热处理

之所以这样确定，对亚共析钢，若加热温度低于 Ac3，则加热状态为奥氏体和铁素体两相组成，淬火
后铁素体保存下来，使零件淬火后硬度不均匀，强度
和硬度降低。比Ac3高30~50度的目的是为了使工件 心部在规定的时间内保证达到Ac3点以上温度，铁素 体能完全溶解于奥氏体中，奥氏体成分均匀，而奥氏 体晶粒又不至于粗大。
淬火介质理想的冷却曲线
这样淬火后可以得到更多的马氏体,减少内应力，达 到最佳的淬火效果。
淬火介质的分类及要求 淬火时发生物态变化的淬火介质 , 包括水质淬火 剂、油质淬火剂和水溶液等。 （沸点大都低于工件的淬火加热温度） 根据 物理 特性 (2类) 汽化沸腾 散热方式 辐射 传导 对流 淬火时不发生物态变化的淬火介质 , 包括各种熔盐、熔碱、融熔金属等。 （沸点大都高于工件的淬火加热温度）。 散热方式
有物态变化的淬火介质冷却机理： （2）沸腾阶段 当蒸汽膜破裂后,工件即与介质直 接接触,介质在工件表面激烈沸腾, 通过介质的汽化并不断逸出气泡 而带走了大量热量,使冷却速度变 快.如图中BC段, 沸腾阶段前期冷速很大,随工件温 度下降,其冷速逐渐减慢,此阶段 一直要持续到工件冷至介质的沸 点时为止,这是冷却的第二阶段。
热处理简介及我公司热处理
一、热处理简介
1、热处理过程 2、热处理四把火 3、铁-碳相图 4、等温转变动力学图
二、我公司热处理
1、透热 2、调质 3、表面淬火
一、热处理简介
1、热处理： 定义：通过加热、保温和冷却的方法使金属和合金 内部组织结构发生变化，以获得工件使用性能所要求的 组织结构的技术称为热处理。 热处理由加热（加热速度、温度）、保温(时间)和 冷却（冷却速度）三个阶段组成。钢的热处理除淬火后 的回火等少数热处理外，均需加热至钢的临界点以上， 使钢全部或部分转变为奥氏体后再以适当的速度冷却，
在确定淬火加热温度时，尚应考虑工件的形状、 尺寸、原始组织、加热速度、冷却介质和冷却方式等
因素。在工件尺寸大、加热速度快的情况下，淬火温
度可选的高一些。因为工件大，传热慢，容易加热不 足，使淬火后得不到全部马氏体或淬硬层减薄。加热 速度快，工件温差大也容易出现温差不足。另外，加 热速度快，起始晶粒细，也允许采用较高加热温度。
热锻成形就是利用了这一特点。
2、调质（淬火+高温回火） 2.1、淬火 根据淬火的定义可知，实现淬火过程的必要条件 是加热温度必须高于临界点（亚共析钢Ac3，过共析 钢Ac1），以获得奥氏体组织，其后的冷却速度必须 大于临界冷却速度，淬火得到的组织是马氏体或下贝
氏体（淬火的本质）。
a、淬火温度的选择（40Cr） 淬火加热温度主要是根据钢的相变点来确定。对 亚共析钢，一般淬火加热温度为Ac3+（30~50）；过 共析钢则为Ac1+(30~50)。
辐射
传导
对流
有物态变化的淬火介质冷却 过程大致可分为三个阶段
1)汽膜阶段
2)沸腾阶段
3)对流阶段
有物态变化的淬火介质冷却机理： （1）汽膜阶段
冷却过程大致可分为
汽膜阶段 沸腾阶段 对流阶段
当工件进入介质的一瞬间,周围介质立 即被加热而汽化,在工件表面形成一层 蒸汽膜, 将工件与液体介质隔绝。由于 蒸汽膜的导热性较差,故使工件的冷却 速度较慢,如图中AB段; 冷却开始时,由于工件放出的热量大于 介质从蒸气膜中带走的热量,故膜的厚 度不断增加, 随着冷却的进行,工件温度不断降低,膜 的厚度及其稳定性也逐渐变小，直至破 裂而消失。----冷却的第一阶段。
回火索氏体，用S回
--回火第四阶段(400℃以上)。 渗碳体的 聚集, 铁素体晶 体的长大 以及马氏 体结构的 回复和再 结晶。
b、淬火钢回火后力学性能的变化 硬度 强度 塑性 弹性
淬火钢回火后力学性能的变化 硬度 随着回火温度的升高, 钢的硬度连续降低。 但是,高碳钢在100℃ 左右回火时, 硬度却 略有增高。
3.5
回火转变与钢的回火
淬火组织是高度不稳定的.因为: ①马氏体中的碳是高度过饱和的； ②马氏体有很高的应变能和界面能； ③与马氏体并存的还有一定量的残余奥氏体。 正是由于马氏体和残余 奥氏体的不稳定状态与 平衡状态的自由能差
