1、第五章第五章碳钢的热处理碳钢的热处理 Heat Treatment of Carbon Steel前言前言一、热处理的概念一、热处理的概念通过对材料进行加热、保温、冷却的操作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。能的一种工艺。普通热处理：退火、正火、淬火、回火 热处理 表面淬火：火焰加热、感应加热、电接触加热、表面热处理 激光加热、等离子体加热 化学热处理：渗碳、氮化、渗V、渗B、渗Nb二、热处理的分类三、热处理在机械零件制造工艺中的位置三、热处理在机械零件制造工艺中的位置坯料坯料锻造锻造热处理热处理粗
2、加工粗加工半精加工半精加工热处理热处理精加工精加工热处理热处理（抛光）（抛光）成品成品热处理：称为改善材料切削加工性能热处理热处理：称为改善材料切削加工性能热处理最佳切削硬度：最佳切削硬度：HB170-230（1）低碳钢）低碳钢含有大量柔软的铁素体；切削加工性能较差，含有大量柔软的铁素体；切削加工性能较差，易产生易产生“粘刀粘刀”现象，影响加工面的表面质量现象，影响加工面的表面质量（粗（粗糙度），糙度），刀具寿命也受到影响，故加工前应进行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。正火热处理，以提高硬度，以改善加工性能。（2）高碳钢）高碳钢含有较多的网状渗碳体，难
3、以切削，应退火处含有较多的网状渗碳体，难以切削，应退火处理，再加工。理，再加工。（3）冷加工硬化的坯料，应进行再结晶退火，）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。以降低硬度，改善切削加工性能。热处理热处理：改善零件机械性能热处理。：改善零件机械性能热处理。正火，淬火回火，化学热处理正火，淬火回火，化学热处理热处理热处理：消除加工残余应力热处理。：消除加工残余应力热处理。去应力退火、时效去应力退火、时效四、热处理在机械制造业中的应用四、热处理在机械制造业中的应用汽车制造业：汽车制造业：7080的零件需进行的零件需进行 热处理热处理 机床创造业：机床创造业：6070的零
4、件需进行的零件需进行 热处理热处理 各种工具、轴承等：各种工具、轴承等：100的零件需进行的零件需进行 热处理热处理五、热处理的主要工艺参数五、热处理的主要工艺参数1、加热速度、加热速度2、加热温度、加热温度3、保温时间、保温时间4、冷却速度、冷却速度第一节第一节钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变一、奥氏体的形成一、奥氏体的形成大多数热处理工艺的加热温度都高于钢大多数热处理工艺的加热温度都高于钢的临界点（的临界点（A1或或A3），使钢具有奥氏体组），使钢具有奥氏体组织，然后以一定的冷却速度冷却，以获得所织，然后以一定的冷却速度冷却，以获得所需的组织和性能。需的组织和性能。铁碳合金缓慢加热
5、时奥氏体的形成可以铁碳合金缓慢加热时奥氏体的形成可以从从Fe-Fe3C相图中反映出来，珠光体向奥氏体相图中反映出来，珠光体向奥氏体的转变属于扩散型相变。以共析钢为例，珠的转变属于扩散型相变。以共析钢为例，珠光体组织在光体组织在A1（727）以下，组织保持不变）以下，组织保持不变（相中碳的溶解度及相中碳的溶解度及Fe3C的形状稍有变化）；的形状稍有变化）；当加热到当加热到A1点以上时，珠光体全部转点以上时，珠光体全部转 变为奥变为奥氏体。氏体。奥氏体的形成过程可以分为四个步骤：奥氏体的形成过程可以分为四个步骤：奥氏体晶核的形成奥氏体晶核的形成奥氏体晶粒长大奥氏体晶粒长大残余渗碳体溶解残余渗碳体溶
6、解奥氏体成分均匀化奥氏体成分均匀化对于亚共析钢（过共析钢），当缓慢对于亚共析钢（过共析钢），当缓慢加热到加热到A1以上时，除珠光体全部转化为奥以上时，除珠光体全部转化为奥氏体外，还有少量氏体外，还有少量先共析铁素体先共析铁素体转变为奥转变为奥氏体氏体（过共析钢二次渗碳体溶解过共析钢二次渗碳体溶解）,随着随着温度升高，先共析铁素体不断向奥氏体转温度升高，先共析铁素体不断向奥氏体转变，当温度高于变，当温度高于A3时，组织为单相奥氏体。时，组织为单相奥氏体。二、奥氏体形成的热力学条件二、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
