1、第第3 3章章 钢的热处理钢的热处理3.2 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变23.1 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变13.3 钢的普通热处理钢的普通热处理33.4 钢的表面热处理钢的表面热处理4 热处理是指将钢在固态下加热到预定的温度，保温一段时间，然后以热处理是指将钢在固态下加热到预定的温度，保温一段时间，然后以预定的方式冷却到室温，来改变其内部组织结构，以获得所需性能的一种预定的方式冷却到室温，来改变其内部组织结构，以获得所需性能的一种热加工工艺。其特点是改变钢的内部组织，而不改变其形状和尺寸。其目热加工工艺。其特点是改变钢的内部组织，而不改变其形状和尺寸。其目的是消除钢
2、的某些缺陷，改善其工艺性能和使用性能，延长使用寿命。的是消除钢的某些缺陷，改善其工艺性能和使用性能，延长使用寿命。热处理的方法很多，但无论什么方法，其操作过程一般都包括加热、热处理的方法很多，但无论什么方法，其操作过程一般都包括加热、保温和冷却三个阶段，如图保温和冷却三个阶段，如图3-13-1所示。所示。图图3-1 3-1 热处理曲线示意图热处理曲线示意图 根据铁碳相图可知，共析根据铁碳相图可知，共析钢在加热或冷却过程中经过钢在加热或冷却过程中经过PSKPSK线线（A A1 1）时，发生珠光体与奥氏体之）时，发生珠光体与奥氏体之间的相互转变，亚共析钢经过间的相互转变，亚共析钢经过GSGS线（线
3、（A A3 3）时，发生铁素体与奥氏体）时，发生铁素体与奥氏体之间的相互转变，过共析钢在加之间的相互转变，过共析钢在加热或冷却过程中经过热或冷却过程中经过ESES线（线（A Acmcm）时，发生渗碳体与奥氏体之间的时，发生渗碳体与奥氏体之间的相互转变。相互转变。A A1 1、A A3 3、A Acmcm称为钢在加称为钢在加热或冷却过程中组织转变的临界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温度线，它们所对应的温度是在缓慢加热或冷却条件下刚发生转缓慢加热或冷却条件下刚发生转变时的温度。实际加热时转变温变时的温度。实际加热时转变温度因有过热现象而偏高，实际冷度因有过热现象而偏高，实
4、际冷却时转变温度因有过冷现象而偏却时转变温度因有过冷现象而偏低。实际加热时的转变温度线用低。实际加热时的转变温度线用A Ac1c1、A Ac3c3、A Accmccm表示，实际冷却时的表示，实际冷却时的转变温度线用转变温度线用A Ar1r1、A Ar3r3、A Arcmrcm表示，表示，如图如图3-23-2所示。所示。图图3-2 3-2 铁碳合金实际加热或冷却时转变温度变化图铁碳合金实际加热或冷却时转变温度变化图3.1 3.1 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变3.1.1 3.1.1 奥氏体化过程奥氏体化过程 奥氏体化遵循形核和长大的基本规律，其过程可分为四个阶段，即奥奥氏体化遵循形核和
5、长大的基本规律，其过程可分为四个阶段，即奥氏体晶核形成、奥氏体晶核长大、残余渗碳体溶解和奥氏体成分均匀化。氏体晶核形成、奥氏体晶核长大、残余渗碳体溶解和奥氏体成分均匀化。以共析钢为例，其奥氏体化过程如图以共析钢为例，其奥氏体化过程如图3-33-3所示。所示。图图3-3 3-3 共析钢的奥氏体化过程共析钢的奥氏体化过程1.奥氏体晶核形成奥氏体晶核形成 将钢加热到将钢加热到Ac1以上时，珠光体处于不稳定状态，首先在铁素体与渗碳体的以上时，珠光体处于不稳定状态，首先在铁素体与渗碳体的相界形成奥氏体晶核。这是因为铁素体与渗碳体是两个不同晶体结构的相，在相界形成奥氏体晶核。这是因为铁素体与渗碳体是两个不
6、同晶体结构的相，在两相界面上原子排列不规则。此外，奥氏体的含碳量介于铁素体和渗碳体之间，两相界面上原子排列不规则。此外，奥氏体的含碳量介于铁素体和渗碳体之间，为奥氏体的晶核形成提供了良好的条件。为奥氏体的晶核形成提供了良好的条件。2.奥氏体晶核长大奥氏体晶核长大 奥氏体晶核形成后，其含碳量分布不均匀，与渗碳体相接触的含碳量高，奥氏体晶核形成后，其含碳量分布不均匀，与渗碳体相接触的含碳量高，与铁素体相接触的含碳量低，在奥氏体中出现了碳浓度的不平衡，使碳原子由与铁素体相接触的含碳量低，在奥氏体中出现了碳浓度的不平衡，使碳原子由高浓度向低浓度扩散，这样必然使得铁素体向奥氏体转变以及渗碳体溶解，直高浓
