机械工程材料第四章

热处理的分类

1普通热处理退火、正火淬火、回火；

2

表面热处理表面淬火化学热处理改善钢的性能的途径有两种：合金化法和热处理；热处理：将钢在固态下加热到预定温度，并在该温度下保持一定时间，然后以一定的速度冷却下来，使钢的内部组织发生变化，从而获得所需性能的一种热加工工艺。第四章钢的热处理加热和冷却时的相变点Ac1A1Ar1Ac3A3Ar3AccmAcmArcmSPGQEFF+PPP+Fe3CⅡ

AF+AA+Fe3CⅡ

℃

C%第一节钢在加热时的转变实线部分反映的是热力学上近于平衡状态时的铁碳合金的组织状态与温度及合金成分之间的关系，所以A1线、A3线、Acm线是钢在缓慢加热和冷却过程中组织转变的临界点。在实际钢进行热处理时，其组织转变并不按铁碳相图上所示的平衡温度进行，而是有不同程度的滞后现象。通常将加热时的实际临界温度标以“c”，如：Ac1、Ac3、Accm；冷却的实际温度标以“r”，如：Ar1、Ar3、Arcm；其中，F：bcc、Wc=0.0218%;Fe3C:正交晶系、Wc=6.69%;A:fcc、Wc=0.77%;在此转变中，包括：1.晶格重构；2.碳原子的重新分布；奥氏体的形成是通过形核和长大过程来实现的：其基本过程包括以下四个步骤：如图6-1所示：一、奥氏体的形成：奥氏体化：将钢加热到相变温度以上，使常温组织转变为高温组织奥氏体，这种转变叫做奥氏体化。热处理与相图之间的关系：只有在加热、冷却过程中有固态相变发生的合金才能进行热处理。1、奥氏体的形核：在F/Fe3C相界面上形核2、奥氏体的长大：3、剩余渗碳体的溶解：4、奥氏体的成分均匀化：亚共析钢中奥氏体的形成:室温组织:F先+P；当加热到Ac1以上时，P→A，若进一步提高温度，则F先→A，温度超过Ac3时，过剩的F完全消失，全部组织为A；如图6-2所示；1.3过共析钢中奥氏体的形成：室温组织：P+Fe3CⅡ；当加热到Ac1以上时，P→A，若进一步提高温度，则Fe3CⅡ溶解，温度超过Accm时，过剩的Fe3CⅡ完全溶解，全部组织为A；如图6-2所示；二、影响奥氏体形成速度的因素1.加热温度、速度：

随着加热温度↗→碳原子扩散能力强，A中碳浓度梯度增大，加速A的形成；加热速度越快→奥氏体形成温度升高，A转变所需的时间越短；2.化学成分：

随着含碳量的增加→原始组织中渗碳体多，相界多，形核率增，越有利于A的形成；3.原始组织：原始组织为片状P时，原始组织越细，相界越多，形核率增，→越有利于A的形成；三、奥氏体晶粒度3.1奥氏体的晶粒度可分为：起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度；起始晶粒度：珠光体刚刚全部转变为奥氏体时奥氏体的晶粒度；实际晶粒度：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的大小；一般情况下，它大于起始晶粒度；本质晶粒度：表征钢在一定条件下奥氏体长大的倾向性；晶粒长大倾向大的晶粒为本质粗晶粒；晶粒长大倾向小的晶粒为本质细晶粒；在评定本质晶粒度时，通常将钢加热到930℃，保温3~8小时，冷却后制成金相样品，在100倍的显微镜下观察，与标准晶粒度等级进行比较，晶粒度为1~4级为本质粗晶粒、5~8级为本质细晶粒；如图；注意：本质晶粒度与实际晶粒度的区别：如图；注意：对同一种钢而言：加热获得晶粒细小的奥氏体，冷却后的组织也细小，其力学性能较好；反之，加热时奥氏体晶粒粗大，冷却后获得的组织也粗大，力学性能不好；过热：加热时，奥氏体晶粒超过规定尺寸，这种热缺陷叫做过热；钢在加热时常见的热缺陷：过热、氧化、脱碳；第二节钢在冷却时的转变t连续冷却过冷奥氏体：在A1以下，未发生转变的不稳定奥氏体。钢加热后的冷却方式：等温冷却：C曲线（TTT曲线）连续冷却（CCT曲线）钢的热处理加热是为了获得均匀而细小的奥氏体，但这不是最终的目的，热处理的关键在冷却，能决定最终所得到的组织，从而获得所需的性能。一、过冷奥氏体等温转变曲线将共析钢的过冷奥氏体在临界温度Ar1以下某一温度进行等温转变，测定过冷奥氏体转变开始时间和终了时间，分别将各温度下测得的过冷过冷奥氏体转变开始时间和终了时间用光滑的曲线连接起来，在温度、时间坐标系上可得到两条曲线。即过冷奥氏体等温转变曲线图。反映过冷奥氏体等温冷却时：温度、时间、转变三者之间的关系曲线；线:A1线：奥氏体和珠光体的平衡温度；Ms线：奥氏体向马氏体转变的开始线；Mf线：奥氏体向马氏体转变的终了线；C曲线中左边的曲线为转变开始线，右边的曲线为转变终了线；共析钢C曲线分析孕育期

