1、第一节第一节 热处理的发展史热处理的发展史第二节第二节 热处理的理论基础热处理的理论基础第三节第三节 钢的热处理钢的热处理第四节第四节 固溶与时效处理固溶与时效处理第四章第四章 金属材料热处理金属材料热处理1 公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。存在，说明是经过淬火的。第一节第一节 热处理的发展史热处理的发展史 早在公元前早在公元
2、前770770前前222222年，中国人在生产实践中年，中国人在生产实践中就就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。2 随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火火质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意国在古
3、代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。了油和尿的冷却能力。中国出土的西汉中国出土的西汉(公元前公元前206公元公元24)中山靖王中山靖王墓中墓中 的宝剑的宝剑,心部含碳量为心部含碳量为0.150.4%，而表面含碳量却达，而表面含碳量却达 0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手手 艺艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。的秘密，不肯外传，因而发展很慢。3 1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却微镜下的六种不同的金相组织，
4、证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。中金属的氧化和脱碳等。4 18501880年，对于
5、应用各种气体年，对于应用各种气体(诸如氢气、诸如氢气、煤气、煤气、一氧化碳等一氧化碳等)进行保护加热曾有一系列专利。进行保护加热曾有一系列专利。18891890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。19011925年，在工业生产中应用转筒炉进年，在工业生产中应用转筒炉进行气体行气体渗碳渗碳；30年代出现露点电位差计年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达使炉内气氛的碳势达到到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；步控制炉内气氛碳势的方法；20世纪世纪60年代以来，热
6、处理技术运用等离子场，年代以来，热处理技术运用等离子场，发发展了离子渗氮、渗碳工艺展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。5 在铸造、压力加工和焊接成形过程中，不可避免地在铸造、压力加工和焊接成形过程中，不可避免地存在组织缺陷。存在组织缺陷。对金属材料进行热处理主要源于提高其对金属材料进行热处理主要源于提高其综合机械性能，符合材料在设计和制备过程中所遵循的综合机械性能，符合材料在设计和制备过程中所遵循的“成分组织性能成分组织性能”的原则的原则。第二节第二节 热处理的理论
7、基础热处理的理论基础 热处理是将金属材料以一定的速度加热到预定温度热处理是将金属材料以一定的速度加热到预定温度并保持预定的时间，再以预定的冷却速度进行冷却的综并保持预定的时间，再以预定的冷却速度进行冷却的综合工艺方法。合工艺方法。6q 金属材料的强化机制金属材料的强化机制 7 通常研究的结构材料在室温工作条件下，最需要考虑的是屈服通常研究的结构材料在室温工作条件下，最需要考虑的是屈服强度和断裂强度强度和断裂强度 大部分金属材料属于塑性材料，其塑性变形是靠位大部分金属材料属于塑性材料，其塑性变形是靠位错的运动而发生的，因此，任何阻止位错运动的因素都错的运动而发生的，因此，任何阻止位错运动的因素都
8、可以成为提高金属材料强度的途径可以成为提高金属材料强度的途径8：当合金由单相固溶体构成时，随溶质原子含量的增当合金由单相固溶体构成时，随溶质原子含量的增加，其塑性变形抗力大大提高，表现为强度和硬度上升，加，其塑性变形抗力大大提高，表现为强度和硬度上升，塑性和韧性值下降。塑性和韧性值下降。b9 晶体结构中的弹性交互作用、晶体结构中的弹性交互作用、电电 交互作用和化学交互作用。其中最主要的是：溶质交互作用和化学交互作用。其中最主要的是：溶质 原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。溶质原子与位错弹性交互作用的结果，溶质原子与位错弹性交互作用的结果，使溶质
