工程材料及热加工—钢的热处理原理
工程材料及热加工—钢的热处理工艺
2.2.4钢的淬透性 • 定义：淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。它是 钢的固有属性，也是选材和制订热处理工艺的重要依据 之一。
• 影响因素：钢的临界冷却速度； 过冷奥氏体的稳定性。 • 评定方法：用钢在一定条件下淬火所获得的淬透层深 度或临界淬透直径(Dk)来表示。 ⑴淬透层的深度定义为由表面至半马氏体区的深度。 半马氏体区的组织是由50%马氏体和50%分解产物所组 成。 ⑵指圆柱状钢试样在规定的淬火介质中能全部淬透的 最大直径。当冷却介质一定时，Dk愈大，淬透性愈好。 • 测定方法：最常用的方法是末端淬火法，简称为端淬 法。
•
三、钢的回火
• • 定义：是将淬火后的钢加热到Ac1以下某一温度，保 温一定时间，然后冷却至室温的一种热处理工艺。 目的： 减小或消除淬火应力； 提高钢的塑性和韧性，获得良好的综合力学性能； 稳定组织和工件尺寸。 分类及应用： ⑴低温回火(150~250℃) 组织为回火马氏体。 （ 58～64HRC ） 部分降低钢中残余应力和脆性，而保持钢在淬 后所得到的高强度、硬度和耐磨性。 广泛应用于工具、量具、滚动轴承、渗碳工件 以及表面淬火工件等。
2.2.2淬火冷却介质 最常用的是水、盐水、油、熔盐。 水：形状简单、截面尺寸较大的碳钢。（高温慢，低温快） 盐水：高温快，低温快。 油：合金钢或小尺寸碳钢件。 （高温太慢，低温慢） 熔盐（盐浴）：形状复杂、变形要求严格的件。最接近理 想冷却介质。
2.2.3淬火方法 • 单液淬火：在一种介质中连续冷却获得马氏体。 操作简单，易于自动化，易于产生缺陷，适 用于形状简单的小件。 • 双液淬火：先后在两种介质中冷却。 操作复杂，难以控制。 • 分级淬火:淬入稍高于Ms的介质中，待内外温差一致后 取出，缓冷得到马氏体。 减少应力和变形，适用于小件。 • 等温淬火：淬入稍高于Ms的介质中，等温转变为下B。 强度高，塑性、韧性好，应力小，变形小， 多用于形状复杂、要求高的工件。
钢的热处理(原理及四把火)
钢的热处理钢的热处理：是将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺。
热处理不仅可用于强化钢材，提高机械零件的使用性能，而且还可以用于改善钢材的工艺性能。
其共同点是：只改变内部组织结构，不改变表面形状与尺寸。
第一节钢的热处理原理热处理的目的是改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。
热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。
热处理工艺分类：（根据热处理的目的、要求和工艺方法的不同分类如下）1、整体热处理：包括退火、正火、淬火、回火和调质；2、表面热处理：包括表面淬火、物理和化学气相沉积等；3、化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。
热处理的三阶段：加热、保温、冷却一、钢在加热时的转变加热的目的：使钢奥氏体化（一）奥氏体（ A）的形成奥氏体晶核的形成以共析钢为例A1点则W c ＝0.0218％（体心立方晶格F）W c ＝6.69％（复杂斜方渗碳体）当T 上升到A c1 后W c ＝0.77％（面心立方的A）由此可见转变过程中必须经过C和Fe原子的扩散，必须进行铁原子的晶格改组，即发生相变，A的形成过程。
在铁素体和渗碳体的相界面上形成。
有两个有利条件①此相界面上成分介于铁素体和渗碳体之间②原子排列不规则，空位和位错密度高。
1、奥氏体长大由于铁素体的晶格改组和渗碳体的不断溶解，A晶核一方面不断向铁素体和渗碳体方向长大，同时自身也不断形成长大。
2、残余 Fe 3 C的溶解 A长大同时由于有部分渗碳体没有完全溶解，还需一段时间才能全溶。
（F比Fe 3 C先消失）3、奥氏体成分的均匀化残余Fe 3 C全溶后，经一段时间保温，通过碳原子的扩散，使A成分逐步均匀化。
（二）奥氏体晶粒的长大奥氏体大小用奥氏体晶粒度来表示。
分为 00，0，1，2…10等十二个等级，其中常用的1~10级，4级以下为粗晶粒，5-8级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。
机械工程材料-3章 钢的热处理
珠光体型转变，在A1～550℃等温； 贝氏体型转变，在550℃～Ms等温； 马氏体型转变，冷却至MS以下。
共析钢等温冷却转变曲线
随着过冷度的增大，奥氏体转 变温度降低，生成的珠光体片层间 距变小。依据片层间距的大小，将 其分别称为珠光体、索氏体、屈氏 体。珠光体片越细，HB↑，Rm↑。
珠光体 符 号：P 等温温度： A1 ~ 650℃ 层片间距：>0.4μm
