機(jī)械制造基礎(chǔ)- 課件 第四章 鋼的熱處理

熱處理的概念將固態(tài)鋼材采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得所需組織與性能的工藝。熱處理的目的（1）提高鋼的力學(xué)性能（2）改善鋼的工藝性能熱處理的理論依據(jù)：鐵碳相圖熱處理分類(lèi)對(duì)于加熱：非平衡條件下的相變溫度高于平衡條件下的相變溫度；對(duì)于冷卻：非平衡條件下的相變溫度低于平衡條件下的相變溫度。加熱與冷卻速度越大，溫度提高與下降的幅度就越大。實(shí)際相變溫度與理論轉(zhuǎn)變溫度之間的關(guān)系一、相變溫度二、奧氏體的形成過(guò)程共析鋼亞共析鋼和過(guò)共析鋼與共析鋼的區(qū)別是有先共析相。其奧氏體的形成過(guò)程是先完成珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，然后再進(jìn)行先共析相的溶解。這個(gè)P→A的轉(zhuǎn)變過(guò)程同共析鋼相同，也是經(jīng)過(guò)前面的四個(gè)階段。亞共析鋼的加熱過(guò)程：過(guò)共析鋼的加熱過(guò)程：

三、影響奧氏體形成速度的因素1.加熱速度的影響加熱速度越快，奧氏體化溫度越高，原子擴(kuò)散速度也加快，提高形核與長(zhǎng)大的速度，從而加快奧氏體的形成。2.化學(xué)成分的影響鋼中含碳量增加，碳化物數(shù)量相應(yīng)增多，F(xiàn)和Fe3C的相界面增多，奧氏體晶核數(shù)增多，其轉(zhuǎn)變速度加快。合金元素能改變鋼的臨界點(diǎn)，并影響碳的擴(kuò)散速度，且它自身也存在擴(kuò)散和重新分布的過(guò)程，所以合金鋼的奧氏體形成速度一般比碳鋼慢。3.原始組織的影響鋼中原始珠光體越細(xì)，其片間距越小，相界面越多，越有利于形核，同時(shí)由于片間距小，碳原子的擴(kuò)散距離小，擴(kuò)散速度加快，導(dǎo)致奧氏體形成速度加快。四.奧氏體晶粒度及對(duì)力學(xué)性能的影響奧氏體晶粒度起始晶粒度:珠光體剛剛轉(zhuǎn)變成奧氏體的晶粒大小。實(shí)際晶粒度:熱處理后所獲得的奧氏體晶粒的大小。本質(zhì)晶粒度:度量鋼本身晶粒在930℃以下,隨溫度升高,晶粒長(zhǎng)大的程度。奧氏體晶粒大小對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響奧氏體晶粒均勻細(xì)小,熱處理后鋼的力學(xué)性能提高。粗大的奧氏體晶粒在淬火時(shí)容易引起工件產(chǎn)生較大的變形甚至開(kāi)裂。奧氏體晶粒大小的控制加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，奧氏體晶粒越粗大。加熱速度越快，過(guò)熱度越大，奧氏體實(shí)際形成溫度越高，可獲得細(xì)小的起始晶粒。鋼的化學(xué)成分碳全部溶于奧氏體時(shí)，隨奧氏體中含碳量的增加，晶粒長(zhǎng)大傾向增大。合金元素Ti、Zr、V、Nb、Al等，當(dāng)其形成彌散穩(wěn)定的碳化物和氮化物時(shí)，由于分布在晶界上，因而阻礙晶界的遷，阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，有利于得到細(xì)晶粒鋼。Mn和P是促進(jìn)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的元素。過(guò)冷奧氏體：高溫時(shí)所形成的奧氏體冷卻到A1點(diǎn)以下尚未發(fā)生轉(zhuǎn)變的奧氏體。冷卻方式：TTT曲線(C曲線)T---timeT---temperatureT---transformation一、共析鋼TTT曲線的建立二、過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物的組織和性能珠光體型轉(zhuǎn)變－Fe、C的擴(kuò)散性相變(A1～550℃):A1～650℃:P;片間距為0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:細(xì)片狀P→索氏體(S);片間距為0.2～0.4μm(1000×);600～550℃:極細(xì)片狀P→屈氏體(T);片間距為＜0.2μm(電鏡);珠光體型轉(zhuǎn)變示意圖珠光體索氏體屈氏體二、過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物的組織和性能2.貝氏體型轉(zhuǎn)變－半擴(kuò)散相變(550～230℃)550～350℃形成上貝氏體，組織為過(guò)飽和片狀F＋滲碳體，呈羽毛狀，性脆無(wú)實(shí)用價(jià)值。350～230℃形成下貝氏體，組織為過(guò)飽和針狀F＋彌散碳化物，呈針片狀，綜合性能好。上貝氏體下貝氏體過(guò)飽和片狀F＋滲碳體過(guò)飽和針狀F＋彌散碳化物馬氏體轉(zhuǎn)變－非擴(kuò)散相變，Ms以下,A→M1)當(dāng)冷卻V>VK

