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1、一、热处理的作用一、热处理的作用 1、什么是热处理？、什么是热处理？ 零件的加工过程为：下料零件的加工过程为：下料锻造（或铸造）锻造（或铸造）热处理热处理成形加工成形加工热处理热处理精加工精加工包装。包装。 第一道热处理是为了便于后续机加工和为后续第一道热处理是为了便于后续机加工和为后续热处理做组织准备，满足的是零件加工的热处理做组织准备，满足的是零件加工的工艺性工艺性能能；第二道热处理使零件具有高的机械性能（硬；第二道热处理使零件具有高的机械性能（硬度、韧性、耐磨性等），赋予零件最终的度、韧性、耐磨性等），赋予零件最终的使用性使用性能能。热处理热处理：将钢在固态下：将钢在固态下加热加热到预定
2、到预定的温度，的温度，保温保温一定的时间，然后以预一定的时间，然后以预定的方式定的方式冷却冷却，以获得需要的组织结，以获得需要的组织结构与性能的一种热加工工艺。构与性能的一种热加工工艺。 因此，因此，加热温度加热温度，保温时保温时间间，冷却速度冷却速度就成为热处理就成为热处理工艺的三大要素。工艺的三大要素。热处理的过程：任何热处热处理的过程：任何热处理都要经过理都要经过加热加热、保温保温和和冷冷却却三个过程三个过程，它可以用热处，它可以用热处理工艺曲线表示。理工艺曲线表示。热处理的目的热处理的目的： 主要是改变钢的组织结主要是改变钢的组织结构，使其具备工程技术上所需要的性能，构，使其具备工程技
3、术上所需要的性能，包括包括工艺性能工艺性能与与使用性能使用性能。 正确的热处理工艺还可以消除钢材经正确的热处理工艺还可以消除钢材经铸造、锻造、焊接等热加工工艺造成的各铸造、锻造、焊接等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使组织和性能更加均匀。力，使组织和性能更加均匀。热处理的种类按工艺流程可分为：热处理的种类按工艺流程可分为：预备热处理预备热处理和和最终热处最终热处理。理。预备热处理预备热处理：为随后冷拔、冲压和切削加工或最：为随后冷拔、冲压和切削加工或最终热处理作好组织准备的热处理。一般预备热处终热处理作好组织准备的热处理。一般预备热
4、处理可获得工程上所要求的理可获得工程上所要求的工艺性能工艺性能。最终热处理最终热处理：在生产工艺流程中，工件经切削加：在生产工艺流程中，工件经切削加工等成形工艺而得到最终的形状和尺寸后，再进工等成形工艺而得到最终的形状和尺寸后，再进行的赋予工件所需行的赋予工件所需使用性能使用性能的热处理。通过对工的热处理。通过对工件进行最终热处理可显著提高其机械性能，延长件进行最终热处理可显著提高其机械性能，延长零件的使用寿命，从而充分挖掘材料的潜力，节零件的使用寿命，从而充分挖掘材料的潜力，节约材料和能源。约材料和能源。例如:用高速钢（W18Cr4V）制造钻头或车刀，其工艺流程如下：锻造球化退火机加工淬火、
5、回火精加工（磨）。 其中球化退火可改善锻件毛坯组织，降低硬度（达到HB207-255，相当于HRC17-25)，这样才能进行切削加工，达到工艺性能要求。 预备热处理 其中淬火+回火，它可提高钻头的硬度（达到HRC60-65）、耐磨性和红硬性，可以切削加工其它金属，达到工程所要求的使用性能。 最终热处理二、热处理与相图二、热处理与相图 钢为什么可进行热处理？热处理后为什么能获得前钢为什么可进行热处理？热处理后为什么能获得前面所述的效果？是不是所有金属材料都能进行热处理面所述的效果？是不是所有金属材料都能进行热处理呢？这些问题与合金相图有关。呢？这些问题与合金相图有关。 原则上只有在加热或冷却时有
6、固态相变发生的合金原则上只有在加热或冷却时有固态相变发生的合金或溶解度发生显著变化的合金才能进行热处理。或溶解度发生显著变化的合金才能进行热处理。在固在固态下不发生相变的纯金属、某些单相合金等不能用热态下不发生相变的纯金属、某些单相合金等不能用热处理手段强化，只能采用加工硬化的方法。处理手段强化，只能采用加工硬化的方法。位于位于F点以左的合金：点以左的合金：例如：某二元合金系相图如右图例如：某二元合金系相图如右图 在固态加热或冷却过程中均无相在固态加热或冷却过程中均无相变发生。变发生。-不可热处理不可热处理。成分在成分在FF之间的合金之间的合金 ： 相自相自t t1 1温度缓慢冷至温度缓慢冷至
