模块六钢的热处理.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,金属材料与,热处理（第二版）,2015,年月出版,Heat Treatment,大连理工大学出版社,主编：王书田,“十二五”职业教育国家规划教材,高职高专焊接技术及自动化类课程规划教材,模块六 钢的热处理,热处理是金属材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，改变材料表面或内部的化学成分与组织，获得所需性能的一种金属热加工工艺。,通过热处理可以改善组织，获得人们所需要的性能，还可以大幅度提高金属材料的力学性能，充分发挥材料性能的潜力，延长机器零件的使用寿命。在汽车、拖拉机制造中，,80%,的零件要进行热处理，而工具、模具和滚动轴承,100%,要进行热处理。因此，钢的热处理在机械制造行业中有重要的意义。,模块六 钢的热处理,金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分及组织，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件内部质量。,热处理,工艺一般由加热、保温和冷却三个阶段组成。加热是各种热处理必不可少的第一道工序，除回火、少数去应力退火外，热处理一般均需要加热到临界点以上温度使钢部分或全部形成奥氏体。钢热处理后的组织和性能，除了受冷却条件影响外，还与加热时所形成的奥氏体成分、均匀程度及其晶粒度有关。,模块六 钢的热处理,钢,的临界点分别是,A,1,(PSK,线,),、,A,3,(GS,线,),、,A,cm,(ES,线,),。而在实际生产中，加热速度,和冷却速度比较快的，因此临界点也就发生了变化。,加热时,在高于原临界点温度才发生相变，相对应的临界点加,c,（法语加热,chauffage,的首字母），则相对应的临界点分别为：,Ac,1,、,Ac,3,、,Accm,;,冷却时,则在低于原临界点温度发生相变，相对应的临界点加,r,（法语冷却,refroidissement,的首字母），则相对应的临界点分别为：,Ar,1,、,Ar,3,、,Arcm,大多数热处理过程首先必须把钢加热到奥氏体状态，然后采取适当的冷却方式以获得所期望的组织和性能，通常把钢加热获得奥氏体的转变过程称为,奥氏体化,。,钢在加热时的组织转变,共析钢的奥氏体形成包括,奥氏体的形核、奥氏体晶粒长大、残余渗碳体的溶解,及,奥氏体成分均匀化,等四个阶段。,1.,奥氏体的形成,（,1,）,A,形核,：共析钢加热温度超过,A,c,1,时，珠光体处于不稳定状态，奥氏体晶核优先在铁素体和渗碳体的相界面形成，因为此处成分不均匀，奥氏体含碳量介于铁素体和渗碳体之间，为形核提供了成分条件,;,而且相界面上原子排列混乱，存在较多结构缺陷，原子处于较高能量状态，易满足奥氏体形核的结构条件和能量条件。,（,2,）,A,长大,：一旦形核，奥氏体便开始长大，长大过程是依靠原子扩散完成的。原子扩散包括铁原子自扩散完成晶格改组和碳原子扩散，使奥氏体晶核向两侧的铁素体相和渗碳体相推移并长大，即通过铁素体向奥氏体的同素异构转变和渗碳体的溶解来实现。,钢在加热时的组织转变,（,3,）残余渗碳体溶解,：虽然珠光体中铁素体的量比渗碳体的量要多，但转变为奥氏体时消耗铁素体的量比渗碳体的量还要更多，因此，铁素体向奥氏体同素异构转变完成后，还有一部分渗碳体尚未溶解，需要在随后的加热保温过程中继续向奥氏体中溶解。,（,4,）,A,成分均匀化,：残余渗碳体溶解完毕后，奥氏体的成分是不均匀的，原来铁素体处含碳量低，而原来渗碳体处含碳量高。还要经过足够长的保温时间，才能通过碳的扩散形成均匀的奥氏体。,钢在加热时的组织转变,亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。,亚共析钢中有先析出的铁素体，要获得全部奥氏体组织，必须将亚共析钢加热到,A,c3,线以上,过共析钢中有二次渗碳体的存在，要获得全部奥氏体组织，将过共析钢加热到,A,ccm,线以上。,在实际生产中，通常过共析钢往往加热到,A,c1,以上进行部分奥氏体化，保留一部分渗碳体，以保证具有足够的硬度，来达到耐磨性要求。,钢在加热时的组织转变,2.,影响奥氏体形成速度的因素,奥氏体的形成是通过原子扩散来实现，因此，影响原子扩散的因素都将影响奥氏体的形成速度，其中最主要的是加热温度、保温时间、原始组织和化学成分等因素的影响。,（,1,）加热温度和保温时间的影响,随着温度的升高，相变驱动力增大，原子扩散速度增加，形核率和长大速度大大提高，转变完成所需的时间显著缩短，即奥氏体形成速度加快。