第4章-鋼的熱處理

第4章鋼的熱處理1本章主要內(nèi)容：概述鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變鋼的普通熱處理工藝鋼的表面熱處理工藝機械制造過程中的熱處理24.1概述熱處理定義將固態(tài)金屬或合金通過加熱、保溫和冷卻的方式，改變材料整體或表面的組織，從而獲得所需性能的一種工藝方法。熱加保溫冷卻點只改變組織，不特改變形狀和尺寸熱處理工藝曲線時間溫度臨界溫度目的：改善使用和工藝性能基本過程前提：固態(tài)相變3根據(jù)加熱、冷卻方式及鋼組織性能變化特點不同，將熱處理工藝分類如下：其他熱處理普通熱處理表面熱處理熱處理退火正火淬火回火真空熱處理形變熱處理激光熱處理控制氣氛熱處理表面淬火—感應(yīng)加熱、火焰加熱、電接觸加熱等化學(xué)熱處理—滲碳、氮化、碳氮共滲、滲其他元素等4鋼在加熱時，實際轉(zhuǎn)變溫度往往要偏離平衡的臨界溫度，冷卻時也是如此。隨著加熱和冷卻速度的增加，滯后現(xiàn)象將越加嚴重。通常把加熱時的臨界溫度標以字母“C”，如AC1、AC3、ACcm等；把冷卻時的臨界溫度標以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arcm等。加熱和冷卻對臨界轉(zhuǎn)變溫度的影響1.鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度4.2鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變52.奧氏體的形成加熱是熱處理的第一道工序。加熱分兩種：一種是在A1以下加熱，不發(fā)生相變；另一種是在臨界點以上加熱，目的是獲得均勻的奧氏體組織，稱奧氏體化。現(xiàn)以共析鋼為例說明奧氏體的形成過程6奧氏體化也是形核和長大的過程，分為四步：亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體形成過程與共析鋼基本相同,但必須加熱到Ac3（亞共析鋼）或Accm（過共析鋼）以上時才能獲得單一的奧氏體組織。7共析鋼奧氏體化過程83.奧氏體晶粒度及影響因素（1）奧氏體晶粒度晶粒度：表示晶粒大小的尺度。起始晶粒度：珠光體剛剛轉(zhuǎn)變成奧氏體的晶粒大小。實際晶粒度：在某一具體加熱條件下得到的奧氏體晶粒的大小。本質(zhì)晶粒度：反應(yīng)了奧氏體晶粒長大的傾向。根據(jù)本質(zhì)晶粒度的大小分為兩種鋼：9（2）影響奧氏體晶粒度的因素a.

加熱溫度與保溫時間加熱溫度↑或保溫時間↑A實際晶粒度增大時間晶粒面積/μm2加熱溫度和保溫時間對奧氏體晶粒大小的影響10b.

加熱速度加熱速度越快，奧氏體化的實際溫度愈高，奧氏體的形核率大于長大速度，獲得細小的起始晶粒。c.

化學(xué)成分奧氏體中碳含量增高，晶粒長大傾向增大。未溶碳化物則阻礙晶粒長大。

臨界值用鋁脫氧，或加入Nb、Zr、V、Ti等強碳化物或氮化物形成元素，能阻礙晶粒長大。Al、Ti、Zr、V、W、Mo、Cr、Si、Ni、Cu強弱Mn、P使Fe原子擴散加快，促進了晶粒長大。114.3鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變連續(xù)冷卻1.鋼在熱處理時的冷卻方式時間溫度臨界溫度熱加保溫等溫冷卻把加熱到奧氏體狀態(tài)的鋼，以不同的冷卻速度連續(xù)冷卻到室溫。把加熱到奧氏體狀態(tài)的鋼，快速冷卻到低于A1的某一溫度，并等溫停留一段時間，使奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，然后再冷卻到室溫。12研究過冷奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變行為的兩個工具過冷奧氏體等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線(TTT)—C曲線

