第六周-2.4鋼熱處理2.5合金化

第二章金屬材料組織和性能的控制第一節(jié)純金屬的結(jié)晶第二節(jié)合金的結(jié)晶第三節(jié)金屬的塑性加工第四節(jié)鋼的熱處理第五節(jié)鋼的合金化第六節(jié)表面技術(shù)2.4鋼的熱處理

(HeatTreatmentofSteel)概述鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼的普通熱處理工藝鋼的表面熱處理工藝概述1、熱處理工藝: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方法.

熱處理工藝過(guò)程包括加熱、保溫、冷卻三個(gè)操作過(guò)程，通常用用熱處理工藝曲線表示。（1）特點(diǎn):通過(guò)改變工件的組織來(lái)改變性能，但不改變其形狀---和鑄造、壓力加工等工藝方法是有區(qū)別的。鑄造軋制（2）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(qiáng)化。

2.熱處理的主要目的:改變材料（鋼）的力學(xué)性能。3.熱處理的分類熱處理普通熱處理表面熱處理退火;正火;淬火;回火;表面淬火

化學(xué)熱處理感應(yīng)加熱淬火火焰加熱淬火滲碳;滲氮;碳氮共滲;滲金屬等。激光表面淬火等

2.4.1鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變一.轉(zhuǎn)變溫度——臨界溫度：A1、A3、AcmAc1、Ac3、Accm表示加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度calefaction

Ar1、Ar3、Arcm表示冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度refrigeration二、鋼的加熱轉(zhuǎn)變—奧氏體化過(guò)程1、奧氏體化：加熱到臨界點(diǎn)以上，以獲得均勻奧氏體組織為目的的操作。2、奧氏體的形成過(guò)程--形核和長(zhǎng)大的過(guò)程。以共析鋼為例說(shuō)明：分為四步。

第一步奧氏體晶核A形成:

首先在F與Fe3C相界形核.第二步奧氏體晶核長(zhǎng)大：A晶核通過(guò)碳原子的擴(kuò)散向F和Fe3C方向長(zhǎng)大。A

形核鐵素體Fe3CA

未溶Fe3CA長(zhǎng)大第三步殘余Fe3C

溶解：上述轉(zhuǎn)變時(shí)，鐵素體相先消失；殘余的Fe3C隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)繼續(xù)溶解直至消失。第四步奧氏體成分均勻化:

Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間保溫使奧氏體成分趨于均勻。殘余Fe3CA殘余Fe3C溶解AA均勻化亞共析鋼和過(guò)共析鋼的奧氏體化過(guò)程與共析鋼基本相同。但由于先共析F

或二次Fe3C的存在,要獲得全部奧氏體組織,必須相應(yīng)加熱到Ac3或

Accm以上.1、奧氏體晶粒度■實(shí)際晶粒度:在給定熱處理溫度下奧氏體的晶粒度。可以相互比較。■本質(zhì)晶粒度:在930℃、8h條件下奧氏體化得到的晶粒度。可以比較晶粒長(zhǎng)大的傾向。2、影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的因素⑴加熱溫度和保溫時(shí)間:

加熱溫度高、保溫時(shí)間長(zhǎng),晶粒粗大.和再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大過(guò)程相同。⑵加熱速度:

速度越快,過(guò)冷度越大,形核率越高,晶粒越細(xì).三、奧氏體的晶粒度及其影響因素

奧氏體晶粒粗大，冷卻后的組織也粗大，降低鋼的力學(xué)性能，尤其是塑性。因此加熱得到細(xì)而均勻的奧氏體晶粒是熱處理的關(guān)鍵問(wèn)題之一。⑶鋼的化學(xué)成分：阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的元素：Ti、V、Nb、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。促進(jìn)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的元素：Mn、P、C、N析出顆粒對(duì)黃銅晶界的釘扎Nb/%奧氏體晶粒尺寸/μmNb、Ti對(duì)奧氏體晶粒的影響■

處于臨界點(diǎn)A1以下的奧氏體稱過(guò)冷奧氏體。過(guò)冷奧氏體是非穩(wěn)定組織，遲早要發(fā)生轉(zhuǎn)變?！鲞^(guò)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

