热处理原理

热处理原理

第一部分热处理原理

一、教学目的与要求

1.了解热处理的基本原理；

2.了解本质晶粒度与实际晶粒度的含义，控制晶粒度大小的因素；钢在加热和冷却过程中产生的缺陷；

3.熟悉钢在加热和冷却时组织转变的机理；

二、教学课时数

1.理论教学14学时

2.实验教学4学时

合计18学时

三、学习重点

钢在加热时组织转变的过程中及影响因素；

共析钢奥氏体等温冷却曲线中各条线的含义。C曲线中种温度区域内奥氏体转变产物的组织形貌，性能特点。

非共析钢C曲线与共析钢C典线的差别及影响C典线的因素；

奥低体连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对钢的组织变化和最终性能的影响；

四、教学手段：

以现代化的多媒体教学设施进行讲授，将各种曲线、金相图片播放在大屏幕上，帮助学生理解奥氏体的形成过程。

五、教学方法：

采用启发式方法。以材料科学基础（上）为基本出发点，引导学生逐渐进入本课程的学习。

六、基本教材或主要参考书：

[1] 崔忠圻主编. 金属学与热处理(第二版) [M]. 武汉: 机械工业出版社, 2007.

[2] 李超主编. 金属学原理[M]. 西安: 哈尔滨工业大学出版社, 1989.

[3] 胡庚详主编. 金属学[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 1980. [4] 赵品主编. 材料科学基础[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社,

2004.

[5] 热处理手册，中国机械工程学会，机械工业出版社，2006

[6] 邓文英主编，金属工艺学(上)，北京: 高等教育出版社，2000

七、思考题：

1、钢中奥氏体的点阵结构，碳原子可能存在的部位及其在单胞中的最大含量。

2、以共析碳钢为例说明奥氏体的形成过程，并讨论为什么奥氏体全部形成后还会有部分渗碳体未溶解？

3、合金元素对奥氏体形成的四个阶段有何影响。

4、钢在连续加热时珠光体奥氏体转变有何特点。

5、何谓奥氏体的本质晶粒度、起始晶粒度和实际晶粒度。钢中弥散析出的第二相对奥氏体晶粒的长大有何影响。

6、试讨论奥氏体等温形成动力学的特点。

7、试讨论影响奥氏体形成速度的因素。

8、试叙述奥氏体晶粒的长大过程及影响因素。

第一节热处理的原理及分类

一、实验：钢丝的水冷与空冷

现象：放在水中冷却的一根钢丝硬而脆，很容易折断；放在空气中冷却的一根较软、有较好的塑性，可以卷成圆圈而不断裂。

实验说明：虽然钢的成分相同，加热的温度也相，但采用不同的冷却方法，却得到了不同的力学性能。这主要是因为在不同冷却速度的情况下，钢的内部组织发生了不同的变化，性能改变。

二、热处理定义：

将固态金属或合金采用适当的方法时行加热、保温、冷却，以获得所需要的组织结构与性能的工艺。

三、目的：

获得所需组织和性能（使用性能和工艺性能）；

充分发挥钢材潜力（共析钢热处理后P→M，25HRC→65HRC）；

延长零件使用寿命； 改善零件工艺性能，提高切削加工工艺性，减少刀具磨损。

四、热处理理论基础：

固态金属或合金的同素异构转变，通过适当的方法改变组织，从而得到不同的性能。

1、热处理的对象：固态金属或合金

原因：热处理加热在Ac1、Ac3、Accm附近，未达到熔点，金属处于固态；

热处理的理论基础同素异构现象是固态金属或合金才具备的特性。

2、工艺过程：加热、保温、冷却，其加热温度范围、保温时间长短、冷却速度快慢因条件不同而不同。

预备热处理：是零件加工过程中的一道中间工序（也称为中间热处理），其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力，为后续的机加工或进一步的热处理作准备。

