金属工艺学（第3版）课件 单元二 钢的热处理

金属工艺学单元二钢的热处理热处理概述热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺。热处理工艺过程由加热、保温、冷却三个阶段组成。常用的热处理加热设备有箱式电阻炉、盐浴炉、井式炉、火焰加热炉等。常用的冷却设备有水槽、油槽、盐浴、缓冷坑、吹风机等。

表2-1热处理工艺分类及名称

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模块一

钢在加热时的组织转变

金属材料在加热或冷却过程中，发生相变的温度称为临界点（或相变点）。钢铁材料的理论临界点是A1、A3、Acm。钢铁材料实际加热时的临界点标注是Ac1、Ac3、Accm。钢铁材料实际冷却时的临界点标注是Ar1、Ar3、Arcm。

一、奥氏体的形成奥氏体的形成是通过形核和核长大过程来实现的。珠光体向奥氏体的转变可以分为四个阶段：奥氏体形核、奥氏体核长大、残余渗碳体继续溶解和奥氏体化学成分均匀化。二、奥氏体晶粒长大及其控制措施

生产中常采用以下措施来控制奥氏体晶粒的长大。

1．合理选择加热温度和保温时间

2．选用含有合金元素的钢●碳与一种或数种金属元素所构成的金属化合物（或称为碳化物）。大多数合金元素，如Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr等，在钢中均可以形成难溶于奥氏体的碳化物，如Cr7C3、W2C、VC、Mo2C、VC、TiC、NbC、ZrC等，这些碳化物弥散分布在晶粒边界上，可以阻碍或减慢奥氏体晶粒的长大。

一、冷却方式钢铁材料在冷却时，可以采取两种转变方式：等温转变和连续冷却转变。在共析温度A1以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体，也称亚稳奥氏体。二、过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体的等温转变是指工件奥氏体化后，冷却到临界点（Ar1或Ar3）以下的某一温度区间内等温保持时，过冷奥氏体发生的相变。1．过冷奥氏体等温转变曲线共析钢的冷奥氏体转变开始曲线和过冷奥氏体转变终止曲线象英文字母“C”，故又称为C曲线。2．过冷奥氏体等温转变产物和性能根据转变产物的组织特征，可划分为高温转变区（珠光体型转变区）、中温转变区（贝氏体型转变区）和低温转变区（马氏型转变区）。表2-3共析钢过冷奥氏体等温转变温度与转变产物的组织和性能。三、过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变是指工件奥氏体化后以不同冷速连续冷却时过冷奥氏体发生的转变。1．过冷奥氏体连续冷却转变曲线共析钢在连续冷却转变过程中，只发生珠光体转变和马氏体转变，没有贝氏体转变。珠光体转变区由三条线构成：Ps线是过冷奥氏体向珠光体转变开始线；Pf线是过冷奥氏体向珠光体转变终了线；K线是过冷奥氏体向珠光体转变终止线，它表示冷却曲线碰到K线时，过冷奥氏体向珠光体转变即停止，剩余的过冷奥氏体一直冷却到Ms线以下时会发生马氏体转变。如果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是ｖK，则称ｖK是获得马氏体组织的临界冷却速度。钢在淬火时的冷却速度必须大于ｖK。2．过冷奥氏体连续冷却转变产物采用连续冷却转变时，由于连续冷却转变是在一个温度范围内进行，其转变产物往往不是单一的，根据冷却速度的变化，转变产物有可能是P＋S、S＋T或T＋M等。金属工艺学单元二钢的热处理模块三退火与正火一、退火退火是将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火的目的是消除钢铁材料的内应力；降低钢铁材料的硬度，提高其塑性；细化钢铁材料的组织，均匀其化学成分，并为最终热处理做好组织准备。根据钢铁材料化学成分和退火目的不同，退火通常分为：完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、均匀化退火等。一、退火

1.完全退火完全退火是将工件完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火。完全退火主要用于亚共析钢（0.0218%≤WC＜0.77%）制作的铸件、锻件、焊件等，其加热温度是AC3以上30～50℃。2.球化退火球化退火是使工件中碳化物球状化而进行的退火。球化退火的加热温度在AC1上下20～30℃温度区间交替加热及冷却或在稍低于AC1温度保温，然后缓慢冷却。球化退火的主要目的是使碳化物（或渗碳体）球化，降低钢材硬度，改善钢材切削加工性，并为淬火作组织准备。球化退火主要用于过共析钢和共析钢制造的刃具、量具、模具、轴承钢件等。3．等温退火等温退火是指工件加热到高于Ac3（或Ac1）的温度，保持适当时间后，较快地冷却到珠光体转变温度并等温保持，使奥氏体转变为珠光体类组织后在空气中冷却的退火。亚共析钢的加热温度是：Ac3+（30～50）℃；共析钢和过共析钢的加热温度是：Ac1+（20～40）℃。等温退火的目的与完全退火相同，其应用也与完全退火和球化退火相同。一、退火

