第四章 钢的热处理

1、第四章第四章 金属材料热处理金属材料热处理 ( Heat Treatment of Steel ) 概述概述 钢的普通热处理工艺钢的普通热处理工艺 钢的表面热处理工艺钢的表面热处理工艺 机械制造过程中的热处理机械制造过程中的热处理第一节第一节 概述概述 1、热处理热处理: 是指将金属材料是指将金属材料(钢钢)在固态下加热、保在固态下加热、保温和冷却温和冷却, 以改变钢的组织结构以改变钢的组织结构, 获得所需要性能的获得所需要性能的一种工艺一种工艺.l为简明表示热处理为简明表示热处理的基本工艺过程，的基本工艺过程，通常用温度通常用温度时间时间坐标绘出热处理工坐标绘出热处理工艺曲线。艺曲线。 2、

2、热处理特点热处理特点: 热处理区热处理区别于其他加工工艺如铸造别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。性能，而不改变其形状。 铸造铸造轧制轧制l3、热处理适用范围、热处理适用范围:只适用于固态下发生只适用于固态下发生相变的材料，不发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能固态相变的材料不能用热处理强化。用热处理强化。 2.热处理的主要目的热处理的主要目的: :改变钢的性能。改变钢的性能。3.热处理的应用范围热处理的应用范围: :整个制造业。整个制造业。4.热处理的分类热处理的分类热处理热处理普普 通通热

3、处理热处理表表 面面热处理热处理退火退火;正火正火;淬火淬火;回火回火;表面淬火表面淬火 化化 学学 热处理热处理感应加感应加热淬热淬火火火焰加火焰加热淬热淬火火渗碳渗碳; 渗氮渗氮;碳氮共渗碳氮共渗;一一.钢的退火钢的退火(Annealing of steel)一一)定义定义: 把钢加温到预定温度，保温一定时间后缓慢冷却后把钢加温到预定温度，保温一定时间后缓慢冷却后（通常随炉冷却），获得接近于平衡组织的热处理工艺（通常随炉冷却），获得接近于平衡组织的热处理工艺二二)目的目的: 消除应力消除应力;降低硬度降低硬度;细化晶粒细化晶粒;均匀成分均匀成分;为最终热处为最终热处理理 作好组织准备。作好

4、组织准备。 退火退火温温 度度 ( C )名名 称称Ac3 + 3050完全退火完全退火Ac1 + 3050球化退火球化退火500600去应力退火去应力退火Ac3 + 150250扩散退火扩散退火（1）完全退火 工艺规范：加热温度，Ac3+3050 保温时间；据零件大小，装炉量多少和加热方式而定 冷却方式：随炉冷却，实际应用为了缩短生产周期， 冷至600后往往出炉空冷。主要 适用于亚共析钢.将其加热到Ac3+3050使钢材完全奥氏体化 ,缓慢冷却后获得接近于平衡状态的珠光体组织.使热加工过程中造成的粗大不均匀组织均匀细化,降低硬度,提高塑性,改善加工性能,消除内应力.缺点:所需时间较长,生产率

5、低。特别是某些奥氏体化比较稳定的合金钢，退火时间长达几十小时以上，所以一般对合金钢大件常采用等温退火工艺。 将钢件加热保温后，较快地冷却到珠光体转变的温度范围内，等温保持到奥氏体全部转变为珠光体组织，然后出炉空冷。 等温退火与完全退火目的相同，但等温退火可以通过控制等温温度，更快地获得所需要的均匀组织和性能，退火效果好，大大缩短了退火时间。 （2）球化退火）球化退火 、工艺规范：加热温度 ：Ac1+1030 、保温时间：以充分使二次渗碳体球化为原则。、冷却方式：经过保温后采用空气中冷却。使用于共析钢和过共析钢。、球化原因 ：使钢中的网状二次渗碳体和珠光体中的片状渗碳体球化，降低材料硬度，改善切

6、削加工性，为最终热处理做准备。球化退火 保温时间较长，以保证二次渗碳体球化。为了获得较好的球化效果，对于含碳量高、网状渗碳体严重的钢，应在退火前用正火消除网状渗碳体。 T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 （3）扩散退火）扩散退火 、工艺规范：加热温度： Ac3+150200 以上（10501150 ），长时间保温（1015h）后随炉冷却。主要使用合金钢大型铸、锻件。目的是为了消除其化学成分的偏析和组织的不均匀性。缺点：扩散退火容易使钢的晶粒粗大，影响力学性能，因此，一般扩散退火后仍需进行完全退火或正火，以细化扩散退火中因高温和长时间的保温所产生的粗大组织。（3）、去应力退火 、工艺规范

7、：加热温度：Ar1以下，通常为Ar1以下，一般为500 650，充分保温后缓慢冷却至200出炉空冷。 去应力退火 加热温度低，在退火过程中无组织变化。目的是为了消除毛坯和零件中的残余应力，稳定工件尺寸及形状，减少零件在切削加工和使用过程中的变形和开裂倾向。、保温时间：一般保温时间都较短、冷却方式：随炉缓冷至200左右出炉。把零件加温到把零件加温到Ac3（亚共析钢）或Accm以上以上3050,保温一段保温一段时间，然后在空气中冷却。时间，然后在空气中冷却。目的目的：（1）对普通碳、低合金钢和力学性能要求不高的结构件，可）对普通碳、低合金钢和力学性能要求不高的结构件，可 作为最终热处理。作为最终热

8、处理。 （2）对）对低碳素钢用来调整硬度，避免切削加工中低碳素钢用来调整硬度，避免切削加工中“粘刀粘刀”现现象，改善切削性能象，改善切削性能 （3）对）对共析钢、共析钢、过共析钢用来消除网状二次渗碳体，为球化过共析钢用来消除网状二次渗碳体，为球化退火作好组织准备。退火作好组织准备。正火比退火加热温度高，冷却速度快，冷却后组织中铁素体量正火比退火加热温度高，冷却速度快，冷却后组织中铁素体量少，珠光体弥散度大，得到的索氏体组织比退火的珠光体组织少，珠光体弥散度大，得到的索氏体组织比退火的珠光体组织细，故正火比退火具有较高的力学性能。同样的钢件在正火后细，故正火比退火具有较高的力学性能。同样的钢件在

