第一章(1.5)钢的热处理

1、 1.5 钢的热处理钢的热处理 钢在加热时组织的转变钢在加热时组织的转变 钢在冷却时组织的转变钢在冷却时组织的转变 钢的普通热处理工艺钢的普通热处理工艺 钢的表面热处理和化学热处理工艺钢的表面热处理和化学热处理工艺 热处理新技术简介热处理新技术简介 热处理工艺的应用热处理工艺的应用概概 述述1 1、热处理的定义、热处理的定义: :钢的热处理是将钢在固态下以适当的方式进行钢的热处理是将钢在固态下以适当的方式进行加热加热、保温保温和和冷却冷却，以获得所需组织和性能的工艺过程。，以获得所需组织和性能的工艺过程。时间温度临界温度临界温度 热热加加保温保温冷冷 却却2.热处理的主要热处理的主要目的目的:

2、 :改变钢的性能。改变钢的性能。3.热处理的热处理的应用范围应用范围: :整个制造业。整个制造业。4.按目的、加热条件和特点不同按目的、加热条件和特点不同热处理热处理分为分为热处理热处理普普 通通热处理热处理表表 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火热淬火火焰加火焰加热淬火热淬火渗碳渗碳; 渗氮渗氮;碳氮共渗碳氮共渗; 第一节第一节 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变 转变温度转变温度 奥氏体的形成奥氏体的形成 奥氏体晶粒度及对力学性能的影响奥氏体晶粒度及对力学性能的影响一、转变温度一、转变温度图图5-1 加

3、热和冷却时加热和冷却时Fe-Fe3C相图上各相变点的位置相图上各相变点的位置在实际生产中，由于加热和冷却不是很缓慢，因此实际发生组织转变的温度与相图的A1、A3、Acm 有一定的偏离。通常加热用 Ac1、Ac3、Accm 表示，冷却用Ar1、Ar3、Arcm表示。 二、奥氏体的形成过程二、奥氏体的形成过程1、奥氏体晶核的形成 奥氏体的晶核易于在F和Fe3C渗碳体相界面上形成。这是因为在两相的相界上原子排列不规则，空位和位错密度高；成分不均与，处于F和Fe3C的中间值，为形核提供了良好的条件。FFe3CAA形核形核 2、奥氏体晶核的长大奥氏体形核后逐渐长大，晶核的长大是依靠与其相邻的F向A的转变

4、和Fe3C的不断溶解来完成的。A向F和Fe3C两个方向长大。 未溶未溶Fe3CAF向向A转变和转变和Fe3C溶解溶解 3、残余渗碳体溶解在奥氏体形成过程中，铁素体比渗碳体先消失，因此奥氏体形成之后，还残存未溶渗碳体。这部分未溶的残余渗碳体将随着时间的延长，继续不断地溶入奥氏体，直至全部消失。 残余残余Fe3CA残余残余Fe3C溶解溶解 4.奥氏体均匀化渗碳体完全溶解后，开始时奥氏体中碳的浓度分布并不均匀 ,原先是渗碳体的地方碳浓度高，原先是铁素体的地方碳浓度低。必须继续保温，通过碳的扩散，使奥氏体成分均匀化。 AA 均匀化均匀化 亚共析钢和过共析钢的A形成过程与共析钢基本相似，不同之处在于亚共

5、析钢和过共析钢需加热到Ac3或Accm以上，才能获得单一的奥氏体组织，这个过程称为完全奥氏体化。 三、影响奥氏体转变的因素 1.加热温度和加热速度的影响 提高加热T，将加速A的形成。 随着加热速度的增加,奥氏体形成温度升高 （Ac1越高），形成所需的时间缩短。 2.化学成分的影响 随着钢中含碳量增加，铁素体和渗碳体相界 面总量增多，有利于奥氏体的形成。 3.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相界面上形成，所以原始组织越细，相界面越多，形成奥氏体晶核的“基地”越多，奥氏体转变就越快。三三. 奥氏体晶粒的长大及其影响因素奥氏体晶粒的长大及其影响因素1、晶粒大小的表示方法、晶粒大小的

6、表示方法金属组织中晶粒的大小通常用金属组织中晶粒的大小通常用晶粒度级别指数晶粒度级别指数来表示来表示晶粒度的晶粒度的测定方法：测定方法：比较法、面积法、截点法；比较法、面积法、截点法；晶粒度的数值表示方法：晶粒度的数值表示方法： 晶粒度级别指数、晶粒度级别指数、 单位体积晶粒数、单位体积晶粒数、 晶粒公称直径等晶粒公称直径等8种种GB6394-86金属平均晶粒度测定法金属平均晶粒度测定法2、奥氏体晶粒度的概念、奥氏体晶粒度的概念:起始晶粒度：起始晶粒度：实际晶粒度：实际晶粒度：本质晶粒度：本质晶粒度：珠光体向奥氏体的转变刚刚完成时奥氏体珠光体向奥氏体的转变刚刚完成时奥氏体晶粒的大小。晶粒的大小

