1、第第2章章 金属材料组织与性能的控制金属材料组织与性能的控制之之2.4 钢的热处理钢的热处理11/30/20221 热处理通常指的是将材料加热到相变温度以上热处理通常指的是将材料加热到相变温度以上发生相变，再施以冷却再发生相变的工艺过程。发生相变，再施以冷却再发生相变的工艺过程。通过这个相变与再相变，材料的内部组织发生通过这个相变与再相变，材料的内部组织发生了变化，因而性能变化。了变化，因而性能变化。一、热处理的基本概念一、热处理的基本概念11/30/20222（1）热处理的基本要素）热处理的基本要素热处理工艺中有三大基本要素：加热、保温、冷却。这三大基本要素决定了热处理工艺中有三大基本要素：
2、加热、保温、冷却。这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。材料热处理后的组织和性能。加热：加热：是热处理的第一道工序。不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。是热处理的第一道工序。不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。加热分为两种，一种是在临界点加热分为两种，一种是在临界点A1以下的加热，此时不发生组织变化。另一以下的加热，此时不发生组织变化。另一种是在种是在A1以上的加热，目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥以上的加热，目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。氏体化。保温：保温：目的是要保证工件烧透，防止脱碳、氧化等。保温时间和介质的选择目的是要保证工件烧透，
3、防止脱碳、氧化等。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一般工件越大，导热性越差，保温时间与工件的尺寸和材质有直接的关系。一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。就越长。冷却：冷却：热处理的最终工序，也是热处理最重要的工序。钢在不同冷却速度下热处理的最终工序，也是热处理最重要的工序。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。可以转变为不同的组织。11/30/2022311/30/20224（2）热处理的基本类型）热处理的基本类型根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同，根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同，热处理可以分为下列几类：热处理可以分为下列几类：普
4、通热处理：普通热处理：包括退火、正火、淬火和回火等包括退火、正火、淬火和回火等四把火四把火。表面热处理：表面热处理：包括感应加热表面淬火、火焰加热表面淬包括感应加热表面淬火、火焰加热表面淬 火、火、电接触加热表面淬火、渗碳、氮化和碳氮共渗等。电接触加热表面淬火、渗碳、氮化和碳氮共渗等。其它热处理：其它热处理：包括可控气氛热处理、真空热处理和形变热包括可控气氛热处理、真空热处理和形变热处理等。处理等。11/30/20225二、钢在加热时的转变二、钢在加热时的转变钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体，然后钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体，然后以不同速度冷却使奥氏体转变为不同的组织，以不同速度冷却使
5、奥氏体转变为不同的组织，得到钢的不同性能。因此掌握热处理规律，首得到钢的不同性能。因此掌握热处理规律，首先要研究钢在加热时的变化。先要研究钢在加热时的变化。加热的目的是得到奥氏体。加热的目的是得到奥氏体。11/30/20226（1 1）加热时奥氏体的形成过程之共析钢的加热转变）加热时奥氏体的形成过程之共析钢的加热转变（+Fe3C）晶核长大残余Fe3C溶解不均匀均匀珠光体向奥氏体转变示意图奥氏体形成的三个阶段：奥氏体形成的三个阶段：第一阶段：奥氏体晶核的形成与奥氏体长大；第一阶段：奥氏体晶核的形成与奥氏体长大；第二阶段：残余渗碳体的溶解；第二阶段：残余渗碳体的溶解；第三阶段：奥氏体成分的均匀化。
