機械制造基礎(chǔ)1.6

1、1.6 剛的熱處理 1.6.1 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 1.6.2 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 1.6.3 常用鋼的熱處理1.6 鋼的熱處理 1.6.1 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 鋼的熱處理是指將鋼在固態(tài)下施以不同的加熱、保溫、冷卻，改變其內(nèi)部（或表面的）組織，從而獲得所需的性能的工藝過程。熱處理通常分為普通熱處理（包括退火、正火、淬火、回火）、表面熱處理（包括表面淬火、化學(xué)熱處理）和特殊熱處理（如磁場熱處理、形變熱處理）幾種主要方法。熱處理可以消除上一工藝過程所產(chǎn)生的缺陷，為下一工藝過程創(chuàng)造條件，也可以直接提高工件使用性能，是充分發(fā)揮鋼材潛力，提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長工件使用壽命的工藝方法。任何一種熱處理都是由加熱、保溫

2、和冷卻三個階段組成 （如圖所示）。1.6 鋼的熱處理 1.6.1 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 在 Fe-Fe3C相圖中，A1、A3和Acm是碳鋼在極其緩慢的加熱或冷卻時的轉(zhuǎn)變溫度，是平衡臨界點。在實際生產(chǎn)中，不可能極其緩慢地加熱和冷卻，因此不可能在平衡臨界點進行組織轉(zhuǎn)變。如圖所示，實際加熱時各臨界點分別用Ac1、Ac3和Accm線表示，而實際冷卻時各點臨界位置分別用Ar1、Ar3和Arcm線表示。 1.6 鋼的熱處理 1.6.1 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 冷卻保溫溫度/臨界點加熱時間/sSA溫度/EP+FwC100A+ Fe3CP+Fe3CA+FAc1A1Ar1A3Ar3Ac3AcmAccmArcm 熱處理工藝

3、曲線示意圖 碳素鋼加熱冷卻溫度臨界點 1.6 鋼的熱處理 1.6.1 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 將共析鋼加熱到Ac1時便發(fā)生珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變。奧氏體的形成過程分三個階段，如圖所示 。1奧氏體的形成 FFe3CA核正在長大的A核未溶的Fe3CAa) 形核b) F向A轉(zhuǎn)變滲碳體溶解c) A中殘余滲碳體溶解d) A成分均勻化1.6 鋼的熱處理 1.6.1 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 2奧氏體晶粒的長大 奧氏體晶粒形成后，繼續(xù)加熱或保持恒溫，它們將聚集長大，即由小晶粒合并為較粗大的晶粒。由熱力學(xué)原理可知，這是一種必然發(fā)生的過程，因為晶粒合并將使晶界總面積減少，從而使總晶界能降低。 1.6 鋼的熱處理 1.6.2 鋼

4、在冷卻時的轉(zhuǎn)變 加熱鋼使其奧氏體化只是熱處理的第一步，而冷卻過程則是熱處 理的關(guān)鍵一步。在熱處理生產(chǎn)中，奧氏體冷卻時發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度通常都低于臨界點，即有一定的過冷度，為了了解奧氏體在冷卻過程的相變規(guī)律，通常采用兩種方法：1）把鋼加熱到奧氏體化后,快速冷卻到A1以下，在不同過冷度下等溫，測定奧氏體的轉(zhuǎn)變過程，繪出奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線。2）在不同冷卻速度（如爐冷、空冷、油冷、水冷）的連續(xù)冷卻過程中測定奧氏體的轉(zhuǎn)變過程，繪出奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。這兩種曲線能正確說明奧氏體的冷卻條件與組織轉(zhuǎn)變間的相互關(guān)系，是熱處理的理論基礎(chǔ) 。1.6 鋼的熱處理 1.6.2 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 1過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動力

5、及TTT曲線 轉(zhuǎn)變動力學(xué)研究轉(zhuǎn)變量與轉(zhuǎn)變溫度和時間的關(guān)系，以及影響這種關(guān)系的因素。如將奧氏體后的共析鋼急冷至A1以下的某個溫度，并在該溫度下保溫，設(shè)法測定過冷奧氏體轉(zhuǎn)變量與時間的關(guān)系，即可繪出等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線（見圖所示）。在若干不同溫度下測得若干不同動力學(xué)曲線，分別截取轉(zhuǎn)變開始和轉(zhuǎn)變終了（或終止）所需的時間，即可繪出這種鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖，簡稱TTT曲線（Time, TempeRature, TRansform），也稱“C曲線”（如圖的下半部分所示）。 1.6 鋼的熱處理 1.6.2 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 10065104Ms硬度HRC5545403015溫度/500bscsasafcscfA1A8

