[教育学]材料工程基础.doc

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1、3.1 概述 3.1.1热处理概念 将钢在固态下通过加热，保温，并以一定的速度冷却到室温，从而获得所需性能的一种工艺方法。3.1.2热处理的目的：通过改变组织达到改变性能的目的。3.1.3热处理的过程任何一种热处理都要经过加热，保温，冷却三个过程，因此，加热速度，最高加热温度，保温时间，冷却速度就成为热处理工艺的四大要素。 图3-1-1 热处理工艺曲线3.1.4热处理的依据：A1，A3，Acm 。因为在这三条线上有相变发生。 图3-1-2 图3-1-3 临界点在Fe-Fe3C相图上的位置 3.1.5热处理分类整体热处理：退火、正火、淬火、回火表面热处理：表面淬火化学热处理：渗碳，碳氮共渗，渗氮

2、 3.2 钢在加热、冷却时的转变 3.2.1 钢在加热时的转变1钢的奥氏体化把钢加热到相变点以上，获得全部或部分奥氏体组织的过程叫钢的奥氏体化。钢的奥氏体化是一个重结晶的过程。（1）共析钢的奥氏体化过程 动画3-2-1 共析钢奥氏体化过程共析钢在A1温度以下为P，将其缓慢加热到A1温度以上，在一定的加热温度下要发生P体向A体的转变，这是一个重结晶的过程，是需要通过铁碳原子的扩散、形核、长大和成分的均匀化过程来完成的。共析钢的奥氏体化过程分为以下四个阶段：1)奥氏体形核 F体的c=0.0218%，具有体心立方晶格；Fe3C体的c=6.69%，具有复杂立方晶格；在它们的相界面上c最容易达到0.77

3、%，变成面心立方晶格的A体，因此在两相的相界面上形成了A晶核。 2)奥氏体晶核长大 奥氏体晶核长大是依靠珠光体中铁素体向奥氏体转变和渗碳体不断溶入奥氏体而进行的，奥氏体同时向Fe3C和F两方向长大，并通过碳原子扩散以保持奥氏体稳定存在的碳浓度。 3)残余Fe3C的溶解阶段 当铁素体全部转变奥氏体后，组织中还有一部分残余渗碳体存在，随保温时间的延长，残余渗碳体不断溶入奥氏体。 4)奥氏体成分均匀化 残余Fe3C完全溶解后，奥氏体中碳浓度仍然是不均匀的，须要保温一段时间，奥氏体成分才能均匀化。 （2）亚共析钢的奥氏体化过程 加热A1以上 加热A3以上 F+PA细+FA细（3）过共析钢的奥氏体化过程

4、 加热A1以上 加热Acm以上 P+Fe3CA细+Fe3CA 动画3-2-2 亚、过共析钢奥氏体化过程 综上所述，钢的奥氏体化过程是个通过铁、碳原子扩散而实现的相变过程，相变过程是通过形核和长大两个过程完成的，由于P体中F体和Fe3C相界面很多，可以形成许多奥氏体晶核，因此钢的奥氏体化过程是个细化晶粒的过程，也是一个消除应力和不正常组织（如魏氏组织等）的过程。 2奥氏体晶粒的长大及其控制 (1)奥氏体晶粒的长大 图3-2-1 奥氏体晶粒大小对冷却后组织影响 奥氏体化的晶粒大小与加热温度和保温时间有很大关系，在相变点温度以上，加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒就会长的越大。 钢奥氏体化晶粒大

5、小对冷却后组织晶粒的大小有直接影响如图3-2-1所示，钢奥氏体化的晶粒细小，冷却后的组织晶粒就细小，奥氏体化晶粒粗大，冷却后组织的晶粒也粗大，在组织相同的情况下，当然是细晶粒组织的力学性能好。 那么怎么样才能保证奥氏体化时得到细晶粒组织呢？ （2）奥氏体晶粒的控制 1）控制加热温度：相变点以上30-50，不超过1002）合理的保温时间： 保温时间相变需要穿透加热的需要3）快速加热、短时间保温 总之，钢在加热时通过合理控制工艺参数，可以得到细小的奥氏体组织。 3.2.2 钢在冷却时的转变 图3-2-2 热处理的两种冷却方式（示意图） 1-连续冷却 2-等温冷却 钢奥氏体化后，冷却有两种方式，等温