9、正火后强度和硬度比退火后高强度和硬度比退火后高二、 正火另外，正火生产周期短，生产效率高，操作简便，经济性好。另外，正火生产周期短，生产效率高，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度与退火后的差低碳钢含碳量少，经过正火处理后的强度和硬度与退火后的差不多，所以在条件允许的情况下，尽量采用正火。不多，所以在条件允许的情况下，尽量采用正火。四四) 工艺参数工艺参数:三、淬火 把钢材加热到把钢材加热到AcAc3 3（亚共析钢）亚共析钢）或或AcAc1 1（共析钢和过共析钢）共析钢和过共析钢）以上以上30305050，经过保温后在冷却介质中水）迅速，经过保温后在冷却介质中水）迅速

10、冷却，冷却，得得到以马氏体和贝氏体为主的的热处理工艺。到以马氏体和贝氏体为主的的热处理工艺。淬火的目的：提淬火的目的：提高钢的力学性能，强化材料。高钢的力学性能，强化材料。例如：过共析钢退火后硬度为例如：过共析钢退火后硬度为25HRC，而淬火后为，而淬火后为62HRC。淬火工艺的选择对淬火工件的质量影响较大。淬火工艺的选择对淬火工件的质量影响较大。淬火工艺的选择对淬火工件的质量影响较大，如果选择不当，淬火工艺的选择对淬火工件的质量影响较大，如果选择不当，容易使淬火件力学性能不足或产生过热，马氏体晶粒粗大和容易使淬火件力学性能不足或产生过热，马氏体晶粒粗大和变形开裂等缺陷，严重的会造成零件报废。

11、因此，对淬火工变形开裂等缺陷，严重的会造成零件报废。因此，对淬火工艺提出更为严格的要求艺提出更为严格的要求一、一、淬火温度和加热时间淬火温度和加热时间 碳钢碳钢 亚共析钢亚共析钢l淬火温度为淬火温度为Ac3+3050。l淬火后的组织为均淬火后的组织为均匀细小的马氏体。匀细小的马氏体。 加热温度小于加热温度小于 Ac3。淬火组淬火组织为马氏体和铁素体，织为马氏体和铁素体，强度、强度、硬度低。硬度低。35钢钢(含含0.35%C)亚温淬火组织亚温淬火组织 加热温度大于加热温度大于 Ac3。将导致马氏体晶粒将导致马氏体晶粒粗大并引起工件变粗大并引起工件变形。形。 过共析钢过共析钢 淬火温度淬火温度:

12、Ac1+3050. 淬火组织淬火组织: M+Fe3C颗粒颗粒+A。T12钢（含钢（含1.2%C）正常淬火组织）正常淬火组织温度高于温度高于Accm，则奥氏，则奥氏体晶粒粗大、含碳量体晶粒粗大、含碳量高高,淬火后马氏体晶淬火后马氏体晶粒粗大、粒粗大、A量增多。量增多。使钢硬度、耐磨性下使钢硬度、耐磨性下降，脆性、变形开裂降，脆性、变形开裂倾向增加。倾向增加。 2、合金钢、合金钢 由于多数合金元素由于多数合金元素(Mn、P除外除外)对奥氏体晶粒长对奥氏体晶粒长大有阻碍作用，因而合金钢淬火温度比碳钢高。大有阻碍作用，因而合金钢淬火温度比碳钢高。 亚共析钢淬火温度为亚共析钢淬火温度为Ac3+ 5010

13、0。 共析钢、过共析钢淬火温度共析钢、过共析钢淬火温度为为Ac1+50100。 钢坯加热钢坯加热五五)淬火加热时间淬火加热时间 ( ) 的选择的选择: = K D工工 件件 有有 效效 厚厚 度度(尺寸最小部位尺寸最小部位)装炉量有关系数装炉量有关系数一般一般 K = 11.5加热系数加热系数,与钢种与钢种及加热介质有关及加热介质有关 冷却是决定钢的淬火冷却是决定钢的淬火质量的关键。根据质量的关键。根据 Vk CCT曲线可知，曲线可知，冷却速度必须大于临冷却速度必须大于临界冷却速度才能获得界冷却速度才能获得全部进行马氏体转变，全部进行马氏体转变，但冷却速度过快又不但冷却速度过快又不可避免地造成

14、很大内可避免地造成很大内应力，使工件产生变应力，使工件产生变形和开裂。形和开裂。VkVk时间时间/s温度温度/共析钢的共析钢的CCT图图共析温度共析温度连续冷却转连续冷却转变曲线变曲线完全退火完全退火正火正火等温转等温转变曲线变曲线油淬油淬水淬水淬M+AM+T+ASP200100二、二、淬火介质淬火介质 理想的冷却曲线应只在理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在曲线鼻尖处快冷，而在Ms附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小理想淬火曲线示意图理想淬火曲线示意图MsMf 内应力的目的。但目前内应力的目的。但目前还没有找到理想的淬火还没有找到理想

15、的淬火介质。介质。l常用淬火介质是水和油常用淬火介质是水和油.l水的冷却能力强，但低水的冷却能力强，但低温却能力太大，只使用温却能力太大，只使用于形状简单的碳钢件。于形状简单的碳钢件。 油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。小，使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。 熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间,用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。 聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质.2

16、.常用的淬火冷却介质常用的淬火冷却介质 名名 称称 最大冷却速度时最大冷却速度时平均冷却速度平均冷却速度/(s-1)所在温所在温度度/ 冷却速度冷却速度 /( s-1)650550 300200 20静止水静止水34077513545040静止水静止水28554511041060静止水静止水2202758018510%NaCl 溶液溶液58020001900100010%NaOH 溶液溶液560283027507752010号机号机油油43023060658010号机号机油油4302307055三、淬火方法三、淬火方法 采用不同的淬火方法采用不同的淬火方法可弥补介质的不足。可弥补介质的不足。