在影响奥氏体形成速度的诸多因素中，温度的作用最为显著，因此控制奥氏体的形成温度非常重要。在较低温度下长时间保温和较高温度下短时间保温都可以得到相同的奥氏体状态，所以在制定加热工艺时应综合考虑加热温度和保温时间的影响。,（,2,）原始组织的影响,原始组织越细小，相界面越多，形核率越高，奥氏体形成速度越快，因此片状珠光体比粒状珠光体更易奥氏体化。,钢在加热时的组织转变,（,3,）化学成分的影响,碳对奥氏体化速度的影响,:,对于亚共析钢，随着含碳量的增加，,A,3,点下降，珠光体的量增加，铁素体和渗碳体的相界面增多而形核率增大，碳原子扩散距离减小，扩散速度提高，但渗碳体溶解及奥氏体均匀化的时间增加,对于过共析钢，随着含碳量的增加，,A,cm,点升高，渗碳体的量增加，珠光体的量减少，铁素体和渗碳体的相界面减少而形核率降低，碳原子扩散距离增大，扩散速度减慢，奥氏体形成速度变慢。,钢在加热时的组织转变,合金元素的影响,合金元素影响碳在奥氏体中的扩散速度，,Co,、,Ni,等使其扩散系数增大，扩散速度提高,;Ni,、,Mn,、,Cu,等使其形核率和长大速度都增加，从而促进奥氏体形成,;,强碳化物形成元素如,Cr,、,W,、,V,等减慢残余渗碳体的溶解及奥氏体成分的均匀化速度，降低奥氏体长大速度。,合金元素改变了钢的临界点和碳在奥氏体中的溶解度，从而改变了钢的过热度和碳在奥氏体中的扩散速度，进而影响奥氏体的形成速度。,钢中的合金元素在铁素体和碳化物中的分布是不均匀的，在平衡组织中碳化物形成元素集中在碳化物中，而非碳化物形成元素集中在铁素体中，因此在含有合金元素的钢中除了碳的均匀化之外，还有合金元素的均匀化过程。,钢在加热时的组织转变,3.,奥氏体的晶粒大小,钢在奥氏体化后，奥氏体晶粒大小对冷却后钢的组织和性能有重要的影响。晶粒细化，钢热处理后的力学性能大为提高，晶粒粗大，会使其性能恶化，尤其当晶粒大小不均匀时，还会显著降低钢的结构强度，引起应力集中，易产生脆性断裂。,衡量奥氏体晶粒的大小用,晶粒度,来表达，通常用,N,表示，通常以单位面积内晶粒的数目或以每个晶粒的平均面积与直径描述。,奥氏体晶粒度通常分为,8,级,，晶粒度级别,N,越大，单位面积内晶粒数量越多，则晶粒尺寸越小。因此，,1,4,级为粗晶粒，,5,8,级为细晶粒，晶粒度在,8,级以上为超细晶粒。,实际生产中奥氏体晶粒尺寸，通常用放大,100X,与,8,级晶粒度标准金相图片相比较的方法来确定晶粒度级别,N,。,钢在加热时的组织转变,国家标准,8,级晶粒度标准,金相图片,：,奥氏体晶粒度级别图,钢在加热时的组织转变,（,1,）起始晶粒度,奥氏体起始晶粒度是指奥氏体形成刚结束、晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。,（,2,）本质晶粒度,本质晶粒度即根据标准实验方法，经,93010,保温,3,8 h,后测得的奥氏体晶粒大小。,规定“晶粒度大小在,5,8,级的钢为本质细晶粒钢，,1,4,级的钢为本质粗晶粒钢”。本质晶粒度表明了奥氏体在一定温度范围内晶粒的长大倾向，并不反映实际的晶粒大小。,钢在加热时的组织转变,（,3,）实际晶粒度,实际晶粒度是指在具体加热条件下得到奥氏体晶粒大小。,实际晶粒度与钢的具体热处理条件有关，即完全由其所达到的最高温度和该温度下的保温时间决定。实际晶粒的大小直接影响钢在冷却后的组织和性能。,钢在加热时的组织转变,4.,影响奥氏体晶粒大小的因素,（,1,）加热温度和保温时间,加热温度越高，保温时间越长，形核率越高，长大速度也越快，奥氏体晶界迁移的速度越快，因此奥氏体晶粒越粗大。,（,2,）加热速度,加热速度越快，奥氏体实际形成温度越高，形核率提高，由于时间短晶粒来不及长大，所以可获得细小的起始晶粒。,钢在加热时的组织转变,（,3,）化学成分,在一定的含碳量范围内，随着奥氏体中含碳量的增高，碳在奥氏体中的扩散速度以及铁的自扩散速度均增大，奥氏体晶粒长大倾向增加，但当含碳量超过一定量时，由于形成二次渗碳体，会阻碍奥氏体晶粒的长大。,合金元素,Ti,、,Zr,、,V,、,W,、,Nb,等形成的碳化物熔点较高，弥散分布在奥氏体中，阻碍奥氏体晶粒长大,非碳化物形成元素,Si,、,Ni,等对奥氏体长大速度影响不大,;,Mn,、,P,、,O,等元素会增加奥氏体晶粒长大的倾向。,钢在冷却时的组织转变,钢在冷却时有两种方式,:,等温冷却和连续冷却,等温冷却：,就是使加热到奥氏体区的钢，先以较快的冷却速度冷到,A,r1,或,A,r3,线以下某一温度，之后进行保温，使奥氏体在等温下发生组织转变。