碳钢的热处理.ppt

1、第五章 碳钢的热处理 Heat Treatment of Carbon Steel,前言,一、热处理的概念 通过对材料进行加热、保温、冷却的操作 方法使钢的组织结构发生变化，以获得所需性 能的一种工艺。,普通热处理：退火、正火、淬火、回火 热处理 表面淬火：火焰加热、 感应加热、电接触加热、 表面热处理 激光加热、等离子体加热 化学热处理：渗碳、氮化、 渗V、渗B、渗Nb,二、热处理的分类,三、热处理在机械零件制造工艺中的位置,坯料 锻造热处理粗加工半精加工 热处理精加工热处理（抛光） 成品,热处理：称为改善材料切削加工性能热处理 最佳切削硬度：HB170-230,（1）低碳钢 含有大量柔软的

2、铁素体；切削加工性能较差， 易产生“粘刀”现象，影响加工面的表面质量 （粗 糙度）， 刀具寿命也受到影响，故加工前应进行 正火热处理，以提高硬度，以改善加工性能。 （2）高碳钢 含有较多的网状渗碳体，难以切削，应退火处 理，再加工。,（3）冷加工硬化的坯料，应进行再结晶退火， 以降低硬度，改善切削加工性能。 热处理：改善零件机械性能热处理。 正火，淬火回火，化学热处理 热处理：消除加工残余应力热处理。 去应力退火、时效,四、热处理在机械制造业中的应用 汽车制造业：7080的零件需进行 热处理 机床创造业：6070的零件需进行 热处理 各种工具、轴承等：100的零件需进行 热处理,五、热处理的主

3、要工艺参数 1、加热速度 2、加热温度 3、保温时间 4、冷却速度,第一节钢在加热时的组织转变,一、奥氏体的形成,大多数热处理工艺的加热温度都高于钢 的临界点（A1 或 A3），使钢具有奥氏体组 织，然后以一定的冷却速度冷却，以获得所 需的组织和性能。,铁碳合金缓慢加热时奥氏体的形成可以 从Fe-Fe3C相图中反映出来，珠光体向奥氏体 的转变属于扩散型相变。以共析钢为例，珠 光体组织在A1（727）以下，组织保持不变 （相中碳的溶解度及Fe3C的形状稍有变化）； 当加热到A1点以上时，珠光体全部转 变为奥 氏体。,奥氏体的形成过程可以分为四个步骤： 奥氏体晶核的形成 奥氏体晶粒长大 残余渗碳体

4、溶解 奥氏体成分均匀化,对于亚共析钢（过共析钢），当缓慢 加热到A1以上时，除珠光体全部转化为奥 氏体外，还有少量先共析铁素体转变为奥 氏体 （ 过共析钢二次渗碳体溶解 ）,随着 温度升高，先共析铁素体不断向奥氏体转 变，当温度高于A3时，组织为单相奥氏体。,二、奥氏体形成的热力学条件,钢加热时组织转变的动力是奥氏体与旧相之 间的体积自由能之差Fv，而相变进行的条件是 系统总的自由能降低。根据相变理论，奥氏体形 成晶核时，系统总自由能变化F为：,F=-Fv +Fs +Fe 式中：Fs形成奥氏体时所增加的表面能 Fe形成奥氏体时所增加的应变能,由于奥氏体是在高温下形成的，其相变应 变能Fe很小，

5、可以忽略，故上式可写为： F= -Fv +Fs,显然，只有当Fv能克服因奥氏体形成 所增加的表面能Fs时，珠光体才能自发地 形成奥氏体，因此奥氏体的形成必须有一定 的过热度T。,体积自由能,温度,Fp,FA,A1,T1,Fv,奥氏体形成的热力学条件,三、影响珠光体向奥氏体转变的因素,1、温度的影响 提高温度，原子的扩散能力增大。特别 是碳原子在奥氏体中的扩散能力增大，奥氏 体的形成速率加快。,2、含碳量的影响 钢中含碳量增加，铁素体与渗碳体的相 界面总量增多，有利于加速奥氏体形成。,3、合金元素的影响 钢中加入合金元素，可影响奥氏体的 形成：强碳化物元素（减缓C的扩散，减 缓A的形成）； 非碳

6、化物形成元素加速A 形成。,4、钢组织中珠光体越细，奥氏体形成速度越 快（相界面积大）。,5、加热速度越快，奥氏体形成温度升高，形 成速度越快。,四、奥氏体晶粒度及其影响因素,1、奥氏体晶粒度的概念,a、起始晶粒度：指珠光体刚刚全部转变为奥 氏体时的晶粒度。,b、实际晶粒度：指钢在具体的热处理或热加 工条件下实际获得的奥氏体 晶粒度。,c、本质晶粒度：不是指具体的晶粒大小，只 表示钢的奥氏体晶粒长大的 倾向性（易长大，还是不易 长大）。,一般将钢的奥氏体晶粒长大倾向分为两类：,如图：,2,1,930,加热温度 ,4级,晶粒度级别,Ac1,曲线1：随加热温度的升高，奥氏体晶粒一直长大，逐 渐粗化

7、。,曲线2：一定温度下（Ac1）加热，奥氏体晶粒长大缓 慢，保持细小晶粒，超过一定温度（930后）， 奥氏体晶粒急剧长大，突然粗化。,凡是符合曲线1的钢本质粗晶粒钢,凡是符合曲线2的钢本质细晶粒钢,一般钢的奥氏体晶粒度分为8级， 1级最粗，8级最细。 晶粒度1-4级的钢，称为本质粗晶粒钢晶粒度5-8级的钢，称为本质细晶粒钢。 镇静钢为本质细晶粒钢，沸腾钢为本质粗晶粒钢。,需经热处理强化的零件一般都 采用本质细晶粒钢-镇静钢制作。,2、影响奥氏体晶粒度的因素,高温下，奥氏体晶粒长大，晶界总面积减 少，系统自由能降低，是自发过程。,a、奥氏体转化温度越高，晶粒越容易长大； 保温时间越长，晶粒越容易

