第七讲 钢的热处理

教学重点：钢在加热和冷却时的组织转变教学难点：钢在冷却时的冷却曲线分析教学方法：多媒体授课启发式教学授课班级：模具1002授课时间：2011、10教学目的：1、掌握钢在加热时的组织转变及奥氏体的长大和控制

2、掌握钢在冷却时的组织转变和曲线分析钢的热处理1、什么是共晶转变、共析转变？2、一次渗碳体和二次渗碳体的区别？3、Q235A、10、65Mn、T8、T12A各属什么钢？教学过程：复习及导入：新课讲授钢的热处理Heat-TreatmentofSteel1.热处理：将固态金属或合金通过加热、保温和冷却的方法改变内部组织，从而获得所需性能的一种工艺。2.热处理工艺过程：

加热、保温、冷却三环节。在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。模具、滚动轴承100%需经过热处理。总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。

定义：

目的及重要性：改善材料的组织结构提高性能提高工件使用寿命减低成本

分类：

热处理

t(h)加热冷却热处理工艺曲线T(℃)保温

V加t

V冷大型铸钢件的热处理炉真空淬火炉T加普通热处理（四火：退火、正火、淬火、回火）表面热处理（表面淬火、化学热处理）一、钢在加热时的组织转变GPQSEAFF+AA+Fe3CⅡPF+PP+Fe3CⅡAc3AccmAc1Ar3Ar1ArcmA1A3Acm.02180.772.11临界点：钢在固态下发生组织转变的温度线。A1线（PSK）APA3线（GS）Acm线（ES）AFAFe3C实际加热时的临界点：

Ac1、Ac3、Accm实际冷却时的临界点：

Ar1、Ar3、Arcm2.

钢的奥氏体化加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1以下加热，不发生相变；另一种是加热到临界点以上，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。共析钢加热时的奥氏体化过程：亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析F

或Fe3CⅡ的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上。加热的目的：实现奥氏体化（完全奥氏体化、部分奥氏体化）完全奥氏体化温度亚共析钢共析钢过共析钢:＞Ac3:＞Ac1:＞Accm部分奥氏体化温度亚共析钢过共析钢:Ac1～Ac3:Ac1～Accm4.1钢的热处理原理4.1.1钢在加热时的组织转变——奥氏体化的过程

大多数热处理工艺都要将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织，即进行奥氏体化，加热时形成的奥氏体的质量，对冷却转变过程及组织、性能有极大的影响。

通常将加热时的临界温度标为Ac1、Ac4、Accm；冷却时标为Ar1、Ar4、Arcm。

1.奥氏体的形成奥氏体晶核的形成奥氏体晶核的长大

剩余渗碳体的溶解

奥氏体成分的均匀化

过共析钢的室温平衡组织为珠光体和渗碳体，当加热到Ac1以上时，珠光体将转变为奥氏体；加热到Ac3以上时，全部变成奥氏体组织

共析钢的室温平衡组织为珠光体，当加热到Ac1

以上时，珠光体将转变为奥氏体。4.1.1钢在加热时的组织转变

亚共析钢的室温平衡组织为铁素体和珠光体，当加热到

Ac1以上时，珠光体将转变为奥氏体；加热到Ac3以上时，全

部变成奥氏体组织—原始组织中渗碳体为片状时，奥氏体形成速度快。4.1.1钢在加热时的组织转变影响奥氏体化的因素（1）加热温度

（2）加热速度（3）钢中碳质量分数（4）合金元素（5）原始组织—随加热温度的提高，碳原子扩散速度增大，奥氏体化速度加快。—加热速度越快，过热度越大，发生转变的温度越高，转变所需时间就越短。—碳质量分数增加时，渗碳体量增多，铁素体和渗碳体的相界面增大，因而奥氏体的核心增多，转变速度加快。—钴、镍等加快奥氏体化过程；铬、钼、钒等减慢奥氏体化过程；2.奥氏体晶粒的长大与控制4.1.1钢在加热时的组织转变（1）奥氏体晶粒度

本质晶粒度起始晶粒度本质粗晶粒本质细晶粒实际晶粒度钢的奥氏体晶粒大小直接影响冷却所得组织和性能。奥氏体晶粒细时，退火后所得的组织亦细，则钢的强度、塑性较好。淬火后得到的马氏体也细小，因而韧性得到改善。起始晶粒度本质晶粒度

钢加热到930℃±10℃，保温8小时，冷却后测得的晶粒度叫本质晶粒度。表示奥氏体晶粒长大的倾向奥氏体化刚完成时的奥氏体晶粒

生产中一般采用标准晶粒度等级图，由比较的方法来测定钢的奥氏体晶粒大小。晶粒度通常分8级，1~4级为粗晶粒度，5~8级为细晶粒度。③加热速度—加热温度确定后，加热速度越快，奥氏体晶粒越细小（2）奥氏体晶粒大小的控制

①加热温度和保温时间—温度高，时间长促进奥氏体晶粒长大。②钢的成分—碳含量增高时，晶粒长大的倾向增多。钢中加入能形成稳定碳化物的元素和能生成氧化物和氮化物的元素，有利于得到本质细晶粒钢，4.1.2钢在冷却时的组织转变

等温冷却

—将钢迅速冷却到临界点以下给定温度，进行保温，使其在该温度下恒温转变。

连续冷却—将钢以某种速度连续冷却，使其在临界点以下变温连续转变。1.过冷奥氏体的等温转变

共析钢过冷奥氏体的温度转变过程和转变产物可用其等温转变曲线图来分析。该曲线可简称为C曲线。

（1）过冷奥氏体的等

温转变曲线的建立冷却到A1线下暂存的奥氏体

——过冷奥氏体组织名称符号转变温度范围℃硬度放大倍数珠光体PAc1～650170～200HB＜500×索氏体S650～60025～35HRC＞1000×托氏体T600～55035～40HRC＞2000×①高温转变（在A1~550℃之间）——珠光体型转变①线的意义②区的意义——孕育期（3）过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能（2）过冷奥氏体的等温转变曲线的分析③低温转变—Ms点以下（不属于等温转变）（过冷奥氏体冷却到Ms点以下后发生马氏体转变）(4)影响过冷奥氏体等温转变的因素①碳的质量分数C曲线的位置：共析钢最右C曲线的形状——先共析线550℃～350℃——B上。呈羽毛状，强度和韧性都较差。

350℃～Mf——B下。黑色针状，硬度高，韧性好，具有较

高的综合力学性能。②中温转变（550℃~Ms）——贝氏体型转变②合金元素③加热温度和保温时间C曲线的形状—双CC曲线的位置—右移（除C0）温度高，时间长，C曲线右移2.过冷奥氏体的连续冷却转变——CCT曲线（1）过冷奥氏体的连续冷却转变曲线（简称CCT曲线）

连续冷却无贝氏体转变且较奥氏体等温转变曲线向右下方移一些。Vk′——下临界冷却速度，它是获得全部珠光体的最大冷却速度。Ps线为过冷奥氏体向珠光体转变开始线；K线为过冷奥氏体向珠光体转变中止线。Pf线为过冷奥氏体向珠光体转变终了线；Vk—上临界冷却速度（或称马氏体临界冷却速度），它是获得全部马氏体组织的最小冷却速度。（2）奥氏体等温转变曲线在连续冷却转变中的应用

缓慢冷却时（炉冷）—过冷A将转变为珠光体，呈粗片状，硬度为170HB~220HB。稍快速度冷却时（空冷）—过冷A转变为索氏体，为细片状组织，硬度为25HRC~35HRC。采用油冷时—得到的组织为屈氏体+马氏体+残余奥氏体。硬度为45HRC~55HRC。快速度冷却时（水冷V>VK）—奥氏体将过冷到Ms点以下，得到的组织是马氏体+残余奥氏体

综上所述，共析钢钢在冷却时，过冷奥氏体的转变产物根据其转变温度的高低可分为高温转变产物珠光体、索氏体、屈氏体；中温转变产物上贝氏体、下贝氏体；低温转变产物马氏体。随着转变温度的降低，其转变产物的硬度增高，而韧性的变化则较为复杂。

转变特点：过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转变；形成速度很快；其转变不是彻底的，要残留少量的奥氏体；转变是在一个温度范围内完成的，在某一温度下停留，不能增加马氏体的数量：马氏体形成时体积膨胀,在钢中造成很大的内应力,严重时将使被处理的零件开裂。(3)马氏体转变M—碳溶于α—Fe中的过饱和固溶体。

晶体结构特点

：奥氏体向马氏体转变时，奥氏体中的碳全部

“冻结”在α-Fe中。由于碳的过饱和溶入，使得晶格发生畸变，晶格常数a=b<c，形成体心正方晶格，如图4-11所示，

c/a称为正方度。马氏体中碳的质量分数越高，其正方度越大，马氏体的质量体积也越大。

组织形态及性能：

马氏体的形态有板条状和针状(或称片状)两种.碳质量分数在0.25%以下时,基本上是板条状马氏体(亦称低碳马氏体),碳质量分数在0.25%~1.0%之间时，为板条马氏体和针状马氏体的混合结构。当碳质量分数大于1.0%时,则大多数是针状马氏体。性能特点:

马氏体的硬度和强度主要取决于马氏体内碳的质量分数。马氏体的硬度和强度随着马氏体碳的质量分数的增加而升高，但当马氏体的wc>0.6%后，硬度和强度提高得并不明显。马氏体的塑性和韧性也与其碳的质量分数有关，片状高碳马氏体的塑性和韧性差，而板条状低碳马氏体的塑性和韧性较好。4.2钢的整体热处理4.2.1钢的退火与正火种类加热温度冷却方式目的应用完全退火Ac3以上30～50℃随炉冷至600℃左右后出炉空冷消除残余应力；细化晶粒亚共析钢的铸、锻、焊件退球化退火Ac1以上10～20℃

冷至略低于Arl温度，保温后随炉冷至600℃左右，出炉空冷片状珠光体转变球状珠光体，降低硬度，改善切削加工性，为淬火作组织准备过共析钢的刃具、量具、模具等火等温退火Ac3以上30～50℃或Ac1以上10～20℃较快冷却到珠光体转变温度区间的适当温度等温，使奥氏体转变为珠光体类组织后在空气中冷却与完全退火和球化退火相同，但组织更均匀、晶粒更细小，缩短生产周期高碳钢、合金工具钢和高合金钢均匀化退火钢熔点以下100～200℃保温10～15h后缓冷

消除铸造过程中产生的枝晶偏析，使成分均匀化

亚共析钢的铸锭去应力退火A1以下100～200℃随炉缓300～200℃出炉空冷

消除残余应力，稳定尺寸，减少变形

铸件、锻件、焊接件、冷冲压件及机械加工件等再结晶退火T再=（0.35～0.40）T熔点（K）

缓冷

消除加工硬化，提高塑性，改善切削加工性及成形性能。

进一步冷变形钢件,冷变形钢材及其它合金成品正火Ac3或Accm以上30～

50℃空冷

细化晶粒；改善切削加工性；为最终热处理作组织准备

低碳钢、中碳钢的预备热处理；消除过共析钢的网状渗碳体；一般要求钢件的最终热处理。

冷却速度慢，获得接近平衡组织。可降低硬度、细化晶粒、消除应力冷却速度比退火快，晶粒更细小。

低碳钢和低碳合金钢正火可提高硬度；

中碳钢正火可提高力学性能；

高碳钢正火可消除网状渗碳体退火的主要特点：正火的主要特点：4.2.2钢的淬火与回火

是将钢加热至临界点（Ac3或Ac1）以上，保温后以大于VK的速度冷却，使奥氏体转变成马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺；淬火回火是将淬火后的钢加热至A1以下的某一温度后进行冷却的热处理工艺淬火的目的是为了得到马氏体组织

一般淬火后的钢都要进行回火，才能使钢具有不同的力学性能

淬火Ac3以上30～50℃Ac1以上30～50℃以大于钢的淬火临界冷却速度冷却，一般合金钢油淬，非合金钢水淬获得马氏体，个别获得下贝氏体，提高钢的硬度和耐磨性各种工具、模具、量具、滚动轴承等回火低温回火150～250℃空冷在保持高硬度的同时，降低淬火内应力和脆性工具、模具、量具、轴承，渗碳件及经表面淬火的工件。中温回火350～500℃空冷提高弹性极限和屈服强度各种各类弹簧以及其它结构钢高温回火500～650℃空冷获得良好的综合力学性能，硬度一般为25～35HRC各种重要的机器结构件，特别是受交变载荷的零件，如连杆、轴等（1）淬火加热温度1.淬火工艺①亚共析钢：淬火温度一般为Ac3以上30～50℃，淬火后得到均匀细小的M和少量残余奥氏体。

②共析钢或过共析钢：淬火加热温度为Ac1以上30～50℃，淬火后得到细小的马氏体和少量残余奥氏体（共析钢）或细小的马氏体、少量渗碳体和残余奥氏体（过共析钢）。

（2）淬火加热时间t=αD

（3）淬火冷却介质

水盐水

盐浴

油

第4章26理想淬火冷却速度

2.淬火方法（1）单液淬火

（2）双液淬火

（3）马氏体分级淬火

（4）等温淬火

3.淬火缺陷

（1）变形与开裂（2）氧化和脱碳

（3）过热和过烧

4.钢的淬透性

钢淬火时形成马氏体的能力

工件表面向里至半马氏体区（马氏体与非马氏体组织各占一半处）的垂直距离淬火硬化所能达到的最高硬度

(1)基本概念淬硬性淬硬层深度淬透性28（2）测定方法

①末端淬火法

4.2.2钢的淬火与回火

第4章29②临界直径（D0）法

临界直径：工件在某种介质中淬火后，心部得到全部马氏体或半马氏体组织时的最大直径。直径越大，钢的淬透性越好

不同直径的45钢在油中及水中淬火时的淬硬层深度（4）淬透性的实际意义

要求零件的表面与心部力学性能一致，应选用高淬透性的钢制造，并要求全部淬透。

表面受力最大、心部受力最小，应选用淬透性较低的钢种，淬硬层深度为工件半径或厚度的1/2～1/3即可。焊件不可选用淬透性高的钢材4.2.2钢的淬火与回火

第4章30

凡是使马氏体临界冷却速度减小，过冷奥氏体稳定性增加，C曲线右移的因素都将使钢的淬透性增加。钢材的化学成分（如合金元素和碳的质量分数）是影响淬透性最重要的因素之一，除此之外，奥氏体化条件、原始组织等也影响淬透性。（3）淬透性的影响因素4.2.2钢的淬火与回火

第4章31

5..淬火钢的回火转变（1）马氏体分解（100～350℃）——（2）残余奥氏体分解（200～300℃）——（3）碳化物转变（250～400℃）——过饱和度较低的α相与极细的ε碳化物组成的组织淬火应力有所减小，但硬度基本不降低

回火马氏体下贝氏体

淬火应力进一步减小，硬度无明显降低

回火托氏体

淬火应力基本消除，硬度降低针状铁素体和极细小粒状渗碳体组成的复相组织（4）渗碳体聚集长大和α相再结晶（>400℃）——

淬火钢回火后的性能取决于组织变化，随着回火温度的升高，强度、硬度降低，塑性、韧性提高

回火索氏体

淬火应力完全消除，硬度明显下降

4.2.2钢的淬火与回火

第4章32多边形铁素体基体上分布着粗粒状渗碳体的复相组织

4.2.2钢的淬火与回火

第4章33调整组织，获得不同性能；稳定尺寸；降低脆性，减少或消除内应力。6.淬火钢件回火的目的7.回火的种类及应用（1）低温回火（150～250℃）回火后组织为回火马氏体