9、原子趋于聚集在位错的周围，以减小点阵畸变，使溶质原子趋于聚集在位错的周围，以减小点阵畸变，降低体系的能量。（它对位错有降低体系的能量。（它对位错有“钉扎钉扎”作用）作用）10 ：合金的晶粒越细小，内部的晶粒和晶界的数目就越合金的晶粒越细小，内部的晶粒和晶界的数目就越多。细晶强化利用晶界上原子排列的不规则性，原子能多。细晶强化利用晶界上原子排列的不规则性，原子能量高这一特点，对材料进行强化。量高这一特点，对材料进行强化。双晶粒的拉伸试验说明：晶界对形变有阻碍作用。双晶粒的拉伸试验说明：晶界对形变有阻碍作用。11 在右图中，低碳钢的在右图中，低碳钢的s 与晶粒直径平方根的倒数呈线与晶粒直径平方根的
10、倒数呈线性关系，可用下式表示：性关系，可用下式表示：s 0+Kd1/2 HallPetch公式公式细晶强化理论的提出：细晶强化理论的提出：（1）针对不同常规材料，探索抑制其晶粒长大的办法。）针对不同常规材料，探索抑制其晶粒长大的办法。（2）在世界范围掀起了研究纳米材料的狂潮。）在世界范围掀起了研究纳米材料的狂潮。可以实现在提高材料强度的同时，也改善材料的塑性可以实现在提高材料强度的同时，也改善材料的塑性和韧性，获得最佳的强韧性配合。和韧性，获得最佳的强韧性配合。12 ：加工硬化是指金属材料随着塑性变形程度的增加，强加工硬化是指金属材料随着塑性变形程度的增加，强度、硬度升高；塑性、韧性下降的现象
11、。加工硬化（冷变度、硬度升高；塑性、韧性下降的现象。加工硬化（冷变形）是热处理不能强化的金属材料的主要强化方法。形）是热处理不能强化的金属材料的主要强化方法。曲线分为三阶段曲线分为三阶段1）易滑移阶段（位错少干扰）易滑移阶段（位错少干扰）2）线性硬化阶段（位错塞积）线性硬化阶段（位错塞积）3）抛物线硬化阶段（螺旋位错）抛物线硬化阶段（螺旋位错 启动，位错密度下降）启动，位错密度下降）13加工硬化的实质加工硬化的实质：是金属塑性变形时内部产生滑移，使是金属塑性变形时内部产生滑移，使晶粒变形和细化亚组织，因而产生大量的位错，晶格严重晶粒变形和细化亚组织，因而产生大量的位错，晶格严重畸变，内部应力增
12、加，其宏观效应就是加工硬化。畸变，内部应力增加，其宏观效应就是加工硬化。14晶体结构对加工硬化曲线的影响晶体结构对加工硬化曲线的影响15 ：时效强化是指获得过饱和固溶体后，在一定温度下时效强化是指获得过饱和固溶体后，在一定温度下保温析出过渡相、第二相等而实现对材料强化的方法。保温析出过渡相、第二相等而实现对材料强化的方法。16 ：通过各种工艺手段使第二相质点弥散分布，可以阻通过各种工艺手段使第二相质点弥散分布，可以阻碍合金内部的位错运动，从而提高合金强度的方法。碍合金内部的位错运动，从而提高合金强度的方法。第二相一般指各种化合物质点。第二相一般指各种化合物质点。生产中可通过对马氏体进行回火的方
13、法获得弥散分布生产中可通过对马氏体进行回火的方法获得弥散分布 的第二相；的第二相；也可通过共晶化合物进行热压力加工获得；也可通过共晶化合物进行热压力加工获得；还可通过共析反应获得；还可通过共析反应获得；另外还可通过粉末冶金方法获得。另外还可通过粉末冶金方法获得。17 以钢中以钢中Fe3C的形态与分布为例：的形态与分布为例：a：过共析钢中，：过共析钢中，Fe3C呈连续网状分布在呈连续网状分布在晶界上。晶界上。塑性、强度下降。塑性、强度下降。b：珠光体中，：珠光体中，Fe3C与铁素体呈平行间隔分布。与铁素体呈平行间隔分布。塑性、强度较高。塑性、强度较高。（要求珠光体细小，片层间距小）（要求珠光体细
14、小，片层间距小）c：共析钢或过共析钢经球化退火后，共析钢或过共析钢经球化退火后，Fe3C呈颗粒呈颗粒 状分布在状分布在晶界上。晶界上。强度下降，塑性上升，便于加工。强度下降，塑性上升，便于加工。18 颗粒直径颗粒直径第二相含量（体积分数）第二相含量（体积分数）第二相的分布状态第二相的分布状态19 ：利用两种或两种以上的强化方法，来达到塑性金属利用两种或两种以上的强化方法，来达到塑性金属材料强化的目的。材料强化的目的。20q 固态相变固态相变：通过热处理中的加通过热处理中的加热和冷却过程使合金产生固态相变，从而合金组织发生热和冷却过程使合金产生固态相变，从而合金组织发生变化，最终导致材料性能产生
