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1、2023/2/24,热处理原理与工艺 主讲教师：余方新 办公室A324 手机18970025670,绪 论,绪 论,一、课程的任务和目的 1.掌握钢加热时奥氏体的形成过程；奥氏体晶粒长大的规律及晶粒度的控制；掌握钢冷却过程中过冷奥氏体等温转变曲线及影响因素；掌握珠光体转变、马氏体转变、贝氏体转变和回火转变的特点、规律及组织与性能。2.掌握钢铁热处理的基本工艺退火、正火、淬火、回火、感应淬火、化学热处理的原理以及各自所获得的组织与性能。,绪 论,3.熟悉提高机械零件、工具等产品质量和寿命所应采取的各种热处理方法及其强化规律和应用范围。4.了解当代化学热处理及表面热处理新技术发展的领域及趋势；了解
2、真空热处理、可控气氛热处理、辉光离子热处理和复合热处理等新技术的原理及特点。,绪 论,二、教学安排（1）理论教学（40学时）A 热处理原理部分 第一章 钢在加热和冷却时的转变 钢在加热时的转变 钢的过冷奥氏体转变曲线 珠光体转变 马氏体转变 贝氏体转变,绪 论,第二章钢的回火转变及合金时效钢的回火转变合金的时效B 热处理工艺部分第一章退火和正火第二章钢的淬火及回火第三章钢的表面淬火第四章金属的化学热处理,绪 论,（2）实践教学内容（16学时）,三、考核方式期末考试：80实验及平时成绩：20四、学习方法认真听讲，做好笔记，勤看书，多思考，要记忆，要理论联系实际。,绪 论,2023/2/24,A.
3、热处理原理部分第一章 钢在加热和冷却时的转变,概 述,1.1 概 述,一、热处理的作用 1、什么是热处理？零件的加工过程为：下料锻造（或铸造）热处理成形加工热处理精加工包装。第一道热处理是为了便于后续机加工和为后续热处理做组织准备，满足的是零件加工的工艺性能；第二道热处理使零件具有高的机械性能（硬度、韧性、耐磨性等），赋予零件最终的使用性能。,概 述,热处理：将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却，以获得需要的组织结构与性能的一种热加工工艺。,概 述,概 述,因此，加热温度，保温时间，冷却速度就成为热处理工艺的三大要素。,热处理的过程：任何热处理都要经过加热、保温和
4、冷却三个过程，它可以用热处理工艺曲线表示。,热处理的目的：主要是改变钢的组织结构，使其具备工程技术上所需要的性能，包括工艺性能与使用性能。正确的热处理工艺还可以消除钢材经铸造、锻造、焊接等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使组织和性能更加均匀。,概 述,热处理的种类按工艺流程可分为：预备热处理和最终热处理。预备热处理：为随后冷拔、冲压和切削加工或最终热处理作好组织准备的热处理。一般预备热处理可获得工程上所要求的工艺性能。最终热处理：在生产工艺流程中，工件经切削加工等成形工艺而得到最终的形状和尺寸后，再进行的赋予工件所需使用性能的热处理。通过对工件进行最终热处理可显著提高
