碳钢的热处理

碳钢的热处理第1页/共182页

普通热处理：退火、正火、淬火、回火

热处理

表面淬火：火焰加热、

感应加热、电接触加热、

表面热处理

激光加热、等离子体加热

化学热处理：渗碳、氮化、

渗V、渗B、渗Nb

二、热处理的分类第2页/共182页三、热处理在机械零件制造工艺中的位置坯料→锻造→热处理Ｉ→粗加工→半精加工→热处理Ⅱ→精加工→热处理Ⅲ→（抛光）→成品热处理Ｉ：称为改善材料切削加工性能热处理最佳切削硬度：HB170-230第3页/共182页（1）低碳钢含有大量柔软的铁素体；切削加工性能较差，易产生“粘刀”现象，影响加工面的表面质量（粗糙度），刀具寿命也受到影响，故加工前应进行正火热处理，以提高硬度，以改善加工性能。（2）高碳钢含有较多的网状渗碳体，难以切削，应退火处理，再加工。第4页/共182页

（3）冷加工硬化的坯料，应进行再结晶退火，以降低硬度，改善切削加工性能。

热处理Ⅱ：改善零件机械性能热处理。

正火，淬火＋回火，化学热处理

热处理Ⅲ：消除加工残余应力热处理。

去应力退火、时效第5页/共182页四、热处理在机械制造业中的应用

汽车制造业：70％—80％的零件需进行

热处理

机床创造业：60％—70％的零件需进行

热处理

各种工具、轴承等：100％的零件需进行

热处理

第6页/共182页五、热处理的主要工艺参数

1、加热速度

2、加热温度

3、保温时间

4、冷却速度

第7页/共182页第一节

钢在加热时的组织转变一、奥氏体的形成

大多数热处理工艺的加热温度都高于钢的临界点（A1或A3），使钢具有奥氏体组织，然后以一定的冷却速度冷却，以获得所需的组织和性能。第8页/共182页

铁碳合金缓慢加热时奥氏体的形成可以从Fe-Fe3C相图中反映出来，珠光体向奥氏体的转变属于扩散型相变。以共析钢为例，珠光体组织在A1（727℃）以下，组织保持不变（α相中碳的溶解度及Fe3C的形状稍有变化）；当加热到A1点以上时，珠光体全部转变为奥氏体。第9页/共182页奥氏体的形成过程可以分为四个步骤：

①奥氏体晶核的形成

②奥氏体晶粒长大

③残余渗碳体溶解

④奥氏体成分均匀化第10页/共182页

对于亚共析钢（过共析钢），当缓慢

加热到A1以上时，除珠光体全部转化为奥

氏体外，还有少量先共析铁素体转变为奥

氏体（过共析钢二次渗碳体溶解）,随着

温度升高，先共析铁素体不断向奥氏体转

变，当温度高于A3时，组织为单相奥氏体。第11页/共182页二、奥氏体形成的热力学条件

钢加热时组织转变的动力是奥氏体与旧相之间的体积自由能之差ΔFv，而相变进行的条件是系统总的自由能降低。根据相变理论，奥氏体形成晶核时，系统总自由能变化ΔF为：ΔF=-ΔFv+ΔFs+ΔFe

式中：ΔFs——形成奥氏体时所增加的表面能

ΔFe——形成奥氏体时所增加的应变能

第12页/共182页

由于奥氏体是在高温下形成的，其相变应变能ΔFe很小，可以忽略，故上式可写为：

ΔF=-ΔFv+ΔFs

显然，只有当ΔFv能克服因奥氏体形成所增加的表面能ΔFs时，珠光体才能自发地形成奥氏体，因此奥氏体的形成必须有一定的过热度ΔT。第13页/共182页体积自由能温度FpFAA1T1ΔFv℃奥氏体形成的热力学条件第14页/共182页三、影响珠光体向奥氏体转变的因素1、温度的影响

提高温度，原子的扩散能力增大。特别是碳原子在奥氏体中的扩散能力增大，奥氏体的形成速率加快。

第15页/共182页2、含碳量的影响

钢中含碳量增加，铁素体与渗碳体的相界面总量增多，有利于加速奥氏体形成。3、合金元素的影响

钢中加入合金元素，可影响奥氏体的形成：强碳化物元素（减缓C的扩散，减缓A的形成）；非碳化物形成元素加速A

形成。第16页/共182页4、钢组织中珠光体越细，奥氏体形成速度越

快（相界面积大）。

5、加热速度越快，奥氏体形成温度升高，形

成速度越快。第17页/共182页四、奥氏体晶粒度及其影响因素1、奥氏体晶粒度的概念a、起始晶粒度：指珠光体刚刚全部转变为奥氏体时的晶粒度。b、实际晶粒度：指钢在具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒度。第18页/共182页

c、本质晶粒度：不是指具体的晶粒大小，只表示钢的奥氏体晶粒长大的倾向性（易长大，还是不易长大）。一般将钢的奥氏体晶粒长大倾向分为两类：如图：第19页/共182页21930加热温度℃4级晶粒度级别Ac1曲线1：随加热温度的升高，奥氏体晶粒一直长大，逐渐粗化。曲线2：一定温度下（Ac1）加热，奥氏体晶粒长大缓慢，保持细小晶粒，超过一定温度（930℃后），奥氏体晶粒急剧长大，突然粗化。第20页/共182页凡是符合曲线1的钢—本质粗晶粒钢凡是符合曲线2的钢—本质细晶粒钢