6、和连续冷却，如图3-2-2所示。连续冷却到室温（图3-2-2，曲线1），使之发生转变。等温转变是将已奥氏体化的钢，快速冷却到相变点以下的某一温度，并等温停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温（图3-2-2，曲线2）。从研究钢冷却时组织转变规律的角度出发，采用哪种冷却方式好？是的，采用等温冷却更好。3.2.3奥氏体的等温转变1共析钢奥氏体等温转变图C曲线过冷奥氏体在不同过冷度下的等温过程中，转变温度、转变时间与转变产物量（转变开始及转变终了）的关系曲线图称为等温转变图（或称C曲线）。下面以共析钢为例，了解一下钢的C曲线是如何测定出来的。 图3-2-3 共析钢等温转变图的测定 （1）过冷

7、奥氏体等温转变曲线的建立先将若干试样都在同样加热条件下使之奥氏体化，以获得均匀细小的奥氏体，然后将每组试样分别投入到A1温度线以下不同温度（710、650、600、550、450、）的恒温中，使过冷奥氏体进入等温转变，记录下转变的开始和终了时间。将试验测得的点画在温度、时间坐标系中，将具有相同意义的点连成线，便得到了共析钢等温转变图，由于图中曲线形状与英文字母“C”字相似，故又称为C曲线。（2）共析钢C曲线的分析1）线：共析钢的C曲线由五条线组成：A1线是奥氏体向珠光体转变的临界温度；左边的一条“C”曲线，为奥氏体转变开始线；右边的一条“C”曲线，为奥氏体转变终了线Ms线表示过冷奥氏体向马氏体

8、转变的开始线；Mf线表示过冷奥氏体向马氏体转变的终了线。2）区：五条线把整个图分成了五个区：高于A1温度是奥氏体稳定区；转变开始线以左为过冷奥氏体区；过冷奥氏体：在A1温度以下存在的奥氏体叫过冷奥氏体，是一种不稳定的组织。 转变终了线以右和Ms点以上为转变产物区； 转变开始线与终了线之间为过冷奥氏体和转变产物的共存区；Ms与Mf之间为M转变区（属于边疆冷却的范围）。3）孕育期：孕育期：转变开始之前所经历的等温时间称为孕育期。孕育期的长、短可以反映出过冷奥氏体的稳定性，孕育期越长，过冷奥氏体越稳定，反之则反。4）三种转变区： 图3-2-4 共析钢等温转变图（C曲线）根据转变的温度不同，过冷奥氏体

9、发生三种不同的转变：A1至550为高温转变区，转变产物为珠光体（P）。550Ms为中温转变区，转变产物为贝氏体（B）。MsMf为低温转变区，转变产物为马氏体（M）。（3）共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能组织名称 形成温度 形成机理 组织照片 组织特征 硬度 塑性 珠光体（p） A1650 扩散型转变 照片 铁素体和渗碳体成层片相间的混合物 170250HBS 索氏体（s） 650600 扩散型转变 照片 T，片间距变小 2535HRC 屈氏体（T） 600550 扩散型转变 照片 片变小，变薄 3540HRC 上贝氏体（B上） 550350 半扩散型转变 照片 含碳过饱和的铁素体和渗碳

10、体组成 4048HRC 较差 下贝氏体（B下） 350230 半扩散型转变 照片 但，它们的形态不同 4855HRC 较好 1）高温转变在 A1550之间，过冷奥氏体的转变物为珠光体型组织。珠光体是铁素体与渗碳体的混合物，渗碳体呈层片状分布在铁素体上。转变的温度越低，层间距越小。 按层间距不同珠光体组织可以分为珠光体（P），索氏体（S）和屈氏体三种。它们的大致形成温度及性能见表（清华工程材料P114 表2-7）2）中温转变转变温度在550230之间，转变产物为贝氏体（B）组织。贝氏体根据转变温度不同可以分为上贝氏体和下贝氏体，分别用符号B上、B下来表示，上贝的转变温度范围为550350，下贝的

11、转变温度为350230。贝氏体转变由于转变温度较低，铁原子不能扩散而碳原子有一定的扩散能力，所以贝氏体转变属于半扩散型转变。在上贝氏体转变中，首先在奥氏体晶界上形成铁素体晶核，并成排地向奥氏体晶粒内长大。与此同时，条状铁素体前沿的碳原子不断向两侧扩散，而铁素体中多余的碳也部分扩散到铁素体条之间，形成粒状或短杆状的渗碳体。从图 可以看出，在光学显微镜下，共析钢的B上呈羽毛状，含碳过饱和的F成黑色条状，在黑条之间夹着短杆状的渗碳体。在 下贝氏体形成温度范围内，首先在奥氏体晶界或晶内的某些贫碳区，形成铁素体晶核，然后长成片状或透镜状。由于转变温度低，碳原子的扩散速度下降，使渗碳体 很难迁移至晶界，而

