钢的热处理[共33页]

第五章 钢的热处理教学目的：掌握钢的热处理原理及常用热处理工艺；熟悉钢的淬透性及其对零件机械性能的影响；了解常用热处理设备的特点。本章重点：1、奥氏体的形成 2、过冷奥氏体的转变 3、C曲线的建立与应用 4、钢的退火、正火、淬火、回火、表面淬火、化学热处理 5、钢的淬透性本章难点：1、奥氏体的形成 2、过冷奥氏体的转变参考文献: 1、戴起勋，金属材料学，化学工业出版社，20052、史美堂，金属材料及热处理，上海科学技术出版社，20013、史美堂，金属材料及热处理习题集与实验指导书，上海科学技术出版社，1997专业词汇:austenite; spheroidizing annealing; inherent grain size; retained austenite; quenching; hardenability; quenching medium; continuous cooling transformation curve; upper bainite; lower bainite; sorbite; practical grain size; diffusion transformation; diffusion annealing; ledeburite; subercritical quenching; normalizing; complete annealing; Widmanstattenstructure; cryogenic treatment; isothermal quenching; isothermalannealing; secondary hardening; broken quenching; marquenching; tempering; tempered martensite; tempering embrittlement; tempered sorbite; tempered troostite; troostite; martensite starting point; granularpearlite; nitriding; tempering resistance; induction heat surface hardening; flame surface hardening; glow discharge nitriding; carbonitriding; 概 论热处理工艺是提高材料性能的最简单的途径一、热处理的概念通过对材料进行加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的一种工艺。二、热处理的分类热处理：普通热处理：退火、正火、淬火、回火表面热处理：表面淬火：火焰加热、感应加热、激光加热、电接触加热、等离子体加热化学热处理:渗碳、氮化、渗V、渗B、渗Nb三、热处理在机械零件制造工艺中的位置坯料 锻造热处理粗加工半精加工热处理精加工热处理（抛光）成品热处理：称为改善材料切削加工性能热处理；最佳切削硬度：HB170-230。低碳钢：含有大量柔软的铁素体；切削加工性能较差，易产生“粘刀”现象，影响加工面的表面质量（粗糙度），刀具寿命也受到影响，故加工前应进行正火热处理，以提高硬度，以改善加工性能。高碳钢：含有较多的网状渗碳体，难以切削，应退火处理，再加工。冷加工硬化的坯料，应进行再结晶退火，以降低硬度，改善切削加工性能。热处理：改善零件机械性能热处理。正火、淬火回火、化学热处理热处理：消除加工残余应力热处理（去应力退火、时效）四、热处理在机械制造业中的应用汽车制造业：70%80%的零件需进行热处理机床创造业：60%70%的零件需进行热处理各种工具、轴承等：100%的零件需进行热处理五、热处理的主要工艺参数1、 加热速度 2、加热温度 3、保温时间 4、冷却速度第一节 钢在加热时的组织转变一、奥氏体的形成大多数热处理工艺的加热温度都高于钢的临界点（A1或A3），使钢具有奥氏体组织，然后以一定的冷却速度冷却，以获得所需的组织和性能。铁碳合金缓慢加热时奥氏体的形成可以从Fe-Fe3C相图中反映出来，珠光体向奥氏体的转变属于扩散型相变。以共析钢为例，珠光体组织在A1（727）以下，组织保持不变（相中碳的溶解度及Fe3C的形状稍有变化）；当加热到A1点以上时，珠光体全部转变为奥氏体。奥氏体的形成过程可以分为四个步骤： 奥氏体晶核的形成 奥氏体晶粒长大 残余渗碳体溶解 奥氏体成分均匀化对于亚共析钢（过共析钢），当缓慢加热到A1以上时，除珠光体全部转化为奥氏体外，还有少量先共析铁素体转变为奥氏体（过共析钢二次渗碳体溶解）,随着温度升高，先共析铁素体不断向奥氏体转变，当温度高于A3时，组织为单相奥氏体。