機械工程材料第四章

熱處理的分類

1普通熱處理退火、正火淬火、回火；

2

表面熱處理表面淬火化學熱處理改善鋼的性能的途徑有兩種：合金化法和熱處理；熱處理：將鋼在固態(tài)下加熱到預定溫度，并在該溫度下保持一定時間，然后以一定的速度冷卻下來，使鋼的內(nèi)部組織發(fā)生變化，從而獲得所需性能的一種熱加工工藝。第四章鋼的熱處理加熱和冷卻時的相變點Ac1A1Ar1Ac3A3Ar3AccmAcmArcmSPGQEFF+PPP+Fe3CⅡ

AF+AA+Fe3CⅡ

℃

C%第一節(jié)鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變實線部分反映的是熱力學上近于平衡狀態(tài)時的鐵碳合金的組織狀態(tài)與溫度及合金成分之間的關(guān)系，所以A1線、A3線、Acm線是鋼在緩慢加熱和冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變的臨界點。在實際鋼進行熱處理時，其組織轉(zhuǎn)變并不按鐵碳相圖上所示的平衡溫度進行，而是有不同程度的滯后現(xiàn)象。通常將加熱時的實際臨界溫度標以“c”，如：Ac1、Ac3、Accm；冷卻的實際溫度標以“r”，如：Ar1、Ar3、Arcm；其中，F(xiàn)：bcc、Wc=0.0218%;Fe3C:正交晶系、Wc=6.69%;A:fcc、Wc=0.77%;在此轉(zhuǎn)變中，包括：1.晶格重構(gòu)；2.碳原子的重新分布；奧氏體的形成是通過形核和長大過程來實現(xiàn)的：其基本過程包括以下四個步驟：如圖6-1所示：一、奧氏體的形成：奧氏體化：將鋼加熱到相變溫度以上，使常溫組織轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷亟M織奧氏體，這種轉(zhuǎn)變叫做奧氏體化。熱處理與相圖之間的關(guān)系：只有在加熱、冷卻過程中有固態(tài)相變發(fā)生的合金才能進行熱處理。1、奧氏體的形核：在F/Fe3C相界面上形核2、奧氏體的長大：3、剩余滲碳體的溶解：4、奧氏體的成分均勻化：亞共析鋼中奧氏體的形成:室溫組織:F先+P；當加熱到Ac1以上時，P→A，若進一步提高溫度，則F先→A，溫度超過Ac3時，過剩的F完全消失，全部組織為A；如圖6-2所示；1.3過共析鋼中奧氏體的形成：室溫組織：P+Fe3CⅡ；當加熱到Ac1以上時，P→A，若進一步提高溫度，則Fe3CⅡ溶解，溫度超過Accm時，過剩的Fe3CⅡ完全溶解，全部組織為A；如圖6-2所示；二、影響奧氏體形成速度的因素1.加熱溫度、速度：

隨著加熱溫度↗→碳原子擴散能力強，A中碳濃度梯度增大，加速A的形成；加熱速度越快→奧氏體形成溫度升高，A轉(zhuǎn)變所需的時間越短；2.化學成分：

隨著含碳量的增加→原始組織中滲碳體多，相界多，形核率增，越有利于A的形成；3.原始組織：原始組織為片狀P時，原始組織越細，相界越多，形核率增，→越有利于A的形成；三、奧氏體晶粒度3.1奧氏體的晶粒度可分為：起始晶粒度、實際晶粒度、本質(zhì)晶粒度；起始晶粒度：珠光體剛剛?cè)哭D(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時奧氏體的晶粒度；實際晶粒度：鋼在具體的熱處理或熱加工條件下實際獲得的奧氏體晶粒的大??；一般情況下，它大于起始晶粒度；本質(zhì)晶粒度：表征鋼在一定條件下奧氏體長大的傾向性；晶粒長大傾向大的晶粒為本質(zhì)粗晶粒；晶粒長大傾向小的晶粒為本質(zhì)細晶粒；在評定本質(zhì)晶粒度時，通常將鋼加熱到930℃，保溫3~8小時，冷卻后制成金相樣品，在100倍的顯微鏡下觀察，與標準晶粒度等級進行比較，晶粒度為1~4級為本質(zhì)粗晶粒、5~8級為本質(zhì)細晶粒；如圖；注意：本質(zhì)晶粒度與實際晶粒度的區(qū)別：如圖；注意：對同一種鋼而言：加熱獲得晶粒細小的奧氏體，冷卻后的組織也細小，其力學性能較好；反之，加熱時奧氏體晶粒粗大，冷卻后獲得的組織也粗大，力學性能不好；過熱：加熱時，奧氏體晶粒超過規(guī)定尺寸，這種熱缺陷叫做過熱；鋼在加熱時常見的熱缺陷：過熱、氧化、脫碳；第二節(jié)鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變t連續(xù)冷卻過冷奧氏體：在A1以下，未發(fā)生轉(zhuǎn)變的不穩(wěn)定奧氏體。鋼加熱后的冷卻方式：等溫冷卻：C曲線（TTT曲線）連續(xù)冷卻（CCT曲線）鋼的熱處理加熱是為了獲得均勻而細小的奧氏體，但這不是最終的目的，熱處理的關(guān)鍵在冷卻，能決定最終所得到的組織，從而獲得所需的性能。一、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線將共析鋼的過冷奧氏體在臨界溫度Ar1以下某一溫度進行等溫轉(zhuǎn)變，測定過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始時間和終了時間，分別將各溫度下測得的過冷過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始時間和終了時間用光滑的曲線連接起來，在溫度、時間坐標系上可得到兩條曲線。即過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖。反映過冷奧氏體等溫冷卻時：溫度、時間、轉(zhuǎn)變?nèi)咧g的關(guān)系曲線；線:A1線：奧氏體和珠光體的平衡溫度；Ms線：奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開始線；Mf線：奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的終了線；C曲線中左邊的曲線為轉(zhuǎn)變開始線，右邊的曲線為轉(zhuǎn)變終了線；共析鋼C曲線分析孕育期

