第七章 钢的热处理

1、l 第五章第五章 钢的热处理钢的热处理 q定义：定义：将固态金属或合金，采用适当的方式进将固态金属或合金，采用适当的方式进 行加热、保温和冷却，以获得所需组织结构与行加热、保温和冷却，以获得所需组织结构与 性能的工艺方法称热处理。性能的工艺方法称热处理。 l实质：在实质：在加热、保温和冷却过程中，钢的组织加热、保温和冷却过程中，钢的组织 结结 构发生了变化，从而改变了其性能。构发生了变化，从而改变了其性能。 目的：改善钢（工件）的力学性能或工艺性目的：改善钢（工件）的力学性能或工艺性 能；能； 作用：充分发挥材料的性能潜力，提高零件作用：充分发挥材料的性能潜力，提高零件 质量，质量， 延长零件

2、寿命；延长零件寿命； 应用：十分广泛。应用：十分广泛。 q按目的、加热条件和特点不同，热处理分为：按目的、加热条件和特点不同，热处理分为： 整体热处理整体热处理 表面热处理表面热处理 化学热处理化学热处理 其它热处理其它热处理 热处理的工艺参数有：热处理的工艺参数有： 加热温度加热温度 保温时间保温时间 冷却方式冷却方式 q 目的：通过加热使原始组织转变为奥氏体；目的：通过加热使原始组织转变为奥氏体； q 将钢加热至将钢加热至Ac3或或Ac1以上，获得完全或部分奥以上，获得完全或部分奥 氏体组织的操作称为奥氏体化。氏体组织的操作称为奥氏体化。 q 钢热处理加热的临界温度为钢热处理加热的临界温度

3、为727 。 5.1 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变 5.1 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变 在实际生产中，由于加在实际生产中，由于加 热和冷却不是很缓慢，热和冷却不是很缓慢， 因此实际发生组织转变因此实际发生组织转变 的温度与相图的的温度与相图的A1、 A3、Acm 有一定的偏有一定的偏 离。通常加热用离。通常加热用 Ac1、 Ac3、Accm 表示，冷表示，冷 却用却用Ar1、Ar3、Arcm 表示。表示。 （一）奥氏体的形成（一）奥氏体的形成 1.奥氏体晶核的形成奥氏体晶核的形成 奥氏体的晶核奥氏体的晶核 易于在渗碳体相界面易于在渗碳体相界面 上形成。这是因为在上形成

4、。这是因为在 两相的相界上为形核两相的相界上为形核 提供了良好的条件。提供了良好的条件。 2.奥氏体晶核的长大奥氏体晶核的长大 A形核后形核后,由于由于 A与与Fe 3 C形界处的形界处的 含含C量不同。将引起量不同。将引起 A中中C的扩散。通过的扩散。通过 Fe、C原子的扩散原子的扩散 和和Fe原子的晶原子的晶 格改组格改组,A向向F和和 Fe 3 C两个方向两个方向 长大。长大。 3.残余渗碳体溶解残余渗碳体溶解 在奥氏体形成在奥氏体形成 过程中过程中 ,铁素体比铁素体比 渗碳体先消失渗碳体先消失,因此因此 奥氏体形成之后奥氏体形成之后,还还 残存未溶渗碳体。残存未溶渗碳体。 这部分未溶的

5、残余这部分未溶的残余 渗碳体将随着时间渗碳体将随着时间 的延长的延长,继续不断地继续不断地 溶入奥氏体溶入奥氏体, 直至全部消失。直至全部消失。 4.奥氏体均匀化奥氏体均匀化 渗碳体完全溶解后奥氏渗碳体完全溶解后奥氏 体中碳的浓度分布并不体中碳的浓度分布并不 均均 匀匀 ,原先是渗碳体地方碳原先是渗碳体地方碳 浓度高浓度高,原先铁素体的地原先铁素体的地 方碳浓度低。方碳浓度低。 必须继续保温必须继续保温,通过碳通过碳 的扩散的扩散,使奥氏体成分使奥氏体成分 均匀化。均匀化。 （二）影响奥氏体转变的因素（二）影响奥氏体转变的因素 1.加热温度和加热速度的影响加热温度和加热速度的影响 提高加热温度

6、，将加速提高加热温度，将加速A的形成。的形成。 随着加热速度的增加随着加热速度的增加,奥氏体形成温度升高奥氏体形成温度升高 (A C1 越高越高),形成所需的时间缩短。形成所需的时间缩短。 2.化学成分的影响化学成分的影响 随着钢中含碳量增加随着钢中含碳量增加,铁素体核渗碳体相界铁素体核渗碳体相界 面总量增多面总量增多,有利于奥氏体的形成。有利于奥氏体的形成。 3.原始组织的影响原始组织的影响 由于奥氏体的晶核是在铁素体和渗碳体的由于奥氏体的晶核是在铁素体和渗碳体的 相界面上形成相界面上形成,所以原始组织越细所以原始组织越细,相界面越多相界面越多, 形成奥氏体晶核的基地越多形成奥氏体晶核的基地

7、越多,奥氏体转变就奥氏体转变就 越快。越快。 （三）奥氏体晶粒大小及其控制三）奥氏体晶粒大小及其控制 1.奥氏体晶粒大小奥氏体晶粒大小 一般根据标准晶粒度等级图确定钢的一般根据标准晶粒度等级图确定钢的 奥氏体晶粒大小。标准晶粒度等级分为奥氏体晶粒大小。标准晶粒度等级分为8 级，级，14级为粗晶粒度，级为粗晶粒度，58级为细晶粒级为细晶粒 度。度。 l2.实际晶粒度和本质晶粒度实际晶粒度和本质晶粒度 某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶 粒度叫实际晶粒度，它决定钢的性能。粒度叫实际晶粒度，它决定钢的性能。 钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向用本质晶粒钢在加

