第九章+金属热处理工艺

第2篇热处理原理及工艺第9章金属热处理工艺教学目标熟悉热处理的基本工艺，掌握退火、正火、淬火、回火等基本概念和热处理的工艺制定，熟悉其运用范围;熟悉表面热处理、化学热处理、形变热处理的基本原理和运用;掌握各种热处理后的组织形式和性能特点。

第2篇热处理原理及工艺3/11/20241材料科学与工程学院多媒体课件§9.1钢的普通热处理§9.1.1钢的退火退火：将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却(一般为随炉冷却)，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。目的：均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒,调整硬度，消除内应力和加工硬化，改善钢的成形及加工性能，并为淬火作组织准备。分类：根据目的和要求分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等。第九章金属热处理工艺3/11/20242材料科学与工程学院多媒体课件碳钢各种退火和正火工艺规范示意图第九章金属热处理工艺3/11/20243材料科学与工程学院多媒体课件一、完全退火完全退火：又称重结晶退火，是把钢加热至Ac3以上20℃

30℃，保温一定时间后缓慢冷却(随炉冷却或埋入石灰、砂中冷却)，以获得接近平衡组织的热处理工艺。目的：通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，以提高性能；或使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态的组织，以降低硬度，改善切削加工性能。由于冷却速度缓慢，还可消除内应力。第九章金属热处理工艺3/11/20244材料科学与工程学院多媒体课件适用性：适用于亚共析钢。

低碳钢和过共析钢不宜采用原因：低碳钢完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。过共析钢加热至Accm以上A

状态缓冷退火时，有网状Fe3CⅡ沿晶界析出，形成所谓的“魏氏组织”，会造成在以后热处理中引起裂纹，使钢的强度、塑性和冲击韧性显著降低。第九章金属热处理工艺3/11/20245材料科学与工程学院多媒体课件二、不完全退火不完全退火：将钢加热至Ac1

Ac3（亚共析钢）或Ac1

Accm

（过共析钢）之间，经保温后缓慢冷却以获得近于平衡组织的热处理工艺。目的：

降低硬度，消除内应力，改善切削加工性能。适用性

不完全退火一般用于过共析钢。从上可见所谓完不完全，视钢加热时奥氏体化的程度。第九章金属热处理工艺3/11/20246材料科学与工程学院多媒体课件三、等温退火等温退火：将钢件加热到高于Ac3

(或Ac1)

的温度，保温适当时间后，较快地冷却到珠光体区的某一温度，并等温保持，使奥氏体等温转变，然后缓慢冷却的热处理工艺。目的:与完全退火相同，能获得均匀的预期组织；对于奥氏体较稳定的合金钢，可大大缩短退火时间。第九章金属热处理工艺3/11/20247材料科学与工程学院多媒体课件四、球化退火球化退火：使钢中碳化物球状化的热处理工艺，是不完全退火的一种。目的：使Fe3CⅡ及P

中的渗碳体球状化（退火前正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后的淬火作组织准备。适用性：主要用于共析钢和过共析钢。第九章金属热处理工艺3/11/20248材料科学与工程学院多媒体课件过共析钢球化退火后的显微组织为:在铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体。第九章金属热处理工艺片状珠光体球状珠光体3/11/20249材料科学与工程学院多媒体课件球化退火工艺：球化退火一般采用随炉加热，加热温度略高于Ac1,以便保留较多的未溶碳化物粒子或较大的奥氏体中的碳浓度分布的不均匀性,促进球状碳化物的形成。若加热温度过高，Fe3CⅡ易在慢冷时以网状的形式析出球化退火需要较长的保温时间来保证二次渗碳体的自发球化。保温后随炉冷却，在通过Ar1温度范围时，应足够缓慢，以使奥氏体进行共析转变时，以未溶渗碳体粒子为核心形成粒状渗碳体。第九章金属热处理工艺3/11/202410材料科学与工程学院多媒体课件五、扩散退火扩散退火：将钢加热到略低于固相线(固相线以下100

