铁碳相图与钢的热处理

渗碳方法（按渗剂的状态分）
气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳、膏体渗碳、电解液渗碳、离子渗 碳等
气体渗碳
工作原理及方法 工艺参数的选择
渗碳温度：900～950℃ 900～ 900 b) 渗碳时间：取决于渗碳层的深度 c) 渗层表面含碳量 wc：0.85%～1.05%
a)
渗碳层深度 δ=0.5～2.0mm 渗后组织 渗碳工艺
(3).碳氮共渗
a）中温气体碳氮共渗 特点：比渗碳得到更好的性能，但耐磨性和疲劳强度低于 渗氮零件。 用钢：低碳钢和低碳合金钢（20、20Cr、20CrMnTi） 方法：在密封炉内通入煤油与氨气 工艺：加热温度820~860℃，保温4~6h 渗层深度：0.3~0.8mm 热处理特点：渗后淬火加低温回火。 渗后的组织：针状马氏体加碳氮化合物、少量残余奥氏体。 b）低温气体碳氮共渗 特点：渗层硬度低于气体渗氮，又称：软氮化。 用钢：碳钢、合金钢和铸铁。
(2).渗氮
定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。 目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能的零件。 用途:主要用于耐磨性和精度要求很高的镗床主轴、精密 传动齿轮、压铸模、冷热挤压模等 渗氮用钢:中碳合金钢，如35CrMo、40Cr、 38CrMoAl( 氮化王牌钢 )等 方法:气体渗氮。 。 工艺:加热温度500～600℃;保温时间20～50h。 渗氮层深度：0.3~0.5mm。 热处理特点: 渗氮前需调质处理;渗氮后不需热处理。 渗氮处理后的组织 表层 : Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、MoN、TiN、VN。 心部 : S回。
工艺：加热温度500~700℃，保温3~4h 渗层深度：0.1~0.4mm 热处理特点：渗后一般不需热处理可直接使用。
谢谢
入工件表层，以改变表层的化学成分、组织、性能的热处理工艺。 分类：按渗入元素分 渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗硫、渗金属等 目的：强化表面，并使工件表面具有某种特殊性能
特点：
① 可按零件心部要求选择材料，同时满足表面和心部不同的性能 要求 ② 零件外形不受限制 ③ 生产周期长、工艺复杂、成本高 ① 分解：使化学介质在加热保温过程中分解出渗入元素的活性原子； ② 吸附：活性原子被工件表面吸附，形成固溶体或特殊化合物； ③ 扩散：渗入原子由工件表层向内扩散，形成具有一定深度的扩散 层，即渗层。
AC1 ACcm
温 度
保温
温
热 加
温
1、过冷奥氏体的等温转变 共析钢的 等温转变TTT图
珠光体转变：扩散相变 (A1～550℃, A→P（F+Fe3C）)
1）在A1～650℃形成的珠光体 ，因为过冷度 小，片间距较大(0.4µm)，称为珠光体（P）。 2）在650～600℃形成片间距较小的珠光体 (0.2~0.4µm)，称为索氏体，用字母S表示。 3）在600～550℃形成片层间距极小的珠光体 (0.2µm) ，称为托氏体，用字母T表示。
锻造→正火→切削加工→渗碳→淬火+ 低温回火→精加工
心部为铁素体加少量珠光体。 表层为珠光体加网状二次渗碳体，
心部 表面
热处理后的组织
钢种 低碳钢 低碳合金 钢 常用举例 15，20 20CrMnT i 表层组织 M回 +Fe3C+A’ M回 +Fe3C+A’ 心部组织 F+P 低碳M回 +F 表层硬度 5864HRC 心部硬度 1015HRC 3545HRC
§2.1 钢在加热和冷却时的转变
一、钢在加热时的转变 1.奥氏体的形成
钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化。以 共析钢的奥氏体形成过程为例。
亚共析钢的加热过程：
F + P → F + A → A
AC1 AC3
过共析钢的加热过程：
P + Fe3CⅡ 来自百度文库→ A + Fe3CⅡ → A
2.正火