二、奥氏体形成的热力学条件钢加热时组织转变的动力是奥氏体与旧相之间的体积自由能之差Fv，而相变进行的条件是系统总的自由能降低。根据相变理论，奥氏体形成晶核时，系统总自由能变化F为： F=-Fv+Fs+Fe 式中Fs形成奥氏体时所增加的表面能， Fe形成奥氏体时所增加的应变能由于奥氏体是在高温下形成的，其相变应变能Fe很小，可以忽略，故上式可写为：F=-Fv+Fs共析钢奥氏体和珠光体的体积自由能随温度的变化曲线如图：A1以上，T1时，二者的体积自由能之差Fv。显然，只有当Fv能克服因奥氏体形成所增加的表面能Fs时，珠光体才能自发地形成奥氏体，因此奥氏体的形成必须有一定的过热度T。三、影响珠光体向奥氏体转变的因素1、温度的影响提高温度，原子的扩散能力增大。特别是碳原子在奥氏体中的扩散能力增大，奥氏体的形成速率加快。2、钢中含炭量增加，铁素体与渗碳体的相界面总量增多，有利于加速奥氏体形成。3、钢中加入合金元素，可影响奥氏体的形成强碳化合物减缓C的扩散，减缓A的形成非碳化物形成元素加速A形成。4、钢组织中珠光体越细，奥氏体形成速度越快（相界面积大）。加热速度越快，奥氏体形成温度升高，形成速度越快。四、奥氏体晶粒度及其影响因素1、奥氏体晶粒度的概念a、起始晶粒度指珠光体刚刚全部转变为奥氏体时的晶粒度。b、实际晶粒度指钢在具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒度。c、本质晶粒度不是指具体的晶粒大小，只表示钢的奥氏体晶粒长大的倾向性（易长大，还是不易长大）一般将钢的奥氏体晶粒长大倾向分为两类：曲线1：随加热温度的升高，奥氏体晶粒一直长大，逐渐粗化。曲线2：在一定温度下加热，奥氏体晶粒长大缓慢，保持细小晶粒，超过一定温度（930后），奥氏体晶粒急剧长大，突然粗化。凡是符合曲线1的钢本质粗晶粒钢凡是符合曲线2的钢本质细晶粒钢一般钢的奥氏体晶粒度分为8级，1级最粗，8级最细。晶粒度1-4级的钢，称为本质粗晶粒钢；晶粒度5-8级的钢，称为本质细晶粒钢。镇静钢为本质细晶粒钢，沸腾钢为本质粗晶粒钢。 需经热处理强化的零件一般都采用本质细晶粒钢-镇静钢制作。2、影响奥氏体晶粒度的因素高温下，奥氏体晶粒长大，晶界总面积减少，系统自由能降低是 自发过程：a、 奥氏体转化温度越高，晶粒越容易长大；保温时间越长，晶粒越容易长大b、 奥氏体含碳量越高，晶粒长大的倾向越大c、 在钢中加入合金元素：绝大多数合金元素都阻碍奥氏体晶粒长大，而锰、磷则会加速奥氏体晶粒长大第二节 钢在冷却时的组织转变通过加热使钢转变为均匀的奥氏体组织后，仅完成了热处理的加热准备工作，将高温奥氏体以不同的冷却速度冷却，获得所需的组织与性能，才是热处理的最终目的。高温奥氏体组织是稳定的，如冷却到A1以下，奥氏体就处于不稳定状态（过冷态），称为过冷奥氏体。不同的过冷度，奥氏体发生转变的过程不同：转变开始与转变终了的时间不同；转变后产物的组织与性能不同一、 珠光体型转变高温转变（A1550）1、 转变过程及特点 过冷奥氏体在A1550温度范围内，将分解为珠光体类组织。当奥氏体被过冷至A1以下温度时，在奥氏体晶界处（含碳量高）优先产生渗碳体的核心，然后依靠奥氏体不断供应碳原子（随着冷却，奥氏体溶解碳的能力下降，碳从奥氏体内向晶界扩散），渗碳体沿一定方向逐渐长大，而随着渗碳体的长大，又使其周围的奥氏体碳浓度下降，这就促使贫碳的奥氏体局部区域转变成铁素体（即渗碳体两侧出现铁素体晶核），在渗碳体长大的同时，铁素体也不断长大，而随着铁素体的长大，必然将多余的碳排挤出去，这就有利于形成新的渗碳体晶核。最终形成了相互交替的层片状渗碳体和铁素体珠光体。排列方向相同的铁素体与渗碳体区域，称为珠光体晶粒。珠光体一直长大到与相邻的珠光体互相接触，而奥氏体全部转化为珠光体为止。 转变特点：过冷奥氏体转变为珠光体是扩散型相变。2、 分类 在高温转变区形成的珠光体类组织，虽然都是渗碳体与铁素体的混合物，但由于过冷度大小不同，其片层距差别很大： A1650, 形成的组织层间距较大，在400-500倍的金相显微镜下即可分辨，称为珠光体P。 650600，形成的组织分散度较大，层间距较小，在800-1000倍的金相显微镜下才能分辨，称为索氏体S。 600550，形成的组织，层间距很小，只有在电子显微镜下放大几千倍才能分辨，称为屈氏体或托氏体。 