——表示过冷A的稳定程度四个区域：

奥氏体稳定区过冷奥氏体区转变产物区转变区C曲线形状三种转变类型

高温转变区：P型转变中温转变区：B型转变低温转变区：M型转变

共析碳钢TTT曲线建立过程示意图时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1A1~550℃珠光体转变区；550~Ms贝氏体转变区；Ms~Mf马氏体转变区；由图中可以看出，经过一段时间后，过冷奥氏体才开始转变，这段时间叫做孕育期；转变开始后转变速度逐渐加快，当A转变体积分数达到50%时转变速度最大。注意：孕育期：孕育期的长短表示过冷奥氏体的稳定性的高低；由C曲线可知，共析钢在550℃左右孕育期最短，表示过冷奥氏体最不稳定，此处叫做C曲线的“鼻子”；“鼻子”所对应的温度叫做“鼻温”；从A1到“鼻温”之间，随着过冷度的增大，孕育期缩短，过冷奥氏体的稳定性下降；从“鼻温”到Ms线之间，随着过冷度的增大，孕育期增长，过冷奥氏体的稳定性增大；(一）过冷奥氏体的转变产物及性能1、珠光体转变：过冷奥氏体在A1~550℃的温度范围等温停留时，将发生珠光体转变：A→F+Fe3C珠光体的形成伴随着两个过程的同时进行：a）Fe、C原子扩散；b）晶格的重组；这两个过程是依靠碳原子和铁原子的扩散来完的，所以，珠光体转变是一种典型的扩散型相变。珠光体形态：过冷度不同，形态也不同；A1~650℃珠光体P

组织较粗，片间距：0.6~1.0μm（用500倍光学显微镜可观察）650℃~600℃索氏体S

层片较细片间距为0.25~0.3μm（800～1000倍光学显微镜才可分辨）600~550屈氏体T

极细片间距0.1~0.15μm（电子显微镜观察）P、S、T都为F和Fe3C的机械混合物，只不过是片层的粗细不同，珠光体性能：

珠光体片越细→

HB↑，σb↑

C%相同时，球状P比片状P

→HB↓，σb↓，δ↑a)700°C等温2500×b)650°C等温7500×c)600°C等温11000×

珠光体形貌像光镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌

索氏体形貌像

屈氏体形貌像电镜形貌光镜形貌三.珠光体组织图5-460.7%C钢950C°退火珠光体的薄膜透射电子显微组织同一晶团内铁素体和渗碳体的分布17000×珠光体中铁素体和渗碳体交叠时形成的水纹花样46000×2、贝氏体转变：过冷奥氏体在550℃~Ms点温度范围内等温停留时，将发生贝氏体类型的转变；得到贝氏体，用B表示；贝氏体：过饱和的铁素体F和渗碳体的混合物；由于转变的温度较低，过冷度较大，贝氏体转变时只有碳原子扩散，铁原子不扩散，所以贝氏体转变是一种半扩散型转变。⑴贝氏体的形态：分为上贝氏体B上和下贝氏体B下；①上贝氏体：在550~350℃等温停留如图6-10所示；亚结构：位错；B上=过饱和碳

α-Fe条状+Fe3C细条状过饱和碳α-Fe条状Fe3C细条状羽毛状形态：光学显微镜下：中、高碳钢上贝氏体的典型特征呈羽毛状，如图a所示；在电子显微镜下：上贝氏体由许多从奥氏体晶界向晶内平行生长的板条状铁素体和在相邻铁素体条间存在的不连续的短杆状的渗碳体所组成。可以看到铁素体呈暗黑色，渗碳体呈白亮色，

上贝氏体组织金相图图5-4120Mn钢中的无碳化物贝氏体图5-4225Cr2Ni4WA钢420C°等

2000×温淬火形成的上贝氏体10000×②

下贝氏体：在350℃~Ms点等温停留形态：在光学显微镜下：呈黑色针状；在电子显微镜下：在下贝氏体针状的铁素体内分布着细微的碳化物，这些碳化物平行排列并与铁素体的长轴呈55~65°取向。亚结构：位错，但密度大于上贝氏体；