①钢加热温度由冷却前希望得到的组 织决定。如果希望得到单相奥氏体组织， 需要在Ac3和Accm以上温度加热，过共析钢 如果不希望二次渗碳体全部溶解到奥氏体 中，需要在Ac1和Accm之间温度加热。 ②加热温度越高，保温时间越长，奥 氏体成分均匀，但晶粒越粗大。 ③加热速度越快，相变的过热度增大， 奥氏体实际形成温度越高，生成的奥氏体 晶粒度愈小。 ④生成的奥氏体晶粒大小也与钢的化 学成分和原始组织有关，有的钢晶粒长大 倾向小。
表 面 热处理 化学热处理
渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗金属等
3.1 钢的热处理原理
3.1.1 钢在加热时的组织转变
1 钢的组织转变温度
对不同成分和组织的钢，在 进行加热或冷却时，如果加热或 冷却速度非常缓慢，钢的组织变 化规律和铁碳相图一致。
经过PSK线（A1）时，发生 A P 转变 经过GS线（A3）时，发生 A F 转变 经过ES线（Acm）时，发生 A A+Fe3CⅡ
则A1、A3、Acm被称为碳钢固 态平衡组织转变临界温度。
铁碳相图
由于实际加热或冷却不可能非常 缓慢，加热时相变需要具有一定的过 热度，冷却时相变需要具有一定的过 冷度，组织转变才能进行。 习惯上，将碳钢加热时的相变温 度分别标记为Ac1、Ac3、Accm，其冷却 时的相变温度分别标记为Ar1、Ar3、 Arcm。 例如：对亚共析钢，当加热到 Ac1时发生P→A，加热到Ac3时才全部 转变为A；对共析钢当加热到Ac1时发 生P→A；对过共析钢加热到Ac1时发 生P→A，加热到Accm以上时渗碳体才 全部转变为A。
gc05-1钢的热处理
1. 奥氏体是同时消耗两相来长大； 2. 实际上总是铁素体先消失，随后残余渗碳体 的溶解； 3. 奥氏体的均匀化，各处的碳浓度都达到平均 成分，随后所含其它合金元素经扩散达到成 分均匀； 4. 在铁素体和渗碳体的交界处形成奥氏体的核 心； 5. 亚(过)共析钢中过剩相的溶解(温度达到AC3或 Accm以上)。
奥氏体碳质量分数 与MS、Mf的位臵关系
碳质量分数 与残余A量的关系
②马氏体的形态 马氏体的形态有两类，主要取决于含碳量
●碳质量分数大于1.0%时，为片状马氏体 （高碳马氏体）。在光学显微镜中呈凸透镜状， ●碳质量分数在0.25%以下时，为板条马氏体 马氏体针之间形成一定角度(60°)。透射电镜分 （低碳马氏体）。 ●碳质量分数在0.25～1.0%之间时，为板条 析，片状马氏体内有大量孪晶，也称孪晶马氏体 在显微镜下为一束束平行排列的细板条。在 马氏体和针状马氏体的混和组织。 或针状马氏体。 高倍透射电镜下可看到板条马氏体内有大量位错 缠结的亚结构，所以也称位错马氏体。
加热、冷却时材料内部的微观结构如 何变化（热处理原理）？
问题2： 热处理工艺有哪些？工程实际中有何 应用？
根据加热和冷却及应用特点的不同，常用的热处理方法的大致 分类有：
第一节 钢在加热时的转变
一、奥氏体的形成
1.钢在加热时的临界温度 大多数热处理工艺将钢加热到临界温度以上， 获得全部或部分奥氏体组织，进行奥氏体化。
本质细晶粒钢：晶粒细小。 本质粗晶粒钢：晶粒粗大。
2. 影响奥氏体晶粒度的因素 （1）加热温度、加热速度和保温时间 加热温度越高或保温时间越长，奥氏体晶粒 长大越明显；而高温、快速、短时加热可获得细 小晶粒。 （2）钢的成分 ●奥氏体中碳含量增高，晶粒长大倾向增 大。未溶碳化物则阻碍晶粒长大。 ●钛、钒、铌、锆、铝有利于得到本质细 晶粒钢。碳化物、氧化物和氮化物弥散分布在 晶界上，能阻碍晶粒长大。 ●锰、磷促进晶粒长大。
第3章钢的热处理
化学热处理
渗碳 碳氮共渗 渗氮 氮碳共渗 渗其它非金属 渗金属 多元共渗 溶渗
三、热处理的原理
铁碳合金相图是确定热处理工艺的重 要依据。它是表示平衡状态下不同化学成 分的铁碳合金在不同温度时所具有的组织 和状态的图形。
热处理的过程
金属材料零件
加热至某一温度区间 保温
奥氏体组织
屈氏体组织
马氏体组织 索氏体组织 贝氏体组织
3、球化退火的应用范围为( A. 亚共析钢和合金钢件 C. 不能用于过共析钢
4. 比较正火与退火的异同点，生产中如何选用退火与正火？
一、淬火
1、淬火的概念和目的 淬火是将工件加热到奥氏体化后，保持一 定的时间，以适当方式冷却（水冷或油冷）， 获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺 马氏体是碳或合金元素在α-Fe中的过饱 和固溶体，硬度较高，用M表示，马氏体中 含碳量越高，其硬度也越高。
工艺 特点
应用 范围
一、淬火
2、淬火方法和应用
一、淬火
2、淬火方法和应用 淬火开裂现象
一、淬火
3、钢的淬透性 淬透性是以在规定条件下钢试样淬硬深度 和硬度分布表征的材料特性。 淬硬深度是从淬硬的工件表面量至规定硬 度值(一般为550HV)处的垂直距离。 淬硬深度愈深，淬透性愈好。 影响钢淬透性的决定因素是马氏体临界冷 却速度。大多数合金元素(除钴外)降低钢的马 氏体临界冷却速度，因而能显著提高钢的淬透 性。
用于淬火返修件，消除淬火应力，细化 组织，防止重新淬火后变形或开裂。
练习