珠光体、索氏体、屈氏体都是珠光体类组织，本质上没有任何区别，只是渗碳体、铁素体片的厚度不同而已。 从珠光体到索氏体、屈氏体，随着层间距的减小，强度和硬度依次升高。二、 贝氏体型转变中温转变（550Ms）1、 转变过程及特点 过冷奥氏体在550Ms（共析钢的Ms约230）温度范围内，转变为贝氏体类组织。 由于过冷度增大，铁原子的扩散很困难，碳原子的扩散能力也显著减弱，扩散不充分，形成渗碳体所需的时间增长。过冷奥氏体在这一温度范围内的转变产物仍是铁素体和渗碳体的混合物，但它与珠光体有本质的区别：贝氏体转变由于冷却速度快，渗碳体已不能呈片状析出。碳的扩散速度受到很大限制，部分碳来不及析出，固溶在铁素体中形成过饱和的铁素体。因此，贝氏体型转变产物是过饱和的铁素体与渗碳体的混合物。 转变特点：过冷奥氏体向贝氏体转变是一种半扩散型相变。2、 分类 贝氏体组织形态比较复杂，根据其中铁素体与渗碳体的分布形态的不同，分为上贝氏体B上和下贝氏体B下。 上贝氏体B上：是过冷奥氏体在550-350范围内的转变产物，其中过饱和铁素体形成密集而相互平行的羽毛状扁片，一排一排地由晶界伸向晶内，渗碳体呈短杆状断断续续地分布在铁素体扁片之间。（上贝氏体由于转变温度较高，渗碳体长得较大） 上贝氏体的组织形态决定了其强度较低，塑性、韧性较差。 下贝氏体B下：是过冷奥氏体在350-Ms范围内的转变产物。其中过饱和的铁素体呈针片状，比较散乱地成角度分布，而极细小的渗碳体质点呈弥散状分布在过饱和铁素体内。在金相显微镜下下贝氏体呈竹叶状特征。（下贝氏体由于转变温度较低，渗碳体来不及长大，而呈质点状） 下贝氏体组织具有较高的强度、硬度，良好的塑性、韧性，即具有良好的综合机械性能。 生产上常用等温淬火法来获得下贝氏体组织。三、 马氏体型转变低温转变（MsMz）1、 转变过程 当过冷度很大，奥氏体被快速冷却至Ms时，由于碳原子已无法扩散，上述珠光体或贝氏体等扩散型相变已不可能进行，奥氏体只能进行非扩散型的晶格转变。碳原子来不及扩散，被完全固溶于铁素体内，形成过饱和的铁素体，这种过饱和的铁素体就是马氏体M。所以马氏体的含碳量与相应的奥氏体含碳量相同。 室温下铁素体的含碳量仅为0.0008%,而马氏体的含碳量与奥氏体相同，故马氏体的过饱和程度很大，此时过饱和的铁素体的某些棱边被撑长，形成了体心正方晶格。 由于碳原子过饱和造成的晶格畸变严重，故马氏体具有很高的硬度，而塑性、韧性较低。 马氏体的高硬度决定了它是钢中的重要强化组织，也是淬火钢的基本组织，凡是要求高硬度、高耐磨性的零件，都需要经过淬火获得马氏体组织。马氏体的硬度主要与含碳量有关，与其他合金元素关系不大。因为合金元素在马氏体晶格中，不是处于间隙位置，而是置换了某些铁原子的位置，它对马氏体晶格歪扭和畸变的作用远不及碳的作用大。 HRC C 合金钢 碳钢 2、 分类马氏体按组织形态分为：a、板条状马氏体：每一马氏体的晶体呈细长的薄板条晶片平行成束地分布，在金相显微镜下呈板条状。b、针状马氏体：每一马氏体晶体呈中间厚、两端薄的透镜式晶片，在金相显微镜下呈针片状或竹叶状。板条状马氏体主要存在于低碳钢的淬火组织中低碳马氏体；针状马氏体主要存在于高碳钢的淬火组织中高碳马氏体。3、 转变特点a、 马氏体转变是非扩散型相变：由于过冷度很大，原子来不及扩散。马氏体的晶粒度完全取决于原来奥氏体的晶粒度。b、 马氏体转变是变温转变：马氏体转变是从转变开始点Ms到转变终了点Mz的一个温度范围内进行的，在某一温度下，只能形成一定数量的马氏体，保温时间的延长并不增加马氏体的数量，要使马氏体的数量增加，只能继续降温。Ms、Mz于含碳量有关，而与冷却速度无关。如图： T Ms Mz C%C、马氏体转变的不完全性：由于马氏体的转变终了温度Mz一般在零下几十度，所以室温下进行马氏体转变不可能获得完全的马氏体组织，必有一定量的奥氏体组织没有转变这部分奥氏体组织称为残余奥氏体A，即马氏体转变不完全。 残余奥氏体的存在会显著降低零件的强度、硬度以及耐磨性，此外残余奥氏体是一种不稳定组织，会逐渐分解，引起零件尺寸变化，这对精密零件是不允许的。 为了减少残余奥氏体的含量，可将淬火零件继续冷却到零下几十度冷处理，使残余奥氏体转变为马氏体。d、奥氏体转变为马氏体，体积增大 奥氏体比容珠光体比容马氏体比容 比容：单位重量的体积值 这个特点，使马氏体内部存在较大的内应力，易导致零件淬火变形、开裂。附：形状记忆合金的工作原理 热弹性马氏体的可逆转变是形状记忆合金的基础。 如：Ni-Ti合金，母相状态很硬，难以变形；而马氏体状态很软，可以任意变形。