8、热时奥氏体晶粒长大的倾向用本质晶粒 度来表示。度来表示。 钢加热到钢加热到93010、保温、保温8小时、冷却后小时、冷却后 测得的晶粒度叫本质晶粒度。如果测得的晶粒细测得的晶粒度叫本质晶粒度。如果测得的晶粒细 小，则该钢称为本质细晶粒钢，反之叫本质粗晶小，则该钢称为本质细晶粒钢，反之叫本质粗晶 粒钢。粒钢。 3.奥氏体晶粒大小的控制奥氏体晶粒大小的控制 （1）合理选择加热温度和保温时间）合理选择加热温度和保温时间 随着温度升高晶粒度将之间长大。温度愈高随着温度升高晶粒度将之间长大。温度愈高, 晶粒长大于愈明显。在一定温度下晶粒长大于愈明显。在一定温度下,保温时间愈长保温时间愈长, 奥氏体晶粒也

9、越粗大。奥氏体晶粒也越粗大。 （2）加入合金元素）加入合金元素 奥氏体中的含碳量增高时奥氏体中的含碳量增高时,晶粒长大的倾向增晶粒长大的倾向增 多。若碳以未溶的碳化物形式存在多。若碳以未溶的碳化物形式存在,则它有阻碍晶则它有阻碍晶 粒长大的作用。粒长大的作用。 （3）合理选择原始组织）合理选择原始组织 5.2 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变 l冷却是热处理的最后一个工序，也是最关冷却是热处理的最后一个工序，也是最关 键的工序，它决定了钢热处理后的组织和键的工序，它决定了钢热处理后的组织和 性能。同一种钢，加热温度和保温时间相性能。同一种钢，加热温度和保温时间相 同，冷却方法不同，热处

10、理后的性能截然同，冷却方法不同，热处理后的性能截然 不同。这是因为过冷奥氏体在冷却过程中不同。这是因为过冷奥氏体在冷却过程中 转变成了不同的产物。那么奥氏体在冷却转变成了不同的产物。那么奥氏体在冷却 时转变成什么产物？有什么规律呢？时转变成什么产物？有什么规律呢？ l当温度在当温度在A1以上时以上时, 奥氏体是稳定的。当温度降奥氏体是稳定的。当温度降 到到A1以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏 体称为过冷奥氏体。过冷体称为过冷奥氏体。过冷A是不稳定的，会转变是不稳定的，会转变 为其它的组织。为其它的组织。 l钢在冷却时的转变，实质上是过冷钢在冷却时的转

11、变，实质上是过冷A的转变。的转变。 连续冷却转变 连续冷却转变 使加热到奥氏体使加热到奥氏体 化的钢连续降温进行化的钢连续降温进行 组织转变组织转变 等温冷却转变等温冷却转变 使加热到奥氏体使加热到奥氏体 化的钢以较快的冷却化的钢以较快的冷却 速度冷到速度冷到A1以下某温以下某温 度保温，在等温下发度保温，在等温下发 生组织转变。生组织转变。 l碳钢热处理时的冷却速度一般较大，大多都偏离碳钢热处理时的冷却速度一般较大，大多都偏离 了平衡状态（除退火外），所以热处理后的组织了平衡状态（除退火外），所以热处理后的组织 为非平衡组织。碳钢非平衡组织和按铁碳相图结为非平衡组织。碳钢非平衡组织和按铁碳相

12、图结 晶得到的平衡组织相比差别很大。所以不能再用晶得到的平衡组织相比差别很大。所以不能再用 铁碳相图加以分析，而应使用铁碳相图加以分析，而应使用C曲线来确定。曲线来确定。 共析钢过冷A的等温转变曲线图 （1）高温转变（珠光体型转变）高温转变（珠光体型转变） l 在在A1550 之间之间, 过冷奥氏体的转变产物为珠光过冷奥氏体的转变产物为珠光 体型组织体型组织, 此温区称珠光体转变区。此温区称珠光体转变区。 l 珠光体型组织是铁素体和渗碳体的机械混合物珠光体型组织是铁素体和渗碳体的机械混合物, 渗渗 碳体呈层片状分布在铁素体基体上，转变温度越低，碳体呈层片状分布在铁素体基体上，转变温度越低， 层

13、间距越小，可将珠光体型组织按层间距大小分为层间距越小，可将珠光体型组织按层间距大小分为 珠光体珠光体(P)、索氏体、索氏体(S)和屈氏体和屈氏体(T)。奥氏体向珠光。奥氏体向珠光 体的转变为扩散型的形核、长大过程体的转变为扩散型的形核、长大过程, 是通过碳、是通过碳、 铁的扩散和晶体结构的重构来实现的。铁的扩散和晶体结构的重构来实现的。 2.过冷奥氏体的等温转变产物组织和性能过冷奥氏体的等温转变产物组织和性能 A1 650 片层珠光体片层珠光体 25HRC 650 600 细珠光体（索氏细珠光体（索氏 体体 S） 25HRC30HRC 600 550 极细珠光体（托氏体极细珠光体（托氏体 T）

14、 35HRC40HRC (a)珠光体 3800倍 (b) 索氏体 8000倍 (c)屈氏体 8000倍 (2) 中温转变中温转变 l 在在550 Ms之间之间, 过冷奥氏体的转变产物为过冷奥氏体的转变产物为 贝氏体型组织贝氏体型组织, 此温区称贝氏体转变区。此温区称贝氏体转变区。 l 贝氏体是渗碳体分布在碳过饱和的铁素体基体贝氏体是渗碳体分布在碳过饱和的铁素体基体 上的两相混合物。奥氏体向贝氏体的转变属于上的两相混合物。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半扩散型转变，铁原子不扩散而碳原子有一定 扩散能力。扩散能力。 l过冷奥氏体在过冷奥氏体在550 350 之间

