第八章热处理教学讲义

Chapter8热处理（HeatTreatment)§8-1概述

１．热处理的定义：金属或合金在固态下,用加热、保温和冷却的方法改变其内部组织结构，获得所需性能的操作，称为热处理。２．目的⑴改变金属的工艺性能，使之易于加工。ＨＢ２００～２５０⑵提高零件和工具的使用性能例：４５钢：在正火状态：σｂ＝６００Ｎ／ｍｍ２ａｋ＝５０Ｊ／ｃｍ２在调质状态：σｂ＝８５０Ｎ／ｍｍ２ａｋ＝８０～１２０Ｊ／ｃｍ２船机、汽车等动力机械，９０％以上的零件要进行热处理。３．能进行热处理的前提固态下能够发生组织转变的金属，才能进行热处理。钢和铸铁具备这个条件。４．热处理的工艺过程热处理三步曲：“加热、保温、冷却”。冷却加热保温T℃TimeA1§８-２钢在加热的组织转变一、目的加热至临界点以上：使钢的组织Ａ化，获得A，称为A化。加热至临界点以下：没有组织转变，消除应力等。二、A的形成当加热到临界点以上时，发生重新结晶（包括原子的扩散和晶格的改组）。2非共析钢非共析钢的A化要分两步完成：（1）

加热到Ac1完成P的A化。（2）加热到Accm（Ac3）完成F（或Fe3C二次）的A化。（二）影响A转变的因素1加热温度2加热速度3钢中的C％：C％高，Fe3C多，相界面多，A的核心多，转变速度快。4合金元素：不改变A的过程，但影响A形成的速度，影响C的扩散速度。（1）Co、Ni等，提高C在A中的扩散速度；（2）Cr、Mo、V等，形成难溶解的碳化物，降低C的扩散能力，降低A化速度；（3）Si、Mn、Al等，影响不大。5原始组织原始P的Fe3C有两种形态：片状和粒状。其中片状的P中相界面多，A化速度快。三、Ａ晶粒的大小１．成分及冶练方法：P721～4粗、5～8细、9～10级为超细（新标准）。本质细晶粒钢（含V、Ti的钢）和本质粗晶粒钢（用硅铁和锰铁脱氧的钢）。２．加热温度及保温时间四、常见的加热缺陷１氧化；２脱碳；３加热不足；４过热；５过烧。五、加热时间：加热至所需温度需的时间；各部分温度均匀一致并完成组织转变所需时间。§８-３钢在冷却时组织变化一、Ｃ曲线（过冷A等温冷却转变曲线）把某种钢在各种温度下Ａ的等温转变结果绘成一个图，其形状如字母“Ｃ”，故称为Ｃ曲线。共析钢的Ｃ曲线如图所示。Ｍf（－50℃）时间温度Ｍｓ（240℃）A1共析钢的Ｃ曲线１“Ｃ”曲线的分析：２组织转变⑴Ａ１～５５０℃，即“鼻子”以上部分，过冷Ａ发生Ｐ转变，称为Ｐ转变区，也称高温转变区。Ａ─→（Ｆ＋Ｆｅ３Ｃ）组织特点：片状Ｆ＋片状Ｆｅ３Ｃ的机械混合物。Ｐ转变区是典型的扩散性转变。★共析钢在Ａ1～６８０℃之间，形成粗片状的P组织。片间距〉０．３μｍ，ＨＲＣ１８～２４。★在６８０～６００℃之间（过冷度增大），形成细片状的Ｐ组织，称为Ｓ（索氏体）。片间距：０．１～０．３μｍ，ＨＲＣ２４～３２。★在６００～５５０℃之间（过冷度更大），形成极细片状的Ｐ组织，称为Ｔ（屈氏体）。片间距〈０．１μｍ，ＨＲＣ３２～３６。⑵５５０℃～Ｍｓ，即“鼻子”以下部分，过冷Ａ发生贝氏体转变，用B表示，称为贝氏体转变区，也称中温转变区。Ｂ是过饱和Ｃ的Ｆ与碳化物（注意不一定是：Ｆｅ3Ｃ）的两相混合物。由于转变温度较低，铁原子已失去扩散能力，碳原子也只能作短程的扩散。