最终热处理：是指能赋予工件使用性能的热处理，其目的是使经过成型工艺达到要求的形状和尺寸的零件达到所需要的使用性能。

根据铁碳平衡相图，共析钢加热到超过A 1温度时，全部转变为奥氏体；而亚共析钢和过共析钢加热到A 3和Acm 以上获得单相奥氏体。

通常把加热时的实际临界温度标以字母“c”，如Ac 1、Ac 3、Ac cm ；而把冷却时的实际临界温度标以字母“r”，如Ar 1、Ar 3、Ar cm 等。其物理意义分别为：

Ac 1：加热时珠光体向奥氏体转变的温度；

Ar 1：冷却时奥氏体向珠光体转变的温度；

Ac 3：加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度；

Ar 3：冷却时奥氏体向铁素体转变的开始温度；

Ac cm ：加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度；

Ar cm ：冷却时从奥氏体中开始析出二次渗碳体的温度。

3、工艺曲线：

五、热处理的分类： 1、一般分类：

2、按目的和工序分类：

预备热处理：退火、正火、调质

最终热处理：淬火、回火、表面热处理

3、热处理适用范围：

60～70%机床制造中零件；

70～80%拖拉机制造中零件；

工具、模具、轴承几乎全部要热处理；

NdFeB材料要通过热处理改善性能。

4、学习热处理的意义：

了解材料在不同加热、保温、冷却条件下组织变化规律，正确设计和实施热处理工艺。

第二节钢在加热时的组织转变

加热是热处理的首道工序，大多是先把钢件加热到高温，目的是使钢得到奥氏体组织。通常将这一过程称为钢的奥氏体化。

一、奥氏体的形成

1、共析钢奥氏体化温度

加热冷却时，铁碳合金状态图上各临界点的位置

2、共析钢加热时奥氏体的形成过程

奥氏体的形成遵循一般的相变规律，包括形核与长大两个基本过程，可分为四个阶段：（1）奥氏体晶核的形成。将钢加热到Ac1以上时，珠光体转变成奥氏体，奥氏体晶核首先在铁素体和渗碳体的相界面形成。

（2）奥氏体长大。稳定的奥氏体晶核形成后，开始长大生成小晶体，同时又有新的晶核形成。

（3）残余渗碳体的溶解。由于铁素体的碳浓度和结构与奥氏体相近，铁素体转变为奥氏体的速度远比渗碳体向奥氏体中的溶解快。

（4）奥氏体成分的均匀化。在渗碳体全部溶解完时，奥氏体的成分是不均匀的，需要保温一定时间，碳原子充分扩散，获得均匀的单相奥氏体。

3、亚共析钢与过共析钢加热时奥氏体的形成

亚共析钢与过共析钢的室温平衡组织分别为（P+F）和（P +

Fe3CⅡ）。其中，加热时珠光体转变为奥氏体的过程与共析钢的相同；不同的是：亚共析钢多了铁素体向奥氏体的转变

过程，过共析钢多了二次渗碳体的溶解过程。所以，亚共析钢要得到全部奥氏体需加热到Ac3以上，对过共析钢要在Ac cm以上。这一过程为完全奥氏体化。

如果亚共析钢仅在Ac1～Ac3温度之间加热，加热后的组织是“A

+ F”两相共存；对过共析钢在Ac1～Ac cm温度之间加热，加热后的组织应为“A + Fe3CⅡ”两相共存。这一过程为不完全奥氏体化。

在加热后的冷却过程中，只是奥氏体向其它的组织转变，铁素体或二次渗碳体则不会发生转变，保留在钢的室温组织中，会对钢的力学性能产生影响。

二、奥氏体晶粒的大小及控制

1、奥氏体晶粒度—表示奥氏体晶粒大小

晶粒度评级（冶标）：00，0，1，2，…，10共12个等级；其中，3级以下为粗晶粒，4～6级中等晶粒，7～8级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。