,过冷奥氏体等温冷却转变曲线称为,TTT,图,或等温冷却,“,C”,曲线,连续冷却：,就是使加热到奥氏体区的钢，在温度连续下降的过程中发生组织转变。,过冷奥氏体连续冷却转变曲线称为,CCT,图,或等温冷却“,C”,曲线,钢的冷却方式,钢在冷却时的组织转变,1.,过冷奥氏体等温冷却转变曲线（,TTT,或“,C”,曲线）,（,1,）过冷奥氏体等温冷却转变曲线的建立,选取一组共析钢制成的很多薄片试样，将试样加热到,A,1,线以上，经保温后使其组织全部奥氏体化，然后将试样急冷至,A,1,线以下不同温度的恒温盐浴槽中，进行等温组织转变。这时，冷却到,A,1,线以下的奥氏体并不马上发生组织转变，把这种冷却到临界转变温度以下而未发生相变的奥氏体叫作,过冷奥氏体,。过冷奥氏体发生相变所经历的时间叫作,孕育期,。测定不同等温温度下的过冷奥氏体转变开始时间和转变终了时间，将测试结果描点在以温度为纵坐标、以时间为横坐标的图中，把转变开始点与转变终了点分别用光滑的曲线连接，即得到过冷奥氏体等温,冷却曲线。,钢在冷却时的组织转变,过冷奥氏体等温冷却曲线由于是温度,(Temperature),、时间,(Time),、转变,(transformation),的曲线，因此称为,TTT,曲线或,TTT,图，又由于其形状像字母“,C”,，因此也叫作“,C”,曲线。其中等温温度在,550,时孕育期最短，在“,C”,曲线的最突出,部位，因此叫作鼻尖温度,。,钢在冷却时的组织转变,（,2,）,TTT,曲线的分析,“,C”,曲线有三个转变区，即,珠光体、贝氏体,和,马氏体,转变区,五条线即,A,1,线、第一条“,C”,曲线、第二条“,C”,曲线、,M,s,和,M,f,线,A,1,线以上奥氏体稳定存在，,A,1,以下奥氏体变成亚稳定存在的过冷奥氏体。,第一条“,C”,曲线为奥氏体向珠光体,P,和贝氏体,B,转变的开始线,第二条 “,C”,曲线为奥氏体转变为,P,和,B,终了,线。,M,s,为马氏体转变开始线，,M,f,为马氏体转变终了线,共析钢过冷奥氏体等温冷却曲线建立示意图,钢在冷却时的组织转变,2.,过冷奥氏体连续冷却转变曲线（,CCT,曲线）,（,1,）过冷奥氏体连续冷却转变曲线的建立,选取一组共析钢制成的很多薄片试样，将试样加热到,A,1,线以上，经保温后使其组织全部奥氏体化，然后将试样通过炉冷、空冷、油冷、水冷等以不同的冷却速度连续冷却，通过综合应用热分析法、金相法和膨胀法等方法测得。,过冷奥氏体连续冷却转变曲线（,continuous cooling transformation,）也称为,CCT,曲线或,CCT,图。,过冷奥氏体连续冷却转变曲线更符合实际情况。,钢在冷却时的组织转变,（,2,）过冷奥氏体连续冷却转变曲线分析,连续冷却组织转变中无贝氏体转变区，曲线为半个“,C”,，这是因为从,K,到,Ms,温度范围内冷却速度较快，达不到贝氏体转变所需的孕育时间，所以贝氏体转变被抑制了。在珠光体转变区之下多了一条转变,中止线,K,。,当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变中止，余下的奥氏体一直保持到,Ms,以下转变为马氏体。,共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变曲线,钢在冷却时的组织转变,冷却速度,vk,为钢的,临界冷却速度,(,称为,上临界冷却速度,或,临界淬火冷速,),，即为获得马氏体组织的最慢冷却速度，与鼻尖温度相切，冷却速度大于,vk,时，得到马氏体组织,vk(,称为,下临界冷却速度,),为获得全部珠光体组织的最快冷却速度，当冷却速度小于,vk,时，得到全部珠光体组织,冷却速度在,vk,与,vk,之间时，得到珠光体与马氏体的混合组织。,共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变曲线,钢在冷却时的组织转变,3.,共析钢过冷奥氏体的,TTT,曲线和,CCT,曲线的比较,（,1,）形状：,TTT,曲线是完整的“,C”,，而,CCT,曲线为半个“,C”,。,（,2,）位置：,CCT,曲线在,TTT,曲线的右下方，说明连续冷却时过冷奥氏体更稳定，孕育期更长，组织转变温度更低。,（,3,）应用：,钢的热处理多数是在连续冷却条件下进行的，因此连续冷却转变曲线对热处理生产有直接指导作用。根据,CCT,曲线可以制定钢的正确冷却工艺参数，可以估计钢在热处理后的组织及其性能等,。