7、度向低浓度扩散，这样必然使得铁素体向奥氏体转变以及渗碳体溶解，直至铁素体全部转变为奥氏体。至铁素体全部转变为奥氏体。3.残余渗碳体溶解残余渗碳体溶解 铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失，而残余的渗碳体随保铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失，而残余的渗碳体随保温时间延长继续溶解直至消失。温时间延长继续溶解直至消失。4.奥氏体成分均匀化奥氏体成分均匀化 渗碳体溶解后，其所在部位含碳量仍很高，继续保温，通过碳原子的扩散，渗碳体溶解后，其所在部位含碳量仍很高，继续保温，通过碳原子的扩散，奥氏体的碳浓度逐渐趋于均匀化，最后得到成分均匀的奥氏体。奥氏体的碳浓度逐渐趋于均匀化，最后得到成
8、分均匀的奥氏体。3.1.2 3.1.2 奥氏体晶粒大小奥氏体晶粒大小1.1.奥氏体晶粒度的概念奥氏体晶粒度的概念 晶粒度是表示晶粒大小的参数，可用晶粒的平均面积或平均直径表示。晶粒度是表示晶粒大小的参数，可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。晶粒度分为工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。晶粒度分为8 8级，级，1 14 4级为级为本质粗晶粒钢，本质粗晶粒钢，5 58 8级为本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后者晶粒级为本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。长大倾向小。奥氏体化刚结束时的晶粒度称为起始晶粒度，此时晶粒细小均匀。随奥氏体化刚结
9、束时的晶粒度称为起始晶粒度，此时晶粒细小均匀。随着加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这是一个自着加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这是一个自发的过程。奥氏体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同。在给定温度发的过程。奥氏体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同。在给定温度下奥氏体的晶粒度称为实际晶粒度；加热时奥氏体晶粒的长大倾向称为本下奥氏体的晶粒度称为实际晶粒度；加热时奥氏体晶粒的长大倾向称为本质晶粒度。通常将钢加热到（质晶粒度。通常将钢加热到（9409401010）奥氏体化后，设法把奥氏体晶奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒保留到室温来判断钢的本质晶粒度。粒保留到
10、室温来判断钢的本质晶粒度。加热温度、保温时加热温度、保温时间和加热速度间和加热速度奥氏体晶粒长大与原子扩奥氏体晶粒长大与原子扩散密切相关，加热温度越散密切相关，加热温度越高，保温时间越长，奥氏高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。体晶粒越粗大。含碳量含碳量在一定碳的质量分数范围在一定碳的质量分数范围内，随着奥氏体中的含碳内，随着奥氏体中的含碳量的增加，碳在奥氏体中量的增加，碳在奥氏体中的扩散速度及铁的扩散速的扩散速度及铁的扩散速度增大，使奥氏体晶粒长度增大，使奥氏体晶粒长大的倾向增大大的倾向增大化学成分化学成分钢中加入强碳化物的形成钢中加入强碳化物的形成元素或者能生成氧化物和元素或者能生成氧化物
11、和氮化物的元素，如氮化物的元素，如Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等元素，有利于减等元素，有利于减弱奥氏体晶粒长大倾向。弱奥氏体晶粒长大倾向。2.2.影响奥氏体晶粒长大的因素影响奥氏体晶粒长大的因素3.1.3 3.1.3 钢在加热时常见的缺陷及防止措施钢在加热时常见的缺陷及防止措施常见的缺陷常见的缺陷脱碳脱碳氧化氧化过热过热过烧过烧防止措施防止措施在真空中加热在真空中加热可控气氛加热可控气氛加热盐浴加热盐浴加热3.2 3.2 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变3.2.1 3.2.1 过冷奥氏体的转变组织及转变过程过冷奥氏体的转变组织及转变过程1.1.珠光体转变珠光体转变
12、过冷奥氏体在过冷奥氏体在550550727 727 将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据片层厚薄不同，又细分为珠光体、索氏体和体片层相间的机械混合物，根据片层厚薄不同，又细分为珠光体、索氏体和屈氏体。屈氏体。过冷奥氏体在过冷奥氏体在650650727 727 转变形成片层厚大的珠光体，用转变形成片层厚大的珠光体，用P P表示，如图表示，如图3-43-4（a a）所示；过冷奥氏体在）所示；过冷奥氏体在600600650 650 转变形成片层较薄的索氏体，用转变形成片层较薄的索氏体，用S S表示，如图表示，如图3-43-4（b