——表示過冷A的穩(wěn)定程度四個區(qū)域：

奧氏體穩(wěn)定區(qū)過冷奧氏體區(qū)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)轉(zhuǎn)變區(qū)C曲線形狀三種轉(zhuǎn)變類型

高溫轉(zhuǎn)變區(qū)：P型轉(zhuǎn)變中溫轉(zhuǎn)變區(qū)：B型轉(zhuǎn)變低溫轉(zhuǎn)變區(qū)：M型轉(zhuǎn)變

共析碳鋼TTT曲線建立過程示意圖時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1A1~550℃珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)；550~Ms貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)；Ms~Mf馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)；由圖中可以看出，經(jīng)過一段時間后，過冷奧氏體才開始轉(zhuǎn)變，這段時間叫做孕育期；轉(zhuǎn)變開始后轉(zhuǎn)變速度逐漸加快，當A轉(zhuǎn)變體積分數(shù)達到50%時轉(zhuǎn)變速度最大。注意：孕育期：孕育期的長短表示過冷奧氏體的穩(wěn)定性的高低；由C曲線可知，共析鋼在550℃左右孕育期最短，表示過冷奧氏體最不穩(wěn)定，此處叫做C曲線的“鼻子”；“鼻子”所對應的溫度叫做“鼻溫”；從A1到“鼻溫”之間，隨著過冷度的增大，孕育期縮短，過冷奧氏體的穩(wěn)定性下降；從“鼻溫”到Ms線之間，隨著過冷度的增大，孕育期增長，過冷奧氏體的穩(wěn)定性增大；(一）過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及性能1、珠光體轉(zhuǎn)變：過冷奧氏體在A1~550℃的溫度范圍等溫停留時，將發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變：A→F+Fe3C珠光體的形成伴隨著兩個過程的同時進行：a）Fe、C原子擴散；b）晶格的重組；這兩個過程是依靠碳原子和鐵原子的擴散來完的，所以，珠光體轉(zhuǎn)變是一種典型的擴散型相變。珠光體形態(tài)：過冷度不同，形態(tài)也不同；A1~650℃珠光體P

組織較粗，片間距：0.6~1.0μm（用500倍光學顯微鏡可觀察）650℃~600℃索氏體S

層片較細片間距為0.25~0.3μm（800～1000倍光學顯微鏡才可分辨）600~550屈氏體T

極細片間距0.1~0.15μm（電子顯微鏡觀察）P、S、T都為F和Fe3C的機械混合物，只不過是片層的粗細不同，珠光體性能：

珠光體片越細→

HB↑，σb↑

C%相同時，球狀P比片狀P

→HB↓，σb↓，δ↑a)700°C等溫2500×b)650°C等溫7500×c)600°C等溫11000×

珠光體形貌像光鏡下形貌電鏡下形貌光鏡形貌電鏡形貌

索氏體形貌像

屈氏體形貌像電鏡形貌光鏡形貌三.珠光體組織圖5-460.7%C鋼950C°退火珠光體的薄膜透射電子顯微組織同一晶團內(nèi)鐵素體和滲碳體的分布17000×珠光體中鐵素體和滲碳體交疊時形成的水紋花樣46000×2、貝氏體轉(zhuǎn)變：過冷奧氏體在550℃~Ms點溫度范圍內(nèi)等溫停留時，將發(fā)生貝氏體類型的轉(zhuǎn)變；得到貝氏體，用B表示；貝氏體：過飽和的鐵素體F和滲碳體的混合物；由于轉(zhuǎn)變的溫度較低，過冷度較大，貝氏體轉(zhuǎn)變時只有碳原子擴散，鐵原子不擴散，所以貝氏體轉(zhuǎn)變是一種半擴散型轉(zhuǎn)變。⑴貝氏體的形態(tài)：分為上貝氏體B上和下貝氏體B下；①上貝氏體：在550~350℃等溫停留如圖6-10所示；亞結(jié)構(gòu)：位錯；B上=過飽和碳

α-Fe條狀+Fe3C細條狀過飽和碳α-Fe條狀Fe3C細條狀羽毛狀形態(tài)：光學顯微鏡下：中、高碳鋼上貝氏體的典型特征呈羽毛狀，如圖a所示；在電子顯微鏡下：上貝氏體由許多從奧氏體晶界向晶內(nèi)平行生長的板條狀鐵素體和在相鄰鐵素體條間存在的不連續(xù)的短桿狀的滲碳體所組成。可以看到鐵素體呈暗黑色，滲碳體呈白亮色，

上貝氏體組織金相圖圖5-4120Mn鋼中的無碳化物貝氏體圖5-4225Cr2Ni4WA鋼420C°等

2000×溫淬火形成的上貝氏體10000×②

下貝氏體：在350℃~Ms點等溫停留形態(tài)：在光學顯微鏡下：呈黑色針狀；在電子顯微鏡下：在下貝氏體針狀的鐵素體內(nèi)分布著細微的碳化物，這些碳化物平行排列并與鐵素體的長軸呈55~65°取向。亞結(jié)構(gòu)：位錯，但密度大于上貝氏體；