等溫轉(zhuǎn)變過(guò)程2——連續(xù)冷卻

連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過(guò)程A1

2.4.2鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變鋼在A化后有兩種冷卻方式：

1、等溫冷卻將鋼迅速冷卻到臨界點(diǎn)以下的給定溫度，進(jìn)行保溫，在該溫度恒溫轉(zhuǎn)變。

2、連續(xù)冷卻將鋼以某種速度連續(xù)冷卻，使其在臨界點(diǎn)以下變溫連續(xù)轉(zhuǎn)變。2.4.2鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變1、過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖（TTT曲線）

過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖是表示奧氏體急速冷卻到臨界點(diǎn)A1以下，在各不同溫度等溫轉(zhuǎn)變時(shí)轉(zhuǎn)變量與轉(zhuǎn)變時(shí)間的關(guān)系曲線。TTT曲線又稱C曲線。一、過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變（C曲線）共析鋼TTT圖A1過(guò)冷奧氏體區(qū)產(chǎn)物區(qū)產(chǎn)物區(qū)溫度在臨界溫度A1以上時(shí)，奧氏體是穩(wěn)定的，能長(zhǎng)期存在。降低到A1以下時(shí)，奧氏體處于過(guò)冷狀態(tài)不穩(wěn)定，發(fā)生轉(zhuǎn)變。三條水平線A1

A和P的平衡溫度Ms

A→M的開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度Mf

A→M的終了轉(zhuǎn)變溫度兩條曲線左過(guò)冷A轉(zhuǎn)變開(kāi)始線右過(guò)冷A轉(zhuǎn)變終了線1、共析鋼過(guò)冷A的等溫轉(zhuǎn)變（C曲線）2、共析碳鋼等溫轉(zhuǎn)變組織與性能分析穩(wěn)定的奧氏體區(qū)過(guò)冷奧氏體區(qū)A向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變開(kāi)始線A向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變終止線

A+產(chǎn)物區(qū)產(chǎn)物區(qū)A1～550℃;高溫轉(zhuǎn)變區(qū);擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變;P轉(zhuǎn)變區(qū)。550～230℃;中溫轉(zhuǎn)變區(qū);半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變;

貝氏體(B)轉(zhuǎn)變區(qū);230～-50℃;低溫轉(zhuǎn)變區(qū);非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變;馬氏體(M)轉(zhuǎn)變區(qū)。時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf1）珠光體型(P)轉(zhuǎn)變(A1～550℃):A1～650℃:片間距為0.6～0.7μm(500×);稱珠光體（P），硬度：5～25HRC。

650～600℃:片間距為0.2～0.4μm(1000×);稱索氏體(S);硬度：25～36HRC。600～550℃:片間距為＜0.2μm(電鏡);稱屈氏體(T);硬度：35～40HRC。片間距越小性能越好！珠光體形貌光鏡下形貌電鏡下形貌光鏡形貌電鏡形貌索氏體形貌屈氏體形貌電鏡形貌光鏡形貌珠光體P、索氏體S、屈氏體T

都屬于珠光體類型的組織，都是鐵素體和滲碳體組成的片層相間的機(jī)械混合物，它們的差別僅僅是片間距不同。2）貝氏體型(B)轉(zhuǎn)變(550～230℃):貝氏體（B）是滲碳體分布在碳過(guò)飽和的F基體上的兩相混合物，但二者的不同分布得到上貝氏體（B上）和下貝氏體（B下）。半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度不同，形成的B形態(tài)不同，550~350℃B上羽毛狀，小片狀滲碳體分布在成排的F片之間350℃~MsB下，黑色針狀上貝氏體下貝氏體2）貝氏體型(B)轉(zhuǎn)變(550～230℃):

★B上，羽毛狀，F(xiàn)和Fe3C較粗大，硬度低，韌性低?！顱下，黑色針狀，細(xì)小無(wú)方向性，而F內(nèi)碳化物細(xì)小彌散，位錯(cuò)密度很高，強(qiáng)度高，韌性也很好，具有良好的綜合機(jī)械性能。上貝氏體：550～350℃:B上、典型形貌羽毛狀;

硬度：40～45HRC。上貝氏體組織金相圖下貝氏體：350～230℃:B下、典型形貌—黑色針狀;

