1、第五章第五章 钢的热处理钢的热处理 改善钢的性能，改善钢的性能，主要有两条途径：主要有两条途径：一是一是合金化合金化，这是，这是下几章研究的内容；下几章研究的内容；二是二是，这，这是本章要研究的内是本章要研究的内容。容。 第5章 钢的热处理：将固态金属或合金在：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变整体或表一定介质中加热、保温和冷却，以改变整体或表面组织，从而获得所需材料性能的工艺过程。面组织，从而获得所需材料性能的工艺过程。为简明表示热处理为简明表示热处理的基本工艺过程，的基本工艺过程，通常用通常用温度温度时间时间坐标绘出热处理工坐标绘出热处理工艺曲线。艺曲线。 5.1 概述什
2、么是热处理？在机床制造中约在机床制造中约60-70%的零的零件要经过热处理。件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达处理的零件达70-90%。l热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用泛应用。l 模具、滚动轴承模具、滚动轴承100%需经过需经过热处理。热处理。l 总之，重要零件都需适当热处总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。理后才能使用。 5.1 概述热处理的重要性热处理区别于其他加工工热处理区别于其他加工工艺如铸造艺如铸造、压力加工等的特压力加工等的特点是只通过点是只通过改变工件的组改变工件的组织织来改
3、变性能，而来改变性能，而不改变不改变其形状其形状。铸造铸造轧制轧制 适用于固态下发生组织转适用于固态下发生组织转变的材料，不发生固态相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理来变的材料不能用热处理来强化。强化。 5.1 概述热处理的特点及适用范围热处理原理热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律；：描述热处理时钢中组织转变的规律；热处理工艺热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数。质等参数。(a)940淬火+220回火（板条M回+A少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板条M+条状F+A少）(e)940淬火+780淬
4、火+220回火（板条M回+条状F+A少）(f)780淬火+220回火（板条M回+块状F） 20CrMnTi钢不同热处理工艺的显微组织钢不同热处理工艺的显微组织 5.1 概述热处理的分类根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将同，将热处理工艺热处理工艺分类如下：分类如下：普通热处理普通热处理表面热处理表面热处理热热处处理理退火退火正火正火淬火淬火回火回火表面淬火表面淬火感应加热、火焰加热等感应加热、火焰加热等化学热处理化学热处理渗碳、渗氮、碳氮共渗等渗碳、渗氮、碳氮共渗等 5.1 概述热处理的分类预备热处理预备热处理为随后的加工（冷拔、冲压、为随后的
5、加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作准备的热处理。切削）或进一步热处理作准备的热处理。最终热处理最终热处理赋予工件所要求的使用性能的赋予工件所要求的使用性能的热处理。热处理。预备热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线钢热处理工艺曲线时间温度温度/ 5.1 概述预备热处理与最终热处理钢加热时的实际转变温度分别用钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示；冷却时的实际转变温表示；冷却时的实际转变温度分别用度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。表示。l铁碳相图中铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用线分别用A1、A3、Acm表示；表示；l实际加热或冷却时存实际加热或冷却时存在
6、着过冷或过热现象。在着过冷或过热现象。 5.1 概述临界温度与实际转变温度加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化奥氏体化。钢坯加热钢坯加热 5.2 钢的加热转变第一步奥氏体晶核形成：第一步奥氏体晶核形成：首先在首先在 与与Fe3C相界形核；相界形核；第二步奥氏体晶核长大：第二步奥氏体晶核长大： 晶核通过碳原子的扩散向晶核通过碳原子的扩散向 和和Fe3C方向长大；方向长大；第三
7、步剩余第三步剩余Fe3C溶解：溶解：铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失；残余的因而先消失；残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失；随保温时间延长继续溶解直至消失；第四步奥氏体均匀化：第四步奥氏体均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。也是也是形核形核和和长大长大的过程，分为四步。的过程，分为四步。现以共析钢为例说明：现以共析钢为例说明： 5.2 钢的加热转变(1)奥氏体形成过程亚共析钢亚共析钢和和过共析钢过共析钢的奥氏体化过程与共析钢
