第九章 钢的热处理原理汇总
热处理工艺基本知识
9.2.5 钢的淬透性
1. 淬透性的概念
淬透层深度
当试样尺寸较大时, 从表面向内冷却速度逐渐减小, 当冷却速度低 于Vc, 就不能得到全部马氏体, 随着深度的加深, 马氏体的数量愈 来愈少, 到达一定的深度后, 冷却速度低于Vc’, 根本不能发生马 氏体相变。所以大尺寸试样想全部得到马氏体是不可能的, 随着 马氏体数量的减少, 对应的硬度也不断下降, 通常把淬火钢从表面 到马氏体组织占50％处的距离成为淬透层深度。实际淬透层的深 度除了与材料本身有关外, 还与试样的大小、冷却方式有密切的 关系。
9.2.2 淬火冷却介质
理想的淬火冷却速度 为保证得到多 的马氏体, 冷却速度应该大于临界冷 却速度Vc；为防止零件变形、开裂, 冷却应慢一些。所以理想的冷却速 度如图, 开始冷却慢一些, 在快要发 生组织转变时快冷, 以躲开鼻子尖, 随后又慢冷让马氏体转变慢慢的进
常行用。 淬火介质
盐水、碱水 10－15％的NaCl水溶液是最强的冷却介质。 清水 直接冷却和沸腾的蒸汽冷却, 冷却能力也很强。 碱浴、硝盐浴 熔融的氢氧化钠、硝酸盐、亚硝酸盐导热能力很强, 在
3. 却分,级躲淬开火鼻子淬温入度15,0估－计26温0℃度硝低盐于浴中躲过了鼻尖, 停留一 5段00时℃间时让立表即面转和入心油部中温, 放度慢均冷匀却, 热应力松弛。取出空冷。 速度继续冷却到室温。
4. 等温淬火 直接淬入硝盐浴中保温, 发生贝氏体转变。 5. 局部淬火 局部加热法或局部冷却法 6. 冷处理 冷却到室温以下的过程称为“冷处理”。
第九章 钢的热处理工艺
钢的退火和正火 钢的淬火和回火 其它热处理
9.1 钢的退火与正火
9.1.1 退火操作及其应用
退火: 将组织偏离平 衡状态的钢加热到适 当的温度，保温一定 时间，然后缓慢冷却 (例如随炉冷却)，以 获得接近平衡状态组 织的热处理工艺叫做 “退火”。
第九章钢的热处理原理
第九章钢的热处理原理第九章钢的热处理原理(一)填空题1 起始晶粒度的大小决定于及。
2 在钢的各种组织中，马氏体的比容，而且随着w(C)的增加而。
3．热处理后零件的力学性能决定于奥氏体在不同过冷度下的及其。
4．板条状马氏体具有高的及一定的与。
它的强度与奥氏体有关，越细则强度越高。
5. 淬火钢低温回火后的组织是和；中温回火后的组织是，一般用于高的结构件；高温回火后的组织是，用于要求足够高的及高的的零件。
6．钢在加热时，只有珠光体中出现了和时，才有了转变成奥氏体的条件，奥氏体晶核才能形成。
7．马氏体的三个强化包括强化、强化、强化。
8．第二类回火脆性主要产生于含、、等合金元素的钢中，其产生的原因是钢中晶粒边界的增加的结果，这种脆性可用冷来防止，此外在钢中加入和Mo及热处理等方法也能防止回火脆性。
9．共析钢加热至稍高于727℃时将发生的转变，其形成过程包括、、等几个步骤。
10 根据共析钢转变产物的不同，可将C曲线分为、、三个转变区。
11 根据共析钢相变过程中原子的扩散情况，珠光体转变属于转变，贝氏体转变属于转变，马氏体转变属于转变。
12．马氏体按其组织形态主要分为和两种。
13．马氏体按其亚结构主要分为和两种。
14．贝氏体按其形成温度和组织形态，主要分为和两种。
15．珠光体按其组织形态可分为珠光体和珠光体；按片间距的大小又可分为体、体和体。
16 描述过冷奥氏体在A1点以下相转变产物规律的曲线有和两种；对比这两种曲线可看出，前者指示的转变温度比后者，转变所需的时间前者比后者，临界冷却速度前者比后者。
17 当钢发生奥氏体向马氏体组织的转变时，原奥氏体中w(c)越高，则Ms点越，转变后的残余奥氏体量越。
18 钢的淬透性越高，则临界冷却速度越；其C曲线的位置越。
（二)判断题1．相变时新相的晶核之所以易在母相的晶界上首先形成，是因为晶界处能量高。
（）2．随奥氏体中W (C)的增高，马氏体转变后，其中片状马氏体减少，板条状马氏体增多。
第9-10章钢的热处理原理及工艺
组织形态图 返回
a
图5.19 上贝氏体与下贝氏体的光学金相组织
b
(a)上贝氏体（1000×）；(b)下贝氏体(500 ×)
a 图5.20 上贝氏体与下贝氏体的电子显组织
b
(a)上贝氏体（5000×）；(b)下贝氏体(10000 ×)
掌握影响C曲线的因素 返回
表面热处理、化学热处理、形变热处理等。
1、奥氏体的形成过程
返回
一、钢的临界温度
在缓慢加热和冷却 时，其固态转变 的临界温度是由 相图决定。
二、加热时组织转 变
A
AC3 A3
E ACcm
是从室温组织转变 为A组织的过程，
Ar3
故也称为奥氏体
化（A化）。
（详述）
P
Acm Arcm
A化一般包括四个连
续转变过程： F
3、残余Cm的不断溶入A，直至Cm全部消失； 4、A中含碳量逐渐均匀化。 二、亚共析钢、过共析钢的A化：
以及先共析F或二次Cm继续向A转变或溶解的过程，只有 加热温度超过A3或Acm后，才能全部转变或溶入A。
3、A晶粒大小及其影响因素 返回
一、奥氏体晶粒度（了解） A形成所需的时间较短，A成分均匀化所需的时间 二、较要影发长响生。A变A晶形化粒成，长后需大，要的在区因继素别续三加种热有过关程A晶中粒A晶度粒的大概小念：
热处理是一种与铸、锻、焊等加工过程密切相关的工艺，为了 能够消除或改善上述过程中出现的某些组织结构缺陷需要进 行一定的热处理。
热处理的目的：改善工件的使用性能及工艺性能，并能充分挖 掘材料的潜力，从而提高工件的寿命和力学性能，为缩小工 件尺寸、减轻重量提供可能性。
金属学与热处理第九章钢的热处理原理
•含碳量 •合金元素
(二)奥氏体状态的影响
加热速度越快, 保温时间越短,奥氏体晶粒越小, 成分越不均匀, 未溶的
第二相越多, 则等温转变速度越快, C-曲线左移.
