第三章 钢的热处理

第三章钢的热处理

第一节钢在加热时的转变第二节奥氏体转变图第三节钢的普通热处理第四节钢的表面热处理第五节钢的特种热处理热处理：通过加热、保温和冷却来改变钢的内部组织，使钢能够获得新性能的工艺方法目的：改变钢的性能碳钢存在三种可逆的固态转变：1.A的形成与分解沿A1线：加热时，P→A，冷却时A→P2.F的溶解与析出沿A3线：加热时，F→A，冷却时A→F3.Fe3CⅡ的溶解与析出：沿Acm线：加热，Fe3CⅡ→A，冷却，A→Fe3CⅡ

第一节钢在加热时的转变一、A的形成1.共析钢的A形成过程

P（

F+Fe3C）→A

0.0218%C6.69%C0.77%C

体心立方正交晶系面心立方转变必须包含以下过程：①铁、碳原子的扩散过程

②铁晶格的重组过程

③渗碳体的溶解过程

A晶核总是优先在F和Fe3C的相界面上形成

2.影响A化的因素

加热温度越高，P→A的转变速度越快

加热速度越快，P→A

的转变速度越快，A

晶粒越细

P越细，P向A转变速度越快，转变速度依次为：细片状P＞粗片状P，层片状P＞粒状P

3.非共析钢的A化

①在A1以上，完成P→A的转变

②在A3

和Acm

以上，分别完成F

和Fe3C

的A

化二、A晶粒大小A晶粒度超过规定等级，被称为“过热”本质粗晶粒钢：A晶粒长大倾向大的钢

本质细晶粒钢：A晶粒长大倾向小的钢本质晶粒度:能反映不同的钢在相同加热条件下的A晶粒长大倾向实际晶粒度：指在具体加热条件下，钢中A的晶粒大小第二节过冷奥氏体转变曲线一、过冷A等温转变曲线过冷A：处于临界转变温度以下的A1.过冷A等温转变曲线的建立与分析（共析钢）①孕育期高于鼻尖温度，A的转变速度主要取决于过冷度大小低于鼻尖温度，A的转变速度主要取决于原子扩散能力②转变类型在A1～560℃之间，过冷A发生珠光体转变在560℃～Ms温度之间，过冷A发生贝氏体转变在Ms

～Mf

温度之间，过冷A发生马氏体转变Ms温度是M转变的开始温度，Mf

温度是M转变的终了温度2.转变过程及产物①

珠光体转变粗片P，硬度为5～20HRC细片P，也称索氏体（S），硬度：20～30HRC极细片P，也称托氏体（T），硬度：30～40HRC

②贝氏体转变

B：由过饱和碳的F和Fe3C所组成的混合物在560～350℃范围内形成的B称为上贝氏体

在350℃～Ms温度内形成的B称为下贝氏体

上B中F条较粗，且F条平行排列有各向异性，其韧性较差，应用较少下B中F片较细，强韧性很好，硬度高达50～60HRC，应用较为广范③M转变

转变特点：aM沿A晶界形核并迅速向晶内长大bM的长大速度极快C必须降温，才会有新的M针叶形成d直到Mf点，转变才告结束

e马氏体是碳在α－Fe中的过饱和固溶体，具有

体心正方结构fM转变时，会产生显著的固溶强化和相变强化，使M具有很高的强度和硬度gM的含碳量越高，其强度、硬度越高，塑性、韧性越低

马氏体的性能:含碳<0.25%的低碳M,ss=800～1300MPaHRC=35～45δ=9～17%含碳为0.8%的高碳M,,ss=1500～2000MPaHRC=62～64，δ=1%残余A：相变结束后被残留下来的A3、影响C曲线的主要因素①碳含量的影响