8、的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析基本相同。但由于先共析 或二次或二次Fe3C的存在的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或或Accm以上。以上。 5.2 钢的加热转变(1)奥氏体形成过程珠光体向奥氏体转变完成时，珠光体向奥氏体转变完成时，奥氏体的晶粒很细小，称此为奥氏体的晶粒很细小，称此为起始晶粒度起始晶粒度；随着加热温度升高和保温时间随着加热温度升高和保温时间延长，会出现晶粒长大现象，延长，会出现晶粒长大现象，在给定温度下的奥氏体晶粒度在给定温度下的奥氏体晶粒度称为称为实际晶粒度实际晶粒度；把钢加热到把钢加热到93010保温保温8
9、h，冷却后测得的晶粒度定为，冷却后测得的晶粒度定为本质晶本质晶粒度粒度；有些钢其奥氏体晶粒随温度的升高迅速长大，这种钢称为有些钢其奥氏体晶粒随温度的升高迅速长大，这种钢称为本质本质粗晶粒钢粗晶粒钢；有些钢其奥氏体晶粒长大倾向较小，只有加热到较高温度有些钢其奥氏体晶粒长大倾向较小，只有加热到较高温度(930-950以上以上)时，才显著长大时，才显著长大本质细晶粒钢本质细晶粒钢。 5.2 钢的加热转变(2)奥氏体晶粒大小及其影响因素奥氏体晶粒大小对钢的力学奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响：性能的影响：奥氏体晶粒均匀细小，奥氏体晶粒均匀细小，热处理后钢的力学性能热处理后钢的力学性能提高；提高；粗大
10、的奥氏体晶粒在淬粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。较大的变形甚至开裂。箱式可控气氛多用炉箱式可控气氛多用炉真空热处理炉真空热处理炉 5.2 钢的加热转变(2)奥氏体晶粒大小及其影响因素 热热加加保温保温时间时间温度温度临界温度临界温度连续冷却连续冷却等温冷却等温冷却 5.3 钢的冷却转变稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过冷奥氏体区过冷奥氏体区A向产物向产物转变开始线转变开始线A A向产物转向产物转变终止线变终止线 A A + +产产 物物 区区产物区产物区A1550高温转变区；高温转变区；P转变区。转变区。550230中温转变区；中温转变区；贝氏体贝氏
11、体(B)转变区。转变区。23050低温转变区；低温转变区；马氏体马氏体(M)转变区。转变区。时间时间(s)1021031041010300800-100100200500600700温度温度()0400A1MsMf共析钢C曲线 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体在过冷奥氏体在A1到到 550间将间将转变为珠光体类型组织；转变为珠光体类型组织；铁素体与渗碳体片层相间的机铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物；械混合物；转变温度越低，层间距越小；转变温度越低，层间距越小；根据片层厚薄不同根据片层厚薄不同,又细分为又细分为珠光体珠光体(P)、索氏体索氏体(S)和和屈氏屈氏体体(T)
12、。珠光体珠光体索氏体索氏体屈氏体屈氏体 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性珠光体转变形成温度为形成温度为A1650，片层较厚，片层较厚，500倍光镜下倍光镜下可辨；可辨；用符号用符号P表示。表示。光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌三维珠光体如同放在水中的包心菜三维珠光体如同放在水中的包心菜 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性珠光体转变珠光体形成温度为形成温度为650600,片层较薄，片层较薄，8001000倍光镜下可辨；倍光镜下可辨；电镜形貌电镜形貌光镜形貌光镜形貌用符号用符号S 表示。表示。 5.3 钢
13、的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性珠光体转变索氏体形成温度为形成温度为600550，片层极薄，电镜下可，片层极薄，电镜下可辨；辨；用符号用符号T表示。表示。电镜形貌电镜形貌光镜形貌光镜形貌 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性珠光体转变屈氏体（托氏体）珠光体、珠光体、索氏体、索氏体、屈氏体屈氏体三种组织无本质区别三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。对的。l片间距越小，钢片间距越小，钢的强度、硬度越的强度、硬度越高，塑性和韧性高，塑性和韧性略有改善。略有改善
14、。 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性珠光体转变扩散型的形核、长大过程，通过碳、铁原子的扩散和扩散型的形核、长大过程，通过碳、铁原子的扩散和晶体结构的重构来实现；晶体结构的重构来实现；渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。者相间形核并长大，形成一个珠光体团。 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性珠光体转变转变过程：转变过程： 5.