(三)应力和塑性变形的影响
三种典型的转变
•珠光体 (P) 转变: •马氏体 (M) 转变: •贝氏体 (B) 转变:
三.奥氏体晶粒大小及其影响因素 奥氏体对冷却后的钢的组织和性能影响很大.
(一)奥氏体晶粒度 表示方法: 单位面积内晶粒的数目或每个晶粒的平均面积(直径)描述.
三个概念: •起始晶粒度 •本质晶粒度 •实际晶粒度
(二) 影响奥氏体晶粒大小的因素 奥氏体晶粒长大, 晶界的迁移, 本质是原子在晶界的扩散. 1. 加热温度和保温时间 2.加热速度的影响
过冷奥氏体的连续冷却转变曲线 (共析钢) : CCT图
钢种:共析钢 虚线: TTT曲线 实线: CCT曲线
CCT曲线: 过冷奥氏体转变开始线 过冷奥氏体转变终了线 过冷奥氏体转变终止线 Vc’和Vc是不同产物的分界线. Vc: 上临界冷却速度或临界淬火速度. Vc’: 下临界冷却速度.
连续冷却转变过程====无数个温差很小的等温转变过程
二. 影响奥氏体形成速度的因素
(一) 加热温度和保温时间 • 孕育期:
加热速度越快(V2), 孕育期越短,奥氏体开始转变
的温度和转变终了的温度越高.
(二) 原始组织的影响
(三) 化学成分的影响
1.碳 碳含量的提高
2. 合金元素
奥氏体形成速度加快.
•影响碳在奥氏体中的扩散速度. •改变钢的临界点和碳在奥氏体中的溶解度. •合金元素的均匀化.
有F析出区和 B转变区.
数字的意义:例如: 以V2速度冷却
钢的热处理原理
钢的热处理原理
钢的热处理是通过改变钢材的组织和性能来达到所需的机械性能和使用性能的目的。
钢的热处理原理主要涉及钢材的加热、保温、冷却等过程。
首先，钢材需要被加热到一定的温度。
加热过程中，钢材的晶粒会逐渐长大，同时在晶界上也会出现一些微小的结构变化。
这个温度是根据钢材材质和所需性能来确定的。
接下来，钢材需要保温一段时间。
保温时间通常是根据钢材的厚度和加热温度来确定的。
保温时间越长，晶粒长大得越好，但过长的保温时间可能会导致晶粒长大过大，从而影响钢材的性能。
最后，钢材需要快速冷却。
冷却速度的选择取决于钢材的成分和所需性能。
快速冷却可以产生较细的晶粒，从而提高钢材的强度和韧性。
常用的冷却方式包括水冷、油冷和空冷等。
钢的热处理原理基于钢材的金相组织变化规律。
通过调整钢材的加热、保温和冷却过程，可以改变钢材的晶粒尺寸、相对总面积和晶粒形态等结构特征，从而改变钢材的性能。
不同的热处理方法可以使钢材具有不同的组织和性能，例如，调质可以提高钢材的强度和韧性，而退火可以改善钢材的加工性能和韧性。
钢的热处理原理
3、剩余Fe3C的溶解： 保温时间延长，剩余渗碳体不断溶解。
4、奥氏体的均匀化，其中C浓度的均匀化
完全奥氏体化和不完全奥氏体化
亚共析钢和过共析钢
钢加热时的组织转变
二、影响奥氏体化的因素
1、转变温度
有何影响，为什么？
·T越高，△G越大，转变推动力大 ·T越高，原子扩散快，Fe的晶格重组和C的均匀化越快
钢的热处理原理简介
第一章
→
钢的热处理原理
钢的热处理：把钢在固态下加热到预定的温度，保温预定的时间，然后以预
定的方式冷却下来。通过这一过程使钢的性能发生预期变化。
（为了达到这一预期的变化，任何一个热处理过程都有严格的工艺制度）（就图解释）
保温
热处理工艺曲线
时间
第一章
钢的热处理原理
工艺性能和使用性能
合金钢的奥氏体均匀化时间比C钢长得多。
影响奥氏体化的因素
４、原始组织的影响：相界形核，组织决定相界
面的多少 原始组织为淬火状态最快，正火态次之，球化退 火态最慢
→淬火态钢在Ａ１点以下升温时形成微细粒状珠光体（回火索 氏体或回火屈氏体），组织最弥散，相界最多，最有利于奥 氏体的形核长大。 →正火态：细片状珠光体，其相界面积也大，转变也快。 →球化退火状态的粗粒状珠光体，相界面积最小，奥氏体化最 慢。（何为粒状珠光体？）
T,℃
Fe-C相图
G P S
Ac1 A1 Ar1
C, wt.%
加热或冷却速度对临界温度的影响
钢加热时的组织转变
一、奥氏体的形成过程（以共析钢为例）
1、形核：γ相界面形核（C浓度不均匀，原子排列不规 则，浓度和结构条件）珠光体结构，相组成？
2、长大：α→γ 转变，Fe3C不断溶入γ。α→γ 快，首先完成。α消失，可认为P向γ转化 完成，但仍有部分Fe3C未溶解。
第九章钢热处理原理
当碳含量超过一定限度以后，钢中出现二次渗碳体，随着含碳量 的↑，二次渗碳体数量↑，且分布在A晶界上，可以阻碍A晶界的移动， 反而使A晶粒长大倾向↓。 合金元素 Ti、Zr、V、Al、Nb 等强烈地阻碍A晶粒长大； W、Mo、Cr 等一般阻止晶粒长大； Si、Ni、Cu 等不形成化合物，对奥氏体晶粒长大的影响不明显； Mn、P、N、C 等促进晶粒长大。 如加热温度高到使碳化物及其它化合物能溶入到奥氏体中时，阻碍 晶粒长大的作用将会消失，晶粒便迅速长大。 ④原始组织 原始组织越细，碳化物分散度越大，所得到的奥氏体起始晶粒越细 小，晶粒长大倾向越大。
2013-7-29 17