17、1、单液淬火法、单液淬火法 加热工件在一种介质加热工件在一种介质中连续冷却到室温的中连续冷却到室温的淬火方法。淬火方法。 操作简单，易实现自操作简单，易实现自动化动化。各种淬火方法示意图各种淬火方法示意图1单液淬火法单液淬火法2双液淬火法双液淬火法3分级淬火法分级淬火法4等温淬火法等温淬火法 2、双液淬火法、双液淬火法 工件先在一种冷却能力工件先在一种冷却能力强的介质中冷，却躲过强的介质中冷，却躲过鼻尖后，再在另一种冷鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。生马氏体转变的方法。如水淬油冷，油淬空冷如水淬油冷，油淬空冷. 优点是冷却理想，缺点优点是冷却理想

18、，缺点是不易掌握。用于形状是不易掌握。用于形状复杂的碳钢件及大型合金钢件。复杂的碳钢件及大型合金钢件。 3、分级淬火法、分级淬火法 在在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后再取出缓冷。再取出缓冷。l可减少内应力，用于小尺可减少内应力，用于小尺寸工件。寸工件。盐浴炉盐浴炉 4、等温淬火法、等温淬火法 将工件在稍高于将工件在稍高于 Ms 的盐的盐浴或碱浴中保温足够长时浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝氏体组间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。织的淬火方法。 经等温淬火零件具有良好经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，淬火应的综合力学性能，淬火应力

19、小力小. 适用于形状复杂及要求较适用于形状复杂及要求较高的小型件。高的小型件。1.碳钢的淬火工艺是将其工件加热到一定温度，保温一段时间，碳钢的淬火工艺是将其工件加热到一定温度，保温一段时间，然后采用的冷却方式是（然后采用的冷却方式是（ ）。）。 A随炉冷却随炉冷却 B在风中冷却在风中冷却 C在空气中冷却在空气中冷却 D在水中冷却在水中冷却2.正火是将工件加热到一定温度，保温一段时间，然后采用的冷正火是将工件加热到一定温度，保温一段时间，然后采用的冷却方式是（却方式是（ ）。）。 A随炉冷却随炉冷却 B在油中冷却在油中冷却 C在空气中冷却在空气中冷却 D在水中冷却在水中冷却3.完全退火主要用于（

20、完全退火主要用于（ ）。）。 A亚共析钢亚共析钢 B共析钢共析钢 C过共析钢过共析钢 D所有钢种所有钢种4.退火是将工件加热到一定温度，保温一段时间，然后退火是将工件加热到一定温度，保温一段时间，然后采用的冷却方式是（采用的冷却方式是（ ）。）。 A随炉冷却；随炉冷却；B在油中冷却在油中冷却 ； C在空气中冷却在空气中冷却 D在水中冷却在水中冷却5亚共析钢加热到亚共析钢加热到AC1AC3之间某温度，水冷后组之间某温度，水冷后组织为织为 .A 马氏体马氏体+珠光体；珠光体；B 马氏体马氏体+铁素体；铁素体；C 马氏体马氏体+残余残余奥氏体；奥氏体；D 铁素体铁素体+渗碳体渗碳体6常用淬火冷却介质

21、有常用淬火冷却介质有 、 、 、和、和 。7常用淬火方法有常用淬火方法有 淬火、淬火、 淬火、淬火、 淬淬火和火和 淬火。淬火。8. 含碳量为含碳量为0.4%的碳钢分别经过退火、正火和淬火后，那种工的碳钢分别经过退火、正火和淬火后，那种工艺处理后钢材的硬度最高，那种工艺处理后硬度最低？艺处理后钢材的硬度最高，那种工艺处理后硬度最低？7确定碳钢淬火加热温度的基本依据是确定碳钢淬火加热温度的基本依据是 - A C曲线曲线 B FeFe3C相图相图 C 钢的钢的Ms 线线 D CCT曲线曲线判断正误判断正误1.过共析钢完全退火后能消除网状渗碳体。过共析钢完全退火后能消除网状渗碳体。2. 完全退火主要

22、应用于过共析钢。完全退火主要应用于过共析钢。3.去应力退火的温度一般在去应力退火的温度一般在500650,因此退火过程因此退火过程是没有相变的。是没有相变的。4去应力退火可以细化钢的晶粒。去应力退火可以细化钢的晶粒。5钢的含碳量愈高，淬火加热温度愈高。钢的含碳量愈高，淬火加热温度愈高。简答题简答题1在在C曲线上画出常用的几种淬火方法，并说明单液曲线上画出常用的几种淬火方法，并说明单液淬火方法的优缺点淬火方法的优缺点。四四.钢的回火钢的回火 ( Tempering of steel )为什么钢要进行回火？为什么钢要进行回火？ 钢在淬火后一般很少直接使用，因为淬火后的组钢在淬火后一般很少直接使用，

23、因为淬火后的组织马氏体和残余奥织马氏体和残余奥氏体，马氏体虽然强度、硬度高，氏体，马氏体虽然强度、硬度高，但塑性差，脆性大，在交变载荷和冲击载荷作用下但塑性差，脆性大，在交变载荷和冲击载荷作用下极易断裂；此外，淬火后组织是不稳定的，在室温极易断裂；此外，淬火后组织是不稳定的，在室温下就能缓慢分解，产生体积变化而导致工件变形。下就能缓慢分解，产生体积变化而导致工件变形。因此，淬火后的零件必须进行回火才能使用。因此，淬火后的零件必须进行回火才能使用。回火的定义回火的定义一一)定义定义: 把淬火后的零件重新加热到低于把淬火后的零件重新加热到低于Ac1的的某某个个温度温度,保温一段时间保温一段时间,然