過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT）處于臨界點A1以下的奧氏體稱過冷奧氏體。過冷奧氏體是非穩(wěn)定組織，遲早要發(fā)生轉(zhuǎn)變。隨過冷度不同，過冷奧氏體將發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變?nèi)N類型轉(zhuǎn)變。132.過冷奧氏體的等溫冷卻轉(zhuǎn)變（1）共析鋼C曲線的建立采用金相硬度法測定試樣準備A化A1以下某一溫度t等溫，計時τ，試樣急速淬入水金相組織觀察和硬度測定同t，不同τ，奧氏體的轉(zhuǎn)變量14650℃600℃550℃350℃A1MSMf時間PSTB上B下MM+A’A→PA→SA→TA→B上A→B下A→M過冷A過冷A過冷A過冷A過冷A“五線四區(qū)三轉(zhuǎn)變”A向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變開始線A向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變終止線A+產(chǎn)物區(qū)產(chǎn)物區(qū)A1～550℃；高溫轉(zhuǎn)變區(qū)；擴散型轉(zhuǎn)變；P轉(zhuǎn)變區(qū)。550～Ms(230℃)；中溫轉(zhuǎn)變區(qū)；半擴散型轉(zhuǎn)變；貝氏體(B)轉(zhuǎn)變區(qū)。Ms～Mf(-50℃)；低溫轉(zhuǎn)變區(qū)；非擴散型轉(zhuǎn)變；馬氏體(M)轉(zhuǎn)變區(qū).穩(wěn)定的奧氏體區(qū)（2）共析鋼C曲線的分析15(a)高溫轉(zhuǎn)變區(qū)：A1和曲線的“鼻尖”550℃之間發(fā)生轉(zhuǎn)變(3)等溫冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能富碳區(qū)貧碳區(qū)珠光體(P)轉(zhuǎn)變鐵素體和滲碳體片層相間的機械混合物

珠光體轉(zhuǎn)變也是形核和長大的過程。滲碳體晶核首先在奧氏體晶界上形成，在長大過程中，其兩側(cè)奧氏體的含碳量下降，促進了鐵素體形核，兩者相間形核并長大，形成一個珠光體團。S8000×T8000×P3800×16珠光體轉(zhuǎn)變17(b)中溫轉(zhuǎn)變區(qū)：曲線的“鼻尖”550℃和Ms230℃之間發(fā)生轉(zhuǎn)變貝氏體(B)轉(zhuǎn)變滲碳體分布在碳過飽和的鐵素體基體上的兩相混合物

組織名稱形成溫度（℃）顯微組織特征硬度（HRC）性能上貝氏體350-550鐵素體呈平行扁平狀，細小滲碳體條斷續(xù)分布在鐵素體之間，在光學(xué)顯微鏡下呈暗灰色羽毛狀特征。40-45綜合性能差（強、塑、韌）下貝氏體230-350鐵素體呈針葉狀，細小碳化物呈點狀分布在鐵素體中，在光學(xué)顯微鏡下呈黑色針葉狀特征。45-55綜合性能好ε上貝氏體下貝氏體18上貝氏體下貝氏體貝氏體組織金相圖19(c)低溫轉(zhuǎn)變區(qū)：Ms230℃以下發(fā)生轉(zhuǎn)變a馬氏體(M)轉(zhuǎn)變碳溶于a-Fe中所形成的過飽和間隙固溶體馬氏體具有體心正方晶格（a=b≠c）軸比c/a稱馬氏體的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸變越嚴重。當＜0.25%C時，c/a=1，此時馬氏體為體心立方晶格.20b馬氏體的形態(tài)馬氏體的形態(tài)分板條和針狀兩類。⑴板條馬氏體立體形態(tài)為細長的扁棒狀，在光鏡下板條馬氏體為一束束的細條組織。C%小于0.2%時，組織幾乎全部是板條馬氏體。⑵針狀馬氏體立體形態(tài)為雙凸透鏡形的片狀。顯微組織為針狀。在電鏡下，亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶，又稱孿晶馬氏體。C%大于1.0%C時幾乎全部是針狀馬氏體21c轉(zhuǎn)變的不完全性A中的C%↑則Ms、Mf↓，殘余A含量↑。MsMfWc(%)