7、DFDF时，时，相又开始析出，继续冷相又开始析出，继续冷却却B B在在相中的溶解度又会发生显著变化，这一过程为固相中的溶解度又会发生显著变化，这一过程为固态相变的态相变的平衡脱溶沉淀平衡脱溶沉淀。如果合金从。如果合金从t t1 1温度时的温度时的相状态相状态快速冷却，会得到过饱和到快速冷却，会得到过饱和到固溶体，这一过程为固态固溶体，这一过程为固态相变的相变的不平衡脱溶沉淀（固溶处理）不平衡脱溶沉淀（固溶处理）。-可热处理可热处理 成分位于成分位于D D点以右的合金：点以右的合金： 固溶体在温度变化时溶解度固溶体在温度变化时溶解度发生显著变化。发生显著变化。-可热处理可热处理如果相图如果相图相
8、中的溶解度曲线相中的溶解度曲线DFDF变成垂直线变成垂直线DFDF： 溶解度不随温度变化，所有合金在固态下均无相变发溶解度不随温度变化，所有合金在固态下均无相变发生。生。-所有成分的合金不可热处理所有成分的合金不可热处理 因为钢在加热或冷却因为钢在加热或冷却过程中越过临界温度就过程中越过临界温度就要发生固态相变，所以要发生固态相变，所以能进行热处理。如能根能进行热处理。如能根据其变化规律，采取特据其变化规律，采取特定的加热和冷却方法，定的加热和冷却方法，控制相变过程，便可获控制相变过程，便可获得所需的组织、结构和得所需的组织、结构和性能。性能。Fe-Fe3C相图相图 q 目的：通过加热使原始组
9、织转变为奥氏体；q 将钢加热至Ac3或Ac1以上，获得完全或部分奥氏体组织的操作称为奥氏体化。q 钢热处理加热的临界温度为727 。 钢在加热时的组织转变 钢在加热时的组织转变 在实际生产中，由于加热和冷却不是很缓慢，因此实际发生组织转变的温度与相图的A1、A3、Acm 有一定的偏离。通常加热用 Ac1、Ac3、Accm 表示，冷却用Ar1、Ar3、Arcm表示。钢的临界点：钢的临界点： 对于加热：实际加热条件下的相变温度高于平衡条对于加热：实际加热条件下的相变温度高于平衡条件下的相变温度；件下的相变温度； 对于冷却：实际冷却条件下的相变温度低于平衡条对于冷却：实际冷却条件下的相变温度低于平衡
10、条件下的相变温度。件下的相变温度。 这个温差叫滞后度：加热转变这个温差叫滞后度：加热转变 过热度过热度 冷却转变冷却转变 过冷度过冷度过热度或过冷度随加热或冷却速度的增大而增大。过热度或过冷度随加热或冷却速度的增大而增大。 实际相变温度与理论转变温度之间的关系 平衡临界温度：A1、A3、Acm实际加热临界温度：Ac1、Ac3、Accm实际冷却临界温度：Ar1、Ar3、Arcm 奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程（奥氏体的形成机理）（奥氏体的形成机理） 以共析钢为例说明奥氏体的形成过程以共析钢为例说明奥氏体的形成过程,可用下式可用下式表示：表示： + Fe3C 加热1CA c=0.0218% c=
11、6.69% c=0.77% 化学成分变化化学成分变化 体心立方体心立方 复杂斜方复杂斜方 面心立方面心立方 晶体结构变化晶体结构变化 奥氏体的形成要靠奥氏体的形成要靠碳的扩散重新分布和碳的扩散重新分布和铁素体向铁素体向奥氏体的晶格重组来完成。奥氏体的晶格重组来完成。 奥氏体的形成也是通过奥氏体的形成也是通过形核和长大形核和长大方式进行的，符合方式进行的，符合相变的普遍规律。相变的普遍规律。 共析钢中奥氏体的形成由四个基本过程组成：共析钢中奥氏体的形成由四个基本过程组成：奥氏体形核奥氏体形核、奥氏体长大奥氏体长大、剩余渗碳体溶解剩余渗碳体溶解和和奥奥氏体成分均匀化氏体成分均匀化。1、奥氏体的形核
12、、奥氏体的形核奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界面上形奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成（特别是在与晶界相连的成（特别是在与晶界相连的/Fe3C界面上）。因为在界面上）。因为在相界面上碳浓度分布不均匀，位错密度较高、原子排相界面上碳浓度分布不均匀，位错密度较高、原子排列不规则，处于能量较高的状态，容易获的奥氏体形列不规则，处于能量较高的状态，容易获的奥氏体形成所需的成所需的浓度起伏浓度起伏、结构起伏结构起伏和和能量起伏能量起伏。珠光体珠光体群边界群边界也可能成为奥氏体的形核部位。也可能成为奥氏体的形核部位。 （一）奥氏体的形成 1.奥氏体晶核的形成 奥氏体的晶核易于在渗碳体
