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第 4 章 钢的热处理

第 4 章 钢的热处理. 4.1 铁碳合金相图的分析及应用 4.2 钢在加热时的组织转变 4.3 钢在冷却时的组织转变 4.4 钢的整体热处理工艺 4.5 钢的表面热处理和化学热处理. 目录. 4.1.1 纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象. 1. 纯金属的结晶过程 (1) 纯金属的冷却曲线及过冷度 (2) 纯金属的结晶过程 (3) 晶粒大小对金属力学性能的影响 2. 铁的同素异构现象. (1) 纯金属的冷却曲线及过冷度. 图 4-1 热分析装置示意图. 图 4-2 纯金属的冷却曲线. 图 4-3 纯金属结晶时的冷却曲线.

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第 4 章 钢的热处理

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  1. 第4章 钢的热处理 4.1铁碳合金相图的分析及应用 4.2钢在加热时的组织转变 4.3钢在冷却时的组织转变 4.4钢的整体热处理工艺 4.5钢的表面热处理和化学热处理 目录

  2. 4.1.1 纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象 1.纯金属的结晶过程 (1)纯金属的冷却曲线及过冷度 (2)纯金属的结晶过程 (3)晶粒大小对金属力学性能的影响 2.铁的同素异构现象

  3. (1)纯金属的冷却曲线及过冷度 图4-1 热分析装置示意图

  4. 图4-2 纯金属的冷却曲线 图4-3 纯金属结晶时的冷却曲线

  5. 综上所述，纯金属的结晶有两个特点: 一是结晶总是在一定的过冷度条件下进行; 二是结晶的整个过程是在一恒温(T1)情况下由开始到结束的。 前者也是合金结晶以及其他固态下组织转变的共同特点。

  6. (2)纯金属的结晶过程 图4-4 纯金属结晶过程示意图

  7. (3)晶粒大小对金属力学性能的影响 常用的细化晶粒方法有: ①增加过冷度 ②变质处理 ③振动处理

  8. 2.铁的同素异构现象 1394℃ 912℃ δ-Fe γ-Fe α-Fe （4-1） 图4-5 纯铁的冷却曲线

  9. 图4-6 铁的同素异构转变示意图

  10. 4.1.2 铁碳合金相图的分析 1.铁碳合金的基本组织 （1）铁素体 （2）奥氏体 （3）渗碳体 （4）珠光体 （5）莱氏体

  11. 4.1.2 铁碳合金相图的分析 Fe-Fe3C相图

  12. ①Fe-Fe3C相图中的特性点: 1148℃ LwC4.30% Ld wC4.30%（AwC2.11%+Fe3C） （4-2） 共晶转变 1148℃ 或 LwC4.30% LdwC4.30%（4-3） 共晶转变 727℃ AwC0.77% PwC0.77%（FwC0.021 8% +Fe3C） （4-4） 共析转变 727℃ 或 AwC0.77% PwC0.77%（4-5） 共析转变

  13. ②Fe-Fe3C相图中的特性线:二元相图中的线条都是一些具有共同特征的点的连线。 综上所述，渗碳体可以有三个来源，从液态合金中直接结晶出来、从奥氏体中析出和从铁素体中析出。 ③Fe-Fe3C相图中的相区: 简化后的Fe-Fe3C相图共有12个相区 （5个单相区;5个两相区;2个三相区）。

  14. (2)铁碳合金的分类 根据Fe-Fe3C相图中铁碳合金的碳质量分数wC、组织转变的特点及室温组织，我们可将铁碳合金分为以下几类: ①工业纯铁: wC ≤0.021 8%的铁碳合金称为工业纯铁。 ②钢:0.021 8%< wC <2.11%的铁碳合金称为钢。 根据其室温组织和碳质量分数wC的不同，又可分为 亚共析钢——0.021 8%< wC <0.77%; 共析钢——wC=0.77%; 过共析钢——0.77%< wC <2.11%。 ③白口铸铁:2.11%≤ wC <6.69%的铁碳合金称为白口铸铁。 根据其室温组织和碳质量分数wC的不同，又可分为 亚共晶白口铸铁———2.11%≤ wC <4.3%; 共晶白口铸铁———wC=4.3%; 过共晶白口铸铁———4.3%< wC <6.69%。