8、长大。,b、奥氏体含碳量越高，晶粒长大的倾向 越大。,c、在钢中加入合金元素 绝大多数合金元素都阻碍奥氏体晶粒长 大，而锰、磷则会加速奥氏体晶粒长大。,第二节钢在冷却时的组织转变,通过加热使钢转变为均匀的奥氏体组织后， 仅完成了热处理的加热准备工作，将高温奥氏 体以不同的冷却速度冷却，获得所需的组织与 性能，才是热处理的最终目的。,高温奥氏体组织是稳定的，如冷却到 A1 以下，奥氏体就处于不稳定状态（过冷态），称为过冷奥氏体。,不同的过冷度，奥氏体发生转变的过程不同： 转变开始与转变终了的时间不同 转变后产物的组织与性能不同,一、珠光体型转变高温转变（A1550）,1、转变过程及特点,过冷奥氏

9、体在A1550温度范围内，将 分解为珠光体类组织。,当奥氏体被过冷至A1以下温度时，在奥氏体晶界 处（含碳量高）优先产生渗碳体的核心，然后依靠奥 氏体不断供应碳原子（随着冷却，奥氏体溶解碳的能 力下降，碳从奥氏体内向晶界扩散），渗碳体沿一定 方向逐渐长大，而随着渗碳体的长大，又使其周围的 奥氏体碳浓度下降，这就促使贫碳的奥氏体局部区域 转变成铁素体（即渗碳体两侧出现铁素体晶核），在 渗碳体长大的同时，铁素体也不断长大，而随着铁素 体的长大，必然将多余的碳排挤出去，这就有利于形 成新的渗碳体晶核。最终形成了相互交替的层片状渗 碳体和铁素体珠光体。,珠光体,转变特点： 过冷奥氏体转变为珠光体是扩散

10、型相变。,2、分类,在高温转变区形成的珠光体类组织，虽 然都是渗碳体与铁素体的混合物，但由于过 冷度大小不同，其片层距差别很大：,A1650, 形成的组织层间距较大，在400-500倍 的金相显微镜下即可分辨，称为珠光体P。,650600，形成的组织分散度较大，层间距 较小，在800-1000倍的金相显微镜下才能分辨， 称为索氏体S。,600550，形成的组织，层间距很小，只有 在电子显微镜下放大几千倍才能分辨，称为屈 氏体或托氏体T。,索氏体,屈氏体,二、贝氏体型转变中温转变（550Ms）,1、转变过程及特点,过冷奥氏体在550Ms（共析钢的Ms约230） 温度范围内，转变为贝氏体类组织。,

11、由于过冷度增大，铁原子的扩散很困难， 碳原子的扩散能力也显著减弱，扩散不充分， 形成渗碳体所需的时间增长。,过冷奥氏体在这一温度范围内的转变产物 仍是铁素体和渗碳体的混合物，但它与珠光体 有本质的区别：贝氏体转变由于冷却速度快， 渗碳体已不能呈片状析出。碳的扩散速度受到 很大限制，部分碳来不及析出，固溶在铁素体 中形成过饱和的铁素体。,上贝氏体 (Upper Bainite),下贝氏体(Lower Bainite),因此，贝氏体型转变产物是: 过饱和的铁素体与渗碳体的混合物。,转变特点： 过冷奥氏体向贝氏体转变是一种 半扩散型相变。,2、分类,贝氏体组织形态比较复杂，根据其中铁素体 与渗碳体的

12、分布形态的不同，分为上贝氏体 B上 和下贝氏体B下。,上贝氏体B上：是过冷奥氏体在550350范围 内的转变产物，其中过饱和铁素体形成密集而相 互平行的羽毛状扁片，一排一排地由晶界伸向晶 内，渗碳体呈短杆状断断续续地分布在铁素体扁 片之间。,上贝氏体由于转变温度较高，渗碳体长得较大,上贝氏体的组织形态决定了其强度较低， 塑性、韧性较差。,下贝氏体B下：是过冷奥氏体在350Ms范围 内的转变产物。,其中过饱和的铁素体呈针片状，比较散乱地 成角度分布，而极细小的渗碳体质点呈弥散状分 布在过饱和铁素体内。在金相显微镜下下贝氏体 呈竹叶状特征。,下贝氏体由于转变温度较低，渗碳体来不 及长大，而呈质点状

13、,下贝氏体组织具有较高的强度、硬 度，良好的塑性、韧性，即具有良好的 综合机械性能。,生产上常用等温淬火法来获得下贝氏体组织。,三、马氏体型转变低温转变（MsMz）,1、转变过程,当过冷度很大，奥氏体被快速冷却至Ms时， 由于碳原子已无法扩散，上述珠光体或贝氏体 等扩散型相变已不可能进行，奥氏体只能进行 非扩散型的晶格转变。碳原子来不及扩散，被 完全固溶于铁素体内，形成过饱和的铁素体， 这种过饱和的铁素体就是马氏体M。,所以： 马氏体的含碳量与相应的奥氏体含碳量相同,室温下铁素体的含碳量仅为0.0008%,而马 氏体的含碳量与奥氏体相同，故马氏体的过饱 和程度很大，此时过饱和的铁素体的某些棱边