4.去应力退火去应力退火是为去除工件塑性形变加工、切削加工或焊接造成的内应力及铸件内存在的残余应力而进行的退火。去应力退火的加热温度是AC1以下温度区间，其主要目的是消除工件在切削加工、铸造、锻造、热处理、焊接等过程中产生的残余应力，减小工件变形，稳定工件形状尺寸。去应力退火主要用于去除铸件、锻件、焊件及精密加工件中的残余应力。5．均匀化退火均匀化退火是以减少工件化学成分和组织的不均匀程度为主要目的，将工件加热到高温并长时间保温，然后缓慢冷却的退火。加热温度是：Ac3+（150～200）℃，一般在（1050～1150）℃进行加热。均匀化退火的目的是减少钢的化学成分偏析和组织不均匀性，其主要应用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件和锻坯等。

二、正火正火是指工件加热奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺。正火的目的是细化晶粒，提高钢铁材料硬度，消除钢铁材料中的网状碳化物（或渗碳体），并为淬火、切削加工等后续工序作组织准备。正火主要应用于以下场合：（1）用于改善钢铁材料的切削加工性能。（2）用于消除钢中的网状碳化物，为球化退火作组织准备。（3）用于普通结构零件或某些大型非合金钢工件的最终热处理，代替调质处理。（4）用于淬火返修件，消除淬火应力，细化组织，防止工件重新淬火时产生变形与开裂。第四节淬火淬火是指工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或(和)贝氏体组织的热处理工艺。马氏体是碳或合金元素在α-Fe中的过饱和固溶体，是单相亚稳组织，用符号M表示。一、淬火的目的淬火的主要目的是使钢铁材料获得马氏体(或贝氏体)组织，提高钢铁材料的硬度和强度，并与回火工艺合理配合，获得需要的使用性能。二、淬火加热温度与淬火介质1．淬火加热温度亚共析钢的淬火加热温度是Ac3以上30℃～50℃。共析钢和过共析钢的淬火加热温度是Ac1以上30℃～50℃。2．淬火介质常用的淬火冷却介质有：油、水、盐水、硝盐浴、碱浴和空气等。

三、淬火方法常用的淬火方法有：单液淬火、双液淬火、马氏体分级淬火和贝氏体等温淬火1．单液淬火单液淬火是将已奥氏体化的钢件在一种淬火介质中冷却的方法。单液淬火方法主要应用于形状简单的钢件。。三、淬火方法2．双液淬火双液淬火是将工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质中，在组织即将发生马氏体转变时立即转入冷却能力弱的介质中冷却的方法。双液淬火主要适用于中等复杂形状的高碳钢工件和较大尺寸的合金钢工件。3．马氏体分级淬火马氏体分级淬火是指工件加热奥氏体化后浸入温度稍高于或稍低于Ms点的盐浴或碱浴中，保持适当时间，在工件整体达到冷却介质温度后取出空冷以获得马氏体组织的淬火方法。马氏体分级淬火适用于尺寸较小、形状复杂的由高碳钢或合金钢制作的工模具。4．贝氏体等温淬火贝氏体等温淬火是指工件加热奥氏体化后快冷到贝氏体转变温度区间等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火方法。贝氏体等温淬火用于处理由各种中碳钢、高碳钢和合金钢制造的尺寸较小的形状复杂的模具与刃具等工件。三、淬火方法2．双液淬火双液淬火是将工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质中，在组织即将发生马氏体转变时立即转入冷却能力弱的介质中冷却的方法。双液淬火主要适用于中等复杂形状的高碳钢工件和较大尺寸的合金钢工件。3．马氏体分级淬火马氏体分级淬火是指工件加热奥氏体化后浸入温度稍高于或稍低于Ms点的盐浴或碱浴中，保持适当时间，在工件整体达到冷却介质温度后取出空冷以获得马氏体组织的淬火方法。马氏体分级淬火适用于尺寸较小、形状复杂的由高碳钢或合金钢制作的工模具。4．贝氏体等温淬火贝氏体等温淬火是指工件加热奥氏体化后快冷到贝氏体转变温度区间等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火方法。贝氏体等温淬火用于处理由各种中碳钢、高碳钢和合金钢制造的尺寸较小的形状复杂的模具与刃具等工件。四、冷处理冷处理是指钢件淬火冷却到室温后，继续在一般致冷设备或低温介质中冷却，使残余奥氏体转变为马氏体的工艺。采用冷处理可以消除和减少钢中的残余奥氏体数量，使钢件获得更多的马氏体，提高钢件硬度与耐磨新，稳定钢件尺寸，如量具、精密轴承、精密丝杠、精密刀具、枪杆等要求形状精确和尺寸稳定的工件，均应在淬火之后进行冷处理，以消除或减少残余奥氏体数量，稳定钢件的尺寸。五、淬透性与淬硬性

