第4章 钢的热处理

1、第四章 钢的热处理概概 述述1.1.热处理的定义热处理的定义: : 时间温度临界温度临界温度 热热加加保温保温冷冷 却却2.2.热处理的主要目的热处理的主要目的: :改变钢的性能改变钢的性能3.3.热处理的应用范围热处理的应用范围: :整个制造业整个制造业4.4.热处理的分类：热处理的分类：普普 通通热处理热处理表表 面面热处理热处理退火退火; ;正火正火; ;淬火淬火; ;回火回火; ;表面淬火表面淬火 化化 学学 热处理热处理感应加感应加热淬火热淬火火焰加火焰加热淬火热淬火渗碳渗碳; ; 渗氮渗氮; ;碳氮共渗碳氮共渗; ; 第一节第一节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变P A ，是成分相

2、差悬殊，晶格截然不同的，是成分相差悬殊，晶格截然不同的两相混合物转变为单相固溶体的过程，必然发两相混合物转变为单相固溶体的过程，必然发生晶格重构与原子扩散。生晶格重构与原子扩散。Ac1以上以上Ac3以上以上Ac1以上以上Accm以上以上二、奥氏体晶粒长大及其影响因素二、奥氏体晶粒长大及其影响因素 钢加热时，当珠光体刚刚转变钢加热时，当珠光体刚刚转变为奥氏体时，奥氏体晶粒大小为奥氏体时，奥氏体晶粒大小叫叫起始晶粒度起始晶粒度。随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大长大，这是一，这是一个自发的过程。个自发的过程。 1、奥氏体晶粒长大、奥

3、氏体晶粒长大本质晶粒度本质晶粒度:有的钢材加热时有的钢材加热时A晶粒很容易长大，而有的钢材晶粒很容易长大，而有的钢材就不容易长大，这说明不同的就不容易长大，这说明不同的钢材的晶粒长大倾向是不同的。钢材的晶粒长大倾向是不同的。本质晶粒度是反映钢材加热本质晶粒度是反映钢材加热时时A晶粒长大倾向的一个指标。晶粒长大倾向的一个指标。930,8h实际晶粒度实际晶粒度:在每一个具体加热在每一个具体加热条件下所得到的奥氏体晶粒大条件下所得到的奥氏体晶粒大小，称为奥氏体的小，称为奥氏体的“实际晶粒实际晶粒度度”。2 2、奥氏体晶粒度的标准、奥氏体晶粒度的标准: : 晶粒度级别指数晶粒度级别指数3、影响奥氏体晶

4、粒长大的因素、影响奥氏体晶粒长大的因素u钢料的化学成分和冶炼方法钢料的化学成分和冶炼方法a 随含碳量增加，随含碳量增加，晶粒长大倾向先增晶粒长大倾向先增大后减小：形成的大后减小：形成的碳化物阻碍奥氏体碳化物阻碍奥氏体晶粒的长大；晶粒的长大；b 加入适量的形成加入适量的形成难熔化合物的合金难熔化合物的合金元素，强烈地阻碍元素，强烈地阻碍奥氏体晶粒长大。奥氏体晶粒长大。A A 奥氏体形成后随着加热温度升高和保温时间奥氏体形成后随着加热温度升高和保温时间延长，晶粒急剧长大；延长，晶粒急剧长大； B B 加热速度越大，奥氏体转变时的过热度越大，加热速度越大，奥氏体转变时的过热度越大，奥氏体的实际形成温

5、度越高，则奥氏体的形核奥氏体的实际形成温度越高，则奥氏体的形核率越高，起始晶粒越细。率越高，起始晶粒越细。u加热温度、加热温度、 速度、保温时间速度、保温时间3、影响奥氏体晶粒长大的因素、影响奥氏体晶粒长大的因素 第二节第二节 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变奥氏体化后的钢奥氏体化后的钢只有通过适当的冷却只有通过适当的冷却，才能得到所，才能得到所需要的组织和性能。冷却是热处理的关键工序。需要的组织和性能。冷却是热处理的关键工序。 热热加加保温保温时间时间温度温度临界温度临界温度连续冷却连续冷却等温冷却等温冷却热处理中采用不同的冷却方式，热处理中采用不同的冷却方式，过冷奥氏体过冷奥氏体将转将转变