,钢在冷却时的组织转变,（,4,）测定的难易程度：,TTT,曲线是钢在等温条件下发生组织,转变，容易,测得，而,CCT,曲线是钢在不断变化的温度下发生组织转变，所以测定有一定的难度。,可以通过,TTT,曲线大概估计,CCT,曲线的位置，鼻尖温度位置大概可以估计，这就能大概估计钢的临界冷却速度,v,k,和,v,k,。,钢在冷却时的组织转变,4,.,过冷奥氏体转变产物及其性能,（,1,）珠光体型转变,A,1,550,温度范围形成,珠光体型转变,，转变温度较高，也称为,高温转变,，其碳原子发生完全扩散形成渗碳体，因此又称为,扩散型转变,。,珠光体是由共析铁素体和共析渗碳体（或碳化物）有机结合的整合组织，两相具有一定的比例和相对量，珠光体（,Pearlite,）用符号,P,表示。,渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，按层间距珠光体型组织分为,珠光体,、,细珠光体,（索氏体,S,）和,极细珠光体,（屈氏体或托氏体,T,）。,钢在冷却时的组织转变,A,1,-650,形成,珠光体,，片层较厚，片层间距,0.4m,，,400,倍光镜下可辨，珠光体（,Pearlite,）用符号,P,表示,650-600,形成,细珠光体,，片层较薄，片层间距,0.2,0.4m,，,800,1000,倍光镜下可辨，过去称为索氏体（,Sorbite,），故用符号,S,表示,600-550,形成,极细珠光体,，片层极薄，片层间距,0.2m,，电镜下可辨，过去称为屈氏体或托氏体（,troostite,）用符号,T,表示。,三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。,珠光体型组织的性能主要取决于片层间距，片层间距越小，相界面越多，塑性变形越困难，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。,钢在冷却时的组织转变,珠光体型组织金相图：,钢在冷却时的组织转变,（,2,）贝氏体型转变,550,Ms,温度形成,贝氏体型转变,，属于,中温转变,。由于转变温度降低，只有部分碳扩散出，还有部分碳留在铁素体内，因此也称为,半扩散型转变,。贝氏体（,Bainite,）用符号,B,表示。,贝氏体又分为上贝氏体（,B,上,）和下贝氏体（,B,下,）。,350,550,温度范围内的转变产物称为,上贝氏体,。上贝氏体在光镜下呈羽毛状，在电镜下为不连续棒状的渗碳体，分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。其形成温度较高，条状或片状铁素体从奥氏体晶界开始向晶内以同样方向平行生长，随着铁素体的伸长和变宽，其中的碳原子向条间的奥氏体中富集，当浓度足够高时，便在铁素体内间断续地析出渗碳体短棒，奥氏体消失，形成典型的羽毛状上贝氏体，上贝氏体中的铁素体片较宽，塑性变形抗力较低，且渗碳体分布,在铁素体片之间，易引起脆断，强度和韧性都较差。,钢在冷却时的组织转变,（,2,）贝氏体型转变,350,-,Ms,温度范围形成,下贝氏体,。下贝氏体在光镜下呈竹叶状，即,黑色针状,，在电镜下为细片状碳化物，分布于铁素体针上，并与铁素体针长轴方向呈,55,60,，其形成温度较低，碳原子扩散能力更差，铁素体在奥氏体的晶界或某些晶面上长成针状，碳原子在铁素体内一定的晶面上以断续碳化物小片的形式析出，从而形成了下贝氏体，,下贝氏体中铁素体针细小，无方向性，碳过饱和度大，碳化物分布均匀，弥散度大，位错密度高，所以硬度高，韧性好，有实际应用价值。,钢在冷却时的组织转变,上贝氏体的显微组织,钢在冷却时的组织转变,下贝氏体的显微组织,钢在冷却时的组织转变,（,3,）马氏体型,转变,M,s,M,f,温度范围形成,马氏体型,转变，由于转变温度低，属于,低温转变,。转变温度低，铁原子和碳原子都不能够扩散，因此又称为,非扩散型转变,。,马氏体是碳在,-Fe,中的,过饱和固溶体,，其含碳量超过碳在,-Fe,中的饱和含碳量，马氏体（,Martensite,）通常用,M,表示。,马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到,-Fe,中，马氏体与奥氏体化学成分完全相同，但是晶体结构不同。,马氏体型转变是强化钢的重要途径之一。,钢在冷却时的组织转变,马氏体型转变的特点,:,马氏体型转变的非扩散性,马氏体型转变在较低温度下进行，铁及碳原子都不能进行扩散，因此马氏体实际是碳在,-Fe,中的过饱和固溶体，晶体结构仍为体心立方结构，但由于碳的溶入使原体心立方结构变成体心正方结构，即,c,轴伸长，因此马氏体具有体心正方晶格（,a=bc,），轴比,c/a,称为马氏体的,正方度,。