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山东农业大学专业基础课程山东农业大学专业基础课程主主讲：田富洋：田富洋机械工程材料机械工程材料Mechanical Engineering Materials Science第四章第四章 钢的热处理钢的热处理 第四章第四章 钢的热处理钢的热处理 (Heat Treatment of Steel)概述概述钢在加热时的转变钢在加热时的转变钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变钢在回火时的转变钢在回火时的转变第四章第四章 钢的热处理钢的热处理热处理概述热处理概述1.热处理的定义热处理的定义:时间温度临界温度临界温度 热热加加保温保温冷冷 却却第四章第四章 钢的热处理钢的热处理2.热处理的主要目的热处理的主要目的:改变钢的性能。改变钢的性能。3.热处理的应用范围热处理的应用范围:整个制造业。整个制造业。4.热处理的分类热处理的分类热处理热处理普普 通通热处理热处理表表 面面热处理热处理退火退火;正火正火;淬火淬火;回火回火;表面淬火表面淬火 化化 学学 热处理热处理感应加感应加热淬火热淬火火焰加火焰加热淬火热淬火渗碳渗碳;渗氮渗氮;碳氮共渗碳氮共渗;第四章第四章 钢的热处理钢的热处理第一节第一节 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变转变温度转变温度奥氏体的形成奥氏体的形成奥氏体晶粒度及对力学性能的影响奥氏体晶粒度及对力学性能的影响第四章第四章 钢的热处理钢的热处理一一.转变温度转变温度(transformation temperature)第四章第四章 钢的热处理钢的热处理l二、二、奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程l奥氏体化也是形核和长大的过程，奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现分为四步。现以共析钢为例说明：以共析钢为例说明：第一步第一步 奥氏体晶核形成奥氏体晶核形成：首先在：首先在 与与Fe3C相界形相界形核。核。第二步第二步 奥氏体晶核长大奥氏体晶核长大：晶核通过碳原子的扩晶核通过碳原子的扩散向散向 和和Fe3C方向长大。方向长大。第三步第三步 残余残余Fe3C溶解溶解:铁素体的成分、结构更接铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。残余的近于奥氏体，因而先消失。残余的Fe3C随保温时随保温时间延长继续溶解直至消失。间延长继续溶解直至消失。第四步第四步 奥氏体成分均匀化：奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。分趋于均匀。FFe3C未溶未溶Fe3CA残余残余Fe3CAAAA 形核形核A 长大长大残余残余Fe3C溶解溶解A 均匀化均匀化第四章第四章 钢的热处理钢的热处理 影响奥氏体形成的因素影响奥氏体形成的因素4、合金元素合金元素：合金元素可以改变钢的临界温度，：合金元素可以改变钢的临界温度，影响碳的扩散速度，从而限制奥氏体的形成影响碳的扩散速度，从而限制奥氏体的形成 速度。速度。2、加热速度加热速度：速度越大，奥氏体形成时间越短。：速度越大，奥氏体形成时间越短。3、钢中碳的质量分数钢中碳的质量分数：质量分数越多，相界面：质量分数越多，相界面 增多，则有利于奥氏体的形成。增多，则有利于奥氏体的形成。1、加热温度加热温度：温度越高，奥氏体形成速度越快。：温度越高，奥氏体形成速度越快。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理三三.奥氏体晶粒度及对力学性能的影响奥氏体晶粒度及对力学性能的影响一一)奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度:1.起始晶粒度起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏珠光体刚刚转变成奥氏 体的晶粒大小。体的晶粒大小。2.实际晶粒度实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏热处理后所获得的奥氏 体晶粒的大小。体晶粒的大小。3.本质晶粒度本质晶粒度:度量钢本身晶粒在度量钢本身晶粒在930 以下以下,随温度升高随温度升高,晶粒长晶粒长 大的程度。大的程度。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理标标准准晶晶粒粒度度等等级级第四章第四章 钢的热处理钢的热处理 钢的本质晶粒度示意图钢的本质晶粒度示意图第四章第四章 钢的热处理钢的热处理二二)奥氏体晶粒大小对钢的奥氏体晶粒大小对钢的 力学性能的影响力学性能的影响1.奥氏体晶粒均匀细小奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力热处理后钢的力 学性能提高。