鋼的熱處理與相變強化

第七章鋼的熱處理與相變強化改善鋼的性能，主要有兩條途徑：一是合金化，這是下幾章研究的內(nèi)容；二是熱處理，這是本章要研究的內(nèi)容。第一節(jié)概述1、熱處理：是指將鋼在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，獲得所需要性能的一種工藝.為簡明表示熱處理的基本工藝過程，通常用溫度—時間坐標繪出熱處理工藝曲線。

在機床制造中約60-70%的零件要經(jīng)過熱處理。在汽車、拖拉機制造業(yè)中需熱處理的零件達70-80%。熱處理是一種重要的加工工藝，在制造業(yè)被廣泛應(yīng)用.

模具、滾動軸承100%需經(jīng)過熱處理?？傊?，重要零件都需適當熱處理后才能使用。

2、熱處理特點:熱處理區(qū)別于其他加工工藝如鑄造、壓力加工等的特點是只通過改變工件的組織來改變性能，而不改變其形狀。

鑄造軋制3、熱處理適用范圍:只適用于固態(tài)下發(fā)生相變的材料，不發(fā)生固態(tài)相變的材料不能用熱處理強化。

根據(jù)加熱、冷卻方式及鋼組織性能變化特點不同，將熱處理工藝分類如下：其他熱處理普通熱處理表面熱處理熱處理退火正火淬火回火真空熱處理形變熱處理激光熱處理控制氣氛熱處理表面淬火—感應(yīng)加熱、火焰加熱、電接觸加熱等化學(xué)熱處理—滲碳、氮化、碳氮共滲、滲其他元素等4、預(yù)備熱處理與最終熱處理預(yù)備熱處理—為隨后的加工（冷拔、沖壓、切削）或進一步熱處理作準備的熱處理。最終熱處理—賦予工件所要求的使用性能的熱處理.預(yù)備熱處理最終熱處理W18Cr4V鋼熱處理工藝曲線時間溫度/℃第二節(jié)鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變加熱是熱處理的第一道工序。加熱分兩種：一種是在A1以下加熱，不發(fā)生相變；另一種是在臨界點以上加熱，目的是獲得均勻的奧氏體組織，稱奧氏體化。一、奧氏體的形成過程奧氏體化也是形核和長大的過程，分為四步。現(xiàn)以共析鋼為例說明：二、奧氏體晶粒長大及其影響因素1、奧氏體晶粒長大奧氏體化剛結(jié)束時的晶粒度稱起始晶粒度，此時晶粒細小均勻。在給定溫度下奧氏體的晶粒度稱實際晶粒度。加熱時奧氏體晶粒的長大傾向稱本質(zhì)晶粒度。2、影響奧氏體晶粒長大的因素⑴加熱溫度和保溫時間⑵加熱速度⑶合金元素⑷原始組織奧氏體晶粒粗大，冷卻后的組織也粗大，降低鋼的常溫力學(xué)性能，尤其是塑性。因此加熱得到細而均勻的奧氏體晶粒是熱處理的關(guān)鍵問題之一。析出顆粒對黃銅晶界的釘扎Nb/%奧氏體晶粒尺寸/μmNb、Ti對奧氏體晶粒的影響第三節(jié)鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變冷卻是熱處理更重要的工序。一、過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及轉(zhuǎn)變過程處于臨界點A1以下的奧氏體稱過冷奧氏體。過冷奧氏體是非穩(wěn)定組織，遲早要發(fā)生轉(zhuǎn)變。隨過冷度不同，過冷奧氏體將發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變?nèi)N類型轉(zhuǎn)變。現(xiàn)以共析鋼為例說明：

A1～650℃：P；5～25HRC；

片間距為0.6～0.7μm(500×)。650～600℃：細片狀P—索氏體(S)；

片間距為0.2～0.4μm(1000×)；

25～36HRC。600～550℃：極細片狀P—屈氏體(T);