提供了转变 的驱动力
回火转变成为一 种自发的转变
当动力学条件具备时，转变就会自发进行 这个动力学条件就是使原子具有足够的活动能力，回火处 理就是通过加热提高原子的活动能力，使转变以适当的速度， 或在适当的时间内，使转变达到所要求的程度。
正火：正火是将钢材或钢件加热到Ac3（或Acm） 以上适当温度，保持适当时间后在空气中冷却，得到
珠光体类组织的热处理工艺。
淬火：把钢加热到临界点Ac1或Ac3以上，保温并
随之以大于临界冷速（Vc）冷却，以得到介稳状态的
马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。 回火：将淬火钢加热到低于临界点的某一温度， 保温一定时间，待亚稳的马氏体及残余奥氏体转变到 一定程度时再冷却至室温的工艺。
中产生的淬火应力也越大，这将导致工件的变形甚
至裂纹。 淬火应力包括热应力和组织应力。 热应力：工件加热或冷却时由于不同部位的温度 差异，导致热胀或冷缩的不一致所引起的应力。
组织应力：由于不同部位组织转变不同时性而引 起的内应力。 影响淬火应力的因素：
（1）含碳量的影响
钢中含碳量增加，马氏体比容
增大，淬火后组织应力增加。但钢中含碳量增加，使 Ms下降，淬火后残余奥氏体量增加，因而组织应力 下降。综合这两方面的相反作用效果，其趋势是随着 含碳量增加，热应力作用逐渐减弱，组织应力作用逐 渐增加。
却能力，在不同工件冷却温度区间是不相同的，因而
也影响淬火Leabharlann Baidu应力。
2.2回火 概念：将淬火后的钢在A1以下的 温度加热、保温 , 并以适当速度 冷却的工艺过程称为回火。 回火 的基 本目 的 提高淬火钢的塑性和韧性,降低其脆性,但却往 往不可避免地要降低其强度和硬度;
降低或消除淬火引起的残余内应力,这对于稳 定工具钢制品的尺寸特别重要。
残余奥氏体的分解
--回火第二阶段（200-300℃）
它主要发生在200－300℃。由于马氏体分解，正方度 下降，减轻了对Ar的压力，因而Ar分解为过饱和+碳化
物(极细小Fe3C粒子).
碳化物的转变
--回火第三阶段（200～400℃）
主要发生在200－400℃。此时亚稳 的-碳化物(- Fe2C) 将转化为较稳定的-碳化物(- Fe5C2). 随着回火温度进一步提 高， 和 碳化物又将转变为稳定的 －碳化物 (Fe3C). 随着 和碳化物不断析出长大，M中的C质量分数不断降低，直到变 为铁素体（ ）。回火温度达到 450℃时，形成的碳化物全部
淬火加热温度可取Ac3+（50~100）。
40Cr的Ac3为782℃，我公司40Cr的最终淬火温
度是870℃，可确定在冷却前全部处于奥氏体区。
b、淬火钢的组织：在多数情况下主要为马氏体,有时也有 主要为贝氏体或马氏体与贝氏体的混合物,此外还有少量残 余奥氏体和未熔的第二相。
低碳板条状马氏体组织金相图 C含量不超过0.2wt%的钢中的M几乎全是板条状，故 亦称低碳M
淬火钢回火后力学性能的变化
强度、塑性. 随着回火温度的升
高,强度、硬度都降
低,而延伸率和断面 收缩率则提高。
0.20%C
回火脆性
钢在淬火后进行回火的主要 目的是降低脆性,提高韧性。 但是随着回火温度的升高、 强度与硬度的降低,钢的冲击 韧性并不总是单调上升,而是 在200～350℃之间以及450～ 650℃之间出现两个低谷。在 这两个温度范围内回火,虽然 硬度仍有所下降,但冲击韧性 并未升高,反而显著下降。 由回火所引起的脆性称为回 火脆性。
a、回火组织变化 根据在不同温度范围发生的组织转变, 可将碳钢的整个回火 过程分为以下五个有区别而又互相重叠的阶段: 1 碳原子的重新分布(偏聚或聚集) --时效阶段（1OO℃以下) 2 马氏体的分解 --回火第一阶段（100～200℃) 3 残余奥氏体的分解 --回火第二阶段（200-300℃） 4 碳化物的转变 --回火第三阶段（200～400℃） 5 Fe3C的粗化和球化,以及等轴铁素体晶粒的形成 --回火第四阶段(350℃以上)。
3、铁-碳相图
Fe-Fe3C和Fe-C双重状态图
4、等温转变动力学图
800