7、。一般比较细小而均匀一般比较细小而均匀热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。一般比起始晶粒度大一般比起始晶粒度大某种钢在规定的加热条件下，奥氏体晶粒长某种钢在规定的加热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向，大的倾向，不是晶粒大小的实际度量。不是晶粒大小的实际度量。 加热温度与奥氏体晶粒长大的关系加热温度与奥氏体晶粒长大的关系不同成分不同成分的钢在加的钢在加热时奥氏热时奥氏体晶粒长体晶粒长大的倾向大的倾向不同。不同。3、奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响、奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响1）奥氏体晶粒均匀细小，热处理后钢的力学性能提高。 2）粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引

8、起工件产生较大的变形甚至开裂。1）合理选择并严格控制加热温度和保温时间随着温度升高晶粒度将随之长大。温度愈高，晶粒长大愈明显。在一定温度下，保温时间愈长，奥氏体晶粒也越粗大。 3）合理选择原始组织 随着钢中奥氏体含碳量的增加，奥氏体晶粒长大的倾向也增大。当wc1.2%时，奥氏体晶界上存在未溶的渗碳体能阻碍晶粒的长大，故奥氏体实际晶粒度较小。2）加入一定量的合金元素若碳以未溶的碳化物形式存在，则它有阻碍晶粒长大的作用。锰和磷是促进奥氏体晶粒长大倾向的元素。 4、奥氏体晶粒大小的控制、奥氏体晶粒大小的控制 第二节第二节 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变 钢在热处理时的冷却方式钢在热处理时的冷却方式

9、 过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的等温冷却转变 过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变一、钢在热处理时的冷却方式一、钢在热处理时的冷却方式在热处理生产中，常用的冷却方式：在热处理生产中，常用的冷却方式：等温冷却等温冷却和和连续冷却连续冷却。等温冷却转变等温冷却转变 使加热到奥氏体化的钢以较快的冷却速度冷到使加热到奥氏体化的钢以较快的冷却速度冷到A1 以下某温度保温，在等温下发生组织转变。以下某温度保温，在等温下发生组织转变。连续冷却转变连续冷却转变 使加热到奥氏体化的钢连续降温进行组织转变使加热到奥氏体化的钢连续降温进行组织转变 热热加加保温保温时间温度临界温度临界温度A1连续冷

10、却连续冷却等温冷却等温冷却二、过冷奥氏体的等温冷却转变二、过冷奥氏体的等温冷却转变（一）（一） 建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转 变曲线变曲线 - TTT曲线曲线 ( C 曲线曲线 )T - timeT - temperatureT - transformation过冷奥氏体过冷奥氏体 在相变温度在相变温度A1以下，未发生转变而处于不稳定状态的奥氏体。以下，未发生转变而处于不稳定状态的奥氏体。钢在连续冷却或等温冷却条件下，其组织转变不能用钢在连续冷却或等温冷却条件下，其组织转变不能用Fe-Fe3C相相图分析。为了研究奥氏体在不同冷却条件下组织转变规律，测定图分析。为

11、了研究奥氏体在不同冷却条件下组织转变规律，测定并绘制了并绘制了过冷奥氏体等温转变图过冷奥氏体等温转变图和和连续冷却转变图连续冷却转变图。（过冷奥氏。（过冷奥氏体转变的规律）体转变的规律） 共析钢共析钢 C曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1（二）共析碳钢（二）共析碳钢 C曲线的分析曲线的分析稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过冷奥氏体区过冷奥氏体区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线 A +产产 物物 区区产物区产物区A1550;高温转变区高温转变区;扩散

12、型转变扩散型转变; P 转变区。转变区。550230;中温转变中温转变区区; 半扩散型转变半扩散型转变; 贝氏体贝氏体( B ) 转变区转变区;230 - 50; 低温转低温转变区变区; 非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体 ( M ) 转变区。转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf （三）转变产物的组织和性能（三）转变产物的组织和性能A1 650 片层珠光体 25HRC1、珠光体型转变高温转变（A1 550 ）650 600 细片状珠光体（索氏体 S） 25HRC30HRC 600 550 极细片状珠光体（

13、托氏体 T） 35HRC40HRC 珠珠 光光 体体 形形 貌貌 像像光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌 索索 氏氏 体体 形形 貌貌 像像 托托 氏氏 体体 形形 貌貌 像像电镜形貌光镜形貌2.贝氏体型 ( B ) 转变 中温转变( 550 MS ) 在550 MS 温度范围内，因转变温度较低，原子的活动能力较弱，过冷奥氏体虽然仍分解成渗碳体和铁素体的混合物，但铁素体中溶解的碳已超过正常的溶解度，转变后得到的组织为含碳量具有一定过饱和度的铁素体和分散的渗碳体的混合物，称为贝氏体（B）根据组织形态和转变温度不同，贝氏体一般可分为上贝氏体和下贝氏体两种550 350 羽毛状

