第4章 钢的热处理

1第4章钢的热处理4.1铁碳合金相图的分析及应用4.2钢在加热时的组织转变4.3钢在冷却时的组织转变4.4钢的整体热处理工艺4.5钢的表面热处理和化学热处理4.1.1纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象1.纯金属的结晶过程(1)纯金属的冷却曲线及过冷度(2)纯金属的结晶过程(3)晶粒大小对金属力学性能的影响2.铁的同素异构现象(1)纯金属的冷却曲线及过冷度图4-1热分析装置示意图2图4-2纯金属的冷却曲线图4-3纯金属结晶时的冷却曲线综上所述，纯金属的结晶有两个特点:一是结晶总是在一定的过冷度条件下进行;二是结晶的整个过程是在一恒温(T1)情况下由开始到结束的。前者也是合金结晶以及其他固态下组织转变的共同特点。(2)纯金属的结晶过程图4-4纯金属结晶过程示意图(3)晶粒大小对金属力学性能的影响常用的细化晶粒方法有:3①增加过冷度②变质处理③振动处理2.铁的同素异构现象1394℃912℃δ-Fe—————γ-Fe——————α-Fe（4-1）图4-5纯铁的冷却曲线4图4-6铁的同素异构转变示意图4.1.2铁碳合金相图的分析1.铁碳合金的基本组织（1）铁素体（2）奥氏体（3）渗碳体（4）珠光体（5）莱氏体4.1.2铁碳合金相图的分析5Fe—Fe3C相图①Fe-Fe3C相图中的特性点:Lwc4.30%—1148℃—Ldwc4.30%（Awc2.11%+Fe3C）（共晶转变）（4-2）或Lwc4.30%—1148℃—Ldwc4.30%（共晶转变）（4-3）Awc0.77%—727℃—Pwc0.77%（Fwc0.0218%+Fe3C）（共析转变）（4-4）或Awc0.77%—727℃—Pwc0.77%（共析转变）（4-5）②Fe-Fe3C相图中的特性线:二元相图中的线条都是一些具有共同特征的点的连线。综上所述，渗碳体可以有三个来源，从液态合金中直接结晶出来、从奥氏体中析出和从铁素体中析出。③Fe-Fe3C相图中的相区:简化后的Fe-Fe3C相图共有12个相区（5个单相区;5个两相区;2个三相区）。(2)铁碳合金的分类6根据Fe-Fe3C相图中铁碳合金的碳质量分数wC、组织转变的特点及室温组织，我们可将铁碳合金分为以下几类:①工业纯铁:wC≤0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁。②钢:0.0218%wC2.11%的铁碳合金称为钢。根据其室温组织和碳质量分数wC的不同，又可分为亚共析钢——0.0218%wC0.77%;共析钢——wC=0.77%;过共析钢——0.77%wC2.11%。③白口铸铁:2.11%≤wC6.69%的铁碳合金称为白口铸铁。根据其室温组织和碳质量分数wC的不同，又可分为亚共晶白口铸铁———2.11%≤wC4.3%;共晶白口铸铁———wC=4.3%;过共晶白口铸铁———4.3%wC6.69%。(3)Fe-Fe3C相图的应用①根据Fe-Fe3C相图判断铁碳合金的力学性能:图4-8铁碳合金室温平衡组织与碳质量分数wc的关系②作为选用钢铁材料的依据:③制定铸、锻和热处理等热加工工艺的依据:7图4-10Fe-Fe3C相图与铸、锻等工艺的关系在热处理工艺上的应用8图4-11Fe-Fe3C相图与热处理温度的关系4.2钢在加热时的组织转变热处理是由加热、保温和冷却三个基本环节组成的。在大多数热处理工艺中，钢加热的主要目的是获得奥氏体组织。图4-12加热（冷却）时临界点的位置4.2.1奥氏体的形成机理1.奥氏体形成的热力学条件图4-13珠光体和奥氏体自由能随温度的变化曲线92.奥氏体的形成过程（1）奥氏体晶核形成（2）奥氏体晶核长大（3）残余渗碳体溶解（4）奥氏体成分均匀化图4-14珠光体向奥氏体转变示意图4.2.3奥氏体的晶粒长大及其控制1.奥氏体晶粒度的概念图4-15钢的标准晶粒度等级示意图2.奥氏体晶粒长大及其影响因素（1）加热温度10（2）保温时间（3）加热速度（4）化学成分钢中的碳含量和合金元素都会对奥氏体晶粒长大产生显著影响。①碳含量:②合金元素:3.