A随着c%的增加，亚共折钢的C曲线逐渐右

移，过共折钢的C曲线逐渐左移，共折钢的C曲线最靠右B随着C%增加，钢的Ms点和Mf点逐渐降低

②合金元素的影响A除Co以外，其余合金元素溶入A后，都会

使C曲线右移B除Co、Al之外，其余合金元素溶入A后，

都会降低钢的Ms点和Mf点二、过冷奥氏体连续转变曲线在热加工过程中，工件的冷却通常都是采用连续冷却的方式来进行例如：钢件在锻造、轧制和焊接后，通常都是采用空冷的方式来进行冷却在热处理过程中，工件的冷却则是分别采用随炉冷却、空冷、油冷和水冷等方式来进行在钢经过A化后的连续冷过程中，过冷A仍然会向P、B和M进行转变但由于此时过冷A可能会先后经过不同的转变区，可能会发生不同的组织转变且冷速不同，可能发生的转变也不同所以，过冷A的连续冷却转变较为复杂建立A连续冷却转变曲线的基本的方法是金相法金相法：就是组织观测法例如：将一组共析钢式样A化后，以某一冷却速度进行连续冷却，并相隔不同的时间将这些试样分别淬入水中，将这些试样的组织固定到室温通过组织观测，就能判断出每一个试样在这一连续冷过程中，是否发生了组织转变？发生的是哪种转变？转变到了那种程度？从而能确定出各种转变所对应的温度和时间贝氏体是由过饱和碳的F和Fe3C所组成的混合物A向贝氏体转变，不仅需要碳的扩散，而且还需要铁的晶格重组当A的成分不均匀时，能促进过饱和碳的F和Fe3C的形成当碳在A中的分布能够满足B的形核要求时，B转变的孕育效果就能达到100%在冷速较快的连续冷却过程中，在B形成温度较低的情况下，由于碳原子的扩散很难进行，因此，在A被冷至B转变区时，就难以达到100%的孕育效果A的孕育效果不能达到100%，A向B的转变就不能进行在共折钢的连续冷却转变曲线上，就不会出现B转变区Vk和Vk1是A转变的两个临界状态冷速小于Vk1时，A会发生珠光体型转变冷速大于Vk1时，A会分别向托氏体和马氏体转变冷速大于Vk时，A会发生马氏体转变Vk是A在连续冷却过程中能全部形成M的最小冷速Vk1是A在连续冷却过程中只能形成珠光体型组织的最大冷速

临界冷却速度V临:A能直接转变成M的最小

冷却速度

第三节钢的普通热处理普通热处理：退火、正火、淬火及回火预先热处理：用于消除各类晶体缺陷，为零件的机加工和后续热处理进行组织准备的热处理最终热处理：为满足零件使用要求进行的热处理

钢的实际转变温度：Ac1：实际加热时，P向A转变的最低温度Ac3：实际加热时，F向A转变的最低温度ACcm：实际加热时，Fe3CⅡ溶入A的最低温度

Ar1：实际冷却时，A向P转变的开始温度

Ar3：实际冷却时，A析出F的开始温度Arcm：实际冷却时，A析出Fe3CⅡ的开始温度

一、钢的退火退火：将钢加热至某一温度保温一定时间后，再将钢缓慢冷却至室温的工艺过程退火类型适用范围退火目的完全退火亚共析钢铸锻件消除过热、细化晶粒Ac3+30～50℃扩散退火各类铸件消除成分偏析Ac3

（AcCm

）+150～250℃使成分均匀化球化退火共析钢和过共析钢锻、轧件Ac1+30～50℃使Fe3C球化，为淬火作准备退火类型适用范围退火目的去应力退火铸、锻、焊及去应力、稳定尺寸、500℃～650℃各类冷冲压件防止工件变形与开裂再结晶退火冷变形产品消除加工硬化、650℃～700℃

恢复塑性完全退火和扩散退火后的组织：亚共析钢：F+片状P过共析钢：P+Fe3CⅡ

二、钢的正火正火：将工件加热到Ac3或ACcm以上30～80℃，保温后将工件空冷至室温的工艺过程工艺特点：①能提高钢中的珠光体含量②能够细化珠光体组织亚共析钢的正火组织：F+S或F+T过共析钢的正火组织：S+Fe3CⅡ