200℃)的温度，长时间保温(10h

15h)，并进行缓慢冷却的热处理工艺，又称为均匀化退火。目的：减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性。注意事项：扩散退火后钢的晶粒很粗大，因此一般再进行完全退火或正火处理。第九章金属热处理工艺3/11/202411材料科学与工程学院多媒体课件六、去应力退火去应力退火：将钢件加热至低于Ac1的某一温度(一般为500℃

650℃)，经保温后随炉冷却的热处理工艺。目的：消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力。可以消除约50%

80%的内应力，不引起组织变化第九章金属热处理工艺3/11/202412材料科学与工程学院多媒体课件七、再结晶退火再结晶退火：将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当的时间，而后缓慢冷却的热处理工艺。目的：使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒而消除加工硬化。再结晶退火既可作冷变形中间的退火，也可作为成品热处理。第九章金属热处理工艺3/11/202413材料科学与工程学院多媒体课件退火工艺总结：加热、保温后，缓冷(炉冷)→近平衡组织P(+F或Fe3CII)第九章金属热处理工艺扩散退火

加热至略低于固相线目的：使成分、组织均匀再结晶退火：

加热温度TR+30～50℃目的：消除加工硬化去应力退火:

加热温度＜Ac1，一般为500～650℃目的：消除冷热加工后的内应力3/11/202414材料科学与工程学院多媒体课件§9.1.2钢的正火正火概念：将钢材或钢件加热到Ac3(对于亚共析钢)和Accm(对于过共析钢)以上30℃

50℃，保温适当时间后，在自由流动的空气中均匀冷却的热处理工艺。正火组织：亚共析钢为F+S，共析钢为S，过共析钢为S+Fe3CII正火的目的：使钢的组织正常化，亦称常化处理

对比完全退火，其冷却速度更快。第九章金属热处理工艺3/11/202415材料科学与工程学院多媒体课件应用作为预先热处理：截面较大的合金结构钢件，在淬火或调质处理（淬火加高温回火）前常进行正火，以消除魏氏组织和带状组织，并获得细小而均匀的组织。对于过共析钢可减少二次渗碳体量，并使其不形成连续网状，为球化退火作组织准备。作为最终热处理：正火可以细化晶粒，使组织均匀化，减少亚共析钢中铁素体含量，使珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。对于普通结构钢零件，机械性能要求不很高时，可以正火作为最终热处理。第九章金属热处理工艺3/11/202416材料科学与工程学院多媒体课件改善切削加工性能：对于低碳钢或低碳合金钢,由于完全退火后硬度太低，一般在170HB以下，切削加工性能不好。而用正火，则可提高其硬度，从而改善切削加工性能。第九章金属热处理工艺钢的热处理与硬度3/11/202417材料科学与工程学院多媒体课件第九章金属热处理工艺正火工艺总结加热温度：Ac3(Accm)

+30～50℃，空冷→S（+F或Fe3CII）应用：1)

钢的最终热处理细化晶粒，组织均匀化，增加亚共析钢中P(S)%，使强度、韧性、硬度↑2)

预先热处理—淬火、球化退火前改善组织。3)

增加低碳钢的硬度，以改善切削加工性能。3/11/202418材料科学与工程学院多媒体课件§9.1.3钢的淬火淬火：将亚共析钢加热到Ac3

以上，共析钢与过共析钢加热到Ac1以上(低于Accm)的温度，保温后以大于Vk

的速度快速冷却，使奥氏体转变为马氏体(M)的热处理工艺。

马氏体强化是钢的主要强化手段，因此淬火的目的就是为了获得马氏体，提高钢的机械性能。另一方面为回火作准备。淬火是钢的最重要的热处理工艺，也是热处理中应用最广的工艺之一。第九章金属热处理工艺3/11/202419材料科学与工程学院多媒体课件一、淬火工艺1、淬火温度的确定

