钢的热处理及组织转变

一、钢的热处理
淬火钢回火时组织转变：
③ 碳化物的转变 在 300 0C ～ 400 0C 温度回火时，ε 碳化物将转变为 Fe3C。400 0C时，过饱和的碳基本完全析出，钢的内应力 基本消除。 转变的过程是以 ε 碳化物重新溶入 α 固溶体，而稳定 的渗碳体相不断地析出的方式进行的。
一、钢的热处理
粗大；若选择在Ac1～Ac3之间，则组织中有一部分先共析
铁素体，淬火后会造成钢的强度和硬度不高。
一、钢的热处理
钢的淬火：
共析钢和过共析钢：Ac1+（30 ～ 50）℃ 淬火后得到的组织是均匀细小马氏体和粒状渗碳体。 温度过高得到粗针状马氏体，同时引起工件严重变形， 增大开裂倾向；由于渗碳体溶解过多，增加了残余奥氏体量，
一、钢的热处理
淬火钢回火时组织转变：
② 残余奥氏体的分解 当温度超过 200℃ 时，马氏体继续分解，同时，残余奥 氏 体 也开始 分 解 ，转 变 为下贝 氏 体或回 火 马氏体 ， 到 300℃时，残余奥氏体的分解基本结束； 随温度的继续升高，下贝氏体将进一步转变为铁素体和 渗碳体的二相混合物，即珠光体型产物。
一、钢的热处理
不完全退火
概念：将钢加热到 AC1～Accm（或AC1～Acc3），保温后
缓慢冷却的退火方法，主要用于过共析钢。
温度范围
不完全退火存在意义：
温度
A1
若将过共析钢加热到Accm以上，则在缓
冷过程中析出网状二次渗碳体，使钢的 强韧性大大下降，所以过共析钢不能采 用完全退火。
含碳量
一、钢的热处理
温度
保温
临界点
过冷奥氏体
加热
冷却
在 A1 温度以 下暂时存在的、 处于不稳定状 态的奥氏体
二、钢在加热及冷却时的组织转变
等温转变曲线的‘五线六区’示意图
奥氏体区
A1 线
过 冷 奥 氏 体 区
过冷奥氏体 与转变产物 共存区
转变产物区
转变开始线 转变终了线 马氏体转变开始线 马氏体转变终了线
马氏体与残余奥氏体共存区 马氏体区
获得的球化效果较好，在大件和大批量生产中难以实现，
很少使用。
一、钢的热处理
去应力退火
概念：将钢加热到略低于 AC1 的温度，约 500～650℃ ，
经保温后缓慢冷却的退火方法，称为去应力退火。
目的： 消除残余应力
一、钢的热处理
再结晶退火（中间退火）
概念：将冷塑性变形加工的工件加热到再结晶温度以上，
奥氏体晶粒
二、钢在加热及冷却时的组织转变
二、钢在冷却时的组织转变
钢经过加热获得奥氏体组织后，在不同的冷却条件下进 行冷却，可使钢获得不同的力学性能。 在热处理工艺中常采用等温冷却和连续冷却两种冷却方
式。
二、钢在加热及冷却时的组织转变
二、钢在冷却时的组织转变
等温冷却－将奥氏体化的钢迅速冷却到临界温度以下的 某一个温度保温，进行等温转变，然后再冷却到室温。
一、钢的热处理
回火脆性
低温回火脆性 高温回火脆性
250 0C～400 0C
450 0C ～ 650 0C 由某种化合物（碳化物、氢化
ε 碳化物转变为薄片状渗碳体
沿马氏体边界析出，并形成薄膜。
物、磷化物等）沿晶界析出的结果。
二、钢在加热及冷却时的组织转变
钢在加热及冷却时的组织转变：
一、钢在加热时的组织转变 二、钢在冷却时的组织转变 三、钢在回火时的转变
混合物。硬度（50HRC）
较回火前略有下降，但塑 性和韧性提高。 应用于刃具、量具、滚 动轴承、冷冲模具等。
二、钢在加热及冷却时的组织转变
回火屈氏体（350 0C～500 0C）
由针状（或条状）铁素 体与粒状渗碳体组成的混
合物。具有较高的屈服强
度和弹性极限，并保持一 定的硬度（40HRC）和韧 性。 应用于弹簧和热锻模具。
二、钢在加热及冷却时的组织转变
一、钢在加热时的组织转变
⑴ 奥氏体形核－钢在加热到 A1 时，奥氏体晶核优先在 铁素体和渗碳体的相界面上形成。
奥氏体晶核形成
二、钢在加热及冷却时的组织转变
一、钢在加热时Leabharlann Baidu组织转变
⑵ 奥氏体晶核长大－伴随着铁素体晶格改变成奥氏体晶
格和渗碳体的溶解。
奥氏体晶粒长大
二、钢在加热及冷却时的组织转变
等温退火
概念：将钢加热到 AC3+ 30～50℃ 或 AC1～Accm 之间某 一温度，适当保温后，以较快速度冷却到 Ar1 以下，等温 一定时间，使奥氏体在等温中完成转变，以降低硬度的退 火，称为等温退火。
相比与完全退火：
①节省组织转变时
②细化晶粒
一、钢的热处理
球化退火
概念：将钢加热到 AC1+ 20～50℃，保温一定时间，然
温转变，是由奥氏体向珠光体的转变，产物形态多数为片 状，特殊情况下为粒状。
温度
0
珠光体
550
索氏体
屈氏体
时间
片层 厚度 减小； 强度 硬度 增加； 塑性 韧性 略有 改善；
二、钢在加热及冷却时的组织转变
C 曲线的分析
•
⑴ 转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。 孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小.
组成的混合物，称为回火索氏体； 3 、 650 0C～A1 回火时，由多边形铁素体与更大球粒状渗碳体 组成，与球化退火后组织相似，称为回火珠光体；
一、钢的热处理
回火马氏体 回火屈氏体
回火产物及性能
回火索氏体 球化珠光体
二、钢在加热及冷却时的组织转变
回火马氏体（150 0C～250 0C）
由过饱和 α 固溶体 + 高 度弥散的 ε 碳化物组成的
一、钢的热处理
钢的淬火：
⑴ 定义： 将钢加热至临界温度Ac1或Ac3以上30 ～ 50℃，保温 一定时间，然后以大于临界冷却速度的冷却速度冷至室温， 获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。
⑵ 淬火的目的
获得马氏体组织，提高钢的硬度和强度。
一、钢的热处理
钢的淬火：
亚共析钢：Ac3+（30 ～ 50）℃ 正常温度淬火应得到细小均匀的马氏体组织，在光学 显微镜下看不见组织形态，称为隐晶马氏体。 温度过高奥氏体晶粒粗大，淬火后马氏体晶粒也随之
降低钢的硬度和耐磨性。
温度过低，在淬火组织中出现铁素体，使淬火组织出现软 点，降低钢的强度和硬度。
一、钢的热处理
钢的淬火：
理想的淬火冷却曲线 应该是：在650～550 0 C范围要快冷，其它 温度区间不需快冷， 尤其在Ms点以下更不 需快冷，以免引起工 作变形或开裂。
一、钢的热处理
钢的淬火：
二、钢在加热及冷却时的组织转变
② 贝氏体型转变 ：
⑵ 正火的目的 ① 细化晶粒，提高力学性能； ② 对WC ＜ 0．25%的钢，可适当提高硬度，改善切削性 能；
③ 消除过共析钢中二次渗碳体网，便于球化退火；
一、钢的热处理
正火与退火的不同
正火冷却速度稍快，正火后的组织比退火细，硬度和
强度有所提高。
非共析钢正火时发生伪共析转变，使组织中珠光体量 增多，片间距变小，通常获得索氏体组织；退火时通常获 得珠光体组织。 正火力学性能高，操作简便，生产周期短，能量消 耗少，应优先考虑采用正火处理。
④ 碳化物的聚集球化和 a →F 的再结晶
当温度超过 400 0C 后，渗碳体发生明显的聚集长大和球化。 根据混合物中渗碳体颗粒大小，可将回火组织分为： 1、350 0C～500 0C，形成由针状（或条状）铁素体与粒状渗碳 体组成的混合物，称为回火屈氏体；
2、500 0C～650 0C ，得到多边形晶粒的铁素体与球粒状渗碳体
后缓慢冷却，获得球状珠光体组织的退火方法，称为球化
退火。
目的： 使渗碳体球化，降低硬度， 改善切削性能，并为淬火 作组织准备。
一、钢的热处理
球化退火的基本工艺
①普通（缓冷）球化退火：试用于工件截面大情况
②等温球化退火：缩短周期，组织均匀，应用广泛
③周期球化退火：特点是加热到 AC1 -AR1上下周期摆动，
二、钢在加热及冷却时的组织转变
回火索氏体（500 0C～650 0C）
由多边形的铁素体与粒 状渗碳体组成的混合物。
HRC、HBW、HV值是根据各 自的硬度计实测数据，彼此 之间无直接换算关系。
具有高强度，兼有高韧性，
硬度：187 HBS。有优良 的综合机械性能。 是结构钢机械零件希望 得到的组织形态。
上贝氏体 （羽毛状）
500
下贝氏体 （针叶状）
二、钢在加热及冷却时的组织转变
② 贝氏体型转变 ：
性能上看上贝氏体的脆性较大，无实用价值；而下贝 氏体则是韧性较好的组织，是热处理时（如采用等温淬火） 常要求获得的组织。
原因：上贝氏体中的碳 化物呈较粗的片状，分
布在铁素体板条间，且
不均匀，使板条容易发 生脆废；
一、钢在加热时的组织转变
⑶ 残余渗碳体的溶解－渗碳体晶格较复杂，其溶解速度 小于铁素体晶格向奥氏体晶格的转变；在铁素体全部消失 后，仍需一段时间才能完成渗碳体的全部溶解。
未溶解的渗碳体
二、钢在加热及冷却时的组织转变
一、钢在加热时的组织转变