13、 b）所示；过冷奥氏体在）所示；过冷奥氏体在550550600 600 转变形成片层极薄的屈转变形成片层极薄的屈氏体，用氏体，用T T表示，如图表示，如图3-43-4（c c）所示。这三种组织无本质区别，只是片层厚度）所示。这三种组织无本质区别，只是片层厚度不同，因此，其界限也是相对的。片间距越小，钢的强度、硬度越高，同时不同，因此，其界限也是相对的。片间距越小，钢的强度、硬度越高，同时塑性和韧性略有改善。塑性和韧性略有改善。图图3-4 3-4 珠光体转变的三种组织形态珠光体转变的三种组织形态 珠光体转变是晶核形成和长大的过程。如图珠光体转变是晶核形成和长大的过程。如图3-53-5所示，当奥氏
14、体过冷到所示，当奥氏体过冷到A A1 1以下时，渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，见图以下时，渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，见图3-53-5（a a）；在渗碳体晶）；在渗碳体晶核长大的过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体晶核的形成，核长大的过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体晶核的形成，见图见图3-53-5（b b）；两者的晶核相间形成并长大，形成一个珠光体团，见图）；两者的晶核相间形成并长大，形成一个珠光体团，见图3-53-5（c c）；一个晶粒可形成几个珠光体团，见图）；一个晶粒可形成几个珠光体团，见图3-53-5（d d）和图）和图3-53-5（e e）；珠光体）
15、；珠光体转变是一种扩散型转变，随着碳原子和铁原子的扩散，不断形成新的珠光体转变是一种扩散型转变，随着碳原子和铁原子的扩散，不断形成新的珠光体团，并逐渐长大，见图团，并逐渐长大，见图3-53-5（f f）。）。图图3-5 3-5 珠光体转变过程示意图珠光体转变过程示意图2.2.贝氏体转变贝氏体转变1 1）上贝氏体）上贝氏体 上贝氏体的晶核形成温度为上贝氏体的晶核形成温度为350350550 550，在光学显微镜下呈羽毛状，在电子，在光学显微镜下呈羽毛状，在电子显微镜下为不连续棒状的渗碳体，分布于奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之显微镜下为不连续棒状的渗碳体，分布于奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素
16、体条之间，如图间，如图3-63-6（a a）所示。）所示。2 2）下贝氏体）下贝氏体 下贝氏体的晶核形成温度为下贝氏体的晶核形成温度为230230350 350，在光学显微镜下呈竹叶状，在电子，在光学显微镜下呈竹叶状，在电子显微镜下为细片状碳化物，分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向成显微镜下为细片状碳化物，分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向成55556060，如图，如图3-63-6（b b）所示。）所示。图图3-6 3-6 贝氏体的组织形态贝氏体的组织形态3.3.马氏体转变马氏体转变1 1）马氏体的晶体结构）马氏体的晶体结构 马氏体是碳在马氏体是碳在-Fe-Fe中的过饱和固溶体，用中的
17、过饱和固溶体，用M M表示。马氏体转变时，奥氏体表示。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。如图中的碳全部保留到马氏体中。如图3-73-7所示，马氏体具有体心正方晶格所示，马氏体具有体心正方晶格（a a=b bc c），轴比），轴比c c/a a称为马氏体的正方度。马氏体含碳量越高，正方度越大，称为马氏体的正方度。马氏体含碳量越高，正方度越大，正方畸变越严重。当其含碳量小于正方畸变越严重。当其含碳量小于0.25%0.25%时，轴比时，轴比c c/a a=1=1，此时马氏体为体心，此时马氏体为体心立方晶格。立方晶格。图图3-7 3-7 马氏体晶格示意图马氏体晶格示意图2 2）马氏体的分类
18、）马氏体的分类根据形态的不同，马氏体可分为板条马氏体和针状马氏体两类。根据形态的不同，马氏体可分为板条马氏体和针状马氏体两类。（1 1）板条马氏体。板条马氏体的形貌如图）板条马氏体。板条马氏体的形貌如图3-83-8所示。所示。图图3-8 3-8 板条马氏体的形貌板条马氏体的形貌 （2 2）针状马氏体。针状马氏体的形貌如图）针状马氏体。针状马氏体的形貌如图3-93-9所示。针状马氏体的所示。针状马氏体的立体形态为双凸透镜形片状，显微组织为针状。它具有较高的强度、立体形态为双凸透镜形片状，显微组织为针状。它具有较高的强度、硬度，但塑性、韧性差，即硬而脆。马氏体转变终止温度较低，含碳硬度，但塑性、韧
