1、金属材料与热处理课题课题五五 钢钢的热处理的热处理钢在加热时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢的退火与正火钢的淬火课题课题五五 钢钢的热处理的热处理钢的回火钢的表面热处理热处理新技术简介学习目标学习目标掌握过冷奥氏体的等温转变和连续冷却转变；掌握钢的退火、正火、淬火、回火工艺；了解钢的表面淬火及化学热处理的应用；了解表面气相沉淀技术。课题课题五五 钢钢的热处理的热处理钢的热处理是指将钢在固态范围内采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。热处理方法很多，但任何一种工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的。要了解各种热处理方法对钢的性能的改变情况，必须先了解
2、钢的组织在加热、保温和冷却过程中的变化规律。相关知识课题课题五五 钢钢的热处理的热处理学习情境一学习情境一 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变由Fe-Fe3C相图可知，共析钢在加热或冷却过程中经过PSK线（A1）时，发生珠光体与奥氏体之间的相互转变；亚共析钢在经过GS线（A3）时，发生铁素体与奥氏体之间的相互转变；过共析钢在加热或冷却过程中经过ES线（Acm）时，发生渗碳体与奥氏体之间的相互转变。A1、A3、Acm称为钢在加热或冷却过程中组织转变的临界温度线，它们所对应的温度是在缓慢加热或冷却条件下钢发生组织转变时的温度。实际加热时转变温度因有过热现象而偏高，实际冷却时转变温度因有过冷现
3、象而偏低。实际加热时的转变温度线用Ac1、Ac3、Accm表示，实际冷却时的转变温度线用Ar1、Ar3、Arcm表示，如图5-1所示。学习情境一学习情境一 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变图5-1 铁碳合金实际加热或冷却时转变温度变化图学习情境一学习情境一 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变奥氏体的形成是通过形核及晶核长大过程来实现的，其基本过程可以描述为四个步骤，以共析钢为例，其奥氏体化过程如图5-2所示。一、奥氏体的形成奥氏体形成的基本过程奥氏体形成的基本过程1.图5-2 共析钢奥氏体化过程示意图学习情境一学习情境一 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变（1）奥氏体晶核的
4、形成。奥氏体晶核易在铁素体与渗碳体相界面形成，这是因为此处原子排列较紊乱，位错、空位密度较高。（2）奥氏体晶核的长大。奥氏体晶核形成之后，依靠铁素体的晶格转变和渗碳体的不断溶解，奥氏体不断向铁素体和渗碳体两个方向长大。这样，碳浓度平衡的破坏和恢复的反复循环过程，就使奥氏体逐渐向铁素体和渗碳体两个方向长大，与此同时，新的奥氏体晶核也不断形成并长大，直至铁素体全部转变为奥氏体为止。学习情境一学习情境一 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变（3）残余渗碳体的溶解。在奥氏体形成过程中，铁素体比渗碳体先消失，因此奥氏体形成之后，还残存未溶渗碳体。这部分未溶的残余渗碳体将随着时间的延长，继续不断地溶入
5、奥氏体，直至全部消失。（4）奥氏体均匀化。当残余渗碳体全部溶解时，奥氏体中的碳浓度仍然是不均匀的，在原来渗碳体处含碳量较高，而在原来铁素体处含碳量较低。如果继续延长保温时间，通过碳的扩散，可使奥氏体的含碳量逐渐趋于均匀。学习情境一学习情境一 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变过共析钢在室温平衡状态下的组织为珠光体和渗碳体，其中渗碳体往往呈网状分布。当缓慢加热到Ac1时，珠光体转变为奥氏体。若进一步提高加热温度和延长保温时间，则渗碳体将逐渐溶入奥氏体中。在温度超过Accm时，渗碳体完全溶解，全部组织为奥氏体，此时奥氏体晶粒已经粗化。学习情境一学习情境一 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织
6、转变奥氏体形成速度受到形成温度、钢的成分和原始组织以及加热速度等因素的影响。随着奥氏体形成温度的升高，原子扩散能力增大，特别是碳原子在奥氏体中的扩散能力增大；同时，Fe-Fe3C相图中GS线与SE线之间的距离增大，即增大了奥氏体中碳的浓度梯度，这些因素都加速了奥氏体的形成。影响珠光体向奥氏体转变的因素影响珠光体向奥氏体转变的因素2.学习情境一学习情境一 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变随着钢中含碳量的增加，铁素体和渗碳体的相界面总量增多，有利于加速奥氏体的形成。钢中加入合金元素并不改变奥氏体形成的基本过程，但显著影响奥氏体的形成速度。学习情境一学习情境一 钢在加热时的组织转变钢在加热时
