金属材料及热处理课件

材料性能的认识**1.使用性能：在使用条件下所表现的性能力学性能(强度、硬度、塑性、韧性等)；物理性能（光、电、磁等）；化学性能(抗氧化性、抗腐蚀性等)；其它性能(耐磨性、热硬性、消振性等)；2、工艺性能：材料制备、加工过程中所表现的性能铸造性能（流动性、收缩、偏析等)；压力加工性能、冷加工性能、锻造性能等；切削加工性；焊接性；热处理性能；等等材料性能包含使用性能与工艺性能两方面：*一、强度与塑性1.强度—材料在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力，材料的强度用拉伸试验测定。§1.1材料的力学性能

图1-2低碳钢的应力应变曲线*强度指标：金属材料的强度是用应力来表示的，单位面积上的内力称为应力，用σ表示。常用的强度指标有：弹性极限

σe：是指材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力。单位为MPa(N/mm2)

。屈服强度σs：材料在产生屈服现象的最小应力。对于拉伸曲线上没有屈服平台的材料(脆性材料—铸铁)，此时将屈服强度定义为产生0.2%残余伸长时的应力(即变形量为试样长度的0.2%，如图1-3所示)，记s0.2。抗拉强度σb：材料在断裂前所承受的最大工程应力。图1-3铸铁应力应变曲线2.塑性—指金属材料在静载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。评定材料塑性的指标通常是伸长率和断面收缩率。*伸长率δ：试样拉断后标距的增长量与原始标距长度之比;

δ=(L1-L0)/L0×100%断面收缩率ψ：试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比。

ψ=(A0-A1)/A0×100%

金属材料的塑性好坏，对零件的加工和使用有十分重要的意义。例如，低碳钢的塑性较好，故可以进行压力加工，普通铸铁的塑性差，因而不能进行压力加工，只能进行铸造。同时由于材料具有一定的塑性，故能够保证材料不致因稍有超载就突然破断，这就增加了材料使用的安全可靠性。*二、硬度材料抵抗另一硬物压入其内的能力，即金属表面上局部体积内抵抗弹性变形、塑性变形或抵抗破坏的能力。是衡量材料软硬程度的指标。1.布氏硬度(HB)—较软材料：有色金属、灰口铸铁等。

测定原理：一定直径的淬火钢球或硬质合金球在一定的载荷作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径，计算硬度值。用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示。用HBS(淬火钢球)或HBW(硬质合金钢球)表示。图1-4布氏硬度试验原理示意图*布氏硬度试验的优缺点：优点：试验时使用的压头直径较大，在试样表面上留下压痕也较大，测得的硬度值也较准确。缺点：对金属表面的损伤较大，不易测试太薄工件的硬度，也不适于测定成品件的硬度。

在进行布氏硬度试验时，钢球直径D、施加的试验力F和试验力保持时间应根据被测试金属的种类和试样厚度，按布氏硬度试验规范正确选择(见教材表1-1)。在试验条件允许时，应尽量选用直径为10mm的球体作压头。选用的F/D2比值不同时布氏硬度值不能直接比较。*2.洛氏硬度(HR)—硬度中等：钢铁材料测定原理：以顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为φ1.588mm的淬火钢球作压头，在先施加初始试验力F1(98N),再加上主试验力F2的作用下压入金属表面。卸去F2后，仍保留初试验力F1，测量其残余压入深度h3，用h3和h1只差h来计算洛氏硬度值。适合测量的材料：HRA：硬质合金；HRC:

淬火钢(应用最多)HRB:

低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁图1-5洛氏硬度实验原理示意图*洛氏硬度试验的优缺点：优点：操作简单迅速，效率高，直接从指示器上可读出硬度值；压痕小，故可直接测量成品或较薄工件的硬度；可测量高硬度薄层和深层材料。缺点：由于压痕小，测得的数值不够准确，通常要在试样不同部位测定四次以上，取其平均值为该材料的硬度值。*3.维氏硬度(HV)——较硬材测定原理：与布氏硬度相同，不同点是压头为金刚石正棱角锥。所测定的硬度值比布氏、洛氏精确，压入深度浅，适于测定经表面处理零件的表面层的硬度。F↓维氏硬度试验的优缺点：优点：与布氏、洛氏试验比较，维氏硬度试验不存在试验力于压头直径有一定比例关系的约束；不存在压头变形问题；测量数据精确可靠，误差较小。缺点：其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查表确定，故效率不如洛氏硬度试验高。图1-6维氏硬度实验原理图*三、冲击韧性1.冲击吸收功

当加载速度极快时，不能用静载荷下的σs、σb作失效判据。必须考虑所用材料的冲击韧性。冲击韧性：指材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力。冲击载荷：指加载速度很快而作用时间很短的突发性载荷。冲击功：指试样在冲击力一次作用下折断时所吸收的功，用Ak表示。冲击韧度：指试样缺口处单位横截面面积A上的冲击功，用αk表示。即αk＝Ak/A

冲击功Ak越大，材料的韧性越好，把冲击功低的材料称为脆性材料，高的称为韧性材料。*图1-7一次摆锤冲击试验原理示意图(a)试样放在试验机上；(b)摆锤由h1升高到h2高度目前最常用的冲击试验方法是摆锤式一次冲击试验。*2.小能量多次冲击试验图1-8小能量多次冲击测试的原理图1-冲头;2-试样;3-支承架;4-橡胶传动轴

实践证明，金属材料受大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主要取决于冲击韧度的大小，而在小能量多次冲击条件下，其冲击抗力主要取决于材料的强度和塑性。*四、疲劳强度

1.疲劳现象轴、齿轮、轴承、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力)。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为疲劳断裂。*

2.疲劳强度材料承受的交变应力σ与材料断裂前承受交变应力的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。金属承受的交变应力越大，则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时，试样可以经受无限周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳极限(疲劳强度)，即不至引起断裂的最大应力称为疲劳极限，用σ-1表示。一般规定钢铁材料循环次数取107次，有色金属及其合金循环次数取108次。图1-9疲劳曲线示意图§1.2材料的其他性能*一、材料的物理化学性能1.材料的物理性能密度：单位体积物质的质量称为该物质的密度；熔点：金属从固态向液态转变时的温度称为熔点，纯金属都有固定的熔点；导热性：导热性通常用热导率来衡量!热导率的符号是λ，单位是W/m·K，热导率越大，导热性越好。导电性：传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量，电阻率的单位是Ω•m，电阻率越小，金属材料导电性越好，金属导电性以银为最好；铜、铝次之；热膨胀性：金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性，热膨胀性用线胀系数αL或体胀系数αV来表示。磁性：金属材料可分为铁磁性材料、顺磁性材料、和抗磁性材料三类。*2.材料的化学性能

金属材料的化学性能是指材料抵抗其周围介质侵蚀的能力，主要包括耐蚀性和抗氧化性等。金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称化学稳定性；在高温下的化学稳定性称为热稳定性。*二、金属的工艺性能

工艺性能是指金属材料制备、加工过程中所表现的性能，是反应材料对不同加工工艺方法的适应能力。主要包括铸造性能、压力加工性能、切削加工性、焊接性和热处理性能等。1.铸造性能