片間距為＜0.2μm（電鏡）；

35～40HRC。㈠珠光體轉(zhuǎn)變1、珠光體的組織形態(tài)及性能過冷奧氏體在A1到550℃間的轉(zhuǎn)變，是鐵素體與滲碳體片層相間的機械混合物。珠光體形貌像光鏡下形貌電鏡下形貌索氏體形貌像電鏡形貌光鏡形貌屈氏體形貌像電鏡形貌光鏡形貌片間距bHRC三維珠光體如同放在水中的包心菜2、珠光體轉(zhuǎn)變過程珠光體轉(zhuǎn)變也是形核和長大的過程。㈡貝氏體轉(zhuǎn)變過冷奧氏體在550℃-230℃(Ms)間將轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w類型組織，貝氏體用符號B表示。根據(jù)其組織形態(tài)不同，貝氏體又分為上貝氏體(B上)和下貝氏體(B下).上貝氏體下貝氏體⑴上貝氏體形成溫度為550-350℃。在光鏡下呈羽毛狀.在電鏡下為不連續(xù)棒狀的滲碳體分布于自奧氏體晶界向晶內(nèi)平行生長的鐵素體條之間。上貝氏體強度與塑性都較低，無實用價值。光鏡下電鏡下⑵下貝氏體形成溫度為350℃-Ms。在光鏡下呈竹葉狀。光鏡下電鏡下在電鏡下為細片狀碳化物分布于鐵素體針內(nèi)，并與鐵素體針長軸方向呈55-60o角。下貝氏體具有良好的綜合力學(xué)性能。㈢馬氏體轉(zhuǎn)變當奧氏體過冷到Ms以下將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體類型組織。馬氏體轉(zhuǎn)變是強化鋼的重要途徑之一。1、馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)碳在-Fe中的過飽和固溶體稱馬氏體，用M表示。馬氏體組織馬氏體轉(zhuǎn)變時，奧氏體中的碳全部保留到馬氏體中.馬氏體具有體心正方晶格（a=b≠c）軸比c/a稱馬氏體的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸變越嚴重。當＜0.25%C時，c/a=1，此時馬氏體為體心立方晶格.2、馬氏體的形態(tài)馬氏體的形態(tài)分板條和針狀兩類。⑴板條馬氏體立體形態(tài)為細長的扁棒狀在光鏡下板條馬氏體為一束束的細條組織。光鏡下電鏡下每束內(nèi)條與條之間尺寸大致相同并呈平行排列，一個奧氏體晶粒內(nèi)可形成幾個取向不同的馬氏體束。在電鏡下，板條內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)主要是高密度的位錯，=1012/cm2,又稱位錯馬氏體。SEMTEM⑵針狀馬氏體立體形態(tài)為雙凸透鏡形的片狀。顯微組織為針狀。在電鏡下，亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶，又稱孿晶馬氏體。電鏡下電鏡下光鏡下⑶馬氏體的形態(tài)主要取決于其含碳量C%小于0.2%時，組織幾乎全部是板條馬氏體。C%大于1.0%C時幾乎全部是針狀馬氏體.C%在0.2~1.0%之間為板條與針狀的混合組織。馬氏體形態(tài)與含碳量的關(guān)系0.45%C0.2%C1..2%C3、馬氏體的性能高硬度是馬氏體性能的主要特點。馬氏體的硬度主要取決于其含碳量。含碳量增加，其硬度增加。當含碳量大于0.6%時，其硬度趨于平緩。合金元素對馬氏體硬度的影響不大。馬氏體硬度、韌性與含碳量的關(guān)系C%馬氏體強化的主要原因是過飽和碳引起的固溶強化。此外，馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的組織細化也有強化作用。馬氏體的塑性和韌性主要取決于其亞結(jié)構(gòu)的形式。針狀馬氏體脆性大，板條馬氏體具有較好的塑性和韌性.針狀馬氏體板條馬氏體馬氏體的透射電鏡形貌馬氏體轉(zhuǎn)變開始的溫度稱上馬氏體點，用Ms

表示.馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度稱下馬氏體點，用Mf表示.只要溫度達到Ms以下即發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。在Ms以下，隨溫度下降，轉(zhuǎn)變量增加，冷卻中斷，轉(zhuǎn)變停止。冷卻到Mf點，未能轉(zhuǎn)變而殘留下來的奧氏體，稱殘余奧氏體，用A’

或’表示。MfMsM(50%)M(90%)’Ms、Mf與冷速無關(guān)，主要取決于奧氏體中的合金元素含量（包括碳含量）。馬氏體轉(zhuǎn)變后，A’

量隨含碳量的增加而增加，當含碳量達0.5%后，A’量才顯著。含碳量對馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響含碳量對殘余奧氏體量的影響過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（共析鋼）