因此，在较高温度下（母相状态）制成天线，然后降低温度，完全发生马氏体转变（很软），可折叠成一小团。当飞船飞上太空后，由于太阳光线的加热，温度升高，合金发生马氏体逆转变，天线恢复原状。第三节 过冷奥氏体转变曲线图 在过冷奥氏体的转变过程中，冷却速度（过冷度）对转变有很大影响。由于冷却速度较高，因此这种相变就不再符合Fe-Fe3C相图所反映的规律。 为了弄清澳实体在冷却过程中组织变化的全过程，找出转变温度、转变时间与奥氏体转变过程及其产物之间的相互关系和转变规律，通常采用两种方法： 一是在不同过冷度下等温测定奥氏体的转变过程，绘出过冷奥氏体等温转变曲线图 二是在不同冷却速度的连续冷却过程中测定奥氏体的转变过程，绘出过冷奥氏体连续转变曲线图一、 过冷奥氏体等温转变曲线图（TTT图） 过冷奥氏体等温转变曲线图是分析过冷奥氏体的转变温度、转变时间、转变产物之间关系的曲线图，即TTT图（Temperature, Time, Transformation），又称C曲线。 1、TTT图的建立（以共析钢为例） 等温转变曲线图是用实验方法建立的。选取一组共析钢试样加热到稍高于A1温度，使其全部转变成均匀的奥氏体，然后分别快速投入不同温度的等温槽中，保持不同的时间，并观察共析钢奥氏体在不同温度下组织的变化。把转变开始与终了的时间记录下来，然后描绘在以温度为纵坐标，一时间为横坐标的图面上，把开始点与终了点分别连接起来，即可得到共析钢奥氏体等温转变曲线。2、TTT图分析 在共析钢的TTT曲线中，高于临界点A1的区域为稳定状态的奥氏体区；左边曲线为过冷奥氏体开始转变曲线，右边曲线为过冷奥氏体转变终了线；开始线与纵坐标表之间的区域为过冷奥氏体区。终了线以右区域为转变产物区，两曲线之间为过冷奥氏体转变区（即过冷奥氏体与转变产物共存区）。 从纵坐标到转变开始点的距离（转变开始前的准备时间），叫做“孕育期”，其长短表示某一温度下过冷奥氏体的稳定程度，如550部位孕育期最短（共析钢约1秒左右）；而在700左右，孕育期大于1000秒，故时间坐标采用对数坐标。 不同钢种具有不同形状的过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）3、影响TTT图的因素、含碳量的影响亚共析钢的C曲线随含碳量的增加而右移，即过冷奥氏体的稳定性提高；过共析钢的C曲线随含碳量的增加而左移，即过冷奥氏体的稳定性降低；因此在碳钢中，以共析钢的过冷奥氏体最为稳定，C曲线处于最右端。 亚共析钢C曲线拐点上部区域多一条先共析铁素体转变曲线；过共析钢C曲线拐点上部区域多一条先共析渗碳体转变曲线。b、合金元素的影响 除钴元素以外，其他所有合金元素溶入奥氏体后，都增加了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。非碳化物形成元素（Ni, Si, Cu等）不改变C曲线的形状；而碳化物形成元素（Cr, W, V, Mo, Ti等）使C曲线的形状也发生改变。 C、加热温度、保温时间的影响 随着加热温度的提高或保温时间的延长，奥氏体的成分更加均匀，晶粒随之长大，晶界相对减少，未溶质点（碳化物、氮化物等）也显著减少，这些因素都使奥氏体转变时形核困难，提高了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。4、 C曲线的应用 实际生产中，过冷奥氏体的转变大多数是在连续冷却过程中进行的，但仍可以利用C曲线估计过冷奥氏体转变情况。如图：V1V2V3VkV4分别表示不同冷却速度的冷却曲线 T A1 A1 V1 V2 Ms V3 V4 Vk V1相当于炉冷，冷却速度约为10/min，V1与C曲线相交于710650范围内，过冷奥氏体转变产物为100%珠光体，HRC=12V2相当于空冷，冷却速度约为10/S，V2与C曲线相割于650600范围内，过冷奥氏体转变产物为索氏体组织，HRC=26V3相当于油冷，冷却速度约为150/S，V3只与C曲线的转变起始线相交，表明一部分过冷奥氏体转变为屈氏体，而剩余部分过冷奥氏体随后冷却到Ms一下，转变为马氏体，从而获得屈氏体与马氏体混合组织，其HRC=4555V4相当于水冷，冷却速度600/S，它与C曲线不相交，而直接与Ms相交，过冷奥氏体转变为马氏体（还有效部分残余奥氏体），HRC=6064Vk与C曲线相切，称为临界冷却速度，它表示过冷奥氏体不转变为珠光体类产物，而直接转变为马氏体组织的最小冷却速度。Vk取决于C曲线的位置，C曲线右移，Vk降低，容易获得马氏体组织，即易淬火。