第三章 热处理与表面工程技术

第三章热处理与表面工程技术

第三章热处理与表面工程技术

本章教学学时：3--4

本章重点是钢材的热处理。掌握热处理工艺知识会对后续材料的成形与加工提供方便。因此要求学生认真学习掌握热处理原理，了解各种热处理工艺的特点、用途，比较其异同，并在后续章节中加以利用。

学习表面工程技术的关键是了解经表面预处理后，基体材料的表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理是如何实现的，以及怎样才能改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分和组织结构，以获得所需要表面性能。

本章教学方式：讲课与学生自学。

主要教学内容：

第一节钢的热处理

钢的热处理是指将钢在固态下加热到一定的温度，保温一段时间，并以适当的速度冷却至室温，以改变钢的内部组织，从而得到所需性能的工艺方法。重要的金属零件一般都要通过热处理来提高其质量和性能。表3-1是45钢热处理前后的性能对比。

表3-1 45钢热处理前后的性能

状态σ

b /MPa δ×100α

K

/J·cm HBS

热轧600 16 40 229

正火700～800 15～20 50～80 162～220 淬火750～850 2～0.25 80～120 210～250

热处理过程一般包括加热、保温、冷却几个阶段。当工件加热和冷却时，实际相变往往偏离

Fe-Fe

3

C状态图中的相变温度，而是在一定过热和过冷的情况下进行，过热度和过冷度随加热速度和冷却速度升高而增大。通常把加热时的实际

相变线标以字母 C，如A

c1、A

C3

、A

ccm

图3-1 加热和冷却时Fe-Fe3C相图中相变线的移动

等；而冷却时的相变线标以字母r，如A

r1、A

r3

、

A

rcm

等,如图3-1所示。

一、钢在加热和冷却时的组织转变

（一）钢在加热时的组织转变

碳钢的室温组织基本上是铁素体和渗碳体两相组成，只有将钢加热到奥氏体状态才能通过不同的冷却方式获得不同的组织，从而得到所需要的性能。所以，热处理时合理地加热金属是十分重要的。以共析钢为例讨论钢在加热过程中奥氏体的形成过程，如图3-2所示。

图3-2共析钢中奥氏体形成过程示意图

(二)钢在冷却时的组织转变

大多数钢制零件都是在室温下工作，室温时钢的力学性能不仅与经过加热、保温后所获得的奥氏体晶粒大小等有关，而且也决定于过冷奥氏体经冷却转变后所获得的组织。而冷却方式和冷却速度对奥氏体的组织转变有直接的影响。钢的热处理工艺有两种冷却方式。

L．连续冷却

连续冷却就是使加热到奥氏体的钢，在温度连续下降的过程中发生组织转变。

2．等温冷却

等温冷却就是使加热到奥氏体的钢，先以较

线以下一定的温度，这时奥快的冷却速度冷至A

1

氏体尚未转变，但成为过冷奥氏体。然后进行保温，使奥氏体在等温状态下发生组织转变。转变完成后再冷却到室温。

等温冷却方式对研究冷却过程中的组织转变较为方便。共析钢的奥氏体等温转变曲线，如图

3-3所示。共析钢过冷奥氏体等温转变的产物大致可分为三个类型:

(1)高温转变产物共析钢过冷奥氏体冷却到-550℃之间任一温度后，等温转变的产物属于A

1

珠光体型组织，是由铁素体和渗碳体的层片所组成的机械混合物。过冷度越大，层片越薄，硬度也越高。实验证明，过冷到A

-650℃之间后转变

1

得到的组织为珠光体;过冷到650-600℃之间后转变得到的组织为索氏体，又称细珠光体;过冷到600-550℃之间后转变得到的组织为托氏体，又叫极细珠光体。

(2)中温转变产物共析钢奥氏体过冷到550-230℃之间后等温转变的产物属于贝氏体型组织，是由铁素体和微小的渗碳体混合而成。贝氏体比珠光体硬度更高。如果将过冷到550-350℃之间后转变而得到的组织叫上贝氏体，过冷到350-230℃之间后转变而得到的则为下贝氏体。下贝氏体较上贝氏体有较高的强度和硬度，塑性和韧度也较好。

（3）低温转变产物共析钢过冷奥氏体冷却到230℃以下后转变为马氏体。它实质上是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。马氏体是一种不稳

定的组织，有很高的硬度，

但塑性、韧度很低。共析钢

奥氏体过冷到230℃（Ms）

时，开始转变为马氏体，随

着温度下降，马氏体逐渐增

多，过冷奥氏体不断减少，

直至-50℃(Mf)时，过冷奥

氏体才转变完了。所以Ms

和Mf之间的组织为马氏体和残余奥氏体。

二、钢的热处理工艺

钢件最常用的热处理工艺为退火、正火、淬火、回火及表面热处理。

(一)钢的退火和正火

退火、正火方法的加热温度范围如图3-4所示。

1. 退火退火是将钢材或钢件加热到适当温度，保温一定时间，随后缓慢冷却以获得接近平

衡状态组织的热处理工艺。

①完全退火图3-3 共析钢过冷奥氏体等温转变图

将钢材或钢件加热至A

以上20-30℃，经完

C3

全奥氏体化后进行缓慢冷却，以获得近于平衡组

织的热处理工艺。

②球化退火

球化退火是不完全退火的一种。将过共析钢+（10～20）℃，保温一定时间后缓慢加热到A

C1

冷却，使过共析钢中碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。

③均匀化退火

均匀化退火又称扩散退火，它是将钢锭、铸件加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。

图3-4退火、正火加热温度示意图图3-5各种淬火方法冷却曲线示意图

1-单介质淬火 2-双介质淬火 3-分级淬火 4一等温淬火

④去应力退火

的某一温又称低温退火。即将钢加热至低于A

C1