第四章-钢的热处理

第四章钢的热处理热处理的分类：热处理钢在固态下以适当方式进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。目的消除零件毛坯中的缺陷，改善钢的加工工艺性能和力学性能，充分发挥钢的潜力，节约生产成本，提高零件的使用性能，延长产品的使用寿命。热处理工艺曲线热处理都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的。平衡转变PSK线——A1线；GS线——A3线；ES线——Acm线。加热时的各相变点Ac1、Ac3、Accm；冷却时的各相变点Arl、Ar3、Arcm。

第一节钢的热处理原理一、钢在加热时的组织转变（一）钢的奥氏体化1.奥氏体的形成过程形核及长大。四个阶段。

（1）奥氏体晶核的形成（2）奥氏体晶核的长大（3）残余渗碳体的溶解（4）奥氏体的均匀化

共析钢奥氏体的形成过程

2.影响奥氏体转变速度的因素（1）加热温度加热温度越高，奥氏体的形成速度越快。（2）加热速度加热速度越快，转变温度越高，转变时间越短，转变速度越快。（3）钢的原始组织原始组织越细，晶核的形成速度就越快，形成速度较快。

（二）奥氏体晶粒长大及其影响因素1.奥氏体晶粒度两种表示方法：用晶粒的平均尺寸表示；另一种是用晶粒度N来表示。2.奥氏体晶粒的长大奥氏体起始晶粒，奥氏体起始晶粒度，实际晶粒，实际晶粒度，本质晶粒度，本质粗晶粒钢，本质细晶粒钢3.影响奥氏体晶粒长大的因素（1）加热温度和保温时间加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒长得越大。（2）加热速度当加热温度确定后，加热速度越快，奥氏体晶粒越细小。（3）合金元素除锰、磷外，大多数合金元素均能不同程度的阻碍奥氏体晶粒的长大。二、钢在冷却时的组织转变生产中采用的冷却方式等温冷却和连续冷却两种。奥氏体的组织转变方式：等温冷却转变，连续冷却转变。（一）过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体在孕育期内暂时存在的、处于不稳定状态的奥氏体。1.过冷奥氏体等温转变曲线的建立2.过冷奥氏体等温转变曲线的分析鼻尖冷奥氏体最不稳定，转变速度最快的温度。3.过冷奥氏体等温转变产物的组织形态及性能

（1）高温转变（珠光体型转变）在A1~550℃之间，由层片状的铁素体和渗碳体组成的，属于扩散型转变。①珠光体在A1~650℃形成的组织，用“P”表示，珠光体片间距较大。②索氏体在650~600℃形成的组织，称为索氏体（或细珠光体），用“S”表示。③托氏体在600~550℃形成的组织，称为托氏体（或极细珠光体），用“T”表示。

（2）中温转变（贝氏体型转变）550℃~Ms。组织是含碳量过饱和的铁素体与碳化物组成的机械混合物，属于贝氏体型组织，用“B”表示。属于半扩散型转变。

①上贝氏体在550~350℃形的，由大致平行的轻微过饱和碳的铁素体片和短棒状（或短片状）的碳化物组成。

上贝氏体组织塑性较低，脆性较大，无实用价值。

②下贝氏体在350℃~Ms温度范围内形成的，由含碳过饱和的针片状铁素体和铁素体片内弥散分布的碳化物组成。

下贝氏体组织具有较高的强度、硬度，同时具有良好的塑性和韧性。常用等温淬火的方法获得。

（3）低温转变（马氏体型转变）在Ms线以下，过冷奥氏体将转变成马氏体组织，在过冷奥氏体的连续冷却转变中介绍。4.影响C曲线的因主要因素有奥氏体的成分及奥氏体化条件。（1）奥氏体成分的影响①含碳量的影响亚共析钢的C曲线随含碳量的增加向右移动，过共析钢的C曲线则随碳的质量分数的增加向左移动。②合金元素的影响除钴外，所有合金元素溶入奥氏体后均能提高过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。（2）奥氏体化条件的影响加热温度越高，保温时间越长，奥氏体成分越均匀，使过冷奥氏体的稳定性提高，C曲线向右移动。（二）过冷奥氏体的连续冷却转变1.过冷奥氏体的连续冷却转变曲线

