第6章 鋼的熱處理

1、本章學(xué)習(xí)要求本章學(xué)習(xí)要求: : 理解鋼在加熱、冷卻時的組織變化過程；理解鋼在加熱、冷卻時的組織變化過程； 了解各種熱處理的方式、目的以及應(yīng)用；了解各種熱處理的方式、目的以及應(yīng)用； 重點掌握普通熱處理（退火、正火、淬火、回火）重點掌握普通熱處理（退火、正火、淬火、回火）的基本工藝方法、目的和應(yīng)用。的基本工藝方法、目的和應(yīng)用。熱處理的發(fā)展歷史v 戰(zhàn)國時青銅器具的熱處理工藝已達相當(dāng)高水平：如戰(zhàn)國時青銅器具的熱處理工藝已達相當(dāng)高水平：如越王勾踐的青銅寶劍。越王勾踐的青銅寶劍。v 遼陽出土的西漢鋼劍，經(jīng)金相檢測，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部組遼陽出土的西漢鋼劍，經(jīng)金相檢測，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部組織完全符合現(xiàn)在的淬火馬氏體組織。織完

2、全符合現(xiàn)在的淬火馬氏體組織。金屬材料進行熱處理的前提？金屬材料須具有固態(tài)相變的特性。以鋼鐵為例。金屬材料須具有固態(tài)相變的特性。以鋼鐵為例。熱處理的主要目的充分發(fā)揮金屬材料的潛力，提高其力學(xué)性能，改善充分發(fā)揮金屬材料的潛力，提高其力學(xué)性能，改善其工藝性能。其工藝性能。1.熱處理的在機械制造業(yè)中的重要地位工業(yè)用鋼是主要的金屬材料，占據(jù)工程材料的主導(dǎo)地位。鋼的熱處理鋼的熱處理：定義：將鋼在固態(tài)固態(tài)下以適當(dāng)方式進行加熱、保溫加熱、保溫和冷卻冷卻，以獲得所需組織和性能的工藝過程。熱處理分類熱處理分類第一節(jié)第一節(jié) 鋼的熱處理基礎(chǔ)鋼的熱處理基礎(chǔ)一、概述一、概述 碳鋼的平衡相變點碳鋼的平衡相變點A1A1、A3

3、A3、AcmAcm 碳鋼在加熱時的臨界溫度為碳鋼在加熱時的臨界溫度為Ac1Ac1、Ac3Ac3、AccmAccm 碳鋼在冷卻時的臨界溫度為碳鋼在冷卻時的臨界溫度為Ar1Ar1、Ar3Ar3、ArcmArcm 加熱加熱是熱處理工藝的首要步驟。多數(shù)情況下將是熱處理工藝的首要步驟。多數(shù)情況下將鋼加熱到臨界溫度以上，使原有的組織轉(zhuǎn)變成奧氏鋼加熱到臨界溫度以上，使原有的組織轉(zhuǎn)變成奧氏體以后，再以不同的冷卻方式或速度轉(zhuǎn)變成所需要體以后，再以不同的冷卻方式或速度轉(zhuǎn)變成所需要的組織，以獲得預(yù)期的性能。的組織，以獲得預(yù)期的性能。奧氏體的形成是通過奧氏體的形成是通過形核形核和和晶核的長大晶核的長大實現(xiàn)的。實現(xiàn)的。

4、二、奧氏體的形成過程二、奧氏體的形成過程 共析鋼共析鋼科技開發(fā)研究中心2.3.1 鋼的加熱轉(zhuǎn)變鋼的加熱轉(zhuǎn)變2、亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體化、亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體化與共析鋼有相似之處外，還有先共析的與共析鋼有相似之處外，還有先共析的F F和滲碳體的轉(zhuǎn)變和滲碳體的轉(zhuǎn)變鋼的奧氏體化的鋼的奧氏體化的主要目的：主要目的：獲得晶粒細小，成分均勻的獲得晶粒細小，成分均勻的A A組織。組織。3、A晶粒度及其影響因素晶粒度及其影響因素A A晶粒的大小對冷卻轉(zhuǎn)變后鋼的性能有很大影響。晶粒的大小對冷卻轉(zhuǎn)變后鋼的性能有很大影響。A A晶粒的大小是評定熱處理加熱質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。晶粒的大小是評定熱處理加熱質(zhì)量的

