1、鋼的熱處理部分一、 教學(xué)目的及要求通過本章學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解熱處理的基本概念，掌握鋼的加熱轉(zhuǎn)變和冷卻轉(zhuǎn)變的基本規(guī)律及特點。掌握并了解鋼的常用熱處理工藝，并能夠運用過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線進行熱處理工藝分析。二、 主要內(nèi)容 1熱處理的基本概念 2鋼在加熱和冷卻時的組織轉(zhuǎn)變及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形態(tài)和性能特點 3鋼的退火和正火，鋼的淬火和回火4 鋼的表面淬火和化學(xué)熱處理三、學(xué)時安排講課8學(xué)時，實驗5學(xué)時。四、教學(xué)重點1鋼在加熱和冷卻時的組織轉(zhuǎn)變及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形態(tài)和性能特點2常用熱處理工藝及應(yīng)用五、教學(xué)難點1鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變2鋼的熱處理工藝及應(yīng)用3鋼的淬透性的概念六、教學(xué)過程本篇（六、七章）討論鋼的熱處理原理和熱處理

2、基本類型、含義、工藝要點及應(yīng)用。熱處理概述1定義：指將材料在固態(tài)下加熱到一定溫度，保溫一定時間，以適當(dāng)速度冷卻，以獲得所需組織結(jié)構(gòu)和性能的工藝方法。2熱處理的工藝過程。包括三個階段：加熱、保溫和冷卻，如圖所示。加熱：熱處理的第一道工序。不同的材料，其加熱工藝和加熱溫度都不同。保溫：目的是要保證工件燒透，防止脫碳、氧化等。保溫時間和介質(zhì)的選擇與工件的尺寸和材質(zhì)有直接的關(guān)系。一般，按每分種12毫米計算；工件越大，材料的導(dǎo)熱性越差，保溫時間就越長。冷卻：最后一道工序，也是最重要一道工序。冷卻速度不同，工件熱處理后的組織和性能不同，如表所示：組材料成份加工工藝組織結(jié)構(gòu)材料性能四者相互依存。3目的和作用

3、在工業(yè)生產(chǎn)中，熱處理的應(yīng)用很廣泛。據(jù)統(tǒng)計，在機床制造中，約60%70%的零件要經(jīng)過熱處理，在汽車、拖拉機制造中，需要熱處理的零件多達70%80%，而工模具及滾動軸承，則要100%進行熱處理。總之，凡重要的零件都必須進行適當(dāng)?shù)臒崽幚聿拍苁褂?。目的：一是提高材料的使用性能，延長零件的使用壽命。二是改善材料的工藝性能，確保后續(xù)加工的順利進行。其共同點是：只改變內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，不改變表面形狀與尺寸。4基本類型（1）根據(jù)加熱和冷卻方式，以及組織和性能特點的不同分類（見教材）（2）按熱處理在零件生產(chǎn)工藝過程中的位置和作用不同分類預(yù)備熱處理：是零件加工過程中的一道中間工序（也稱為中間熱處理），其目的是改善鍛、

4、鑄毛坯件組織、消除應(yīng)力，為后續(xù)的機加工或進一步的熱處理作準(zhǔn)備。最終熱處理：是指能賦予工件使用性能的熱處理，其目的是使經(jīng)過成型工藝達到要求的形狀和尺寸的零件達到所需要的使用性能。附：鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度根據(jù)鐵碳平衡相圖，共析鋼加熱到超過A1溫度時，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；而亞共析鋼和過共析鋼加熱到A3和Acm以上獲得單相奧氏體。在具體熱處理操作中，因?qū)嶋H加熱和冷卻速度較快而存在過熱和過冷的現(xiàn)象，使實際相變溫度偏離平衡狀態(tài)圖中的平衡相變點（臨界溫度）。加熱時相變溫度偏向高溫，冷卻時偏向低溫，這種現(xiàn)象稱為熱滯。加熱或冷卻速度越快，則熱滯現(xiàn)象越嚴(yán)重。圖示加熱和冷卻速度對碳鋼臨界溫度的影響。通常把加熱時的實際臨界

5、溫度標(biāo)以字母“c”，如Ac1、Ac3、Accm；而把冷卻時的實際臨界溫度標(biāo)以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arcm等。其物理意義分別為：Ac1：加熱時珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度；Ar1：冷卻時奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的溫度；Ac3：加熱時先共析鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度；Ar3：冷卻時奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的開始溫度；Accm：加熱時二次滲碳體全部溶入奧氏體的終了溫度；Arcm：冷卻時從奧氏體中開始析出二次滲碳體的溫度。第六章 鋼的熱處理原理第一節(jié) 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變加熱是熱處理的首道工序，大多是先把鋼件加熱到高溫，目的是使鋼得到奧氏體組織。通常將這一過程稱為鋼的奧氏體化。一、奧氏體的形成1共析鋼加熱