一般钢的奥氏体晶粒度分为8级，

1级最粗，8级最细。

晶粒度1-4级的钢，称为本质粗晶粒钢

晶粒度5-8级的钢，称为本质细晶粒钢。

镇静钢为本质细晶粒钢，沸腾钢为本质粗晶粒钢。第21页/共182页

需经热处理强化的零件一般都采用本质细晶粒钢---镇静钢制作。

第22页/共182页2、影响奥氏体晶粒度的因素

高温下，奥氏体晶粒长大，晶界总面积减少，系统自由能降低，是自发过程。a、奥氏体转化温度越高，晶粒越容易长大；

保温时间越长，晶粒越容易长大。b、奥氏体含碳量越高，晶粒长大的倾向越大。第23页/共182页c、在钢中加入合金元素

绝大多数合金元素都阻碍奥氏体晶粒长大，而锰、磷则会加速奥氏体晶粒长大。

第24页/共182页第二节

钢在冷却时的组织转变

通过加热使钢转变为均匀的奥氏体组织后，仅完成了热处理的加热准备工作，将高温奥氏体以不同的冷却速度冷却，获得所需的组织与性能，才是热处理的最终目的。第25页/共182页

高温奥氏体组织是稳定的，如冷却到A1以下，奥氏体就处于不稳定状态（过冷态），称为过冷奥氏体。不同的过冷度，奥氏体发生转变的过程不同：

①转变开始与转变终了的时间不同

②转变后产物的组织与性能不同第26页/共182页一、珠光体型转变——高温转变（A1~550℃）1、转变过程及特点

过冷奥氏体在A1~550℃温度范围内，将分解为珠光体类组织。第27页/共182页

当奥氏体被过冷至A1以下温度时，在奥氏体晶界处（含碳量高）优先产生渗碳体的核心，然后依靠奥氏体不断供应碳原子（随着冷却，奥氏体溶解碳的能力下降，碳从奥氏体内向晶界扩散），渗碳体沿一定方向逐渐长大，而随着渗碳体的长大，又使其周围的奥氏体碳浓度下降，这就促使贫碳的奥氏体局部区域转变成铁素体（即渗碳体两侧出现铁素体晶核），在渗碳体长大的同时，铁素体也不断长大，而随着铁素体的长大，必然将多余的碳排挤出去，这就有利于形成新的渗碳体晶核。最终形成了相互交替的层片状渗碳体和铁素体——珠光体。第28页/共182页珠光体第29页/共182页转变特点：

过冷奥氏体转变为珠光体是扩散型相变。

2、分类

在高温转变区形成的珠光体类组织，虽然都是渗碳体与铁素体的混合物，但由于过冷度大小不同，其片层距差别很大：第30页/共182页A1~650℃,形成的组织层间距较大，在400-500倍的金相显微镜下即可分辨，称为珠光体P。650℃~600℃，形成的组织分散度较大，层间距较小，在800-1000倍的金相显微镜下才能分辨，称为索氏体S。600℃~550℃，形成的组织，层间距很小，只有在电子显微镜下放大几千倍才能分辨，称为屈氏体或托氏体T。第31页/共182页索氏体第32页/共182页屈氏体第33页/共182页二、贝氏体型转变—中温转变（550℃~Ms）1、转变过程及特点过冷奥氏体在550℃~Ms（共析钢的Ms约230℃）温度范围内，转变为贝氏体类组织。第34页/共182页

由于过冷度增大，铁原子的扩散很困难，碳原子的扩散能力也显著减弱，扩散不充分，形成渗碳体所需的时间增长。

过冷奥氏体在这一温度范围内的转变产物仍是铁素体和渗碳体的混合物，但它与珠光体有本质的区别：贝氏体转变由于冷却速度快，渗碳体已不能呈片状析出。碳的扩散速度受到很大限制，部分碳来不及析出，固溶在铁素体中形成过饱和的铁素体。第35页/共182页

上贝氏体(UpperBainite)第36页/共182页下贝氏体(LowerBainite)第37页/共182页因此，贝氏体型转变产物是:

过饱和的铁素体与渗碳体的混合物。转变特点：

过冷奥氏体向贝氏体转变是一种半扩散型相变。

第38页/共182页2、分类

贝氏体组织形态比较复杂，根据其中铁素体与渗碳体的分布形态的不同，分为上贝氏体B上和下贝氏体B下。第39页/共182页上贝氏体B上：是过冷奥氏体在550℃~350℃范围内的转变产物，其中过饱和铁素体形成密集而相互平行的羽毛状扁片，一排一排地由晶界伸向晶内，渗碳体呈短杆状断断续续地分布在铁素体扁片之间。上贝氏体由于转变温度较高，渗碳体长得较大

上贝氏体的组织形态决定了其强度较低，塑性、韧性较差。第40页/共182页下贝氏体B下：是过冷奥氏体在350℃~Ms范围内的转变产物。

其中过饱和的铁素体呈针片状，比较散乱地成角度分布，而极细小的渗碳体质点呈弥散状分布在过饱和铁素体内。在金相显微镜下下贝氏体呈竹叶状特征。

下贝氏体由于转变温度较低，渗碳体来不及长大，而呈质点状第41页/共182页

下贝氏体组织具有较高的强度、硬度，良好的塑性、韧性，即具有良好的综合机械性能。生产上常用等温淬火法来获得下贝氏体组织。第42页/共182页三、马氏体型转变—低温转变（Ms~Mz）1、转变过程

当过冷度很大，奥氏体被快速冷却至Ms时，由于碳原子已无法扩散，上述珠光体或贝氏体等扩散型相变已不可能进行，奥氏体只能进行非扩散型的晶格转变。碳原子来不及扩散，被完全固溶于铁素体内，形成过饱和的铁素体，这种过饱和的铁素体就是马氏体M。第43页/共182页所以：

马氏体的含碳量与相应的奥氏体含碳量相同

室温下铁素体的含碳量仅为0.0008%,而马氏体的含碳量与奥氏体相同，故马氏体的过饱和程度很大，此时过饱和的铁素体的某些棱边被撑长，形成了体心正方晶格。第44页/共182页

由于碳原子过饱和造成的晶格畸变严重，故马氏体具有很高的硬度，而塑性、韧性较低。

马氏体的高硬度决定了它是钢中的重要强化组织，也是淬火钢的基本组织，凡是要求高硬度、高耐磨性的零件，都需要经过淬火获得马氏体组织。第45页/共182页硬度HRC含碳量%合金元素含量••••••••∆∆∆∆∆∆∆•合金元素碳

