机械加工基础与技能实训 课件 第三章 钢的热处理

第五章钢的热处理

将固态金属或合金（固态钢件）通过加热、保温和冷却的工艺方法，使合金（钢件）的内部组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。什么叫热处理？为什么要热处理？

改变零件或毛坯的内部组织和力学性能，而不改变其形状和尺寸。（1）提高钢的力学性能（2）改善钢的工艺性能热处理的理论依据：铁碳相图热处理方法热处理普通热处理表面热处理特殊热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理火焰加热感应加热(高、中、低频)渗碳氮化碳氮共渗其他形变真空其他第一节钢在加热时的组织转变

固态相变同样需要一定的过冷度（降温）或过热度（升温），因此，加热转变实际发生温度在平衡临界点之上，而冷却转变的实际发生温度在平衡临界点之下。Ac1、Ac3、、Accm为升温引起的奥氏体化温度上移线；

Ar1、Ar3和Arcm则为降温时奥氏体分解温度的下移线；

A1、A3、Acm、为平衡条件下合金获得奥氏体的温度线。第一节钢在加热时的组织转变任何成分的碳钢加热到AC1点以上时，其组织都要发生珠光体向奥氏体的转变，这种转变称为奥氏体化。一、奥氏体的形成以共析钢(Wc＝0.77%)为例，共析钢在室温下的组织为层片珠光体，在加热到Ac1以上，其将转变为A，奥氏体化过程。这一过程是形核与长大过程

。晶格转变；Fe、C原子的扩散。一、奥氏体的形成奥氏体晶核的形成；

在铁素体与渗碳体的相界面上形成。奥氏体的长大；3.残余渗碳体的溶解；4.奥氏体成分均匀化。亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是有先共析相。其奥氏体的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变，然后再进行先共析相的溶解。这个P→A的转变过程同共析钢相同，也是经过前面的四个阶段。亚共析钢的加热过程：过共析钢的加热过程：

二、奥氏体的形成速度

共析钢加热到Ac1点以上某一温度，奥氏体并不是立即出现，而是需要保温一定时间才开始形成，这段时间称为孕育期。因为形成奥氏体晶核需要原子的扩散，扩散需要一定时间。

随着温度的升高，原子扩散速度加快，孕育期缩短。

加热温度愈高，

原始组织愈细小，奥氏体形成速度愈快。三、奥氏体晶粒大小及其影响因素（一）奥氏体的晶粒度晶粒度分8级，如下图（二）影响奥氏体晶粒长大的因素

奥氏体晶粒长大的过程是奥氏体晶界迁移的过程，其实质是原子在晶界附近的扩散过程。所以一切影响原子扩散迁移过程的因素都能影响奥氏体晶粒的长大。

１．加热温度随加热温度升高，奥氏体晶粒急剧长大;

２．保温时间随保温时间的延长，晶粒不断长大;

３．加热速度加热速度愈大，奥氏体转变时的过热度愈大，奥氏体的实际形成温度愈高，奥氏体的形核率大于长大速率，因此获得细小的起始晶粒。奥氏体晶粒均匀细小，热处理后钢的力学性能提高。粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响第二节钢在非平衡冷却时的转变不完全符合Fe－Fe3C相图所反映的规律。

过冷奥氏体：经奥氏体化的钢快速冷却至Ar1点以下，处于不稳定状态还未进行转变的奥氏体，称为过冷奥氏体。过冷奥氏体冷却到室温，有两种方式：等温冷却：将钢迅速过冷到临界点(Ar1)以下某一温度，使奥氏体保持在该温度下进行等温转变。连续冷却：将钢以某一固定速度不停顿地冷却(到室温)，使奥氏体在连续降温的过程中转变。等温冷却：TTT曲线（Temperature－Time—Transformation）：在某一温度下A转变量与时间的关系的曲线。连续冷却：CCT曲线（ContinuousCoolingTransformation）：在连续冷却过程中，A转变量与时间的关系曲线。冷却方式σb（MPa）σs（MPa）δ（%）HRC随炉冷却53028032.515～18空气中冷却670～72034015～1818～24油中冷却90062018～2040～50水中冷却11007207～852～60表5-145钢在不同冷却速度时的力学性能