  15. (3)Fe-Fe3C相图的应用 ①根据Fe-Fe3C相图判断铁碳合金的力学性能: 图4-8 铁碳合金室温平衡组织与碳质量分数wC的关系

  16. ②作为选用钢铁材料的依据: ③制定铸、锻和热处理等热加工工艺的依据: 图4-10 Fe-Fe3C相图与铸、锻等工艺的关系

  17. 在热处理工艺上的应用 图4-11 Fe-Fe3C相图与热处理温度的关系

  18. 4.2 钢在加热时的组织转变 热处理是由加热、保温和冷却三个基本环节组成的。 在大多数热处理工艺中，钢加热的主要目的是获得奥氏体组织。 图4-12 加热（冷却）时临界点的位置

  19. 4.2.1 奥氏体的形成机理 1.奥氏体形成的热力学条件 图4-13 珠光体和奥氏体自由能随温度的变化曲线

  20. 2.奥氏体的形成过程 （1）奥氏体晶核形成 （2）奥氏体晶核长大 （3）残余渗碳体溶解 （4）奥氏体成分均匀化 图4-14 珠光体向奥氏体转变示意图

  21. 4.2.3 奥氏体的晶粒长大及其控制 • 1.奥氏体晶粒度的概念 图4-15 钢的标准晶粒度等级示意图

  22. 2.奥氏体晶粒长大及其影响因素 （1）加热温度 （2）保温时间 （3）加热速度 （4）化学成分 钢中的碳含量和合金元素都会对奥氏体晶粒长大产生显著影响。 ①碳含量: ②合金元素:

  23. 3.控制奥氏体长大的措施 (1)合理选择加热温度和保温时间 (2)合理选择钢的原始组织 (3)加入一定量的合金元素

  24. 4.3 钢在冷却时的组织转变 4.3.1 过冷奥氏体的等温转变 钢在冷却时，主要的冷却方式有两种: 一种是等温冷却，另一种是连续冷却，如图4-16所示。 图4-16 不同冷却方式示意图

  25. 1.过冷奥氏体等温转变曲线 图4-17 共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线

  26. 2.影响奥氏体等温转变曲线的因素 影响C曲线形状、位置的因素很多，主要有下面几个方面: (1)碳含量 (2)合金元素 (3)加热温度和保温时间

  27. 4.3.2 过冷奥氏体连续冷却转变的近似分析 图4-18 共析钢C曲线与CCT曲线关系

  28. 4.3.2 过冷奥氏体连续冷却转变的近似分析 图4-19 连续冷却的等温转变图

  29. 4.3.3 过冷奥氏体的组织转变类型 1.珠光体型转变 (1)珠光体的组织形态及力学性能 (2)珠光体的形成机理 珠光体的形成过程，包含两个同时进行的过程: 一个是碳的扩散，生成高碳的渗碳体和低碳的铁素体;另一个是晶体的点阵重构，由面心立方的奥氏体转变成体心立方的铁素体和 复杂斜方的渗碳体。

  30. (2)珠光体的形成机理 图4-20 片状珠光体形成过程示意图

  31. 2.贝氏体型转变 （1）贝氏体的组织形态和力学性能 （2）贝氏体的形成机理 上贝氏体和下贝氏体的转变机理见图4-21。 图4-21 贝氏体形成机理示意图

  32. 3.马氏体型转变 （1）马氏体的组织形态及力学性能 （2）马氏体的形成条件 （3）马氏体型转变的特点 钢中马氏体型转变有着许多不同于珠光体型转变的特点: ①转变的非扩散性: ②转变的非等温性: ③转变的非彻底性: ④比容增大:

  33. 4.4 钢的整体热处理工艺 4.4.1 退火 所谓退火，就是将金属或合金加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火的实质是将钢加热奥氏体化后进行珠光体型转变。退火后的组织，对亚共析钢是铁素体加片状珠光体;对共析或过共析钢则是粒状珠光体。总之，退火组织是接近平衡状态的组织。