马氏体的硬度主要与含碳量有关，与其他合金元素关系不大。因为合金元素在马氏体晶格中，不是处于间隙位置，而是置换了某些铁原子的位置，它对马氏体晶格歪扭和畸变的作用远不及碳的作用大。第46页/共182页2、分类马氏体按组织形态分为：a、板条状马氏体

每一马氏体的晶体呈细长的薄板条晶片平行成束地分布，在金相显微镜下呈板条状。第47页/共182页

板条状马氏体第48页/共182页b、针状马氏体

每一马氏体晶体呈中间厚、两端薄的透镜式晶片，在金相显微镜下呈针片状或竹叶状。

板条状马氏体主要存在于低碳钢的淬火组织中

针状马氏体主要存在于中、高碳钢的淬火组织中

第49页/共182页片针状马氏体第50页/共182页3、转变特点a、马氏体转变是非扩散型相变

由于过冷度很大，原子来不及扩散。马氏体的晶粒度完全取决于原来奥氏体的晶粒度。b、马氏体转变是变温转变第51页/共182页

马氏体转变是从转变开始点Ms到转变终了点Mz的一个温度范围内进行的，在某一温度下，只能形成一定数量的马氏体，保温时间的延长并不增加马氏体的数量，要使马氏体的数量增加，只能继续降温。Ms、Mz与含碳量有关，而与冷却速度无关。第52页/共182页含碳量%T℃MsMzc、马氏体转变的不完全性

由于马氏体的转变终了温度Mz一般在零下几十度，

所以室温下进行马氏体转变不可能获得完全的马氏体

组织，必有一定量的奥氏体组织没有转变——这部分

奥氏体组织称为残余奥氏体A’，即马氏体转变不完全。第53页/共182页

残余奥氏体的存在会显著降低零件的强度、硬度以及耐磨性，此外残余奥氏体是一种不稳定组织，会逐渐分解，引起零件尺寸变化，这对精密零件是不允许的。

为了减少残余奥氏体的含量，可将淬火零件继续冷却到零下几十度——冷处理，使残余奥氏体转变为马氏体。

第54页/共182页残余奥氏体第55页/共182页d、奥氏体转变为马氏体，体积增大

奥氏体比容<珠光体比容<马氏体比容

比容：单位重量的体积值

这个特点，使马氏体内部存在较大的

内应力，易导致零件淬火变形、开裂。第56页/共182页第三节

过冷奥氏体转变曲线图

在过冷奥氏体的转变过程中，冷却速度（过冷度）对转变有很大影响。由于冷却速度较高，因此这种相变就不再符合Fe-Fe3C相图所反映的规律。

为了弄清澳实体在冷却过程中组织变化的全过程，找出转变温度、转变时间与奥氏体转变过程及其产物之间的相互关系和转变规律，通常采用两种方法：第57页/共182页

一是在不同过冷度下等温测定奥氏体的转变过程，绘出过冷奥氏体等温转变曲线图

二是在不同冷却速度的连续冷却过程中测定奥氏体的转变过程，绘出过冷奥氏体连续转变曲线图第58页/共182页一、过冷奥氏体等温转变曲线图（TTT图）

过冷奥氏体等温转变曲线图是分析过冷奥氏体的转变温度、转变时间、转变产物之间关系的曲线图，即TTT图（Temperature,Time,Transformation），又称C曲线。1、TTT图的建立（以共析钢为例）第59页/共182页等温转变曲线图是用实验方法建立的。

选取一组共析钢试样加热到稍高于A1温度，使其全部转变成均匀的奥氏体，然后分别快速投入不同温度的等温槽中，保持不同的时间，并观察共析钢奥氏体在不同温度下组织的变化。把转变开始与终了的时间记录下来，然后描绘在以温度为纵坐标，一时间为横坐标的图面上，把开始点与终了点分别连接起来，即可得到共析钢奥氏体等温转变曲线。第60页/共182页2、TTT图分析

在共析钢的TTT曲线中，高于临界点A1的区域为稳定状态的奥氏体区；左边曲线为过冷奥氏体开始转变曲线，右边曲线为过冷奥氏体转变终了线；开始线与纵坐标表之间的区域为过冷奥氏体区。终了线以右区域为转变产物区，两曲线之间为过冷奥氏体转变区（即过冷奥氏体与转变产物共存区）。第61页/共182页

从纵坐标到转变开始点的距离（转变开始前的准备时间），叫做“孕育期”，其长短表示某一温度下过冷奥氏体的稳定程度，如550℃部位孕育期最短（共析钢约1秒左右）；而在700℃左右，孕育期大于1000秒，故时间坐标采用对数坐标。

不同钢种具有不同形状的过冷奥氏体等温转变曲线。第62页/共182页时间s温度MsA1550℃转变起始线转变终了线共析钢的TTT曲线第63页/共182页3、影响TTT图的因素a、含碳量的影响

亚共析钢的C曲线随含碳量的增加而右移，即过冷奥氏体的稳定性提高；过共析钢的C曲线随含碳量的增加而左移，即过冷奥氏体的稳定性降低；因此在碳钢中，以共析钢的过冷奥氏体最为稳定，C曲线处于最右端。第64页/共182页

亚共析钢C曲线拐点上部区域多一条先共析铁素体转变曲线；过共析钢C曲线拐点上部区域多一条先共析渗碳体转变曲线。b、合金元素的影响

除钴元素以外，其他所有合金元素溶入奥氏体后，都增加了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。第65页/共182页

非碳化物形成元素（Ni,Si,Cu等）不改变C曲线的形状；而碳化物形成元素（Cr,W,V,Mo,Ti等）使C曲线的形状也发生改变。第66页/共182页C、加热温度、保温时间的影响