硬度：50～60HRC。下貝氏體組織金相圖3）馬氏體型(M)轉(zhuǎn)變(230～-50℃):（1）定義:馬氏體是一種碳在α–Fe中的過(guò)飽和固溶體。（2）馬氏體的形態(tài)：由碳含量決定，典型形貌為板條狀和片狀兩類。光鏡下光鏡下板條狀片狀◆

板條狀---低碳馬氏體(＜0.2%C);硬度：30～50HRC;延伸率：δ=9～17%。◆

針、片狀---高碳馬氏體(＞1%C);

硬度：66HRC左右;延伸率：δ≈1%。◆碳含量（0.2＜%C＜1.0）范圍：

馬氏體形態(tài)為板條狀和片狀的混合狀，C%越高，片狀馬氏體所占的比例越多。45鋼淬火組織，400×馬氏體的碳濃度Wc100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度(HRC)2000抗拉強(qiáng)度σb(Mpa)180014001000600200（3）馬氏體的性能:主要取決于馬氏體中的碳含量。二、奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變1、共析碳鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線---CCT曲線只有P和M轉(zhuǎn)變區(qū)沒(méi)有B轉(zhuǎn)變區(qū)Ps

—A過(guò)冷→P的開(kāi)始線Pf—A過(guò)冷→P的終了線kk′—A過(guò)冷轉(zhuǎn)變中止線2.臨界冷卻速度VK：鋼在淬火冷卻時(shí)，獲得馬氏體組織的最小冷卻速度。3.連續(xù)冷卻過(guò)程組織分析例共析鋼（碳素鋼）連續(xù)冷卻組織分析（1）爐冷:室溫組織

P（粗片狀）（2）空冷：室溫組織

P（細(xì)片狀）（3）油冷：室溫組織

P+M（4）水冷：室溫組織

M

常用的熱處理加熱設(shè)備：2.4.3鋼的普通熱處理

2.4.3鋼的普通熱處理一般零件生產(chǎn)的工藝路線:毛坯生產(chǎn)預(yù)備熱處理機(jī)械粗加工最終熱處理機(jī)械精加工預(yù)備熱處理:退火;正火最終熱處理:淬火;回火一、鋼的退火(Annealingofsteel)

1、定義:把鋼加溫到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間后緩慢冷卻（一般為隨爐冷卻）的熱處理工藝．2、目的:消除內(nèi)應(yīng)力；

降低硬度為機(jī)加工做準(zhǔn)備；均勻組織，為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備。3、種類退火重結(jié)晶退火低溫退火完全退火擴(kuò)散退火球化退火再結(jié)晶退火去應(yīng)力退火普通退火等溫退火普通球化退火等溫球化退火

（2）等溫退火

Ac3＋20℃~30℃（快速冷卻）

目的：縮短退火時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，獲得均勻的組織和性能

（3）球化退火

Ac1＋20～30℃。過(guò)共析鋼和合金工具鋼。目的：降低硬度、均勻組織、改善切削性能，為淬火作組織準(zhǔn)備獲得粒狀珠光體。（1）完全退火

Ac3＋20℃~30℃。獲得接近平衡組織。（緩慢冷卻）目的：細(xì)化晶粒、降低硬度以改善切削加工性能和消除內(nèi)應(yīng)力

共析鋼球化退火組織(化染)700T10鋼球化退火組織(化染)500（6）再結(jié)晶退火

650～700℃，獲得細(xì)小均勻的等軸晶粒。目的：消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及成形性能。（5）去應(yīng)力退火500～650℃，保溫后隨爐緩慢冷卻。目的：消除因變形加工及鑄造、焊接過(guò)程中引起的殘余內(nèi)應(yīng)力，以提高工件的尺寸穩(wěn)定性，防止變形和開(kāi)裂。（4）擴(kuò)散退火（均勻化退火）Ac3或Accm＋100～200℃，10-15h。目的：消除枝晶偏析，組織粗大需要完全退火或正火處理。二、鋼的正火(Normalizingofsteel)1、定義:

把零件加溫到臨界溫度以上30～50℃,保溫一段時(shí)間,然后在空氣中冷卻。2、目的:

作為最終熱處理-細(xì)化晶粒，均勻組織，提高強(qiáng)度、硬度、塑性;

作為預(yù)先熱處理-細(xì)化晶粒，均勻組織，為淬火或球化退火做準(zhǔn)備；

改善切削加工性能-可提高硬度。溫度(°C)名稱Ac3+30～50亞共析鋼Ac1+30～50共析鋼Accm+30～50過(guò)共析鋼3、工藝參數(shù)溫度(°C)名稱Ac3+30～50亞共析鋼Ac1+30～50共析鋼Ac1+30～50過(guò)共析鋼三、鋼的淬火1、定義：加熱到相變(臨界）溫度以上30～50℃，保溫一定時(shí)間，快速冷卻以獲得馬氏體組織的熱處理工藝。

2、工藝參數(shù)3、熱處理后的組織:

M+Fe3C+A殘

Ac1+30～50過(guò)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4、淬火加熱時(shí)間(τ)的選擇:

升溫+保溫τ

=α

K

D工件有效厚度(尺寸最小部位)裝爐量有關(guān)系數(shù)一般K=1～1.5加熱系數(shù),與鋼種及加熱介質(zhì)有關(guān)高溫區(qū)（650-550oC）低溫區(qū)（300-200oC）理想介質(zhì)快慢水快快鹽水慢快油慢慢堿/硝鹽浴慢特慢5常用的淬火冷卻介質(zhì)6、鋼的淬硬性(Hardeningofsteel)1）定義:是指鋼在淬火后所能達(dá)到的最高硬度。2）影響鋼的淬硬性的因素:主要取決于馬氏體的含碳量.7、鋼的淬透性(Hardenabilityofsteel)1）定義:是指鋼在淬火時(shí)所能得到的淬硬層(馬氏體組織占50%處)的深度。2）影響鋼的淬透性的因素:主要受碳含量和合金元素的影響。例：加入合金元素Cr、Ni、Mn等顯著提高鋼的淬透性采用“多組元、少含量”效果更顯著3）淬硬性與淬透性之間的關(guān)系:淬透性淬硬性鋼種小低碳素結(jié)構(gòu)鋼(20)小高碳素工具鋼(T12A)大低低碳合金結(jié)構(gòu)鋼(20Cr2Ni4A)大高高碳高合金工具鋼(W18Cr4V)四、鋼的回火(Temperingofsteel)1、定義:

把淬火后的零件重新加溫到臨界溫度（Ac1線）以下某個(gè)溫度,保溫一段時(shí)間,然后冷卻到室溫。2、目的:(1)消除淬火應(yīng)力,降低脆性;---易變形和開(kāi)裂(2)穩(wěn)定組織和工件尺寸;----馬氏體組織不穩(wěn)定，易分解(3)調(diào)整淬火零件的力學(xué)性能,獲得強(qiáng)韌配合。---馬氏體組織硬度大，塑性低3、淬火鋼回火過(guò)程中的組織變化

淬火后的組織為馬氏體+殘余奧氏體，都是不穩(wěn)定組織，本身有向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，回火過(guò)程加熱和保溫加速這一過(guò)程的發(fā)展。

隨回火溫度升高，淬火組織變化過(guò)程如下：

回火馬氏體組織金相圖組織：回火馬氏體M回+殘余奧氏體1.低溫回火150～250℃，回火M+A’降低應(yīng)力和脆性，高的硬度、強(qiáng)度和耐磨性，耐磨件

回火屈氏體組織金相圖組織：回火屈氏體T回(鐵素體+粗粒狀滲碳體）

2.中溫回火350～500℃，回火T中溫回火后具有高的彈性極限，彈簧件

回火索氏體組織金相圖組織：回火索氏體S回（鐵素體+細(xì)粒狀滲碳體）高溫回火

500～650℃，回火S

高的綜合力學(xué)性能，淬火+高溫回火=調(diào)質(zhì)處理中碳結(jié)構(gòu)鋼曲軸、連桿、連桿螺栓、汽車拖拉機(jī)半軸、機(jī)床主軸及齒輪等重要機(jī)器零件。耐磨件M回150～250低溫回火彈簧等T回350～500中溫回火調(diào)質(zhì)件S回500～650高溫回火高合金鋼P(yáng)粒650～A1高溫軟化總結(jié)：回火工藝參數(shù)和組織淬火+高溫回火=調(diào)質(zhì)處理用途組織溫度(℃)名稱淬火+高溫回火=調(diào)質(zhì)處理

