、拖拉机变速箱齿轮。22