随着加热温度的提高或保温时间的延长，奥氏体的成分更加均匀，晶粒随之长大，晶界相对减少，未溶质点（碳化物、氮化物等）也显著减少，这些因素都使奥氏体转变时形核困难，提高了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。第67页/共182页V1V2V3VkV4时间温度4、C曲线的应用第68页/共182页

实际生产中，过冷奥氏体的转变大多数是在连续冷却过程中进行的，但仍可以利用C曲线估计过冷奥氏体转变情况。如图：V1<V2<V3<Vk<V4分别表示不同冷却速度的冷却曲线。第69页/共182页V1相当于炉冷，冷却速度约为10℃/min，V1与C曲线相交于710-650℃范围内，过冷奥氏体转变产物为100%珠光体，HRC=12

V2相当于空冷，冷却速度约为10℃/S，V2与C曲线相割于650-600℃范围内，过冷奥氏体转变产物为索氏体组织，HRC=26

第70页/共182页V3相当于油冷，冷却速度约为150℃/S，V3只与C曲线的转变起始线相交，表明一部分过冷奥氏体转变为屈氏体，而剩余部分过冷奥氏体随后冷却到Ms以下，转变为马氏体，从而获得屈氏体与马氏体混合组织，其HRC=45-55第71页/共182页V4相当于水冷，冷却速度600℃/S，它与C曲线不相交，而直接与Ms相交，过冷奥氏体转变为马氏体（还有小部分残余奥氏体），HRC=60-64第72页/共182页Vk与C曲线相切，称为临界冷却速度。它表示过冷奥氏体不转变为珠光体类产物，而直接转变为马氏体组织的最小冷却速度。

Vk取决于C曲线的位置，C曲线右移，Vk降低，容易获得马氏体组织，即易淬火。第73页/共182页PsPzK时间温度二、过冷奥氏体连续转变曲线图（CCT图）

实际生产中，大多数转变是在连续冷却过程中进行的，定量研究需要测定CCT图。（ContinuousCoolingTransformation）

方法：金相法，膨胀法，磁性法等。

如图：Ps线表示过冷奥氏体转变为珠光体的起始线

Pz线表示过冷奥氏体转变为珠光体的终了线

K线表示过冷奥氏体转变为珠光体终止线第74页/共182页第四节

钢的退火与正火一、退火和正火的目的

1、改善钢件的硬度，以便于进行切削加工（最佳切削硬度范围HB170-230）。

2、消除残余应力，防止零件变形、开裂。

3、细化晶粒，改善组织以提高零件的机械性能。

4、为最终热处理（淬火、回火）做好组织上的准备。

第75页/共182页二、退火和正火工艺及应用

1、退火

包括：完全退火，等温退火，球化退火，扩散

退火，去应力退火。

第76页/共182页a、完全退火（重结晶退火，退火）

应用：亚共析碳钢和合金钢的铸件、锻件、热轧型材、焊接结构

目的：细化晶粒，改善组织，消除残余应力，降低

硬度，提高塑性，便于切削加工。工艺：将亚共析钢加热到Ac3+30-50℃，保温一定

时间后，随炉缓慢冷却（或埋入沙或石灰中）

到500℃以下，空冷。

第77页/共182页b、等温退火

等温退火的目的与完全退火相同。由于完全退火所需要的时间很长，尤其对于某些奥氏体比较稳定的合金钢，往往需要数十小时甚至数天的时间，采用等温退火可明显缩短退火时间。第78页/共182页等温退火：

对应于钢的C曲线上珠光体形成温度进行奥氏体的等温转变处理，而在其前后可以快速冷却。工艺：加热过程与完全退火相同，Ac3+30-50℃，保温一定时间后，开炉门较快速冷却到稍低于A1的某一温度（550-700℃），在该温度下保温到奥氏体完全转变为珠光体，然后空冷。第79页/共182页优点：（ⅰ）缩短了退火时间

（ⅱ）可以较好地控制组织与硬度（通过选择保温温度）

（ⅲ）工件氧化、脱碳倾向较小

第80页/共182页c、球化退火（不完全退火）

应用：过共析碳钢和合金钢的刀具、模具、量具、轴承等零件。

目的：降低硬度，改善切削加工性，为最终淬火作准备。第81页/共182页

过共析组织为珠光体和网状的二次渗碳体。由于网状二次渗碳体的存在，增加了钢的硬度和脆性，不仅给切削加工带来困难，而且会引起淬火时工件产生变形和开裂。

球化退火工艺：

将过共析钢加热到Ac1+30-50℃，保温后，缓慢冷却。第82页/共182页

由于加热到Ac1+30-50℃，此时未溶的渗碳体小质点可作为冷却时渗碳体析出的核心，使渗碳体发生球化，变成球状或粒状渗碳体长大，故称为球化退火。由于加热温度在Ac1+30-50℃，钢组织没有全部奥氏体化，故称为不完全退火。第83页/共182页

经过球化退火的过共析钢，可获得铁素体与球状渗碳体的混合组织，叫做“球化体”，HB163。

有的钢种一次球化退火难以达到球化目的，可采用循环退火法（或称周期退火法）进行球化。第84页/共182页Ac1T℃T℃Ac1球化退火循环退火s第85页/共182页d、去应力退火去应力退火又叫消除内应力退火，低温退火。目的：主要用于消除铸件、锻件及焊接件、

热轧件的内应力。否则，会引起钢件在一定时间后产生变形，降低耐蚀性。

第86页/共182页去应力退火工艺：

将钢件随炉缓慢加热（100-150℃/小时），到500-600℃（<A1），经过一段时间保温后，随炉缓慢冷却（冷速50-100℃/小时）到300-200℃以下出炉。

第87页/共182页e、扩散退火

目的：是利用高温下原子具有较强的扩散能力，来减轻或消除钢中化学成分不均匀现象。由于加热温度高，晶粒也会因此长大，所以扩散退火后，往往要经过一次完全退火来细化晶粒。第88页/共182页扩散退火工艺：