（2）中温回火（350～500℃）

回火后组织为回火托氏体

减小淬火应力和脆性，保持淬火后的高硬度（58～64HRC）和耐磨性。主要用于刃具、量具、模具、滚动轴承以及渗碳、表面淬火的零件。（3）高温回火（500～650℃）

回火后的组织为回火索氏体

获得高的弹性极限、屈服点和较好的韧性。硬度一般为35～50HRC。主要用于各种弹簧、锻模等。4.2.2钢的淬火与回火

第4章34

获得强度、塑性、韧性都较好的综合力学性能，硬度一般为25～35HRC。广泛用于各种重要结构件。钢件淬火并高温回火的复合热处理工艺称为调质

8.回火脆性

（1）低温回火脆性（250～350℃回火）不在此温度回火

（2）高温回火脆性（500～650℃回火时）重新加热至650℃以上温度后快冷

9.回火稳定性淬火钢在回火时，抵抗软化（强度、硬度下降）的能力称为回火稳定性。

4.2.2钢的淬火与回火

第4章35

大多数合金元素溶入马氏体，对其原子扩散起阻碍作用，因而在回火过程中马氏体不易分解，碳化物不易析出，析出后也较难聚集长大，使合金钢在相同温度回火后强度、硬度下降较少，即比非合金钢具有较高的回火稳定性。

9SiCr钢和T10钢硬度与回火温度的关系钢在回火时出现硬度回升的现象4.2.2钢的淬火与回火

第4章36

10.二次硬化原因

二是在某些高合金钢淬火组织中，残余奥氏体量较多，当加热到500～600℃时，也会析出一些特殊碳化物，这些特殊碳化物的析出，使残余奥氏体中碳及合金元素浓度降低，提高了Ms温度，故在随后冷却时就会有部分残余奥氏体转变为马氏体或贝氏体，使钢的硬度提高。

一是当回火温度升高到500～600℃时，会从马氏体中析出特殊碳化物，如Mo2C、W2C、VC等。这些碳化物硬度高、颗粒细小、数量多，高度弥散分布在马氏体基体上，并与马氏体保持共格关系，阻碍位错运动，使钢的硬度有所提高。图4-31合金钢（wc=0.35%）中加入Mo后对回火硬度的影响4.2.2钢的淬火与回火

第4章374.3钢的表面热处理4.3钢的表面热处理4.3.1钢的表面淬火

将工件表面快速加热到淬火温度，迅速冷却，使工件表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持未淬火状态组织的热处理工艺。表面淬火前应对工件正火或调质，表面淬火后应低温回火。

第4章38

利用感应电流通过工件所产生的热量，使工件表层、局部或整体加热并快速冷却的淬火。

1、感应淬火感应淬火示意图4.3钢的表面热处理

第4章39①高频感应淬火：200～300kHz，淬硬层深度为0.5～2mm。主要用于要求淬硬层较薄的中、小模数齿轮和中、小尺寸轴类零件等；

③工频感应淬火：50Hz，淬硬层深度为10～20mm。主要用于大直径零件。最适宜的钢种是中碳钢（如40钢、45钢）和中碳合金钢

4.3钢的表面热处理

第4章40（1）感应淬火频率的选用②中频感应淬火：2500～8000Hz，淬硬层深度为2～10mm。主要用于大、中模数齿轮和较大直径轴类零件；

①加热速度极快；②工件表层获得极细小的马氏体组织；③工件表面质量好，变形小；④生产效率高（2）感应淬火加热的特点4.3钢的表面热处理

第4章412.火焰淬火

火焰淬火是利用氧-乙炔（或其他可燃气体）火焰对工件表层加热，并快速冷却的淬火工艺。淬硬层深度一般为2～6mm。用于单件、小批生产。4.3.2钢的化学热处理

将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入其表层，以改变表层一定深度的化学成分、组织和性能的热处理工艺基本过程分解吸收扩散渗层1.渗碳4.3钢的表面热处理