12、在铁素体片内与长轴成5560的细微颗粒或薄片析出，如图可以看出，铁素体呈现黑色针片状，从电镜照片中可知，在铁素体片中分布 着许多规则排列的碳化物。上、下贝氏体由于组织结构不同，力学性能有很大区别。上贝氏体中，硬脆的渗碳体呈短杆状分布在铁素体束的晶界上，使金属容易产生脆性断裂，强度、韧性较低，基本上无应用价值。下贝氏体中铁素体的过饱和程度大、固溶强化明显，铁素体晶粒无方向性，碳化物细小而弥散分布，使金属具有较高的强度与韧性配合，是一种具有优良力学性能的组织。3）低温转变过冷奥氏体在Ms温度以下将发生马氏体转变。马氏体用符号“M”表示，它是在极快的连续冷却过程中形成的，故详细内容将在讲解过冷奥氏体

13、的连续冷却转变之后讨论。（1）C曲线的形状与位置 图3-2-5 亚共析碳钢、共析碳钢和过共析碳钢的C曲线比较。由图可见，它们都具有过冷奥氏体转变开始线与转变终了线，但在亚共析碳钢的C曲线上，多出一条先析铁素体析出线；在过共析碳钢C曲线上，多出一条先析渗碳体（二次渗碳体）析出线。 图3-2-6 图3-2-7在正常的热处理加热条件下，亚共析碳钢的C曲线随着含碳量的增加向右移，过共析碳钢的C曲线随着含碳量的增加向左移。故在碳钢中，以共析碳钢C曲线的鼻尖离纵坐标最远，其过冷奥氏体也最稳定。（2）先析相的量与形态1）先析相的量随着过冷度增加，亚共析碳钢和过共析碳钢的先析铁素体或先析渗碳体的量逐渐减少。当

14、过冷度达到一定程度后，这种先析相就不再析出，过冷奥氏体直接转变成极细珠光体（托氏体）。这时珠光体中的含碳量已不是共析成分（c=0.77%）。这种由非共析成分所获得的共析组织称为伪共析体或伪共析组织。2）先析相的形态由于钢中含碳量、奥氏体晶粒度和冷却时转变温度的不同，在亚共析碳钢和过共析碳钢中，先析相的组织形态也将有所不同。如前所述，先析铁素体可以呈块状（等轴状）或网状，先析渗碳体一般呈网状。但当钢中c0.6%或c1.2%时，如果奥氏体晶粒特别粗大（如在过热的钢或铸钢中），并在一定的冷却条件下，先析相将以一定位向呈片状或针状形态在奥氏体晶粒内部析出，这种组织称为魏氏组织。图3-2-8为亚共析碳钢

15、中出现片状铁素体的魏氏组织。图3-2-9为过共析碳钢中出现针状渗碳体的魏氏组织。魏氏组织一般使钢的力学性能降低，特别是对韧性的影响尤为严重，故生产中常用退火或正火来消除钢中魏氏组织。钢在锻造和焊接后易产生魏氏组织。图3-2-8 亚共析碳钢的魏氏组织 图3-2-9 过共析碳钢的魏氏组织（3）马氏体转变温度从图中可以看出，随着钢含碳量的增加，Ms、Mf点温度下降。2过冷奥氏全的连续冷却转变在热处理生产中，奥氏体化后常采用连续冷却，如一般的水冷淬火、空冷正火和炉冷退火等。因此，研究过冷奥氏体在连续冷却时的转变规律。具有重要的实际意义。(1)共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变图的建立过 冷奥氏体连续冷却转

16、变曲线常用膨胀法测定，如图所示。它是将一组试样经加热奥氏体化后，以不同冷却速度（v1至v6）连续冷却，在冷却过程中，应用高速膨 胀仪测定各试样比容变化，根据奥氏体与其转变产物的比容不同，即可测出在各种冷却速度下，奥氏体转变开始和转变终了的温度与时间，再将这些数据绘在温度- 时间坐标图上，并把所有转变开始点和转变终了点分别连接起来，便获得过冷奥氏体连续冷却转变曲线。而v5、v6两个冷却速度的转变开始点连成一水平线，这 就是马氏体转变开始线（Ms线。） 图3-2-11 共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线建立示意图图3-2-12 共析钢连续冷却转变曲线图各种钢的过冷奥氏体连续冷却转变图又叫做CCT图