把钢加热到高于Ac3或Accm的温度(约1050-1250℃)，保温较长时间（约10-20小时），然后缓冷。

扩散退火主要用于合金钢，尤其是高合金钢的钢锭及铸件。第89页/共182页三、正火工艺及应用1、定义

所谓正火是指把钢加热到Ac3（亚共析碳钢）或Accm（过共析碳钢）以上30-50℃，保温一定时间，随后在空气中冷却。第90页/共182页2、目的

对于亚共析钢，正火的目的与退火相同，主要是

细化晶粒，由于正火冷却速度较快，得到的珠光体组

织较细，且与退火相比，铁素体数量较少（冷速快，

铁素体析出少），故碳钢正火处理后强度、硬度均高

于退火处理。

对于过共析钢，正火用于消除网状渗碳体。由于

冷速较快，析出的二次渗碳体较小（冷速快，渗碳体

来不及长大），且不易形成连续的网络。第91页/共182页3、正火工艺的主要应用范围：a、用于普通零件作为最终热处理b、用于中、低碳结构钢，作为预先热处理，便于切削加工c、用于过共析钢，可抑制或消除网状二次渗碳体的形成，以便在进一步的球化退火中获得良好的球化体，为淬火做好组织上的准备。第92页/共182页

正火比退火生产周期短，耗能低，操作简便，故一般尽可能用正火代替退火，常用中低碳钢的钢材都以正火状态交货。第93页/共182页第五节

钢的淬火

将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上30-50℃，经保温后，快速冷却获得马氏体的热处理操作称为淬火。第94页/共182页一、淬火的目的1、提高钢的硬度及耐磨性（如工具、轴承等要求

高耐磨性的零件）2、获得良好的综合机械性能（中碳钢经淬火+高温

回火可获得强、韧兼备组织；各种弹簧都要求

强度高、弹性好，一般用高碳钢制作，经淬火+

中温回火后，弹性大大提高）3、获得特殊物理、化学性能（许多不锈钢、耐热

钢零件，淬火后可使耐腐蚀、耐热性能提高）。

第95页/共182页二、淬火温度的确定

1、亚共析钢

合适的淬火温度为：Ac3+30-50℃

淬火组织为：马氏体

温度太低（低于Ac3）则淬火后组织中出现

铁素体，导致硬度、耐磨性下降

温度太高，则获得粗大的马氏体组织，钢的

性能恶化，同时引起钢件严重变形。

第96页/共182页2、过共析钢合适的淬火温度为：Ac1+30-50℃

淬火组织为：马氏体+粒状二次渗碳体由于渗碳体的硬度高与马氏体，所以当二次渗碳体以粒状弥散分布于马氏体基体之上时，可以提高组织的硬度和耐磨性——弥散强化第97页/共182页马氏体＋球状渗碳体第98页/共182页

淬火加热温度过高，不仅会得到粗大的马氏体组织，还会引起零件严重的变形甚至开裂，而且由于二次渗碳体随着加热温度的升高会大量溶入奥氏体中，使得Ms、Mz降低，从而增加了组织中残余奥氏体的含量，影响淬火硬度和耐磨性。

淬火温度过低，<Ac1则得不到马氏体组织。第99页/共182页

对于合金钢，由于奥氏体晶粒长大倾向受到合金碳化物等的抑制，故可适当提高淬火温度。（T↑→C曲线右移）三、加热、保温时间的确定

原则：既要保证工件表面和心部都达到指定的加

热温度，又要保证组织转变充分进行和化

学成分扩散均匀，同时不能使A

晶粒长大。

适当的保温时间，对于保证钢的淬火质量，提高劳动生产率很重要。第100页/共182页四、淬火冷却介质

淬火时，通过快速冷却，使奥氏体转变为马氏体，这一过程体积膨胀，内应力很大，所以要使零件在不淬裂、变形小的前提下淬成马氏体，并不是一件容易的事。

第101页/共182页

根据C曲线，淬火时，要求在650-400℃范围内快速冷却，以避过C曲线拐点部位，使奥氏体不发生高温、中温组织转变；而冷却到300℃以下、Ms附近时，则希望冷速慢一些，以免产生太大的内应力导致零件变形、开裂。第102页/共182页最常用的淬火冷却介质是水、油、硝盐浴或碱浴。水：高温区冷却速度很大，但低温区冷却速度也大，能淬硬，但易淬裂。油：高温区冷速较低，低温区冷速较合适，淬不裂，但可能淬不硬且价格高、易燃。

碱浴：高温区冷速比水弱，比油强，低温区比油弱。盐浴：高温区冷速比水弱，比油略弱，低温区比油弱。第103页/共182页五、常用淬火方法

由于实际冷却介质不能满足淬火要求，所以必须从淬火方法上加以弥补。1、单液淬火法（普通淬火法）

将加热后的钢件放入一种淬火冷却介质中冷却。

单液淬火法操作简单，易实现自动化操作，但存在明显缺点：水淬易变形、开裂；油淬硬度不足，只适用于形状简单的工件。第104页/共182页2、双液淬火法（水淬油冷法）

对于形状复杂的高碳钢零件，为了防止淬火后产生过大的变形或开裂，可在水中淬火至Ms附近，然后立即放入油中（或空气）继续冷却，故双液淬火法又称水淬油冷法。用这种方法既能淬硬，又能防止淬裂。

缺点：对操作技术要求较高。适用于高碳钢形状复杂的零件。

第105页/共182页3、分级淬火法

不管是单液淬火法，还是双液淬火法，都存在零件表面与心部温差较大，易产生较大的热应力导致零件变形、开裂的问题，分级淬火法能很好地解决这个问题。

第106页/共182页

所谓分级淬火法就是：先将加热好的零件淬入温度稍高于Ms的盐浴或碱浴中，保持一定时间，使零件表面与心部的温度均匀并与热浴一致，然后取出空冷，在热浴中停留的时间以不发生奥氏体中温转变为宜。

