钢的热处理.docx
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钢的热处理
第五章钢的热处理
教学目的：
掌握钢的热处理原理及常用热处理工艺；熟悉钢的淬透性及其对零件
机械性能的影响；了解常用热处理设备的特点。
本章重点：
1、奥氏体的形成
2、过冷奥氏体的转变
3、C曲线的建立与应用
4、钢的退火、正火、淬火、回火、表面淬火、化学热处理
5、钢的淬透性
本章难点：
1、奥氏体的形成
2、过冷奥氏体的转变
参考文献:
1、戴起勋，金属材料学，化学工业出版社，2005
2、史美堂，金属材料及热处理，上海科学技术出版社，2001
3、史美堂，金属材料及热处理习题集与实验指导书，上海科学技术出版社，1997
专业词汇:
austenite;spheroidizingannealing;inherentgrainsize;retainedaustenite;
quenching;hardenability;quenchingmedium;continuouscooling
transformationcurve;upperbainite;lowerbainite;sorbite;practical
grainsize;diffusiontransformation;diffusionannealing;ledeburite;
subercriticalquenching;normalizing;completeannealing;Widmanstatten
structure;cryogenictreatment;isothermalquenching;isothermal
annealing;secondaryhardening;brokenquenching;marquenching;
tempering;temperedmartensite;temperingembrittlement;tempered
sorbite;temperedtroostite;troostite;martensitestartingpoint;granular
pearlite;nitriding;temperingresistance;inductionheatsurfacehardening;
flamesurfacehardening;glowdischargenitriding;carbonitriding;
概论
热处理工艺是提高材料性能的最简单的途径
一、热处理的概念
通过对材料进行加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，以获
得所需性能的一种工艺。
二、热处理的分类
热处理：
普通热处理：
退火、正火、淬火、回火
表面热处理：
表面淬火：
火焰加热、感应加热、激光加热、电接触加热、等离子
体加热
化学热处理:
渗碳、氮化、渗V、渗B、渗Nb
三、热处理在机械零件制造工艺中的位置
坯料→锻造→热处理Ｉ→粗加工→半精加工→热处理Ⅱ→精加工→热处理Ⅲ→
（抛光）→成品
热处理Ｉ：
称为改善材料切削加工性能热处理；最佳切削硬度：
HB170-230。
低碳钢：
含有大量柔软的铁素体；切削加工性能较差，易产生“粘刀”现象，影
响加工面的表面质量（粗糙度），刀具寿命也受到影响，故加工前应进行正火热处
理，以提高硬度，以改善加工性能。
高碳钢：
含有较多的网状渗碳体，难以切削，应退火处理，再加工。
冷加工硬化的坯料，应进行再结晶退火，以降低硬度，改善切削加工性能。
热处理Ⅱ：
改善零件机械性能热处理。
正火、淬火＋回火、化学热处理
热处理Ⅲ：
消除加工残余应力热处理（去应力退火、时效）
四、热处理在机械制造业中的应用
汽车制造业：
70%—80%的零件需进行热处理
机床创造业：
60%—70%的零件需进行热处理
各种工具、轴承等：
100%的零件需进行热处理
五、热处理的主要工艺参数
1、加热速度2、加热温度3、保温时间4、冷却速度
第一节钢在加热时的组织转变
一、奥氏体的形成
大多数热处理工艺的加热温度都高于钢的临界点（A1或A3），使钢具有奥氏体
组织，然后以一定的冷却速度冷却，以获得所需的组织和性能。
铁碳合金缓慢加热时奥氏体的形成可以从Fe-Fe3C相图中反映出来，珠光体向
奥氏体的转变属于扩散型相变。
以共析钢为例，珠光体组织在A1（727℃）以
下，组织保持不变（α相中碳的溶解度及Fe3C的形状稍有变化）；当加热到A1
点以上时，珠光体全部转变为奥氏体。
奥氏体的形成过程可以分为四个步骤：
①奥氏体晶核的形成
②奥氏体晶粒长大
③残余渗碳体溶解
④奥氏体成分均匀化
对于亚共析钢（过共析钢），当缓慢加热到A1以上时，除珠光体全部转化为奥氏体外，还有少量先共析铁素体转变为奥氏体（过共析钢二次渗碳体溶解）,随着温度升高，先共析铁素体不断向奥氏体转变，当温度高于A3时，组织为单相奥氏体。
二、奥氏体形成的热力学条件
钢加热时组织转变的动力是奥氏体与旧相之间的体积自由能之差ΔFv，而相变进行的条件是系统总的自由能降低。
根据相变理论，奥氏体形成晶核时，系统总自由能变化ΔF为：
ΔF=-ΔFv+ΔFs+ΔFe
式中ΔFs——形成奥氏体时所增加的表面能，
ΔFe——形成奥氏体时所增加的应变能
由于奥氏体是在高温下形成的，其相变应变能ΔFe很小，可以忽略，故上式可写为：
ΔF=-ΔFv+ΔFs
共析钢奥氏体和珠光体的体积自由能随温度的变化曲线如图：
A1以上，T1时，二者的体积自由能之差ΔFv。
显然，只有当ΔFv能克服因奥氏体形成所增加的表面能ΔFs时，珠光体才能自发地形成奥氏体，因此奥氏体的形成必须有一定的过热度ΔT。
三、影响珠光体向奥氏体转变的因素
1、温度的影响
提高温度，原子的扩散能力增大。
特别是碳原子在奥氏体中的扩散能力增大，奥氏体的形成速率加快。
2、钢中含炭量增加，铁素体与渗碳体的相界面总量增多，有利于加速奥氏体形
成。
3、钢中加入合金元素，可影响奥氏体的形成①强碳化合物②减缓C的扩散，减
缓A的形成③非碳化物形成元素加速A形成。
4、钢组织中珠光体越细，奥氏体形成速度越快（相界面积大）。
加热速度越快，奥氏体形成温度升高，形成速度越快。
四、奥氏体晶粒度及其影响因素
1、奥氏体晶粒度的概念
a、起始晶粒度
指珠光体刚刚全部转变为奥氏体时的晶粒度。
b、实际晶粒度
指钢在具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒度。
c、本质晶粒度
不是指具体的晶粒大小，只表示钢的奥氏体晶粒长大的倾向性（易长大，还是不易长大）
一般将钢的奥氏体晶粒长大倾向分为两类：
曲线1：
随加热温度的升高，奥氏体晶粒一直长大，逐渐粗化。
曲线2：
在一定温度下加热，奥氏体晶粒长大缓慢，保持细小晶粒，超过一定温度（930℃后），奥氏体晶粒急剧长大，突然粗化。
凡是符合曲线1的钢—本质粗晶粒钢
凡是符合曲线2的钢—本质细晶粒钢
一般钢的奥氏体晶粒度分为8级，1级最粗，8级最细。
晶粒度1-4级的钢，称为本质粗晶粒钢；晶粒度5-8级的钢，称为本质细晶粒钢。
镇静钢为本质细晶粒钢，沸腾钢为本质粗晶粒钢。
需经热处理强化的零件一般都采用本质细晶粒钢---镇静钢制作。
2、影响奥氏体晶粒度的因素
高温下，奥氏体晶粒长大，晶界总面积减少，系统自由能降低是自发过程：
a、奥氏体转化温度越高，晶粒越容易长大；保温时间越长，晶粒越容易长大
b、奥氏体含碳量越高，晶粒长大的倾向越大
c、在钢中加入合金元素：
绝大多数合金元素都阻碍奥氏体晶粒长大，而锰、磷则会加速奥氏体晶粒长大
第二节钢在冷却时的组织转变
通过加热使钢转变为均匀的奥氏体组织后，仅完成了热处理的加热准备工作，将高温奥氏体以不同的冷却速度冷却，获得所需的组织与性能，才是热处理的最终目的。
高温奥氏体组织是稳定的，如冷却到A1以下，奥氏体就处于不稳定状态（过冷态），称为过冷奥氏体。
不同的过冷度，奥氏体发生转变的过程不同：
①转变开始与转变终了的时间不同；②转变后产物的组织与性能不同
一、珠光体型转变——高温转变（A1—550℃）
1、转变过程及特点
过冷奥氏体在A1—550℃温度范围内，将分解为珠光体类组织。
当奥
氏体被过冷至A1以下温度时，在奥氏体晶界处（含碳量高）优先产生渗碳体的核心，然后依靠奥氏体不断供应碳原子（随着冷却，奥氏体溶解碳的能力下降，碳从奥氏体内向晶界扩散），渗碳体沿一定方向逐渐长大，而随着渗碳体的长大，又使其周围的奥氏体碳浓度下降，这就促使贫碳的奥氏体局部区域转变成铁素体（即渗碳体两侧出现铁素体晶核），在渗碳体长大的同时，铁素体也不断长大，而随着铁素体的长大，必然将多余的碳排挤出去，这就有利于形成新的渗碳体晶核。
最终形成了相互交替的层片状渗碳体和铁素体——珠光体。
排列方向相同的铁素体与渗碳体区域，称为珠光体晶粒。
珠光体一直长大到与相邻的珠光体互相接触，而奥氏体全部转化为珠光体为止。
转变特点：
过冷奥氏体转变为珠光体是扩散型相变。
2、分类
在高温转变区形成的珠光体类组织，虽然都是渗碳体与铁素体的混合物，但由于过冷度大小不同，其片层距差别很大：
A1—650℃,形成的组织层间距较大，在400-500倍的金相显微镜下即可分辨，称为珠光体P。
650℃—600℃，形成的组织分散度较大，层间距较小，在800-1000倍的金相显微镜下才能分辨，称为索氏体S。
600℃—550℃，形成的组织，层间距很小，只有在电子显微镜下放大几千倍才能分辨，称为屈氏体或托氏体。
珠光体、索氏体、屈氏体都是珠光体类组织，本质上没有任何区别，只是渗碳体、铁素体片的厚度不同而已。
从珠光体到索氏体、屈氏体，随着层间距的减小，强度和硬度依次升高。
二、贝氏体型转变——中温转变（550℃—Ms）
1、转变过程及特点
过冷奥氏体在550℃—Ms（共析钢的Ms约230℃）温度范围内，转变为贝氏体类组织。
由于过冷度增大，铁原子的扩散很困难，碳原子的扩散能力也显著减弱，扩散不充分，形成渗碳体所需的时间增长。
过冷奥氏体在这一温度范围内的转变产物仍是铁素体和渗碳体的混合物，但它与珠光体有本质的区别：
贝氏体转变由于冷却速度快，渗碳体已不能呈片状析出。
碳的扩散速度受到很大限制，部分碳来不及析出，固溶在铁素体中形成过饱和的铁素体。
因此，贝氏体型转变产物是过饱和的铁素体与渗碳体的混合物。
转变特点：
过冷奥氏体向贝氏体转变是一种半扩散型相变。
2、分类
贝氏体组织形态比较复杂，根据其中铁素体与渗碳体的分布形态的不同，分为上贝氏体B上和下贝氏体B下。
上贝氏体B上：
是过冷奥氏体在550℃--350℃范围内的转变产物，其中过饱和铁素体形成密集而相互平行的羽毛状扁片，一排一排地由晶界伸向晶内，渗碳体呈短杆状断断续续地分布在铁素体扁片之间。
（上贝氏体由于转变温度较高，渗碳体长得较大）
上贝氏体的组织形态决定了其强度较低，塑性、韧性较差。
下贝氏体B下：
是过冷奥氏体在350℃--Ms范围内的转变产物。
其中过饱和的铁素体呈针片状，比较散乱地成角度分布，而极细小的渗碳体质点呈弥散状分布在过饱和铁素体内。
在金相显微镜下下贝氏体呈竹叶状特征。
（下贝氏体由于转变温度较低，渗碳体来不及长大，而呈质点状）
下贝氏体组织具有较高的强度、硬度，良好的塑性、韧性，即具有良好的综合机械性能。
生产上常用等温淬火法来获得下贝氏体组织。
三、马氏体型转变——低温转变（Ms—Mz）
1、转变过程