15、变化。变化，最终导致材料性能产生变化。是指固态物质在温度、压力、电场、磁场是指固态物质在温度、压力、电场、磁场改变时，从一种组织结构会转变成另一种组织结构。改变时，从一种组织结构会转变成另一种组织结构。材料科学研究中的固态相变主要是指温度改变而产材料科学研究中的固态相变主要是指温度改变而产生的相变。生的相变。：1 1）晶体结）晶体结构的变化；构的变化；2 2）化学成分的变化；）化学成分的变化；3 3）有序程度的变化。）有序程度的变化。一种相变可同时包括一种、两种或三种变化。一种相变可同时包括一种、两种或三种变化。21材料科学遇到的相变习惯上分为材料科学遇到的相变习惯上分为扩散型相变和无扩扩散型
16、相变和无扩散型相变散型相变两大类。两大类。扩散型相变的特点扩散型相变的特点是通过激活原子运动而产生，要是通过激活原子运动而产生，要求温度高，原子活动能力强。纯金属的同素异构转变、求温度高，原子活动能力强。纯金属的同素异构转变、固溶体的多形性转变、以及脱溶转变等均属于此类。固溶体的多形性转变、以及脱溶转变等均属于此类。无扩散型相变的特点无扩散型相变的特点是相变中原子不发生扩散、原是相变中原子不发生扩散、原子作有规则的近程迁移，以使点阵改组；相变中相邻原子作有规则的近程迁移，以使点阵改组；相变中相邻原子的相互位置不变。在低温下原子不能扩散时易发生这子的相互位置不变。在低温下原子不能扩散时易发生这类
17、转变，如一些合金中的马氏体相变，某些低温进行的类转变，如一些合金中的马氏体相变，某些低温进行的同素异构转变（同素异构转变（-Co-Co（hcphcp）与）与-Co-Co（fccfcc）。22 ：固态相变的热力学所涉及的问题主要是反应能不能固态相变的热力学所涉及的问题主要是反应能不能进行，即新相能否形成，最根本的就是反应过程进行，即新相能否形成，最根本的就是反应过程G G0 0是否成立。是否成立。与液态凝固时相比较，固态相变形核增加了一项应与液态凝固时相比较，固态相变形核增加了一项应变能，即变能，即G VGV S VGe 式中：式中：V为新相体积；为新相体积；S为新、旧相的界面积；为新、旧相的界
18、面积；GV和和Ge分别表示形成单位体积新相时自由能和应变能；分别表示形成单位体积新相时自由能和应变能；表示新、旧相界单位面积的界面能。表示新、旧相界单位面积的界面能。23 ：固态相变的动力学主要讨论固态相变的动力学主要讨论相变进行的速率问题相变进行的速率问题，固态相变的速率是形核率和长大速率的函数，即与相变固态相变的速率是形核率和长大速率的函数，即与相变温度有关的函数。温度有关的函数。动力学除了讨论固态相变过程中的形核和晶粒长大动力学除了讨论固态相变过程中的形核和晶粒长大的速率问题，还包括外界条件（温度、压力和磁场）和的速率问题，还包括外界条件（温度、压力和磁场）和组分对相变过程的影响及控制相
19、变产物的组成等内容。组分对相变过程的影响及控制相变产物的组成等内容。24 ：固态相变的晶体学主要描述晶体中原有相与新相之固态相变的晶体学主要描述晶体中原有相与新相之间的晶体学关系，如晶体结构、点阵常数等，分析新相间的晶体学关系，如晶体结构、点阵常数等，分析新相形成的原子迁移过程。形成的原子迁移过程。25 钢铁材料热处理是通过加热、保温和冷却方式借以钢铁材料热处理是通过加热、保温和冷却方式借以改变合金的组织与性能的一种工艺方法，其基本内容包改变合金的组织与性能的一种工艺方法，其基本内容包括热处理原理及热处理工艺两大方面。括热处理原理及热处理工艺两大方面。第三节第三节 钢的热处理钢的热处理 钢铁材
20、料的强韧化重要有两个途径：一是对钢铁材钢铁材料的强韧化重要有两个途径：一是对钢铁材料实施热处理；二是通过调整钢的化学成分，加入合金料实施热处理；二是通过调整钢的化学成分，加入合金元素（亦即钢的合金化原理），以改善钢的性能。元素（亦即钢的合金化原理），以改善钢的性能。26q 钢的热处理原理钢的热处理原理 钢在加热时，实际钢在加热时，实际转变温度往往要偏离平转变温度往往要偏离平衡的临界温度，冷却时衡的临界温度，冷却时也是如此。随着加热和也是如此。随着加热和冷却速度的增加，滞后冷却速度的增加，滞后现象将越加严重。通常把加热时的临界温度标以字母现象将越加严重。通常把加热时的临界温度标以字母“C C”，
