第五章 钢的热处理
教学目的：掌握钢的热处理原理及常用热处理工艺；熟悉钢的淬透性及其对零件
机械性能的影响；了解常用热处理设备的特点。
本章重点：1、奥氏体的形成 2、过冷奥氏体的转变 3、C曲线的建立与应用
4、钢的退火、正火、淬火、回火、表面淬火、化学热处理 5、钢的淬透性 本章难点：1、奥氏体的形成 2、过冷奥氏体的转变
参考文献: 1、戴起勋，金属材料学，化学工业出版社，2005
2、史美堂，金属材料及热处理，上海科学技术出版社，2001
3、史美堂，金属材料及热处理习题集与实验指导书，上海科学技术
出版社，1997 专业词汇:austenite; spheroidizing annealing; inherent grain size; retained austenite;
quenching; hardenability; quenching medium; continuous cooling transformation curve; upper bainite; lower bainite; sorbite; practical grain size; diffusion transformation; diffusion annealing; ledeburite; subercritical quenching; normalizing; complete annealing; Widmanstatten structure; cryogenic treatment; isothermal quenching; isothermal annealing; secondary hardening; broken quenching; marquenching; tempering; tempered martensite; tempering embrittlement; tempered sorbite; tempered troostite; troostite; martensite starting point; granular pearlite; nitriding; tempering resistance; induction heat surface hardening; flame surface hardening; glow discharge nitriding; carbonitriding;
概 论
热处理工艺是提高材料性能的最简单的途径 一、热处理的概念
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通过对材料进行加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，以获 得所需性能的一种工艺。 二、热处理的分类
热处理：普通热处理：退火、正火、淬火、回火 表面热处理：
表面淬火：火焰加热、感应加热、激光加热、电接触加热、等离子
体加热
化学热处理:渗碳、氮化、渗V、渗B、渗Nb 三、热处理在机械零件制造工艺中的位臵
坯料 →锻造→热处理Ｉ→粗加工→半精加工→热处理Ⅱ→精加工→热处理Ⅲ→ （抛光）→成品
热处理Ｉ：称为改善材料切削加工性能热处理；最佳切削硬度：HB170-230。 低碳钢：含有大量柔软的铁素体；切削加工性能较差，易产生“粘刀”现象，影 响加工面的表面质量（粗糙度），刀具寿命也受到影响，故加工前应进行正火热处 理，以提高硬度，以改善加工性能。
高碳钢：含有较多的网状渗碳体，难以切削，应退火处理，再加工。 冷加工硬化的坯料，应进行再结晶退火，以降低硬度，改善切削加工性能。 热处理Ⅱ：改善零件机械性能热处理。正火、淬火＋回火、化学热处理 热处理Ⅲ：消除加工残余应力热处理（去应力退火、时效） 四、热处理在机械制造业中的应用
汽车制造业：70%—80%的零件需进行热处理 机床创造业：60%—70%的零件需进行热处理 各种工具、轴承等：100%的零件需进行热处理 五、热处理的主要工艺参数
1、加热速度 2、加热温度 3、保温时间 4、冷却速度
第一节 钢在加热时的组织转变
一、奥氏体的形成
大多数热处理工艺的加热温度都高于钢的临界点（A1或A3），使钢具有奥氏体
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组织，然后以一定的冷却速度冷却，以获得所需的组织和性能。
铁碳合金缓慢加热时奥氏体的形成可以从Fe-Fe3C相图中反映出来，珠光体向 奥氏体的转变属于扩散型相变。以共析钢为例，珠光体组织在A1（727℃）以 下，组织保持不变（α相中碳的溶解度及Fe3C的形状稍有变化）；当加热到A1 点以上时，珠光体全部转变为奥氏体。 奥氏体的形成过程可以分为四个步骤：
①奥氏体晶核的形成 ②奥氏体晶粒长大 ③残余渗碳体溶解 ④奥氏体成分均匀化