7、差间的体积自由能之差Fv，而相变进行的条件是，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，系统总自由能变化成晶核时，系统总自由能变化F为：为：F=-Fv+Fs+Fe 式中：式中：Fs形成奥氏体时所增加的表面能形成奥氏体时所增加的表面能 Fe形成奥氏体时所增加的应变能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，其相变应由于奥氏体是在高温下形成的，其相变应变能变能Fe很小，可以忽略，故上式可写为：很小，可以忽略，故上式可写为：F=-Fv+Fs显然，只有当显然，只有当Fv能克服因奥氏体形成能克服因奥氏体形成所增加的表面能所
8、增加的表面能Fs时，珠光体才能自发地时，珠光体才能自发地形成奥氏体，因此形成奥氏体，因此奥氏体的形成必须有一定奥氏体的形成必须有一定的过热度的过热度T。体积自由能温度FpFAA1T1Fv奥氏体形成的热力学条件奥氏体形成的热力学条件三、影响珠光体向奥氏体转变的因素三、影响珠光体向奥氏体转变的因素1、温度的影响、温度的影响提高温度，原子的扩散能力增大。特别提高温度，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。体的形成速率加快。2、含碳量的影响、含碳量的影响钢中含碳量增加，铁素体与渗碳体的相钢中含碳量增加，铁素体与渗碳体的相界
9、面总量增多，有利于加速奥氏体形成。界面总量增多，有利于加速奥氏体形成。3、合金元素的影响、合金元素的影响钢中加入合金元素，可影响奥氏体的钢中加入合金元素，可影响奥氏体的形成：形成：强碳化物强碳化物元素（减缓元素（减缓C的扩散，减的扩散，减缓缓A的形成）；的形成）；非碳化物非碳化物形成元素加速形成元素加速A形成。形成。4、钢组织中、钢组织中珠光体越细珠光体越细，奥氏体形成速度越，奥氏体形成速度越快（相界面积大）。快（相界面积大）。5、加热速度越快加热速度越快，奥氏体形成温度升高奥氏体形成温度升高，形，形成速度越快。成速度越快。四、奥氏体晶粒度及其影响因素四、奥氏体晶粒度及其影响因素1、奥氏体晶粒
10、度的概念、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、起始晶粒度：指珠光体刚刚全部转变为奥 氏体时的晶粒度。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、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工条件下实际获得的奥氏体 晶粒度。晶粒度。c、本质晶粒度：不是指具体的晶粒大小，只、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表示钢的奥氏体晶粒长大的 倾向性（易长大，还是不易倾向性（易长大，还是不易 长大）。长大）。一般将钢的奥氏体晶粒长大倾向分为两类：如图：如图：21930加热温度加热温度4级晶粒度级别晶粒度级别Ac1曲线曲线1：
11、随加热温度的升高，奥氏体晶粒一直长大，逐随加热温度的升高，奥氏体晶粒一直长大，逐 渐粗化渐粗化。曲线曲线2：一定温度下（一定温度下（Ac1）加热，奥氏体晶粒长大缓）加热，奥氏体晶粒长大缓 慢，保持细小晶粒，超过一定温度（慢，保持细小晶粒，超过一定温度（930后），后），奥氏体晶粒急剧长大，突然粗化。奥氏体晶粒急剧长大，突然粗化。凡是符合曲线凡是符合曲线1的钢的钢本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢凡是符合曲线凡是符合曲线2的钢的钢本质细晶粒钢本质细晶粒钢 一般钢的奥氏体晶粒度分为一般钢的奥氏体晶粒度分为8 8级，级，1 1级最粗，级最粗，8 8级最细。级最细。晶粒度晶粒度1-41-4级的钢，称为本质粗晶粒
12、钢级的钢，称为本质粗晶粒钢晶粒度晶粒度5-85-8级的钢，称为本质细晶粒钢。级的钢，称为本质细晶粒钢。镇静钢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沸腾钢为本质粗晶粒钢。需经热处理强化的零件一般都需经热处理强化的零件一般都采用采用本质细晶粒钢本质细晶粒钢-镇静钢镇静钢制作制作。2、影响奥氏体晶粒度的因素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。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 b、奥氏体含碳量越高奥氏体含碳量越高，晶粒长大
13、的倾向晶粒长大的倾向 越大越大。c、在钢中加入合金元素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。第二节第二节 钢在冷却时的组织转变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，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，将高温奥氏仅完成了热处理的加热准备工作，将高温奥氏体以体以不同的冷却速度冷却不同的冷却速度冷却，获得所需的组织与，获得所需的组织与性能，才是热处理的最终目的。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
14、态），以下，奥氏体就处于不稳定状态（过冷态），称为称为过冷奥氏体过冷奥氏体。不同的过冷度，奥氏体发生转变的过程不同：不同的过冷度，奥氏体发生转变的过程不同：转变开始与转变终了的时间不同转变开始与转变终了的时间不同 转变后产物的组织与性能不同转变后产物的组织与性能不同一、珠光体型转变一、珠光体型转变高温转变（高温转变（A1550）1 1、转变过程及特点、转变过程及特点 过冷奥氏体在过冷奥氏体在A1550温度范围内，将温度范围内，将分解为珠光体类组织。分解为珠光体类组织。当奥氏体被过冷至当奥氏体被过冷至A1以下温度时，在以下温度时，在奥氏体晶界奥氏体晶界处（含碳量高）优先产生处（含碳量高）优先产生
15、渗碳体的核心渗碳体的核心，然后依靠奥，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，而随着铁素渗碳体长大的同时，铁素体也不断长大，而随着铁素
16、体的长大，必然将多余的碳排挤出去，这就有利于形体的长大，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碳体和铁素体珠光体珠光体。珠光体转变特点转变特点：过冷奥氏体转变为珠光体是扩散型相变扩散型相变。2、分类 在高温转变区形成的珠光体类组织，虽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，其冷度大小不同，其片层距片层距差别很大：差别很大：A1650,形成的组织层间距较大，在形成的组织层间距较大，在400-500倍倍的金相显微镜
17、下即可分辨，称为的金相显微镜下即可分辨，称为珠光体珠光体P。650600，形成的组织分散度较大，层间距，形成的组织分散度较大，层间距较小，在较小，在800-1000倍的金相显微镜下才能分辨，倍的金相显微镜下才能分辨，称为称为索氏体索氏体S。600550，形成的组织，层间距很小，只有，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，称为在电子显微镜下放大几千倍才能分辨，称为屈屈氏体氏体或或托氏体托氏体T。索氏体索氏体屈氏体屈氏体二、贝氏体型转变二、贝氏体型转变中温转变中温转变（550Ms）1 1、转变过程及特点、转变过程及特点过冷奥氏体在过冷奥氏体在550Ms（共析钢的（共析钢的M
18、s约约230）温度范围内，转变为贝氏体类组织。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，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，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。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过冷奥氏体在这一温度范围内的转变产物转变产物仍是仍是铁素体铁素体和和渗碳体渗碳体的混合物的混合物，但它与珠光体，但它与珠光体有有本质的区别本质的区别：贝氏体转变由于冷却速度快，：贝氏体转变由于冷却速度快，渗碳体已不能呈片状析出。碳的扩散速度受到渗碳体已不能呈片状析出。碳的扩散速度受到很大限
19、制，部分碳来不及析出，固溶在铁素体很大限制，部分碳来不及析出，固溶在铁素体中形成中形成过饱和的铁素体过饱和的铁素体。上贝氏体(Upper Bainite)下贝氏体(Lower Bainite)因此，贝氏体型转变产物是因此，贝氏体型转变产物是:过饱和的铁素体过饱和的铁素体与与渗碳体渗碳体的混合物的混合物。转变特点：转变特点：过冷奥氏体向贝氏体转变是一种过冷奥氏体向贝氏体转变是一种半扩散型相变半扩散型相变。2、分类分类 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，分为上贝氏体上贝氏体 B B上上和下贝氏体下贝氏体B B下下。上贝氏体上贝氏体B B上上：是过冷奥氏体在550350
20、范围内的转变产物，其中过饱和铁素体形成密集而相密集而相互平行的羽毛状扁片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，上贝氏体的组织形态决定了其强度较低，塑性、韧性较差塑性、韧性较差。下贝氏体下贝氏体B下下：是过冷奥氏体在：是过冷奥氏体在350Ms范围范围 内的转变产物。内的转变产物。其中其中过饱和的铁素体呈针片状，比较散乱地过饱和的铁素体呈针片状，比较散乱地成角度分布成角度分布，而，而极细小的渗碳体质点呈弥散状分极细小的渗
21、碳体质点呈弥散状分布在过饱和铁素体内布在过饱和铁素体内。在金相显微镜下下贝氏体。在金相显微镜下下贝氏体呈竹叶状呈竹叶状特征。特征。下贝氏体由于转变温度较低，渗碳体来不下贝氏体由于转变温度较低，渗碳体来不及长大，而呈质点状及长大，而呈质点状 下贝氏体组织具有较高的强度、硬下贝氏体组织具有较高的强度、硬度，良好的塑性、韧性，即具有度，良好的塑性、韧性，即具有良好的良好的综合机械性能综合机械性能。生产上常用生产上常用等温淬火法等温淬火法来获得下贝氏体组织。来获得下贝氏体组织。三、马氏体型转变三、马氏体型转变低温转变（低温转变（MsMz）1、转变过程、转变过程 当过冷度很大，奥氏体被快速冷却至当过冷度
22、很大，奥氏体被快速冷却至Ms时，时，由于由于碳原子已无法扩散碳原子已无法扩散，上述珠光体或贝氏体，上述珠光体或贝氏体等扩散型相变已不可能进行，奥氏体只能进行等扩散型相变已不可能进行，奥氏体只能进行非扩散型非扩散型的晶格转变。碳原子来不及扩散，被的晶格转变。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，完全固溶于铁素体内，形成过饱和的铁素体，这种这种过饱和的铁素体就是马氏体过饱和的铁素体就是马氏体M。所以：所以：马氏体的含碳量与相应的奥氏体含碳量相同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室温下铁素体的含碳量仅为0.0008%,而马而马氏体的含碳量与奥氏体相同
23、，故马氏体的过饱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，形成了被撑长，形成了体心正方晶格体心正方晶格。由于碳原子过饱和造成的晶格畸变严重，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。故马氏体具有很高的硬度，而塑性、韧性较低。硬度HRC含碳量%合金元素含量合金元素碳马氏体的硬度主要与含碳量有关，与其他合金元素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关系不大。因为。因为合金元素在马氏体晶格中，不是处于间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
24、位置，它对马氏体晶隙位置，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格歪扭和畸变的作用远不及碳的作用大。2、分类、分类马氏体按组织形态分为：马氏体按组织形态分为：a、板条状马氏体板条状马氏体每一马氏体的晶体呈细长的薄板条晶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片平行成束地分布，在金相显微镜下呈板条状。条状。板条状马氏体b、针状马氏体针状马氏体每一马氏体晶体呈中间厚、两端薄的透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镜式晶片，在金相显微镜下呈针片状或竹叶状。状。板条状马氏体主要存在于低碳钢的淬火组织中板
25、条状马氏体主要存在于低碳钢的淬火组织中针状马氏体主要存在于中、高碳钢的淬火组织中针状马氏体主要存在于中、高碳钢的淬火组织中片针状马氏体3、转变特点、转变特点a、马氏体转变是非扩散型相变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。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变温转变 马氏体转变是从转变开始点马氏体转变是从转变开始点Ms到转变到转变终了点终了点Mz 的一个温度范围内进行的，在某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，保一温度下，只能形成
26、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。马氏体的数量增加，只能继续降温。Ms、Mz 与含碳量有关，而与冷却速度无关。与含碳量有关，而与冷却速度无关。含碳量%TMsMzc、马氏体转变的不完全性马氏体转变的不完全性 由于马氏体的转变终了温度由于马氏体的转变终了温度Mz一般在零下几十度，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组织，必有一定量的奥氏体组织没有转变这部分这部分 奥氏体组织称为奥氏体组织称为残余
27、奥氏体残余奥氏体A，即马氏体转变不完全。，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、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，此外硬度以及耐磨性，此外残余奥氏体是一种不稳残余奥氏体是一种不稳定组织定组织，会逐渐分解，引起零件尺寸变化，这，会逐渐分解，引起零件尺寸变化，这对精密零件是不允许的。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继续冷却到零下几十度冷处理冷处理，使残余奥氏，使残余奥氏体转变为马氏体。体转变为马氏体。残余奥氏体残余奥氏体d、奥氏体转变为马氏体，体积增大奥氏体转变为马氏体，体
28、积增大 奥氏体比容奥氏体比容 珠光体比容珠光体比容 马氏体比容马氏体比容 比容：单位重量的体积值比容：单位重量的体积值 这个特点，使这个特点，使马氏体内部存在较大的马氏体内部存在较大的 内应力，易导致零件淬火变形、开裂内应力，易导致零件淬火变形、开裂。第三节第三节过冷奥氏体转变曲线图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（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度较高，因此这种相变就不再符合Fe-Fe3C相图所反映的规律。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为了
29、弄清澳实体在冷却过程中组织变化的全过程，找出全过程，找出转变温度转变温度、转变时间转变时间与与奥氏体转奥氏体转变过程及其产物变过程及其产物之间的相互关系和转变规律，之间的相互关系和转变规律，通常采用两种方法：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一是在不同过冷度下等温测定奥氏体的转变过程，绘出过程，绘出过冷奥氏体等温转变曲线图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，绘出奥氏体的转变过程，绘出过冷奥氏体连续转变曲过冷奥氏体连续转变曲线图线图一、过冷奥氏体等温转变曲线图（一、过冷奥氏体等温转变曲线图（T
30、TT图图）过冷奥氏体等温转变曲线图是分析过冷奥氏体等温转变曲线图是分析过冷奥过冷奥氏体的转变温度、转变时间、转变产物之间关氏体的转变温度、转变时间、转变产物之间关系的曲线图系的曲线图，即即TTT图图（Temperature,Time,Transformation），），又称又称C曲线曲线。1、TTT图的建立（以共析钢为例图的建立（以共析钢为例）等温转变曲线图是用等温转变曲线图是用实验方法实验方法建立的。建立的。选取一组共析钢试样加热到稍高于选取一组共析钢试样加热到稍高于A1温温度，使其全部转变成均匀的奥氏体，然后分度，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，保持不同别快
31、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，即可得到连接起来，即可得到共析钢奥氏体等温转变共析钢奥氏体等温转变曲线曲线。2、TTT图分析图分析 在共析钢的在共析钢的TTT 曲线中，高于临界点曲线中，高于临界点A1的的区域为稳定状态的奥氏体区；左边曲线为区域为稳定状态的奥氏体区；左边曲线为过冷过冷
32、奥氏体开始转变曲线奥氏体开始转变曲线，右边曲线为，右边曲线为过冷奥氏体过冷奥氏体转变终了线转变终了线；开始线与纵坐标表之间的区域为；开始线与纵坐标表之间的区域为过冷奥氏体区过冷奥氏体区。终了线以右区域为。终了线以右区域为转变产物区转变产物区，两曲线之间为过冷奥氏体转变区（即过冷奥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）。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），叫做的准备时间），叫做“孕育期孕育期”，其长短表示某一，其长短表示某一温度下过冷奥氏体的稳定程度，如温度下过冷奥氏体的稳定程度，如550部位孕育
33、部位孕育期最短（共析钢约期最短（共析钢约1秒左右）；而在秒左右）；而在700左右，左右，孕育期大于孕育期大于1000 秒，故时间坐标采用对数坐标。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不同钢种具有不同形状的过冷奥氏体等温转变曲线变曲线。时间s温度MsA1550转变起始线转变终了线共析钢的共析钢的TTT曲线曲线3、影响、影响TTT图的因素图的因素a、含碳量的影响含碳量的影响亚共析钢亚共析钢的的C曲线曲线随含碳量的增加而右移随含碳量的增加而右移，即过冷奥氏体的稳定性提高；即过冷奥氏体的稳定性提高；过共析钢过共析钢的的C曲曲线线随含碳量的增加而左移随含碳量的增加而左移，即
34、过冷奥氏体的稳，即过冷奥氏体的稳定性降低；因此在碳钢中，以定性降低；因此在碳钢中，以共析钢的过冷奥共析钢的过冷奥氏体最为稳定氏体最为稳定，C曲线处于最右端曲线处于最右端。亚共析钢亚共析钢C曲线拐点上部区域多一条先共曲线拐点上部区域多一条先共析铁素体转变曲线；过共析钢析铁素体转变曲线；过共析钢C曲线拐点上部曲线拐点上部区域多一条先共析渗碳体转变曲线。区域多一条先共析渗碳体转变曲线。b、合金元素的影响合金元素的影响除除钴钴元素以外，其他所有合金元素溶入奥氏元素以外，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，使体后，都增加了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线曲线右移。右移。非碳化物形成元素
35、（非碳化物形成元素（Ni,Si,Cu等）不改变等）不改变C曲线的形状曲线的形状；而碳化物形成元素（而碳化物形成元素（Cr,W,V,Mo,Ti等）使等）使C曲线的形状也发生改变曲线的形状也发生改变。C、加热温度、保温时间的影响加热温度、保温时间的影响 随着加热温度的提高或保温时间的延长，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，使难，提
36、高了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。曲线右移。V1V2V3VkV4时间温度4、C曲线的应用曲线的应用 实际生产中，过冷奥氏体的转变大多数是实际生产中，过冷奥氏体的转变大多数是在连续冷却过程中进行的，但仍可以利用在连续冷却过程中进行的，但仍可以利用C曲曲线估计过冷奥氏体转变情况。线估计过冷奥氏体转变情况。如图：如图：V1V2V3Vk V4分别表示不同冷分别表示不同冷却速度的冷却曲线。却速度的冷却曲线。V1相当于炉冷炉冷，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%珠光体珠光体，HRC=12V2相当于空冷空冷，冷却速度约为10/S，V2与C曲线相
37、割于650-600范围内，过冷奥氏体转变产物为索氏体组织索氏体组织，HRC=26V3相当于油冷油冷，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以下，转变为马氏体，从而获得屈屈氏体氏体与马氏体马氏体混合组织，其HRC=45-55V4相当于水冷水冷，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马氏体（还有小部分残余奥氏体），HRC=60-64Vk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