学性能提高。2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起 工件产生较大的变形甚至开裂。工件产生较大的变形甚至开裂。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理三）影响奥氏体晶粒长大的因素三）影响奥氏体晶粒长大的因素（3）合金元素合金元素：阻碍奥氏体晶粒长大的元素阻碍奥氏体晶粒长大的元素:Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等等碳化物和氮化物形成元素。碳化物和氮化物形成元素。（1）加热温度和保温时间加热温度和保温时间:加热温度高、保加热温度高、保 温时间长温时间长,晶粒粗大晶粒粗大.（2 2）加热速度加热速度:加热速度越快加热速度越快,过热度越大过热度越大,形核率越高形核率越高,晶粒越细晶粒越细.第四章第四章 钢的热处理钢的热处理第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢在热处理时的冷却方式钢在热处理时的冷却方式过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变第四章第四章 钢的热处理钢的热处理钢在热处理时的冷却方式钢在热处理时的冷却方式 热热加加保温保温时间温度临界温度临界温度连续冷却连续冷却等温冷却等温冷却第四章第四章 钢的热处理钢的热处理一一.过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的等温冷却转变一一)建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转 变曲线变曲线-TTT曲线曲线(C 曲线曲线)T-timeT-temperatureT-transformation 共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1二二)共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线的分析曲线的分析稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过过冷冷奥奥氏氏体体区区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线 A+产产 物物 区区产产物物区区A1550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变;P 转变区。转变区。550230;中温转变中温转变区区;半扩散型转变半扩散型转变;贝氏体贝氏体(B)转变区转变区;230-50;低温转低温转变区变区;非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体(M)转变区。转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf三三)转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能1.珠光体型珠光体型(P)转变转变(A1550):A1650:P;1527HRC;片间距为片间距为0.60.7m(500)。650600:细片状细片状P-索氏体索氏体(S);片间距为片间距为0.20.4m(1000);2738HRC。600550:极细片状极细片状P-托氏体托氏体(T);片间距为片间距为0.2m(电镜电镜);3843HRC。珠珠 光光 体体 形形 貌貌 像像光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌 索索 氏氏 体体 形形 貌貌 像像 托托 氏氏 体体 形形 貌貌 像像电镜形貌光镜形貌第四章第四章 钢的热处理钢的热处理2.贝氏体型贝氏体型(B)转变转变(550230):550350:B上上;4045HRC;B上上=过饱和碳过饱和碳-Fe条状条状+Fe3C细条状细条状过饱和碳过饱和碳-Fe条状条状 Fe3C细条状细条状羽毛状羽毛状稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过过冷冷奥奥氏氏体体区区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线 A+产产 物物 区区产产物物区区A1550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变;P 转变区。转变区。550230;中温转变中温转变区区;半扩散型转变半扩散型转变;贝氏体贝氏体(B)转变区转变区;230-50;低温转低温转变区变区;非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体(M)转变区。