控制奥氏体长大的措施(1)合理选择加热温度和保温时间(2)合理选择钢的原始组织(3)加入一定量的合金元素4.3钢在冷却时的组织转变4.3.1过冷奥氏体的等温转变钢在冷却时，主要的冷却方式有两种:一种是等温冷却，另一种是连续冷却，如图4-16所示。图4-16不同冷却方式示意图111.过冷奥氏体等温转变曲线图4-17共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线2.影响奥氏体等温转变曲线的因素影响C曲线形状、位置的因素很多，主要有下面几个方面:(1)碳含量(2)合金元素(3)加热温度和保温时间4.3.2过冷奥氏体连续冷却转变的近似分析12图4-18共析钢C曲线与CCT曲线关系图4-19连续冷却的等温转变图4.3.3过冷奥氏体的组织转变类型1.珠光体型转变(1)珠光体的组织形态及力学性能(2)珠光体的形成机理珠光体的形成过程，包含两个同时进行的过程:13一个是碳的扩散，生成高碳的渗碳体和低碳的铁素体;另一个是晶体的点阵重构，由面心立方的奥氏体转变成体心立方的铁素体和复杂斜方的渗碳体。(2)珠光体的形成机理图4-20片状珠光体形成过程示意图2.贝氏体型转变图4-21贝氏体形成机理示意图3.马氏体型转变（1）马氏体的组织形态及力学性能（2）马氏体的形成条件（3）马氏体型转变的特点钢中马氏体型转变有着许多不同于珠光体型转变的特点:①转变的非扩散性:14②转变的非等温性:③转变的非彻底性:④比容增大:4.4钢的整体热处理工艺4.4.1退火所谓退火，就是将金属或合金加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火的实质是将钢加热奥氏体化后进行珠光体型转变。退火后的组织，对亚共析钢是铁素体加片状珠光体;对共析或过共析钢则是粒状珠光体。总之，退火组织是接近平衡状态的组织。1.退火的目的①降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。②细化晶粒，消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理做准备。③消除钢中的内应力，以防止变形和开裂。2.常用的退火工艺及应用（1）完全退火（2）球化退火（3）去应力退火（4）再结晶退火（5）扩散退火4.4.2正火将钢加热到Ac3(或Accm)以上30～50℃，保温适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火。由于正火将钢加热到完全奥氏体化状态，使15钢中原始组织的缺陷基本消除，然后再控制以适当的冷却速度，所以正火得到以索氏体为主的组织。正火与退火两者的目的基本相同，但正火的冷却速度比退火稍快，故正火钢组织比较细，它的强度、硬度比退火钢高。1.正火工艺的应用（1）低碳钢（2）中碳结构钢（3）过共析钢2.退火与正火的选择（1）切削加工性（2）使用性能（3）经济性4.4.3淬火1.钢的淬火工艺及种类钢的淬火就是将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间，然后以适当速度冷却获得马氏体和(或)下贝氏体组织的热处理工艺。淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体(或下贝氏体)型转变，得到马氏体或下贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，获得所需的力学性能。(1)淬火加热温度在具体选择钢的淬火加热温度时，除了遵循一般原则外，还应考虑工件的化学成分、技术要求、尺寸形状、原始组织以及加热设备、冷却介质等诸多因素的影响，对加热温度予以适当调整。16图4-22碳钢的淬火加热温度范围(2)淬火介质生产中实际使用的淬火介质可分为两大类:一类是工件在冷却过程中会发生物态变化的介质;另一类是不发生物态变化的介质。其冷却特性的不同，直接影响了工件的冷却速度。图4-23钢在理想淬火介质中冷却速度示意图●蒸气膜阶段（图4-24中AB段）●沸腾阶段（图4-24中BC段）17●对流阶段（图4-24中CD段）图4-24冷却过程的三个阶段常用的淬火介质常用的淬火介质有水、盐水和碱水、油、熔盐和熔碱等。