24、后冷却到窒温的热处理工艺。然后冷却到窒温的热处理工艺。二二)回火的目的回火的目的:1.1.消除内应力消除内应力 钢在淬火后，存在较大的内应力，加上淬火马钢在淬火后，存在较大的内应力，加上淬火马氏体性能较脆时，容易出现开裂，有的零件淬火当时未裂，氏体性能较脆时，容易出现开裂，有的零件淬火当时未裂，在大的内应力作用下，放置或稍有受力就开裂。利用回火可在大的内应力作用下，放置或稍有受力就开裂。利用回火可以消除或减小内应力，达到防止以后变形开裂。以消除或减小内应力，达到防止以后变形开裂。2.2.稳定组织和尺寸稳定组织和尺寸 淬火后的组织为马氏体加残余奥氏体，它淬火后的组织为马氏体加残余奥氏体，它们都是

25、不稳定组织，使用过程中温度发生变化，它们都会发们都是不稳定组织，使用过程中温度发生变化，它们都会发生转变，会带来零件的尺寸和性能的变化。利用回火让可能生转变，会带来零件的尺寸和性能的变化。利用回火让可能的变化的热处理时发生，得到的亚稳组织在使用过程中不再的变化的热处理时发生，得到的亚稳组织在使用过程中不再发生变化，达到稳定零件的组织性能和尺寸。发生变化，达到稳定零件的组织性能和尺寸。3.调整性能调整性能 淬火后得到的马氏体在含碳量较高时，淬火后得到的马氏体在含碳量较高时，材料的硬度高，脆性大，通过回火处理，控制回材料的硬度高，脆性大，通过回火处理，控制回火的温度和时间，达到需要的强度、塑性和韧

26、性。火的温度和时间，达到需要的强度、塑性和韧性。 未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置使用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行使用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行回火回火1. 淬火钢回火过程中的组织变化淬火钢回火过程中的组织变化 淬火后的组织为马氏体淬火后的组织为马氏体+残余奥氏体，都是不稳定组织，本残余奥氏体，都是不稳定组织，本身有向稳定组织转变的趋势，回火过程加热和保温加速这一过身有向稳定组织转变的趋势，回火过程加热和保温加速这一过程的发展。程的发展。 （1）马氏体的分解（）马氏体的分解（200以下）以下） 回火回火温度温度

27、100时，钢的组织和体积无变化。时，钢的组织和体积无变化。100-200加热加热时，马氏体将发生分解时，马氏体将发生分解,从马氏体中析出从马氏体中析出 -碳化物碳化物( - FeXC)，使马氏体过饱和度降低，正方度降低。析出的使马氏体过饱和度降低，正方度降低。析出的 -碳化物具有密碳化物具有密排六方晶格，它是以细片状分布在马氏体基体上，其数量随排六方晶格，它是以细片状分布在马氏体基体上，其数量随钢中含碳量增多而增多。这种弥散的钢中含碳量增多而增多。这种弥散的 -碳化物和与它保持共格碳化物和与它保持共格联系的低碳马氏体称回火马氏体，用联系的低碳马氏体称回火马氏体，用M回回表示。表示。二）二）回火

28、组织变化及性能变化回火组织变化及性能变化 2残余奥氏体的分解（残余奥氏体的分解（200300） 残余奥氏体也是不稳定组织残余奥氏体也是不稳定组织, ,由于温度升高由于温度升高, ,碳碳原子的扩散速度加快和马氏体不断分解原子的扩散速度加快和马氏体不断分解, ,造成体积造成体积缩小缩小, ,减少了对残余奥氏体的压力减少了对残余奥氏体的压力, ,促使残余奥氏体促使残余奥氏体发生分解。发生分解。 残余奥氏体从残余奥氏体从200200开始分解，到开始分解，到300300左右分解基左右分解基本完成。本完成。 200200300300是下贝氏体转变温度范围，残余奥氏体是下贝氏体转变温度范围，残余奥氏体转变为

29、与回火马氏体近似的下贝氏体。转变为与回火马氏体近似的下贝氏体。回火马氏体的组织与下贝氏体非常相像，难以区分回火马氏体的组织与下贝氏体非常相像，难以区分, ,统一称为统一称为回火马氏体回火马氏体。3. 渗碳体的形成（渗碳体的形成（250400） 在在250 以下由马氏体和残余奥氏体分解生成的以下由马氏体和残余奥氏体分解生成的碳碳化物和较低程度的过饱和化物和较低程度的过饱和固溶体固溶体,随着温度升高进一步随着温度升高进一步发生转变。发生转变。由于碳原子析出、扩散能力增强由于碳原子析出、扩散能力增强,过饱和过饱和固溶体含碳量固溶体含碳量下降至正常含碳量下降至正常含碳量,由体心正方晶格变为体心立方晶格

30、由体心正方晶格变为体心立方晶格,即即铁素体。铁素体。而亚稳定状态的而亚稳定状态的碳化物也逐渐转变为稳定的细颗粒状的碳化物也逐渐转变为稳定的细颗粒状的渗碳体。渗碳体。碳化物和母相的共格关系消失，碳化物和母相的共格关系消失， 固溶体与渗固溶体与渗碳体各形成自己的界面，导致了内应力的大量消除。此碳体各形成自己的界面，导致了内应力的大量消除。此阶段所形成的组织为铁素体与极细粒状渗碳体的混合物，阶段所形成的组织为铁素体与极细粒状渗碳体的混合物，即即回火托氏体。回火托氏体。4渗碳体的聚集长大（渗碳体的聚集长大（400以上）以上） 回火托氏体中的回火托氏体中的铁素体晶体内位错密度很高，还铁素体晶体内位错密度

31、很高，还没有完全失去其马氏体形态。没有完全失去其马氏体形态。 当温度继续升高，内部组织发生回复和再结晶转变当温度继续升高，内部组织发生回复和再结晶转变时，产生位错密度较低的铁素体等轴状晶粒，而渗时，产生位错密度较低的铁素体等轴状晶粒，而渗碳体也不断聚集长大，固溶强化作用逐渐减弱。碳体也不断聚集长大，固溶强化作用逐渐减弱。 回火温度越高，渗碳体质点越大，弥散度越小，则回火温度越高，渗碳体质点越大，弥散度越小，则钢的硬度和强度越低，塑性、韧性越高。此时的组钢的硬度和强度越低，塑性、韧性越高。此时的组织主要是回火索氏体织主要是回火索氏体” 从低温到高温的回火过程中，钢在从低温到高温的回火过程中，钢在