1、用锻、铸、方法制造的零件毛坯，为消除毛坯内应力，均匀 组织，改善切削加工性能，为后序工作做准备，常采用（ A、调质 B、淬火 C、回火 D退火或正火 ）
2、为了细化晶粒提高力学性能改善切削加工性，常对低碳钢件 进行的热处理是( A. 完全退火 ) B. 球化退火 ) B. 过共析钢和合金工具钢等 D. 以上都对 C. 正火 D. 淬火
钢的热处理原理及工艺
6.67 0.89 14.8 0.41 0.02
表明： 相界面向α一侧推移速度比向Fe3C一侧的推移速度快14.8倍。 通常情况下，片状珠光体的α片厚度比Fe3C片厚度大7倍。 所以奥氏体等温形成时，总是α先消失，剩余Fe3C。
3)残余Fe3C溶解
未溶解，这些Fe3C称为残余Fe3C。
也是一个点阵重构和碳的扩散过程。
（1）过冷奥氏体缓慢冷却，分解的过冷度很小，得到 近于平衡的珠光体组织。 （2）冷却速度较快时，可把过冷奥氏体过冷到较低温 度，碳原子尚可扩散，铁原子不能扩散，得到贝氏体组织。 （3）更快速的冷却，奥氏体迅速过冷到不能进行扩散 分解，得到马氏体组织。
Figure 8. TTT Diagram and microstructures obtained by different types of cooling rates
dC
A 长大
∆Cr↔k
dx
∆Cr↔α
2）奥氏体晶格改组
一般认为： ①平衡加热过热度很小时，通过Fe原子子扩散完成晶格改组。
②当加热过热度很大时，晶格改组通过Fe原子切变完成。
2）奥氏体晶核的长大速度
奥氏体晶核向铁素体和渗碳体两侧推移速度是不同的。
780℃时，
v v Fe 3C
C Fe 3C C
α→γ结束后，还有相当数量的Fe3C尚
残余Fe3C溶解
4）奥氏体均匀化
在原来Fe3C部位，C%较高，而原来α部位C% 较低，必须经过适当保温后，奥氏体中的C%才能均 匀。
A 均匀化
共析碳钢A形成过程示意图
1.奥氏体晶核的形成 2.奥氏体晶核的长大 3.残余渗碳体的溶解 4.奥氏体成分的均匀化
钢的热处理原理（冷却1）
钢的热处理原理（冷却1）上⼀篇⽂章⾥谈了⼀下对于热处理原理加热保温部分的学习，我们都知道绝⼤部分的零件都是在室温下进⾏⼯作的，所以这⼀篇⽂章我想说说对于冷却部分的学习。
通过对加热保温部分的学习，我们知道了主要是为了得到组织均匀、晶粒细化的奥⽒体，那么在冷却过程中，奥⽒体会发⽣哪些转变呢。
当奥⽒体在转变临界温度以下时，从热⼒学⾓度看，是不稳定的，会发⽣分解，这时的奥⽒体叫做过冷奥⽒体，我们可以通过不同的过冷度使奥⽒体冷却，从⽽得到不同的组织结构。
当过冷奥⽒体在转变临界温度以下较⾼温度缓慢冷却时，由于过冷度⼩，温度较⾼，原⼦扩散充分，可以得到组织均匀的珠光体；当冷却速度较快，奥⽒体在较⼤的过冷度下冷却时，碳原⼦可以扩散，但铁原⼦不能扩散，这时得到的是贝⽒体（相当于炉冷或空冷）；当以很快的冷却速度对奥⽒体进⾏冷却，奥⽒体迅速的过冷到不能进⾏扩散的温度以下，得到的是马⽒体（相当于淬⽕）。
我们以共析钢为例，说明⼀下钢在等温条件下的冷却。
钢在冷却时的转变与加热时的转变有相似处，就是转变不是温度低于转变临界温度就马上开始转变，⽽是在经过⼀定时间的孕育后才开始，这段时间称为孕育期。
介绍奥⽒体冷却转变我们引⼊c-曲线图加以说明c-曲线图的横坐标为时间，纵坐标为温度，坐标系中有两条c形曲线，左边的⼀条为转变开始温度时间曲线，是由奥⽒体在转变临界温度下不同温度时的开始转变时间连线⽽成，右边⼀条是由奥⽒体在转变临界温度下不同温度时的转变结束时间连线⽽成，两条曲线间的任意⽔平连线表⽰奥⽒体在该温度时的等温转变时间。
对，我们⾸先要说的就是等温转变。
先继续把这个图的各个区域介绍完，A1⽔平线为转变临界温度727℃，Ms⽔平线为奥⽒体向马⽒体转变开始温度Mf⽔平线为奥⽒体向马⽒体转变结束温度。
处于A1以下，Ms以上，转变开始温度以左的区域为过冷奥⽒体区，这时的合⾦组织为过冷奥⽒体，两条曲线之间为转变区，转变结束曲线以右为转变终了区。
钢的热处理原理 (2)
钢的热处理原理9-1概述一、热处理的作用热处理是将钢在固态下加热到预定温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却下来的一种热加工工艺。
其目的是改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能。
通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。
热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省材料和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命，做到一个顶几个、顶几十个。
恰当的热处理工艺可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使钢的组织和性能更加均匀。
++热处理也是机器零件加工工艺过程中的重要工序。