下貝氏體組織金相圖圖5-4540Cr840C°加熱,310C°等溫時形成的下貝氏體明場30000×⑵貝氏體的性能：主要取決于組織的形態(tài)；上貝氏體：鐵素體條較寬——強度、硬度低滲碳體以短桿狀分布在鐵素體條之間，——塑性和韌性差；機械性能不好，生產(chǎn)中應用較少。下貝氏體：鐵素體針細小而均勻分布——塑性、韌性好；在鐵素體內(nèi)又沉淀析出細小、多量而彌散分布的滲碳體，而且具有高密度的位錯——強度高；HB↑，σb↑耐磨性↑，塑、韌性好。機械性能好3、馬氏體轉(zhuǎn)變：當冷卻速度很大時，過冷奧氏體冷到230℃以下，將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，形成馬氏體，用M表示；馬氏體：碳在α-Fe中的過飽和固溶體，具有體心正方晶格，如圖6-14所示。⑴馬氏體轉(zhuǎn)變的特點：①奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變在一個溫度范圍內(nèi)進行；

Ms點：A開始發(fā)生M轉(zhuǎn)變的溫度叫做Ms點。Mf點：馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度；②馬氏體相變是不完全相變。轉(zhuǎn)變終了后，并不能獲得100％的馬氏體，總有部分奧氏體保留下來，這部分奧氏體叫做殘余奧氏體，用A’表示；③Ms點、Mf點的高低主要取決于奧氏體的含碳量及合金元素含量。C和合金元素(除Al、Co外）均使Ms點、Mf點下降，使室溫下A’的數(shù)量增多④馬氏體轉(zhuǎn)變是奧氏體在較低的溫度區(qū)極大過冷度下進行的，鐵原子和碳原子都不能進行擴散,因而不發(fā)生成分的變化,轉(zhuǎn)變前的奧氏體的成分與轉(zhuǎn)變后馬氏體具有相同的含碳量；轉(zhuǎn)變是無擴散式的。⑤奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，體積增大⑵馬氏體的形態(tài):取決于含碳量；板條馬氏體(<0.3%C）—低碳M（位錯M）如圖6-21所示,其立體形態(tài)為細長的板條狀,顯微組織為一束束細條狀組織,每束條與條之間以小角度晶界分開,束與束之間有較大的位向差.板條馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要是高密度的位錯,所以又叫位錯馬氏體.片狀馬氏體（>1.0%C)—高碳M（孿晶M）如圖6-22所示，其立體形態(tài)為雙凸透鏡形，截面形狀為針狀，亞結(jié)構(gòu)為孿晶，所以又叫孿晶馬氏體?；旌像R氏體含碳量在0.3~1.0%為。

低碳板條狀馬氏體組織金相圖

高碳針片狀馬氏體組織金相圖⑶馬氏體的性能：

高強度和高硬度；

C%↑→HB↑馬氏體的硬度主要取決于馬氏體的含碳量，即母相奧氏體的含碳量如圖；隨著含碳量的增加，硬度也增高，尤其在含碳量較低的情況下，硬度增高的很明顯，到含碳量大于0.6%時，硬度增加趨于平緩。馬氏體高強度、高硬度的原因：①固溶強化；②相變強化；馬氏體的塑性、韌性低碳M位錯（板條）馬氏體的塑性、韌性好∵碳在馬氏體中過飽和程度小，晶格畸變輕微、淬火內(nèi)應力小，不存在顯微裂紋，亞結(jié)構(gòu)主要是位錯高碳M：孿晶（針狀）馬氏體塑性、韌性差∵碳在馬氏體中過飽和程度大，晶格畸變嚴重、內(nèi)應力大，存在淬火顯微裂紋，亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶因此，低碳M強韌性好

高碳M必須回火（二）、影響C曲線的因素：1、

含碳量的影響：亞共析鋼→含碳量↑，C曲線右移；如圖6-24a所示；在此曲線的鼻尖上部區(qū)域比共析鋼多了一條先共析鐵素體析出線；這表示此類鋼在奧氏體轉(zhuǎn)變之前先有鐵素體的析出；過共析鋼→含碳量↑，C曲線左移；如圖6-24c所示；在此曲線的鼻尖上部區(qū)域比共析鋼多了一條先共析滲碳體的析出線；這表示此類鋼在奧氏體轉(zhuǎn)變之前先有滲碳體的析出；奧氏體中含碳量的影響:過共析鋼共析鋼亞共析鋼時間溫度A12、

合金元素的影響：

除了Co之外，所有的溶入奧氏體的合金元素均使奧氏體的穩(wěn)定性增加，使C曲線右移；

有些合金元素溶入奧氏體之后還會使C曲線的形狀發(fā)生變化；

3、奧氏體狀態(tài)的影響加熱溫度↑，加熱時間↑→C曲線右移使奧氏體成分均勻，奧氏體的穩(wěn)定性增加℃

tA1Cr,Mo,W,VCr,Mo,W,VCo先析出相二、過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線在生產(chǎn)實踐中，奧氏體轉(zhuǎn)變大多是在連續(xù)冷卻的過程中進行的，為此，我們要研究過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線，它又叫CCT圖；CCT圖的分析:

如圖6-25是共析鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線；特點：沒有貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)；線：PS線：A→P轉(zhuǎn)變開始線；

