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第四章钢的热处理加热保温冷却温度时间临界温度提高性能延长寿命充分挖掘潜力热处理：通过加热、保温、冷却使组织改变，从而使性能提高。§4-1概述钢在热处理时组织转变临界温度：加热时(Ac1,Ac3,Accm)冷却时(Ar1,Ar3,Arcm)一.钢在加热时的组织转变全部或部分的获得奥氏体(奥氏体化)1.奥氏体的形成(以共析钢为例)晶格改组和Fe，C原子的扩散过程，遵循形核、长大规律：F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69)---A(Fcc,0.77)§4-2钢的热处理原理基本过程：a.奥氏体形核（优先在相界（F，Fe3C）b.奥氏体晶核长大c.剩余渗碳体完全溶解d.碳的均匀化2.奥氏体晶粒度及其影响因素1）．晶粒度:是衡量晶粒大小的尺度，通常采用与标准晶粒度等级图比较的方法表示。2）．奥氏体晶粒度的控制a.加热工艺加热温度，保温时间b.钢的成分合金化:MxC%阻止晶粒长大-碳化物形成元素细化晶粒-Al→本质细晶钢-Mn、P促进长大A中C%↑→晶粒长大↑二.钢在冷却时的组织转变A？锻造--预先热处理--切削加工--最终热处理预先热处理：①细化晶粒，使组织均匀化②调整硬度→切削性↑（中、高碳钢）③消除内应力最终热处理：得到所需性能§4-3钢的普通热处理钢铁热处理原理是基础与理论指导，而热处理工艺则是具体应用．重点掌握：普通热处理工艺的类别、目的、工艺特点（加热温度、冷却方式）、组织及适用钢。一、退火（将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。）加热温度：冷却方式：目的:组织：应用:1）.完全退火缓冷（炉冷）Ac3+30~50度P+F①细化晶粒，使组织均匀化②调整硬度→切削性↑（中、高碳钢）③消除内应力亚共折钢，共析钢，不适用于过共析钢2）.球化退火加热温度：目的:组织：应用:Ac1+20-30度P球①使Fe3C球化,HRC↓，→切削性↑②↑韧性，为淬火作准备，避免变形开裂共析钢，过共析钢（F+Fe3C球）3）.低温退火（去应力退火）加热温度：目的:组织：应用:（500~650℃）Ac1以下去除内应力亚共析钢、共析钢，过共析钢（铸件、锻件、焊接件）保持原有组织4）．扩散退火（均匀化退火）加热温度：1050-1150℃，10-20h,组织：P+F或P+Fe3CII目的：消除偏析后果：粗大晶粒（应用完全退火消除）5）．再结晶退火加热温度：Ac1以下50-150℃，或T再+30-50℃目的：消除加工硬化组织：保持原有组织加热温度：冷却方式：应用、目的:组织：空冷Ac3或Accm+30~50度S+（F或Fe3C）①作最终热处理，普通结构钢零件目的：细化A晶粒，使组织均匀化；减了亚共析钢中F%→P%↑，→强度，韧性，硬度↑二、正火（空冷）②预先热处理目的：a.细化晶粒→为淬火、调质作准备b.使过共析钢中Fe3CII↓→使其不形成连续网状，为球化退火作准备③调整硬度，改善切削加工性能（低碳钢）退火、正火的选择正火：冷速快，材料组织细化，机械性能好1）．切削加工低、中碳钢→正火中高碳刚，合金工具钢→完全退火，球化退火2）．作为最终热处理→正火3）．为最终热处理提供良好的组织状态工具钢→正火+球化退火结构钢→正火返修件→退火（加热到Ac3、Ac1相变温度以上，保温，快速冷却→M+A’）三、淬火淬火目的:提高强度，硬度↑产物：马氏体M，碳在α-Fe中的过饱和固溶体。C%0.23%，板条状MC%1.0%，针状马氏体M转变的特征，①无扩散性②瞬时性③不恒温性（存在Ms,Mf）④不完全性A’(A残余)⑤体积膨胀1)．淬火温度的决定亚共析钢：Ac3+30---50度共析钢：Ac1+30----50度过共析钢：Ac1+30---50度过共析钢选此温度淬火原因：a.保留一定的Cem→HRC↑，耐磨性↑b.A中C%↓→M中C%↓→M脆性↓c.A中C%↓→M过饱和度↓→残余A↓1.淬火工艺淬火温度过高→A粗大→M粗大→1.