正火是将刚加热到Ac3(或Acm)以上适当温度，保 温后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。 正火主要目的 消除过热组织、细化晶粒、改善切削性 消除组织缺陷、保持硬度、为调质做准备 消除网状二次渗碳体、为球化退火和淬火做准备 淬火作用（空淬）
钢的种类 低碳 低合金钢 中碳钢 过共析钢 高合金钢
铁碳合金中的基本相
铁碳合金中的三个基本相： 铁素体（F） 奥氏体（A） 渗碳体（ Fe3C ） 以机械混合物的形式结合： 珠光体（P）、莱氏体（Ld)。
铁碳合金中的基本相
1、铁素体（ferrite） （ 其晶格间隙的直径小，所以溶碳量很小，最多 只有0.0218%(727℃时)，室温时几乎为0。 性能与纯铁相似，塑性、韧性好，而强度、硬 度低，并有铁磁性。 组织
钢的热处理
铁碳相图和钢的热处理 §1 铁碳相图 §2 钢的热处理
§2.1 钢在加热和冷却时的转变 §2.2 钢的整体热处理工艺 §2.3 钢的表面热处理工艺
§1 铁碳相图
纯铁的同素异构转变
α-Fe BCC (912℃) γ-Fe δ-Fe FCC (1394℃) BCC
金属的同素异晶转变为其热处理提供基础
整体热处理工艺曲线
§2.3 钢的表面热处理工艺
1.表面淬火
定义：仅对工件表面进行淬火（+回火）的热处理工艺 目的：强化表面，并使工件心部保持足够的塑性和韧性 应用：齿轮、凸轮、曲轴、轧辊等——只需表面淬硬的工件
机床导轨等大型、复杂工件——只能表面淬硬的工件
表面淬火用钢：中碳成分的优质碳素结构钢、合金结构钢 方法：感应加热淬火、火焰加热淬火、激光淬火……
退火分类
完全退火 球化退火 等温退火 扩散退火 去应力退火 再结晶退火
冷却方式
缓冷 缓冷到600 度再空冷 快冷到A1线 以下保温 缓冷 缓冷 缓冷
主要目的
消除粗晶和 不均匀组织 将片状P变为 球状P 获得均匀组 织 消除偏析 消除残余应 力 消除加工硬 化
适用范围
亚共析钢 过共析钢 合金钢 高合金钢 合金钢铸锭 铸件 铸、锻、焊 件 冷塑性变形 件
CCT曲线只有P、M转变
vk为临界冷却速度
过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中的应用
§2.2 钢的整体热处理工艺
1.退火
退火是将钢加热到临界点Ac1以上或以下温度，保 温后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。 加热温度
A3线以上 30-50°C A1线以上 20-40°C A3线以上 30-50°C A3线以上 150-250°C A1线以下 600-650°C 再结晶以上 150°C
铁碳合金中的基本相
3、渗碳体（Cementite） 渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金 属化合物，用化学分子式“Fe3C”表示。 质硬而脆，耐腐蚀。 渗碳体是钢中的强化相
铁碳合金相图
铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C 、FeC等，由于实际使用的铁碳合金其含碳量 多在5%以下，所以在铁碳合金相图中只需研 究Fe-Fe3C部分，因此铁碳合金相图实际上就 是Fe-Fe3C相图。
铁碳合金中的基本相
2、奥氏体（Austenite ） 其晶格间隙直径较大，故溶碳量较大，最 多有2.11%(1148℃时)，727℃时为0.77%。 在一般情况下，是一种高温组织，故奥氏 体的硬度低、塑性较高，通常在对钢铁材 料进行热变形加工。 组织：与铁素体相似，但晶界较为平直， 且常有孪晶存在。
基本过程：
(1)渗碳
概念：钢件加热到A状态，在富碳介质中保温，使C渗入表层 目的：增加表层C含量，使淬火回火后，其硬度、耐磨性、疲劳强度
提高
用途：受严重磨损，并承受较大冲击载荷的零件
要求表面硬度、耐磨性、疲劳强度高，心部良好的塑性、韧性
渗碳用钢：低碳成分的普通碳钢、优质碳素结构钢、合金结构钢
15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnVB、
c) 表面产生压应力 d) 氧化脱碳 e) 心部无相变
疲劳强度 耐磨性 变形 精度
表面质量 刚性
f) δ易控制