17、或CCT曲线。(2)共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线的分析将共析钢C曲线与CCT曲线比较时，就可发现连续冷却转变有以下一些主要特点：1）连续冷却转变曲线只有C曲线的上半部分，而没有下半部分。这就是说，共析碳钢在连续冷却时，只有珠光体转变和马氏体转变，而没有贝氏体转变。2）Pa线是珠光体转变的开始线；Pf线是珠光转变的终了线；AB线是珠光体转变的中止线，即冷却曲线碰到AB线时，过冷奥氏体就不再发生珠光体转变，而一直保留到M4点以下，直接变为马氏体。3）与过冷奥氏体连续冷却转变曲线鼻尖相切的冷却速度，是保证奥氏体在连续冷却过程中不发生转变、而全部过冷到马氏体区的最小冷却速度，称为马氏临界冷却速度

18、，用vc表示。马氏体临界冷却速度对热处理工艺具有十分重要的意义。4）在连续冷却过程中，过冷奥氏体的转变是在一个温度区间内完成的。得到的组织不均匀，有时得到几种组织的混合物。如图V得T+M组织(3)亚过共析钢的CCT曲线过 共析碳钢的连续冷却曲线与共析碳钢的相比，除了多出一条先析渗碳体的析出线外，其他基本相似。但亚共析碳钢的连续冷却转变曲线与共析碳钢却大不相同，它除 了多出一条先析铁素体的析出线外，还出现了贝氏体转变区，因此亚共析碳钢在连续冷却后，可以出现由更多产物组成的混合组织。图 为45钢CCT曲线，经油冷而得到的铁素体+托氏体+贝氏体+马氏体的混合组织。 图3-2-13 45钢的CCT图

19、图3-2-14 45钢连续冷却获得的混合组织（400）(4)过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中应用由于连续冷却转变曲线测定比较困难，而目前C曲线的资料又比较多。因此，生产中，常C曲线来定性地、近似地分析同一种钢在连续冷却时的转变过程。以 共析钢为例，将连续冷却速度线画在C曲线图上，根据与C曲线相交的位置，可估计出连续冷却转变的产物，如图6-17。图中v1相当于随炉冷却的速度（退 火），根据它与C曲线相交的位置，可估计出奥氏体将变为珠光体；冷却速度v2相当于空冷的速度，根据它与C曲线相交的位置，可估计出它将转变为索氏体；冷 却速度v3相当于油冷的速度，有一部分奥氏体先转变成托氏体，剩余的奥氏体冷

20、却到M。开始转变马氏体，最终获得托氏体+马氏体+残余奥氏体的混合组织；冷 却速度v4相当于水冷的速度，它不与C曲线相交，一直过冷到Ms以下发生马氏体转变；冷却速度vc与C曲线鼻尖相切，为该钢的马氏体临界冷却速度。图3-2-15 共析钢过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中的应用（左图） 图3-2-16 连续冷却获得的托氏体和马氏体（700）(5)马氏体转变当奥氏体的冷却速度大于该钢的马氏体临界冷却速度，并过冷到Ms以下时，就开始发生马氏体转变。由于马氏体转变温度极低，过冷度很大，而且形成速度极快，使奥氏体向马氏体转变时只发生 -Fe -Fe的晶格改组，而没有铁、碳原子的扩散。因此，马氏体中含碳量就

21、是转变前奥氏体中的含碳量。已知 -Fe最大溶碳量为c=0.0218%，故马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体，是单相的亚稳组织。1)马氏体的晶体结构过 冷A体转变为马氏体时，因转变温度低，铁和碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥氏体一定晶面，必不超过一个原子间距的移动，使面心立方晶格的奥氏体变成了体 心正方晶格的-Fe（图），而溶入奥氏体中的碳原子原地不动分布在体心立方晶胞的z轴间隙处，使z轴方向的晶格常数C增大。 图3-2-17 马氏体晶胞与母相奥氏体的关系 图3-2-18 马氏体的晶体结构示意图-Fe的体心立方晶格因此而变为体心正方晶格，如图5-24所示。晶格常数c/a的比值称为马氏体的正方度。