马氏体中的含碳量越高，正方度越大，晶格畸变越严重。,钢在冷却时的组织转变,马氏体型转变的非恒温性,马氏体型转变速度极快，片状马氏体的长大速度为,10,6,10,7,mm/s,，板条马氏体的长大速度为,10,2,10,3,mm/s,。马氏体型转变与其他转变不同，是在连续冷却过程（变温）中形成的，当过冷奥氏体温度降到,Ms,点以下任一温度时，马氏体型转变以极快速度进行，但转变很快停止。为了使转变继续进行，必须继续降低温度。马氏体量只取决于转变温度，与保温时间无关，表现出组织转变的非恒温性,钢在冷却时的组织转变,马氏体型转变的不完全性,当温度降到某一温度以下时，虽然马氏体转变量未达到,100%,，但转变已不能进行，该温度称为马氏体型转变终了温度，用,M,f,表示。此时将有一部分奥氏体未转变而被保留下来，称为,残余奥氏体,，用,A,r,表示。残余奥氏体将对马氏体的塑性有一定的贡献。,马氏体比容增大,在马氏体、奥氏体、珠光体三种组织中，奥氏体比容最小，马氏体比容最大，并且马氏体含碳量越大，其比容也越大。因此，从奥氏体转变为马氏体后会导致体积膨胀。由于工件各部位的形状和尺寸往往不一致，造成了体积膨胀的不一致，从而产生了内应力，这是导致钢在淬火时发生变形甚至开裂的重要原因。,钢在冷却时的组织转变,马氏体常见的形态：,1,、板条马氏体,其立体形态为细长的扁棒状，在光学显微镜下为一束束的细条组织，每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列，一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束，板条内的亚结构主要是高密度的位错，又称为,位错马氏体,，其含碳量低，也叫作,低碳马氏体,。板条马氏体具有较好的塑性和,韧性。,低碳板条马氏体,钢在冷却时的组织转变,2,、片状马氏体,其立体形态为双凸透镜形的片状，与试样磨面相截则呈针状或竹叶状，所以又称为,针状马氏体,，其含碳量较高，也叫作,高碳马氏体,。在电镜下，其亚结构主要是孪晶，又称为,孪晶马氏体,。,高碳片状马氏体,钢在冷却时的组织转变,马氏体的形态主要取决于其含碳量：,当,Wc1.0%,时，几乎全部是片状马氏体,当,0.2%Wc1.0%,时，,为板条马氏体,+,片状马氏体的混合组织。,马氏体是一种高强度、高硬度的组织，由于马氏体型组织中碳过饱和度很大，晶格畸变非常严重，所以其强度大大提高。含碳量越高，强度、硬度越高，,钢在冷却时的组织转变,板条马氏体的亚结构是大量的位错，给塑性变形提供了便利条件，板条马氏体的各板条是平行排列的，塑性变形 抗力小，因此板条马氏体具有较好的塑性和韧性，,片状马氏体的亚结构是大量的孪晶，塑性变形困难。马氏体的片是相交的，容易碰撞而开裂，晶格畸变较大，有很多的显微裂纹，脆性大，但由于有一定量的残余奥氏体，因此具有一定的韧性。,钢在冷却时的组织转变,5.,影响过冷奥氏体转变的因素,影响过冷奥氏体转变的因素实际上也是影响过冷奥氏体稳定性的因素，也是影响“,C”,曲线左右位置的因素。,（,1,）,含碳量的影响,随着奥氏体中含碳量的增加，过冷奥氏体稳定性提高，“,C”,曲线右移,;,当含碳量增加到共析成分时，过冷奥氏体稳定性最高。随着含碳量的进一步增加，奥氏体稳定性逐渐下降，“,C”,曲线反而左移。同时含碳量越高，,M,s,、,M,f,点越低，非共析钢由于有先析相析出，使奥氏体转变为珠光体的形核部位增加，过冷奥氏体稳定性降低，珠光体型转变的孕育期缩短，“,C”,曲线左移。因此，亚共析钢随含碳量增加，“,C”,曲线右移,;,过共析钢随含碳量增加，“,C”,曲线左移,;,钢在冷却时的组织转变,（,2,）合金元素的影响,合金元素只有溶入奥氏体中，才能对过冷奥氏体转变产生重要影响。总体上讲，除钴、铝外，其他合金元素均使过冷奥氏体稳定性增加，使“,C”,曲线右移,;,非碳化物形成元素如镍、硅、铜等和弱碳化物形成元素如锰只改变“,C”,曲线位置,;,碳化物形成元素如铬、钼、钒、钨、钛 等既使“,C”,曲线右移，又使其形状分成上、下两部分。,钢在冷却时的组织转变,（,3,）奥氏体晶粒大小的影响,奥氏体晶粒大小与奥氏体化条件有关，加热温度高、保温时间长，奥氏体晶粒粗大，成分均匀性提高，奥氏体稳定性增加，“,C”,曲线右移,;,反之，“,C”,曲线左移。,（,4,）原始组织的影响,钢的原始组织越细小，单位体积内晶界越多，过冷奥氏体转变的形核率越高,;,同时原始组织越细小，越有利于碳原子扩散，使奥氏体形成时均匀化时间短，长大时间相对长，相同条件下易使奥氏体长大并且均匀性提高，“,C”,曲线右移。