第五章钢的热处理

奥氏体成长四阶段：
1）奥氏体形核 3）残余渗碳体溶解 2）奥氏体长大 4）奥氏体均匀化
AC AC 亚共析钢的加热过程： F P F A A
1 3
AC AC 过共析钢的加热过程： P Fe3CⅡ A Fe3CⅡ A
1 cm
§5.1.1 钢在加热时的转变
§5.1.2 钢在冷却时的转变
VK ,共析钢以大于VK 的速 度冷却时，遇不到P 转变 线 ，得到的组织为M -----上临界冷却速度、 临界淬火速度 VK′,冷却速度小于VK′时，
全部转变为P------下临界
冷却速度
§5.1.2 钢在冷却时的转变
●CCT 曲线中P转变
开始线和 P 转变终了
线均在TTT 曲线的右 下方，合金钢也是如 此。
§5.1.2 钢在冷却时的转变
马氏体的组织形态：
板条状马氏体 呈细长板条状， 显微组织呈一束束的细条状组 织，每束内条与条之间大致平 行排列。
针片状马氏体 呈双凸透镜状， 显微组织为针片状，是立体形 态的截面。
§5.1.2 钢在冷却时的转变
三、过冷奥氏体连续冷却转变曲线(CCT)
CCT 曲线, 只有P 转变区 和M 转变区，没有B 转变 区，说明共析钢连续冷却 时没有B 形成 Ps 线为过冷 A 转变为 P 型 组织的开始线 Pf 线为过冷 A 转变为 P 型 组织的终了线 kk′线为过冷 A 转变中止线
●连续冷却转变和等 温转变相比，转变温 度低 ，孕育期长。源自§5.1.2 钢在冷却时的转变
●炉冷V1：缓慢冷却，转变温度较高，过
冷A—P呈粗片状 ●空冷V2：稍快速度，过冷A—S 细片状
●油冷V4: 过冷A先有一部分转变为 T， 剩余的 A 在冷却到 Ms 以下后转变为 M 冷却到室温时，还有少量为转变的 A 保 留下来，这种残留的A 称为残余A , T+M+A′ ●水冷V5：很快速度，过冷A 直接冷却到 Ms 以下，发生M 转变，冷却到室温保留 部分A′, M+ A′
§5.1.1 钢在加热时的转变
实际转变温度要偏离平衡的临界温度：
加热或冷却速度越快，滞后现象越严重 ※ 加热时的实际临界温度标： 共析钢 加热至Ac1以上 亚共析钢 加热至Ac3以上 过共析钢 加热至Accm以上
※ 冷却时的实际临界温 度标为Ar1、 Ar3、 Arcm
§5.1.1 钢在加热时的转变
目的：
1、合理地调整钢的硬度和强度，提高钢的韧性，使工件满足使用要求； 2、稳定组织，使工件在长期使用过程中不发生组织转变，从而稳定工件 的形状与尺寸；
3、降低或消除工件的淬火内应力，以减少工件的变形，并防止开裂。
工程材料及热工处理
第五章 钢的热处理
主讲人： 刘 怿 凡
目 录
钢的热处理原理 钢的普通热处理 钢的表面热处理 钢的化学热处理
热处理的新技术和新工艺
§5.1 钢的热处理原理
钢的热处理：将钢在固态下加热到预定的温度， 保温一定的时间，然后以一定的方式冷却下来， 以获得预期的组织结构与性能的工艺 。
§5.1 钢的热处理原理
（2）等温退火 等温退火的加热工艺与完全退火相同。“等
温”的含义是，发生珠光体转变时是在 Ar1以下珠光体转变区间 的某一温度等温进行。等温退火能有效缩短退火时间，提高生 产效率并能获得均匀的组织和性能。
（3）球化退火 Ac1以上20～30℃。主要用于过共析钢和合金
工具钢。其目的是降低硬度、均匀组织、改善切削性能，为淬 火作组织准备。获得粒状珠光体。
§5.2 钢的普通热处理
三、淬火
淬火是将钢加热到临界点Ac1或Ac3以上一定温度，保温一定 时间，然后以大于临界淬火速度的速度冷却，使过冷奥氏体转变 为马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。
1、淬火加热温度 亚共析钢 过共析钢 Ac3以上30～50℃ Ac1以上30～50℃
以得到细而均匀的奥氏体晶粒 为原则，以便冷却后获得细小 的马氏体组织。
Ms～Mf之间为马氏体转变.
