1、工程材料工程材料机械制造基础机械制造基础 -第六章第六章 钢的热处理钢的热处理 (Heat Treatment of Steel)概述概述钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢的普通热处理工艺钢的普通热处理工艺钢的表面热处理工艺钢的表面热处理工艺机械制造过程中的热处理机械制造过程中的热处理 第一节第一节 概述概述1.热处理的定义热处理的定义:时间温度临界温度临界温度 热热加加保温保温冷冷 却却2.热处理的主要目的热处理的主要目的:改变钢的性能。改变钢的性能。3.热处理的应用范围热处理的应用范围:整个制造业。整个制造业。4.热处理的分类热处理的分类热处
2、理热处理普普 通通热处理热处理表表 面面热处理热处理退火退火;正火正火;淬火淬火;回火回火;表面淬火表面淬火 化化 学学 热处理热处理感应加感应加热淬火热淬火火焰加火焰加热淬火热淬火渗碳渗碳;渗氮渗氮;碳氮共渗碳氮共渗;第二节第二节 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变转变温度转变温度奥氏体的形成奥氏体的形成奥氏体晶粒度及对力学性能的影响奥氏体晶粒度及对力学性能的影响 钢在热处理的第一道工序是加热。钢在热处理的第一道工序是加热。本章讲述本章讲述 钢在加热时其结构有什么钢在加热时其结构有什么 变化变化 其理论的基础其理论的基础 同素异构同素异构 就是使钢的晶格出现同素异构就是使钢的晶格出现同
3、素异构 现以共析钢为例：现以共析钢为例：从从Fe Fe3c状态图看出，共析钢在状态图看出，共析钢在 273273（A1线线）以下时为）以下时为 P;在在A1线以上温度线以上温度时则为时则为A.当当A1为极其缓慢加热或冷却时，为极其缓慢加热或冷却时，P与与A共同共同存在平衡关系。但实际上是不可能的，加热和存在平衡关系。但实际上是不可能的，加热和冷却并不缓慢，而实际加热时的各临界点为：冷却并不缓慢，而实际加热时的各临界点为：Ac1、Ac3、Ac cm线，冷却分别为线，冷却分别为Ar1、Ar3、Arcm。一一.转变温度转变温度(transformation temperature)所以，要把钢由所以
4、，要把钢由P A,必须将钢加热到必须将钢加热到Ac1以上（以上（727）；）；当当加热到加热到Ac1以上时，以上时，A的形成也是通的形成也是通过生核及成长过程来实现的，简单地，过生核及成长过程来实现的，简单地，有以下有以下4个步骤：个步骤：见图示：见图示：1.自自F与与Fe3C的交界面处，开始形成的交界面处，开始形成A晶核并成长，图晶核并成长，图(a)（b）；2.因为因为Fe3C无论是结晶或其他形式，无论是结晶或其他形式，含含C量都与量都与A差别极大，所以，由差别极大，所以，由Fe3C向向A转变时，必须落后于转变时，必须落后于F向向A转变，当转变，当P中中的的F奥氏体的形成奥氏体的形成FFe3
5、C未溶未溶Fe3CA残余残余Fe3CAAAA 形核形核A 长大长大残余残余Fe3C溶解溶解A 均匀化均匀化 全部转变为全部转变为A，图示（，图示（b）的情况结束，）的情况结束，晶粒长大；晶粒长大；3.当当F完成转变后，落后的那部分完成转变后，落后的那部分Fe3C继继 续向续向A溶解；溶解；4.在刚形成的在刚形成的A晶粒中，由于晶粒中，由于Fe3C的碳的碳 原子扩散需要一段时间，才能得到均原子扩散需要一段时间，才能得到均 匀的匀的A.由此可见，金属从一种晶体转变到另一种由此可见，金属从一种晶体转变到另一种晶体，需要一个晶体，需要一个“扩散扩散”过程过程-保温保温 三三.奥氏体晶粒度及对奥氏体晶粒
6、度及对 力学性能的影响力学性能的影响一一)奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度:1.起始晶粒度起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏珠光体刚刚转变成奥氏 体的晶粒大小。体的晶粒大小。2.实际晶粒度实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏热处理后所获得的奥氏 体晶粒的大小。体晶粒的大小。3.本质晶粒度本质晶粒度:度量钢本身晶粒在度量钢本身晶粒在930 以下以下,随温度升高随温度升高,晶粒长晶粒长 大的程度。大的程度。钢的本质晶粒度示意图钢的本质晶粒度示意图二二)奥氏体晶粒大小对钢的奥氏体晶粒大小对钢的 力学性能的影响力学性能的影响1.奥氏体晶粒均匀细小奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力热处理后钢的力 学性能提高。学性能提
