《工程材料及成形技术》教案 第3章钢的热处理 3.1概述 3.1.1热处理的概念 ·热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所 需要性能的一种工艺。 ·为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度一时间坐标绘出热处理工艺曲 线。 ·热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。 a）在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理， b)在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80% c)模具、滚动轴承100%需经过热处理。 ·重要零件都需适当热处理后才能使用。 3.12热处理特点和适用范围 ·热处理特点 )热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变 工件的组织来改变性能，而不改变其形状。 ·热处理适用范用 )只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处 理强化。 3.13热处理分类 ·热处理原理 )描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理。 ·热处理工艺 )根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热处理工艺。 ·依加热、冷却方式等不同，将热处理工艺分类如下： 1/1
1 / 17 《工程材料及成形技术》教案 第 3 章 钢的热处理 3.1 概述 3.1.1 热处理的概念 ⚫ 热处理: 是指将钢在固态下加热、保温和冷却, 以改变钢的组织结构, 获得所 需要性能的一种工艺。 ⚫ 为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度—时间坐标绘出热处理工艺曲 线。 ⚫ 热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。 a) 在机床制造中约 60~70%的零件要经过热处理。 b) 在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达 70~80 %。 c) 模具、滚动轴承 100%需经过热处理。 ⚫ 重要零件都需适当热处理后才能使用。 3.1.2 热处理特点和适用范围 ⚫ 热处理特点 a) 热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变 工件的组织来改变性能，而不改变其形状。 ⚫ 热处理适用范围 a) 只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处 理强化。 3.1.3 热处理分类 ⚫ 热处理原理 a) 描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理。 ⚫ 热处理工艺 a) 根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热处理工艺。 ⚫ 依加热、冷却方式等不同，将热处理工艺分类如下： 表面淬火—感应加热、火焰加热、 其他热处理 普通热处理 表面热处理 热处理 退火 正火 淬火 回火 真空热处理 形变热处理 激光热处理 控制气氛热处理 电接触加热等 化学热处理—渗碳、氮化、碳氮 共渗、渗其他元素等 表面淬火—感应加热、火焰加热、 其他热处理 普通热处理 表面热处理 热处理 退火 正火 淬火 回火 真空热处理 形变热处理 激光热处理 控制气氛热处理 电接触加热等 化学热处理—渗碳、氮化、碳氮 其他热处理 普通热处理 表面热处理 热处理 退火 正火 淬火 回火 真空热处理 形变热处理 激光热处理 控制气氛热处理 电接触加热等 化学热处理—渗碳、氮化、碳氮 共渗、渗其他元素等
·预备热处理与最终热处理 )预备热处理一为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作 准备的热处理。 ●最终热处理一赋予工件所要求的使用性能的热处理 3.1.4临界温度与实际转变温度 ·在铁碳相图中，有PSK-A1线，GS-A3线，ES-ACm线 ·实际加热或冷却时存在若过冷或过热现象 ●钢加热时的实际转变温度分别用Acl、Ac3、Accm表示。 ●冷却时的实际转变温度分别用Arl、Ar3、Arcm表示。 ●因加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中的数据是以30-50℃h的 速度加热或冷却时测得的： 3.2钢在加热时的组织转变 3.2.1奥氏体的形成过程 ●加热是热处理的第一道工序。 ·加热分两种： a)一种是在A1以下加热，不发生相变。 b)另一种是在临界点以上加热，以获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。 ·奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现以共析钢为例说明 a)第一步奥氏体晶核形成：首先在a与Fe3C相界形核。 b)第二步奥氏体品核长大：Y晶核通过碳原子的扩散向a和F3C方 向长大。 )第三步残余F3C溶解：铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因 而先消失。残余的F3C随保温时间延长继续溶解直至消失。 d)第四步奥氏体成分均匀化：Fc3C溶解后，其所在部位碳含量仍很 高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀 32.2奥氏体晶粒长大及其影响因素 ·奥氏体晶粒长大 )奥氏体起始晶粒度：奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时 晶粒细小均匀。 b) 随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这也是 一个自发的过程。 )奥氏体品粒长大过程与再结品品粒长大时程相同。 2117