5、主要指標(biāo)之一。 （1 1）晶粒度：表示晶粒大小的尺度。）晶粒度：表示晶粒大小的尺度。（2 2）A A晶粒度的種類晶粒度的種類1 1、起始晶粒度起始晶粒度：P P剛剛?cè)哭D(zhuǎn)變?yōu)閯倓側(cè)哭D(zhuǎn)變?yōu)锳 A時的晶粒度。一般細小而時的晶粒度。一般細小而均勻。均勻。2 2、實際晶粒度實際晶粒度：鋼在實際加熱或具體熱處理條件下獲得的：鋼在實際加熱或具體熱處理條件下獲得的A A晶晶粒度的大小。一般比起始晶粒度大，其直接影響熱處理后性粒度的大小。一般比起始晶粒度大，其直接影響熱處理后性能。能。3 3、本質(zhì)晶粒度本質(zhì)晶粒度：某種鋼在規(guī)定加熱條件下，：某種鋼在規(guī)定加熱條件下，A A長大的傾向，并長大的傾向，并不是晶粒大

6、小的實際度量。不是晶粒大小的實際度量。（3 3）影響）影響A A晶粒度的因素晶粒度的因素A A的形成是通過的形成是通過形核形核和和長大長大過程實現(xiàn)的過程實現(xiàn)的v合理地選擇加熱速度、加熱溫度和保溫時間合理地選擇加熱速度、加熱溫度和保溫時間v成分（加入一些形成碳化物的合金元素）成分（加入一些形成碳化物的合金元素）1.1.合理選擇原始組織合理選擇原始組織 冷卻冷卻是熱處理更重要的工序。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)變過程一、過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及轉(zhuǎn)變過程 處于臨界點處于臨界點A1以下的奧氏體稱以下的奧氏體稱過冷奧氏體過冷奧氏體。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

7、。隨過冷度不同，過冷是非穩(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)生奧氏體將發(fā)生珠光體（珠光體（P）轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變、貝氏體（貝氏體（B）轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變和和馬馬氏體（氏體（M）轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變?nèi)N類型轉(zhuǎn)變。三種類型轉(zhuǎn)變。6.2 鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變科技開發(fā)研究中心 6.2 6.2 鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變6.2.1 6.2.1 過冷奧氏體及其轉(zhuǎn)變過冷奧氏體及其轉(zhuǎn)變 1. 1.連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變使加熱到奧氏體化的鋼使加熱到奧氏體化的鋼連續(xù)降溫連續(xù)降溫進進行組織轉(zhuǎn)變。行組織轉(zhuǎn)變。 2. 2.等溫冷卻轉(zhuǎn)變等溫冷卻轉(zhuǎn)變使加熱到奧氏體使加熱到奧氏體化的鋼以較快的冷卻化的鋼

8、以較快的冷卻速度冷到速度冷到A A1 1以下某溫以下某溫度度保溫保溫，在等溫下發(fā)，在等溫下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。生組織轉(zhuǎn)變。 TTT曲線 ( C 曲線 )T - timeT - temperatureT - transformation一、共析鋼一、共析鋼TTTTTT曲線的建立曲線的建立時間時間溫度溫度組織組織轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變關(guān)系關(guān)系曲線曲線 ，簡稱，簡稱“T T T ”線。線。按溫度劃分三個區(qū)按溫度劃分三個區(qū)：高溫區(qū)：高溫區(qū)：A1550 珠光體型轉(zhuǎn)變珠光體型轉(zhuǎn)變（P） 中溫區(qū)：中溫區(qū)：550Ms 貝氏體型轉(zhuǎn)變貝氏體型轉(zhuǎn)變（B）低溫區(qū)：低溫區(qū)：Ms（230）以）以下下 馬氏體型轉(zhuǎn)變馬氏體型轉(zhuǎn)變（M）二、過冷奧

9、氏體等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物的組織和性能二、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物的組織和性能 珠光體型轉(zhuǎn)變珠光體型轉(zhuǎn)變FeFe、C C的的擴散性擴散性相變相變( A( A1 1550 ) ;550 ) ; A1650 : P ; 650600 : 細片狀細片狀P索氏體索氏體(S); 600550 : 極細片狀極細片狀P托氏體托氏體(T); 珠光體珠光體索氏體索氏體托氏體托氏體2. 2.貝氏體型轉(zhuǎn)變貝氏體型轉(zhuǎn)變半擴散半擴散相變相變( 550( 550230 ) 230 ) 中中溫轉(zhuǎn)變溫轉(zhuǎn)變550550350350形成形成上貝氏體上貝氏體，組織為，組織為過飽和片狀過飽和片狀F F滲碳體，呈羽毛狀，性脆無實用價值滲碳體，

