第五章鋼熱處理辦法

第五章鋼熱處理辦法鋼的熱處理工藝

鋼的熱處理是把固態(tài)下的鋼，通過加熱、保溫和，使其組織、結構發(fā)生變化，獲得所需機械性能的工藝方法。

熱處理可以是中間工序，也可以是最終工序。熱處理的分類:：形變強化+熱處理普通熱處理表面熱處理形變熱處理退火淬火回火表面淬火化學熱處理火焰加熱感應加熱滲碳滲氮碳氮共滲鋼在加熱時的轉變熱處理的概念:把固態(tài)金屬材料在一定介質中的加熱、保溫和冷卻，以改變其組織和機械性能的一種工藝。鋼在加熱時的組織轉變臨界轉變溫度線

平衡時：A1、A3、Acm加熱時：Ac1、Ac3、Accm

冷卻時：Ar1、Ar3、Arcm奧氏體的形成(PA)1、奧氏體晶粒的形核2、奧氏體晶粒長大3、殘余滲碳體的溶解4、奧氏體的均勻化（Fe、C原子的擴散）晶粒度的測定方法：930±10℃保溫3~8小時(100×)本質粗本質細晶粒大小的表示方法5.1.3.2奧氏體晶粒的長大及其影響因素奧氏體的晶粒度晶粒度起始晶粒度實際晶粒度本質晶粒度影響奧氏體晶粒長大的因素1.加熱溫度

加熱溫度愈高，晶粒長大速度越快，奧氏體晶粒也越粗大，熱處理時必須規(guī)定合適的加熱溫度范圍。2.保溫時間

隨保溫時間的延長，晶粒不斷長大，但隨保溫時間的延長，晶粒長大速度越來越慢，且不會無限制地長大下去。影響奧氏體晶粒長大的因素3.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。生產中常用快速加熱和短時保溫的方法來細化晶粒。4.冶煉和脫氧條件冶煉時用鋁脫氧，使之形成AlN微粒；或加入Nb、Zr、V、Ti等強碳化物形成元素，形成難溶的碳化物顆粒。第二相微粒能阻止奧氏體晶粒長大，在一定溫度下晶粒不易長大；只有當超過一定溫度時，第二相微粒溶入奧氏體后，奧氏體才突然長大。

鋼在冷卻時的組織轉變1．過冷A的等溫轉變

2．過冷A的連續(xù)冷卻轉變5.2.2.過冷奧氏體的等溫轉變（一）、過冷奧氏體含義是指在相變溫度A1線一下，未發(fā)生轉變的而處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體。（二）、共析鋼的等溫轉變曲線圖建立1、建立不同冷卻速度冷卻曲線。2、將過冷奧氏體開始轉變點連接起來3、將過冷奧氏體終止轉變點連接起來，最終形成象英文字母C故又稱“C曲線”又稱TTT曲線

。(T_TemperatureT_TimeT_Transformation)奧氏體等溫轉變曲線C曲線TTT曲線T_TemperatureT_Time

T_Transformation貝氏體轉變

只有C擴散B下B上B馬氏體轉變

非擴散切變M珠光體轉變

Fe、C擴散＞0.4μm＜0.2μm0.4~0.2μmPSTP孕育期最短過冷奧氏體區(qū)奧氏體等溫轉變產物0.5110102103104105MsMf7006005004003002001000-100時間(s)溫度(℃)Ar1過冷奧氏體等溫轉變產物的組織與性能過冷A的等溫轉變過冷A:

溫度<A1時，A不穩(wěn)定。A等溫轉變曲線

(TTT或C曲線)共析鋼的C曲線高溫轉變，A1

~550℃過冷A→P型組織中溫轉變，550℃~MS

過冷A→貝氏體型組織(B=B上+B下

)低溫轉變，MS~Mf

過冷A→馬氏體(M)高溫組織(P型組織)——F+層片狀Fe3C珠光體P

索氏體S

托氏體T層片間距：P>S>T珠光體P，3800×索氏體S8000×托氏體T8000×

高溫組織:AP轉變過程（550℃以上）：

晶格改變和Fe，C原子擴散。中溫組織:（550℃~MS）——C原子擴散，Fe原子不擴散過冷A→貝氏體B（碳化物+含過飽和C的F）B上，550~350℃產物——羽毛狀，小片狀Fe3C分布在F間。B上，強度和韌性差光學顯微照片1300×電子顯微照片5000×45鋼，B上+B下，×400B下，350℃~MS產物B下，韌性高，綜合機械性能好。

