材料热处理第9章 常规热处理

第9章常规热处理

钢的退火与正火

钢的淬火

钢的回火金属材料加工过程

冶炼铸造铸锭铸件热轧热锻板棒型管焊接机加工冷轧冷拔深冲锻件机加工零件或构件工艺性能，为加工和热处理作组织和性能上的准备改变组织，使用性能

预备热处理

最终热处理毛坯生产预备热处理机械加工最终热处理机械精加工预备热处理:退火;正火；调质最终热处理:淬火;回火；表面热处理热处理工序位置的确定9.1钢的退火与正火

1

定义：钢加热到临界温度以上或以下的适当温度，保温一段时间后缓慢随炉冷却或控制其冷速，获得接近平衡状态组织的热处理工艺。（珠光体）

“高于或低于Ac1”

SAAc1退火

2退火的分类：高温退火（相变重结晶退火）

T加热>Ac1(2)

低温退火完全退火不完全退火与球化退火等温退火扩散退火T加热<Ac1去应力退火再结晶退火工艺参数:3退火的目的总体：改善组织，提高性能降低硬度，改善切削加工性能；适合机加工的硬度范围：150～250HB细化晶粒，均匀组织；消除内应力；去除气体，避免白点。注：当为目的②时，往往用正火代替退火

4常用退火的工艺方法TtAc3+20-50ºCAc3Ac1工艺规范特点：工艺：完全奥氏体化；组织：层片状珠光体。目的：降低硬度，改善切削加工性能；细化晶粒；消除内应力；减轻组织不均匀性（消除魏氏组织等）适用范围：含碳0.40~0.60%的中碳钢、合金钢的铸、锻、热轧、焊件的预备热处理。(1)完全退火不适用范围：

碳含量低于0.25%的低碳钢；过共析钢

加热速度：碳钢150~200℃/h

低合金钢100℃/h

高合金钢50℃/h保温时间：τ=KD，τ为保温时间，K为加热系数，D为工件的有效厚度

冷却速度:碳钢100~200℃/h

低合金钢:50~100℃/h

高合金钢:20~50℃/h出炉温度:550℃以下完全退火工艺参数晶粒细化的原因：完全退火→相变重结晶过程α→γ→ααγα40钢退火前后金相组织——晶粒细化

45#钢锻后与完全退火后机械性能

状态σb(Mpa)σs(Mpa)δ(%)

ψ(%)

αk(kJ.m-2)HB锻后650－750300－4005－1520－40200－400230完全退火600－700300－35015－2040－50400－600200完全退火后强硬度有所下降，而塑韧性较大幅度提高等温退火将钢加热到高于Ac3(共析钢和过共析钢为Ac1)温度，保温适当时间后，较快地冷却到珠光体区域的某一温度并等温保持，使奥氏体转变为珠光体型组织，然后出炉空冷。Ac1+20-30ºCAcm

或Ac3Ac1Tt工艺规范特点：工艺：不完全奥氏体化；

加热速度、保温时间、冷却速度、冷却方式均与完全退火相同适用范围：碳素结构钢、碳素工具钢、低合金结构钢和低合金工具钢的热锻件和热轧件(2)不完全退火目的：消除内应力，软化钢件及改善工具钢的切削加工性特点：工艺：不完全奥氏体化；组织：球状或粒状珠光体。目的：降低硬度，改善切削加工性能；获得均匀组织，改善热处理工艺性经淬火、回火后获得优良的综合机械性能

适用范围：含C量较高(>0.6%)的工、模具钢，轴承钢的预备热处理。工艺关键：Fe3C形态控制控制奥氏体化程度球的大小控制控制过冷奥氏体冷却转变的温度(3)球化退火——不完全退火的一种球化退火工艺

低温球化退火适用范围：

高合金钢及冷变形钢不适用范围：

原始组织粗大的钢过共析钢中的网状碳化物球化退火工艺

不均匀奥氏体中碳的聚集球化退火工艺特点：形成不均匀奥氏体及未溶碳化物；适用范围：高碳钢奥氏体易有较多残留未溶碳化物，易球化；

低碳钢中未溶碳化物少，不易球化

形变球化退火将工件在一定温度下施行一定的形变加工后，再于低于A1温度下进行长时间保温，这种工艺称为形变球化退火。Ac1-(20~30)低中碳钢和低合金钢冷变形加工后的快速球化轧、锻件的锻后余热球化退火，大批量的弹簧钢、轴承钢等

高温固溶淬火、高温回火球化(快速球化退火)利用高温固溶获得均匀奥氏体后再经淬火获得马氏体组织，然后再通过高温回火使析出的碳化物球化。适用范围：适用于共析钢、过共析钢和合金钢小锻件的快速球化退火；