淬火温度即钢的奥氏体化温度，是淬火的主要工艺参数之一。

选择淬火温度的原则是获得均匀细小的奥氏体组织。亚共析钢的淬火温度为：Ac3以上30℃

50℃；共析钢和过共析钢为：Ac1

以上30℃

50℃。第九章金属热处理工艺3/11/202420材料科学与工程学院多媒体课件钢的淬火温度范围第九章金属热处理工艺3/11/202421材料科学与工程学院多媒体课件淬火温度确定的理论依据

亚共析钢加热到Ac3以下时，淬火组织中会保留F，使钢的硬度降低。

过共析钢加热到Ac1以上两相区时，组织中会保留少量Fe3CⅡ，而有利于钢的硬度和耐磨性，并且，由于降低了奥氏体中的碳质量分数，可以改变马氏体的形态，从而降低马氏体的脆性。此外，还可以减少淬火后残余奥氏体的量。若淬火温度太高，奥氏体晶粒会过分粗大形成粗大的马氏体，使机械性能恶化；同时由于成分和温差的原因，会增大淬火应力，使变形和开裂倾向增大。第九章金属热处理工艺3/11/202422材料科学与工程学院多媒体课件2、加热时间的确定

加热时间由升温时间和保温时间组成。升温时间：由零件入炉温度升至淬火温度所需的时间，并以此作为保温时间的开始。保温时间：指零件温度均匀化并完成奥氏体化过程所需要的时间。

加热时间通常根据经验公式估算或通过实验确定。生产中往往要通过实验确定合理的加热及保温时间，以保证工件质量。第九章金属热处理工艺3/11/202423材料科学与工程学院多媒体课件3、淬火冷却介质的确定①理想淬火冷却

淬火过程是冷却非常快的过程，为了得到马氏体组织，淬火冷却速度必须大于上临界冷却速度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和开裂，造成废品。

淬火的目的是得到马氏体组织，同时又要避免产生变形和开裂。第九章金属热处理工艺理想淬火冷却曲线示意图3/11/202424材料科学与工程学院多媒体课件由上图可见：

只要在“鼻尖”温度附近快冷，使冷却曲线躲过“鼻尖”，不碰上C曲线，就能得到马氏体。也就是说，在“鼻尖”温度以上，在保证不出现珠光体类型组织的前提下，可以尽量缓冷；在“鼻尖”温度附近则必须快冷，以躲开“鼻尖”，保证不产生非马氏体相变；而在Ms点附近又可以缓冷，以减轻马氏体转变时的相变应力。但是到目前为止，还找不到这样理想的淬火冷却介质。第九章金属热处理工艺3/11/202425材料科学与工程学院多媒体课件②常用淬火冷却介质水：650～550℃和300～200℃范围内冷却能力较大，易造成零件变形和开裂。淬火用水温度一般控制在30℃以下，主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。矿物油：300～200℃范围内冷却能力低，有利于减少工件变形；但在650～550℃范围内冷却能力也低,不利于淬硬，油一般用于合金钢的淬火。盐浴：特点是沸点高，冷却能力介于水和油之间，可减少零件淬火时的变形，主要用于分级淬火和等温淬火，以处理形状复杂、尺寸较小、变形要求严格的工具等。冷却速度：盐水＞水＞盐浴＞油第九章金属热处理工艺3/11/202426材料科学与工程学院多媒体课件4、淬火方法第九章金属热处理工艺3/11/202427材料科学与工程学院多媒体课件单介质淬火：将奥氏体状态的工件放入一种淬火介质中，一直冷却到室温的淬火方法。优点是操作简单，容易实现机械化，应用较广。缺点是如果选择水，淬变形开裂倾向大；选择油，淬冷却速度小，淬透直径小，大件淬不硬。

