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第3章钢的热处理及表面改性改变钢性能的主要途径：一是合金化，加入合金元素、改变含碳量，调整钢的化学成分；二是通过冷、热加工来改变其结构和性能；三是热处理。热处理工艺曲线加热速度；加热温度；保温时间；冷却速度。热处理工艺参数：时间3.1钢的热处理原理钢的热处理：将钢在固态下、在一定的介质中施以不同的加热、保温和冷却来改变钢的组织，从而获得所需性能的一种工艺。保温的目的：使工件心部与表面温度相同并获得均匀一致的A组织。钢热处理的目的１、充分发挥材料的潜力，提高零件使用性能，延长使用寿命。２、改善材料的加工性能。热处理使钢性能发生变化的原因——同素异构转变，使钢在加热和冷却过程中，内部发生组织与结构变化。3.1钢的热处理原理钢热处理的分类3.1钢的热处理原理3.1.1钢在加热时的组织转变由Fe—Fe3C相图可知，Al、A3、Acm是碳钢在极其缓慢地加热或冷却时的组织转变温度，是组织平衡临界点。奥氏体化：钢加热时，发生P向A的转变。3.1钢的热处理原理3.1.1钢在加热时的组织转变P向A转变必然进行晶格的改组和铁、碳原子的扩散，由形核和长大的过程来实现，分为形核、长大、残余Fe3C溶解和A均匀化四个阶段。3.1钢的热处理原理１、奥氏体晶核形成当钢加热到略高于Al线时，A晶核首先在F与Fe3C的界面处形成。其碳浓度适中，原子排列紊乱，位错、空位的密度较高，处于高能状态,在两相界面上，容易获得形成A的能量和碳浓度。3.1钢的热处理原理２、奥氏体晶核长大A晶核形成之后，相邻的F晶格将不断地改组成A晶格．相邻的Fe3C晶核不断地向晶核中溶解。因此，A晶核将向相邻F和Fe3C两个方向长大。与此同时，新的A晶核也会不断形成和长大，直至转变完成。3.1钢的热处理原理３、残余Fe3C溶解F向A的转变速度大于Fe3C的溶解速度，当F完全转变为A时，还有一部分Fe3C尚未溶解，其随加热时间的延长而逐步溶解。3.1钢的热处理原理４、A均匀化当Fe3C溶解完毕时，A的成分不均匀。只有通过足够长时间的保温，碳原子扩散才能使A的成分逐渐趋于均匀，得到成分均匀的单相A。3.1钢的热处理原理二、奥氏体晶粒长大（一）长大机理及其粒度A随温度的升高或在较高温度下长时间保温，晶粒会自发地合并成较大的晶粒。对同一种钢而言，当A晶粒比较细小时．冷却后的组织也细小，其强度、塑性、韧性较高。3.1钢的热处理原理二、奥氏体晶粒长大根据A在加热过程中的长大速度分为本质粗晶粒钢及本质细晶粒钢。用铝脱氧的钢为本质细晶粒钢，用硅、锰脱氧的钢为本质粗晶粒钢。通常结构钢的A晶粒度分为10级，1级最粗，10级最细。3.1钢的热处理原理（二）影响奥氏体晶粒度的因素１．加热温度和保温时间加热温度愈高，晶粒长大速度愈快；保温时间延长，晶粒也会不断长大。3.1钢的热处理原理２．加热速度加热速度愈快，A化的实际温度不高，A的形核率大于长大率，能获得细小的晶粒。（二）影响奥氏体晶粒度的因素３、钢的成分钢中含碳量增加，A晶粒长大的倾向增大。钢中加入合金元素，也影响A晶粒长大，凡是能形成稳定碳化物的元素、形成不溶于A的氧化物及氮化物的元素、促进石墨化的元素及在结构上自由存在的元素都会阻碍A晶粒的长大。而锰、磷则有加速A晶粒长大的倾向。3.1钢的热处理原理原始组织中粒状P比片状P,A化的晶粒细小。3.1.2钢在冷却时的组织转变热处理目的：提高和改善钢的性能。冷却过程是热处理的关键，决定钢在室温下的组织。第3章钢的热处理及表面改性1、等温转变A转变曲线：描述A“温度一时间一转变”三者之间关系的曲线。3.1.2钢在冷却时的组织转变冷却方式：等温冷却和连续冷却。1、等温转变将经A化的共析钢急冷到A1以下各个不同的温度，然后测量其硬度，并在显微镜下观察其组织，找出各个等温温度下的转变开始时间和转变终了时间，并画在“温度一时间”的坐标系中，将所有的转变开始点和转变终了点分别连接起来，便形成A转变开始线和转变终了线，这种曲线叫A等温转变曲线。