6、第三阶段：奥氏体成分的均匀化。11/30/20227珠光体转变为奥氏体珠光体转变为奥氏体并使奥氏体成分均匀必须并使奥氏体成分均匀必须有两个必要而充分条件：有两个必要而充分条件：一是温度条件，要在一是温度条件，要在Ac1Ac1以上加热；二是时间条件，以上加热；二是时间条件，要求在要求在Ac1Ac1以上温度保持以上温度保持足够时间。足够时间。在一定加热速度条件在一定加热速度条件下，超过下，超过Ac1Ac1的温度越高，的温度越高，奥氏体的形成与成分均匀奥氏体的形成与成分均匀化需要的时间愈短；在一化需要的时间愈短；在一定的温度（高于定的温度（高于Ac1Ac1）条条件下，保温时间越长，奥件下，保温时间越
7、长，奥氏体成分越均匀。氏体成分越均匀。Ac3AccmAc1Ar3ArcmAr1 C%加热和冷却速度对钢的临界温度的影响温度A3AcmA111/30/20228*（2）钢的加热缺陷）钢的加热缺陷n氧化：加热时的氧化性气氛（如空气、气氛中氧化：加热时的氧化性气氛（如空气、气氛中O2、CO2、H2O等）等）氧化钢铁，在工件表面形成氧化钢铁，在工件表面形成FeO,Fe2O3,Fe3O4等氧化物。氧化将导致等氧化物。氧化将导致钢的烧损加大，而且使零件尺寸变小，表面粗糙，更重要的还严重影钢的烧损加大，而且使零件尺寸变小，表面粗糙，更重要的还严重影响后序热处理的质量。响后序热处理的质量。n脱碳：钢加热过程中
8、脱碳，即钢中的碳被烧损使钢表面含碳量降低脱碳：钢加热过程中脱碳，即钢中的碳被烧损使钢表面含碳量降低的现象。由于脱碳使钢件表面含碳量下降，导致钢件机械强度下降，的现象。由于脱碳使钢件表面含碳量下降，导致钢件机械强度下降，特别是工件的疲劳强度下降，耐磨损性能降低。特别是工件的疲劳强度下降，耐磨损性能降低。n过热：钢的过热指的是加热温度比正常温度偏高，出现的现象是钢过热：钢的过热指的是加热温度比正常温度偏高，出现的现象是钢的奥氏体晶粒较正常的要大，即晶粒变粗。结果是，钢的塑性、韧性、的奥氏体晶粒较正常的要大，即晶粒变粗。结果是，钢的塑性、韧性、强度降低，同时工件热处理后变形加大，还可能导致热处理裂纹
9、、使强度降低，同时工件热处理后变形加大，还可能导致热处理裂纹、使工件报废。工件报废。n过烧：指的是加热温度太高，奥氏体晶界或部分晶界氧化甚至熔化过烧：指的是加热温度太高，奥氏体晶界或部分晶界氧化甚至熔化的现象。后果是，处理的工件很脆，如果锻造一锻即裂，过烧的工件的现象。后果是，处理的工件很脆，如果锻造一锻即裂，过烧的工件只能报废，无法挽救，因而是致命性的。只能报废，无法挽救，因而是致命性的。11/30/20229*（3）加热缺陷的防止办法：）加热缺陷的防止办法：n真空加热：工件在真空中加热是防止氧化脱碳的最有效真空加热：工件在真空中加热是防止氧化脱碳的最有效措施，是热处理工艺的发展方向，但真空
10、加热用的设备投措施，是热处理工艺的发展方向，但真空加热用的设备投资大，工艺成本较高。资大，工艺成本较高。n保护气氛加热：工件加热过程中向炉内充入一定保护性保护气氛加热：工件加热过程中向炉内充入一定保护性气氛，保证钢在不脱碳，不增碳，不氧化的气氛下加热。气氛，保证钢在不脱碳，不增碳，不氧化的气氛下加热。但需要一套制取可控气氛的发生装置，由于成本较高，原但需要一套制取可控气氛的发生装置，由于成本较高，原材料来源不广泛限制了它的应用。材料来源不广泛限制了它的应用。n盐浴加热：工件置于一熔化了的中性盐液中加热，盐液盐浴加热：工件置于一熔化了的中性盐液中加热，盐液进行充分脱氧，保证工件加热过程中少氧化，
11、甚至无氧化。进行充分脱氧，保证工件加热过程中少氧化，甚至无氧化。问题主要是粘在工件上的盐难以清洗洁净，清洗不干净会问题主要是粘在工件上的盐难以清洗洁净，清洗不干净会导致储存及应用过程易于长锈。导致储存及应用过程易于长锈。11/30/202210三、钢在冷却时的转变三、钢在冷却时的转变 同一种钢加热到奥氏体状态后，由于尔后的冷却速度不同一种钢加热到奥氏体状态后，由于尔后的冷却速度不一样，奥氏体转变成的组织不一样，因而所得的性能也不一一样，奥氏体转变成的组织不一样，因而所得的性能也不一样。样。（1 1）等温处理：临界点以下进行保温，恒温转变）等温处理：临界点以下进行保温，恒温转变（2 2）连续冷却