7、的组织转变在钢的成分相同时，组织中珠光体越细，奥氏体形成速度越快。层片状珠光体的相界面比粒状珠光体多，加热时奥氏体更容易形成。在连续加热时，随着加热速度的增大，奥氏体形成温度升高，形成的温度范围扩大，形成所需的时间缩短。学习情境一学习情境一 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变根据奥氏体形成过程和晶粒长大情况，奥氏体晶粒度可分为起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度三种。起始晶粒度是指珠光体刚刚全部转变为奥氏体时的奥氏体晶粒度。一般奥氏体的起始晶粒度比较小，继续加热或保温将使它长大。二、奥氏体晶粒的长大及其影响因素奥氏体晶粒度的概念奥氏体晶粒度的概念1.实际晶粒度是指钢在具体的热处理或热加工条
8、件下实际获得的奥氏体晶粒大小。实际晶粒度直接影响钢件的性能。实际晶粒度一般比起始晶粒度大，因为热处理生产中，通常都有一个升温和保温阶段，就在这段时间内，晶粒有了不同程度的长大。学习情境一学习情境一 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变学习情境一学习情境一 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变不同牌号的钢，奥氏体晶粒的长大倾向是不同的。有些钢的奥氏体晶粒随着加热温度的升高会迅速长大，而有些钢的奥氏体晶粒则不容易长大，如图5-3所示。根据奥氏体晶粒长大倾向的不同，将钢分为两类：一类与曲线1相似，另一类与曲线2相似。符合曲线1的钢，晶粒长大倾向大，称为本质粗晶粒钢。符合曲线2的钢，晶粒长大倾
9、向小，称为本质细晶粒钢。所以“本质晶粒”并不指具体的晶粒，而是表示某种钢的奥氏体晶粒长大的倾向性。“本质晶粒度”也不是晶粒大小的实际度量，而是表示在规定的加热条件下，奥氏体晶粒长大倾向性的高低。学习情境一学习情境一 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变图5-3 加热温度与奥氏体晶粒长大的关系一般结构钢的奥氏体晶粒度分为8级。1级最粗，8级最细。晶粒度在14级的钢为本质粗晶粒钢，晶粒度在58级的钢为本质细晶粒钢。但不能认为本质细晶粒钢在任何加热条件下晶粒都不粗化，因为工艺实验规定的温度是930，若热处理加热温度超过某一温度，会使细小碳化物溶解、聚集长大，从而使奥氏体晶粒突然增大，使本质细晶粒
10、钢的实际晶粒反而比本质粗晶粒钢大。学习情境一学习情境一 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变在工业生产中，一般经铝脱氧的钢大多为本质细晶粒钢，而只用锰硅脱氧的钢为本质粗晶粒钢。沸腾钢一般都为本质粗晶粒钢，而镇静钢一般为本质细晶粒钢。需要热处理的工件一般都采用本质细晶粒钢。学习情境一学习情境一 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变学习情境一学习情境一 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变奥氏体晶粒长大伴随着晶界总面积的减少，使体系能量降低，所以在高温下，奥氏体晶粒长大是一个自发过程。其影响因素主要有如下几点。奥氏体晶粒长大及其影响因素奥氏体晶粒长大及其影响因素2.学习情境一学习情境一
11、 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变1 1）加热温度和保温时间加热温度和保温时间奥氏体形成时晶粒是细小的，但随着温度升高，晶粒将逐渐长大，温度越高，晶粒长大就越明显。在一定的温度下，保温时间越长，奥氏体晶粒也越粗大。学习情境一学习情境一 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变2 2）钢的成分钢的成分奥氏体的含碳量增高时，晶粒的长大倾向也增大。若碳以未溶碳化物的形式存在，则它有阻碍晶粒长大的作用。学习情境一学习情境一 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变钢中加入合金元素也影响奥氏体晶粒长大。一般认为，凡是能形成稳定碳化物的元素（如钛、钒、钽、铌、锆、钨、钼、铬）、形成不溶于奥氏体的氧
12、化物及氮化物的元素（如铝）、促进石墨化的元素（如硅、镍、钴）以及在结构上自由存在的元素（如铜），都会阻碍奥氏体晶粒长大。而锰、磷则有加速奥氏体晶粒长大的倾向。为了控制奥氏体晶粒长大，可以采取合理选择加热温度和保温时间、合理选择钢的原始组织以及加入一定量的合金元素等措施。学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变热处理工艺中，钢在奥氏体化后，接着要进行冷却。冷却的方式通常有以下两种。（1）等温冷却。将钢迅速冷却到临界点以下的给定温度进行保温，使其在该温度下恒温转变，如图5-4中的曲线1所示。（2）连续冷却。将钢以某种速度连续冷却，使其在临界点以下变温连续转变，如图5-4中的曲