下贝氏体组织金相图图5-4540Cr840C°加热,310C°等温时形成的下贝氏体明场30000×⑵贝氏体的性能：主要取决于组织的形态；上贝氏体：铁素体条较宽——强度、硬度低渗碳体以短杆状分布在铁素体条之间，——塑性和韧性差；机械性能不好，生产中应用较少。下贝氏体：铁素体针细小而均匀分布——塑性、韧性好；在铁素体内又沉淀析出细小、多量而弥散分布的渗碳体，而且具有高密度的位错——强度高；HB↑，σb↑耐磨性↑，塑、韧性好。机械性能好3、马氏体转变：当冷却速度很大时，过冷奥氏体冷到230℃以下，将发生马氏体转变，形成马氏体，用M表示；马氏体：碳在α-Fe中的过饱和固溶体，具有体心正方晶格，如图6-14所示。⑴马氏体转变的特点：①奥氏体向马氏体的转变在一个温度范围内进行；

Ms点：A开始发生M转变的温度叫做Ms点。Mf点：马氏体转变终了温度；②马氏体相变是不完全相变。转变终了后，并不能获得100％的马氏体，总有部分奥氏体保留下来，这部分奥氏体叫做残余奥氏体，用A’表示；③Ms点、Mf点的高低主要取决于奥氏体的含碳量及合金元素含量。C和合金元素(除Al、Co外）均使Ms点、Mf点下降，使室温下A’的数量增多④马氏体转变是奥氏体在较低的温度区极大过冷度下进行的，铁原子和碳原子都不能进行扩散,因而不发生成分的变化,转变前的奥氏体的成分与转变后马氏体具有相同的含碳量；转变是无扩散式的。⑤奥氏体转变为马氏体，体积增大⑵马氏体的形态:取决于含碳量；板条马氏体(<0.3%C）—低碳M（位错M）如图6-21所示,其立体形态为细长的板条状,显微组织为一束束细条状组织,每束条与条之间以小角度晶界分开,束与束之间有较大的位向差.板条马氏体的亚结构主要是高密度的位错,所以又叫位错马氏体.片状马氏体（>1.0%C)—高碳M（孪晶M）如图6-22所示，其立体形态为双凸透镜形，截面形状为针状，亚结构为孪晶，所以又叫孪晶马氏体。混合马氏体含碳量在0.3~1.0%为。

低碳板条状马氏体组织金相图

高碳针片状马氏体组织金相图⑶马氏体的性能：

高强度和高硬度；

C%↑→HB↑马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量，即母相奥氏体的含碳量如图；随着含碳量的增加，硬度也增高，尤其在含碳量较低的情况下，硬度增高的很明显，到含碳量大于0.6%时，硬度增加趋于平缓。马氏体高强度、高硬度的原因：①固溶强化；②相变强化；马氏体的塑性、韧性低碳M位错（板条）马氏体的塑性、韧性好∵碳在马氏体中过饱和程度小，晶格畸变轻微、淬火内应力小，不存在显微裂纹，亚结构主要是位错高碳M：孪晶（针状）马氏体塑性、韧性差∵碳在马氏体中过饱和程度大，晶格畸变严重、内应力大，存在淬火显微裂纹，亚结构主要是孪晶因此，低碳M强韧性好

高碳M必须回火（二）、影响C曲线的因素：1、

含碳量的影响：亚共析钢→含碳量↑，C曲线右移；如图6-24a所示；在此曲线的鼻尖上部区域比共析钢多了一条先共析铁素体析出线；这表示此类钢在奥氏体转变之前先有铁素体的析出；过共析钢→含碳量↑，C曲线左移；如图6-24c所示；在此曲线的鼻尖上部区域比共析钢多了一条先共析渗碳体的析出线；这表示此类钢在奥氏体转变之前先有渗碳体的析出；奥氏体中含碳量的影响:过共析钢共析钢亚共析钢时间温度A12、

合金元素的影响：

除了Co之外，所有的溶入奥氏体的合金元素均使奥氏体的稳定性增加，使C曲线右移；

有些合金元素溶入奥氏体之后还会使C曲线的形状发生变化；

3、奥氏体状态的影响加热温度↑，加热时间↑→C曲线右移使奥氏体成分均匀，奥氏体的稳定性增加℃

tA1Cr,Mo,W,VCr,Mo,W,VCo先析出相二、过冷奥氏体连续转变曲线在生产实践中，奥氏体转变大多是在连续冷却的过程中进行的，为此，我们要研究过冷奥氏体连续转变曲线，它又叫CCT图；CCT图的分析:

如图6-25是共析钢的连续冷却转变曲线；特点：没有贝氏体转变区；线：PS线：A→P转变开始线；

Pz线：A→P转变终了线；

K线：A→P→转变中止线；过冷奥氏体的冷却速度不同，发生的转变和室温组织不同；

当V＜VC’时，发生A→P转变，室温组织：P；当VC’＜V＜VC时，冷至PS线时，发生A→P转变，继续冷至K线，P转变中止，再继续冷至MS线，发生A→M转变，室温组织：P+M；当V＞VC时，发生A→M转变，室温组织：M+A’；VC：表示过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解而全部冷至MS点以下发生马氏体转变的最小冷却速度，叫做上临界冷却速度，也叫临界淬火速度；VC’：表示过冷奥氏体在连续冷却过程中全部转变为珠光体的最大冷却速度，叫做下临界冷却速度；共析碳钢TTT曲线与CCT曲线的比较稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMfCCT曲线TTT曲线第三节钢的退火与正火毛坯生产预备热处理机械加工最终热处理机械精加工预备热处理:退火;正火最终热处理:淬火;回火一般零件生产的工艺路线:

将钢加热、保温冷却后，使其组织达到或接近平衡状态的热处理工艺称之为退火和正火。退火：炉内缓冷；正火：空冷退火与正火的目的：退火与正火一般安排在铸造或锻造之后，切削加工之前，作为预先热处理，目的如下：①软化钢件以便进行切削加工；②消除残余应力，以防钢件的变形与开裂；③细化晶粒，改善组织以提高钢的机械性能；④为最终热处理（淬火、回火）作组织上的准备；一、钢的退火退火完全退火球化退火去应力退火等温退火根据钢的成分、工艺与目的不同，扩散退火（一）扩散退火（均匀化退火）

定义：将钢锭、铸件或锻坯加热到稍低于固相线的温度，长时间保温，然后缓冷以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。

目的：消除有害气体的危害，如氢致白点；使合金元素扩散均匀，改善或消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，轧锻材中的带状组织；消除轴承钢中的液析碳化物，均匀成分，均匀组织。

适用钢种：一些优质中、高合金钢或偏析严重的合金钢铸件及铸锭

工艺参数：加热温度：Ac3（Accm）+150～300℃

碳钢1100～1200℃；合金钢1200～1300℃。

55

保温时间：与钢种和偏析程度有关，一般为（30～60）min/25mm，或（1.5～2.5）min/mm

按装炉量Q计算：

τ＝８.5＋Ｑ/４（小时）Ｑ—装炉量（吨）一般为10～15ｈ问题：一般扩散退火加热温度高，时间长，晶粒会粗大（不能作为淬火的预备组织），扩散退火之后要进行一次完全退火或正火来进行细化晶粒，消除过热缺陷。高温扩散退火周期长、能耗大、氧化脱碳严重、成本高故：尺寸不大的铸件或碳钢铸件，有时可采用完全退火来代替（偏析轻）。（二）完全退火：

完全退火：将工件加热到Ac3以上20~30℃，保温一定时间后，随炉缓慢冷至500℃以下，在空气中冷却至室温的一种热处理工艺。用途：用于亚共析钢（Wc=0.3~0.6%）或合金钢的锻、铸、焊接件。目的：降低硬度、便于切削加工；细化晶粒、消除应力、均匀组织。完全退火后的组织：F先+P；低碳钢和过共析钢不适合于完全退火低碳钢：退火后硬度偏低，切削时易粘刀过共析钢：加热至Accm以上奥氏体化后缓冷得到组织为P+Fe3CⅡ，硬度较高，强度、塑性、韧性下降（三）等温退火：将某些高合金钢加热到Ac3以上20~30℃，保温一段时间奥氏体化后，以较快速度冷到珠光体C曲线鼻尖部位，并进行等温转变，转变结束后，可空冷至室温，这种退火方法叫做等温退火。特点：比完全退火节省时间；如图6-29所示；得到适合加工的索氏体组织等温退火的等温温度根据钢的成分和要求的硬度，由该种钢的C曲线确定。（四）球化退火：是使钢中的碳化物球化的一种热处理工艺。用途：主要应用于共析钢、过共析钢和高碳合金工具钢。定义：将过共析钢加热到Ac1~Accm

之间，经保温后缓慢冷却，使钢中碳化物球化，获得球化组织的一种热处理工艺。目的：降低硬度、改善切削加工性能，并为淬火做组织准备。过共析钢的室温平衡组织为：P（片）

+Fe3CⅡ（网）；球化退火后的组织：铁素体和球状渗碳体的混合物，叫做球状珠光体或粒状珠光体，用P粒表示，如图6-30所示；生产中常采用等温球化退火；为什么将加热温度定于Ac1~Accm

