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1、第2章钢的热处理第1页，本讲稿共55页改善金属材料性能的改善金属材料性能的主要途径：主要途径：加工硬化（主要提高强度）加工硬化（主要提高强度）合金化（可全面提高性能，第合金化（可全面提高性能，第3章）。章）。整体热处理（全面提高性能）。整体热处理（全面提高性能）。表面改性（表面热处理、表面涂层等，表面改性（表面热处理、表面涂层等，提高表面性能）。提高表面性能）。概述概述第2页，本讲稿共55页1.热处理的定义热处理的定义:时间温度临界温度临界温度 加热加热保温保温冷冷 却却第3页，本讲稿共55页2.热处理的热处理的主要目的主要目的:改变钢的性能。改变钢的性能。3.热处理的热处理的应用范围应用范围
2、:整个制造业。整个制造业。4.热处理的热处理的分类分类热处理热处理普普 通通热处理热处理表表 面面热处理热处理退火退火;正火正火;淬火淬火;回火回火;表面淬火表面淬火 化化 学学 热处理热处理感应加感应加热淬火热淬火火焰加火焰加热淬火热淬火渗碳渗碳;渗氮渗氮;碳氮共渗碳氮共渗;特殊热处特殊热处理理第4页，本讲稿共55页2.1 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变转变温度转变温度奥氏体的形成奥氏体的形成奥氏体晶粒度及对力学性能的影响奥氏体晶粒度及对力学性能的影响第5页，本讲稿共55页一一.转变温度转变温度(transformation temperature)第6页，本讲稿共55页二、奥氏体
3、的形成奥氏体的形成（1）共析钢的奥氏体形成过程）共析钢的奥氏体形成过程基本过程包括形核、长大、残余渗碳体溶解和奥氏体基本过程包括形核、长大、残余渗碳体溶解和奥氏体成分均匀化四个阶段。成分均匀化四个阶段。奥氏体的形成速度与加热温度、加热速度及钢的原始组奥氏体的形成速度与加热温度、加热速度及钢的原始组织有关。织有关。提高加热温度和加热速度都使奥氏体的形成速度加快。提高加热温度和加热速度都使奥氏体的形成速度加快。原始组织中铁素体和渗碳体的相界面俞多，奥氏原始组织中铁素体和渗碳体的相界面俞多，奥氏体的形成速度愈快。体的形成速度愈快。第7页，本讲稿共55页奥奥氏氏体体的的形形成成FFe3C未溶未溶Fe3
4、CA残余残余Fe3CAAAA 形核形核A 长大长大残余残余Fe3C溶解溶解A 均匀化均匀化第8页，本讲稿共55页（2）亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程）亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程过程与共析钢的奥氏体形成过程相似，不同的是在完成珠过程与共析钢的奥氏体形成过程相似，不同的是在完成珠光体向奥氏体的转变之后，还要分别发生先共析铁素体转光体向奥氏体的转变之后，还要分别发生先共析铁素体转变为奥氏体和先共析二次渗碳体溶入奥氏体的过程。变为奥氏体和先共析二次渗碳体溶入奥氏体的过程。第9页，本讲稿共55页三三.奥氏体晶粒度及对力学性能的影响奥氏体晶粒度及对力学性能的影响一一)奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度:
5、晶粒大小晶粒大小 1.起始晶粒度起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏珠光体刚刚转变成奥氏 体的晶粒大小。体的晶粒大小。2.实际晶粒度实际晶粒度:热处理后实际获得的奥氏热处理后实际获得的奥氏 体晶粒的大小。体晶粒的大小。3.本质晶粒度本质晶粒度:表示钢在加热时奥氏体晶粒长大趋势的表示钢在加热时奥氏体晶粒长大趋势的大小大小。第10页，本讲稿共55页不同牌号的钢，奥氏体晶粒长大的趋势不同。分为：不同牌号的钢，奥氏体晶粒长大的趋势不同。分为：本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢随温度升高，晶粒迅速长大。随温度升高，晶粒迅速长大。本质细晶粒钢本质细晶粒钢晶粒不容易长大，只有更高温度下才晶粒不容易长大，只有更高温度下才迅
6、速长大。迅速长大。一般用一般用Al脱氧或含有脱氧或含有Nb、Ti、V等元素的钢都是本质细等元素的钢都是本质细晶粒钢。晶粒钢。奥氏体的晶粒度分为奥氏体的晶粒度分为8级，级，1-3级级粗晶粒；粗晶粒；4-6级级中等晶粒；中等晶粒；7-8级级细晶细晶粒粒第11页，本讲稿共55页 钢的本质晶粒度示意图钢的本质晶粒度示意图第12页，本讲稿共55页二二)奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响1.奥氏体晶粒均匀细小奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。热处理后钢的力学性能提高。2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的