21、如，如A AC1C1、A AC3C3、A ACmCm等；把冷却时的临界温度标以字母等；把冷却时的临界温度标以字母“r r”，如，如A Ar1r1、A Ar3r3、A Armrm等等。27 钢在加热时奥氏体的形成过程又称为钢在加热时奥氏体的形成过程又称为。以。以共析钢的奥氏体形成过程为例。共析钢的奥氏体形成过程为例。28 铁素体全部消失以后，仍有部铁素体全部消失以后，仍有部分剩余渗碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗碳分剩余渗碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗碳体不断地溶入到奥氏体中去，直至全部消失。体不断地溶入到奥氏体中去，直至全部消失。奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体奥氏体的晶核优先在
22、铁素体与渗碳体的界面上形成。的界面上形成。奥氏体晶核形成以后，依靠铁、奥氏体晶核形成以后，依靠铁、碳原子的扩散，使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不碳原子的扩散，使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不断溶入到奥氏体中去而进行的。断溶入到奥氏体中去而进行的。29 渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩散才能获得均匀化的奥氏体。散才能获得均匀化的奥氏体。AAFPFACAC31ACFeACFePcmACAC 331 30 晶粒大小广泛采用的是与标准金相图片（标准评级晶粒大小广泛采用的是与标
23、准金相图片（标准评级图）相比较的方法来评定晶粒大小的级别。通常将晶粒图）相比较的方法来评定晶粒大小的级别。通常将晶粒大小分为大小分为8 8级，级，1 1级最粗，级最粗，8 8级最细。通常级最细。通常1 14 4级为粗晶粒级为粗晶粒度，度，5 58 8级为细晶粒度。级为细晶粒度。加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大，加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大，因为这与原子扩散密切相关。因为这与原子扩散密切相关。31 合金元素合金元素TiTi、ZrZr、V V、NbNb、AlAl等，当其形成弥散稳等，当其形成弥散稳定的碳化物和氮化物时，由于分布在晶界上，因而阻碍定的碳化物和氮化物时，由于
24、分布在晶界上，因而阻碍晶界的迁移，阻止奥氏体晶粒长大，有利于得到细晶粒晶界的迁移，阻止奥氏体晶粒长大，有利于得到细晶粒钢。钢。MnMn和和P P是促进奥氏体晶粒长大的元素。是促进奥氏体晶粒长大的元素。加热速度越快，过热度越大，奥氏体实际形成温度加热速度越快，过热度越大，奥氏体实际形成温度越高，可获得细小的起始晶粒。越高，可获得细小的起始晶粒。碳全部溶于奥氏体时，随奥氏体中含碳量的增加，碳全部溶于奥氏体时，随奥氏体中含碳量的增加，晶粒长大倾向增大。晶粒长大倾向增大。32 热处理时常用的冷却方热处理时常用的冷却方式有两种：一是等温冷却式有两种：一是等温冷却（常用于理论研究）；二是（常用于理论研究）
25、；二是连续冷却（常用于生产）。连续冷却（常用于生产）。通常将处于通常将处于A1A1以下温度尚未发生转变的奥氏体称为以下温度尚未发生转变的奥氏体称为。钢在冷却时的组织转变实质上是过冷奥氏体的组织。钢在冷却时的组织转变实质上是过冷奥氏体的组织转变。转变。33首先将若干薄圆片状试样放入锡熔炉中，在高于共首先将若干薄圆片状试样放入锡熔炉中，在高于共析温度的条件下进行奥氏体化；析温度的条件下进行奥氏体化；（b b）将上述奥氏体化后将上述奥氏体化后的试样迅速放入另一锡熔炉保温，炉温低于共析温度；的试样迅速放入另一锡熔炉保温，炉温低于共析温度；（c c）依据试样保温时间的差异，分别从炉中取出试样，依据试样保
26、温时间的差异，分别从炉中取出试样，置于水中快冷；置于水中快冷；（d d）磨制金相试磨制金相试样，并观察显微样，并观察显微组织。组织。34 在不同温度重复上述等温转变试验，可根据试验结在不同温度重复上述等温转变试验，可根据试验结果绘制出果绘制出奥氏体钢的等温冷却曲线奥氏体钢的等温冷却曲线。35 曲线的左边一条线为曲线的左边一条线为过冷奥氏体转变开始线过冷奥氏体转变开始线；右边；右边一条线为一条线为过冷奥氏体转变终了线过冷奥氏体转变终了线。该曲线下部还有两条。该曲线下部还有两条水平线，分别表示奥氏体向马氏体转变的水平线，分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温度开始温度MsMs线线和和转变结束温度转变结