7、高。2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起 工件产生较大的变形甚至开裂。工件产生较大的变形甚至开裂。晶粒长大带来的问题：晶粒长大带来的问题：1.冷却后机械性能的降低；冷却后机械性能的降低；2.冲击韧性的变坏；冲击韧性的变坏；3.淬火时会产生裂纹；淬火时会产生裂纹；解决的办法解决的办法1.加热按加热按Fe Fe3c状态图对加热的温度范状态图对加热的温度范围进行加热；围进行加热；2.选择含有阻止选择含有阻止A长大化学成分的合金钢长大化学成分的合金钢 第三节第三节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢在热处理时的冷却方式钢在热处理时的冷却方式过冷奥氏体的等温冷却转
8、变过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变一一.钢在热处理时的冷却方式钢在热处理时的冷却方式 热热加加保温保温时间温度临界温度临界温度连续冷却连续冷却等温冷却等温冷却 热处理的加热和保温的主要目的是为热处理的加热和保温的主要目的是为了使钢获得细而均匀的了使钢获得细而均匀的A氏体晶粒；氏体晶粒；另一方面，冷却是让获得的晶粒在另一方面，冷却是让获得的晶粒在室温下得到保持，因此，冷却方式和冷室温下得到保持，因此，冷却方式和冷却速度对却速度对A的转变有很大的影响，是一个的转变有很大的影响，是一个关键的工艺。关键的工艺。A的冷却方法大致有两种的冷却方法大致有两种;连续冷却
9、：把连续冷却：把A连续从高温冷至室温，连续从高温冷至室温，包括炉冷、空冷、水冷、由冷等。包括炉冷、空冷、水冷、由冷等。等温冷却：将等温冷却：将A 迅速从高温冷却到某一迅速从高温冷却到某一温度，保留一段时间，再冷却到室温。温度，保留一段时间，再冷却到室温。由于热处理的冷却过程大多数并不是由于热处理的冷却过程大多数并不是极其缓慢进行的，得到的是不平衡的组极其缓慢进行的，得到的是不平衡的组织，这时织，这时F-Fe3C状态图的变化规律是不状态图的变化规律是不适用的，因此需要了解不同冷却条件下适用的，因此需要了解不同冷却条件下组织转变的规律过冷组织转变的规律过冷A转变图又称转变图又称TTT图（时间、温度
10、、转变的英文缩写）图（时间、温度、转变的英文缩写）或或C曲线曲线二二.过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的等温冷却转变一一)建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转 变曲线变曲线-TTT曲线曲线(C 曲线曲线)T-timeT-temperatureT-transformation 共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1二二)共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线的分析曲线的分析稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过冷奥氏体区过冷奥氏体区A向产向产物转变开
11、始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线 A+产产 物物 区区产物区产物区A1550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变;P 转变区。转变区。550230;中温转变中温转变区区;半扩散型转变半扩散型转变;贝氏体贝氏体(B)转变区转变区;230-50;低温转低温转变区变区;非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体(M)转变区。转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf 根据根据C曲线可知：曲线可知：A 再再A1 与与Ms线之间的不同范围线之间的不同范围内等温，分解得到组织形态与力学性能内等温，分解得到
12、组织形态与力学性能是不同的，分为三种情况：是不同的，分为三种情况：1.P 转变转变 又称高温转变，是过冷又称高温转变，是过冷A在在A1550范围内等温分解为范围内等温分解为 F 和和 Fe3C 的机械混合物的转变。的机械混合物的转变。（1）形成）形成 当当A过冷到过冷到A1线以下时，线以下时，A产生了变化产生了变化 在晶界处产生了在晶界处产生了Fe3C晶核，长大使晶核，长大使 其两其两侧侧A的含量下降的含量下降，当当Fe3C长大时长大时 使到原有的使到原有的A的的C含量达到含量达到F时时 在在 Fe3C 两侧形成两侧形成 F 的晶核，当的晶核，当F长大时长大时（Cmax0.006）向周围的向周