13、相界面上形成。这是因为在两相的相界上为形核提供了良好的条件。 奥氏体晶粒长大是通过：奥氏体晶粒长大是通过：铁素体与奥氏体之间的点阵重构铁素体与奥氏体之间的点阵重构渗碳体的溶解渗碳体的溶解碳在奥氏体中的扩散等过程进行的碳在奥氏体中的扩散等过程进行的 铁素体全部转变为奥氏体时，可以认为，铁素体全部转变为奥氏体时，可以认为，奥氏体长大即完成奥氏体长大即完成 2.奥氏体晶核的长大 A形核后,由于A与Fe 3 C形界处的含C量不同。将引起A中C的扩散。通过Fe、C原子的扩散和Fe原子的晶格改组,A向F和Fe 3 C两个方向长大。 3 3、剩余渗碳体溶解、剩余渗碳体溶解 奥氏体的长大阶段随着铁素体全部转变
14、为奥奥氏体的长大阶段随着铁素体全部转变为奥氏体即结束，此时仍有部分渗碳体尚未溶解，氏体即结束，此时仍有部分渗碳体尚未溶解，FeFe3 3C C为为形成的遗留相。随着保温时间延长或继形成的遗留相。随着保温时间延长或继续升温，剩余在奥氏体中的渗碳体通过碳原子续升温，剩余在奥氏体中的渗碳体通过碳原子的扩散，不断溶入奥氏体中，使的扩散，不断溶入奥氏体中，使的碳浓度趋的碳浓度趋于共析成分。一旦渗碳体全部消失，这一阶段于共析成分。一旦渗碳体全部消失，这一阶段便告结束。便告结束。 3.残余渗碳体溶解在奥氏体形成过程中 ,铁素体比渗碳体先消失,因此奥氏体形成之后,还残存未溶渗碳体。这部分未溶的残余渗碳体将随着
15、时间的延长,继续不断地溶入奥氏体,直至全部消失。 4 4、奥氏体成分均匀化、奥氏体成分均匀化 剩余渗碳体全部溶解时，奥氏体中的碳浓度剩余渗碳体全部溶解时，奥氏体中的碳浓度仍是不均匀的。继续延长保温时间或继续升温仍是不均匀的。继续延长保温时间或继续升温，通过碳原子的扩散，奥氏体碳浓度逐渐趋于，通过碳原子的扩散，奥氏体碳浓度逐渐趋于均匀化，最后得到均匀单相的奥氏体。至此，均匀化，最后得到均匀单相的奥氏体。至此，奥氏体形成过程全部完成。奥氏体形成过程全部完成。 4.奥氏体均匀化 渗碳体完全溶解后奥氏体中碳的浓度分布并不均匀 ,原先是渗碳体地方碳浓度高,原先铁素体的地方碳浓度低。必须继续保温,通过碳的
16、扩散,使奥氏体成分均匀化。 （二）影响奥氏体转变的因素1.加热温度和加热速度的影响 提高加热温度，将加速A的形成。 随着加热速度的增加,奥氏体形成温度升高(A C1 越高),形成所需的时间缩短。 2.化学成分的影响 随着钢中含碳量增加,铁素体核渗碳体相界面总量增多,有利于奥氏体的形成。 3.原始组织的影响 由于奥氏体的晶核是在铁素体和渗碳体的相界面上形成,所以原始组织越细,相界面越多,形成奥氏体晶核的基地越多,奥氏体转变就越快。 奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程 （三）奥氏体晶粒大小及其控制1.奥氏体晶粒大小一般根据标准晶粒度等级图确定钢的奥氏体晶粒大小。标准晶粒度等级分为8级，14级为粗晶粒
17、度，58级为细晶粒度。 五、影响奥氏体形成速度的因素五、影响奥氏体形成速度的因素1 1、加热温度的影响、加热温度的影响加热温度是影响奥氏体形成速度的主要因素。加加热温度是影响奥氏体形成速度的主要因素。加热温度越高，转变孕育期和完成转变的时间越热温度越高，转变孕育期和完成转变的时间越短。短。2 2、原始组织的影响、原始组织的影响钢的原始组织越细，则奥氏体的形成速度越快。钢的原始组织越细，则奥氏体的形成速度越快。3、化学成分的影响、化学成分的影响（1）含碳量的影响。钢中含碳量越高，奥氏体的形成速）含碳量的影响。钢中含碳量越高，奥氏体的形成速度越快。度越快。（2）合金元素的影响。）合金元素的影响。首
18、先，首先，Me改变了碳在奥氏体中的扩散速度改变了碳在奥氏体中的扩散速度改变改变的形的形成速度。成速度。其次，其次，Me改变了钢的临界温度改变了钢的临界温度改变改变转变时的转变时的TT改变驱动力改变驱动力GvGv改变改变的形成速度。的形成速度。第三，合金钢第三，合金钢均匀化过程除均匀化过程除C C的均匀化外，还包括的均匀化外，还包括Me e的均匀化的均匀化Me e的扩散速度慢的扩散速度慢Me e减慢了减慢了的形成速的形成速度。度。结论：合金钢奥氏体化要比碳钢缓慢得多。结论：合金钢奥氏体化要比碳钢缓慢得多。3.奥氏体晶粒大小的控制（1）合理选择加热温度和保温时间随着温度升高晶粒度将之间长大。温度愈