4. 奥氏体的晶粒大小及其影响因素 A形成后继续加热或保温，晶粒将长大，在热力学上是一种自发趋势。 加热时形成的A晶粒大小，对钢的冷却转变及转变产物的组织和性能都有 重要的影响。 （1）晶粒大小的表示方法 用直接测量的晶粒平均面积或直径，也可用单位体积或单位面 积内含有的晶粒个数来表示。 实际生产中常用晶粒度级别G 表示，其与晶粒尺寸的关系为： N = 2G-1 G：晶粒度级别， N：100倍时每平方英寸（645.16mm2）面积内的晶粒个数。
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（3）影响奥氏体晶粒大小的因素
高温下A晶粒长大，引起系统的自由能降低，是自发过程。 A晶粒长大是晶界迁移的过程，其实质是原子在晶界附近的扩 散。一切影响原子扩散迁移的因素都能影响A晶粒大小。为控制A 晶粒长大，必须从控制影响A晶粒长大的因素着手。 ①加热温度和保温时间 加热温度越高，晶粒长大速率越快，最终晶粒尺寸越大。 ②加热速度 加热速度越快，A的实际形成温度越高，则A的形核率越高， 起始晶粒越细 。 ③化学成分 碳量在一定范围内，随含碳量的↑，碳在钢中的扩散速度以及铁 的自扩散速度均↑， A晶粒长大的倾向↑。
金属学与热处理第九章
影响奥氏体形成速度的因素
（三）化学成分的影响
2.合金元素 合金元素主要从以下几个方面影响奥氏体的形成速 度。首先，合金元素影响碳在奥氏体中的扩散速度。非 碳化物形成元素Co和Ni能提高碳在奥氏体中的扩散速度， 故加快了奥氏体的形成速度。Si、Al、Mn等元素对碳在 奥氏体中扩散能力影响不大。而Cr、Mo、W、V等碳化物 形成元素显著降低碳在奥氏体中的扩散速度，故大大减 慢奥氏体的形成速度。
图9-6 共析钢奥氏体等温形成图
影响奥氏体形成速度的因素
（二）原始组织的影响
钢的原始组织为片状
珠光体时，铁素体和渗碳
体组织越细，它们的相界
面越多，则形成奥氏体的
晶核越多，晶核长大速度
越快，因此可加速奥氏体
的形成过程。如共析钢的
原始组织为淬火马氏体、
正火索氏体等非平衡组织
时，则等温奥氏体化曲线
如图9-7所示。
γ转变为新相时要产生体积变化，或者由于新、旧两 相相界面不匹配而引起弹性畸变。故新相必然受到母 相的约束，不能自由胀缩而产生应变。因此导致弹性 应变能的额外增加。而液态金属结晶时能量的增加仅 仅只有表面能一项。
固态相变的特点
（二）新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位 向关系
液态金属在已存在固相质点上形成非自发晶核 时，新固相与现存固相质点之间必须符合结构和大 小相适应原理，才能降低形核功，促进非自发晶核 的形成。
共析钢奥氏体的形成过程
（三）剩余渗碳体的溶解
铁素体消失后，在t1温度下继续保温或继续加 热时，随着碳在奥氏体中继续扩散，剩余渗碳体不 断向奥氏体中溶解。
共析钢奥氏体的形成过程
（四）奥氏体成分均匀化
当渗碳体刚刚全部溶入奥氏体后，奥氏体内碳 浓度仍是不均匀的，原来是渗碳体的地方碳浓度较 高，而原来是铁素体的地方碳浓度较低，只有经长 时间的保温或继续加热，让碳原子进行充分地扩散 才能获得成分均匀的奥氏体。
钢的热处理原理
第九章钢的热处理原理内容提要：热处理是改善金属材料的使用性能和加工性能的一种非常重要的工艺方法。
在机械工业中，绝大部分重要的机件都必须经过热处理。
热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的一种工艺。
根据热处理后所要求的性能的不同，热处理的类型有多种多样，但所有的热处理工艺都包括加热、保温和冷却三个阶段。
根据热处理时加热和冷却的规范及组织性能变化的特点，热处理可分为普通热处理、表面热处理、化学热处理、可控气氛热处理、真空热处理和变形热处理等。
基本要求：（1）掌握钢在加热和冷却时的转变——奥氏体、珠光体、马氏体、贝氏体转变的特点、三种组织形态及性能及影响因素。
（2）掌握淬火钢回火的组织转变过程和与之相对应的基本组织；掌握并区分相似名称的各种显微组织(如淬火马氏体和回火马氏体；奥氏体、过冷奥氏体和残余奥氏体；索氏体和回火索氏体；屈氏体和回火屈氏体。
第一节概述1 热处理的作用热处理是改善金属材料的使用性能和加工性能的一种非常重要的工艺方法。
在机械工业中，绝大部分重要的机件都必须经过热处理。
热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的一种工艺。
1 热处理与相图金属材料的特点之一是可以用热处理方法较大幅度地调整与改变其性能，这是由于金属材料在加热与冷却过程中内部组织结构发生了各种类型的变化的缘故。
为了使钢件在热处理后获得所需要的性能，大多数热处理工艺（如淬火、正火和普通退火等）都要将钢件加热到高于临界点温度，以获得全部或部分奥氏体组织并使之均匀化，这个过程称为奥氏体化。
然后通过不同的冷却制度，使奥氏体转变为不同的组织（包括平衡组织与不平衡组织），从而获得所需的性能。
亚共析钢、过共析钢的奥氏体形成，以及先共析铁素体或二次渗碳体继续向奥氏体转变或溶解的过程，只有加热温度超过A3（亚共析钢）或A cm（过共析钢）后，才能全部转变或溶入奥氏体。