Pz線：A→P轉(zhuǎn)變終了線；

K線：A→P→轉(zhuǎn)變中止線；過冷奧氏體的冷卻速度不同，發(fā)生的轉(zhuǎn)變和室溫組織不同；

當V＜VC’時，發(fā)生A→P轉(zhuǎn)變，室溫組織：P；當VC’＜V＜VC時，冷至PS線時，發(fā)生A→P轉(zhuǎn)變，繼續(xù)冷至K線，P轉(zhuǎn)變中止，再繼續(xù)冷至MS線，發(fā)生A→M轉(zhuǎn)變，室溫組織：P+M；當V＞VC時，發(fā)生A→M轉(zhuǎn)變，室溫組織：M+A’；VC：表示過冷奧氏體在連續(xù)冷卻過程中不發(fā)生分解而全部冷至MS點以下發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的最小冷卻速度，叫做上臨界冷卻速度，也叫臨界淬火速度；VC’：表示過冷奧氏體在連續(xù)冷卻過程中全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的最大冷卻速度，叫做下臨界冷卻速度；共析碳鋼TTT曲線與CCT曲線的比較穩(wěn)定的奧氏體區(qū)時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMfCCT曲線TTT曲線第三節(jié)鋼的退火與正火毛坯生產(chǎn)預備熱處理機械加工最終熱處理機械精加工預備熱處理:退火;正火最終熱處理:淬火;回火一般零件生產(chǎn)的工藝路線:

將鋼加熱、保溫冷卻后，使其組織達到或接近平衡狀態(tài)的熱處理工藝稱之為退火和正火。退火：爐內(nèi)緩冷；正火：空冷退火與正火的目的：退火與正火一般安排在鑄造或鍛造之后，切削加工之前，作為預先熱處理，目的如下：①軟化鋼件以便進行切削加工；②消除殘余應力，以防鋼件的變形與開裂；③細化晶粒，改善組織以提高鋼的機械性能；④為最終熱處理（淬火、回火）作組織上的準備；一、鋼的退火退火完全退火球化退火去應力退火等溫退火根據(jù)鋼的成分、工藝與目的不同，擴散退火（一）擴散退火（均勻化退火）

定義：將鋼錠、鑄件或鍛坯加熱到稍低于固相線的溫度，長時間保溫，然后緩冷以消除化學成分不均勻現(xiàn)象的熱處理工藝。

目的：消除有害氣體的危害，如氫致白點；使合金元素擴散均勻，改善或消除鑄錠或鑄件在凝固過程中產(chǎn)生的枝晶偏析及區(qū)域偏析，軋鍛材中的帶狀組織；消除軸承鋼中的液析碳化物，均勻成分，均勻組織。

適用鋼種：一些優(yōu)質(zhì)中、高合金鋼或偏析嚴重的合金鋼鑄件及鑄錠

工藝參數(shù)：加熱溫度：Ac3（Accm）+150～300℃

碳鋼1100～1200℃；合金鋼1200～1300℃。

55

保溫時間：與鋼種和偏析程度有關(guān)，一般為（30～60）min/25mm，或（1.5～2.5）min/mm

按裝爐量Q計算：

τ＝８.5＋Ｑ/４（小時）Ｑ—裝爐量（噸）一般為10～15ｈ問題：一般擴散退火加熱溫度高，時間長，晶粒會粗大（不能作為淬火的預備組織），擴散退火之后要進行一次完全退火或正火來進行細化晶粒，消除過熱缺陷。高溫擴散退火周期長、能耗大、氧化脫碳嚴重、成本高故：尺寸不大的鑄件或碳鋼鑄件，有時可采用完全退火來代替（偏析輕）。（二）完全退火：

完全退火：將工件加熱到Ac3以上20~30℃，保溫一定時間后，隨爐緩慢冷至500℃以下，在空氣中冷卻至室溫的一種熱處理工藝。用途：用于亞共析鋼（Wc=0.3~0.6%）或合金鋼的鍛、鑄、焊接件。目的：降低硬度、便于切削加工；細化晶粒、消除應力、均勻組織。完全退火后的組織：F先+P；低碳鋼和過共析鋼不適合于完全退火低碳鋼：退火后硬度偏低，切削時易粘刀過共析鋼：加熱至Accm以上奧氏體化后緩冷得到組織為P+Fe3CⅡ，硬度較高，強度、塑性、韌性下降（三）等溫退火：將某些高合金鋼加熱到Ac3以上20~30℃，保溫一段時間奧氏體化后，以較快速度冷到珠光體C曲線鼻尖部位，并進行等溫轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變結(jié)束后，可空冷至室溫，這種退火方法叫做等溫退火。特點：比完全退火節(jié)省時間；如圖6-29所示；得到適合加工的索氏體組織等溫退火的等溫溫度根據(jù)鋼的成分和要求的硬度，由該種鋼的C曲線確定。（四）球化退火：是使鋼中的碳化物球化的一種熱處理工藝。用途：主要應用于共析鋼、過共析鋼和高碳合金工具鋼。定義：將過共析鋼加熱到Ac1~Accm

之間，經(jīng)保溫后緩慢冷卻，使鋼中碳化物球化，獲得球化組織的一種熱處理工藝。目的：降低硬度、改善切削加工性能，并為淬火做組織準備。過共析鋼的室溫平衡組織為：P（片）