32、100-200回回火时产生的主要变化是火时产生的主要变化是马氏体的含碳量降低（马氏马氏体的含碳量降低（马氏体分解）；体分解）； 在在200-300回火时，主要变化是回火时，主要变化是残余奥氏体分解；残余奥氏体分解； 在在300-400回火时，主要是回火时，主要是渗碳体的全部析出及渗碳体的全部析出及内应力基本消除；内应力基本消除； 在在400以上回火时，是以上回火时，是渗碳体聚集粗化（碳化物渗碳体聚集粗化（碳化物尺寸增大）尺寸增大）淬火钢硬度随回火温度的变化淬火钢硬度随回火温度的变化4040钢力学性能与回火温度的关系钢力学性能与回火温度的关系 回火时的性能变化回火时的性能变化 回火时力学性能变化

33、总的趋势是随回火温度提高，回火时力学性能变化总的趋势是随回火温度提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。 其原因是由于回火温度的提高，产生马氏体分解，其原因是由于回火温度的提高，产生马氏体分解，渗碳体析出和聚集长大，固溶强化消失，弥散强化渗碳体析出和聚集长大，固溶强化消失，弥散强化减弱，内应力消除过程而形成。减弱，内应力消除过程而形成。回火组织与过冷奥氏体直接分解的组织的区别回火组织与过冷奥氏体直接分解的组织的区别： 回火组织与过冷奥氏体直接分解的组织相比，回火组织与过冷奥氏体直接分解的组织相比，均具有较优的性能。在硬度相同时，回火托氏体与均具有较优的性能

34、。在硬度相同时，回火托氏体与回火索氏体比托氏体、索氏体具有较高的强度、塑回火索氏体比托氏体、索氏体具有较高的强度、塑性和韧性。性和韧性。 其主要原因是过冷奥氏体直接分解出来的渗碳体是其主要原因是过冷奥氏体直接分解出来的渗碳体是片状渗碳体，而回火组织转变的是颗粒状渗碳体。片状渗碳体，而回火组织转变的是颗粒状渗碳体。片状渗碳体在受力时容易产生应力集中，形成裂纹片状渗碳体在受力时容易产生应力集中，形成裂纹和具有较大的脆性，所以受交变应力和冲击作用的和具有较大的脆性，所以受交变应力和冲击作用的重要零件应采用淬火和高温回火处理，以获得较高重要零件应采用淬火和高温回火处理，以获得较高的力学性能。的力学性能

35、。 根据钢的回火温度范围，可将回火分为根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。三类。 淬火加高温回火的热处理称作淬火加高温回火的热处理称作调质处理调质处理，简称调质简称调质.广泛用于各种结构件如轴、广泛用于各种结构件如轴、齿轮等热处理。也可作为齿轮等热处理。也可作为要求较高精密件、量具等要求较高精密件、量具等预备热处理。预备热处理。 适用于各种高碳适用于各种高碳钢、渗碳件及表钢、渗碳件及表面淬火件。面淬火件。 应用应用获得良好的综合力学性能，获得良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。具有良好的塑性和韧性。 提高提高 e及及 s，同时使工件具同

36、时使工件具有一定韧性有一定韧性 。在保留高硬度、在保留高硬度、高耐磨性的同时，高耐磨性的同时，降低内应力降低内应力。 回火目的回火目的S回回 T回回 M回回 回火组织回火组织500-650350-450150-250 回火温度回火温度 高温回火高温回火 中温回火中温回火 低温回火低温回火 适用于适用于弹簧热处理弹簧热处理回火工艺及应用回火工艺及应用 回火马氏体组织金相图回火马氏体组织金相图 回火屈氏体组织金相图回火屈氏体组织金相图 回火索氏体组织金相图回火索氏体组织金相图回火脆性回火脆性淬火钢在某些温淬火钢在某些温度区间回火或从度区间回火或从回火温度缓慢通回火温度缓慢通过该温度区间的过该温度区

37、间的脆化现象，即在脆化现象，即在此温度区间产生此温度区间产生的组织，其冲击的组织，其冲击韧性反而显著降韧性反而显著降低，这种现象称低，这种现象称为回火脆性。为回火脆性。回回火火脆脆性性第一类回火脆性：又称不可逆回火脆性或低第一类回火脆性：又称不可逆回火脆性或低温回火脆性，是淬火钢在温回火脆性，是淬火钢在300 左右回火时左右回火时所产生的回火脆性。所产生的回火脆性。第二类回火脆性：又称可逆回火脆性或高第二类回火脆性：又称可逆回火脆性或高温回火脆性，是含有温回火脆性，是含有Ni、Cr、Mn的钢淬火的钢淬火后，在脆化温度（后，在脆化温度（450550）回火，或）回火，或经更高温度回火后缓慢冷却通过

38、脆化温度经更高温度回火后缓慢冷却通过脆化温度区所产生的脆性。这种脆性可通过高于脆区所产生的脆性。这种脆性可通过高于脆化温度的再次回火后快冷以消除，消除后化温度的再次回火后快冷以消除，消除后如再次在回火温度区回火，或更高温度回如再次在回火温度区回火，或更高温度回火后缓慢冷却通过脆化温度区，则重复出火后缓慢冷却通过脆化温度区，则重复出现。现。 第一类回火脆性产生的原因：第一类回火脆性产生的原因：钢材在此温度范围内，钢材在此温度范围内，碳化物沿马氏体的晶界析出并不断增厚，割裂了基体碳化物沿马氏体的晶界析出并不断增厚，割裂了基体的连续性使钢的韧性下降，所有钢几乎都存在第一类的连续性使钢的韧性下降，所有