27、束温度M Mf f线线。在在C C曲线中，在不同过冷奥氏体开始出现组织转变曲线中，在不同过冷奥氏体开始出现组织转变的时间不同，这段时间称为的时间不同，这段时间称为“孕育期孕育期”。其中，以。其中，以C C曲曲线最突出处（凸点）所对应的温度孕育期最短。线最突出处（凸点）所对应的温度孕育期最短。过冷奥氏体等温冷却曲线形似过冷奥氏体等温冷却曲线形似“C C”字，故俗称字，故俗称C C曲线曲线，反应了反应了“温度时间转变量温度时间转变量”的关系，所以的关系，所以C C曲线又称曲线又称为为TTTTTT图图（Temperature-TimeTemperature-TimeTransformation Tr
28、ansformation DiagramDiagram）。）。36注：注：w w（c c）1.01.0时形成片状马氏体，时形成片状马氏体，HRCHRC：64646666；w w（c c）0.20.2时时形成板状马氏体，形成板状马氏体，HRCHRC：303050 50。37 非共析钢的非共析钢的C C曲线与共析钢的曲线与共析钢的C C曲线不同。区别在于：曲线不同。区别在于：亚共析钢亚共析钢曲线曲线左移左移，在其上方多了一条过冷奥氏体转变，在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素体的转变为铁素体的转变开始线；开始线；过共析钢过共析钢曲曲线线右移右移，在其上，在其上方多了一条过冷方多了一条过冷奥氏体析出
29、二次奥氏体析出二次渗碳体的开始线。渗碳体的开始线。38 C C曲线（曲线（TTTTTT图）图）反应了过冷奥氏体等反应了过冷奥氏体等温转变的全貌，但在温转变的全貌，但在实际生产中，钢的热实际生产中，钢的热处理大多是采用连续处理大多是采用连续冷却，因此，测出奥冷却，因此，测出奥氏体的连续冷却曲线，氏体的连续冷却曲线，即即CCTCCT图图（右图阴影右图阴影部分部分），有很大的现），有很大的现实意义。实意义。39是指使奥氏体在冷却过程中直接转变成是指使奥氏体在冷却过程中直接转变成马氏体而不发生其它转变的最小冷却速度，即临界淬火马氏体而不发生其它转变的最小冷却速度，即临界淬火速度。速度。40q 钢的普通
30、热处理钢的普通热处理 将钢加热到一将钢加热到一定温度进行保温，定温度进行保温，缓冷至缓冷至600600以下，以下，再空冷至室温的热再空冷至室温的热处理工艺。处理工艺。4142 正火将钢加热到正火将钢加热到A AC3C3以上温度并保温，出炉空冷至室温以上温度并保温，出炉空冷至室温的热处理工艺。由于正火比退火加热温度略高，冷却速度的热处理工艺。由于正火比退火加热温度略高，冷却速度大，故珠光体的分散度大，先共析铁素体的数量少，因而大，故珠光体的分散度大，先共析铁素体的数量少，因而正火后强度、硬度较高。正火后强度、硬度较高。用正火作为性能要求的一般结构件的最终热处理。用正火作为性能要求的一般结构件的最
31、终热处理。亚共析钢采用正火来调整硬度，改切削加工性能。亚共析钢采用正火来调整硬度，改切削加工性能。过共析钢的正火可消除网状碳化物。过共析钢的正火可消除网状碳化物。43淬火是将钢加热到淬火是将钢加热到A AC1C1或或 A AC3C3以上温度并保温，出以上温度并保温，出炉快速冷却，使奥氏体转变成为马氏体的热处理工艺。炉快速冷却，使奥氏体转变成为马氏体的热处理工艺。经过退火或正火的工件只能获得一般的强度和硬度，经过退火或正火的工件只能获得一般的强度和硬度，对于许多需要高强度、高耐磨条件下工作的零件则必须对于许多需要高强度、高耐磨条件下工作的零件则必须淬火与回火处理。淬火与回火处理。通过加热使钢具有
32、奥氏体组织；通过加热使钢具有奥氏体组织；44冷却速度超过临界冷却速度；冷却速度超过临界冷却速度；（在在M Ms sM Mf f温度范围使过冷奥氏体发生马氏体转变。温度范围使过冷奥氏体发生马氏体转变。当奥氏体过冷到当奥氏体过冷到M MS S点时，首先在晶粒内的某些晶点时，首先在晶粒内的某些晶面上生成马氏体晶核，并迅速长大；面上生成马氏体晶核，并迅速长大；马氏体转变不依靠已形成马氏体晶体的长大，而马氏体转变不依靠已形成马氏体晶体的长大，而且依靠出现新的马氏体晶核，即马氏体形成与且依靠出现新的马氏体晶核，即马氏体形成与t保保无关。无关。奥氏体奥氏体常常不能完全转变成马氏体主要源于生产常常不能完全转变