,钢的热处理基本工艺,热处理工艺在机械制造与维修过程中有着广泛的运用。钢经过热处理后能充分发挥材料潜能，改善使用性能，提高产品质量，延长使用寿命，节约金属材料，能显著提高经济效益。,热处理工艺是指通过加热、保温和冷却来改变材料组织以获得所需性能的方法。根据钢在实际操作中加热温度、冷却条件以及对钢结构和性能的要求，可将热处理工艺分为钢的普通热处理和表面热处理,。,钢的热处理基本工艺,一、钢的普通热处理,钢的最基本的热处理工艺有退火、正火、淬火和回火等。,1.,钢的退火,工艺：,指将钢加热到适当的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。,目的：,消除偏析，均匀化学成分；降低硬度，便于切削加工；消除或减小内应力，消除加工硬化，以便后续冷加工；细化晶粒，改善组织或消除组织缺陷；改善高碳钢中渗碳体形态和分布，为零件最终热处理做组织准备。,应用：,用于铸、锻、焊毛坯或半成品件，为预备热处理。,退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、去应力退 火和扩散退火等。,钢的热处理基本工艺,（,1,）完全退火,工艺：,将钢件完全奥氏体化（加热至,A,c,3,+,（,30,50,）后，保温一段时间，在炉 内缓慢冷却以获得接近平衡状态组织的工艺。生产中为提高生产率，实际操作时，工件随炉缓慢冷却至,500,600,时出炉空冷。,目的：,细化并均匀组织，消除组织缺陷和内应力，降低硬度，为切削加工或后续热处理做组织准备。,应用：,完全退火主要用于各种亚共析成分的碳钢和合金钢的铸、缎件，热轧型材及一些焊接结构件。,由于过共析钢加热至奥氏体化后，在缓慢冷却过程中，二次碳化物会呈网状形式沿奥氏体晶界析出，严重地削弱了晶粒之间的结合力，使其强度、塑性和韧性显著降低，给切削加工和以后的热处理带来不利的影响，所以完全退火不适用于过共析钢。,钢的热处理基本工艺,（,2,）,等温退火,工艺：,将钢件加热至,A,c,3,+,（,30,50,）或,A,c,1,+,（,20,40,），保温一定时间后，以较快的速度冷却到稍低于,Ar1,某一温度进行等温转变，以获得珠光体组织，然后在空气中冷却的工艺方法。,目的：,与完全退火相同，但转变较易控制，所用时间比完全退火缩短约,1/3,，,应用：,等温退火用于高碳钢、中碳合金钢、合金渗碳钢,、合金工具钢和某些高合金钢的大型铸锻件及冲压件,等,钢的热处理基本工艺,（,3,）球化退火,工艺：,将共析钢或过共析钢加热至,A,c,1,+,（,10,20,），保温一定时间后，随炉缓冷至室温（或冷却至略低于,Ar1,再保温一定时间后出炉空冷），使钢中碳化物球状化的工艺。,目的,：降低硬度，提高塑性，改善工件的切削加工性能，并为后续热处理做组织准备。,应用：,球化退火主要适用于共析钢、过共析钢的锻轧件,采用球化退火，使珠光体中的片状渗碳体和钢中网状二次渗碳体均呈球（粒）状，这种在铁素体基体上弥散分布着球状渗碳体的复相组织，称为,粒状珠光体（或球化体）,钢的热处理基本工艺,（,4,）去,应力退火,工艺：,把钢件加热到,A,c,1,以下某一温度，保温一定时间后缓慢冷却的工艺方 法。,目的：,去除残余应力。,应用：,由于变形加工、机械加工、铸造、锻造、热处理、焊接等所产生内应力的零件,去应力退火时组织不发生,变化,钢的热处理基本工艺,（,5,）扩散退火,工艺：,将铸锭或铸件加热至,A,c,3,+,（,150,300,），长时间保温（,10 h,以上）后随炉冷却的工艺。,目的：,扩散退火又称为均匀化退火，主要用于合金钢铸锭和铸件，以消除枝晶偏析，使成分均匀化。,应用：,由于该工艺能耗大、成本高，且易过热和烧损，往往随后还需进行完全退火或正火来细化晶粒，因此主要用于,质量要求高的优质高合金钢铸锭和铸件的退火。,钢的热处理基本工艺,2,.,钢的正火,工艺,：正火是指将钢件加热到,A,c,3,或,A,ccm,+,（,30,50,），保温,适当时间后在空气中冷却，得到珠光体型组织的工艺。,目的,：,正火与退火的不同之处在于，正火的冷却速度较快，过冷度稍大，正火后得到的组织比退火细小，强度、硬度略高于退火，通常获得细珠光体组织。正火与退火相比，不但力学性能高，而且操作简单、生产周期短、成本低，因此一般应尽量采用正火,。,钢的热处理基本工艺,应用,：正火主要用于下列场合,:,（,1,）改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性。采用正火处理可得到细小的珠光体组织，提高硬度，改善切削加工性。,（,2,）作为普通结构零件或大型及形状复杂零件的最终热处理。,（,3,）作为中碳钢和合金结构钢重要零件的预备热处理。也可代替调质处理，为以后高频感应表面淬火做准备。,（,4,）消除过共析钢中的二次网状渗碳体。正火由于冷却速度较快，二次渗碳体来不及沿奥氏体晶界呈网状析出，消除了二次网状渗碳体，为球化退火做组织准备。,钢的热处理基本工艺,3.,钢的淬火,将钢件加热到,A,c,3,或,A,c,1,+,（,3050,）温度，保温一定时间，然后以适当速度冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为,淬火,。,钢的热处理基本工艺,（,1,）淬火加热温度,在确定淬火加热温度时，首先要考虑钢的化学成分，同时也要注意工件的原始组织、形状、尺寸及加热速度、冷却介质和冷却方式等因素。,亚共析钢的淬火加热温度一般为,A,c,3,+,（,30,50,），可得到全部细晶粒的奥氏体组织，淬火后为均匀、细小的马氏体组织。,共析钢和过共析钢的淬火加热温度为,A,c,1,+,（,3050,），淬火后得到细小、均匀的 马氏体和少量残余奥氏体（共析钢），或细小的马氏体、少量粒状渗碳体和残余奥氏体，使钢具有高的硬度、耐磨性及一定韧性。,钢的热处理基本工艺,（,2,）淬火冷却介质,淬火工艺最主要的问题是既要保证获得马氏体，又要减小变形与避免开裂。由碳钢的“,C”,曲线可知，理想的淬火冷却速度是在过冷奥氏体最不稳定区间快冷，在稳定区间慢冷，这样才能保证在实现马氏体转变的同时又能减小淬火应力和变形开裂倾向。到目前为止，还没有找到一种淬火冷却介质符合这一理想淬火冷却速度。,钢的热处理基本工艺,水及其溶液,水,是最常用的冷却介质，它有较强的冷却能力，且成本低，但冷却特性不理想。在,650,500,范围内，冷却速度较小,;,而在,300,200,以下范围内，冷却速度比所要求的大，使零件易产生变形，甚至开裂。因此，水在生产中主要用于形状简单、截面较大的碳钢件的淬火。,盐水,在,650,500,范围内，其冷却能力比清水强（提高近一倍），这对于保证工件的淬硬来说是非常有利的。在,300,200,以下范围内，盐水的冷却能力仍然像清水那样相当大，这将使工件变形增大甚至开裂。所以，盐水主要用于形状简单而尺寸较大的低、中碳钢零件的淬火。,碱水,的冷却能力在,650,500,范围内比盐水大，在,300,200,以下范围内比盐水还小。但腐蚀性大，主要用于易产生淬火裂纹的零件。,钢的热处理基本工艺,油,油的冷却能力很弱。在,300,200,范围内冷却速度比水小，这对减小零件的变形和开裂是有利的，在,650,500,范围内冷却速度比清水小得多，故生产上只适用于过冷奥氏体稳定性比较好的合金钢零件的淬火。,淬火用的油几乎全部为矿物油，如机油、变压器油、柴油等。,硝盐浴或碱浴,在高温区碱浴的冷却能力比油强而比水弱，硝盐浴的冷却能力比油稍弱。在低温区，碱浴和硝盐浴的冷却能力都比油弱。这类冷却介质的冷却性能是既能保证过冷奥氏体向马氏体转变，不发生中途分解，又能大大减小工件变形和开裂的倾向，因此广泛用于截面不大、形状复杂的碳素工具钢、合金 工具钢等零件，作为分级淬火或等温淬火的冷却介质。,聚合物水溶液,如聚乙烯醇、聚二醇等。,钢的热处理基本工艺,（,3,）淬火方法及应用,实际生产中，为了达到所要求的组织和性能，同时又能 减小淬火应力，防止工件变形或开裂，可以选用不同的淬火方法。,单介质淬火,方法,：将加热至淬火温度的工件，浸入一种冷却剂中连续冷却至室温的淬火方法称为单介质淬火。,优点,：操作简便，易实现机械化、自动化,缺点,：水淬易产生淬火应力，引起变形或裂纹，油淬易产生硬度不足等现象,应用,：适用于形状简单、无尖锐棱角和截面形状无突然变化的工件。,钢的热处理基本工艺,双介质淬火,方法,：工件奥氏体化后，先浸入冷却能力强的介质中冷却，在组织即将发生马氏体转变时，立即转入冷却能力弱的介质中冷却的淬火方法,优点,：结合了两种介质的冷却特点，可使低温转变时的内应力减小，从而有效防止工件产生变形和开裂。,缺点,：难以准确控制工件从第一种介质转到第二种介质时的温度或时间，需要一定的实践经验。,应用,：形状复杂的碳钢件用水淬油冷法,;,合金钢工件用油淬空冷法等,。,钢的热处理基本工艺,分级淬火,方法,：将工件奥氏体化后，浸入稍高（或稍低）于,Ms,温度硝盐浴或碱浴中保持适当时间，待工件内外温度均匀后取出，空冷至室温，以获得马氏体的淬火方法。,优点,：能防止工件变形和开裂，硬度比较均匀，而且比双介质淬火易于操作，避免了双介质淬火难以准确控制的缺点。