12、：以某种速度连续冷却）连续冷却：以某种速度连续冷却11/30/202211Ac3AccmAc1Ar3ArcmAr1 C%温度A3AcmA1研究奥氏体冷却转变常用研究奥氏体冷却转变常用TTT曲线（过冷奥氏体等曲线（过冷奥氏体等温转变曲线）和温转变曲线）和CCT曲线曲线（过冷奥氏体连续冷却转（过冷奥氏体连续冷却转变曲线）。变曲线）。什么是过冷奥氏体？什么是过冷奥氏体？从铁碳相图可知，当温度从铁碳相图可知，当温度在在A1以上时，奥氏体是稳以上时，奥氏体是稳定的，能长期存在。当温定的，能长期存在。当温度降到度降到A1一下后，奥氏体一下后，奥氏体即处于过冷状态，称为过即处于过冷状态，称为过冷奥氏体。冷奥
13、氏体。11/30/202212共析钢过冷奥氏体的等温转变图共析钢过冷奥氏体的等温转变图TTT图图或者或者C曲线曲线转变开始线转变开始线转变终止线转变终止线11/30/2022131、过冷奥氏体的、过冷奥氏体的等温转变等温转变（1）高温转变（珠光体转变）高温转变（珠光体转变）在温度在温度A1以下至以下至550左右的温左右的温度范围内，过冷奥氏体转变产物度范围内，过冷奥氏体转变产物是珠光体，即形成铁素体与渗碳是珠光体，即形成铁素体与渗碳体两相组成的相间排列的体两相组成的相间排列的层片状层片状的机械混和物组织，所以这种类的机械混和物组织，所以这种类型的转变又叫珠光体转变。型的转变又叫珠光体转变。11
14、/30/202214在珠光体转变中，由在珠光体转变中，由A1以下温度依次降到鼻尖的以下温度依次降到鼻尖的550左右，层片状组织的片间距离依次减小。根据片层的厚薄左右，层片状组织的片间距离依次减小。根据片层的厚薄不同，这类组织又可细分为三种。不同，这类组织又可细分为三种。第一种是第一种是珠光体珠光体，其形成温度为，其形成温度为A1650，片层较厚，一，片层较厚，一般在般在500倍的光学显微镜下即可分辨。用符号倍的光学显微镜下即可分辨。用符号“P”表示。表示。第二种是第二种是索氏体索氏体，其形成温度为，其形成温度为650600，片层较薄，片层较薄，一般在一般在8001000倍光学显微镜下才可分辨。
15、用符号倍光学显微镜下才可分辨。用符号“S”表示。表示。第三种是第三种是托氏体托氏体，其形成温度为，其形成温度为600550，片层极薄，片层极薄，只有在电子显微镜下才能分辨。用符号只有在电子显微镜下才能分辨。用符号“T”表示。表示。参见课本参见课本 P77 图图 2-48、表、表2-511/30/202215（2）中温转变（贝氏体转变）中温转变（贝氏体转变）贝氏体组织贝氏体组织B：贝氏体按形成温：贝氏体按形成温度不同分为两种：上贝氏体和下度不同分为两种：上贝氏体和下贝氏体。贝氏体。上贝氏体上贝氏体的形成温度为的形成温度为550350，它的硬度比同样成份的下，它的硬度比同样成份的下贝氏体低，韧性也
16、比下贝氏体差，贝氏体低，韧性也比下贝氏体差，所以上贝氏体的机械性能很差，所以上贝氏体的机械性能很差，脆性很大，强度很低，基本上没脆性很大，强度很低，基本上没有实用价值。有实用价值。下贝氏体下贝氏体的形成温度为的形成温度为350Ms，它有较高的强度和硬度，还它有较高的强度和硬度，还有良好的塑性和韧性，具有较优有良好的塑性和韧性，具有较优良的综合机械性能，是生产上常良的综合机械性能，是生产上常用的组织。获得下贝氏体组织是用的组织。获得下贝氏体组织是强化钢材的途径之一。强化钢材的途径之一。11/30/20221625下贝氏体的显微组织下贝氏体的显微组织上贝氏体的显微上贝氏体的显微组织组织500倍倍1
17、1/30/2022172、过冷奥氏体的、过冷奥氏体的连续冷却连续冷却转变转变（马氏体转变）（马氏体转变）马氏体组织马氏体组织 过冷奥氏体在马氏体过冷奥氏体在马氏体开始形成温度开始形成温度Ms以下转以下转变为变为马氏体马氏体，这个转变，这个转变持续至马氏体形成终了持续至马氏体形成终了温度温度Mf。在。在Mf以下，过以下，过冷奥氏体停止转变。经冷奥氏体停止转变。经冷却后未转变的奥氏体冷却后未转变的奥氏体保留在钢中，称为保留在钢中，称为残余残余奥氏体奥氏体。11/30/202218过冷奥氏体连续冷却转变曲线（过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）曲线）A1PsKPf转变中止 800 700 600