此外，通过热处理还可以使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能。
二、热处理和相图原则上只有在加热或冷却时发生溶解度显著变化或者发生类似纯铁的同素异构转变，即有固态相变发生的合金才能进行热处理。
纯金属、某些单相合金等不能用热处理强化，只能采用加工硬化的方法。
现以Fe- FeC相图为例进3一步说明钢的固态转变。
共析钢加热至Fe- FeC相3图PSK线（A线）以上全部转1 变为奥氏体；亚、过共析钢则必须加热到GS线（A线）和ES3 线（A线）以上才能获得单相cm 奥氏体。
钢从奥氏体状态缓慢冷却至A线以下，将发生共析转1 变，形成珠光体。
而在通过A3线或A线时，则分别从奥氏体cm中析出过剩相铁素体和渗碳体。
但是铁碳相图反映的是热力学上近于平衡时铁碳合金的组织状态与温度及合金成分之间的关系。
A线、A线和A13cm线是钢在缓慢加热和冷却过程中组织转变的临界点。
实际上，钢进行热处理时其组织转变并不按铁碳相图上所示的平衡温、Ac、Ac；而把冷却时的实际临界温度标以字13cm度进行，通常都有不同程度的滞后现象。
即实际转变温度要偏离平衡的临界温度。
加热或冷母“r”，如Ar、Ar、Ar等。
却速度越快，则滞后现象越严重。
图9-3表示钢加热和冷却速度对碳钢临界温度的影响。
钢的热处理
随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。三国蜀 人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬 火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油 和尿的冷却能力。中国出土的西汉(公元前206～公元24)中山靖王墓中的宝 剑，心部含碳量为0.15～0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用 了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。
金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零 件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影 响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中 加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。
加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温 度，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料 和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获 得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到 要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致， 使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。采用高能密度加热 和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热 处理的保温时间往往较长 。
二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处 理工艺得到更大发展。一个显著的进展是1901～1925年，在工业生产中应 用转筒炉进行气体渗碳；30年代出现露点电位差计，使炉内气氛的碳势达 到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳 势的方法；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、 渗碳工艺 ；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和 化学热处理方法。
金属材料及热处理第三版电子课件模块四钢的热处理
2．作为最终热处理 最终热处理是指用以满足工件 所需要的使用性能的热处理。当普 通结构零件或大型结构零件的力学 性能要求不太高时，正火可作为最 终热处理。 退火和正火的加热温度范围及 热处理工艺曲线如图4-8 所示。
三、退火与正火的选用
正火与退火的目的基本相同，但正火比退火生产 周期短、操作方便、成本低，有时在实际生产中，两 者可以相互替代。选用这两种热处理工艺时，主要从 以下三个方面考虑。
热处理工艺中，常采用等温冷却和连续冷却两种方式， 其工艺曲线如图4-5 所示。
