机械工程材料-3章 钢的热处理

屈氏体 符 号：T 等温温度：600~550℃ 层片间距：<0.2μm
索氏体 符 号：S 等温温度：650~600℃ 层片间距：0.2~0.4μm
贝氏体型转变
转变温度：550～230℃，半扩散
上贝氏体：B上；等温温度550~350℃；断续 Fe3C颗粒+粗大F板条，呈羽毛状。
下贝氏体：B下；等温温度350℃ ~ Ms；微细Fe3C 颗粒+针状F，呈针状，其强度硬度高，塑性韧性 好。
如淬火冷却速度小于vc' 时（炉 冷或空冷），发生珠光体转变，室 温得到珠光体。 如冷却速度大于vc 时（水冷或 油冷），冷却曲线不经过珠光体转 变区，发生马氏体转变后，室温下 得到M+A′组织。 冷却速度介于vc 和vc' 之间的情 况，室温下得到P+M+A′组织。 vc是全部获得M的最小冷却速度， 称其为淬火临界冷却速度。 Cr、Mo、W、V、Ti等合金元素， 能增大过冷奥氏体的稳定性，从而 使钢的C曲线和CCT曲线右移，减小 钢的淬火临界冷却速度。
粒状Ｐ(F+球状Fe3C)
4 其它退火
均匀化退火（扩散退火）
为消除钢锭、铸件、锻件等的晶 内偏析，将钢加热到固相线之下100 ～ 200 ℃保温10～15h，炉冷。 扩散退火零件晶粒粗大，还须通 过正火或完全退火来细化晶粒。
去应力退火
铸、锻、焊件及特种加工、切削 加工的零件中均存在内应力。为消除 内应力，稳定尺寸，将钢加热到 500 ～ 650 ℃，保温后炉冷到200℃ 出炉空冷，这一热处理过程可消除零 件50 ～ 80%的内应力，称为去应力 退火。
共析钢的CCT曲线
对共析钢，保证过冷A只转变 为M的最小冷速为138.8℃/s；保 证过冷A全部转变为P的最大冷速 为33.3℃/s．
不同冷却方式的冷速V 炉冷v≈1/120～1/30℃/s 空冷v≈3～10℃/s 二者得到珠光体组织 油冷：vC＇＞vC 水冷：v＞vC 二者可得到马氏体组织
共析钢的CCT曲线
减少退火时间的原理
3 球化退火
球化退火工艺为：将过共析钢零件加 热到Ac1以上20～30℃长时间保温；然后 随炉缓慢冷却至600℃以下，出炉空冷。 在保温时珠光体转变为奥氏体，仍有 部分渗碳体未固溶到奥氏体中，它们在 长时间保温时自发球化；在随炉缓慢冷 却过程中，未溶渗碳体作为渗碳体形核 核心而进行共析转变，从而得到粒状渗 碳体分布于铁素体基体上的组织。 球化退火使碳素工具钢、高碳合金钢 中的渗碳体全部转变为粒状，消除了珠 光体的层片组织，使钢的韧性升高，硬 度降低，切削加工性能升高。 若原始组织中存在网状渗碳体，在进 行球化退火前，则须先用正火来消除渗 碳体网。
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
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。
1 什么是热处理
热处理是将固态金属材料加热到 预定温度，并保温一定时间之后，以 需要的冷却速度冷却下来的一种热加 工工艺方法。 热处理不能改变零件的形状和尺 寸，但能改变材料的内部组织，从而 改善材料使用性能和加工性能。
热处理工艺曲线
2 热处理分类
整 体 热处理
退火 正火 淬火 回火
表面淬火
热 处 理
过共析钢炉冷组织
过共析钢空冷组织
2 完全退火
将亚共析钢加热到Ac3以上30～ 50℃进行完全奥氏体化，保温后停 止加热，在关闭炉门的情况下随炉缓 冷，使过冷奥氏体发生珠光体转变的 热处理工艺，称为完全退火。