22、马氏体中含碳量越高，其正方度越大。2)马氏体的组织形态钢中马氏体组织形态主要有片状和板条状两种基本类型。a 片状马氏体图 3-2-18为粗大的片状马氏体的显微组织。由于片状马氏体形成时一般不穿过奥氏体晶界，而后形成的马氏体又不能穿过先形成的马氏体，所以越是后形成的马 氏体片，其尺寸越小，如图3-2-19所示。因此在显微镜下，可以在同一视场中，看到许多长短不一且互成一定角度分布的马氏体片。显然，粗大的奥氏体晶粒 会获得粗大的片状马氏体，使力学性能降低。一般共析碳钢和过共析碳钢在正常加热温度下淬火时，马氏体片是非常细小的。在光学显微镜下看不清其形态的马氏 体，称为隐针马氏体。 图3-2-19 片状

23、马氏体的形成过程示意图b 板条马氏体板 条马氏体是由许多马氏体板条集合而成。其金相试样面上的截面形态呈细长的条状或板状，板条之名即由此而来。许多相互平行的板条组成一个板条束，一个奥氏体 晶粒可以转变成几个位向不同的板条束，因此，在光学显微镜下，可以看到板条马氏体是由许多位向不同的板条束组成，如图3-2-21所示。试验表明，当奥氏体中c1%的钢淬火后，马氏体形态为片状马氏体。故片状马氏体又称为高碳马氏体；当奥氏体中c64 16321224412c 马氏体的比容钢 中不同组织的比容是不同的。马氏体的比容最大，奥氏体的比容最小，珠光体居中。因此，奥氏体向马氏体转变时，必然伴随体积膨胀而产生内应力。马

24、氏体中含碳 量越高，其正方度越大，比容也越大，故产生内应力也越大，这就是高碳钢淬火时容易变形和开裂的原因之一。但生产中也有利用这一效应，使淬火零件的表层产生 残余压应力，以提高其疲劳强度。4)马氏体转变的特点马氏体转变过程和其他相变一样，也是由形核和长大两个基本过程所组成。但它和其他相变比较，又有以下几方面特点：a 马氏体转变是无扩散型相变b 马氏体转变的速度极快马氏体形成一般不需要孕育期，有人测得一片高碳马氏体的形成仅需10-7s。马氏体量的增加不是靠已经形成的马氏体片的不断长大，而是靠新的马氏体片的不断形成。c 马氏体转变发生在一定温度范围内当过冷奥氏体以大于马氏体临界冷却速度vc过冷到M

25、s时，就开始马氏体转变，开始随着温度的降低，马氏体量愈来愈多，当温度降到Mf时，马氏体转变结束。如在Ms与Mf之间某一温度等温，马氏体转变停止。所以，只有在Ms至Mf温度间连续冷却时，马氏体转变进行。Ms与Mf的位置主要取决于奥氏体的化学成分。奥氏体含碳量越高，Ms与Mf的温度越低，图5-30为奥氏体含碳量对马氏体转变温度范围的影响。由图3-2-24可见，当奥氏体中c0.5%时，由于Mf已低于室温，因此淬火到室温时，必然有一部分奥氏体被残留下来，这部分奥氏体称为残余奥氏体。随着奥氏体含碳量增高，Ms和Mf温度降低，故淬火后残余奥氏体量也愈多，如图3-2-25所示。 图3-2-24 奥氏体含碳量

26、对Ms和Mf的影响 图3-2-25 含碳量对残余奥氏体量的影响冷 处理：残余奥氏体不仅降低了淬火钢的硬度和耐磨性，而且在工件的长期使用过程中，由于残余奥氏体会发生转变，使工件尺寸发生变化，从而降低了工件的尺寸精 度。因此，生产中，对一些高精度的工件（如精密量具、精密丝杠、精密轴承等），为了保证它们在使用期间的精度，可将淬火工件冷却到室温后，又随即放到零下 温度的冷却介质中冷却（如干冰+酒精可冷却到-78，液态氧可冷却到-183），以最大限度地消除残余奥氏体，达到增加硬度，耐磨性与稳定尺寸的目 的，这种处理称为“冷处理”。 3.3 钢的整体热处理 什么是钢的整体热处理呢？对工件整体进行穿透加热的