二、 过冷奥氏体连续转变曲线图（CCT图） 实际生产中，大多数转变是在连续冷却过程中进行的，定量研究需要测定CCT图（Continuous Cooling Transformation）。 方法：金相法，膨胀法，磁性法等 如图：Ps线表示过冷奥氏体转变为珠光体的起始线 （AP开始） Pz线表示过冷奥氏体转变为珠光体的终了线 （AP终了） K线表示过冷奥氏体转变为珠光体终止线 （AP终止） T A1 A1 Ps Pz Ms K Vk Vk S 凡是冷却曲线碰到K线，过冷奥氏体就不再继续转变为珠光体，而是一直冷却到Ms以下，转变为马氏体。CCT图位于TTT图右下方，VkVk第四节 钢的退火与正火一、 退火和正火的目的1、 改善钢件的硬度，以便于进行切削加工（最佳切削硬度范围HB170-230）2、 消除残余应力，防止零件变形、开裂3、 细化晶粒，改善组织以提高零件的机械性能4、 为最终热处理（淬火、回火）做好组织上的准备二、 退火和正火工艺及应用1、 退火包括：完全退火，等温退火，球化退火，扩散退火，去应力退火a、 完全退火（重结晶退火，退火）应用：亚共析碳钢和合金钢的铸件、锻件、热轧型材、焊接结构目的：细化晶粒，改善组织，消除残余应力，降低硬度，提高塑性，便于切削加工工艺：将亚共析钢加热到Ac3+30-50，保温一定时间后，随炉缓慢冷却（或埋入沙或石灰中）到500以下，空冷。由于加热温度在Ac3以上，得到单一奥氏体组织，故称为完全退火；又因为加热温度能使低温组织通过重新结晶获得细小的奥氏体晶粒并在随后的缓慢冷却中转变为细小而均匀的珠光体和铁素体晶粒，所以又称为重结晶退火。b、 等温退火等温退火的目的与完全退火相同。由于完全退火所需要的时间很长，尤其对于某些奥氏体比较稳定的合金钢，往往需要数十小时甚至数天的时间，采用等温退火可明显缩短退火时间。等温退火：对应于钢的C曲线上珠光体形成温度进行奥氏体的等温转变处理，而在其前后可以快速冷却。工艺：加热过程与完全退火相同，Ac3+30-50，保温一定时间后，开炉门较快速冷却到稍低于A1的某一温度（550-700），在该温度下保温到奥氏体完全转变为珠光体，然后空冷。优点：1、缩短了退火时间 2、可以较好地控制组织与硬度（通过选择保温温度） 3、工件氧化、脱碳倾向较小 c、 球化退火（不完全退火）应用：过共析碳钢和合金钢的刀具、模具、量具、轴承等零件目的：降低硬度，改善切削加工性，为最终淬火做准备过共析组织为珠光体和网状的二次渗碳体。由于网状二次渗碳体的存在，增加了钢的硬度和脆性，不仅给切削加工带来困难，而且会引起淬火时工件产生变形和开裂。球化退火工艺：将过共析钢加热到Ac1+30-50，保温后，缓慢冷却。由于加热到Ac1+30-50，此时未溶的渗碳体小质点可作为冷却时渗碳体析出的核心，使渗碳体发生球化，变成球状或粒状渗碳体长大，故称为球化退火。由于加热温度在Ac1+30-50，钢组织没有全部奥氏体化，故称为不完全退火。 经过球化退火的过共析钢，可获得铁素体与球状渗碳体的混合组织，叫做“球化体”，HB163。有的钢种一次球化退火难以达到球化目的，可采用循环退火法（或称周期退火法）进行球化。 d、 去应力退火去应力退火又叫消除内应力退火，低温退火。目的：这种退火主要用于消除铸件、锻件及焊接件、热轧件的内应力。否则，会引起钢件在一定时间后产生变形，降低耐蚀性。去应力退火工艺：将钢件随炉缓慢加热（100-150/小时），到500-600（A1），经过一段时间保温后，随炉缓慢冷却（50-100/小时）到300-200以下出炉。去应力退火，钢件并没有组织上的变化。另外，再结晶退火也是一种低温退火（A1），它是用来消除冷加工硬化的工艺。e、 扩散退火目的：是利用高温下原子具有较强的扩散能力，来减轻或消除钢中化学成分不均匀现象。由于加热温度高，晶粒也会因此长大，所以扩散退火后，往往要经过一次完全退火来细化晶粒。扩散退火工艺：把钢加热到高于Ac3或Accm的温度(约1050-1250)，保温较长时间（约10-20小时），然后缓冷。扩散退火主要用于合金钢，尤其是高合金钢的钢锭及铸件。三、 正火工艺及应用正火与退火并无本质上的区别，仅仅是冷却速度不同而已。 1、定义：所谓正火是指把钢加热到Ac3（亚共析碳钢）或Accm（过共析碳钢）以上30-50，保温一定时间，随后在空气中冷却。2、 目的：对于亚共析钢，正火的目的与退火相同，主要是细化晶粒，由于正火冷却速度较快，得到的珠光体组织较细，且与退火相比，铁素体数量较少（冷速快，铁素体析出少），故碳钢正火处理后强度、硬度均高于退火处理。 