18、 500 400 300 200 100 0-100 温度 0 1 10 102 103 104 105 时间 秒共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线MsA M MfKTTTvkvkCCT 连续冷却转变曲线又叫连续冷却转变曲线又叫CCT曲曲线。它是通过测定不同速度下过冷线。它是通过测定不同速度下过冷奥氏体的转变量而获得的。奥氏体的转变量而获得的。如图是共析钢的如图是共析钢的CCT 曲线。曲线。Ps线为过冷奥氏体转变为珠光体的线为过冷奥氏体转变为珠光体的开始线，开始线，Pf为转变终了线，两线之为转变终了线，两线之间为转变过渡区。间为转变过渡区。KK线为转变的线为转变的
19、中止线，当冷却曲线碰到此线时，中止线，当冷却曲线碰到此线时，过冷奥氏体就中止向珠光体型组织过冷奥氏体就中止向珠光体型组织转变，继续冷却一直保持到转变，继续冷却一直保持到Ms点点以下，使剩余的奥氏体转变为马氏以下，使剩余的奥氏体转变为马氏体。体。vk称为称为CCT曲线的临界冷却速曲线的临界冷却速度，它是获得全部马氏体组织（实度，它是获得全部马氏体组织（实际还含有一小部分残余奥氏体）的际还含有一小部分残余奥氏体）的最小冷却速度。最小冷却速度。11/30/202219讲解课本讲解课本 图图2-53 P7911/30/202220共析钢过冷奥氏体连续冷却转变的过程和产物共析钢过冷奥氏体连续冷却转变的过
20、程和产物讲解课本讲解课本 图图2-54 P8011/30/202221铁原子碳原子可能位置铁原子的振动范围马氏体晶格示意图过冷过冷A转变为马氏体是一种非转变为马氏体是一种非扩散型转变，铁和碳原子都不扩散型转变，铁和碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥氏体能进行扩散。铁原子沿奥氏体一定晶面一定晶面,集体地集体地(不改变相互不改变相互位置关系位置关系)作一定距离的移动作一定距离的移动(不不超过一个原子间距超过一个原子间距),使面心立使面心立方晶格改组为体心正方晶格，方晶格改组为体心正方晶格，碳原子原地不动，过饱和地留碳原子原地不动，过饱和地留在新组成的晶胞中；增大了其在新组成的晶胞中；增大了其正方度正
21、方度c/a。马氏体就是碳在。马氏体就是碳在-Fe中的过饱和固溶体。过饱和中的过饱和固溶体。过饱和碳使碳使-Fe 的晶格发生很大畸变的晶格发生很大畸变,产 生 很 强 的 固 溶 强 化。产 生 很 强 的 固 溶 强 化。马氏体转变的特点马氏体转变的特点11/30/2022222015 （a）（b）马氏体的显微组织（a）板条状马氏体；（b）片状马氏体马氏体的形态马氏体的形态主要有两种组织：板条马氏体和片状马氏体，板条马氏体主要有两种组织：板条马氏体和片状马氏体，板条马氏体主要产生于低碳钢中；主要产生于低碳钢中；片状马氏体主要产生于高碳钢中。片状马氏体主要产生于高碳钢中。11/30/202223
22、马氏体转变观察马氏体转变观察 11/30/202224 a.硬度很高。硬度很高。b.马氏体的塑性和韧性与其碳含量（或形态）密切马氏体的塑性和韧性与其碳含量（或形态）密切相关。高碳马氏体由于过饱和度大、内应力高和存在相关。高碳马氏体由于过饱和度大、内应力高和存在孪晶结构，所以硬而脆，塑性、韧性极差，但晶粒细孪晶结构，所以硬而脆，塑性、韧性极差，但晶粒细化得到的隐晶马氏体却有一定的韧性。而低碳马氏体，化得到的隐晶马氏体却有一定的韧性。而低碳马氏体，由于过饱和度小，内应力低和存在位错亚结构，则不由于过饱和度小，内应力低和存在位错亚结构，则不仅强度高，塑性、韧性也较好。仅强度高，塑性、韧性也较好。马氏
23、体的特点马氏体的特点11/30/202225四、四、钢的普通热处理钢的普通热处理 钢的热处理工艺可分为三大类：钢的热处理工艺可分为三大类：一是：一般热处理（或常规热处理），即退一是：一般热处理（或常规热处理），即退火、正火、淬火、回火的火、正火、淬火、回火的“四火四火”处理；处理；二是：表面热处理，如高频感应加热淬火、二是：表面热处理，如高频感应加热淬火、渗碳、渗氮（氮化）、碳氮共渗等；渗碳、渗氮（氮化）、碳氮共渗等；三是：其它热处理，如可控气氛热处理、真三是：其它热处理，如可控气氛热处理、真空热处理、形变热处理等。空热处理、形变热处理等。11/30/202226将钢件加热到适当温度，保温一定