淬透性是指以规定条件下钢试样淬硬深度和硬度分布表征的材料特性。以钢在理想条件下淬火所能达到的最高硬度来表征的材料特性称为淬硬性。六、淬火缺陷

1．过热与过烧工件加热温度偏高，而使晶粒过度长大，以致力学性能显著降低的现象称为过热。工件加热温度过高，致使晶界氧化和部分熔化的现象称为过烧。2．氧化与脱碳工件加热时，介质中的氧、二氧化碳、水蒸汽等与之反应生成氧化物的过程称为氧化。工件加热时介质与工件中的碳发生反应，使表层碳的质量分数降低的现象称为脱碳。3．硬度不足和软点钢件淬火后较大区域内硬度达不到技术要求的现象，称为硬度不足。钢件淬火硬化后，其表面许多小区域存在硬度偏低的现象称为软点。4．变形和开裂变形是淬火时钢件产生形状或尺寸偏差的现象。开裂是淬火时钢件表层或内部产生裂纹的现象。热应力是指钢件加热和(或)冷却时，由于不同部位出现温差而导致热胀和(或)冷缩不均所产生的内应力。相变应力是热处理过程中，因钢件不同部位组织转变不同步而产生的内应力。金属工艺学单元二钢的热处理模块五回火一、回火概述回火是指工件淬硬后，加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。一般来说，随着回火温度的升高，淬火组织将发生一系列变化，回火时的组织转变过程一般分为四个阶段：第一阶段（≤200℃）——马氏体分解，淬火组织经过回火，转变为回火马氏体组织；第二阶段（200～300℃）——残余奥氏体分解，淬火组织经过回火，转变为回火马氏体组织；第三阶段（250～400℃）——碳化物析出，淬火组织经过回火，形成回火托氏体组织；第四阶段（＞400℃）——碳化物聚集长大与铁素体的再结晶，淬火组织经过回火，最终形成回火索氏体组织。二、回火方法及其应用

根据钢材在回火时的加热温度不同，可将回火分为低温回火、中温回火和高温回火三种。1.低温回火低温回火的温度范围是250℃以下。淬火钢经低温回火后，获得的组织为回火马氏体（M¹）。淬火钢经低温回火后，钢的硬度一般为58～62HRC。低温回火主要用于由高碳钢、合金工具钢制造的刃具、量具、冷作模具、滚动轴承及渗碳件、表面淬火件等。2.中温回火中温回火的温度范围是250℃～450℃。淬火钢经中温回火后，获得的组织为回火托氏体（T¹）。淬火钢经中温回火降低了淬火应力，钢的硬度一般为35～50HRC。中温回火主要用于处理钢制弹性元件，如各种卷簧、板簧、弹簧钢丝等。3.高温回火高温回火的温度范围是500℃以上。淬火钢经高温回火后，获得的组织为回火索氏体（S¹）。淬火钢经高温回火后，钢的硬度一般为200～330HBW。高温回火主要用于处理轴类、连杆、螺栓、齿轮等工件。模块六

金属的时效

●固溶处理是指工件加热至适当温度并保温，使过剩相充分溶解，然后快速冷却以获得过饱和固溶体的热处理工艺。●金属材料经过冷加工、热加工或固溶处理后，在室温下放置或适当升温加热时，发生力学性能和物理性能随着时间而变化的现象，称为时效。常用的时效方法主要有：自然时效、热时效、变形时效、振动时效和沉淀硬化时效等。

模块六

金属的时效一、自然时效●自然时效是指金属材料经过冷加工、热加工或固溶处理后，在室温下发生性能随着时间而变化的现象。例如，钢铁铸件、锻件、焊接件等在室温下长时间（半年或几年）在户外或室内堆放，就是自然时效。二、热时效●热时效是指随着温度的不同，α-Fe中碳的溶解度发生变化，使钢的性能发生改变的过程称为热时效。例如，低碳钢在室温放置过程中，由于碳的溶解度较低，碳以Fe3CIII的形式，具有从过饱和的固溶体中析出使钢的硬度和强度上升，而塑性和韧性下降。三、变形时效●变形时效是指钢在冷变形后进行的时效。变形时效也降低钢（尤其是汽车用板材）的锻压加工性能。四、振动时效●振动时效是指通过机械振动（如超声波）的方式来消除、降低或均匀工件内残余应力的工艺，又称为振动消除应力法。振动时效工艺适用于重要的铸件、锻件和焊接件等，在国内外已获得广泛应用。五、沉淀硬化时效●沉淀硬化时效是在过饱和固溶体中形成或析出弥散分布的强化相而使金属材料硬化的热处理工艺。它是不锈钢、高温耐热合金、高强度铝合金等的重要强化方法。模块七

表面热处理与化学热处理一、表面热处理

表面热处理是为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺。1．表面淬火和回火表面淬火是指仅对工件表层进行淬火的工艺。表面淬火不改变工件表面化学成分，而是采用快速加热方式，使工件表层迅速奥氏体化，使心部仍处于临界点Ac1以下，并随之淬火，从而使工件表面硬化。按加热方法的不同，表面淬火方法主要有：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热表面淬火及电解液加热表面淬火等。

（1）感应加热表面淬火。利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面、局部或整体加热并进行快速冷却的淬火工艺称为感应加热表面淬火。①感应加热基本原理。②感应加热表面淬火的特点。感应加热表面淬火具有工件加热速度快、时间短，变形小，基本无氧化和无脱碳特点；工件表面经感应加热淬火后，在淬硬的表面层中存在较大的残余压应力，可以有效地提高工件的疲劳强度；生产率高，易实现机械化、自动化，适于大批量生产。③感应加热表面淬火的应用。感应加热表面淬火主要用于中碳钢和中碳合金钢制造的工件，如40钢、45钢、40Cr钢、40MnB钢等。根据交流电流频率不同，感应加热表面淬火分为高频感应加热表面淬火、中频感应加热表面淬火和工频感应加热表面淬火三类。（2）火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是利用乙炔一氧或其它可燃气燃烧的火焰对工件表层进行加热，随之快速冷却的淬火工艺。火焰加热表面淬火操作简便，不需要特殊设备，生产成本低，主要用于单件或小批量生产的各种齿轮、轴、轧辊等。2．气相沉积气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程、改变工件表面成分，在工件表面形成具有特殊性能的金属或化合物涂层的表面处理技术。气相沉积按照过程的本质可分为化学气相沉积和物理气相沉积两大类。

（1）化学气相沉积。化学气相沉积是利用气态物质在一定的温度下，在固体表面上进行化学反应，并在其表面上生成固态沉积膜的过程。化学气相沉积在硬质合金刀具涂层、钢制模具涂层以及耐磨件涂层等方面得到应用，而且其使用寿命较未涂层前提高3～10倍。（2）物理气相沉积。物理气相沉积是通过真空蒸发、电离或溅射等过程，产生金属离子并沉积在工件表面，形成金属涂层或与反应气体反应生成化合物涂层的过程。物理气相沉积适用于钢铁材料、非铁金属、陶瓷、玻璃、塑料等。物理气相沉积方法有真空蒸镀、真空溅射和离子镀三类。

二、化学热处理化学热处理是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到它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理与表面淬火相比，其特点是表层不仅有组织的变化，而且还有化学成分的变化。

化学热处理方法很多，通常以渗入元素来命名工艺名称，如渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗硅、渗金属等。化学热处理由分解、吸收和扩散三个基本过程组成。1．渗碳为提高工件表层碳的质量分数并在其中形成一定的碳含量梯度，将工件在渗碳介质中加热、保温，使碳原子渗入的化学热处理工艺称为渗碳。渗碳所用钢种一般是碳的质量分数为0.10%～0.25%的低碳钢和低合金钢，如15钢、20钢、20Cr钢、20CrMnTi钢等。根据渗碳介质的物理状态不同，渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。

二、化学热处理2．渗氮在一定温度下于一定渗氮介质中，使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺称为渗氮。渗氮的目的是为了提高工件表层的硬度、耐磨性、热硬性、耐腐蚀性和疲劳强度。渗氮处理广泛用于各种高速传动的精密齿轮、高精度机床主轴、受循环应力作用下要求高疲劳强度的零件(如高速柴油机曲轴)以及要求变形小和具有一定耐热、抗腐蚀能力的耐磨零件(如阀门)等。3．碳氮共渗在奥氏体状态下同时将碳、氮原子渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺称为碳氮共渗。根据共渗温度不同，可分为低温(520℃～580℃)、中温(760℃～880℃)和高温(900℃～950℃)碳氮共渗。碳氮共渗的目的主要是提高工件表层的硬度和耐磨性，广泛应用于自行车、缝纫机、仪表零件，齿轮、轴类、模具、量具等表面处理。模块八

热处理新技术简介一、形变热处理●形变热处理是将塑性变形与热处理工艺结合，以提高工件力学性能的复合工艺。工件经形变热处理后，可以获得形变强化和相变强化综合效果。