⑷ 奥氏体成分均匀化－继续延长保温时间，通过碳原子 的扩散能得到化学成分均匀的奥氏体组织。
一、钢的热处理
钢的退火：
⑶退火种类：
完全退火、等温退火、球化退火、再结晶退火、去应
力退火、扩散退火等。
一、钢的热处理
完全退火
概念：将亚共析钢加热到 AC3+ 30～50℃，保温一定时
间，随炉缓冷至 600℃ 以下，再出炉空冷的热处理工艺，
称为完全退火。
目的： ① 细化晶粒
② 消除内应力
③ 降低硬度便于切削加工 ④ 为最终热处理作准备
钢的热处理及组织转变
一、热处理的概念、类型、作用 二、钢在加热时的组织转变 三、钢在冷却时的组织转变
一、钢的热处理
热处理的概念：钢在固态下加热、保温和冷却，改变其
组织结构，从而获得所需要性能的一种工艺。
热处理的作用：提高和改善钢的性能。 热处理的分类：
退火、正火、淬火、回火、表面热处理等。
冷却介质有：油、水、盐水、碱水等，其冷却能力依
次加强，这些冷却介质都不能完全满足上述理想的淬火冷 却条件。
一、钢的热处理
钢淬火的方法：
单液淬火法：工件易变形和开裂 双液淬火法：减小了马氏体转变的相变应力 分级淬火法： Ms 线附近的盐槽或碱槽中，保温一段时 间，大大减小相变应力
等温淬火法：温度高于 Ms 的盐槽或碱槽中，保温一段
保持适当时间，缓慢冷却，重新形成均匀的晶粒，以消除
形变强化效应和残余应力的退火工艺。
目的：
温度 再结晶温度
消除加工硬化
提高塑性
改善切削加工性能
时间
一、钢的热处理
钢的正火：
⑴ 定义：将钢加热到 AC3 或 Accm 以上 30～50℃，保温一定
时间，出炉后在空气中冷却的热处理工艺，称为钢的正火。
二、钢在加热及冷却时的组织转变
共析钢的过冷奥氏体在冷却过程中会发生三种不同的转
变，即：珠光体型转变，贝氏体型转变和马氏体型转变。
温 度 A1
A
A→P
转变终了线
过 冷
奥 氏 体
P B
珠光体型转变
转变开始线
A→B
贝氏体型转变
MS
A→M
Mf
马氏体型转变
M
时间
二、钢在加热及冷却时的组织转变
① 珠光体型转变:转变温度范围为 A1 ～ 500 C，又叫高
一、钢的热处理
钢的退火：
⑴ 退火的定义 将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却下 来，获得接近平衡状态的组织的热处理工艺，称为退火。 ⑵ 退火的目的
① 降低硬度，提高塑性和韧性；
② 消除残余内应力，减轻变形和防止开裂； ③ 均匀成分，细化晶粒，为最终热处理作准备； ④ 改善或消除铸造、轧制、焊接等加工中的组织缺陷。
•
• •
孕育期最小处称C 曲线的“鼻尖”。碳钢鼻尖处的温度 为550℃。
在鼻尖以上, 温度较高，相变驱动力小. 在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而使奥氏
体稳定性增加。
二、钢在加热及冷却时的组织转变
② 贝氏体型转变 ：转变温度范围为500 0C ～ Ms线（对
共析钢为 230 0C ）又叫中温转变。 5000C ～ 3500C 生上贝氏体 （ B上 ） 3500C ～ Ms 产生下贝氏体 （B下 ）
时间，发生下贝氏体转变
一、钢的热处理
钢的回火：
定义： 将淬火钢重新加热到 A1 以下某一温度，经保温后，冷 却到室温的热处理工艺，称为回火。 回火的目的： 1、消除或降低淬火内应力，防止钢件变形或开裂。 2、稳定工件尺寸 3、获得钢件所需的组织和性能
一、钢的热处理
淬火钢回火时组织转变：
① 马氏体的分解 在 100 0C 以上时，马氏体开始分解，碳从过饱和的 α 固溶体中析出形成 ε 碳化物（Fe2。4C），ε 碳化物不是 一个平衡相，而是向 Fe3C 转变前的一个过渡相。 马氏体分解后最终形成过“过饱和 程度较低的马氏体+ 高度弥散的 ε 碳化物”的组织，称为回火马氏体。