24、时间，然后缓慢冷却将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。的热处理工艺。退火工艺曲线退火工艺曲线1、退火、退火11/30/202227 加热温度：加热温度：Ac3以上以上20-30度度 组组 织：织：P+F 目目 的：细化，均匀化粗大、的：细化，均匀化粗大、不均匀组织；不均匀组织；接近平衡组织接近平衡组织F+P；消除内应力；消除内应力；应用范围：应用范围：亚共折钢，共析钢，亚共折钢，共析钢，不适用于过共析钢。不适用于过共析钢。清除铸造、轧制、锻造、焊接等造成清除铸造、轧制、锻造、焊接等造成的异常组织，均匀化学成分，消除内的异常组织，均匀化学成分，消除内应力，细化组织，降低
25、硬度和改善切应力，细化组织，降低硬度和改善切削加工性。削加工性。（1）完全退火）完全退火11/30/202228（1）完全退火）完全退火11/30/202229 加热温度：加热温度：Ac1以上以上20-40度度 应用范围：应用范围：过共析钢，共析钢过共析钢，共析钢 组组 织：织：球状球状P（F+球状渗碳体）球状渗碳体）目目 的：的：使渗碳体球化使渗碳体球化HRC，韧性韧性切削性切削性 为淬火作准备为淬火作准备（2）球化退火）球化退火11/30/202230（2）球化退火）球化退火11/30/202231 1050-1150，10-20h,P+F或P+Fe3CII 目的：为减少钢锭、铸件或锻坯的
26、化学成分和组织的不目的：为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织的不 均匀性，消除偏析均匀性，消除偏析 后果：粗大晶粒，应用完全退火消除后果：粗大晶粒，应用完全退火消除（3）扩散退火（均匀化退火）扩散退火（均匀化退火）11/30/202232（3）扩散退火（均匀化退火）扩散退火（均匀化退火）11/30/202233 为了消除由于变形加工以及铸造、焊接过程引起的残余内应力而为了消除由于变形加工以及铸造、焊接过程引起的残余内应力而进行的低温退火称为去应力退火。钢的去应力退火加热温度范围较宽，进行的低温退火称为去应力退火。钢的去应力退火加热温度范围较宽，但不超过但不超过Ac1点，一般在点，一般在500
27、650之间。铸铁件去应力退火温度一之间。铸铁件去应力退火温度一般为般为500550。焊接工件的退火温度一般为。焊接工件的退火温度一般为500600。去应。去应力退火过程未发生相变。力退火过程未发生相变。（4）去应力退火）去应力退火11/30/202234（4）去应力退火）去应力退火11/30/202235 正火是将钢材或钢件加热到临界温度以上，保温后空冷正火是将钢材或钢件加热到临界温度以上，保温后空冷的热处理工艺。亚共析钢的正火加热温度为的热处理工艺。亚共析钢的正火加热温度为Ac33050；而过共析钢的正火加热温度则为；而过共析钢的正火加热温度则为Accm3050。2、正火、正火11/30/2
28、02236 正火与退火的主要区别在于冷却速度不同正火与退火的主要区别在于冷却速度不同，正火冷却速度较，正火冷却速度较大，得到的珠光体组织很细，因而强度和硬度也较高。正火后的组大，得到的珠光体组织很细，因而强度和硬度也较高。正火后的组织与材料的成分及原始组织有关，正火后的组织一般为片间距较小织与材料的成分及原始组织有关，正火后的组织一般为片间距较小的索氏体，其强度和硬度都较好，韧性也较好。因此，钢经正火后的索氏体，其强度和硬度都较好，韧性也较好。因此，钢经正火后的机械性能比退火后提高的机械性能比退火后提高。11/30/202237 正火主要应用于以下几个方面：正火主要应用于以下几个方面：（1）消
29、除网状二次渗碳体：）消除网状二次渗碳体：所有的钢铁材料通过正火，所有的钢铁材料通过正火，均可使晶粒细化。而原始组织中存在网状二次渗碳体的过均可使晶粒细化。而原始组织中存在网状二次渗碳体的过共析钢，经正火处理后可消除对性能不利的网状二次渗碳共析钢，经正火处理后可消除对性能不利的网状二次渗碳体，以保证球化退火质量。体，以保证球化退火质量。（2）作为最终热处理：）作为最终热处理：对于机械性能要求不高的结构钢对于机械性能要求不高的结构钢零件，经正火后所获得的性能即可满足使用要求，可用正零件，经正火后所获得的性能即可满足使用要求，可用正火作为最终热处理。火作为最终热处理。（3）改善切削加工性能：）改善切