15、3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性珠光体转变转变过程：转变过程：贝氏体转变也是形核和贝氏体转变也是形核和长大的过程；长大的过程；贝氏体转变属半扩散型贝氏体转变属半扩散型转变，即只有碳原子扩转变，即只有碳原子扩散而铁原子不扩散；散而铁原子不扩散；根据其组织形态不同，根据其组织形态不同，贝氏体又分为贝氏体又分为上贝氏体上贝氏体(B上上)和和下贝氏体下贝氏体(B下下)。上贝氏体下贝氏体 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性贝氏体转变上贝氏体转变过程上贝氏体转变过程当转变温度较高（当转变温度较高（550350) 时，条片状铁
16、素体从时，条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长；奥氏体晶界向晶内平行生长；随铁素体条伸长和变宽，其碳原子向条间奥氏体富随铁素体条伸长和变宽，其碳原子向条间奥氏体富集；集；最后在铁素体条间析出最后在铁素体条间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形短棒，奥氏体消失，形成成B上上。 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性贝氏体转变上贝氏体光镜下光镜下电镜下电镜下B上上在光镜下呈在光镜下呈羽羽毛状毛状；在电镜下为不连续在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁晶内平行生长的铁素体条之间。素体条之间。 5.3 钢的冷
17、却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性贝氏体转变上贝氏体下贝氏体转变下贝氏体转变l当转变温度较低（当转变温度较低（350230) 时，铁素体在晶时，铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状；界或晶内某些晶面上长成针状；l由于碳原子扩散能力低，其迁移不能逾越铁素由于碳原子扩散能力低，其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一定晶面上以断续体片的范围，碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。碳化物小片的形式析出。 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性贝氏体转变下贝氏体光镜下光镜下电镜下电镜下在光镜下，在光镜下，B B下下呈呈针
18、状针状；在电镜下为细片状碳化物分布于铁素在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内。体针内。 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性贝氏体转变下贝氏体上贝氏体上贝氏体贝氏体组织的透射电镜形貌贝氏体组织的透射电镜形貌下贝氏体下贝氏体上贝氏体强度与塑性都较上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值；低，无实用价值；下贝氏体除了强度、硬度下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的学性能，是生产上常用的强化组织之一。强化组织之一。 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等
19、温转变产物的组织和特性贝氏体的机械性能强化钢的重要强化钢的重要途径之一；途径之一；非扩散型转变。非扩散型转变。马氏体组织马氏体组织 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性马氏体转变当奥氏体过冷到当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏以下将转变为马氏体类型组织；体类型组织；碳在碳在 -Fe中的过饱和固溶体；中的过饱和固溶体；马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中；留到马氏体中；铁原子微调整，使原来奥氏体的面心铁原子微调整，使原来奥氏体的面心立方晶格改组成体心立方晶格。立方晶格改组成体心立方晶格。 5.3 钢的冷却转变(1)过