对于亚共析钢（过共析钢），当缓慢加热到A1以上时，除珠光体全部转化为奥氏体外，还有少量先共析铁素体转变为奥氏体（过共析钢二次渗碳体溶解）,随着温度升高，先共析铁素体不断向奥氏体转变，当温度高于A3时，组织为单相奥氏体。
二、奥氏体形成的热力学条件
钢加热时组织转变的动力是奥氏体与旧相之间的体积自由能之差ΔFv，而相变进行的条件是系统总的自由能降低。根据相变理论，奥氏体形成晶核时，系统总自由能变化ΔF为：
ΔF=-ΔFv+ΔFs+ΔFe
式中ΔFs——形成奥氏体时所增加的表面能， ΔFe——形成奥氏体时所增加的应变能
由于奥氏体是在高温下形成的，其相变应变能ΔFe很小，可以忽略，故上式可写为：ΔF=-ΔFv+ΔFs
共析钢奥氏体和珠光体的体积自由能随温度的变化曲线如图：A1以上，T1时，二者的体积自由能之差ΔFv。显然，只有当ΔFv能克服因奥氏体形成所增加的表面能ΔFs时，珠光体才能自发地形成奥氏体，因此奥氏体的形成必须有一定的过热度ΔT。
三、影响珠光体向奥氏体转变的因素 1、温度的影响
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提高温度，原子的扩散能力增大。特别是碳原子在奥氏体中的扩散能力增大，奥氏体的形成速率加快。
2、钢中含炭量增加，铁素体与渗碳体的相界面总量增多，有利于加速奥氏体形 成。
3、钢中加入合金元素，可影响奥氏体的形成①强碳化合物②减缓C的扩散，减
缓A的形成③非碳化物形成元素加速A形成。
4、钢组织中珠光体越细，奥氏体形成速度越快（相界面积大）。
加热速度越快，奥氏体形成温度升高，形成速度越快。 四、奥氏体晶粒度及其影响因素 1、奥氏体晶粒度的概念 a、起始晶粒度
指珠光体刚刚全部转变为奥氏体时的晶粒度。 b、实际晶粒度
指钢在具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒度。 c、本质晶粒度
不是指具体的晶粒大小，只表示钢的奥氏体晶粒长大的倾向性（易长大，还是不易长大）
一般将钢的奥氏体晶粒长大倾向分为两类：
曲线1：随加热温度的升高，奥氏体晶粒一直长大，逐渐粗化。 曲线2：在一定温度下加热，奥氏体晶粒长大缓慢，保持细小晶粒，超过一定温度（930℃后），奥氏体晶粒急剧长大，突然粗化。 凡是符合曲线1的钢—本质粗晶粒钢 凡是符合曲线2的钢—本质细晶粒钢
一般钢的奥氏体晶粒度分为8级，1级最粗，8级最细。
晶粒度1-4级的钢，称为本质粗晶粒钢；晶粒度5-8级的钢，称为本质细晶粒钢。 镇静钢为本质细晶粒钢，沸腾钢为本质粗晶粒钢。
需经热处理强化的零件一般都采用本质细晶粒钢---镇静钢制作。 2、影响奥氏体晶粒度的因素
高温下，奥氏体晶粒长大，晶界总面积减少，系统自由能降低是 自发过程：
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a、 奥氏体转化温度越高，晶粒越容易长大；保温时间越长，晶粒越容易长大 b、 奥氏体含碳量越高，晶粒长大的倾向越大
c、 在钢中加入合金元素：绝大多数合金元素都阻碍奥氏体晶粒长大，而锰、
磷则会加速奥氏体晶粒长大
第二节 钢在冷却时的组织转变
通过加热使钢转变为均匀的奥氏体组织后，仅完成了热处理的加热准备工作，将高温奥氏体以不同的冷却速度冷却，获得所需的组织与性能，才是热处理的最终目的。
高温奥氏体组织是稳定的，如冷却到A1以下，奥氏体就处于不稳定状态（过冷态），称为过冷奥氏体。不同的过冷度，奥氏体发生转变的过程不同：①转变开始与转变终了的时间不同；②转变后产物的组织与性能不同 一、珠光体型转变——高温转变（A1—550℃）
1、转变过程及特点
过冷奥氏体在A1—550℃温度范围内，将分解为珠光体类组织。当奥 氏体被过冷至A1以下温度时，在奥氏体晶界处（含碳量高）优先产生渗碳体的核心，然后依靠奥氏体不断供应碳原子（随着冷却，奥氏体溶解碳的能力下降，碳从奥氏体内向晶界扩散），渗碳体沿一定方向逐渐长大，而随着渗碳体的长大，又使其周围的奥氏体碳浓度下降，这就促使贫碳的奥氏体局部区域转变成铁素体（即渗碳体两侧出现铁素体晶核），在渗碳体长大的同时，铁素体也不断长大，而随着铁素体的长大，必然将多余的碳排挤出去，这就有利于形成新的渗碳体晶核。最终形成了相互交替的层片状渗碳体和铁素体——珠光体。排列方向相同的铁素体与渗碳体区域，称为珠光体晶粒。珠光体一直长大到与相邻的珠光体互相接触，而奥氏体全部转化为珠光体为止。
转变特点：过冷奥氏体转变为珠光体是扩散型相变。 2、分类
在高温转变区形成的珠光体类组织，虽然都是渗碳体与铁素体的混
合物，但由于过冷度大小不同，其片层距差别很大：
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