★在５５０～３５０℃内，形成上Ｂ（Ｂ上），呈羽毛状，F条较宽，渗碳体在F片间析出，故机械性能差（ＨＲＣ４０～４５、脆性大），使用价值不大。★在３５０℃～Ｍｓ内，形成下Ｂ（Ｂ下），呈针状或竹叶状，具有较高的强度和韧性，硬度（ＨＲＣ４５～５５）和耐磨性也好，是一种理想的组织，具有很高的使用价值。⑶Ｍｓ～Ｍf，过冷Ａ发生马氏体转变，称为马氏体转变区，也称低温转变区。这种转变是典型的非扩散型相变。Ｍ是Ｃ在α－Ｆｅ中的过饱和固溶体，或者说是含过饱和Ｃ的Ｆ。Ｍ转变的特点：①Ｍ是在一个温度范围内（Ｍｓ～Ｍｆ）完成的，Ｍ的转变量与温度有关；②Ａ不能全部转变成Ｍ，总有一部分Ａ未转变而残留在钢中，称为残余Ａ（用Ａ＇或ＡＲ表示）。小结：小结：相变类型

主要异同点

珠光体转变

贝氏体转变

马氏体转变转变温度范围高温转变（Ar1～550℃)中温转变（550℃～MS)低温转变（MS～Mf)扩散性Fe、C原子都扩散Fe不扩散、C原子扩散Fe、C原子都不扩散

组成相两相组织Ａ─→（Ｆ＋Ｆｅ３Ｃ）两相组织Ａ─→（Ｆ＋Ｆｅ３Ｃ）（>350℃）Ａ─→（Ｆ＋ＦｅxＣ）（<350℃）单相组织Ａ─→Ｆ（过饱和C）合金元素的分布合金元素扩散重新分布合金元素不扩散合金元素不扩散相变的完全性相变在衡温下进行到底相变可在恒温下充分进行，相变完成的程度与转变温度有关，温度越低，转变越不充分，有残余奥氏体存在。主要在连续冷却过程中进行，相变不能进行到底，有残余奥氏体存在。二、连续冷却转变曲线与等温转变Ｃ曲线的关系连续冷却的转变曲线与Ｃ曲线很相似（但不相同，如共析钢的连续冷却转变曲线中没有Ｂ转变区）。★Ｖ5相当于炉冷，Ａ转变成Ｐ。★Ｖ4相当于空冷，A转变成Ｓ。★

Ｖ2相当于油冷，最后的组织是Ｍ＋Ｔ＋Ａ＇。★Ｖ1相当于水冷，最后的组织是Ｍ＋Ａ＇★Ｖ3相当于等温冷却，发生贝氏体转变。Mf（－50℃）时间→Ms（240℃）A1v1v2v4v3v5连续冷却与Ｃ曲线的关系§８-４钢的退火和正火

一、退火（Annealing）１定义将钢加热到临界点以上或以下，保温一定时间后缓慢冷却的一种操作，称为～。实质：使A发生P转变２．种类３．目的（１）降低硬度，改善切削加工性能。（２）提高塑性，便于冷加工。（３）消除组织缺陷，改善性能。（４）消除应力、稳定尺寸、防止变形。（５）脱氢，防止白点。大型锻件。（６）作为预先热处理。二、完全退火将亚共析钢零件加热到Ａｃ３以上２０～５０℃，保温一定时间后缓慢冷却的一种操作。（普通退火）目的是细化晶粒、消除过热、降低硬度，便于机械加工。注意：适用于亚共析钢。周期长，十几小时。三、等温退火将零件加热到Ａｃ１或Ａｃ３以上，保温后迅速转入低于Ａ１（６００～７００℃）的恒温炉中长时间保温，然后出炉空冷，这种工艺称等温退火。四、球化退火将共析钢和过析钢加热到Ａｃ１＋２０～５０℃，然后缓慢冷却的操作方法。经过处理后，碳化物呈球形分布。目的：降低硬度，改善切削加工性，为淬火作组织准备。五、再结晶退火六、低温退火：加热Ａｃ１以下１００～２００℃，保温后缓冷。目的：消除应力，提高零件尺寸的稳定性。七、正火(Normalizing)将钢加热到上临界点（Ａｃ３或Ａｃｃｍ）以上，保温后，在空气中冷却的一种操作。与退火的区别：①冷速大，得到Ｓ组织。②过共析钢：加热温度不同，Ａｃｃｍ以上。由于冷速大，渗碳体不会以网状形式析出。目的：①细化组织及消除锻件、铸件的过热组织缺陷。②低碳钢：提高硬度，改善切削加工性。③中碳钢：可代替直经〉４００mm的轴类零件（３５、４５钢）的调质处理工艺。④高碳钢：消除网状渗碳体。⑤获得Ｓ，好的综合机械性能。§８-５钢的淬火与回火（QuenchingandTempering）一、淬火（一）定义将钢加热到临界点以上，保温后，在冷却介质中快速冷却获得M的一种操作，是一种强化工艺。最重要的强化方法。实质：使Ａ急冷发生Ｍ转变，获得Ｍ＋少量的残余Ａ的组织。（二）目的：获得Ｍ。但Ｍ硬度高，脆性大，不能直接使用，必须与回火配合使用。⑴淬火＋低温回火，提高硬度和耐磨性；⑵淬火＋中温回火，提高弹性；⑶淬火＋高温回火（调质处理），强韧性（好的综合机械性能）（三）工艺过程１加热：目的：获得Ａ。温度：亚共析钢：Ａｃ３＋３０～５０℃，完全Ａ化。（Ｍ）共析钢、过共析钢：Ａｃ１＋３０～５０℃，非完全Ａ化。2保温时间：保温时间由试验或经验确定。3冷却（工艺的关键）（1）理想的冷却介质：（2）常用的冷却介质：A水；B盐水；C油。选用原则:在保证淬硬的前提下,尽量选用较为缓和的冷却介质,以减小变形和开裂.(4)常用的淬火方式：A单液淬火；B双液淬火；C分级淬火；D等温淬火（5）冷处理：将经过常规淬火后的零件，再深冷至室温以下的操作。目的：减少残余A的含量，提高硬度和尺寸稳定性。实质：零下淬火。应用：精密偶件和贵重的工模具等。（四）淬透性（HARDENABILITY〕