第4章42（1）渗碳的方法

①固体渗碳法

②气体渗碳法

固体渗碳法——

单件、小批生产

4.3钢的表面热处理

第4章43气体渗碳法——大批量生产4.3钢的表面热处理

第4章44

将工件置于密封的井式渗碳炉中，滴入易分解和气化的液体或直接通入渗碳气体，加热到渗碳温度。活性碳原子［C］被工件表面吸收而溶于高温奥氏体中，并向工件内部扩散形成一定深度的渗碳层。（2）渗碳用钢、渗碳后组织及热处理

①渗碳用钢为低碳钢和低碳合金钢

4.3钢的表面热处理

第4章45

表层为过共析组织，与其相邻为共析组织，再向里为亚共析组织的过渡层，心部为原低碳钢组织

②渗碳后的组织

碳的质量分数提高，将降低工件心部的韧性。4.3钢的表面热处理

第4章46③渗碳后的热处理

（a）直接淬火（b）一次淬火（c）二次淬火●直接淬火法：将渗碳件自渗碳温度预冷至某一温度（一般为850～880℃），立即淬入水或油中，然后进行低温回火●一次淬火法：对心部性能要求较高的零件，淬火加热温度应略高于心部的Ac3（如图4-37b虚线所示），使其晶粒细化，并得到低碳马氏体；对表层性能要求较高，但受力不大的零件，淬火加热温度应在Ac1以上30～50℃，使表层晶粒细化，而心部组织改善不大。4.3钢的表面热处理

第4章47

工件耐磨性较低，变形较大。此法适用于本质细晶粒钢或受力不大，耐磨性要求不高的零件。

奥氏体晶粒得到细化，提高钢的力学性能

渗碳件淬火后应进行低温回火（一般150～200℃）。直接淬火和一次淬火经低温回火后，表层组织为回火马氏体和少量残余奥氏体，二次淬火表层组织为回火马氏体和粒状渗碳体及少量残余奥氏体。它们的表面硬度均可达到58～64HRC，心部组织：低碳钢一般为铁素体和珠光体，硬度137～183HBS；低碳合金钢一般为回火低碳马氏体、铁素体和托氏体，硬度可达35～45HRC，并具有较高的强度、韧性和一定的塑性。4.3钢的表面热处理

第4章48●二次淬火法：第一次淬火是为了改善心部组织和消除表面网状二次渗碳体，加热温度为Ac3以上30～50℃。第二次淬火是为细化工件表层组织，获得细马氏体和均匀分布的粒状二次渗碳体，加热温度为Ac1以上30～50℃。2.钢的渗氮（氮化）

在一定温度下（一般在Ac1以下），使活性氮原子渗入钢件表面的化学热处理工艺。其目的是使工件表面获得高硬度、高耐磨性、高疲劳强度和高热硬性以及良好的耐蚀性。渗氮温度低，变形小，（1）气体渗氮

4.3钢的表面热处理

第4章49（2）离子渗氮

渗氮用钢通常是含有Al、Cr、Mo、V、Ti的合金钢，使渗氮后工件表面有很高的硬度和耐磨性。

渗氮前零件须经调质处理，以保证心部的强度和韧性；对于形状复杂或精度要求较高的零件，在渗氮前、精加工后还要进行消除应力的退火，以减少渗氮时的变形。渗氮后不需再进行淬火，热硬性高。

渗氮主要用于耐磨性和精度要求很高的精密零件或承受交变载荷的重要零件以及要求耐热、耐蚀、耐磨的零件4.3钢的表面热处理

第4章503.碳氮共渗

在工件表面同时渗入碳和氮的化学热处理工艺。其主要目的是提高工件表面的硬度和耐磨性

碳氮共渗后要进行淬火、低温回火。共渗层表面组织为回火马氏体、粒状碳氮化合物和少量残余奥氏体，渗层深度一般为0.3～0.8mm。气体碳氮共渗用钢，大多为低碳或中碳的非合金钢、低合金钢及合金钢。4.4金属材料热处理工艺设计4.3钢的表面热处理第4章51

4.4.1热处理的技术条件

包括：最终热处理方法（如调质、淬火、回火、渗碳等）以及应达到的力学性能指标

力学性能指标一般只标出硬度值，如：调质220～250HBS，淬火回火