3.1.2钢在冷却时的组织转变（一）过冷奥氏体等温转变曲线分析C曲线的左边一条线为转变开始线，右边一条线为转变终了线，其中转变开始时间称为孕育期。3.1.2钢在冷却时的组织转变１、孕育期和转变速度随等温温度变化在550℃左右，孕育期最短，转变速度最快．相当于C曲线的“鼻尖”。在“鼻尖”以上，随着等温温度降低，过冷度增加，相变驱动力增大，孕育期缩短，转变速度变快。在“鼻尖”温度以下至Ms之间，随等温温度降低，虽然过冷度增加使相变驱动力增大，但原子活动能力显著减小，孕育期增长，转变速度变慢。3.1.2钢在冷却时的组织转变２、转变类型随等温温度而变化由A1～550℃之间为P转变；550℃～Ms为B转变；Ms～Mf之间为M转变。M转变与冷却速度无关，C曲线为水平线。3.1.2钢在冷却时的组织转变（二）过冷奥氏体等温转变的组织和性能１．高温转变（A1～550℃）——P型转变首先在A晶界处形成片状Fe3C核心，Fe3C的长大使周围A贫碳，为F的形核创造条件，F晶核便在Fe3C两侧形成．同时F的长大又使周围A中碳浓度升高，为产生新的Fe3C片创造了条件。分为（１）P；（2）S；（３）T。3.1.2钢在冷却时的组织转变2、中温转变（550℃～Ms）－贝氏体（B）型转变当A过冷到550℃—Ms温度范围内某一温度保温时，首先沿A晶界形成含碳过饱和的F晶核并长大，随后在这种F中析出细小Fe3C。贝氏体：过饱和F和Fe3C组成的混合物。等温转变（B——半扩散性转变：Fe扩散，C短程扩散）第3章钢的热处理及表面改性（1）上贝氏体（B上）B上由许多互相平行密排的F片和分布在片间的断续小片状Fe3C组成。它是550～350℃温度区间的转变产物。B上中F片较粗，且呈平行排列，碳化物粗大，塑性、韧性较差。3.1.2钢在冷却时的组织转变（2）下贝氏体（B下）B下由F针体内弥散分布着微小的粒状碳化物组成，组织特征为黑针状。是在350℃～Ms温度区间的转变产物。B下中F针较细，碳化物细小，分布均匀且位于F内。具有较高强度和硬度、良好的韧性和塑性。3.1.2钢在冷却时的组织转变３、低温转变（Ms～室温）－马氏体型转变转变温度低，过冷度很大，铁原子和碳原子均已不能扩散。转变时，只进行γ－Fe向α-Fe晶格改组，γ－Fe中溶解的碳原子将全部被迫固溶于α-Fe的晶格中。M：碳在α－Fe中的过饱和固溶体组织。（马氏体转变——无扩散性转变，切变）瞬时形核，瞬时长大3.1.2钢在冷却时的组织转变马氏体的两种形貌１．高碳M（Wc＞1.0%）一般呈针状，高硬度、高脆性。２．低碳M（Wc＜0.2%）为一束束相互平行的细条状组织，具有一定的强度和较好的塑性、韧性。3.1.2钢在冷却时的组织转变马氏体型转变主要特点（1）转变不完全。存在残余奥氏体（A`）。（2）具有转变开始点Ms和转变终止点Mf，并随含碳量和合金元素的增加而降低。（3）属非扩散型转变，形成速度快，产物间产生冲击，加之晶格畸变等，造成内应力大，易于变形开裂。3.1.2钢在冷却时的组织转变3.1.2钢在冷却时的组织转变影响因素１．碳含量的影响随着含碳量增加．亚共析钢C曲线逐渐右移，而过共析钢的C曲线逐渐左移。即碳钢中含碳量越接近共析成分，过冷A越稳定。3.1.2钢在冷却时的组织转变２、合金元素除钴外，所有的合金元素均能增大过冷A的稳定性，C曲线右移。有的合金元素还会使C曲线的形状发生变化，P与B转变均各自形成一个独立的C曲线，两者之间出现一个A相当稳定的区域。影响因素3.1.2钢在冷却时的组织转变３、加热温度和保温时间钢的加热转变温度越高，保温时间越长，A成分越均匀，晶粒越大，未溶碳化物质点就越少，使A的稳定性增加，C曲线右移。影响因素3.1.2钢在冷却时的组织转变二、过冷奥氏体的连续冷却转变连续冷却转变曲线：描述过冷A连续冷却时的温度-时间-转变曲线，简称CCT曲线。3.1.2钢在冷却时的组织转变二、过冷奥氏体的连续冷却转变凡冷却曲线碰到VK线，过冷A就不再继续向P转变，一直保持到Ms点以下转变为M。临界冷却速度VK：获得全部M组织的最小冷却速度。