以共析钢为例，分析冷却方式对钢的组织和性能的影响。 1．共析钢过冷奥氏体等温转变 由于过冷现象，奥氏体冷却至共析温度A1 以下时，并 不是立即发生转变，而是首先保持奥氏体状态。这种在共析 温度以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体是不稳 定的，保持一定时间后必定要发生转变。过冷奥氏体在A1 以下的等温转变可用等温转变图来表示。
珠光体型组织的力学性能主要取决 于片层间距的大小，片层间距越小，则 强度和硬度越高，塑性和韧性也有所改 善，其组织和性能特点见表4-1。
2）贝氏体型转变（又称中温转变）。在550 ℃～Ms 温度范围内，过冷奥氏体转变为 贝氏体。因转变温度较低，原子的活动能力较弱，转变后的组织是含碳量具有一定过饱和 度的铁素体与渗碳体（或碳化物）的混合物，用符号B 表示。按其显微组织形态不同，又 可分为上贝氏体（B 上）和下贝氏体（B 下）两种。
1．从切削加工性考虑 一般认为，硬度在170～230 HBW 范围内的钢材 切削加工性能最好。图4-9 所示为退火和正火后钢的 硬度值范围，图中阴影部分为切削加工性能较好的硬 度范围。
2．从零件的结构形状考虑 零件形状复杂或尺寸较大时，由于正火的冷却速度较快，易产生内应力，有引起变形 或开裂的危险，因此应选用退火为宜。 3．从经济性考虑 正火比退火生产周期短、成本低、操作简单，所以在处理性能需求及条件允许的情况 下，应尽可能选用正火。
金属学原理与热处理 第七章
1. 掌握等温转变曲线和连续冷却转变曲线 2.掌握碳钢在加热和冷却时的组织转变过程
和转变产物的性能 3.掌握合金的时效和调幅分解过程 二、热处理工艺 掌握退火、正火、淬火和回火工艺的目的、
温度和冷却方式，正确制定工艺
第七章钢在加热和冷却时的转变
§7.1 概述 §7.2 钢在加热时的转变 §7.3 钢的过冷奥氏体转变曲线
入γ的终了温度 Arcm---冷却时γ开始析出二次渗
碳体的开始温度
推荐钢号
40Cr 45﹟钢 GCr6 GCr15 65Mn 60Si2Mn
T8A T10A 9SiCr CrWMn 5CrMnMo
典型零件用钢的化学成分及临界温度
C 0.37～0.45 0.42～0.50 1.05～1.15 0.95～1.05 0.57～0.65 0.62～0.70 0.75～0.84 0.95～1.04 0.85～0.95 0.90～1.05 0.50～0.60
改变钢的临界点，从而改变过热度 本身扩散系数低，均匀化过程显著减缓。
奥氏体形成速度的因素
加热温度 原始组织 化学成分
扩散速度，相变驱动力 形核位置，碳扩散距离
碳，合金元素
§7.2 钢在加热时的转变
奥氏体晶粒度：奥氏体晶粒的大小。
1-4级：粗晶 5-8级：细晶
§7.2 钢在加热时的转变
起始晶粒度 实际晶粒度
概述
概述
热处理作用（P177）：
1. 改变钢的内部组织、结构，以改善其性能，延长零件 使用寿命；
2. 消除铸造、锻压、焊接等热加工工艺造成的各种缺陷， 细化晶粒，消除偏析，降低内应力，使钢的组织和性能 更加均匀。
3. 预备热处理可以可以为后序加工及最终热处理作好 组织准备。
钢的热处理工艺及原理
塑性
在外力的作用下，材料发生不能恢复的变形称为塑性变形， 产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。塑性大小用伸长 率δ和断面收缩率ψ来表塑性是指金属材料在外力作用下 产生塑性变形而不断裂的能力。 工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。伸长率指 试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号δ 表示。断面收缩率指试样拉断后，断面缩小的面积与原来 截面积之比，用y表示。 伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。 良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件，也是保 证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。
热处理工艺及原理
▪ 任何机械零件或工具，在使用过程中，往 往要受到各种形式外力的作用。如起重机 上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；柴油 机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉 力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴 类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。这 就要求金属材料必须具有一种承受机械荷 而不超过许可变形或不破坏的能力。这种 能力就是材料的力学性能。。