钢的热处理原理
三、钢的珠光体转变
（A1 ～550℃）
• 1 珠光体的组织形态 片状珠光体与球(粒)状珠光体
a）片状珠光体
b）球状珠光体
(1)
片状珠光体
• A1～650℃ 粗珠光体P S0=0.6 -1.0μm • 650～600℃ 索氏体S S0=0.25-0.3μm • 600～550℃ 屈氏体T S0=0.1 -0.15μm 转变温度↓（即过冷度△T↑）， 片层间矩（S0）↓。 P片层间距↓，相界面↑，塑性变形抗 力↑，故强度和硬度↑。塑性、韧性↑。
• 临界点温度
• 1．平衡临界点：A1、A3、Acm • 2． 加热临界点：A c1、Ac3、Accm
• 3． 冷却临界点：Ar1、Ar3、Arcm
三、固态相变的特点
（一）相变阻力大
新旧两相比体积不同 相界面不匹配引起的弹性畸变 扩散速度慢
（二）新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系
（三）母相晶体缺陷对相变起促进作用 （四）易于出现过渡相
• 测定方法: • ① • ② • ③ 制成许多小试样（Φ10×1.5）； 加热到Ac1以上A化； 取出投到Ar1以下某一温度等温；
• ④
• ⑤
每隔一定时间取出一个试样淬火；
在金相显微镜下进行金相分析；
• ⑥ 观察组织，凡在等温时未转变的A水冷后变成马氏体 和残余A，在组织中呈白亮色，而等温转变产物在水冷后 被原样保留下来。以转变产物量为1%，作为转变开始， 转变产物量为99%时作为转变终了。
共析钢中奥氏体形成示意图
上一级
5 亚共析钢、过共析钢的奥氏体化过程
亚共析钢：F + P → F + A → A
过共析钢： Fe3C + P → Fe3C + A → A
9材料科学与工程专业《金属热处理原理及工艺》课件-第九章__退火与正火
正火→球化退火→淬火→低温回火
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金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT
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正火与退火的常见缺陷
1、硬度偏高 2、网状组织 3、脱碳 4、退火石墨碳
金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT
40钢正火组织
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四、正火与退火的正确选用
改善切削加工性
改善冷变形性能 球化退火和再结晶退火
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改善组织缺陷并为淬火作组织准备
亚共析钢：完全退火或正火 过共析钢：正火＋球化退火 去应力、均匀成分等主要用退火 不重要件最终热处理主要用正火 问题：用T10（1％C）钢制造手工锯条，请给出热处理工 艺路线，及各处理工序后的组织。
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分类：完全退火、球化退火、去应力退火、
扩散退火等。
金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT
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1. 扩散退火 目的：改善和消除在冶金过程中形成的成分不均匀性 规范：在较高的加热温度下长时间保温，然后缓慢冷却到室温 Ac3或Accm以上150～300℃，长时间保温（10h以上） 应用：脱氢退火 （在高温下使有害气体脱溶析出） 均匀化退火 （改善铸造偏析、轧制偏析）
特点：加热温度范围广； 慢冷 得到珠光体类组织 目的：降低硬度，便于切削加工 消除内应力或冷作硬化 改善组织（铸、锻、焊时 的缺陷）； 细化晶粒为最终热处理做 组织准备
第九章_钢的热处理原理
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共一百四十三页
（二）组织遗传的成因 粗大的奥氏体晶粒在转变为马氏体时，新旧相间保持严格
的位向关系。当将所形成的马氏体再以适当的速度重新加热 时，马氏体在逆向转变初期，晶界上以针状奥氏体形核、长 大，这些针状奥氏体与马氏体具有严格的晶体学位向关系，
（三）剩余(shèngyú)渗碳体的溶解
铁素体消失后，仍有未溶解渗碳体存在。继续保温或继续加 热时，未溶渗碳体不断向奥氏体中溶解，直至全部消失。
（四）奥氏体成分均匀化
当渗碳体刚刚全部溶解完时，原渗碳体存在的地方含碳量比原 铁素体存在的地方含碳量要高，所以需要继续延长保温时间或继 续加热，让碳原子充分扩散，才能获得成分均匀的奥氏体。
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（三）母相晶体缺陷对相变起促进作用