+Fe3CⅡ（網(wǎng)）；球化退火后的組織：鐵素體和球狀滲碳體的混合物，叫做球狀珠光體或粒狀珠光體，用P粒表示，如圖6-30所示；生產(chǎn)中常采用等溫球化退火；為什么將加熱溫度定于Ac1~Accm

？過共析鋼的室溫平衡組織為：P+Fe3CⅡ，不僅硬度高，而且增大了鋼的脆性，所以切削加工困難，淬火時易變形、開裂；；加熱溫度為Ac1以上20~30℃，在A中保留大量的未溶滲碳體質(zhì)點，并造成A的碳濃度分布不均勻，在隨后的緩冷過程中，或以原有的滲碳體質(zhì)點為核心，或在A富碳區(qū)產(chǎn)生新的核心，均勻的形成顆粒狀滲碳體；球化退火前，若二次滲碳體網(wǎng)較厚，可先正火。

共析鋼球化退火組織(化染)700T10鋼球化退火組織(化染)500（五）去應力退火：又叫低溫退火，一般是將工件隨爐緩慢加熱（100~150℃/h）至500~650℃（＜Ac1），保溫一定時間后隨爐緩冷（50~100℃/h）至200℃出爐。特點：在退火過程中沒有相變；殘余應力主要是通過鋼在500~65℃保溫后緩冷過程中消除的；用途：用來消除鑄件、鍛件、焊接件、熱軋件、冷拉件等的殘余應力；二、鋼的正火定義：將鋼加熱到Ac3或Accm以上30~50℃，保溫完全Ａ化后，從爐中取出空冷以得到珠光體類型組織的熱處理工藝，稱為正火。正火與退火的比較：實質(zhì)上：正火是退火的一個特例；共同點：Ａ→Ｐ；擴散型相變，得到軟韌組織；不同點：工藝上：冷卻速度快些，轉(zhuǎn)變溫度低組織上：比退火組織細，性能上：鋼的強度、硬度也較高工藝參數(shù):溫度(°C)名稱Ac3

+30～50亞共析鋼Ac1

+30～50共析鋼Accm+30～50過共析鋼熱處理后的組織:S(Wc=0.6～1.4%)

S+F少

(Wc＜0.6%)２、應用：①改善切削加工性能：預備熱處理（含碳低于0.25%的---HB140-190）低碳鋼②消除熱加工缺陷，為淬火做組織準備：（中碳結(jié)構(gòu)鋼鑄、鍛、軋件、焊接件的魏氏組織、粗大晶粒、帶狀組織）③消除過共析鋼中的Fe3CⅡ，有利于球化退火的進行

（抑制二次碳化物的析出，獲得偽共析體。）④提高普通結(jié)構(gòu)件的機械性能：作為最終熱處理，代替調(diào)質(zhì)處理，力學性能要求不高的中低碳鋼和中低合金鋼結(jié)構(gòu)件

三、退火和正火的選取原則（1）Ｗｃ＜0.25％的低碳鋼，正火代替退火，利于切削加工；防止游離三次滲碳體的析出，提高工件的冷變形性。（2）Ｗｃ＝0.25～0.5％的中碳鋼，也采用正火，硬度偏高，但因成本低,生產(chǎn)率高；（3）Ｗｃ＝０.5～０.75%的中高碳鋼，一般采用完全退火，降低硬度，改善切削加工性；（4）Ｗｃ＞０.75%的高碳鋼或工具鋼，一般采用球化退火。若有網(wǎng)狀二次滲碳體，先正火消除之。（5）含碳量、合金元素高，奧氏體穩(wěn)定性高，完全退火，易緩冷得到馬氏體和貝氏體，應高溫回火。工藝參數(shù):第四節(jié)鋼的淬火與回火一、鋼的淬火（一）淬火的目的：淬火：將鋼加熱到Ac3或Ac1以上30~50℃，保溫一定時間奧氏體化后以大于臨界冷卻速度Vk的冷卻速度冷卻(水冷)

，得到馬氏體的熱處理工藝。目的：使奧氏體化的工件獲得盡量多的馬氏體，提高鋼的硬度、強度，并配以不同溫度的回火，以獲得各種需要的性能。（二）淬火溫度的選擇原則：獲得均勻細小的奧氏體晶粒以便獲得細小M；亞共析鋼：加熱到Ac3以上30~50℃；過共析鋼：加熱到Ac1以上30~50℃；淬火后的組織：亞共析鋼：M+A’；過共析鋼：M+碳化物+A’；三)熱處理后的組織:

M+Fe3C+A殘

Ac1+30～50過共析鋼

M+A殘

Ac1+30～50

共析鋼

M+A殘

Ac3+30～50亞共析鋼Wc＞0.5%

M

Ac3+30～50亞共析鋼Wc≤0.5%

最終組織淬火溫度(℃)

鋼種②若過共析鋼于ＡCcm以上溫度淬火，不僅得到粗片狀馬氏體組織，脆性極大，而且由于滲碳體溶解，奧氏體的含碳量提高，鋼的Ms和Mf點降低，將使殘余奧氏體量增加，導致鋼的硬度、韌性、耐磨性降低，而且會使鋼件發(fā)生嚴重變形甚至開裂。若加熱溫度過低，低于Ac1，淬火后得不到馬氏體

①若亞共析鋼于Ａc3以下溫度淬火，在淬火組織中除M外，還保留部分鐵素體，使鋼強硬度降低；也不能超過Ac3太多，否則Ａ晶粒粗大淬后M粗大，使鋼的韌性下降。原因：（三）淬火冷卻介質(zhì)1.理想淬火冷卻介質(zhì)時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf650℃以上應緩冷，以降低淬火的熱應力；650~400℃應快冷，以通過過冷奧氏體最不穩(wěn)定區(qū)；400℃以下緩冷，以減小馬氏體轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生的組織應力；常用的淬火冷卻介質(zhì)