单介质淬火适用于形状简单的碳钢和合金钢工件。双介质淬火：先将奥氏体状态的工件在冷却能力强的淬火介质中冷却至接近Ms点温度时，再立即转入冷却能力较弱的淬火介质中冷却，直至完成马氏体转变。第九章金属热处理工艺3/11/202428材料科学与工程学院多媒体课件分级淬火：将奥氏体状态的工件首先淬入略高于钢的Ms点的盐浴或碱浴炉中保温，当工件内外温度均匀后，再从浴炉中取出空冷至室温，完成马氏体转变。

双介质淬火和分级淬火能有效地减少热应力和相变应力，降低工件变形和开裂的倾向，所以可用于形状复杂和截面不均匀的工件的淬火。等温淬火：将奥氏体化后的工件在稍高于Ms温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。

该方法大大降低内应力，减少变形，适合处理复杂和精度要求高的小件，如弹簧、螺栓等。缺点是生产中期长、生产效率低。第九章金属热处理工艺3/11/202429材料科学与工程学院多媒体课件二、钢的淬透性1、概念

淬透性：钢接受淬火时形成马氏体的能力。不同成分的钢，淬火时形成马氏体的能力不同，容易形成马氏体的钢淬透性高(好)，反之则低(差)。例如：合金钢(40CrNiMo)比碳素钢(45钢)淬透性好。2、淬透性测定方法

淬透性的测定方法很多，目前应用得最广泛的是“末端淬火法”(GB225-63)，简称端淬试验。第九章金属热处理工艺3/11/202430材料科学与工程学院多媒体课件第九章金属热处理工艺3/11/202431材料科学与工程学院多媒体课件第九章金属热处理工艺3、关于淬透性曲线实验测出的各种钢的淬透性曲线均收集在有关手册中。同一牌号的钢，由于化学成分和晶粒度的差异，淬透性曲线实际上为有一定波动范围的淬透性带。根据GB225-63规定，钢的淬透性值用表示。其中J表示末端淬火的淬透性，d表示距水冷端的距离，HRC为该处的硬度。

例如：淬透性值表示距水冷端5mm试样硬度为42HRC。3/11/202432材料科学与工程学院多媒体课件4、淬透层深度淬透层深度：试样表面至半马氏体区(马氏体和非马氏体组织各占一半)的距离。半马氏体组织的确定：硬度测试法：M中含非M组织不多时，硬度变化不大；非M组织量增至50%时，硬度陡然下降，曲线出现明显转折点。半马氏体组织的硬度主要与碳质量分数有关，而与合金元素质量分数关系不大。断口观察法：淬火试样的断口上，以马氏体为界，发生由脆性断裂向韧性断裂的变化，并且其酸蚀断面呈现明显的分界线。第九章金属热处理工艺3/11/202433材料科学与工程学院多媒体课件第九章金属热处理工艺3/11/202434材料科学与工程学院多媒体课件淬透性、淬透层深度和淬硬性三个概念的区别淬透性:是钢在淬火时形成马氏体的能力，是钢在规定条件下的一种工艺性能，取决于上临界冷却速度VK

。淬透层深度:是指实际工件在具体条件下淬火得到表面马氏体到半马氏体处的距离，它与钢的淬透性、工件的截面尺寸和淬火介质的冷却能力有关。淬透性好,工件截面尺寸小，淬火介质的冷却能力强，则淬透层深度越大。在同样淬火条件下，淬透层深度越大，则反映钢的淬透性越好。淬硬性:指钢淬火后能达到的最高硬度，主要取决于马氏体的含碳量，C%↑→淬硬性↑。第九章金属热处理工艺3/11/202435材料科学与工程学院多媒体课件第九章金属热处理工艺淬透性不同的钢调质后机械性能的比较(a)完全淬透(b)淬透较大厚度(c)淬透较小厚度3/11/202436材料科学与工程学院多媒体课件5、影响淬透性的因素