金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能，衡量铸造性能的主要指标有流动性，收缩性和偏析倾向等。流动性—熔融金属的流动能力称为流动性；收缩性—铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩性；偏析倾向—金属凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。*2.压力加工性能

从理论上讲，压力加工性能是指金属材料在冷热状态下塑性变形的能力"即热锻和冷冲压时变形的能力；从加工方法上可用压力加工时获得优良压制件的难易程度来衡量压力加工性能；压力加工性能包括充填模具所需要的固体流动性，对模壁的摩擦阻力对氧化起皮的抗力，热裂趋势，冷变形时的硬化趋势，不均匀变形，产生折皱的趋势等。3.焊接性能

焊接性能是指金属材料对焊接加工的适应性，主要包括焊接性、熔接合金成分的改变、吸气性及氧化性、内应力及冷热开裂倾向等。*4.切削加工性能

切削加工金属材料的难易程度称为切削加工性能，切削加工性能一般用工件切削后的表面粗糙度及刀具寿命等方面来衡量。影响切削加工性能的因素主要有工件的化学成分，组织状态，硬度，塑性，导热性和形变强化等。5.热处理性能

热处理性能是指金属材料对热处理工艺的适应性，即通过对金属材料的热处理，改善或提高金属材料的物理，化学性能和力学性能。热处理性能包括淬硬性，淬透性，淬火变形趋势，表面氧化及脱碳趋势，导热率，回火脆性等。

金属材料结构的认识§2.1金属材料晶体结构一、晶体与非晶体根据原子在物质内部的排列方式不同，可将固态物质分为晶体和非晶体两大类。1、晶体内部质点按一定的几何规律呈周期性规则排列的物质称为晶体。有固定的熔点（如铁为1538℃，铜为1083℃，铝为660℃）；一般具有规则的外形；在不同的方向上具有不同的性能，即表现出晶体的各向异性。2、非晶体及其特性内部质点无规则的堆积在一起的物质称为非晶体。与晶体相反，没有固定的熔点；表现出各向同性。晶体与非晶体在一定条件下可互相转化。如：玻璃、沥青、松香等。

二、纯金属的晶体结构1.晶体结构的基本知识晶格—假设原子为刚性小球，利用假想的几何线条连接起来构成一个空间格架，这种抽象的，用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架就叫晶格。晶胞—晶体中原子排列具有周期性，最小的能够完全反映晶格特征的几何单元称为晶胞。晶格常数—晶胞的三个互相垂直的棱边长度a、b、c及三棱边夹角α、β、γ称为晶格常数。(a)原子堆垛模型(b)晶格(c)晶胞图2-1简单立方晶格与晶胞示意图2.常见的金属晶格类型

由于金属键没有方向性和饱和性，结合对象的选择性不强，所以金属原子结合在一起总是趋于结合得最紧凑和最密集的排列方式。常见的有面心立方、体心立方和密排六方晶格。(1)体心立方晶格(α－Fe、Cr、V、Mo、W等)

图2-2体心立方晶格晶胞AEFCa2a3a

晶体结构特征分析：点阵参数：a=b=cα=β=γ=90°；晶胞中原子数：N=1+8×1/8=2个；原子半径：r=。图2-3体心立方晶格半径的求解示意图(2)面心立方结构(γ－Fe、Al、Cu、Au、Ag等)图2-4面心立方晶格晶胞面心立方晶体结构特征：点阵参数：a=b=cα=β=γ；晶胞原子数：N=3+1=4；原子半径：r=a/4。(3)密排六方结构(Zn、Mg、Be、α-Ti、α-Co等)

图2-5密排六方晶格晶胞晶体结构特征：点阵参数：a1=a2=a3=a，α1=α2=α3=120°；平面轴X1、X2、X3和Z轴的夹角=90°，Z轴的单位长度=c，用a、c两个量来度量；晶胞原子数：N=12×1/6+2×1/2+3=6；原子半径r=a/2。三、实际晶体中的缺陷

晶体中各个晶粒的原子排列虽然相同，每个晶体都是各项异性的，但每个晶粒原子排列的位向是不同的，是任意分布的，各个方向相互补充和抵消，掩盖了每个晶粒的各项异性。因此，多晶体为各向同性，称为“伪各向同性”。晶体内部的晶格位向是完全一致的晶体，这样的晶体称为单晶体。实际使用的工业金属材料是由许多晶粒组成的多晶体；晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。图2-6各晶粒位向示意图

实际晶体中，原子排列不完整，偏离理想分布的结构区域称为晶体的缺陷。这种局部存在的晶体缺陷，对金属的性能影响很大。晶体缺陷按尺寸可分为：点缺陷、线缺陷、面缺陷。1.点缺陷空位：晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位。间隙原子：某个晶格间隙挤进了原子，称为间隙原子。置换原子：材料中总存在一些其它元素的杂质，它们可以形成间隙原子，也可能取代原来的原子位置，称为置换原子。空位间隙原子置换原子图2-7晶体结构中的点缺陷点缺陷对晶体的影响：结构上：造成晶格畸变。性能上：强度↑，电阻↑；塑性↓，韧性↓。空位和间隙原子不是固定不变的，可以运动，这种运动是化学热处理时原子扩散的重要方式。2.线缺陷晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象叫做位错。通常位错分为两种：一种是刃型位错，一种是螺型位错。

刃型位错：在晶体的某一水平面上，多出一个半原子面，这个半原子面如同刀刃一样插入晶体，称为刃型位错，用符号┴表示。如图2-8。螺型位错:晶体上下两部分的原子排列面在某些区域相互吻合的次序发生错动，使不吻合的过渡区域原子排列呈螺旋形，称为螺型位错，如图2-9。图2-9螺型位错┴图2-8刃型位错3.面缺陷面缺陷主要是指晶界与亚晶界。晶界晶界

图2-10晶界

图2-11金属中的亚晶组织§2.2纯金属的结晶一、纯金属结晶过程结晶：原子由不规则排列的液态逐步过渡到规则的晶体状态的过程称为结晶。

1.过冷现象金属在无限缓慢冷却条件下(即平衡条件下)所测得的结晶温度T0称为理论结晶温度。但在实际生产中，金属由液态结晶为固态时冷却速度都是相当快的，金属总是要在理论结晶温度T0以下的某一温度Tn才开始进行结晶，温度Tn称为实际结晶温度。实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象称为过冷现象。即△T=T0－Tn

，△T称为过冷度。实际金属总是在过冷情况下进行结晶的，所以过冷是金属结晶的一个必要条件。

图2-12热分析法测定金属的冷却曲线

结晶温度通常采用热分析法测量，即先将金属熔化，并使温度均匀，然后以极慢的速度冷却，记录下温度随时间的变化曲线，称为冷却曲线，如图2-12。由于金属在结晶过程中，释放的结晶潜热补偿了外界散失的热量，使温度并不随冷却时间的增加而下降，直到金属结晶终了后，已没有结晶潜热补偿散失的热量，故温度又重新下降。2.纯金属的结晶过程(形核和长大)图2-13金属的结晶过程示意图

