第六章鋼的熱處理

第一節(jié)鋼的熱處理基礎(chǔ)第三節(jié)鋼的整體熱處理第四節(jié)鋼的表面熱處理第一節(jié)鋼的熱處理基礎(chǔ)

一、熱處理的概念

熱處理是將固態(tài)金屬或合金在一定介質(zhì)中加熱、保溫和冷卻，以改變材料整體或表面組織，從而獲得所需性能的工藝。圖6-1熱處理工藝曲線的示意圖二、常見的熱處理方法第一節(jié)鋼的熱處理基礎(chǔ)

一、奧氏體化前的組織

我們只考慮比較簡單的情況即奧氏體化前的組織為平衡組織的情況。

亞共析鋼→F+P

共析鋼→P

過共析鋼→Fe3CⅡ+P第一節(jié)鋼的熱處理基礎(chǔ)

二、鋼在加熱和冷卻時的相變臨界點

圖6-2實際相變溫度與理論轉(zhuǎn)變溫度之間的關(guān)系三、共析碳鋼A形成過程示意圖A形核A長大殘余Fe3C溶解A均勻化圖6-3四、亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體形成過程

亞共析鋼和過共析鋼與共析鋼的區(qū)別是有先共析相。其P→A的轉(zhuǎn)變過程同共析鋼相同，也是經(jīng)過前面的四個階段。對于亞共析鋼，平衡組織F+P，當加熱到AC1以上溫度時，P→A，在AC1～AC3的升溫過程中，先共析的F逐漸溶入A；對于過共析鋼，平衡組織是Fe3CⅡ+P，當加熱到AC1以上時，P→A，在AC1～ACCM的升溫過程中，二次滲碳體逐步溶入奧氏體中。五、影響奧氏體形成速度的因素1.

加熱速度的影響

加熱速度越快，相變驅(qū)動力也越大；提高形核與長大的速度，從而加快奧氏體的形成。2.化學成分的影響鋼中含碳量增加，碳化物數(shù)量相應增多，F(xiàn)和Fe3C的相界面增多，奧氏體晶核數(shù)增多，其轉(zhuǎn)變速度加快。鋼中的合金元素能改變鋼的臨界點，并影響碳的擴散速度，且它自身也存在擴散和重新分布的過程，所以合金鋼的奧氏體形成速度一般比碳鋼慢。3.原始組織的影響鋼中原始珠光體越細，其片間距越小，相界面越多，越有利于形核，奧氏體形成速度加快。六、奧氏體晶粒大小

起始晶粒度

:奧氏體化剛結(jié)束時的晶粒度,此時晶粒細小均勻。

實際晶粒度:鋼在加熱時所獲得的實際奧氏體晶粒的大小。決定鋼的性能。

本質(zhì)晶粒度:鋼加熱到930℃±10℃、保溫8小時、冷卻后測得的晶粒度。表示鋼在加熱時奧氏體晶粒長大的傾向。根據(jù)本質(zhì)晶粒度將鋼分為本質(zhì)粗晶粒鋼和本質(zhì)細晶粒鋼。晶粒度為1-4

級的是本質(zhì)粗晶粒鋼，5-8

級的是本質(zhì)細晶粒鋼。前者晶粒長大傾向大，后者晶粒長大傾向小。過冷奧氏體

高溫時所形成的奧氏體冷卻到A1點以下尚未發(fā)生轉(zhuǎn)變的奧氏體。冷卻方式:等溫冷卻和連續(xù)冷卻

圖6-6冷卻方式示意圖等溫冷卻：把加熱到A狀態(tài)的鋼，快速冷卻到Ar1以下某一溫度等溫停留一段時間，使A發(fā)生轉(zhuǎn)變，然后再冷卻到室溫。連續(xù)冷卻：把加熱到A狀態(tài)的鋼，以某一速度連續(xù)冷卻到室溫，使A在連續(xù)冷卻過程中發(fā)生轉(zhuǎn)變。第一節(jié)鋼的熱處理基礎(chǔ)

一、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變時間溫度A1MSMfA過冷PBMA→MA→BA→P轉(zhuǎn)變開始線轉(zhuǎn)變終了線奧氏體C曲線或TTT曲線（以共析鋼為例）轉(zhuǎn)變開始線與縱坐標之間的距離為孕育期。孕育期越小，過冷奧氏體穩(wěn)定性越小.孕育期最小處稱C曲線的“鼻尖”。碳鋼鼻尖處的溫度為550℃。二、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物的組織和性能(一)珠光體轉(zhuǎn)變