，且過(guò)冷到MS線以下，過(guò)冷A→M，γ—Fe→α—Fe，過(guò)飽和的碳來(lái)不及以滲碳體形式自α—Fe中析出，而很快由A直接轉(zhuǎn)變成碳在α—Fe中過(guò)飽和固溶體，這就稱(chēng)為馬氏體（M）。2)轉(zhuǎn)變特點(diǎn):在一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)冷卻完成;轉(zhuǎn)變速度極快,即瞬間形核與長(zhǎng)大;無(wú)擴(kuò)散轉(zhuǎn)變(Fe、C原子均不擴(kuò)散),M與原A的成分相同。轉(zhuǎn)變不完全性,QM=f(T)奧氏體含碳量對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響奧氏體含碳量對(duì)殘余奧氏體量的影響馬氏體晶格示意圖（圖中Ｃ原子為可能出現(xiàn)的位置）c/a>1稱(chēng)為馬氏體的正方度，含碳量高，正方度大。M的形態(tài)主要有兩種：板條狀M——含C低，高的強(qiáng)韌性。(C%<0.3%時(shí)完全片狀M)針片狀M——含C高，硬而脆。(C%>1%時(shí)完全板條M）

鋼中含碳量越高，淬火組織中片狀M就越多，板條狀M就越少。針片狀M板條狀M亞共析鋼的TTT曲線過(guò)共析鋼的TTT曲線影響C曲線形狀與位置的因素影響C曲線的主要因素是奧氏體的成分和奧氏體化條件。含碳量的影響共析鋼的過(guò)冷奧氏體最穩(wěn)定，C曲線最靠右。由共析鋼成分開(kāi)始，含碳量增加或減少都使C曲線左移。與共析鋼相比，亞共析鋼和過(guò)共析鋼C曲線的上部還各多一條先共析相的析出線，合金元素的影響除Co外，凡溶入奧氏體的合金元素都使C曲線右移。碳化物形成元素含量較多時(shí)，還會(huì)使C曲線的形狀發(fā)生變化，奧氏體化條件的影響奧氏體化溫度提高和保溫時(shí)間延長(zhǎng)，使奧氏體成分均勻、晶粒粗大、未溶碳化物減少，增加了過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移。三.過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變CCT曲線

Continuous、

Cooling、

TransformationV1=5.5℃/sV2=20℃/sV3=33℃/sV4≥138℃/s一般零件生產(chǎn)的工藝路線:一、鋼的退火定義:將金屬緩慢加熱到一定溫度，保溫足夠時(shí)間，然后以適宜速度冷卻(通常是緩慢冷卻)的一種金屬熱處理工藝。目的:使經(jīng)過(guò)鑄造、鍛軋、焊接或切削加工的材料或工件消除內(nèi)應(yīng)力；降低硬度;細(xì)化晶粒；均勻成分；為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備。擴(kuò)散退火（均勻化退火）擴(kuò)散退火是將工件加熱到略低于固相線的溫度（Ac3或Accm以上150~300℃