6、为不同组织，性能具有很大的差异。变为不同组织，性能具有很大的差异。 45钢经钢经840加热在不同条件冷却后的力学性能加热在不同条件冷却后的力学性能 过冷奥氏体过冷奥氏体：冷却到相变温度以下且尚未转变的：冷却到相变温度以下且尚未转变的 奥氏体，处在不稳定的过冷状态。奥氏体，处在不稳定的过冷状态。一、过冷奥氏体的等温转变一、过冷奥氏体的等温转变T - timeT - temperatureT - transformation 过冷奥氏体的等温转变图过冷奥氏体的等温转变图是是表示奥氏体急速冷却表示奥氏体急速冷却到临界点到临界点A1 以下在各不同温度下的保温过程中转以下在各不同温度下的保温过程中转变变

7、与转变时间的关系曲线，与转变时间的关系曲线，又称又称C 曲线或曲线或TTT曲线。曲线。l 取一批小试样取一批小试样(1.5mm)并进并进行奥氏体化；行奥氏体化； 将试样分组淬入低于将试样分组淬入低于A1 点点的不同温度的盐浴中，隔一的不同温度的盐浴中，隔一定时间取一试样淬入水中。定时间取一试样淬入水中。 测定每个试样的转变量，测定每个试样的转变量，确定各温度下转变量与转变确定各温度下转变量与转变时间的关系。时间的关系。 将各温度下转变开始时间将各温度下转变开始时间及终了时间标在温度及终了时间标在温度时间时间坐标中，并分别连线。坐标中，并分别连线。1、 建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线建立共

8、析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线 TTT曲曲线线 ( C 曲线曲线 )共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温温度度()0400A1鼻温鼻温 Ms 随等温温度随等温温度 T, 原原子扩散能力子扩散能力，孕育期，孕育期变长，转变速度变长，转变速度。孕育期孕育期 由图可知，过冷由图可知，过冷A在各个温度等温时，在各个温度等温时，都要在该温度下经过一段时间才能发生转变。把金都要在该温度下经过一段时间才能发生转变。把金属在一定过冷度条件下等温转变时，等温停留开始属在一定过冷度条件下等温转变时

9、，等温停留开始至转变开始之间的时间称为孕育期。至转变开始之间的时间称为孕育期。孕育期孕育期鼻温鼻温A1 鼻温鼻温 随等温温度随等温温度 T, 孕育期变短，转变速孕育期变短，转变速度度 ;2、共析碳钢、共析碳钢 TTT 曲线的分析曲线的分析稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过冷奥氏体区过冷奥氏体区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线 A +产产 物物 区区产物区产物区A1-550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变; P 转变区。转变区。550-230;中温转变中温转变区区; 半扩散型转变半扩散型转变; 贝氏体贝氏体( B ) 转变区转变区;230- - 50;

10、 低温转低温转变区变区; 非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体 ( M ) 转变区。转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf3. 转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能1.珠光体型 ( P ) 转变 ( A1550 ) :A1650 : P ; 525HRC; 片间距为0.60.7m ( 500 )。650600 : 细片状P-索氏体(S); 片间距为0.20.4m (1000); 2536HRC。600550:极细片状P-托氏体(T); 片间距为0.2m ( 电镜 ); 3540HRC。 珠珠 光光 体体

11、形形 貌貌 像像光镜下形貌电镜下形貌光镜形貌光镜形貌电镜形貌电镜形貌 索索 氏氏 体体 形形 貌貌 像像 托托 氏氏 体体 形形 貌貌 像像电镜形貌电镜形貌光镜形貌光镜形貌152525353542u珠光体、索氏体、屈珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质氏体三种组织无本质区别，只是形态上的区别，只是形态上的粗细之分。片间距越粗细之分。片间距越小，钢的强度、硬度小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性越高，而塑性和韧性略有改善。略有改善。 2)贝氏体类型组织与性能贝氏体类型组织与性能 u贝氏体贝氏体B-是含碳过是含碳过饱和的饱和的F 和渗碳体和渗碳体（Fe3C）（或碳化物）（或碳化物）组成的两相混合物