38、却速度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。PsPzK时间温度二、过冷奥氏体连续转变曲线图（二、过冷奥氏体连续转变曲线图（CCT图）图）实际生产中，大多数转变是在连续冷却过程中进行的，实际生产中，大多数转变是在连续冷却过程中进行的，定量研究需要测定定量研究需要测定CCT图。图。（Continuous Cooling Transformation）方法：金相法，膨胀法，磁性法等。方法：金相法，膨胀法，磁性法等。如图：如图：Ps线表示过冷奥氏体转变为珠光体的起始线线表示过冷奥氏体转变为珠光体的起始线 Pz 线表示过冷奥氏体
39、转变为珠光体的终了线线表示过冷奥氏体转变为珠光体的终了线 K线表示过冷奥氏体转变为珠光体终止线线表示过冷奥氏体转变为珠光体终止线 第四节第四节钢的退火与正火钢的退火与正火一、退火和正火的目的一、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、改善钢件的硬度，以便于进行切削加工（最佳切削硬度范围（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。、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。、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、为最终热处理（淬火、回火）做好组织上的准备。准备。
40、二、退火和正火工艺及应用二、退火和正火工艺及应用1、退火、退火包括：完全退火，等温退火，球化退火，扩散包括：完全退火，等温退火，球化退火，扩散退火，去应力退火。退火，去应力退火。a、完全退火（重结晶退火，退火）、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、热应用：亚共析碳钢和合金钢的铸件、锻件、热轧型材、焊接结构轧型材、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。硬度，提高塑性，便于切削加工。工艺：将亚共析钢加热到工艺：将亚共析钢加热到Ac3+30-50，保温一定，保温一定时间后，随炉缓慢冷
41、却（或埋入沙或石灰中）时间后，随炉缓慢冷却（或埋入沙或石灰中）到到500以下，空冷。以下，空冷。b、等温退火、等温退火等温退火的目的与完全退火相同。由于完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数天的时间，采用等温退火可明显缩短退火时间。间。等温退火等温退火：对应于钢的对应于钢的C曲线上珠光体形成温度进行奥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。氏体的等温转变处理，而在其
42、前后可以快速冷却。工艺：加热过程与完全退火相同，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保温一定时间后，开炉门较快速冷却到稍 低于低于A1的某一温度（的某一温度（550-700），在该温），在该温 度下保温到奥氏体完全转变为珠光体，然度下保温到奥氏体完全转变为珠光体，然 后空冷。后空冷。优点：（优点：（）缩短了退火时间）缩短了退火时间（）可以较好地控制组织与硬度）可以较好地控制组织与硬度（通过选择保温温度）（通过选择保温温度）（）工件氧化、脱碳倾向较小）工件氧化、脱碳倾向较小c、球化退火（不完全退火）、球化退火（不完全退火）应用：应用：过共析过共析
43、碳钢和合金钢的刀具、模具、碳钢和合金钢的刀具、模具、量具、轴承等零件。量具、轴承等零件。目的：降低硬度，改善切削加工性，为最终目的：降低硬度，改善切削加工性，为最终淬火作准备。淬火作准备。过共析组织为珠光体和网状的二次渗碳体。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。起淬火时工件产生变形和开裂。球化退火工艺球化退火工艺：将过共析钢加热到将过共析钢加热到Ac1+30-50，保温后，缓，保温后，缓慢冷却。慢冷却。由于
44、加热到Ac1+30-50Ac1+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，故称为球化退火球化退火。由于加热温度在由于加热温度在Ac1+30-50，钢组织没有全部，钢组织没有全部奥氏体化，故称为奥氏体化，故称为不完全退火不完全退火。经过球化退火的过共析钢，可获得铁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，叫做素体与球状渗碳体的混合组织，叫做“球化球化体体”，HB163。有的钢种一次球化退火难以达到球化目有的钢种一次球化退火难以达到球化目的，可采用的，可采用循环退火法循环退火法（或称（或称周期退火法周期退火法）进行