钢的淬透性由其临界冷却速度决定，临界冷却速度越小，即奥氏体越稳定，则钢的淬透性越好。故凡影响奥氏体稳定性的因素，均影响钢的淬透性。①碳含量

在碳钢中，碳含量影响钢的临界冷却速度。共析钢的临界冷速最小，淬透性最好；亚共析钢随碳含量减少，临界冷速增加，淬透性降低；过共析钢随碳含量增加，临界冷速增加，淬透性降低。第九章金属热处理工艺3/11/202437材料科学与工程学院多媒体课件第九章金属热处理工艺3/11/202438材料科学与工程学院多媒体课件②合金元素：除钴以外，其余合金元素溶于奥氏体后,降低临界冷却速度，使C曲线右移，提高钢的淬透性，因此合金钢往往比碳钢的淬透性要好。③奥氏体化温度：提高奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大、成分均匀，可减少珠光体的生核率，降低钢的临界冷却速度，增加其淬透性。④钢中未溶第二相：钢中未溶碳化物、氮化物及其它非金属夹杂物，可成为奥氏体分解的非自发核心，使临界冷却速度增大，降低淬透性。第九章金属热处理工艺3/11/202439材料科学与工程学院多媒体课件6、淬透性曲线的应用可比较不同钢种的淬透性，方便选材。第九章金属热处理工艺3/11/202440材料科学与工程学院多媒体课件淬透性不同的钢材经调质处理后，沿截面的组织和机械性能差别很大。第九章金属热处理工艺40CrNiMo40Cr40钢全部回火S回火S回火SS＋F回火S回火SS＋F淬透性不同的钢调质后机械性能的比较3/11/202441材料科学与工程学院多媒体课件淬透性与选材：

截面较大形状复杂以及受力较苛刻的螺栓、拉杆、锻模、锤杆等工件，要求截面机械性能均匀，应选用淬透性好的钢。而承受弯曲或扭转载荷的轴类零件、外层受力较大，心部受力较小，可选用淬透性较低的钢种。第九章金属热处理工艺3/11/202442材料科学与工程学院多媒体课件§9.1.4钢的回火

回火：钢件淬火后，为了消除内应力并获得要求的组织和性能，将其加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。

一、为什么要回火淬火后得到的是性能很脆的M组织，并存在有内应力，容易产生变形和开裂。淬火后回火可降低或消除内应力，以防止工件开裂和变形。淬火马氏体和残余奥氏体都是不稳定组织，在工作中会发生分解，导致零件尺寸变化，而这对精密零件是不允许的。淬火后回火可稳定组织，以稳定工件尺寸。淬火后回火可获得合理的强度、硬度、塑性和韧性的配合，即具备综合的机械性能，满足零件的使用要求。第九章金属热处理工艺3/11/202443材料科学与工程学院多媒体课件二、回火的分类

回火工艺按照加热温度的不同，分为三大类：低温回火、中温回火和高温回火。

①低温回火回火温度：150℃-250℃回火组织：回火M＋残余A

钢件淬火后，在上面温度范围内加热,马氏体将分解,从淬火马氏体组织内部会析出ε-碳化物薄片(Fe2.4C)，马氏体的碳过饱和度减小；部分残余奥氏体转变为下贝氏体，但量不多可忽略。第九章金属热处理工艺3/11/202444材料科学与工程学院多媒体课件回火M：由极细的ε碳化物和过饱和程度有所降低的α固溶体组成。在显微镜下，高碳回火M为黑色针状，低碳回火M为暗板条状，中碳回火M为两者混合物。回火M强度高、硬度高、耐磨性好。回火目的：降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度(一般为58HRC

64HRC)和高耐磨性。应用：主要用于处理各种高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳和表面淬火的零件。第九章金属热处理工艺3/11/202445材料科学与工程学院多媒体课件②中温回火回火温度：350℃