13、围的A排出多排出多 余的余的 C 原子原子 增加了两侧增加了两侧A 的的C含量，含量，促进了促进了 Fe3C 片的形成，如此片的形成，如此反复，反复，形成，形成，F 与与 Fe3C 层片相间的混合组层片相间的混合组织，与此同时，在晶界其他部位又可能织，与此同时，在晶界其他部位又可能产生新的晶核（产生新的晶核（Fe3C 小片），并不断小片），并不断交替生核长大，直到各种不同取向的交替生核长大，直到各种不同取向的P晶晶团（群）彼此相遇，团（群）彼此相遇，A全部转变为全部转变为P。由此可见，由此可见，P的形成，包含两个不的形成，包含两个不同的过程：同的过程：通过通过C的扩散而使成分产生改变，即的扩散
14、而使成分产生改变，即由含由含C量量0.8（0.77）的）的A 含含C量极高的量极高的Fe3C和含和含C量极低的量极低的F转变转变；2.B转变（中温转变）过冷过冷A在在550MsMs点等点等温时温时，转变温转变温度稍低，度稍低，这时这时只有只有C C原子的原子的扩扩散，散，铁铁原子原子不不扩扩散，出散，出现现半半扩扩散散状态状态，F F中析出短片中析出短片FeFe3 3C C或或极细极细的的碳碳化物。化物。力学性质力学性质上上B呈羽毛状，呈羽毛状，F较宽，较宽，Fe3C较粗大，强度较粗大，强度低，塑性和韧性差；低，塑性和韧性差；下下B呈针叶状，呈针叶状，F呈针叶状，呈针叶状，Fe3C呈颗粒或薄片
15、，有优良的力学性能。呈颗粒或薄片，有优良的力学性能。三三)转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能1.珠光体型珠光体型(P)转变转变(A1550):A1650:P;525HRC;片间距为片间距为0.60.7m(500)。650600:细片状细片状P-索氏体索氏体(S);片间距为片间距为0.20.4m(1000);2536HRC。600550:极细片状极细片状P-屈氏体屈氏体(T);片间距为片间距为0.2m(电镜电镜);3540HRC。珠珠 光光 体体 形形 貌貌 像像光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌 索索 氏氏 体体 形形 貌貌 像像 屈屈 氏氏 体体 形形 貌貌 像像
16、电镜形貌光镜形貌三三)转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能2.贝氏体型贝氏体型(B)转变转变(550230):550350:B上上;4045HRC;B上上=过饱和碳过饱和碳-Fe条状条状+Fe3C细条状细条状过饱和碳过饱和碳-Fe条状条状 Fe3C细条状细条状羽毛状羽毛状 上贝氏体组织金相图上贝氏体组织金相图三三)转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能2.贝氏体型贝氏体型(B)转变转变(550230):350230:B下下;5060HRC;B下下=过饱和碳过饱和碳-Fe针叶状针叶状+Fe3C细片状细片状过饱和碳过饱和碳-Fe针叶状针叶状Fe3C细片状细片状针叶状针叶状 下贝氏体组织金相图
17、下贝氏体组织金相图三三)转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能3.马氏体型马氏体型(M)转变转变(230-50):1)定义定义:马氏体是一种碳在马氏体是一种碳在 Fe中的中的 过饱和过饱和固溶体。固溶体。2)转变特点转变特点:在一个温度范围内在一个温度范围内连续冷却完成连续冷却完成;转变速度极快转变速度极快,即即瞬间形核与长大瞬间形核与长大;无扩散转变无扩散转变(Fe、C原子均不扩散原子均不扩散),M与原与原A的成分相同的成分相同,造成晶格畸变。造成晶格畸变。转变不完全性转变不完全性,QM=f(T)3.M转变（低温转变）转变（低温转变）早在战国时代，人们已经使用淬火的早在战国时代，人们已经使
18、用淬火的方法提高剑的硬度，但为什么通过此法方法提高剑的硬度，但为什么通过此法可以实现钢的硬度，人们并不认识，直可以实现钢的硬度，人们并不认识，直到到19世纪，一个叫世纪，一个叫Adolpb Marlens的的德国冶金学家解释为钢的晶体得到改变，德国冶金学家解释为钢的晶体得到改变，出现晶体饱和。出现晶体饱和。为了纪念为了纪念Marlens，法国一个叫，法国一个叫Osmond建议将钢淬火所得的硬度称建议将钢淬火所得的硬度称“马马氏体氏体”。M是是C原子在原子在-Fe 中过饱和固溶体中过饱和固溶体 在低温时，已加热的从在低温时，已加热的从转变转变 的晶体是不稳定的，这种在的晶体是不稳定的，这种在C原