完全退火原子扩散充分，使零件 成分均匀、内应力基本消除，由于重 新结晶而使晶粒细化。 它主要用于亚共析钢的铸件、锻 件、焊坯件、轧材等的预备热处理， 可以细化晶粒，消除过热组织，充分 消除内应力、降低硬度和改善切削加 工性能。
共析钢等温冷却转变曲线
四条线： 过冷A转变开始线； 过冷A转变终了线； Ms线（230°）：M 转变开始线； Mf线（-50°）：M 转变终了线； 四个区： 奥氏体稳定区； 过冷奥氏体区； 来自百度文库变产物区； 转变区。
过冷奥氏体转变有过冷度和孕育期二个 条件。在任一过冷度下，过冷奥氏体需要经 过一段时间才开始转变，这段时间就是孕育 期。 在550℃以上时，过冷度小孕育期较长； 低于550℃时，原子扩散能力降低孕育期变 长。在550℃发生转变孕育期最短。
共析钢等温冷却转变曲线
3 过冷奥氏体等温冷却转变过程及转变产物
当过冷奥氏体在较高温度等温 时，由于铁原子和碳原子都能发生 扩散，得到平衡组织珠光体或先析 出相+珠光体。 当过冷奥氏体在较低温度等温 时，随着铁原子和碳原子扩散能力 下降，使奥氏体转变成非平衡组织 贝氏体或马氏体。 根据转变温度及产物的不同， 分为三种类型。
3.2.1 正火和退火
1 正火
将钢加热到至完全奥 氏体化温度，保温一定时 间，然后从炉中取出，使 其在空气中冷却的热处理 工艺，称为正火。
亚共析钢Ac3 以上30～50℃ 过共析钢Accm以上30～50℃ 碳钢的各种退火和正火工艺规范 钢奥氏体化后，空冷比炉冷冷却速度快，具有较大的过冷度，过冷 奥氏体转变为索氏体组织。 亚共析钢空冷后的组织为铁素体+索氏体；共析钢空冷后的为索氏 体；过共析钢空冷时，二次渗碳体来不及充分析出，空冷后的组织也为 索氏体，也就是说空冷能消除过共析钢缓冷时生成的网状渗碳体。
简称C曲线。
共析钢等温转变曲线
横坐标表示时间，纵坐标表示等温温度
C曲线分为三个区域： ①A1～550℃温度范围内为 珠光体转变区，钢在此温度区间 保温时，如时间穿过转变开始线 和转变终了线，过冷奥氏体将转 变为珠光体； ②550℃～Ms线之间为贝氏 体转变区域，钢在此温度区间保 温，如保温时间穿过转变开始和 转变终了线，过冷奥氏体将转变 为贝氏体组织； ③Ms以下为马氏体转变区 域，过冷奥氏体冷却过程中通过 该区域，将转变为马氏体组织。
正火的冷却速度比退火快，索 氏体组织细小，强度和硬度比退火高。 正火生产周期比退火大大缩短，见C 曲线，生产成本比退火低。 正火的用途： ①对亚共析钢的铸件或锻件， 用空冷来代替炉冷，可细化晶粒，消 除部分铸造或锻造缺陷，又可节约冷 却时间、降低生产成本； ②对低碳钢正火可提高零件硬 度，改善切削加工性能； ③对过共析钢零件正火可消除 网状二次渗碳体； ④对力学性能要求不高的零件， 可在正火后使用。
650～750 650～750
2 ～3
12～14
10～12
60～66
16～24
96～112
问题1 在不同冷却过程后，45钢的性能为什么会有如此大的差异？ 问题2 能不能利用这样的加热冷却过程来提高材料的性能？ 问题3 表中淬火+回火后，组织中出现了Fe－Fe3C相图中没有出现过的 新组织---回火马氏体和回火索氏体，这又是怎么回事呢？
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
碳钢的等温冷却转变曲线
4 连续冷却转变曲线 （CCT曲线）
CCT曲线上，在温度较高时 过冷奥氏体转变为珠光体。
在转变开始线上开始发生由 A→P的转变，在转变终了线上完 全转变为珠光体。