14、 被撑长，形成了体心正方晶格。,由于碳原子过饱和造成的晶格畸变严重， 故马氏体具有很高的硬度，而塑性、韧性较低。,马氏体的高硬度决定了它是钢中的重要强 化组织，也是淬火钢的基本组织，凡是要求高 硬度、高耐磨性的零件，都需要经过淬火获得 马氏体组织。,硬度HRC,含碳量%,合金元素含量,合金元素,碳,马氏体的硬度主要与含碳量有关，与其他合金元素 关系不大。因为合金元素在马氏体晶格中，不是处于间 隙位置，而是置换了某些铁原子的位置，它对马氏体晶 格歪扭和畸变的作用远不及碳的作用大。,2、分类,马氏体按组织形态分为：,a、板条状马氏体 每一马氏体的晶体呈细长的薄板条晶 片平行成束地分布，在金相显微镜

15、下呈板 条状。,板条状马氏体,b、针状马氏体 每一马氏体晶体呈中间厚、两端薄的透 镜式晶片，在金相显微镜下呈针片状或竹叶 状。 板条状马氏体主要存在于低碳钢的淬火组织中 针状马氏体主要存在于中、高碳钢的淬火组织中,片针状马氏体,3、转变特点,a、马氏体转变是非扩散型相变 由于过冷度很大，原子来不及扩散。马氏 体的晶粒度完全取决于原来奥氏体的晶粒度。,b、马氏体转变是变温转变,马氏体转变是从转变开始点Ms到转变 终了点Mz 的一个温度范围内进行的，在某 一温度下，只能形成一定数量的马氏体，保 温时间的延长并不增加马氏体的数量，要使 马氏体的数量增加，只能继续降温。Ms、Mz 与含碳量有关，而与冷

16、却速度无关。,含碳量%,T,Ms,Mz,c、马氏体转变的不完全性 由于马氏体的转变终了温度Mz一般在零下几十度， 所以室温下进行马氏体转变不可能获得完全的马氏体 组织，必有一定量的奥氏体组织没有转变这部分 奥氏体组织称为残余奥氏体A，即马氏体转变不完全。,残余奥氏体的存在会显著降低零件的强度、 硬度以及耐磨性，此外残余奥氏体是一种不稳 定组织，会逐渐分解，引起零件尺寸变化，这 对精密零件是不允许的。 为了减少残余奥氏体的含量，可将淬火零件 继续冷却到零下几十度冷处理，使残余奥氏 体转变为马氏体。,残余奥氏体,d、奥氏体转变为马氏体，体积增大 奥氏体比容 珠光体比容 马氏体比容 比容：单位重量的

17、体积值 这个特点，使马氏体内部存在较大的 内应力，易导致零件淬火变形、开裂。,第三节过冷奥氏体转变曲线图,在过冷奥氏体的转变过程中，冷却速度 （过冷度）对转变有很大影响。由于冷却速 度较高，因此这种相变就不再符合Fe-Fe3C 相图所反映的规律。,为了弄清澳实体在冷却过程中组织变化的 全过程，找出转变温度、转变时间与奥氏体转 变过程及其产物之间的相互关系和转变规律， 通常采用两种方法：,一是在不同过冷度下等温测定奥氏体的转变 过程，绘出过冷奥氏体等温转变曲线图,二是在不同冷却速度的连续冷却过程中测定 奥氏体的转变过程，绘出过冷奥氏体连续转变曲 线图,一、过冷奥氏体等温转变曲线图（TTT图）,过

18、冷奥氏体等温转变曲线图是分析过冷奥 氏体的转变温度、转变时间、转变产物之间关 系的曲线图，即TTT图（Temperature, Time, Transformation），又称C曲线。,1、TTT图的建立（以共析钢为例）,等温转变曲线图是用实验方法建立的。 选取一组共析钢试样加热到稍高于A1温 度，使其全部转变成均匀的奥氏体，然后分 别快速投入不同温度的等温槽中，保持不同 的时间，并观察共析钢奥氏体在不同温度下 组织的变化。把转变开始与终了的时间记录 下来，然后描绘在以温度为纵坐标，一时间 为横坐标的图面上，把开始点与终了点分别 连接起来，即可得到共析钢奥氏体等温转变 曲线。,2、TTT图分析

19、,在共析钢的TTT 曲线中，高于临界点A1的 区域为稳定状态的奥氏体区；左边曲线为过冷 奥氏体开始转变曲线，右边曲线为过冷奥氏体 转变终了线；开始线与纵坐标表之间的区域为 过冷奥氏体区。终了线以右区域为转变产物区， 两曲线之间为过冷奥氏体转变区（即过冷奥 氏体与转变产物共存区）。,从纵坐标到转变开始点的距离（转变开始前 的准备时间），叫做“孕育期”，其长短表示某一 温度下过冷奥氏体的稳定程度，如550部位孕育 期最短（共析钢约1秒左右）；而在700左右， 孕育期大于1000 秒，故时间坐标采用对数坐标。 不同钢种具有不同形状的过冷奥氏体等温转 变曲线。,时间s,温度,Ms,A1,550,转变起

20、始线,转变终了线,共析钢的TTT曲线,3、影响TTT图的因素,a、含碳量的影响,亚共析钢的C曲线随含碳量的增加而右移， 即过冷奥氏体的稳定性提高；过共析钢的C曲 线随含碳量的增加而左移，即过冷奥氏体的稳 定性降低；因此在碳钢中，以共析钢的过冷奥 氏体最为稳定，C曲线处于最右端。,亚共析钢C曲线拐点上部区域多一条先共 析铁素体转变曲线；过共析钢C曲线拐点上部 区域多一条先共析渗碳体转变曲线。,b、合金元素的影响 除钴元素以外，其他所有合金元素溶入奥氏 体后，都增加了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线 右移。,非碳化物形成元素（Ni, Si, Cu等）不改变 C曲线的形状；而碳化物形成元素（Cr, W,