对于过共析钢，正火用于消除网状渗碳体。由于冷速较快，析出的二次渗碳体较小（冷速快，渗碳体来不及长大），且不易形成连续的网络。3、 正火工艺的主要应用范围a、 用于普通零件作为最终热处理b、 用于中、低碳结构钢，作为预先热处理，便于切削加工c、 用于过共析钢，可抑制或消除网状二次渗碳体的形成，以便在进一步的球化退火中获得良好的球化体，为淬火做好组织上的准备正火比退火生产周期短，耗能低，操作简便，故一般尽可能用正火代替退火，常用中低碳钢的钢材都以正火状态交货。第四节 钢的淬火 将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上30-50，经保温后，快速冷却获得马氏体的热处理操作称为淬火。一、 淬火的目的1、 提高钢的硬度及耐磨性（如工具、轴承等要求高耐磨性的零件）2、 获得良好的综合机械性能（中碳钢经淬火+高温回火可获得强、韧兼备组织；各种弹簧都要求强度高、弹性好，一般用高碳钢制作，经淬火+中温回火后，弹性大大提高）3、 获得特殊物理、化学性能（许多不锈钢、耐热钢零件，淬火后可使耐腐蚀、耐热性能提高）二、 淬火温度的确定碳钢的淬火温度可根据Fe-Fe3C相图来确定亚共析钢：合适的淬火温度为Ac3+30-50，淬火组织为马氏体，温度太低（低于Ac3）则淬火后组织中出现铁素体，导致硬度、耐磨性下降；温度太高，则获得粗大的马氏体组织，钢的性能恶化，同时引起钢件严重变形。过共析钢：合适的淬火温度为Ac1+30-50，淬火组织为马氏体+粒状二次渗碳体；由于渗碳体的硬度高与马氏体，所以当二次渗碳体以粒状弥散分布于马氏体基体之上时，可以提高组织的硬度和耐磨性弥散强化；淬火加热温度过高，不仅会得到粗大的马氏体组织，还会引起零件严重的变形甚至开裂，而且由于二次渗碳体随着加热温度的升高会大量溶入奥氏体中，使得Ms、Mz降低，从而增加了组织中残余奥氏体的含量，影响淬火硬度和耐磨性。淬火温度过低，（Ac1）则得不到马氏体组织。 对于合金钢，由于奥氏体晶粒长大倾向受到合金碳化物等的抑制，故可适当提高淬火温度。（TC曲线右移）2、 加热、保温时间的确定原则：既要保证工件表面和心部都达到指定的加热温度，又要保证组织转变充分进行和化学成分扩散均匀，同时不能使A晶粒长大。适当的保温时间，对于保证钢的淬火质量，提高劳动生产率很重要。 不同的壁厚、材料的零件，保温时间不同，可根据理论计算，也可根据经验公式确定。见热处理手册。 三、淬火冷却介质 淬火时，通过快速冷却，使奥氏体转变为马氏体，这一过程体积膨胀，内应力很大，所以要使零件在不淬裂、变形小的前提下淬成马氏体，并不是一件容易的事。根据C曲线，淬火时，要求在650-400范围内快速冷却，以避过C曲线拐点部位，使奥氏体不发生高温、中温组织转变，而冷却到300以下，Ms附近时，则希望冷速慢一些，以免产生太大的内应力导致零件变形、开裂。因此，理想的冷却介质应具有图示的 冷却速度。但实际上找不到一种能满足上述要求的冷却介质。 实际生产中，最常用的淬火冷却介质是水、油、硝盐浴（或碱浴）。 水：高温区冷却速度很大，但低温区冷却速度也大，能淬硬，但易淬裂。油：高温区冷速较低，低温区冷速较合适，淬不裂，但可能淬不硬且价 格高、易燃。 碱浴：高温区冷速比水弱，比油强，低温区比油弱 盐浴：高温区冷速比水弱，比油略弱，低温区比油弱。常用淬火冷却介质的冷却能力 介质 冷却速度（/S） 650550 300200 水（18） 600 270 水（26） 500 270水（50） 100 270水（74） 30 20010%NaCl(18) 1100 300蒸馏水 250 200肥皂水 30 200机油（18） 100 20机油（50） 150 30变压器油（50） 120 25四、常用淬火方法 由于实际冷却介质不能满足淬火要求，所以必须从淬火方法上加以弥补。3、 单液淬火法（普通淬火法） 将加热后的钢件放入一种淬火冷却介质中冷却。单液淬火法操作简单，易实现自动化操作，但存在明显缺点：水淬易变形、开裂；油淬硬度不足，只适用于形状简单的工件。4、 双液淬火法（水淬油冷法） 对于形状复杂的高碳钢零件，为了防止淬火后产生过大的变形或开裂，可在水中淬火至Ms附近，然后立即放入油中（或空气）继续冷却，故双液淬火法又称水淬油冷法。用这种方法既能淬硬，又能防止淬裂。 缺点：对操作技术要求较高。适用于高碳钢形状复杂的零件。 3、分级淬火法 不管是单液淬火法，还是双液淬火法，都存在零件表面与心部温差较大，易产生较大的热应力导致零件变形、开裂的问题，分级淬火法能很好地解决这个问题。 