Ps线过冷奥氏体向珠光体转变的开始线；Pf线过冷奥氏体向珠光体转变终了线；KK’线过冷奥氏体向珠光体转变的终止线；vｋ马氏体临界冷却速度；v’k获得全部珠光体型组织的最大冷却速度。v1相当于随炉冷却，奥氏体将转变为珠光体组织；v2相当于在空气中冷却，奥氏体将转变为索氏体组织；v3相当于油冷的部分奥氏体将转变为托氏体，剩余的奥氏体冷却到Ms线以下转变为马氏体组织；v4是相当于水冷的速度，转变产物为马氏体+残余奥氏体；2.C曲线在连续冷却转变中的应用3.马氏体转变

当奥氏体的冷却速度大于该钢的马氏体临界冷却速度并冷却到MS点以下时，就会转变为马氏体组织。

把碳在α-Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体。（1）马氏体的组织形态板条状马氏体和片状马氏体。

当奥氏体中的含碳量小于0.20%时，马氏体的形态为板条状，故称为板条马氏体（或低碳马氏体）；当奥氏体中的含碳量大于1.0%时，马氏体的形态为片状或竹叶状，称为片状马氏体（或高碳马氏体）。

（2）马氏体的性能马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体中的含碳量。

马氏体的塑性和韧性与含碳量有关，板条状马氏体的塑性和韧性较好，而片状高碳马氏体的塑性和韧性差。

4.马氏体转变的特点是由形核和长大两个基本过程组成的，主要有以下特点：（1）无扩散型相变；（2）转变速度极快；（3）马氏体转变是在一定温度范围内进行的；（4）马氏体转变的不完全性。第二节钢的普通热处理一、钢的退火和正火（一）退火将钢件加热到一定温度，并保温一定时间，然后进行缓慢冷却的热处理工艺。1.退火的目的①降低硬度，改善工件的切削加工性能；②消除残余应力，防止工件的变形与开裂；③细化晶粒，改善组织，以提高钢的力学性能，并为最终热处理做好组织上的准备。2.退火的分类与应用

（1）完全退火将钢件加热到完全奥氏体化温度（Ac3以上30~50℃）后，保温一段时间，然后随炉缓冷至550℃以下出炉空冷，以获得接近平衡组织的热处理工艺。主要用于亚共析钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接结构件的热处理。（2）等温退火将钢件加热到Ac3（或Ac1）以上温度，保温一定时间后，以较快的速度冷却到Ar1以下某一温度并进行等温，使奥氏体转变为珠光体型组织，然后缓慢冷却的热处理工艺。

（3）球化退火将共析钢或过共析钢加热到Ac1以上20~30℃，保温一定时间后，随炉缓冷至550℃以下出炉空冷，以获得颗粒状碳化物的热处理工艺。主要用于共析或过共析成分的碳钢及合金钢。

（4）均匀化退火均匀化退火又称扩散退火，是将铸锭、铸件或锻坯加热到固相线温度以下100~200℃，保温10~15ｈ，然后缓慢冷却，以获得成分均匀组织的热处理工艺。

（5）去应力退火又称低温退火，是将工件加热到Ac1以下100~200℃（一般为500~600℃），保温一定时间，然后随炉缓冷的热处理工艺。

（二）正火将钢件加热到Ac3（或Accm）点以上30~50℃，完全奥氏体化后，再在空气中冷却以获得较细珠光体组织的热处理工艺。

应用：（1）改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性能（2）消除网状渗碳体（3）作为中碳钢零件的预先热处理（4）作为普通结构件的最终热处理

二、钢的淬火将钢件加热到Ac3或Ac1以上30~50℃，保温一定的时间，然后以大于马氏体临界冷却速度快速冷却，使奥氏体化转变为马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。