名稱

最大冷卻速度時平均冷卻速度/(℃?s-1)所在溫度/℃冷卻速度/(℃?s-1)650～550℃300～200℃20℃靜止水34077513545040℃靜止水28554511041060℃靜止水2202758018510%NaCl

溶液58020001900100010%NaOH溶液5602830275077520℃10號機油430230606580℃10號機油430230705520℃3號錠子油50012010050（四)常用的淬火方法單液淬火雙液淬火分級淬火等溫淬火時間溫度MsA1

由于淬火冷卻介質(zhì)不能完全滿足淬火質(zhì)量的要求，所以在熱處理方面還應從淬火方法上去加以解決。5.冷處理將淬火冷至室溫的零件繼續(xù)置于Mf以下的制冷劑中，保持一段時間，進行冷處理，以盡量減少殘余奧氏體的數(shù)量。用于要求尺寸穩(wěn)定性很高的精密工件，如量具、精密軸承等。二、鋼的淬透性（一）淬透性、淬硬性的定義及影響因素淬透性：奧氏體化后的鋼在淬火時獲得馬氏體而不形成其他組織的能力。其大小用在一定條件下淬硬層深度來表示。一般規(guī)定：由鋼的表面至內(nèi)部馬氏體組織占50%處（半馬氏體區(qū)）的距離為淬硬層深度。淬硬層越深，表明鋼的淬透性越好，如果淬硬層深度達到心部，表明該鋼全部淬透。淬硬性表示鋼淬火后獲得馬氏體組織的最高硬度。與馬氏體的含碳量有關(guān)；如圖為一根較粗的45鋼試棒，加熱到A溫度水淬，擊斷觀察其斷口：表面：細瓷狀組織；心部：纖維狀組織；表面：硬度高：心部：硬度低；表面：馬氏體組織；心部：屈氏體組織；從表面到心部馬氏體逐漸減少；影響淬透性的因素：臨界淬火速度Vk:

是決定性的因素，Vk越小（C曲線越靠右），鋼的淬透性就越好。含碳量的影響：亞共析鋼：Wc↑→C曲線右移→VC↓→淬透性↑；過共析鋼：Wc↑→C曲線左移→VC↑→淬透性↓；合金元素的影響：除Co之外，大多數(shù)合金元素的加入使C曲線右移→VC↓→淬透性↑；工件淬硬層與冷卻速度的關(guān)系4.淬透性的大小對鋼的熱處理后的力學性能的影響未淬透鋼淬透鋼3、淬透性的測定方法：自學末端淬火法：臨界淬火直徑；4、淬透性的應用：自學；三、淬火鋼的回火回火的定義：將淬火后的鋼加熱至臨界溫度Ac1以下某一溫度，保溫一定時間然后冷卻到室溫的一種熱處理工藝。回火的目的：①消除脆性，降低淬火應力；②調(diào)整淬火鋼的力學性能；③穩(wěn)定零件的形狀、尺寸；

（一）回火時組織轉(zhuǎn)變：以共析鋼為例進行分析；淬火后的組織為M+A’；它們都不穩(wěn)定，有自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和滲碳體的傾向，淬火鋼在回火時就是這種轉(zhuǎn)變；我們根據(jù)淬火鋼在回火時的體積變化來研究回火時的相變。（馬氏體分解時，鋼的體積減小；殘余奧氏體轉(zhuǎn)變時，鋼的體積增大；）1。碳化物的析出當回火溫度T＜100℃時，鋼的體積不變，所以淬火鋼中沒有明顯的轉(zhuǎn)變發(fā)生，只是馬氏體中發(fā)生碳原子的偏聚；低溫回火（100~250℃）→回火M(過飽和F+薄片狀Fe2.4C)+A‘

鋼的體積減小；所以馬氏體開始分解；

M分解→固溶在M中的過飽和的碳原子脫溶析出ε碳化物，并與M保持共格聯(lián)系；（ε碳化物：晶體結(jié)構(gòu)為正交晶系，分子式：Fe2.4C；它不是平衡相，而是向滲碳體過渡相）此時由于溫度較低，M中的碳原子并未完全析出，仍含有過飽和的碳原子，我們將這種轉(zhuǎn)變叫做回火的第一次轉(zhuǎn)變，或回火的第一階段；單相過飽和的α固溶體+與母相共格聯(lián)系的ε碳化物叫做回火馬氏體，用M’表示

淬火應力↓，韌性↑，保持淬火后的高硬度。用于高C工具鋼等。

α固溶體仍保持針狀特征；回火馬氏體形貌仍維持原馬氏體形貌，只是易受腐蝕，顏色較暗【M分解】

回火馬氏體組織金相圖（200~300℃），鋼的體積增大。所以鋼中的殘余奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w（M’

）。這種轉(zhuǎn)變叫做回火的第二次轉(zhuǎn)變，或回火的第二階段；此階段轉(zhuǎn)變終止在300℃左右；此時，α固溶體中的含碳量約為0.15~0.20%;此階段，鋼的硬度也沒有明顯的降低；α固溶體+ε碳化物【殘余奧氏體轉(zhuǎn)變】中溫回火（300~400℃）→回火T