21、 V, Mo, Ti等）使C曲线的形状也发生改变。,C、加热温度、保温时间的影响 随着加热温度的提高或保温时间的延长， 奥氏体的成分更加均匀，晶粒随之长大，晶界 相对减少，未溶质点（碳化物、氮化物等）也 显著减少，这些因素都使奥氏体转变时形核困 难，提高了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。,V1,V2,V3,Vk,V4,时间,温度,4、C曲线的应用,实际生产中，过冷奥氏体的转变大多数是 在连续冷却过程中进行的，但仍可以利用C曲 线估计过冷奥氏体转变情况。 如图：V1V2V3Vk V4分别表示不同冷 却速度的冷却曲线。,V1相当于炉冷，冷却速度约为10/min， V1与C曲线相交于710-650

22、范围内，过冷奥氏 体转变产物为100%珠光体，HRC=12 V2相当于空冷，冷却速度约为10/S， V2与C曲线相割于650-600范围内，过冷奥氏 体转变产物为索氏体组织，HRC=26,V3相当于油冷，冷却速度约为150/S， V3只与C曲线的转变起始线相交，表明一部分过 冷奥氏体转变为屈氏体，而剩余部分过冷奥氏体 随后冷却到Ms以下，转变为马氏体，从而获得屈 氏体与马氏体混合组织，其HRC=45-55,V4相当于水冷，冷却速度600/S， 它与C曲线不相交，而直接与Ms相交，过冷奥 氏体转变为马氏体（还有小部分残余奥氏体）， HRC=60-64,Vk与C曲线相切，称为临界冷却速度。 它表示

23、过冷奥氏体不转变为珠光体类产物，而 直接转变为马氏体组织的最小冷却速度。 Vk 取决于C曲线的位置，C曲线右移，Vk降 低，容易获得马氏体组织，即易淬火。,Ps,Pz,K,时间,温度,二、过冷奥氏体连续转变曲线图（CCT图） 实际生产中，大多数转变是在连续冷却过程中进行的， 定量研究需要测定CCT图。 （Continuous Cooling Transformation） 方法：金相法，膨胀法，磁性法等。 如图：Ps线表示过冷奥氏体转变为珠光体的起始线 Pz 线表示过冷奥氏体转变为珠光体的终了线 K线表示过冷奥氏体转变为珠光体终止线,第四节 钢的退火与正火,一、退火和正火的目的 1、改善钢件的

24、硬度，以便于进行切削加工 （最佳切削硬度范围HB170-230）。 2、消除残余应力，防止零件变形、开裂。 3、细化晶粒，改善组织以提高零件的机械性能。 4、为最终热处理（淬火、回火）做好组织上的 准备。,二、退火和正火工艺及应用 1、退火 包括：完全退火，等温退火，球化退火，扩散 退火，去应力退火。,a、完全退火（重结晶退火，退火） 应用：亚共析碳钢和合金钢的铸件、锻件、热 轧型材、焊接结构 目的：细化晶粒，改善组织，消除残余应力，降低 硬度，提高塑性，便于切削加工。 工艺：将亚共析钢加热到Ac3+30-50，保温一定 时间后，随炉缓慢冷却（或埋入沙或石灰中） 到500以下，空冷。,b、等温

25、退火 等温退火的目的与完全退火相同。由于完 全退火所需要的时间很长，尤其对于某些奥氏 体比较稳定的合金钢，往往需要数十小时甚至 数天的时间，采用等温退火可明显缩短退火时 间。,等温退火： 对应于钢的C曲线上珠光体形成温度进行奥 氏体的等温转变处理，而在其前后可以快速冷却。,工艺：加热过程与完全退火相同，Ac3+30-50， 保温一定时间后，开炉门较快速冷却到稍 低于A1的某一温度（550-700），在该温 度下保温到奥氏体完全转变为珠光体，然 后空冷。,优点：（）缩短了退火时间 （）可以较好地控制组织与硬度 （通过选择保温温度） （）工件氧化、脱碳倾向较小,c、球化退火（不完全退火） 应用：过

26、共析碳钢和合金钢的刀具、模具、 量具、轴承等零件。 目的：降低硬度，改善切削加工性，为最终 淬火作准备。,过共析组织为珠光体和网状的二次渗碳体。 由于网状二次渗碳体的存在，增加了钢的硬度 和脆性，不仅给切削加工带来困难，而且会引 起淬火时工件产生变形和开裂。,球化退火工艺： 将过共析钢加热到Ac1+30-50，保温后，缓 慢冷却。,由于加热到Ac1+30-50，此时未溶的 渗碳体小质点可作为冷却时渗碳体析出的 核心，使渗碳体发生球化，变成球状或粒 状渗碳体长大，故称为球化退火。,由于加热温度在Ac1+30-50，钢组织没有全部 奥氏体化，故称为不完全退火。,经过球化退火的过共析钢，可获得铁 素

27、体与球状渗碳体的混合组织，叫做“球化 体”，HB163。 有的钢种一次球化退火难以达到球化目 的，可采用循环退火法（或称周期退火法） 进行球化。,Ac1,T,T,Ac1,球化退火,循环退火,s,d、去应力退火 去应力退火又叫消除内应力退火，低温退火。 目的：主要用于消除铸件、锻件及焊接件、 热轧件的内应力。否则，会引起钢件 在一定时间后产生变形，降低耐蚀性。,去应力退火工艺： 将钢件随炉缓慢加热（100-150/小时）， 到500-600（A1），经过一段时间保温后，随 炉缓慢冷却（冷速50-100/小时）到300-200以 下出炉。,e、扩散退火 目的：是利用高温下原子具有较强的扩散 能力，

28、来减轻或消除钢中化学成分 不均匀现象。由于加热温度高，晶 粒也会因此长大，所以扩散退火后， 往往要经过一次完全退火来细化晶 粒。,扩散退火工艺： 把钢加热到高于Ac3或Accm 的温度 (约1050-1250)，保温较长时间（约10- 20小时），然后缓冷。 扩散退火主要用于合金钢，尤其是高 合金钢的钢锭及铸件。,三、正火工艺及应用,1、定义 所谓正火是指把钢加热到Ac3（亚共析 碳钢）或Accm（过共析碳钢）以上30-50， 保温一定时间，随后在空气中冷却。,2、目的 对于亚共析钢，正火的目的与退火相同，主要是 细化晶粒，由于正火冷却速度较快，得到的珠光体组 织较细，且与退火相比，铁素体数量

29、较少（冷速快， 铁素体析出少），故碳钢正火处理后强度、硬度均高 于退火处理。 对于过共析钢，正火用于消除网状渗碳体。由于 冷速较快，析出的二次渗碳体较小（冷速快，渗碳体 来不及长大），且不易形成连续的网络。,3、正火工艺的主要应用范围： a、用于普通零件作为最终热处理 b、用于中、低碳结构钢，作为预先热处理，便 于切削加工 c、用于过共析钢，可抑制或消除网状二次渗碳 体的形成，以便在进一步的球化退火中获得 良好的球化体，为淬火做好组织上的准备。,正火比退火生产周期短，耗能低，操作简 便，故一般尽可能用正火代替退火，常用中低 碳钢的钢材都以正火状态交货。,第五节 钢的淬火 将钢加热到Ac3（亚共

30、析钢）或Ac1（过 共析钢）以上30-50，经保温后，快速冷却 获得马氏体的热处理操作称为淬火。,一、淬火的目的 1、提高钢的硬度及耐磨性（如工具、轴承等要求 高耐磨性的零件） 2、获得良好的综合机械性能（中碳钢经淬火+高温 回火可获得强、韧兼备组织；各种弹簧都要求 强度高、弹性好，一般用高碳钢制作，经淬火+ 中温回火后，弹性大大提高） 3、获得特殊物理、化学性能（许多不锈钢、耐热 钢零件，淬火后可使耐腐蚀、耐热性能提高）。,二、淬火温度的确定 1、亚共析钢 合适的淬火温度为：Ac3+30-50 淬火组织为：马氏体 温度太低（低于Ac3）则淬火后组织中出现 铁素体，导致硬度、耐磨性下降 温度太

31、高，则获得粗大的马氏体组织，钢的 性能恶化，同时引起钢件严重变形。,2、过共析钢 合适的淬火温度为：Ac1+30-50 淬火组织为：马氏体+粒状二次渗碳体 由于渗碳体的硬度高与马氏体，所以当二次渗 碳体以粒状弥散分布于马氏体基体之上时，可 以提高组织的硬度和耐磨性弥散强化,马氏体球状渗碳体,淬火加热温度过高，不仅会得到粗大的马氏 体组织，还会引起零件严重的变形甚至开裂，而 且由于二次渗碳体随着加热温度的升高会大量溶 入奥氏体中，使得Ms、Mz 降低，从而增加了组 织中残余奥氏体的含量，影响淬火硬度和耐磨性。 淬火温度过低，Ac1则得不到马氏体组织。,对于合金钢，由于奥氏体晶粒长大倾向受 到合金

32、碳化物等的抑制，故可适当提高淬火温 度。 （TC曲线右移）,三、加热、保温时间的确定原则：既要保证工件表面和心部都达到指定的加 热温度，又要保证组织转变充分进行和化 学成分扩散均匀，同时不能使A 晶粒长大。 适当的保温时间，对于保证钢的淬火质量， 提高劳动生产率很重要。,四、淬火冷却介质,淬火时，通过快速冷却，使奥氏体转变为马 氏体，这一过程体积膨胀，内应力很大，所以要 使零件在不淬裂、变形小的前提下淬成马氏体， 并不是一件容易的事。,根据C曲线，淬火时，要求在650-400范围 内快速冷却，以避过C曲线拐点部位，使奥氏体 不发生高温、中温组织转变；而冷却到300以下、 Ms附近时，则希望冷速

33、慢一些，以免产生太大的 内应力导致零件变形、开裂。,最常用的淬火冷却介质是水、油、硝盐浴或碱浴。,水：高温区冷却速度很大，但低温区冷却速度 也大，能淬硬，但易淬裂。 油：高温区冷速较低，低温区冷速较合适，淬 不裂，但可能淬不硬且价格高、易燃。 碱浴：高温区冷速比水弱，比油强，低温区比 油弱。 盐浴：高温区冷速比水弱，比油略弱，低温区 比油弱。,五、常用淬火方法 由于实际冷却介质不能满足淬火要求， 所以必须从淬火方法上加以弥补。,1、 单液淬火法（普通淬火法） 将加热后的钢件放入一种淬火冷却介质中 冷却。 单液淬火法操作简单，易实现自动化操作， 但存在明显缺点：水淬易变形、开裂；油淬硬 度不足，

34、只适用于形状简单的工件。,2、 双液淬火法（水淬油冷法） 对于形状复杂的高碳钢零件，为了防止淬 火后产生过大的变形或开裂，可在水中淬火至 Ms附近，然后立即放入油中（或空气）继续冷 却，故双液淬火法又称水淬油冷法。用这种方 法既能淬硬，又能防止淬裂。 缺点：对操作技术要求较高。适用于高碳 钢形状复杂的零件。,3、分级淬火法 不管是单液淬火法，还是双液淬火法，都 存在零件表面与心部温差较大，易产生较大的 热应力导致零件变形、开裂的问题，分级淬火 法能很好地解决这个问题。,所谓分级淬火法就是：先将加热好的零件淬 入温度稍高于 Ms 的盐浴或碱浴中，保持一定时 间，使零件表面与心部的温度均匀并与热浴

35、一致， 然后取出空冷，在热浴中停留的时间以不发生奥 氏体中温转变为宜。 缺点：冷却能力较低，只适用于小尺寸零件。,4、等温淬火法 将加热好的零件淬入温度稍高于 Ms 的盐 浴或碱浴中，保温足够的时间，使奥氏体等温 转变为下贝氏体组织，然后空冷至室温。 等温淬火法可获得强、韧兼备的组织，且 零件的内应力可减低到最小程度，不易变形。缺点： 生产周期长，仅适用于形状复杂的小零件。,5、局部淬火法 有些零件只需要局部硬度高、耐磨性好， 因此可进行局部淬火，以避免其它部位产生 变形或开裂。局部淬火法包括：局部加热淬火法 局部冷却淬火法,6、 冷处理 高碳钢、合金钢的Mz都在零下几十度， 为了减少残余奥氏

36、体的数量，可在淬火后进 行冷处理，即加热零件淬火至室温后，再放 入低温槽中继续冷却，使残余奥氏体转变为 马氏体。 冷处理介质：干冰（-80）、 液化乙烯（-107）、液氮（-192） 冷处理的目的：稳定尺寸，提高硬度。,第六节 钢的淬透性 一、什么叫淬透性 钢在淬火过程中，沿工件截面各处的实 际冷却速度是不同的，表层的实际冷却速度 总大于内部，而中心部的冷却速度最低。,如果表层的冷却速度大于临界冷却速度Vk， 而心部的冷却速度低于临界冷却速度，则表层获 得马氏体表层与心部之间依次为马氏体、屈氏体、 索氏体、珠光体，也即钢仅被淬火到一定深度。 如果心部的冷却速度也大于临界冷却速度Vk， 则沿工件

37、截面均获得马氏体组织，即钢被淬透。,屈氏体马氏体,所谓钢的淬透性是指: 钢在淬火冷却时，获得淬透层深度的能力 （获得马氏体层厚度的能力）。,如何定义淬透层深度： 从表层马氏体到半马氏体（50%马氏体） 处的深度。 获得马氏体层的厚度越大，即淬透层深度 越大，钢的淬透性越好。,注意： 钢的淬透性与淬硬性是两个不同的概念。 淬硬性是指钢在淬火后所能获得的最大硬度 值。它主要取决于含碳量，含碳量越高，淬 硬性越大，但淬硬性的钢淬透性不一定好， 钢的淬透性受很多因素的影响。,HRC,b,0.2,Ak,HRC,b,0.2,Ak,淬透件,未淬透件,二、淬透性对钢机械性能的影响 1、对机械性能的影响 将淬透

38、性不同的两种钢制成直径相同的轴,进行淬 火+高温回火热处理（调质），其中一件完全淬透，另 一件未淬透，两者的机械性能比较见图：,s/b,(RM-RQ)，HRC,2、淬火不完全程度与屈强比的关系 如图，（RM-RQ） 表示淬火不完全程度，HRC RM表示淬火最高硬度（100%马氏体硬度），HRC RQ表示淬火的实际硬度，HRC (RM-RQ)越大，表示淬火不完全程度越大 可见，(RM-RQ)越大，s/b越小，对材料强度的利 用率越低（零件在工作中不允许出现塑性变形）。,-1,100%马氏体,20%马氏体,3、淬火钢中马氏体含量对回火后钢的疲劳极限的影响 淬火后马氏体含量越高，回火后钢的疲劳极限越

39、高综上：零件截面尺寸越大，淬透性对机械性能的影响越大。,三、影响钢淬透性的因素 影响钢淬透性的决定因素是临界冷却速 度Vk， Vk越小，淬透性越大。 临界冷却速度与C曲线的位置有关，C曲 线越右， Vk越小。,1、含碳量的影响 亚共析钢， C%C曲线右移Vk淬透性 过共析钢， C%C曲线左移Vk 淬透性 碳钢中以共析钢的淬透性最好。 2、合金元素的影响 除Co以外，其它合金元素都使C曲线右移， Vk，淬透性提高，故合金钢的淬透性大大高于 碳钢。,3、奥氏体化温度的影响 提高温度或延长保温时间，可使 C曲线 右移，Vk，淬透性提高，但作用有限，因 为奥氏体晶粒会长大。,四、淬透性的测定方法,最常

40、用的是末端淬火法（端淬法）测定钢 的淬透性。将25100mm 的标准试样加热 后对末端进行喷水冷却（水压恒定），试样末 端相当于淬火零件的表面，距末端的距离越远， 冷却速度越低，相当于淬火零件的内部。,端淬试样冷却后，沿其长度方向磨出一狭条 平面，每隔一定距离测量硬度值，可以绘出淬透 性曲线，对应于半马氏体的硬度点至末端的距离 d，就是淬透层深度，d越大，钢的淬透性越好。 45：d=3.3mm； 40Cr： d=10.5mm,表示方法： J */d J末端淬透性 d至水冷端（末端）的距离，mm *此处的实测硬度值， HRC J45/10-15表示距末端10-15mm处，淬火硬度 为45HRC。