轉(zhuǎn)變類型轉(zhuǎn)變產(chǎn)物形成溫度，℃轉(zhuǎn)變機制顯微組織特征HRC獲得工藝珠光體PA1~650擴散型粗片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布5-20退火S650~600細片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布20-30正火T600~550極細片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布30-40等溫處理貝氏體B上550~350半擴散型羽毛狀，短棒狀Fe3C分布于過飽和F條之間40-50等溫處理B下350~MS竹葉狀，細片狀Fe3C分布于過飽和F針上50-60等溫淬火馬氏體M針MS~Mf無擴散型針狀60-65淬火M*板條MS~Mf板條狀50淬火二、過冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變方式有等溫轉(zhuǎn)變和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變兩種。兩種冷卻方式示意圖1——等溫冷卻2——連續(xù)冷卻過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變圖是表示奧氏體急速冷卻到臨界點A1以下在各不同溫度下的保溫過程中轉(zhuǎn)變量與轉(zhuǎn)變時間的關(guān)系曲線.又稱C曲線、S

曲線或TTT曲線。㈠過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變圖(Time-Temperature-Transformationdiagram)1、C曲線的建立時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1A1-Ms

間及轉(zhuǎn)變開始線以左的區(qū)域為過冷奧氏體區(qū)。轉(zhuǎn)變終了線以右及Mf以下為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)。兩線之間及Ms與Mf之間為轉(zhuǎn)變區(qū)。時間溫度A1MSMfA過冷PBMA→MA→BA→P轉(zhuǎn)變開始線轉(zhuǎn)變終了線奧氏體5506502s10s5s2s5s10s30s40s2、C曲線的分析⑴轉(zhuǎn)變開始線與縱坐標之間的距離為孕育期。孕育期越小，過冷奧氏體穩(wěn)定性越小.孕育期最小處稱C曲線的“鼻尖”。碳鋼鼻尖處的溫度為550℃。在鼻尖以上,溫度較高，相變驅(qū)動力小.在鼻尖以下，溫度較低，擴散困難。從而使奧氏體穩(wěn)定性增加。⑵

C曲線明確表示了過冷奧氏體在不同溫度下的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。㈡過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖又稱CCT(Continuous-Cooling-Transformationdiagram)曲線，是通過測定不同冷速下過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變量獲得的。共析鋼CCT曲線過共析鋼CCT曲線亞共析鋼CCT曲線1、共析鋼的CCT曲線共析鋼的CCT曲線沒有貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)之下多了一條轉(zhuǎn)變中止線。當連續(xù)冷卻曲線碰到轉(zhuǎn)變中止線時，珠光體轉(zhuǎn)變中止，余下的奧氏體一直保持到Ms以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。圖中的Vk

為CCT曲線的臨界冷卻速度，即獲得全部馬氏體組織時的最小冷卻速度.Vk’

為TTT曲線的臨界冷卻速度.

Vk’1.5Vk

。Vk’Vk時間/s溫度/℃共析鋼的CCT圖共析溫度連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線完全退火正火等溫轉(zhuǎn)變曲線油淬水淬M+A’M+T+A’SP200100P均勻A細AP退火(爐冷)正火(空冷)S淬火(油冷)T+M+A’M+A’淬火(水冷)A1MSMf時間650℃600℃550℃2、過共析鋼CCT曲線也無貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū),但比共析鋼CCT曲線多一條A→Fe3C轉(zhuǎn)變開始線。由于Fe3C的析出,奧氏體中含碳量下降,因而Ms

線右端升高.3、亞共析鋼CCT曲線有貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，還多A→F開始線,F析出使A含碳量升高,因而Ms線右端下降.過共析鋼CCT曲線亞共析鋼CCT曲線第四節(jié)鋼的退火與正火

機械零件的一般加工工藝為：毛坯（鑄、鍛）→預(yù)備熱處理→機加工→最終熱處理。退火與正火主要用于預(yù)備熱處理，只有當工件性能要求不高時才作為最終熱處理。