所谓分级淬火法就是：先将加热好的零件淬入温度稍高于Ms的盐浴或碱浴中，保持一定时间，使零件表面与心部的温度均匀并与热浴一致，然后取出空冷，在热浴中停留的时间以不发生奥氏体中温转变为宜。缺点：冷却能力较低，只适用于小尺寸零件。4、 等温淬火法将加热好的零件淬入温度稍高于Ms的盐浴或碱浴中，保温足够的时间，使奥氏体等温转变为下贝氏体组织，然后空冷至室温。 等温淬火法可获得强、韧兼备的组织，且零件的内应力可减低到最小程度，不易变形。缺点：生产周期长，仅适用于形状复杂的小零件。 5、 局部淬火法 有些零件只需要局部硬度高、耐磨性好，因此可进行局部淬火，以避免其它部位产生变形或开裂。局部淬火法包括：局部加热淬火法 局部冷却淬火法 6、 冷处理 高碳钢、合金钢的Mz都在零下几十度，为了减少残余奥氏体的数量，可在淬火后进行冷处理，即加热零件淬火至室温后，再放入低温槽中继续冷却，使残余奥氏体转变为马氏体。 冷处理介质：干冰（-80）；液化乙烯（-107）；液氮（-192） 冷处理的目的：稳定尺寸，提高硬度。第五节、 钢的淬透性一、什么叫淬透性钢在淬火过程中，沿工件截面各处的实际冷却速度是不同的表层的实际冷却速度总大于内部，而中心部的冷却速度最低。 如果表层的冷却速度大于临界冷却速度Vk，而心部的冷却速度低于临界冷却速度，则表层获得马氏体，表层与心部之间依次为马氏体、屈氏体、索氏体、珠光体，也即钢仅被淬火到一定深度。 如果心部的冷却速度也大于临界冷却速度Vk，则沿工件截面均获得马氏体组织，即钢被淬透。 所谓的钢的淬透性是指钢在淬火冷却时，获得淬透层深度的能力（获得马氏体层厚度的能力）。 如何定义淬透性深度：从表层马氏体到半马氏体（50%马氏体）处的深度。 获得马氏体层的厚度越大，即淬透性深度越大，钢的淬透性越好。 注意：钢的淬透性与淬硬性是两个不同的概念。淬硬性是指钢在淬火后所能获得的最大硬度指。它主要取决于含c量，含c量越高，淬硬性越大，但淬硬性的钢淬透性不一定好，淬透性受很多因素的影响。 二、淬透性对钢机械性能的影响1、对机械性能的影响将淬透性不同的两种钢制成直径相同的轴,进行淬火+高温回火热处理（调质），其中一件完全淬透，另一件未淬透，两者的机械性能比较见图： HRC HRC b b 0.2 0.2 Ak Ak 淬透性好的钢，调质后的各项机械性能指标沿轴的横截面均匀分布；淬透性差的钢，调质后轴的心部机械性能明显偏低，尤其是冲击韧性Ak。 2、淬火不完全程度与屈强比的关系 如图，RM-RQ 表示淬火不完全程度，HRC RM 表示淬火最高硬度（100%马氏体硬度），HRC RQ 表示淬火的实际硬度，HRC (RM-RQ)越大，表示淬火不完全程度越大 s/b 1.0 0.75 0.5 (RM-RQ),HRC 可见，(RM-RQ)越大，s/b越小，对材料强度的利用率越低（零件在工作中不允许出现塑性变形）。 3、淬火钢中马氏体含量对回火后钢的疲劳极限的影响 淬火后马氏体含量越高，回火后钢的疲劳极限越高，如图： -1 100% 20%马氏体 综上：零件截面尺寸越大，淬透性对机械性能的影响越大。 三、影响钢淬透性的因素 影响钢淬透性的决定因素是临界冷却速度Vk，Vk越小，淬透性越大。而临界冷却速度与C曲线的位置有关，C曲线越右，Vk越小。 1、含碳量的影响 亚共析钢， C%C曲线右移Vk淬透性 过共析钢 C%C曲线左移Vk淬透性 碳钢中以共析钢的淬透性最好。 2、合金元素的影响 除Co以外，其它合金元素都使C曲线右移，Vk，淬透性提高，故合金钢的淬透性大大高于碳钢。 3、奥氏体化温度的影响 提高温度或延长保温时间，可使C曲线右移，Vk，淬透性提高，但作用有限，因为奥氏体晶粒会长大。 四、淬透性的测定方法 最常用的是末端淬火法（端淬发）测定钢的淬透性。将25100mm的标准试样加热后对末端进行喷水冷却（水压恒定），试样末端相当于淬火零件的表面，距末端的距离越远，冷却速度越低，相当于淬火零件的内部。端淬试样冷却后，沿其长度方向磨出一狭条平面，每隔一定距离测量硬度值，可以绘出淬透性曲线，对应于半马氏体的硬度点至末端的距离d，就是淬透层深度，d越大，钢的淬透性越好。 45： d=3.3mm； 40Cr： d=10.5mm 表示方法： J(HRC/d) J末端淬透性 D至水冷端（末端）的距离，mm HRC此处的实测硬度值 J45/10-15表示距末端10-15mm处，淬火硬度为45HRC J42-45/10表示距末端10mm处，淬火硬度为42-45HRC 五、机械零件设计中对钢淬透性的考虑（选材）1、重要零件，要求表面与心部机械性能一致，应选用淬透性好的钢材。2、对心部机械性能要求不高的零件，可选用淬透性低的钢材（便宜）。3、焊接件，不能采用淬透性高的钢材。防止焊缝出现淬火组织脆、裂纹。4、小尺寸试样的性能数据，不能用于大尺寸工件的强度计算。5、淬透性低的大尺寸零件，淬火应安排在切削加工之后进行。6、碳钢的淬透性很低，设计大尺寸零件时，应采用正火工艺代替调质处理，以防止淬不透。二者的性能相差不大，但成本相差很大。第六节 钢的回火 一、 回火的概念 将淬火钢件重新加热到A1以下某一温度，经保温，冷却到室温的操作，称为回火。 二、 回火的目的 淬火后钢的组织为马氏体、残余奥氏体、过共析钢还有少量渗碳体，而马氏体组织硬度高，脆性大，组织不稳定，且淬火后钢件存在较大的内应力，易导致钢件变形、开裂，故淬火后应及时进行回火。 通过回火，马氏体、残余奥氏体可转变为比较稳定的组织，内应力也被消除，组织脆性降低，零件尺寸稳定。 三、 淬火钢回火时组织与性能的变化 （一）马氏体的分解 从室温到200左右范围内回火时，马氏体中一部分过饱和的碳以及细小的-碳化物（FexC或Fe2.4C）形式析出，并分布在马氏体基体上，使马氏体中的含碳量下降，体心正方的正方度c/a减小（即国饱和程度降低），使马氏体的脆性下降，硬度稍降。此时组织为过饱和程度稍低的马氏体和极细小的-碳化物组成的混合组织，称为“回火马氏体组织”，M回。-碳化物：是一非平衡相，使向Fe3C转变的过渡相。 （二）残余奥氏体的转变 约在200-300，马氏体继续分解的同时，残余奥氏体也发生转变，变成了下贝氏体组织。此时主要组织仍是回火马氏体，但由于加热温度较高，马氏体的过饱和程度进一步降低，组织的硬度降低，塑性提高。由于残余奥氏体转变为硬度较高的下贝氏体，因此钢的硬度下降不大。此时组织为“回火马氏体+下贝氏体” （三）渗碳体形成和铁素体恢复 约在300-400之间，固溶体中过饱和的碳逐渐析出，-碳化物转变为稳定的较小的Fe3C颗粒，固溶体中的含碳量几乎达到平衡成分，故马氏体变成铁素体（c/a1），体心正方晶格变成体心立方晶格，此时组织为“铁素体与弥散在其中的细粒状渗碳体的混合物”,称为“回火屈氏体”，T回。 （四）渗碳体的聚集长大和铁素体的再结晶 约在400-650之间，渗碳体不断聚集长大，内应力与晶格歪扭完全消除，组织是由铁素体和球化的渗碳体所组成的混合物，称为“回火索氏体”，S回。此时，碳固溶强化作用消失，强度取决于Fe3C质点的尺寸和弥散度。回火温度越高，渗碳体质点越大，弥散读越低，强度越低。 回火索氏体组织具有良好的综合机械性能，即强、韧兼备。若继续升温到650以上，渗碳体继续粗化，组织变为强度更低的球状珠光体组织，综合机械性能下降，一般不用。 回火组织较正火组织具有较高的强度、韧性（主要原因是Fe3C形态不同）。 四、回火的分类 1、低温回火：150-250 组织为M回 硬度：HRC58-64 2、中温回火：350-500 组织为T回 硬度：HRC35-45 3、高温回火：500-650 组织为S回 硬度：HRC23-35 淬火+低温回火工具、量具、轴承等，提高硬度、耐磨性 淬火+中温回火各种弹簧，提高s/b 淬火+高温回火调质，轴、齿轮、交变载荷零件，综合机械性能 注：在250-350范围内回火很少使用，因为在此温度范围内，从马氏体中析出的碳化物呈细片状，从而引起钢的脆性，称为低温回火脆性。当温度超过350，碳化物转变为颗粒状的Fe3C，钢的韧性恢复。 其它回火：某些高合金钢在640-680进行回火软化。 某些精密零件（如量具），为了保持淬火后的高硬度，又要保持尺寸稳定性，仅在100-150进行长时间回火（10-50h），称为“尺寸稳定处理”或“时效处理”。第七节 钢的表面淬火 承受交变载荷、冲击载荷的零件，表面比心部承受较高的应力，且表面由于受到磨损、腐蚀等，故零件表面失效较快，需进行表面强化，使零件表面具有较高的强度、硬度、耐磨性、疲劳极限、耐腐蚀性，而心部仍保持足够的塑性、韧性，防止脆断，即具有“外硬内韧”组织。 表面淬火是钢表面强化的重要手段，具有工艺简单，热处理变形小，生产效率高等优点。 一、表面淬火的概念 表面淬火是通过对钢件表面快速加热与立即冷却相结合，在零件表面获得淬火马氏体层的热处理方法。 快速加热使钢表面很快达到淬火温度，迅速冷却使热量不能传递到零件中心，这样零件表面被淬成马氏体组织，而心部仍为未淬火组织，从而获得“外硬内韧”组织。 二、表面淬火用钢 表面淬火用钢的含碳量以0.40%-0.50%为