3.剩余渗碳体溶解 在奥氏体形成
过程中 ,铁素体比 渗碳体先消失,因此 奥氏体形成之后,还 残存未溶渗碳体。 这局部未溶的剩余 渗碳体将随着时间 的延长,继续不断地 溶入奥氏体, 直至全部消失。
4.奥氏体均匀化 渗碳体完全溶解后
奥氏体中碳的浓度分布
并不均匀 ,原先是渗碳体 地方碳浓度高,原先铁 素体的地方碳浓度低。
弹性和刚性
弹性和刚性
在图中，当加载应力不超过σe，卸载后试样能恢复原状，即不产生 永久变形，材料的这种性能称为弹性。σe为不产生永久变形的最大 应力，称为弹性极限。
图中oe是直线，表示应力与应变成正比，此阶段服从虎克定律， oe的斜率为试样材料的弹性模量E，即
E=σ/ε 弹性模量E是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。E越大， 则使其产生一定弹性变形的应力也愈大。因此，工程上把它叫做材料 的刚度。刚度表征材料弹性变形抗力的大小。弹性模量E主要决定于 材料的本身，是金属材料最稳定的性能之一，合金化、热处理、冷热 加工对它的影响很小。在室温下，钢的弹性模量E大都在190～220GPa 之间。弹性模量随温度的升高而逐渐降低。
钢的热处理
第五章钢的热处理热处理——固态下，通过加热、保温、冷却、改变组织得到所需性能的工艺方法。
•特点：在固态下，只改变工件的组织，不改变形状和尺寸•目的：改善材料的使用、工艺性能•基本过程：加热→保温→冷却•分类：1、普通热处理——退火、正火、淬火、回火2、表面热处理——表面淬火、化学热处理第一节钢在加热时的组织转变实际加热和冷却时的相变点：平衡时—— A1 A3 Acm加热时—— Ac1 Ac3 Accm冷却时—— Ar1 Ar3 Arcm一、奥氏体的形成加热工序的目的：得到奥氏体F + Fe3C → A结构体心复杂面心含碳量 0.0218 6.69 0.77共析钢奥氏体形成过程：1、形核（在 F / Fe3C相界面上形核）2、晶核长大（F→ A晶格重构，Fe3C溶解，C→ A中扩散）3、残余Fe3C溶解4、奥氏体均匀化保温工序的目的：得到成分均匀的奥氏体，消除内应力，促进扩散对亚共析钢： P + F → A + F → A对过共析钢： P + Fe3CⅡ→ A + Fe3CⅡ→ A二、奥氏体晶粒长大及其影响因素1、奥氏体晶粒度•晶粒度——晶粒大小的尺度。
•本质粗晶粒钢——长大倾向较大（Al脱氧）•本质粗晶粒钢——长大倾向较小(Mn,Si脱氧)2、影响奥氏体晶粒长大的因素（1）加热温度↑，保温时间↑→ A晶粒长大快（2）加热速度↑→ A晶粒细（3）加入合金元素→ A晶粒细（4）原始组织细→ A晶粒细第二节钢在冷却时的组织转变冷却方式：等温冷却和连续冷却。
45钢加热后，随冷却速度的增加，强度、硬度增加，但塑性、韧性降低。
冷却是热处理的关键，故必须研究奥氏体冷却过程的变化规律。
一、过冷奥氏体等温转变1、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线或TTT线）的建立•过冷奥氏体：在A1以下，未发生转变的不稳定奥氏体。
•孕育期——表示过冷A 的稳定程度•四个区域——奥氏体稳定区、过冷奥氏体区、转变产物区、转变区•三种转变类型：高温转变（A1~550℃）：A → P中温转变（550~230℃）：A → B低温转变（230℃以下）：A → M2、过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能(1)珠光体转变•珠光体组成：F 和 Fe3C 的机械混合物•形成特点：在固态下形核、长大是扩散型相变•形态：A1~650℃：珠光体 P 20HRc 片状650~600℃：索氏体 S（细P）…600~550℃：托氏体 T（极细P又称屈氏体）40HRc 球状—— Fe3C 呈球状•珠光体性能珠光体片越细→ HB↑，σb↑且δ↑，αk↑C%相同时，球状 P 比片状 P 相界面少→HB↓，σb↓，δ↑,αk↑(2)贝氏体转变•贝氏体组成：过饱和F 和碳化物的机械混合物•形成特点：在固态下形核、长大是半扩散型相变•形态：550~350℃：上贝氏体（B上）羽毛状组织塑性差40-45HRc 350℃~ Ms：下贝氏体（B下）针片状组织综合性能好45-50HRc过冷奥氏体在Ms点以下，A→M属连续冷却转变。
钢的热处理
钢的热处理改善钢的性能，主要有两个途径（1）调整钢的化学成分，加入合金元素（2）钢的热处理，改变组织结构热处理：通过加热，保温，冷却等操作方法，使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的一种加工工艺。
分类：普通热处理：退火，正火，淬火，回火表面热处理：表面淬火（火焰加热，感应加热），化学热处理（渗碳，氮化，碳氮共渗）3.1 钢热处理的基本原理加热或冷却时钢组织结构发生变化。
3.1.1 钢在加热时的组织转变A1，A3，Acm是反映不同含碳量的钢在缓慢加热和冷却时的相变温度（平衡临界点）。
实际生产中，加热和冷却速度不可能很慢，总有过冷和过热现象。
