2.4 钢的热处理 2.4.0 热处理的概念 2.4.1 钢在加热时的转变 2.4.2 钢在冷却时的转变 2.4.3 钢的普通热处理 2.4 钢的热处理 2.4.0 热处理的概念 2.4.1 钢在加热时的转变 2.4.2 钢在冷却时的转变 2.4.3 钢的普通热处理 2.4.4 钢的表面热处理 2.4.5 钢的化学热处理
热处理的概念 把固态金属材料在一定介质中的加热、保温和冷却，以改变其组织和性能的一种工艺。
2.4.1 钢在加热时的转变 临界温度 平衡时：A1、 A3、Acm 加热时：Ac1、 Ac3、Accm 冷却时：Ar1、Ar3、Arcm
1．奥氏体的形成 —— Fe，C原子扩散和晶格改变的过程。 共析钢加热到Ac1 以上时， P → A 共析钢A化过程 —— 形核 、长大、 Fe3 C 完全溶解、C 的均匀化。 亚（过）析钢的A化 —— P → A 后，先共析 F 或 Fe3CⅡ 溶解。
影响A转变速度的因素 A 晶粒度 加热温度，保温时间↑ → 晶粒尺寸↓ 合金碳化物↑，C% ↓ → 晶粒尺寸↓ 加热温度和速度↑→ 转变快 C%↑或 Fe3 C片间距↓ → 界面多，形核多 → 转变快 合金元素 → A化速度↑或↓ A 晶粒度 加热温度，保温时间↑ → 晶粒尺寸↓ 合金碳化物↑，C% ↓ → 晶粒尺寸↓
2.4.2 钢在冷却时的转变 1．过冷A的等温转变 2．过冷A的连续冷却转变
1. 过冷A的等温转变 共析钢的C 曲线 过冷A : T < A1时，A不稳定。 A等温转变曲线 (TTT 或 C 曲线) 高温转变，A1 ~ 550℃ 过冷A → P 型组织 中温转变，550℃ ~ MS 过冷A →贝氏体 ( B ) 低温转变，MS ~ Mf 过冷A →马氏体 ( M )
P 型组织 —— F + 层片状 Fe3C 珠光体 P 索氏体 S 屈氏体 T 索氏体 S 8000×
高温转变过程 —— 晶格改变和Fe，C原子扩散。
中温转变（550℃ ~ MS） —— C原子扩散， Fe原子不扩散 过冷A → 贝氏体 B（碳化物 + 含过饱和C的F ） 上B， 550 ~ 350℃产物 —— 羽毛状，小片状Fe3C分布在F间。 光学显微照片 1300× 电子显微照片 5000× 45钢，上B+下B，×400 上B 强度和韧性差
下B， 350℃ ~ MS 产物 下B 韧性高，综合机械性能好。 F 针内定向分布着细小Fe2.4C颗粒 电子显微照片 12000× T8钢，下B，黑色针状 光学显微照片 ×400
亚（过）共析钢过冷A的等温转变 与共析钢相比，C曲线左移， 多一条过冷AF （Fe3CⅡ）的转变开始线，且Ms、Mf 线上（下）移。
2. 过冷A的连续冷却转变 连续冷却 转变(CCT)曲线 Ps —— A→P 开始线 Pf —— A→P 终止线 KK' —— P型转变终止线 Vk —— 上临界冷却速度 Vk' —— 下临界冷却速度 MS —— A→ M 开始温度 Mf —— A→ M 终止温度
连续冷却 转变产物 CCT 和 TTT曲线的比较 炉冷→ P (V ≈０) 空冷→ S (V ≤Vk') 油冷→ T+M+A' (Vk' ～Vk) 水冷→ M+A' (V≥Vk) CCT 和 TTT曲线的比较 CCT 位于 TTT曲线 右下方 CCT中没有 A→B 转变
马氏体（M）转变特点 1) 无扩散 Fe 和 C 原子都不进行扩散， M是体心正方的C过饱和的F， 固溶强化显著。 1) 无扩散 Fe 和 C 原子都不进行扩散， M是体心正方的C过饱和的F， 固溶强化显著。 2) 瞬时性 M 的形成速度很快， 温度↓则 转变量↑ 3) 不彻底 M 转变总要残留少量 A， A中的C%↑ 则 MS、Mf ↓ ，残余A含量↑ 4) M形成时体积↑， 造成很大内应力。
M 的形态 板条M, 平行的细板条束组成 C% < 0.25 % 时，为板条M（低碳M）。 Fe-1.8C，冷至-100℃ Fe-1.8C，冷至-60℃ 针状M（凸透镜状）
M 的性能 C %↑→ M 硬度↑ 针状M 硬度高，塑韧性差。 板条M 强度高，塑韧性较好。
亚共析钢 连续冷却转变 炉冷→ F + P 空冷→ F + S 油冷→ T + M 水冷→ M
过共析钢 连续冷却转变 炉冷→ P + Fe3CⅡ 空冷→ S + Fe3CⅡ 油冷→ T + M + A' 水冷→ M + A'
转变温度 对共析钢 硬度 和 韧性 的影响 按转变温度的高低， 转变产物分别是： P、S、T，上B、下B、M， 其硬度依次增加。
2.4.3 钢的普通热处理 1．退火 2．正火 3．淬火 4．回火