结晶过程总是从形成一些极小的晶体开始，这些细小晶体称为晶核。随着温度下降，液体中的原子不断向晶核聚集，使晶核不断长大；同时液体中会不断有新的晶核形成并长大，直到各晶粒之间相互接触、液体完全消失为止。所以，结晶的基本过程是形核与长大过程。

形核方式分为：自发形核(均匀形核)

指在一定得过冷条件下，仅依靠本身的原子有规则排列而形成晶核，称为自发形核。实际铸造生产中，这种形核现象很少。非自发形核(非均质形核)

通常金属液中总是存在着各种固态杂质微粒，依附在这些杂质表面很容易形成晶核，这种形核过程称为非自发形核。晶核的长大：晶核形成后，随后便是长大。晶核长大的实质，就是原子由液体向固体表面的转移。二、晶粒大小的控制1.增加过冷度

过冷度的增大，生核率和长大速度都增大，前者的增大更快，使晶粒细化。可以提高冷却速度。图2-14过冷度对形核率N和长大速度G的影响2.变质处理

在结晶前往液体中加入细小的某种物质，以增加形核率或降低长大速度，从而细化晶粒的方法称为变质处理。3.振动搅拌

可使正在生长的晶体破碎而细化，增加形核率。§2.3合金的形成一、合金、相和组织的基本概念合金：由两种以上的金属和非金属熔合（或烧结）在一起而具有金属特性的物质称为合金。组元：组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。合金系：给定组元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，构成一个合金系。如：二元合金、三元合金；也可由构成元素来命名，如铁碳合金。相：指金属或合金中结构、化学成分和性能相同且与其他部分由明显界面分开的均匀组成部分。包括固溶体、金属化合物及纯物质(如石墨)。固态金属一般是一个相，而合金可能是几个相。组织：指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。

根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金可分为固溶体和金属化合物两大类。1.固溶体合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。间隙固溶体：溶质原子填入溶剂晶格的空隙位置所形成的固溶体。条件：溶质半径小。置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点所形成的固溶体。条件：原子半径接近；晶格结构相同；周期表位置临近。二、合金形成相结构的方式

图2-15固溶体(a)间隙固溶体(b)置换固溶体按固溶度分类有限固溶体—溶质原子在固溶体中的浓度有一定的限度，超过这个限度就不再溶解，这个限度称为固溶度。无限固溶体—溶质原子能以任意比例溶入溶剂，固溶度可达到100%。

固溶体中随着溶质原子的加入，强度、硬度升高，塑性、韧性降低的现象称之为固溶强化—金属材料的主要强化手段或途径之一。固溶强化的特点：溶质与溶剂原子相差越大，溶质原子浓度越高，所引起的晶格畸变越大，固溶强化效果越大；间隙原子的强化效果比置换原子的大。因为间隙原子引起的点阵畸变大。综合机械性能好。适当控制溶质含量，不仅可以显著提高材料强硬度，而且材料的塑韧性不会明显降低。2.金属化合物金属化合物是指合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相。金属化合物的晶格类型与组成它的组元的晶格类型完全不同，一般比较复杂，而且它的性能也不同于组成它的组元，通常金属化合物均具有高的熔点、硬度和脆性，因此不能直接使用。金属化合物存在于合金中一般起强化作用，使合金的强度、硬度、耐磨性及耐热性提高，但塑性和韧性有所降低。因此，金属化合物是金属材料中不可缺少的强化相。

二元合金相图的建立§3.1二元合金相图

合金的结晶过程较为复杂，通常运用合金相图来分析合金的结晶过程。

相图是描述系统的状态、温度及成分之间关系的一种图解，又称为状态图。利用相图可以知道不同成分的材料在不同温度下存在哪些相、各相的相对量、成分及温度变化时所可能发生的变化。相图在生产中，可以作为制定金属材料熔炼、铸造、锻造和热处理等工艺规程的重要依据；图中的每一点表示一定成分的合金在一定温度时的稳定相状态。

测定二元相图最常用的方法是热分析法。

①

配制一系列不同成分的Cu—Ni合金：取几个点：100%Cu、

20%Ni+80%Cu、40%Ni+60%Cu、

60%Ni+40%Cu

、80%Ni+20%Cu、100%Ni②

用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线（温度-时间）。③

找出合金冷却曲线上的临界点。④

把各临界点画在温度—成分图上，连成光滑曲线，填上相区，即为二元合金相图。

连接各相同意义的点，所得的线称为相界线。图3-1Cu-Ni合金相图的建立1.相图分析

A点为纯铜的熔点，B点为纯镍的熔点。A1B为液相线，液相线以上为液相区，用L表示；A3B为固相线，固相线以下为固相区，用α表示；液相线与固相线之间为两相区，用L+α表示。

一、均晶相图的建立

(L—α固溶体)均晶相图—两组元在液态和固态下以任何比例均可相互溶解，即在固态下能形成无限固溶体时，其相图属于均晶相图。如：Cu-Ni、Fe-Cr、Cu-Au等。(a)Cu-Ni合金相图(b)冷却时的结晶图3-2Cu-Ni合金相图及冷却时的结晶2.合金结晶过程分析平衡结晶是指合金在极缓慢的冷却条件下进行的结晶过程。和纯金属不同，合金是在一定温度范围内结晶的，随着温度降低，固相的量不断增多，液相的量不断减少。同时，液相的成分沿液相线变化、固相的成分沿固相线变化。3.枝晶偏析实际生产条件下，冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体，先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多。在一个晶粒内化学成分的分布不均称为枝晶偏析。可通过扩散退火消除。图3-3Cu-Ni合金铸件的枝晶偏析4.杠杆定律用来计算二元相图中两相平衡状态下平衡相的相对质量。杠杆的支点是两个相的平均质量分数(合金的成分点)，端点分别是两个相的成分点。图3-4杠杆定律的应用图例二、共晶相图的建立(L—A+B)共晶相图—凡是二元合金系中两组元在液态能完全互溶，而在固态有限溶解或不溶解，并发生共晶转变的相图。共晶转变—一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶转变。所生成的两相机械混合物叫共晶体。1、相图分析ⅣtAE—固相线L析出αtBE—固相线L析出βMF—Sn在α相中的溶解度线