45、球化。进行球化。Ac1TTAc1球化退火循环退火sd、去应力退火、去应力退火去应力退火又叫消除内应力退火，低温退火。去应力退火又叫消除内应力退火，低温退火。目的：主要用于消除铸件、锻件及焊接件、目的：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。在一定时间后产生变形，降低耐蚀性。去应力退火工艺：去应力退火工艺：将钢件随炉缓慢加热（将钢件随炉缓慢加热（100-150/小时小时），），到到500-600（A1），经过一段时间保温后，随），经过一段时间保温后，随炉缓慢冷却（炉缓慢冷却（冷速冷速50-100/小时小时
46、）到）到300-200以以下出炉。下出炉。e、扩散退火、扩散退火目的：是利用高温下原子具有较强的扩散目的：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能力，来减轻或消除钢中化学成分不均匀现象。不均匀现象。由于加热温度高，晶由于加热温度高，晶粒也会因此长大，所以扩散退火后，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往往要经过一次完全退火来细化晶粒。粒。扩散退火工艺：扩散退火工艺：把钢加热到高于把钢加热到高于Ac3或或Accm 的温度的温度(约约1050-1250)，保温较长时间（约，保温较长时间（约10-20小时），然后缓冷。小时），然后缓冷。扩散退火主要用于
47、合金钢，尤其是高扩散退火主要用于合金钢，尤其是高合金钢的钢锭及铸件。合金钢的钢锭及铸件。三、正火工艺及应用三、正火工艺及应用1、定义、定义 所谓正火是指把钢加热到所谓正火是指把钢加热到Ac3（亚共析（亚共析 碳钢）或碳钢）或Accm（过共析碳钢）以上（过共析碳钢）以上30-50，保温一定时间，随后在空气中冷却。保温一定时间，随后在空气中冷却。2、目的、目的对于亚共析钢，正火的目的与退火相同，主要是对于亚共析钢，正火的目的与退火相同，主要是细化晶粒，由于正火冷却速度较快，得到的珠光体组细化晶粒，由于正火冷却速度较快，得到的珠光体组织较细，且与退火相比，铁素体数量较少（冷速快，织较细，且与退火相比
48、，铁素体数量较少（冷速快，铁素体析出少），故碳钢正火处理后强度、硬度均高铁素体析出少），故碳钢正火处理后强度、硬度均高于退火处理。于退火处理。对于过共析钢，正火用于对于过共析钢，正火用于消除网状渗碳体消除网状渗碳体。由于。由于冷速较快，析出的二次渗碳体较小（冷速快，渗碳体冷速较快，析出的二次渗碳体较小（冷速快，渗碳体来不及长大），且不易形成连续的网络来不及长大），且不易形成连续的网络。3、正火工艺的主要应用范围：、正火工艺的主要应用范围：a、用于普通零件作为最终热处理、用于普通零件作为最终热处理b、用于中、低碳结构钢，作为预先热处理，便、用于中、低碳结构钢，作为预先热处理，便于切削加工于切削加
49、工c、用于过共析钢，可抑制或消除网状二次渗碳、用于过共析钢，可抑制或消除网状二次渗碳体的形成，以便在进一步的球化退火中获得体的形成，以便在进一步的球化退火中获得良好的球化体，为淬火做好组织上的准备。良好的球化体，为淬火做好组织上的准备。正火比退火生产周期短，耗能低，操作简正火比退火生产周期短，耗能低，操作简便，故一般尽可能用正火代替退火，常用中低便，故一般尽可能用正火代替退火，常用中低碳钢的钢材都以正火状态交货。碳钢的钢材都以正火状态交货。第五节第五节钢的淬火钢的淬火将钢加热到将钢加热到Ac3（亚共析钢亚共析钢）或）或Ac1（过过共析钢共析钢）以上）以上30-50，经保温后，快速冷却，经保温后
50、，快速冷却获得马氏体的热处理操作称为获得马氏体的热处理操作称为淬火淬火。一、淬火的目的一、淬火的目的1、提高钢的硬度及耐磨性（如工具、轴承等要求、提高钢的硬度及耐磨性（如工具、轴承等要求高耐磨性的零件）高耐磨性的零件）2、获得良好的综合机械性能（中碳钢经淬火、获得良好的综合机械性能（中碳钢经淬火+高温高温回火可获得强、韧兼备组织；各种弹簧都要求回火可获得强、韧兼备组织；各种弹簧都要求强度高、弹性好，一般用高碳钢制作，经淬火强度高、弹性好，一般用高碳钢制作，经淬火+中温回火后，弹性大大提高）中温回火后，弹性大大提高）3、获得特殊物理、化学性能（许多不锈钢、耐热、获得特殊物理、化学性能（许多不锈钢