20、冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性马氏体转变马氏体的形成板条状、板条状、针状；针状；形态取决于奥氏体形态取决于奥氏体的的含碳量含碳量：1.0%时，针状马氏时，针状马氏体。体。马氏体形态与含碳量的关系马氏体形态与含碳量的关系0.45%C0.2%C1.2%C 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性马氏体转变马氏体的形态板条马氏体：板条马氏体：立体形态为细长的扁棒状；立体形态为细长的扁棒状；在光镜下板条马氏体为一束束的细条组在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织；织；每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列，一个奥氏
21、体晶粒内可形成几个行排列，一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束。取向不同的马氏体束。光镜下光镜下电镜下电镜下在电镜下，板条内的亚在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错，结构主要是高密度的位错， =1012/cm2，又称，又称位错马位错马氏体氏体。 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性马氏体转变马氏体的形态在光镜下，针状、竹叶状、凸透镜状；在光镜下，针状、竹叶状、凸透镜状；在电镜下，亚结构主要是孪晶；在电镜下，亚结构主要是孪晶；高碳针状马氏体又称孪晶马氏体。高碳针状马氏体又称孪晶马氏体。电镜下电镜下光镜下光镜下针状马氏体：针状马氏体： 5.3
22、钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性马氏体转变马氏体的形态马氏体的硬度主要取马氏体的硬度主要取决于其决于其含碳量含碳量；含碳量增加，其硬度含碳量增加，其硬度增加；增加；当含碳量大于当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓；时，其硬度趋于平缓；合金元素对马氏体硬合金元素对马氏体硬度的影响不大。度的影响不大。高硬度！马氏体硬度、韧性与含碳量的关系马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C% 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性马氏体转变马氏体的性能主要原因是过饱和碳引起的晶格主要原因是过饱和碳引起的晶格畸变，即固溶强化；畸变，即固溶强化；
23、转变过程中的大量晶体缺陷和引转变过程中的大量晶体缺陷和引起的组织细化；起的组织细化；过饱和的碳以弥散碳化物的形式过饱和的碳以弥散碳化物的形式析出。析出。针状马氏体针状马氏体板条马氏体板条马氏体马氏体的透射电镜形貌马氏体的透射电镜形貌塑韧性比较：塑韧性比较：高针状马氏体的塑性和韧性均很高针状马氏体的塑性和韧性均很差；差；低碳板条马氏体的塑性和韧性好。低碳板条马氏体的塑性和韧性好。 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性马氏体转变马氏体的性能a.a.非扩散型非扩散型铁和碳原子都不扩散，铁和碳原子都不扩散，转变形成碳在转变形成碳在铁中的铁中的过饱和固溶体；过饱和
24、固溶体；因而马氏体的含碳量与因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。奥氏体的含碳量相同。板条状马氏体板条状马氏体针状马氏体针状马氏体 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性马氏体转变马氏体转变的特点b.b.共格切变性共格切变性由于无扩散，晶格转变是以切变由于无扩散，晶格转变是以切变机制进行的；机制进行的；使切变部分的形状和体积发生变使切变部分的形状和体积发生变化，引起相邻奥氏体随之变形；化，引起相邻奥氏体随之变形；在预先抛光的表面上产生浮凸现在预先抛光的表面上产生浮凸现象。象。马氏体转变马氏体转变切变示意图切变示意图马氏体转变产生的表面浮凸马氏体转变产生的
25、表面浮凸 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性马氏体转变马氏体转变的特点c.c.降温形成降温形成马氏体转变开始的温度称马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用上马氏体点，用Ms表示；表示；马氏体转变终了温度称下马氏体转变终了温度称下马氏体点，用马氏体点，用Mf表示；表示；只要温度达到只要温度达到Ms以下即发以下即发生马氏体转变；生马氏体转变；在在Ms以下，随温度下降以下，随温度下降,转变量增加，冷却中断转变量增加，冷却中断,转转变停止。变停止。MfMsM(50%)M(90%) 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性马氏体
26、转变马氏体转变的特点d.d.形成速度极快形成速度极快马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。当一片马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的马氏体产马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的马氏体产生裂纹。生裂纹。e.e.转变不彻底转变不彻底即使冷却到即使冷却到Mf点，也不点，也不可能获得可能获得100%的马氏体的马氏体，总有部分奥氏体未能，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称转变而残留下来，称残残余奥氏体余奥氏体，用，用A或或表示表示。 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性马氏体转变马氏体转变的特点材料大师材料大师
27、徐祖耀徐祖耀19211921年出生于浙江宁波；年出生于浙江宁波；上海交通大学教授，上海交通大学教授，19951995年当选为中国年当选为中国科学院院士，科学院院士，20002000年获何梁何利奖；年获何梁何利奖；材料相变，率先在我国开展纳米材料相材料相变，率先在我国开展纳米材料相变的研究；变的研究；我国研究开发形状记忆材料的先驱者，材料热力学研究和教材我国研究开发形状记忆材料的先驱者，材料热力学研究和教材建设的倡导人和执行者；建设的倡导人和执行者；金属学原理金属学原理培育了建国后第一代材料工作者；培育了建国后第一代材料工作者；马氏体相马氏体相变与马氏体变与马氏体、材料热力学材料热力学、材料科学
28、导论材料科学导论和和相变相变原理原理等著作培养了我国几代材料科学家。等著作培养了我国几代材料科学家。 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变产物的组织和特性马氏体转变a.含碳量 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变影响过冷奥氏体等温转变的因素共析钢中奥氏体最稳定，共析钢中奥氏体最稳定，C曲线最靠右曲线最靠右边，亚共析钢和过共析钢的边，亚共析钢和过共析钢的C曲线相对曲线相对共析钢共析钢C曲线全部左移。曲线全部左移。过共过共析钢析钢共析共析 钢钢亚共亚共析钢析钢时间温度A1a.含碳量 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变影响过冷奥氏体等温转变的因素除钴以外
29、，所有合除钴以外，所有合金元素使金元素使C曲线曲线右右移移；非碳化物形成元素：非碳化物形成元素：硅、镍、铜，右移，硅、镍、铜，右移，不改变形状；不改变形状；强碳化物形成元素：强碳化物形成元素：铬、钼、钨、钒、铬、钼、钨、钒、钛，右移，改变形钛，右移，改变形状。状。b.合金元素 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变影响过冷奥氏体等温转变的因素加热温度越高，保温时间越长，使C曲线右移。推杆式电阻炉推杆式电阻炉c.加热温度和时间 5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变影响过冷奥氏体等温转变的因素CCT曲线-continuous-cooling-transformationVk时间(
30、 lg )温度A1PfPsA+PKMsMf水冷水冷油冷油冷Vk炉冷炉冷空冷空冷K 5.3 钢的冷却转变(2)过冷奥氏体的连续冷却转变机械零件的一般加工工艺为：毛坯（机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）铸、锻）预备热处理预备热处理机加工机加工最最终热处理。终热处理。 l退火与正火主要用于退火与正火主要用于预备热处理，只有当预备热处理，只有当工件性能要求不高时工件性能要求不高时才作为最终热处理。才作为最终热处理。 5.4 钢的退火与正火改善钢的铸造、锻造、焊接后粗大而不均匀的组织，改善钢的铸造、锻造、焊接后粗大而不均匀的组织，从而改善机械性能；从而改善机械性能；降低硬度，提高塑性，从而改善切削
31、加工和冷加工等降低硬度，提高塑性，从而改善切削加工和冷加工等的工艺性；的工艺性；改善组织，消除成分不均匀性，消除内应力，为零件改善组织，消除成分不均匀性，消除内应力，为零件的后续热处理作准备；的后续热处理作准备；将组织偏离平衡状态的将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度保温钢加热到适当温度保温，然后缓慢冷却，然后缓慢冷却 ( (炉冷炉冷) )，以获得接近平衡状态，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。组织的热处理工艺。真空退火炉真空退火炉 5.4 钢的退火与正火(1)退火退火工艺：退火工艺：退火的种类很多，常用的有退火的种类很多，常用的有完全退火完全退火、等温退等温退火火、球化退火球化退火、扩散退
32、火扩散退火、去应力退火去应力退火。完全退火完全退火l将 工 件 加 热 到将 工 件 加 热 到Ac3+3050保温保温后缓冷的退火工后缓冷的退火工艺，主要用于亚艺，主要用于亚共析钢。共析钢。 5.4 钢的退火与正火(1)退火等温退火等温退火亚共析钢加热到亚共析钢加热到Ac 3+3050，共析、过共析钢加热到，共析、过共析钢加热到Ac1+3050，保温后快冷到，保温后快冷到Ar1以下某一温度并等温保持，待以下某一温度并等温保持，待相变完成后出炉空冷；相变完成后出炉空冷；等温退火可缩短工件在炉内停留时间，一般作为冷变形加工中等温退火可缩短工件在炉内停留时间，一般作为冷变形加工中间工序。间工序。高
33、速钢等温退火与普通退火的比较高速钢等温退火与普通退火的比较退火工艺：退火工艺： 5.4 钢的退火与正火(1)退火球化退火球化退火球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺，使片状球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺，使片状渗碳体球化，以降低硬度，改善切削性能。渗碳体球化，以降低硬度，改善切削性能。l将 工 件 加 热 到将 工 件 加 热 到Ac1+2030，较，较长时间保温后随炉长时间保温后随炉冷却。主要用于共冷却。主要用于共析、过共析钢。析、过共析钢。退火工艺：退火工艺： 5.4 钢的退火与正火(1)退火球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的
34、组织，称渗碳体的组织，称球状珠光体球状珠光体，用，用P P球球表示。表示。球状珠光体球状珠光体l对于有网状二次渗碳对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化体的过共析钢，球化退火前应先进行正火，退火前应先进行正火，以消除网状。以消除网状。球化退火球化退火退火工艺：退火工艺： 5.4 钢的退火与正火(1)退火完全退火：得到接近平衡完全退火：得到接近平衡状态的组织，降低硬度，改状态的组织，降低硬度，改善切削加工性能，消除内应善切削加工性能，消除内应力；力；等温退火：与完全退火相等温退火：与完全退火相比，转变较易控制，缩短退比，转变较易控制，缩短退火时间；火时间；球化退火：淬火前的预备球化退火：淬火前的预
35、备热处理，使片状渗碳体球化，热处理，使片状渗碳体球化，降低硬度，改善切削性能；降低硬度，改善切削性能；扩散退火：减少成分偏析扩散退火：减少成分偏析和组织的不均匀性；和组织的不均匀性；去应力退火：消除内应力。去应力退火：消除内应力。退火工艺：退火工艺： 5.4 钢的退火与正火(1)退火正火是将亚共析钢加热到正火是将亚共析钢加热到Ac3+3050，共析，共析钢加热到钢加热到Ac1+3050，过共析钢加热到，过共析钢加热到Accm+3050，保温适当时间后，在空气中冷，保温适当时间后，在空气中冷却，得到珠光体类组织却，得到珠光体类组织( (一般为索氏体一般为索氏体) )的热的热处理工艺。处理工艺。正
36、火温度正火温度与完全退火相比：与完全退火相比：正火冷却速度快，得到的正火冷却速度快，得到的组织较细；组织较细；能获得更高的强度和硬度；能获得更高的强度和硬度；生产周期较短，成本较低。生产周期较短，成本较低。 5.4 钢的退火与正火(2)正火正火的目的：正火的目的：作为最终热处理，提高钢的强度、硬度和韧性，对于作为最终热处理，提高钢的强度、硬度和韧性，对于普通结构钢零件，机械性能要求不高时，可以正火作普通结构钢零件，机械性能要求不高时，可以正火作为最终热处理；为最终热处理；热处理与硬度关系热处理与硬度关系合适切削加工硬度合适切削加工硬度作为预先热处理，对过作为预先热处理，对过共析钢可减少二次渗碳
37、共析钢可减少二次渗碳体量，并使其不形成连体量，并使其不形成连续网状，为球化退火作续网状，为球化退火作组织准备；组织准备；改善切削加工性能，正改善切削加工性能，正火可提高低碳钢、低碳火可提高低碳钢、低碳合金钢退火后的硬度，合金钢退火后的硬度，以便于切削。以便于切削。 5.4 钢的退火与正火(2)正火淬火淬火是将钢加热到相变温度以上，保温是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组一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺。织的热处理工艺。 真空淬火炉真空淬火炉淬火是应用最广的淬火是应用最广的热处理工艺之一。热处理工艺之一。淬火目的是为获得淬火目的是为获得马氏体马氏体
38、组织，提高组织，提高钢的性能。钢的性能。 5.5 钢的淬火与回火(1)淬火工艺淬火加热温度和加热时间淬火加热温度和加热时间对于合金钢，淬火加热温对于合金钢，淬火加热温度比碳钢高，使合金元素度比碳钢高，使合金元素在奥氏体中充分溶解和均在奥氏体中充分溶解和均匀化，以获得较好的淬火匀化，以获得较好的淬火效果；效果；淬火加热时间包括升温时淬火加热时间包括升温时间和保温时间两个阶段。间和保温时间两个阶段。亚共析碳钢亚共析碳钢：Ac3以上以上3050；共析和过共析碳钢共析和过共析碳钢：Ac1以上以上3050。亚共。亚共析钢淬火加热温度在析钢淬火加热温度在Ac1以下时，淬火组织中会保以下时，淬火组织中会保留
39、自由铁素体，使钢的硬度降低；留自由铁素体，使钢的硬度降低； 5.5 钢的淬火与回火(1)淬火工艺理想的冷却曲线应只在理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而曲线鼻尖处快冷，而在在Ms附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小内应力的目的。但目前还没有找到理，又减小内应力的目的。但目前还没有找到理想的淬火介质。想的淬火介质。理想淬火曲线示意图理想淬火曲线示意图l常用淬火介质是水、常用淬火介质是水、油和无机盐水溶液油和无机盐水溶液等。等。淬火介质淬火介质 5.5 钢的淬火与回火(1)淬火工艺水：缺点水：缺点650550冷却能力不强，冷却能力不强，300 200
40、冷却能力又很大，主要用于形状简单，截冷却能力又很大，主要用于形状简单，截面较大的碳钢零件；面较大的碳钢零件；矿物油：优点矿物油：优点300200冷却能力低，有利于冷却能力低，有利于减少工件的变形，缺点是在减少工件的变形，缺点是在650550范围冷范围冷却能力低，不利于钢的淬硬，一般用作合金钢却能力低，不利于钢的淬硬，一般用作合金钢的淬火介质。的淬火介质。盐浴：冷却能力介于水和油之间，用于形状复盐浴：冷却能力介于水和油之间，用于形状复杂、尺寸较小、变形要求严格的工具等。杂、尺寸较小、变形要求严格的工具等。淬火介质淬火介质 5.5 钢的淬火与回火(1)淬火工艺采用不同的淬火方采用不同的淬火方法可弥
41、补介质的不法可弥补介质的不足。足。单介质淬火：单介质淬火：加热工件在一种介加热工件在一种介质中连续冷却到室质中连续冷却到室温的淬火方法；温的淬火方法；操作简单，易实现操作简单，易实现自动化，用于简单自动化，用于简单形状零件。形状零件。各种淬火方法示意图各种淬火方法示意图1单液淬火法单液淬火法2双液淬火法双液淬火法3分级淬火法分级淬火法4等温淬火法等温淬火法淬火方法淬火方法 5.5 钢的淬火与回火(1)淬火工艺双介质淬火双介质淬火: :工件先在一种冷却能工件先在一种冷却能力强的介质中冷却，躲力强的介质中冷却，躲过鼻尖后，再在另一种过鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中冷却能力较弱的介质中发生马
42、氏体转变的方法。发生马氏体转变的方法。如水淬油冷，油淬空冷；如水淬油冷，油淬空冷；优点是冷却理想，缺优点是冷却理想，缺点是不易掌握。用于形点是不易掌握。用于形状复杂的碳钢件及大型状复杂的碳钢件及大型合金钢件。合金钢件。各种淬火方法示意图各种淬火方法示意图1单液淬火法单液淬火法2双液淬火法双液淬火法3分级淬火法分级淬火法4等温淬火法等温淬火法淬火方法淬火方法 5.5 钢的淬火与回火(1)淬火工艺分级淬火分级淬火: :在在Ms附近的盐浴或碱浴附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀中淬火，待内外温度均匀后再取出空冷；后再取出空冷；可减少内应力，用于小可减少内应力，用于小尺寸零件，刀具淬火。尺寸零件，
43、刀具淬火。盐浴炉盐浴炉各种淬火方法示意图各种淬火方法示意图1单液淬火法单液淬火法2双液淬火法双液淬火法3分级淬火法分级淬火法4等温淬火法等温淬火法淬火方法淬火方法 5.5 钢的淬火与回火(1)淬火工艺等温淬火等温淬火: :将工件在稍高于将工件在稍高于Ms的的盐浴或碱浴中保温足够盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝长时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法；氏体组织的淬火方法；经等温淬火零件具有经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，良好的综合力学性能，淬火应力小；淬火应力小；适用于形状复杂及要适用于形状复杂及要求较高的小型件。求较高的小型件。各种淬火方法示意图各种淬火方法示意图1单液淬火法单液淬
44、火法2双液淬火法双液淬火法3分级淬火法分级淬火法4等温淬火法等温淬火法淬火方法淬火方法 5.5 钢的淬火与回火(1)淬火工艺淬火缺陷及其预防措施淬火缺陷及其预防措施 5.5 钢的淬火与回火(1)淬火工艺氧化和脱碳：在空气炉中加热时可用保护涂料将零件加以保护；在空气炉中加热时可用保护涂料将零件加以保护；零件在熔融的盐浴中加热时，氧化和脱碳程度有明显减轻；零件在熔融的盐浴中加热时，氧化和脱碳程度有明显减轻；要求更高时可用保护气氛炉或真空炉来加热零件。要求更高时可用保护气氛炉或真空炉来加热零件。淬火后硬度不足或出现软点：亚共析钢加热温度低或保温时间不充分，淬火组织中残留有铁亚共析钢加热温度低或保温时