NG—Pb在β相中的溶解度线

MEN—三相共存线图3-5Pb-Sn合金相图2.合金结晶过程分析合金Ⅰ（M点以左的合金）室温组织应为：α固溶体+βⅡ固溶体。室温时的α与βⅡ的相对量：

1以上1~22~33以下图3-6WSn<19%Sn-Pb合金的平衡结晶过程示意图

合金Ⅱ(E点的合金)称为共晶合金室温组织应为：

α相与β相的机械化合物(共晶相)。αM与βN的相对量，可用杠杆定律计算如下：()%1001´-=MNWWabENMNME%100×=NWb%,100×=MMNWa或共晶组织示意图Pb-Sn共晶合金图3-7WSn=61.9%Sn-Pb合金合金Ⅲ（M，E点间的合金）亚共晶合金其显微组织为：初晶α+次生βⅡ+（α+β）共晶合金成分愈接近共晶成分，组织中共晶体(α+β)量越多，而初晶α量愈少。Pb-Sn亚共晶合金的显微组织图3-8Pb-Sn亚共晶合金合金IV（E，N点间的合金）过共晶合金其显微组织为：初晶β+次生αⅡ+(α+β)共晶合金成分愈接近共晶成分，组织中共晶体(α+β)量越多，而初晶β量愈少。过共晶合金结晶示意图Pb-Sn过共晶合金的显微组织图3-9Pb-Sn过共晶合金3.密度偏析概念：亚共晶或过共晶合金结晶时，初晶的密度与剩余液相的密度相差很大，则初晶将上浮或下沉,使最后凝固的合金出现上、下部成分不同，这种现象称为密度偏析。影响：降低合金的使用与加工性能。处理方法：热处理不能消除或减轻密度偏析，只能控制成分或在凝固时采取措施。如：增加冷却速度、搅拌液体金属或加入某种物质形成骨架，以阻止初晶相上浮或下沉。§3.2铁碳二元合金相图1538℃1394℃912℃L→δ－Fe→γ－Fe→α－Fe

体心立方面心立方体心立方

——纯铁在冷却中经历两次同素异构转变一、铁碳合金的基本相1.纯铁及其同素异构转变

金属在固态下随着温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的过程称为同素异构转变。所得的不同晶格的晶体称为同素异构体。如：Fe、Co、Ti、Mn等金属。纯铁(工业纯铁)的性能：强度低硬度低塑性好铁磁性很少作结构材料。770℃磁性转变点(居里点)有磁性无磁性

同素异构转变是重结晶过程，遵循结晶的一般规律：有一定的转变温度；形核+长大；需要△T；有结晶潜热。图3-102.铁碳合金中的相及其性能铁素体(α或F)—钢中基体相定义:C在体心立方α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体；但C在α-Fe中的溶解度极小:0.0008%(20℃)~0.0218%(727℃)

性能:强硬度低(50HBS~80HBS)，塑韧性好(ψ：70%~80%；αk=160J)770℃以下具有铁磁性，770℃以上则失去铁磁性。奥氏体(γ或A)定义：C在面心立方γ－Fe中的间隙固溶体称为奥氏体。溶碳量较大：0.77%(727℃)~2.11%(1148℃)性能:强硬度较低；塑性较好,变形抗力较低,易于锻压成形;非铁磁性相。渗碳体(Fe3C)

定义：Fe与C形成的金属化合物，含碳量6.69%，性能：硬度高：800HB，无塑性：δ=0;ψ=0;αk=0

弱的铁磁性(<230℃)——硬脆组织，强化相。渗碳体具有复杂的晶格，是铁碳合金的重要强化相；在铁碳合金中的形态可呈片状、粒状、网状、板条状。形态与分布对钢的性能有很大的影响。渗碳体是一种亚稳定化合物，在一定条件下会全部或部分地分解为铁和石墨(石墨化)。LL+AAF+AA+Fe3CF+Fe3CFδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.008H二、铁碳二元合金相图图3-11Fe-Fe3C相图

由于铁碳相图左上角的包晶转变对常用材料性能影响不大，常将Fe-Fe3C相图左上角部分简化，简化后的相图如下图所示。图3-12简化后的Fe-Fe3C相图符号温度/℃wc×100含义A15380纯铁的熔点B14950.53包晶转变时液态合金的成分C11484.30共晶点D12276.69Fe3C的熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69Fe3C的成分G9120α-Fe→γ-Fe同素异构转变点H14950.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶点K7276.69Fe3C的成分N13940γ-Fe→δ-Fe同素异构转变点P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点Q600（室温）0.0057(0.0008)600℃（或室温）时碳在α-Fe中的溶解度表3.1相图中各点的温度、含碳量及含义1.相图中的点2.相图中的线液相线(ABCD):其上体系为液相，(结晶时液相的成分变化线)固相线(AHJECF)：其下为固相，(结晶时固相的成分变化线)表示恒温转变的线：

HJB线(包晶转变)，ECF线(共晶转变)，PSK线(共析转变)固溶度线：

ES：碳在奥氏体中的溶解度随温度的变化线

(温度

，溶解度

)；（0.77%--2.11%）

PQ：碳在铁素体中的溶解度随温度的变化线

(温度

，溶解度

)(0.0008%—0.0218%)3.典型合金的平衡结晶及组织按含碳量和组织的不同，铁碳合金分为三类，即工业纯铁、碳钢和白口铸铁。共析钢图3-13共析钢平衡相变过程示意图727℃时发生共析转变：

AS→(αP＋Fe3C)=P珠光体的性能：硬度和强度较高：HBS180，σ750MPA，塑性也较好δ=20~25%白色为铁素体基体，

黑色线条为渗碳体图3-14T8钢退火组织P相组成物F和Fe3C的相对含量可以由杠杆定律来计算：亚共析钢常温下的组织构成：F+P相构成：F+Fe3C图3-15亚共析钢平衡相变过程示意图60钢退火组织P+F20钢退火组织P+F黑色部分为珠光体，白色基体为铁素体图3-16亚共析钢的显微组织两种组织的相对含量用杠杆定律计算：假设Wc=0.20%过共析钢常温下的组织构成：Fe3CII＋P相构成：F+Fe3C图3-17过共析钢平衡相变过程示意图图3-18过共析钢组织图黑色为珠光体，白色为二次渗碳体两种组织的相对含量用杠杆定律计算：假设Wc=1.3%共晶白口铸铁

工业上常用的铸铁是亚共晶白口铸铁，而共晶和过共晶白口铸铁很少使用，一般仅作为炼钢原料。图3-19共晶白口铸铁平衡相变过程示意图1148℃发生共晶转变

LC→AE+Fe3C=Ld(高温莱氏体)室温组织：低温萊氏体—L’d(P+Fe3C＋Fe3CⅡ)图3-20共晶白口铸铁的显微组织白色为共晶渗碳体黑色点条状为珠光体组织二次渗碳体难以分辨组织构成：P+L‘d+Fe3CⅡ亚共晶白口铸铁图3-21亚共晶白口铸铁平衡相变过程示意图图3-22亚共晶白口铸铁的显微组织

黑色枝状晶体为珠光体，基体中黑白相间的为低温莱氏体室温组织构成：Fe3CⅠ+L‘d过共晶白口铸铁’图3-23过共晶白口铸铁的结晶示意图及显微组织

钢的热处理基础一、热处理的概念

将固态金属或合金在一定介质中加热到一定温度，保温一定时间，以一定速度冷却下来，以改变其内部组织和结构，获得所需性能的一种工艺称为热处理。

热处理不仅可用于强化钢材，提高机械零件的使用性能，而且还可以用于改善钢材的工艺性能。其共同点是：只改变内部组织结构，不改变表面形状和尺寸。

热处理归属材料加工工程领域。

二、热处理的作用

在机床、汽车、矿山、石油、化工、航空等行业中用的大量零部件都需要通过热处理工艺改善其性能。在机床制造中，约60~70%的零件要经过热处理，在汽车、拖拉机制造中，需要热处理的零件多大70~80%；而加工模具及滚动轴承，则要100%进行热处理。