10、呈羽毛狀，性脆無實用價值 。350350230230形成形成下貝氏體下貝氏體，組織為，組織為過飽和針狀過飽和針狀F F彌散彌散碳化物，呈針片狀，碳化物，呈針片狀，綜合性能好綜合性能好。上貝氏體上貝氏體下貝氏體下貝氏體過飽和過飽和片狀片狀F滲碳體滲碳體過飽和過飽和針狀針狀F彌散彌散碳化物碳化物 馬氏體轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變非擴散非擴散相變相變，Ms以下以下, AM 轉(zhuǎn)變特點轉(zhuǎn)變特點: 在一個溫度范圍內(nèi)連續(xù)冷卻完成在一個溫度范圍內(nèi)連續(xù)冷卻完成; 轉(zhuǎn)變速度極快轉(zhuǎn)變速度極快,即瞬間形核與長大即瞬間形核與長大; 無擴散轉(zhuǎn)變無擴散轉(zhuǎn)變( Fe、C原子均不擴散原子均不擴散 ), M與原與原A的成的成分相同。分相同。

11、奧氏體含碳量對馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響奧氏體含碳量對馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（共析鋼） 科技開發(fā)研究中心轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變類型類型轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變產(chǎn)物產(chǎn)物形成溫度，形成溫度， 轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變機制機制顯微組織特征顯微組織特征HRC獲得獲得工藝工藝珠珠光光體體PA1650擴擴散散型型粗片狀，粗片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布相間分布5-20退火退火S650600細片狀，細片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布相間分布20-30正火正火T600550極細片狀，極細片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布相間分布30-40等溫等溫處理處理貝貝氏氏體體B上上550350半擴半擴散型散型羽毛狀，短棒狀羽毛狀，短棒狀Fe3C分布于分布于過飽和過飽和F

12、條之間條之間40-50等溫等溫處理處理B下下350MS竹葉狀，細片狀竹葉狀，細片狀Fe3C分布于分布于過飽和過飽和F針上針上50-60等溫等溫淬火淬火馬馬氏氏體體M針針MSMf無擴無擴散型散型針狀針狀60-65淬火淬火M*板條板條MSMf板條狀板條狀50淬火淬火2.3.2鋼的冷卻轉(zhuǎn)變鋼的冷卻轉(zhuǎn)變?nèi)? .過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 建立連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖，轉(zhuǎn)變圖分析建立連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖，轉(zhuǎn)變圖分析 上臨界冷卻速度上臨界冷卻速度 下臨界冷卻速度下臨界冷卻速度6.3 鋼的普通熱處理鋼的普通熱處理 一般零件生產(chǎn)的工藝路線一般零件生產(chǎn)的工藝路線:一、退火一、退火概念概念：將工件加熱到適

13、當(dāng)溫度，保溫一定時：將工件加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻間，然后緩慢冷卻（爐冷）（爐冷）的熱處理工藝，的熱處理工藝，稱稱退火退火。分：分：完全退火完全退火、等溫退火、等溫退火、球化退火球化退火、去去應(yīng)力退化應(yīng)力退化、再結(jié)晶退火等。、再結(jié)晶退火等。1、完全退火、完全退火（1）概念：概念：將工件加熱到將工件加熱到A AC C3 3+30-50+30-50完全奧氏完全奧氏體化體化，隨之緩慢冷卻，獲得接近平衡組織（，隨之緩慢冷卻，獲得接近平衡組織（P+FP+F）的退火工藝。的退火工藝。AA3Ac3完全退火完全退火P+FP+F（2）目的）目的：細化晶粒，細化晶粒，提高性能；消除應(yīng)力，提高性能

14、；消除應(yīng)力，防止變形；降低硬度。防止變形；降低硬度。提高切削加工性提高切削加工性。（3）應(yīng)用）應(yīng)用：亞共析鋼亞共析鋼；鑄件；鍛件；焊接件。鑄件；鍛件；焊接件。2、球化退火（、球化退火（教學(xué)錄像教學(xué)錄像）（1）概念）概念：將鋼中滲碳體球狀化的退火工藝：將鋼中滲碳體球狀化的退火工藝。A+Fe3CP+Fe3CAAc130-50完全退火完全退火球化退火球化退火加熱溫度加熱溫度Ac1+10-20 （2）目的）目的：HB，切削加工性切削加工性（195HBS左右）；左右）；為淬火做準備。為淬火做準備。（3）應(yīng)用應(yīng)用：過共析過共析鋼鋼，模具鋼，合金工，模具鋼，合金工具鋼具鋼。500600A+Fe3CP+Fe3