转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf第四章第四章 钢的热处理钢的热处理上贝氏体转变过程第四章第四章 钢的热处理钢的热处理 上贝氏体组织金相图上贝氏体组织金相图第四章第四章 钢的热处理钢的热处理2.贝氏体型贝氏体型(B)转变转变(550230):350230:B下下;5060HRC;B下下=过饱和碳过饱和碳-Fe针叶状针叶状+Fe3C细片状细片状过饱和碳过饱和碳-Fe针叶状针叶状Fe3C细片状细片状针叶状针叶状第四章第四章 钢的热处理钢的热处理 下贝氏体组织金相图下贝氏体组织金相图第四章第四章 钢的热处理钢的热处理上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。用的强化组织之一。上贝氏体贝氏体组织的透射电镜形貌下贝氏体第四章第四章 钢的热处理钢的热处理3.马氏体型马氏体型(M)转变转变(230-50):1)定义定义:马氏体是一种碳在马氏体是一种碳在 Fe中的中的 过饱过饱和和固溶体。固溶体。2)马氏体形成马氏体形成:在一个温度范围内在一个温度范围内连续冷却完成连续冷却完成;转变速度极快转变速度极快,即即瞬间形核与长大瞬间形核与长大;无扩散转变无扩散转变(Fe、C原子均不扩散原子均不扩散),M与原与原A的成分相同的成分相同,造成晶格畸变。造成晶格畸变。转变不完全性转变不完全性稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过过冷冷奥奥氏氏体体区区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线 A+产产 物物 区区产产物物区区A1550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变;P 转变区。转变区。550230;中温转变中温转变区区;半扩散型转变半扩散型转变;贝氏体贝氏体(B)转变区转变区;230-50;低温转低温转变区变区;非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体(M)转变区。转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf第四章第四章 钢的热处理钢的热处理第四章第四章 钢的热处理钢的热处理3)马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构:由于碳的过饱和作由于碳的过饱和作 用用,使使 Fe晶格由晶格由面心立方面心立方变变成体心成体心 正方晶格。正方晶格。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理4)马氏体的组织形态马氏体的组织形态:板条状板条状-低碳马氏体低碳马氏体(0.2%C);3050HRC;=917%。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理 低碳板条状马氏体组织金相图低碳板条状马氏体组织金相图第四章第四章 钢的热处理钢的热处理4)马氏体的组织形态马氏体的组织形态:针、片状针、片状-高碳马氏体高碳马氏体(1%C);66HRC左右左右;1%。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理 高碳针片状马氏体组织金相图高碳针片状马氏体组织金相图第四章第四章 钢的热处理钢的热处理5）马氏体转变的基本特征）马氏体转变的基本特征由于马氏体转变的无扩散性，因而马氏体的化学成分与母相奥氏体完全相同。显然，马氏体是碳在-Fe中的过饱和间隙固溶体。造成晶格的严重畸变，成为具有一定正方度（c/a）的体心正方晶格。过冷奥氏体向马氏体的转变，必须在不断降温条件下转变才能继续进行，冷却过程中断，转变立即停止。马氏体转变是指钢从奥氏体状态快速冷却，来不及发生扩散分解而产生的无扩散型的相变马氏体转变是，通过切变和原子的微小调整来实现相向相转变的。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理l即使冷却到Mf 点，也不可能获得100%的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称残余奥氏体，用A 或 表示。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响6007005003004002001000-100-2000.20.4 0.6 0.8 1.0 1.21.4 1.6 1.8 2.00温度 Wc 100MsMf第四章第四章 钢的热处理钢的热处理90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.1 1.21.3 1.4 1.51.6 1.7Wc 100残余奥氏体量(%)奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响马氏体的碳浓度 Wc 100507040602030100.10.30.20.400.5 0.6 0.7 0.80.9 1.0硬度(HRC)2000抗拉强度b(Mpa)1800 1400 1000 600 2006)马氏体的性能马氏体的性能:主要取决于马氏体中的主要取决于马氏体中的碳浓度。