2 / 17 ⚫ 预备热处理与最终热处理 a) 预备热处理—为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作 准备的热处理。 ⚫ 最终热处理—赋予工件所要求的使用性能的热处理. 3.1.4 临界温度与实际转变温度 ⚫ 在铁碳相图中 ，有 PSK—A1 线，GS—A3 线， ES—Acm 线。 ⚫ 实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象 ⚫ 钢加热时的实际转变温度分别用 Ac1、Ac3、Accm 表示。 ⚫ 冷却时的实际转变温度分别用 Ar1、Ar3、Arcm 表示。 ⚫ 因加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中的数据是以 30-50℃/h 的 速度加热或冷却时测得的。 3.2 钢在加热时的组织转变 3.2.1 奥氏体的形成过程 ⚫ 加热是热处理的第一道工序。 ⚫ 加热分两种： a) 一种是在 A1 以下加热，不发生相变。 b) 另一种是在临界点以上加热，以获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。 ⚫ 奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。 现以共析钢为例说明 a) 第一步 奥氏体晶核形成: 首先在 与 Fe3C 相界形核。 b) 第二步 奥氏体晶核长大： 晶核通过碳原子的扩散向 和 Fe3C 方 向长大。 c) 第三步 残余 Fe3C 溶解： 铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因 而先消失。残余的 Fe3C 随保温时间延长继续溶解直至消失。 d) 第四步 奥氏体成分均匀化: Fe3C 溶解后，其所在部位碳含量仍很 高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。 3.2.2 奥氏体晶粒长大及其影响因素 ⚫ 奥氏体晶粒长大 a) 奥氏体起始晶粒度：奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时 晶粒细小均匀。 b) 随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这也是 一个自发的过程。 c) 奥氏体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同
●实际品粒度 )在某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度 b)它决定了钢的性能， ●本质品粒度 a)钢加热到930℃±10℃、保温8小时、冷却后测得的品粒度。 b)表征钢在加热时，奥氏体品粒长大的领向。 ©)如果测得的晶粒粗大(14级)，则该钢称为本质粗晶粒钢。 d)如果测得的晶粒粗大(14级)，则该钢称为本质粗晶粒钢。 ©)如果测得的晶粒细小(5-8级)，则该钢称为本质细晶粒钢。 ·影响奥氏体晶粒尺寸的因素 )加热温度和保温时间：温度起高，或在一定温度下保温时间越长，奥 氏体晶粒越粗大。 b)钢的成分 .奥氏体中碳含量增高，品拉长大倾向增大。 ⅱ加入钛、钒、铌、结、铝等元素，阻碍品粒长大，有利于得到本质细 品粒钢 锰和磷促进晶粒长大。 ·奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性 因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。 3.3钢在冷却时的组织转变 3.3.1过冷奥氏体的转变产物 (一)冷却是热处理更重要的工序 (二)过冷奥氏体 ·处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。 ·过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。 ·过冷奥氏体的转变产物 )随过冷度不同，过冷奥氏体将发生三种类型转变 b)珠光体转变 ©)贝氏体转变 d)马氏体转变 ·现以共析钢为例说明： (三)珠光体转变 (1)珠光体的组织形态类型 3117