19、子原子不能发生扩散随情况下，不能发生扩散随情况下，转转变为：变为：-Fe(C)-Fe(C)以共析钢为例以共析钢为例 加热后，得到加热后，得到A，含，含C量量0.77 由由wc=0.77 M,这时这时 C的含量也的含量也0.77 但：常温下但：常温下F、-Fe的饱和的饱和C含量仅含量仅 为为 0.006%,由于这时的由于这时的M含含C量比这个量比这个 数值还要多，故称为饱和了的数值还要多，故称为饱和了的-Fe。3)马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构:由于碳的过饱和作由于碳的过饱和作 用用,使使 Fe晶格由晶格由体心立方变成体心正体心立方变成体心正 方晶格。方晶格。M转变是在低温下进行的一种转变，转
20、变是在低温下进行的一种转变，对于钢来说，此时不仅铁原子不能扩散，对于钢来说，此时不仅铁原子不能扩散，C原子也难以扩散，所以，原子也难以扩散，所以，M转变具有一转变具有一系列不同于系列不同于P转变的特性。转变的特性。1.M是非扩散型的转变是非扩散型的转变 M是在相当低的温度范围内进行的，是在相当低的温度范围内进行的，并且转变极快，所以转变前后并且转变极快，所以转变前后C的浓度没的浓度没有多少变化，有多少变化，A与与M的成分基本一致，仅的成分基本一致，仅是晶格改组；是晶格改组；2.M转变是在一个温度范围内进行的，生转变是在一个温度范围内进行的，生成成M晶核生长速度极快；晶核生长速度极快；所以，在冷
21、却时，在某一温度下停留，所以，在冷却时，在某一温度下停留，只是形成一定数量的只是形成一定数量的M，只要连续不断，只要连续不断地降低温度，转变才能进行，地降低温度，转变才能进行，M的数量的数量才会增多。才会增多。3.M转变具有不完全性，转变具有不完全性，M不能转变到不能转变到底，或多或少总有一些未转变的底，或多或少总有一些未转变的A被保留，被保留，要采取一些技术手段才能去掉。要采取一些技术手段才能去掉。M的机械性能的机械性能 M的主要特性是具有高硬度，它的硬的主要特性是具有高硬度，它的硬度随钢的度随钢的C C含量增加而升高。含量增加而升高。理由：理由：M是经处理后得到的，处理后，是经处理后得到的
22、，处理后，钢中还有其他组织（钢中还有其他组织（Fe3C 、残余、残余A等等）；）；M的塑性主要取决于的塑性主要取决于M的亚结构类型的亚结构类型 低低CM；挛生；挛生M等。等。由于钢中由于钢中M的比容大，的比容大，A A的比容少，的比容少，因此当因此当A M 时，钢必然产生体积上时，钢必然产生体积上的膨胀，引起内应力，这是零件淬火处的膨胀，引起内应力，这是零件淬火处理时出现裂纹和变形的原因之一理时出现裂纹和变形的原因之一奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响6007005003004002001000-100-2000.20.4 0.6 0.8 1.0 1.21.4
23、 1.6 1.8 2.00温度 Wc 100MsMf90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7Wc 100残余奥氏体量(%)奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响4)马氏体的组织形态马氏体的组织形态:板条状板条状-低碳马氏体低碳马氏体(0.2%C);3050HRC;=917%。低碳板条状马氏体组织金相图低碳板条状马氏体组织金相图4)马氏体的组织形态马氏体的组织形态:针、片状针、片状-高碳马氏体高碳马氏体(1%C);66HRC左右左右;1%。高碳针片状马氏体组织金相图高碳针片状马氏
24、体组织金相图马氏体的碳浓度 Wc 100507040602030100.10.30.20.400.5 0.6 0.7 0.80.9 1.0硬度(HRC)2000抗拉强度b(Mpa)1800 1400 1000 600 2005)马氏体的性能马氏体的性能:主要取决于马氏体中的主要取决于马氏体中的碳浓度。碳浓度。亚共析钢的亚共析钢的TTT曲线曲线 FAP+FS+FTBM+A残残A3时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1MsMf 过共析钢的过共析钢的TTT曲线曲线P+Fe3CS+Fe3CTBM+A残残 Fe3CAACM时间时
25、间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1MsMf 四四)影响影响 TTT 曲线形状曲线形状 与位置的因素与位置的因素1.奥氏体中含碳量的影响奥氏体中含碳量的影响:过共过共析钢析钢共析共析 钢钢亚共亚共析钢析钢时间温度A12.奥氏体中含合金元素的影响奥氏体中含合金元素的影响:除除Co、Al(2.5%)外外,所有合金所有合金元元 素溶入奥氏体中素溶入奥氏体中,会引起会引起:向右移向右移向下移向下移MsA1A1Ms含含Cr合金钢合金钢3.加热温度和保温时间的影响加热温度和保温时间的影响:加热温度越高加热温度越高,保温时间越长保温时间
26、越长,碳化物溶解充分碳化物溶解充分,奥氏体成分均匀奥氏体成分均匀,提高了过冷奥氏体的稳定性提高了过冷奥氏体的稳定性,从而从而 使使 TTT曲线向右移。曲线向右移。三三.过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变一一)建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转 变曲线变曲线-CCT 曲线曲线 C-continuousC-coolingT-transformationVk 一一)共析碳钢共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间(lg )温度A1PfPsA+PKMsMf水冷水冷油冷油冷Vk1炉冷炉冷空冷空冷二二)共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线与曲线与CCT曲
27、线的比较曲线的比较稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMfCCT曲线曲线TTT曲线曲线稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf三三)在连续冷却过程中在连续冷却过程中 TTT 曲线的应用曲线的应用V1V2VkV3V4V1=5.5/s:炉冷炉冷;PV2=20/s:空冷空冷;SV3=33/s:油冷油冷;T+M+A残残V4 138/s:水冷水冷;M+A残残 第四节第四节 钢的普通热处理工艺钢的普通热处
28、理工艺 第四节第四节 钢的普通热处理工艺钢的普通热处理工艺毛坯生产毛坯生产 预备热处理预备热处理 机械加机械加工工 最终热处理最终热处理 机械精加工机械精加工预备热处理预备热处理:退火退火;正火正火最终热处理最终热处理:淬火淬火;回火回火一般零件生产的工艺路线一般零件生产的工艺路线:一一.钢的退火钢的退火(Annealing of steel)一一)定义定义:把零件加温到把零件加温到临界温度以上临界温度以上 3050,保温一段时间保温一段时间,然后然后 随炉冷却随炉冷却。二二)目的目的:消除应力消除应力;降低硬度降低硬度;细化晶细化晶 粒粒;均匀成分均匀成分;为最终热处理为最终热处理 作好组织
29、准备。作好组织准备。三三)种类种类退火退火重结晶重结晶退退 火火低温低温退火退火完全退火完全退火扩散退火扩散退火球化退火球化退火再结晶退火再结晶退火去应力退火去应力退火普通退火普通退火等温退火等温退火普通球化普通球化 退退 火火等温球化等温球化 退退 火火完全退火完全退火 加热到加热到Ac3以上以上2030，保温，缓，保温，缓冷至冷至600以下，再空冷，得到接近平衡以下，再空冷，得到接近平衡状态组织。主要用于亚共析钢和共析钢状态组织。主要用于亚共析钢和共析钢的锻件、轧件、铸件，使晶粒细化，组的锻件、轧件、铸件，使晶粒细化，组织均匀和消除残余应力，提高钢件的性织均匀和消除残余应力，提高钢件的性能
30、。过共析钢不宜完全退火，因析出网能。过共析钢不宜完全退火，因析出网状渗碳体，降低钢的力学性能。状渗碳体，降低钢的力学性能。球化退火球化退火 使钢中的碳化物呈球状而进行的使钢中的碳化物呈球状而进行的退火。将工件加热到退火。将工件加热到Ac1以上以上2030保温，然后缓慢冷却。主要用保温，然后缓慢冷却。主要用于过共析钢，使钢中二次渗碳于过共析钢，使钢中二次渗碳扩散退火(均匀化退火)将钢加热到略低于固相线温度，长时将钢加热到略低于固相线温度，长时间保温，随炉冷却，使化学成分和组织间保温，随炉冷却，使化学成分和组织均匀化。主要用于质量要求高的合金钢均匀化。主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件或锻件。铸