力学性能↓，2.淬火应力↑→变形，开裂↑组织：M或M+Fe3C2)．淬火介质(a:获得Mb:减小变形、开裂)6500C以上，慢，减小热应力650-4000C，快，避免C曲线4000C以下，慢，减轻相变应力3)．淬火方法单介质淬火双介质淬火分级淬火等温淬火盐水水盐浴(碱浴、硝盐浴)油2、钢的淬透性1)．淬透性；淬火条件下获得M组织的能力，其大小用规定条件下淬火获得的淬透层深度表示。淬透层未淬透区淬透性：钢淬火时获得M的能力，它反映钢的过冷奥氏体稳定性，它取决于VK（上临界冷却速度）。过冷奥氏体越稳定，VK越小钢在一定条件下淬透层深度越深，则钢的淬透性越好。是钢的一种属性。淬硬性，钢在淬火后获得硬度的能力，用淬火马氏体可能得到的最高硬度表示，取决于M中C%，C%↑→淬硬性↑如：T8,T12,20CrMnTi2)．概念区分3)．影响淬透性的因素——VK，(C曲线)实际工件的淬透层深度，与钢的淬透性、工件尺寸、淬火介质有关。C%亚共析钢C%↑→淬透性↑，过共析钢C%↑→淬透性↓奥氏体化温度T↑t↑→淬透性↑合金元素除Co%以外，C曲线右移，↑淬透性未溶第二相↓淬透性4)．淬透性的应用根据服役条件，确定对钢淬透性的要求——选材的依据1．回火目的a.消除淬火应力，降低脆性b.稳定工件尺寸，由于M、残余A不稳定c.获得要求的强度、硬度、塑性、韧性。2．钢的回火组织、性能四.回火1)组织a回火马氏体M回（1500C-2500C）极细的ε碳化物和低过饱和度a固溶体，形态基本不变b回火屈氏体T回（350-5000C）马氏体形F+细粒状Fe3C×400材料：T12钢组织：M回+Fe3CⅡ白色颗粒为Fe3CⅡ材料：45钢组织：T回(F+极细粒状Fe3C)×500×7500材料：45钢组织：S回(F+细粒状Fe3C)×500×7500c回火索氏体S回（500-6000C）再结晶等轴F+粗粒状Fe3C2)性能高碳回火马氏体：强度、硬度高、塑性、韧性差低碳回火马氏体：高的强度与韧性，硬度、耐磨性也较好回火屈氏体：屈服强度与弹性极限高回火索氏体：综合机械性能。3．回火工艺及其应用淬火+高温回火→调质处理4．回火脆性回火脆性：指随回火温度升高时，在某些温度区间（250~400和450-650）回火后出现韧性明显下降的脆化现象。1).低温回火脆性（第一类回火脆性，250~400℃）原因：碳化物χ-Fe3C和θ-Fe3C沿着M条或片的界面呈薄片状析出，这种硬而脆的碳化物薄膜割裂了马氏体，使脆性大大提高。是不可逆的。避免：避开此温度回火2).高温回火脆性（第二类回火脆性，450~650℃）（常见于合金钢中）思考：区分M和M回，T和T回，S和S回（组织特征，性能，热处理工艺）参考P129。×400材料：20钢组织：低碳M×400材料：T12钢组织：高碳M×500材料：45钢组织：中碳M×30001、表面淬火的定义表面淬火：是将工件表面快速加热到淬火温度，在热量尚未传到心部时立即迅速冷却，使工件表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。表面淬火不改变表面化学成分，只改变其表面组织。•钢经表面淬火后，其表层组织为极细马氏体(隐晶M)，而心部则为原始组织，一般为回火索氏体或正火索氏体。§4-4钢的表面热处理表面热处理强化（包括表面淬火、化学热处理等）是为了满足表硬内韧的性能要求。一、表面淬火2、感应加热表面淬火1）．基本原理交流电→交变磁场→感应电流，工件电阻→加热，集肤效应→表面加热“电磁感应”、“集肤效应”2）．分类通过频率的选定，可以得到不同的淬硬层深度：a.高频200-300KHz，淬硬深度0.5-2mm小工件b.中频2500-8000Hz淬硬深度2-5mm尺寸较大的工件c.工频50Hz淬硬深度10-15mm大型工件3）．适用钢种中碳钢和中碳低合金钢（45，40Cr）（太高---降低心部塑性和韧性，增大表层脆性和开裂倾向；太低---降低表面硬度和耐磨性。）预先热处理：正火、调质4）．工艺特点a.加热速度快（几秒——几十秒），加热时A实际晶粒度小，淬火得到极细隐晶马氏体，硬度↑，脆性↓b.