6、007006005004003002001000100Mf20APBABAP轉(zhuǎn)變開始轉(zhuǎn)變完了AMM0.5110102103時間/s共析鋼 TTT曲線1.6 鋼的熱處理 1.6.2 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 上圖中A1以上是奧氏體穩(wěn)定區(qū)域。A1以下轉(zhuǎn)變開始線（圖中as、bs、cs的連線，稱奧氏體轉(zhuǎn)變開始線），轉(zhuǎn)變完畢形成的線段（圖中af、bf、cf的連線）稱奧氏體轉(zhuǎn)變終了線。在孕育期暫時存在的、處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體，稱為過冷奧氏體。A1以下轉(zhuǎn)變終止線以右的區(qū)域為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)，在轉(zhuǎn)變開始線和轉(zhuǎn)變終止線之間為過冷奧氏體和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物共存區(qū)。圖中水平線Ms為馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度線，Mf為馬氏體轉(zhuǎn)變終止溫度 。過冷奧

7、氏體的轉(zhuǎn)變可以分為三種：550以上為珠光體轉(zhuǎn)變，Ms線以下為馬氏體轉(zhuǎn)變，550至Ms線之間為貝氏體轉(zhuǎn)變。1.6 鋼的熱處理 2過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物特點、形成條件及力學(xué)性能 類型名 稱特 點形成條件力學(xué)性能珠光體粗大片壯珠光體鐵素體及滲碳體片層在光學(xué)顯微鏡下清晰顯現(xiàn)，片間距大于0.4m轉(zhuǎn)變溫度較高(共析鋼約700650)強度、硬度、塑性、韌性一般細珠光體（索氏體）在光學(xué)顯微鏡下片層難以分辨，片間距較?。?.40.2m）轉(zhuǎn)變溫度較低（共析鋼約650600）強度、硬度、塑性較粗大片狀好極細珠光體（托氏體）片層在光學(xué)顯微鏡下不能分辨，片間距較?。?.2m）轉(zhuǎn)變溫度更低（共析鋼約600550）強度、硬度、

8、塑性較索氏體好貝氏體上貝氏體滲碳體分布在鐵素體條間，使條間容易脆性斷裂約在550350的溫度區(qū)間恒溫形成脆性大，基本上無實用價值下貝氏體過飽和的鐵素體呈針片狀，其上分布著與針長軸呈5560角的微細碳化物（Fe2,4C）顆?；虮∑?，彌散度大大約在350左右等溫形成具有較高的強度、硬度、塑性和韌性馬氏體板條馬氏體碳的質(zhì)量分數(shù)與奧氏體相同的過飽和固溶體、體心立方結(jié)構(gòu)平行的板條群由奧氏體晶界長入晶內(nèi)，板條群間成一定角度，板條寬約0.10.2m奧氏體中wc0.3%, Ms300。在每個板條內(nèi)有高質(zhì)量分數(shù)位錯，也稱位錯馬氏體有較高的塑性和韌性片狀馬氏體凸透鏡片狀（針狀、竹葉狀），初生者較厚長，橫跨奧氏體晶

9、粒，次生者尺寸較小，在初生片與A晶界之間分布，片間互成一定夾角奧氏體中wc=1%1.4%, Ms=300100。奧氏體中wc=0.3%1%時形成板條、片狀馬氏體晶格畸變大，淬火應(yīng)力大，往往存在很多顯微裂紋，塑性和韌性很差1.6 鋼的熱處理 1.6.3 常用鋼的熱處理 常用鋼的熱處理方法通常有退火、正火、淬火、回火、表面淬火、化學(xué)熱處理等幾種。其工藝簡介如表所示。鋼的各種退火和正火的加熱溫度范圍如圖和碳素鋼的淬火溫度范圍如圖所示。1.6 鋼的熱處理 熱處理名稱熱 處 理 方 法熱處理后的組織應(yīng) 用 場 合完全退火將亞共析鋼加熱到Ac3以上3050，保溫后隨爐冷到以下，再出爐空氣冷卻得到平衡組織：