30、削加工性能：对于低碳钢或低碳合金钢，由对于低碳钢或低碳合金钢，由于完全退火后硬度太低，一般在于完全退火后硬度太低，一般在170HB以下，切削加工性以下，切削加工性能不好。而用正火，则可提高其硬度，从而改善切削加工能不好。而用正火，则可提高其硬度，从而改善切削加工性能。所以，对于低碳钢和低碳合金钢，通常采用正火来性能。所以，对于低碳钢和低碳合金钢，通常采用正火来代替完全退火，作为预备热处理。代替完全退火，作为预备热处理。11/30/202238退火、正火的选择退火、正火的选择 正火：冷速快，材料组织细化，机械性能好正火：冷速快，材料组织细化，机械性能好1切削加工切削加工 低碳钢低碳钢正火正火 中
31、高碳钢中高碳钢完全退火完全退火 高碳钢、合金工具钢高碳钢、合金工具钢正火球化退火正火球化退火2作为最终热处理作为最终热处理正火正火3为最终热处理提供良好的组织状态为最终热处理提供良好的组织状态4.正火可替代完全退火以提高效率正火可替代完全退火以提高效率11/30/202239 将亚共析钢加热到将亚共析钢加热到Ac3以上，共析钢与过共析钢加以上，共析钢与过共析钢加热到热到Ac1以上（低于以上（低于Accm）的温度，保温后以大）的温度，保温后以大于于Vk的速度快速冷却，使奥氏体转变为马氏体的热的速度快速冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺叫淬火。马氏体强化是钢的主要强化手段，处理工艺叫淬火。马氏
32、体强化是钢的主要强化手段，因此淬火的目的就是为了获得马氏体，提高钢的机因此淬火的目的就是为了获得马氏体，提高钢的机械性能。淬火是钢的最重要的热处理工艺，也是热械性能。淬火是钢的最重要的热处理工艺，也是热处理中应用最广的工艺之一。处理中应用最广的工艺之一。3、淬火、淬火11/30/202240（1）淬火温度的确定）淬火温度的确定 淬火温度即钢的奥氏体化温度，淬火温度即钢的奥氏体化温度，是淬火的主要工艺参数之一。选是淬火的主要工艺参数之一。选择淬火温度的原则是获得均匀细择淬火温度的原则是获得均匀细小的奥氏体组织。小的奥氏体组织。亚共析钢的淬火温度一般为亚共析钢的淬火温度一般为Ac3以上以上3050
33、，淬火后获，淬火后获得均匀细小的马氏体组织。得均匀细小的马氏体组织。过共析钢的淬火温度为过共析钢的淬火温度为Ac1以以上上3050，这个加热温度能，这个加热温度能保留少量二次渗碳体，降低了奥保留少量二次渗碳体，降低了奥氏体的含碳量，可以改变马氏体氏体的含碳量，可以改变马氏体的形态，降低马氏体的脆性。的形态，降低马氏体的脆性。奥氏体AcmA+Fe3CA+FAF+PP+Fe3CA1120011001000 900 800 700 温度 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 C%碳钢的淬火温度范围11/30/202241（2）淬火介质的确定：）淬火介质的确定：淬火过程是冷却非常快的过淬火过程是
34、冷却非常快的过程。为了得到马氏体组织，淬程。为了得到马氏体组织，淬火冷却速度必须大于临界冷却火冷却速度必须大于临界冷却速度速度Vk。但是，冷却速度快必。但是，冷却速度快必然产生很大的淬火内应力，这然产生很大的淬火内应力，这往往会引起工件变形。往往会引起工件变形。淬火的目的是得到马氏体组淬火的目的是得到马氏体组织，同时又要避免产生变形和织，同时又要避免产生变形和开裂。开裂。A1 PA 温度 时间（对数）理想淬火冷却曲线示意图MsMA MfMf11/30/202242（3）淬火工艺）淬火工艺11/30/202243 回火一般是紧接淬火以后的热处理工艺，回火是淬火后再将工件回火一般是紧接淬火以后的热
35、处理工艺，回火是淬火后再将工件加热到加热到Ac1温度以下某一温度，保温后再冷却到室温的一种热处理工温度以下某一温度，保温后再冷却到室温的一种热处理工艺。艺。淬火后的工件有三大不稳定因素：一是工件淬火后处于高内应力淬火后的工件有三大不稳定因素：一是工件淬火后处于高内应力状态，应力状态不稳定，需要松弛；二是工件淬火后存在残余奥氏体，状态，应力状态不稳定，需要松弛；二是工件淬火后存在残余奥氏体，组织不稳定，需要转变；三是工件淬火后马氏体要自发地向稳定的铁组织不稳定，需要转变；三是工件淬火后马氏体要自发地向稳定的铁素体和渗碳体或碳化物的混合物转变，导致工件尺寸变化，性能不稳素体和渗碳体或碳化物的混合物