33、成马氏体主要源于生产上冷却温度没有真正达到上冷却温度没有真正达到Mf点。点。45 马氏体有两种基本形态：板条马氏体和片状马氏体。马氏体有两种基本形态：板条马氏体和片状马氏体。基本上形成板条状马氏体（也称低碳基本上形成板条状马氏体（也称低碳马氏体），板条马氏体内有高密度的位错缠结的亚结构，马氏体），板条马氏体内有高密度的位错缠结的亚结构，又称为位错马氏体。又称为位错马氏体。46 形成片状马氏体（针状马氏体），片状形成片状马氏体（针状马氏体），片状马氏体内部的亚结构主要是孪晶。因此，片状马氏体又称马氏体内部的亚结构主要是孪晶。因此，片状马氏体又称为孪晶马氏体。为孪晶马氏体。形成上述两种马氏体的混合
34、组形成上述两种马氏体的混合组织，含碳量越高，条状马氏体量越少而片状马氏体量越多。织，含碳量越高，条状马氏体量越少而片状马氏体量越多。47 马氏体的塑性和韧性主要取决于它的亚结构。在相马氏体的塑性和韧性主要取决于它的亚结构。在相同屈服强度条件下，板条（位错）型马氏体比片状（孪同屈服强度条件下，板条（位错）型马氏体比片状（孪晶）型马氏体的韧性好得多。晶）型马氏体的韧性好得多。马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量，通常情马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量，通常情况是随含碳量的增加而升高。况是随含碳量的增加而升高。马氏体转变是典型的无扩散性相变。马氏体是碳马氏体转变是典型的无扩散性相变。马氏体是碳在
35、在FeFe中的过饱和固溶体，具有非常高的强度和硬度中的过饱和固溶体，具有非常高的强度和硬度所以，马氏体转变是强化金属的重要途径之一。所以，马氏体转变是强化金属的重要途径之一。48 将钢加热到将钢加热到AcAc1 1或或AcAc3 3以上，保温一定时间，然后快以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火淬火。淬火加热温度的选择应以得到细而均匀的奥氏体晶淬火加热温度的选择应以得到细而均匀的奥氏体晶粒为原则，以便冷却后获得细小的马氏体组织。亚共析粒为原则，以便冷却后获得细小的马氏体组织。亚共析钢的淬火加热温度通常为钢的淬火加热温度通常为A
36、cAc3 3以上以上30305050；过共析钢的；过共析钢的淬火加热温度通常为淬火加热温度通常为AcAc1 1以上以上30305050。49 淬火保温时间主要根据钢的成分特点、加热介质和淬火保温时间主要根据钢的成分特点、加热介质和零件尺寸来确定。零件尺寸来确定。含碳量越高，含合金元素越多，导热性越差，则含碳量越高，含合金元素越多，导热性越差，则保温时间就越长；保温时间就越长；零件尺寸越大，保温时间越长；零件尺寸越大，保温时间越长；生产中常根据经验确定保温时间；生产中常根据经验确定保温时间；50为保证获得马氏体组织，要求为保证获得马氏体组织，要求V V冷却冷却V V临界临界；（b b）为保证零件
37、不因淬火应力而开裂，要求为保证零件不因淬火应力而开裂，要求V V冷却冷却不应太不应太 大，应该选择合适的冷却介质。大，应该选择合适的冷却介质。主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。：一般用作合金钢和某些小型复杂碳素钢件的淬火。一般用作合金钢和某些小型复杂碳素钢件的淬火。：为了减少零件淬火时的变形，盐浴也常用作淬火为了减少零件淬火时的变形，盐浴也常用作淬火 介质，主要用于分级淬火和等温淬火。介质，主要用于分级淬火和等温淬火。51 采用有机物和无机物等配制而成的采用有机物和无机物等配制而成的水溶性聚合物淬水溶性聚合物淬火介质火介质，和，和淬火油改性
38、添加剂淬火油改性添加剂，由于冷却能力可调整，由于冷却能力可调整，使用中介质浓度可简便测定，有减少变形、防止淬裂，使用中介质浓度可简便测定，有减少变形、防止淬裂，不锈蚀、免清洗、不锈蚀、免清洗、无味、无烟雾、不着火，使用温度高，无味、无烟雾、不着火，使用温度高，环保、少无污染，正常消耗是传统油淬火的环保、少无污染，正常消耗是传统油淬火的40%等特点，等特点，因而在国外已普及推广应用。因而在国外已普及推广应用。但我国仍普遍采用通用的矿物油，一定比例的氯化但我国仍普遍采用通用的矿物油，一定比例的氯化钠水溶液、碱溶液及硝盐溶液为冷却介质。因而造成严钠水溶液、碱溶液及硝盐溶液为冷却介质。因而造成严重的污