14、上贝氏体（B上上） 40 50HRC条状条状F Fe3C 上贝氏体组织金相图上贝氏体组织金相图350 Ms 黑色针叶状下贝氏体（B下下） 45 55HRC针叶状铁素体针叶状铁素体Fe3C与B上上比较， B下下具有良好的综合力学性能，在生产中常用等温淬火来获得B下下组织 下贝氏体组织金相图下贝氏体组织金相图3、马氏体型、马氏体型 ( M ) 转变转变 (Ms Mf) 当奥氏体快速过冷至马氏体点（当奥氏体快速过冷至马氏体点（Ms）以）以下时则发生马氏体转变。与前两种转变不同，下时则发生马氏体转变。与前两种转变不同，马氏体转变是在一定温度范围内（马氏体转变是在一定温度范围内（Ms Mf之之间）连续冷

15、却时完成的。间）连续冷却时完成的。（四） 影响影响 TTT 曲线的因素曲线的因素1、奥氏体中含碳量的影响、奥氏体中含碳量的影响: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C曲线不同的是：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，C曲线位置往右移，同时Ms、Mf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，只是在高温转变区过冷奥氏体将先有一部分转变为铁素体，剩余的过冷奥氏体再转变为珠光体型组织。 亚共析钢的亚共析钢的TTT曲线曲线 FAP + FS + FTBM + A残残A3时间时间(s)3001021031041

16、010800-100100200500600700温度温度()0400A1MsMf2）过共析钢过冷奥氏体的等温转变 过共析钢过冷奥氏体的C曲线的上部为过冷奥氏体中析出二次渗碳体(Fe3CII)开始线。当加热温度为AC1以上3050 时，过共析钢随着含碳量的增加， C曲线位置向左移，同时Ms、Mf线往下移。 过共析钢的过冷奥氏体在高温转变区， 将先析出Fe3CII，其余的过冷奥氏体再转变为珠光体型组织。 过共析钢的过共析钢的TTT曲线曲线P + Fe3CS + Fe3CTBM + A残残 Fe3CAACM时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温

17、度温度()0400A1MsMf2、合金元素的影响、合金元素的影响 除除Co、Al (2.5% ) 外，所有合金元素溶入奥氏外，所有合金元素溶入奥氏体中，会引起：体中，会引起：向右移向右移向下移向下移MsA1A1Ms含含Cr合金钢合金钢3、加热温度和保温时间的影响、加热温度和保温时间的影响 加热温度越高，保温时间越长加热温度越高，保温时间越长，碳化物溶，碳化物溶解充分解充分, 奥氏体成分均匀；同时晶粒也越大，奥氏体成分均匀；同时晶粒也越大，晶界面积则减少。这样，会降低过冷奥氏体转晶界面积则减少。这样，会降低过冷奥氏体转变的形核率，提高了过冷奥氏体的稳定性变的形核率，提高了过冷奥氏体的稳定性, 从

18、从而而使使 C曲线向右移曲线向右移。三、过冷奥氏体的连续冷却转变三、过冷奥氏体的连续冷却转变（一）（一） 建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线 - CCT 曲线曲线 C - continuousC - coolingT - transformationVc（M临界冷却速度）临界冷却速度） 共析碳钢共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图 时间 t温度A1Pf（P转变终了线）转变终了线）Ps（P转变开始线）转变开始线）A+PK（P转变中止线）转变中止线）MsMf水冷水冷油冷油冷Vc（下临界冷却速度）（下临界冷却速度）炉冷炉冷空冷空冷（二）马氏体型

19、转变（二）马氏体型转变 ( 230 -50 ) : 马氏体转变在低温（Ms点以下）进行，由于过冷度很大，奥氏体向马氏体转变时难以进行铁、碳原子的扩展，只发生了-Fe向-Fe的晶格转变。固溶在奥氏体中的碳全部保留在-Fe晶格中，形成碳在碳在-Fe中的过饱和固溶体，称其为马中的过饱和固溶体，称其为马氏体（氏体（M）1、 马氏体转变特点马氏体转变特点 1）无扩散型转变）无扩散型转变 铁、碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥氏体铁、碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥氏体一定晶面，集体地（不改变相互位置关系）作一定一定晶面，集体地（不改变相互位置关系）作一定距离的移动（不超过一个原子间距），距离的移动（不超过

20、一个原子间距）， 使面心立方使面心立方晶格改组为体心立方晶格，碳原子原地不动，过饱晶格改组为体心立方晶格，碳原子原地不动，过饱和地留在新组成的晶胞中，过饱和碳使和地留在新组成的晶胞中，过饱和碳使-Fe 的的晶格晶格发生发生很大很大畸变畸变，产生产生很强的很强的固溶强化固溶强化。2）转变时体积发生膨胀）转变时体积发生膨胀 马氏体的比容比奥氏体的比容大，转变时体积马氏体的比容比奥氏体的比容大，转变时体积要膨胀，引起淬火工件产生相变内应力，要膨胀，引起淬火工件产生相变内应力， 严重时严重时导致工件变形和开裂。导致工件变形和开裂。 3）M形成速度很快，瞬间完成形核、长大形成速度很快，瞬间完成形核、长大