根据加热时奥氏体晶粒长大的超势，钢种有

本质细晶粒钢：加热时，A不容易长大，含Nb,Ti,V等元素的钢；意义：渗碳！

本质粗晶粒钢：加热时，A晶粒容易长大。

2、奥氏体晶粒的大小的控制

一般从以下几个方面考虑

（1）加热温度和保温时间。 加热温度高，保温时间长，奥氏体晶粒长大。

加热温度高，保温时间短，可获得细小的晶粒。

加热温度一定，延长保温时间，晶粒不断长大，并趋于稳定。

原因：原子的扩散能力主要与温度有关。保温的目的主要是为了使工件温度均匀，奥氏体的成分均匀化。

（2）加热速度。在实际生产中，常采用快速加热和短时保温的方法来获得细小晶粒。

原因：加热速度越快，过热度越大，奥氏体化温度越高，形核率和长大速率越大，但前者大于后者，可获得细小的奥氏体起始晶粒；另一方面，温度较高时，界面能高，原子扩散

能力增强，细小晶粒反而易于长大，所以保温时间又不能太长。

（3）原始组织。

（4）钢的化学成分

碳元素的影响：随碳含量增加，奥氏体晶粒长大倾向增加；当有未溶碳化物存在时，可阻碍晶粒长大，得到细小奥氏体晶粒。

合金元素影响：

A．钢中加入Al、V、Zr、Ti、Nb元素可起到细化晶粒的作用。因为能形成高熔点、弥散分布的碳化物或氮化物，阻碍晶界移动，强烈阻碍奥氏体晶粒长大。

B．Mn、P及过量的Al等溶入奥氏体中，可加速铁的扩散，促进奥氏体晶粒的长大。

三、钢加热时常见的缺陷及防止措施

1．常见的缺陷

氧化：钢在氧化性气氛（如气氛中有O2、CO2、H2O等）加热时易被氧化，工件表面形成FeO、Fe2O3、Fe3O4等氧化物，导致钢的烧损，零件尺寸变小，表面粗糙，更重要的是严重影响后序热处理的质量。

脱碳：指钢中的碳被烧损，导致钢件表面含碳量降低的现象，常伴随氧化发生。脱碳的气氛主要有氧化性气氛和H2气氛。脱碳使钢件表面的含碳量降低，使钢件强度硬度降低，特别是疲劳强度和耐磨性严重下降。

过热：指加热温度比正常温度偏高，出现的奥氏体晶粒粗大的现象。过热使钢件的强度和塑韧性降低，热处理后变形加大。过热的工件可通过重新奥氏体化，细化晶粒来补救。

过烧：指钢加热的温度太高，奥氏体晶界局部或全部氧化甚至熔化的现象。过烧使工件变脆，如果锻造一锻即裂。过烧的工件只能报废，无法挽救，属于致命性缺陷。

2．防止措施

（1）在真空中加热：工件在真空中加热是防止氧化脱碳的最有效措施，是热处理工艺的发展方向，在发达国家应用普遍。问题在于，真空热处理设备投资大，成本较高。

（2）可控气氛加热：工件加热过程中向炉内充入一定保护性气氛，保证钢在不脱碳、不增碳、不氧化的气氛下加热。实践证明它是行之有效与可靠的方法，是现代热处理的发展方向之一。

（3）盐浴加热：将工件置于一熔化了的中性熔融的盐浴炉中加热，盐浴进行充分脱氧，保证工件加热过程中少氧化，甚至无氧化。缺点主要是粘在工件上的盐难以清洗，操作过程中盐液遇水易炸，不小心灼伤人体，不太安全，操作过程中要多加小心。

第二节钢在冷却时的转变

一、过冷奥氏体

定义：把在临界温度A 1以下尚未发生组织转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体。

等温转变：过冷奥氏体转变是在临界点以下某个温度下等温过程中发生的，就称为过冷奥氏体的等温转变。

连续转变：转变在连续冷却的过程中发生的就称为过冷奥氏体的连续冷却转变。

等温冷却和连续冷却是工业生产中常用的两种热处理冷却方式。钢中过冷奥氏体在冷却过程中的转变规律常用过冷奥氏体转变图来描述，表示转变产物与温度、时间之间的关系，是选择和制定热处理工艺的重要依据。