将过冷奥氏体迅
速冷却至A1以下某 一温度等温，在等 温冷却过程中发生 的转变称为过冷奥
温 度 ℃
A1 A A—-P
转变终了
700
600 500 400 300 200
转变开始
50%
A
Ms
氏体的等温转变。
100 0
A—-M
有物态变化的淬火介质冷却机理： （3）对流阶段 当工件冷至低于介质的沸 点时,则主要依靠对流传 热方式进行冷却, 这时工件的冷速甚至比蒸 汽膜阶段还要缓慢,如图 CD段,随着工件表面与介 质的温差不断减小,冷却 速度愈来愈小,这是冷却 的第三阶段。
几种常用淬火介质的淬火烈度H
d、淬火应力 从淬火目的考虑，应尽可能获得最大的淬透层深 度。因此，在钢种一定的情况下，采用的淬火介质 的淬火烈度越大越好。但淬火烈度越大，淬火过程
时间
过冷奥氏体等温 转变曲线
C曲线分析
图4-8
二、我公司热处理
1、透热
楔横扎及前桥处的中频加热炉加热最终温度为
1120度。选择此温度范围是因为在此温度内奥氏体的 范围最宽，在轧制过程中工件始终处于奥氏体区。 奥氏体A是碳溶于γ -Fe所形成的固溶体，具有面 心立方点阵，碳位于γ-Fe八面体中心、面心立方点阵 晶胞的中心和棱边的中点。奥氏体的强度和硬度均不 高，同时因为面心立方滑移系多，故奥氏体的塑性高，
转变为 -Fe3C，此时的组织为在保持 M形态的 F基体上分布着
细粒状渗碳体组织，称为回火托氏体，用T回表示，如下页图所 示。
回火托氏体，用T回表示
Fe3C的粗化和球化,以及等轴铁素体晶粒的形成 --回火第四阶段(400℃以上)
回火温度高于400℃时，析出的碳化物通过聚集长大形成 较大颗粒的碳化物 （但颗粒尺寸比球化体要小得多）。同时 在400℃以上回火时，F已开始明显回复。随回火温度的继续 升高，逐渐发生再结晶过程，由针片状转变为多边形，最后 形成位错密度较低的等轴细晶粒的F基体。这种由颗粒状碳化 物均匀分布在多边形F基体内所形成的组织称为回火索氏体， 用S回表示，如下页图所示。
由图可见，随着含碳量的增加，表面压应力值 逐渐减少，拉应力值逐渐增大，而且最大拉应力值 的位置越来越靠近表面。
此外，随着含碳量的增加孪晶马氏体数量增加，马
氏体生长过程中有裂纹存在。这些均将导致增大高碳
钢淬裂倾向性。 （2）合金元素的影响 钢加入合金元素后，其热传
导系数下降，导致热应力和组织应力增加。 （3）淬火介质和冷却能力的影响 淬火介质的冷
马氏体分解 --回火第一阶段（100～200℃)
回火温度再 100-200℃之间； M 将 发生分解，此时M 中的碳以 - 碳化 物( -Fe2C)形式析出，使M过饱和 度降低。析出的碳化物以极细小的 薄片状分布在 M基体上，这种组织 称作回火 M ，用 M 回 表示，其显微 组织如图 4-24 所示。图中， M 回 为 黄色， Ar 为白色。 M 分解一直进行 到300℃左右，此时相中的C质量 分数接近平衡成分，但仍保持 M形 态。M 中的碳质量分数越高，析出 的碳化物越多。对于w(C)<0.2%的 低碳马氏体在这一阶段不析出碳化 物，仅发生碳原子在位错附近的偏 聚。
使奥氏体转变为一定的组织并获得所需的性能。
2、热处理四把火 退火和正火是最基本的热处理工序，不仅为了消 除铸件、锻件及焊接件的工艺缺陷需要进行这些工艺， 而且为了改善金属材料的加工成型性能，切削加工性
能，以及稳定零件几何尺寸，获得一定的性能，一般
都要进行退火或正火处理。 退火：将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适 当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却以达到接近 平衡状态组织的热处理工艺称为退火。
高碳针片状马氏体组织金相图, 呈现针叶状或双凸透镜C含量超过1.0wt%的钢中的M几乎全 是针状，故亦称高碳M
c、淬火介质 理想的淬火介质的冷却
A3
A1
能力应如图所示，即在过冷
奥氏体最不稳定的区域，即 温 珠光体转变区，具有较快的 冷却速度，而在Ms点附近 的温度区域冷却速度比较缓
时间
度
Ms
慢。