或T+Fe3CⅡ

共析钢的正火组织：S或T③能提高钢的强度和硬度正火的目的：细化钢的组织，消除过热缺陷，使组织

正常化提高低碳钢硬度，改善其切削加工性能，

作为低碳钢机加工前的预先热处理消除或减少过共析钢中的网状Fe3CⅡ，

使过共析钢易于球化退火作为最终热处理用于某些性能要求不高

的零件

三、钢的淬火淬火：将工件加热到Ac3或Ac1以上30～50℃保温后，再将工件放在水中或油中进行快速冷却，以使工件能够获得M或B下组织的工艺过程（一）淬火目的及工艺①提高零件的硬度和耐磨性②提高零件的弹性极限③提高钢的强韧性

淬火加热温度的选择：过共析钢在ACcm温度以上加热淬火的害处：①零件在淬火过程中的变形开裂倾向显著增大

②淬火钢中的残余A数量增多，钢的硬度降低，零件的尺寸不稳定性增大③钢的耐磨性下降

亚共析钢：t=Ac3+(30～50)℃共析钢和过共析钢：t=Ac1+(30～50)℃

钢在连续冷却时的淬火组织：

亚共析钢及共析钢：M+残余A

过共析钢：M+残余A+未溶Fe3C

（二）淬火介质

热应力：零件内外冷速不同，热胀冷缩不能同时进行所产生的内应力

组织应力：工件内外冷速不同，M转变不能同时进行所产生的内应力

冷却能力：盐水＞水＞油

（三）淬火方法①单液淬火法

在一种介质中进行冷却的淬火方法

缺点：冷却特性不好优点：工艺简单，适合大批量作业

②双液淬火法

高温区快冷，300℃后慢冷，以减少淬火应力的淬火方法缺点：双液转换时间难把握优点：冷却特性好③分级淬火

将工件淬入温度为Ms＋﹝10～30﹞℃的硝盐浴中保温2～5分钟，再对工件进行空冷的淬火方法

优点：冷却特性好缺点：只能用于尺寸较小、变形要求较小的工模具④等温淬火将工件淬入温度为Ms+30℃的盐浴中保温半小时以上，直到下B转变结束后，再将工件进行空冷的淬火方法缺点：只能用于尺寸较小、变形要求较小的工模具优点：冷却特性好

（四）钢的淬透性淬透性：钢在淬火时能够获得M的能力

在零件尺寸与淬火介质一定时，由于钢种不同，C曲线的位置不同，钢在淬火时能够获得M的能力不同，所以钢的淬透性不同测定淬透性的方法：临界直径法和顶端淬火法

钢的C曲线越靠右，淬透性越好，钢在淬火时获得M的能力越强，钢的淬硬层深度越大淬硬层深度：由工件表面至至零件内部半马氏体层的深度合金钢的淬透性优于碳钢

碳钢中，共析钢的淬透性最好零件要求整个截面性能一致时，应该选用高淬透性钢制造，使零件整个截面均能获得M

对全部淬硬反而会影响使用性能的零件，应选用低淬透性钢制造注意：不能把钢的淬透性与具体淬火条条件下的零件淬硬层深度混为一谈

四、钢的回火钢经淬火后所得到的M+残余A组织是不稳定的原因：

马氏体处于含碳过饱和状态不稳定残余奥氏体处于过冷状态不稳定淬火组织中存在大量晶体缺陷不稳定钢中存在很大的淬火应力不稳定

①消除淬火应力，避免工件在淬火应力作用下发生变形与开裂②通过碳化物的析出，降低碳在M中的过饱和度，以降低M的脆性③使残余A向稳定状态转变，使钢的组织及工件尺寸趋于稳定④调整钢的组织，使工件获得所需的性能回火的目的：回火：将淬火钢重新加热到A1以下某一温度保温一定时间后，再将钢冷却至室温的工艺过程