5、其机械性能，延长零件的使用寿命，从而充分挖掘材料的潜力，节约材料和能源。,概 述,概 述,例如:用高速钢（W18Cr4V）制造钻头或车刀，其工艺流程如下：锻造球化退火机加工淬火、回火精加工（磨）。其中球化退火可改善锻件毛坯组织，降低硬度（达到HB207-255，相当于HRC17-25)，这样才能进行切削加工，达到工艺性能要求。,预备热处理,其中淬火+回火，它可提高钻头的硬度（达到HRC60-65）、耐磨性和红硬性，可以切削加工其它金属，达到工程所要求的使用性能。,最终热处理,概 述,二、热处理与相图 钢为什么可进行热处理？热处理后为什么能获得前面所述的效果？是不是所有金属材料都能进行热处理呢？
6、这些问题与合金相图有关。,原则上只有在加热或冷却时有固态相变发生的合金或溶解度发生显著变化的合金才能进行热处理。在固态下不发生相变的纯金属、某些单相合金等不能用热处理手段强化，只能采用加工硬化的方法。,概 述,位于F点以左的合金：,例如：某二元合金系相图如右图,在固态加热或冷却过程中均无相变发生。-不可热处理。,成分在FF之间的合金：,相自t1温度缓慢冷至DF时，相又开始析出，继续冷却B在相中的溶解度又会发生显著变化，这一过程为固态相变的平衡脱溶沉淀。如果合金从t1温度时的相状态快速冷却，会得到过饱和到固溶体，这一过程为固态相变的不平衡脱溶沉淀（固溶处理）。-可热处理,概 述,成分位于D点以右
7、的合金：,固溶体在温度变化时溶解度发生显著变化。-可热处理,如果相图相中的溶解度曲线DF变成垂直线DF：,溶解度不随温度变化，所有合金在固态下均无相变发生。-所有成分的合金不可热处理,因为钢在加热或冷却过程中越过临界温度就要发生固态相变，所以能进行热处理。如能根据其变化规律，采取特定的加热和冷却方法，控制相变过程，便可获得所需的组织、结构和性能。,概 述,Fe-Fe3C相图,钢的临界点：,概 述,对于加热：实际加热条件下的相变温度高于平衡条件下的相变温度；对于冷却：实际冷却条件下的相变温度低于平衡条件下的相变温度。这个温差叫滞后度：加热转变 过热度 冷却转变 过冷度过热度或过冷度随加热或冷却速
8、度的增大而增大。,平衡临界温度：A1、A3、Acm实际加热临界温度：Ac1、Ac3、Accm实际冷却临界温度：Ar1、Ar3、Arcm,概 述,1.2 钢在加热时的转变（奥氏体的形成）,第一章 钢在加热和冷却时的转变,奥氏体化过程,奥氏体形成时，系统总自由能变化G可由下式表示：,一、奥氏体形成的热力学条件,以共析钢为例：,式中：Gv:新相奥氏体与母相之间体积自由能之差，是转变的驱动力；Gs:形成奥氏体时所增加的界面能，是P的阻力。Ge:形成奥氏体时所增加的应变能，是P的阻力。,1.2 钢在加热时的转变,在A1温度以下，G Gp，P是不可能发生的；只有在A1温度以上，即珠光体向奥氏体转变的驱动力
9、能克服奥氏体形成所增加的界面能时，珠光体才有可能自发地形成奥氏体。,从图5可看出，过热度T越大，相变的驱动力就越大。奥氏体的形成必须在一定的过热度T下才可能发生，这就是奥氏体形成的热力学条件。,1.2 钢在加热时的转变,二、奥氏体的组织、结构和性能1、组织形态,通常情况下，奥氏体的组织是由多边形的等轴晶粒所组成，有时在晶粒内可观察到孪晶，如图示。孪晶是由于相变热应力和组织应力引起奥氏体晶粒发生塑性变形（孪生塑性变形）而产生。,奥氏体的显微组织,二、奥氏体的组织、结构和性能,2、晶体结构 X射线衍射证明：奥氏体是碳在-Fe中的间隙固溶体，具有面心立方结构。碳原子处在-Fe面心立方的八面体间隙上。
10、,二、奥氏体的组织、结构和性能,由于体积因素的限制（碳原子半径为0.077nm，而-Fe八面体间隙半径为0.053nm，）碳原子溶入-Fe八面体间隙会引起晶胞胀大，造成点阵畸变，所以碳的溶解度是受限制的，碳在-Fe中的最大固溶度为2.11%.,二、奥氏体的组织、结构和性能,3、奥氏体的性能,（1）塑性高，屈服强度低。面心立方结构所决定。-高温加热锻造（2）比容小。在钢的各种组织中，奥氏体的比容最小：VF Fe3CM-做仪表元件。,二、奥氏体的组织、结构和性能,（4）除渗碳体外，奥氏体的导热性比其它组织差：导热系数：FPMFe3C。所以为减小热应力引起工件变形，奥氏体钢加热时，不可采用过大的加热
11、速度。（5）顺磁性：奥氏体具有顺磁性，而铁素体(A2点以下)和马氏体具有铁磁性。-可以用磁性法研究钢中的相变,二、奥氏体的组织、结构和性能,1.2 钢在加热时的转变,三、奥氏体的形成过程（奥氏体的形成机理）,以共析钢为例说明奥氏体的形成过程,可用下式表示：+Fe3C,c=0.0218%c=6.69%c=0.77%化学成分变化 体心立方 复杂斜方 面心立方 晶体结构变化,奥氏体的形成要靠碳的扩散重新分布和铁素体向奥氏体的晶格重组来完成。奥氏体的形成也是通过形核和长大方式进行的，符合相变的普遍规律。,共析钢中奥氏体的形成由四个基本过程组成：奥氏体形核、奥氏体长大、剩余渗碳体溶解和奥氏体成分均匀化。
12、,1、奥氏体的形核,三、奥氏体的形成过程,奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成（特别是在与晶界相连的/Fe3C界面上）。因为在相界面上碳浓度分布不均匀，位错密度较高、原子排列不规则，处于能量较高的状态，容易获的奥氏体形成所需的浓度起伏、结构起伏和能量起伏。,珠光体群边界也可能成为奥氏体的形核部位。,2、奥氏体长大,三、奥氏体的形成过程,在珠光体中，当奥氏体晶核在铁素体和渗碳体两相界面间产生以后，形成两个新相界面：及Cem，奥氏体的晶核依靠这两个相界面向原来的旧相铁素体和渗碳体中推移而长大。,2、奥氏体长大,三、奥氏体的形成过程,奥氏体晶粒长大是通过：铁素体与奥氏体之间的点阵重构渗碳
13、体的溶解碳在奥氏体中的扩散等过程进行的,三、奥氏体的形成过程,铁素体全部转变为奥氏体时，可以认为，奥氏体长大即完成,3、剩余渗碳体溶解 奥氏体的长大阶段随着铁素体全部转变为奥氏体即结束，此时仍有部分渗碳体尚未溶解，Fe3C为形成的遗留相。随着保温时间延长或继续升温，剩余在奥氏体中的渗碳体通过碳原子的扩散，不断溶入奥氏体中，使的碳浓度趋于共析成分。一旦渗碳体全部消失，这一阶段便告结束。,三、奥氏体的形成过程,4、奥氏体成分均匀化 剩余渗碳体全部溶解时，奥氏体中的碳浓度仍是不均匀的。继续延长保温时间或继续升温，通过碳原子的扩散，奥氏体碳浓度逐渐趋于均匀化，最后得到均匀单相的奥氏体。至此，奥氏体形成
14、过程全部完成。,三、奥氏体的形成过程,三、奥氏体的形成过程,亚（过）共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同，其组织除了珠光体外还有先共析铁素体（或渗碳体），当加热到Ac1温度时，珠光体先转变为奥氏体，然后随着加热温度升高，先共析铁素体（或渗碳体）逐渐向奥氏体转变，温度升到Ac3（或Accm）时全部转变为奥氏体，获得单一的奥氏体组织。,三、奥氏体的形成过程,1.2 钢在加热时的转变,四、奥氏体的形成速度（奥氏体形成的动力学）,奥氏体的形成速度可以用奥氏体等温形成动力学曲线和奥氏体连续形成动力学曲线反应。,1、奥氏体等温形成动力学曲线（简称等温TTA图）TTA：Time-temperature-A