固态相变时，新相晶核往往优先在母相中的各种晶体 缺陷处（如晶界、相界、位错、空位等）形成。 （四）易于出现过渡相
过渡相是一种(yī zhǒnɡ)亚稳定相，其成分和结构介于新相和 母相之间，是为了克服相变阻力而形成的一种(yī zhǒnɡ)协调性 中间转变产物。
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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 显微组织或化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特 点是改善工件的内在质量，而这一般是肉眼所不能看到的。
钢是机械工业中应用最广的材料，钢的显微组织复杂， 可以通过热处理予以控制，所以钢的热处理是金属热处 理的主要内容。另外(lìnɡ wài)，铝、铜、镁、钛等及其合金 也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以 获得不同的使用性能。
第九章_钢的淬火和回火
热处理原理及工艺
9- 38
（三）渗碳体形成和铁素体恢复
约在300-400℃之间，α固溶体中过饱和 的碳逐渐析出，ε-碳化物转变为稳定的较小 的Fe3C颗粒，α固溶体中的含碳量几乎达到 平衡成分，故马氏体变成铁素体（c/a≈1）， 体心正方晶格变成体心立方晶格。
此时组织为： “铁素体与弥散在其中的细粒状渗碳体的混合 物”, 称为 “回火托氏体”，T回。
热处理原理及工艺
d 等温淬火法
9- 33
5、局部淬火法 有些零件只需要局部硬度高、耐磨性好， 因此可进行局部淬火，以避免其它部位产生 变形或开裂。
局部淬火法包括：①局部加热淬火法
②局部冷却淬火法 喷射淬火——向工件喷射急速水流的淬火方法。
热处理原理及工艺
9- 34
6、 冷处理
——将淬火至室温的工件继续冷却到零下温度的处理(实际上 是淬火过程的继续)称为冷处理。 高碳钢、合金钢的Mf都在零下几十度， 为了减少残余奥氏体的数量，可在淬火后进 行冷处理，即加热零件淬火至室温后，再放 入低温槽中继续冷却，使残余奥氏体转变为 马氏体。 冷处理介质：干冰（-80℃）、 液化乙烯（-107℃）、液氮（-192℃） 冷处理的目的：稳定尺寸，提高硬度。
热处理原理及工艺
9- 23
4.淬火工艺
1 淬火加热温度 ⑴ 亚共析钢 淬火温度：Ac3+30~50℃。 T过低——有F，↓HRC
T过高——氧化脱碳，晶粒 粗大，淬火应力大
热处理原理及工艺
9- 24
（2）共析、过共析钢 淬火温度：Ac1+30~50℃。 T过低——得不到M
T过高——晶粒粗大，残 余A量↑，HRC↓
此时组织为： 过饱和程度稍低的马氏体和极细小的ε-碳化物组成 的混合组织，称为“回火马氏体组织”，M回。 ε-碳化物：是一非平衡相，使向Fe3C转变的过渡相。
钢的热处理原理和工艺
钢的热处理原理和工艺1. 引言热处理是指通过加热和冷却等一系列控制过程，对金属材料进行组织和性能的变化，达到改善材料性能的目的。
钢的热处理是一种常见的金属热处理方法，具有广泛的应用领域。
本文将介绍钢的热处理原理和常用的热处理工艺。
2. 钢的热处理原理钢的热处理是指通过加热和冷却等工艺手段，改变钢的组织结构和性能。
钢的热处理原理基于钢的相变规律和材料的热力学性质。
2.1 钢的相变规律钢在加热过程中会发生相变，包括固相组织的相变和奥氏体的相变。
固相组织的相变主要包括铁素体相变和铁碳体相变。
奥氏体的相变主要包括奥氏体的析出和奥氏体的变质。
•铁素体相变：在约720℃以下，将奥氏体加热到过共饱和温度800℃以上，冷却后会发生铁素体相变，即奥氏体转变为铁素体。
•铁碳体相变：在约720℃以下，将铁素体加热到过共饱和温度800℃以上，冷却后会发生铁碳体相变，即铁素体转变为奥氏体。
•奥氏体析出：在约720℃以上，奥氏体中的碳溶解度增加，冷却过程中会发生奥氏体析出。
•奥氏体变质：在较低温度下，奥氏体中的碳溶解度减小，会发生奥氏体的变质。
2.2 热力学性质钢材的热力学性质主要包括材料的固相平衡线和相似线。
固相平衡线是指材料在一定条件下的相变温度和温度范围，影响钢材在热处理过程中的相组织变化。
相似线是指材料在加热和冷却过程中的相变特征线，对控制材料的相变过程具有重要意义。
3. 常用的热处理工艺钢的热处理包括多种工艺，常用的热处理工艺有退火、正火、淬火、回火等。
3.1 退火退火是指将钢材加热到一定温度，保温一段时间后缓慢冷却的过程。
退火的目的是消除应力，改善钢材的塑性和韧性。
退火方式包括全退火、球化退火、等温退火等。
3.2 正火正火是指将钢材加热到显微组织转变温度区间的一个温度段，保温一段时间后冷却到室温。
正火的目的是调整钢材的组织和硬度，提高钢材的抗拉强度和硬度。
3.3 淬火淬火是指将钢材加热到显微组织转变温度区间的一个温度段，保温一段时间后迅速冷却，使钢材的组织转变为奥氏体。
钢的热处理原理及工艺