碳浓度。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理 三、三、影响影响 TTT 曲线形状曲线形状 与位置的因素与位置的因素1.奥氏体中含碳量的影响奥氏体中含碳量的影响:共析钢的过冷奥氏体最稳定，共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。曲线最靠右。Ms 与与Mf 点随含碳量增加而下降。点随含碳量增加而下降。与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C曲线的上部曲线的上部各多一条先共析相的析出线。各多一条先共析相的析出线。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理 亚共析钢的亚共析钢的TTT曲线曲线 FAP+FS+FTBM+A残残A3时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1MsMf第四章第四章 钢的热处理钢的热处理 过共析钢的过共析钢的TTT曲线曲线P+Fe3CS+Fe3CTBM+A残残 Fe3CAACM时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1MsMf时间温度A1第四章第四章 钢的热处理钢的热处理过共过共析钢析钢共析共析 钢钢亚共亚共析钢析钢时间温度A1亚共析钢亚共析钢随着含碳量的增加随着含碳量的增加C曲线曲线向右移动向右移动过共析钢过共析钢随着含碳量的增加随着含碳量的增加C曲线曲线向左移动向左移动第四章第四章 钢的热处理钢的热处理2.奥氏体中含合金元素的影响奥氏体中含合金元素的影响:除除Co、Al(2.5%)外外,所有合金元所有合金元 素溶入奥氏体中素溶入奥氏体中,会引起会引起:向右移向右移向向下下移移MsA1A1Ms含含Cr合金钢合金钢第四章第四章 钢的热处理钢的热处理3.加热温度和保温时间的影响加热温度和保温时间的影响:加热温度越高加热温度越高,保温时间越长保温时间越长,碳化物溶解充分碳化物溶解充分,奥氏体成分均匀奥氏体成分均匀,提高了过冷奥氏体的稳定性提高了过冷奥氏体的稳定性,从而从而 使使 TTT曲线向右移。曲线向右移。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理过冷奥氏体转变产物（共析钢）过冷奥氏体转变产物（共析钢）转变转变类型类型转变转变产物产物形成温形成温度，度，转变转变机制机制显微组织特征显微组织特征HRC获得获得工艺工艺珠珠光光体体PA1650扩扩散散型型粗片状，粗片状，F、Fe3C相间分布相间分布5-20退火退火S650600细片状，细片状，F、Fe3C相间分布相间分布20-30正火正火T600550极细片状，极细片状，F、Fe3C相间分布相间分布30-40等温等温处理处理贝贝氏氏体体B上上550350半扩半扩散型散型羽毛状，短棒状羽毛状，短棒状Fe3C分布于分布于过饱和过饱和F条之间条之间40-50等温等温处理处理B下下350MS竹叶状，细片状竹叶状，细片状Fe3C分布于分布于过饱和过饱和F针上针上50-60等温等温淬火淬火马马氏氏体体M针针MSMf无扩无扩散型散型针状针状60-65淬火淬火M*板条板条MSMf板条状板条状50淬火淬火第四章第四章 钢的热处理钢的热处理四四.过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变一一)建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转 变曲线变曲线-CCT 曲线曲线 C-continuousC-coolingT-transformationVk 一一)共析碳钢共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间(lg )温度A1PfPsA+PKMsMf水冷水冷油冷油冷Vk1炉冷炉冷空冷空冷二二)共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线与曲线与CCT曲线的比较曲线的比较稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMfCCT曲线曲线TTT曲线曲线稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf三三)在连续冷却过程中在连续冷却过程中 TTT 曲线的应用曲线的应用V1V2VkV3V4V1=5.5/s:炉冷炉冷;PV2=20/s:空冷空冷;SV3=33/s:油冷油冷;T+M+A残残V4 138/s:水冷水冷;M+A残残第四章第四章 钢的热处理钢的热处理第三节第三节 钢的退火与正火钢的退火与正火毛坯生产毛坯生产 预备热处理预备热处理 机械加机械加工工 最终热处理最终热处理 机械精加工机械精加工预备热处理预备热处理:退火退火;正火正火最终热处理最终热处理:淬火淬火;回火回火一般零件生产的工艺路线一般零件生产的工艺路线:第四章第四章 钢的热处理钢的热处理一一.