31、锭、铸件或锻件。去应力退火去应力退火 为消除形变加工、锻造、焊接等以为消除形变加工、锻造、焊接等以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。及铸件内存在的残余应力而进行的退火。铸钢件的温度为铸钢件的温度为600650，铸铁件为，铸铁件为500550，保温后在炉内缓慢冷却。，保温后在炉内缓慢冷却。组织不发生变化，只消除内应力，减少组织不发生变化，只消除内应力，减少变形，稳定尺寸。变形，稳定尺寸。四四)工艺参数工艺参数:温温 度度(C)名名 称称Ac3+3050完全退火完全退火Ac1+3050球化退火球化退火500600去应力退火去应力退火Ac3+150250扩散退火扩散退火四四)工艺参数工艺参数:五五
32、)热处理后的组织热处理后的组织:原始组织原始组织 共析钢球化退火组织(化染)700 T10钢球化退火组织(化染)500 二二.钢的正火钢的正火(Normalizing of steel)一一)定义定义:把零件加温到把零件加温到临界温度以上临界温度以上 3050,保温一段时间保温一段时间,然后然后 在空气中冷却在空气中冷却。二二)目的目的:消除应力消除应力;调整硬度调整硬度;细化晶细化晶 粒粒;均匀成分均匀成分;为最终热处理为最终热处理 作好组织准备。作好组织准备。三三)工艺参数工艺参数:温温 度度(C)名名 称称Ac3+3050亚共析钢亚共析钢Ac1+3050共析钢共析钢Accm+3050过共
33、析钢过共析钢四四)工艺参数工艺参数:四四)热处理后的组织热处理后的组织:S(Wc=0.61.4%)S+F(Wc0.6%)五五)应用范围应用范围:1.预备热处理预备热处理:调整低、中碳钢的硬调整低、中碳钢的硬 度度;消除过共析钢中的消除过共析钢中的Fe3C。2.最终热处理最终热处理:用于力学性能要求不用于力学性能要求不 高的普通零件。高的普通零件。三三.钢的淬火钢的淬火(Quenching of steel)一一)定义定义:把零件加温到把零件加温到临界温度以上临界温度以上 30 50,保温一段时间保温一段时间,然然 后后快速冷却快速冷却(水冷水冷)。二二)目的目的:为了获得马氏体组织为了获得马氏
34、体组织,提高钢提高钢 的硬度和耐磨性。的硬度和耐磨性。三三)工艺参数工艺参数:温温 度度(C)名名 称称Ac3+3050亚共析钢亚共析钢Ac1+3050共析钢共析钢Ac1+3050过共析钢过共析钢钢在淬火时组织和性能的变化钢在淬火时组织和性能的变化 钢在淬火时的冷却速度钢在淬火时的冷却速度钢的临界冷却速度钢的临界冷却速度 则：则：A 被冷却到被冷却到Ms线（线（Ms230）以）以 下下得到得到M。在钢的淬火冷却过程中，自在钢的淬火冷却过程中，自Ms点开始，随点开始，随温度的下降，温度的下降，M的转变量越来越多，但当温度的转变量越来越多，但当温度再降低时，再降低时，M就不会增加。说明在极大的过冷
35、就不会增加。说明在极大的过冷度下，原子不能扩散，度下，原子不能扩散，A便无便无法以扩散的形式法以扩散的形式转变，只能以转变，只能以“无扩散无扩散”形式的方法转变为形式的方法转变为 过饱和的过饱和的固溶体。固溶体。因为因为Fe的含碳量呈饱和状态，从而使的含碳量呈饱和状态，从而使原来的体心立方晶格被撑长，变成了歪原来的体心立方晶格被撑长，变成了歪曲的体心立方晶格。曲的体心立方晶格。晶格的变形部位从体心立方晶格承晶格的变形部位从体心立方晶格承受力低的空间塞，出现了自我硬化，增受力低的空间塞，出现了自我硬化，增加了变形的抗力，变成具有高的硬度，加了变形的抗力，变成具有高的硬度，同时，也引起了内应力的增
36、加。同时，也引起了内应力的增加。则：则：过冷速度越大，过冷速度越大，M就越多；就越多；硬度越大，内应力就越大硬度越大，内应力就越大 从上述原理看：从上述原理看：钢的淬火会出现残余的钢的淬火会出现残余的A。钢的淬火工艺钢的淬火工艺 淬火是各种热处理中最复杂的一种工艺淬火是各种热处理中最复杂的一种工艺 原因：原因：1.冷却速度快，容易造成变形及开裂；冷却速度快，容易造成变形及开裂；2.冷却速度慢，达不到硬度；冷却速度慢，达不到硬度；3.零件的复杂造成变形及开裂。零件的复杂造成变形及开裂。淬火工艺的三要素淬火工艺的三要素 加热温度加热温度 目的：获得细及均匀的目的：获得细及均匀的M M。各种钢的淬火
37、温度主要依靠其组织和类型及临各种钢的淬火温度主要依靠其组织和类型及临界点；界点；亚共析钢，适宜的淬火温度一般亚共析钢，适宜的淬火温度一般AcAc3 3以上以上30305050；过共析钢，过共析钢，适宜的淬火温度一般适宜的淬火温度一般Ac1Ac1以上以上30305050；合金钢，可以参照上述的加热温度，除少数的合金钢，可以参照上述的加热温度，除少数的合金元素，如合金元素，如MnMn等，大多数的合金元素可以使晶等，大多数的合金元素可以使晶粒细化，如稍微加温，可以获得中等的粒细化，如稍微加温，可以获得中等的A,A,但可使但可使合金元素充分溶解和均匀，达到均匀组织的合金合金元素充分溶解和均匀，达到均匀