一、过冷奥氏体等温转变曲线1、过冷奥氏体等温转变曲线的建立

图5－5共析碳钢TTT曲线建立方法示意图

过冷奥氏体等温转变曲线常用金相法来测定。它是将若干组奥氏体化的共析碳钢薄片快速冷却到A１线以下不同温度（如720℃、700℃、650℃、600℃……）的等温浴槽中保温，然后测定各个不同温度下过冷奥氏体转变开始的时间和转变终止的时间，如图5－5。由于曲线的形状与“C”字相似，故共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线又简称“C”曲线图5-6共析碳钢C曲线及转变产物2、C曲线的特征（右下图为共析钢的C曲线）（1）在A1线温度以上，奥氏体稳定区，不会发生转变。（2）在A1线以下，C曲线以左区域为过冷奥氏体区，转变终了线以右的区域为转变产物区，两条线之间为转变过渡区。（3）由纵坐标轴到转变开始线之间的水平距离表示过冷奥氏体等温转变前所经历的时间，称为“孕育期”。不同温度下等温转变对应的孕育期不同，在C曲线“鼻尖”处的孕育期最短。（4）Ms为马氏体转变开始线，Mf为马氏体转变终了线，两线之间为奥氏体＋马氏体两相混合区。A1550230-50二、过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能

转变类型1、高温转变（珠光体型转变）过冷奥氏体在A1到550℃温度范围内转变为珠光体，在转变过程中铁原子和碳原子都可进行扩散，故珠光体型转变属于扩散型相变。过冷奥氏体在550℃~Ms点温度范围内等温保温时，将转变为贝氏体组织，用符号B表示。由于过冷度较大，转变温度稍低，贝氏体转变时只发生碳原子扩散，铁原子不扩散，因此，贝氏体转变为半扩散型转变。2、中温转变（贝氏体型转变）3、低温转变（马氏体型转变）如果将奥氏体以极大的冷却速度快冷到Ms以下，使其冷却曲线不与C曲线相遇，则将发生马氏体型转变。

1、高温转变（珠光体型转变）组织名称符号转变温度(℃)相组成转变类型特征HRCσb（MPa）珠光体型珠光体PA1～650F+Fe3C扩散型（铁原子和碳原子都扩散）片层间距＝0.6～0.8μm，500×可分辨10～201000索氏体S650～600片层间距＝0.25～0.4μm，1000×可分辨，又称细珠光体25～301200托氏体T600～550片层间距＝0.1～0.2μm，2000×可分辨，又称极细珠光体30～401400表5-2共析碳钢三种珠光体型组织珠光体索氏体屈氏体2、中温转变（贝氏体型转变）半扩散相变(550～230℃)550～350℃形成上贝氏体，组织为过饱和片状F＋渗碳体，呈羽毛状，性脆无实用价值。350～230℃形成下贝氏体，组织为过饱和针状F＋弥散碳化物，呈针片状，综合性能好。上贝氏体显微组织实例性能特点：通常上贝氏体中的Fe3C粗大，较脆，且韧性低，工业生产中的机械零件应避免获得这种组织。下贝氏体显微组织实例性能特点：下贝氏体有较高的强度和硬度，还有较好的韧性，即有较好的综合力学性能。在生产实际中这是一种常用的状态。3、马氏体转变的特点及组织形态

形成：奥氏体急冷至Ms（约230℃）线以下，过冷度极大，相变驱动力极大，奥氏体极快地由fcc

变成bcc（），碳原子来不及扩散，形成碳在α–Fe中的过饱和间隙固溶体，即马氏体。马氏体转变是非扩散形转变（1）马氏体转变是非扩散型转变（2）奥氏体向马氏体转变无孕育期；（3）马氏体形成速度极快，接近声速；（4）奥氏体转变成马氏体后，钢件的体积会产生约1%的膨胀，形成很大的内应力；（5）奥氏体转变为马氏体具有不彻底性，钢中会有部分残余奥氏体存在，残余奥氏体量随奥氏体含碳量的增加而增多。