6、時奧氏體的形成過程奧氏體的形成遵循一般的相變規(guī)律，包括形核與長大兩個基本過程，可分為四個階段：（1）奧氏體晶核的形成。將鋼加熱到Ac1以上時，珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體，奧氏體晶核首先在鐵素體和滲碳體的相界面形成。（2）奧氏體長大。穩(wěn)定的奧氏體晶核形成后，開始長大生成小晶體，同時又有新的晶核形成。奧氏體的長大是新相界面分別向滲碳體和鐵素體兩側(cè)推移，直至鐵素體完全消失，奧氏體彼此相遇。是依靠鐵、碳原子的不斷擴散，使?jié)B碳體不斷溶解、鐵素體晶格改組為面心立方的奧氏體晶格來完成。（3）殘余滲碳體的溶解。由于鐵素體的碳濃度和結(jié)構(gòu)與奧氏體相近，鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的速度遠比滲碳體向奧氏體中的溶解快。鐵素體消失后，未

7、溶解的殘余滲碳體，在隨后的保溫過程中溶解，直到完全消失。（4）奧氏體成分的均勻化。在滲碳體全部溶解完時，奧氏體的成分是不均勻的，需要保溫一定時間，碳原子充分?jǐn)U散，獲得均勻的單相奧氏體。2亞共析鋼與過共析鋼加熱時奧氏體的形成亞共析鋼與過共析鋼的室溫平衡組織分別為（P+F）和（P + Fe3C）。其中，加熱時珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的過程與共析鋼的相同；不同的是：亞共析鋼多了鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變過程，過共析鋼多了二次滲碳體的溶解過程。所以，亞共析鋼要得到全部奧氏體需加熱到Ac3以上，對過共析鋼要在Accm以上。這一過程為完全奧氏體化。如果亞共析鋼僅在Ac1Ac3溫度之間加熱，加熱后的組織是“A + F”

8、兩相共存；對過共析鋼在Ac1Accm溫度之間加熱，加熱后的組織應(yīng)為“A + Fe3C”兩相共存。這一過程為不完全奧氏體化。在加熱后的冷卻過程中，只是奧氏體向其它的組織轉(zhuǎn)變，鐵素體或二次滲碳體則不會發(fā)生轉(zhuǎn)變，保留在鋼的室溫組織中，會對鋼的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。 奧氏體的形成過程示意圖二、奧氏體晶粒的大小及控制1奧氏體晶粒度表示奧氏體晶粒大小晶粒度評級（冶標(biāo)）：00，0，1，2，10共12個等級；其中，3級以下為粗晶粒，46級中等晶粒，78級為細晶粒，8級以上為超細晶粒。根據(jù)加熱時奧氏體晶粒長大的超勢，鋼種有本質(zhì)細晶粒鋼：加熱時，A不容易長大，含Nb,Ti,V等元素的鋼； 意義：滲碳！本質(zhì)粗晶粒鋼：加

9、熱時，A晶粒容易長大。2奧氏體晶粒的大小的控制一般從以下幾個方面考慮 （為什么關(guān)心奧氏體晶粒大小？對于同一種鋼，奧氏體晶粒越小，冷卻后得到的組織越小，鋼的綜合性能也越好。）（1）加熱溫度和保溫時間。加熱溫度高，保溫時間長，奧氏體晶粒長大。加熱溫度高，保溫時間短，可獲得細小的晶粒。加熱溫度一定，延長保溫時間，晶粒不斷長大，并趨于穩(wěn)定。 生產(chǎn)中，要適當(dāng)控制加熱溫度和保溫度時間，尤其是加熱溫度。原因：原子的擴散能力主要與溫度有關(guān)。保溫的目的主要是為了使工件溫度均勻，奧氏體的成分均勻化。（2）加熱速度。在實際生產(chǎn)中，常采用快速加熱和短時保溫的方法來獲得細小晶粒。原因：加熱速度越快，過熱度越大，奧氏體化