当过冷度很大，奥氏体被快速冷却至Ms时，由于碳原子已无法扩散，上述珠光体或贝氏体等扩散型相变已不可能进行，奥氏体只能进行非扩散型的晶格转变。
碳原子来不及扩散，被完全固溶于铁素体内，形成过饱和的铁素体，这种过饱和的铁素体就是马氏体M。
所以马氏体的含碳量与相应的奥氏体含碳量相同。
室温下铁素体的含碳量仅为0.0008%,而马氏体的含碳量与奥氏体相同，故马氏体的过饱和程度很大，此时过饱和的铁素体的某些棱边被撑长，形成了体心正方晶格。
由于碳原子过饱和造成的晶格畸变严重，故马氏体具有很高的硬度，而塑性、韧性较低。
马氏体的高硬度决定了它是钢中的重要强化组织，也是淬火钢的基本组织，凡是要求高硬度、高耐磨性的零件，都需要经过淬火获得马氏体组织。
马氏体的硬度主要与含碳量有关，与其他合金元素关系不大。
因为合金元素在马氏体晶格中，不是处于间隙位置，而是置换了某些铁原子的位置，它对马氏体晶格歪扭和畸变的作用远不及碳的作用大。
HRC
•о
о•
•о
о•
C％
о—合金钢
•—碳钢
2、分类
马氏体按组织形态分为：
a、板条状马氏体：
每一马氏体的晶体呈细长的薄板条晶片平行成束地分布，在金相显微镜下呈板条状。
b、针状马氏体：
每一马氏体晶体呈中间厚、两端薄的透镜式晶片，在金相显微镜下呈针片状或竹叶状。
板条状马氏体主要存在于低碳钢的淬火组织中——低碳马氏体；针状马氏体主要存在于高碳钢的淬火组织中——高碳马氏体。
3、转变特点
a、马氏体转变是非扩散型相变：
由于过冷度很大，原子来不及扩散。
马氏体的晶粒度完全取决于原来奥氏体的晶粒度。
b、马氏体转变是变温转变：
马氏体转变是从转变开始点Ms到转变终了点Mz的一个温度范围内进行的，在某一温度下，只能形成一定数量的马氏体，保温时间的延长并不增加马氏体的数量，要使马氏体的数量增加，只能继续降温。
Ms、Mz于含碳量有关，而与冷却速度无关。
如图：
T℃
Ms
Mz
C%
C、马氏体转变的不完全性：
由于马氏体的转变终了温度Mz一般在零下几十度，所以室温下进行马氏体转变不可能获得完全的马氏体组织，必有一定量的奥氏体组织没有转变——这部分奥氏体组织称为残余奥氏体A’，即马氏体转变不完全。
残余奥氏体的存在会显著降低零件的强度、硬度以及耐磨性，此外残余奥氏体是一种不稳定组织，会逐渐分解，引起零件尺寸变化，这对精密零件是不允许的。
为了减少残余奥氏体的含量，可将淬火零件继续冷却到零下几十度——冷处理，使残余奥氏体转变为马氏体。
d、奥氏体转变为马氏体，体积增大
奥氏体比容〈珠光体比容〈马氏体比容
比容：
单位重量的体积值
这个特点，使马氏体内部存在较大的内应力，易导致零件淬火变形、开裂。
附：
形状记忆合金的工作原理
热弹性马氏体的可逆转变是形状记忆合金的基础。
如：
Ni-Ti合金，母相状态很硬，难以变形；而马氏体状态很软，可以任意变形。
因此，在较高温度下（母相状态）制成天线，然后降低温度，完全发生马氏体转变（很软），可折叠成一小团。
当飞船飞上太空后，由于太阳光线的加热，温度升高，合金发生马氏体逆转变，天线恢复原状。
第三节过冷奥氏体转变曲线图
在过冷奥氏体的转变过程中，冷却速度（过冷度）对转变有很大影响。
由于冷却速度较高，因此这种相变就不再符合Fe-Fe3C相图所反映的规律。
为了弄清澳实体在冷却过程中组织变化的全过程，找出转变温度、转变时间与奥氏体转变过程及其产物之间的相互关系和转变规律，通常采用两种方法：
一是在不同过冷度下等温测定奥氏体的转变过程，绘出过冷奥氏体等温转变曲线图
二是在不同冷却速度的连续冷却过程中测定奥氏体的转变过程，绘出过冷奥氏体连续转变曲线图
一、过冷奥氏体等温转变曲线图（TTT图）
过冷奥氏体等温转变曲线图是分析过冷奥氏体的转变温度、转变时间、转变
产物之间关系的曲线图，即TTT图（Temperature,Time,Transformation），又称C曲线。
1、TTT图的建立（以共析钢为例）
等温转变曲线图是用实验方法建立的。
选取一组共析钢试样加热到稍高于
A1温度，使其全部转变成均匀的奥氏体，然后分别快速投入不同温度的等温槽中，保持不同的时间，并观察共析钢奥氏体在不同温度下组织的变化。
把转变开始与终了的时间记录下来，然后描绘在以温度为纵坐标，一时间为横坐标的图面上，把开始点与终了点分别连接起来，即可得到共析钢奥氏体等温转变曲线。
2、TTT图分析
在共析钢的TTT曲线中，高于临界点A1的区域为稳定状态的奥氏体区；左边曲线为过冷奥氏体开始转变曲线，右边曲线为过冷奥氏体转变终了线；开始线与纵坐标表之间的区域为过冷奥氏体区。
终了线以右区域为转变产物区，两曲线之间为过冷奥氏体转变区（即过冷奥氏体与转变产物共存区）。
从纵坐标到转变开始点的距离（转变开始前的准备时间），叫做“孕育期”，其长短表示某一温度下过冷奥氏体的稳定程度，如550℃部位孕育期最短（共析钢约1秒左右）；而在700℃左右，孕育期大于1000秒，故时间坐标采用对数坐标。
不同钢种具有不同形状的过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）
3、影响TTT图的因素
ａ、含碳量的影响
亚共析钢的C曲线随含碳量的增加而右移，即过冷奥氏体的稳定性提高；过共析钢的C曲线随含碳量的增加而左移，即过冷奥氏体的稳定性降低；因此在碳钢中，以共析钢的过冷奥氏体最为稳定，C曲线处于最右端。
亚共析钢C曲线拐点上部区域多一条先共析铁素体转变曲线；过共析钢C曲线拐点上部区域多一条先共析渗碳体转变曲线。
b、合金元素的影响
除钴元素以外，其他所有合金元素溶入奥氏体后，都增加了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。
非碳化物形成元素（Ni,Si,Cu等）不改变C曲线的形状；而碳化物形成元素（Cr,W,V,Mo,Ti等）使C曲线的形状也发生改变。
C、加热温度、保温时间的影响
随着加热温度的提高或保温时间的延长，奥氏体的成分更加均匀，晶粒随之长大，晶界相对减少，未溶质点（碳化物、氮化物等）也显著减少，这些因素都使奥氏体转变时形核困难，提高了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。
4、C曲线的应用
实际生产中，过冷奥氏体的转变大多数是在连续冷却过程中进行的，但仍可以利用C曲线估计过冷奥氏体转变情况。
如图：
V1
T℃
A1A1
V1
V2
Ms
V3
V4Vk
V1相当于炉冷，冷却速度约为10℃/min，V1与C曲线相交于710—650℃范围内，过冷奥氏体转变产物为100%珠光体，HRC=12
V2相当于空冷，冷却速度约为10℃/S，V2与C曲线相割于650—600℃
范围内，过冷奥氏体转变产物为索氏体组织，HRC=26
V3相当于油冷，冷却速度约为150℃/S，V3只与C曲线的转变起始线相
交，表明一部分过冷奥氏体转变为屈氏体，而剩余部分过冷奥氏体随后
冷却到Ms一下，转变为马氏体，从而获得屈氏体与马氏体混合组织，其
HRC=45—55
V4相当于水冷，冷却速度600℃/S，它与C曲线不相交，而直接与Ms相
交，过冷奥氏体转变为马氏体（还有效部分残余奥氏体），HRC=60—64
Vk与C曲线相切，称为临界冷却速度，它表示过冷奥氏体不转变为珠光
体类产物，而直接转变为马氏体组织的最小冷却速度。
Vk取决于C曲线
的位置，C曲线右移，Vk降低，容易获得马氏体组织，即易淬火。
二、过冷奥氏体连续转变曲线图（CCT图）
实际生产中，大多数转变是在连续冷却过程中进行的，定量研究需要测定CCT图（ContinuousCoolingTransformation）。
方法：
金相法，膨胀法，磁性法等
如图：
Ps线表示过冷奥氏体转变为珠光体的起始线（A→P开始）
Pz线表示过冷奥氏体转变为珠光体的终了线（A→P终了）
K线表示过冷奥氏体转变为珠光体终止线（A→P终止）
T℃
A1A1
PsPz
MsK
VkVk’S
凡是冷却曲线碰到K线，过冷奥氏体就不再继续转变为珠光体，而是一直冷却到Ms以下，转变为马氏体。
CCT图位于TTT图右下方，Vk’第四节钢的退火与正火
一、退火和正火的目的
1、改善钢件的硬度，以便于进行切削加工（最佳切削硬度范围HB170-230）
2、消除残余应力，防止零件变形、开裂
3、细化晶粒，改善组织以提高零件的机械性能
4、为最终热处理（淬火、回火）做好组织上的准备
二、退火和正火工艺及应用
1、退火
包括：
完全退火，等温退火，球化退火，扩散退火，去应力退火
a、完全退火（重结晶退火，退火）
应用：
亚共析碳钢和合金钢的铸件、锻件、热轧型材、焊接结构
目的：
细化晶粒，改善组织，消除残余应力，降低硬度，提高塑性，便于切削加工
工艺：
将亚共析钢加热到Ac3+30-50℃，保温一定时间后，随炉缓慢冷却（或埋入沙或石灰中）到500℃以下，空冷。
由于加热温度在Ac3以上，得到单一奥氏体组织，故称为完全退火；又因为加热温度能使低温组织通过重新结晶获得细小的奥氏体晶粒并在随后的缓慢冷却中转变为细小而均匀的珠光体和铁素体晶粒，所以又称为重结晶退火。
b、等温退火
等温退火的目的与完全退火相同。
由于完全退火所需要的时间很长，尤其对于某些奥氏体比较稳定的合金钢，往往需要数十小时甚至数天的时间，采用等温退火可明显缩短退火时间。
等温退火：
对应于钢的C曲线上珠光体形成温度进行奥氏体的等温转变处理，而在其前后可以快速冷却。
工艺：
加热过程与完全退火相同，Ac3+30-50℃，保温一定时间后，开炉门较快速冷却到稍低于A1的某一温度（550-700℃），在该温度下保温到奥氏体完全转变为珠光体，然后空冷。
优点：
1、缩短了退火时间
2、可以较好地控制组织与硬度（通过选择保温温度）
3、工件氧化、脱碳倾向较小
c、球化退火（不完全退火）
应用：
过共析碳钢和合金钢的刀具、模具、量具、轴承等零件
目的：
降低硬度，改善切削加工性，为最终淬火做准备
过共析组织为珠光体和网状的二次渗碳体。
由于网状二次渗碳体的存在，增加了钢的硬度和脆性，不仅给切削加工带来困难，而且会引起淬火时工件产生变形和开裂。
球化退火工艺：
将过共析钢加热到Ac1+30-50℃，保温后，缓慢冷却。
由于加热到Ac1+30-50℃，此时未溶的渗碳体小质点可作为冷却时渗碳体析出的核心，使渗碳体发生球化，变成球状或粒状渗碳体长大，故称为球化退火。
由于加热温度在Ac1+30-50℃，钢组织没有全部奥氏体化，故称为不完全退火。
经过球化退火的过共析钢，可获得铁素体与球状渗碳体的混合组织，叫做“球化体”，HB163。
有的钢种一次球化退火难以达到球化目的，可采用循环退火法（或称周期退火法）进行球化。
d、去应力退火
去应力退火又叫消除内应力退火，低温退火。
目的：
这种退火主要用于消除铸件、锻件及焊接件、热轧件的内应力。
否则，会引起钢件在一定时间后产生变形，降低耐蚀性。
去应力退火工艺：
将钢件随炉缓慢加热（100-150℃/小时），到500-600℃（去应力退火，钢件并没有组织上的变化。
另外，再结晶退火也是一种低温退火（e、扩散退火
目的：
是利用高温下原子具有较强的扩散能力，来减轻或消除钢中化学成分不均匀现象。
由于加热温度高，晶粒也会因此长大，所以扩散退火后，往往要经过一次完全退火来细化晶粒。
扩散退火工艺：
把钢加热到高于Ac3或Accm的温度（约1050-1250
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