15、ustenitization,由钢的等温TTA图可以看出：（基本规律）（1）奥氏体等温形成前都有一段准备时间，称为孕育期。孕育期是等待临界晶核的形成，即等待出现适当的能量起伏、浓度起伏和结构起伏，以满足形成一定尺寸晶核的要求。（2）温度越高，孕育期越短。因为温度愈高，过热度愈大，相变驱动力Gv越大，临界晶核尺寸愈小，所需浓度起伏也减小，这些都有利于的形核。,四、奥氏体的形成速度,（3）温度越高，完成转变所需的时间愈短。因为温度越高，相变驱动力Gv越大，铁和碳原子的扩散速度加快，这些都有利于奥氏体长大、Fe3C的溶解以及奥氏体的均匀化。（4）奥氏体的形成（形核+长大）所需的时间短，剩余渗碳体溶解
16、所需的时间较长，而奥氏体均匀化所需的时间更长。,四、奥氏体的形成速度,亚（过）共析钢的等温TTA图:,四、奥氏体的形成速度,2、奥氏体连续加热动力学曲线（奥氏体连续加热TTA图）,从钢的连续加热TTA图可看出：（基本规律）（1）相变是在一个温度范围内完成的，在一定的范围内，加热速度愈大，奥氏体形成的温度范围愈宽；奥氏体开始转变和转变终了的温度越高，即加热速度愈大，奥氏体的形成温度越高。,四、奥氏体的形成速度,（2）加热速度越快，孕育期越短。因为加热速度愈快，奥氏体开始形成的温度愈高。（3）加热速度越快，转变终了所需的时间越短，即奥氏体的形成速度越快。钢连续加热转变过程和等温转变过程的本质规律是
17、相同的，可用钢的等温TTA图定性地说明钢在连续加热条件下奥氏体形成的基本规律（特点），如可用图7.6定性说明连续加热时的基本规律（特点）。,四、奥氏体的形成速度,1.2 钢在加热时的转变,五、影响奥氏体形成速度的因素1、加热温度的影响加热温度是影响奥氏体形成速度的主要因素。加热温度越高，转变孕育期和完成转变的时间越短。2、原始组织的影响钢的原始组织越细，则奥氏体的形成速度越快。,3、化学成分的影响（1）含碳量的影响。钢中含碳量越高，奥氏体的形成速度越快。（2）合金元素的影响。首先，Me改变了碳在奥氏体中的扩散速度改变的形成速度。其次，Me改变了钢的临界温度改变转变时的T改变驱动力Gv改变的形成
18、速度。第三，合金钢均匀化过程除C的均匀化外，还包括Me的均匀化Me的扩散速度慢Me减慢了的形成速度。结论：合金钢奥氏体化要比碳钢缓慢得多。,五、影响奥氏体形成速度的因素,1.2 钢在加热时的转变,六、奥氏体的晶粒大小及其影响因素,奥氏体的晶粒大小是评定钢加热质量的重要指标之一。奥氏体的晶粒大小对钢的冷却转变及转变产物的组织性能都有重要的影响。奥氏体晶粒越细小，钢热处理后的强度越高，塑性越好，冲击韧性越高。奥氏体晶粒粗大，显著降低钢的冲击韧性、降低裂纹扩展功和提高脆性转折温度。此外，晶粒粗大的钢件，淬火变形和开裂倾向增大。,1、奥氏体的晶粒度定义：衡量晶粒大小的量度。度量:晶粒的平均直径。金相组
19、织中单位面积内晶粒个数。晶粒度的级别与晶粒大小的关系式为：n=2 N-1式中：n放大100倍时，每平方英寸（645mm2）内的晶粒数；N晶粒度的级别。,六、奥氏体的晶粒大小及其影响因素,由此式可知：晶粒度级别N越小，单位面积的晶粒数目越少，则晶粒尺寸越大。N为 1-4级称为粗晶粒；5-8级称为细晶粒；1级称为超粗晶粒（如-1、-2或00、000）8级称为超细晶粒（如10、12）。评定奥氏体晶粒度的级别世界统一采用比较法，即与标准图（图7.10）对比确定，也可采用直接测量的方法。,六、奥氏体的晶粒大小及其影响因素,（1）起始晶粒度：奥氏体转变刚刚完成，其晶粒边界刚刚相互接触时的奥氏体晶粒大小。取