加热和冷却速度越大，相变温度偏离平衡临界点的程度也越大，即过冷度和过热度越大。
通常用Ac1，Ac3和Accm表示加热时偏离后的相变温度；用Ar1，Ar3和Arcm表示冷却时偏离后的相变温度。
大多数热处理工艺都是将钢加热至相变温度以上，使其室温组织转变为均匀奥氏体，即“奥氏体化”。
以共析钢为例说明钢在加热时的组织转变。
3.1.1.1 形成过程共析钢在室温时具有珠光体组织，将其加热到Ac1以上时，珠光体将全部转为含碳量为0.77%的奥氏体。
P=F（体心立方）+Fe3C（复杂晶格）——>A（面心立方）奥氏体化是一个重结晶的过程，分为四个阶段：* 奥氏体晶核形成晶核易于在F和Fe3C相界面形成，这是因为此处原子排列紊乱，位错、空位密度高。
* 奥氏体晶核的长大含碳量不同出现碳浓度梯度，引起F->A及Fe3C溶解。
* 残余奥氏体的溶解F先转变完，Fe3C完全溶解* 奥氏体成分均匀化碳扩散使A含C量趋于均匀。
3.1.1.2 影响珠光体向奥氏体转变的因素* 形成温度，钢的成分和原始组织及加热速度形成温度越高，原子扩散能力增大，增大了A中C浓度梯度，加速成A形成。
* 含C量越高，F和Fe3C相界面增多，有得于A形成。
* P越细，A形成速度越快。
* 连续加热时，随着加热速度增大，A形成温度提高，所需时间缩短。
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一、概述 二、钢的热处理原理
一、概述
1、定义： 将钢在固态下通过不同的加热、保温、冷却来改变金属 整体或表层的组织，从而改善和提高其性能的一种热加工 工艺。 工艺曲线：
2、目的： • 充分发挥材料的性能潜力。 • 调整材料的工艺性能和使用性能。
3、分类： • 普通热处理：整体穿透加热 • 表面热处理：表层的成分、组织、性能 • 特殊热处理：形变热处理、真空热处理
⑶ 马氏体型转变 • 定义：是指钢从奥氏体状态快速冷却(即淬火)而发生的无扩散型相变， 转变产物称为马氏体，马氏体是碳溶于α-Fe中的过饱和间隙式固溶体， 记为M。 • 转变特点：⑴无扩散性： ⑵降温转变: 过冷奥氏体向马氏体转变的开始温度用Ms 表示。而马氏体转变的终了温度用Mf表示。马氏体转变量是在Ms~Mf 温度范围内，通过不断降温来增加的。由于多数钢的Mf在室温以下， 因此钢快冷到室温时仍有部分未转变的奥氏体存在，称之为残余奥氏 体，记为Ar。 • 组织形态：钢中马氏体的形态很多，其中板条马氏体和片状马氏体最 为常见。 ⑴板条马氏体: 低碳钢＜0.2﹪中的马氏体组织是由许多成群的、相互平 行排列的板条所组成，故称为板条马氏体。板条马氏体的亚结构主要 为高密度的位错，故又称为位错马氏体。
二、钢的热处理原理
1、钢的临界温度 铁碳合金相图中组织转变的临界温度A1、A3、Acm 是在极其缓慢的加热和冷却条件下测定的。而在热处理中， 加热和冷却并不是极其缓慢的，和相图的临界温度相比发 生一定的滞后现象，也就是通常所说的需要有一定的过热 和过冷，组织转变才能充分进行。与相图上A1、A3、Acm 相对应，通常把实际加热时的临界温度用Ac1、Ac3、 Accm 表示，把实际冷却时的临界温度用Ar1、Ar3、Arcm 表示。
3.1.3影响C曲线的因素 • 含碳量 • 合金元素 3.2过冷奥氏体的连续冷却转变 在实际生产中，往往采取连续冷却，即温度、时间不断变化。 过冷奥氏体连续冷却转变曲线(CCT曲线)
⑵贝氏体型转变：（ 550 ℃ ～Ms ） • 定义：贝氏体 (B)是含碳过饱和铁素体和渗碳体或碳化物的混合物。 • 转变特点：半扩散型相变。 • 组织：由于转变温度的不同，贝氏体有两种基本形态。 a. 上贝氏体: 在550~350℃温度区间转变为上贝氏体。上贝氏体的特点是 铁素体呈大致平行的条束状，自奥氏体晶界的一侧或两侧向奥氏体晶 内伸展。渗碳体分布于铁素体条之间。在光学显微镜下观察呈羽毛状。
②索氏体: 片间距约为150~80nm，形成于650~600℃范围内。只有 在800倍以上光学显微镜下观察才能分辨出铁素体和渗碳体片层 状组织形态。 ③屈氏体: 片间距约为80~30nm，形成于600~550℃范围内。在光学 显微镜下已很难分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态。
• 比较：珠光体、索氏体、屈氏体之ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ无本质区别，其形成 温度也无严格界线，只是其片层厚薄和间距不同。 • 性能：珠光体类组织的机械性能主要取决于片层间距的大 小。通常情况下，片层间距愈小，其强度、硬度愈高，同 时塑性、韧性也有所改善。
b. 片状马氏体: 在高碳钢（＞1.0 ﹪ ）中形成的马氏体完全是片状马氏体。 在显微镜下观察时呈针状或竹叶状。片状马氏体内部的亚结构主要是 孪晶。因此，片状马氏体又称为孪晶马氏体。
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性能特点