在转变开始线和转变终了线 的下端，存在着转变中止线。如 过冷奥氏体以v2的速度冷却，转 变中止线上时只部分转变为珠光 体，剩余的过冷奥氏体在低温下 发生马氏体转变，室温下得到 P+M+A′的混合组织。 在CCT曲线上没有贝氏体转 变区。 共析钢的CCT曲线
奥氏体不同冷却方式示意图
2 过冷奥氏体的等温冷却转变曲线
等温冷却转变曲线描述了 过冷奥氏体在不同等温温度下会 转变为哪种产物，并揭示了转变 数量及转变时间的关系。 A1线之上钢具有稳定的奥氏 体组织，A1线之下开始转变线之 左为过冷奥氏体区，转变终了线 之右为转变产物区。 在230℃之上，C曲线由两 条线组成，左边的一条线表示过 冷奥氏体转变为其它组织的转变 开始线，右边的一条线表示过冷 奥氏体完全转变为其它组织的转 变终了线。两条线之间是正在转 变的时间区域。
共析钢等温冷却转变曲线
〖例1〗根据共析钢的C曲线，将 共析钢奥氏体化后，如果分别快速冷 却到630℃、570℃、450℃、300℃， 然后在该温度下长时间保温，将得到 哪种组织？ 解：共析钢奥氏体化后，快速冷 却到630℃长时间保温后，将得到索氏 体组织；快速冷却到570℃长时间保温 后，将得到屈氏体组织；快速冷却到 450℃长时间保温后，将得到上贝氏体 组织；快速冷却到300℃长时间保温后， 将得到下贝氏体组织。 〖例2〗将共析钢奥氏体化后， ①如要获得下贝氏体组织，应该 选择怎样的冷却方式？并说明原因。 ②如要获得全部马氏体组织，应 该选择怎样的冷却方式？并说明原因。 解：见课本
3.2 钢的整体热处理
通过对零件整体进行加热、保温和冷却的工艺过程来改变零件组 织和性能的热处理工艺，称为整体热处理。钢的整体热处理主要包括 退火、正火、淬火和回火。它们通常均是先奥氏体化，再通过不同的 冷却方式进行冷却，使过冷奥氏体发生转变，从而获得具有不同的组 织和性能的材料。
整 体 热 处 理 的 分 类
退火 （随炉冷却）
正火 （空气冷却） 淬火（水冷） 低温回火 淬火（水冷） 高温回火
Rm/MPa
600～700
700～800
Rel/ MPa
300～350
350～400
A/%
15～20
15～20
Z/%
40～50
45～55
aK/J/cm2
32～48
40～64
回火马氏体
回火索氏体
1500～1800 1360～1600
碳钢实际相变温度
2 钢加热时奥氏体的转变过程
以共析钢为例，来分析奥氏体转变的过程。 A形核 A长大 残余Fe3C溶 解 A成分均匀化
A形核
A长大
残余Fe3C溶解
A均匀化
共析钢奥氏体化过程
3 加热及保温工艺与奥氏体晶粒大小
钢加热及保温工艺包括：加热速度、加热温度及保温时 间，它们决定了合金冷却前的初始组织。
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。
铁碳相图
3.1.2 钢在冷却时的组织转变
1 过冷奥氏体的不同冷却方式
钢在实际热处理时，常采用 两种冷却方式：
等温冷却方式;
连续冷却方式。
等温冷却方式是将钢快速冷 却到所需的温度，在该温度下保 温，使过冷奥氏体在恒温下发生 组织转变。 连续冷却方式是将钢以某一 冷却速度不停顿地冷却，使奥氏 体在连续降温过程中发生组织转 变。
第3章 钢的热处理
3.1 钢的热处理原理 3.2 钢的整体热处理 3.3 化学热处理 3.4 热处理设备、技术条件及 其工序位置 3.5 其它热处理及表面处理
《机械工程材料》（赵亚忠） 西安电子科技大学出版社
引例
45钢奥氏体化后经不同方式冷却后的组织和性能
组织
铁素体+珠光体
铁素体+珠光体
热处理工艺