自动化程度高
g) 设备昂贵，耗电量大
应用：大批量生产 应用
感应加热表面淬火
工艺路线
锻造→退火或正火 退火或正火→粗加工→调质或正火 调质或正火→加工→感应加热表面淬火→低温回火 感应加热表面淬火→ 时效处理→精磨 退火或正火 调质或正火 感应加热表面淬火 低温回火→粗磨→时效处理 时效处理 细化晶粒，提高心部 综合性能，为淬火做 准备T加：Ac3＋30～ 50℃ 强化表面，获得 M T加：Ac3＋30～ 50℃ 降低淬火应力 稳定表面组织 T加：160～ 200℃
贝氏体转变：半扩散相变（C）550℃～ Ms, A→B)
上贝氏体：550~350℃，碳原子有一定的扩散能力。强度、硬度高， 塑性较低，脆性大。 下贝氏体：350℃~Ms，碳原子难以扩散。在光学显微镜下呈黑色针 状，综合力学性能良好。
上贝氏体：过饱和片状F＋渗碳体 下贝氏体：过饱和针状F＋弥散 -Fe2.4C
回火种类
低温回火 中温回火 高温回火 调质
加热温度
150-200°C 350-500°C 500-650°C
达到的硬度
HRC60 HRC35-50 HRC20
应用范围
刃具、模具 弹簧 重要结构件
回火脆性 回火时冲击韧性下降的现象 低温回火脆性，不在该温度区间回火或使用含Si的钢 ，可防止。不可逆 高温回火脆性，由杂质和合金元素在晶界处偏聚而造成的 。回火快冷或加Mo、W等可以消除。可逆
消除锻造应力； 调整硬度，便 于机加工
进一步降低应力， 稳定组织，防止 工件变形开裂
火焰加热表面淬火
原理 特点 a) 简单、方便、成本低 b) 不易控制质量 应用： 应用：单件、小批量 乙炔-氧或煤气-氧火焰 淬硬层深度 δ=2～8 mm
2.化学热处理
定义：将工件置于特定介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗
铁碳合金相图
§2 钢的热处理
钢的热处理： ： 加热---保温----冷却 三步
按工艺不同可将热处理分为如下几类： 按工艺不同可将热处理分为如下几类： 感应加热 退火 表面淬火 普通热处理 正火 表面热处理 火焰加热 淬火 渗碳 回火 化学热处理 渗氮 碳氮共渗 转变温度
临界温度
平衡时： 平衡时：A1 、 A3、 Acm 加热时：Ac1、Ac3、Accm 加热时： 冷却时： 冷却时：Ar1、Ar3、Arcm
感应加热表面淬火
工作原理 淬硬层深度 δ = 分类
a) 高频感应加热 b) 中频感应加热 f=200～300kHZ δ=0.5～2.0mm
500～600 （mm） f
f=2500～8000HZ δ=2～10mm δ=10～15mm
c) 工频感应加热 f=50HZ
特点
a) 加热速度快，温度高，生产效率高 b) A晶粒细小 隐晶马氏体 H 且脆性 强度
常温组织：
马氏体转变：非扩散相变，Ms以下, A→M
低碳(<0.2%)马氏体：板条状，硬度50HRC，高的强韧性。 立体形态呈平行成束分布的板条状
20钢，×400
高碳(>1.0%)马氏体：片状__硬而脆，硬度60~65HRC， 韧性低，脆性大，塑性低。 立体形态呈双凸透镜状
T12钢，×400
2、过冷奥氏体的连续冷却转变
常用淬火方法 钢的淬透性 通常将淬火件表面至半马氏体区的距离作为淬透层深 度。C曲线位置越偏右，临界冷却速度越小，过冷奥氏体 越稳定，淬透性越好。除Co外，大多数合金元素都能显著 提高钢的淬透性。 钢的淬硬性 指钢在淬火时的硬化能力。
4.回火
回火是将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变 为稳定的回火组织，并以适当方式冷却到室温的工艺过 程。 目的：消除M和A'的不稳定性及内应力，并促使M转变为 其他组织，降低淬火钢的脆性和内应力，改善韧性。 回火分类及应用：
3.淬火
淬火时将钢加热至Ac3或Ac1以上30~50°C，保 温一定时间使其奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的速 度冷却得到马氏体(或下贝氏体)的工艺。 目的：提高机件强度及耐磨性。但淬火后引起内引力，使 刚变脆，所以淬火后必须回火。 淬火后组织：亚共析钢—细小M；共析和过共析钢—M和 粒状Fe3C。 淬火冷却介质 先水淬再油淬