21、 奥氏体冷却到奥氏体冷却到Ms点以下后，无孕育期，瞬时点以下后，无孕育期，瞬时转变为马氏体。高碳马氏体的长大速度约为转变为马氏体。高碳马氏体的长大速度约为（1 1.5）105cm/s，每个马氏体片形成的时间，每个马氏体片形成的时间极短，大约只需极短，大约只需10-7s。4）转变是在一定温度范围内（）转变是在一定温度范围内（MsMf）连续冷却）连续冷却过程中进行的过程中进行的 随着温度下降，过冷奥氏体不断转变为马氏体，随着温度下降，过冷奥氏体不断转变为马氏体，如果冷却在中途中停止，则奥氏体向马氏体转变也停如果冷却在中途中停止，则奥氏体向马氏体转变也停止。止。5） 马氏体转变是不彻底的马氏体转变是

22、不彻底的 总要残留少量奥氏体。残余奥氏体的含量与总要残留少量奥氏体。残余奥氏体的含量与Ms、Mf的位置有关。的位置有关。奥氏体中的碳含量越高，则奥氏体中的碳含量越高，则Ms、Mf越低，残余越低，残余A含量越高。含量越高。只在碳质量分数只在碳质量分数少于少于0.6%时，时， 残余奥氏体可忽略。残余奥氏体可忽略。 A残残的存在不仅降低淬火钢的硬度和耐磨化，的存在不仅降低淬火钢的硬度和耐磨化，而且在工件长期使用过程中，由于而且在工件长期使用过程中，由于A残残会继续变成会继续变成M，使工件尺寸发生变化。，使工件尺寸发生变化。奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响60070

23、05003004002001000-100-2000.20.4 0.6 0.8 1.0 1.21.4 1.6 1.8 2.00温度 Wc 100MsMf90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7Wc 100残余奥氏体量 ( % )奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响3、马氏体的组织形态（板条状和片状）、马氏体的组织形态（板条状和片状）1）板条状马氏体组织 - 低碳马氏体 (0.2%C ) 3050HRC = 917% 低碳板条状马氏体组织金相图低碳板条状马氏体组织金相图2）片状

24、马氏体组织 - 高碳马氏体 (1%C) 66HRC左右 1% 高碳片状马氏体组织金相图高碳片状马氏体组织金相图马氏体的碳浓度 Wc 100507040602030100.10.30.20.400.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0硬度 ( HRC ) 2000抗拉强度b ( Mpa ) 1800 1400 1000 600 2004、马氏体的性能、马氏体的性能 主要取决于马氏体中的碳浓度。主要取决于马氏体中的碳浓度。低碳板条状低碳板条状M不仅具有不仅具有较好的强度和硬度较好的强度和硬度， 而且还具有较好的而且还具有较好的塑形和韧性塑形和韧性。高碳片状高碳片状M的的强度很高强度很高，但，

25、但塑形和韧性很差塑形和韧性很差。（三） 亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 亚共析钢过冷A在高温时有一部分将转变为F，在中温转变区会有少量B上产生。如油冷的产物为F + T + B上 + M，但F和B上量很少，有时可忽略。（四） 过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 过共析钢过冷A在高温区，将首先析出Fe3C，而后转变为其它组织。由于A中碳含量高，所以油冷、水冷后的组织中应包括A残。与共析钢一样，其冷却过程中无B转变。四、四、 共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线与曲线与CCT曲线的比较曲线的比较稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-1001002005006007

26、00温度()0400A1MsMfCCT曲线曲线TTT曲线曲线1、同一成分的钢的、同一成分的钢的CCT曲线位于曲线位于C曲线右下方。要获得同样的组织，连续冷却转变曲线右下方。要获得同样的组织，连续冷却转变比等温转变的温度要低些，孕育期要长些。比等温转变的温度要低些，孕育期要长些。2、连续冷却时，转变时在一个温度范围内进行的，转变产物的类型可能不只一种，、连续冷却时，转变时在一个温度范围内进行的，转变产物的类型可能不只一种，有时是几种类型组织的混合。有时是几种类型组织的混合。3、连续冷却转变时，共析钢不发生贝氏体转变。、连续冷却转变时，共析钢不发生贝氏体转变。 第四节第四节 钢的普通热处理工艺钢的

27、普通热处理工艺毛坯生产毛坯生产 预备热处理预备热处理 机械加机械加工工 最终热处理最终热处理 机械精加工机械精加工预备热处理预备热处理 : 退火退火 ; 正火正火最终热处理最终热处理 : 淬火淬火 ; 回火回火一般零件生产的工艺路线一般零件生产的工艺路线:1、退火：将钢加热到适当温度（临界温度以临界温度以 上上3050 ），保温一定时间，然 后在炉中缓慢地冷却的热处理工艺。2、目的为最终热处理作好组织准备 1）降低硬度，提高塑性，改善加工性能； 2）细化晶粒，消除组织缺陷； 3）消除内应力 。3、分类、分类退火退火重结晶重结晶退退 火火低温低温退火退火完全退火完全退火扩散退火扩散退火球化退火球

28、化退火再结晶退火再结晶退火去去应力退火应力退火根据钢的成分和处理目的的不同，可分为1）完全退火定义：将钢加热Ac3以上3050C,完全奥氏体后， 保温一定时间随之缓慢冷却到600C以下 ，出炉空冷。组织：细小而均匀的平衡组织（铁素体+珠光体）目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利 于切削加工。适用范围：亚共析钢型材。2）球化退火定义：将钢加热到Ac1以上2030 C，保温后随 炉缓冷至600 C，出炉空冷，使钢中碳化 物呈球状的工艺方法。组织：球状珠光体（渗碳体呈球形的细小颗粒，弥散 分布在铁素体基体中）目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工性 能。适用范围：主要用于过共析钢、合金工具钢。