27、热处理工艺，称为整体热处理。它包括了退火、正火、淬火、回火。在工业生产中，热处理的主要目的有两个：一是消除前道工序产生的某些缺陷，改善钢材的工艺性能，确保后续加工顺利进行。这种热处理，称为预先热处理。常用的有退火、正火等。二 是提高零件或工模具的使用性能，铸造或锻造退火或正火机械（粗）加工淬火+回火（或表面热处理）机械（精）加工等工序。其中淬火+回火工序就是为 了满足工件使用要求而进行的最终热处理；而安排在铸造或锻造之后、机械（粗）加工之前的退火或正火工序，就是预先热处理。通 过适当的热处理可以显著提高钢的力学性能，充分发挥钢材的性能潜力，保证零件的内在质量，延长零件的使用寿命。恰当的热处理工

28、艺可以消除铸、锻、焊件等的 某些缺陷，改善其工艺性能。因此，热处理在现代工业中占有重要地位。例如，在机床制造中，60%-70%的零件；汽车、拖拉机制造中，70%-80%的零 件都要经过热处理；而工量模具和滚动轴承等则百分之百地需要进行热处理。3.3.1 退火退火是将钢件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。根据钢的成分、退火的工艺与目的不同，退火常分为完全退火、等温退火、球化退火和去应力退火等几种。 1完全退火（1）工艺特点：完全退火又称重结晶退火，是把钢加热至Ac1以上3050，保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却），以获得接近平衡组织的热处理工艺，亚共析

29、钢经完全退火后得到的组织是F+P。（2）目的零 件的毛坯不是铸件就是锻件。铸造或锻造之后，工件中不仅存在残余应力，而且往往出现一些组织缺陷，如锻钢件中魏氏组织、带状组织和晶粒粗大等，这些都会使 钢件的性能降低，淬火时易产生变形和开裂。进行完全退火，通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，以提高性能，以降低硬度，改善 切削加工性能，消除内应力。45钢经锻造及完全退火后的性能见表2-8。 表2-8 45钢锻造后与完全退火后的机械性能比较状态 b/Mpa s/Mpa s/% /% k/kJm2 HB 锻造后 完全退火后 650750 600700 300400 300350 5

30、15 1520 2040 4050 200400 400600 229 207 综上所述，退火或正火的主要目的大致可归纳为如下几点：1）调整钢件硬度，以利于随后的切削加工。经适当退火或正火处理后，一般钢件的硬度在160230HBS之间，这是最适于切削加工的硬度。2）消除残余应力，以稳定钢件尺寸，并防止其变形和开裂。3）使化学成分均匀，细化晶粒，改善组织，提高钢的力学性能和工艺性能。4）为最终热处理（淬火、回火）作好组织上的准备。（3）应用主要用于c0.25%的亚共析钢。c0.25%的亚共析钢，F体较多，退火的硬度低于160HBS，不利于切削加工，因此完全退火适于c0.25%的亚共析钢。2球化退

31、火（1）工艺特点球化退火是将过共析钢或共析钢件加热至Ac1以上约2030，保温一定时间，然后随炉缓冷至室温，或者在略低于Ar1的温度下保温之后再出炉空冷的退火工艺（图6.28）。 动画3-3-1 球化体的显微组织（2）目的过 共析钢和合金工具钢热加工后，组织中常出现粗片状珠光体和网状渗碳体，增加了钢的硬度和脆性，使切削加工性能变坏，且淬火时易产生变形和开裂。为了消除过 共析钢的这些缺陷，在热加工之后，必须进行一次球化退火，使网状二次渗碳体和珠光体中的片层状渗碳体都变为球状（或粒状）。这种在铁素体基体上均匀分布着 球状（粒状）渗碳体的组织称为球状P体。其硬度远较片层状珠光体和网状渗碳体组织的硬度

32、低。如T10钢经球化退火后，硬度由255321HBS降到 197HBS。为了便于球化过程的进行，对于网状渗碳体较严重的钢件，可在球化退火之前先进行一次正火处理，以消除网状渗碳体。（3）应用：共析和过共析钢3等温退火（1）工艺特点等温退火是将钢件或毛坯加热到高于Acs（或Ac1）的温度，保温适当时间后，较快地冷却到珠光体区的某一温度，并等温保持，使奥氏体转变为珠光体组织，然后缓慢冷却的热处理工艺。（2）目的等温退火的目的与完全退火相同，但转变较易控制，能获得均匀的预期组织；对于奥氏体较稳定的合金钢，常可大大缩短退火时间。（3）应用对于等温退火，大部分钢都可以采用。4去应力退火（1）工艺特点去应力

33、退火是将钢件加热至低于Ac3的某一温度（一般为500650），保温，然后随炉冷却，不引起组织变化。（2）目的和应用为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力。3.3.2 正火1工艺特点钢材或钢件加热到Ac3（对于亚共析钢）和Accm（对于过共析钢）以上3050，保温适当时间后，在空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火后的组织：亚共析钢为F+S，共析钢为S，过共析钢为S+Fe3C。正火与完全退火的主要差别在于冷却速度快些。图3-3-1各种退火及正火的加热温度范围 动画3-3-2 过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变动画3-3-3 亚过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变2目的与

34、退火相同3应用一般应用于以下方面：（1）作为最终热处理，正火可以细化晶粒，使组织均匀化，减少亚共析钢中铁素体含量，使珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。对于普通结构钢零件，机械性能要求不很高时，可以正火作为最终热处理。（2）作为预先热处理，对于部分中碳结构钢件，在淬火或调质处理（淬火加高温回火）前常进行正火，以消除魏氏组织和带状组织，并获得细小而均匀的组织。对于过共析钢可减少二次渗碳体量，并使其不形成连续网状，为球化退火作组织准备。（3）改善切削加工性能，低碳钢或低碳合金钢退火后硬度太低，不便于切削加工。正火可提高其硬度，改善其切削加工性能。退火和正火通过作为预先热处理应用，那

35、么在什么情况下选用何种热处理工艺呢？对于低碳和低碳合金钢一定要选用正火，中碳钢在选用正火与退火都可以时，优先选用正火。3.3.3 淬火将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体或下贝氏体（B下）组织的热处理工艺称为淬火。淬火是钢的最重要的强化方法。目的：提高强度硬度，耐磨性。表 不同冷却速率对45钢力学性能的影响 冷却方式 力 学 性 能 b（MPa） s（MPa） （%） （%） 硬度（HRC） 随炉冷却 519 272 32.5 49 15-18 空气冷却 657-706 333 15-18 45-50 18-24 油冷却 882 608 18-20 48 40-50

36、水冷却 1078 706 7-8 12-14 52-60 1.淬火应力工件在淬火过程中会产生变形甚至开裂，其原因是因为有淬火应力的存在。淬火应力分为热应力和组织应力。工件淬火变形或开裂是这两种应力综合作用的结果。(1)热应力工件在快速加热或冷却时，由于不同部位的温度差异，导致热胀冷缩的不一致而产生的内应力称为热应力。因为热应力是由于快速冷却时工件截面上温差造成的，因此，冷却速度越快，截面上温差越大，热应力大；淬火加热温度越高，截面尺寸大，钢材的导热性小，线膨胀系数小，都会增大截面温差，热应力增大。(2)组织应力 工件在冷却时，由于温差造成的不同部位组织转变不同时性而引起的内应力称为组织应力。组

37、织应力随着钢在马氏体转变温度范围的冷却速度增大而增大，此外，还与工件的尺寸，钢的导热性等因素有关。淬火应力是热应力和组织应力的叠加，当淬火应力超过材料的屈服极限时，工件就会产生塑性变形，当淬火应力超过材料的强度极限时，工件则产生开裂。2.淬火(1)淬火加热温度亚共析钢加热到Ac3上3050 过共析钢加热到Ac1上3050在一般情况下，亚共析钢的淬火加热温度为Ac3以上3050；共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上3050（见图3-3-2）。 亚共析钢加热到Ac3以下时，淬火组织中会保留自由铁素体，使钢的硬度降低。过共析钢加热到Ac1以 上两相区时，组织中会保留少量二次渗碳体，而有利于钢的

38、硬度和耐磨性，并且，由于降低了奥氏体中的碳质量分数，可以改变马氏体的形态，从而降低马氏体的脆 性。此外，还可减少淬火后残余奥氏体的量。若淬火温度太高，会形成粗大的马氏体，使机械性能恶化；同时也增大淬火应力，使变形和开裂倾向增大。 图3-3-2 钢的淬火温度范围(2)淬火冷却淬火冷却时，要保证获得马氏体组织，必须使奥氏体以大于马氏体临界冷却速度冷却，而快速冷却却又会产生很大淬火应力，导致钢件的变形与开裂。因此，淬火工艺中最重要的一个问题是既能获得马氏体组织，又要减小变形、防止开裂。为此，合理选择冷却介质和冷却方法是十分重要的。1）理想淬火冷却曲线 图3-3-3 理想淬火冷却曲线从过冷奥氏体等温转