钢的退火钢的退火(Annealing of steel)一一)定义定义:把零件加温到把零件加温到临界温度以上临界温度以上 3050,保温一段时间保温一段时间,然后然后 随炉冷却随炉冷却。二二)目的目的:消除应力消除应力;降低硬度降低硬度;细化晶细化晶 粒粒;均匀成分均匀成分;为最终热处理为最终热处理 作好组织准备。作好组织准备。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理三三)种类种类退火退火重结晶重结晶退退 火火低温低温退火退火完全退火完全退火扩散退火扩散退火球化退火球化退火再结晶退火再结晶退火去应力退火去应力退火普通退火普通退火等温退火等温退火普通球化普通球化 退退 火火等温球化等温球化 退退 火火第四章第四章 钢的热处理钢的热处理1.完全退火 将亚共析钢加热至Ac3以上2030，保温足够时间奥氏体化后，随炉缓慢冷却，从而获得接近平衡状态的组织，这种热处理工艺称为完全退火。完全退火的目的为：(1)消除铸、锻件中存在的魏氏组织或带状组织，细化晶粒和均匀组织；(2)消除铸、锻件中存在的内应力，降低硬度，便于切削加工。完全退火只适用于亚共析钢，不适用于过共析钢。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理2.不完全退火 将亚共析钢在Ac1Ac3之间或过共析钢在Ac1Accm之间两相区加热，保温足够时间后缓慢冷却的热处理工艺，称为不完全退火。不完全退火的目的是：改善珠光体组织，消除内应力，降低硬度以便切削加工。亚 共 析 钢 不 完 全 退 火 的 温 度 一 般 为740780，其优点是加热温度低，操作条件好，节省燃料和时间。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理3.球化退火 将过共析钢加热在Ac1上，保温后，当冷却到Ar1下缓慢冷却的热处理工艺，称为不完全退火 球化退火是一种将钢中渗碳体或碳化物由片状变为粒状，均匀分布在铁素体基体上的热处理工艺。主要用于过共析钢，是一种不完全退火。球化退火的目的是：消除钢中的片状珠光体，代之以粒状珠光体。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理 经球化退火后的组织有以下优点：由片状珠光体变为粒状珠光体，可降低钢的硬度，改善其切削加工性能；粒状珠光体加热时奥氏体晶粒不易长大，允许有较宽的淬火温度范围，淬火时变形开裂倾向小，能获得最佳的淬火组织，即马氏体片细小，残余奥氏体量少，并保留有一定量均匀分布的粒状碳化物。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理4.扩散退火 扩散退火是通过高温长时间加热，使合金元素扩散均匀，以消除或减弱枝晶偏析的热处理工艺。主要用于合金钢锭或铸件。扩散退火温度通常为11001200，保温时间为1015小时。5.软化退火 软化退火是消除钢锭或合金结构钢锻轧钢材内应力，降低其硬度的热处理工艺。软化退火温度通常为650720，保温后出炉空冷。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理6.再结晶退火 再结晶退火是将冷加工后的钢材加热至T再Ac1之间，通常为650700，使变形晶粒恢复成等轴状晶粒，从而消除加工硬化的热处理工艺。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理四四)常用的工艺参数常用的工艺参数:温温 度度(C)名名 称称Ac3+3050完全退火完全退火Ac1+3050球化退火球化退火500600去应力退火去应力退火Ac3+150250扩散退火扩散退火目的目的应用应用细化晶粒，降低硬度，细化晶粒，降低硬度，改善切削加工性能。改善切削加工性能。亚共析钢和合金亚共析钢和合金钢钢网状渗碳体球化，改善网状渗碳体球化，改善组织，为淬火作准备组织，为淬火作准备过共析钢和合金过共析钢和合金工具钢工具钢消除应力消除应力各类钢铁材料各类钢铁材料消除枝晶偏析消除枝晶偏析铸态产生枝晶偏铸态产生枝晶偏析材料析材料第四章第四章 钢的热处理钢的热处理第四章第四章 钢的热处理钢的热处理二二.钢的正火钢的正火(Normalizing of steel)一一)定义定义:把零件加温到把零件加温到临界温度以上临界温度以上 3050,保温一段时间保温一段时间,然后然后 在空气中冷却在空气中冷却。二二)目的目的:消除应力消除应力;调整硬度调整硬度;细化晶细化晶 粒粒;均匀成分均匀成分;为最终热处理为最终热处理 作好组织准备。作好组织准备。