总之，凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能使用。三、热处理的基本要素

热处理工艺中有三大基本要素：加热、保温、冷却。这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。

加热是热处理的第一道工序。不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。加热分为两种，一种是在临界点A1(钢的共析线)以下的加热，此时不发生组织变化。另一种是在A1以上的加热，目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。

保温的目的是要保证工件烧透。保温时间和介质的选择与工件和材质有直接的关系。一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。

冷却是热处理的最终工序，也是热处理最重要的工序。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。四、热处理的基本类型根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同，热处理可以分为：常用钢的热处理普通热处理退火正火淬火回火表面热处理表面淬火感应加热表面淬火火焰加热表面淬火化学热处理渗碳渗氮碳氮共渗及其他§4.1钢在加热时的组织转变一、铁碳相图和临界点平衡状态临界点：A1，Ar，Ac冷却时的临界点：Ar1，Ar3，Arcm加热时的临界点：Ac1，Ac3，Accm过热：加热时高于合金相图临界温度才发生相变的现象称为过热。过冷：冷却时低于合金相图临界温度才发生相变的现象称为过冷。图4-1钢加热和冷却时各临界点二、钢在加热时的组织转变（以共析钢为例）

钢加热时形成的奥氏体的化学成分、均匀性、晶粒大小等都对钢的冷却转变产物的组织和性能产生重要的影响。因此，研究钢在加热时奥氏体的形成过程具有重要的意义。(a)(b)(c)(d)图4-2共析钢的奥氏体形成过程示意图

共析钢加热到727°C（A1)以上，珠光体转变成奥氏体。包括四个阶段。奥氏体形核奥氏体核长大残余渗碳体溶解奥氏体成分均匀化(一)奥氏体的形成

1.奥氏体的形核

P(Ｆ+Fe3C)→A0.0218%C6.69%C0.77%C

体心立方复杂斜方面心立方

奥氏体晶核在铁素体和渗碳体相界面处较易形成，其原因为：(1)在铁素体和渗碳体两相界面处，碳原子浓度最容易达到0.77%，获得形成奥氏体晶核所需的碳浓度；(2)在铁素体和渗碳体两相界面处，原子排列不规则，原子偏离平衡位置处于畸变状态，具有较高能量。2.奥氏体晶体的长大奥氏体晶核长大是依靠珠光体中铁素体向奥氏体转变和渗碳体不断溶入奥氏体而进行的，即奥氏体的相界向着铁素体和渗碳体这两个方向同时推移的过程。3.残余渗碳体的溶解当铁素体全部转变成奥氏体后，组织中还有一部分残余渗碳体存在，随着保温时间的延长，残余渗碳体不断溶入奥氏体中。4.奥氏体成分均匀化奥氏体转变刚结束，成分是不均匀的，须保温一段时间，通过碳原子的扩散等到成分均匀的奥氏体组织，以便在冷却后得到良好的组织与性能。5.亚(过)共析钢中奥氏体的形成(二)影响奥氏体转变的因素1.加热温度：加热温度越高，铁、碳原子扩散速度越快，加速了奥氏体的形成。

2.加热速度：加热速度越快，转变开始温度越高，转变终了温度也越高，完成转变所需时间越短，即奥氏体转变速度越快。

3.钢的原始组织：钢的成分相同，其原始组织越细、相界面越多，奥氏体的形成速度就越快。

亚共析钢和过共析钢加热时奥氏体的形成过程，基本上与共析钢相同。分别加热到A3、Acm点以上，才能获得成分均与的奥氏体。1、奥氏体晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的一种尺度，在研究奥氏体晶粒时，首先要区分三种晶粒度的概念。

(1)初始晶粒度：是指在临界温度以上，奥氏体转变刚刚完成，其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。

(2)实际晶粒度：是指在某一具体加热或热加工条件下最终所得的奥氏体晶粒尺寸。三、奥氏体晶粒长大及其影响因素(3)本质晶粒度：是根据冶金部标准YB27-64规定，将钢加热到930±10℃，保温3~8小时后，以适当方式冷却，在室温下测定的高温奥氏体晶粒大小。它表示各种钢奥氏体晶粒的长大趋势。晶粒容易长大的称为本质粗晶粒钢，晶粒不容易长大的称为本质细晶粒钢。图4-3

本质粗晶粒钢与本质细晶粒钢奥氏体晶粒长大示意图

奥氏体大小用奥氏体晶粒度来表示，标准晶粒度分为10级，1~4级为粗晶粒，5~10级称为细晶粒。2.影响奥氏体晶粒长大的因素(1)加热温度和保温时间随加热温度升高晶粒将逐渐长大。温度越高或在一定温度下保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。因此，必须严格控制加热温度和保温时间。(2)加热速度在相同的加热温度下，加热速度越快，过热度越大，形核率越高，起始晶粒度越小；另外，加热速度快，则加热时间就短，晶粒越来不及长大。(3)钢中合金元素的含量大多数合金元素均能不同程度地阻碍奥氏体晶粒长大。等温冷却：将奥氏体急冷到临界点以下某一温度保温，让其发生恒温转变，然后再冷却下来。右图折线2所示；连续冷却：从高温奥氏体状态一直连续冷却到室温。右图折线1所示。§4.2钢在冷却时的组织转变图4-4

当温度在A1以上时，奥氏体是稳定的，但当温度降到A1以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体是不稳定的，会转变为其它的组织，钢在冷却时的转变，实质上是过冷奥氏体的转变。

生产中采用的冷却方式包括：连续冷却和等温冷却两种。一、过冷奥氏体的等温转变1.等温转变曲线的建立将奥氏体迅速冷至临界温度以下的一定温度，并在此温度下进行等温，在等温过程中所发生的相变称为过冷奥氏体等温转变。

将若干共析碳钢小试样加热到奥氏体状态，保温一定时间后迅速冷却到A1点以下不同温度，例如700℃、650℃、600℃等等,随后在各温度下等温，每经过一定时间取出一个试样立即淬入水中。然后，用金相-硬度法确定在给定温度下经一定时间等温后转变产物的类型和转变百分数，将结果绘制成曲线，即为过冷奥氏体等温转变曲线，简称TTT曲线或C曲线。TimeTemperatureTransformation图4-5

共析碳钢的C曲线由图可以看出：(1)在各不同温度下过冷奥氏体等温分解需要一段准备时间，称为孕育期。(2)当等温温度从A1点逐渐降低时，相变的孕育期逐渐减短，转变速度加快；温度下降到某一温度时，孕育期最短，转变速度最快，通常把此处称为C曲线的鼻部或拐点；温度再降低，孕育期反而增长，转变速度减慢。(3)对于碳钢，在其C曲线鼻部以上为过冷奥氏体高温转变区，生成珠光体；在鼻部以下至Ms点之间为中温转变区，生成贝氏体；在Ms点以下为低温转变区，生成马氏体。2.过冷奥氏体等温转变产物的组织形态与性能(1)珠光体转变区(7270C---5500C)