39、变曲线示意图可 以看出，过冷奥氏体在不同温度区间的稳定性不同，在600400温度区间过冷奥氏体最不稳定，淬火时应当快冷，避免发生珠光体或贝氏体转变，保证获得 马氏体组织。而此温度范围上、下的区域都可以慢些冷却，减少淬火应力，减小工件淬火变形和防止开裂，特别是在Ms点附近温度区间，过冷奥氏体比较稳定，应 当缓慢冷却。2）常用的冷却介质实际生产中，使用的冷却介质较多，到目前为止，尚未找到一种介质，能完全符合理想淬火冷却速度的要求。目前应用最广泛的淬火冷却介质是水和油。水具有较强烈的冷却能力，用作奥氏体稳定性较小的碳钢的淬火，水冷却介质最为合适。另外油的冷却能力比水小，因此，生产中用油作冷却介质，只

40、适用于过冷奥氏体稳定性较大的合金钢淬火。单从冷却介质入手，使淬火冷却达到理想淬火冷却速度到目前为止没有解决，为了保证淬火质量，防止变形与开裂，就必须采取正确的淬火冷却方法。3）常用的淬火方法如图 图3-3-4 不同淬火方法示意图 1单介质淬火 2双介质淬火 3分级淬火 4等温淬火常用的淬火方法有单液、双液、分级和等温淬火法。单介质淬火法采用一种介质冷却，操作简单，易实现机械化，应用较广。缺点是水淬变形开裂倾向大；油淬冷却速度小，淬透直径小，大件淬不硬。双介质淬火法和分级淬火能有效地减少热应力和相变应力，降低工件变形和开裂的倾向，所以可用于形状复杂和截面不均匀的工件的淬火。等温淬火大大降低钢件的

41、内应力，减少变形，适用于处理复杂和精度要求高的小件，如弹簧、螺栓、小齿轮、轴及丝锥等，也可用于高合金钢较大截面零件的淬火。其缺点是生产周期长、生产效率低。3.3.4 钢的回火回火就是把经过淬火的零件重新加热到低于Ac1的某一温度，适当保温后，冷却到室温的热处理工艺。1.回火目的钢 在淬火后一般很少直接使用，因为淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体，并且有内应力产生，马氏体虽然强度、硬度高，但塑性差，脆性大，在内应力作用下容易产 生变形和开裂；此外，淬火后组织是不稳定的，在室温下就能缓慢分解，产生体积变化而导致工件变形。因此，淬火后的零件必须进行回火才能使用。回火的目的 是：（1）消除或降低内应力，

42、降低脆性，防止变形和开裂。（2）稳定组织，稳定尺寸和形状，保证零件使用精度和性能。（3）通过不同回火方法，来调整零件的强度、硬度，获得所需要的韧性和塑性。2.回火组织转变及性能变化(1)钢在回火时的组织转变回火时的加热和保温将促使淬火马氏体与残余奥氏体向稳定组织的转变，随着回火温度的提高，淬火钢的组织转变可分为四个阶段：1）马氏体的分解（200以下）当 温度在100200时，固溶在马氏体中的过饱和的碳以碳化物析出，使马氏体过饱和度减小，正方度降低。析出的碳化物具有密排六方晶格，分子式为 Fe24C，是细小薄片状并与母相保持共格关系（母相仍是过饱和固溶体），其数量随钢中含碳量增多而增多，这种弥散

43、的碳化物和与它保持共格联系的低碳马 氏体称为回火马氏体。2）残余奥氏体分解（200300）残 余奥氏体也是不稳定组织，由于温度升高，马氏体不断分解，造成体积缩小，减少了对残余奥氏体的压力，促使残余奥氏体发生分解。200300是贝氏体转 变温度范围，残余奥氏体转变为与回火马氏体近似的下贝氏体。残余奥氏体从200开始分解，到300左右分解基本完成。而固溶体中仍含有 0.15%0.20%C，此时的组织主要是回火马氏体。3）渗碳体的形成（250400）在250以下由马氏体和残余奥氏体分解生成的碳化物和较低程度的过饱和 固溶体，随着温度升高进一步发生转变。由于碳原子析出、扩散能力增强，过饱和 固溶体含碳量下降至正常含碳量，由体心正方晶格变为体心立方晶格，即铁素体。而亚稳定状态的碳化物也逐渐转变为稳定的细颗粒状的渗碳体，并与母相失去共格关系， 固溶体