F針內定向分布著細小Fe2.4C顆粒電子顯微照片12000×T8鋼，B下，黑色針狀光學顯微照片×400低溫轉變過程:奧氏體向馬氏體的轉變當奧氏體被迅速冷卻到MS-----Mf線之間產生馬氏體板條M,平行的細板條束組成片狀M（凸透鏡狀）亞（過）共析鋼過冷A的等溫轉變圖（等溫冷卻曲線）1、亞共析鋼等溫曲線與共析鋼相比，C曲線左移，且Ms、Mf線向上移動。多出一條過冷AF線。

2、過共析鋼共析鋼相比，C曲線左移，多出一條A

Fe3CⅡ的轉變開始線，且Ms、Mf線上（下）移。影響C曲線形狀和位置的因素1、碳的影響形狀、位置（1）、亞共析鋼含碳量增加奧氏體的穩(wěn)定性增加,“C曲線”向右移動。（2）、過共析鋼含碳量增加奧氏體的穩(wěn)定性減少,“C曲線”動2、合金元素的影響形狀、位置除了Co(使得“C曲線”左移)外，其它大部分金屬元素使奧氏體穩(wěn)定性增加“C曲線”右移，有部分元素如(Cr、Mo、W、V)雙“C曲線”3、加熱溫度和時間

溫度越高，奧氏體成分越均勻，奧氏體晶粒也越大，奧氏體的穩(wěn)定性提高，C曲線向右移動。保溫時間越長，奧氏體成分越均勻，奧氏體晶粒也越大，晶界則減少，奧氏體的穩(wěn)定性提高，C曲線向右移動。過冷A的連續(xù)冷卻轉變1、共析鋼連續(xù)冷卻轉變(CCT)曲線Ps——A’→P開始轉變溫度線。Pf——A’→P終止溫度線。K——P型轉變終止線。Vk——臨界冷卻速度。MS——A’→M開始轉變溫度線。Mf

——A’→M終止轉變溫度線。

2、M馬氏體的轉變Vk馬氏體臨界冷卻速度：是鋼在淬火時獲得馬氏體的最小冷卻速度，（P50）或為抑制非馬氏體轉變所需要的最小冷卻速度。馬氏體的轉變(1)、馬氏體的含義：碳在α—Fe鐵中的過飽和的固溶體。(2)、馬氏體轉變的特點：（A）、馬氏體的轉變是無擴散型轉變，轉變前后的碳濃度沒改變。（B）、馬氏體的含碳量過高，使得晶格產生畸變，含碳量越高變形越大。因此可導致工件產生內應力，使工件變形和開裂。（C）、殘余奧氏體存在及其的原因?馬氏體形成時伴隨體積的膨脹對尚未轉變的奧氏體產生多向壓應力，抑制奧氏體的轉變。?鋼的Mf點大多低于室溫，在正常淬火的條件下，必然會存在殘余奧氏體，殘余奧氏體的存在會使鋼的硬度和耐磨性下降，在工件使用一段時間后殘余奧氏體繼續(xù)轉變成馬氏體，這樣使工件尺寸發(fā)生變化馬氏體（M）轉變特點

（D）、瞬時性

M的形成速度很快，

溫度↓則轉變量↑（E）、殘余奧氏體與碳質量關系?鋼的含碳量越高，殘余奧氏體量越大。馬氏體轉變：非擴散相變，Ms以下,A→M馬氏體__碳在—Fe中過飽和的固溶體c/a>1稱為馬氏體的正方度含碳量高，正方度大3、馬氏體的組織形式馬氏體的形態(tài)：板條狀；片狀馬氏體的形態(tài)與含碳量有關：（1）、含碳量低淬火后的馬氏體幾乎都是板條狀（2）、含碳量高淬火后的馬氏體一般都是片狀（3）、不高不低的是板條狀和片狀混合組織低碳(<0.2%)馬氏體：板條狀__高的強韌性高碳(>1.0%)馬氏體：片狀__硬而脆M的形態(tài)照片C%<0.25%時，為板條M（低碳M）。