3 / 17 ⚫ 实际晶粒度 a) 在某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度。 b) 它决定了钢的性能。 ⚫ 本质晶粒度 a) 钢加热到 930℃±10℃、保温 8 小时、冷却后测得的晶粒度。 b) 表征钢在加热时，奥氏体晶粒长大的倾向。 c) 如果测得的晶粒粗大（1-4 级)，则该钢称为本质粗晶粒钢。 d) 如果测得的晶粒粗大（1-4 级)，则该钢称为本质粗晶粒钢。 e) 如果测得的晶粒细小（5-8 级)，则该钢称为本质细晶粒钢。 ⚫ 影响奥氏体晶粒尺寸的因素 a) 加热温度和保温时间：温度越高，或在一定温度下保温时间越长，奥 氏体晶粒越粗大。 b) 钢的成分： i. 奥氏体中碳含量增高，晶粒长大倾向增大。 ii. 加入钛、钒、铌、锆、铝等元素，阻碍晶粒长大，有利于得到本质细 晶粒钢。 iii. 锰和磷促进晶粒长大。 ⚫ 奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。 因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。 3.3 钢在冷却时的组织转变 3.3.1 过冷奥氏体的转变产物 （一）冷却是热处理更重要的工序。 （二）过冷奥氏体 ⚫ 处于临界点 A1 以下的奥氏体称过冷奥氏体。 ⚫ 过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。 ⚫ 过冷奥氏体的转变产物 a) 随过冷度不同，过冷奥氏体将发生三种类型转变。 b) 珠光体转变 c) 贝氏体转变 d) 马氏体转变 ⚫ 现以共析钢为例说明： （三）珠光体转变 （1）珠光体的组织形态类型
·转变温度范围：过冷奥氏体在A1-550℃的转变产物。 ·珠光体是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物。根据片层厚薄不同，又细分 为：珠光体、索氏体和屈氏体 a)珠光体：形成温度为A1-650℃，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符 号P表示。 b)索氏体：形成温度为650-600℃，片层较薄，80-100倍光镜下可辨， 用符号S表示 c)屈氏体：形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可见，用符号T 表示。 ·珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此 其界限也是相对的。 (2)珠光体的性能 ·片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善 (3)珠光体转变过程 ●珠光体转变是形核和长大的过程。 ●渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量 下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。 ·珠光体转变是扩散型转变。 (三)贝氏体转变 (1)贝氏体的组织形态类型 ●转变温度范围：过冷奥氏体在550-230℃(Ms)的转变产物，用符号B表示。 ·根据其组织形态不同，贝氏体又分为：上贝氏体(B上)、下贝氏体(B下) a)上贝氏体：形城温度为550-350℃。在光镜下呈羽毛状。在电镜下为 不连续棒状的参碳体分布于自奥氏体品界向品内平行生长的铁素体条 之间。 b)下贝氏体：形成温度为350-230℃(M5)。在光镜下呈竹叶状。在电 镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈 55-602角。 (2)贝氏体的性能 ·上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。 ·下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学 性能，是生产上常用的强化组织之一。 (3)贝氏体的转变过程 ●贝氏体转变也是形核和长大的过程」 4117
4 / 17 ⚫ 转变温度范围：过冷奥氏体在 A1- 550℃的转变产物。 ⚫ 珠光体是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物。根据片层厚薄不同，又细分 为： 珠光体、索氏体和屈氏体 a) 珠光体 ：形成温度为 A1-650℃，片层较厚，500 倍光镜下可辨，用符 号 P 表示。 b) 索氏体 ：形成温度为 650-600℃，片层较薄，800-100 倍光镜下可辨， 用符号 S 表示。 c) 屈氏体 ：形成温度为 600-550℃，片层极薄，电镜下可见，用符号 T 表示。 ⚫ 珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此 其界限也是相对的。 （2）珠光体的性能 ⚫ 片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。 （3）珠光体转变过程 ⚫ 珠光体转变是形核和长大的过程。 ⚫ 渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量 下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。 ⚫ 珠光体转变是扩散型转变。 （三）贝氏体转变 （1）贝氏体的组织形态类型 ⚫ 转变温度范围：过冷奥氏体在 550-230℃（Ms）的转变产物，用符号 B 表示。 ⚫ 根据其组织形态不同，贝氏体又分为：上贝氏体(B 上) 、下贝氏体(B 下) a) 上贝氏体 ：形成温度为 550-350℃。 在光镜下呈羽毛状。在电镜下为 不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条 之间。 b) 下贝氏体 ：形成温度为 350-230℃（Ms）。 在光镜下呈竹叶状。在电 镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈 55-60º 角。 （2）贝氏体的性能 ⚫ 上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。 ⚫ 下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学 性能，是生产上常用的强化组织之一。 （3）贝氏体的转变过程 ⚫ 贝氏体转变也是形核和长大的过程