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理三三)工艺参数及目的工艺参数及目的:温温 度度(C)名名 称称Ac3+3050亚共析钢亚共析钢Ac1+3050共析钢共析钢Accm+3050过共析钢过共析钢目的：亚共析钢细化晶粒，消除组织中的缺目的：亚共析钢细化晶粒，消除组织中的缺陷，其珠光体片层较细，钢的强度和硬度提陷，其珠光体片层较细，钢的强度和硬度提高，过共析钢正火的目的主要是抑制或消除高，过共析钢正火的目的主要是抑制或消除网状渗碳体网状渗碳体第四章第四章 钢的热处理钢的热处理四四)工艺参数工艺参数:第四章第四章 钢的热处理钢的热处理四四)热处理后的组织热处理后的组织:S(Wc=0.61.4%)S+F(Wc0.6%)五五)应用范围应用范围:1.预备热处理预备热处理:调整低、中碳钢的硬调整低、中碳钢的硬 度度;消除过共析钢中的消除过共析钢中的Fe3C。2.最终热处理最终热处理:用于力学性能要求不用于力学性能要求不 高的普通零件。高的普通零件。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理一、定义一、定义:把零件加温到把零件加温到临界温度以上临界温度以上 30 50,保温一段时间保温一段时间,然然 后后快速冷却快速冷却(水冷水冷)。二、目的二、目的:为了获得马氏体组织为了获得马氏体组织,提高钢提高钢 的硬度和耐磨性。获得优异的硬度和耐磨性。获得优异 的综合性能，或者某些特殊的综合性能，或者某些特殊 的物理和化学性能。的物理和化学性能。第四节钢的淬火第四节钢的淬火Vk时间(lg )温度A1PfPsA+PKMsMf水冷水冷油冷油冷Vk1炉冷炉冷空冷空冷第四章第四章 钢的热处理钢的热处理三、三、工艺参数工艺参数:温温 度度(C)名名 称称Ac3+3050亚共析钢亚共析钢Ac1+3050共析钢共析钢Ac1+3050过共析钢过共析钢Ac3、Ac1+50100合金钢合金钢第四章第四章 钢的热处理钢的热处理四、热处理后的组织四、热处理后的组织:M+Fe3C+A残残 Ac1+3050过共析钢过共析钢 M+A残残 Ac1+3050 共析钢共析钢 M+A残残 Ac3+3050亚共析钢亚共析钢Wc0.5%M Ac3+3050亚共析钢亚共析钢Wc0.5%最终组织最终组织淬火温度淬火温度()钢种钢种第四章第四章 钢的热处理钢的热处理五、淬火加热时间五、淬火加热时间(t)的选择的选择:t =K D工工 件件 有有 效效 厚厚 度度(尺寸最小部位尺寸最小部位)装炉量有关系数装炉量有关系数一般一般 K=11.5加热系数加热系数,与钢种与钢种及加热介质有关及加热介质有关第四章第四章 钢的热处理钢的热处理六、淬火冷却介质六、淬火冷却介质1.理想淬火冷却介质理想淬火冷却介质时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMfVk2.常用的淬火冷却介质常用的淬火冷却介质 名名 称称 最大冷却速度时最大冷却速度时平均冷却速度平均冷却速度/(s-1)所在温所在温度度/冷却速度冷却速度 /(s-1)650550 300200 20静止水静止水34077513545040静止水静止水28554511041060静止水静止水2202758018510%NaCl 溶液溶液58020001900100010%NaOH 溶液溶液560283027507752010号机油号机油43023060658010号机油号机油4302307055203号号锭子锭子油油50012010050第四章第四章 钢的热处理钢的热处理l水的冷却能力强，但低温却能力太大，只使用于水的冷却能力强，但低温却能力太大，只使用于形状简单的碳钢件。形状简单的碳钢件。l油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。太小，使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。l熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间间,用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理七、七、常用的淬火方法常用的淬火方法单液淬火单液淬火双液淬火双液淬火分级淬火分级淬火等温淬火等温淬火时间时间温度MsA1第四章第四章 钢的热处理钢的热处理采用不同的淬火方法可弥补介质的不足。采用不同的淬火方法可弥补介质的不足。1、单液淬火法、单液淬火法 加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。火方法。操作简单，易实现自动化。操作简单，易实现自动化。水淬工件变形开裂倾向大；油淬火冷却能力水淬工件变形开裂倾向大；油淬火冷却能力低。低。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理2、双液淬火法、双液淬火法工件先在一种冷却能力强的介质中冷，却躲过鼻工件先在一种冷却能力强的介质中冷，却躲过鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。氏体转变的方法。