10、溫度越高，形核率和長大速率越大，但前者大于后者，可獲得細小的奧氏體起始晶粒；另一方面，溫度較高時，界面能高，原子擴散能力增強，細小晶粒反而易于長大，所以保溫時間又不能太長。（3）原始組織。（4）鋼的化學(xué)成分碳元素的影響：隨碳含量增加，奧氏體晶粒長大傾向增加；當(dāng)有未溶碳化物存在時，可阻礙晶粒長大，得到細小奧氏體晶粒。合金元素影響：A鋼中加入Al、V、Zr、Ti、Nb元素可起到細化晶粒的作用。因為能形成高熔點、彌散分布的碳化物或氮化物，阻礙晶界移動，強烈阻礙奧氏體晶粒長大。 BMn、P及過量的Al等溶入奧氏體中，可加速鐵的擴散，促進奧氏體晶粒的長大。三、鋼加熱時常見的缺陷及防止措施1常見的缺陷氧化

11、：鋼在氧化性氣氛（如氣氛中有O2、CO2、H2O等）加熱時易被氧化，工件表面形成FeO、Fe2O3、Fe3O4等氧化物，導(dǎo)致鋼的燒損，零件尺寸變小，表面粗糙，更重要的是嚴(yán)重影響后序熱處理的質(zhì)量。脫碳：指鋼中的碳被燒損，導(dǎo)致鋼件表面含碳量降低的現(xiàn)象，常伴隨氧化發(fā)生。脫碳的氣氛主要有氧化性氣氛和H2氣氛。脫碳使鋼件表面的含碳量降低，使鋼件強度硬度降低，特別是疲勞強度和耐磨性嚴(yán)重下降。過熱：指加熱溫度比正常溫度偏高，出現(xiàn)的奧氏體晶粒粗大的現(xiàn)象。過熱使鋼件的強度和塑韌性降低，熱處理后變形加大。過熱的工件可通過重新奧氏體化，細化晶粒來補救。過燒：指鋼加熱的溫度太高，奧氏體晶界局部或全部氧化甚至熔化的現(xiàn)象

12、。過燒使工件變脆，如果鍛造一鍛即裂。過燒的工件只能報廢，無法挽救，屬于致命性缺陷。2防止措施（1）在真空中加熱：工件在真空中加熱是防止氧化脫碳的最有效措施，是熱處理工藝的發(fā)展方向，在發(fā)達國家應(yīng)用普遍。問題在于，真空熱處理設(shè)備投資大，成本較高。（2）可控氣氛加熱：工件加熱過程中向爐內(nèi)充入一定保護性氣氛，保證鋼在不脫碳、不增碳、不氧化的氣氛下加熱。實踐證明它是行之有效與可靠的方法，是現(xiàn)代熱處理的發(fā)展方向之一。（3）鹽浴加熱：將工件置于一熔化了的中性熔融的鹽浴爐中加熱，鹽浴進行充分脫氧，保證工件加熱過程中少氧化，甚至無氧化。缺點主要是粘在工件上的鹽難以清洗，操作過程中鹽液遇水易炸，不小心灼傷人體，不

13、太安全，操作過程中要多加小心。在以后的退火、正火、淬火、回火工藝的加熱過程中，都會遇到這些問題，生產(chǎn)中要特別重視。第二節(jié) 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變知識要點：過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及其性能；影響c曲線的因素；應(yīng)用等溫轉(zhuǎn)變圖判斷鋼冷卻至室溫的組織一、過冷奧氏體奧氏體在臨界點A 1以上是穩(wěn)定相，冷卻至A 1以下就成了不穩(wěn)定相，要發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。定義：把在臨界溫度A 1以下尚未發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的不穩(wěn)定奧氏體稱為過冷奧氏體。等溫轉(zhuǎn)變：過冷奧氏體轉(zhuǎn)變是在臨界點以下某個溫度下等溫過程中發(fā)生的，就稱為過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變。連續(xù)轉(zhuǎn)變：轉(zhuǎn)變在連續(xù)冷卻的過程中發(fā)生的就稱為過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變。 等溫冷卻和連續(xù)冷卻是工業(yè)生產(chǎn)中

14、常用的兩種熱處理冷卻方式。鋼中過冷奧氏體在冷卻過程中的轉(zhuǎn)變規(guī)律常用過冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖來描述，表示轉(zhuǎn)變產(chǎn)物與溫度、時間之間的關(guān)系，是選擇和制定熱處理工藝的重要依據(jù)。二、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（以共析鋼為例） 1等溫轉(zhuǎn)變曲線的建立 （1）準(zhǔn)備幾組共析鋼小試樣（5組，每組8個試樣，小圓片試樣的尺寸：直徑1015mm，厚度1.01.1mm）； （2）把這些試樣加熱至A1(7270C)以上奧氏體化（如8000C） ； （3）然后迅速把各組試樣分別迅速放入A1(7270C) 以下的不同溫度（700，650，600，550，5000C）的恒溫箱中保溫； (4)記錄時間，每隔一定時間取出一塊試樣，立即淬入水中（