41、 J42-45/10 表示距末端10mm处，淬火硬度为 42-45HRC。,五、机械零件设计中对钢淬透性的考虑（选材）1、重要零件，要求表面与心部机械性能一致， 应选用淬透性好的钢材。2、对心部机械性能要求不高的零件，可选用 淬透性低的钢材（便宜）。3、焊接件，不能采用淬透性高的钢材。防止 焊缝出现淬火组织脆、裂纹。,4、小尺寸试样的性能数据，不能用于大尺寸工 件的强度计算。 5、淬透性低的大尺寸零件，淬火应安排在切削 加工之后进行。 6、碳钢的淬透性很低，设计大尺寸零件时，应 采用正火工艺代替调质处理，以防止淬不透。 二者的性能相差不大，但成本相差很大,第七节 钢的回火,一、回火的概念 将淬

42、火钢件重新加热到A1以下某一温 度，经保温，冷却到室温的操作，称为回火。,二、回火的目的 淬火后钢的组织为马氏体、残余奥氏体、 过共析钢还有少量渗碳体，而马氏体组织硬 度高，脆性大，组织不稳定，且淬火后钢件 存在较大的内应力，易导致钢件变形、开裂， 故淬火后应及时进行回火。 通过回火，马氏体、残余奥氏体可转变 为比较稳定的组织，内应力也被消除，组织 脆性降低，零件尺寸稳定。,三、淬火钢回火时组织与性能的变化,（一）马氏体的分解,从室温到200左右范围内回火时，马氏体 中一部分过饱和的碳以及细小的-碳化物 （FexC或Fe2.4C）形式析出，并分布在马氏体基 体上，使马氏体中的含碳 量下降，体心

43、正方的 正方度c/a 减小（即过饱和程度降低），使马氏 体的脆性下降，硬度稍降。,此时组织为： 过饱和程度稍低的马氏体和极细小的 -碳化物组成的混合组织，称为“回火马氏 体组织”，M回。 -碳化物：是一非平衡相，使向Fe3C转变 的过渡相。,（二）残余奥氏体的转变,约在 200-300，马氏体继续分解的同时， 残余奥氏体也发生转变，变成了下贝氏体组织。 此时主要组织仍是回火马氏体，但由于加热温 度较高，马氏体的过饱和程度进一步降低，组 织的硬度降低，塑性提高。由于残余奥氏体转 变为硬度较高的下贝氏体，因此钢的硬度下降 不大。 此时组织为 “回火马氏体+下贝氏体”。,（三）渗碳体形成和铁素体恢复

44、,约在300-400之间，固溶体中过饱和 的碳逐渐析出，-碳化物转变为稳定的较小 的Fe3C颗粒，固溶体中的含碳量几乎达到 平衡成分，故马氏体变成铁素体（c/a1）， 体心正方晶格变成体心立方晶格。 此时组织为： “铁素体与弥散在其中的细粒状渗碳体的混合 物”, 称为 “回火屈氏体”，T回。,（四）渗碳体的聚集长大和铁素体的再结晶,约在400-650 之间，渗碳体不断聚集长 大，内应力与晶格歪扭完全消除，组织是由铁 素体和球化的渗碳体所组成的混合物，称为“回 火索氏体”，S回。 此时，碳固溶强化作用消失，强度取决于 Fe3C质点的尺寸和弥散度。回火温度越高，渗 碳体质点越大，弥散度越低，强度越

45、低。,回火索氏体组织具有良好的综合机 械性能，即强、韧兼备。,回火组织较正火组织具有较高的强度、韧性。,若继续升温到650以上，渗碳体继续粗化， 组织变为强度更低的球状珠光体组织，综合机 械性能下降，一般不用。,四、回火的分类 低温回火：150-250 组织为M回 硬度：HRC58-64 中温回火：350-500 组织为T回 硬度：HRC35-45 高温回火：500-650 组织为S回 硬度：HRC23-35 淬火+低温回火工具、量具、轴承等，提高硬度、耐 磨性 淬火+中温回火各种弹簧，提高s/b 淬火+高温回火调质，轴、齿轮、交变载荷零件，综 合机械性能,注： 在250-350范围内回火很少

46、使用，因为在此 温度范围内，从马氏体中析出的碳化物呈细片 状，从而引起钢的脆性，称为低温回火脆性。 当温度超过350，碳化物转变为颗粒状的 Fe3C，钢的韧性恢复。,其它回火： 某些高合金钢在640-680进行回火软化。 某些精密零件（如量具），为了保持淬火 后的高硬度，又要保持尺寸稳定性，仅在 100-150进行长时间回火（10-50h）， 称为“尺寸稳定处理”或 “时效处理”。,第八节 钢的表面淬火,承受交变载荷、冲击载荷的零件，表面比心 部承受较高的应力，且表面由于受到磨损、腐蚀 等，故零件表面失效较快，需进行表面强化，使 零件表面具有较高的强度、硬度、耐磨性、疲劳 极限、耐腐蚀性；而心

47、部仍保持足够的塑性、韧 性，防止脆断，即具有“外硬内韧”组织。,一、表面淬火的概念,表面淬火是通过对钢件表面快速加热与立 即冷却相结合，在零件表面获得淬火马氏体层 的热处理方法。,快速加热使钢表面很快达到淬火温度，迅 速冷却使热量不能传递到零件中心，这样零件 表面被淬成马氏体组织，而心部仍为未淬火组 织，从而获得“外硬内韧”组织。,二、表面淬火用钢 表面淬火用钢的含碳量以 0.40%-0.50% 为宜(中碳钢), 因为含碳量太高,尽管表面淬硬 性增大, 但心部塑性降低; 而含碳量太低,尽管 心部塑、韧性提高, 但表层淬火硬度不足。 （这也是物理热处理的局限性：简单但作用有限）,三、表面淬火的分