产物：珠光体7270C---6500C：珠光体片层较粗，P（珠光体）6500C---6000C：珠光体层片较细，S（索氏体）(高倍显微镜)6000C--5600C：珠光体层片极细，T(托氏体)(电子显微镜)层片变细，强度硬度增加，塑性韧性有所下降。

珠光体的铁素体和渗碳体层片粗细与转变温度有关。温度越低，珠光体的层片越细。托图4-6(2)贝氏体转变区B转变温度：550—Ms（240℃

）产物：贝氏体贝氏体：由过饱和铁素体和渗碳体组成的混合物。贝氏体的形状和性能：（与等温温度有关）550--350℃:贝氏体呈羽毛状，称为上贝氏体，记为B上,碳化物呈较粗的片状平行分布于铁素体板条间;350--Ms(240℃)：贝氏体呈针叶状，称之为下贝氏体，记为B下，碳化物呈细小颗粒状或短杆状均匀地分布在铁素体内。上贝氏体的形貌下贝氏体的形貌上贝氏体的硬度高，塑性、韧性差，脆性较大，不用。

下贝氏体高强度、硬度、塑性韧性较好。工业中应用于中碳钢和中碳合金钢制造的零件中。图4-7图4-83.影响C曲线的因素(1)碳的质量分数在正常加热条件下，Wc<0.77%时，随和含碳量的增加，C曲线右移；而当Wc>0.77%时，随着含碳量的增加，C曲线左移。故碳钢中共析钢过冷奥氏体最稳定。

C曲线的形状也发生了改变，亚共析钢和过共析钢的C曲线多一条先共析相析出线。亚共析钢形成先共析铁素体，过共析钢形成先共析渗碳体。随着奥氏体中碳含量的增加，Ms点及Mf点降低。(2)合金元素除钴外，所有合金元素溶入奥氏体后均能增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。(3)加热温度和保温时间加热温度越高，保温时间越长，奥氏体成分越均匀，晶粒越粗大，晶界面积越少，可使过冷奥氏体稳定性提高，C曲线右移。图4-9亚共析钢(0.54%C)过冷奥氏体等温转变图图4-10过共析钢(1.13%C)过冷奥氏体等温转变图

将若干共析碳钢小试样在规定的温度奥氏体化后，以不同的速度连续冷却。在冷却中途的不同时期(即不同温度)分别取出一组试样用盐水急冷，以终止其中的分解转变过程。然后观察金相组织并测定硬度，以确定在各种冷速下连续冷却时的转变开始点和终了点。将这些点画在温度-时间坐标系中，并将转变开始点与终了点各自分别连在一起，绘成连续冷却转变图，简称CCT曲线。ContinuousCoolingTransformation二、过冷奥氏体的连续冷却转变图中CC′线为转变中止线；Ps-珠光体转变开始线；Pf-珠光体转变终了线；Ms-马氏体转变开始线；Mf-马氏体转变终了线。vk是使全部过冷奥氏体都不发生分解，而被过冷到Ms点以下发生马氏体转变的最小冷却速度，称为上临界冷却速度，通常也叫临界冷却速度或临界淬火速度；vk’是过冷奥氏体全部转变为珠光体的最大冷速，称为下临界冷却速度。图4-11共析碳钢连续冷却转变图水冷—M油冷—M+T空冷—S炉冷—P三、C曲线与CCT曲线的区别连续冷却转变曲线位于等温转变曲线的右下方，这说明在连续冷却转变过程中过冷奥氏体的转变温度低于相应的等温转变时的温度，且孕育期较长。等温转变的产物为单一的组织。而连续冷却转变时在一个温度范围内进行的，获得的组织不均匀，先转变的组织较粗，后转变的组织较细。在连续冷却时不发生贝氏体转变。四、马氏体转变转变温度：Ms（230°C）－Mf产物：马氏体M马氏体：碳在a--Fe中形成的过饱和固溶体，具有体心正方结构。形貌：低碳马氏体：板条马氏体；高碳马氏体：针状马氏体。性能特点：硬而脆，且随Wc的增加而增加。必须经过回火才能使用。回火后：高碳马氏体具有高强度高硬度、高耐磨性。低碳马氏体具有好的综合性能。高碳马氏体低碳马氏体图4-12马氏体形状应用高碳马氏体用于高硬度高耐磨性的零件，如车刀、铣刀等。低碳马氏体用于综合性能好的零件，如发动机连杆螺栓、缸盖螺栓，石油钻井的吊环、吊钳等。

钢的整体热处理

冶炼→铸造

↑工艺性能预备热处理↑使用性能最终热处理铸锭板棒型管焊接机加工冷轧冷拔深冲锻件铸件机加工零件或构件热轧→热锻→金属材料加工过程：

热处理工艺是指通过加热、保温和冷却来改变材料内部组织和结构，以获得所需性能的方法。分为退火、正火、淬火、回火及化学热处理等。二、退火的方法与应用根据钢的成分和目的不同，退火又分为完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火和去应力退火等。1.完全退火和不完全退火

完全退火又称重结晶退火。将亚共析钢加热至Ac3以上30~50℃，保温足够时间奥氏体化后，随炉缓慢冷却(或随炉冷却至500~600℃以下后空冷)，从而获得接近平衡状态的组织，这种热处理工艺称为完全退火。§5.1钢的退火

将钢加热到临界点Ac1以上或以下的一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态的组织，这种热处理工艺称为退火。一、退火的目的1.降低钢件的硬度以利于切削加工；2.消除残余应力，以防钢件变形与开裂；3.细化晶粒，改善组织，以提高钢的力学性能，并为最终热处理做准备。

完全退火的目的为：消除铸、锻件中存在的内应力，细化晶粒，降低硬度，便于切削加工。完全退火只适用于亚共析钢，不适用于过共析钢。适用范围亚共析钢、合金钢的铸、锻、热轧、焊件的预备热处理(切削加工前或热处理前的预备热处理)。

不完全退火是将亚共析钢在Ac1~Ac3之间或过共析钢在Ac1~Accm之间两相区加热，保温足够时间后缓慢冷却的热处理工艺。不完全退火的目的是：改善珠光体组织，消除内应力，降低硬度以便切削加工。亚共析钢不完全退火的温度一般为740~780℃，其优点是加热温度低，操作条件好，节省燃料和时间。2.等温退火将钢件加热至Ac3+(30~50)℃(亚共析钢)或Ac1+(20~40)℃(共析钢和过共析钢)，保温一定时间后冷却到稍低于Ar1某一温度进行等温转变，以而获得珠光体组织，然后空冷却的工艺方法称为等温退火。等温退火的目的与完全退火相同，能获得均匀的预期组织，可有效缩短退火时间。生产中常用等温退火来代替完全退火。3.球化退火

球化退火是将过共析钢加热到Ac1+(10~20)℃,保温一定时间后以适当的方式冷却使钢中的碳化物由片状变为球状，并均匀分布在铁素体基体上的热处理工艺。主要用于过共析钢及共析钢的锻轧件，是一种不完全退火。