38、组织的合金钢钢五五)淬火加热时间淬火加热时间()的选择的选择:=K D工工 件件 有有 效效 厚厚 度度(尺寸最小部位尺寸最小部位)装炉量有关系数装炉量有关系数一般一般 K=11.5加热系数加热系数,与钢种与钢种及加热介质有关及加热介质有关 淬火加热中的氧化和脱碳淬火加热中的氧化和脱碳 一般的加热炉，与钢加热接触的介质一般的加热炉，与钢加热接触的介质是空气，在加热过程中，钢件与介质相是空气，在加热过程中，钢件与介质相互作用，在钢的表面产生氧化皮的现象，互作用，在钢的表面产生氧化皮的现象，其化学反应：其化学反应：2FeC 2FeO FeCO2 FeOCO2 FeH2O FeCH4 钢的脱碳就是钢
39、件表面层中的钢的脱碳就是钢件表面层中的 碳粉被烧掉的现象，主要反应式：碳粉被烧掉的现象，主要反应式：2Fer（C）O 2Fe2CO；Fer（C）CO2 Fe2CO；Fer（C）2H2 FeCH4；氧化和脱碳主要是介质中有氧化和脱碳主要是介质中有CO2 和和 O2 以及水蒸气等的情况出现。以及水蒸气等的情况出现。清洁；去氧化皮；涂保护剂；清洁；去氧化皮；涂保护剂；加入脱氧剂；使用保护气氛等加入脱氧剂；使用保护气氛等 六）六）淬火冷却介质淬火冷却介质淬火要求是得到淬火要求是得到M,要得到较多的要得到较多的M,要求要求冷却速度要快，在临界速度下加快冷却冷却速度要快，在临界速度下加快冷却速度，则易使钢
40、变形与开裂。速度，则易使钢变形与开裂。根据碳钢的根据碳钢的A等温曲线：等温曲线：要淬火得到要淬火得到M,其实并不需要整个冷却其实并不需要整个冷却过程都要快速冷却，过程都要快速冷却，关键在于关键在于C曲线的拐曲线的拐弯部分（即在弯部分（即在650550）的范围需要）的范围需要快速快速冷却冷却，在淬火温度到在淬火温度到650以及以及400400以下时，并不需要快速冷却，以下时，并不需要快速冷却，特别特别是在是在300300200200时，时，尤其不应冷却太快，尤其不应冷却太快，避免开裂。避免开裂。水它在水它在650650550550范围内的冷范围内的冷却速度很大（约却速度很大（约600/s600/
41、s），但在），但在300300200200时的冷却速度仍然很快时的冷却速度仍然很快（270/s270/s），所以有变形的可能；），所以有变形的可能；通常的方法是在水中加入盐或碱，通常的方法是在水中加入盐或碱，但只能增加它在但只能增加它在650650550550范围内范围内的冷却速度而不能减弱的冷却速度而不能减弱300300200200时的冷却速度。时的冷却速度。油（矿物油）在油（矿物油）在300300200200时的冷却时的冷却速度比较慢，但在速度比较慢，但在650650550550范围内的范围内的冷却能力不够，只能用于一些合金钢，冷却能力不够，只能用于一些合金钢，而且价格贵，易燃，不易清洁。
42、而且价格贵，易燃，不易清洁。近年来，初步试验成功硝盐水及水玻璃近年来，初步试验成功硝盐水及水玻璃两种溶液，其冷却能力介于水与油之间，两种溶液，其冷却能力介于水与油之间，但仍要进一步研究。但仍要进一步研究。理想淬火冷却介质理想淬火冷却介质时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf2.常用的淬火冷却介质常用的淬火冷却介质 名名 称称 最大冷却速度时最大冷却速度时平均冷却速度平均冷却速度/(s-1)所在温所在温度度/冷却速度冷却速度 /(s-1)650550 300200 20静止水静止水34077513545040静止水静止水
43、28554511041060静止水静止水2202758018510%NaCl 溶液溶液58020001900100010%NaOH 溶液溶液560283027507752010号机油号机油43023060658010号机油号机油4302307055203号号锭子油锭子油50012010050七七)常用的淬火方法常用的淬火方法单液淬火单液淬火双液淬火双液淬火分级淬火分级淬火等温淬火等温淬火时间时间温度MsA1 钢的淬火方法钢的淬火方法 由于淬火的冷却介质不能由于淬火的冷却介质不能完全满足淬火质量的要求；完全满足淬火质量的要求；所以，要使用工艺的方法所以，要使用工艺的方法加以解决。加以解决。1.单
