金属热处理及表面改性

3.2 钢的普通热处理工艺
3.2.1 钢的退火与正火 3.2.2 钢的淬火与回火

3.2.1 钢的退火与正火
主要用于各种铸件、锻件、热轧型材及焊接构件， 由于处理时冷却速度较慢，故对钢的强化作用较 小，在许多情况下不能满足使用要求。除少数性 能要求不高的零件外，一般不作为获得最终使用 性能的热处理，而主要用于改善其工艺性能，故 称为预备热处理 退火与正火的目的有以下几点： ①消除残余内应力，防止工件变形、开裂 ②改善组织，细化晶粒 ③调整硬度，改善切削性能 ④为最终热处理（淬火、回火）作好组织上的准备
2、不完全退火（球化退火）



定义：将钢加热到Ac1以上20~30 º C,保温后随炉缓冷至600 º C，出炉 空冷。 目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能。 适用范围：主要用于过共析钢及合金工具钢。
过共析钢组织
球化退火后
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3、去应力退火

定义：将钢加热到500--600 º C,保温后随炉缓冷至200-300 º C出炉空冷。又称低温退火。 目的：消除铸件、锻件和焊接件的内应力 。（没有发生 组织变化） 适用范围：用于所有的钢。

起始晶粒
是指珠光体刚刚全部转变成奥氏体时的晶粒。一般很细小。
实际晶粒
是指钢在某个具体热处理或热加工条件下所获得的奥氏体晶粒。直接 影响热处理后钢的晶粒大小。
A晶粒大小的控制

“小晶粒→大晶粒”将使合金总的晶界面积减少， 从而减少了界面能，使合金的总能量下降，因此 高温下A晶粒的长大是一个自发的过程。 钢的成分和冶炼条件：C和难溶第二相微粒 加热温度和保温时间
过冷A在不同过冷温度下 的等温过程中，转变 温度、转变时间与转 变产物量的关系曲线 图，也称TTT ( TimeTemperatureTransformation)曲线， 或C曲线。
1. 共析钢A等温转变曲线的建立
共析碳钢的等温转变曲线通常采用金相法配合测量硬度的方 法建立，有时需用磁性法和膨胀法给予补充和校核。 将一系列共析碳钢薄片试样加热到奥氏体化后，分别迅速 投入Ac1以下不同温度的等温槽中，使之在等温条件下进 行转变； 每隔一定时间取出一块，立即在水中冷却，对各试样进行 金相观察，并测定硬度； 由此得出在不同温度、不同恒温时间下奥氏体的转变量； 并分别测定出过冷奥氏体的转变开始和转变终了时间，将 所得结果标注在温度与时间的坐标系中，再将意义相同的 点连接起来，即可得TTT图。
钢加热(冷却)时各临界点的位置

由于过冷和过热现象的存在
3.1.1 钢在加热时的组织转变
1.奥氏体的形成(共析钢)
四个阶段：
奥氏体形核
晶核的长大 残留渗碳体的溶解
P(F+Fe3C)→A

两相→单相的过程 晶格改组和铁原子扩散的 过程
奥氏体的均匀化
2. 奥氏体晶粒大小及影响因素
2.A等温转变曲线的分析
五条线： A1线 转变开始线 转变终了线 M转变开始线：Ms M转变终了线：Mf 四个区域： 稳定A区 过冷A区 转变过渡区 转变产物区 高温转变产物区 中温转变产物区 低温转变产物区
高温转变产物——珠光体型（727～550℃）
3.1.2 钢在冷却时的组织转变
冷却过程是热处理的关键工序，决定着钢在热处理后的组织和 性能。 热处理的冷却方式可分为两种： 等温冷却：将奥氏体迅速冷至Ar1以下某个温度，等温停 留一段时间，再继续冷却。 连续冷却：将奥氏体以一定的速度冷却，如水冷、油冷、 空冷、炉冷等。
过冷A等温转变图
0.4~0.2 230~320 870
600~550℃
< 0.2 300~400 1100
中温转变产物——贝氏体型（550～230℃） 过饱和铁素体＋微小渗碳体 上贝氏体（550～350℃）：羽毛状 下贝氏体（350～230℃）：黑色针状
低温转变产物——马氏体型（<230℃）
马氏体M＋残余奥氏体Ar
属非扩散型转变

马氏体M：过饱和的α-Fe固溶体

含碳量小于0.2％时，马氏体呈板条状 含碳量大于1.0％时，马氏体呈片状或针 叶状
3.连续冷却转变曲线
这两种转变的不同处在于： ①在连续冷却转变曲线中， 珠光体转变所需的孕育 期要比相应过冷度下的 等温转变略长，而且是 在一定温度范围中发生 的 ②共析碳钢和过共析碳钢 连续冷却时一般不会得 到贝氏体组织
3.2.1 钢的退火与正火
一、钢的退火 将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后在炉中缓慢地冷 却的热处理工艺。 根据钢的成分和处理目的的不同，可分为完全退火、球化退 火和去应力退火。 1、完全退火 定义：将钢加热Ac3以上30~50º C，完全奥氏体后，保温 一定时间随之缓慢冷却到500º C以下，出炉空冷。 目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利于切削加 工。 适用范围：亚共析钢型材。
3.1 钢的热处理原理
钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以改变钢的 组织，从而获得所需性能的工艺方法。
45钢 退火 正火 淬火 σb（MPa） 650～700 700～800 1500～1700 δ（％） 15～20 15～20 1～ 2 αk（J/cm2） 40～60 50～80 15～20
钢的热处理分类
临界冷却速度


与CCT曲线相切的冷却曲线Vk叫做淬火临界冷却 速度，它表示钢在淬火时过冷奥氏体全部发生马 氏体转变所需的最小冷却速度。 Vk值愈小，钢在淬火时愈容易获得马氏体组织， 即钢接受淬火能力愈大。 按不同冷却速度连续冷却时，过冷奥氏体转变成 不同的产物：
5.5℃/秒——珠光体； 33℃/秒——珠光体和少量马氏体； 138℃/秒——马氏体和残余奥氏体。
铁素体＋渗碳体的层片


粗片状珠光体（727～650℃） 索氏体（650～600℃）：细片P 托氏体（600～550℃）：极细片P
组织名称及符号 珠光体(P) 索氏体(S) 托氏体(T)
形成温度范围
片层间距(μ m) HBS σ b/MPa
A1~650℃
> 0.4 70~230 550
650~600℃