1、3X-金属热处理-工程材料及其热处理-10教学基本要求教学基本要求：1.1.了解强化金属基本途径。了解强化金属基本途径。2.2.具有分析和应用具有分析和应用C C曲线的初步能力，熟悉金属曲线的初步能力，熟悉金属热处理基本概念。热处理基本概念。3.3.熟练掌握热处理工艺知识熟练掌握热处理工艺知识,熟知整体热处理方熟知整体热处理方法中退火、正火、淬火、回火特点与应用。法中退火、正火、淬火、回火特点与应用。4.4.掌握热处理在零件加工工艺流程中的位置和作掌握热处理在零件加工工艺流程中的位置和作用等基本知识。用等基本知识。5.5.了解热处理工件的结构工艺性及热处理新工艺了解热处理工件的结构工艺性及热处
2、理新工艺知识。知识。工程材料及其热处理-3 金属热处理是将固态金属或合金采用适当的金属热处理是将固态金属或合金采用适当的方法进行加热、保温和冷却，获得所需要的组织方法进行加热、保温和冷却，获得所需要的组织结构与性能的结构与性能的工艺工艺。热处理用于消除上一工艺过程所产生的金热处理用于消除上一工艺过程所产生的金属材料内部组织结构上的某些缺陷，改善切削性属材料内部组织结构上的某些缺陷，改善切削性能，还可进一步提高金属材料的性能，充分发挥能，还可进一步提高金属材料的性能，充分发挥材料性能的潜力。因此，大部分机器零件都要进材料性能的潜力。因此，大部分机器零件都要进行热处理。行热处理。工程材料及其热处理
3、-3整体处理、表面热处理和化学热处理整体处理、表面热处理和化学热处理。整体处理包括：整体处理包括：退火、正火、淬火和回火退火、正火、淬火和回火等；等；本表要本表要熟记熟记！工程材料及其热处理-3 一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变 由由Fe-FeFe-Fe3 3C C相图知相图知,A,A1 1、A A3 3和和A Acmcm是碳钢在极缓慢是碳钢在极缓慢地加热或冷却时的转变温度地加热或冷却时的转变温度,因此因此,A,A1 1、A A3 3和和A Acmcm点点都是平衡临界点。都是平衡临界点。在实际中在实际中,加热和冷却并不是极缓慢的加热和冷却并不是极缓慢的,钢不可钢不可能在平衡点进
4、行组织转变。能在平衡点进行组织转变。实际加热时实际加热时各临界点的位置分别为各临界点的位置分别为图中的图中的AcAc1 1、AcAc3 3、AcAccmcm线线,实际冷却实际冷却时各临界点的位置分别为时各临界点的位置分别为ArArl l、ArAr3 3、ArArcmcm。工程材料及其热处理-3 钢热处理时先要加热钢热处理时先要加热,任何成分的碳钢加热任何成分的碳钢加热到到A A1 1(PSKPSK线线)点以上时点以上时,其组织都要发生其组织都要发生P P向向A A的转的转变变,这种转变称为这种转变称为奥氏体化奥氏体化A A化化。转变过程是通过铁原子和碳原子的扩散进行转变过程是通过铁原子和碳原子
5、的扩散进行的的,因此因此P P向向A A的转变是一种的转变是一种扩散型相变扩散型相变。加热是热处理的重要阶段加热是热处理的重要阶段,下面以下面以共析钢共析钢为例为例,研究钢在加热时的组织转变规律。研究钢在加热时的组织转变规律。工程材料及其热处理-3 1.奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程 将共析钢加热至将共析钢加热至AcAc1 1时时,会发生会发生P P向向A A的转变的转变,过过程也是程也是形核和和长大形核和和长大的过程的过程,分四个阶段分四个阶段 A A晶核形成晶核形成 A A晶核优先在晶核优先在F F和和FeFe3 3C C的的两相界面上两相界面上形成形成,因为相因为相界面处成分不均匀界面
6、处成分不均匀,原子排列不规则原子排列不规则,晶格畸变大晶格畸变大,能为产生能为产生A A晶核提供成分和结构两方面的有利条晶核提供成分和结构两方面的有利条件。件。A A晶核的长大晶核的长大 工程材料及其热处理-3 A A晶核形成后晶核形成后,依靠依靠F F的晶格改组和的晶格改组和FeFe3 3C C的不断的不断溶解溶解,A A晶核不断向晶核不断向F F和和FeFe3 3C C二个方向长大二个方向长大。与此同。与此同时时,新的新的A A晶核也不断形成并随之长大晶核也不断形成并随之长大,直至直至F F全部全部转变为转变为A A为止。为止。残余残余FeFe3 3C C的溶解的溶解 在在A A的形成过程
7、中，当的形成过程中，当F F全部转变为全部转变为A A后后,仍有部仍有部分分FeFe3 3C C尚未溶解（称为尚未溶解（称为FeFe3 3C C残残）,随着保温时间的随着保温时间的延长延长,Fe,Fe3 3C C残残将不断溶入将不断溶入A A中，直至完全消失。中，直至完全消失。工程材料及其热处理-3 A A均匀化均匀化 当当FeFe3 3C C残残溶解后溶解后,A,A中的中的C C成分是不均匀的成分是不均匀的,在原在原FeFe3 3C C处的碳浓度比原处的碳浓度比原F F处的要高。只有经过一定处的要高。只有经过一定时间的保温时间的保温,碳原子的不断扩散碳原子的不断扩散,才能使才能使A A中的中
8、的C C均均匀一致。匀一致。亚共析钢亚共析钢和和过共析钢过共析钢的的A A形成过程与共析钢基形成过程与共析钢基本相同本相同,不同的是不同的是亚共析钢的平衡组织中除了亚共析钢的平衡组织中除了P P外外还有先析出的还有先析出的F F。过共析钢中除了过共析钢中除了P P外还有先析出的外还有先析出的FeFe3 3C C。工程材料及其热处理-3 若加热至若加热至AcAc1 1温度温度,只能使只能使P P转变为转变为A A，得到，得到A+FA+F或或A+A+二次二次FeFe3 3C C残残组织组织,称为不完全称为不完全A A化。化。只有继续加热至只有继续加热至AcAc3 3或或AcAccmcm温度以上温度
9、以上,才能得到才能得到单相单相A A组织组织,即完全即完全A A化。化。2.2.影响奥氏体转变的因素影响奥氏体转变的因素 1)1)加热温度加热温度 加热温度高加热温度高,C,C原子扩散快原子扩散快,A,A化加快化加快 。2)2)加热速度加热速度 加热快加热快,过热度大过热度大,发生转变的快发生转变的快!工程材料及其热处理-3 3)3)化学成分化学成分 C C浓度大浓度大,则则FeFe3 3C C数量多数量多,F,F与与FeFe3 3C C的相界面增大的相界面增大,使使A A的核心增多的核心增多,促进促进A A化化.常见合元能明显影响常见合元能明显影响A A化的速度化的速度,以以钴钴和和镍镍等有
10、等有加快转变过程的效果；加快转变过程的效果；铬、钼、钒等有降低铬、钼、钒等有降低转变速度的作用；转变速度的作用；硅、锰、铝等对转变过程基本没有影响硅、锰、铝等对转变过程基本没有影响。4)4)原始组织原始组织 在成分相同的钢材中在成分相同的钢材中,P,P越细越细,相界面越大相界面越大,形核形核机会越多机会越多,使得使得A A形成速度变快；形成速度变快；工程材料及其热处理-3 A A晶粒中碳浓度梯度大了长大速度变快。晶粒中碳浓度梯度大了长大速度变快。3.3.奥氏体晶粒长大及其控制措施奥氏体晶粒长大及其控制措施 钢加热时钢加热时P P向向A A转变刚结束时转变刚结束时,A,A晶粒是细小的。晶粒是细小
11、的。如继续加热或保温如继续加热或保温,A,A晶粒会变粗大。晶粒会变粗大。加热加热温度越高温度越高,保温时间越长保温时间越长,A,A晶粒越粗大晶粒越粗大。粗大粗大A A晶粒冷却后仍是粗大晶粒产物晶粒冷却后仍是粗大晶粒产物,使钢的强使钢的强度、塑性、韧性显著下降。度、塑性、韧性显著下降。要控制要控制A A晶粒长大晶粒长大,制定合理的热处理工艺制定合理的热处理工艺,即即合理选择合理选择加热温度加热温度、保温时间保温时间和和加热速度加热速度等。等。工程材料及其热处理-3 一般将钢加热到一般将钢加热到临界点以上某一适当温度临界点以上某一适当温度,保温保温时间的确定除考虑相变需要外时间的确定除考虑相变需要
12、外,还考虑还考虑工件内外工件内外温度一致温度一致。当加热温度相同时当加热温度相同时,加热速度越快加热速度越快,保温时间越保温时间越短短,晶粒越细晶粒越细,所以生产所以生产中常采用快速加热、短时中常采用快速加热、短时保温的方法保温的方法来细化晶粒。来细化晶粒。此外此外,加入一定量的加入一定量的合金元素合金元素（除（除MnMn、P P外），外），都会阻碍都会阻碍A A晶粒长大晶粒长大,而达到细化晶粒的目的。而达到细化晶粒的目的。工程材料及其热处理-3 二、钢在冷却时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变 钢钢A A化后化后,采用不同方式冷却采用不同方式冷却,获得所需要的组获得所需要的组织和性能。织和性
13、能。冷却是钢热处理的关键工序冷却是钢热处理的关键工序,实际生产中实际生产中,不不同同加热速度、加热速度、冷却方式冷却方式、冷却速度、冷却速度会得不同产物会得不同产物,对钢的组织和性能有很大影响。对钢的组织和性能有很大影响。在热处理工艺中在热处理工艺中,A,A化后的冷却方式通常有化后的冷却方式通常有等等温冷却温冷却和和连续冷却连续冷却两种。两种。工程材料及其热处理-3 等温冷却等温冷却是将已是将已A A化的钢迅速冷却到临界点化的钢迅速冷却到临界点以下的给定温度进行保温以下的给定温度进行保温,使其使其在该等温温度下在该等温温度下发生组织转变；发生组织转变；连续冷却连续冷却是将已是将已A A化的钢以
14、化的钢以某种冷却速度连某种冷却速度连续冷却续冷却,使其在临界点以下的不同温度进行组织使其在临界点以下的不同温度进行组织转变。转变。1.1.过冷奥氏体的转变产物的组织与性能过冷奥氏体的转变产物的组织与性能 A A在相变点在相变点A A1 1以上是稳定相，冷却至以上是稳定相，冷却至A A1 1以下以下就成了不稳定相，必然要发生转变。就成了不稳定相，必然要发生转变。工程材料及其热处理-3 不是冷却至不是冷却至A A1 1以下就立即转变以下就立即转变,而是在转变前而是在转变前需要停留一段时间需要停留一段时间,此称为此称为孕育期孕育期。在在A A1 1温度以下暂时存在的不稳定的温度以下暂时存在的不稳定的
15、A A称为过冷称为过冷A A。在不同的过冷度下，过冷在不同的过冷度下，过冷A A将发生将发生P P型转变、型转变、B B型转变型转变、M M型转变型转变等三种组织转变。等三种组织转变。珠光体型转变珠光体型转变 过冷过冷A A在在A A1 1550550温度范围等温时温度范围等温时,发生发生P P型型转变。因转变温度高转变。因转变温度高,原子扩散能力强原子扩散能力强,转变产物转变产物为为F F薄层和薄层和FeFe3 3C C薄层交替重叠的层状组织薄层交替重叠的层状组织,即即P P型型组组织。织。工程材料及其热处理-3 等温等温温度越低温度越低,F,F层和层和FeFe3 3C C层越薄层越薄,层间
16、距越小层间距越小,硬度越高硬度越高。为区别为区别,对层间距不同的对层间距不同的P P型组织分别称为型组织分别称为珠珠光体光体(P)(P)、索氏体索氏体(S)(S)和和托氏体托氏体(T)(T),它们并无本质区它们并无本质区别别,也无严格界限也无严格界限,只是形态上只是形态上不同不同。贝氏体型转变贝氏体型转变 过冷过冷A A在在550550M Ms s温度范围等温时，将发生温度范围等温时，将发生贝氏体型贝氏体型(B)(B)转变。转变。工程材料及其热处理-3 因转变温度较低因转变温度较低,原子扩散差原子扩散差,FeFe3 3C C已经很难聚已经很难聚集长大呈层状。此时集长大呈层状。此时,转变产物为转
17、变产物为F F及其内分布着及其内分布着弥散的碳化物所形成的亚稳组织弥散的碳化物所形成的亚稳组织,称为称为贝氏体贝氏体,用用美国冶金学家名字命名美国冶金学家名字命名,符号符号B B来表示。来表示。等温温度不同等温温度不同,贝氏体的形态也不同贝氏体的形态也不同,分为上分为上贝贝氏体氏体(B(B上上)和下贝氏体和下贝氏体(B(B下下)。(B(B上上)组织形态呈羽毛状组织形态呈羽毛状,强度较低强度较低,塑性和韧性塑性和韧性较差较差；工程材料及其热处理-3 (B (B下下)组织形态呈黑色针状组织形态呈黑色针状,强度较高强度较高,塑性和韧塑性和韧性也较好性也较好,综合力学性能好。综合力学性能好。马氏体型转
18、变马氏体型转变 1)1)马氏体马氏体(M)(M)型转变的特点型转变的特点 过冷过冷A A转变为转变为M M是非扩散型转变是非扩散型转变,因转变温因转变温度很低度很低,铁和碳原子都不能进行扩散。铁和碳原子都不能进行扩散。铁原子沿铁原子沿A A一定晶面一定晶面,集中的集中的(不改变相互位置不改变相互位置关系关系)作一定距离的移动作一定距离的移动(不超过一个原子间距不超过一个原子间距),),工程材料及其热处理-3 使面心立方晶格转变为体心正方晶格使面心立方晶格转变为体心正方晶格,碳原子原地碳原子原地不动不动,过饱和地留在新组成的晶胞中；增大了其过饱和地留在新组成的晶胞中；增大了其正方度正方度c/a
19、c/a。M M就是碳在就是碳在-Fe-Fe中的过饱和固溶体中的过饱和固溶体。过饱和碳使过饱和碳使-Fe-Fe的晶格发生很大畸变的晶格发生很大畸变,形成形成很强的固溶强化。很强的固溶强化。M M高速长大高速长大,连续转变过程连续转变过程 A A冷却到冷却到M Ms s点以下后点以下后,无孕育期无孕育期,瞬时转变为瞬时转变为M M。随着温度下降随着温度下降,过冷过冷A A是不断连续转变为是不断连续转变为M M。工程材料及其热处理-3 M M转变留有转变留有AA M M转变有不完全性转变有不完全性,即使冷至即使冷至M Mf f也要残留少量也要残留少量奥氏体奥氏体(A)(A)。A A的含量与的含量与M
20、 Ms s(M(M转变开始线转变开始线)、M Mf f (M(M转变终了线转变终了线)的位置有关。的位置有关。奥氏体奥氏体A A中的碳含量越高中的碳含量越高,M,Ms s,M,Mf f就越低就越低,A,A含量含量就就越高越高。通常在碳含量高于通常在碳含量高于0.6%0.6%时，在转变产物中应标时，在转变产物中应标上上A,A,碳含量少于碳含量少于0.6%0.6%时时,A,A可忽略可忽略.工程材料及其热处理-3 M M形成时体积要膨胀形成时体积要膨胀 膨胀要产生内应力膨胀要产生内应力,淬火冷却又快淬火冷却又快,使工件表使工件表面和心部产生温差而引起热应力。两者面和心部产生温差而引起热应力。两者“一
21、起叫一起叫劲劲”是造成工件淬火是造成工件淬火变形和开裂变形和开裂的主因。的主因。3)3)马氏体的形态与特点马氏体的形态与特点 过冷过冷A A在在M Ms s温度以下将产生温度以下将产生M M型转变型转变。M M是碳和合金元素在是碳和合金元素在-Fe-Fe中溶解而形成的过中溶解而形成的过饱和固溶体饱和固溶体,用符号用符号M M表示。表示。工程材料及其热处理-3 M M是单相的亚稳组织是单相的亚稳组织,是以是以德国冶金学家德国冶金学家A.MartensA.Martens的名字命名的的名字命名的。M M具有体心正方晶格具有体心正方晶格,当发生当发生M M型转变时型转变时,过冷过冷A A中的碳全部保留
22、在中的碳全部保留在M M中中,形成过饱和的固溶体形成过饱和的固溶体,产产生严重的晶格畸变。生严重的晶格畸变。M M的组织形态因其成分和形成条件而异，通的组织形态因其成分和形成条件而异，通常分为常分为板条板条M M和片状和片状M M两种基本类型。两种基本类型。板条板条M M在光学显微镜下所看到的只是边缘不规在光学显微镜下所看到的只是边缘不规则的块状则的块状,故亦称为故亦称为块状块状M M。工程材料及其热处理-3 板条板条M M主要产生于主要产生于低碳钢的淬火组织中低碳钢的淬火组织中,在高在高倍透射电镜下可看到倍透射电镜下可看到板条板条M M内有大量位错缠结的内有大量位错缠结的亚结构亚结构,所以所
23、以低碳低碳M M也称也称位错位错M M。片状片状M M其单个晶体的立体形态其单个晶体的立体形态呈双凸透镜状呈双凸透镜状，因每个因每个M M的厚度与径向尺寸相比很小的厚度与径向尺寸相比很小,所以粗略地所以粗略地说是片状说是片状,故我国通常称为故我国通常称为片状片状M M。因在金相磨面上观察到的通常都是与因在金相磨面上观察到的通常都是与M M片成一片成一定角度的截面定角度的截面,呈针状呈针状,故亦称为故亦称为针状针状M M。工程材料及其热处理-3 针状针状M M主要产生于高碳钢的淬火组织中主要产生于高碳钢的淬火组织中,高倍高倍透射电镜分析表明透射电镜分析表明,针状针状M M内有大量孪晶内有大量孪晶
24、,因此因此针针状状M M又称孪晶又称孪晶M M 。M M具有高的硬度和强度具有高的硬度和强度,是是M M主要特点。主要特点。M M硬度硬度取决于含碳量取决于含碳量,塑性和韧性取决于组织塑性和韧性取决于组织。板条板条M M具有较高硬度、较高强度与较好塑性具有较高硬度、较高强度与较好塑性和韧性相配合的良好的综合力学性能。和韧性相配合的良好的综合力学性能。针片状针片状M M具有比具有比板条板条M M更硬更硬,脆性大脆性大,塑性和韧塑性和韧性较差。性较差。工程材料及其热处理-3 2.2.过冷奥氏体的转变曲线过冷奥氏体的转变曲线 过冷过冷A A的转变产物决定于过冷的转变产物决定于过冷A A的转变温度的转
25、变温度,而而转变温度又与冷却方式和冷却速度有关。转变温度又与冷却方式和冷却速度有关。要了解过冷要了解过冷A A的转变量与转变时间的关系的转变量与转变时间的关系,必须必须了解过冷了解过冷A A的的等温转变曲线等温转变曲线和和连续冷却曲线连续冷却曲线。奥氏体的等温转变奥氏体的等温转变 1)1)奥氏体的等温转变曲线奥氏体的等温转变曲线 过冷过冷A A等温转变曲线是表示过冷等温转变曲线是表示过冷A A在不同过冷在不同过冷度下的等温过程中度下的等温过程中,转变温度、转变时间与转变转变温度、转变时间与转变工程材料及其热处理-3 产物量之间的关系曲线。产物量之间的关系曲线。因其形状与字母因其形状与字母“C”
26、“C”的形状相似的形状相似,所以又称所以又称为为“C“C曲线曲线”,”,也称为也称为“TTT”“TTT”曲线曲线。图中图中,A,A1 1为为A A向向P P转变的相变点转变的相变点,A,A1 1以上区域为以上区域为稳稳定定A A区区。两条两条C C形曲线中形曲线中,左边的曲线为转变开始线左边的曲线为转变开始线，该线以左区域为过冷该线以左区域为过冷A A区；区；右边的曲线为转变终了线右边的曲线为转变终了线,该线以右区域为转该线以右区域为转变产物区；变产物区；工程材料及其热处理-3 两条两条C C形曲线之间的区域为过冷形曲线之间的区域为过冷A A与转变产物与转变产物共存区。共存区。水平线水平线M
27、Ms s和和M Mf f为为M M转变开始线和终了线。转变开始线和终了线。影响等温转变曲线的因素影响等温转变曲线的因素 共析钢过冷共析钢过冷A A的等温转变曲线的等温转变曲线 加热温度高加热温度高,保温时间长保温时间长,A,A成分越均匀成分越均匀,晶粒大晶粒大,晶界减少晶界减少,使过冷使过冷A A的形核率降低的形核率降低,增大了其稳定性增大了其稳定性,使使C C曲线右移曲线右移,反之左移反之左移。过冷过冷A A转变所需孕育期的长短不同转变所需孕育期的长短不同,即过冷即过冷A A的的稳定性不同。稳定性不同。工程材料及其热处理-3 在约在约550550处的孕育期最短处的孕育期最短,表明在此温度下的
28、表明在此温度下的过冷过冷A A最不稳定最不稳定,转变速度也最快。转变速度也最快。含碳量的影响含碳量的影响 亚共析钢和过共析钢的过冷亚共析钢和过共析钢的过冷A A在转变为在转变为P P之前之前,分别有先析出分别有先析出F F和先析出和先析出FeFe3 3C C的结晶过程。的结晶过程。与共析钢相比与共析钢相比,亚共析钢和过共析钢的过冷亚共析钢和过共析钢的过冷A A等等温转变曲线图多了一条先析相的析出线。温转变曲线图多了一条先析相的析出线。同时同时C C曲线的位置也曲线的位置也相对左移相对左移,说明说明亚共析钢和亚共析钢和过共析钢过冷过共析钢过冷A A的稳定性比共析钢的稳定性比共析钢要差要差。工程材
29、料及其热处理-3 正常加热条件下正常加热条件下,亚共析钢的亚共析钢的C C曲线随含碳量的曲线随含碳量的增加而右移增加而右移,过共析钢的过共析钢的C C曲线随含碳量的增加而曲线随含碳量的增加而左移左移,因此因此,共析钢的共析钢的A A最为稳定。最为稳定。由于过冷由于过冷A A的转变是一个形核与长大的过程的转变是一个形核与长大的过程,形核的作用更关键形核的作用更关键,亚共析钢与过共析钢先共析亚共析钢与过共析钢先共析相的析出促进了向相的析出促进了向P P转变的形核转变的形核,而且由于亚共析而且由于亚共析钢含碳量越高钢含碳量越高,先共析先共析F F析出变慢；析出变慢；过共析钢含碳量越高过共析钢含碳量越
30、高,先共析渗碳体越容易析先共析渗碳体越容易析出出,使得共析钢的过冷奥氏体最为稳定。使得共析钢的过冷奥氏体最为稳定。工程材料及其热处理-3 合金元素的影响合金元素的影响 除除CoCo、Al Al以外以外,其余所有合金元素溶入其余所有合金元素溶入A A后后,都都使过冷使过冷A A稳定稳定,即都使即都使C C曲线右移。曲线右移。当过冷当过冷A A中溶有较多的中溶有较多的CrCr、MoMo、WW、V V、Ti Ti等等碳化物形成元素时碳化物形成元素时,还会改变还会改变C C曲线的曲线的形状形状 。要指出的是要指出的是,如果碳化物形成元素含量较多如果碳化物形成元素含量较多,形成了较为稳定的碳化物形成了较
31、为稳定的碳化物,且在且在A A化时未能全部溶化时未能全部溶解解,则则会降低过冷会降低过冷A A的稳定性的稳定性,使使C C曲线左移曲线左移。工程材料及其热处理-3 C C曲线在生产上有重要用途曲线在生产上有重要用途:制定等温转变工艺及分析等温转变过程；制定等温转变工艺及分析等温转变过程；分析连续冷却转变过程及其热处理工艺的分析连续冷却转变过程及其热处理工艺的制定；制定；利用利用C C曲线判定钢的淬透性曲线判定钢的淬透性,以方便选材以方便选材,等等等。等。各钢种的各钢种的C C曲线都已测出曲线都已测出,需要时可查阅有关需要时可查阅有关手册。手册。2)2)过冷过冷A A的连续转变曲线的连续转变曲线
32、工程材料及其热处理-3 过冷过冷A A的连续转变曲线表示钢经的连续转变曲线表示钢经A A化后化后,在不同在不同冷却速度的连续冷却条件下冷却速度的连续冷却条件下,过冷过冷A A的转变开始及的转变开始及转变终了时间与转变温度之间关系的曲线。转变终了时间与转变温度之间关系的曲线。共析钢的过冷共析钢的过冷A A连续转变曲线图中连续转变曲线图中P Ps s、P Pf f线为线为P P转变开始和转变终了线转变开始和转变终了线,P Pk k为为P P转变中止线转变中止线。当冷却曲线碰到当冷却曲线碰到P Pk k线时线时,A,A向向P P的转变将被中止的转变将被中止,剩余剩余A A将一直过冷至将一直过冷至M
33、Ms s以下转变为以下转变为M M组织。组织。工程材料及其热处理-3 与等温转变图相比与等温转变图相比,共析钢的连续转变曲线图共析钢的连续转变曲线图中中P P转变转变开始线开始线,共析钢过冷奥氏体的连续转变曲共析钢过冷奥氏体的连续转变曲线和转变终了线的位置均相对右下移，而且只有线和转变终了线的位置均相对右下移，而且只有C C形曲线的上半部分，没有中温的贝氏体型转变形曲线的上半部分，没有中温的贝氏体型转变区。区。工程材料及其热处理-3 一、退火一、退火 退火是将金属和合金加热到适当温度保温一退火是将金属和合金加热到适当温度保温一定时间定时间,然后缓慢冷却的热处理工艺然后缓慢冷却的热处理工艺 按金
34、属成分和性能要求的不同按金属成分和性能要求的不同,退火可分为退火可分为:1.1.完全退火完全退火 将铁碳合金完全将铁碳合金完全A A化化,随之缓慢冷却随之缓慢冷却,获得接近获得接近平衡状态组织的退火工艺。平衡状态组织的退火工艺。工程材料及其热处理-3 其目的是通过完全重结晶细化晶粒其目的是通过完全重结晶细化晶粒,降低硬度降低硬度,改善切削性能。改善切削性能。多用于亚共析钢的铸、锻件。多用于亚共析钢的铸、锻件。过共析钢过共析钢不适用完全退火不适用完全退火,因为过共析钢加热因为过共析钢加热到到AcAccmcm线以上缓慢冷却时线以上缓慢冷却时,溶解在溶解在A A内的内的FeFe3 3C C又重又重新
35、沿新沿A A晶界析出晶界析出,形成沿晶界分布的网状形成沿晶界分布的网状FeFe3 3C C组织组织,降低钢材的力学性能。降低钢材的力学性能。2.2.等温退火等温退火 等温退火是指钢件或毛坯加热到高于等温退火是指钢件或毛坯加热到高于A Ac3c3(或或 工程材料及其热处理-3 A Ac1c1)温度温度,适当保温后适当保温后,较快冷却到较快冷却到P P转变温度区间转变温度区间的某一温度并等温保持使的某一温度并等温保持使A A转变为转变为P P型组织型组织,然后然后在空气中冷却的退火工艺。在空气中冷却的退火工艺。等温退火用时短等温退火用时短,效率高效率高,工件内外处于同一温工件内外处于同一温度下发生
36、组织转变度下发生组织转变,可得均匀的组织与性能。可得均匀的组织与性能。3.3.球化退火球化退火 使钢件中碳化物球状化而进行的退火工艺。使钢件中碳化物球状化而进行的退火工艺。用于过共析钢用于过共析钢,目的目的使网状使网状FeFe3 3C C球化球化,降低硬降低硬度、提高韧性度、提高韧性,改善切削性能改善切削性能,为淬火作组织准备。为淬火作组织准备。工程材料及其热处理-3 4.4.去应力退火去应力退火 为了去除由于塑性变形加工、焊接等造成的为了去除由于塑性变形加工、焊接等造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。主要用于消除主要用于消除用于消除铸件、锻件、焊
37、接件用于消除铸件、锻件、焊接件和切削件的残余应力和切削件的残余应力。对体积庞大的焊接结构件对体积庞大的焊接结构件,无法装炉退火时无法装炉退火时,用火焰加热或感应加热等局部加热方法用火焰加热或感应加热等局部加热方法,对焊缝对焊缝及热影响区及热影响区局部去应力退火局部去应力退火。5.5.均匀化退火均匀化退火工程材料及其热处理-3 均匀化退火均匀化退火是将钢加热到是将钢加热到AcAc3 3以上以上150150200(200(常为常为100010001200),1200),保温保温10101515小时小时,然后然后再随炉缓冷到再随炉缓冷到350,350,再出炉冷却。又再出炉冷却。又:扩散退火扩散退火。
38、均匀化退火时间长均匀化退火时间长,工件烧损严重工件烧损严重,耗能大耗能大,是是高成本工艺高成本工艺,多用于优质高合金钢铸锭和铸件。多用于优质高合金钢铸锭和铸件。目的为减少铸锭、铸件、锻坯成分偏析和组目的为减少铸锭、铸件、锻坯成分偏析和组织的不均匀而采用的退火工艺。织的不均匀而采用的退火工艺。6.6.再结晶退火再结晶退火 经冷变形后的金属加热到再结晶再结晶温度经冷变形后的金属加热到再结晶再结晶温度工程材料及其热处理-3 以上以上,保持适当时间保持适当时间,使形变晶粒重新结晶为均匀使形变晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒的等轴晶粒,以消除形变强化和残余应力的退火以消除形变强化和残余应力的退火工艺。工艺。
39、正火是正火是将钢材或钢件加热到或将钢材或钢件加热到或AcAccmcm以上以上30305050，保温适当的时间后，在静止空气中冷却，保温适当的时间后，在静止空气中冷却的的热处理工艺。热处理工艺。与退火类似与退火类似,冷却速度比退火快冷却速度比退火快。钢件正火后的强度和硬度比退火稍高钢件正火后的强度和硬度比退火稍高,但消但消除残余应力不彻底。又操作简便、生产率高除残余应力不彻底。又操作简便、生产率高,所所以以,正火常优先采用。低碳钢件可代替退火。正火常优先采用。低碳钢件可代替退火。工程材料及其热处理-3 淬火是将钢件加热到淬火是将钢件加热到AcAc3 3 或或AcAc1 1以上某一温度以上某一温度
40、,保持一定时间保持一定时间,然后以适当的速度冷却获得然后以适当的速度冷却获得马氏马氏体体(M)(M)和和(或或)贝氏体贝氏体(B)(B)组织的热处理工艺组织的热处理工艺。目的目的:提高钢件的硬度和耐磨性提高钢件的硬度和耐磨性,淬火不同淬火不同回火回火,获得各种需要的性能获得各种需要的性能,是强化钢的主要方法。是强化钢的主要方法。1.1.淬火加热温度淬火加热温度 加热温度是淬火主要参数。加热温度是淬火主要参数。选择原则以得到选择原则以得到均匀细小的均匀细小的A A晶粒晶粒,使淬火后获得细小的使淬火后获得细小的M M组织。组织。工程材料及其热处理-3 为防止为防止A A晶粒粗化晶粒粗化,加热温度一
41、般限制在临界点以加热温度一般限制在临界点以上上30305050范围。碳钢淬火加热温度范围。碳钢淬火加热温度范围范围 .亚共析钢加热温度为亚共析钢加热温度为A A c c3 3(30(3050)50)。可。可得均匀细小的得均匀细小的M M组织。组织。若温度过高若温度过高,易出现粗大易出现粗大M M组织组织,还导致淬火还导致淬火钢严重变形钢严重变形。加热温度过低加热温度过低,淬火组织会中出现淬火组织会中出现F,F,造成淬火钢硬度不足造成淬火钢硬度不足,甚至出现甚至出现“软点软点”现象。现象。共析钢和过共析钢共析钢和过共析钢的淬火加热温度为的淬火加热温度为AcAc1 1(30(3050)50).淬火
42、后淬火后,共析钢组织为均匀细小的共析钢组织为均匀细小的M M和和工程材料及其热处理-3 少量残余少量残余A A；过共析钢则可获得；过共析钢则可获得均匀细小的均匀细小的M M加粒加粒状状FeFe3 3C C和少量残余和少量残余A A的混合组织的混合组织。这种淬火组织对过共析钢是正常的这种淬火组织对过共析钢是正常的,使其有使其有最佳硬度和耐磨性最佳硬度和耐磨性。过共析钢的加热温度过高过共析钢的加热温度过高,可得较可得较粗大的粗大的M M和和较多的残余较多的残余A A。不仅降低淬火钢硬度和耐磨度性。不仅降低淬火钢硬度和耐磨度性,还增大淬火变形和开裂倾向。还增大淬火变形和开裂倾向。2.2.淬火加热时间
43、淬火加热时间 指达到加热温度和获得指达到加热温度和获得A A均匀化的时间均匀化的时间。工程材料及其热处理-3 淬火加热时间包括淬火加热时间包括升温和保温时间升温和保温时间。加热时间不能过长加热时间不能过长,也不能过短。也不能过短。在热处理生产中具体要考虑在热处理生产中具体要考虑钢种钢种、加热介质加热介质、加热速度、加热速度、装炉方式装炉方式、装炉量装炉量以及以及工件的形状、工件的形状、尺寸尺寸等诸多因素。等诸多因素。3.3.淬火介质淬火介质 淬火冷却时所用的介质。淬火冷却时所用的介质。钢的种类不同钢的种类不同,淬火介质不同淬火介质不同,常用介质：水、常用介质：水、盐水和油。盐水和油。工程材料及
44、其热处理-3 水便宜水便宜,冷却能力较强冷却能力较强。其不足之处是在其不足之处是在650650550550范围内冷却能力范围内冷却能力差差,而而在在300300200200范围内冷却能力又偏强范围内冷却能力又偏强,性能性能不理想不理想,理想理想方式方式：快快-慢慢-快快。盐水冷却能力比清水更强盐水冷却能力比清水更强,尤其尤其在在650650550550内有很强的冷却能力内有很强的冷却能力,这对这对尺寸较大的非合金钢尺寸较大的非合金钢件的淬火是非常有利的件的淬火是非常有利的。盐水在盐水在300300200200以下温度时以下温度时,冷却能力仍像冷却能力仍像清水那样相当强清水那样相当强,能使工件变
45、形重能使工件变形重,甚至发生开裂。甚至发生开裂。工程材料及其热处理-3 盐水对工件有锈蚀作用盐水对工件有锈蚀作用,淬火后工件必须清洗淬火后工件必须清洗 盐水和水差不多盐水和水差不多,适用形状简单、硬度要求高适用形状简单、硬度要求高,而均匀、变形要求不严格的非合金钢零件的淬火而均匀、变形要求不严格的非合金钢零件的淬火。油是冷却能力较弱的淬火冷却介质油是冷却能力较弱的淬火冷却介质。淬火用油主要为各种矿物油淬火用油主要为各种矿物油,如锭子油、机油、如锭子油、机油、柴油、变压器油等。柴油、变压器油等。油在高温区冷却速度不够油在高温区冷却速度不够,不利于非合金钢的不利于非合金钢的淬硬淬硬,但有利于减少工
46、件的变形。但有利于减少工件的变形。工程材料及其热处理-3 因此因此,在生产中在生产中,油主要用作过冷油主要用作过冷A A稳定性好的稳定性好的合金钢和尺寸小的非合金钢零件冷却介质。合金钢和尺寸小的非合金钢零件冷却介质。油冷却能力较水低、成本高油冷却能力较水低、成本高,对防止工件产对防止工件产生裂纹等缺陷效果好生裂纹等缺陷效果好,多用于合金钢淬火的场合多用于合金钢淬火的场合。冷却介质还有熔融状态的冷却介质还有熔融状态的碱浴和硝盐浴碱浴和硝盐浴。碱浴在高温区的冷却能力比油强而比水弱碱浴在高温区的冷却能力比油强而比水弱,而而硝盐在高温区的冷却能力比油略弱硝盐在高温区的冷却能力比油略弱。在低温区域在低温
47、区域,碱和硝盐的冷却能力都比油弱碱和硝盐的冷却能力都比油弱。工程材料及其热处理-3 碱浴和硝盐浴适宜截面不大、形状复杂、限碱浴和硝盐浴适宜截面不大、形状复杂、限制变形的工具钢制变形的工具钢分级淬火分级淬火或或等温淬火等温淬火的冷却介质。的冷却介质。4.4.淬火冷却方法淬火冷却方法 淬火介质不能完全满足淬火质量的要求淬火介质不能完全满足淬火质量的要求,要以要以适当的淬火方法配合适当的淬火方法配合,以求所需要淬火组织和性以求所需要淬火组织和性能能,还要尽量减小淬火缺陷。还要尽量减小淬火缺陷。单液淬火单液淬火 单液淬火单液淬火是是将将A A化后的钢件淬入一种介质中连化后的钢件淬入一种介质中连续冷却续
48、冷却获得获得M M组织的一种淬火组织的一种淬火方法方法 。工程材料及其热处理-3 单液淬火单液淬火操作简单操作简单,易控制热处理易控制热处理;仅适用于仅适用于形状简单的非合金钢和合金钢零件的淬火。形状简单的非合金钢和合金钢零件的淬火。双液淬火双液淬火 双液淬火双液淬火是将钢件是将钢件A A化后先浸入冷却能力较强化后先浸入冷却能力较强的介质的介质,在钢件还未到达该淬火介质温度之前即在钢件还未到达该淬火介质温度之前即取出取出,马上浸入另一种冷却能力较弱的介质中冷马上浸入另一种冷却能力较弱的介质中冷却却,如如先水后油先水后油、先水后空气先水后空气 。双双液液淬火利用了两种介质的优点淬火利用了两种介质
49、的优点,获得了较获得了较为理想的冷却条件为理想的冷却条件;在保证工件获得在保证工件获得M M组织的同时组织的同时工程材料及其热处理-3,减小了淬火应力减小了淬火应力,能有效防止工件的变形或开裂。能有效防止工件的变形或开裂。分级淬火分级淬火 钢材钢材A A化后化后,随之浸入温度稍高于或稍低于随之浸入温度稍高于或稍低于M Ms s点液态介质（盐浴或碱浴）中点液态介质（盐浴或碱浴）中,适当保持时间适当保持时间,待待钢件内外都达到介质温度后取出空冷钢件内外都达到介质温度后取出空冷,以获得以获得M M组组织的淬火工艺。织的淬火工艺。此法显著降低了淬火应力此法显著降低了淬火应力,有效地减小或防止有效地减小
50、或防止了淬火工件的变形和开裂。了淬火工件的变形和开裂。因受熔盐冷却能力的限制因受熔盐冷却能力的限制,适用尺寸较小工件。适用尺寸较小工件。工程材料及其热处理-3 贝氏体等温淬火贝氏体等温淬火 钢材或钢材或钢件加热钢件加热A A化化,随之快冷到贝氏体转变随之快冷到贝氏体转变温度区间温度区间(260(260400)400)等温保持等温保持,使使A A转变为转变为B B的淬的淬火火工艺工艺。这种淬火方法处理的工件强度高、韧性好；这种淬火方法处理的工件强度高、韧性好；同时因淬火应力很小同时因淬火应力很小,工件淬火变形极小。工件淬火变形极小。多用于处理形状复杂、尺寸较小的零件。多用于处理形状复杂、尺寸较小