C曲线（TTT曲线）
§5.1.2 钢在冷却时的转变
孕育期：过冷奥氏体转变开始线 与纵座标之间的水平距离。 孕育期↑，过冷奥氏体稳定 性↑,转变期↑。
鼻尖：孕育期最短处，过冷奥氏 体最不稳定，转变最快。
碳钢“鼻尖”～550℃。 鼻尖是转变速度极大值处：孕 育期随等温温度而变，在鼻尖以 上，随等温温度↓而↓；在鼻尖 以下，随等温温度↓而↑
热处理的分类：
（1）普通热处理：即常说的退火、正火、淬火和回火等。 （2）表面热处理：仅对工件的表面进行强化，如：感应加热、 火焰加热、激光加热等各种表面淬火方法等。 （3）化学热处理：包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗硅、 渗铝、渗硫等。
§5.1.1 钢在加热时的转变
一、奥氏体的形成
根据铁碳相图理论上讲 共析钢 加热超过 PSK 线 （A1 线） 亚共析钢 加热超过 GS 线（A3 线） 过共析钢 加热超过 ES 线（Acm 线）
§5.1.2 钢在冷却时的转变
因冷却方式不同，过冷奥氏体的组 织转变可分为两类:
1、等温冷却 2、连续冷却
一、过冷奥氏体等温转变曲线
过冷奥氏体 ：在临界点（A1）以下存在且不稳定的将 要发生转变的奥氏体叫过冷奥氏体。
§5.1.2 钢在冷却时的转变
线：过冷γ转变开始线， 过冷γ转变终了线； Ms（M转变开始温度） Mf（M转变终了温度）线 区：过冷γ区； 转变产物区； 过渡区（过冷γ与转变产物共 存区）。 转变产物分区： A1～“鼻尖”之间为珠光体型转变； “鼻尖”～Ms之间为贝氏体型转变；
§5.2 钢的普通热处理
4、淬火方法
无论哪种淬火介质都不能使工件获得理想的淬火冷却速度。为了使工件 既淬成马氏体又防止变形和开裂，除选择合适的淬火介质外，还必须采取正 确的淬火方法。通常的淬火方法包括单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温 淬火等，如图所示。
§5.2 钢的普通热处理
5、钢的淬透性 钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。容易形成 M 的钢淬透性好，反之则差。淬透性是钢在规定条件下的一种 工艺性能。 淬透层深度是从试样表面 至半马氏体区的距离。深 度越大，则反映钢的淬透 性越好。 钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬 硬性主要决定于马氏体的碳含量。
c. 第二相 可成为奥氏体分解的非自发核心，降低淬透性。
§5.2 钢的普通热处理
四、回火
淬火后的钢虽然具有高强度和高硬度，但其得到的组织是不稳定的， 同时内部残留有很大的淬火应力，必须对淬火后的钢件进行回火处理。
回火是将淬火工件加热到Ac1以下的某一温度，保温一段时间，然后 冷却到室温的热处理工艺。
物，它们的差别仅仅是片间距不同。
§5.1.2 钢在冷却时的转变
P型组织的性能取决于片 间距，片间距越小性能越 好。
§5.1.2 钢在冷却时的转变
2）贝氏体B转变
转变温度不同，形成的B的形 态不同： 550℃-350℃ 上贝氏体（上B）呈羽毛状， 小片状渗碳体分布在成排的 F 片之间 350 ℃-Ms 下贝氏体（下B） 黑色针状
1）加热温度和保温时间 加热温度越高、保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大 2）加热速度
加热速度越大，晶粒越细
3）钢的化学成分 碳含量↑，晶粒↑，但超过一定限度后，奥氏体晶粒↓ Ti、V、Nb、Ta、Al Mn、P 奥氏体晶粒↓ 奥氏体晶粒↑
§5.1.1 钢在加热时的转变
三、加热时常见缺陷
1）过热和过烧 过热可通过重新热处理来补救。 过烧无法补救，导致报废。 2）氧化和脱碳 采用保护气氛加热或真空加热可有效防止氧化和脱碳现象的发生 3）变形和开裂 视严重程度决定是否可矫正
C曲线（TTT曲线）
§5.1.2 钢在冷却时的转变
影响C曲线的因素：
1）含碳量
碳钢中以共析钢的过冷奥氏体最稳定
§5.1.2 钢在冷却时的转变
2）合金元素
除钴以外，所有溶于γ的Me都使过冷γ稳定性↑， 使C曲线右移。
3）加热温度和保温时间
T↑，t↑, C曲线右移
§5.1.2 钢在冷却时的转变
二、过冷奥氏体等温转变产物
§5.2 钢的普通热处理
淬透性可用“末端淬火法”测定（GB/T225-2006）
§5.2 钢的普通热处理
淬透性的影响因素：
钢的淬透性由其临界冷却速度决定 a. 化学成分 碳： 共析钢的临界冷却速度最小，其淬透性最好。 合金：除Co以外，使C曲线右移, 提高钢的淬透性，因此 合金钢往往比碳钢的淬透性要好。 b. 加热条件 提高温度，减少珠光体的生核率，增加其淬透性。
M是C在α-Fe中的过饱和固溶体
§5.1.2 钢在冷却时的转变
转变特点：
①无扩散性 铁原子和碳原子在转变过程中未扩散
②降温形成 马氏体转变开始后，必须在不断降低温度的条件下转变才 能继续进行，冷却中断，转变也就停止 ③极快的转变速度
④转变的不完全性 由于多数钢的Mf在室温以下，因此钢迅速冷到室温时仍 有部分未转变的奥氏体存在，称之为残余奥氏体
§5.2 钢的普通热处理
2、淬火加热时间 τ = α K D 式中 τ—— 加热时间，min； α —— 加热系数，min/min； K —— 装炉修正系数； D —— 零件有效厚度，min。
3、淬火介质 理想的淬火冷却曲线如图： 最常用的淬火介质： 清水、盐水、油 其冷却能力大小依次为： V盐水> V清水> V油
应用：
1、通过正火提高硬度，改善某些材料的切削加工性能。 2、消除中碳钢热加工缺陷，并细化晶粒、均匀组织、消除内应力，为淬 火作好组织准备。
3、消除过共析钢的网状碳化物，为球化退火作准备。
4、提高普通结构件的力学性能。用正火处理达到一定的综合力学性能， 替代调质处理作为最终热处理，可减少工序、节约能源、提高生产效率。