），長(zhǎng)時(shí)間（10～15小時(shí)）保溫，然后隨爐緩慢冷卻到室溫。目的：使合金中的元素發(fā)生固態(tài)擴(kuò)散，使鋼的化學(xué)成分和組織均勻化。退火溫度所以如此之高，是為了加快合金元素?cái)U(kuò)散，盡可能縮短保溫時(shí)間。為細(xì)化晶粒，后應(yīng)進(jìn)行完全退火或正火。主要用于質(zhì)量要求高的合金鋼鑄錠、鑄件或鍛坯。完全退火完全退火是將鋼件或鋼材加熱到Ac3+30～50℃，經(jīng)完全奧氏體化后進(jìn)行隨爐緩慢冷卻，以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。完全退火主要用于亞共析鋼，一般是中碳鋼及低、中碳合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件、鑄件及熱軋型材，有時(shí)也用于它們的焊接構(gòu)件。完全退火不適用于過(guò)共析鋼，因?yàn)檫^(guò)共析鋼完全退火需加熱到Accm以上，在緩慢冷卻時(shí)，滲碳體呈網(wǎng)狀分布，導(dǎo)致材料脆性增大。目的：細(xì)化晶粒，降低硬度和改善切削加工性能。等溫退火等溫退火是將鋼加熱到Ac3（亞共析鋼）或Ac1（共析鋼和過(guò)共析鋼）以上某一溫度，保溫一段時(shí)間,使鋼奧氏體化,然后迅速移入溫度在A1以下的另一爐內(nèi)，等溫保持直到奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w為止，然后出爐空冷。目的：與完全退火基本相同，采用等溫退火則能大大縮短生產(chǎn)周期，并能使整個(gè)工件獲得更為均勻的組織和性能。球化退火

球化退火是將鋼加熱至Ac1以上20~40℃，充分保溫后隨爐冷卻到600℃以下出爐空冷。目的：使珠光體內(nèi)的片狀滲碳體以及先共析滲碳體都變?yōu)榍蛄顫B碳體，均勻分布于鐵素體基體中(這種組織稱(chēng)為球化珠光體)。以降低鋼的硬度，改善可加工性。適用于過(guò)共析鋼。

再結(jié)晶退火：應(yīng)用：經(jīng)過(guò)冷變形加工的金屬目的：為使金屬內(nèi)部組織變?yōu)榧?xì)小的等軸晶粒，消除形變硬化，恢復(fù)金屬或合金的塑性和形變能力。去應(yīng)力退火：

將工件緩慢加熱到Ac1以下某一溫度（鋼是500～650℃），保溫一段時(shí)間,然后隨爐冷卻。

目的：消除鑄、鍛、焊件和冷沖壓件的殘余應(yīng)力。去應(yīng)力退火過(guò)程中不發(fā)生組織的轉(zhuǎn)變。

消除內(nèi)應(yīng)力500～650℃去應(yīng)力退火消除加工硬化TR+30～50℃再結(jié)晶退火過(guò)共析鋼①使Fe3C球化→HRC↓，韌性↑，切削性↑②為淬火作組織準(zhǔn)備Ac1+20～30℃球化退火亞共折鋼①細(xì)化晶粒，均勻化組織②降低硬度→切削性↑③消除內(nèi)應(yīng)力Ac3+30～50℃完全退火高合金鋼均勻鋼內(nèi)部的化學(xué)成分略低于固相線擴(kuò)散退火適用鋼種退火目的加熱溫度退火工藝二、鋼的正火正火是將鋼加熱到Ac3以上30～50℃（亞共析鋼）或Accm以上30～50℃（過(guò)共析鋼），保溫后空冷的熱處理工藝。正火與退火的不同點(diǎn)：正火冷卻速度比退火冷卻速度稍快，組織比退火組織更細(xì)一些，強(qiáng)度和硬度也稍高。另外，正火爐外冷卻不占用設(shè)備，生產(chǎn)率較高，因此生產(chǎn)中盡可能采用正火來(lái)代替退火。應(yīng)用:1.預(yù)備熱處理:調(diào)整低、中碳鋼的硬度;消除過(guò)共析鋼中的Fe3CⅡ。2.最終熱處理:用于力學(xué)性能要求不高的普通零件。一、鋼的淬火鋼的淬火:將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過(guò)共析鋼）以上某一溫度，保溫一段時(shí)間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等溫）進(jìn)行馬氏體（或貝氏體）轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。淬火的目的:使過(guò)冷奧氏體進(jìn)行馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變，得到馬氏體或貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，從而滿(mǎn)足各種機(jī)械零件和工具的不同使用要求。