29、3）均匀化退火（扩散退火）定义：将钢加热到Ac3以上150300 C，长时间 保温后随炉缓冷。目的：使钢中的化学成分和组织均匀化适用范围：主要用于质量要求高的合金钢铸锭、 铸件、锻坯。4）去应力退火定义：将钢加热到Ac1以下（一般约为500 600 C），保温后随炉缓冷至200-300 C 出炉空冷，又称低温退火。目的：消除铸件、锻件和焊接件的内应力 。 （没有发生组织变化）适用范围：用于所有的钢。5）再结晶退火主要用于经冷变形的钢二、钢的正火二、钢的正火1 1、正火：、正火：将钢件加热到将钢件加热到AcAc3 3或或AccmAccm线以上线以上303050 C50 C ， 保温适当的时间后，

30、在保温适当的时间后，在空气空气中冷却。中冷却。2、正火与退火的区别：、正火与退火的区别：正火与退火的目的基本相同，但正火的冷却速度比退正火与退火的目的基本相同，但正火的冷却速度比退火稍快，正火后得到的珠光体组织比较细，强度、硬火稍快，正火后得到的珠光体组织比较细，强度、硬度比退火钢高。度比退火钢高。碳钢的各种退火、正火加热温度范围、工艺曲线碳钢的各种退火、正火加热温度范围、工艺曲线正火与退火的区别： 正火的冷却速度较快，得到的组织比较细小，强度和硬度也稍高一些。3 3、目的及应用：、目的及应用：1 1）对力学性能要求不高的结构、零件，可用正火）对力学性能要求不高的结构、零件，可用正火 最为最终

31、热处理，以提高其强度、硬度和韧性。最为最终热处理，以提高其强度、硬度和韧性。2 2）对低、中碳钢（）对低、中碳钢（S+F ），可用正火作为预备热），可用正火作为预备热 处理，可提高硬度和强度，改善切削加工性；处理，可提高硬度和强度，改善切削加工性；3 3）对高碳钢（）对高碳钢（S ），正火可抑制渗碳体网的形成，），正火可抑制渗碳体网的形成， 可为球化退火作准备可为球化退火作准备 。 正火比退火生产周期短，成本低，操作方便，正火比退火生产周期短，成本低，操作方便，故在可能的条件下应优先采用正火。但在零件形故在可能的条件下应优先采用正火。但在零件形状较复杂时，由于正火的冷却速度较快，又引起状较复杂

32、时，由于正火的冷却速度较快，又引起开裂的危险，则采用退火为宜。开裂的危险，则采用退火为宜。三三 钢的淬火钢的淬火2 2、目的：、目的： 为了获得马氏体（或贝氏体）组织，提高钢为了获得马氏体（或贝氏体）组织，提高钢 的的硬度、强度和耐磨性，并保持足够的韧性硬度、强度和耐磨性，并保持足够的韧性1 1、淬火：、淬火：将钢件加热到将钢件加热到AcAc3 3或或AcAc1 1以上某一温度，保以上某一温度，保 持一定时间后，快速冷却的热处理工艺。持一定时间后，快速冷却的热处理工艺。 3、工艺参数、工艺参数:淬火加热后组织淬火加热后组织 M+Fe3C+A残残 Ac1+3050过共析钢过共析钢 M + A残残

33、 Ac1+3050 共析钢共析钢 M + A残残 Ac3+3050亚共析钢亚共析钢Wc0.5% M Ac3+3050亚亚共析钢共析钢Wc0.5% 最终组织最终组织淬火温度淬火温度() 钢种钢种4、常用、常用 淬火冷却方法淬火冷却方法1）理想淬火冷却介质）理想淬火冷却介质时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf2）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

34、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号机油号机油43023060658010号机油号机油4302307055203号号锭子油锭子油500120100503 3） 淬火方法淬火方法: : 为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和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。法才能解决。 通常的淬火方法包括通常的淬火方法包括 单

35、液淬火、双液淬火、单液淬火、双液淬火、 马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火、马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火、 局部淬火局部淬火等。等。 单液淬火 将加热后的零件投入一种冷却剂中冷却至室温。 优点：操作简单，容易实现自动化缺点：易产生淬火缺陷， 水中淬火易产生变形和 裂纹，油中淬火易产生硬度不足或硬度不均匀等现象。应用：碳钢一般用水作冷却介质，合金钢可用油作冷却介质。 双液淬火将加热的工件先投入一种冷却能力强的介质中冷却，然后在接近Ms点温度（钢的组织还未开始转变时迅速取出），马上浸入另一种冷却能力弱的介质中使之发生马氏体转变的淬火，称为双介质淬火。优点：内应力小，变形及开裂小。缺点：操作困难，不易