20、决于形核率N和长大速度G：n0=1.01(N/G)1/2 式中n0表示1mm2面积内的晶粒数。形核率越大，奥氏体长大速度越小，则起始晶粒度越小。,三种晶粒度的概念：,六、奥氏体的晶粒大小及其影响因素,（2）实际晶粒度：钢在具体的热处理或其它热加工条件下所获得的奥氏体的实际晶粒大小。取决于加热温度和保温时间。（3）本质晶粒度：根据标准试验方法（YB27-64），在93010保温3-8h后测定的奥氏体晶粒大小称为本质晶粒度。本质晶粒度表示钢在一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向。,六、奥氏体的晶粒大小及其影响因素,本质粗晶粒钢是本质晶粒度为1-4级的钢，其随着加热温度升高，奥氏体晶粒迅速长大。本质细晶粒
21、钢是本质晶粒度为5-8级的钢，其在930以下随加热温度升高，奥氏体晶粒长大速度很缓慢。,六、奥氏体的晶粒大小及其影响因素,六、奥氏体的晶粒大小及其影响因素,本质细晶粒钢淬火加热温度范围宽，生产上易于操作，920渗碳后可直接淬火。钢的本质晶粒度与炼钢的脱氧方法和钢的化学成分有关。,2、影响晶粒长大的因素,晶粒细小、不均匀、界面弯曲、晶界面积大、界面能高、不稳定,热力学,晶粒大、均匀、晶界平直、120角、晶界面积小、界面能低、稳定,奥氏体刚刚形成时,六、奥氏体的晶粒大小及其影响因素,奥氏体晶粒长大基本上是一个奥氏体晶界迁移的过程，其实质是原子在晶界附近的扩散过程。所以一切影响原子扩散迁移的因素都能
22、影响奥氏体晶粒长大。,（1）加热温度和保温时间的影响。加热温度升高，晶粒急剧长大。在一定温度下，随着保温时间延长，奥氏体晶粒长大，但长大到一定尺寸后，继续延长保温时间，晶粒不再明显长大。,六、奥氏体的晶粒大小及其影响因素,（2）加热速度的影响。高温快速加热，短时保温可获得细小晶粒。（3）含碳量的影响。在一定范围之内，随着含碳量的增加，奥氏体晶粒长大的倾向增大。但是含碳量超过某一限度，奥氏体晶粒反而变得细小。见图。,六、奥氏体的晶粒大小及其影响因素,（4）合金元素的影响：a.合金元素Ti、Zr、V、Al、Nb、Ta等，由于能形成熔点高、稳定性强，不易聚集长大的碳化物（VC、TiC、NbC等）和氮
23、化物（VN、TiN、AlN、NbN等）第二相颗粒，因而能强烈阻碍奥氏体晶粒长大。b.而Cr、Mo、W等合金元素也能形成较稳定的碳化物和氮化物，对奥氏体晶粒长大的阻碍程度中等；c.不形成碳化物的合金元素Si、Ni、Cu等对奥氏体晶粒长大影响很小；d.Mn、P、O、N等元素溶入奥氏体后，削弱-Fe原子间的结合力，加速Fe原子的自扩散，从而促进奥氏体晶粒长大。,六、奥氏体的晶粒大小及其影响因素,六、奥氏体的晶粒大小及其影响因素,（3）（4）影响因素可归纳为第二相颗粒的影响。在钢中往往存在很多细小难熔的第二相颗粒，如碳化物、氮化物等，这些颗粒分布在奥氏体晶界上，对晶界起钉扎作用，阻碍晶界迁移，第二相颗粒对晶界单位面积的最大阻力Fmax与颗粒半径r及颗粒在单位体积中所占的体积分数f的关系式为：,式中为单位奥氏体晶界的界面能。此式表明：第二相颗粒数量愈多，尺寸愈小，抑制奥氏体晶粒长大的作用就愈大。,