:A1－550℃1.珠光體的形成AP:1.鐵、碳原子的擴散。由A形成高碳的滲碳體和低碳的鐵素體；

2.晶格重構(gòu)。fcc的A轉(zhuǎn)變?yōu)閎cc的鐵素體和復雜立方晶格的滲碳體。按滲碳體形態(tài)不同，珠光體分為：片狀珠光體和球狀珠光體

珠光體轉(zhuǎn)變也是形核和長大的過程。滲碳體晶核首先在奧氏體晶界上形成，在長大過程中，其兩側(cè)奧氏體的含碳量下降，促進了鐵素體形核，兩者相間形核并長大，形成一個珠光體團。

珠光體轉(zhuǎn)變是擴散型轉(zhuǎn)變。圖6-9珠光體形成示意圖根據(jù)片間距不同,又細分為粗珠光體（珠光體P）、細珠光體（索氏體S）和極細珠光體（托氏體T）。2.珠光體的性能層狀珠光體的性能主要取決于層片間距珠光體片間距越小，則珠光體的硬度高、強度高、塑性好。

根據(jù)其組織形態(tài)不同，貝氏體又分為上貝氏體(B上)和下貝氏體(B下)。上貝氏體:形成溫度為550-350℃。在光鏡下呈羽毛狀。在電鏡下為不連續(xù)棒狀的滲碳體分布于自奧氏體晶界向晶內(nèi)平行生長的鐵素體條之間。圖6-10上貝氏組織特征圖（二）貝氏體轉(zhuǎn)變過冷奧氏體在550℃-230℃(Ms)間將形成貝氏體類型組織，用符號B表示。下貝氏體形成溫度為350℃-Ms。在光鏡下呈竹葉狀。在電鏡下為細片狀碳化物分布于鐵素體針內(nèi)，并與鐵素體針長軸方向呈55-60o角。圖6-11下貝氏組織特征圖上貝氏體強度與塑性都較低，無實用價值。下貝氏體除了強度、硬度較高外，塑性、韌性也較好，即具有良好的綜合力學性能，是生產(chǎn)上常用的強化組織之一。上貝氏體形成示意圖B上=過飽和碳

α-Fe條狀+Fe3C細條狀過飽和碳α-Fe條狀Fe3C細條狀羽毛狀圖6-12B下=過飽和碳

α-Fe針葉狀+Fe3C細片狀過飽和碳

α-Fe針葉狀Fe3C細片狀針葉狀圖6-13下貝氏體形成示意圖圖6-14上貝氏體組織金相圖圖6-15下貝氏體組織金相圖(三)馬氏體轉(zhuǎn)變馬氏體是過冷奧氏體連續(xù)冷卻到Ms以下溫度所形成的組織。馬氏體轉(zhuǎn)變開始的溫度稱上馬氏體點，用Ms表示。馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度稱下馬氏體點，用Mf

表示。只要溫度達到Ms以下即發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。在Ms以下，隨溫度下降,轉(zhuǎn)變量增加，冷卻中斷,轉(zhuǎn)變停止。馬氏體轉(zhuǎn)變是不徹底的，總有部分奧氏體未能轉(zhuǎn)變而殘留下來，稱殘余奧氏體，用A’

或

’

表示。A’

量隨含碳量的增加而增加。馬氏體的晶體結(jié)構(gòu):

碳在

-Fe中的過飽和固溶體稱馬氏體，用符號M表示。馬氏體具有體心正方晶格（a=b≠c）,軸比c/a稱馬氏體的正方度。馬氏體根據(jù)形態(tài)分板條馬氏體和針狀馬氏體兩類。馬氏體的性能:

高硬度是馬氏體性能的主要特點。馬氏體的硬度主要取決于其含碳量。含碳量增加，其硬度增加。針狀馬氏體脆性大，板條馬氏體具有較好的塑性和韌性。圖6-16低碳板條狀馬氏體組織金相圖圖6-17

高碳針片狀馬氏體組織金相圖四、過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線又稱CCT(Continuous-Cooling-Transformationdiagram)曲線。圖中Ps和Pf表示A→P的開始線和終了線，K線表示A→P的終止線，若冷卻曲線碰到K線，這時A→P轉(zhuǎn)變停止，繼續(xù)冷卻時A一直保持到Ms點溫度以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

Vk稱為臨界冷卻速度，它是獲得全部馬氏體組織的最小冷卻速度。Vk愈小，鋼在淬火時越容易獲得馬氏體組織，即鋼接受淬火的能力愈大。

Vk’是TTT圖上的臨界冷卻速度。CCT曲線與C曲線的區(qū)別：

(1)CCT曲線位于TTT曲線右下方。

(2)CCT曲線無貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。

(3)臨界冷卻速度不同。第二節(jié)鋼的整體熱處理

一、鋼的退火與正火二、鋼的淬火三、鋼的回火

一、鋼的退火與正火

1.鋼的退火與正火的目的①細化晶粒，均勻組織,改善成分。②調(diào)整硬度，改善切削加工性。③消除內(nèi)應力。④為最終熱處理做組織準備。圖6-18①完全退火