12、，转组成的两相混合物，转变时必须进行碳的重新变时必须进行碳的重新分布和铁的晶格重构。分布和铁的晶格重构。B上上 =过饱和碳过饱和碳 -Fe条状条状 + Fe3C细条状细条状过饱和过饱和-Fe条状条状 Fe3C细条状细条状羽毛状羽毛状B下下 =过饱和碳过饱和碳 -Fe针叶状针叶状 + Fe3C细片状细片状过饱和过饱和 -Fe针叶状针叶状 Fe3C细片状细片状针叶状针叶状(弥散强化加固溶强化）上贝氏体上贝氏体电镜下电镜下光镜下光镜下下贝氏体下贝氏体光镜下光镜下电镜下电镜下l在电镜下为在电镜下为细片状碳细片状碳化物分布于铁素体针化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长内，并与铁素体针长轴方向呈轴方向呈5

13、5-60角。角。3)马氏体型 ( M ) 转变 ( 230 -50 ) :定义:马氏体是一种碳在 Fe中的 过饱和固溶体。转变特点:连续冷却：冷却中止，转变中止;转变速度极快,即瞬间形核与长大：无扩散转变( Fe、C原子均不扩散 ), M与原A的成分相同,造成晶格畸变。转变不完全性, QM = f ( T ) 马氏体具有体心正方晶格（马氏体具有体心正方晶格（a=bc） 轴比轴比c/a 称马氏体的正方度称马氏体的正方度。 C% 越高，正方度越大，正方畸变越严重。越高，正方度越大，正方畸变越严重。 当当0.25%C时，时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格，此时马氏体为体心立方晶格.马氏体的晶体

14、结构: 板条马氏体板条马氏体立体形态为细长的扁棒立体形态为细长的扁棒状状又称又称位错马氏体位错马氏体。低碳马氏体低碳马氏体(0.2%C )光镜下光镜下电镜下电镜下马氏体的形态马氏体的形态 针（片）状马氏体针（片）状马氏体立体形态为双凸透镜形的片状立体形态为双凸透镜形的片状。又称。又称孪晶马氏体孪晶马氏体。高碳马氏体高碳马氏体(1%C);电镜下电镜下光镜下光镜下片状马氏体的形成过程示意图 马氏体的形态主要取马氏体的形态主要取决于其含碳量决于其含碳量C%小于小于0.2%时，时，组组织几乎全部是织几乎全部是板条马板条马氏体氏体。C%大于大于1.0%C时时几几乎全部是乎全部是针状马氏体针状马氏体.C%

15、在在0.21.0%之间之间为为板条与针状的混合板条与针状的混合组织组织。马氏体形态与含碳量的关系马氏体形态与含碳量的关系0.45%C0.2%C1.2%C马氏体的性能马氏体的性能 高硬度高硬度是马氏体性是马氏体性能的主要特点。能的主要特点。 马氏体的硬度主要马氏体的硬度主要取决于其含碳量。取决于其含碳量。 含碳量增加，其硬含碳量增加，其硬度增加。度增加。l当当含碳量大于含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。时，其硬度趋于平缓。l合金元素合金元素对马氏体硬度的影响不大，可提高强度。对马氏体硬度的影响不大，可提高强度。马氏体硬度、韧性与含碳量的关系马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C% 亚（过）共析钢的

16、亚（过）共析钢的TTT曲线曲线 F（Fe3C）AP + FS + FTBM + A残残A3（ACM）时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1MsMf4、 影响奥氏体等温转变的因素影响奥氏体等温转变的因素1)奥氏体中含碳量的影响:过共析钢共析 钢亚共析钢时间时间温度温度A12) 2) 合金元素的影响合金元素的影响除除Co、Al (2.5% ) 外外,所有合金元素所有合金元素向右移向下移MsA1A1MsMo、W、Mn、Ni、Cr等碳化物形成元素使贝等碳化物形成元素使贝氏体转变区与珠光体转氏体转变区与珠光体转变区分离变区分离3