1．退火 加热、保温后，缓冷(炉冷)→ 近平衡组织 P（ + F 或 Fe3CII ） 扩散退火 完全退火（亚共析钢） 再结晶退火： 加热至略低于固相线 目的：使成分、组织均匀 再结晶退火： 加热温度 TR + 30～50℃ 目的：消除加工硬化 去应力退火 加热温度＜ Ac1 ， 一般为 500～650℃ 目的： 消除冷热加工后的内应力 完全退火（亚共析钢） 加热温度 Ac3 + 20～30℃ 缓冷→ F + P 目的： 细化晶粒，均匀化组织 降低硬度 → 切削性↑ 等温退火： 等温转变→F + P，再缓冷 球化退火（过共析钢） 在Ac１+ 20～30℃等温， 使Fe3CⅡ球化，再缓冷 → 球状P（F +球状Cm） 目的： 硬度↓,切削性↑,韧性↑
２．正火 加热温度 Ac3 ( Accm ) + 30～50℃， 空冷 → S （ + F 或 Fe3CII ） 应用： 1) 钢的最终热处理 细化晶粒，组织均匀化，增加亚共析钢中P(S)% → 强度、韧性、硬度↑ 2) 预先热处理 —— 淬火、球化退火前改善组织。 3) 增加低碳钢的硬度，以改善切削加工性能。
3．淬火 加热到Ac3、Ac1以上，保温，快速冷却 → M 。 淬火温度 1) 亚共析钢 Ac3 + 30～50 ℃ 2) 过共析钢 Ac1 + 30～50 ℃， → M + Fe3CII + A' ，硬度大。 A中C%↓→ M 脆性↓ ，残余A%↓ 淬火温度低 → M细小，淬火应力小。
冷却介质 淬火方法 单介质淬火：水、油冷 双介质淬火：水冷 + 油冷 分级淬火： ＞Ms盐浴中均温＋空冷 冷却速度： 盐水 ＞ 水 ＞ 盐浴 ＞ 油 淬火方法 单介质淬火：水、油冷 双介质淬火：水冷 + 油冷 分级淬火： ＞Ms盐浴中均温＋空冷 等温淬火（ 在盐、碱浴中） → 下B
(a)完全淬透 (b)淬透较大厚度 (c)淬透较小厚度 钢的淬透性 淬火时得到M的能力，取决于临界冷却速度VK 。 淬硬性：淬火后获得的最高硬度，C%↑→淬硬性↑ 影响淬透性的因素 除Co外，合金使VK↓ , 淬透性↑ 淬透性的应用 按负载，选择不同淬透性的材料。 (a)完全淬透 (b)淬透较大厚度 (c)淬透较小厚度 淬透性不同的钢调质后机械性能的比较
4．回火 淬火后，加热到Ac1以下，保温，冷却。 目的：消除淬火应力，调整性能。 低温回火（150～250℃） → 回火M ( 过饱和F +薄片状Fe2.4C ) + A' 淬火应力↓ ，韧性↑ ，保持淬火后的高硬度。 用于高C工具钢等。 中温回火（350～500℃）→ 回火T (F +细粒状Cm ) 弹性极限和屈服强度↑，韧性和硬度中等。 用于弹簧等。 高温回火（500～650℃）→ 回火S (等轴状F +粒状Cm ) 综合机械性能最好, 即强度、塑性和韧性都较好。 用于重要零件。 调质处理 —— 淬火 + 高温回火
回火产物的组织形态比较 回火M × 400 回火T × 7500 回火S × 7500 S × 1000 M 低倍 T × 1000
回火时性能的变化 回火温度↑ → 硬度、强度↓ ， 塑性↑
2.4.4 钢的表面热处理（表面淬火） 不改变心部组织，利用快速加热将表层A化后进行淬火。 目的 ： 提高表面硬度，保持心部良好的塑韧性。 2.4.4 钢的表面热处理（表面淬火） 不改变心部组织，利用快速加热将表层A化后进行淬火。 目的 ： 提高表面硬度，保持心部良好的塑韧性。 感应加热表面淬火 交变磁场 → 感应表面电流 → 表面加热 特点 1) 加热速度快，晶粒度小，硬度↑，脆性↓ 2) 表层残余压应力 → 提高疲劳强度 3) 不易氧化、脱碳、变形小。 4) 加热温度和淬硬层厚度容易控制。 火焰加热表面淬火（乙炔－氧等火焰） 设备简单，但生产率低。
2.4.5 钢的化学热处理 分类 —— 渗 C、N化、C N共渗、渗硼、渗铬、渗Al等。 2.4.5 钢的化学热处理 将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能。 分类 —— 渗 C、N化、C N共渗、渗硼、渗铬、渗Al等。
钢的渗 C —— 气体、固体渗 C 低C钢在高C介质中加热到900～950℃、保温 → 高碳表层（约1.0%） 目的：表面硬度，耐磨性↑ ，心部保持一定的强度和塑韧性。
渗碳后的的热处理 淬火 直接淬火 —— 晶粒粗大，残余A多，耐磨性低，变形大。 一次淬火 —— 加热温度Ac3以上（心部性能↑ ）或 Ac1以上（表面性能↑ ） 二次淬火 —— Ac3以上（心部性能↑ ）+ Ac1以上（表面性能↑ ） 低温回火, 150～200℃， 消除淬火应力，提高韧性。
钢的氮化 工件表面渗入N原子，以提高硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性。 氮化温度低(500～600℃)，时间长（20～50h），渗层薄。 氮化前调质处理、氮化后无须淬火。