36、转变，导致工件尺寸变化，性能不稳定，需要调整组织和性能。定，需要调整组织和性能。所以淬火后的钢铁工件不能直接使用，必须即时回火，否则会有所以淬火后的钢铁工件不能直接使用，必须即时回火，否则会有工件断裂的危险。淬火后回火目的在于降低或消除内应力，以防止工工件断裂的危险。淬火后回火目的在于降低或消除内应力，以防止工件开裂和变形；减少或消除残余奥氏体，以稳定工件尺寸；调整工件件开裂和变形；减少或消除残余奥氏体，以稳定工件尺寸；调整工件的内部组织和性能，以满足工件的使用要求。的内部组织和性能，以满足工件的使用要求。4、钢的回火、钢的回火11/30/202244回火工艺回火工艺 重要的机械零件都要淬火和
37、回火。钢淬火和回火后的机械性重要的机械零件都要淬火和回火。钢淬火和回火后的机械性能取决于淬火的质量和回火的合理性。在淬火得到细小、均匀能取决于淬火的质量和回火的合理性。在淬火得到细小、均匀和完全的马氏体的前提下，工件的性能主要取决于回火温度。和完全的马氏体的前提下，工件的性能主要取决于回火温度。按照回火后性能要求，淬火以后的回火有低温回火，中温回按照回火后性能要求，淬火以后的回火有低温回火，中温回火、高温回火。按照回火温度和工件所要求的性能，一般将回火、高温回火。按照回火温度和工件所要求的性能，一般将回火分为三类。火分为三类。11/30/202245（1）低温回火）低温回火 低温回火温度为低温
38、回火温度为150250，常用，常用170200。经淬火并低温回火的工艺主要用于工具、。经淬火并低温回火的工艺主要用于工具、冷作模具，处理后的组织主要为回火马氏体组织。冷作模具，处理后的组织主要为回火马氏体组织。经这种热处理后，淬火中留给零件的内应力很大一经这种热处理后，淬火中留给零件的内应力很大一部份被消除，并保证了零件需要的高硬度（部份被消除，并保证了零件需要的高硬度（5864HRC）。用以制作石油钻机吊环以及一些高强）。用以制作石油钻机吊环以及一些高强度连杆、螺栓使用效果很好。度连杆、螺栓使用效果很好。11/30/202246（2）中温回火）中温回火 中温回火温度为中温回火温度为35050
39、0，常用，常用400480。淬火钢经中温回火后，获。淬火钢经中温回火后，获得回火托氏体组织，钢的硬度约为得回火托氏体组织，钢的硬度约为3850HRC，具有高的弹性、高的屈服极限、，具有高的弹性、高的屈服极限、高的强度极限（即高的屈强比）和足够的高的强度极限（即高的屈强比）和足够的韧性，适用于弹簧钢的热处理。韧性，适用于弹簧钢的热处理。11/30/202247（3）高温回火）高温回火 高温回火温度为高温回火温度为500650，常用，常用550650。淬火加高温回火的工艺在工程上称为。淬火加高温回火的工艺在工程上称为调质。调质。调质处理用于含碳调质处理用于含碳0.3%0.5%的中碳钢及中的中碳钢及
40、中碳合金钢。处理后的组织为回火索氏体，具有韧碳合金钢。处理后的组织为回火索氏体，具有韧性、强度配合良好的综合机械性能。常需调质处性、强度配合良好的综合机械性能。常需调质处理的零件如轴类、连杆、齿轮等。如果需要氮化理的零件如轴类、连杆、齿轮等。如果需要氮化处理的零件一般需要先进行调质处理。处理的零件一般需要先进行调质处理。11/30/202248以以45#钢为例的调质工艺曲线：钢为例的调质工艺曲线：淬火淬火+高温回火高温回火调质处理调质处理11/30/20224945钢钢 400 回火索氏体回火索氏体 正火与调质处理的比较：正火与调质处理的比较：4545钢钢 b b(MN/m(MN/m2 2)(
41、%)a)(%)ak k(kJ/m(kJ/m2 2)HB )HB 组织组织 正火正火 700-800 12-20 500-800 163-220 700-800 12-20 500-800 163-220 细片细片S+FS+F调质调质 750-850 20-25 800-1200 210-250 750-850 20-25 800-1200 210-250 细粒细粒SS11/30/202250回火组织及其特点回火组织回火组织形形 成成 温温 度度组组 织织 特特 征征性性 能能 特特 征征回火马氏体回火马氏体150350极细的极细的碳化物薄片碳化物薄片Fe2,4C分布在马氏体分布在马氏体基体上基
42、体上强度、硬度高，耐磨性好。硬强度、硬度高，耐磨性好。硬度一般为度一般为HRC5864。回火托氏体回火托氏体350500细粒状渗碳体分布在细粒状渗碳体分布在针状铁素体基体上针状铁素体基体上弹性极限、屈服极限高，具有弹性极限、屈服极限高，具有一定的韧性。硬度一般为一定的韧性。硬度一般为HRC3545。回火索氏体回火索氏体500650粒状渗碳体分布在多粒状渗碳体分布在多边形铁素体基体上边形铁素体基体上综合机械性能好，强度、塑性综合机械性能好，强度、塑性和韧性好。硬度一般为和韧性好。硬度一般为HRC2535。11/30/202251*五、五、钢表面热处理钢表面热处理 钢的表面热处理有两大类：钢的表面