13、线2所示。学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变图5-4 热处理工艺曲线示意图1等温冷却；2连续冷却学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变从Fe-Fe3C相图可知，当温度在A1以上时，奥氏体是稳定的，能长期存在。当温度降到A1以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体是不稳定的，它会转变为其他的组织。钢在冷却时的转变，实质上是过冷奥氏体的转变。一、过冷奥氏体的等温转变学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变共析钢过冷奥氏体的等温转变过程和转变产物可用其等温转变曲线来分析，如图5-5所示。图中横坐标为转
14、变时间，纵坐标为温度。根据曲线的形状，等温转变曲线也称为C曲线或TTT曲线。C曲线的左边一条为过冷奥氏体转变的开始线，右边一条是过冷奥氏体转变终了线。Ms线是过冷奥氏体转变为马氏体的开始温度，Mf线是过冷奥氏体转变为马氏体的终了温度。奥氏体从过冷到转变开始这段时间称为孕育期，孕育期的长短反映了过冷奥氏体的稳定性大小。在C曲线的“鼻尖”处（约550）孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定。等温转变曲线等温转变曲线1.学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变图5-5 共析钢的C曲线与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢的C曲线上部还各多一条先于共析相的析出线，如图5-6所示。因为在过冷奥氏
15、体转变为珠光体之前，在亚共析钢中要先析出铁素体，在过共析钢中要先析出渗碳体。如45钢在650 600 进行等温转变后，产物为铁素体和索氏体，T10在A1650 进行等温转变后，产物为珠光体和渗碳体。学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变图5-6 亚共析钢和过共析钢的C曲线学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变影响C曲线的因素主要是奥氏体的成分和奥氏体化条件。影响影响C C曲线的因素曲线的因素2.学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变1 1）碳的质量分数碳的质量分
16、数正常加热条件下，随着碳的质量分数增加，亚共析钢的C曲线右移（孕育期增长），同时Ms、Mf线下移；过共析钢的C曲线左移（孕育期缩短），同时Ms、Mf线下移。学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变2 2）合金元素合金元素除铝、铬外，所有溶于奥氏体的合金元素都能增加奥氏体的稳定性，使C曲线右移。但若合金元素未溶入奥氏体，而以碳化物形式存在时，它们将降低过冷奥氏体的稳定性，使C曲线左移。学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变3 3）加热温度和保温时间加热温度和保温时间加热至A1以上时，随着奥氏体化温度升高和保温时间的延长，奥氏体的成分更加均匀，未溶碳化
17、物减少，晶界的面积也减小，过冷奥氏体形核率下降，从而增加了奥氏体的稳定性，C曲线右移。学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变1 1）高温转变高温转变共析钢的过冷奥氏体等温转变共析钢的过冷奥氏体等温转变3.在A1550，过冷奥氏体的转变产物为珠光体，此温度区域称珠光体转变区。因此，这种转变也称为珠光体转变。珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，渗碳体呈片状分布在铁素体基体上,转变温度越低，层间距越小。按层间距大小，珠光体组织可分为珠光体、索氏体（用符号S表示）和托氏体（用符号T表示）。它们并无本质区别，也没有严格界限，只是形态上不同。但其性能随之有所改变，由珠光体转变为托氏
18、体，强度、硬度增加，塑性、韧性略有改善。奥氏体向珠光体的转变是一种扩散型的形核、长大过程，是通过碳、铁原子的扩散和晶体结构的重构来实现的。学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变过冷奥氏体在550 Ms转变为贝氏体，贝氏体用符号B表示，此温度区域称为贝氏体转变区。因此，这种转变也称为贝氏体转变。贝氏体是渗碳体分布在铁素体基体上的两相混合物。奥氏体向贝氏体的转变属于半扩散型转变，铁原子不扩散，而碳原子有一定扩散能力。转变温度不同，形成的贝氏体形态也不同。2 2）中中温温转变转变过冷奥氏体在550 350 转变形成的产物称为上贝氏体，用B上表示。上贝氏体呈羽毛状，小片状的渗碳
19、体分布在成排的铁素体之间。上贝氏体组织形态如图5-7（a）所示。过冷奥氏体在350 Ms的转变产物称为下贝氏体，用B下表示。在光学显微镜下，B下呈黑色针状，在电子显微镜下为细片状碳化物，分布于铁素体内。下贝氏体组织形态如图5-7（b）所示。学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变贝氏体的力学性能与其形态有关。上贝氏体的铁素体条较宽，渗碳体分布在铁素体间，其强度低，塑性、韧性差；而下贝氏体的片状铁素体内的渗碳体呈高度弥散分布，所以强度高，塑性、韧性好。过冷奥氏体冷却到Ms点以下后发生马氏体转变，是一个连续转变过程
20、。学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变图5-7 贝氏体的组织形态学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变在实际生产中发生较多的情况是连续冷却，所以研究钢的过冷奥氏体的连续冷却转变过程更具有实际意义。二、过冷奥氏体的连续冷却转变学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变共析钢的连续冷却转变曲线如图5-8所示，简称为CCT曲线。Ps为过冷奥氏体转变为珠光体的转变开始线，Pf为转变终了线。KK线为过冷奥氏体转变终了线，当冷却达到此线时，过冷奥氏体终止转变。由图5-8可知，共析钢以大于vK的速度冷却时，由于不与Ps或Pf线相交，得到的
21、组织是马氏体。这个冷却速度称为临界冷却速度。vK越小，钢越容易得到马氏体。共析钢的CCT曲线没有过冷奥氏体转变为贝氏体的部分，在连续冷却转变时得不到贝氏体组织。与共析钢的C曲线相比，CCT曲线稍偏右偏下一点，如图5-9所示，表明连续冷却时，奥氏体转变成珠光体的温度要低些，时间要长些。连续冷却转变曲线连续冷却转变曲线1.学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变图5-8 共析钢CCT曲线图5-9 共析钢C曲线与CCT曲线叠加图学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变如图5-10所示，亚共析钢过冷奥氏体在高温转变区有一部分转变为铁素体，在中温转变区会有少量
22、上贝氏体生成。例如，亚共析钢油冷的产物为铁素体+托氏体+上贝氏体+马氏体，但铁素体和上贝氏体量很少，有时可忽略。图5-10 亚共析钢过冷奥氏体的CCT曲线学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变如图5-11所示，过共析钢过冷奥氏体在高温转变区将首先析出渗碳体，然后转变为其他组织的组成物。由于奥氏体中碳的质量分数高，所以油冷、水冷后的组织中应包括残留奥氏体，用A表示。与共析钢一样，过共析钢冷却过程中无贝氏体转变。图5-11 过共析钢过冷奥氏体的 CCT曲线学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变如图5-12所示，以缓慢速度（v1）炉冷时，过冷奥氏体将转
23、变成珠光体，其转变温度较高，珠光体呈粗片状，硬度为170220 HBW。以稍快速度（v2）空冷时，过冷奥氏体转变为索氏体，为细片状组织，硬度为2535 HRC。以v4速度油冷时，过冷奥氏体先有一部分转变为托氏体，剩余的奥氏体在冷却到Ms以下后转变为马氏体（无贝氏体转变），冷却到室温时，还会有少量的未转变奥氏体留下来，称为残留奥氏体。因此转变后得到的组织是托氏体+马氏体+残留奥氏体，硬度为4555 HRC。当以很快的速度（v5）水冷时，奥氏体将过冷到Ms点以下，发生马氏体转变，冷却到室温也会有部分残留奥氏体，转变后的组织为马氏体+残留奥氏体。连续冷却转变过程及产物连续冷却转变过程及产物2.学习情
24、境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变图5-12 共析钢的C曲线和CCT曲线的比较及转变组织过冷奥氏体转变为马氏体是低温转变过程，转变温度为MsMf，该温区称为马氏体转变区。学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变三、马氏体转变马氏体的形态与特点马氏体的形态与特点1.马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体，为体心正方晶格，如图5-13所示，其晶格常数a=bc，c/a称为马氏体的正方度。正方度越大，晶格畸变就越大。图5-13 马氏体的晶格示意图学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变马氏体的形态有板条状和片状两种，其形态决定于奥氏体中碳的
25、质量分数。碳的质量分数小于0.25时，基本上是板条状，在显微镜下，板条状马氏体（也称为低碳马氏体）为一束束平行排列的细板条，如图5-14所示。在高倍透射电子显微镜下可以看到板条状马氏体内有大量位错缠结的亚结构，所以低碳马氏体又称位错马氏体。图5-14 板条状马氏体的显微组织学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变当碳的质量分数大于1时，则大多是片状马氏体（也称为高碳马氏体）。在光学显微镜下，片状马氏体呈竹叶状或凸透镜状，在空间形同铁饼。马氏体片之间形成一定角度（60或120），片状马氏体内有大量孪晶，因此片状马氏体又称为孪晶马氏体，如图5-15所示。图5-15 片状马氏体
26、的显微组织学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变碳的质量分数为0.251时，马氏体为板条状马氏体和片状马氏体的混合组织。高硬度是马氏体的主要性能特点。马氏体中碳的质量分数越高，其硬度就越高。碳的质量分数与马氏体硬度的关系如图5-16所示。图5-16 碳的质量分数与马氏体硬度的关系马氏体的塑性和韧性与马氏体中碳的质量分数密切相关。高碳马氏体由于正方度大、内应力高、存在孪晶结构，所以硬而脆，塑性、韧性极差。而低碳马氏体由于正方度小、内应力低、存在位错亚结构，则不仅强度高，而且塑性、韧性也较好。马氏体的比体积比奥氏体大，当奥氏体转变为马氏体时，体积会膨胀。马氏体还是一种铁磁相
27、，在磁场中呈现磁性，而奥氏体在磁场中无磁性。马氏体的晶格有很大的畸变，因此它的电阻率高。学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变马氏体转变的特点马氏体转变的特点2.（1）过冷奥氏体转变为马氏体是一种非扩散型转变，因转变温度很低，铁和碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥氏体的一定晶面集体地作一定距离的移动（不超过一个原子间距），使面心立方晶格转变为体心立方晶格，碳原子保持不动，过饱和地留在新组成的晶胞中，增大了其正方度。因此，马氏体就是碳在-Fe中的过饱和固溶体。过饱和碳使-Fe的晶格发生很大畸变，产生很强的固溶强化
28、效果。学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变（2）马氏体的形成速度很快，瞬间形核并长大。奥氏体冷却到Ms点以下后，无孕育期，瞬时转变为马氏体。随着温度下降，过冷奥氏体不断转变为马氏体，在不断降温的条件下继续形成，是一个连续冷却的转变过程。学习情境二学习情境二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变（3）马氏体转变是不彻底的，即使冷却到Mf点也不可能获得100的马氏体，总会有残留奥氏体存在。产生残留奥氏体的原因是马氏体的比体积大于奥氏体，所以奥氏体转变为马氏体时体积会膨胀，最终总会有一些奥氏体因为受压不能转变而被迫留下来。残留奥氏体的质量分数与Ms、Mf的高低有关。奥氏
29、体中碳的质量分数越高，Ms、Mf就越低，残留奥氏体的量就越多。通常在碳的质量分数高于0.6时，在转变产物中应标上A；而当碳的质量分数小于0.6时，A可忽略。（4）马氏体形成时体积膨胀，在钢中造成很大的内应力，严重时将使被淬火零件开裂。学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火退火与正火是生产中应用最广泛的预备热处理方式，安排在铸造、锻造之后机械加工之前，用于消除前一道工序带来的缺陷。对于一些受力不大、性能要求不高的零件，也可以作为最终热处理。常见的退火、正火加热温度范围及工艺曲线见图5-17所示。学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火图5-17 常见退火、正火的加热温度范围
30、及工艺曲线学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。根据退火的目的和要求不同，退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、均匀化（扩散）退火、去应力退火、再结晶退火等。一、退火学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火完全退火是把钢加热到Ac3以上20 30，保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却、埋入石灰或砂中冷却），以获得接近平衡组织的热处理工艺。完全退火的目的如下。（1）通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，以提高钢的性能。完全退火完全退
31、火1.学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火（2）使中碳钢以上的碳钢或合金钢得到接近平衡状态的组织，以降低硬度，改善其切削加工性能。（3）冷速缓慢，可消除内应力完全退火主要用于亚共析钢，过共析钢不宜采用。因为加热到Accm以上慢冷时，渗碳体会以网状形式沿奥氏体晶界析出，使钢的韧性大大下降，并可能在以后的热处理中引起裂纹。学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火等温退火是将钢件或毛坯加热到高于Ac3或Ac1的温度，保温适当时间后，较快地冷却到珠光体区的某一温度，并等温保持一段时间，使奥氏体转变为珠光体，然后缓慢冷却的热处理工艺。等温退火的目的与完全退火相同，但转变较易控制，
32、能获得均匀的预期组织。等温一定时间后，使奥氏体在等温中转变为珠光体，常常可以大大缩短退火时间，提高生产率。等温退火等温退火1.学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火高速钢的完全退火与等温退火的比较如图5-18所示，完全退火需要1520 h甚至更长，而等温退火所需时间缩短很多。图5-18 高速钢的完全退火与等温退火的比较学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火球化退火是使钢中碳化物球状化的热处理工艺。球化退火主要用于过共析钢、碳钢及合金钢（如制造刃具、量具、模具所用的钢种），其目的是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前先正火将网状二次渗碳体破碎），以降低硬度，改善切
33、削加工性能，并为淬火做组织准备。球化退火球化退火3.过共析钢的组织为层片状的珠光体和网状的渗碳体，珠光体本身较硬，而且由于网状渗碳体的存在，更增加了钢的硬度和脆性。这不仅给切削带来困难，而且还会引起淬火时产生变形和开裂。为了克服过共析钢的这一缺点，在热加工后必须安排一道球化退火工序，使网状二次渗碳体及珠光体中的层片状渗碳体发生球化，变成球状（粒状）。球状碳化物的硬度远较层片状珠光体与网状渗碳体组织的硬度低。学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火球化退火的组织为在铁素体基体上分布着细小而均匀的球状渗碳体。T10球化退火后的显微组织如图
34、5-19所示。图5-19 T10球化退火后的显微组织学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织的不均匀性，将其加热到略低于固相线的温度，长时间保温并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为均匀化退火或扩散退火。均匀化退火均匀化退火4.学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火均匀化退火的加热温度一般选定在钢的熔点以下200 100，保温时间一般为1015 h。加热温度升高时，扩散时间可以缩短。均匀化退火后的晶粒很粗大，因此一般需再进行完全退火或正火处理。学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火去应力退火去应力退火5.为消除铸造、锻造、焊接和
35、机械加工、冷变形等冷、热加工在工件中造成的残留应力而进行的低温退火，称为去应力退火。去应力退火一般是将钢件随炉缓慢加热（100/h150/h）至低于Ac1的某一温度（一般为500 650），保温一段时间，然后随炉缓慢冷却（50/h100/h）至300 200 出炉。这种处理可以消除5080的内应力，而不引起组织变化。学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火再结晶退火再结晶退火6.将钢件加热到再结晶温度以上150 250，即650 750 时，保温后炉冷，通过再结晶使钢材的塑性恢复到冷塑性变形以前的状况，这种热处理工艺称为再结晶退火。再结晶退火主要用于消除冷塑性变形加工产品的加工硬化，
36、提高其塑性。也常作为冷塑性变形过程中的中间退火，恢复金属材料的塑性，以便继续加工。学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火把钢材或钢件加热到Ac3（亚共析钢）和Accm（过共析钢）以上30 50，保温适当时间后，从炉中取出，在空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火与退火的明显不同是正火冷却速度稍快。根据钢的过冷奥氏体的C曲线可以知道，由于冷却速度的差别，钢冷却后所得的组织也不一样。正火后亚共析钢的组织为铁素体+索氏体，共析钢的组织为索氏体，过共析钢的组织为索氏体+二次渗碳体。在性能方面，正火后的组织硬度和强度都比退火后的有所提高。正火的目的也是使钢的组织正常化。一般用于以下几个方面。二
37、、正火正火可以细化晶粒，使组织均匀化，减少亚共析钢中的铁素体含量，使得珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。对于普通结构钢零件，当力学性能要求不高时，可以将正火作为最终热处理。学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火最终热处理最终热处理1.学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火预备热处理预备热处理2.截面较大的合金结构钢件，在淬火或调质处理（淬火+高温回火）前常进行正火，以获得细小而均匀的组织。对于过共析钢可减少二次渗碳体的量，并使其不形成连续网状，为球化退火做组织准备。学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火改善切削加工性能改善切削加工性能3.低
38、碳钢或低碳合金钢退火后硬度太低，不便于切削加工。正火可以提高其硬度，改善其切削加工性能。学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火三、退火和正火的选择 退火与正火同属于钢的预备热处理，其工艺及作用有许多相似之处，因此，在实际生产中有时两者可以相互替代，选用时主要从如下三个方面考虑。一般来说，钢的硬度在170260 HBW时，切削加工性较好。各种碳钢退火和正火后的硬度范围如图5-20所示，图中阴影部分为切削加工性能较好的硬度范围。由图5-20可见，碳的质量分数小于0.5的结构钢选用正火为宜；碳的质量分数大于0.5的结构钢选用完全退火为宜；而高碳工具钢则应选用球化退火作为预备热处理。学习情
39、境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火从切削加工性考虑从切削加工性考虑1.学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火图5-20 碳钢退火和正火后的硬度范围学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火2.对于形状复杂的零件或尺寸较大的大型钢件，若采用正火，零件的外层和尖角处冷却速度太快，而内部则冷却较慢，最终可能产生较大的内应力，导致变形和裂纹，因此采用退火为宜。从零件的结构形状考虑从零件的结构形状考虑学习情境三学习情境三 钢的退火与正火钢的退火与正火从经济性考虑从经济性考虑3.因正火比退火的生产周期短，成本低，操作简单，故在可能条件下应尽量采用正火，以降低生产成本。学习情境
40、四学习情境四 钢钢 的的 淬淬 火火将钢件加热到Ac3或Ac1以上的适当温度，经保温后快速冷却（冷却速度vK）以获得马氏体（或下贝氏体）组织的热处理工艺称为淬火。淬火的目的是获得马氏体，提高钢的力学性能，如各种工模量具、滚动轴承等工件的淬火，就是为了获得马氏体，以提高其硬度和耐磨性。学习情境四学习情境四 钢钢 的的 淬淬 火火 一、钢的淬火工艺淬火的加热温度淬火的加热温度1.碳钢的淬火温度可利用Fe-Fe3C相图来选择，如图5-21所示。为了防止奥氏体晶粒粗化，一般淬火温度不宜太高，只允许超出临界点30 50。对于亚共析钢，适宜的淬火温度一般为Ac3以上30 50，这样可获得均匀细小的马氏体组
41、织。如果淬火温度过高，则将获得粗大马氏体组织，同时引起钢件产生较严重的变形。如果淬火温度过低，则在淬火组织中将出现铁素体，造成钢的硬度不足，强度不高。学习情境四学习情境四 钢钢 的的 淬淬 火火图5-21 碳钢的淬火加热温度范围学习情境四学习情境四 钢钢 的的 淬淬 火火对于过共析钢，适宜的淬火温度一般为Ac1以上30 50，这样可获得均匀细小马氏体和粒状渗碳体的混合组织。如果淬火温度过高，则将获得粗片状马氏体组织，同时引起钢件产生较严重变形，淬火开裂倾向增大；而且由于渗碳体溶解过多，淬火后钢中残留奥氏体量增多，从而降低钢的硬度和耐磨性。如果淬火温度过低，则可能得到非马氏体组织，使钢的硬度达不
42、到要求。学习情境四学习情境四 钢钢 的的 淬淬 火火淬火操作的难度比较大，这主要是因为淬火要求得到马氏体，淬火的冷却速度就必须大于临界冷却速度（vK），而快冷总是不可避免地要造成很大的内应力，往往会引起钢件的变形和开裂。淬火冷却时，怎样才能既得到马氏体而又减小变形与避免裂纹，这是淬火工艺中最主要的一个问题。要解决这个问题，可以从两方面着手：一是寻找一种比较理想的淬火介质，二是改进淬火的冷却方法。淬火冷却介质淬火冷却介质2.学习情境四学习情境四 钢钢 的的 淬淬 火火根据碳钢的过冷奥氏体C曲线可知，要淬火得到马氏体，并不需要在整个冷却过程中都进行快速冷却。关键是在碳钢的C曲线“鼻尖”附近，即在6
43、50 550 进行快速冷却；而从淬火温度到650 及400 以下并不需要快速冷却。特别是在300 200 发生马氏体转变时，尤其不应快速冷却，否则会因内应力作用而容易引起变形和裂纹。因此，钢的理想淬火冷却速度如图5-22所示。但是在实际生产中，到目前为止还没找到一种理想的淬冷介质。学习情境四学习情境四 钢钢 的的 淬淬 火火图5-22 钢的理想淬火冷却速度学习情境四学习情境四 钢钢 的的 淬淬 火火淬火时，最常用的冷却介质是水、盐水和油。水的淬冷能力很强，盐水的淬冷能力更强，尤其在650 550 时具有很强的冷却能力（大于600/s），这对保证工件特别是碳钢件的淬硬来说是非常有利的。当工件用盐
44、水淬火时，由于食盐晶体在工件表面的析出和爆裂，不仅能有效地破坏包围在工件表面的蒸气膜，使冷速加快，而且能破坏在淬火加热时所形成的附在工件表面上的氧化铁皮，使它剥落下来。因此，用盐水淬火的工件容易得到高的硬度和光洁的表面，不易产生淬不硬的软点，这是清水淬火无法达到的。盐水淬冷的缺点与清水一样，即在300 200 时冷却能力过强，这将使工件变形严重，甚至发生开裂。学习情境四学习情境四 钢钢 的的 淬淬 火火常用的盐水浓度为10%15。盐水浓度过高不但不能增加冷却能力，反而由于溶液黏度的增加使冷却速度有降低的趋势。但盐水浓度过低也会减弱冷却能力，所以盐水浓度应经常注意调整。盐水对工件有锈蚀作用，淬过
45、火的工件必须进行仔细清洗。盐水比较适用于淬形状简单、硬度要求高而均匀、表面要求光洁、变形要求不严格的碳钢零件，如螺钉、销、垫圈等。在生产上，为了保证碳钢冷冲模具获得较深的淬硬层和较高的硬度，一般用盐水进行快速冷却。但为了防止因盐水在300 200 冷却速度过大而可能造成模具的过大变形或裂纹，所以让模具在盐水中停留一定时间以后应立即转入油中继续冷却，使马氏体相变在冷却能力比较弱的油中进行。学习情境四学习情境四 钢钢 的的 淬淬 火火除盐水和矿物油外，还可以用硝盐浴或碱浴作为淬火冷却介质。常用碱浴、硝盐浴的成分、熔点及其使用温度见表5-1。实践表明，在高温区域，碱浴的冷却能力比油强而比水弱，硝盐浴
46、的冷却能力则比油略弱；在低温区域，碱浴和硝盐浴的冷却能力都比油弱。碱浴和硝盐浴的冷却性能既能保证奥氏体向马氏体转变，不发生中途分解，又能大大减少工件的变形和开裂的倾向。因此这类介质广泛应用于截面不大、形状复杂、变形要求严格的碳素工具钢、合金工具钢等工件，作为分级淬火或等温淬火的冷却介质。碱浴虽然冷却能力比硝盐浴强一些，工件的淬硬层也比用硝盐浴厚一些，但因碱浴蒸气有较大的刺激性，劳动条件差，所以在生产中使用得不如硝盐浴广泛。学习情境四学习情境四 钢钢 的的 淬淬 火火学习情境四学习情境四 钢钢 的的 淬淬 火火由于淬火冷却介质不能完全满足淬火质量的要求，所以在热处理工艺方面还应考虑从淬火方法上加
47、以解决。二、常用的淬火方法学习情境四学习情境四 钢钢 的的 淬淬 火火40Cr油泵齿轮及其油冷单液淬火工艺如图5-23所示。单液淬火是将加热的工件放入一种淬火介质中连续冷却至室温的操作方法。碳钢在水中淬火、合金钢在油中淬火等均属单液淬火法，这种方法操作简单，容易实现机械化和自动化。但在连续冷却至室温的过程中，水淬容易产生变形和裂纹，油淬容易产生硬度不足或硬度不均匀等现象。单液淬火法单液淬火法1.学习情境四学习情境四 钢钢 的的 淬淬 火火图5-23 40Cr油泵齿轮及其油冷单液淬火工艺学习情境四学习情境四 钢钢 的的 淬淬 火火对于形状复杂的碳钢件，为了防止在低温范围内马氏体相变时发生裂纹，可
48、在水中淬冷至接近Ms温度时从水中取出立即转到油中冷却，如图5-24所示。这就是双液淬火法，也称为水淬油冷法。双液淬火方法如果能够掌握好在水中的停留时间，即可有效地防止裂纹的产生。双液淬火法双液淬火法2.图5-24 双液淬火工艺学习情境四学习情境四 钢钢 的的 淬淬 火火单液淬火法的缺点是工件在马氏体相变温度范围的冷速太快，而且在淬冷过程中工件表面与心部的温差太大，因此容易产生很大的内应力，造成工件严重变形甚至开裂。双液淬火法虽然减慢了马氏体相变时的冷却速度，但仍未能很好地改进工件表面与心部的温差。40Cr油泵齿轮的分级淬火工艺如图5-25所示。分级淬火后的40Cr油泵齿轮不仅减少了变形，避免了
49、裂纹的产生，而且硬度也比较均匀。分级淬火法在工艺上虽然比较理想，操作容易，但由于它在硝盐浴或碱浴中淬火的冷却速度不够大，所以只适用于尺寸比较小的工件。分级淬火法分级淬火法3.学习情境四学习情境四 钢钢 的的 淬淬 火火图5-25 40Cr油泵齿轮的分级淬火工艺对于一些不但形状复杂，而且要求具有较高硬度和好的韧性的工具、模具等工件，则可进行等温淬火，以得到下贝氏体的组织。等温淬火法一般是将钢件放入稍高于Ms点温度（260 400）的硝盐浴或碱浴中，保温足够的时间，使其发生下贝氏体相变，随后在空气中冷却。等温淬火法也只适用于薄的、尺寸较小的工件。工件的等温淬火工艺如图5-26所示。学习情境四学习情
50、境四 钢钢 的的 淬淬 火火等温淬火法等温淬火法4.学习情境四学习情境四 钢钢 的的 淬淬 火火图5-26 等温淬火工艺学习情境四学习情境四 钢钢 的的 淬淬 火火有些工件按其工作条件如果只是局部要求高硬度，则可进行局部加热淬火的方法，以避免工件其他部位产生变形和裂纹。直径大于60 mm的卡规的局部淬火法如图5-27所示。局部淬火法局部淬火法5.图5-27 卡规的局部淬火法学习情境四学习情境四 钢钢 的的 淬淬 火火冷处理冷处理6.为了尽量减少钢中残留奥氏体以获得最大数量的马氏体，可进行冷处理，即把淬冷至室温的钢继续冷却到70 80（也可冷却到更低的温度），保持一段时间，使残留奥氏体在继续冷却