00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0-200-1000100200300400500600700溫度/℃即使冷卻到Mf點，也不可能獲得100%的馬氏體，總有部分奧氏體未能轉(zhuǎn)變，而殘留下來，稱殘余奧氏體，用A’或’表示。含碳量對馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響含碳量對殘余奧氏體量的影響22過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（共析鋼）板狀馬氏體①馬氏體變溫形成，與t保無關(guān)；②馬氏體轉(zhuǎn)變不完全性，鋼中常存在殘余A（性能下降）,常要求淬火T接近Mf“冷處理”.③馬氏體性能與含碳量有關(guān)非擴散型（Fe和C均不擴散）C在α-Fe中的過飽和固溶體（bcc）240～-50M片（針）狀馬氏體馬氏體板狀：低碳鋼中，F(xiàn)和Fe2.4C的復(fù)相組織。片狀：高碳鋼中，復(fù)相組織。F飽和+Fe2.4C350～240B下下貝氏體羽毛狀：在平行密排的過飽和F板條間，不均勻分布短桿（片狀）Fe3C,脆性大，工業(yè)上不應(yīng)用半擴散型（只有C擴散）F飽和+Fe3C550～350B上上貝氏體貝氏體間距：0.03～0.08μm，2000×600～550T屈氏體間距：0.25~0.08μm，1000×650～600S索氏體片層間距：0.25～1.9μm，500×擴散型（Fe和C均擴散）F+Fe3CA1～650P珠光體珠光體特征轉(zhuǎn)變類型相組成轉(zhuǎn)變溫度/℃符號組織名稱233.過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖又稱CCT(Continuous-Cooling-Transformationdiagram)曲線，是通過測定不同冷速下過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變量獲得的。Vk時間(lgτ)溫度℃A1PfPsA+PKMsMf水冷油冷Vk1爐冷空冷24在連續(xù)冷卻過程中TTT曲線的應(yīng)用穩(wěn)定的奧氏體區(qū)時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMfV1V2Vk臨界冷卻速度V3V4V1=5.5℃/s:爐冷;PV2=20℃/s:空冷;SV3=33℃/s:油冷;T+M+A殘V4≥138℃/s:水冷;M+A殘254.4鋼的退火與正火毛坯生產(chǎn)預(yù)備熱處理機械加工最終熱處理機械精加工預(yù)備熱處理:退火正火最終熱處理:淬火回火一般零件生產(chǎn)的工藝路線:261、定義:把鋼件加溫到臨界溫度以上30～50℃,保溫一段時間，然后

隨爐緩慢冷卻下來。2、目的:消除應(yīng)力;降低硬度;細化晶粒;均勻成分;為最終熱處理作好組織準備。4.4.1鋼的退火(Annealing)273、分類√√√28鋼的退火加熱溫度范圍29將鋼加熱到Ac3+30~50℃，保溫一段時間后隨爐緩冷的退火工藝。主要用于亞共析鋼和合金鋼的鑄、鍛、及熱軋型材，也可以用于焊件。(1)完全退火細化晶粒，消除應(yīng)力和組織缺陷，↓硬度，↑塑性。30(2)球化退火將鋼加熱到Ac1+20~30℃，保溫足夠時間后隨爐緩冷或采用等溫退火的冷卻方式。主要適用于過共析鋼及合金工具鋼，如刀具、模具、量具等，目的是為了獲取球狀珠光體，降低這些高碳鋼的硬度，以利于切削。所有的高碳鋼在切削之前一般都要進行球化退火。31(3)去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火又稱低溫退火或高溫回火；把鋼件加熱到Ac1以下，一般500～650℃隨爐冷卻至300～200℃出爐；目的：消除殘余應(yīng)力，防止零件變形或開裂，保證精度。32名稱目的工藝制度組織應(yīng)用完全退火細化晶粒，消除鑄造偏析，降低硬度，提高塑性加熱到AC3＋20～50℃，爐冷至550℃左右空冷

F＋P亞共析鋼的鑄、鍛、軋件，焊接件球化退火降低硬度，改善切削性能，提高塑性韌性，為淬火作組織準備加熱到AC1＋20～40℃，然后緩冷片狀珠光體和網(wǎng)狀滲碳體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罟参?、過共析鋼及合金鋼的鍛件、軋件等擴散退火改善或消除枝晶偏析，使成分均勻化加熱到Tm-100～200℃，先緩冷，后空冷粗大組織（組織嚴重過燒）合金鋼鑄錠及大型鑄鋼件或鑄件再結(jié)晶退火消除加工硬化，提高塑性加熱到再結(jié)晶溫度，再空冷變形晶粒變成細小的等軸晶冷變形加工的制品去應(yīng)力退火消除殘余應(yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性加熱到500～650℃緩冷至200℃空冷無變化鑄、鍛、焊、冷壓件及機加工件常用退火工藝小結(jié)334.4.2鋼的正火

(Normalizing)

正火是將亞共析鋼加熱到Ac3+30~50℃，共析鋼加熱到Ac1+30~50℃，過共析鋼加熱到Accm+30~50℃保溫后空冷的工藝。正火溫度正火的目的⑴對于低、中碳鋼(≤0.6C%)，目的與退火的相同。⑵對于過共析鋼，用于消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火作組織準備。344.5鋼的淬火(Quenching)