19、高,晶粒长大于愈明显。在一定温度下,保温时间愈长,奥氏体晶粒也越粗大。 （2）加入合金元素奥氏体中的含碳量增高时,晶粒长大的倾向增多。若碳以未溶的碳化物形式存在,则它有阻碍晶粒长大的作用。 （3）合理选择原始组织钢在冷却时的组织转变 冷却是热处理的最后一个工序，也是最关键的工序，它决定了钢热处理后的组织和性能。同一种钢，加热温度和保温时间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。这是因为过冷奥氏体在冷却过程中转变成了不同的产物。那么奥氏体在冷却时转变成什么产物？有什么规律呢？这就是本次课的主要内容。钢在冷却时的组织转变 当温度在A1以上时, 奥氏体是稳定的。当温度降到A1以下后，奥氏体即处于
20、过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体。过冷A是不稳定的，会转变为其它的组织。 钢在冷却时的转变，实质上是过冷A的转变。 连续冷却转变使加热到奥氏体化的钢连续降温进行组织转变 等温冷却转变使加热到奥氏体化的钢以较快的冷却速度冷到A1以下某温度保温，在等温下发生组织转变。 5.2 钢在冷却时的组织转变 碳钢热处理时的冷却速度一般较大，大多都偏离了平衡状态（除退火外），所以热处理后的组织为非平衡组织。碳钢非平衡组织和按铁碳相图结晶得到的平衡组织相比差别很大。所以不能再用铁碳相图加以分析，而应使用C曲线来确定。 共析钢过冷A的等温转变曲线图 （1）高温转变（珠光体型转变） 在A1550 之间, 过冷奥氏
21、体的转变产物为珠光体型组织, 此温区称珠光体转变区。 珠光体型组织是铁素体和渗碳体的机械混合物, 渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，转变温度越低，层间距越小，可将珠光体型组织按层间距大小分为珠光体(P)、索氏体(S)和屈氏体(T)。奥氏体向珠光体的转变为扩散型的形核、长大过程, 是通过碳、铁的扩散和晶体结构的重构来实现的。2.过冷奥氏体的等温转变产物组织和性能 A1 650 片层珠光体 25HRC 650 600 细珠光体（索氏 体 S） 25HRC30HRC 600 550 极细珠光体（托氏体 T）35HRC40HRC (a)珠光体 3800倍 (b) 索氏体 8000倍 (c)屈氏体 80
22、00倍 (2) 中温转变 在550 Ms之间, 过冷奥氏体的转变产物为贝氏体型组织, 此温区称贝氏体转变区。 贝氏体是渗碳体分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物。奥氏体向贝氏体的转变属于半扩散型转变，铁原子不扩散而碳原子有一定扩散能力。 过冷奥氏体在550 350 之间转变形成的产物称上贝氏体（上B)。上B呈羽毛状, 小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间。40HRC45HRC (a)光学显微照片 500 (b) 电子显微照片 5000上贝氏体形态 在350-Ms之间等温时，过冷奥氏体转变成下贝氏体（B下），呈黑色针状或竹叶状，其中颗粒状碳化物(Fe2.4C)沿一定方向分布分布在F片之上，
23、50HRC55 HRC。 光学显微照片 500倍 (b) 电子显微照片 12000倍 下贝氏体形态 上贝氏体中铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；同时渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断，因此强度和韧性都较差。 下贝氏体中铁素体针细小，无方向性，碳的过饱和度大，位错密度高，且碳化物分布均匀、弥散度大，所以硬度高，韧性好，具有较好的综合机械性能。这种下贝氏体应用广泛。 共析钢不同转变温度转变产物的硬度和冲击韧度二、过冷奥氏体的连续冷却转变 1.共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变组织(2) 马氏体转变特点 过冷A转变为马氏体是低温转变过程, 转变温度在MsMf之间, 该温
24、区称马氏体转变区。 过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转变 铁和碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥氏体一定晶面, 集体地(不改变相互位置关系)作一定距离的移动(不超过一个原子间距)， 使面心立方晶格改组为体心正方晶格，碳原子原地不动，过饱和地留在新组成的晶胞中；增大了其正方度c/a 。马氏体就是碳在-Fe中的过饱和固溶体。过饱和碳使-Fe 的晶格发生很大畸变，产生很强的固溶强化。 马氏体的形成速度很快 奥氏体冷却到Ms点以下后，无孕育期， 瞬时转变为马氏体。随着温度下降，过冷奥氏体不断转变为马氏体，是一个连续冷却的转变过程。 马氏体转变是不彻底的 总要残留少量奥氏体。残余奥氏体的含量与MS、Mf的
25、位置有关。奥氏体中的碳含量越高，则MS、Mf越低，残余A含量越高。只在碳质量分数少于0.6%时, 残余A可忽略。 马氏体形成时体积膨胀 体积膨胀在钢中造成很大的内应力, 严重时导致开裂。奥氏体碳质量分数对残余奥氏体含量的影响 (3)马氏体的形态与性能 马氏体形态 碳质量分数在0.25%以下时，基本上是板条马氏体（亦称低碳马氏体），板条马氏体在显微镜下为一束束平行排列的细板条。在高倍透射电镜下可看到板条马氏体内有大量位错缠结的亚结构，所以也称位错马氏体。 当碳质量分数大于1.0%时，则大多数是针状马氏体。针状马氏体在光学显微镜中呈竹叶状或凸透镜状，在空间形同铁饼。马氏体针之间形成一定角度(60)
26、。高倍透射电镜分析表明，针状马氏体内有大量孪晶，因此亦称孪晶马氏体。高碳马氏体的组织形态 碳质量分数在0.251.0%之间时，为板条马氏体和针状马氏体的混和组织。 如45钢淬火的组织就是混合马氏体。（2）马氏体的性能 a.硬度高。 马氏体是钢中最硬的组织，马氏体的硬度主要取决于其中的含碳量，与其它因素关系不大。但当含碳量增大到0.6%时,马氏体的硬度不再继续升高,大约为60-64HRC 。 马氏体的高硬度主要是由于固溶强化造成的,另外还有位错和孪晶的影响,奥氏体向马氏体转变造成的组织细化也是一个因素。碳质量分数对马氏体硬度的影响 b.马氏体的塑性和韧性与其碳含量（或形态）密切相关。高碳马氏体由
27、于过饱和度大、内应力高和存在孪晶结构，所以硬而脆，塑性、韧性极差，但晶粒细化得到的隐晶马氏体却有一定的韧性。而低碳马氏体，由于过饱和度小，内应力低和存在位错亚结构，则不仅强度高，塑性、韧性也较好。 c.马氏体的比容比奥氏体大。当奥氏体转变为马氏体时，体积会膨胀。马氏体是铁磁相，而奥氏体为顺磁相。马氏体晶格畸变严重，因此电阻率高。2. 亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 亚共析钢过冷A在高温时有一部分将转变为F，在中温转变区会有少量贝氏体（上B）产生。如油冷的产物为F+T+上B+M，但F和上B量很少，有时可忽略。亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 3. 过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 过共析钢过冷
28、A在高温区，将首先析出二次渗碳体, 而后转变为其它组织。由于奥氏体中碳含量高，所以油冷、水冷后的组织中应包括残余奥氏体。与共析钢一样，其冷却过程中无贝氏体转变。过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变q 前二节学习的内容是热处理的原理，从这一节开始学习热 处理工艺，也就是具体的热处理实现方法。q 在一个零件的加工路线中，热处理起着很重要的作用， 一般有两种情况，如一个齿轮： 下料-锻造-预备热处理（退火或正火）-铣齿- 最终热处理（淬火回火）-精加工（磨削）；q 其中预备热处理的作用是消除锻造的缺陷，如晶粒粗大、内应力、缺陷组织等，同时调整硬度，为后续的切削做准备。最终热处理的作用是使材料具有使用状态
29、下的性能，如强度、硬度等。第三节 钢的退火和正火 一、退火q 加热到适当的温度，保温一定时间后缓慢冷却（炉冷）。q 过冷奥氏体在C曲线的上部进行转变，热处理后的组织接近于平衡组织，以珠光体为主。亚共析钢为F+P，共析、过共析钢为球状珠光体。q 用途：降低硬度，以利于切削（比较适合的切削硬度为160-260HBS）；消除内应力，稳定尺寸，防止变形或开裂；消除偏析，均匀成分；q 第一类退火（扩散退火、再结晶退火、去应力退火）是不以组织转变为目的的工艺方法，由不平衡状态过渡到平衡状态。q 第二类退火（完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火）是以改变组织和性能为目的，改变钢中珠光体、铁素体和碳化物等