一、退火將鋼加熱至適當溫度保溫，然后緩慢冷卻(爐冷)的熱處理工藝叫做退火。1、退火目的⑴調(diào)整硬度，便于切削加工。適合加工的硬度為170-250HB。⑵消除內(nèi)應(yīng)力，防止加工中變形。⑶細化晶粒，為最終熱處理作組織準備。真空退火爐2、退火工藝退火的種類很多，常用的有完全退火、等溫退火、球化退火、擴散退火、去應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火。⑴完全退火將工件加熱到Ac3+30~50℃保溫后緩冷的退火工藝，主要用于亞共析鋼.⑵等溫退火亞共析鋼加熱到Ac3+30~50℃,共析、過共析鋼加熱到Ac1+30~50℃，保溫后快冷到Ar1以下的某一溫度下停留，待相變完成后出爐空冷。等溫退火可縮短工件在爐內(nèi)停留時間，更適合于孕育期長的合金鋼.高速鋼等溫退火與普通退火的比較⑶球化退火球化退火是將鋼中滲碳體球狀化的退火工藝。它是將工件加熱到Ac1+30-50℃保溫后緩冷，或者加熱后冷卻到略低于Ar1的溫度下保溫，使珠光體中的滲碳體球化后出爐空冷。主要用于共析、過共析鋼。球化退火的組織為鐵素體基體上分布著顆粒狀滲碳體的組織，稱球狀珠光體,用P球表示。球狀珠光體對于有網(wǎng)狀二次滲碳體的過共析鋼，球化退火前應(yīng)先進行正火，以消除網(wǎng)狀.二、正火正火是將鋼加熱到Ac3或Accm以上30~50℃，保溫后空冷以獲得珠光體類組織的工藝。1、正火后的組織：

●

<0.6%C時，組織為F+S；

●0.6%C時，組織為S

。正火溫度

2、正火的目的⑴對于低、中碳鋼，用來調(diào)節(jié)硬度，提高切削性能。⑵

對于過共析鋼，用于消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火作組織準備。⑶普通件最終熱處理。熱處理與硬度關(guān)系合適切削加工硬度3.退火和正火的選擇考慮切削加工性低、中碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼采用正火，高合金結(jié)構(gòu)鋼和高碳鋼用退火?？紤]使用性能大型厚壁件采用正火，復(fù)雜大結(jié)構(gòu)件和鑄鋼件用退火。第五節(jié)鋼的淬火淬火是將鋼加熱到臨界點以上，保溫后以大于Vk速度冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝.淬火是應(yīng)用最廣的熱處理工藝之一。淬火目的是為獲得馬氏體組織，提高鋼的性能.真空淬火爐一、淬火溫度

1、碳鋼⑴亞共析鋼淬火溫度為Ac3+30-50℃。預(yù)備熱處理為退火或正火。淬火組織：0.5%C時為M0.5%C時為M+A’45鋼正常淬火組織在Ac1~Ac3之間的加熱淬火稱亞溫淬火。35鋼（含0.35%C）亞溫淬火組織亞溫淬火組織為F+M，強硬度低，但塑韌性好.亞溫淬火⑵共析鋼淬火溫度為Ac1+30-50℃；淬火組織為M+A’。⑶過共析鋼淬火溫度:Ac1+30-50℃.溫度高于Accm，則奧氏體晶粒粗大、含碳量高,淬火后馬氏體晶粒粗大、A’量增多。使鋼硬度、耐磨性下降，脆性、變形開裂傾向增加。淬火組織:M+Fe3C顆粒+A’。(預(yù)備組織為P球)T12鋼（含1.2%C）正常淬火組織2、合金鋼由于多數(shù)合金元素(Mn、P除外)對奧氏體晶粒長大有阻礙作用，因而合金鋼淬火溫度比碳鋼高。⑴亞共析鋼淬火溫度為Ac3+50~100℃。⑵共析鋼、過共析鋼淬火溫度為Ac1+50~100℃。

鋼坯加熱二、淬火介質(zhì)與方法單液淬火法雙液淬火法分級淬火法等溫淬火法淬火方法冷卻方式特點和應(yīng)用單液淬火法將奧氏體化后的工件放入一種淬火冷卻介質(zhì)中一直冷卻到室溫操作簡單，易實現(xiàn)機械化與自動化，適用于形狀簡單的工件雙液淬火法將奧氏體化后的工件在水中冷卻到接近Ms點時，立即取出放入油中冷卻防止低溫馬氏體轉(zhuǎn)變時工件發(fā)生裂紋，常用于形狀復(fù)雜的合金鋼分級淬火法將奧氏體化后的工件放入溫度稍高于Ms點的鹽浴中，使工件各部分與鹽浴的溫度一致后，取出空冷完成馬氏體轉(zhuǎn)變大大減小熱應(yīng)力、變形和開裂，但鹽浴的冷卻能力較小，故只適用于截面尺寸小于10mm的工件等溫淬火法將奧氏體化的工件放入溫度稍高于Ms點的鹽浴中等溫保溫，使過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w組織后，取出空冷常用來處理形狀復(fù)雜、尺寸要求精確、強韌性高的工具、模具和彈簧等局部淬火法對局部要求硬化的部位進行加熱淬火冷處理將淬火冷卻到室溫的鋼繼續(xù)冷卻到-70～-80℃，使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，然后低溫回火，消除應(yīng)力，穩(wěn)定新生馬氏體組織提高硬度、耐磨性、穩(wěn)定尺寸，適用于一些高精度的工件，如精密量具、精密絲杠、精密軸承等三、鋼的淬透性淬透性是指鋼淬火時獲得馬氏體的能力，它是鋼的固有屬性。其大小用鋼在一定條件下淬火所獲得的淬透層深度來表示。M量和硬度隨深度的變化淬透層深度是指由工件表面到半馬氏體區(qū)(50%M+50%P)的深度。淬硬性是指鋼淬火后所能達到的最高硬度，即硬化能力。1.淬透性的測定牌號臨界淬透直徑Dc/mm心部組織水淬油淬4513～16.55～9.550%M6011～176～1250%M40Cr30～3819～2850%M20CrMnTi22～3515～2450%M60Si2Mn55～6232～4650%MGCr15－30～3595%M9SiCr－40～5095%M2.淬透性與淬硬層深度的關(guān)系

同一材料的淬硬層深度與工件尺寸、冷卻介質(zhì)有關(guān)。工件尺寸小、介質(zhì)冷卻能力強，淬硬層深。淬透性與工件尺寸、冷卻介質(zhì)無關(guān)。它只用于不同材料之間的比較，是通過尺寸、冷卻介質(zhì)相同時的淬硬層深度來確定的。

3.影響淬透性的因素鋼的淬透性取決于臨界冷卻速度Vk，

Vk越小，淬透性越高。

Vk取決于C曲線的位置，C

曲線越靠右，Vk越小。碳的質(zhì)量分數(shù)合金元素奧氏體化溫度鋼中未溶第二相不同冷卻條件下的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物等溫退火P退火(爐冷)正火(空冷)S(油冷)T+M+A’等溫淬火B(yǎng)下M+A’分級淬火M+A’淬火(水冷)A1MSMf時間溫度淬火PP均勻A細A第六節(jié)鋼的回火螺桿表面的淬火裂紋回火是指將淬火鋼加熱到A1以下的某溫度保溫后冷卻的工藝。減少或消除淬火內(nèi)應(yīng)力獲得所需要的力學(xué)性能穩(wěn)定尺寸縮短熱處理周期未經(jīng)淬火的鋼回火無意義，鋼經(jīng)淬火后應(yīng)立即進行回火。一、鋼在回火時的轉(zhuǎn)變淬火鋼硬度隨回火溫度的變化40鋼力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系回火時力學(xué)性能變化總的趨勢是隨回火溫度提高，鋼的強度、硬度下降，塑性、韌性提高。二、回火種類根據(jù)鋼的回火溫度范圍，可將回火分為三類?！翊慊鸺痈邷鼗鼗鸬臒崽幚矸Q作調(diào)質(zhì)處理，簡稱調(diào)質(zhì).廣泛用于各種結(jié)構(gòu)件如軸、齒輪等熱處理。也可作為要求較高精密件、量具等預(yù)備熱處理。適用于各種高碳鋼、滲碳件及表面淬火件。應(yīng)用獲得良好的綜合力學(xué)性能，即在保持較高的強度同時，具有良好的塑性和韌性。

提高e及s，同時使工件具有一定韌性。在保留高硬度、高耐磨性的同時，降低內(nèi)應(yīng)力。

回火目的S回

T回

M回

回火組織500-650℃350-500℃150-250℃回火溫度高溫回火中溫回火低溫回火適用于彈簧熱處理透射電鏡下的回火馬氏體形貌回火馬氏體回火屈氏體回火索氏體第七節(jié)鋼的表面淬火表面淬火是指在不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織情況下，利用快速加熱將表層奧氏體化后進行淬火以強化零件表面的熱處理方法?；鹧婕訜岣袘?yīng)加熱表面淬火目的：①使表面具有高的硬度、耐磨性和疲勞極限;②

心部在保持一定的強度、硬度的條件下，具有足夠的塑性和韌性。即表硬里韌。適用于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、摩擦和沖擊的零件。軸的感應(yīng)加熱表面淬火機床導(dǎo)軌表面淬火齒輪一、表面淬火用材料⑴

0.4-0.5%C的中碳鋼和中碳低合金鋼。⑵鑄鐵提高其表面耐磨性。二