？过共析钢的室温平衡组织为：P+Fe3CⅡ，不仅硬度高，而且增大了钢的脆性，所以切削加工困难，淬火时易变形、开裂；；加热温度为Ac1以上20~30℃，在A中保留大量的未溶渗碳体质点，并造成A的碳浓度分布不均匀，在随后的缓冷过程中，或以原有的渗碳体质点为核心，或在A富碳区产生新的核心，均匀的形成颗粒状渗碳体；球化退火前，若二次渗碳体网较厚，可先正火。

共析钢球化退火组织(化染)700T10钢球化退火组织(化染)500（五）去应力退火：又叫低温退火，一般是将工件随炉缓慢加热（100~150℃/h）至500~650℃（＜Ac1），保温一定时间后随炉缓冷（50~100℃/h）至200℃出炉。特点：在退火过程中没有相变；残余应力主要是通过钢在500~65℃保温后缓冷过程中消除的；用途：用来消除铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件等的残余应力；二、钢的正火定义：将钢加热到Ac3或Accm以上30~50℃，保温完全Ａ化后，从炉中取出空冷以得到珠光体类型组织的热处理工艺，称为正火。正火与退火的比较：实质上：正火是退火的一个特例；共同点：Ａ→Ｐ；扩散型相变，得到软韧组织；不同点：工艺上：冷却速度快些，转变温度低组织上：比退火组织细，性能上：钢的强度、硬度也较高工艺参数:温度(°C)名称Ac3

+30～50亚共析钢Ac1

+30～50共析钢Accm+30～50过共析钢热处理后的组织:S(Wc=0.6～1.4%)

S+F少

(Wc＜0.6%)２、应用：①改善切削加工性能：预备热处理（含碳低于0.25%的---HB140-190）低碳钢②消除热加工缺陷，为淬火做组织准备：（中碳结构钢铸、锻、轧件、焊接件的魏氏组织、粗大晶粒、带状组织）③消除过共析钢中的Fe3CⅡ，有利于球化退火的进行

（抑制二次碳化物的析出，获得伪共析体。）④提高普通结构件的机械性能：作为最终热处理，代替调质处理，力学性能要求不高的中低碳钢和中低合金钢结构件

三、退火和正火的选取原则（1）Ｗｃ＜0.25％的低碳钢，正火代替退火，利于切削加工；防止游离三次渗碳体的析出，提高工件的冷变形性。（2）Ｗｃ＝0.25～0.5％的中碳钢，也采用正火，硬度偏高，但因成本低,生产率高；（3）Ｗｃ＝０.5～０.75%的中高碳钢，一般采用完全退火，降低硬度，改善切削加工性；（4）Ｗｃ＞０.75%的高碳钢或工具钢，一般采用球化退火。若有网状二次渗碳体，先正火消除之。（5）含碳量、合金元素高，奥氏体稳定性高，完全退火，易缓冷得到马氏体和贝氏体，应高温回火。工艺参数:第四节钢的淬火与回火一、钢的淬火（一）淬火的目的：淬火：将钢加热到Ac3或Ac1以上30~50℃，保温一定时间奥氏体化后以大于临界冷却速度Vk的冷却速度冷却(水冷)

，得到马氏体的热处理工艺。目的：使奥氏体化的工件获得尽量多的马氏体，提高钢的硬度、强度，并配以不同温度的回火，以获得各种需要的性能。（二）淬火温度的选择原则：获得均匀细小的奥氏体晶粒以便获得细小M；亚共析钢：加热到Ac3以上30~50℃；过共析钢：加热到Ac1以上30~50℃；淬火后的组织：亚共析钢：M+A’；过共析钢：M+碳化物+A’；三)热处理后的组织:

M+Fe3C+A残

Ac1+30～50过共析钢

M+A残

Ac1+30～50

共析钢

M+A残

Ac3+30～50亚共析钢Wc＞0.5%

M

Ac3+30～50亚共析钢Wc≤0.5%

最终组织淬火温度(℃)

钢种②若过共析钢于ＡCcm以上温度淬火，不仅得到粗片状马氏体组织，脆性极大，而且由于渗碳体溶解，奥氏体的含碳量提高，钢的Ms和Mf点降低，将使残余奥氏体量增加，导致钢的硬度、韧性、耐磨性降低，而且会使钢件发生严重变形甚至开裂。若加热温度过低，低于Ac1，淬火后得不到马氏体

①若亚共析钢于Ａc3以下温度淬火，在淬火组织中除M外，还保留部分铁素体，使钢强硬度降低；也不能超过Ac3太多，否则Ａ晶粒粗大淬后M粗大，使钢的韧性下降。原因：（三）淬火冷却介质1.理想淬火冷却介质时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf650℃以上应缓冷，以降低淬火的热应力；650~400℃应快冷，以通过过冷奥氏体最不稳定区；400℃以下缓冷，以减小马氏体转变时产生的组织应力；常用的淬火冷却介质