缺点：冷却能力较低，只适用于小尺寸零件。第107页/共182页4、等温淬火法

将加热好的零件淬入温度稍高于Ms的盐浴或碱浴中，保温足够的时间，使奥氏体等温转变为下贝氏体组织，然后空冷至室温。

等温淬火法可获得强、韧兼备的组织，且零件的内应力可减低到最小程度，不易变形。

缺点：生产周期长，仅适用于形状复杂的小零件。第108页/共182页5、局部淬火法

有些零件只需要局部硬度高、耐磨性好，因此可进行局部淬火，以避免其它部位产生变形或开裂。

局部淬火法包括：①局部加热淬火法

②局部冷却淬火法第109页/共182页6、冷处理

高碳钢、合金钢的Mz都在零下几十度，为了减少残余奥氏体的数量，可在淬火后进行冷处理，即加热零件淬火至室温后，再放入低温槽中继续冷却，使残余奥氏体转变为马氏体。

冷处理介质：干冰（-80℃）、液化乙烯（-107℃）、液氮（-192℃）

冷处理的目的：稳定尺寸，提高硬度。第110页/共182页第六节

钢的淬透性

一、什么叫淬透性

钢在淬火过程中，沿工件截面各处的实际冷却速度是不同的，表层的实际冷却速度总大于内部，而中心部的冷却速度最低。

第111页/共182页

如果表层的冷却速度大于临界冷却速度Vk，而心部的冷却速度低于临界冷却速度，则表层获得马氏体表层与心部之间依次为马氏体、屈氏体、索氏体、珠光体，也即钢仅被淬火到一定深度。

如果心部的冷却速度也大于临界冷却速度Vk，则沿工件截面均获得马氏体组织，即钢被淬透。

第112页/共182页屈氏体＋马氏体第113页/共182页所谓钢的淬透性是指:

钢在淬火冷却时，获得淬透层深度的能力（获得马氏体层厚度的能力）。如何定义淬透层深度：

从表层马氏体到半马氏体（50%马氏体）处的深度。

获得马氏体层的厚度越大，即淬透层深度越大，钢的淬透性越好。第114页/共182页注意：

钢的淬透性与淬硬性是两个不同的概念。淬硬性是指钢在淬火后所能获得的最大硬度值。它主要取决于含碳量，含碳量越高，淬硬性越大，但淬硬性的钢淬透性不一定好，钢的淬透性受很多因素的影响。

第115页/共182页HRCσbσ0.2AkHRCσbσ0.2Ak淬透件未淬透件二、淬透性对钢机械性能的影响

1、对机械性能的影响

将淬透性不同的两种钢制成直径相同的轴,进行淬

火+高温回火热处理（调质），其中一件完全淬透，另

一件未淬透，两者的机械性能比较见图：第116页/共182页σs/σb(RM-RQ)，HRC2、淬火不完全程度与屈强比的关系

如图，（RM-RQ）表示淬火不完全程度，HRC

RM—表示淬火最高硬度（100%马氏体硬度），HRC

RQ—表示淬火的实际硬度，HRC

(RM-RQ)越大，表示淬火不完全程度越大

可见，(RM-RQ)越大，σs/σb越小，对材料强度的利

用率越低（零件在工作中不允许出现塑性变形）。第117页/共182页σ-1100%马氏体20%马氏体3、淬火钢中马氏体含量对回火后钢的疲劳极限的影响

淬火后马氏体含量越高，回火后钢的疲劳极限越高

综上：零件截面尺寸越大，淬透性对机械性能的影响越大。第118页/共182页三、影响钢淬透性的因素

影响钢淬透性的决定因素是临界冷却速

度Vk，Vk越小，淬透性越大。

临界冷却速度与C曲线的位置有关，C曲

线越右，Vk越小。

第119页/共182页1、含碳量的影响

亚共析钢，C%↑→C曲线右移→Vk↓→淬透性↑过共析钢，C%↑→C曲线左移→Vk↑→淬透性↓碳钢中以共析钢的淬透性最好。2、合金元素的影响

除Co以外，其它合金元素都使C曲线右移，Vk↓，淬透性提高，故合金钢的淬透性大大高于碳钢。第120页/共182页3、奥氏体化温度的影响

提高温度或延长保温时间，可使

C曲线

右移，Vk↓，淬透性提高，但作用有限，因

为奥氏体晶粒会长大。第121页/共182页四、淬透性的测定方法

最常用的是末端淬火法（端淬法）测定钢的淬透性。将Ф25×100mm

的标准试样加热后对末端进行喷水冷却（水压恒定），试样末端相当于淬火零件的表面，距末端的距离越远，冷却速度越低，相当于淬火零件的内部。第122页/共182页第123页/共182页

端淬试样冷却后，沿其长度方向磨出一狭条平面，每隔一定距离测量硬度值，可以绘出淬透性曲线，对应于半马氏体的硬度点至末端的距离d，就是淬透层深度，d越大，钢的淬透性越好。