19、性差，即硬而脆。马氏体转变终止温度较低，含碳量较高的钢淬火时易得到针状马氏体。量较高的钢淬火时易得到针状马氏体。图图3-9 3-9 针状马氏体的形貌针状马氏体的形貌1马氏体转变具有无扩马氏体转变具有无扩散性。在较低的温度散性。在较低的温度下，马氏体中的铁原下，马氏体中的铁原子和碳原子都不能发子和碳原子都不能发生扩散移动。转变前生扩散移动。转变前后，母相与新相成分后，母相与新相成分相同，马氏体的含碳相同，马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量量与奥氏体的含碳量相同。相同。2马氏体转变是在一定温度马氏体转变是在一定温度范围内（范围内（MfMs）发生的。）发生的。马氏体晶核形成时间极短，马氏体晶核形成时间极
20、短，晶核长大速度很快，若冷晶核长大速度很快，若冷却中断，则转变也立即停却中断，则转变也立即停止，必须降低温度，才能止，必须降低温度，才能产生新的马氏体，直至温产生新的马氏体，直至温度降低到马氏体转变终止度降低到马氏体转变终止温度温度Mf，转变才结束。，转变才结束。3马氏体转变的不彻底马氏体转变的不彻底性。即使温度降低到性。即使温度降低到马氏体转变终止温度马氏体转变终止温度M Mf f，也不可能获得，也不可能获得100%100%的马氏体，总有的马氏体，总有部分奥氏体未能转变部分奥氏体未能转变而残留下来，称为残而残留下来，称为残余奥氏体。余奥氏体。3 3）马氏体的性能）马氏体的性能 高硬度是马氏体
21、性能的主要特点。其硬度的大小主要取决于其含碳高硬度是马氏体性能的主要特点。其硬度的大小主要取决于其含碳量，含碳量增加，硬度增加。当其含碳量大于量，含碳量增加，硬度增加。当其含碳量大于0.6%0.6%时，其硬度趋于平缓。时，其硬度趋于平缓。马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细小且有强化作用。马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结产生的组织细小且有强化作用。马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。构的形式。4 4）马氏体转变的特点）马氏体转变的特点 马氏体转变也是晶核形成和长大的过程。其主要特点如下
22、：马氏体转变也是晶核形成和长大的过程。其主要特点如下：在热处理过程中，通常有在热处理过程中，通常有两种冷却方式：连续冷却和等两种冷却方式：连续冷却和等温冷却。连续冷却是指把奥氏温冷却。连续冷却是指把奥氏体化的钢置于某种介质（如空体化的钢置于某种介质（如空气、水、油）中，连续冷却到气、水、油）中，连续冷却到室温。等温冷却是指把奥氏体室温。等温冷却是指把奥氏体化的钢冷却到临界温度线化的钢冷却到临界温度线A1以以下的某一温度保持恒温，使过下的某一温度保持恒温，使过冷奥氏体发生等温组织转变，冷奥氏体发生等温组织转变，待转变结束后再冷却到室温。待转变结束后再冷却到室温。两种冷却方式示意图如图两种冷却方式
23、示意图如图3-10所示。所示。3.2.2 3.2.2 过冷奥氏体转变曲线图过冷奥氏体转变曲线图图图3-10 3-10 两种冷却方式示意图两种冷却方式示意图 过冷奥氏体的等温转变曲线是表示奥氏体急速冷却到临界温度线过冷奥氏体的等温转变曲线是表示奥氏体急速冷却到临界温度线A A1 1以下，在以下，在各不同温度下的保温过程中，转变量与转变时间的关系曲线，又称为各不同温度下的保温过程中，转变量与转变时间的关系曲线，又称为CCTCCT曲线或曲线或TTTTTT曲线，简称为曲线，简称为C C曲线。曲线。C C曲线是选择热处理冷却制度的依据，亚共析钢、共析曲线是选择热处理冷却制度的依据，亚共析钢、共析钢和过共
24、析钢的钢和过共析钢的C C曲线如图曲线如图3-113-11所示。所示。图图3-11 3-11 亚共析钢、共析钢和过共析钢的亚共析钢、共析钢和过共析钢的C C曲线曲线1.共析钢共析钢C曲线的建立曲线的建立 下面以金相法测定共析钢的下面以金相法测定共析钢的C曲线。将奥氏体化的共析钢快速冷却到曲线。将奥氏体化的共析钢快速冷却到A1以下不同温度并置于等温盐浴槽中保温，然后测定试样的转变量，确定以下不同温度并置于等温盐浴槽中保温，然后测定试样的转变量，确定各温度下转变量与转变时间的关系。将各温度下转变起始时间与终止时间各温度下转变量与转变时间的关系。将各温度下转变起始时间与终止时间标在温度标在温度时间坐