  34. 1.退火的目的 ①降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。 ②细化晶粒，消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理做准备。 ③消除钢中的内应力，以防止变形和开裂。

  35. 2.常用的退火工艺及应用 （1）完全退火 （2）球化退火 （3）去应力退火 （4）再结晶退火 （5）扩散退火

  36. 4.4.2 正火 将钢加热到Ac3(或Accm)以上30～50℃，保温适当时间后，在静止的空气中冷却的热 处理工艺称为正火。由于正火将钢加热到完全奥氏体化状态，使钢中原始组织的缺陷基本消除，然后再控制以适当的冷却速度，所以正火得到以索氏体为主的组织。 正火与退火两者的目的基本相同，但正火的冷却速度比退火稍快，故正火钢组织比较细，它的强度、硬度比退火钢高。

  37. 1.正火工艺的应用 （1）低碳钢 （2）中碳结构钢 （3）过共析钢 2.退火与正火的选择 （1）切削加工性 （2）使用性能 （3）经济性

  38. 4.4.3 淬火 1.钢的淬火工艺及种类 钢的淬火就是将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间，然后以适当速度冷却获得马氏体和(或)下贝氏体组织的热处理工艺。 淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体(或下贝氏体)型转变，得到马氏体或下贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，获得所需的力学性能。

  39. (1)淬火加热温度 在具体选择钢的淬火加热温度时，除了遵循一般原则外，还应考虑工件的化学成分、技术要求、尺寸形状、原始组织以及加热设备、冷却介质等诸多因素的影响，对加热温度予以适当调整。 图4-22 碳钢的淬火加热温度范围

  40. (2)淬火介质 生产中实际使用的淬火介质可分为两大类: 一类是工件在冷却过程中会发生物态变化的介质; 另一类是不发生物态变化的介质。 其冷却特性的不同，直接影响了工件的冷却速度。 图4-23 钢在理想淬火介质中冷却速度示意图

  41. ●蒸气膜阶段（图4-24中 AB段） ●沸腾阶段 （图4-24中BC段） ●对流阶段 （图4-24中 CD段） 图4-24 冷却过程的三个阶段

  42. 常用的淬火介质 常用的淬火介质有水、盐水和碱水、油、熔盐和熔碱等。 ●水 ●盐水和碱水: ●油: ●熔盐和熔碱: ●新型淬火介质:主要有聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液等。

  43. (3)淬火冷却方法 ①单液淬火: ②双介质淬火: ③马氏体分级淬火: ④下贝氏体等温淬火: ⑤延迟淬火冷却: ⑥局部淬火: ⑦深冷处理: 图4-25 常用淬火方法冷却曲线示意图

  44. 2.钢的淬硬性和淬透性 淬硬性和淬透性是表示钢接受淬火能力的两项性能指标。它们是选材、用材的重要依据，也是热处理技师必须了解的材料的重要性能。 ①淬硬性 ②淬透性

  45. 4.4.4 回火 1.淬火钢在回火时的组织和性能转变 回火就是钢淬硬后，再加热到低于Ac1以下的某一温度，保温一定的时间，然后冷却到室温的热处理工艺。 回火的目的是:合理调整力学性能，使工件满足使用要求;稳定组织，使工件在使用过程中不发生组织转变，从而保证工件的形状、尺寸不变;降低或消除内应力，以减少工件的变形并防止开裂。

  46. (1)回火时的组织转变 淬火钢回火时的组织转变大致包括以下几个过程: ①碳原子的偏聚和聚集: ②马氏体的分解: ③残余奥氏体的转变: ④碳化物的析出、转化和长大: ⑤铁素体的回复与再结晶:

  47. 总之，淬火钢的回火转变是由以上五个过程综合作用的结果，难以用明确的温度范围将 它们截然分开，它们有时互相交错，有时同时进行。

  48. (2)回火后的力学性能 淬火钢回火时力学性能总的变化趋势是：随着回火温度的上升，硬度、强度降低，塑性、 韧性升高。

  49. ①回火对淬火钢硬度的影响 图4-26 不同碳含量的碳钢回火温度与硬度的关系

  50. ②回火对钢的强度、塑性和韧性的影响 图4-27 碳钢的力学性能与回火温度的关系

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