15、保持當(dāng)時的組織狀態(tài)） （5）測量硬度，并在顯微鏡下觀察其組織，找出各個等溫溫度下的轉(zhuǎn)變開始時間和轉(zhuǎn)變了時間，并畫在“溫度-時間”坐標(biāo)系中。 （6）將轉(zhuǎn)變開始點連接起來A轉(zhuǎn)變開始線；轉(zhuǎn)變終了點連接起來A轉(zhuǎn)變終了線。該曲線稱過冷奧氏體等溫曲線。 孕育期:試樣放入臨界溫度以下到開始發(fā)生轉(zhuǎn)變之間的這段時間，即A開始轉(zhuǎn)變線到溫度軸的距離。鼻尖處孕育期最短，鼻尖處的溫度稱為鼻溫，共析鋼在5500C左右。 2過冷奧氏體等溫曲線是描繪過冷奧氏體在不同溫度下等溫過程中，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物與溫度、時間之間關(guān)系的曲線圖，又稱TTT曲線或C曲線。下圖為共析鋼的過冷奧氏體等溫曲線圖。（解釋：轉(zhuǎn)變開始線、終了線、MS和Mf）Ms：

16、馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度，Mf馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度（有時在零度以下）三、共析碳鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變類型及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 根據(jù)過冷奧氏體在不同溫度間的轉(zhuǎn)變特點，將其分為三類：珠光體型轉(zhuǎn)變、貝氏體型轉(zhuǎn)變和馬氏體型轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物取決于等溫的溫度。（一）珠光體型轉(zhuǎn)變 1 轉(zhuǎn)變溫度： 7270C5500C2 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物： 珠光體珠光體是由鐵素體和滲碳體組成的機械混合物，這種類型的轉(zhuǎn)變稱為珠光體轉(zhuǎn)變。根據(jù)奧氏體化溫度和程度不同，過冷奧氏體可以形成片狀珠光體和球狀珠光體。（1）片狀珠光體：由共析反應(yīng)形成，是由鐵素體片和滲碳體片交替排列的層片狀組織，形貌為層片狀。珠光體中鐵素體和滲碳體層片的粗細與轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)。轉(zhuǎn)變溫度越低，

17、過冷度越大，珠光體的層片越細。在7270C6500C：珠光體片層較粗，稱為粗片狀珠光體，簡稱珠光體，用P表示；在6500C6000C：珠光體層片較細，稱為索氏體，用S 表示；在6000C-5500C：珠光體層片極細，稱為屈氏體，用T 表示。層片越細，珠光體的強度硬度越高，塑性韌性越好。三者相比：屈氏體的強度硬度最高，塑性韌性最好；索氏體次之；珠光體再次之。例如：冷拔彈簧鋼絲，等溫處理成索氏體，變性量可達80%，強度達到3000MPa。（2）球狀珠光體 由片狀珠光體經(jīng)球化退火得到，是滲碳體呈顆粒狀均勻分布在鐵素體基體上的組織，形貌為顆粒狀。同一成分的鋼在退火狀態(tài)下，球狀珠光體比片狀珠光體的強度硬

18、度低，塑性和韌性高。在實際生產(chǎn)中，高碳工模具鋼多采用球化退火獲得球狀珠光體來改善組織和切削加工性能。（二）貝氏體型轉(zhuǎn)變1轉(zhuǎn)變溫度：在5502300C（Ms）溫度之間。2轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：貝氏體，記為B。3定義：貝氏體是由過飽和鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。4組織形態(tài)和性能特點：有兩種類型，其組織形態(tài)與等溫溫度有關(guān)。（1）上貝氏體，記為B上：在5503500C之間形成，呈羽毛狀，細小的短棒狀滲碳體分布在過飽和鐵素體片間。性能特點：硬度高，強度低，塑性韌性差，少用。（2）下貝氏體，記為B下：在350Ms（2300C）之間形成，呈針片狀或竹葉狀狀，滲碳體以短片狀分布在過飽和鐵素體針片的內(nèi)部，具有較高的位錯

19、密度。性能特點：具有較高的強度硬度（4555HRC）和良好的塑性韌性，即良好的綜合力學(xué)性能。工業(yè)中，對于中碳鋼、中碳合金鋼，希望得到下貝氏體組織，提高鋼的強韌性。（三）馬氏體型轉(zhuǎn)變1轉(zhuǎn)變溫度：Ms（2300C）Mf之間。2轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：馬氏體，記為M。3定義、結(jié)構(gòu)：馬氏體是碳在a-Fe中形成的過飽和固溶體，體心正方晶格結(jié)構(gòu)。4主要轉(zhuǎn)變特點（1）是無擴性相變；（2）在MsMf范圍內(nèi)不斷降溫中形成，冷卻中斷轉(zhuǎn)變中止，轉(zhuǎn)變量隨溫度的降低而增加；（3）A向M 的轉(zhuǎn)變是一個體積膨脹過程，引起內(nèi)應(yīng)力。（A的比容小，M的比容大）（4）馬氏體轉(zhuǎn)變不能完全進行到底，有一定量的殘余奧氏體。鋼的組織中存在殘余奧氏體會使