43、热处理有两大类：一类是一类是:表面加热淬火热处理，通过对零件表面表面加热淬火热处理，通过对零件表面快速加热及快速冷却使零件表层获得马氏体快速加热及快速冷却使零件表层获得马氏体组织，从而增强零件的表层硬度，提高其抗组织，从而增强零件的表层硬度，提高其抗磨损性能。磨损性能。另一类是另一类是:化学热处理，通过改变零件表层的化化学热处理，通过改变零件表层的化学成分，从而改变表层的组织，使其表层的学成分，从而改变表层的组织，使其表层的机械性能发生变化。机械性能发生变化。11/30/2022521、钢的表面淬火处理、钢的表面淬火处理表面淬火：表面淬火：不改变表面化学成分，只改变其表不改变表面化学成分，只改
44、变其表面组织的局部热处理方法。面组织的局部热处理方法。目目 的：的：心部保持较高的综合机械性能，表心部保持较高的综合机械性能，表面具有高硬度和耐磨性。面具有高硬度和耐磨性。感应加热表面淬火感应加热表面淬火 加热感应圈 进水 出水淬火喷水套 水电流集中层电流密度 水 加热淬火层 工件 间隙11/30/2022532、钢的化学热处理钢的化学热处理 化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。组织，达到改进表
45、面性能，满足技术要求的热处理过程。常用的化学热处理有渗碳、渗氮（俗称氮化）、碳氮共渗常用的化学热处理有渗碳、渗氮（俗称氮化）、碳氮共渗（俗称氰化和软氮化）等。还有渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、（俗称氰化和软氮化）等。还有渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。渗铬等。气体渗碳炉气体渗碳炉为了增加表层的碳含量和获得一定碳浓度梯度为了增加表层的碳含量和获得一定碳浓度梯度,钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面的工艺称为渗碳。将工件装在密封的渗碳炉中，面的工艺称为渗碳。将工件装在密封的渗碳炉中，加热到加热到900 950，向炉内滴入煤油、苯、，向炉内滴入煤油、苯、甲
46、醇等有机液体，或直接通入煤气、石油液化气甲醇等有机液体，或直接通入煤气、石油液化气等气体，通过化学反应产生活性碳原子，使钢件等气体，通过化学反应产生活性碳原子，使钢件表面渗碳。渗碳使低碳表面渗碳。渗碳使低碳(碳质量分数为碳质量分数为0.150.30%)钢件表面获得高浓度碳（碳质量分数约钢件表面获得高浓度碳（碳质量分数约1.0%）。）。11/30/202254 化学热处理过程包括分解、吸收、扩散三个基本过程。化学热处理过程包括分解、吸收、扩散三个基本过程。第一个基本过程是介质的分解。加热时介质的化合物分解，释放第一个基本过程是介质的分解。加热时介质的化合物分解，释放出渗入元素的活性原子。出渗入元
47、素的活性原子。第二个基本过程是钢件表面的吸收。分解出来的活性原子在钢件第二个基本过程是钢件表面的吸收。分解出来的活性原子在钢件表面吸收并被溶解，超过溶解度后可能和钢中某些元素形成化合物。表面吸收并被溶解，超过溶解度后可能和钢中某些元素形成化合物。第三个基本过程是原子向钢件内扩散。渗入元素在表层的浓度很第三个基本过程是原子向钢件内扩散。渗入元素在表层的浓度很高，与里层形成浓度差，导致渗入元素由表及里的扩散，在一定时间后，高，与里层形成浓度差，导致渗入元素由表及里的扩散，在一定时间后，形成一定浓度的扩散层。形成一定浓度的扩散层。化学热处理的基本过程与温度有着密切的关系。温度高，过程进化学热处理的基本过程与温度有着密切的关系。温度高，过程进行快，扩散也厚。但温度过高会引起奥氏体晶粒粗大，使钢变脆。所以，行快，扩散也厚。但温度过高会引起奥氏体晶粒粗大，使钢变脆。所以，温度控制是化学热处理的重要环节。温度确定后，渗层深度主要由时间温度控制是化学热处理的重要环节。温度确定后，渗层深度主要由时间控制。控制。11/30/202255讲解课本讲解课本 表表2-8 P9611/30/202256