48、类 根据加热方式的不同，表面淬火可分为： 感应加热表面淬火 火焰加热表面淬火 电接触加热表面淬火 激光加热表面淬火 等离子体加热表面淬火 工业上使用最多的是 ,四、感应加热表面淬火 通过使零件表面产生一定频率的感 应电流，将零件表面迅速加热到淬火温 度，然后迅速喷水冷却的一种表面淬火 方法。,1、 感应加热的原理 零件放在感应器（空心铜管绕成）中，感应 器中通以中频或高频交流电（500-300000Hz） 以产生交变磁场，于是零件表面就有感应产生同 频率的感应电流。 这种感应电流在零件表层电流密度很大，离 开表层则很快衰减，零件内部感应电流几乎为零 集肤效应，且频率越高，电流集中层越浅。,由于

49、零件本身存在电阻，因此集中于表层 的电流，可使零件表层迅速被加热，在几秒钟 内升温到 800-1000，而心部温度接近室温， 经迅速喷水淬火冷却，使零件表层淬硬，心部 仍保持较好的塑性、韧性。,2、感应加热频率的选用 感应电流集中层的厚度取决于电流频 率，频率越高，集中层越薄，即淬透层越 薄，因此可通过控制电流频率来控制淬硬 层深度，非常方便。 高频加热： 100-500KHz，常用200-300KHz 中频加热： 500-10000Hz, 常用2500-8000Hz 工频加热： 50Hz,3、感应加热表面淬火的特点 优点： 加热速度极大，使珠光体转变为奥氏体的转变温 度升高，转变时间极短（不

50、需保温），转变速度 极快。 淬火后，可使零件表层获得极细的“隐晶马氏体” 组织，零件表层具有比普通淬火稍高的硬度（高 2-3HRC），较低的脆性，较高的疲劳强度。 零件不易氧化、脱碳，且变形小。 零件淬硬层深度易于控制，操作易实现自动化，生 产率高。,缺点： 设备投资大，只适用于外形简单的零件， 形状复杂的零件，感应器不易制造。,4、表面淬火的预热处理 为了保证淬火质量，改善零件心部机械性能， 表面淬火前，可进行正火或调质预热处理。 对心部机械性能要求不高的零件，可进行正 火预热处理；对心部机械性能要求高的零件，可 进行调质预热处理。,五、火焰加热表面淬火,用氧-乙炔、氧-煤气混合气体燃烧产生

51、的火 焰，喷射在零件表面，使之快速升温，当温度达 到淬火温度时，迅速喷水冷却，从而获得表面淬 硬层的淬火方法。 火焰加热表面淬火的淬硬层一般为26mm， 若要获得更深的淬硬层，则会引起零件表面过热， 且易淬裂。,优点：简单，不需特殊设备，操作灵活，尤适合 局部表面淬火。 缺点：生产效率低，淬火质量不稳定，表面易过 热。,六、等离子体加热表面淬火 等离子体：气体放电过程中所形成的有关 离子的集合体。 等离子体加热表面淬火，能耗低，效率高， 设备便宜，是激光加热表面淬火的替代技术。,前述热处理，都属于物理热处理，简单而有 效，这是这种古老技术目前仍广泛使用的原因。 由于没有改变材料的化学成分，因此

52、其作用 是有限的。 例如：表面淬火中碳钢。,第九节 钢的化学热处理,表面淬火，钢材的合适含C量为0.40.5%。 由于表层性能与心部性能矛盾“外硬内韧”， 只能选用中碳钢来制作，虽然既照顾了“外硬”， 又兼顾了“内韧”，但“外硬”与“内韧”的水平都 不高。,要解决这一问题，可以采用化学热处理的 方法。 化学热处理与物理热处理最大的区别是前 者改变了钢的化学成分。,一、化学热处理及分类,1、化学热处理,将零件置于一定介质中加热、保温，使介 质中的活性原子渗入零件表层，以改变表层的 化学成分和组织，从而使零件表层具有所需的 特殊性能。,2、分类 按渗入元素的不同，化学热处理分为： 渗碳、氮化、碳氮

53、共渗、渗金属（钒、铌）。,3、化学热处理进行的必要条件,a、材料本身对欲渗的活性原子具有一定的溶解 度，或具有与活性原子形成化合物的能力。 b、渗入的原子必须具有化学活性和较大的扩散 能力。,4、化学热处理的基本过程 a、将钢材和介质加热到高温，以提高对活性 原子的溶解度，提高活性原子扩散能力； 同时介质在高温下分解，产生活性原子。 b、活性原子被钢吸收，并由表及里扩散，在 表层（扩散层）形成固溶体或化合物,二、钢的渗碳,1、渗碳：是向钢表层渗入碳原子的过程。,2、渗碳目的： 提高钢表层的含碳量，经热处理后， 使表层具有高硬度，高耐磨性，而心部 仍保持一定的强度，较高的塑、韧性。,3、渗碳钢材： 采用低碳钢，低碳合金钢 （零件心部塑、韧性很好） 如：15、20、20Cr、20CrMnTi,4、渗碳工艺的分类 按所用渗碳介质的不同，分为：气体渗 碳、固体渗碳、液体渗碳、等离子体渗碳。,5、气体渗碳,a、原理： 900950 CH4 C+2H2 2CO C+CO2 CO+H2 C+H2O 活性C溶入高温奥氏体（面心立方）， 然后向内部扩散。,b、影响渗碳过程的因素, 加热温度 加热温度越