39、钢几乎都存在第一类回火脆性，第一类回火脆性不易消除，应避免在此温回火脆性，第一类回火脆性不易消除，应避免在此温度区回火。但可用更高温度的回火提高韧性，以后再度区回火。但可用更高温度的回火提高韧性，以后再次在次在300 回火则不再重复出现。回火则不再重复出现。第二类回火脆性产生的原因：第二类回火脆性产生的原因：钢中钢中Ni、Cr、Mn等合金等合金元素本身在回火时易产生晶界偏析，而且还促使其他杂质元元素本身在回火时易产生晶界偏析，而且还促使其他杂质元素偏聚在素偏聚在晶界，造成高温回火脆性晶界，造成高温回火脆性。第二类回火脆性仅在第二类回火脆性仅在部分材料中发生，且回火后采用快速冷却可以抑制部分材料

40、中发生，且回火后采用快速冷却可以抑制其发生，也称可逆回火脆性。对具有第二类回火脆其发生，也称可逆回火脆性。对具有第二类回火脆性的钢在高温回火后必须采用快速冷却或加入合金性的钢在高温回火后必须采用快速冷却或加入合金元素元素W、Mo、Nb消除或减弱回火脆性。消除或减弱回火脆性。1. 在钢的回火时，随着回火温度的升高，淬火钢的在钢的回火时，随着回火温度的升高，淬火钢的组织转变可以归纳为以下四个阶段：马氏体的分解，组织转变可以归纳为以下四个阶段：马氏体的分解，残余奥氏体的转变，（残余奥氏体的转变，（ ），（），（ ）。）。2. 钢的高温回火的温度范围在（钢的高温回火的温度范围在（ ），回火后的组织），

41、回火后的组织为（为（ ）。）。3. 钢的低温回火的温度范围在（钢的低温回火的温度范围在（ ），回火后的组织），回火后的组织为（为（ ）。）。4.钢的高温回火的温度为（钢的高温回火的温度为（ ）。）。 A500 B450 C400 D3505.钢的中温回火的温度为（钢的中温回火的温度为（ ）。）。 A350 B300 C250 D2006.钢的低温回火的温度为（钢的低温回火的温度为（ ）。）。 A400 B350 C300 D2507.可逆回火脆性的温度范围是（可逆回火脆性的温度范围是（ ）。）。 A150200；B250300；C400550；D5506508.不可逆回火脆性的温度范围是（不可

42、逆回火脆性的温度范围是（ ）。）。 A150200；B250300；C400550；D5506509.调质钢经淬火和高温回火后的组织是回火马氏体。调质钢经淬火和高温回火后的组织是回火马氏体。10. 在生产中，习惯把淬火和高温回火相结合的热处理方法称在生产中，习惯把淬火和高温回火相结合的热处理方法称为预备热处理。为预备热处理。11.淬火后的钢在回火时，回火温度越高，其强度和硬度越高。淬火后的钢在回火时，回火温度越高，其强度和硬度越高。2某钢材调质处理与正火后性能比较，硬度相当，为什么调某钢材调质处理与正火后性能比较，硬度相当，为什么调质处理后的强度、塑韧性更好？质处理后的强度、塑韧性更好？六、钢

43、的淬透性六、钢的淬透性 1.1.淬透性的概念淬透性的概念 淬透性淬透性 是指在规定的淬火条件下，决定钢材淬硬深是指在规定的淬火条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。通常用在规定的淬火条件下度和硬度分布的特性。通常用在规定的淬火条件下（工件尺寸、淬火介质）所能获得的淬硬层深度来表（工件尺寸、淬火介质）所能获得的淬硬层深度来表示。示。同样形状和尺寸的工件，在同样加热和冷却条件下同样形状和尺寸的工件，在同样加热和冷却条件下淬火，由于钢种类不同，淬硬层的深度也不同。淬火，由于钢种类不同，淬硬层的深度也不同。它是它是一种材料特性，与零件的尺寸和淬火工艺无关。同样一种材料特性，与零件的尺寸和淬火工艺无

44、关。同样淬透性的钢，用不同冷却方法得到的淬硬层深度是不淬透性的钢，用不同冷却方法得到的淬硬层深度是不一样的一样的 。淬硬层深度淬硬层深度 当试样尺寸较大时，从表面向内冷却速度逐渐减当试样尺寸较大时，从表面向内冷却速度逐渐减小，当冷却速度低于小，当冷却速度低于VkVk，就不能得到全部马氏体，随，就不能得到全部马氏体，随着深度的加深，马氏体的数量愈来愈少，得到一定的着深度的加深，马氏体的数量愈来愈少，得到一定的深度后，冷却速度低于深度后，冷却速度低于VkVk，根本不能发生马氏体相，根本不能发生马氏体相变。变。所以大尺寸试样想全部得到马氏体是不可能的，随着所以大尺寸试样想全部得到马氏体是不可能的，随

45、着马氏体数量的减少，对应的硬度也不断下降，马氏体数量的减少，对应的硬度也不断下降，通常把通常把淬火钢从表面到马氏体组织占淬火钢从表面到马氏体组织占5050处的距离成为淬硬处的距离成为淬硬层深度层深度。实际淬硬层的深度除了与材料本身有关外，。实际淬硬层的深度除了与材料本身有关外，还与试样的大小、冷却方式有密切的关系还与试样的大小、冷却方式有密切的关系。 淬透性与淬透性与淬硬层深度之间的关系淬硬层深度之间的关系 两者之间并不是同一概念，钢的两者之间并不是同一概念，钢的淬透性是钢材本身淬透性是钢材本身固有的属性，它不受其他外部工艺条件的影响，而钢固有的属性，它不受其他外部工艺条件的影响，而钢的淬硬层

46、深度虽然取决钢的淬透性，但规定条件如果的淬硬层深度虽然取决钢的淬透性，但规定条件如果改变，淬透性高的钢材淬硬层深度不一定深。改变，淬透性高的钢材淬硬层深度不一定深。例如例如,工件尺寸大工件尺寸大,淬火冷却介质冷却能力低淬火冷却介质冷却能力低,即便淬透即便淬透性高的钢材也很不容易获得较大的淬硬深度。因为大性高的钢材也很不容易获得较大的淬硬深度。因为大工件心部温度高，影响零件冷却速度。工件小，淬火工件心部温度高，影响零件冷却速度。工件小，淬火介质冷却快，很容易获得较大的淬硬层深度，甚至可介质冷却快，很容易获得较大的淬硬层深度，甚至可以全部淬透。以全部淬透。钢的淬硬性钢的淬硬性 是指钢在淬火时所能获

47、到的最高硬度。是指钢在淬火时所能获到的最高硬度。淬硬性大淬硬性大小主要决定于马氏体的含碳量。马氏体含碳量越高则小主要决定于马氏体的含碳量。马氏体含碳量越高则淬硬性越高。淬硬性越高。 在马氏体含碳量相同的条件下，马氏体量越多，则淬在马氏体含碳量相同的条件下，马氏体量越多，则淬硬性越高。淬硬性是反映钢材在淬火时的硬化能力。硬性越高。淬硬性是反映钢材在淬火时的硬化能力。影响钢的淬透性的因素是钢的临界冷却速度，影响钢的淬透性的因素是钢的临界冷却速度，临界冷临界冷却速度越小，钢的淬透性越大。却速度越小，钢的淬透性越大。Vk取决于取决于C曲线的位曲线的位置，置，C 曲线越靠右，曲线越靠右，Vk越小。因而凡

48、是影响越小。因而凡是影响C曲线的曲线的因素都是影响淬透性的因素因素都是影响淬透性的因素.1)1) 钢的含碳量。钢的含碳量。 在亚共析钢范在亚共析钢范围内，随含碳量的围内，随含碳量的增加，增加，临界冷却速临界冷却速度降低，钢的淬透度降低，钢的淬透性提高，而在过共性提高，而在过共析钢范围内，随含析钢范围内，随含碳量的增加，临界碳量的增加，临界冷却速度增大，钢冷却速度增大，钢的淬透性降低的淬透性降低。过共过共析钢析钢共析共析 钢钢亚共亚共析钢析钢温度A1共析钢的共析钢的C曲线最靠右，曲线最靠右， Vk越越小，小，钢的淬透性最好钢的淬透性最好合金元素合金元素。除。除Co外，大多数合金元素都能增加奥氏外

49、，大多数合金元素都能增加奥氏体的稳定性，绝大部分都使体的稳定性，绝大部分都使C曲线右移，曲线右移，临界冷临界冷却速度降低，钢的淬透性提高却速度降低，钢的淬透性提高.钢中的未溶物质钢中的未溶物质:钢中形成碳化物、氧化物和其他非钢中形成碳化物、氧化物和其他非金属夹杂物等未溶入奥氏体的物质金属夹杂物等未溶入奥氏体的物质,有促进奥氏体有促进奥氏体分解的作用分解的作用,使使临界冷却速度增大，钢的淬透性降临界冷却速度增大，钢的淬透性降低低. 工件的截面尺寸和淬火的冷却速度也影响了钢工件的截面尺寸和淬火的冷却速度也影响了钢的淬硬层深度的淬硬层深度,同种材料同种材料,在同一淬火介质中在同一淬火介质中,工件工件

50、的截面尺寸越小的截面尺寸越小,心部冷却速度越快心部冷却速度越快,则淬火层深则淬火层深度越大度越大.而同种材料而同种材料,工件直径相同工件直径相同,则冷却能力大则冷却能力大的淬火介质淬硬层深度大。的淬火介质淬硬层深度大。淬淬透透性性的的测测试试方方法法临界直径法：临界直径法：钢材在某种介质中淬钢材在某种介质中淬冷后，心部得到全部马氏体或冷后，心部得到全部马氏体或50%马氏体组织的最大直径（临界直径）马氏体组织的最大直径（临界直径）的方法的方法。D0与介质有关，如与介质有关，如45钢钢D0水水=16mm，D0油油=8mm。只有冷却条件相同时，才能进行不只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比较

51、，如同材料淬透性比较，如45钢钢D0油油=8mm，40Cr D0油油=20mm。端淬实验法：端淬实验法：距 水 冷 端 距 离? 25? 25水100淬 透 性 曲 线硬度HRC端淬实验法端淬实验法“国家规定试国家规定试样尺寸为样尺寸为25100mm；水柱；水柱自由高度自由高度65mm；将钢加热奥；将钢加热奥氏体化后，迅速喷水冷却。显氏体化后，迅速喷水冷却。显然，在喷水端冷却速度最大，然，在喷水端冷却速度最大，沿试样轴向的沿试样轴向的冷却速度逐渐减小。据此，末端组织应为马氏体，硬度最冷却速度逐渐减小。据此，末端组织应为马氏体，硬度最高，随距水冷端距离的加大，组织和硬度也相应变化，将高，随距水冷

52、端距离的加大，组织和硬度也相应变化，将硬度随水冷端距离的变化绘成曲线称为淬透性曲线。硬度随水冷端距离的变化绘成曲线称为淬透性曲线。不同钢种有不同的淬透性曲线，工业上用钢的淬透性不同钢种有不同的淬透性曲线，工业上用钢的淬透性曲线几乎都已测定，并已汇集成册可查阅参考。由淬曲线几乎都已测定，并已汇集成册可查阅参考。由淬透性曲线就可比较出不同钢的淬透性大小。透性曲线就可比较出不同钢的淬透性大小。淬透性与选材的关系淬透性与选材的关系 钢的淬透性是选择材料的重要依据之一。合理的选择材料淬钢的淬透性是选择材料的重要依据之一。合理的选择材料淬透性，可以充分发挥材料的性能潜力，防止产生热处理缺陷，提透性，可以充

53、分发挥材料的性能潜力，防止产生热处理缺陷，提高材料使用寿命。所以选择材料时应考虑以下方面：高材料使用寿命。所以选择材料时应考虑以下方面：1)1) 重要零件对心部性能要求较高的，如连杆、锻模等，为保证重要零件对心部性能要求较高的，如连杆、锻模等，为保证心部的性能需要淬透，选用淬透性较高的钢；对焊接件为减心部的性能需要淬透，选用淬透性较高的钢；对焊接件为减小热影响区内出现淬火组织，造成变形开裂，应用淬透性较小热影响区内出现淬火组织，造成变形开裂，应用淬透性较低的钢为宜。低的钢为宜。 2)2) 根据钢的淬透性不同，在淬火时选用根据钢的淬透性不同，在淬火时选用合适合适的淬火冷却介质。的淬火冷却介质。

54、1)1) 考虑工件的尺寸效应。手册中的试样性能数据是根据标准试考虑工件的尺寸效应。手册中的试样性能数据是根据标准试样（尺寸较小）测试而得出的，不能直接用于大尺寸工件。样（尺寸较小）测试而得出的，不能直接用于大尺寸工件。在相同材料和相同淬火冷却介质的条件下，截面尺寸大的工在相同材料和相同淬火冷却介质的条件下，截面尺寸大的工件淬硬深度小，有时连表面也淬不硬；而件淬硬深度小，有时连表面也淬不硬；而截面尺寸小的工件截面尺寸小的工件淬硬深度大，容易全部淬透。淬硬深度大，容易全部淬透。第五节第五节 材料表面热处理材料表面热处理 表面淬火表面淬火 化学热处理化学热处理 其它新技术其它新技术为什么要采用表面淬

55、火？为什么要采用表面淬火？ 对于承受弯曲、扭转等交对于承受弯曲、扭转等交 变载荷及冲击载荷并变载荷及冲击载荷并在摩擦条件下工件的零件，如齿轮、轴类在摩擦条件下工件的零件，如齿轮、轴类 等，等， 不但要求表面有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳不但要求表面有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，还要求零件心部有足够的塑性和韧性，以强度，还要求零件心部有足够的塑性和韧性，以使零件的表面和心部实现良好的性能配合。使零件的表面和心部实现良好的性能配合。 普通热处理方法不能满足这些性能要求，生产上普通热处理方法不能满足这些性能要求，生产上常用表面淬火的方法。常用表面淬火的方法。表面淬火表面淬火表面淬火表面淬火一、

56、一、 定义定义:是将淬火零件表层金属迅速加热至是将淬火零件表层金属迅速加热至相变温度以上，而心部未加热，然后迅速冷却，相变温度以上，而心部未加热，然后迅速冷却，使零件表层获得马氏体而心部仍为原始组织的使零件表层获得马氏体而心部仍为原始组织的“外硬内韧外硬内韧”状态。状态。是一种不改变表层化学成是一种不改变表层化学成分分,但改变表层组织的局部热处理工艺但改变表层组织的局部热处理工艺。表面淬火所用零件材料的含碳量在表面淬火所用零件材料的含碳量在0.40% 0.50%之间。之间。含碳量过高，会增加表面淬硬层的脆性，易开裂，而含碳量过高，会增加表面淬硬层的脆性，易开裂，而心部塑性也较差。含碳量过低，表

57、面淬硬层的硬度和心部塑性也较差。含碳量过低，表面淬硬层的硬度和耐磨性不足，不能满足要求。为了保证心部较好的塑耐磨性不足，不能满足要求。为了保证心部较好的塑性和韧性，在表面淬火前应进行正火或调质处理。性和韧性，在表面淬火前应进行正火或调质处理。感应加热感应加热表面淬火表面淬火示意图示意图 5、表面淬火常用加热方法表面淬火常用加热方法 感应加热感应加热: 利用交变电利用交变电流在工件表面感应巨大涡流在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热流，使工件表面迅速加热的方法。的方法。 根据所用电流频率，感应加热分为：根据所用电流频率，感应加热分为： 高频感应加热高频感应加热 频率为频率为250-300K

58、Hz，淬硬层深度，淬硬层深度0.5-2mm. 中频感应加热中频感应加热 频率为频率为2500-8000 Hz，淬硬层深度，淬硬层深度2-10mm。 工频感应加热频率为工频感应加热频率为50Hz，淬硬层深度，淬硬层深度1015mm 因此，随着电流频率提高，淬火后工件淬硬层越薄。因此，随着电流频率提高，淬火后工件淬硬层越薄。3)生产特点生产特点: 淬火件的质量好淬火件的质量好; 工件变工件变 形小形小;不易氧化及脱碳不易氧化及脱碳;淬火层容易淬火层容易 控制控制;生产率高。设备投资大生产率高。设备投资大,不适不适 于复杂形状零件和小批量生产于复杂形状零件和小批量生产。2.火焰加热表面淬火火焰加热表

59、面淬火1)火焰加热表面淬火的基本方法火焰加热表面淬火的基本方法2)火焰加热表面淬火的特点火焰加热表面淬火的特点:*设备简单设备简单, 操作方便操作方便, 成本低。成本低。*淬火质量不稳定。淬火质量不稳定。*适于单件、小批量及大型零件的生产。适于单件、小批量及大型零件的生产。 化学热处理化学热处理一、定义一、定义:将零件置于一定的化学介质中将零件置于一定的化学介质中 , 通过加通过加热、保温热、保温,使介质中一种或几种元素原子渗入工件使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层表层,以改变以改变钢表层的化钢表层的化 学成分和组织的学成分和组织的热处理工热处理工艺。艺。而表面淬火而表面淬火是一种不改变表

60、层化学成分，但改变是一种不改变表层化学成分，但改变表层组织的局部热处理工艺。表层组织的局部热处理工艺。 与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。组织，还改变其化学成分。 化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。 根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等氮化、多元共渗、渗其他元素等。 因此，因此， 钢经过钢经过化学热处理后，除了使工件表面硬化学热处理后，除了使工件表面硬度、耐磨性提高外，还可以使工件表面获得一些度、