不适用于截面尺寸大的毛坯及半成品工件的球化片状与球状珠光体组织切削性能比较层片状珠光体粒(球)状珠光体刀具T12钢球化退火与完全退火的性能比较：

球化退火的强硬度更低，塑韧性更好，碳化物对基体的分割更均匀、彻底，更利切削加工状态σb(Mpa)δ(%)ψ(%)HB完全退火8101530230球化退火6202040160T12钢完全退火与球化退火后组织与性能比较T10钢球化退火组织(化染)500影响碳化物球化的因素化学成分的影响原始组织的影响加热温度与球化时间的影响冷却速度的影响碳合金元素：非碳化物形成元素(Co除外)，球化快淬火马氏体：球化快，组织均匀块状铁素体+珠光体：碳化物不均匀，原珠光体区有球状碳化物，原铁素体区无球状碳化物贝氏体、屈氏体比粗片状珠光体易获得球状碳化物过共析钢网状碳化物难球化：正火消除网状+球化退火经冷变形：利于球化碳化物的形成工业上一般采用10~20ºC/h的冷速缓冷球化1定义：

将金属铸锭、铸件及锻坯加热到略低于固相线的温度下长时间保温，使钢中的元素充分扩散，然后缓慢冷却，以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。(4)均匀化退火(扩散退火)

Acm

或Ac3Acm

或Ac3＋150~300ºCtT2工艺：加热温度：一般选择在高于0.8～0.9T熔，但低于固相线温

度。一般选择1050～1150ºC加热速度：低合金钢100ºC/h

高合金钢20~50ºC/h保温时间：2.5~3min/mm，10~15h冷却速度：低合金钢50~100ºC/h

高合金钢20~50ºC/h冷却方式：随炉冷却均匀化退火主要用来消除或减小枝晶偏析，不能消除区域偏析；均匀化退火易产生过热组织，尚需经历一次完全退火或正火来细化晶粒，消除过热组织。(5)去应力退火(低温退火)

Ac1tT特点：

无组织变化

工艺：加热温度：碳钢和低合金钢550～650ºC

高合金钢650～750ºC

铸铁件500～600ºC

焊接钢件500～600ºC加热速度：100~150ºC/h

高合金钢20~50ºC/h保温时间：2.5~3min/mm，铸铁为6min/mm；一般大于2h冷却速度：尽量缓慢，常用随炉冷却；大型工具或机械部

件采取更低的冷却速度冷却方式：随炉冷却，300ºC以下空冷Ac1tT600－700ºC(6)再结晶退火(低温退火)

将冷变形后的钢加热到再结晶温度以上150~250ºC，保持适当时间，使变形晶粒重新形核，长成均匀的等轴晶粒，同时消除加工硬化和残余内应力的热处理工艺。用于冷变形过程的中间退火，目的是恢复变形前的组织与性能，消除加工硬化，恢复塑性，以便继续变形。

工艺：加热温度：TR+(150~250ºC)，TR为再结晶温度(0.4Tm)

600～700ºC保温时间：1-4h冷却方式：空冷定义：钢加热到Ac3或Acm以上30~50ºC，完全奥氏体化后出炉空冷，得到珠光体类组织的热处理工艺。Acm

或Ac3Ac1Acm

或Ac3＋30~50ºCT正火及其应用正火与退火相比正火冷却速率较快；正火所得珠光体类组织片间距小(索氏体）；正火所得铁素体的量少；强硬度与塑韧性较高；生产效率较高。状态σb(Mpa)δ(%)

ψ(%)

αk(kJ.m-2)HB正火700－80015－2020－40500－800220完全退火650－70015－2040－50400－600200状态结构钢工具钢软的中等的硬的退火～125～160～185～220正火～140～190～230～270碳钢正火与退火后的硬度（HB）正火与退火态45#钢机械性能注：正火态强硬度与塑韧性均较高工艺正火温度：Ac3（Acm）+30~50℃;

碳化物形成元素的合金钢(V,Ti,Nb)为Ac3+100~150℃;

消除过共析钢中的网状碳化物正火温度略高于正常保温时间：1.5~2min/mm冷却方式：空冷；大件也可采用吹风，喷雾和

调整钢件距离正火的应用 ①改善低碳钢的切削加工性能；

②消除过共析钢的网状碳化物；

③消除中碳钢的热加工缺陷；

④作为表面强化处理的预备热处理

⑤

作为最终热处理，提高普通结构件的力学

性能9.2钢的淬火定义：把钢加热到临界温度（Ac3或Ac1）以上保温一定时间，使之奥氏体化后以大于临界冷却速度的冷速急冷，使奥氏体过冷到Ms点以下，获得高硬度M（或B下）组织的热处理工艺。目的:(1)提高工具、渗碳零件和其它高强度耐磨机器零件等的硬度、强度和耐磨性；(2)结构钢通过淬火和回火之后获得良好的综合机械性能；(3)此外，还有很少数的一部分工件是为了改善钢的物理和化学性能。如提高磁钢的磁性，不锈钢淬火以消除第二相，从而改善其耐蚀性等。淬火分类钢的淬透性淬透性的概念