（一）淬火的目的获得马氏体，并配合适当的回火工艺，以获得零件所需要的力学性能，充分发挥钢的潜力。

（二）淬火工艺

1.淬火加热温度亚共析钢：T=Ac3+（30~50）℃共析钢、过共析钢：T=Ac1+（30~50）℃2.淬火加热保温时间淬火加热保温时间是指从炉温指示仪表达到规定温度至工件出炉之间的时间。经验公式ｔ=α×D

t——加热时间，min；α——加热系数，min/mm；D——工件的有效厚度，mm。3.淬火介质工件进行快速冷却时所用的介质。

理想的淬火冷却曲线

（2）油机械油、变压器油、柴油、植物油等

生产中常用的淬火冷却介质（1）水及水溶液

（二）淬火方法1.单介质淬火将奥氏体化的工件投入一种淬火冷却介质中，一直冷却到室温的淬火方法。一般碳钢在水或水溶液中淬火，合金钢在油中淬火等均属单液淬火。2.双介质淬火先把奥氏体化的工件投入冷却能力较强的介质中，待零件冷却到稍高于Ms温度时，再立即投入到另一冷却能力较弱的介质中，使之发生马氏体转变的淬火工艺。如高碳钢淬火时用的水-油淬火，合金钢淬火时用的油-空气淬火等。3.分级淬火把奥氏体化后的工件投入到温度稍高于或稍低于Ms点的盐浴或碱浴中，保持适当时间，待工件内外层都达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火方法。

4.等温淬火把奥氏体化后的工件投入到温度稍高于Ms点的盐浴或碱浴中，保温一定时间，使其发生下贝氏体转变的热处理工艺方法。

（三）钢的淬透性和淬硬性1.淬透性的概念钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。它是钢本身固有的属性。

淬硬性钢在淬火后所能达到最高硬度的能力。淬硬性主要取决于马氏体的含碳量，而合金元素对淬硬性没有显著影响。2.淬透性的应用

3.影响淬透性的因素

与马氏体临界冷却速度有关，过冷奥氏体的稳定性越高，临界冷却速度越小，钢的淬透性越好。表4-2常用钢的临界淬透直径三、钢的回火将淬火后的工件重新加热到A1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）回火的目的1.获得工件所需要的力学性能2.稳定工件尺寸3.减少或消除淬火内应力

（二）淬火钢的回火转变

1.马氏体的分解（≤200℃）

这一阶段的回火组织是由过饱和度较低的α固溶体和ε碳化物所组成的——回火马氏体。2.残余奥氏体的分解（200~300℃）残余奥氏体的回火转变产物与过冷奥氏体的转变产物相同，即在不同温度下可转变为马氏体、贝氏体和珠光体组织。

3.碳化物的转变（250~450℃）250℃以上回火时，ε碳化物将逐渐转变为稳定的渗碳体组织，到450℃时全部转变为高度弥散分布的渗碳体。α固溶体中的含碳量已降到平衡含量而成为铁素体，但其形态仍为针状。由针状铁素体和高度弥散分布的渗碳体组成的组织——回火托氏体。

4.渗碳体的聚集长大和铁素体的再结晶（450~700℃）450℃以上，在渗碳体球化、长大的同时，铁素体在500~600℃开始再结晶，铁素体由板条状或针状转变为多边形晶粒。这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织——回火索氏体。（三）回火的种类及应用

1.低温回火（150~250℃）组织为回火马氏体。目的是在保持淬火钢高硬度和高耐磨性的前提下，降低淬火内应力和脆性，提高塑性和韧性。主要用于高碳钢和合金钢制作的切削刃具、量具、冷冲模具、滚动轴承、渗碳件以及表面淬火零件等，回火后的硬度一般为58~64HRC。

2.中温回火（350~500℃）组织为回火托氏体。目的是获得高的屈服强度、弹性极限和较高的韧性。主要用于各种弹性元件和热作模具的处理，回火后硬度一般为35~50HRC。3.高温回火（500~650℃）组织为回火索氏体。目的是要获得强度、硬度、塑性和韧性具有良好配合的综合力学性能。将淬火加高温回火相结合的热处理工艺称为“调质处理”。应用于汽车、拖拉机、机床制造中的重要结构件（如连杆、螺柱、齿轮及传动轴等）的热处理。回火后的硬度一般为200~330HBS。

45钢经调质和正火后的力学性能对比热处理状态力学性能σb/MPaδ×100Ak/JHBS组织正火700~80015~2040~60163~220铁素体＋细片状珠光体调质750~85020~2564~96210~250回火索氏体第三节钢的表面热处理

一、钢的表面淬火在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表层组织奥氏体化后进行淬火，使表层获得硬而耐磨的马氏体组织，而心部组织不变仍保持原有的塑性和韧性的热处理方法。