●水●盐水和碱水:●油:●熔盐和熔碱:●新型淬火介质:主要有聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液等。(3)淬火冷却方法①单液淬火:②双介质淬火:③马氏体分级淬火:④下贝氏体等温淬火:⑤延迟淬火冷却:⑥局部淬火:⑦深冷处理:18图4-25常用淬火方法冷却曲线示意图2.钢的淬硬性和淬透性淬硬性和淬透性是表示钢接受淬火能力的两项性能指标。它们是选材、用材的重要依据，也是热处理技师必须了解的材料的重要性能。①淬硬性②淬透性4.4.4回火1.淬火钢在回火时的组织和性能转变回火就是钢淬硬后，再加热到低于Ac1以下的某一温度，保温一定的时间，然后冷却到室温的热处理工艺。回火的目的是:合理调整力学性能，使工件满足使用要求;稳定组织，使工件在使用过程中不发生组织转变，从而保证工件的形状、尺寸不变;降低或消除内应力，以减少工件的变形并防止开裂。(1)回火时的组织转变淬火钢回火时的组织转变大致包括以下几个过程:①碳原子的偏聚和聚集:19②马氏体的分解:③残余奥氏体的转变:④碳化物的析出、转化和长大:⑤铁素体的回复与再结晶:总之，淬火钢的回火转变是由以上五个过程综合作用的结果，难以用明确的温度范围将它们截然分开，它们有时互相交错，有时同时进行。(2)回火后的力学性能淬火钢回火时力学性能总的变化趋势是：随着回火温度的上升，硬度、强度降低，塑性、韧性升高。①回火对淬火钢硬度的影响图4-26不同碳含量的碳钢回火温度与硬度的关系②回火对钢的强度、塑性和韧性的影响20图4-27碳钢的力学性能与回火温度的关系2.回火的分类及回火工艺的制定（1）回火的分类①低温回火:②中温回火:③高温回火:（2）回火工艺的制定制定回火工艺的主要参数有:回火温度、回火时间、回火后的冷却速度。4.5钢的表面热处理和化学热处理4.5.1钢的表面热处理1.感应加热表面淬火(1)基本原理21图4-28感应加热示意图(2)特点及其在热处理中的应用①感应加热能够在一定范围内控制加热层深度。②加热速度快，生产效率高。③工件的热处理质量高而稳定。④热效率高。⑤易实现局部加热和连续加热。⑥便于实现机械化和自动化。(4)感应加热表面淬火后的组织及性能①感应加热表面淬火后的组织:②感应加热表面淬火后的力学性能:●硬度:●疲劳强度:●耐磨性:22图4-29淬火钢感应加热表面淬火后的组织、硬度与加热温度之间关系(5)工艺感应加热表面淬火的工艺参数分为热参数和电参数两种。①感应加热表面淬火方法:●同时加热淬火法；●连续加热淬火法。②淬火温度和加热速度的选择③感应加热设备的选择:应根据工件的淬硬层深度要求选择电流频率。④感应加热后的冷却：●喷射冷却；●浸液冷却；●埋油冷却。⑤感应加热表面淬火后的回火通常回火方法有三种:●炉中回火；●自回火；●感应加热回火。2.火焰加热表面淬火(1)基本原理和特点(2)方法23①固定法；②旋转法；③前进法；④联合法。图4-30火焰表面淬火方法示意图1—火焰喷嘴;2—喷水装置;3—加热层;4—淬硬层4.5.2钢的化学热处理1.化学热处理的基本原理(1)化学热处理的概念(2)化学热处理的基本过程2.渗碳(1)渗碳概述(2)气体渗碳(3)渗碳后的热处理及其性能①渗碳后的热处理:②渗碳淬火后的组织:一类是从表面到心部组织依次为马氏体+残余奥氏体→马氏体→心部组织;另一类是马氏体+残余奥氏体+碳化物→马氏体+残余奥氏体→马氏体→心部组织。24气体渗碳工艺过程通常可划分为升温排气、渗碳(包括强渗和扩散)、降温冷却三个阶段，如图4-31所示。图4-31井式炉滴注式气体渗碳工艺过程3.渗氮(1)渗氮概述(2)气体渗氮原理(3)渗氮前的热处理(4)气体渗氮工艺气体渗氮的工艺曲线见图4-32。4.碳氮共渗及氮碳共渗(1)碳氮共渗(2)氮碳共渗5.其他化学热处理简介(1)渗硼(2)其他多元共渗(3)渗铝25图4-32气体渗氮工艺曲线思考题4-1铁碳合金的基本组织有哪几种?分别说明它们的性能特征。4-2Fe-Fe3C相图中各特性点、特性线有何意义?4-3试述Fe-Fe3C相图的运用。4-4什么叫热处理?热处理的目的是什么?4-5通常热处理工艺分为哪几个阶段?4-6何为奥氏体化?其经历了哪几个阶段?4-7奥氏体晶粒大小对钢热处理