10、鐵素體+珠光體用于亞共析鋼和合金鋼的鑄、鍛件，目的是細化晶粒，消除應(yīng)力，軟化鋼等溫退火將亞共析鋼加熱到Ac3以上，共析鋼加熱到Ac1以上2030，保溫后快速冷到稍低于Ar1的溫度，再進行等溫處理使A轉(zhuǎn)變?yōu)镻后，然后在空氣中冷卻得到平衡組織：鐵素體+珠光體，組織比較均勻主要應(yīng)用于奧氏體比較穩(wěn)定的合金工具鋼和高合金鋼，與完全退火相比，可大大縮短整個退火時間球化退火將過共析鋼加熱到Ac1以上2030，保溫后隨爐冷到左右再出爐空氣冷卻在鐵素體基體上均勻分布著球狀滲碳體組織用于共析和過共析成分的碳鋼和合金鋼，能降低硬度，改善切削加工性能去應(yīng)力退火將鋼加熱到500650，保溫后隨爐冷卻無組織變化消除鑄、煅

11、、焊、機加工件的殘余應(yīng)力正火將鋼加熱到Ac3或Ac1以上3050，保溫后在空氣中冷卻可細化普通結(jié)構(gòu)鋼晶粒；使共析鋼獲得索氏體組織；對過共析鋼，可以消除二次滲碳體網(wǎng)低、中碳鋼的預(yù)備熱處理；為球化退火作準(zhǔn)備；普通結(jié)構(gòu)零件的最終熱處理淬火將鋼加熱到Ac3或Ac1以上3050，保溫后在水、油等淬火介質(zhì)中快速冷卻亞共析鋼為細小馬氏體組織，過共析鋼為馬氏體和顆粒狀二次滲碳體組織提高鋼件的硬度和耐磨性，是強化鋼材最重要的熱處理方法表面淬火主要有感應(yīng)加熱和火焰加熱表面淬火表層獲得硬而耐磨的馬氏體組織，心部保持原來塑性、韌性較好的退火、正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)組織表面耐磨，不易產(chǎn)生疲勞破壞，而心部要求有足夠的塑性和韌性的

12、工件高溫回火淬火后，加熱到以上，保溫后在空氣中冷卻，又稱調(diào)質(zhì)處理回火索氏體，由細粒狀滲碳體和多邊形鐵素體組成，硬度在3545HRC重要零件如軸、齒輪等中溫回火淬火后，加熱到350500，保溫后在空氣中冷卻回火屈氏體，由極細粒狀滲碳體和針狀鐵素體組成，硬度在3545HRC5各種彈簧低溫回火淬火后加熱到150250，降低應(yīng)力和脆性回火馬氏體，高硬度（硬度在5862HRC），耐磨性好各種工模具及滲碳或表面淬火的工作常用的熱處理工藝簡介1.6 鋼的熱處理 1.6.3 常用鋼的熱處理 A+Fe3去應(yīng)力退火球化退火正火完全退火00.20.60.81.01.21.45006007008009001000溫度

13、/C10000.20.40.60.81.01.21.47001000溫度/C100AAcm A3A+FP+F P+ Fe3CA1F0.4各種退火和正火的加熱溫度范圍 碳素鋼的淬火溫度范圍1.6 鋼的熱處理 1.6.3 常用鋼的熱處理 1淬火方法 （1）單液淬火法：把加熱到奧氏體化后的工件放入一種淬火冷卻介質(zhì)中一直冷卻到室溫的淬火，稱為單液淬火法。（2）雙液淬火法：也常稱為水淬油冷。（3）分級淬火法：分級淬火是把加熱好的工件先放入溫度稍高于Ms點的鹽浴或堿浴中保持一段時間，使工件內(nèi)外的溫度達到均勻，然后取出來在空氣中冷卻。（4）等溫淬火法： 等溫淬火的操作方法與分級淬火相似，只是在鹽浴和堿浴中的保溫時間要足夠長，使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變?yōu)橛懈邚婍g性的下貝氏體組織，然后取出空冷。1.6 鋼的熱處理 1.6.3 常用鋼的熱處理 表面心部溫度/MfMsMsA1表面心部Mf油冷(a)單液淬火 (b)雙液淬火 1.6 鋼的熱處理 1.6.3 常用鋼的熱處理 溫度/Mf表面心部空