39、染。重的污染。52 为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。通常的通常的淬火方法淬火方法包括单液淬火、包括单液淬火、双液淬火、分级双液淬火、分级淬火和等温淬火淬火和等温淬火等，如图所示。等，如图所示。53 钢的淬透性钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度（又称有大小通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度（又称有效淬硬深度）的距离作为效淬硬深度）的距离作为淬透层深度淬透
40、层深度。生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。所谓生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。所谓临界淬火直径临界淬火直径，是指圆棒试样在某介质中淬火时所能得，是指圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏体半马氏体的最大直的最大直径），用径），用D Do o表示。在相同冷却条件下，表示。在相同冷却条件下，D Do o越大，钢的淬越大，钢的淬透性越好。透性越好。54淬透性的应用：淬透性的应用：（1 1）淬透性大的工件易淬透，组织和性能均匀一致；）淬透性大的工件易淬透，组织和性能均匀一致；（2 2）淬火性大的工件在淬火时，可选用冷却能力较小的）
41、淬火性大的工件在淬火时，可选用冷却能力较小的 淬火介质以减小淬火应力。淬火介质以减小淬火应力。（3 3）对受力大而复杂的工件，为确保组织性能均匀一致，）对受力大而复杂的工件，为确保组织性能均匀一致，可选用淬透性大的钢。可选用淬透性大的钢。（4 4）当要求工件表面硬度高，而心部韧性好时，可选用）当要求工件表面硬度高，而心部韧性好时，可选用 低淬透性钢。低淬透性钢。是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬硬是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。性主要决定于马氏体的碳含量。55回火是把淬火后的钢件，重新加热到回火是把淬火后的钢件，重新加热到A A1 1以下某一以下某一温度
42、，经保温后空冷至室温的热处理工艺。温度，经保温后空冷至室温的热处理工艺。淬火钢件经回火可以减少或消除淬火应力，稳定淬火钢件经回火可以减少或消除淬火应力，稳定组织，提高钢的塑性和韧性，从而使钢的强度、硬度和塑组织，提高钢的塑性和韧性，从而使钢的强度、硬度和塑性、韧性得到适当配合，以满足不同工件的性能要求。性、韧性得到适当配合，以满足不同工件的性能要求。：马氏体中的过饱和碳原子析出，马氏体中的过饱和碳原子析出，形成碳化物形成碳化物FeFex xC C，得到回火马氏体组织。，得到回火马氏体组织。56：马氏体继续分解，同时残余奥马氏体继续分解，同时残余奥氏体转变为过饱和固溶体与碳化物，得到回火马氏体组
43、织。氏体转变为过饱和固溶体与碳化物，得到回火马氏体组织。：马氏体继续分解，碳原子继续马氏体继续分解，碳原子继续析出使过饱和析出使过饱和固溶体转变为铁素体；回火马氏体中的固溶体转变为铁素体；回火马氏体中的FeFex xC C 转变为稳定的粒状渗碳体，得到铁素体和极细渗碳体转变为稳定的粒状渗碳体，得到铁素体和极细渗碳体的机械混合物，即回火屈氏体。的机械混合物，即回火屈氏体。：碳化物聚集长大，温度越高碳化碳化物聚集长大，温度越高碳化物越大，得到粒状碳化物与铁素体的机械混合物，即回火物越大，得到粒状碳化物与铁素体的机械混合物，即回火索氏体。索氏体。57 回火的目的是降低应力和脆性，获得回火马氏体组织，
44、回火的目的是降低应力和脆性，获得回火马氏体组织，使钢具有高的硬度、强度和耐磨性。低温回火一般用来处使钢具有高的硬度、强度和耐磨性。低温回火一般用来处理要求高硬度和高耐磨性的工件，如刀具、量具、滚动轴理要求高硬度和高耐磨性的工件，如刀具、量具、滚动轴承和渗碳件等。（承和渗碳件等。（HRC60HRC60）1 1）低温回火）低温回火（150150250250）2 2）中温回火）中温回火（350350500500）回火的目的是获得回火屈氏体，具备高的弹性极限和回火的目的是获得回火屈氏体，具备高的弹性极限和韧性，并保持一定的硬度，主要用于各种弹簧，锻模、压韧性，并保持一定的硬度，主要用于各种弹簧，锻模、