45：d=3.3mm；40Cr：d=10.5mm

第124页/共182页表示方法：J**/d

J——末端淬透性

d——至水冷端（末端）的距离，mm

**——此处的实测硬度值，HRC

J45/10-15表示距末端10-15mm处，淬火硬度为45HRC。

J42-45/10

表示距末端10mm处，淬火硬度为42-45HRC。第125页/共182页五、机械零件设计中对钢淬透性的考虑（选材）

1、重要零件，要求表面与心部机械性能一致，

应选用淬透性好的钢材。

2、对心部机械性能要求不高的零件，可选用

淬透性低的钢材（便宜）。

3、焊接件，不能采用淬透性高的钢材。防止

焊缝出现淬火组织→脆、裂纹。第126页/共182页4、小尺寸试样的性能数据，不能用于大尺寸工

件的强度计算。

5、淬透性低的大尺寸零件，淬火应安排在切削

加工之后进行。

6、碳钢的淬透性很低，设计大尺寸零件时，应

采用正火工艺代替调质处理，以防止淬不透。

二者的性能相差不大，但成本相差很大第127页/共182页第七节

钢的回火一、回火的概念

将淬火钢件重新加热到A1以下某一温

度，经保温，冷却到室温的操作，称为回火。第128页/共182页二、回火的目的

淬火后钢的组织为马氏体、残余奥氏体、

过共析钢还有少量渗碳体，而马氏体组织硬

度高，脆性大，组织不稳定，且淬火后钢件

存在较大的内应力，易导致钢件变形、开裂，

故淬火后应及时进行回火。

通过回火，马氏体、残余奥氏体可转变

为比较稳定的组织，内应力也被消除，组织

脆性降低，零件尺寸稳定。第129页/共182页三、淬火钢回火时组织与性能的变化（一）马氏体的分解

从室温到200℃左右范围内回火时，马氏体中一部分过饱和的碳以及细小的ε-碳化物（FexC或Fe2.4C）形式析出，并分布在马氏体基体上，使马氏体中的含碳

量下降，体心正方的正方度c/a

减小（即过饱和程度降低），使马氏体的脆性下降，硬度稍降。第130页/共182页此时组织为：

过饱和程度稍低的马氏体和极细小的

ε-碳化物组成的混合组织，称为“回火马氏

体组织”，M回。

ε-碳化物：是一非平衡相，使向Fe3C转变

的过渡相。

第131页/共182页（二）残余奥氏体的转变

约在

200-300℃，马氏体继续分解的同时，残余奥氏体也发生转变，变成了下贝氏体组织。此时主要组织仍是回火马氏体，但由于加热温度较高，马氏体的过饱和程度进一步降低，组织的硬度降低，塑性提高。由于残余奥氏体转变为硬度较高的下贝氏体，因此钢的硬度下降不大。

此时组织为

“回火马氏体+下贝氏体”。第132页/共182页（三）渗碳体形成和铁素体恢复

约在300-400℃之间，α固溶体中过饱和

的碳逐渐析出，ε-碳化物转变为稳定的较小

的Fe3C颗粒，α固溶体中的含碳量几乎达到

平衡成分，故马氏体变成铁素体（c/a≈1），

体心正方晶格变成体心立方晶格。

此时组织为：

“铁素体与弥散在其中的细粒状渗碳体的混合

物”,

称为

“回火屈氏体”，T回。

第133页/共182页（四）渗碳体的聚集长大和铁素体的再结晶

约在400-650℃

之间，渗碳体不断聚集长

大，内应力与晶格歪扭完全消除，组织是由铁

素体和球化的渗碳体所组成的混合物，称为“回

火索氏体”，S回。

此时，碳固溶强化作用消失，强度取决于

Fe3C质点的尺寸和弥散度。回火温度越高，渗

碳体质点越大，弥散度越低，强度越低。第134页/共182页

回火索氏体组织具有良好的综合机械性能，即强、韧兼备。回火组织较正火组织具有较高的强度、韧性。

若继续升温到650℃以上，渗碳体继续粗化，组织变为强度更低的球状珠光体组织，综合机械性能下降，一般不用。第135页/共182页四、回火的分类

低温回火：150-250℃组织为M回硬度：HRC58-64

中温回火：350-500℃组织为T回硬度：HRC35-45

高温回火：500-650℃组织为S回硬度：HRC23-35

淬火+低温回火→工具、量具、轴承等，提高硬度、耐

磨性

淬火+中温回火→各种弹簧，提高σs/σb

淬火+高温回火→调质，轴、齿轮、交变载荷零件，综

合机械性能

第136页/共182页注：

在250-350℃范围内回火很少使用，因为在此温度范围内，从马氏体中析出的ε碳化物呈细片状，从而引起钢的脆性，称为低温回火脆性。

当温度超过350℃，ε碳化物转变为颗粒状的Fe3C，钢的韧性恢复。第137页/共182页其它回火：

①某些高合金钢在640-680℃进行回火软化。

②某些精密零件（如量具），为了保持淬火

后的高硬度，又要保持尺寸稳定性，仅在

100-150℃进行长时间回火（10-50h），

称为“尺寸稳定处理”或

“时效处理”。第138页/共182页第八节

钢的表面淬火

承受交变载荷、冲击载荷的零件，表面比心部承受较高的应力，且表面由于受到磨损、腐蚀等，故零件表面失效较快，需进行表面强化，使零件表面具有较高的强度、硬度、耐磨性、疲劳极限、耐腐蚀性；而心部仍保持足够的塑性、韧性，防止脆断，即具有“外硬内韧”组织。

第139页/共182页一、表面淬火的概念

表面淬火是通过对钢件表面快速加热与立即冷却相结合，在零件表面获得淬火马氏体层的热处理方法。

快速加热使钢表面很快达到淬火温度，迅速冷却使热量不能传递到零件中心，这样零件表面被淬成马氏体组织，而心部仍为未淬火组织，从而获得“外硬内韧”组织。第140页/共182页二、表面淬火用钢

表面淬火用钢的含碳量以

0.40%-0.50%

为宜(中碳钢),

因为含碳量太高,尽管表面淬硬

性增大,

但心部塑性降低;