15、CAAc13050完全退火完全退火球化退火球化退火3、去應(yīng)力退火、去應(yīng)力退火（1）概念）概念：將工件加熱到：將工件加熱到500600左右，保留一左右，保留一段時間，然后隨爐冷到段時間，然后隨爐冷到200300，再，再空冷空冷的方法。的方法。去應(yīng)力去應(yīng)力 退火退火500600（2）目的）目的：去除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形：去除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形。（3）應(yīng)用）應(yīng)用：鑄件，鍛造件，焊接件，切削加工件。：鑄件，鍛造件，焊接件，切削加工件。二、二、正火正火AF+AA+Fe3CP+Fe3CSFPG1、概念、概念：將工件加熱到：將工件加熱到奧氏體化奧氏體化狀態(tài)，然后在狀態(tài)，然后在空空氣氣中冷卻的熱

16、處理工藝。中冷卻的熱處理工藝。2、加熱溫度、加熱溫度：Ac3或或 Accm+30-50正火正火AccmAc330-503、目的、目的：細化晶粒，調(diào)整：細化晶粒，調(diào)整硬度，消除網(wǎng)狀硬度，消除網(wǎng)狀Fe3C。4、應(yīng)用、應(yīng)用：碳鋼件。：碳鋼件。正火比退火冷卻速度大。正火比退火冷卻速度大。三、退火與正火的選擇三、退火與正火的選擇1. 使用性能使用性能：工件要求不高，用：工件要求不高，用正火正火；形狀復(fù)雜、大；形狀復(fù)雜、大件用件用退火退火。2. 可加工性可加工性：低碳鋼用：低碳鋼用正火正火，中碳鋼用，中碳鋼用退火或正火退火或正火，高碳鋼用高碳鋼用球化退火球化退火。3. 經(jīng)濟性經(jīng)濟性：正火：正火經(jīng)濟；退火經(jīng)

17、濟；退火工藝繁雜。工藝繁雜。四、四、 鋼的淬火（鋼的淬火（教學(xué)錄像教學(xué)錄像）一、淬火一、淬火1、概念、概念將工件加熱到奧氏體化后以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s獲將工件加熱到奧氏體化后以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s獲得得組織的熱處理工藝。組織的熱處理工藝。2、目的、目的：提高硬度，高彈性和耐磨性：提高硬度，高彈性和耐磨性。3、加熱溫度、加熱溫度亞共析鋼：亞共析鋼：AC3+ 30 - 50過共析鋼：過共析鋼：AC1+ 30 - 50AA+Fe3C M+A少少M+Fe3C+ A很少很少4、保溫時間：、保溫時間：太短太短奧氏體化不均奧氏體化不均勻，出現(xiàn)軟點勻，出現(xiàn)軟點；太長太長鋼件表面出現(xiàn)鋼件表面出現(xiàn)氧化、脫碳、晶粒粗大。氧化、

18、脫碳、晶粒粗大。5、淬火冷卻介質(zhì)、淬火冷卻介質(zhì)水：水：較快，易變形開裂。較快，易變形開裂。油油：較慢，減少變形，如較慢，減少變形，如10#、20#機油。機油。食鹽水食鹽水：冷卻能力提高，加：冷卻能力提高，加10%NaCI。網(wǎng)帶式淬火爐網(wǎng)帶式淬火爐M量和硬度隨量和硬度隨深度的變化深度的變化l淬透性淬透性是指鋼在淬火時獲得淬硬層深度的能力。其是指鋼在淬火時獲得淬硬層深度的能力。其大小是用規(guī)定條件下淬硬層深度來表示。大小是用規(guī)定條件下淬硬層深度來表示。l淬硬層深度淬硬層深度是指由是指由工件表面到半馬氏工件表面到半馬氏體區(qū)體區(qū)(50%M + 50%P)的深度。的深度。l淬硬性淬硬性是指鋼淬火是指鋼淬火