45、压铸模等模具。（铸模等模具。（35HRC4535HRC45）583 3）高温回火）高温回火（500500650650）回火的目的是具备良好的综合机械性能（较高的强回火的目的是具备良好的综合机械性能（较高的强度、塑性、韧性），得到回火索氏体组织。一般把淬火度、塑性、韧性），得到回火索氏体组织。一般把淬火加高温回火的热处理称为加高温回火的热处理称为“调质处理调质处理”。适用于中碳结。适用于中碳结构钢制作的曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车拖拉机半轴、构钢制作的曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车拖拉机半轴、机床主轴及齿轮等重要机器零件。（机床主轴及齿轮等重要机器零件。（28HRC3328HRC33）59 需要指出，
46、有些钢在需要指出，有些钢在250250400400和和450450650650的范围内回火的范围内回火时，其冲击韧性比在较低温度回火时，其冲击韧性比在较低温度回火时还显著下降，这种脆化现象称为时还显著下降，这种脆化现象称为回火脆性回火脆性。在。在250250400400回火时出回火时出现的脆性称为现的脆性称为低温回火脆性低温回火脆性，又叫，又叫第一类回火脆性第一类回火脆性；而在；而在450450650650温度范围内回火时出现温度范围内回火时出现的脆性称为的脆性称为高温回火脆性高温回火脆性，也叫，也叫第二类回火脆性第二类回火脆性。为防止低温回火脆性，通常的办法是为防止低温回火脆性，通常的办法是
47、避免在脆化温度避免在脆化温度范围内回火范围内回火。防止高温回火脆性的方法是。防止高温回火脆性的方法是加热后快冷加热后快冷。60q 钢的表面热处理钢的表面热处理 表面淬火表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，然后是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持淬迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持淬火前组织的热处理方法。火前组织的热处理方法。火焰表面淬火火焰表面淬火是氧炔焰等高温热源将工件表面许速是氧炔焰等高温热源将工件表面许速加热到形变温度以上，然后立即进行低温回火，或利用加热到形变温度以上，然后立即进行低温回火，或利用工件内部余热自身回火。工件内
48、部余热自身回火。这种方法可获得这种方法可获得2 26mm6mm的淬的淬透深度，设备简单，成本低，适于单件或小批量生产。透深度，设备简单，成本低，适于单件或小批量生产。61感应加热表面淬火的特点：感应加热表面淬火的特点：淬火温度高于一般淬火温度。淬火温度高于一般淬火温度。淬火后马氏体晶粒细化，表淬火后马氏体晶粒细化，表层硬度比普通淬火高层硬度比普通淬火高2 23HRC3HRC。表层存在很大的残余压应力。表层存在很大的残余压应力。不易产生变形和氧化脱碳。不易产生变形和氧化脱碳。易于实现机械化与自动化。感应加热淬火后，为了减易于实现机械化与自动化。感应加热淬火后，为了减小淬火应力和降低脆性，需进行小
49、淬火应力和降低脆性，需进行170170200200低温回火。低温回火。感应加热是利用电磁感应原理，表层感应电流密度感应加热是利用电磁感应原理，表层感应电流密度大，温度高；心部几乎不受热。大，温度高；心部几乎不受热。62 钢的化学热处理是指将工件放在一定温度的活性介钢的化学热处理是指将工件放在一定温度的活性介质中保温，使介质中分解出的一种或几种元素的活性原质中保温，使介质中分解出的一种或几种元素的活性原子被钢件表面吸附并向表层扩散，从而改变其表层化学子被钢件表面吸附并向表层扩散，从而改变其表层化学成分、组织和性能的一种热处理工艺方法。成分、组织和性能的一种热处理工艺方法。基本过程基本过程：钢件加
50、热时，化学介质分解出渗入元素的活性原子；钢件加热时，化学介质分解出渗入元素的活性原子；活性原子被钢件表面吸附和溶解；活性原子被钢件表面吸附和溶解；原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。63 将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗入钢的表层的工艺称为渗碳渗碳。其目的是其目的是通过渗碳通过渗碳及随后的淬火和低温回火，及随后的淬火和低温回火，使表面获得高碳回火马氏使表面获得高碳回火马氏体，具有高硬度、耐磨性体，具有高硬度、耐磨性和抗疲劳性能；而心部为和抗疲劳性能；而心部为低碳回火马氏体