如水淬油冷，油淬空冷如水淬油冷，油淬空冷.优点是冷却理想，缺点是不易掌握。优点是冷却理想，缺点是不易掌握。用于形状用于形状复杂的碳钢件及大型合金钢件。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理3、分级淬火法、分级淬火法在在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后再取出缓冷。后再取出缓冷。可减少内应力，用于小尺寸工件。盐浴炉第四章第四章 钢的热处理钢的热处理4、等温淬火法、等温淬火法将工件在稍高于将工件在稍高于 Ms 的盐浴或碱浴中保温足够长时的盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，淬火经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，淬火应力小应力小.适用于形状复杂及要求较高的小型件。适用于形状复杂及要求较高的小型件。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理八、钢的淬硬性八、钢的淬硬性(Hardening of steel)1.定义定义:是指钢在淬火后所能达到的是指钢在淬火后所能达到的最最 高硬度。高硬度。2.影响钢的淬硬性的因素影响钢的淬硬性的因素:主要取决于主要取决于 马氏体的马氏体的含碳量。含碳量。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理九、钢的淬透性九、钢的淬透性 (Hardenability of steel)1.定义定义:是指钢在淬火时所能得到的是指钢在淬火时所能得到的淬淬 硬层硬层(马氏体组织占马氏体组织占50%处处)的的 深度。深度。2.影响钢的淬透性的因素影响钢的淬透性的因素:主要是主要是临界临界 淬火冷却速度淬火冷却速度VK 的大小的大小,VK 越越 大大,钢的淬透性越小。钢的淬透性越小。工件淬硬层与冷却速度的关系工件淬硬层与冷却速度的关系第四章第四章 钢的热处理钢的热处理第四章第四章 钢的热处理钢的热处理3.影响淬透性的因素影响淬透性的因素钢的淬透性取决于临界冷却速度钢的淬透性取决于临界冷却速度Vk，Vk越小，淬越小，淬透性越高。透性越高。Vk取决于取决于C曲线的位置，曲线的位置，C 曲线越靠右，曲线越靠右，Vk越小。越小。因而凡是影响因而凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因曲线的因素都是影响淬透性的因素素.即除即除Co 外，凡溶入奥氏体的合金元素都使钢外，凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高；的淬透性提高；奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性提奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性提高。高。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理4.淬透性测试方法淬透性测试方法(1)端淬法（端淬法（Jominy）:第四章第四章 钢的热处理钢的热处理第四章第四章 钢的热处理钢的热处理 J 表示末端淬透性，d 表示半马氏体区到水冷端的距离，HRC 为半马氏体区的硬度。即用 表示(2)用临界淬透直径表示用临界淬透直径表示 临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被淬成半马氏体的最大直径，用却，中心被淬成半马氏体的最大直径，用D0表示。表示。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理5.淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响的影响未未淬淬透透钢钢淬淬透透钢钢第四章第四章 钢的热处理钢的热处理第五节第五节 钢的回火钢的回火(Tempering of steel)一、定义一、定义:把把淬火后淬火后的零件重新加温到的零件重新加温到 A1线以下某个温度线以下某个温度,保温一段保温一段 时间时间,然后冷却到室温。然后冷却到室温。二、目的二、目的:消除淬火应力消除淬火应力,降低脆性降低脆性;稳定稳定 工件尺寸工件尺寸;调整淬火零件的力调整淬火零件的力 学性能。学性能。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理三、钢在回火时的转变三、钢在回火时的转变 1.1.马氏体分解（马氏体分解（100100200200）100100以上回火，马氏体以上回火，马氏体开始发生分解，从过饱和开始发生分解，从过饱和固固溶体中析出弥散的溶体中析出弥散的碳化物，碳化物，这种碳化物的成分和结构不同这种碳化物的成分和结构不同于渗碳体，是亚稳定相。一定于渗碳体，是亚稳定相。一定饱和度的饱和度的固溶体和弥散分布固溶体和弥散分布的的碳化物组成的复相组织，碳化物组成的复相组织，称为回火马氏体。