钢的热处理原理及工艺钢热处理是指通过加热和冷却工艺来改变钢的组织结构和性能的方法。
钢的热处理可以使钢的硬度、强度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性等性能得到提高，从而满足不同工程需求。
下面将详细介绍钢的热处理原理及工艺。
1. 钢的热处理原理钢的热处理是基于钢的相变规律和固溶体的形成原理进行的。
钢的相变主要包括相变温度、相变点和相变组织的变化。
根据钢材的成分和热处理工艺的不同，钢的相变主要包括铁素体转变为奥氏体、奥氏体转变为马氏体、回火和淬火等。
2. 钢的热处理工艺（1）退火：退火是将钢加热到一定温度，然后缓慢冷却到室温的热处理方法。
退火可以消除钢内部的应力，恢复钢材的塑性和韧性，并改善钢的加工性能。
常见的退火工艺有全退火、球化退火和正火等。
（2）淬火：淬火是将钢加热到一定温度，然后迅速冷却的热处理方法。
淬火可以使钢的组织变为马氏体，从而提高钢的硬度和强度。
淬火的冷却介质可以选择水、油或空气等。
（3）回火：回火是将淬火后的钢再加热到一定温度，然后冷却的热处理方法。
回火可以消除淬火的残余应力，减轻和改变马氏体的形成，从而提高钢的韧性和耐脆性。
常见的回火温度通常在300-700之间。
（4）正火：正火是将钢加热到一定温度，然后在空气中冷却的热处理方法。
正火可以消除钢的残余应力，改善钢的韧性和塑性，并提高钢的强度。
正火的温度通常在700-900之间。
（5）调质：调质是将已经淬火或正火的钢加热到低于共析线或乳状奥氏体线的温度，然后冷却的热处理方法。
调质可以使钢的硬度和强度得到进一步提高，并保持一定的韧性和塑性。
（6）固溶处理：固溶处理是将含有合金元素的钢材加热到一定温度，使合金元素溶解在钢基体中，然后快速冷却的热处理方法。
固溶处理可以提高钢的硬度和强度，并改善钢的耐磨性和耐腐蚀性。
总之，钢的热处理通过控制钢材的加热和冷却过程，使钢的组织结构得到改善，从而达到提高钢的性能的目的。
钢的热处理工艺选择应根据钢材的组成、要求和使用条件等因素进行合理的确定。
钢的热处理原理
钢的热处理原理钢是一种重要的金属材料，广泛应用于机械制造、建筑工程、汽车制造等领域。
而钢的性能很大程度上取决于其热处理过程。
热处理是通过加热和冷却来改变钢的组织结构和性能的工艺过程。
下面将介绍钢的热处理原理。
首先，钢的热处理包括退火、正火、淬火和回火四个基本工艺。
退火是将钢加热到一定温度，然后缓慢冷却到室温，目的是消除残余应力和改善加工硬化组织。
正火是将钢加热到一定温度，然后在空气中冷却，以提高钢的硬度和强度。
淬火是将钢加热到临界温度以上，然后迅速冷却到介质中，以获得马氏体组织，提高钢的硬度。
回火是在淬火后，将钢加热到较低的温度，然后冷却，以降低硬度和提高韧性。
其次，钢的热处理原理是基于固溶、析出和相变的原理。
在加热过程中，钢中的合金元素和碳元素会溶解在钢基体中，形成固溶体。
在冷却过程中，这些元素会析出，形成新的组织结构。
同时，钢的相变也会发生，如奥氏体转变为马氏体，从而改变钢的硬度和强度。
另外，钢的热处理过程中需要控制加热温度、保温时间和冷却速度。
加热温度应该根据钢的成分和要求的性能来确定，一般应该高于临界温度。
保温时间则是保证合金元素和碳元素充分溶解和扩散的时间。
冷却速度则决定了钢的组织结构和性能，快速冷却可以得到马氏体组织，从而提高硬度。
最后，钢的热处理还需要考虑材料的预处理和后处理。
预处理包括去除表面氧化层、清洁和退火，以保证热处理的效果。
后处理则包括除去淬火和回火产生的残余应力、调质和表面处理，以提高钢的综合性能。
综上所述，钢的热处理原理是基于固溶、析出和相变的原理，通过控制加热温度、保温时间和冷却速度来改变钢的组织结构和性能。
热处理是钢材加工中不可或缺的一部分，对于提高钢的硬度、强度和韧性起着至关重要的作用。
因此，在实际生产中，需要根据具体要求合理选择热处理工艺，以确保钢材具有优良的性能。
9.钢的热处理原理
第九章 钢的热处理原理
三、固态相变的特点 (一)相变阻力大 固态相变时，系统总的自由能变化为： 式中，ω表示相变所引起的单位体积的应变能，ω与线 应变ε的平方及弹性模量E成正比，σ为表面能，ΔGV 单 位体积自由能差。 (二)新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系 固态相变时，为了减小新、旧两相之间的界面能，新相 与母相晶体之间往往存在一定的晶体学位向关系。 例如在一定温度下γ-Fe转变为α-Fe时，新相α和母相γ 就存在如下晶体学位向关系：{110}α∥{111}γ， <111>α∥<110>γ。
第九章 钢的热处理原理
为简明表示热处理 的基本工艺过程， 通常用温度—时间 坐标绘出热处理工 艺曲线。
热处理三大要素：加热温度、保温时间、冷却速度
第九章 钢的热处理原理
热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应 用。