钢接收淬火的能力，称为淬透性。它是钢的一种固有属性，是指钢在淬火时能够获得M的能力。衡量指标：淬透性的大小是在一定条件下，钢淬火时能获得的淬硬层的深度来表示。淬硬层的深度：表面（M）到半M层（50％M＋50％S或T）的深度。应用：（1）选材：（2）制定热处理工艺：确定冷却方法、冷却介质等。（五）淬火缺陷：（1）淬火变形：只能减小，不能消除。（2）淬火裂纹：淬火应力

b的结果，C％ 高，产生裂纹的倾向大。（3）硬度低（又称没淬上火）；（4）软点二、回火（TEMPERING）1定义：淬火后的钢，在临界点以下加热，保温一定时间后，在空气中冷却的操作。称为回火。实质：组织由不稳定

稳定组织。2特点（1）加热温度：临界温度以下。（2）回火是在淬火后进行。即：它从属于淬火操作。3目的：（1）消除淬火应力和脆性；（2）提高韧性；（3）稳定组织：M是不稳定的组织；（4）调整性能，得到所需的性能。4种类（1）低温回火（150～250℃）：M转变成回火M，用“M’”表示。组织是：M＋碳化物（

－Fe2.4C）,M的过饱和度降低。特点：消除了应力，保留高硬度（HRC58～64），硬度并不降低，但内应力和脆性下降，耐磨性好。C作短程的扩散。应用：工具、模具、柴油机的精密偶件等。（2）中温回火（350～500℃）：M转变成回火T，用“T’”表示。组织是：F的基体上弥散分布着微小粒状（或片状）的碳化物。F基体基本恢复，但尚未再结晶。特点：弹性及韧性好，硬度HRC35～45。应用：弹簧。（3）高温回火（500～650℃）：M转变成回火S，用“S’”表示。组织是：F的基体上弥散分布着细粒状的渗碳体。F基体已经再结晶（等轴晶粒）。M的痕迹消失。应用：轴类零件（曲轴，连杆，螺栓等）特点：综合机械性能好（高韧性，高强度，高疲劳强度，中等硬度HRC25～35）。通常将淬火后进行高温回火的操作称为调质处理。5回火脆性：在某一段温度回火时，韧性大大降低，这种现象称为回火脆性。（1）低温回火脆性：温度范围：250～350℃，不可逆，无法消除，应避开这个温度范围。（2）高温回火脆性：温度范围：450～650℃，可逆回火脆性，可消除，常见于合金钢。§8－5表面热处理