⑴硬度和强度: 钢中马氏体力学性能的显著特点是具有高硬 度和高强度。马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量。 通常情况下，马氏体的硬度随含碳量的增加而升高。 ⑵塑性和韧性: 主要取决于马氏体的亚结构。片状马氏体脆 性较大，其主要原因是片状马氏体中含碳量高，晶格畸 变大；同时马氏体高速形成时互相撞击使得片状马氏体 中存在许多显微裂纹。而板条马氏体有相当高的塑、韧 性。
b. 下贝氏体: 下贝氏体在350℃~Ms温度区间形成。典型的下贝氏体是由 含碳过饱和的片状铁素体和其内部沉淀的碳化物组成的机械混合物。 在光学显微镜下呈黑色针状或竹叶状。
• 性能：上贝氏体的强度和韧性均较低（铁素体条粗大，它的塑变抗力 低；渗碳体分布在铁素体条之间，易于引起脆断），下贝氏体不但强 度高，而且韧性也好（铁素体细小、分布均匀；在铁素体内又析出细 小弥散的碳化物）。
3、钢在冷却时的转变 当奥氏体被冷至A1线以下不同温度处发生转变时，由于冷却过程 为非平衡过程，因此不能依据铁碳相图来判定和分析其组织转变。其 转变产物随转变温度和冷却速度的不同而不同，性能也有很大的差别。 常用等温转变曲线和连续转变曲线来说明这一规律。 3.1过冷奥氏体等温转变 使加热到奥氏体的钢，先以较快的冷却速度冷到A1线以下一定 的温度，然后进行保温，使奥氏体在等温下发生组织转变。 3.1.1过冷奥氏体等温转变曲线(TTT曲线) • 奥氏体等温转变曲线反映了奥氏体在冷却时的转变温度、时间和转变 量之间的关系。它是在等温冷却条件下，通过实验的方法（金相法） 绘制的。 • 该曲线颇似“C”，故简称C曲线。 • 简介试验过程。
2、钢在加热时的组织转变 钢的热处理首先是加热，使钢奥氏体化，随后才能通过不同的冷 却方式使其转变为不同的组织和性能。 其奥氏体化的程度以及晶粒的大小对冷却过程及最终组织性能都 将产生极大的影响。 2.1奥氏体的形成（以共析钢为例，说明奥氏体的形成过程。） 2.1.1 奥氏体形核：奥氏体晶核优先在铁素体与渗碳体相界面处形成。这 是由于此处原子排列紊乱，位错、空位浓度较高，容易满足形成奥氏 体所需的能量和碳浓度所致。
2.1.2 奥氏体长大：奥氏体晶核形成之后，它一面与渗碳体相接，另一面 与铁素体接。这使得在奥氏体中出现了碳的浓度梯度，即奥氏体中靠 近铁素体一侧含碳量较低，而靠近渗碳体一侧含碳量较高, 引起碳在 奥氏体中由高浓度一侧向低浓度一侧扩散。随着碳在奥氏体中的扩散， 破坏了原先相界面处碳浓度的平衡，即造成奥氏体中靠近铁素体一侧 的碳浓度增高，靠近渗碳体一侧碳浓度降低。为了恢复原先碳浓度的 平衡，势必促使铁素体向奥氏体转变以及渗碳体的溶解。这样，奥氏 体中与铁素体和渗碳体相界面处碳平衡浓度的破坏与恢复的反复循环 过程，就使奥氏体逐渐向铁素体和渗碳体两方向长大，直至铁素体全 部转变为奥氏体为止。
3.1.2过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能 ⑴珠光体型转变：（A1～550℃） • 转变特点：扩散型相变。 • 组织：珠光体是铁素体和渗碳体两相的机械混合物。其组成相通常呈 片层状。根据珠光体片间距的大小，可将珠光体类型组织分为三种: ①珠光体: 片间距约为450~150nm，形成于A1~650℃范围内。在光学显 微镜下可清晰分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态。
2.2.2 影响晶粒长大的因素。 • a. 加热温度和保温时间: 温度的影响最显著。在一定温 度下，随保温时间延长，奥氏体晶粒长大。 • b. 加热速度: 实际生产中经常采用快速加热，短时保温 的办法来获得细小晶粒。因为加热速度越大，奥氏体转 变时的过热度越大，奥氏体的形核率越高，起始晶粒越 细，加之在高温下保温时间短，奥氏体晶粒来不及长大。 • c. 钢的化学成分: ⑴随着含碳量的增加，奥氏体晶粒长 大倾向增大。 ⑵加入适量能形成难熔中间相的合金元 素，如Ti、Zr、V、Al、Nb等，能强烈阻碍奥氏体晶粒 长大，达到细化晶粒的目的。
2.1.3剩余渗碳体溶解：铁素体消失以后，随着保温时间延长或继续升温， 剩余渗碳体通过碳原子的扩散，不断溶入奥氏体中，使奥氏体的碳浓 度逐渐接近共析成分。这一阶段一直进行到渗碳体全部消失为止。 2.1.4奥氏体成分均匀化：当剩余渗碳体全部溶解后，奥氏体中的碳浓度 仍是不均匀的，原来存在渗碳体的区域碳浓度较高，只有继续延长保 温时间，才能得到成分均匀的单相奥氏体。 2.2奥氏体晶粒度及其影响因素 奥氏体的晶粒大小对钢随后的冷却转变及转变产物的组织和性能 都有重要影响。通常，粗大的奥氏体晶粒冷却后得到粗大的组织，其 力学性能指标较低。 2.2.1 奥氏体晶粒度的概念。 奥氏体晶粒的大小是用晶粒度来度量的。晶粒度的评定一般采用 比较法，即金相试样在放大100倍的显微镜下，与标准的图谱相比。 晶粒度分为8级，1级最粗，8级最细。