36、掌握应用：由碳素工具钢制造的易开裂工件，如丝锥。 马氏体分级淬火：定义：将加热的工件先放入温度为Ms点附近的盐或碱浴 中，稍加停留，等工件整体温度趋于均匀时，再 取出空冷以获得马氏体。优点：有效减小内应力，防止变形与开裂缺点：对于碳钢零件，淬火后会出现非马氏体组织应用： 尺寸小，形状复杂工件 贝氏体等温淬火：定义：将加热的工件先放入稍高于Ms点温度的盐或碱浴 中，保温足够时间，使其发生下贝氏转变后出炉 空冷。优点：内应力小，工件不易变形与开裂，具有良好的综合力学性能。应用：用于处理形状复杂，尺寸要求精确，并且硬度和韧性都要求较高的工件如：各种冷、热冲模，成型刃具，弹簧等5、 钢的淬透性钢的淬透

37、性1）淬透性）淬透性:指在规定条件下，钢在淬火冷却时获得指在规定条件下，钢在淬火冷却时获得 马氏体组织深度的能力。马氏体组织深度的能力。2）影响淬透性的因素）影响淬透性的因素: 钢的临界冷却速度，钢的临界冷却速度，Vc越低，钢的淬透性越好越低，钢的淬透性越好 钢的化学成分钢的化学成分 （增加过冷奥氏体稳定性，降低（增加过冷奥氏体稳定性，降低Vc，钢的淬透性越好），钢的淬透性越好）3）淬透性的应用）淬透性的应用: 淬透性好的钢，经淬火回火后，截面上组织均匀一致，综淬透性好的钢，经淬火回火后，截面上组织均匀一致，综 合力学性能好。因此，钢的淬透性对提高大截面零件的力合力学性能好。因此，钢的淬透性对

38、提高大截面零件的力 学性能，发挥材料潜力，具有重要的意义。学性能，发挥材料潜力，具有重要的意义。 淬透性好的钢，在淬火冷却时可采用比较缓和的淬火介质，淬透性好的钢，在淬火冷却时可采用比较缓和的淬火介质， 减小工件淬火的变形及开裂倾向。减小工件淬火的变形及开裂倾向。淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响未淬透钢未淬透钢淬透钢淬透钢4）钢的淬硬性）钢的淬硬性淬硬性：淬硬性：是指钢在理想条件下淬火成马氏体后所能是指钢在理想条件下淬火成马氏体后所能 达到的最高硬度。达到的最高硬度。 影响钢的淬硬性的因素影响钢的淬硬性的因素 主要取决于钢含碳量。主要取决于钢

39、含碳量。低碳钢淬火的最高硬度值低，淬硬性差；低碳钢淬火的最高硬度值低，淬硬性差；高碳钢淬火的最高硬度值高，淬硬性好。高碳钢淬火的最高硬度值高，淬硬性好。5）淬硬性与淬透性之间的关系）淬硬性与淬透性之间的关系:淬透性淬透性淬淬硬性硬性钢钢 种种小小低低碳素结构钢碳素结构钢 ( 20 )小小高高碳素碳素工具钢工具钢( T10A )大大低低低碳低碳合金结构钢合金结构钢( 18Cr2Ni4WA )大大高高高碳高高碳高合金工具钢合金工具钢( Cr12MoV )6）淬硬性与淬透性之间的区别）淬硬性与淬透性之间的区别: 淬透性与实际工件有效淬硬深度的区别淬透性与实际工件有效淬硬深度的区别同一钢种对不同截面的

40、工件在同样奥氏体化条件下淬火，其淬同一钢种对不同截面的工件在同样奥氏体化条件下淬火，其淬透性是相同的，但是其有效淬硬深度却因工件的形状、尺寸和透性是相同的，但是其有效淬硬深度却因工件的形状、尺寸和冷却介质的不同而异。冷却介质的不同而异。淬透性是钢本身所固有的的属性，对以一种钢，它是确定的，淬透性是钢本身所固有的的属性，对以一种钢，它是确定的，可用于不同钢种之间的比较。实际工件的有效淬硬深度，除了可用于不同钢种之间的比较。实际工件的有效淬硬深度，除了取决于钢的淬透性，还与工件的形状、尺寸及采用的冷却介质取决于钢的淬透性，还与工件的形状、尺寸及采用的冷却介质等外界因素有关。等外界因素有关。 两个不

41、同的概念两个不同的概念淬硬性是指钢淬火后能达到的最高硬度，主要取决于马氏淬硬性是指钢淬火后能达到的最高硬度，主要取决于马氏体的含碳量，淬透性好的钢其淬硬性不一定高。体的含碳量，淬透性好的钢其淬硬性不一定高。6、淬火缺陷1）氧化与脱氧）氧化与脱氧钢加热时，炉内氧化气氛于钢材料表面的铁或碳相互作用，引起氧化和脱氧。钢加热时，炉内氧化气氛于钢材料表面的铁或碳相互作用，引起氧化和脱氧。氧化，是指铁的氧化，即在工件表面形成一层松脆的氧化铁皮。氧化不仅造成金属的损耗，还影氧化，是指铁的氧化，即在工件表面形成一层松脆的氧化铁皮。氧化不仅造成金属的损耗，还影响工件的承载能力和表面质量等。响工件的承载能力和表面