转变特点马氏体的形态

决定于奥氏体的含碳量：

C＞1.0wt%：形成针片状马氏体M针；

C＜0.2wt%:形成板条状马氏体M板条；

0.2wt%＜C＜1.0wt%:形成混合马氏体。板条马氏体的形态（低C马氏体）马氏体内有大量位错，也称为“位错马氏体”性能：具有较高的强度和韧性，即良好的综合力学性能。一个A晶粒内可形成几个不同位向的M群针片状马氏体的形态（高C马氏体）不管是板条马氏体还是片状马氏体，都具有相当高的硬度强度和耐磨性，其原因是：C在

-Fe中的过饱和固溶→晶格畸变→固溶强化→高硬度。在一个原奥氏体晶粒中，首先形成一个贯穿整个晶粒的马氏体片，以后形成的马氏体片存在于马氏体和奥氏体之间或马氏体片之间。最后的三角区为残余奥氏体。马氏体中有大量孪晶，也称“孪晶马氏体”性能：片状马氏体具有高的硬度和强度，但塑性和韧性很低。三、过冷奥氏体连续冷却转变曲线

实际热处理生产中，钢被加热后的冷却方式大多采用连续冷却，此时过冷奥氏体的转变是在不断的降温过程中完成的。图5-12是用膨胀法测得的共析碳钢连续冷却转变曲线，也称为连续冷却Ｃ曲线，根据英文字头，又称为CCT曲线。CCT曲线

Continuous、

Cooling、

Transformation1、连续冷却C曲线只有上半部分，而没有下半部分，这就是说共析碳钢在连续冷却时，只发生珠光转变和马氏体转变，而没有贝氏体转变。2、连续冷却C曲线珠光体转变区有三条曲线构成：Ps线为A→P转变开始线；Pf线为A→P转变终了线；K线为A→P转变中止线，它表示当冷却曲线碰到K线时，过冷奥氏体就不再发生珠光体转变，而一直保留到Ms点以下转变为马氏体。三、过冷奥氏体连续冷却转变曲线

由于过冷奥氏体连续冷却C曲线的测定比较困难，因此用等温冷却Ｃ曲线来定性地、近似地分析连续冷却的转变过程。图5-13在C曲线上估计连续冷却后过冷奥氏体的转变产物冷却速度大小的顺序：

冷却速度Vk与C曲线鼻尖相切，是保证过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解而全部过冷到马氏体区的最小冷却速度，称为马氏体临界冷却速度，用Vk表示。

第三节钢的常用热处理工艺

热处理工艺一般分为预先热处理和最终热处理。预先热处理是为了消除或改善前道工序引起的某些缺陷，为最终热处理做准备。退火和正火是零件预先热处理的主要方式。在某些情况下，若零件经退火或正火后已满足要求，这时的退火和正火工艺就作为最终热处理。一、钢的退火和正火退火：将钢加热保温，然后随炉冷却或埋入灰中缓慢冷却。退火目的：1、退火细化晶粒，改善组织，提高钢的塑性和韧性；降低钢的硬度，提高切削性能；消除、减少内应力，稳定尺寸；消除阻止缺陷，使成分均匀化，为下一道热处理工序（如淬火）作准备。第三节钢的常用热处理工艺退火种类：

表5-3退火和正火的热处理工艺热处理名称热处理工艺热处理后的组织应用场合目的完全退火将亚共析碳钢加热到Ac3以上30～50℃，保温，随炉缓冷到600℃以下，出炉空冷铁素体＋珠光体用于亚共析碳钢和合金钢的铸、锻件细化晶粒，消除内应力，降低硬度以便于随后的切削加工。等温退火将奥氏体化后的钢快冷至珠光体形成温度，等温保温，使过冷奥氏体转变为珠光体，空冷至室温。铁素体＋珠光体用于奥氏体比较稳定的合金钢与完全退火相同，但所需时间可缩短一半，且组织也较均匀表5-3退火和正火的热处理工艺（续）热处理名称热处理工艺热处理后的组织应用场合目的球化退火将过共析碳钢加热到Ac1以上20～30℃，保温2～4h，使片状渗碳体发生不完全溶解断开成细小的链状或点状，形成均匀的颗粒状渗碳体铁素体基体上均匀分布的粒状渗碳体组织---球状珠光体用于共析钢、过共析钢和合金工具钢降低硬度、改善切削加工性能；获得均匀组织，为以后的淬火作组织准备均匀化退火将工件加热到Ac3或Accm以上150-300℃，保温10～15h，随炉缓冷到350℃，再出炉空冷。工件经均匀化退火后，奥氏体晶粒十分粗大，必须进行一次完全退火或正火来细化晶粒，消除过热缺陷用于高质量要求的优质高合金钢的铸锭和成分偏析严重的合金钢铸件高温长时间保温，使原子充分扩散，消除晶内偏析，使成分均匀化去应力退火将工件随炉缓慢加热到500～650℃，保温，随炉缓慢冷却至200℃出炉空冷组织无变化用于铸件、锻件、焊接件、冷冲压件及机加工件消除残余内应力，提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂

T10钢球化退火组织(化染)500

2、正火方法：加热到Ac3或Accm以上30～50℃保温，在空气中冷却。目的：细化晶粒，并使组织均匀化，提高低碳钢工件的硬度和切削加工性能；消除过共析钢中的网状碳化物，为后续热处理做组织准备。退火与正火的主要区别：正火的冷却速度比退火稍快些应用范围:1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬度;消除过共析钢中的Fe3CⅡ。2.最终热处理:用于力学性能要求不高的普通零件。3、正火与退火的选择图5-14几种退火和正火的加热温度范围及工艺曲线示意图3、正火与退火的选择（1）从使用性能上考虑：（2）从切削加工性上考虑：低碳钢用正火，高碳钢和工具钢采用退火（3）从作用上考虑：过共析钢在球化退火之前往往要先进行一次正火，以抑制网状二次渗碳体的形成。（4）从经济上考虑优先选用正火

淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上，保温一定时间后快速冷却（大于临界冷却速度），以获得马氏体组织的热处理工艺。

淬火钢得到的组织主要是马氏体（或下贝氏体），其目的是提高钢的硬度、强度和耐磨性。

二、钢的淬火图5-15碳钢的淬火加热温度范围二、钢的淬火（一）加热温度和淬火组织●亚共析钢：Ac3+30~50℃

保温时组织：A

淬火组织：M+A’（少量）●共析、过共析钢：Ac1+30~50℃

保温时组织：A+Fe3C（粒）淬火组织：

M+A’（少量）+Fe3C（粒）

粒状的Fe3C可以提高淬火组织的耐磨性。（二）淬火加热时间τ＝αKD式中：τ－加热时间（min）；α－加热系数（min/mm）K－装炉修正系数；D－工件有效厚度（mm）淬火加热缺陷：过热、过烧或表面氧化、脱碳等

过热是指工件在淬火加热时，由于温度过高或时间过长，造成奥氏体晶粒粗大的现象。使马氏体粗大，引起脆断、淬火裂纹。

纠正过热工件：进行细化晶粒的退火或正火。

过烧是指工件在淬火加热时，温度过高，使奥氏体晶界发生氧化或出现局部熔化的现象，过烧的工件无法补救，只得报废。

表面氧化、脱碳：工件与加热介质相互作用。（三）淬火冷却介质１．理想淬火冷却速度

理想冷却速度快慢慢图5-16钢的理想淬火冷却速度淬火介质决定了冷却速度→淬火后的组织。理想的淬火介质应达到的两个要求：（1）足够高的冷却速度；得到尽可能多的马氏体。（2）防止零件变形、开裂，在绕过“鼻尖”部后，应减缓冷却速度所以理想的冷却速度如图所示，开始冷却缓慢，在快要发生组织转变时快冷，随后再慢冷让马氏体转变慢慢的进行。2.常用淬火介质

水：淬火冷却能力较强，冷却特性不理想，用于尺寸较小的碳钢零件；盐水：冷却能力很强（水的10倍），用于淬透性较差的碳钢零件；矿物油：冷却速度比水小很多，常用于淬透性较高的合金钢，或尺寸小，形状复杂的碳钢件。硝盐浴和碱浴：冷却能力介于水和油之间，适用于截面不大，形状复杂，变形要求严格的碳素工具钢和合金钢，分级淬火、等温淬火等。（四）淬火方法１．单液淬火２．双液淬火法３．分级淬火４．等温淬火