（CASEHARDENING〕一、问题的提出二、表面淬火：适用范围：中碳钢（40、45、40Cr等）1．火焰表面淬火（flamehardening)2．感应加热表面淬火（inductionhardening)3．电接触加热表面淬火三、表面化学热处理定义：将零件在一定的加热介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入零件表面层的一种热处理工艺。目的：通过改变表面层的化学成分和显微组织，来提高表面的性能（机械和理化性能），实际上使同一零件由两种成分的材料制成。与表面淬火的区别：既有组织转变，又有成分改变，而后者只有组织转变。过程：由三个过程组成：介质的分解、活性原子的吸收、活性原子在零件中的扩散。（一）渗碳（carburizing)把低碳钢的零件放在可以提供活性C原子的物质中加热，使其表面变成高碳钢，再通过淬火，得到表面的高硬度和高耐磨性，而零件的心部仍然保持高韧性。应用：受冲击载荷的摩擦零件；如齿轮、活塞销等。渗碳钢的含碳量：C％低于0．2％，否则韧性下降。优缺点：性能好，（外强内韧）周期长，生产效率低，成本高。（二）渗N（Nitriding）1渗N：把N原子渗入钢件表面的过程，叫渗N。2离子N化：应用：齿轮、枪炮管、活塞销、缸套（本校工艺所有专利设备）。（三）C－N共渗C－N共渗，分为两种：高温C－N共渗：830～850℃，1～2小时。低温C－N共渗（软N化）：570℃，以渗N为主。1.热处理是钢在B下，通过加热，保温和冷却来变其内部组织达到改变性能的操作。A.液态B.固态C.过冷态D.经预处理后2.影响热处理工艺的主要因素是C

。A.加热B.加热速度C.加热温度和保温时间D.零件的形状3.普通热处理包括ABEF。A.退火B.正火C.表面淬火D.渗碳E.淬火F.回火4.退火是把钢加热到一定温度、保温后A冷却的操作。A.缓慢B.较快C.快速D.急速5.退火是把钢加热到一定温度、保温后A冷却的操作。A.随炉或埋灰B.空气C.油冷D.水冷6.完全退火使用于B

。A.工业纯铁B.亚共析钢C.共析钢D.过共析钢7.完全退火是把亚共析钢加热到D，保温后缓冷的操作。A.>A1B.>Ac1C.<Ac3D.>

Ac38.完全退火是把亚共析钢加热到全部呈C状态。A.FB.F+AC.AD.A+Fe3C9.不完全退火是把过共析钢加热到全部呈D状态。A.铁素体B.铁素体+奥氏体C.奥氏体D.奥氏体+渗碳体10..不完全退火适用于D。A.工业纯铁B.亚共析钢C.共析钢D.过共析钢11..不完全退火实质上是把过共析钢加热到

状态D。A.FB.AC.P+Fe3CD.A+Fe3C12.球化退火适用于BD。A.工业纯铁B.亚共析钢C.共析钢D.过共析钢13.球化退火的目的是为了

。A.提高硬度B.消除网状Fe3C

C.提高塑性D.消除应力14.再结晶退火适用于B。A.淬火钢B.经冷变形C.经热加工的钢D.碳钢15.ZG35的铸造齿轮需采用

处理。A.完全退火B.球化退火C.再结晶退火D.低温退火16.经冷轧后的10钢钢板应进行

处理。A.完全退火B.低温退火C.再结晶退火D.球化退火17.碳素工具钢T13钢坯欲加工成锉刀等应先进行

处理。A.低温退火B.完全退火C.再结晶退火D.球化退火18.锻造过热的50钢坯件零进行

处理。A.低温退火B.完全退火C.不完全退火D.再结晶退火19.碳钢正火处理后将获得S组织。A.FB.PC.SD.T20.碳钢正火处理后可获得C组织。A.铁素体B.珠光体C.索氏体D.屈氏体21.索氏体是铁素体与渗碳体层片较细的B。A.混合物B.机械混合物C.化合物D.固体22.低碳钢正火处理是为了D目的。A降低塑性/提高硬度B.提高塑性/降低硬度C.降低硬度/便于切削D.提高硬度/便于切削23.中碳钢大直经或形状复杂的零件用正火处理代替B处理。A.退火B.调质C.淬火D.淬火+低温回火24.40Cr钢曲轴锻造毛坯进行正火处理是为了

。A.代替退火处理B.代替调质处理C.降低硬度便于加工D.改善组织25.把钢加热使之全部为奥氏体，保温后快速冷却至珠光体转变温度，等温停留一段时间使奥氏体完全转变为珠光体后再空冷只至室温，这种操作称为C。A.完全退火B.球化退火C.等温退火D.正火26等温火的目的称为

。A.准确控制转变产物B.降低硬度C.零件截面性能一致D.消除应力27.把钢加热、保温后在炉或热灰中缓慢冷却的一种操作称为C。A.正火B.回火C.退火D.调质28.把钢加热到临界点前或后某一温度，保温一定时间后缓冷，而获得近似稳定状态的组织这种工艺过程称为A。A.退火B.正火C.回火D.淬火29.钢经退火处理后，可使其硬度A，塑性

。A.降低/提高B.提高/降低C.降低/降低D.提高/提高30.完全退火的目的之一是

。A.降低硬度B.提高韧性C.减少塑性D.降低脆性