45、间不充分，淬火组织中残留有铁素体；素体；加热时钢件表面发生氧化、脱碳，淬火后局部生成非马氏体组加热时钢件表面发生氧化、脱碳，淬火后局部生成非马氏体组织；织；淬火时冷速不足或冷却不均匀，未全部得到马氏体组织；淬火时冷速不足或冷却不均匀，未全部得到马氏体组织；淬火介质不清洁，工件表面不干净，影响了工件的冷却速度，淬火介质不清洁，工件表面不干净，影响了工件的冷却速度，致使未能完全淬硬。致使未能完全淬硬。淬火缺陷及其预防措施淬火缺陷及其预防措施 5.5 钢的淬火与回火(1)淬火工艺淬火应力引起变形和开裂：正确选材和合理设计。对于形状复杂、截面变化大的零件，应正确选材和合理设计。对于形状复杂、截面变化大
46、的零件，应选用淬透性好的钢种，以便采用油冷淬火。在零件结构设计中，选用淬透性好的钢种，以便采用油冷淬火。在零件结构设计中，必须考虑热处理的要求，如尽量减少不对称性，避免尖角等。必须考虑热处理的要求，如尽量减少不对称性，避免尖角等。淬火前进行退火或正火，以细化晶粒并使组织均匀化，减少淬淬火前进行退火或正火，以细化晶粒并使组织均匀化，减少淬火产生的内应力。火产生的内应力。淬火加热时严格控制加热温度防止过热使奥氏体晶粒粗化，同淬火加热时严格控制加热温度防止过热使奥氏体晶粒粗化，同时也可减少淬火时的热应力。时也可减少淬火时的热应力。采用适当的冷却方法，如采用双介质淬火、分级淬火或等温淬采用适当的冷却方
47、法，如采用双介质淬火、分级淬火或等温淬火等。淬火时尽可能使零件冷却均匀。厚薄不均的零件，应先将火等。淬火时尽可能使零件冷却均匀。厚薄不均的零件，应先将厚的部分淬人介质中。薄件、细长件和复杂件，可采用夹具或专厚的部分淬人介质中。薄件、细长件和复杂件，可采用夹具或专用淬火压床进行冷却。用淬火压床进行冷却。淬火后及时回火，以消除应力，提高工件的韧性。淬火后及时回火，以消除应力，提高工件的韧性。网带式淬火炉网带式淬火炉淬透性是钢的主要热处理性能。淬透性是钢的主要热处理性能。是选材和制订热处理工艺的重要依是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。据之一。 5.5 钢的淬火与回火(2)钢的淬透性淬透性的概念淬
48、透性的概念淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。l淬硬层深度是淬硬层深度是指由工件表面指由工件表面到半马氏体区到半马氏体区(50%M + 50%P)(50%M + 50%P)的深度。的深度。 5.5 钢的淬火与回火(2)钢的淬透性同一材料的淬硬层深度同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质与工件尺寸、冷却介质有关。工件尺寸小、介有关。工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层质冷却能力强，淬硬层深。深。淬透性与工件尺寸淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。、冷却介质无关。它只用于不同材料它
49、只用于不同材料之间的比较，是通之间的比较，是通过尺寸、冷却介质过尺寸、冷却介质相同时的淬硬层深相同时的淬硬层深度来确定的。度来确定的。 淬透性与淬硬层深度的关系淬透性与淬硬层深度的关系 5.5 钢的淬火与回火(2)钢的淬透性钢的淬透性取决于临界钢的淬透性取决于临界冷却速度冷却速度Vk， Vk越小，越小，淬透性越高。淬透性越高。Vk取决于取决于C曲线的位置曲线的位置，C 曲线越靠右，曲线越靠右，Vk越越小。小。l因而凡是影响因而凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的曲线的因素都是影响淬透性的因素。即除因素。即除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素都外，凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高；使钢的淬透
50、性提高；l奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性提高。提高。影响淬透性的因素影响淬透性的因素 5.5 钢的淬火与回火(2)钢的淬透性淬透性的测定常用淬透性的测定常用末端淬火法末端淬火法淬透性的测定及其表示方法淬透性的测定及其表示方法 5.5 钢的淬火与回火(2)钢的淬透性示，示，J表示末端表示末端淬透性，淬透性，d表示表示距水冷端的距离，距水冷端的距离，HRC为该处的硬为该处的硬度。度。用淬透性曲线表示用淬透性曲线表示即用即用 表表淬透性的测定及其表示方法淬透性的测定及其表示方法 5.5 钢的淬火与回火(2)钢的淬透性J=HRCd临界淬透直径是指圆形钢