指钢淬火时获得马氏体的能力，是钢固有的一种属性。淬透性取决于钢的淬火临界冷却速度的大小(1)淬透性与淬透层深度淬透层深度：当工件未淬透时，淬透层的深度并不是以全部淬成马氏体的区域来界定的，而是以淬火工件表面至半马氏体区(即马氏体组织和非马氏体组织各占一半)的深度作为淬透层深度。(2)淬透性与淬硬性的区别淬硬性：指钢在正常淬火条件下，淬成的马氏体所能达到的最高硬度，它表示钢淬火时的硬化能力。淬硬性主要取决于钢中的含碳量，更确切地说，它取决于淬火加热时固溶于奥氏体中的含碳量。淬透性淬硬性钢种小低碳素结构钢(20)小高碳素工具钢(T12A)大低低碳合金结构钢(20Cr2Ni4A)大高高碳高合金工具钢(W18Cr4V)淬透性的测定方法(1)断口试验法主要用来测定碳素工具钢的淬透性，低合金工具钢也可参照使用将预测淬透性的钢按规定尺寸制成标准试样，淬火后从中间横向打断后测量淬透层深度的方法。详见国家标准GB/T1298-2008《碳素工具钢》附录B《工具钢淬透性试验方法》淬透性的测定方法(2)端淬法淬透性曲线的实际意义及应用(1)根据淬透性曲线求沿工件截面上的硬度分布用40MnB钢制造直径为50mm的轴，求水淬后沿截面的硬度分布曲线(2)根据淬透性曲线及硬度要求选择材料已知某零件的直径和沿径向的硬度要求(3)根据淬透性曲线可以选择适当的淬火介质用碳的质量分数为0.4%的钢制造直径为45mm的轴，要求淬火后在3R/4处有体积分数为80%的马氏体组织，而在R/2处的硬度大于40HRC，问是否可以油淬？淬火介质理想淬火介质，中温冷却快，低温冷却慢适用钢种范围宽，淬火变形开裂倾向小，使用过程中不变质、不腐蚀工件、不粘接工件、不易燃、不易爆、无公害等有物态变化的淬火介质淬火介质在下列温度范围内的冷却速度/ºCs-1550~650ºC200~300ºC淬火介质在下列温度范围内的冷却速度/ºCs-1550~650ºC200~300ºC蒸汽膜阶段(靠辐射传热)沸腾阶段(冷却速度快)对流阶段无物态变化的淬火介质熔盐、熔碱及空气，多用于分级淬火及等温淬火淬火工艺淬火加热温度亚共析钢的淬火加热温度为Ac3以上30~50ºC；共析钢、过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上30~50ºC，为不完全淬火（为什么？？？）

合金钢，淬火温度允许比碳钢稍高淬火保温时间应遵循工件内外的温度均匀一致、奥氏体相变完成、奥氏体晶粒不得长大的原则淬火冷却方法冷却是淬火的关键，选择合适的淬火冷却方法，既要保证钢淬火后获得所需要的组织和性能，还要尽量减小淬火应力，以减小工件变形和开裂的倾向。单液淬火法双液淬火法分级淬火法等温淬火法预冷淬火法单液淬火法(直接淬火)

将加热后的零件投入一种冷却剂中冷却至室温。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。优点：操作简单，容易实现自动化(2)双液淬火法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，不易掌握应用：由碳素工具钢制造的易开裂工件，如丝锥。(3)分级淬火法将奥氏体化后的钢件置于温度稍高于或低于Ms点的热态淬火介质中(熔融硝盐、碱浴或热油)，保持适当时间，待钢件的内外层温度基本一致时取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺。优点：内应力小，防止变形和开裂缺点：对于碳钢零件，淬火后出现非马氏体组织应用：稍高于Ms的分级淬火适用于尺寸较小的合金钢、碳钢零件及工模具；

稍低于Ms的分级淬火适用于尺寸较大的零件和淬透性较差的钢种。(4)贝氏体等温淬火法将工件加热奥氏体化后，在下贝氏体转变温度区间(400~250ºC)等温，然后取出空冷，使奥氏体转变为以下贝氏体为主要组织的淬火工艺。特点：保持较高强度的同时还具有较好的韧性，同时淬火变形也小。(5)马氏体等温淬火法将工件加热奥氏体化后，置于稍低于Ms点的淬火介质中保持一定时间，使钢发生部分马氏体转变，然后取出空冷。特点：组织应力比较小，变形开裂倾向小应用：马氏体等温淬火常用于处理一些尺寸要求严格，而硬度在60HRC左右的工具。无变形淬火法(6)预冷淬火法将淬火件奥氏体化后先在空气中(或其它缓冷介质中)预冷一定时间，使工件的温度降低一些，再置于淬火介质中冷却的一种淬火方法。预冷的作用：组织减少工件各部分的温差，减小淬火变形和开裂的倾向应用：适用于厚薄差异较大的零件。淬火缺陷与防止淬火内应力

淬火时在工件中产生的内应力是造成工件变形和开裂的根本原因。当内应力超过材料的屈服强度时便引起工件变形，当内应力超过材料的抗拉强度时便造成工件的开裂。热应力组织应力由于工件在加热和冷却过程中，各部分热胀冷缩的不同时性而引起的内应力。工件在加热和冷却过程中，由于各部位组织转变的不同时性而引起的一部分金属对另一部分金属的作用力。淬火变形(1)工件的外形或尺寸发生变化——内应力和组织应力引起(2)体积胀大或缩小(体积变形，比体积差效应)——相变引起