將工件加熱到Ac3+30~50℃、保溫后隨爐緩冷，主要用于亞共析鋼。目的：細化組織、降低硬度、改善加工性、去除內(nèi)應力②等溫退火將工件加熱到Ac3+30～50℃，保溫一定時間后，先以較快的冷速冷到珠光體的形成溫度等溫，待等溫轉(zhuǎn)變結(jié)束再快冷?？梢源蟠罂s短退火的時間。主要用于：高碳鋼、中碳合金鋼、經(jīng)滲碳處理后的低碳合金鋼等2.退火工藝③球化退火將鋼件加熱到Ac1+30～50℃，保溫一定時間后隨爐緩慢冷卻至600℃后出爐空冷。目的：通過球化退火，使層狀滲碳體和網(wǎng)狀滲碳體變?yōu)榍驙顫B碳體，降低硬度，改善切削加工性，并為以后淬火作準備。主要適用于：共析和過共析成分的碳鋼和合金鋼鍛、軋件。

將工件加熱到Ac3或Accm+30～80℃，保溫后空冷。正火與退火的區(qū)別是正火冷速快，組織細，強度和硬度有所提高。當鋼件尺寸較小時，正火后組織是S，而退火后組織是P。

正火的應用：（1）用于普通結(jié)構(gòu)零件，作為最終熱處理，細化晶粒提高機械性能。（2）用于低、中碳鋼作為預先熱處理，得合適的硬度便于切削加工。（3）用于過共析鋼，消除網(wǎng)狀Fe3CⅡ，有利于球化退火的進行。正火溫度圖6-193.正火工藝4.退火和正火的選擇

（1）從切削加工性上考慮金屬的硬度在HB170～230范圍內(nèi)，切削性能較好。高于它過硬，難以加工；過低則切屑不易斷，加工后的零件表面粗糙度很大。對于低、中碳結(jié)構(gòu)鋼以正火作為預先熱處理比較合適，高碳結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼則以退火為宜。至于合金鋼，由于合金元素的加入，使鋼的硬度有所提高，故中碳以上的合金鋼一般都采用退火以改善切削性。（2）從使用性能上考慮

工件性能要求不太高，往往用正火來提高其機械性能，但若零件的形狀比較復雜，正火的冷卻速度有形成裂紋的危險，應采用退火。（3）從經(jīng)濟上考慮正火比退火的生產(chǎn)周期短，耗能少，且操作簡便，故在可能的條件下，應優(yōu)先考慮以正火代替退火。二、鋼的淬火

2.鋼的淬火工藝(1)淬火加熱溫度的選擇亞共析鋼：Ac3+（30～50℃），淬火后的組織為均勻而細小的M。過共析鋼：Ac1+（30～50℃），淬火后的組織為M+Fe3C顆粒+A’。如果加熱溫度過高，滲碳體溶解過多，奧氏體晶粒粗大，會使淬火組織中馬氏體針變粗，滲碳體量減少，殘余奧氏體量增多，從而降低鋼的硬度和耐磨性。1.淬火的目的

為了獲?。徒M織，它是強化鋼材最主要的熱處理方法。圖6-20淬火加熱溫度的選擇示意圖

（2）淬火介質(zhì)理想的冷卻速度應是如右圖所示的速度。最常用的冷卻介質(zhì)是水和油，水在650～550℃范圍內(nèi)具有很大的冷卻速度，但在300～200℃時冷卻速度仍然很快，必然會引起淬火鋼的變形和開裂。

油在300～200℃范圍內(nèi)的冷卻速度較慢，但在650～550℃范圍內(nèi)的冷卻速度不夠大，不易使碳鋼淬火成馬氏體，只能用于合金鋼。常用淬火油為10#，20#機油。

聚乙烯醇、硝鹽水溶液等也是工業(yè)常用的淬火介質(zhì)。

理想淬火曲線示意圖MsMf圖6-21

（3）淬火方法

單介質(zhì)淬火法

將加熱的工件放入一種淬火介質(zhì)中一直冷到室溫。這種方法操作簡單，容易實現(xiàn)機械化，自動化，如碳鋼在水中淬火，合金鋼在油中淬火。

雙介質(zhì)淬火法

加熱的工件先在快速冷卻的介質(zhì)中冷卻到300℃左右，立即轉(zhuǎn)入另一種緩慢冷卻的介質(zhì)中冷卻至室溫，以降低馬氏體轉(zhuǎn)變時的應力，防止變形開裂。如形狀復雜的碳鋼工件常采用水淬油冷的方法；而合金鋼則采用油淬空冷。