30、组织形态及分布。 q完全退火：适用于亚共析钢的铸件、锻件、焊接件。q工艺参数为：加热到Ac3+30-50，保温，随炉冷却到600出炉空冷。q等温退火：原理与完全退火相同，主要是为了缩短工艺周期，特别是对一些大型合金钢件的退火。q球化退火：适用于共析及过共析钢，目的是为了获取球状珠光体，降低这些高碳钢的硬度，以利于切削。所有的高碳钢在切削之前一般都要进行球化退火。q工艺参数为：加热到Ac1+30-50，保温，随炉冷却或等温冷却； 均匀化退火：一般用于铸件，消除偏析，使成分均匀；通常是将钢加热到固相线以下100-200长时间保温，使原子充分扩散。 去应力退火：属于低温热处理，加热温度一般在A1线以
31、下，对于钢来说，大约为600。 二、正火 加热到Ac3（或Accm ）以上3050，保温后在空气中冷却。它的主要特点是空冷，对于大型零件或在炎热地区，也可用风冷或喷雾冷却。 区别：冷却速度比退火稍快，组织较细，强度硬度稍有提高。q正火能提高硬度，一般用于低碳钢的预备热处理；q正火可以消除魏氏组织、粗大组织、网状组织等；如过共析钢在球化退火之前，应先用正火消除网状的Fe3C；q对于一些大件，正火可代替调质作为最终热处理使用； 第四节 钢的淬火 q 将钢加热到Ac1或Ac3以上30-50，适当保温，然后快速冷却，获取马氏体或下贝氏体的一种热处理工艺。q 淬火是一种很早就应用的热处理工艺，它的目的是
32、获得马氏体或下贝氏体，但主要是马氏体。从性能上看，它是为了强化材料，提高材料的强度或硬度。一、淬火工艺参数 为了获得好的淬火效果，就必须制定正确的淬火工艺参数。 加热温度 根据钢的成分确定，亚共析钢加热到Ac3+30-50，共析、过共析钢加热到Ac1+30-50；（根据铁碳相图进行解释）一、淬火工艺参数 例如，45钢的A3=780， 其淬火温度为840-860 T8、T12钢的Ac1=737， 其淬火温度为770-790； 合金钢由于合金元素的影响，加热温度比碳钢高，具体情况可以查阅热处理手册。一、淬火工艺参数 加热时间一般将升温时间和保温时间加在一起，称为加热时间。加热时间的确定应考虑二个问
33、题，一个是材料的均温，一个是组织转变的时间。淬火加热时间与零件的尺寸和加热设备有关，可按下列经验公式确定； =D； 其中是系数，一般取11.5；D是零件的有效厚度。 淬火冷却介质 淬火冷却速度应大于VK，但不是越快越好，在保证大于VK的前提下应尽量缓慢，这主要是为了避免出现大的应力，引起变形或开裂。 理想淬火冷却介质在“NOSE”处（600400）要快，以避开它保证获得 全 部 的 马 氏 体 组 织 ； 而 在 “ N O S E ” 下 面（300200 ），特别是在Ms线以下要慢，以避免变形和开裂。 但是实际使用的淬火介质都不满足这个条件。 一、淬火工艺参数水及水溶液 在650400相对
34、冷却速度较大，常用作碳钢的淬火。 油 在300200间冷却速度比水小，用于合金钢的淬火。 2.淬火方法 （1）单液淬火 形状简单的碳钢件在水中淬火，合金钢和 小尺寸碳钢件在油中淬火 （2）双液淬火形状复杂的高碳钢工件和尺寸较大的合金钢件 （3）分级淬火尺寸较小、形状复杂工件的淬火 （4）等温淬火形状复杂，尺寸要求较精确，强韧性要求较高的小型工模具及弹簧等的淬火 三、淬透性与淬硬性 淬硬性是钢在理想条件下淬火硬化所能达到的最高硬度。 取决于M中C%，C%淬硬性三、淬透性与淬硬性 淬透性是指在规定条件下，决定钢淬硬深度和硬度分布的特性。 三、淬透性与淬硬性 影响淬透性的因素主要是C曲线的位置，C曲
35、线右移，淬火临界冷却速度减小，淬透性提高。C%亚共析钢 C%淬透性，过共析钢C%淬透性奥氏体化温度t淬透性合金元素除Co以外，C曲线右移，淬透性未溶第二相淬透性三、淬透性与淬硬性 淬透性的应用 （1）根据服役条件，确定对钢淬透性的要求 选材的依据 焊接用钢材不希望淬透性高； （2）热处理工艺制定的依据 （3）尺寸效应 第五节 钢的回火温故而知新 钢淬火后的组织是什么? 钢淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体。 （等温淬火后为下贝氏体）温故而知新 什么是马氏体？马氏体的性能如何？ 马氏体是碳在-铁中的过饱和固溶体。 马氏体硬度高，但脆性大。温故而知新 马氏体转变有什么特点？ 奥氏体转变为马氏体时，工
36、件的体积增大 ，同时由于冷却速度较快，所以淬火后工件内常存在内应力。温故而知新 淬火后的工件能直接使用吗？不能温故而知新1、马氏体是不稳定组织；另外还有一定数 量的残余奥氏体；2、淬火后的性能不能满足工件的使用要求，如脆性太大；3、淬火后工件内部有内应力，会导致工件的变形或开裂； 温故而知新那怎么办？钢的回火 回火的定义和目的 淬火钢在回火时的组织转变 淬火钢在回火时的性能变化 回火的分类回火的定义 钢件淬火后, 为了消除内应力并获得所要求的组织和性能, 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叫做回火。 回火的目的 稳定组织 调整性能 消除内应力淬火钢在回火
37、时的组织转变 非常复杂。 一般是马氏体由过饱和状态向非饱和状态转变，也就是碳以一定的形式析出；残余奥氏体也发生变化 ，它们的最后转变产物是铁素体和渗碳体。 淬火钢在回火时的组织转变淬火钢在回火时的组织转变 在低温回火时，从淬火马氏体内部会析出碳化物薄片（Fe2.4C）, 马氏体的过饱和度减小。部分残余奥氏体转变为下贝氏体, 但量不多。所以低温回火后组织为回火马氏体残余奥氏体。回火马氏体淬火钢在回火时的组织转变 回火温度为350500，得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，叫做回火屈氏体(回火T)。铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。 回火托氏体淬火钢在回火
38、时的组织转变 回火温度为500650, 得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织, 称回火索氏体(回火S)。 回火索氏体淬火钢在回火时的性能变化 随回火温度升高，马氏体中的碳不断析出，所以钢的强度、硬度不断下降，而塑性、韧性不断升高。硬度强度塑性 淬火钢在回火时的性能变化低温回火 回火温度为150250。 回火后组织为回火马氏体。 低温回火的目的是降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度(一般为58HRC64HRC)和高耐磨性。 适用于工具、模具和表面处理件。 中温回火回火温度为350500，回火后组织为回火屈氏体(回火T)。 回火屈氏体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
39、一般为35HRC45HRC。适用于弹簧等弹性元件。 高温回火回火温度为500650, 得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织, 称回火索氏体。 在生产中将淬火后高温回火的复合热处理工艺称为，调质后得到的回火索氏体具有良好的综合力学性能，回火后硬度为200330HBS。 广泛用于轴类、齿轮、连杆等受力复杂的零件。钢的表面热处理1、钢的普通热处理包括哪些工艺? 正火、退火、淬火和回火，统称“四把火”。2、什么是调质？调质处理后钢的组织和性能怎样？ 淬火后高温回火的复合热处理工艺称调质。 调质后的组织为回火索氏体，具有综合力学性能。3、什么是钢的淬透性？ 钢在淬火条件下得到M组织或淬透层深度的能力，是
40、钢的固有属性。温故知新 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。心部：硬度低，韧性高在生产中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性能，一般是表面硬度高，有较高的耐磨性和疲劳强度；而心部要求有较好的塑性和韧性。表面：硬度高，耐磨表面和心部性能要求不同的零件实例 在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热处理方法，都有不能满足其要求。 低碳钢 ：可满足心部要求， 表面要求不能满足； 高碳钢： 可满足表面要求， 心部要求不能满足；解决这一问题的方法是表面热处理和化学热处理 仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理