淬火是將鋼加熱到Ac1(過共析鋼)或Ac3(亞共析鋼)以上30~50℃，適當保溫，然后以大于臨界冷卻速度Vk快速冷卻的熱處理操作。實質(zhì)是使加熱到奧氏體狀態(tài)的鋼發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。淬火是一種很早就應(yīng)用的熱處理工藝，它的目的是獲得馬氏體或下貝氏體，但主要是馬氏體。從性能上看，它是為了強化材料，提高材料的強度或硬度。35淬火加熱溫度的選擇應(yīng)以得到細而均勻的奧氏體晶粒為原則，以便冷卻后獲得細小的馬氏體組織。亞共析鋼的淬火加熱溫度通常為Ac3以上30～50℃；共析鋼和過共析鋼的淬火加熱溫度通常為Ac1以上30～50℃。

4.5.1淬火加熱溫度的選擇364.5.2淬火介質(zhì)淬火冷卻介質(zhì)選擇的原則：(a)為保證獲得馬氏體組織，要求V冷卻≥V臨界；(b)為保證零件不因淬火應(yīng)力而開裂，要求V冷卻不應(yīng)太大，應(yīng)該選擇合適的冷卻介質(zhì)。水：主要用于形狀簡單、截面較大的碳鋼零件的淬火。油：一般用作合金鋼和某些小型復(fù)雜碳素鋼件的淬火。鹽?。簽榱藴p少零件淬火時的變形，鹽浴也常用作淬火介質(zhì)，主要用于分級淬火和等溫淬火。37

水是最普通、最常用的淬火介質(zhì)。在650～500℃冷速大，但在320～200℃冷速也大。含鹽水溶液是水的改進，和水性能類似。但淬火后表面硬度高、性能均勻、表面光滑。油是另一種特別通用的淬火介質(zhì)。在650～500℃冷速小，但在320～200℃冷速也小。384.5.3淬火方法abcd單液淬火雙液淬火分級淬火等溫淬火溫度時間PBMsAA1Mf394.6鋼的回火(Tempering)回火是指將淬火鋼加熱到Ac1以下的某溫度保溫后冷卻到室溫的熱處理工藝。1、減少或消除淬火內(nèi)應(yīng)力，防止變形或開裂。4.6.1回火的目的40

2、獲得所需要的力學(xué)性能。淬火鋼一般硬度高，脆性大，回火可調(diào)整硬度、韌性。3、穩(wěn)定尺寸。淬火M和A’都是非平衡組織，有自發(fā)向平衡組織轉(zhuǎn)變的傾向。回火可使M與A’轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶饣蚪咏胶獾慕M織，防止使用時變形。未經(jīng)淬火的鋼回火無意義，而淬火鋼不回火在放置使用過程中易變形或開裂。鋼經(jīng)淬火后應(yīng)立即進行回火。414.6.2淬火鋼回火時的組織轉(zhuǎn)變馬氏體分解（100～350℃）

馬氏體中的過飽和碳原子析出，形成碳化物e-Fe2.4C，得到回火馬氏體組織?；鼗餗殘余奧氏體的分解（200～300℃）馬氏體繼續(xù)分解，同時殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)檫^飽和固溶體與碳化物，得到回火馬氏體組織。回火托氏體的形成（250～400℃）馬氏體繼續(xù)分解，碳原子繼續(xù)析出使過飽和α固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體；回火馬氏體中的e-Fe2.4C轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的粒狀滲碳體，得到鐵素體和極細滲碳體的機械混合物，即回火托氏體?；鼗餞滲碳體的聚集長大和a相再結(jié)晶（>400℃）碳化物聚集長大，溫度越高碳化物越大，得到粒狀碳化物與鐵素體的機械混合物，即回火索氏體。

回火S42隨回火溫度的升高，鋼的強度硬度↓，塑性韌性↑431、低溫回火（150～250℃）組織：回火馬氏體目的：1、降低內(nèi)應(yīng)力和脆性2、保持高硬度和高耐磨性用途：刀具、模具、滾動軸承、滲碳件、表面淬火件2、中溫回火（350～500℃）組織：回火托氏體目的：1、較高的強度、硬度，良好的塑性和韌性2、高的彈性極限用途：彈簧、熱鍛模具3、高溫回火（500～650℃）組織：回火索氏體目的：獲得較好的綜合力學(xué)性能用途：汽車、機床等的重要結(jié)構(gòu)零件4.6.3回火的種類及應(yīng)用444.6.4回火脆性

需要指出，有些鋼在250～350℃和470～650℃的范圍內(nèi)回火時，其沖擊韌性比在較低溫度回火時還顯著下降，這種脆化現(xiàn)象稱為回火脆性。在250～400℃回火時出現(xiàn)的脆性稱為低溫回火脆性，又叫第一類回火脆性；而在450～650℃溫度范圍內(nèi)回火時出現(xiàn)的脆性稱為高溫回火脆性，也叫第二類回火脆性。為防止低溫回火脆性，通常的辦法是避免在脆化溫度范圍內(nèi)回火。防止高溫回火脆性的方法是加熱后快冷。

454.7淬火鋼的三大特性淬透性、淬硬性和回火穩(wěn)定性是淬火鋼非常重要的三大特性。淬硬性：指鋼在淬火后能達到最高硬度的能力。它主要取決于鋼的含碳量。4.7.1鋼的淬硬性4.7.2鋼的淬透性淬透性：是指鋼在淬火時所能得到的淬硬層(馬氏體組織占50%處)深度的能力，是鋼材本身固有的屬性。46冷卻速度與工件淬硬深度的關(guān)系4.7.3鋼的回火穩(wěn)定性回火穩(wěn)定性：是指鋼在淬火后的回火過程中抵抗強度、硬度下降的能力。474.8鋼的表面熱處理工藝的核心：使零件具有“外硬內(nèi)韌”的力學(xué)性能，即工件表面硬而耐磨損，心部韌而抗沖擊。表面熱處理：是指僅改變工件表面層組織或同時改變表面層化學(xué)成分的一種熱處理方法。

常用的表面熱處理有表面淬火和化學(xué)熱處理。4.8.1鋼的表面淬火通過快速加熱使鋼的表層奧氏體化，然后急冷，使表層形成馬氏體組織，而心部仍保持原始組織不變。常用的表面淬火方法有火焰加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬火和電接觸加熱表面淬火。48火焰加熱表面淬火是用乙炔－氧或煤氣－氧等火焰快速加熱工件表面，當表面達到淬火溫度后，立即噴水冷卻的一種方法。1、火焰加熱表面淬火淬硬層深度：2～6mm火焰加熱表面淬火示意圖優(yōu)點：方法簡便；無需特殊設(shè)備；適用于單件、小批量生產(chǎn)零件；缺點：需要操作熟練，否則造成質(zhì)量不穩(wěn)定。應(yīng)用：軋鋼機齒輪、軋輥、礦山機械齒輪、軸、機床導(dǎo)軌、齒輪等。492、感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火是利用感應(yīng)電流使零件快速加熱到淬火溫度，然后用水冷卻的一種淬火方法。感應(yīng)加熱表面淬火示意圖高頻感應(yīng)加熱（100~1000kHZ）1~2mm中頻感應(yīng)加熱（0.5~10kHZ）3~5mm工頻感應(yīng)加熱（50HZ）10～15mm優(yōu)點：淬火質(zhì)量好，表層組織細、硬度高、脆性小、生產(chǎn)效率高、便于自動化缺點：設(shè)備昂貴，勞動條件差。503、電接觸加熱表面淬火電接觸加熱表面淬火是利用滾輪或其他接觸器和工件間的接觸電阻通以低電壓的大電流，使工件表面迅速加熱奧氏體化，滾輪移去后靠自身未加熱部分的熱傳導(dǎo)達到激冷淬火(不需回火)。優(yōu)點：設(shè)備及工藝費用低，操作方便，工件變形小，能顯著提高工件的耐磨性及抗擦傷能力缺點：硬化層較薄(0.15~0.30mm)，組織與硬度的均勻性差，形狀復(fù)雜的工件不宜采用。514.8.2鋼的化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理——是將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表面，改變其化學(xué)成分和組織，達到改進表面性能，滿足技術(shù)要求的熱處理過程。

種類：滲碳、氮化、碳氮共滲、滲硼、滲鋁等。作用：提高鋼件表層的耐磨性、耐蝕性、抗氧化性能以及疲勞強度等。

521、滲碳滲碳是將鋼件在滲碳劑中加熱到高溫(900~950

)，保溫促使碳原子滲入鋼件表層，以獲得高碳的表面組織。

目的:獲得具有“表硬里韌”性能的零件。用于承受大的交變接觸應(yīng)力、嚴重磨損和較大沖擊載荷的零件，例如各種齒輪、活塞銷、套筒等。用鋼:低碳鋼和低碳合金鋼。

方法:固體、氣體、液體滲碳。

53氣體滲碳方法:是把鋼件置于密封的加熱爐(一般為井式滲碳爐)中加熱，并滴入氣體滲碳劑(煤油、苯、甲醇等)或通入含碳氣體(CO，CH4，C2H4等)，使工件在高溫的碳氣體中進行滲碳。

氣體滲碳過程：吸附：活性碳原子吸附至工件表面。擴散：碳原子向工件里