,缺点,：由于硝盐浴或碱浴冷却能力不够大，只适于形状复杂的小零件,应用,：形状复杂的小零件。,钢的热处理基本工艺,等温淬火,方法,：将工件奥氏体化后，快冷到贝氏体转变区间的硝盐浴或碱浴，保持等温，使奥氏体转变为贝氏体的淬火。,优点,：等温淬火的内应力很小，工件不易变形和开裂，具有良好的综合力学性能。,缺点：,由于硝盐浴或碱浴冷却能力不够大，只适于形状复杂的小零件,应用：,等温淬火常用于形状复杂、尺寸要求精确，并且硬度和韧性都要求较高的工件，如各种冷、热 冲模，成形刃具和弹簧等。,钢的热处理基本工艺,局部淬火,有些工件，按其工作条件只是局部要求高硬度，仅对工件需要硬化的局部进行淬火的方法，称为局部淬火。局部淬火的优点是可避免工件其他部分产生变形与裂纹。,钢的热处理基本工艺,4.,钢的淬透性,淬火时，工件截面上各处的冷却速度是不同的。表面的冷却速度最大，中心处的冷却速度最小。如果工件表面及中心的冷却速度都大于此钢的临界冷却速度，则沿工件整个截面都能获得马氏体组织，即钢被完全淬透了,;,如果中心的冷却速度低于钢的临界冷却速度，则表面得到马氏体，而心部获得非马氏体组织，表示钢未被淬透。,钢的热处理基本工艺,（,1,）淬透性的概念,淬透性是表征钢淬火冷却时获得马氏体组织的能力,。,它可以用,淬透层深度,来表示淬透性的大小，淬透层深度越大，钢的淬透性越好。,测定结构钢淬透性的标准规定，由钢材表面到半马氏体组织（体积分数为,50%,的马氏体）的深度为淬透层深度，由于马氏体的硬度高，淬透性的大小在实际工作中常以,淬硬层深度,表示。若淬硬层深度达到心部，则工件被认为淬透。,钢的热处理基本工艺,淬透性与淬硬性是两个不同的概念。,淬硬性,是指钢淬火硬化所能达到的最高硬度的能力，主要取决于马氏体的碳质量分数。如碳素工具钢的淬硬性高，但淬透性很低，而一些合金结构钢的淬硬性低，但有很高的淬透性。,淬透层深度与淬硬层深度也是两个不同的概念。,淬透层深度,是指从表面到半马氏体组织的深度，而,淬硬层深度,是指从表面到达到一定硬度要求的深度，比如低碳合金钢淬透层深度很大，可是硬度却不一定高。由于硬度测试是最方便快捷的方式，而马氏体的硬度往往比其他组织要高，因此，实际工作中人们常常用淬硬层深度来代替淬透层深度，这在含碳量不是特别低的情况下还是吻合的。,钢的热处理基本工艺,（,2,）淬透性的测定：,淬透性的测定目前有两种方法。,端淬法,末端淬火法也称为端淬法，是目前国内外广泛使用的淬透性试验方法。将试样加热至奥氏体化后迅速放入专用端淬试验装置上喷水冷却，淬火后从其末端处开始，每隔一定距离测一次硬度，得到沿试样轴向的硬度变化曲线（淬透性曲线）。,临界淬透直径,临界淬透直径是指钢在某种淬火介质中冷却，其心部能淬透的最大直径。在同一种冷却介质中，钢的临界淬透直径越大，其淬透性越好。,钢的热处理基本工艺,（,3,）淬透性对钢力学性能的影响,钢的淬透性是选材和制定热处理工艺规程的主要依据。钢的淬透性好坏对热处理后的力学性能影响很大。例如，工件整个截面被淬透时，回火后表面和心部的组织和性能均匀一致,;,否则工件表面和心部的组织不同，回火后整个截面上硬度虽然近似一致，但未淬透部分的屈服点和冲击韧度却显著降低，使零件承载能力降低,机械制造中许多大截面、形状复杂的工件和在动载荷下工作的重要零件，承受轴向拉伸和压缩的连杆、螺栓、拉杆、锻模等，常要求表面和心部的力学性能一致，应选用淬透性好的钢,;,对于承受弯曲、扭转应力以及表面要求耐磨并承受冲击力的模具等，因应力主要集中在工件表层，因此不要求全部淬透，可选用淬透性较差的钢,受交变应力和振动的弹簧，为避免因心部未淬透，工作时易产生塑性变形而失效，应选用淬透性好的钢,焊件一般不选用淬透性好的钢，否则易在焊缝和热影响区出现淬火组织，造成焊件变形和开裂。,钢的热处理基本工艺,（,4,）影响淬透性的因素,钢的淬透性主要取决于钢的马氏体临界冷却速度的大小，其实质是取决于过冷奥氏体的稳定性。一切增加过冷奥氏体稳定性、降低马氏体临界冷却速度的因素，都可以提高钢的淬透性。钢的化学成分和,奥氏体,化条件是影响淬透性的主要因素。,钢的热处理基本工艺,5.,钢的回火,钢淬火后加热到,A,c,1,以下某一温度保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称回火。,（,1,）回火目的,钢在淬火后的组织主要是马氏体和少量残余奥氏体。淬火马氏体内部微观缺陷较多，内应力和脆性很大，如果不及时回火会使钢件发生变形甚至开裂；马氏体和残余奥氏体处于不稳定状态，都有向稳定的铁素体和渗碳体转