7、变形甚至开裂。的变形甚至开裂。有些热处理工艺需在高温下进行长时间加热才能实现，所有些热处理工艺需在高温下进行长时间加热才能实现，所以必须采用本质细晶粒钢，比如渗碳，以必须采用本质细晶粒钢，比如渗碳，900-950，5-8h。奥氏体化过程中影响奥氏体晶粒大小的主要因素是加热温奥氏体化过程中影响奥氏体晶粒大小的主要因素是加热温度和保温时间。度和保温时间。第13页，本讲稿共55页 2.2 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢在热处理时的冷却方式钢在热处理时的冷却方式过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变第14页，本讲稿共55页一一.钢在
8、热处理时的冷却方式钢在热处理时的冷却方式 热热加加保温保温时间温度临界温度临界温度连续冷却连续冷却等温冷却等温冷却第15页，本讲稿共55页有两种冷却方式：有两种冷却方式：等温冷却等温冷却：将奥氏体化的钢，冷却到临界点以：将奥氏体化的钢，冷却到临界点以下的某一温度下等温保持下的某一温度下等温保持连续冷却连续冷却：将奥氏体化的钢，以不同的冷却速：将奥氏体化的钢，以不同的冷却速度连续冷却。度连续冷却。过冷奥氏体过冷奥氏体在临界温度以下尚未发生转变在临界温度以下尚未发生转变的不稳定奥氏体。的不稳定奥氏体。第16页，本讲稿共55页二二.过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的等温冷却转变一一)建立共析钢过冷
9、奥氏体等温冷却转建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转 变曲线变曲线-TTT曲线曲线(C 曲线曲线)T-timeT-temperatureT-transformation第17页，本讲稿共55页 共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1第18页，本讲稿共55页共析碳钢共析碳钢 TTT曲线曲线时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1第19页，本讲稿共55页二二)共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线的分析
10、曲线的分析稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过过冷冷奥奥氏氏体体区区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线 A+产产 物物 区区产产物物区区A1550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变;P 转变区。转变区。550230;中温转变中温转变区区;半扩散型转变半扩散型转变;贝氏体贝氏体(B)转变区转变区;230-50;低温转低温转变区变区;非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体(M)转变区。转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf第20页，本讲稿共55页过冷奥氏体等温冷却转变曲线分析过
11、冷奥氏体等温冷却转变曲线分析孕育期孕育期过冷奥氏体开始等温停留至转变开始之间的过冷奥氏体开始等温停留至转变开始之间的时间。时间。从从C曲线可以看出：曲线可以看出：孕育期和转变速度随等温温度而变化。孕育期和转变速度随等温温度而变化。在在550时孕育期最短时孕育期最短C曲线的曲线的“鼻尖鼻尖”，转变速度，转变速度最快。最快。转变类型随等温温度而变化转变类型随等温温度而变化随等温温度的下降，分为珠光体转变（随等温温度的下降，分为珠光体转变（A1-550）；）；贝氏体转变（贝氏体转变（550-230）和马氏体转变）和马氏体转变第21页，本讲稿共55页三三)转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能1.珠
12、光体型珠光体型(P)转变转变(A1550):A1650:P;520HRC;片间距为片间距为0.60.7m(500)。650600:细片状细片状P-索氏体索氏体(S);片间距为片间距为0.20.4m(1000);2030HRC。600550:极细片状极细片状P-托氏体托氏体(T);片间距为片间距为0.2m(电镜电镜);3040HRC。第22页，本讲稿共55页 珠珠 光光 体体 形形 貌貌 像像光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌第23页，本讲稿共55页光镜形貌电镜形貌 索索 氏氏 体体 形形 貌貌 像像第24页，本讲稿共55页 托托 氏氏 体体 形形 貌貌 像像电镜形貌光镜形貌第25页，本讲
13、稿共55页三三)转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能2.贝氏体型贝氏体型(B)转变转变(550230):550350:B上上;4045HRC;B上上=过饱和碳过饱和碳-Fe条状条状+Fe3C细条状细条状过饱和碳过饱和碳-Fe条状条状 Fe3C细条状细条状羽毛状羽毛状性能：硬度较高，但脆性大，很少使用。性能：硬度较高，但脆性大，很少使用。第26页，本讲稿共55页 上贝氏体组织金相图上贝氏体组织金相图第27页，本讲稿共55页2.贝氏体型贝氏体型(B)转变转变(550230):350230:B下下;5060HRC;B下下=过饱和碳过饱和碳-Fe针叶状针叶状+Fe3C细片状细片状过饱和碳过饱和碳-
14、Fe针叶状针叶状Fe3C细片状细片状针叶状针叶状性能：硬度高、塑性、韧性也较好。性能：硬度高、塑性、韧性也较好。第28页，本讲稿共55页 下贝氏体组织金相图下贝氏体组织金相图第29页，本讲稿共55页三三)转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能3.马氏体型马氏体型(M)转变转变(230-50):1)定义定义:马氏体是一种碳在马氏体是一种碳在 Fe中的中的 过饱过饱和固溶体。和固溶体。2)转变特点转变特点:在一个温度范围内在一个温度范围内连续冷却完成连续冷却完成;转变速度极快，即转变速度极快，即瞬间形核与长大瞬间形核与长大;无扩散转变无扩散转变(Fe、C原子均不扩散原子均不扩散),M与原与原A的
15、成分相同，造成晶格畸变的成分相同，造成晶格畸变第30页，本讲稿共55页马氏体的比容最大（单位质量物质的体积），因此马氏马氏体的比容最大（单位质量物质的体积），因此马氏体转变时要发生体积膨胀，产生应力，导致钢件的变形体转变时要发生体积膨胀，产生应力，导致钢件的变形与开裂。与开裂。转变不完全性转变不完全性，QM=f(T)马氏体在马氏体在Ms和和Mf之间连续冷却过程中形成的，之间连续冷却过程中形成的，马氏体的马氏体的形成量取决于温度形成量取决于温度，与等温时间无关。，与等温时间无关。Ms和和Mf的位置与冷却速度无关，取决于奥氏体的含碳量。的位置与冷却速度无关，取决于奥氏体的含碳量。碳含量越高，碳含量
16、越高，Ms和和Mf越低，越低，C0.5%以后，以后，Mf在室温在室温以下，所以淬火到室温，不能全部转变为马氏体，保留了以下，所以淬火到室温，不能全部转变为马氏体，保留了一部分奥氏体，称为残余奥氏体。一部分奥氏体，称为残余奥氏体。第31页，本讲稿共55页残余奥氏体的存在不仅降低钢的硬度和耐残余奥氏体的存在不仅降低钢的硬度和耐磨性，而且由于在零件使用过程中，残余磨性，而且由于在零件使用过程中，残余奥氏体会继续转变为马氏体，使零件的尺奥氏体会继续转变为马氏体，使零件的尺寸发生变化，尺寸精度降低。寸发生变化，尺寸精度降低。对高精度零件要采用冷处理（对高精度零件要采用冷处理（-78）或深）或深冷处理（冷
17、处理（-183）第32页，本讲稿共55页奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响6007005003004002001000-100-2000.20.4 0.6 0.8 1.0 1.21.4 1.6 1.8 2.00温度 Wc 100MsMf第33页，本讲稿共55页90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7Wc%残余奥氏体量(%)奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响第34页，本讲稿共55页3)马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构:由于碳的过饱和作由于碳的
18、过饱和作 用，使用，使 Fe晶格由晶格由体心立方体心立方变变成体心正方晶格。成体心正方晶格。第35页，本讲稿共55页4)马氏体的组织形态马氏体的组织形态:两种两种板条状板条状-低碳马氏体低碳马氏体(0.2%C);3050HRC;=917%。第36页，本讲稿共55页 低碳板条状马氏体组织金相图低碳板条状马氏体组织金相图第37页，本讲稿共55页针、片状针、片状-高碳马氏体高碳马氏体(1%C);66HRC左右左右;1%。第38页，本讲稿共55页 高碳针片状马氏体组织金相图高碳针片状马氏体组织金相图第39页，本讲稿共55页碳含量介于上述两者之间，则组织为板碳含量介于上述两者之间，则组织为板条状和针状的
19、混合组织。条状和针状的混合组织。马氏体的硬度和强度主要取决于含碳量，马氏体的硬度和强度主要取决于含碳量，塑性、韧性也与含碳量有关。塑性、韧性也与含碳量有关。第40页，本讲稿共55页马氏体的碳浓度 Wc%507040602030100.10.30.20.400.5 0.6 0.7 0.80.9 1.0硬度(HRC)2000抗拉强度b(Mpa)1800 1400 1000 600 200马氏体的性能马氏体的性能:主要取决于马氏体中的碳浓度。主要取决于马氏体中的碳浓度。第41页，本讲稿共55页 四四)影响影响 TTT 曲线形状曲线形状 与位置的因素与位置的因素1.奥氏体中含碳量的影响奥氏体中含碳量的
20、影响:过共过共析钢析钢共析共析 钢钢亚共亚共析钢析钢时间温度A1第42页，本讲稿共55页 亚共析钢的亚共析钢的TTT曲线曲线 FAP+FS+FTBM+A残残A3时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1MsMf第43页，本讲稿共55页 过共析钢的过共析钢的TTT曲线曲线P+Fe3CS+Fe3CTBM+A残残 Fe3CAACM时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1MsMf第44页，本讲稿共55页奥氏体中含碳量的影响总结奥氏体中含碳量的影响总结:亚共析
21、钢和过共析钢的亚共析钢和过共析钢的C曲线分别比共析钢的曲线分别比共析钢的C曲线的曲线的左上部多了一条先共析铁素体析出线和先共析渗碳体析左上部多了一条先共析铁素体析出线和先共析渗碳体析出线；出线；奥氏体中的碳含量不同，奥氏体中的碳含量不同，C曲线的位置不同。曲线的位置不同。共析钢的共析钢的C曲线最靠右，即过冷奥氏体最稳定。曲线最靠右，即过冷奥氏体最稳定。亚共析钢的亚共析钢的C曲线随含碳量增加而右移，而过共析钢曲线随含碳量增加而右移，而过共析钢C曲线随含碳量增加而左移。曲线随含碳量增加而左移。随含碳量增加，随含碳量增加，C曲线上的曲线上的Ms和和Mf下降。下降。第45页，本讲稿共55页2.奥氏体中
22、含合金元素的影响奥氏体中含合金元素的影响:除除Co外，所有溶入奥氏体的合金元素使外，所有溶入奥氏体的合金元素使C曲线右移。曲线右移。除除Co、Al外，所有溶入奥氏体的合金元外，所有溶入奥氏体的合金元素使素使C曲线上的曲线上的Ms和和Mf下降。下降。有些溶入奥氏体的合金元素会改变有些溶入奥氏体的合金元素会改变C曲线曲线的形状。的形状。C曲线的位置与钢的淬透性有关，而曲线的位置与钢的淬透性有关，而Ms和和Mf的降低将增加残余奥氏体量。的降低将增加残余奥氏体量。第46页，本讲稿共55页向右移向右移向向下下移移MsA1A1Ms含含Cr合金钢合金钢除Co外除Co、Al外第47页，本讲稿共55页加热温度越
23、高加热温度越高,保温时间越长保温时间越长,碳化物溶解充分碳化物溶解充分,奥氏体成分均匀奥氏体成分均匀,提高了过冷奥氏体的稳定性提高了过冷奥氏体的稳定性,从而从而使使 TTT曲曲线向右移。线向右移。3.加热温度和保温时间的影响加热温度和保温时间的影响:第48页，本讲稿共55页三三.过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变一一)建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转 变曲线变曲线-CCT 曲线曲线 C-continuousC-coolingT-transformation第49页，本讲稿共55页Vk 一一)共析碳钢共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图
24、时间(lg )温度A1PfPsA+PKMsMf水冷水冷油冷油冷Vk1炉冷炉冷空冷空冷第50页，本讲稿共55页Vk 共析碳钢共析碳钢 CCT 曲线曲线时间(lg )温度A1PfPsA+PKMsMf水冷水冷油冷油冷Vk1炉冷炉冷空冷空冷第51页，本讲稿共55页二二)共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线与曲线与CCT曲线的比较曲线的比较稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMfCCT曲线曲线TTT曲线曲线第52页，本讲稿共55页CCT曲线与曲线与C曲线的区别：曲线的区别：共析钢为例：共析钢为例：CCT曲线位
25、于曲线位于C曲线右下方，曲线右下方，也有珠光体转变开始线和终了线，也有珠光体转变开始线和终了线，无贝氏体无贝氏体转变，多了一条珠光体中止线。转变，多了一条珠光体中止线。过共析钢的过共析钢的CCT曲线上也没有贝氏体转变，曲线上也没有贝氏体转变，但亚共析钢在连续冷却过程中在一定温度范但亚共析钢在连续冷却过程中在一定温度范围内会部分转变为贝氏体。围内会部分转变为贝氏体。CCT曲线很难测定，实际生产中参照曲线很难测定，实际生产中参照C曲线曲线来定性估计连续冷却转变过程。来定性估计连续冷却转变过程。第53页，本讲稿共55页方法：方法：将连续冷却速度线画在将连续冷却速度线画在C曲线图上，曲线图上，根据冷却
26、速度线与根据冷却速度线与C曲线相交的位置大致曲线相交的位置大致估计某种冷却速度下实际转变获得的组估计某种冷却速度下实际转变获得的组织。织。临界冷却速度（临界冷却速度（Vk）获得全部马氏获得全部马氏体组织的最小冷却速度。体组织的最小冷却速度。Vk的大小对热处理的工艺操作具有重大的大小对热处理的工艺操作具有重大意义。意义。第54页，本讲稿共55页稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf三三)在连续冷却过程中在连续冷却过程中 TTT 曲线的应用曲线的应用V1V2VkV3V4V1=5.5/s:炉冷炉冷;PV2=20/s:空冷空冷;SV3=33/s:油冷油冷;T+M+A残残V4 138/s:水冷水冷;M+A残残共析钢第55页，本讲稿共55页