25、标中，并分别连线，便可得到共析钢的时间坐标中，并分别连线，便可得到共析钢的C曲线。曲线。2.共析钢共析钢C曲线的分析曲线的分析 共析钢的共析钢的C曲线如图曲线如图3-12所示。两条所示。两条C曲线中，左边的一条及曲线中，左边的一条及Ms线是线是过冷奥氏体转变开始线，右边的一条及过冷奥氏体转变开始线，右边的一条及Mf线是过冷奥氏体转变终了线。线是过冷奥氏体转变终了线。A1线、线、Ms线、转变起始线及纵坐标所包围的区域称为过冷奥氏体区，转线、转变起始线及纵坐标所包围的区域称为过冷奥氏体区，转变终止线以右及变终止线以右及Mf线以下称为转变产物区，转变起始线与转变终止线之间线以下称为转变产物区，转变起
26、始线与转变终止线之间以及以及Ms线与线与Mf线之间称为转变区。线之间称为转变区。图图3-12 3-12 共析钢的共析钢的C C曲线曲线3.3.影响影响C C曲线形状和位置的主要因素曲线形状和位置的主要因素 影响影响C C曲线形状和位置的主要因素包括奥氏体含碳量的影响、合金元素的影曲线形状和位置的主要因素包括奥氏体含碳量的影响、合金元素的影响以及原始组织、加热温度和保温时间的影响。响以及原始组织、加热温度和保温时间的影响。4.C4.C曲线的应用曲线的应用 C C曲线在生产中的应用，可概括为以下几个方面：曲线在生产中的应用，可概括为以下几个方面：（1 1）C C曲线说明了等温过程中组织的变化情况，
27、从而对制定等温退火、等温曲线说明了等温过程中组织的变化情况，从而对制定等温退火、等温淬火工艺具有指导意义。淬火工艺具有指导意义。（2 2）由于测定过冷奥氏体的连续转变曲线比较困难，等温转变资料比较多，）由于测定过冷奥氏体的连续转变曲线比较困难，等温转变资料比较多，因此，常以因此，常以C C曲线作为依据，去分析连续冷却的转变。曲线作为依据，去分析连续冷却的转变。（3 3）利用）利用C C曲线确定淬火时所需冷却速度的大小，从而合理选择冷却介质。曲线确定淬火时所需冷却速度的大小，从而合理选择冷却介质。（4 4）不同钢种可以根据其）不同钢种可以根据其C C曲线的形状与位置，判断淬透深度的大小，从而曲线
28、的形状与位置，判断淬透深度的大小，从而作为选择材料时的参考。作为选择材料时的参考。3.3 3.3 钢的普通热处理钢的普通热处理 退火与正火是生退火与正火是生产中应用最广泛的预产中应用最广泛的预备热处理，安排在铸备热处理，安排在铸造、锻造之后，机械造、锻造之后，机械加工之前，用以消除加工之前，用以消除前一道工序带来的某前一道工序带来的某些缺陷。对于一些受些缺陷。对于一些受力不大、性能要求不力不大、性能要求不高的零件，也可作为高的零件，也可作为最终热处理。碳钢的最终热处理。碳钢的退火、正火加热温度退火、正火加热温度范围如图范围如图3-133-13所示。所示。图图3-13 3-13 碳钢的退火、正火
29、加热温度范围碳钢的退火、正火加热温度范围3.3.1 3.3.1 钢的退火钢的退火1.1.退火退火 退火是将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却（炉冷）的热处理退火是将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺。退火的目的是减小钢的化学成分及组织的不均匀性，细化晶粒，工艺。退火的目的是减小钢的化学成分及组织的不均匀性，细化晶粒，降低硬度，消除内应力，以及为淬火做好组织准备。降低硬度，消除内应力，以及为淬火做好组织准备。2.2.退火的分类退火的分类 退火的种类很多，根据钢的成分和退火目的的不同，退火可分为完退火的种类很多，根据钢的成分和退火目的的不同，退火可分为完全退火、球化退火、扩散退
30、火、去应力退火等。全退火、球化退火、扩散退火、去应力退火等。3.3.2 3.3.2 钢的正火钢的正火1.正火正火 正火是将亚共析钢加热到（正火是将亚共析钢加热到（Ac3+3050），将共析钢加热到，将共析钢加热到（Ac1+3050），将过共析钢加热到（，将过共析钢加热到（Accm+3050）保温后空冷的保温后空冷的热处理工艺。它得到的组织以索氏体为主。热处理工艺。它得到的组织以索氏体为主。2.正火的目的正火的目的1对于普通碳钢、低合对于普通碳钢、低合金钢和力学性能要求金钢和力学性能要求不高的结构件，正火不高的结构件，正火可作为最终热处理工可作为最终热处理工艺。艺。2对于低碳钢，使用正火对于低碳
31、钢，使用正火可用来调整硬度，避免可用来调整硬度，避免切削加工中的切削加工中的“黏刀黏刀”现象，改善切削加工性。现象，改善切削加工性。3对于过共析钢，使用对于过共析钢，使用正火可用来消除网状正火可用来消除网状二次渗碳体，为球化二次渗碳体，为球化退火做组织准备。退火做组织准备。3.3.正火的特点和应用正火的特点和应用 正火比退火加热温度高，冷却速度快，同样的钢在正火后的正火比退火加热温度高，冷却速度快，同样的钢在正火后的强度和硬度比退火后高。钢的含碳量越高，用这两种方法处理后强度和硬度比退火后高。钢的含碳量越高，用这两种方法处理后的强度和硬度差别越大，而且正火生产周期短，生产率高，操作的强度和硬度