15、转变形成的产之间转变形成的产 物称上贝氏体（上物称上贝氏体（上B)。上。上B呈羽毛状呈羽毛状, 小片状的渗小片状的渗 碳体分布在成排的铁素体片之间。碳体分布在成排的铁素体片之间。 40HRC45HRC (a)光学显微照片 500 (b) 电子显微照片 5000 上贝氏体形态 l在在350-Ms之间等温时，过冷奥氏体之间等温时，过冷奥氏体 转变成下贝氏体（转变成下贝氏体（B下），呈黑色针状下），呈黑色针状 或竹叶状，其中颗粒状碳化物或竹叶状，其中颗粒状碳化物(Fe2.4C)沿沿 一定方向分布分布在一定方向分布分布在F片之上，片之上， 50HRC55 HRC。 l光学显微照片 500倍 (b) 电

16、子显微照片 12000倍 下贝氏体形态 l上贝氏体中铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；上贝氏体中铁素体片较宽，塑性变形抗力较低； 同时渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断，同时渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断， 因此强度和韧性都较差。因此强度和韧性都较差。 l下贝氏体中铁素体针细小，无方向性，碳的过饱下贝氏体中铁素体针细小，无方向性，碳的过饱 和度大，位错密度高，且碳化物分布均匀、弥散和度大，位错密度高，且碳化物分布均匀、弥散 度大，所以硬度高，韧性好，具有较好的综合机度大，所以硬度高，韧性好，具有较好的综合机 械性能。这种下贝氏体应用广泛。械性能。这种下贝氏体应用广泛。 共析钢不同转变

17、温度转变产物的硬度和冲击韧度 1.亚共析钢过冷奥氏体的等温转变 亚共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线与共析钢亚共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线与共析钢C曲曲 线不同的是，在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素线不同的是，在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素 体的转变开始线。亚共析钢随着含碳量的减少，体的转变开始线。亚共析钢随着含碳量的减少，C曲线曲线 位置往左移，同时位置往左移，同时Ms、Mf线住上移。线住上移。 亚共析钢的过冷奥氏体等温转变过程与共析钢类似。亚共析钢的过冷奥氏体等温转变过程与共析钢类似。 只是在高温转变区过冷奥氏体将先有一部分转变为铁素只是在高温转变区过冷奥氏体将先有一部分转变为铁素

18、 体，剩余的过冷奥氏体再转变为珠光体型组织。体，剩余的过冷奥氏体再转变为珠光体型组织。 45钢过冷A等温转变曲线 2.过共析钢过冷奥氏体的等温转 变 过共析钢过冷过共析钢过冷A的的C曲线的上部为过冷曲线的上部为过冷A中中 析出二次渗碳体析出二次渗碳体(Fe3CII)开始线。当加热温度为开始线。当加热温度为 Ac1以上以上3050 时，过共析钢随着含碳量的时，过共析钢随着含碳量的 增加增加, C曲线位置向左移曲线位置向左移, 同时同时Ms、Mf线往下移。线往下移。 过共析钢的过冷过共析钢的过冷A在高温转变区在高温转变区, 将先析出将先析出 Fe3CII, 其余的过冷其余的过冷A再转变为珠光体型组

19、织。再转变为珠光体型组织。 T10钢过冷A的等温转变曲线 二、过冷奥氏体的连续冷却转变二、过冷奥氏体的连续冷却转变 1.共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 l过冷奥氏本的连续冷却转变曲线（过冷奥氏本的连续冷却转变曲线（CCT曲线曲线)中，共析钢中，共析钢 以大于以大于Vk（上临界冷却速度）的速度冷却时（上临界冷却速度）的速度冷却时, 得到的组织得到的组织 为马氏体。冷却速度小于为马氏体。冷却速度小于Vk（下临界冷却速度）时（下临界冷却速度）时, 钢将钢将 全部转变为珠光体型组织。共析钢过冷奥氏体在连续冷却全部转变为珠光体型组织。共析钢过冷奥氏体在连续冷却 转变时得不到

20、贝氏体组织。转变时得不到贝氏体组织。 l与共析钢的与共析钢的TTT曲线相比，曲线相比， 共析钢的共析钢的CCT曲线稍靠右靠下曲线稍靠右靠下 一点，表明连续冷却时，奥氏体完成珠光体转变的温度较一点，表明连续冷却时，奥氏体完成珠光体转变的温度较 低，时间更长。低，时间更长。 共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变组织 (2) 马氏体转变特点 过冷过冷A转变为马氏体是低温转变过程转变为马氏体是低温转变过程, 转变温度在转变温度在 MsMf之间之间, 该温区称马氏体转变区。该温区称马氏体转变区。 过冷过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转变转变为马氏体是一种非扩散型转变 铁和铁和 碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥

21、氏体一定晶面碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥氏体一定晶面, 集集 体地体地(不改变相互位置关系不改变相互位置关系)作一定距离的移动作一定距离的移动(不超过一不超过一 个原子间距个原子间距)， 使面心立方晶格改组为体心正方晶格，使面心立方晶格改组为体心正方晶格， 碳原子原地不动，过饱和地留在新组成的晶胞中；增大碳原子原地不动，过饱和地留在新组成的晶胞中；增大 了其正方度了其正方度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。中的过饱和固溶体。过饱过饱 和碳使和碳使-Fe 的晶格发生很大畸变，产生很强的固溶强化。的晶格发生很大畸变，产生很强的固溶强化。 马氏体的形成速度很快马氏体

22、的形成速度很快 奥氏体冷却到奥氏体冷却到Ms点以下后，无孕育期，点以下后，无孕育期， 瞬时转变瞬时转变 为马氏体。随着温度下降，过冷奥氏体不断转变为马为马氏体。随着温度下降，过冷奥氏体不断转变为马 氏体，是一个连续冷却的转变过程。氏体，是一个连续冷却的转变过程。 马氏体转变是不彻底的马氏体转变是不彻底的 总要残留少量奥氏体总要残留少量奥氏体。残余奥氏体的含量与。残余奥氏体的含量与MS、 Mf的位置有关。奥氏体中的碳含量越高，则的位置有关。奥氏体中的碳含量越高，则MS、Mf越越 低，残余低，残余A含量越高。只在碳质量分数少于含量越高。只在碳质量分数少于0.6%时时, 残残 余余A可忽略。可忽略。

23、 马氏体形成时体积膨胀马氏体形成时体积膨胀 体积膨胀在钢体积膨胀在钢中造成很大的内应力中造成很大的内应力, 严重时导致开严重时导致开 裂。裂。 奥氏体碳质量分数对残余奥氏体含量的影响 (3)马氏体的形态与性能 马氏体形态 碳质量分数碳质量分数在在0.25%以下时，基本上是以下时，基本上是板条马氏板条马氏 体体（亦称低碳马氏体），板条马氏体在显微镜下为一（亦称低碳马氏体），板条马氏体在显微镜下为一 束束平行排列的细板条。在高倍透射电镜下可看到板束束平行排列的细板条。在高倍透射电镜下可看到板 条马氏体内有大量位错缠结的亚结构，所以也称位错条马氏体内有大量位错缠结的亚结构，所以也称位错 马氏体。马氏

24、体。 当当碳质量分数碳质量分数大于大于1.0%时，则大多数是时，则大多数是针状针状 马氏体马氏体。针状马氏体在光学显微镜中呈竹叶状或。针状马氏体在光学显微镜中呈竹叶状或 凸透镜状，在空间形同铁饼。马氏体针之间形成凸透镜状，在空间形同铁饼。马氏体针之间形成 一定角度一定角度(60)。高倍透射电镜分析表明，针状。高倍透射电镜分析表明，针状 马氏体内有大量孪晶，因此亦称孪晶马氏体。马氏体内有大量孪晶，因此亦称孪晶马氏体。 高碳马氏体的组织形态 l碳质量分数碳质量分数在在0.251.0%之间时，为板条马氏体之间时，为板条马氏体 和针状马氏体的混和组织。和针状马氏体的混和组织。 l如如45钢淬火的组织就

25、是混合马氏体。钢淬火的组织就是混合马氏体。 （2）马氏体的性能 a.硬度高。 l 马氏体是钢中最硬的组织，马氏体的硬度主要取决于马氏体是钢中最硬的组织，马氏体的硬度主要取决于 其中的含碳量，与其它因素关系不大。但当含碳量增大其中的含碳量，与其它因素关系不大。但当含碳量增大 到到0.6%时时,马氏体的硬度不再继续升高马氏体的硬度不再继续升高,大约为大约为60- 64HRC 。 l马氏体的高硬度主要是由于固溶强化造成的马氏体的高硬度主要是由于固溶强化造成的,另外还有另外还有 位错和孪晶的影响位错和孪晶的影响,奥氏体向马氏体转变造成的组织细奥氏体向马氏体转变造成的组织细 化也是一个因素。化也是一个因

26、素。 碳质量分数对马氏体硬度的影响 b.马氏体的塑性和韧性与其碳含量（或形态）密切相马氏体的塑性和韧性与其碳含量（或形态）密切相 关。关。高碳马氏体由于过饱和度大、内应力高和存在孪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，但晶粒细化晶结构，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，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。 c.马氏体的比容比奥氏体大。马氏体的

27、比容比奥氏体大。当奥氏体转变为马氏体当奥氏体转变为马氏体 时，体积会膨胀。马氏体是铁磁相，而奥氏体为顺磁时，体积会膨胀。马氏体是铁磁相，而奥氏体为顺磁 相。马氏体晶格畸变严重，因此电阻率高。相。马氏体晶格畸变严重，因此电阻率高。 2. 亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 亚共析钢过冷亚共析钢过冷A在高温时有一部分将转变为在高温时有一部分将转变为F，在中，在中 温转变区会有少量贝氏体（上温转变区会有少量贝氏体（上B）产生。如油冷的产物）产生。如油冷的产物 为为F+T+上上B+M，但，但F和上和上B量很少，有时可忽略。量很少，有时可忽略。 亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 3. 过共析钢过冷奥氏体的

28、连续冷却转变 过共析钢过冷过共析钢过冷A在高温区，将首先析出二次渗碳在高温区，将首先析出二次渗碳 体体, 而后转变为其它组织。由于奥氏体中碳含量高，所而后转变为其它组织。由于奥氏体中碳含量高，所 以油冷、水冷后的组织以油冷、水冷后的组织 中应包括残余奥氏中应包括残余奥氏 体。与共析钢一样，体。与共析钢一样， 其冷却过程中无贝其冷却过程中无贝 氏体转变。氏体转变。 过共析钢过冷 奥氏体的连续 冷却转变 q 前二节学习的内容是热处理的原理，从这一节开始学习热前二节学习的内容是热处理的原理，从这一节开始学习热 处理工艺，也就是具体的热处理实现方法。处理工艺，也就是具体的热处理实现方法。 q 在一个零

29、件的加工路线中，热处理起着很重要的作用，在一个零件的加工路线中，热处理起着很重要的作用， 一般有两种情况，如一个齿轮：一般有两种情况，如一个齿轮： 下料下料-锻造锻造-预备热处理（退火或正火）预备热处理（退火或正火）-铣齿铣齿- - - 最终热处理（淬火回火）最终热处理（淬火回火）-精加工（磨削）；精加工（磨削）； q 其中预备热处理的作用是消除锻造的缺陷，如晶粒粗大、其中预备热处理的作用是消除锻造的缺陷，如晶粒粗大、 内应力、缺陷组织等，同时调整硬度，为后续的切削做准备内应力、缺陷组织等，同时调整硬度，为后续的切削做准备 。最终热处理的作用是使材料具有使用状态下的性能，如强。最终热处理的作用

30、是使材料具有使用状态下的性能，如强 度、硬度等。度、硬度等。 第三节第三节 钢的退火和正火钢的退火和正火 一、退火一、退火 q加热到适当的温度，保温一定时间后缓慢冷却（炉冷）。加热到适当的温度，保温一定时间后缓慢冷却（炉冷）。 q过冷奥氏体在过冷奥氏体在C曲线的上部进行转变，热处理后的组织接曲线的上部进行转变，热处理后的组织接 近于平衡组织，以珠光体为主。亚共析钢为近于平衡组织，以珠光体为主。亚共析钢为F+P，共析、，共析、 过共析钢为球状珠光体。过共析钢为球状珠光体。 q用途：降低硬度，以利于切削（比较适合的切削硬度为用途：降低硬度，以利于切削（比较适合的切削硬度为 160-260HBS）；

31、消除内应力，稳定尺寸，防止变形或开）；消除内应力，稳定尺寸，防止变形或开 裂；消除偏析，均匀成分；裂；消除偏析，均匀成分； q第一类退火（扩散退火、再结晶退火、去应力退火）是不第一类退火（扩散退火、再结晶退火、去应力退火）是不 以组织转变为目的的工艺方法，由不平衡状态过渡到平衡以组织转变为目的的工艺方法，由不平衡状态过渡到平衡 状态。状态。 q第二类退火（完全退火、不完全退火、等温退火、球化退第二类退火（完全退火、不完全退火、等温退火、球化退 火）是以改变组织和性能为目的，改变钢中珠光体、铁素火）是以改变组织和性能为目的，改变钢中珠光体、铁素 体和碳化物等组织形态及分布。体和碳化物等组织形态及

32、分布。 q完全退火：适用于亚共析钢的铸件、锻件、完全退火：适用于亚共析钢的铸件、锻件、 焊接件。焊接件。 q工艺参数为：加热到工艺参数为：加热到Ac3+30-50，保温，保温， 随炉冷却到随炉冷却到600出炉空冷。出炉空冷。 l等温退火：原理与完全退火相同，主要是为等温退火：原理与完全退火相同，主要是为 了缩短工艺周期，特别是对一些大型合金钢了缩短工艺周期，特别是对一些大型合金钢 件的退火。件的退火。 q球化退火：适用于共析及过共析钢，目的是为球化退火：适用于共析及过共析钢，目的是为 了获取球状珠光体，降低这些高碳钢的硬度，了获取球状珠光体，降低这些高碳钢的硬度， 以利于切削。所有的高碳钢在切

33、削之前一般都以利于切削。所有的高碳钢在切削之前一般都 要进行球化退火。要进行球化退火。 q工艺参数为：加热到工艺参数为：加热到Ac1+30-50，保温，随，保温，随 炉冷却或等温冷却；炉冷却或等温冷却； l均匀化退火：一般用于铸件，消除偏析，使成均匀化退火：一般用于铸件，消除偏析，使成 分均匀；通常是将钢加热到固相线以下分均匀；通常是将钢加热到固相线以下100- 200长时间保温，使原子充分扩散。长时间保温，使原子充分扩散。 l去应力退火：属于低温热处理，加热温度一般去应力退火：属于低温热处理，加热温度一般 在在A1线以下，对于钢来说，大约为线以下，对于钢来说，大约为600。 二、正火 l加热

34、到加热到Ac3（或（或Accm ）以上）以上3050，保，保 温后在空气中冷却。温后在空气中冷却。它的主要特点是空冷，对它的主要特点是空冷，对 于大型零件或在炎热地区，也可用风冷或喷雾于大型零件或在炎热地区，也可用风冷或喷雾 冷却。冷却。 l区别：冷却速度比退火稍快，组织较细，强度区别：冷却速度比退火稍快，组织较细，强度 硬度稍有提高。硬度稍有提高。 q正火能提高硬度，一般用于低碳钢的预备热处正火能提高硬度，一般用于低碳钢的预备热处 理；理； q正火可以消除魏氏组织、粗大组织、网状组织正火可以消除魏氏组织、粗大组织、网状组织 等；如过共析钢在球化退火之前，应先用正火等；如过共析钢在球化退火之前

35、，应先用正火 消除网状的消除网状的Fe3C； q对于一些大件，正火可代替调质作为最终热处对于一些大件，正火可代替调质作为最终热处 理使用；理使用； 第四节 钢的淬火 q 将钢加热到将钢加热到Ac1或或Ac3以上以上30-50，适当保温，适当保温， 然后快速冷却，获取马氏体或下贝氏体的一种热然后快速冷却，获取马氏体或下贝氏体的一种热 处理工艺。处理工艺。 q 淬火是一种很早就应用的热处理工艺，它的目淬火是一种很早就应用的热处理工艺，它的目 的是获得马氏体或下贝氏体，但主要是马氏体。的是获得马氏体或下贝氏体，但主要是马氏体。 从性能上看，它是为了强化材料，提高材料的强从性能上看，它是为了强化材料，

36、提高材料的强 度或硬度。度或硬度。 一、淬火工艺参数 为了获得好的淬火效果，就必须制定正确的淬火为了获得好的淬火效果，就必须制定正确的淬火 工艺参数。工艺参数。 l加热温度加热温度 根据钢的成分确定，亚共析钢加热到根据钢的成分确定，亚共析钢加热到Ac3+30- 50，共析、过共析钢加热到，共析、过共析钢加热到Ac1+30-50； （根据铁碳相图进行解释）（根据铁碳相图进行解释） 一、淬火工艺参数 l例如，例如，45钢的钢的A3=780， 其淬火温度为其淬火温度为840-860 T8、T12钢的钢的Ac1=737， 其淬火温度为其淬火温度为770-790； l合金钢由于合金元素的影响，加热温度比