20、零件尺寸不穩(wěn)定、硬度降低，應(yīng)盡量減少。措施：采用多次回火或冷處理。工模具鋼量具鋼的熱處理中常采用這種工藝來減少殘余奧氏體量，提高尺寸穩(wěn)定性及耐磨性。5馬氏體的組織形態(tài)和性能特點：有兩種類型。（1）板條馬氏體：呈板條狀；具有較高的強度和良好的韌性，即良好的綜合力學(xué)性能。Ms溫度較高、含碳量較低的鋼淬火時易得到板條馬氏體。板條馬氏體是低、中碳鋼和低、中碳合金鋼淬火組織中的一種典型組織形態(tài)。（2）片狀馬氏體：呈針片狀或竹葉狀；具有高的強度和硬度，但塑性韌性差，即硬而脆。Mf較低、含碳量較高的鋼淬火時易得到。片狀馬氏體主要出現(xiàn)在中高碳鋼、中高碳合金鋼和高鎳的鐵鎳合金的淬火組織中。必須經(jīng)過回火處理后才能

21、使用。 6影響馬氏體性能的因素 馬氏體組織的最主要特點是高強度和高硬度。硬度：主要取決于其本身的含碳量，與合金元素含量關(guān)系不大。隨著碳含量的增加，馬氏體的硬度升高。對淬火鋼來說，當(dāng)含碳量為0.60.8時，硬度達到最高；含碳量進一步增加時，硬度提高趨于平緩。馬氏體的高強度：是由于碳在-Fe中的過飽和而產(chǎn)生的固溶強化，相變時在馬氏體內(nèi)部造成大量的位錯或?qū)\晶等晶格缺陷而產(chǎn)生的相變強化，以及時效強化效應(yīng)等綜合作用的結(jié)果。另外，奧氏體晶粒越細小，馬氏體尺寸越小，其強度也越高。塑性和韌性：取決于馬氏體的亞結(jié)構(gòu)。板條馬氏體的亞結(jié)構(gòu)為位錯，具有高的強度和良好的韌性，特點是具有良好的綜合機械性能；片狀馬氏體的亞

22、結(jié)構(gòu)為孿晶，具有高的強度和硬度，但塑韌性很差，特點是硬而脆。 注：低碳的板條馬氏體硬度不是太高，所以低碳鋼淬火主要是為了獲得良好的強韌性，而淬火后的硬度并不能明顯提高。 7應(yīng)用要求高硬度高耐磨性的零件，得到高碳的片狀馬氏體組織，如工模具、滲碳件等。要求綜合力學(xué)性能好的零件，得到低碳馬氏體，如發(fā)動機連桿、螺栓、石油鉆井的吊環(huán)和吊鉗等。 四、影響C曲線的主要因素 1含碳量的影響對C曲線形狀的影響：亞共析鋼，在P轉(zhuǎn)變之前有先共析鐵素體析出，C曲線上有AF轉(zhuǎn)變線。過共析鋼，在P轉(zhuǎn)變之前有二次滲碳體析出，C曲線上有AFe3C轉(zhuǎn)變線。 對C曲線位置的影響：亞共析鋼，Wc,C曲線右移，轉(zhuǎn)變推遲。 過共析鋼：Wc，C曲線左移，C曲線左移。 共析鋼的C曲線最靠右。三者相比，淬火時，共析鋼最易獲得馬氏體組織，易淬火。 對Ms和Mf的影響： Wc，Ms，Mf，殘余奧氏體量增多。問題？：比較45鋼、T8鋼和T12鋼淬火時，哪個最易？2合金元素的影響除Co元素外，其它溶入奧氏體中的合金元素都使C曲線右移。3奧氏體化溫度五、過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT曲線）1共析碳鋼的CCT曲線由三條線組成：Ps線為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的開始線，Pf為轉(zhuǎn)變終了線，兩線之間為轉(zhuǎn)變過渡區(qū)。KK 線為轉(zhuǎn)變的中止線，當(dāng)冷卻曲線碰到此線時，過冷奧氏體向珠光體型組織轉(zhuǎn)變中止，繼續(xù)冷卻一直保