)发生贝氏体转变时，首先在奥氏体中的贫碳区形成铁素体晶核，其含 碳量介于奥氏体与平衡铁素体之间，为过饱和铁素体： ·贝氏体转变属半扩散型转变，即只有碳原子扩散而铁原子不扩散，晶格类型 变是诵过切变实现的。 a)当转变温度较高(550-350℃)时，条片状铁素体从奥氏体品界向品内 平行生长，随铁素体条伸长和变宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最 后在铁素体条间析出F©3C短棒，奥氏体消失，形成B上。 b)当转变温度较低(350-230℃)时，铁素体在晶界或晶内某些晶面上长 成针状，由于碳原子扩散能力低其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳 在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出，形成B下。 (四)马氏体转变 ·当奥氏体过冷到230℃(Ms)以下将转变为马氏体类型组织 ●碳在Fe中的过饱和固溶体称马氏体用M表示。马氏体转变时，奥氏体 中的碳全部保留到马氏体中。 ·马氏体转变是强化钢的重要途径之一。 (1)马氏体的晶格 ·具有体心正方品格(ab≠c),轴比ca称马氏体的正方度 ·C%越高，正方度越大，正方畸变越严重。 ●当<0.25%C时，ca=1,此时马氏体为体心立方晶格 (2)马氏体的形态种类：板条马氏体针状马氏体 ·板条马氏体：立体形态为细长的扁棒状，在光镜下板条马氏体为一束束的细 条组织。每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列，一个奥氏体品粒内 可形成几个取向不同的马氏体束。在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的 位错，p=1012cm2,称位错马氏体， ·针状马氏体：立体形态为双凸透镜形的片状，显微组织为针状。在电镜下， 亚结构主要是李品，又称李晶马氏体。 (3)决定马氏体的形态的因素 ·主要取决于其含碳量 )C<0.2%,组织几乎全部是板条马氏体 b)C1.0%C,几乎全部是针状马氏体. c)C-=0.2~1.0%,为板条与针状的混合组织。 ·原始奥氏体晶粒 )先形成的马氏体片横贯整个奥氏体品粒，但不能穿过品界和李品界。 后形成的马氏体片不能穿过先形成的马氏体片，所以越是后形成的马 5/17
5 / 17 a) 发生贝氏体转变时，首先在奥氏体中的贫碳区形成铁素体晶核，其含 碳量介于奥氏体与平衡铁素体之间，为过饱和铁素体。 ⚫ 贝氏体转变属半扩散型转变，即只有碳原子扩散而铁原子不扩散，晶格类型改 变是通过切变实现的。 a) 当转变温度较高（550-350℃) 时，条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内 平行生长，随铁素体条伸长和变宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最 后在铁素体条间析出 Fe3C 短棒，奥氏体消失，形成 B 上 。 b) 当转变温度较低（350- 230℃) 时，铁素体在晶界或晶内某些晶面上长 成针状，由于碳原子扩散能力低,其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳 在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出，形成 B 下。 （四）马氏体转变 ⚫ 当奥氏体过冷到 230℃ (Ms) 以下将转变为马氏体类型组织 ⚫ 碳在 -Fe 中的过饱和固溶体称马氏体, 用 M 表示。马氏体转变时，奥氏体 中的碳全部保留到马氏体中。 ⚫ 马氏体转变是强化钢的重要途径之一。 （1）马氏体的晶格 ⚫ 具有体心正方晶格（a=b≠c），轴比 c/a 称马氏体的正方度。 ⚫ C% 越高，正方度越大，正方畸变越严重。 ⚫ 当＜0.25%C 时, c/a=1, 此时马氏体为体心立方晶格. （2）马氏体的形态种类：板条马氏体 针状马氏体 ⚫ 板条马氏体 ：立体形态为细长的扁棒状 ，在光镜下板条马氏体为一束束的细 条组织。 每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列，一个奥氏体晶粒内 可形成几个取向不同的马氏体束。在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的 位错，=1012/cm2,，称位错马氏体。 ⚫ 针状马氏体 ：立体形态为双凸透镜形的片状，显微组织为针状。 在电镜下， 亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。 （3）决定马氏体的形态的因素 ⚫ 主要取决于其含碳量 a) C<0.2%，组织几乎全部是板条马氏体。 b) C>1.0%C，几乎全部是针状马氏体. c) C=0.2~1.0%，为板条与针状的混合组织。 ⚫ 原始奥氏体晶粒 a) 先形成的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒，但不能穿过晶界和孪晶界。 后形成的马氏体片不能穿过先形成的马氏体片，所以越是后形成的马