回火过程：是淬火M和残余A的分解，碳化物的析出和长大，过饱和

α－Fe的回复和再结晶过程回火组织转变的四个阶段：①

80～200℃回火，马氏体分解成过饱和碳的α

－Fe与ε碳化物回火马氏体：由过饱和碳的α－Fe与ε碳化物所组成的混合物②200～300℃回火，残余A分解成过饱和碳的α－Fe与ε碳化物③250～400℃回火，过饱和碳的α－

Fe逐渐转变成针叶状F，ε碳化物逐渐转变成极细小的颗粒状Fe3C

回火托氏体：

由针叶状F和细小的颗粒状

Fe3C所组成的混合物④400℃以上回火，颗粒状Fe3C通过聚集和长大会变成球状Fe3C，针叶状F通过回复和再结晶会转变成等轴状F回火素氏体：由等轴状F和球状Fe3C所组成的混合物上述回火阶段对应着四种不同的转变：①淬火M分解成由过饱和碳的α－Fe与

ε碳化物所组成的混合物→回火马氏体

②残余A分解成回火马氏体

③

回火马氏体转变成回火托氏体

④回火托氏体转变成回火索氏体三个回火温区：①在300℃以下回火，得到回火M②在300～500℃回火，得到回火T③在500～650℃回火，得到回火S

ss

：

M回＞T回＞S回

δ、ak：M回＜T回＜S回

颗粒状和球状Fe3C对F基体的切割作用比较小，所以：T回和S回的综合力学性能分别优于正火T和正火S

回火工艺：1.低温回火（＜250℃）主要用于高碳钢和高碳合金钢制造的各类工模具，回火后钢的硬度为58～64HRC2.中温回火（350～500℃

）主要用于中高碳钢制造的各类弹簧，回火后钢的硬度为35～45HRC3.高温回火（500～650℃）主要用于中碳钢制造的各种机械零件，调质后钢的硬度为25～35HRC第四节钢的表面热处理一、表面淬火表面淬火：采用快速加热方法将零件表层迅速A化，再将零件迅速冷却，使零件表层能够得到有效强化的淬火方法工艺特点：工件表面能得到一定深度的淬硬层，工件的心部组织不会发生变化用途：用于表面硬度、耐磨性要求高，心部塑韧性要求好的机械零件（一）火焰加热淬火燃烧气：天燃气、煤气、乙炔、丙烷等

助燃气：氧气和空气

乙炔一氧气火焰温度：3100℃

使用条件：淬硬层深度＜3mm煤气一氧气火焰,温度:2540℃

使用条件：淬硬层深度＞3mm火焰加热用钢：中碳钢

钢的原始组织：珠光体加热温度：Ac3

+(80～100)℃淬硬层深度：2～6mm

优点：设备简单，适用于特大工件的表面淬火缺点：表面易过热，淬火质量不稳定（二）感应加热淬火感应加热淬火是利用电磁感应现象，在工件的表层中形成强大的感应电流，使工件表层能够迅速升温并可立即进行淬火的工艺方法

外加电流频率越高，表面效应越显著，淬硬层深度越小高频感应淬火：f=100～1000KHz

淬硬层深度：0.2～2mm

中频感应淬火：f=0.5～10KHz淬硬层深度：2～8mm

工频感应淬火：f=50Hz

淬硬层深度：10～15mm

优点：①生产效率高②淬火质量好③淬硬层硬度比普通淬火高2～3HRC④产品质量稳定感应淬火用钢：中碳钢或中碳合金钢

预先热处理：淬火+高温回火（回火索氏体）

或正火处理（细片状珠光体）回火温度：

180～200℃回火组织：表层为回火马氏体，心部为回火索氏体或珠光体

自回火：利用淬火余热进行回火的工艺方法

二、化学热处理化学热处理：将某些活性元素渗入工件表层，来改变工件表层成分和组织的热处理工艺分解过程：从活性介质中分解出活性原子的过程如渗C：

2CO→[C]+CO2

CH4→[C]+2H2吸收过程：活性原子渗入到工件表面的过程扩散过程：渗入表面的活性原子向工件内部进行迁移的过程