• 在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。 • 在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-
第九章 钢的热处理原理
4、热处理分类 热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称热处 理原理。 热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质 等参数称热处理工艺。
(a)940淬火+220回火（板条M回+A‘少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板条M+条状F+A’少） (e)940淬火+780淬火+220回火（板条M回+条状F+A‘少）(f)780淬火+220回火（板条M回+块状F）
第九章 钢的热处理原理
表9-1实际加热和冷却时临界转变温度的符号及涵义
符号
Ac1 Ac3 Accm Ar1 Ar3 Arcm
第九章 钢的热处理原理 第3节 钢在冷却时的转变 第1讲
③Ｃ－曲线中的区：如图所示； Ａ区：Ａ１线以上； 过冷A区：Ａ１线以下、 Ms线以上和转变开始曲线 之间的区域； 正在转变区：转变开始曲线和转变终了曲线之间的 区域；根据转变温度和转变产物的不同，共析钢C 曲线由上至下分为三个区域： 转变终了区：转变终了曲线以右。
ءA1~550℃之间
4.1.2组织：
片状珠光体的金相形 态是铁素体和渗碳体 交替排列成层片状组 织。如图所示。（过 冷度越大，转变温度 越低，珠光体越细） 片间距：两相邻铁素 体或渗碳体之间的距 离。用以度量片状珠 光体的粗细。 根据片间距的大小可 把片状珠光体分为三 种：
① ء普通片状珠光体（Ｐ）：当等温温度在A1~650℃
时，形成的珠光体组织较粗，其片间距为0.6~1.0μm， 叫做珠光体，用P表示；在光学显微镜下极易分辨铁 素体和渗碳体层片状组织形态。
７００ ℃等温２５００×
② ء索氏体（Ｓ)：当等温温度在650℃~600℃时，形成
层片较细的珠光体组织，其片间距为0.25~0.3μm，叫 做索氏体，用S表示；只有在高倍光学显微镜下才能分 辨铁素体和渗碳体的片层形态。
图图991616奥氏体转变速度与过冷度的关系奥氏体转变速度与过冷度的关系转变速度3影响过冷奥氏体等温转变的因素凡是影响过冷奥氏体稳定性的因素都影响着奥氏体的等温转变速度也都影响着c曲线的形状
第三节 钢在冷却时的转变
1概述 实际生产中，奥氏 体只有通过冷却得到室 温组织才能获得一定的 使用性能。
钢的冷却有两种方式， 一种是等温冷却，一种 是连续冷却，见图９－ 1３所示。
一般珠光体的片间距越小，强度、硬度越高，塑性、 韧性越好。 原因： ① ء片间距越小，铁素体和渗碳体的相界面越多，对位 错运动的阻碍越大，即塑性变形抗力越大，因而硬度 和强度越高。 ② ء片间距越小，铁素体和渗碳体的片越薄，使塑性变 形的能力增大，此外，片间距较小时，珠光体中层片 状渗碳体不连续，铁素体未被隔离开，因而塑性好。 珠光体球团对性能的影响与片间距相似，珠光体球团 直径越小，单位体积内片层排列方向增多，局部应力 集中减小，既提高了强度、又改善了塑性；
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• 在A形成过程中 ,α比Fe3C先消失,因此奥氏体形
成之后,还残存未溶渗碳体。这部分未溶的残余 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。
上一级
4． A成分的均匀化
• 渗碳体完全溶解后。开始时奥氏体中碳浓度分 布不均匀 ,原先是渗碳体的地方碳浓度高,原先是 铁素体的地方碳浓度低。必须继续保温,通过碳 的扩散,使奥氏体成分均匀化。
• 3． 冷却临界点：Ar1、Ar3、Arcm
三、固态相变的特点
（一）相变阻力大 新旧两相比体积不同 相界面不匹配引起的弹性畸变 扩散速度慢
（二）新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系
（三）母相晶体缺陷对相变起促进作用 （四）易于出现过渡相
四、固态相变的类型
1、扩散型相变：相界面扩散移动、相界面非共格 珠光体、奥氏体
• 亚共析钢和过共析钢在加热时的转变过程与共 析钢略有不同。即在P向A转变完成后,还有未 转变的α和Fe 3 C。因此,只有分别继续加热到 Ac3 和 A ccm 后才能完全A化。
共析钢中奥氏体形成示意图
上一级
5 亚共析钢、过共析钢的奥氏体化过程
亚共析钢：F + P → F + A → A 过共析钢： Fe3C + P → Fe3C + A → A
①消除毛坯中缺陷，改善其工艺性能。
②显著提高钢的力学性能，充分发挥钢材 的潜力。
二、热处理与相图
热处理的条件
(1) 有固态相变→固态金属或合金在温度 或压力改变时组织结构发生变化
(2) 加热时溶解度显著变化的合金。
L
L+γ
L+β
γ
γ +β
α+γ
α+ β
α+L α
L
L+β
α+ β
为什么钢能热处理?
（3）本质晶粒度
指钢在特定的加热条件下，奥氏体晶 粒长大的倾向性，分为本质粗晶粒度和 本质细晶粒度。 测定方法：加热至930±10℃，保温8h，
若A晶粒1-4 级：本质粗晶粒度钢，
5-8 级：本质细晶粒度钢。
关于本质晶粒度概念的要点：
① 表征该钢种在通常的热处理条件下 A 晶粒 长大的趋势，不代表真实、实际晶粒大小；
第九章 钢的热处理原理
第一节 热处理概述
一、热处理的定义与作用
• 1.定义：热处理是指将钢在固态下以适当方式进
行加热，保温和冷却获得所需要的组织结构与性 能的工艺。
三个基本过程：加热、保温、冷却
2 热处理工艺曲线 四个重要参数： T
V加热、 T保温、 t保温、V冷却
T保温 t保温
V加热
V冷却
t
• 2.作用：
计算式： n = 2 N-1 N：晶粒度级别
n：1平方英寸（645.16mm2）视场中所包含的 平均晶粒数(100X)。
标准晶粒度级别图
奥氏体有三种不同概念的晶粒度 (1) 初始晶粒度：
奥氏体转变刚结束时的晶粒大小。 ——通常极细小 (2) 实际晶粒度： 具体加热条件下获得的奥氏体晶粒大小 ①与具体热处理工艺有关： 热处理温度↑，时间↑ ，晶粒长大 ②与晶粒是否容易长大有关 ——— 引入本质晶粒度概念
② 本质粗晶粒度钢实际晶粒度并非一定粗大， 本质细晶粒度钢实际晶粒度并非一定细小； 而与具体的热处理工艺有关。
③ 本质晶粒度主要与成分或冶炼条件有关
铁碳相图
① α→ γ 固态相变
A
H
δ
J
B
N T
L+γ
γ
E
﹄有相变重结晶
L
D② C溶解度显著变化
L +Fe3C F C
﹄可固溶强化
G
γ +Fe3C
热处理温度区间：
α+γ
PS
A1
α
K A1 ＜ T ＜ TNJEF
α+Fe3C
Q
Fe
→
C%
6.69
Fe3C
热处温度
• 1．平衡临界点：A1、A3、Acm • 2． 加热临界点：A c1、Ac3、Accm
并非所有晶胞均可溶碳，
• 1148℃ → 2.5个晶胞溶一个C原子。
② 性能：顺磁性；比容最小； 塑性好；线膨胀系数较大
2 奥氏体化中成分组织结构的变化
以共析钢为例
F + Fe3C → A (727 ℃)
成分(C%) 0.0218
6.69
0.77
结构 体心立方 复杂斜方 面心立方
说明奥氏体化中须经过两个过程： ① C 成分变化： C 的扩散 ② 铁晶格改组： Fe 扩散
位置越多,奥氏体转变就越快。
4.化学成分的影响
• 随着钢中含碳量增加,铁素体与渗碳体相界面总量增多,
有利于奥氏体的形成。
奥氏体晶粒长大是一个自发的过程。
四、 奥氏体晶粒度及影响因素
1 奥氏体晶粒度概念 奥氏体晶粒度表示奥氏体晶粒大小，工业 上一般分为8级。
1-4 级为粗晶，5-8 级细晶，8级以上超 细晶;
2、非扩散型相变（切变型相变）：滑移或孪生、相界面共格 马氏体
3、介于扩散与非扩散之间：有切变、有扩散 贝氏体
第二节 钢在加热时的转变
一 奥氏体形成的机理 1 奥氏体组织结构和性能
• ① 定义：C 及合金元素固溶于面心立方结构的 γ-Fe 中形成的固溶体。
•
C溶于γ相八面体间隙中，
•
R间隙 = 0.535 A ﹤ R c=0.77A →γ晶格畸变，
• 3.奥氏体形成的热力学条件：
• 相变热力学条件：组织转变的推动力是新相与旧
相之间的自由能差。 ΔG=Gr－Gp＜0 T﹥A1
——存在过热度⊿T : T实际- T理论
影响过热度主要因素: V加热 V加热↑，过热度⊿T↑；
上一级
二、钢的奥氏体化过程
1．奥氏体晶核的形成
• A的晶核优先在α和Fe3C的相界面上形成，A中含
碳量介于α和Fe3C之间，具有最大的能量起伏和 结构起伏，故在两相的相界面上，为A形成提供 了良好形核的条件。
* 任何固态相变均需形核与长大过程 * 形核需要“三个起伏条件”：
成分起伏、结构起伏、能量起伏 ——故晶界或缺陷处易形核
2.奥氏体晶粒的生长
• A形核后,由于A与Fe3C晶界处的含C量不同。将 引起A中C的扩散。通过Fe、C原子的扩散和Fe原 子的晶格改组，A向α 和Fe3C两个方向长大。
* 奥氏体化的目的： 获成分均匀、晶粒细小的奥氏体晶粒
* 实际热处理中 须控制奥氏体化程度。
三、影响A化的因素
• 1.温度T的影响 • T↑，A化的速度↑。
• 2.加热速度的影响 • 加热速度↑，奥氏体形成温度↑ (Ac1越高)，形
成所需的时间缩短 。 • 3.原始组织的影响 • 原始组织越细,相界面越多,形成奥氏体晶核的