鋼的體積又減小，過飽和的碳原子從α固溶體中繼續(xù)析出，形成滲碳體，同時ε碳化物也轉(zhuǎn)變?yōu)闃O細粒狀滲碳體，與α固溶體失去共格關(guān)系，這種轉(zhuǎn)變叫做回火的第三次轉(zhuǎn)變或回火的第三階段；組織為F（片狀）+Fe3C（顆粒）；內(nèi)應力大量消除；【碳化物轉(zhuǎn)變】高溫回火：400℃以上，滲碳體逐漸聚集長大，形成較大的粒狀滲碳體，回火溫度越高，滲碳體顆粒越粗大，從而使鋼的強度、硬度降低，但韌性卻有較大的提高。同時，α固溶體的含碳量已經(jīng)降到平衡濃度，固溶體已由體心正方晶格變?yōu)閎cc晶格【α固溶體回復與再結(jié)晶】當溫度升高到500~650℃時，→回火S(等軸狀F+粒狀Cm)

α相發(fā)生再結(jié)晶，使針狀的鐵素體變?yōu)槎噙呅蔚牡容S鐵素體；這種轉(zhuǎn)變叫做回火的第四次轉(zhuǎn)變或回火的第四階段；【碳化物的聚集長大】

將由多邊形鐵素體基體上分布著顆粒狀滲碳體的組織叫做回火索氏體，如圖6-43所示；此種組織具有良好的綜合機械性能，用于重要零件淬火鋼在回火時的轉(zhuǎn)變大致包括：碳化物的析出（馬氏體的分解、碳化物的聚集長大）、殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變分解、α固溶體回復與再結(jié)晶；回火產(chǎn)物的組織形態(tài)比較

回火M

×400

回火T

×7500回火S

×7500M低倍

T

×1000

S

×1000

（二）鋼在回火時的機械性能的變化：1.隨著回火溫度的升高，鋼的硬度下降，2.隨著回火溫度的升高，強度不斷下降，塑性、韌性升高；3.鋼的回火脆性：回火脆性：淬火鋼在回火時的沖擊韌性總體來說隨回火溫度的升高而升高，但是往往在250~400℃和500~600℃出現(xiàn)明顯的下降，這種隨回火溫度升高而沖擊韌度下降的現(xiàn)象現(xiàn)象稱為回火脆性；第一類回火脆性：鋼在250~400℃出現(xiàn)的回火脆性叫做第一類回火脆性，產(chǎn)生的原因與防止方法:馬氏體分解時碳化物沿其界面析出降低界面斷裂強度，脆性增加避免在此溫度范圍內(nèi)回火，或采用含Ｓｉ、Cr、Mn等元素的合金鋼；第二類回火脆性：鋼在500~650℃出現(xiàn)的回火脆性叫做第二類回火脆性產(chǎn)生的原因與防止方法：鋼中P、Sn、Sb等元素向原奧氏體晶界偏聚，減弱A晶界上原子結(jié)合力。防止方法：回火后快冷即可消除之，故此類回脆又叫做可逆回火脆性；選用含有W、Mo等元素的合金鋼（三）、回火的種類與應用：按回火溫度范圍可將回火分為三類：1.低溫回火：回火溫度150~250℃，保溫后空冷。回火后的組織是回火馬氏體，用M’表示；（內(nèi)應力和脆性降低，但保持了高硬度）應用：高碳鋼、合金鋼制作的工具、軸承零件等，以及經(jīng)表面淬火和滲碳淬火的零件；硬度56~64HRC；

2.中溫回火：回火溫度350~500℃，保溫后空冷?；鼗鸷蟮慕M織為回火屈氏體,用T’表示（F+粒狀碳化物）；在具有一定韌性的同時，兼有高的彈性和屈服極限；硬度為HRC35~50;應用：各類高碳鋼、合金鋼的彈性零件，如彈簧等3.高溫回火：回火溫度500~600℃。回火后的組織為回火索氏體，用S’表示（多邊形F+聚集長大的顆粒狀碳化物）；具有強韌結(jié)合的良好的綜合機械性能；淬火加高溫回火叫做調(diào)質(zhì)處理；應用：重要結(jié)構(gòu)件，如連桿、軸、齒輪等。第五節(jié)鋼的表面淬火目的：使工件達到表硬心韌的性能要求；定義：將中碳零件表面快速加熱到淬火溫度，心部幾乎沒有加熱，然后迅速冷卻，僅使表面獲得淬火組織，心部仍保持原始組織的熱處理方法，叫做表面熱處理；分類：根據(jù)工件表面加熱熱源的不同，分為：感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火；1、感應加熱表面淬火：利用電磁感應原理在工件表面產(chǎn)生高密度的感應電流,使表面迅速加熱到奧氏體狀態(tài),然后快冷,使表面獲得M的淬火方法。如圖6-45所示；1.1感應加熱的分類:自學,書P111;1.2感應加熱表面淬火的特點:自學1.3感應加熱表面淬火的預處理:對于心部性能要求高的零件:調(diào)質(zhì)處理;對于心部性能要求不高的零件:正火處理;2、火焰加熱表面處理：自學；第九節(jié)鋼的化學熱處理定義：將工件放入某種化學介質(zhì)中，通過加熱、保溫和冷卻使介質(zhì)中的某些元素的原子擴散到表層中，以改變表層的化學成分和組織，從而使其表層具有與心部不同的特殊性能的一種操作?；瘜W熱處理之后可以獲得表硬心韌的性能；分類：根據(jù)滲入元素的不同，可分為：滲碳、滲氮、碳氮共滲等；化學熱處理的基本操作：①將工件加熱到一定溫度，從而有利于吸收滲入元素的活性原子；②由化合物分解或離子轉(zhuǎn)變而得到滲入元素的活性原子；③活性原子被吸附，并溶入工件表面，形成固溶體，在活性原子的濃度很高時，還可以形成化合物；④滲入原子在一定溫度下，由表層向內(nèi)擴散，形成一定的擴散層；1、鋼的滲碳：定義：向鋼的表面層滲入碳原子的過程。目的：使工件在熱處理后表面具有高硬度和高耐磨性，而心部仍保持一定的強度和較高的塑性和韌性；分類：氣體滲碳法、固體滲碳法、液體滲碳法；1.1氣體滲碳法：將工件置于密封的加熱爐中，通入氣體滲碳劑（如：滴入煤油、通入甲烷、丙烷等），在900~950℃加熱，保溫、使鋼件表面層增碳的過程，如圖6-48所示；1.1.1氣相反應：