称为回火马氏体。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理2.2.残余奥氏体的转变（残余奥氏体的转变（200200300300）在在200200300300之间回火时，钢中的残余奥之间回火时，钢中的残余奥氏体将会发生分解，产物是过饱和的氏体将会发生分解，产物是过饱和的固溶体固溶体和和碳化物组成的复相组织，相当于回火马氏碳化物组成的复相组织，相当于回火马氏体或下贝氏体。体或下贝氏体。3.3.碳化物的转变（碳化物的转变（300300400400）在在300300400400范围内回火，范围内回火，碳化物将碳化物将自发地向稳定相渗碳体转变。由饱和针状的自发地向稳定相渗碳体转变。由饱和针状的固溶体和细小颗粒状的渗碳体组成的组织固溶体和细小颗粒状的渗碳体组成的组织称为回火托氏体。称为回火托氏体。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理4.4.渗碳体的聚集长大和相的再结晶（渗碳体的聚集长大和相的再结晶（400400以上）以上）回火温度升高到回火温度升高到400400以上，渗碳体明显聚集以上，渗碳体明显聚集长大。由等轴的相和粗粒状的渗碳体组成的组织长大。由等轴的相和粗粒状的渗碳体组成的组织称为回火索氏体。称为回火索氏体。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理 回火马氏体组织金相图回火马氏体组织金相图第四章第四章 钢的热处理钢的热处理 回火托氏体组织金相图回火托氏体组织金相图第四章第四章 钢的热处理钢的热处理 回火索氏体组织金相图回火索氏体组织金相图第四章第四章 钢的热处理钢的热处理耐磨件耐磨件M回回=0.3%C+150250低温回火低温回火弹簧等弹簧等T回回=F针针+Fe3C粒粒350500中温回火中温回火调质件调质件S回回=F多多+Fe3C球球500650高温回火高温回火高合金钢高合金钢P回回=F多多+Fe3C粒粒650A1高温软化高温软化四、四、工艺参数工艺参数用途用途组组 织织温度温度()名名 称称淬火淬火+高温回火高温回火=调质处理调质处理第四章第四章 钢的热处理钢的热处理五、回火脆性五、回火脆性1.1.低温回火脆性（第一类回火脆性）低温回火脆性（第一类回火脆性）淬火钢在淬火钢在250-400250-400之间回火时出现的回火脆之间回火时出现的回火脆性，几乎所有钢都存在，也称为不可逆回火脆性。性，几乎所有钢都存在，也称为不可逆回火脆性。产生原因尚不清楚，一般不在此温度回火。产生原因尚不清楚，一般不在此温度回火。2.2.高温回火脆性（第二类回火脆性）高温回火脆性（第二类回火脆性）一些含一些含NiNi、CrCr、MnMn的合金钢，淬火后在的合金钢，淬火后在400-400-550550回火，产生脆性。回火，产生脆性。主要原因时由于主要原因时由于NiNi、CrCr、MnMn促进杂质元素在促进杂质元素在晶界的偏聚，回火后快冷可抑制该脆性。晶界的偏聚，回火后快冷可抑制该脆性。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理用用C曲线定性说明连续冷却转变产物曲线定性说明连续冷却转变产物 根据与根据与C曲线交点位置判断转变产物曲线交点位置判断转变产物 P均匀均匀A细细AA1MSMf时间时间等温退火等温退火PP退火退火(炉冷炉冷)正火正火(空冷空冷)S淬火淬火(油冷油冷)T+M+A等温淬火等温淬火B下下M+A分级淬火分级淬火M+A淬火淬火(水冷水冷)M回回150-250T回回350-500S回回500-650?PT+S回回ST+B下下+M+A第四章第四章 钢的热处理钢的热处理第六节可控气氛热处理和化学第六节可控气氛热处理和化学热处理工艺热处理工艺一、可控气氛热处理和真空热处理一、可控气氛热处理和真空热处理 热处理过程中产生烧损和热氧化、脱碳等缺热处理过程中产生烧损和热氧化、脱碳等缺陷。陷。1、可控气氛热处理、可控气氛热处理 向炉内通入一种或几种一定成分的气体，通向炉内通入一种或几种一定成分的气体，通过对这些气体成分的控制，使工件在热处理过程过对这些气体成分的控制，使工件在热处理过程中不发生氧化和脱碳。中不发生氧化和脱碳。第四章第四章 钢的热处理钢的热处理v 四种气体四种气体具有氧化和脱碳作用的气体：具有氧化和脱碳作用的气体：O2，CO2，H 2O 具有还原作用的气体：具有还原作用的气体：CO和和H 2 中性气体：中性气体：N 2。具有强烈渗碳作用的气体：具有强烈渗碳作用的气体：CH4及其他碳氢化合物及其他碳氢化合物v 四类可控气氛四类可控气氛 放热式气氛：煤气或丙烷混合空气燃烧，防止零件氧化。放热式气氛：煤气或丙烷混合空气燃烧，防止零件氧化。吸热式气氛：煤气、天然气或丙烷混合空气，外加热反吸热式气氛：煤气、天然气或丙烷混合空气，外加热反应，防止氧化和脱碳，用于渗碳处理。应，防止氧化和脱碳，用于渗碳处理。氨分解气氛：氨气分解为氮和氧，含铬较高的合金钢。氨分解气氛：氨气分解为氮和氧，含铬较高的合金钢。滴注式气氛：液体有