图5-17钢的常用淬火方法单液淬火：直冷，简单易操作。双液淬火：先快后慢，降低组织应力。分级淬火：快-恒-快，降低热应力与组织应力。等温淬火：得到B下（工模具、弹簧）。局部淬火：量具等的局部区域。冷处理：-70～-80℃，降低A残%，稳定尺寸。卡规局部淬火特点（五）钢的淬透性１、淬透性指钢在一定条件下淬火后，获得淬硬层深度的能力。一般规定，由钢的表面至内部马氏体组织量占50%处的距离称为淬硬性深度。在热处理生产中常用临界淬透直径（心部能淬透的最大直径）来衡量淬透性的大小。

表5－6列出部分常用钢材的临界淬透直径。

淬硬性是指钢淬火后形成的马氏体组织所能达到的最高硬度，它主要取决于马氏体中的含碳量，合金元素的含量对淬硬性影响不大。2、影响淬透性的因素

主要取决于临界冷却速度Vk，临界冷却速度越小，淬透性越好。（1）化学成分大多数合金元素（除Co外）都能显著提高钢的淬透性。共析钢的淬透性最好（2）加热温度及保温时间提高奥氏体化温度和延长保温时间，会使奥氏体成分均匀，晶粒粗大，过冷奥氏体稳定性增加，临界冷却速度减小，淬透性提高。三、钢的回火回火：将淬火钢重新加热到A1以下某一温度，保温后冷却下来的一种热处理工艺。回火的目的：消除淬火内应力，降低脆性，稳定工件的尺寸；调整硬度，提高塑韧性，获得工件最终所需要的力学性能。（一）淬火钢在回火时的转变钢淬火后组织：马氏体+少量残余奥氏体(不稳定非平衡组织)

阶段转变特征马氏体分解100～200℃以ε相（Fe2.4C）的形式析出残余奥氏体分解200～300℃马氏体继续分解，残余奥氏体转变成下贝氏体回火托氏体(屈氏体）的形成250～400℃马氏体分解结束，α相转变为铁素体。在铁素体基体上分布着细颗粒状渗碳体的混合物组织，称为回火托氏体

渗碳体聚集长大和铁素体再结晶

400℃以上弥散分布的渗碳体长大成颗粒状，同铁素体发生再结晶，失去淬火马氏体的板条状或片状形态，而成为等轴多边形态，此时铁素体和渗碳体的混合物称为回火索氏体1.马氏体的分解（100～200℃）

回火马氏体 回火时马氏体中过饱和的碳以ε相（Fe2.4C）的形式析出，过饱和α相含碳量下降。

低过饱和α＋ε碳化物

回火马氏体2．残余奥氏体的分解（200～300℃）

马氏体继续分解，残余奥氏体转变成下贝氏体。

组织：回火马氏体＋下贝氏体

（一）淬火钢在回火时的转变3．回火托氏体(屈氏体)的形成（250～400℃） 马氏体分解结束，α相转变为铁素体。过渡碳化物ε相（Fe2.4C）转变成稳定渗碳体，形成了在铁素体基体上分布着细颗粒状渗碳体的混合物组织，称为回火托氏体。

F＋Fe3C（弥散分布）→回火托氏体4．渗碳体聚集长大和铁素体再结晶（回火索氏体的形成）（

400℃以上） 弥散分布的渗碳体长大成颗粒状，同时铁素体发生再结晶，失去淬火马氏体的板条状或片状形态，而成为等轴多边形态，此时铁素体和渗碳体的混合物称为回火索氏体

组织：等轴晶F＋颗粒状Fe3C→回火索氏体

（一）淬火钢在回火时的转变回火组织实例回火马氏体组织金相图回火托氏体组织金相图回火索氏体组织金相图（二）回火的分类及应用回火种类回火温度回火产物低温回火150～250℃回火马氏体，硬度58～62HRC中温回火350～500℃回火托氏体，硬度35～45HRC高温回火500～650℃回火索氏体，硬度25～35HRC1）低温回火回火温度为150－200℃，组织：回火马氏体，