残余压应力→提高寿命c.不易氧化、脱碳、变形小d.工艺易控制，生产效率高、便于实现机械化。e.设备成本高5）．工艺路线锻造→退火或正火→粗加工→调质或正火→精加工→表面淬火+低温回火→（粗磨→时效→精磨）（时效：以稳定工件尺寸，消除内应力）二、钢的化学热处理（渗碳）化学热处理：将工件置于一定介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分和组织，从而使工件表面具有某些特殊的机械或物理化学性能的一种热处理工艺。与表面淬火相比，其主要特点是：表面层不仅有组织的变化，而且有成分的变化。渗碳，渗氮，碳氮共渗•分解：2CO→[C]+CO2，CH4→2H2+[C]，CO+H2→[C]+H2O•吸收：吸附，吸收→固溶体→进而形成化合物•扩散：在浓度梯度作用下，由表及里→扩散层1.基本过程2．目的提高表面硬度，耐磨性，而使心部仍保持一定的强度和良好的塑性和韧性3.适用钢种低碳钢，低碳合金钢碳含量一般为0.10%~0.25%，随碳含量提高，将降低工件心部的韧度。4．渗碳工艺-组织加热温度，保温时间→渗碳层厚度渗碳层表面碳含量约为1.0%。渗碳缓冷后的组织5.渗碳后的热处理、组织、性能渗碳+淬火+低温回火6渗碳件的加工工艺路线:锻造→正火→切削加工→渗碳→直接淬火（一次淬火，二次淬火）→低温回火→精加工渗碳+淬火+低温回火后组织：•表层：高碳M回+碳化物+少量A’•心部：铁素体+低碳M回（或铁素体+屈氏体）（依淬透性）性能：表层高硬度、高耐磨，疲劳强度高；心部韧性好、硬度低2１）有一个４５钢制的变速箱齿轮，其加工工序为：下料→锻造→正火→粗机加工→调质→精机加工→高频表面淬火＋低温回火→磨加工→成品，试说明其中各热处理工序的目的及使用状态下的组织。２）用１５钢制作一要求耐磨的小轴（直径２０mm），其工艺路线为：下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火＋低温回火→磨加工。说明热处理工序的目的及使用状态下的组织。碳钢的优缺点优点：易冶炼，价格廉，可通过C%的增减及热处理得到不同性能。缺点：1.强度低，区强比低(σs/σb)2.淬透性低3.回火稳定性差（回火抗力差）4.不能满足特殊性能要求§5-2合金钢一、合金元素在钢中的存在方式1.溶入Fe，形成固溶体(合金铁素体、合金奥氏体）2.形成碳化物K（1）非碳化物形成元素,Ni,Co,Cu,Si,Al,N,B，几乎全部溶入F或A中（2）碳化物形成元素,Mn,Cr,Mo,W,V,Nb,Zr,Ti（弱→强）（稳定性，硬度，熔点，弥散度↑）5.2.1钢的合金化•合金渗碳体例如，(Fe、Mn)3C,(Fe,Cr)3C,(Fe,W)3C等。合金渗碳体［通式为(Fe,Me)3C］，由于合金元素固溶而使其硬度、稳定性及熔点等均有所提高。因此，合金渗碳体较难溶于奥氏体，较难聚集长大，可提高钢的硬度，强度和耐磨性等。•特殊碳化物中强碳化物形成元素Cr、W、Mo等与C可形成如Ｃr23C6、Cr7C3、W2C、Mo2C等特殊碳化物，它们属于具有复杂晶格的间隙化合物。而强碳化物形成元素V、Nb、Ti等与C可形成如VC、NbC、TiC等熔点极高，硬度极高的特殊碳化物，它们属于间隙相。二、Me对铁碳相图的影响1。扩大A相区元素（A稳定化元素）A3线下移，E、S点左下移Mn,Ni作用最强，如：Cr18Ni9和ZGMn13，室温下单相A2.扩大F相区元素（F稳定化元素）A3提高，E、S点左上移典型元素：Cr1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢三、Me对钢热处理的影响1合金元素对钢加热时组织转变的影响（奥氏体形成速度，奥氏体晶粒大小）大多数合金元素都不同程度地阻止奥氏体晶粒长大，尤以强碳化物形成元素Ti、V、Zr、Nb及Al的阻碍作用最大，它们在钢中分别形成Ti、VC、ZrC、NbC和AiN等细微质点，强烈阻止奥氏体晶粒长大并细化奥氏体晶粒，使淬火后获得细小均匀马氏体组织。(除Mn外)2.合金元素对冷却时转变的影响：·（除Co外