37、碳钢高，合金钢由于合金元素的影响，加热温度比碳钢高， 具体情况可以查阅热处理手册。具体情况可以查阅热处理手册。 一、淬火工艺参数 l加热时间加热时间 一般将升温时间和保温时间加在一起，称为加热一般将升温时间和保温时间加在一起，称为加热 时间。加热时间的确定应考虑二个问题，一个是时间。加热时间的确定应考虑二个问题，一个是 材料的均温，一个是组织转变的时间。淬火加热材料的均温，一个是组织转变的时间。淬火加热 时间与零件的尺寸和加热设备有关，可按下列经时间与零件的尺寸和加热设备有关，可按下列经 验公式确定；验公式确定； =D； 其中其中是系数，一般取是系数，一般取11.5；D是零件的有效厚是零件的有

38、效厚 度。度。 l 淬火冷却介质淬火冷却介质 淬火冷却速度应大于淬火冷却速度应大于VK，但不是越快越好，在保证大于，但不是越快越好，在保证大于 VK的前提下应尽量缓慢，这主要是为了避免出现大的的前提下应尽量缓慢，这主要是为了避免出现大的 应力，引起变形或开裂。应力，引起变形或开裂。 l 理想淬火冷却介质理想淬火冷却介质 在在“NOSE”处（处（600400）要快，以避开它保证获要快，以避开它保证获 得 全 部 的 马 氏 体 组 织 ； 而 在得 全 部 的 马 氏 体 组 织 ； 而 在 “ N O S E ” 下 面下 面 （300200 ），特别是在），特别是在Ms线以下要慢，以避免线以

39、下要慢，以避免 变形和开裂。变形和开裂。 但是实际使用的淬火介质都不满足这个条件。但是实际使用的淬火介质都不满足这个条件。 一、淬火工艺参数 水及水溶液水及水溶液 在在650400相对冷却速度较大，常用作碳钢相对冷却速度较大，常用作碳钢 的淬火。的淬火。 油油 在在300200间冷却速度比水小，用于合金钢间冷却速度比水小，用于合金钢 的淬火。的淬火。 2.淬火方法淬火方法 （1）单液淬火）单液淬火 形状简单的碳钢件在形状简单的碳钢件在 水中淬火，合金钢和水中淬火，合金钢和 小尺寸碳钢件在油中淬火小尺寸碳钢件在油中淬火 （2）双液淬火）双液淬火形状复杂的高碳钢工形状复杂的高碳钢工 件和尺寸较大的

40、合金钢件件和尺寸较大的合金钢件 （3）分级淬火）分级淬火尺寸较小、形状复杂尺寸较小、形状复杂 工件的淬火工件的淬火 （4）等温淬火）等温淬火形状复杂，尺寸要求形状复杂，尺寸要求 较精确，强韧性要求较高的小型工模具及弹簧较精确，强韧性要求较高的小型工模具及弹簧 等的淬火等的淬火 三、淬透性与淬硬性 l淬硬性是钢在理想条件下淬火硬化所能达到的最淬硬性是钢在理想条件下淬火硬化所能达到的最 高硬度。高硬度。 l取决于取决于M中中C%，C%淬硬性淬硬性 l淬透性是指在规定条件下，决定钢淬硬深度和硬淬透性是指在规定条件下，决定钢淬硬深度和硬 度分布的特性。度分布的特性。 影响淬透性的因素：影响淬透性的因素

41、： l影响淬透性的因素主要是影响淬透性的因素主要是 C曲线的位置，曲线的位置，C曲线右移，曲线右移， 淬火临界冷却速度减小，淬火临界冷却速度减小， 淬透性提高。淬透性提高。 C% 亚共析钢亚共析钢 C% 淬透性淬透性， 过共析钢过共析钢C% 淬透性淬透性 奥氏体化奥氏体化 温度温度 t淬透性淬透性 合金元素合金元素 除除Co以外，以外，C曲曲 线右移，线右移，淬透性淬透性 未溶第二未溶第二 相相 淬透性淬透性 第五节 钢的回火 温故而知新 l钢淬火后的组织是什么钢淬火后的组织是什么? 钢淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体。钢淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体。 （等温淬火后为下贝氏体）（等温淬火后

42、为下贝氏体） 温故而知新温故而知新 l什么是马氏体？马氏体的性能如何？什么是马氏体？马氏体的性能如何？ 马氏体是碳在马氏体是碳在-铁中的过饱和固溶体。铁中的过饱和固溶体。 马氏体硬度高，但脆性大。马氏体硬度高，但脆性大。 马氏体转变有什么特点？马氏体转变有什么特点？ 奥氏体转变为马氏体时，工件的体积奥氏体转变为马氏体时，工件的体积 增大增大 ，同时由于冷却速度较快，所以淬，同时由于冷却速度较快，所以淬 火后工件内常存在内应力。火后工件内常存在内应力。 温故而知新温故而知新 1、马氏体是不稳定组织；另外还有一定数、马氏体是不稳定组织；另外还有一定数 量的残余奥氏体；量的残余奥氏体； 2、淬火后的

43、性能不能满足工件的使用要求，、淬火后的性能不能满足工件的使用要求， 如脆性太大；如脆性太大； 3、淬火后工件内部有内应力，会导致工件的、淬火后工件内部有内应力，会导致工件的 变形或开裂；变形或开裂； 钢的回火钢的回火 l回火的定义和目的回火的定义和目的 l淬火钢在回火时的组织转变淬火钢在回火时的组织转变 l淬火钢在回火时的性能变化淬火钢在回火时的性能变化 l回火的分类回火的分类 回火的定义 l钢件淬火后钢件淬火后, 为了消除内应力并获得所要求为了消除内应力并获得所要求 的组织和性能的组织和性能, 将其加热到将其加热到Ac1以下某一温以下某一温 度度, 保温一定时间保温一定时间, 然后冷却到室温

44、的热处然后冷却到室温的热处 理工艺叫做回火。理工艺叫做回火。 回火的目的回火的目的 l稳定组织稳定组织 l调整性能调整性能 l消除内应力消除内应力 淬火钢在回火时的组织转变 l非常复杂。非常复杂。 l一般是马氏体由过饱和状态向非饱和状态转变，一般是马氏体由过饱和状态向非饱和状态转变， 也就是碳以一定的形式析出；残余奥氏体也发生也就是碳以一定的形式析出；残余奥氏体也发生 变化变化 ，它们的最后转变产物是铁素体和渗碳体。，它们的最后转变产物是铁素体和渗碳体。 淬火钢在回火时的组织转变 淬火钢在回火时的组织转变 l在低温回火时，从淬火马氏体内部会析出碳化物在低温回火时，从淬火马氏体内部会析出碳化物

45、薄片（薄片（Fe2.4C）, 马氏体的过饱和度减小。部分残马氏体的过饱和度减小。部分残 余奥氏体转变为下贝氏体余奥氏体转变为下贝氏体, 但量不多。所以低温但量不多。所以低温 回火后组织为回火马氏体残余奥氏体。回火后组织为回火马氏体残余奥氏体。 回火马氏体 淬火钢在回火时的组织转变 l回火温度为回火温度为350500，得到铁素体基体与大，得到铁素体基体与大 量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，叫做回量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，叫做回 火屈氏体火屈氏体(回火回火T)。铁素体仍保留马氏体的形态，。铁素体仍保留马氏体的形态， 渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。 回

46、火托氏体 淬火钢在回火时的组织转变 回火温度为回火温度为500650, 得到粒状渗碳得到粒状渗碳 体和铁素体基体的混和组织体和铁素体基体的混和组织, 称回火索氏称回火索氏 体体(回火回火S)。 回火索氏体 淬火钢在回火时的性能变化 l随回火温度升高，马氏体中的碳不断析出，随回火温度升高，马氏体中的碳不断析出， 所以钢的强度、硬度不断下降，而塑性、所以钢的强度、硬度不断下降，而塑性、 韧性不断升高。韧性不断升高。 硬度 强度 塑性 淬火钢在回火时的性能变化 低温回火 回火温度为回火温度为150250。 回火后组织为回火马氏体。回火后组织为回火马氏体。 低温回火的目的是降低淬火应力，提高工低温回火

47、的目的是降低淬火应力，提高工 件韧性，保证淬火后的高硬度件韧性，保证淬火后的高硬度(一般为一般为 58HRC64HRC)和高耐磨性。和高耐磨性。 适用于工具、模具和表面处理件。适用于工具、模具和表面处理件。 中温回火 回火温度为回火温度为350500， 回火后组织为回火屈氏体回火后组织为回火屈氏体(回火回火T)。 回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度，回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度， 同时也具有一定的韧性，硬度一般为同时也具有一定的韧性，硬度一般为 35HRC45HRC。 适用于弹簧等弹性元件。适用于弹簧等弹性元件。 高温回火 回火温度为回火温度为500650, 得到粒状渗碳体和铁素体基

48、体的混和组织得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织, 称回称回 火索氏体。火索氏体。 在生产中将淬火后高温回火的复合热处理工艺称在生产中将淬火后高温回火的复合热处理工艺称 为为，调质后得到的回火索氏体具有良好的，调质后得到的回火索氏体具有良好的 综合力学性能，回火后硬度为综合力学性能，回火后硬度为200330HBS。 广泛用于轴类、齿轮、连杆等受力复杂的零件。广泛用于轴类、齿轮、连杆等受力复杂的零件。 钢的表面热处理钢的表面热处理 1、钢的普通热处理包括哪些工艺钢的普通热处理包括哪些工艺? 正火、退火、淬火和回火，统称正火、退火、淬火和回火，统称“四把火四把火”。 2、什么是调质？调质处理后钢的

49、组织和性能怎样？、什么是调质？调质处理后钢的组织和性能怎样？ 淬火后高温回火的复合热处理工艺称调质。淬火后高温回火的复合热处理工艺称调质。 调质后的组织为回火索氏体，具有综合力学性能。调质后的组织为回火索氏体，具有综合力学性能。 3、什么是钢的淬透性？、什么是钢的淬透性？ 钢在淬火条件下得到钢在淬火条件下得到M M组织或淬透层深度的能力，是钢组织或淬透层深度的能力，是钢 的固有属性。的固有属性。 温故知新 截面较大、形状复杂以及受力较苛刻的螺栓、拉杆、截面较大、形状复杂以及受力较苛刻的螺栓、拉杆、 锻模、锤杆等工件，要求截面机械性能均匀，应选用锻模、锤杆等工件，要求截面机械性能均匀，应选用 淬

50、透性好的钢。淬透性好的钢。 心部：硬度低， 韧性高 在生产中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性在生产中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性 能，一般是表面硬度高，有较高的耐磨性和疲劳强度；能，一般是表面硬度高，有较高的耐磨性和疲劳强度； 而心部要求有较好的塑性和韧性。而心部要求有较好的塑性和韧性。 表面：硬度高，耐磨 表面和心部性能要求不同的零件实例 在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热 处理方法，都有不能满足其要求。处理方法，都有不能满足其要求。 l低碳钢低碳钢 ：可满足心部要求，：可满足心部要求， 表面要求不能满足；表面要求不能满足；

51、l高碳钢：高碳钢： 可满足表面要求，可满足表面要求， 心部要求不能满足；心部要求不能满足； 解决这一问题的方法是表 面热处理和化学热处理 仅对钢的表面加热、 冷却而不改变其成分 的热处理工艺称为表 面热处理, 也叫表面 淬火。 化学热处理是将钢件置于一定化学热处理是将钢件置于一定 温度的活性介质中保温，使温度的活性介质中保温，使 一种或几种元素渗入它的表一种或几种元素渗入它的表 面，改变其化学成分和组织，面，改变其化学成分和组织， 达到改进表面性能，满足技达到改进表面性能，满足技 术要求的热处理过程。术要求的热处理过程。 让我们首先学习 一下表面热处理 吧。 表面淬火 l按照实现方式，表面淬火

52、可分为：按照实现方式，表面淬火可分为： 感应加热表面淬火感应加热表面淬火 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 感应加热表面淬火感应加热表面淬火 l原理原理 l分类分类 l应用应用 l特点特点 感应加热表面淬火原理 l感应线圈中通以交流电时感应线圈中通以交流电时, ,由于交流电的集由于交流电的集 肤效应，靠近工件表面的电流密度大，而中肤效应，靠近工件表面的电流密度大，而中 心几乎为零。工件表面温度快速升高到相变心几乎为零。工件表面温度快速升高到相变 点以上，而心部温度仍在相变点以下。感应点以上，而心部温度仍在相变点以下。感应 加热后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶液加热后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水

53、溶液 喷射淬火，淬火后进行喷射淬火，淬火后进行180-200180-200低温回火，低温回火， 以降低淬火应力，并保持高硬度和高耐磨性以降低淬火应力，并保持高硬度和高耐磨性。 感 应 加 热 表 面 淬 火 示 意 图 电流频率与淬硬深度的关系 l在淬火温度状态下，在淬火温度状态下， 电流透入的深度与感电流透入的深度与感 应电流的频率有关，应电流的频率有关， 电流频率越高，电流电流频率越高，电流 透入深度越薄，淬火透入深度越薄，淬火 后硬化层也就越薄。后硬化层也就越薄。 感应加热表面淬火分类感应加热表面淬火分类 名称名称频率（频率（HZ）淬硬深度淬硬深度 （mm) 适用零件适用零件 高频感应加

54、热高频感应加热1001000K0.22中小型，如小模数中小型，如小模数 齿轮，直径较小的齿轮，直径较小的 圆柱型零件圆柱型零件 中频感应加热中频感应加热5001000028中大型，如直径较中大型，如直径较 大的轴，大中等模大的轴，大中等模 数的齿轮数的齿轮 工频感应加热工频感应加热501015 以上以上大型零件，如直径大型零件，如直径 大于大于300mm 的轧的轧 辊及轴类零件辊及轴类零件 感应加热表面淬火应用范围 l 一般用于中碳钢和中碳低合金钢一般用于中碳钢和中碳低合金钢,如如45、40Cr、 40MnB钢等。用于齿轮、轴类零件的表面硬化，提高钢等。用于齿轮、轴类零件的表面硬化，提高 耐磨

55、性。耐磨性。 l为零件心部的性能，感应加热淬火的预备热处理常采为零件心部的性能，感应加热淬火的预备热处理常采 用正火或调质。用正火或调质。 l感应加热淬火零件的加工工艺路线为：感应加热淬火零件的加工工艺路线为： 下料下料-锻造锻造-调质或正火调质或正火-切削加工切削加工-感应加感应加 热淬火热淬火+低温回火低温回火-精加工精加工-检验检验 感应加热表面淬火特点 l高频感应加热时，钢的奥氏体化是在较大的过热度（高频感应加热时，钢的奥氏体化是在较大的过热度（A Ac3 c3以 以 上上8080150)150)进行的进行的, , 因此晶核多因此晶核多, , 且不易长大，组织且不易长大，组织 细小。细

56、小。 l 表面层淬得马氏体后表面层淬得马氏体后, , 由于体积膨胀在工件表面层造成由于体积膨胀在工件表面层造成 较大的残余压应力较大的残余压应力, , 显著提高工件的疲劳强度。显著提高工件的疲劳强度。 l因加热速度快，没有保温时间，工件的氧化脱碳少。另外，因加热速度快，没有保温时间，工件的氧化脱碳少。另外， 由于内部未加热，工件的淬火变形也小。由于内部未加热，工件的淬火变形也小。 l加热温度和淬硬层厚度（从表面到半马氏体区的距离）容加热温度和淬硬层厚度（从表面到半马氏体区的距离）容 易控制，便于实现机械化和自动化。易控制，便于实现机械化和自动化。 l工艺设备较贵，维修调整困难，对于形状复杂的零

57、件的感工艺设备较贵，维修调整困难，对于形状复杂的零件的感 应器不易制造。应器不易制造。 火焰加热表面淬火 l火焰加热表面淬火是用乙炔氧或煤气氧等火火焰加热表面淬火是用乙炔氧或煤气氧等火 焰加热工件表面，进行淬火。焰加热工件表面，进行淬火。 火焰加热表面淬火和高频感应加热表面淬火火焰加热表面淬火和高频感应加热表面淬火 相比，具有设备简单，成本低等优点。但生产率相比，具有设备简单，成本低等优点。但生产率 低，零件表面存在不同程度的过热，质量控制也低，零件表面存在不同程度的过热，质量控制也 比较困难。因此主要适用于单件、小批量生产及比较困难。因此主要适用于单件、小批量生产及 大型零件（如大型齿轮、轴

58、、轧辊等）的表面淬大型零件（如大型齿轮、轴、轧辊等）的表面淬 火。火。 火焰加热表面淬火示意图 化学热处理 l将金属或合金工件置于一定温度的活性介将金属或合金工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质中保温，使一种或几种元素渗入它的表 层，以改变其化学成分、组织和性能的热层，以改变其化学成分、组织和性能的热 处理工艺。处理工艺。 化学热处理 l化学热处理的作用主要有以下两个方面，一方面是提高工化学热处理的作用主要有以下两个方面，一方面是提高工 件表层的某些力学性能，如表层硬度、耐磨性、疲劳极限件表层的某些力学性能，如表层硬度、耐磨性、疲劳极限 等。另一方面是保护工件表面等。另一方面是保护工件表面 ，提高工件表层的物理、，提高工件表层的物理、 化学性能，如耐高温、耐腐蚀等。化学性能，如耐高温、耐腐蚀等。 l按渗入的元素不同，化学热处理可分为：按渗入的元素不同，化学热处理可分为： 渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。 l 渗入元素介质可以是固体