性能：高硬度，58－62HRC，高耐磨性。应用：刃具、量具、冷作模具、滚动轴承和渗碳工件2）中温回火回火温度为350－500℃

组织：回火托氏体

性能：具有较高的弹性极限和屈强比，冲击韧性。应用：弹簧钢等弹性零件和热锻模如刀杆、轴套等。（二）回火的分类及应用（二）回火的分类及应用3）高温回火回火温度为500－650℃组织：回火索氏体，性能：具有良好的综合力学性能。应用：主要用于重要结构零件，特别是交变载荷下的结构零件，如各种轴、连杆、齿轮等。调质处理：工业上通常将淬火与高温回火相结合的热处理工艺称为调质处理。调质处理调质处理：工业上通常将淬火与高温回火相结合的热处理工艺称为调质处理。表5-745钢（Φ20mm～Φ40mm）调质与正火处理后力学性能的比较热处理状态σb（MPa）δ（%）αk（J）HBS组织正火700～80015～2040～64163～220索氏体(片状)调质750～85020～2564～96210～250回火索氏体(颗粒状)（三）回火脆性图5-19钢的回火脆性示意图低温回火脆性（第一类），250℃～350℃，析出薄片状碳化物引起的，不可消除。高稳回火脆性（第二类），450℃～600℃，冷却速度较慢引起，可消除，可逆回火脆性。一般情况下，回火温度升高，硬度、强度下降；塑性、韧性提高。回火脆性：在回火过程中出现韧性下降的现象称为回火脆性,主要是由于碳化物析出和长大所致。第四节钢的表面热处理工艺为什么要进行表面热处理许多零件（齿轮，轴承等）需要表面具有高硬度，高耐磨性，而心部具有好的塑韧性，表面淬火即可达到这一要求。表面淬火是只对工件表层进行淬火的工艺。一、钢的表面淬火淬火工艺：将钢件表面迅速加热到奥氏体化后，急冷使表面层形成马氏体。而心部组织不发生变化，这样表面具有强硬特征而心部保持好的韧性。用于表面淬火用钢大多为低C或中C钢（即为亚共析钢）。一、钢的表面淬火方法1、感应加热表面淬火

将工件置于交变磁场中，在工件上有感应电流，由于电流的集肤效应，电流集中于表层，大的电流产生的热量使温度迅速升高至AC1（共析）或AC3（亚共析）或Acm（过共析）以上，发生奥氏体化，然后迅速置于水中或喷水冷却，达到表层淬硬的结果。

感应功率越大，电流频率越高，淬硬层越浅。感应加热表面淬火淬火件的质量好，表面硬度高于普通淬火硬度，工件变形小；不易氧化及脱碳，淬火层容易控制；生产率高；不适于复杂形状零件和小批量生产。主要适用于中碳钢和中碳低合金钢2、火焰加热表面淬火乙炔-氧火焰设备简单,操作方便,成本低；淬火质量不稳定；适用于中碳钢、中碳合金钢及铸铁的单件小批量生产以及大型零件（如大型轴类、模数齿轮等）的表面淬火。硬化层深度2～6mm。二、钢的化学热处理注意：表面淬火是通过改变表面的组织来提高表面性能；

化学热处理是通过改变表面的化学成分来提高表面性能。化学热处理：是指将材料置于一定的化学介质中加热、保温，使介质中一种或几种元素的原子渗入工件表层，以改变工件表层化学成分（进而改变组织结构），来获得心部和表层具有不同性能的热处理工艺。

二、钢的化学热处理化学热处理的基本过程:分解：化学介质在高温下分解释放出渗入元素的活性原子。

2CO→CO2+〔C〕吸收：活性原子被零件表面吸收和溶解。扩散：吸收渗入的原子向内部扩散，形成一定的扩散层。种类：渗C（形成Fe3C或C固溶），（弥散强化＋固溶强化）渗N（Fe（N）固溶），（固溶强化）C－N共渗（弥散强化＋固溶强化）(一)、钢的渗碳

向钢的表层渗入活性碳原子，增加零件表层含碳量并得到一定渗碳层深度的化学热处