CH4→[C]+2H2；

2CO→[C]+CO2；

CO+H2→[C]+H2O；活性碳原子溶入高溫奧氏體中，而后向鋼的內(nèi)部擴散，實現(xiàn)滲碳；1.1.2工藝參數(shù)：加熱溫度：Ac3以上30~50℃，即900~950℃，T↑→滲碳速度↑→滲碳層↑；但溫度過高，會使鋼件中的晶粒長大，使鋼變脆；保溫時間：所需的滲碳層↑→滲碳時間↑；1.1.3滲碳后的組織:低碳鋼滲碳后緩冷：表面層：P+Fe3CⅡ；（滲碳后表層的最佳含碳量為：0.85~1.05%）心部:F+P（心部為原材料的含碳量：01~0.25%）中間為過度層,越靠近表面鐵素體越少;如圖6-49所示;1.1.4滲碳后的熱處理:滲碳后應進行適當?shù)臒崽幚?以獲得表硬心韌的性能,一般為淬火+低溫回火,具體做法有:直接淬火法、一次淬火法、二次淬火法；直接淬火法：滲碳→預冷到略高于心部Ac3（850~880℃）立即淬火→低溫回火（180~200℃）熱處理以后的組織：表層：針狀回火馬氏體+二次滲碳體+少量殘余奧氏體，硬度為58~64HRC；心部：F+P（普通低碳鋼，如：15、20鋼；硬度為10~15HRC；）2、鋼的滲氮（鋼的氮化）定義：向鋼的表面滲入氮原子的過程。目的：使鋼件獲得比滲碳更高的表面硬度（可高達950~1200HV）、耐磨性、疲勞強度、紅硬性以及抗咬合性和抗蝕性。分類：氣體氮化、液體氮化、離子氮化等；2.1氣體氮化：定義：利用氨氣作為滲氮介質(zhì)在（500~570℃）加熱分解出活性氮原子，被工件的表面吸收，并向內(nèi)部擴散形成氮化層的過程。氮化處理的特點：①在氮化之前一般進行調(diào)質(zhì)處理，得到回火索氏體組織，所以氮化后，工件的心部往往有良好的綜合機械性能。（滲氮往往是最后一道工序）②鋼在氮化后無需進行淬火就具有很高的表層硬度及耐磨性，這是因為表層形成了一層堅硬的氮化物所致。③氮化后，顯著提高鋼的抗疲勞強度，這是因為氮化層內(nèi)有較大的殘余壓應力；④處理溫度低，工件變形??；⑤氮化層具有較高的抗腐蝕能力，這是因為氮化層內(nèi)有致密的氮化物所致；氮與許多合金元素都能形成氮化物，如：CrN、Mo2N、AlN等，這些彌散的合金氮化物具有較高的硬度和耐磨性，同時具有高的抗蝕性。因此滲氮工藝在Cr-Mo-Al鋼中得到了廣泛的應用，如最常用的滲氮鋼為38CrMoAl、35CrMo、18CrNiW等綜上所述：滲氮在機械工業(yè)中得到了廣泛的應用，特別適用于許多精密零件的最終熱處理，例如：磨床主軸、鏜床鏜桿等；3、碳氮共滲：自學；思考題1、解釋下列名詞：①奧氏體的起始晶粒度、實際晶粒度、本質(zhì)晶粒度；②珠光體、索氏體、屈氏體、貝氏體、馬氏體；③奧氏體、過冷奧氏體、殘余奧氏體；④退火、正火、淬火、回火；⑤淬火臨界冷卻速度、淬透性、淬硬性；⑥再結(jié)晶、重結(jié)晶；⑦調(diào)質(zhì)處理、變質(zhì)處理；2、指出共析碳鋼加熱時奧氏體形成的幾個階段，并說明亞共析鋼和過共析鋼奧氏體形成主要特點？3、指出A1、A3、Acm；Ac1、Ac3、Accm；Ar1、Ar3、Arcm各臨界點的意義？4、有甲、乙兩種鋼，同時加熱到1150℃，保溫兩小時，經(jīng)金相顯微鏡觀察，甲鋼奧氏體晶粒度為3級，乙鋼為6級。由此能否得出結(jié)論：甲鋼是本質(zhì)粗晶粒鋼、乙鋼是本質(zhì)細晶粒鋼？5、將20鋼與60鋼同時加熱到860℃，并保溫相同的時間，問哪種鋼奧氏體晶粒粗大些？6、珠光體類型組織有哪幾種？它們在形成條