（一）感应加热表面淬火1.感应加热的基本原理

2.感应加热表面淬火用钢及工艺最适宜的钢种是中碳钢或中碳合金钢，常用的材料有40、45、40Cr、40MnB等。

感应加热表面淬火前应对工件进行调质或正火处理，以保证心部具有良好的综合力学性能，并为表面淬火作好组织准备。

3.感应加热表面淬火的应用（1）高频感应加热表面淬火常用频率为200~300kHz，工件的淬硬层深度为0.5~2mm。主要用于要求淬硬层较薄的中、小模数齿轮和中、小尺寸的轴类零件等。（2）中频感应加热表面淬火常用频率为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的轴类零件等。（3）工频感应加热表面淬火电流频率为50Hz，淬硬层深度为10~20mm。主要用于大直径零件（如轧辊、火车车轮等）的表面淬火。（4）超音频感应加热表面淬火电流频率一般为20~40kHz，由于该频率比音频（＜20kHz）稍高。主要应用于模数为3~6的齿轮、链轮、凸轮等零件的表面淬火。

4.感应加热表面淬火的特点（1）感应加热表面淬火的加热速度极快（2）淬火后表层可获得极细小的针状马氏体组织，比普通淬火要高出2~3HRC（3）工件表层将产生残余压应力，能显著提高工件的疲劳强度。（4）工件表面不易产生氧化、脱碳现象，淬火变形较小。（5）生产效率高，容易实现机械化和自动化操作。主要缺点是：设备较贵，维修费用较高，复杂零件的感应器不易制作，一般不宜用于单件生产。

（二）火焰加热表面淬火利用乙炔-氧或煤气-氧的混合气体燃烧的高温火焰，将工件表面迅速加热到淬火温度，然后立即喷水快速冷却，从而获得一定淬硬层深度的热处理方法。

二、钢的化学热处理将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入工件的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理方法。

化学热处理的三个基本过程：①分解化学介质在一定温度下分解出能够渗入工件表面的活性原子；②吸收活性原子被工件表面吸收，并溶入铁的晶格形成固溶体或与钢中某元素形成化合物；③扩散被吸收的活性原子由工件表面逐渐向内部扩散，形成一定深度的渗层。

（一）渗碳将工件置于具有活性碳原子的介质中，加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理方法。1.渗碳用钢一般选用含碳量为0.1~0.25%的低碳钢和低碳合金钢，如15、20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3A、18Cr2Ni4WA等。2.渗碳方法固体渗碳、气体渗碳和液体渗碳。

滴注式气体渗碳法示意图

3.渗碳后的组织渗碳后在缓冷条件下，工件表层到心部的组织依次为过共析层（P+Fe3CⅡ）、共析层（P）、亚共析过渡层（P+F）和心部原始亚共析组织（F+P）。

4.渗碳后的热处理

（1）直接淬火法

（2）一次淬火法

（3）二次淬火

（二）渗氮在Ac1以下某一温度下使活性氮原子渗入工件表层的化学热处理方法。目的是为了提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐腐蚀性能。

1.渗氮用钢典型的渗氮用钢是38CrMoAlA。还可选用碳钢、低合金钢、合金钢、铸铁等材料。2.渗氮方法常用的渗氮方法有气体渗氮和离子渗氮两种。3.渗氮处理的技术要求渗氮前零件须经调质处理，得到回火索氏体组织。4.渗氮的特点及应用（三）碳氮共渗在一定温度下，向钢的表面同时渗入碳原子和氮原子的热处理工艺。碳氮共渗的方法有液体碳氮共渗和气体碳氮共渗1.低温气体氮碳共渗主要是以渗氮为主的碳氮共渗工艺。2.中温气体碳氮共渗主要是以渗碳为主的碳氮共渗工艺。第四节影响热处理件质量的因素一、常见的热处理缺陷及影响因素

（二）氧化与脱碳（三）硬度不足（四）变形和开裂（一）过热与过烧二、热处理工件的结构工艺性1.避免尖角、棱角、减少台阶2.零件的外形应尽量简单，避免厚薄悬殊的截面3.尽量采用对称结构4.尽量采用封闭结构5.尽量采用组合结构整体结构组合结构第五节热处理技术条件的标注及工序位置安排一、热处理技术条件的标注包括：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等。一般以硬度作为热处理技术条