熱處理后的組織:

M+Fe3C+A殘

Ac1+30～50過(guò)共析鋼M+A殘Ac1+30～50

共析鋼M+A殘

Ac3+30～50亞共析鋼Wc＞0.5%MAc3+30～50亞共析鋼Wc≤0.5%

最終組織淬火溫度(℃)

鋼種淬火方法示意圖淬火方法單液淬火：直冷，簡(jiǎn)單易操作。雙液淬火：先快后慢，降低組織應(yīng)力。分級(jí)淬火：快-恒-快，降低熱應(yīng)力與組織應(yīng)力。等溫淬火：得到B下（工模具、彈簧）。局部淬火：量具等的局部區(qū)域。冷處理：-70～-80℃，降低A殘%，穩(wěn)定尺寸?？ㄒ?guī)局部淬火鋼的淬透性

淬透性：是指鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體組織深度的能力。主要受奧氏體中的碳含量和合金元素的影響。鋼材淬透性好與差，常用有效淬硬層深度來(lái)表示。淬硬層深度越大，則鋼的淬透性越好。淬硬層一般規(guī)定為工件表面至半馬氏體（馬氏體量占50%）之間的區(qū)域，它的深度叫有效淬硬層深度。

影響因素:主要是臨界淬火冷卻速度VK

的大小,VK

越小,鋼的淬透性越大。鋼的淬透性好、C曲線右移、臨界淬火冷卻速度VK小、奧氏體穩(wěn)定性增加等本質(zhì)上都是一回事。鋼的淬透性示意圖淬硬性：是指鋼淬火后獲得的馬氏體組織所能達(dá)到的最高硬度。鋼的淬硬性主要決定于馬氏體的含碳量，即取決于淬火前奧氏體的含碳量。注意：淬硬性與淬透性之間沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，淬透性好的鋼其淬硬性不一定高。二、鋼的回火定義：將淬火鋼重新加熱到AC1點(diǎn)以下某一溫度，保溫后冷卻到室溫的熱處理工藝。回火的目的:改變強(qiáng)度、硬度高，塑性、韌性差的淬火組織。使不穩(wěn)定的淬火組織M和殘余A轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定組織，保證工件不再發(fā)生形狀和尺寸的改變。消除淬火內(nèi)應(yīng)力，防止進(jìn)一步變形、開(kāi)裂。鋼淬火后都必須進(jìn)行回火處理，回火決定了鋼在使用狀態(tài)的組織和壽命。淬火鋼回火時(shí)組織和性能的變化馬氏體分解（80～200℃）組織：回火M(低過(guò)飽和M＋ε碳化物)殘余奧氏體的分解（200～300℃）

A殘B下組織：B下+回火M碳化物的轉(zhuǎn)變（300～400℃）

ε碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3C組織：回火T（針狀F+細(xì)球狀Fe3C）固溶體再結(jié)晶和滲碳體的聚集長(zhǎng)大（>400℃）組織：回火S

（塊狀F+球狀Fe3C），600℃后粗化回火的分類(lèi)及應(yīng)用注：生產(chǎn)上將淬火+高溫回火稱(chēng)為“調(diào)質(zhì)處理”。

回火馬氏