球化退火的目的是：由片状珠光体变为粒状珠光体，可降低钢的硬度、改善切削加工性，改善组织、提高塑性。图5-1

GCr15轴承钢球化退火工艺曲线4.去应力退火去应力退火是将钢件加热到Ac1以下100~200℃，保温一定时间后缓慢随炉冷却的工艺方法。这种处理可以消除由于变形加工、机械加工、铸造、锻造、热处理及焊接所产生的残余应力。去应力退火温度通常为500~650℃，随炉缓慢冷却至200℃出炉。5.扩散退火(均匀化退火)

扩散退火是把铸锭或铸件加热到Ac3以上150~200℃(通常为1100~1200℃)，保温时间为10~15小时后随炉冷却。主要用于合金钢锭或铸件，使合金元素扩散均匀，以消除或减弱枝晶偏析。扩散退火后钢的晶粒很粗大，因此一般还要进行完全退火或正火来细化晶粒。

正火是将钢加热到Ac3或Acm以上约50~70℃，保温一定时间后，在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。正火和退火的主要区别在于前者冷却速度较快，过冷度较大，通常获得索氏体组织。§5.2钢的正火正火的目的：

(1)对于大锻件、截面较大的钢材、铸件，用正火来细化晶粒，均匀组织(如消除魏氏组织或带状组织)，为淬火处理作好组织准备，此时正火相当于退火的效果。

(2)低碳钢退火后硬度太低，切削加工中易粘刀，光洁度较差。改用正火，可提高硬度，改善切削加工性。

(3)可以作为某些中碳钢或中碳低合金钢工件的最终热处理，以代替调质处理，具有一定的综合力学性能。

(4)用于过共析纲，可消除网状二次碳化物，为球化退火作好组织上的准备。图5-2退火与正火的加热温度范围示意图

将钢加热到临界点Ac1或Ac3以上30~50℃，保温一定时间，然后在水或油等冷却介质中快速冷却，得到马氏体等不稳定组织的热处理工艺称为淬火。淬火的主要目的是：把奥氏体化工件淬成马氏体，获得所需要的力学性能。淬火是钢的最重要的热处理工艺，也是钢的主要强化方法。§5.3钢的淬火一、淬火工艺

1.淬火温度的选择淬火温度即钢的奥氏体化温度，原则是获得均匀细小的奥氏体组织。亚共析钢的淬火加热温度为：Ac3+30~50℃；过高会得到粗大的马氏体组织，过低会保留未溶铁素体，使钢的强度硬度下降。过共析钢的淬火加热温度为：Ac1+30~50℃；过高得到粗针状马氏体，引起严重变形，增大开裂倾向；过低则得不到马氏体组织。3、淬火冷却介质为了得到马氏体组织，淬火冷却速度必须大于临界冷却速度Vk。但是，冷却速度快必然产生很大的淬火内应力，这往往会引起工件变形。2.保温时间保温时间是指工件装炉后，炉温升到淬火加热温度后所需保持的时间。保温的目的是：①使工件透热，即工件整个截面都达到规定的淬火加热温度；②完成加热时的转变过程，获得所需成分的细晶粒奥氏体。生产中通常根据加热设备与工件的有效厚度确定。

钢的理想淬火方式是：只在鼻尖附近快冷，为了减少零件淬火时因快冷产生应力而开裂或变形，在鼻尖以外温度采用缓慢冷却。不过目前生产中还没有找到完全理想的淬火冷却介质。工业上最常用的冷却介质有水和油。水：主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。油：一般用作合金钢和某些小型复杂碳素钢件的淬火。图5-3钢的理想淬火冷却曲线二、常用淬火方法图5-4各种淬火方法的冷却曲线示意图(a)单液淬火(b)双液淬火(c)分级淬火(d)等温淬火1.普通淬火(单液)法将淬火零件放入到一种淬火冷却介质中，连续冷却到室温的淬火冷却方式。容易实现机械化、自动化，故广泛应用。2.双液淬火法将工件先在水中淬火，防止工件发生珠光体和贝氏体转变，待工件表面温度接近Ms点时，从水中取出，投入油中冷却，在油冷过程中发生马氏体转变，这种淬火冷却方式称为双液淬火。3.分级淬火(热浴淬火)法将奥氏体化后的高温工件迅速投入温度略高于Ms点的盐浴或碱浴中，等温停留一段时间(以不发生贝氏体转变为准)，使工件内外温度均匀，然后取出空冷，这种淬火冷却方式称为分级淬火。优点是应力小，变形小；但由于盐浴或碱浴冷却能力不大，只适宜形状复杂的小零件。4.等温淬火将奥氏体化后的高温工件迅速投入温度略高于Ms点的盐浴中，停留足够时间，使过冷奥氏体等温转变为下贝氏体，然后取出空冷，这种淬火冷却方式称为等温淬火。获得的下贝氏体具有较高的硬度、强度，同时具有良好的塑韧性。

回火是将淬火钢件加热到临界点Ac1以下的某一温度，保温一段时间(1~3h)，然后以适当方式冷却(通常是空冷)至室温，以获得所需组织和性能的热处理工艺。一、回火的主要目的(1)降低零件脆性，消除或降低内应力，以防止工件开裂和变形；(2)调整工件的内部组织和性能，以满足工件的使用要求；(3)减少或消除残余奥氏体，以稳定工件尺寸；(4)改善加工性能。§5.4钢的回火二、淬火钢在回火时发生的转变钢淬火后，得到的马氏体和参与奥氏体组织是不稳定的，存在着向稳定组织转变的自发倾向。回火加热可加速这种自发转变过程。回火可分为四个阶段：第一阶段(200℃以下):马氏体分解—回火马氏体；第二阶段(200~300℃):残余奥氏体分解；第三阶段(250~400℃):碳化物的转变—回火托氏体；第四阶段(400℃以上):渗碳体的聚集长大与α相的再结晶—回火索氏体或回火珠光体。三、回火种类及应用(1)低温回火在150~250℃之间进行，回火后组织为回火马氏体。目的是在保持高强度、高硬度的前提下，降低钢的淬火内应力，减小其脆性。主要用来处理刀具、量具、冷作模具、滚动轴承和渗碳件等。(2)中温回火在350~500℃之间进行，回火后组织为回火屈氏体。中温回火后具有最高的弹性极限和足够的韧性。主要用来处理各种弹簧，也可用于处理要求高强度的工件，如刀杆、轴套等。(3)高温回火在500~650℃之间进行，回火后组织为回火索氏体。

淬火+高温回火的热处理工艺称为调质处理。调质处理后工件既具有较高的强度，又具有良好的塑性和韧性，即具有高的综合力学性能。调质处理广泛用于要求高强度并受冲击或交变负荷的重要工件，如连杆、轴等。图5-5碳钢力学性能与回火温度的关系

钢的表面热处理§6.1表面火焰淬火

钢的表面淬火分为感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火等。一、表面火焰淬火的原理火焰加热表面淬火是一种利用乙炔—氧气或煤气—氧气混合气体的燃烧火焰“将工件表面迅速加热到淬火温度”随后以浸水和喷水方式进行冷却“使工件表层转变为马氏体而心部组织不变的工艺方法。二、表面火焰淬火的应用优点：设备简单，操作方便，成本低，工件大小不受限制，特别适用于大型工件、单件和小批量生产；缺点：淬火硬度和淬透性深度不易控制，淬火质量不稳定，常取决于操作工人的技术水平和熟练程度，生产效率低，只适合单件和小批量生产。常用于轧钢机齿轮、轧辊、矿山机械齿轮、轴、普通机床导轨、齿轮等零件。一、感应淬火的原理