42、质量等。脱碳，是指气体介质和钢表面的碳起作用而逸出，使材料表面含碳量降低。脱碳会降低工件表层脱碳，是指气体介质和钢表面的碳起作用而逸出，使材料表面含碳量降低。脱碳会降低工件表层的强度、硬度和疲劳强度，对于弹簧、轴承和各种工具、模具等，脱碳是严重的缺陷。的强度、硬度和疲劳强度，对于弹簧、轴承和各种工具、模具等，脱碳是严重的缺陷。为了防止氧化和脱碳，对重要受力零件和精密零件，通常应在盐为了防止氧化和脱碳，对重要受力零件和精密零件，通常应在盐浴炉内加热。浴炉内加热。2、过热和过烧、过热和过烧钢在淬火加热时，由于加热温度过高或高温下停留时间过长而发生奥氏体晶粒显著粗化的现象，钢在淬火加热时，由于加热温

43、度过高或高温下停留时间过长而发生奥氏体晶粒显著粗化的现象，称为过热。加热温度达到固相线附近，使晶界氧化并部分熔化的现象称为过烧。称为过热。加热温度达到固相线附近，使晶界氧化并部分熔化的现象称为过烧。工件过热后，晶粒粗大，不仅降低钢的力学性能（尤其是韧性），也容易引起变形和开裂。过热工件过热后，晶粒粗大，不仅降低钢的力学性能（尤其是韧性），也容易引起变形和开裂。过热可以用正火处理予以纠正，而过烧后的工件只能报废。可以用正火处理予以纠正，而过烧后的工件只能报废。为了防止工件的过热和过烧，必须严格控制加热温度和保温时间为了防止工件的过热和过烧，必须严格控制加热温度和保温时间3、变形与开裂、变形与开裂

44、淬火内应力是造成工件变形和开裂的原因。淬火内应力是造成工件变形和开裂的原因。对于变形量小的工件可采取某对于变形量小的工件可采取某些措施予以纠正，而变形量太大或开裂的工件只能报废。些措施予以纠正，而变形量太大或开裂的工件只能报废。为了防止变形和开裂的产生，可为了防止变形和开裂的产生，可采用不同的淬火方法采用不同的淬火方法（如分级（如分级淬火或等温淬火等）或在设计上采取一些措施（如结构对称、淬火或等温淬火等）或在设计上采取一些措施（如结构对称、截面均匀、避免尖角等）。截面均匀、避免尖角等）。4、硬度不足、硬度不足由于加热温度过低、保温时间不足、冷却速度过低或表面脱碳由于加热温度过低、保温时间不足、

45、冷却速度过低或表面脱碳等原因造成的。一般情况下，可采用重新淬火消除，但淬火前等原因造成的。一般情况下，可采用重新淬火消除，但淬火前要进行一次退火或正火处理。要进行一次退火或正火处理。四、钢的回火四、钢的回火1、定义：、定义：将将淬火后钢件淬火后钢件再加热到再加热到Ac1以下以下的某一温的某一温 度，保温一定时间后，然后度，保温一定时间后，然后冷却到室温冷却到室温的的 热处理工艺热处理工艺 。2、目的：、目的：消除淬火应力，降低脆性；消除淬火应力，降低脆性； 稳定工件尺寸；稳定工件尺寸； 调整淬火零件的力学性能。调整淬火零件的力学性能。 3、回火的种类、回火的种类按回火温度的不同，回火可分以下三

46、种：按回火温度的不同，回火可分以下三种：低温回火：低温回火：150 C 250 C 中温回火：中温回火：350 C 500 C 高温回火：高温回火：500 C 650 C 1、低温回火（低温回火（150150 250250）CC 组织：组织： M回回=0.3%C+ 目的：目的：保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，降低淬火应力，保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，降低淬火应力， 减少钢的脆性。硬度为减少钢的脆性。硬度为58-64HRC58-64HRC。应用：应用：刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳淬火件和表面淬火件刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳淬火件和表面淬火件2 2、中温回火（、中温回火（350350 5

47、00500）CC 组织：组织：T回回=F针针+Fe3C粒粒目的：目的：获得高的弹性极限、屈服点和较好的韧性。获得高的弹性极限、屈服点和较好的韧性。 又称弹性处理。硬度为又称弹性处理。硬度为35-45HRC.35-45HRC.应用：应用：弹性零件及热锻模具等。弹性零件及热锻模具等。3 3、高温回火（、高温回火（500500 650650）CC 组织：组织：S回回=F块块+Fe3C球球目的：目的：获得良好的综合力学性能。硬度为获得良好的综合力学性能。硬度为25-35HRC.25-35HRC.应用：应用：各种重要结构零件如螺栓、齿轮及轴承。各种重要结构零件如螺栓、齿轮及轴承。 淬火淬火 + 高温回火

48、高温回火 = 调质处理调质处理 回火马氏体组织金相图回火马氏体组织金相图 第四节第四节 钢的表面热处理和化学热处理钢的表面热处理和化学热处理 表面淬火表面淬火 化学热处理化学热处理工艺的核心工艺的核心:使零件具有使零件具有“表硬里韧表硬里韧” 的力学性能。的力学性能。一、表面淬火一、表面淬火1、 定义：定义：是一种不改变钢表层化学成分，是一种不改变钢表层化学成分， 但改变表层组织，且心部组织不发生但改变表层组织，且心部组织不发生 变化的局部热处理工艺。变化的局部热处理工艺。2、 工艺特征：工艺特征：通过快速加热至淬火温度，使通过快速加热至淬火温度，使钢的表层奥氏体化，然后急冷以大于钢的表层奥氏

49、体化，然后急冷以大于Vc的速的速度冷却，使表层形成马氏体组织，而心部仍度冷却，使表层形成马氏体组织，而心部仍保持不变。保持不变。 3、表面淬火应用、表面淬火应用: 选用选用中碳中碳或或中碳低合金钢中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。等。4、表面淬火加工的方法、表面淬火加工的方法: 感应加热感应加热( 高、中、工频高、中、工频 )、 火焰加热、火焰加热、 电接触加热法等。电接触加热法等。（一）感应加热表面淬火（一）感应加热表面淬火1、感感应应加加热热的的基基本本原原理理感应加热表面淬火示意图感应加热表面淬火示意图集肤集肤效应示意图效应示意图2、工艺要求、工艺要求 * 表面淬火前表面

50、淬火前,必须对零件进行正火必须对零件进行正火 或调质处理或调质处理,以保证零件有良好的以保证零件有良好的 基体。基体。 * 表面淬火后表面淬火后,必须对零件进行低温必须对零件进行低温 回火处理回火处理,以降低淬火应力和脆性。以降低淬火应力和脆性。3、生产特点、生产特点: 淬火件的质量好淬火件的质量好; 工件变形小工件变形小;不易氧化及脱碳不易氧化及脱碳;淬火层容易控制淬火层容易控制;生产率高。设备投资大生产率高。设备投资大,不适于复杂形状零件不适于复杂形状零件和小批量生产。和小批量生产。（二）火焰加热表面淬火（二）火焰加热表面淬火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

51、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。二、化学热处理二、化学热处理 ( Chemical Heat Treatment )1、定义：、定义：将零件置于一定的化学介质将零件置于一定的化学介质 中中 , 通过加热、保温，使介质通过加热、保温，使介质 中一种或几种元素原子渗入中一种或几种元素原子渗入 工件表层，以改变钢表层的化工件表层，以改变钢表层的化 学成分和组织的热处理工艺。学成分和组织的热处理工艺。 2、 化学热处理的基本过程化

52、学热处理的基本过程:吸收吸收: 活性原子被零件表面活性原子被零件表面吸收和溶吸收和溶 解解。扩散扩散: 活性原子由零件表面向内部扩活性原子由零件表面向内部扩 散散, 形成一定的形成一定的扩散层扩散层。分解分解: 化学介质在高温下释放出待渗化学介质在高温下释放出待渗 的的活性原子活性原子。 2CO CO2 +C3、 化学热处理进行的条件化学热处理进行的条件:1） 渗入元素的原子渗入元素的原子必须是活性原子必须是活性原子, 而而 且具有较大的扩散能力且具有较大的扩散能力。2） 零件本身具有零件本身具有吸收渗入原子的能力吸收渗入原子的能力, 即对渗入原子有一定的即对渗入原子有一定的溶解度溶解度或能或

53、能 与之化合与之化合, 形成化合物形成化合物。4、 化学热处理的种类化学热处理的种类: 渗碳渗碳; 渗氮渗氮; 碳氮碳氮 共渗共渗; 渗硼渗硼; 渗铝渗铝; 渗硫渗硫; 渗硅渗硅; 渗铬等。渗铬等。（一）钢的渗碳（一）钢的渗碳 ( Carburize of steel )1、定义、定义: 向钢的向钢的表面渗入碳原子表面渗入碳原子的过程。的过程。2、目的、目的: 获得具有获得具有表硬里韧性表硬里韧性能的零件。能的零件。3、用钢、用钢: 低碳钢低碳钢和和低碳合金钢低碳合金钢。4、方法、方法: 固体、气体固体、气体、液体渗碳。液体渗碳。 固体渗碳法示意图固体渗碳法示意图零件零件渗碳剂渗碳剂试棒试棒盖盖泥封泥封渗碳箱渗碳箱 气体渗碳法示意图气体渗碳法示意图5、工艺、工艺: 加热温度加热温度为为900950;渗碳时间渗碳时间一般为一般为39小时小时;6、渗碳后的组织、渗碳后的组织: 1%CP+Fe3C0.2%C F + P少少表面表面中心中心零零 件件PP+F20钢渗碳缓冷组织 ( 化染 ) 580 表层珠光体 + 网状渗碳体; 中层珠光体; 内层铁素体 + 珠光体7、 渗碳后的热处理工艺渗碳后的热处理工艺时间温度930850方案方案1方案方案2渗渗 碳碳淬火淬火加热加热8、 热处理后的组织热处理后的组织低碳低碳M回回+FM回回+Cm+A残残低低碳碳合金钢合金钢F+