19、后所能達到的最高后所能達到的最高硬度，即硬化能力硬度，即硬化能力.l1、淬透性的測定常用、淬透性的測定常用末端淬火法末端淬火法l不同冷卻條件下的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物不同冷卻條件下的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物等溫退火等溫退火P退火退火(爐冷爐冷)正火正火(空冷空冷)S(油冷油冷)T+M+AM+A淬火淬火(水冷水冷)A1MSMf時間時間溫度溫度淬火淬火PP均勻均勻A細細Al回火回火是指將淬火鋼加熱是指將淬火鋼加熱到到A1以下的某溫度保溫以下的某溫度保溫后冷卻的工藝。后冷卻的工藝。l回火的目的：回火的目的：l1、減少或消除淬火內(nèi)、減少或消除淬火內(nèi)應(yīng)力。應(yīng)力。l2、改善穩(wěn)定組織。、改善穩(wěn)定組織。l3、獲得所需要的力學(xué)性能。、獲得所

20、需要的力學(xué)性能。淬火鋼一般硬度高，脆淬火鋼一般硬度高，脆性大，回火可調(diào)整硬度、韌性。性大，回火可調(diào)整硬度、韌性。螺桿表面的螺桿表面的淬火裂紋淬火裂紋3、回火方法、回火方法 （組織轉(zhuǎn)變、性能、應(yīng)用）（組織轉(zhuǎn)變、性能、應(yīng)用）（1）低溫回火低溫回火 （150250）；獲得組織獲得組織 M回回：5865HRC；用于；用于 高碳鋼、高碳鋼、工具鋼（刀具、量具、模具工具鋼（刀具、量具、模具）、）、滾動軸承鋼滾動軸承鋼。（2）中溫回火中溫回火（350500）；回火后回火后 b、s 較高，內(nèi)應(yīng)力消除較高，內(nèi)應(yīng)力消除?；鼗鸾M織：回火組織：T回回；用于彈簧鋼制造的；用于彈簧鋼制造的彈性件、鍛模彈性件、鍛模。（3）

21、高溫回火高溫回火 ( 500650)；回火組織：回火組織：S回回；特點是；特點是 綜合力學(xué)性能好。綜合力學(xué)性能好。應(yīng)用廣泛，汽車、拖拉機、機車，承受較大載荷應(yīng)用廣泛，汽車、拖拉機、機車，承受較大載荷的結(jié)構(gòu)零件，如：的結(jié)構(gòu)零件，如：軸軸、齒輪齒輪等。等。淬火淬火+高溫回火稱高溫回火稱調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)處理，簡稱：，簡稱：調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)。說明說明：回火組織與等溫冷卻轉(zhuǎn)變組織的區(qū)別：回火組織與等溫冷卻轉(zhuǎn)變組織的區(qū)別：S回回、T回回 是是粒狀，而粒狀，而 S、T 是片狀；是片狀；正火與調(diào)質(zhì)硬度很接近，但結(jié)構(gòu)正火與調(diào)質(zhì)硬度很接近，但結(jié)構(gòu)件一般經(jīng)調(diào)質(zhì)而不正火后用，因調(diào)質(zhì)綜合力學(xué)性能好。件一般經(jīng)調(diào)質(zhì)而不正火后用，因調(diào)質(zhì)

22、綜合力學(xué)性能好。6.5 鋼的表面熱處理鋼的表面熱處理 通過快速加熱與立即淬火冷卻相結(jié)合的方法來實現(xiàn)通過快速加熱與立即淬火冷卻相結(jié)合的方法來實現(xiàn)表硬表硬、心韌心韌表面淬火：通過快速加熱使鋼的表層奧氏體化，然表面淬火：通過快速加熱使鋼的表層奧氏體化，然后急冷，使表層形成馬氏體組織，而心部仍保持不后急冷，使表層形成馬氏體組織，而心部仍保持不變。因此表面淬火是一種變。因此表面淬火是一種不改變鋼表層化學(xué)成分不改變鋼表層化學(xué)成分，但但改變表層組織改變表層組織的局部熱處理工藝。的局部熱處理工藝。化學(xué)熱處理：將零件置于一定的化學(xué)介質(zhì)中化學(xué)熱處理：將零件置于一定的化學(xué)介質(zhì)中 ，通過，通過加熱、保溫，使介質(zhì)中一種或幾種元素原子滲入工加熱、保溫，使介質(zhì)中一種或幾種元素原子滲入工件表層，以件表層，以改變鋼表層的化學(xué)成分和組織的改變鋼表層的化學(xué)成分和組織的熱處理熱處理工藝。工藝。 火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火一、表面淬火一、表面淬火感應(yīng)加熱表面淬