将工件放在通有交变电流的感应圈内，感应圈周围的交变磁场会使工件产生频率相同、方向相反的感应电流，称为涡流。§6.2表面感应淬火

工件上产生的感应电流在工件截面上的分布是不均匀的，在工件表面电流密度最大，心部几乎没有电流通过，这种现象称为集肤效应。钢本身具有电阻，由于集肤效应，是工件表面迅速达到淬火温度而心部温度不变。二、感应加热的频率选用1)高频感应加热淬火采用电子管式高频设备，工作频率通常为200~300kHz，可获得0.5~2mm厚的硬化层，一般用于处理中小模数齿轮和小轴。2)中频感应加热淬火生产上采用机械式中频发电机组或可控硅变频器，可提供频率为1000、2500或8000Hz的电流，能获得2~10mm厚的硬化层，主要用于大模数齿轮、较大尺寸的轴、钢轨轨端及轨面全长淬火。3)工频感应加热淬火工频感应加热是采用工业上常用的50Hz工频电流，因而只需降压变压器。能获得10~20mm厚的硬化层，主要用于深层和穿透加热，如大工件的表面淬火、锻件的穿透加热等。三、感应加热表面淬火的特点

1、感应加热是靠工件表面层感应电流直接加热，因而加热效率高，加热速度快(可达1000℃/秒)，无保温过程。

2、虽然感应加热表面淬火的加热温度高，但由于加热速度快，无保温过程，故能获得细晶粒奥氏体，淬火后得隐晶马氏体，工件表面硬度高(比普通淬火高2~3HRC)，氧化、脱碳少。

3、感应加热表面淬火后，淬硬的表面层中存在很大的残余压应力，有效地提高了工件的疲劳强度。由于不是整体加热，淬火冷却时，工件的变形小。

4、感应加热表面淬火生产效率高，便于实现机械化、自动化。四、感应加热表面淬火用钢中碳钢和中碳合金钢，如40钢、45钢、40Cr、40MnB等。V表V心Vk五、钢的淬透性1.钢的淬透性和淬硬性

淬透性是指钢在淬火冷却时获得马氏体组织的能力。它是钢的固有属性，反映了钢在淬火时获得马氏体组织的难易程度。其大小通常用一定条件下淬火后钢的淬透层深度来表示。同样形状和尺寸的工件，用不同的钢材制造，在相同条件下淬火，淬透层越深，其淬透性越好。钢的淬透性主要决定于临界冷却速度。速度越小，过冷奥氏体越稳定，钢的淬透性就越好。V表V心Vk图6-3淬透层深度与冷却速度

淬硬性：钢淬火时的硬化能力，用淬成马氏体可能得到的最高硬度表示。——取决于马氏体中的C%。淬透性和淬硬性是两个概念，淬硬性好的钢，淬透性不一定好。如碳素工具钢淬火后硬度很高，但淬透性不好；某些低碳合金钢，淬硬性不高，但淬透性很好。2.淬透性测定方法1)按材料C曲线位置判定C曲线位置右移，钢的淬透性越大。2)借临界淬透直径评定钢材在某中介质中淬火后,心部得到全部马氏体或50%马氏体组织时的最大直径称为临界直径。临界直径越大,表明钢的淬透性越高。

测定方法：把被测钢制成的不同直径的圆形棒按规定条件进行淬火，然后垂直轴线截断，沿直径方向测定硬度。3)末端淬火法测定试验方法：将试样加热到规定的淬火温度后，从试样末端喷水冷却。沿试样长度方向测出各种冷却速度的不同组织与硬度，绘制出淬透性曲线。4图6-5末端淬火法示意图图6-6末端淬火法硬度曲线3.淬透性对钢力学性能的影响零件淬透后，整个截面各处性能均匀一致。而未淬透部分的组织和性能均不均匀，力学性能明显下降，使零件承受载荷的能力大大下降。图6-7淬透性对钢回火后力学性能的影响

1)钢的化学成分一般来说，在亚共析钢中，淬透性随着含碳量增加而增加；而在过共析钢中，含碳量>1.2%时，淬透性随含碳量增加而明显下降。除Co外，大多数合金元素都能显著提高钢的淬透性。

2)奥氏体化条件奥氏体化温度升高，保温时间越长，奥氏体经历粗大，成分均匀，碳化物溶解彻底，过冷奥氏体越稳定，从而提高淬透性。4.影响淬透性的因素凡能增加过冷奥氏体稳定性的因素，均能增加钢的淬透性。5.影响具体零件有效淬透深度的因素1)钢的淬透性越大，零件的有效淬透深度也越大；2)淬火介质的冷却能力越大，零件的有效淬透深度越大；3)零件的体积越大，有效淬透深度越小；4)零件不同部位和形状对冷却速度有很大的影响。5)零件表面粘附塑料、锈斑或污物，会影响冷却速度，使该处淬硬层浅。6.淬火缺陷及其防治措施1)变形与开裂—淬火时零件中引起的内应力是造成变形和开裂的根本原因。2)氧化和脱碳—钢在氧化介质中加热时，氧原子与零件表面或晶界的铁原子形成FeO的现象称为氧化；在介质中加热，使钢中溶解的碳形成CO或CH4而降低含碳量的现象称为脱碳。3)过热和过烧—零件在热处理时，如果加热温度过高或在高温下保温时间过长，引起奥氏体晶粒显著长大，这种现象称为过热。如果加热温度过高，使钢的晶界严重氧化或熔化，这种现象称为过烧。4)硬度不足和软点—硬度不足是指工件上较大区域内的硬度达不到技术要求；软点是指工件内许多小区域的硬度不足。5)防止措施合理选择刚才与正确设计零件结构。—选择淬透性好的钢；采用合理的热处理工艺；采用正确的浸入淬火介质方式；淬火后及时回火。

钢的化学热处理

钢的化学热处理是将钢件放在一定温度的化学活性介质中，使一种或几种元素的原子渗入钢件表面，以改变钢件表面层的化学成分，从而获得预期的组织和性能的热处理过程。化学热处理过程包括分解、吸收、扩散三个基本过程。与表面淬火相比，化学热处理的主要优点是：(1)表面强化效果极为显著；(2)可获得某些特殊的性能，如抗蚀性、抗高温氧化性以及极高的耐磨性。化学热处理的种类很多，都以渗入钢中的元素命名，如渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等。

将低碳钢件放入增碳活性介质中，在900~950℃加热保温，使活性碳原子渗入钢的表面以达到高碳，这种热处理工艺称为渗碳。由于渗碳工件心部要求具有较高的韧性，因此渗碳用钢是含碳量为0.15~0.25%的低碳钢或低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo等，根据渗碳介质状态的不同，渗碳工艺有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳三种。其中应用最广泛的是气体渗碳。1.渗碳方法(1)气体渗碳法最常用的气体(煤油、苯、甲醇等高温分解的混合气(