馬氏體分級淬火法

將加熱的工件先放入溫度稍高于Ms的硝鹽浴或堿浴中，保溫2～5min，使零件內(nèi)外的溫度均勻后，立即取出在空氣中冷卻。這種方法可以有效地減少內(nèi)應力，防止產(chǎn)生變形和開裂。

貝氏體等溫淬火法

將加熱的工件放入溫度稍高于Ms的硝鹽浴或堿浴中，保溫足夠長的時間使其完成B轉(zhuǎn)變。等溫淬火后獲得B下組織。

下貝氏體與回火馬氏體相比，在含碳量相近，硬度相當?shù)那闆r下，前者比后者具有較高的塑性與韌性，適用于尺寸較小，形狀復雜，要求變形小，具有高硬度和強韌性的工具，模具等。

圖6-223.鋼的淬透性

（2）影響淬透性的因素

化學成分

亞共析鋼的淬透性隨含碳量增加而增大，過共析鋼的隨含碳量增加而減小。除Co和Al（＞2.5%）以外的大多數(shù)合金元素都使C曲線右移，使鋼的淬透性增加。

奧氏體化溫度

溫度愈高，晶粒愈粗，未溶第二相愈少，淬透性愈好。

（1）淬透性的概念

淬透性表示的是鋼在淬火時所能得到的淬硬層深度。淬硬層深度是指由工件表面到半馬氏體區(qū)(50%M+50%P)的深度。

淬硬性指的是鋼在淬火能達到的最高硬度。鋼的淬硬性主要決定于馬氏體的含碳量，即取決于淬火前奧氏體的含碳量。

a)全淬透b)未淬透未淬透鋼淬透鋼

圖5-24淬透性不同的鋼調(diào)質(zhì)后機械性能

三、鋼的回火

1.回火的概念及目的

將淬火鋼重新加熱到A1點以下某一溫度，保溫后冷卻到室溫的熱處理工藝。

目的:

(1)獲得所需要的力學性能。

(2)使不穩(wěn)定的淬火組織M和殘余A轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定組織，保證工件不再發(fā)生形狀和尺寸的改變。

(3)消除淬火內(nèi)應力，防止進一步變形、開裂。

2.淬火鋼回火時組織和性能的變化(1)淬火鋼回火時組織的變化

80～200℃，發(fā)生馬氏體的分解由淬火M中析出薄片狀細小的ε碳化物,使M中碳的過飽和度降低，通常把這種過飽和α+ε碳化物的組織稱為回火馬氏體（M回）。在顯微鏡下觀察呈黑色針葉狀。

200～300℃發(fā)生殘余奧氏體分解

殘余奧氏體分解過飽和的α+ε碳化物的混合物，這種組織與馬氏體分解的組織基本相同。得到的依然是M回。

250～400℃，馬氏體分解完成

過飽和的α中的含碳量達到飽和狀態(tài)，M→F，但這時的鐵素體仍保持著馬氏體的針葉狀的外形，這時ε碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)闃O細的顆粒狀的滲碳體。這種由針葉狀F和極細粒狀滲碳體組成的機械混合物稱為回火屈氏體（T回）。

400℃以上回復與再結(jié)晶

α相開始回復，500℃以上時發(fā)生再結(jié)晶，從針葉狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅蔚牧?，同時粒狀滲碳體聚集長大成球狀，即在500℃以上（500-650℃）得到由粒狀鐵素體+球狀Fe3C組成的回火組織——回火索氏體。（S回）

(2)淬火鋼回火時性能的變化

硬度大約在200℃以后呈直線下降；鋼的強度在開始時雖然隨著內(nèi)應力和脆性的減少而有所提高，但自300℃以后也和硬度一樣隨回火溫度升高而降低；而鋼的塑性和韌性則相反，自300℃以后迅速升高。

3.回火的方法及應用

（1）低溫回火

回火溫度：150～250℃。

組織：回火馬氏體。

性能：內(nèi)應力和脆性降低，保持了高硬度和高耐磨性。

應用：高碳鋼或高碳合金鋼制造的工、模具、滾動軸承及滲碳和表面淬火的零件。

回火馬氏體圖6-25（2）中溫回火回火溫度：為350～500℃。組織：回火屈氏體。性能：具有一定的韌性和高的彈性極限及屈服極限。應用：含碳0.5-0.7%的碳鋼和合金鋼制造的各類彈簧。圖6-26回火屈氏體（3）高溫回火回火溫度：500～650℃。組織：回火索氏體。性能：具