500℃回火组织：得到回火屈氏体(回火T是铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织)铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比低温回火马氏体中的碳化物粗大。应用：回火T具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35

45HRC。主要用于处理各类弹簧。第九章金属热处理工艺3/11/202446材料科学与工程学院多媒体课件③高温回火回火温度：500℃～650℃回火组织：得到回火索氏体(回火S是粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织)。

回火S强度、塑性和韧性都比较好，硬度一般为25HRC～35HRC，具有良好的综合机械性能。第九章金属热处理工艺回火索氏体显微组织3/11/202447材料科学与工程学院多媒体课件第九章金属热处理工艺调质处理：淬火+高温回火。

广泛用于各种重要的机器结构件，特别是受交变载荷的连杆、轴等零件。也可作为某些精密工件如量具、模具等的预先热处理。弥散强化：细小、弥散的第二相均匀分布基体之上使强度提高45钢调质处理和正火后机械性能的对比工艺机械性能组织σb/MPaδ(％)αk

/kJ·m-2HB正火700~80012~20500~800163~220S＋F调质750~85020~25800~1200210~250回火S3/11/202448材料科学与工程学院多媒体课件三、钢回火时性能的变化

随回火温度的升高，碳钢的硬度、强度降低，塑性提高。但回火温度太高，塑性会有所下降（因出现粗大的碳化物粒子，故塑性下降）。第九章金属热处理工艺3/11/202449材料科学与工程学院多媒体课件淬火钢中马氏体的碳质量分数、残余奥氏体量、内应力及碳化物尺寸与回火温度的关系第九章金属热处理工艺3/11/202450材料科学与工程学院多媒体课件四、钢回火脆性第九章金属热处理工艺3/11/202451材料科学与工程学院多媒体课件回火脆性：钢在250

400℃和450

650℃两个温度区间回火后，冲击韧性明显下降的现象。低温回火脆性

淬火钢在250

400℃范围内回火时出现的脆性现象，也叫第一类回火脆性。几乎所有的钢都存在这类脆性，是一种不可逆回火脆性。第九章金属热处理工艺3/11/202452材料科学与工程学院多媒体课件低温回火脆性的原因

淬火钢在250℃以上回火时，碳化物薄片沿板条M的板条边界或针状M的孪晶带或晶界析出，破坏了M之间的连接，降低了韧性。在这样的温度下，残余A的分解也增加脆性，但不是主要原因。防止措施

不可逆回火脆性，目前尚无有效办法完全消除这类回火脆性。所以一般都不在250

400℃这个温度范围内回火。第九章金属热处理工艺3/11/202453材料科学与工程学院多媒体课件高温回火脆性

淬火钢在450

650℃范围内回火时出现的脆性现象，也叫第二类回火脆性。

这种脆性主要发生在含Cr、Ni、Si、Mn等合金元素的结构钢中。

高温回火脆性与加热、冷却条件有关。加热至600℃以上后，以缓慢的冷却速度通过脆化温度区时，出现脆性；快速通过脆化区时，则不出现脆性。这是一种可逆回火脆性。第九章金属热处理工艺3/11/202454材料科学与工程学院多媒体课件高温回火脆性原因

主要原因是Sb、Sn、Pb等杂质在原A晶界偏聚，钢中Ni、Cr等合金元素促进杂质的这种偏聚，而且本身也发生晶界偏聚，因此增大了产生回火脆性的倾向。防止措施

尽量减少杂质元素的含量，或者加入Mo等能抑制晶界偏聚的合金元素。如果存在高温回火脆性，可采取快速冷却来避免。第九章金属热处理工艺3/11/202455材料科学与工程学院多媒体课件回火总结工艺描述：淬火后，加热到Ac1以下，保温，冷却。目的：消除淬火应力，调整性能。低温回火(150

250℃)→回火M(过饱和F+薄片状Fe2.4C

)+Aˊ；淬火应力↓，韧性