32、差别越大，而且正火生产周期短，生产率高，操作简便，经济性好。低碳钢含碳量少，经过正火处理后的强度和硬简便，经济性好。低碳钢含碳量少，经过正火处理后的强度和硬度与退火后的强度和硬度差不多，所以在条件允许的情况下应尽度与退火后的强度和硬度差不多，所以在条件允许的情况下应尽量选用正火。量选用正火。3.3.3 3.3.3 钢的淬火钢的淬火1.1.淬火温度和加热时间淬火温度和加热时间碳钢的淬火加热温度范围如图碳钢的淬火加热温度范围如图3-143-14所示。所示。图图3-14 3-14 碳钢的淬火加热温度范围碳钢的淬火加热温度范围2.2.淬火介质淬火介质 淬火时在何种介质中冷却是关系到能否得到马氏体，以及
33、减小内应淬火时在何种介质中冷却是关系到能否得到马氏体，以及减小内应力、变形和不产生开裂的重要工艺措施。力、变形和不产生开裂的重要工艺措施。理想的冷却曲线应只在理想的冷却曲线应只在C C曲线曲线“鼻尖鼻尖”处快速冷却，而在处快速冷却，而在M Ms s附近尽量附近尽量缓慢冷却，以达到既获得马氏体组织，又减小内应力的目的。但目前还缓慢冷却，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想的淬火介质，常用的淬火介质是水和油。没有找到理想的淬火介质，常用的淬火介质是水和油。（1 1）水。水是经济且冷却能力强的淬火介质。但水在）水。水是经济且冷却能力强的淬火介质。但水在550550650
34、650 的冷却能力不够强，而在的冷却能力不够强，而在200200300 300 的冷却能力太强，因此，生产上的冷却能力太强，因此，生产上水主要作为形状简单、截面较大的碳钢件的淬火介质。水主要作为形状简单、截面较大的碳钢件的淬火介质。（2 2）油。油在低温区冷却能力较理想，但在高温区冷却能力太弱，）油。油在低温区冷却能力较理想，但在高温区冷却能力太弱，因此，其主要作为合金钢和小尺寸的碳钢件的淬火介质。因此，其主要作为合金钢和小尺寸的碳钢件的淬火介质。3.3.常用的淬火方法常用的淬火方法 为了保证淬火效果，为了保证淬火效果，减少淬火变形和开裂，应减少淬火变形和开裂，应根据钢的材料、大小和质根据钢的
35、材料、大小和质量要求，选用不同的淬火量要求，选用不同的淬火方法。常用的淬火方法包方法。常用的淬火方法包括单介质淬火法、双介质括单介质淬火法、双介质淬火法、分级淬火法和等淬火法、分级淬火法和等温淬火法四种，如图温淬火法四种，如图3-153-15所示。所示。图图3-15 3-15 常用的淬火方法常用的淬火方法11单介质淬火法；单介质淬火法；22双介质淬火法；双介质淬火法；33分级淬火法；分级淬火法；44等温淬火法等温淬火法4.4.钢的淬透性钢的淬透性1 1）淬透性的概念和意义）淬透性的概念和意义 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淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力，
36、其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示的。淬硬层深度是指由钢表面到半马氏体区下淬硬层深度来表示的。淬硬层深度是指由钢表面到半马氏体区(50%M+50%P)(50%M+50%P)的深度。其他条件相同时，淬硬层越深，表明钢的淬透性越好。的深度。其他条件相同时，淬硬层越深，表明钢的淬透性越好。淬透性好的钢与同硬度的淬透性较差的钢比较，其屈服强度较好，冲淬透性好的钢与同硬度的淬透性较差的钢比较，其屈服强度较好，冲击韧性较高。淬透性不仅影响钢的机械性能，而且也标志着热处理工艺性击韧性较高。淬透性不仅影响钢的机械性能，而且也标志着热处理工艺性能的好坏。淬透性越好，越容易得到马氏体组织，因此，在淬火冷却时可能
37、的好坏。淬透性越好，越容易得到马氏体组织，因此，在淬火冷却时可以使用冷却较缓慢的冷却介质，有利于减少淬火内应力、变形和避免开裂。以使用冷却较缓慢的冷却介质，有利于减少淬火内应力、变形和避免开裂。2 2）影响淬透性的因素）影响淬透性的因素 钢的淬透性取决于临界冷却速度，而临界冷却速度与过冷奥氏体的稳定钢的淬透性取决于临界冷却速度，而临界冷却速度与过冷奥氏体的稳定性有关。因此，影响过冷奥氏体稳定性的因素，如过冷奥氏体的化学成分、性有关。因此，影响过冷奥氏体稳定性的因素，如过冷奥氏体的化学成分、过冷奥氏体的均匀化程度及晶粒大小等将影响其淬透性。过冷奥氏体的均匀化程度及晶粒大小等将影响其淬透性。临界冷
38、却速度取决于临界冷却速度取决于C C曲线的位置，曲线的位置，C C曲线越靠右，临界冷却速度越小。曲线越靠右，临界冷却速度越小。因此，凡是影响因此，凡是影响C C曲线的因素都是影响淬透性的因素，即除曲线的因素都是影响淬透性的因素，即除CoCo外，凡溶入过外，凡溶入过冷奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高。冷奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高。3 3）淬透性的应用）淬透性的应用 对于截面尺寸较大、形状复杂的重要零件，以及承载较大、要求截面力对于截面尺寸较大、形状复杂的重要零件，以及承载较大、要求截面力学性能均匀的零件，如螺栓、连杆、锻模、锤杆等，应选用高淬透性的钢制学性能均匀的零件，如螺栓、连杆、锻
39、模、锤杆等，应选用高淬透性的钢制造，并要求全部淬透；而承受弯曲和扭转的零件，如轴类、齿轮等，由于其造，并要求全部淬透；而承受弯曲和扭转的零件，如轴类、齿轮等，由于其外层受力较大，心部受力较小，因而可选用淬透性较低的钢，不必全部淬透。外层受力较大，心部受力较小，因而可选用淬透性较低的钢，不必全部淬透。3.3.4 3.3.4 钢的回火钢的回火1.1.回火的目的回火的目的1减少或消除淬火内应减少或消除淬火内应力，降低脆性，防止力，降低脆性，防止变形或开裂。变形或开裂。2获得所需要的力学性能。获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高、脆淬火钢一般硬度高、脆性大，回火可调整钢的性大，回火可调整钢的强度、硬
40、度，获得所需强度、硬度，获得所需要的塑性和韧性。要的塑性和韧性。3稳定组织、尺寸和形状。稳定组织、尺寸和形状。淬火马氏体和残余奥氏淬火马氏体和残余奥氏体都是非平衡组织，有体都是非平衡组织，有自发向平衡组织转变的自发向平衡组织转变的倾向。回火可使马氏体倾向。回火可使马氏体和残余奥氏体转变为平和残余奥氏体转变为平衡或接近平衡的组织，衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。防止使用时变形。2.2.钢在回火时的组织转变钢在回火时的组织转变1 1）回火时的组织转变）回火时的组织转变（1 1）马氏体的分解。）马氏体的分解。（2 2）残余奥氏体的分解。）残余奥氏体的分解。（3 3）渗碳体的形成。）渗碳体的形成。
41、（4 4）渗碳体聚集长大和铁素体多边形化。）渗碳体聚集长大和铁素体多边形化。2 2）回火时的性能变化）回火时的性能变化 一般来说，回火时力学性能变化总的趋势是随着回火温度的提高，钢的强一般来说，回火时力学性能变化总的趋势是随着回火温度的提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。原因是提高回火温度，使马氏体分解，造成度、硬度下降，塑性、韧性提高。原因是提高回火温度，使马氏体分解，造成渗碳体析出和聚集长大，使固溶强化消失，内应力被消除，因此，导致强度、渗碳体析出和聚集长大，使固溶强化消失，内应力被消除，因此，导致强度、硬度下降，而塑性、韧性升高。硬度下降，而塑性、韧性升高。3.3.回火的种类及应用
42、回火的种类及应用1 1）低温回火）低温回火低温回火是在低温回火是在150150250 250 进行的回火。进行的回火。2 2）中温回火）中温回火中温回火是在中温回火是在350350500 500 进行的回火。进行的回火。3 3）高温回火）高温回火高温回火是在高温回火是在500500650 650 进行的回火。进行的回火。图图3-16 3-16 钢的回火组织形貌钢的回火组织形貌4.4.回火脆性回火脆性 淬火钢的韧性并不总是淬火钢的韧性并不总是随回火温度升高而提高。在随回火温度升高而提高。在某些温度范围内回火时，会某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降的现象，出现冲击韧性下降的现象，这种现象称为
43、回火脆性。根这种现象称为回火脆性。根据产生回火脆性温度的不同，据产生回火脆性温度的不同，回火脆性可分为第一类回火回火脆性可分为第一类回火脆性和第二类回火脆性。如脆性和第二类回火脆性。如图图3-173-17所示为回火脆性的温所示为回火脆性的温度图。度图。图图3-17 3-17 回火脆性的温度图回火脆性的温度图1 1）第一类回火脆性）第一类回火脆性 第一类回火脆性又称为不可逆回火脆性，是指淬火钢在第一类回火脆性又称为不可逆回火脆性，是指淬火钢在250250350 350 回火回火时出现的脆性。这种回火脆性是不可逆的，只要在此温度范围内回火就会出时出现的脆性。这种回火脆性是不可逆的，只要在此温度范围
44、内回火就会出现脆性，目前尚无有效消除办法，因此，回火时应避开这一温度范围。现脆性，目前尚无有效消除办法，因此，回火时应避开这一温度范围。2 2）第二类回火脆性）第二类回火脆性 第二类回火脆性又称为可逆回火脆性，是指淬火钢在第二类回火脆性又称为可逆回火脆性，是指淬火钢在500500650 650 回火后回火后缓慢冷却时出现的脆性。缓慢冷却时出现的脆性。生产上用于防止和减弱第二类回火脆性的方法如下：生产上用于防止和减弱第二类回火脆性的方法如下：（1 1）将加热温度提高到）将加热温度提高到500500650 650，回火后用冷却介质快速冷却。，回火后用冷却介质快速冷却。（2 2）加入合金元素钼、钨等
45、。该方法更适用于无法实现快速冷却的大截）加入合金元素钼、钨等。该方法更适用于无法实现快速冷却的大截面的零部件。面的零部件。（3 3）尽量提高合金的纯度，减少氮、氧、磷等杂质元素的含量。）尽量提高合金的纯度，减少氮、氧、磷等杂质元素的含量。3.4 3.4 钢的表面热处理钢的表面热处理3.4.1 3.4.1 钢的表面淬火钢的表面淬火1.1.表面淬火用材及预备热处理表面淬火用材及预备热处理 表面淬火适用于含碳量为表面淬火适用于含碳量为0.4%0.4%0.5%0.5%的中碳结构钢。如果含碳量过低，的中碳结构钢。如果含碳量过低，则钢的表面硬度、耐磨性下降；如果含碳量过高，则钢的心部韧性下降。则钢的表面硬
46、度、耐磨性下降；如果含碳量过高，则钢的心部韧性下降。此外，表面淬火还可应用于铸铁，如机床导轨表面淬火，以提高其表面耐此外，表面淬火还可应用于铸铁，如机床导轨表面淬火，以提高其表面耐磨性。磨性。2.2.表面淬火后的回火及组织表面淬火后的回火及组织 表面淬火后的回火为低温回火，其温度不高于表面淬火后的回火为低温回火，其温度不高于200 200。回火目的是为。回火目的是为降低内应力，保留淬火的高硬度和高耐磨性。降低内应力，保留淬火的高硬度和高耐磨性。3.3.表面淬火的种类表面淬火的种类 根据加热方式的不同，表面淬火根据加热方式的不同，表面淬火可分为感应加热表面淬火、火焰加热可分为感应加热表面淬火、火
47、焰加热表面淬火和激光加热表面淬火三种。表面淬火和激光加热表面淬火三种。1 1）感应加热表面淬火）感应加热表面淬火 感应加热表面淬火是利用交变电感应加热表面淬火是利用交变电流在钢表面感应巨大涡流，使钢表面流在钢表面感应巨大涡流，使钢表面迅速加热的表面淬火方法，如图迅速加热的表面淬火方法，如图3-183-18所示。根据电流频率不同，感应加热所示。根据电流频率不同，感应加热表面淬火可分为高频感应加热表面淬表面淬火可分为高频感应加热表面淬火、中频感应加热表面淬火和低频感火、中频感应加热表面淬火和低频感应加热表面淬火三种。应加热表面淬火三种。图图3-18 3-18 感应加热表面淬火示意图感应加热表面淬火
48、示意图11钢；钢；22感应线圈；感应线圈；33淬火喷水管；淬火喷水管；44加热淬火层加热淬火层感应加热设备较贵，维修调整比较困感应加热设备较贵，维修调整比较困难，不适于单件生产。难，不适于单件生产。4生产率高，适用于大批量生产，易实现机械化生产率高，适用于大批量生产，易实现机械化和自动化。和自动化。3钢表面不易氧化和脱碳，耐磨性好，变形小，使钢表面不易氧化和脱碳，耐磨性好，变形小，使钢表面存在残余压应力，提高了疲劳强度。钢表面存在残余压应力，提高了疲劳强度。2加热速度较快，一般只需十几秒的时间就可以将钢加热加热速度较快，一般只需十几秒的时间就可以将钢加热到淬火温度，且可以使奥氏体晶粒细小而均匀
49、，淬火后到淬火温度，且可以使奥氏体晶粒细小而均匀，淬火后可在表面获得极细马氏体。可在表面获得极细马氏体。1感应加热的特点如下：感应加热的特点如下：2 2）火焰加热表面淬火）火焰加热表面淬火 火焰加热表面淬火是用乙炔火焰加热表面淬火是用乙炔氧火焰或煤气氧火焰或煤气氧火焰加热钢表面氧火焰加热钢表面的方法。淬硬层深度一般为的方法。淬硬层深度一般为2 26 mm6 mm，适用于单件、小批量生产以及，适用于单件、小批量生产以及大型零件的表面淬火。其特点是设备简单、成本低、活性大，但质量大型零件的表面淬火。其特点是设备简单、成本低、活性大，但质量不易控制。不易控制。3 3）激光加热表面淬火）激光加热表面淬
50、火 激光加热表面淬火是以高能量激光束快速扫描钢表面，使钢表面激光加热表面淬火是以高能量激光束快速扫描钢表面，使钢表面快速加热到钢的临界点以上，利用钢基体的热传导自冷淬火，实现表快速加热到钢的临界点以上，利用钢基体的热传导自冷淬火，实现表面硬化的方法。其特点是速度快、效率高，所得产品质量好，但设备面硬化的方法。其特点是速度快、效率高，所得产品质量好，但设备较为昂贵。较为昂贵。3.4.2 3.4.2 钢的化学热处理钢的化学热处理1.1.渗碳渗碳 渗碳是指向钢的表面渗入碳渗碳是指向钢的表面渗入碳原子的过程。其目的是提高钢的原子的过程。其目的是提高钢的表面硬度、耐磨性及疲劳强度，表面硬度、耐磨性及疲劳