41、, 也叫表面淬火。 化学热处理是将钢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它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。让我们首先学习一下表面热处理吧。表面淬火 按照实现方式，表面淬火可分为： 感应加热表面淬火 火焰加热表面淬火 激光加热表面淬火 感应加热表面淬火 原理 分类 应用 特点感应加热表面淬火原理 感应线圈中通以交流电时，即在其内部和周围产生一与电流相同频率的交变磁场。若把工件置于磁场中，则在工件内部产生感应电流，并由于电阻的作用而被加热。由于交流电的集肤效应，靠近工件表面的电流密度大，而中心几乎为零。工件表面温度快速升高到相变点以上，而心
42、部温度仍在相变点以下。感应加热后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶液喷射淬火，淬火后进行180-200低温回火，以降低淬火应力，并保持高硬度和高耐磨性。 感应加热表面淬火示意图电流频率与淬硬深度的关系 在淬火温度状态下，电流透入的深度与感应电流的频率有关，电流频率越高，电流透入深度越薄，淬火后硬化层也就越薄。 感应加热表面淬火分类名称频率（HZ）淬硬深度（mm)适用零件高频感应加热1001000K0.22中小型，如小模数齿轮，直径较小的圆柱型零件中频感应加热5001000028中大型，如直径较大的轴，大中等模数的齿轮工频感应加热501015 以上大型零件，如直径大于300mm 的轧辊及轴类零件感应
43、加热表面淬火应用范围 一般用于中碳钢和中碳低合金钢,如45、40Cr、40MnB钢等。用于齿轮、轴类零件的表面硬化，提高耐磨性。 为零件心部的性能，感应加热淬火的预备热处理常采用正火或调质。 感应加热淬火零件的加工工艺路线为： 下料-锻造-调质或正火-切削加工-感应加热淬火+低温回火-精加工-检验感应加热表面淬火特点 高频感应加热时，钢的奥氏体化是在较大的过热度（Ac3以上80150)进行的, 因此晶核多, 且不易长大，组织细小。 表面层淬得马氏体后, 由于体积膨胀在工件表面层造成较大的残余压应力, 显著提高工件的疲劳强度。 因加热速度快，没有保温时间，工件的氧化脱碳少。另外，由于内部未加热，
44、工件的淬火变形也小。 加热温度和淬硬层厚度（从表面到半马氏体区的距离）容易控制，便于实现机械化和自动化。 工艺设备较贵，维修调整困难，对于形状复杂的零件的感应器不易制造。火焰加热表面淬火 火焰加热表面淬火是用乙炔氧或煤气氧等火焰加热工件表面，进行淬火。 火焰加热表面淬火和高频感应加热表面淬火相比，具有设备简单，成本低等优点。但生产率低，零件表面存在不同程度的过热，质量控制也比较困难。因此主要适用于单件、小批量生产及大型零件（如大型齿轮、轴、轧辊等）的表面淬火。火焰加热表面淬火示意图化学热处理 将金属或合金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它的表层，以改变其化学成分、组织和性
45、能的热处理工艺。 化学热处理 化学热处理的作用主要有以下两个方面，一方面是提高工件表层的某些力学性能，如表层硬度、耐磨性、疲劳极限等。另一方面是保护工件表面 ，提高工件表层的物理、化学性能，如耐高温、耐腐蚀等。 按渗入的元素不同，化学热处理可分为： 渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。 渗入元素介质可以是固体、液体和气体。化学热处理 基本过程： 活性介质分解，表面吸收，向内部扩散。渗 碳钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入到钢表层的化学热处理工艺叫渗碳。目的：提高表层的硬度的耐磨性，并保持心部良好的韧性。 渗 碳 渗碳适用于含碳量为0.10-0.25%的低碳钢或低碳合金钢，经渗碳和淬火、低温回火后，可在零件的表层和心部分别获得高碳和低碳组织，使高碳钢和低碳钢的不同性能结合在一个零件上，从而满足了零件的使用性能要求。渗 碳 根据渗碳剂的不同，渗碳方法可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳。气体渗碳法的生产率高，渗碳过程容易控制，渗碳层质量好，且易实现机械化与自动化，故应用最广。本节将介绍国
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