3.1.2钢在冷却时的组织转变（1）CCT曲线位于等温C曲线右下方，P转变稍滞后一些，转变温度稍低一些。（2）CCT曲线没有等温C曲线的下半部分，没有B转变。二、过冷奥氏体的连续冷却转变3.1.2钢在冷却时的组织转变二、过冷奥氏体的连续冷却转变V1（退火），获得粗片状P组织；V2（正火），获得S组织；V3（油中淬火），先有一部分P转变为T，剩余A转变为M；V4（水中淬火），只有过冷到Ms以下转变成M，得到M和残余A的组织。3.1.2钢在冷却时的组织转变过冷奥氏体的转变产物和性能——珠光体A→F+Fe3C0.77%C0.0218%C6.69%C过冷奥氏体的转变产物和性能——马氏体过冷奥氏体的转变产物和性能——上贝氏体碳化物主要分布在铁素体板条间过冷奥氏体的转变产物和性能——下贝氏体碳化物主要分布在铁素体板条内A，B和M转变的异同点3.1.2钢在冷却时的组织转变3.2.1退火与正火一、退火将金属或合金加热到适当温度，保温一定时间，随炉缓慢冷却的热处理工艺。3.2钢的普通热处理工艺1、退火的目的（1）降低钢的硬度，使其易于切削加工；（2）提高钢的塑性和韧性，以易于切削和冷变形加工；（3）消除钢中的组织缺陷，为热锻、热轧或热处理作好组织准备；（4）消除前一工序中所产生的内应力，以防变形或开裂。3.2.1退火与正火２、常用的退火方法完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火（扩散退火）、去应力退火和再结晶退火。3.2.1退火与正火（１）完全退火将钢加热至Ac3以上30℃—50℃，保温一定时间，随炉缓慢冷却，的退火工艺。适用于亚共折成分的中碳钢和中碳合金钢的铸、锻件及热轧型材。目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度和改善切削加工性能。组织：P+F3.2.1退火与正火（２）不完全退火把共析或过共析钢加热到Ac1以上20℃—30℃，保温后，缓慢冷却的工艺。球状珠光体3.2.1退火与正火目的：降低钢的硬度，改善切削加工性，并减少随后淬火时的形变、开裂倾向，为淬火作组织准备。使P中的片状Fe3C和网状二次Fe3C球化，转变成球状Fe3C。（３）扩散退火把钢加热到1050℃-1150℃，长期保温，随炉缓冷的工艺。目的：消除钢锭和铸钢件中的枝晶偏析，使成分、组织均匀，提高零件性能。钢件经高温长时间加热，必然引起晶粒粗大，故应当进行正火以细化晶粒、提高塑性。3.2.1退火与正火（４）去应力退火将工件加热到A1以下一定温度（一般为500℃～650℃），保温后缓慢冷却的工艺。目的：消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以及机械加工件中的残余应力。特点：A不发生相变。3.2.1退火与正火（５）再结晶退火将工件加热到再结晶温度以上150～250℃（钢件650～700℃），保温后缓冷的工艺。目的：使冷变形中产生的加工硬化的变形晶粒和纤维组织重新生核和长大，消除加工硬化现象，提高塑性，便于继续加工。3.2.1退火与正火2、正火将钢件加热至Ac3或Accm以上30～50℃，保温使之完全A化后在空气中冷却的热处理工艺。正火的冷却速度比退火稍快，过冷度稍大。组织较细，强度、硬度较高，一般为S组织。3.2.1退火与正火2、正火目的：１、对要求不高的结构件，正火可作为最终热处理，细化组织，提高力学性能；２、低碳钢正火可提高其硬度，改善切削加工性能；３、消除共析钢和过共析钢中的网状Fe3CⅡ。3.2.1退火与正火三、正火与退火的选择（1）从切削加工性方面考虑低碳钢用正火提高硬度，而高碳钢用退火降低硬度，以便于切削加工。3.2.1退火与正火（2）从使用性能上考虑对零件性能要求不高，可用正火作为最终热处理；当零件形状复杂、厚薄不均时，采用退火；对中、低碳钢，正火比退火力学性能好。（3）从经济上考虑正火操作简便，生产周期短，能耗少，故在可能条件下，应优先考虑正火处理。3.2.1退火与正火退火和正火完全退火（亚共析钢，Ac3以上完全奥氏体