C%>1.0%時，為針狀M。C%=0.25~1.0%時，為混合M。Fe-1.8C，冷至-100℃Fe-1.8C，冷至-60℃M的性能WC%↑→M硬度↑片狀M硬度高，塑韌性差。板條M強度高，塑韌性較好。板條M,平行的細板條束組成片狀M（凸透鏡狀）含碳量對馬氏體硬度的影響1、CCT和TTT曲線的位置不同CCT位于TTT曲線右下方2、CCT中沒有A’→B轉變，產物有時很復雜不只是一種類型，有時幾種組織混合在一起。3、CCT與C曲線有區(qū)別，但從本質上是一致的。等溫轉變曲線與連續(xù)冷卻轉變曲線比較過冷奧氏體等溫轉變曲線

在連續(xù)冷卻中的應用V1---爐冷A→PV2---空冷A→SV3---油淬A→T+M+A/V4---水冷A→M＋A/Vk---臨界冷卻速度PSMT5.3鋼的普通熱處理1．退火2．正火3．淬火4．回火一、退火（一）、退火：是將鋼件加熱至所需要的溫度，保溫一定時間，然后隨爐或埋入導熱性較差的介質中緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。（二）、目的：細化晶粒、均勻化組織、降低硬度、提高切削性能，韌性↑消除應力。（三）、各種的退火的含義1、完全退火：是將鐵碳合金完全奧氏體化，隨之緩慢冷卻的退火工藝。其工藝過程是：將鋼件加熱至Ac3以上30-50℃，保溫一定時間后，隨爐或埋入石灰中緩慢冷卻。2、等溫退火：等溫退火與完全退火加熱的溫度完全相同，只是冷卻方式不同，等溫退火的冷卻速度較快，并很快就到A1以下某一溫度，保溫一定時間使A轉變成珠光體組織。然后空冷3、球化退火：是為使鋼中碳化物球狀化而進行的退火工藝。其工藝過程是：將鋼件加熱至Ac1以上20-30℃，保溫較長時間后，緩慢冷卻至Ar1以下20℃左右，等溫一段時間，再隨爐冷卻至500℃左右出爐，空冷至室溫。4、去應力退火：及去應力退火。是為去除鑄件內存在的殘余應力，以及由于塑性形變加工、焊接等造成的殘余應力而進行的退火，其工藝過程是:將鋼件加熱至AC1以下某一溫度,保溫一定時間后緩慢冷卻。5、均勻化退火:是將鋼加熱到略低于固相線溫度(AC3或ACCM以上150-300度)長時間保溫(10-15小時)然后隨爐冷卻,以使鋼的化學成分和組織均勻化。6、再結晶退火：是一種低溫退火。其工藝過程是：將鋼件加熱至再結晶溫度以上150-250℃，保溫適當時間后空冷。（四）、退火后組織、退火溫度及目的（一、）退火：加熱、保溫后，緩冷(爐冷)→接近平衡組織P

（+F或Fe3CII

）1、完全退火（亞共析鋼）

加熱溫度到，保溫后

Ac3

+

20～30℃，緩冷→F

+P

目的：細化晶粒，消除過熱組織，降低硬度和改善切削性能。2、等溫退火：快速冷卻到Ar1線以下，在等溫轉變→F

+P，再空冷目的：細化晶粒，消除過熱組織，降低硬度和改善切削性能。3、球化退火：（過共析鋼）在Ac１+

20～30℃等溫，使

Fe3CⅡ球化，再緩冷→

（

P

+球狀Fe3C）目的：滲碳體球化，降低硬度和改善切削性能，為后續(xù)熱處理做準備。（四）、退火后組織、及退火溫度及目的4、均勻化退火：加熱至略低于固相線（AC3

或ACCm以上150-300℃）。

組織：亞共析鋼為（P+F），過共析鋼（P+Fe3CII

），共析鋼：P。目的：使成分、組織均勻。5、去應力退火：加熱溫度＜Ac1，一般為500～650℃組織：沒有相變，原有組織。目的：消除冷熱加工后的內應力（熱加工：焊接、鑄造）。6、再結晶退火：加熱溫度TR+30～50℃組織：沒有相變，原有組織。目的：消除加工硬化。

（五）、鋼的退火加熱溫度范圍SGP500~650℃二．正火應用：1)鋼的最終熱處理細化晶粒，組織均勻化，增加亞共析鋼中

S%→強度、韌性、硬度↑2)預先熱處理——淬火、球化退火前改善組織。3)增加低碳鋼的硬度，以改善切削加工性能。加熱溫度

AC3

(Accm)

+30～50℃，空冷→S（+F或Fe3CII）正火：是將鋼件加熱至AC3或ACcm以上30--50℃，保溫一定時間后出爐，在靜止的空氣中冷卻的熱處理工藝。三．淬火（蘸火）淬火：將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上30—50℃，保溫一定時間后放在冷卻介質以大于Vk冷卻獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。淬火的目的：獲得高硬度的馬氏體組織和下貝氏體組織，以提高鋼的硬度和耐磨性以及綜合力學性能。常用于各種刃具、量具、模具和軸承等淬火溫度：亞共析鋼：Ac3+30～50℃→M+F+A‘，硬度小。2)過共析鋼：Ac1+30～50℃，→M+Fe3CII+A'，硬度大。3）共析鋼：Ac1+30～50℃→M+A‘，硬度中。冷卻介質：

冷卻速度：

鹽水

＞

水

＞

鹽浴

；堿?。?/p>

油淬火方法1、單介質淬火：水、油冷2、雙介質淬火：水冷+油冷3、分級淬火：用大于VK速度快速冷卻溫度＞Ms鹽浴中保溫＋空冷4、等溫淬火：用大于VK速度快速冷卻溫度，在鹽、堿浴中保溫足夠時間獲得→

B下。5、局部淬火6、冷處理總結：淬火溫度低→M細小，淬火應力小。淬火后工件表面與心部的區(qū)別a)單液淬火b)雙液淬火c)分級淬火d)等溫淬火四、鋼的

淬透性（一）、淬透性：淬火時得到M的能力。（取決于臨界冷卻速度VK。）(a)完全淬透(b)淬透較大厚度(c)淬透較小厚度

淬透性不同的鋼淬火后力學性能的比較合金元素：使C曲線右移，降低vk，提高鋼的淬透性。是影響淬透性的最主要因素。含碳量：碳鋼中的含碳量愈接近共析成分，其C曲線愈靠右。vk愈小，淬透性越好。奧氏體化的溫度：提高奧氏體化溫度，將使奧氏體晶粒長大，成分均勻化，從而減少珠光體的形核率，降低鋼的vk，增大其淬透性。（二）影響淬透性的因素(vK)（三）淬透性的應用：淬透性的應用：1、按載荷，選擇不同淬透性的材料。2、重要的零件內外一致，因此淬透要好些，對表面要求高的或抗彎的零件，對淬透性要求低些3、淬硬性：淬火后獲得的獲得達到最高硬度。（取決于M含碳量C%↑→淬硬性↑。）。4、有效淬硬深度與淬透性的區(qū)別：（1）、淬透性是鋼本身固有的屬性（2）、有效淬硬深度與工件的形狀、尺寸和冷卻介質不同而異，同一種鋼，同一個淬透性，不同的形狀、尺寸冷卻介質有效淬硬深度是不同的。它取決于淬透性和工件形狀、尺寸及冷卻介質外界因素。

鋼經過淬火后的鋼必須

回火?。?！回火概念：是將淬火后的鋼件加熱至Ac1以下某一溫度,保溫一定時間后置于空氣、水或油中冷卻的熱處理工藝。回火目的：減少內應力，防止工件開裂，降低脆性，調整硬度，提高塑性、韌性，穩(wěn)定工件尺寸?；鼗鸸に嚕杭訜嶂罙c1以下保溫后，以不同的方式冷卻四、回火（一）、鋼回火后的組織轉變過程馬氏體分解第一階段：（80～200℃）在溫度生高時，馬氏體內的過飽和碳原子，以ε炭化物的形式析出，使得馬氏體的過飽和度下降，ε炭化物是彌散分布，彌散度極高的片狀組織，這種馬氏體稱回火M(低過飽和MH＋ε-Fe2.4C)。第二階段：（200-300℃

）馬氏體繼續(xù)分解，降低了對殘余奧氏體壓力，殘余奧氏體就開始轉變?yōu)橄仑愂象w。這時的組織是下貝氏體加回火馬氏體加鐵素體（F+B下+MH）第三階段（300-400℃

）馬氏體分解完成和滲碳體形成，這時的馬氏體幾乎全部轉變完畢，所有的碳原子析出，ε炭化物逐步轉變成細球狀滲碳體，馬氏體轉變成針狀鐵素體，它的組織是細球狀滲碳+針狀的鐵素體稱回火托氏體TH第四階段：（400℃以上）滲碳體的聚集長大和鐵素體相再結晶，當溫度高于500℃時，形成塊狀鐵素體與球狀的滲碳體混合組織，這種組織稱回火索氏體SH。第五階段：（600℃）滲碳體成為粒狀Fe3C，粗化不同階段的力學性能：第一階段回火馬氏體：韌性改善，硬度略有變化。第二階段硬度降低不明顯，因為殘余奧氏體分解引起的硬度回升。第三階段回火托氏體強度、硬度下降，應力消除，塑性、韌性提高。第四階段回火索氏體鋼的硬度、強度不斷下降，塑性、韌性明顯改善。（這里指的強度、硬度下降是指與馬氏體的強度、硬度相比。）鋼回火后的組織轉變過程回火鋼的組織和性能轉變回火產物的組織形態(tài)回火M×400

回火T×7500回火S×7500M低倍

T×1000

S×1000

（二）回火的分類及其應用低溫回火（150～250℃）→回火MH(薄片狀MH+彌散狀ε-Fe2.4C)+A‘。力學性能：淬火應力↓，韌性↑，保持淬火后的高硬度。用于：高C鋼、工具鋼、模具鋼、滾動軸承、滲碳或表面淬火的零件等。中溫回火（350～500℃）→回火TH(針狀F+極細粒狀Fe3C)

力學性能：彈性極限和屈服強度↑，韌性和硬度中等。用于：彈簧和彈性元件等。高溫回火（500～650℃）→回火SH(等軸狀F+粒狀Fe3C)

力學性能：綜合機械性能最好,即強度、塑性和韌性都較好。用于：重要零件和重要的結構件。調質處理——淬火+高溫回火，同上。鋼的表面熱處理（表面淬火）表面淬火：不改變心部組織，利用快速加熱將表層A化后進行淬火。目的：提高表面硬度，保持心部良好的塑韌性。感應加熱表面淬火：交變磁場→感應表面電流→表面加熱特點：1)加熱速度快，晶粒度小，硬度↑，脆性↓2)表層殘余壓應力→提高疲勞強度3)不易氧化、脫碳、變形小。4)加熱溫度和淬硬層厚度容易控制?；鹧婕訜岜砻娲慊穑海ㄒ胰玻醯然鹧妫┰O備簡單，但生產率低。5.4.2概述化學熱處理：

將金屬或合金工件置于一定溫度的活性介質中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其表面化學成分、組織和性能的熱處理工藝?；瘜W熱處理的主要特點是：

表層不僅有組織的變化，而且有成分的變化，故性能改變的幅度大。其主要作用是強化和保護金屬表面。分類：——滲C、N化、CN共滲、滲硼、滲鉻、滲Al等。鋼的滲C——氣體、固體滲

C低C鋼在高C介質中加熱到900～950℃、保溫→高碳表層（約1.0%）目的：表面硬度，耐磨性↑，心部保持一定的強度和塑韌性。滲碳后的的熱處理

淬火：直接淬火——晶粒粗大，殘余A多，耐磨性低，變形大。一次淬火——加熱溫度Ac3以上（心部性能↑）或Ac1以上（表面性能↑）二次淬火——Ac3以上（心部性能↑）+Ac1以上（表面性能↑）低溫回火：150～200℃，消除淬火應力，提高韌性。鋼的氮化

工件表面滲入N原子，以提高硬度、耐磨性，疲勞強度和耐蝕性。氮化溫度低(500～600℃)，時間長（20～50h），滲層薄。氮化前調質處理、氮化后無須淬火。氣體氮碳共滲（氣體軟氮化）在氣體介質中對工件同時滲入氮和碳，并以滲氮為主的化學熱處理工藝稱為氣體氮碳共滲。目前氮碳共滲已廣泛應用于模具、量具、高速鋼刀具、曲軸、齒輪、氣缸套等耐磨件的處理，但由于表層碳氮化合物層太薄，僅有0.01~0.02mm，不宜用于重載條件下。尿素分解(NH2)2CO→CO+2H2+2[N]2CO→CO2+[C]氣體碳氮共滲在氣體介質中將碳和氮同時滲入工件表層并以滲碳為主的化學熱處理工藝稱為氣體碳氮共滲。提高工件表面硬度、耐磨性和疲勞強度。常用于處理汽車、機床的各種齒輪、蝸輪、蝸桿和軸類零件(20CrMnTi)。CH4+NH3→HCN+3H2CO+NH3→HCN+H2O2HCN→H2+2[C]+2[N]§6熱處理工藝的應用一、熱處理的技術條件2、熱處理工藝代號標記規(guī)定如下：1、設計人員提出熱處理要求（1）、熱處理的方法。（2）、熱處理后的力學性能。（3）、重要零件應標出：硬度、強度、塑性、韌性或金相組織。二、熱處理工序位置的確定1、確定熱處理工序位置例如：書P632、熱處理工序位置確定的一般規(guī)律（1）預備熱處理的工序位置（2）最終熱處理工序位置的確定三、熱處理零件結構的工藝性

§6熱處理工藝的應用過熱、開裂R≥0.6mm1、零件必須一定的過渡圓弧2、零件外形盡量簡單、壁后均勻

§6熱處理工藝的應用開孔、通孔3、零件外形力求對稱，減小變形或有規(guī)律

§6熱處理工藝應用減小熱處理變形4、零件采用組合結構或鑲拼結構

§6鋼的熱處理對零件結構設計的要求當結構復雜或要求

不同的熱處理方式時小結重點要求1.A等溫冷卻曲線，轉變溫度與轉變產物的組織形態(tài)、性能間的關系。2.A連續(xù)冷卻轉變曲線的特點，冷卻速度對組織和性能的影響。3.四種常規(guī)熱處理的目的、工藝特點及應用。一般要求1.A晶粒長大的影響因素及控制方法。

2.非共析鋼C曲線的特點；淬透性的概念。

3.鋼的表面淬火；化學熱處理。4.鋼的熱處理對零件結構設計的要求“

鋼的熱處理”練習題1.共析鋼加熱到相變點以上，用圖1的冷卻曲線冷卻，各應得到什么組織？各屬于何種熱處理方法？ （工程材料習題與輔導，P14，第26題）2.T12鋼加熱到Ac1以上，用圖2的各種方法冷卻，分析其所得到的組織。 （舊版工程材料習題與輔導，P23，第22題）3.殘余奧氏體對鋼淬火后的性能有何影響？用什么方法可以減少殘余奧氏體的數量？[思考題]1.淬硬性和淬透性有什么不同？決定淬硬性和淬透性的因素是什么？2.淬火內應力是怎樣產生的？它與哪些因素有關？“

鋼的熱處理”練習題1．將Ф5mm的T8鋼加熱至760℃并保溫足夠時間，問采用什么樣的冷卻工藝可得到如下組織：珠光體，索氏體，托氏體，上貝氏體，下貝氏體，托氏體+馬氏體，馬氏體+少量殘余奧氏體；請畫出C曲線并在其上描繪出工藝曲線示意圖。2.指出下列零件的鍛造毛坯進行正火的主要目的及正火后的顯微組織：⑴20鋼齒輪；⑵45鋼小軸；⑶T12鋼銼刀。3．生產中常用增加鋼中珠光體量的方法來提高來亞共析鋼的強度，問用何種熱處理工藝？為什么？4．比較45鋼分別加熱到700℃、750℃和840℃水冷后硬度值的高低，并說明原因。習題5．某一用45鋼制的零件，其加工路線如下：備料→鍛