而含碳量太低,尽管

心部塑、韧性提高,

但表层淬火硬度不足。

（这也是物理热处理的局限性：简单但作用有限）

第141页/共182页三、表面淬火的分类

根据加热方式的不同，表面淬火可分为：

①

感应加热表面淬火

②

火焰加热表面淬火

③

电接触加热表面淬火

④

激光加热表面淬火

⑤

等离子体加热表面淬火

工业上使用最多的是

①②第142页/共182页四、感应加热表面淬火

通过使零件表面产生一定频率的感

应电流，将零件表面迅速加热到淬火温

度，然后迅速喷水冷却的一种表面淬火

方法。

第143页/共182页1、感应加热的原理

零件放在感应器（空心铜管绕成）中，感应器中通以中频或高频交流电（500-300000Hz）以产生交变磁场，于是零件表面就有感应产生同频率的感应电流。

这种感应电流在零件表层电流密度很大，离开表层则很快衰减，零件内部感应电流几乎为零━集肤效应，且频率越高，电流集中层越浅。第144页/共182页

由于零件本身存在电阻，因此集中于表层的电流，可使零件表层迅速被加热，在几秒钟内升温到

800-1000℃，而心部温度接近室温，经迅速喷水淬火冷却，使零件表层淬硬，心部仍保持较好的塑性、韧性。第145页/共182页2、感应加热频率的选用

感应电流集中层的厚度取决于电流频

率，频率越高，集中层越薄，即淬透层越

薄，因此可通过控制电流频率来控制淬硬

层深度，非常方便。

高频加热：100-500KHz，常用200-300KHz

中频加热：500-10000Hz,常用2500-8000Hz

工频加热：50Hz

第146页/共182页3、感应加热表面淬火的特点

优点：

①加热速度极大，使珠光体转变为奥氏体的转变温

度升高，转变时间极短（不需保温），转变速度

极快。

②淬火后，可使零件表层获得极细的“隐晶马氏体”

组织，零件表层具有比普通淬火稍高的硬度（高

2-3HRC），较低的脆性，较高的疲劳强度。

③零件不易氧化、脱碳，且变形小。

④零件淬硬层深度易于控制，操作易实现自动化，生

产率高。第147页/共182页缺点：

设备投资大，只适用于外形简单的零件，形状复杂的零件，感应器不易制造。4、表面淬火的预热处理

为了保证淬火质量，改善零件心部机械性能，表面淬火前，可进行正火或调质预热处理。

对心部机械性能要求不高的零件，可进行正火预热处理；对心部机械性能要求高的零件，可进行调质预热处理。第148页/共182页五、火焰加热表面淬火

用氧-乙炔、氧-煤气混合气体燃烧产生的火焰，喷射在零件表面，使之快速升温，当温度达到淬火温度时，迅速喷水冷却，从而获得表面淬硬层的淬火方法。

火焰加热表面淬火的淬硬层一般为2～6mm，若要获得更深的淬硬层，则会引起零件表面过热，且易淬裂。第149页/共182页第150页/共182页优点：简单，不需特殊设备，操作灵活，尤适合

局部表面淬火。缺点：生产效率低，淬火质量不稳定，表面易过

热。第151页/共182页六、等离子体加热表面淬火

等离子体：气体放电过程中所形成的有关

离子的集合体。

等离子体加热表面淬火，能耗低，效率高，

设备便宜，是激光加热表面淬火的替代技术。

第152页/共182页

前述热处理，都属于物理热处理，简单而有效，这是这种古老技术目前仍广泛使用的原因。

由于没有改变材料的化学成分，因此其作用是有限的。

例如：表面淬火→中碳钢。

第153页/共182页第九节

钢的化学热处理

表面淬火，钢材的合适含C量为0.4～0.5%。由于表层性能与心部性能矛盾——“外硬内韧”，只能选用中碳钢来制作，虽然既照顾了“外硬”，又兼顾了“内韧”，但“外硬”与“内韧”的水平都不高。第154页/共182页

要解决这一问题，可以采用化学热处理的方法。

化学热处理与物理热处理最大的区别是前者改变了钢的化学成分。一、化学热处理及分类第155页/共182页1、化学热处理

将零件置于一定介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入零件表层，以改变表层的化学成分和组织，从而使零件表层具有所需的特殊性能。第156页/共182页2、分类

按渗入元素的不同，化学热处理分为：

渗碳、氮化、碳氮共渗、渗金属（钒、铌…）。3、化学热处理进行的必要条件a、材料本身对欲渗的活性原子具有一定的溶解

度，或具有与活性原子形成化合物的能力。b、渗入的原子必须具有化学活性和较大的扩散

能力。第157页/共182页4、化学热处理的基本过程

a、将钢材和介质加热到高温，以提高对活性

原子的溶解度，提高活性原子扩散能力；

同时介质在高温下分解，产生活性原子。

b、活性原子被钢吸收，并由表及里扩散，在

表层（扩散层）形成固溶体或化合物第158页/共182页二、钢的渗碳1、渗碳：是向钢表层渗入碳原子的过程。2、渗碳目的：

提高钢表层的含碳量，经热处理后，

使表层具有高硬度，高耐磨性，而心部

仍保持一定的强度，较高的塑、韧性。

第159页/共182页3、渗碳钢材：

采用低碳钢，低碳合金钢

（零件心部塑、韧性很好）

如：15、20、20Cr、20CrMnTi4、渗碳工艺的分类

按所用渗碳介质的不同，分为：气体渗

碳、固体渗碳、液体渗碳、等离子体渗碳。第160页/共182页5、气体渗碳a、原理：

900～950℃

CH4[C]+2H2

2CO[C]+CO2

CO+H2[C]+H2O

活性[C]溶入高温奥氏体（面心立方），然后向内部扩散。第161页/共182页b、影响渗碳过程的因素①加热温度

加热温度越高，渗碳速度越大，扩散层厚度越大；但温度过高，会引起晶粒长大，零件变形严重。一般为Ac3+50～80℃，即：

900～950℃。第162页/共182页②保温时间

保温时间越长，获得的渗碳层厚度越大，但达到一定厚度后，渗碳层的厚度随时间的延长变化不大。c、渗碳后的热处理零件渗碳后，应进行热处理“淬火+低温回火”第163页/共182页热处理组织：表面为:回火马氏体M回+粒状渗碳体

（过共析钢），HRC58～62。心部组织根据钢的淬透性：

低碳钢20：F+PHRC10～15

低合金钢20CrMnTi: