1、第六章 鋼的熱處理熱處理工藝曲線示意圖目的：掌握鋼的熱處理基本知識，以便在設計機器零件時能提出合理的熱處理技術要求，并能選用相應的熱處理方法。要求：1、 掌握有關熱處理的基本概念，了解鋼在加熱和冷卻時的相變規律。2、 能配合使用冷卻曲線和C曲線，判斷不同溫度下過冷奧氏體的轉變產物及其特點和性能。3、 掌握鋼的常用熱處理方法的目的和應用，能根據不同的性能要求選擇合理的熱處理方法。重點：退火、正火、淬火和回火的目的及應用，感應加熱表面淬火、滲碳和氮化的特點及應用。難點：相變機理，只需一般了解。鋼的熱處理：在固態下，把鋼加熱到預定的溫度，并保溫一定時間，然后以預定的冷卻速度冷卻，使鋼的組織結構發生變

2、化以獲得所需性能的工藝。熱處理的基礎：固態下發生相變（同素異構轉變）熱處理的分類：熱處理的用途和作用：1、 加工制造過程的中間工序預備熱處理：改善工藝性能，為最終熱處理做準備；常用熱處理方法：退火、正火2、 使零件性能達到規定技術指標的最終工序最終熱處理：改善機械性能常用熱處理方法：淬火+回火、表面淬火、化學熱處理6-1 鋼在加熱時的轉變以共析鋼為例共析鋼加熱到Ac1以上稍高時，珠光體轉變為奧氏體，轉變過程伴隨著Fe、C原子的擴散，屬于擴散型相變。一、奧氏體的形成共析鋼加熱到Ac1或Ac1以上時，將轉變為奧氏體。通過形核、核長大過程實現。1、奧氏體的形核在F和Fe3C相界和P晶界上形核，相界和

3、晶界處原子排列紊亂、晶體缺陷（空位、位錯）密度高，能量高，原子易擴散。2、奧氏體長大奧氏體晶核向F和Fe3C兩側逐漸長大，直至F全部轉變為A。3、殘余滲碳體溶解隨著時間延長，殘余Fe3C不斷溶入A中，直至全部消除。4、奧氏體均勻化A中C濃度不均勻，延長保溫時間，通過C擴散，使A的含碳量均勻化。二、影響PA轉變的因素1、加熱溫度加熱溫度提高，C原子的擴散能力提高，加速A的形成。2、鋼的成分含碳量高，則Fe3C的含量大，F和Fe3C相界面積大，擴散系數高，A形核率和長大速度提高，A形成速度隨之提高。合金元素含量大，合金元素在轉變過程中需均勻化，使A形成速度下降。3、原始組織晶粒細化，晶界面積增大，

4、晶格畸變嚴重，能量高，穩定性下降，A形核率和長大速度提高，A形成速度隨之提高。4、加熱速度加熱速度提高，所需過熱度大，則A形成溫度提高，A形成速度隨之提高。三、奧氏體晶粒大小晶粒度起始晶粒度：P剛剛全部轉變為A時的A晶粒度。實際晶粒度：鋼在具體的熱處理或熱加工條件下實際獲得的A晶粒的大小，直接影響鋼的性能本質晶粒度：在規定的加熱條件下（93038h）A晶粒長大傾向的高低。曲線1本質粗晶粒鋼；曲線2本質細晶粒鋼。結構鋼的A的晶粒度分為8級：1級粗，8級細。晶粒度為14級本質粗晶粒鋼；晶粒度為58級本質細晶粒鋼，但在9501000以上時，晶粒顯著增大。本質細晶粒鋼：用Al脫氧，鎮靜鋼。本質粗晶粒鋼

5、：用Mn、Si脫氧，沸騰鋼。需經熱處理的工件一般都要采用本質細晶粒鋼。四、奧氏體的長大及其影響因素1、A的長大過程是一個自發過程： A長大可以使晶界面積減少，從而使能量減低，穩定性提高。2、影響A長大的因素1） 加熱溫度、保溫時間加熱溫度高，保溫時間長，則A晶粒粗大。2） A中含碳量A中含碳量大，則A長大傾向大。3） 組織：A晶界上存在未溶的殘余Fe3C可阻礙A晶粒長大。4） 合金元素：Mn、P促進A晶粒長大，其它元素阻礙A晶粒長大。 為防止A晶粒長大，在實際生產中，常采用的控制A晶粒長大方法：1）快速加熱；2）反復奧氏體化。6-2 鋼在冷卻時的轉變 以共析鋼為例一、冷卻方式1、連續冷卻：把奧

6、氏體化的鋼置于某種介質中連續冷卻到室溫。2、等溫冷卻：把奧氏體化的鋼快速冷卻到Ar1以下某一溫度，保持恒溫，使奧氏體發生組織轉變，待轉變結束后連續冷卻到室溫。二、過冷奧氏體等溫轉變曲線圖（C曲線、TTT圖）1、TTT圖的建立通過實驗方法做出在各種過冷度下，過冷A向其它組織轉變的轉變量與恒溫保溫時間的關系曲線。經加熱A化后迅速冷卻到A1以下不同溫度（t1t2t3t4t5），在不同溫度下恒溫；每經過一定時間取出一個試樣淬入水中，過冷奧氏體轉變為馬氏體，之前的轉變產物不發生轉變，測出轉變相對量。測出各不同等溫溫度下過冷A轉變量與保溫時間的關系，做出轉變動力學曲線。將轉變轉變開始時間和終止時間標記到轉

7、變溫度時間為坐標的圖上，連接各轉變開始點和終止點，便可得到C曲線。2、TTT圖分析孕育期：在各不同溫度下過冷A發生轉變所需的準備時間。1） 線：Ar1A、P平衡共存溫度MSM轉變開始溫度MfM轉變終止溫度2） 區： TTT圖反映了過冷A在不同溫度區域中的等溫轉變類型和產物。（三）過冷A轉變產物及其性能轉變類型組織名稱形成溫度（）轉變機制組織特征HB（HRC）珠光體類轉變珠光體P索氏體S屈氏體TA1650650600600550擴散型F+Fe3C片層狀F+Fe3C細片層狀F+Fe3C極細片層狀170200（20）230320（2535）330400（3540）貝氏體轉變上貝氏體B上（工業上不用）

8、下貝氏體B下550350350MS半擴散型，只碳原子擴散呈羽毛狀呈黑色針狀（4248）（4858）馬氏體轉變針狀馬氏體（高碳）板條馬氏體（低碳）MS Mf非擴散型竹葉狀或凸透鏡狀細板狀（6265）（5060）馬氏體相變特點：1、 轉變溫度低，過冷度大，在MS Mf范圍內進行；MS 、 Mf 不受冷卻速度影響，只取決于A成分，其中C含量增加，則MS 、 Mf下降。2、 M相變僅是晶格重構（FCC體心正方），轉變前后成分不變，屬于非擴散型轉變。3、 M相變是變溫過程，如果轉變過程中溫度停止下降，則A發生穩定化，不轉變為M。4、 M相變速度極快（小于10-7S）。5、 M相變是不完全相變：由于Mf遠

9、低于室溫，必然存在殘余A；另外M相變伴隨著體積膨脹，抑制了AM。6、 M相變產生很大的內應力：組織應力、熱應力。殘余奧氏體存在利弊：1、 不利：耐磨性、4組織穩定性、淬火硬度下降2、 有意：減震；提高冷模鋼、低溫用鋼的韌性；提高軸承鋼的疲勞強度、塑性、韌性。控制殘余奧氏體的方法：1、 化學成分：碳含量增加、合金元素含量提高，則MS 、 Mf下降，殘余奧氏體含量增加；2、 加熱奧氏體條件：加熱溫度提高，保溫時間延長，則奧氏體成分均勻程度提高，殘余奧氏體含量增加；3、 淬火后進行冷處理：冷處理溫度降低，則殘余奧氏體含量減少；4、 回火：回火溫度提高，則殘余奧氏體含量減少。（四）影響C曲線的因素1、

10、 A中含碳量：亞共析鋼隨著含碳量增加，C曲線右移，過冷A穩定性提高，MS下降；過共析鋼隨著含碳量增加，C曲線左移，過冷A穩定性下降，MS下降；2、 A中合金元素：除Co和Al（2.5%）外，其它合金元素使C曲線右移，過冷A穩定性提高；當碳化物形成元素（Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr）含量較多時，會改變C曲線的形狀；3、 加熱溫度和保溫時間：加熱溫度提高，保溫時間延長，A成分均勻，穩定性提高，C曲線右移。（五）過冷奧氏體連續轉變曲線圖（CTT圖）與TTT圖比較：CTT圖曲線向右下方移動，無貝氏體轉變區，M轉變較完全。TTT圖和CCT圖的應用：1、 制定熱處理工藝：確定熱處理工藝參數、選擇冷

11、卻介質；2、 分析熱處理后的組織和性能；3、 判斷鋼的淬透性，合理選擇材料。6-3 鋼的退火與正火一、 退火1、定義：退火：將鋼加熱到低于或高于AC1的某一溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻以獲得接近平衡狀態組織的熱處理工藝。2、退火的工藝及其應用退火種類加熱溫度（）組織應用和目的完全退火AC3+3050F+P（細小）含碳量0.5%以上的亞共析鋼的預備熱處理，降低硬度，改善切削加工性能；細化晶粒。球化退火AC1+3050球化組織（F+Fe3C粒）過共析鋼的預備熱處理，降低硬度，改善切削加工性能，為淬火作組織準備。再結晶退火T再+100200AC1F+P等軸晶粒消除冷塑性變形產生的加工硬化，恢復塑

12、性變形能力。去應力退火500600200300無變化消除鑄、鍛、焊接、沖壓件及機械加工零件的殘余內應力。擴散退火11001200F+P（粗大）減少鋼錠、鑄件、鍛坯的成分偏析和組織不均勻。二、正火1、定義：將鋼件加熱到AC3（對亞共析鋼）或ACCm（對過共析鋼）以上3050，保溫后在空氣中自然冷卻以獲得先共析相和細珠光體的熱處理工藝。2、正火的工藝及其應用鋼種加熱溫度（）組織應用和目的低碳鋼AC3+3050F+S提高硬度，改善切削加工性能；獲得使用性能。中碳鋼過共析鋼ACCm+3050S+Fe3C片狀消除網狀二次滲碳體，為球化退火作組織準備。三、退火、正火的選擇1、 經濟性：正火優于退火2、改善

13、切削加工性能： 含碳量0.5%的碳鋼正火；含碳量0.5%的碳鋼退火；3、使用性能：工件性能要求不高，不進行最終熱處理時采用正火；對大型、結構復雜的工件，為防止變形、開裂應采用退火為減少淬火變形、開裂傾向，應采用退火6-4 鋼的淬火一、定義淬火：把鋼加熱到AC3（對亞共析鋼）或AC1（對過共析鋼）以上3050，保溫一定時間使之奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快速冷卻，從而獲得馬氏體組織的熱處理工藝。二、目的1） 獲得馬氏體組織，提高硬度和耐磨性；2） 為回火作組織準備。三、工藝1） 淬火加熱溫度2） 淬火加熱時間：升溫時間、保溫時間3） 冷卻介質： 水：適用于截面尺寸小，形狀簡單的碳鋼件。

14、油：適用于合金鋼或小尺寸的碳鋼件。鹽水或堿水：適用于淬透性低的碳鋼件。四、淬火方法：1） 單液淬火（）：操作簡單，易實現機械化、自動化，應用廣泛。例如：形狀簡單的碳鋼水淬和合金鋼油淬。獲得馬氏體組織。2） 雙液淬火（）：應用于形狀復雜的碳鋼件及大型合金鋼件。獲得馬氏體組織。3） 分級淬火（）：適用于小尺寸工件。獲得馬氏體組織。4） 等溫淬火（）：用于形狀復雜，要求較高硬度和強韌性的工具、模具；形狀復雜要求高的薄、小件，如彈簧。獲得下貝氏體組織。五、淬火質量的測定1） 淬透性：取決于A中合金元素含量2） 淬透性的測定：頂端淬火法，3） 淬硬性：取決于加熱時形成的奧氏體的含碳量。4） 淬透性的實際

15、應用（1） 要求完全淬透：完全淬透，性能均勻，應用于截面均勻受力或受大沖擊載荷。如螺栓、連桿、錘桿等（2） 要求一定深度的淬透層：應用于受彎曲、扭轉的實心軸類零件及表面要求高耐磨性并受沖擊的模具等。淬透層為零件半徑的1/31/2。（3） 要求低淬透性：應用于焊接零件。6-5 鋼的回火一、定義回火：將淬火后的鋼加熱到不超過AC1臨界溫度進行保溫，然后按不同方式進行冷卻的熱處理工藝。二、目的1） 獲得所需組織和性能；2） 穩定組織和尺寸；3） 消除內應力。三、回火時的轉變M分解則體積收縮；A分解則體積膨脹。M比容最大，A比容最小。1、100：無明顯轉變發生，體積無變化，M中碳原子發生聚集，但M不發

16、生分解。2、回火第一階段（100250）：體積收縮，馬氏體（M）開始轉變為回火馬氏體（M回：過飽和a固溶體和與其保持共格關系的彌散度極高的細小碳化物的混合物。）。由于過飽和強化與彌散強化的作用，強度、硬度基本不變，但晶格畸變、內應力減少，脆性下降。3、回火第二階段（250350）：體積膨脹，殘余奧氏體（AR）轉變為下貝氏體（B下），馬氏體（M）繼續轉變為回火馬氏體（M回），組織以M回為主，強度、硬度下降不大，內應力進一步減少。4、回火第三階段（350500）：體積收縮，回火轉變產物為回火屈氏體（T回：針狀F和彌散分布的細顆粒狀Fe3C的混合物）。內應力基本消除，強度、硬度下降，塑性、韌性提高，

17、彈性極限達到最大值（400）。5）回火第四階段（500）：Fe3C長大，鐵素體內亞結構發生回復、再結晶，強度、硬度進一步下降，塑性、韌性進一步提高，內應力完全消除。在500650回火的產物為回火索氏體（S回：多邊形等軸F和粒狀Fe3C的混合物），具有良好的綜合機械性能。四、回火的分類1）低溫回火（150250）：馬氏體（M）開始轉變為回火馬氏體（M回：過飽和a固溶體和與其保持共格關系的彌散度極高的細小碳化物的混合物。）。由于過飽和強化與彌散強化的作用，強度、硬度基本不變，但晶格畸變、內應力減少，脆性下降。3）中溫回火（350500）：回火轉變產物為回火屈氏體（T回：針狀F和彌散分布的細顆粒狀F

18、e3C的混合物）。內應力基本消除，強度、硬度下降，塑性、韌性提高，彈性極限達到最大值（400）。4）高溫回火（500650）：塑性、韌性進一步提高，內應力完全消除。在500650回火的產物為回火索氏體（S回：多邊形等軸F和粒狀Fe3C的混合物），具有良好的綜合機械性能。4、回火的種類和應用回火種類加熱溫度（）組織性能應用低溫回火150250M回+碳化物高強度、硬度、耐磨性HRC5864工具鋼、滾動軸承鋼、滲碳件、表面淬火件；降低內應力、脆性中溫回火350500T回高彈性極限、韌性、屈服強度 彈簧、彈性夾具、熱鍛模、刀桿高溫回火500650S回良好的綜合機械性能 重要結構件：軸、齒輪、連桿、螺栓

19、等低溫回火脆性：在250350回火時鋼的韌性顯著下降。過程不可逆，應避免在該溫度區間回火。高溫回火脆性：在450600回火后緩冷，含Cr、Ni、Mn、Si較多的合金鋼韌性明顯下降。過程可逆，重新加熱回火，然后快冷，或在鋼中加入適量的W（1%）和Mo（0.5%）也可防止。6-6 鋼的表面淬火和化學熱處理一、表面淬火1、定義表面淬火：把鋼件的表面層迅速加熱使之奧氏體化并快速冷卻以獲得馬氏體組織，而心部保持原始組織的一種淬火工藝。2、特點表面淬火與正火或調質處理相配合，可有效提高零件表層的硬度和耐磨性，達到外硬內韌的效果，并在表層造成壓應力，提高疲勞強度。表面淬火只改變表層的組織而不改變其化學成分。

20、3、適用材料鋼：含碳量為0.400.50%的亞共析鋼，如40、45、50、40Cr、45Cr制造要求表面耐磨的零件：齒輪、凸輪軸、曲軸、連桿。 9Cr2W、9Cr2Mo制造冷軋輥鑄鐵：球墨鑄鐵熱軋輥、校正輥 灰口鑄鐵車床床身的導軌4、加熱方法：火焰、電接觸、感應加熱感應表面淬火：淬硬層深度H=0.520mm，其中f為感應電流頻率（Hz）。感應器用紫銅管制造，通水冷卻。加熱原理集膚效應。優點：加熱迅速，生產率高，組織細小，氧化、脫碳少，用于大批量生產。缺點：參數調整復雜，設備昂貴。二、鋼的化學熱處理1、定義鋼的化學熱處理：把鋼件置于某種化學介質中，通過加熱和保溫，使介質中某些元素滲入鋼件表層，從

21、而改變鋼件表層化學成分、組織和性能的熱處理工藝。2、種類1） 提高硬度、耐磨性：滲碳、滲氮、滲硼、碳氮共滲2） 提高耐蝕性：滲鉻、滲碳、滲氮3） 提高特殊性能：抗氧化滲鋁；耐酸性滲硅3、鋼的滲碳1） 滲層深度：小于2mm2） 適用鋼材：滲碳鋼，如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnVB3） 滲碳目的：表面高硬度，內部高韌性4） 滲碳方法：固體滲碳、氣體滲碳滲碳后的成分梯度：高碳中碳低碳表面心部不需滲碳處涂防滲碳涂料。5） 加熱溫度：AC3+3050，一般常用溫度為930106） 熱 處 理：（1） 直接淬火：滲碳預冷淬火（AC1+3050，M+AR+Fe3C）低溫回火（150250，M回+AR+Fe3C）（2） 一次淬火：滲碳正火或退火淬火（AC3或AC1+3050）低溫回火（3） 兩次淬火：滲碳淬火（AC3+3050）淬火（AC1+3050）低溫回火（150250，M回+AR+Fe3