名称

最大冷却速度时平均冷却速度/(℃•s-1)所在温度/℃冷却速度/(℃•s-1)650～550℃300～200℃20℃静止水34077513545040℃静止水28554511041060℃静止水2202758018510%NaCl

溶液58020001900100010%NaOH溶液5602830275077520℃10号机油430230606580℃10号机油430230705520℃3号锭子油50012010050（四)常用的淬火方法单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火时间温度MsA1

由于淬火冷却介质不能完全满足淬火质量的要求，所以在热处理方面还应从淬火方法上去加以解决。5.冷处理将淬火冷至室温的零件继续置于Mf以下的制冷剂中，保持一段时间，进行冷处理，以尽量减少残余奥氏体的数量。用于要求尺寸稳定性很高的精密工件，如量具、精密轴承等。二、钢的淬透性（一）淬透性、淬硬性的定义及影响因素淬透性：奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体而不形成其他组织的能力。其大小用在一定条件下淬硬层深度来表示。一般规定：由钢的表面至内部马氏体组织占50%处（半马氏体区）的距离为淬硬层深度。淬硬层越深，表明钢的淬透性越好，如果淬硬层深度达到心部，表明该钢全部淬透。淬硬性表示钢淬火后获得马氏体组织的最高硬度。与马氏体的含碳量有关；如图为一根较粗的45钢试棒，加热到A温度水淬，击断观察其断口：表面：细瓷状组织；心部：纤维状组织；表面：硬度高：心部：硬度低；表面：马氏体组织；心部：屈氏体组织；从表面到心部马氏体逐渐减少；影响淬透性的因素：临界淬火速度Vk:

是决定性的因素，Vk越小（C曲线越靠右），钢的淬透性就越好。含碳量的影响：亚共析钢：Wc↑→C曲线右移→VC↓→淬透性↑；过共析钢：Wc↑→C曲线左移→VC↑→淬透性↓；合金元素的影响：除Co之外，大多数合金元素的加入使C曲线右移→VC↓→淬透性↑；工件淬硬层与冷却速度的关系4.淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响未淬透钢淬透钢3、淬透性的测定方法：自学末端淬火法：临界淬火直径；4、淬透性的应用：自学；三、淬火钢的回火回火的定义：将淬火后的钢加热至临界温度Ac1以下某一温度，保温一定时间然后冷却到室温的一种热处理工艺。回火的目的：①消除脆性，降低淬火应力；②调整淬火钢的力学性能；③稳定零件的形状、尺寸；

（一）回火时组织转变：以共析钢为例进行分析；淬火后的组织为M+A’；它们都不稳定，有自发转变为铁素体和渗碳体的倾向，淬火钢在回火时就是这种转变；我们根据淬火钢在回火时的体积变化来研究回火时的相变。（马氏体分解时，钢的体积减小；残余奥氏体转变时，钢的体积增大；）1。碳化物的析出当回火温度T＜100℃时，钢的体积不变，所以淬火钢中没有明显的转变发生，只是马氏体中发生碳原子的偏聚；低温回火（100~250℃）→回火M(过饱和F+薄片状Fe2.4C)+A‘

钢的体积减小；所以马氏体开始分解；

M分解→固溶在M中的过饱和的碳原子脱溶析出ε碳化物，并与M保持共格联系；（ε碳化物：晶体结构为正交晶系，分子式：Fe2.4C；它不是平衡相，而是向渗碳体过渡相）此时由于温度较低，M中的碳原子并未完全析出，仍含有过饱和的碳原子，我们将这种转变叫做回火的第一次转变，或回火的第一阶段；单相过饱和的α固溶体+与母相共格联系的ε碳化物叫做回火马氏体，用M’表示

淬火应力↓，韧性↑，保持淬火后的高硬度。用于高C工具钢等。

α固溶体仍保持针状特征；回火马氏体形貌仍维持原马氏体形貌，只是易受腐蚀，颜色较暗【M分解】

回火马氏体组织金相图（200~300℃），钢的体积增大。所以钢中的残余奥氏体发生转变，转变为下贝氏体（M’

）。这种转变叫做回火的第二次转变，或回火的第二阶段；此阶段转变终止在300℃左右；此时，α固溶体中的含碳量约为0.15~0.20%;此阶段，钢的硬度也没有明显的降低；α固溶体+ε碳化物【残余奥氏体转变】中温回火（300~400℃）→回火T

钢的体积又减小，过饱和的碳原子从α固溶体中继续析出，形成渗碳体，同时ε碳化物也转变为极细粒状渗碳体，与α固溶体失去共格关系，这种转变叫做回火的第三次转变或回火的第三阶段；组织为F（片状）+Fe3C（颗粒）；内应力大量消除；【碳化物转变】高温回火：400℃以上，渗碳体逐渐聚集长大，形成较大的粒状渗碳体，回火温度越高，渗碳体颗粒越粗大，从而使钢的强度、硬度降低，但韧性却有较大的提高。同时，α固溶体的含碳量已经降到平衡浓度，固溶体已由体心正方晶格变为bcc晶格【α固溶体回复与再结晶】当温度升高到500~650℃时，→回火S(等轴状F+粒状Cm)

α相发生再结晶，使针状的铁素体变为多边形的等轴铁素体；这种转变叫做回火的第四次转变或回火的第四阶段；【碳化物的聚集长大】

将由多边形铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织叫做回火索氏体，如图6-43所示；此种组织具有良好的综合机械性能，用于重要零件淬火钢在回火时的转变大致包括：碳化物的析出（马氏体的分解、碳化物的聚集长大）、残余奥氏体的转变分解、α固溶体回复与再结晶；回火产物的组织形态比较

回火M

×400

回火T

×7500回火S

×7500M低倍

T

×1000

S

×1000

（二）钢在回火时的机械性能的变化：1.随着回火温度的升高，钢的硬度下降，2.随着回火温度的升高，强度不断下降，塑性、韧性升高；3.钢的回火脆性：回火脆性：淬火钢在回火时的冲击韧性总体来说随回火温度的升高而升高，但是往往在250~400℃和500~600℃出现明显的下降，这种随回火温度升高而冲击韧度下降的现象现象称为回火脆性；第一类回火脆性：钢在250~400℃出现的回火脆性叫做第一类回火脆性，产生的原因与防止方法:马氏体分解时碳化物沿其界面析出降低界面断裂强度，脆性增加避免在此温度范围内回火，或采用含Ｓｉ、Cr、Mn等元素的合金钢；第二类回火脆性：钢在500~650℃出现的回火脆性叫做第二类回火脆性产生的原因与防止方法：钢中P、Sn、Sb等元素向原奥氏体晶界偏聚，减弱A晶界上原子结合力。防止方法：回火后快冷即可消除之，故此类回脆又叫做可逆回火脆性；选用含有W、Mo等元素的合金钢（三）、回火的种类与应用：按回火温度范围可将回火分为三类：1.低温回火：回火温度150~250℃，保温后空冷。回火后的组织是回火马氏体，用M’表示；（内应力和脆性降低，但保持了高硬度）应用：高碳钢、合金钢制作的工具、轴承零件等，以及经表面淬火和渗碳淬火的零件；硬度56~64HRC；

2.中温回火：回火温度350~500℃，保温后空冷。回火后的组织为回火屈氏体,用T’表示（F+粒状碳化物）；在具有一定韧性的同时，兼有高的弹性和屈服极限；硬度为HRC35~50;应用：各类高碳钢、合金钢的弹性零件，如弹簧等3.高温回火：回火温度500~600℃。回火后的组织为回火索氏体，用S’表示（多边形F+聚集长大的颗粒状碳化物）；具有强韧结合的良好的综合机械性能；淬火加高温回火叫做调质处理；应用：重要结构件，如连杆、轴、齿轮等。第五节钢的表面淬火目的：使工件达到表硬心韧的性能要求；定义：将中碳零件表面快速加热到淬火温度，心部几乎没有加热，然后迅速冷却，仅使表面获得淬火组织，心部仍保持原始组织的热处理方法，叫做表面热处理；分类：根据工件表面加热热源的不同，分为：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火；1、感应加热表面淬火：利用电磁感应原理在工件表面产生高密度的感应电流,使表面迅速加热到奥氏体状态,然后快冷,使表面获得M的淬火方法。如图6-45所示；1.1感应加热的分类:自学,书P111;1.2感应加热表面淬火的特点:自学1.3感应加热表面淬火的预处理:对于心部性能要求高的零件:调质处理;对于心部性能要求不高的零件:正火处理;2、火焰加热表面处理：自学；第九节钢的化学热处理定义：将工件放入某种化学介质中，通过加热、保温和冷却使介质中的某些元素的原子扩散到表层中，以改变表层的化学成分和组织，从而使其表层具有与心部不同的特殊性能的一种操作。化学热处理之后可以获得表硬心韧的性能；分类：根据渗入元素的不同，可分为：渗碳、渗氮、碳氮共渗等；化学热处理的基本操作：①将工件加热到一定温度，从而有利于吸收渗入元素的活性原子；②由化合物分解或离子转变而得到渗入元素的活性原子；③活性原子被吸附，并溶入工件表面，形成固溶体，在活性原子的浓度很高时，还可以形成化合物；④渗入原子在一定温度下，由表层向内扩散，形成一定的扩散层；1、钢的渗碳：定义：向钢的表面层渗入碳原子的过程。目的：使工件在热处理后表面具有高硬度和高耐磨性，而心部仍保持一定的强度和较高的塑性和韧性；分类：气体渗碳法、固体渗碳法、液体渗碳法；1.1气体渗碳法：将工件置于密封的加热炉中，通入气体渗碳剂（如：滴入煤油、通入甲烷、丙烷等），在900~950℃加热，保温、使钢件表面层增碳的过程，如图6-48所示；1.1.1气相反应：

CH4→[C]+2H2；

2CO→[C]+CO2；

CO+H2→[C]+H2O；活性碳原子溶入高温奥氏体中，而后向钢的内部扩散，实现渗碳；1.1.2工艺参数：加热温度：Ac3以上30~50℃，即900~950℃，T↑→渗碳速度↑→渗碳层↑；但温度过高，会使钢件中的晶粒长大，使钢变脆；保温时间：所需的渗碳层↑→渗碳时间↑；1.1.3渗碳后的组织:低碳钢渗碳后缓冷：表面层：P+Fe3CⅡ；（渗碳后表层的最佳含碳量为：0.85~1.05%）心部:F+P（心部为原材料的含碳量：01~0.25%）中间为过度层,越靠近表面铁素体越少;如图6-49所示;1.1.4渗碳后的热处理:渗碳后应进行适当的热处理,以获得表硬心韧的性能,一般为淬火+低温回火,具体做法有:直接淬火法、一次淬火法、二次淬火法；直接淬火法：渗碳→预冷到略高于心部Ac3（850~880℃）立即淬火→低温回火（180~200℃）热处理以后的组织：表层：针状回火马氏体+二次渗碳体+少量残余奥氏体，硬度为58~64HRC；心部：F+P（普通低碳钢，如：15、20钢；硬度为10~15HRC；）2、钢的渗氮（钢的氮化）定义：向钢的表面渗入氮原子的过程。目的：使钢件获得比渗碳更高的表面硬度（可高达950~1200HV）、耐磨性、疲劳强度、红硬性以及抗咬合性和抗蚀性。分类：气体氮化、液体氮化、离子氮化等；2.1气体氮化：定义：利用氨气作为渗氮介质在（500~570℃）加热分解出活性氮原子，被工件的表面吸收，并向内部扩散形成氮化层的过程。氮化处理的特点：①在氮化之前一般进行调质处理，得到回火索氏体组织，所以氮化后，工件的心部往往有良好的综合机械性能。（渗氮往往是最后一道工序）②钢在氮化后无需进行淬火就具有很高的表层硬度及耐磨性，这是因为表层形成了一层坚硬的氮化物所致。③氮化后，显著提高钢的抗疲劳强度，这是因为氮化层内有较大的残余压应力；④处理温度低，工件变形小；⑤氮化层具有较高的抗腐蚀能力，这是因为氮化层内有致密的氮化物所致；氮与许多合金元素都能形成氮化物，如：CrN、Mo2N、AlN等，这些弥散的合金氮化物具有较高的硬度和耐磨性，同时具有高的抗蚀性。因此渗氮工艺在Cr-Mo-Al钢中得到了广泛的应用，如最常用的渗氮钢为38CrMoAl、35CrMo、18CrNiW等综上所述：渗氮在机械工业中得到了广泛的应用，特别适用于许多精密零件的最终热处理，例如：磨床主轴、镗床镗杆等；3、碳氮共渗：自学；思考题1、解释下列名词：①奥氏体的起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度；②珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体；③奥氏体、过冷奥氏体、残余奥氏体；④退火、正火、淬火、回火；⑤淬火临界冷却速度、淬透性、淬硬性；⑥再结晶、重结晶；⑦调质处理、变质处理；2、指出共析碳钢加热时奥氏体形成的几个阶段，并说明亚共析钢和过共析钢奥氏体形成主要特点？3、指出A1、A3、Acm；Ac1、Ac3、Accm；Ar1、Ar3、Arcm各临界点的意义？4、有甲、乙两种钢，同时加热到1150℃，保温两小时，经金相显微镜观察，甲钢奥氏体晶粒度为3级，乙钢为6级。由此能否得出结论：甲钢是本质粗晶粒钢、乙钢是本质细晶粒钢？5、将20钢与60钢同时加热到860℃，并保温相同的时间，问哪种钢奥氏体晶粒粗大些？6、珠光体类型组织有哪几种？它们在形成条