44、液淬火法 将加热的工件放进一种淬火介质中冷将加热的工件放进一种淬火介质中冷却到室温的操作方法。却到室温的操作方法。特点：操作简单，淬火时出现工件表特点：操作简单，淬火时出现工件表面与心部的温差太大，内应力大；用水面与心部的温差太大，内应力大；用水冷工件易变形；用油冷，工件的硬度可冷工件易变形；用油冷，工件的硬度可能达不到要求。能达不到要求。适用于形状简单的工件。适用于形状简单的工件。2.双液淬火法双液淬火法 将加热的工件放进水中冷却到将加热的工件放进水中冷却到Ms点点时从水中取出立即放在油中（空气中）时从水中取出立即放在油中（空气中）冷却到室温的操作方法。冷却到室温的操作方法。特点：可以在特点
45、：可以在650550550的温度中的温度中获得快的冷却速度，而在获得快的冷却速度，而在300200200获得稍慢的冷却速度；获得稍慢的冷却速度；但是，必须恰到好处；也没有改变表但是，必须恰到好处；也没有改变表面与心部的温差大的问题。面与心部的温差大的问题。3.分级淬火法分级淬火法 为了改变工件在淬火时表面与心部温差的为了改变工件在淬火时表面与心部温差的问题所采取的一种措施。问题所采取的一种措施。方法是首先把加热工件放在温度稍高于方法是首先把加热工件放在温度稍高于Ms点的盐浴（或碱）中，稍加停留点的盐浴（或碱）中，稍加停留,使工件各部分使工件各部分温度浴盐浴的温度基本一致时取出空冷。温度浴盐浴的
46、温度基本一致时取出空冷。特点：可以对形状复杂的工件进行处理，特点：可以对形状复杂的工件进行处理，对防止裂纹有效；对防止裂纹有效；冷却速度不大，适用于小工冷却速度不大，适用于小工件。件。4.等温淬火法等温淬火法 方法是首先把加热工件放在温度稍高于方法是首先把加热工件放在温度稍高于MsMs点点的盐浴（或碱）中，等温保温（保温足够的时的盐浴（或碱）中，等温保温（保温足够的时间）间）,使工件在保温过程中产生下使工件在保温过程中产生下B B转变后转变后取出空取出空冷。冷。特点：特点：1.由于得到下由于得到下B，所以，对于形状复，所以，对于形状复 杂，而且要求高硬度和高冲击韧性杂，而且要求高硬度和高冲击韧
47、性 的的 工件、模具有利；工件、模具有利；2.适应处理尺寸较小的零件适应处理尺寸较小的零件 4.冷处理法冷处理法 将淬火钢冷却到室温后继续将淬火钢冷却到室温后继续冷却到冷却到7080的淬火方法。的淬火方法。特点：可以使残余的特点：可以使残余的A转变为转变为M.使工件的尺寸稳定；硬度和使工件的尺寸稳定；硬度和耐磨性提高耐磨性提高三三)工艺参数工艺参数:四四)热处理后的组织热处理后的组织:M+Fe3C+A残残 Ac1+3050过共析钢过共析钢 M+A残残 Ac1+3050 共析钢共析钢 M+A残残 Ac3+3050亚共析钢亚共析钢Wc0.5%M Ac3+3050亚共析钢亚共析钢Wc0.5%最终组织
48、最终组织淬火温度淬火温度()钢种钢种八八)钢的淬硬性钢的淬硬性(Hardening of steel)1.定义定义:是指钢在淬火后所能达到的是指钢在淬火后所能达到的最最 高硬度。高硬度。2.影响钢的淬硬性的因素影响钢的淬硬性的因素:主要取决于主要取决于 马氏体的马氏体的含碳量。含碳量。九九)钢的淬透性钢的淬透性 (Hardenability of steel)1.定义定义:是指钢在淬火时所能得到的是指钢在淬火时所能得到的淬淬 硬层硬层(马氏体组织占马氏体组织占50%处处)的的 深度。深度。2.影响钢的淬透性的因素影响钢的淬透性的因素:主要是主要是临界临界 淬火冷却速度淬火冷却速度VK 的大小的
49、大小,VK 越越 大大,钢的淬透性越小。钢的淬透性越小。钢的淬透性钢的淬透性 钢的淬透性是指钢在淬火时获得淬硬钢的淬透性是指钢在淬火时获得淬硬（透）层深度的能力，它是钢材本身固（透）层深度的能力，它是钢材本身固有的特性。有的特性。当淬火时，工件由于表面冷却快，心当淬火时，工件由于表面冷却快，心部冷却慢，所以淬火后，表面与心部可部冷却慢，所以淬火后，表面与心部可能得到不同的组织。能得到不同的组织。冷却快冷却快 M；冷却速度小于临界速度的冷却速度小于临界速度的M+T,甚至甚至F、FFe3C显然：工件若要从表面到内得到单一的显然：工件若要从表面到内得到单一的M，钢的心部的冷却速度要大于临界淬火的冷钢
50、的心部的冷却速度要大于临界淬火的冷却速度。却速度。为方便起见，需要测量，规定淬透层深度为方便起见，需要测量，规定淬透层深度是由零件的表层到半是由零件的表层到半M区（区（50M50非非M）的距离。）的距离。1.淬透性与淬硬性的区别淬透性与淬硬性的区别 淬透性淬透性:是指钢接受淬火的能力是指钢接受淬火的能力；淬硬性淬硬性:是指钢在淬火后能够获得的是指钢在淬火后能够获得的最高最高 硬度；硬度；如：如：高碳钢：其淬硬性很高，但淬透性很高碳钢：其淬硬性很高，但淬透性很 低；低；低碳钢：其淬硬性不高，但淬透性很低碳钢：其淬硬性不高，但淬透性很 高；高；2.2.淬透性对钢性能的影响淬透性对钢性能的影响 淬透