2.4.4鋼的表面熱處理

表面淬火：僅對(duì)鋼的表面加熱、冷卻而不改變其成分的熱處理工藝稱為表面處理，也叫表面淬火。1、（火焰表面淬火）

乙炔-氧或煤氣-氧2、感應(yīng)加熱表面淬火原理：電磁感應(yīng)原理

特點(diǎn)：①過(guò)熱度大。②細(xì)小隱晶M組織，高2～3HRC。③表層存在很大的殘余壓應(yīng)力。④無(wú)氧化、脫碳，工件變形很小。⑤易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化。3、激光表面淬火激光表面處理示意圖超快加熱相變加熱速度：104~106℃/s冷卻速度：106~108℃/s，自冷淬火

2.4.5鋼的化學(xué)熱處理定義：將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使介質(zhì)中的一種或幾種元素原子滲入工件表面，以改變鋼件表層化學(xué)成分和組織的熱處理工藝?；具^(guò)程：①介質(zhì)的分解：形成活性原子；②表面吸收和溶解：形成固溶體或化合物；③原子擴(kuò)散：形成一定的擴(kuò)散層。1．滲碳滲碳：活性碳原子［C］滲入鋼的表層。目的：增加表面C含量，淬火＋低溫回火，表面硬，心部韌

方法：氣體、固體、液體鋼種：低碳鋼和低碳合金鋼如20、20Cr、20CrMnTi工藝：900~950℃，時(shí)間-厚度1h，0.5mm，4h，1mm

2．滲氮氮化：在一定溫度下使活性氮原子［N］滲入工件表面。目的：提高硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、熱硬性和耐蝕性方法：氣體滲氮、離子滲氮、氮碳共滲（軟氮化）等工藝：調(diào)質(zhì)，500~600℃，20~50h，0.3~0.5mm38CrMoAl鋼氮化工藝曲線圖3．碳氮共滲氰化：同時(shí)向鋼件表面滲入碳和氮原子。性能介于滲碳與滲氮零件之間。5.滲鉻耐磨耐蝕及抗氧化性6.滲鋁

提高熱穩(wěn)定性、耐磨耐蝕性4.滲硼提高硬度、耐磨性和耐蝕性602.5鋼的合金化合金元素：碳鋼中有意識(shí)地加入的元素。Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Al、Co、B、RE等，P、S、N。目的：需要的組織結(jié)構(gòu)、物理、化學(xué)和力學(xué)性能61合金元素在鋼中的分布：①溶解于固溶體→合金F及合金A；②形成強(qiáng)化相→碳、氮化合物或溶于滲碳體中形成合金滲碳體③少量夾雜物→氧化物、硫化物等；④在高合金鋼中還可能形成金屬間化合物。存在方式主要取決于它們與鐵和碳的相互作用情況62一、合金元素與鐵、碳的作用1.溶于鐵中部分?jǐn)U大A相區(qū)的元素：C、N、Cu完全擴(kuò)大A相區(qū)的元素：Mn、Ni、Co按其對(duì)α-Fe或γ-Fe的作用，可將合金元素分為兩大類：奧氏體穩(wěn)定化元素（擴(kuò)大γ相區(qū)的元素

）：63部分縮小A：B、Nb、Zr鐵素體穩(wěn)定化元素（縮小γ相區(qū)元素）：完全封閉A：Cr（7%）、Mo、W、V、Ti、A1、Si64與碳親和力，兩大類：（1）非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、A1、N、B等。溶于鐵素體和奧氏體中。（2）碳化物形成元素：V、Nb、Zr、Ti、W、Mo、Cr、Mn等2.與碳的作用碳化物都有較高的硬度和熔點(diǎn)，是重要的強(qiáng)化相65所有合金元素勻使S、E點(diǎn)左移，即這兩點(diǎn)的含碳量下降，使碳含量比較低的鋼出現(xiàn)過(guò)共析組織（如4