17、 3）加热温度和保温时间的影响）加热温度和保温时间的影响: : 加热温度越高, 保温时间越长, 碳化物溶解充分, 奥氏体成分均匀, 提高了过冷奥氏体的稳定性, 从而 使 TTT曲线向右移。三、过冷奥氏体的连续冷却转变三、过冷奥氏体的连续冷却转变1、 建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转 变曲线变曲线 - CCT 曲线曲线 C - continuousC - coolingT - transformation通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。获得的。Vk共析碳钢共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间( lg

18、 )温度A1PfPsA+PKMsMf水冷水冷油冷油冷Vk1炉冷炉冷空冷空冷2、共析碳钢、共析碳钢 TTT 曲线与曲线与CCT曲线的比较曲线的比较稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMfCCT曲线曲线TTT曲线曲线VkVk CCTCCT曲线位于曲线位于TTTTTT曲线右下方。曲线右下方。CCTCCT曲线获得困曲线获得困难，难，TTTTTT曲线容易测得。曲线容易测得。 共析钢的共析钢的CCTCCT曲线没有贝氏体转变区曲线没有贝氏体转变区，在珠光体，在珠光体转变区之下多了一条转变中止线。转变区之下多

19、了一条转变中止线。 当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变中止，余下的奥氏体一直保持到中止，余下的奥氏体一直保持到MsMs以下转变为马以下转变为马氏体。氏体。 马氏体临界冷却速度马氏体临界冷却速度 Vk=1.5Vk亚共析碳钢钢连续冷却转变曲线亚共析碳钢钢连续冷却转变曲线稳定的奥氏体区时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1MsMf三)在连续冷却过程中 TTT 曲线的应用(以共析钢为例）V1V2VkV3V4V1 = 5.5/s :炉冷 ; PV2 = 20/s :空冷 ; SV

20、3 = 33/s :油冷;T+M+A残V4 138/s :水冷 ; M+A残第三、四节第三、四节 钢的普通热处理工艺钢的普通热处理工艺毛坯生产毛坯生产 预备热处理预备热处理 机械加机械加工工 最终热处理最终热处理 机械精加工机械精加工预备热处理预备热处理-主要用于提高工艺（机加工、主要用于提高工艺（机加工、热处理）性能热处理）性能 : 退火退火 ; 正火正火最终热处理最终热处理-提高使用性能提高使用性能 : 淬火淬火 ; 回火；性能要求不高时回火；性能要求不高时退火与正火退火与正火一般零件生产的工艺路线一般零件生产的工艺路线:一、退火一、退火 将钢加热至适当温将钢加热至适当温度保温，然后缓慢度

21、保温，然后缓慢冷却冷却 ( (炉冷炉冷) ) 的热处的热处理工艺叫做理工艺叫做退火退火。 1 1、退火目的、退火目的调整硬度，便于切削加工。调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度适合加工的硬度为为170-250HB170-250HB。 消除内应力，消除内应力，防止加工中变形。防止加工中变形。 细化晶粒，为最终热处理作组织准备。细化晶粒，为最终热处理作组织准备。 真空退火炉真空退火炉2 2、退火工艺、退火工艺 退火的种类很多，常用的有退火的种类很多，常用的有完全退火完全退火、等温退等温退火火、球化退火球化退火、扩散退火扩散退火、去应力退火去应力退火、 再结再结晶退火晶退火。（1 1）完全退火）完

22、全退火亚共析钢亚共析钢A Ac c3 3以上以上20302030奥氏体化奥氏体化随炉缓慢冷却随炉缓慢冷却 组织：接近平衡态组织组织：接近平衡态组织目的：目的： 消除铸焊件魏氏组织、消除铸焊件魏氏组织、锻件带状组织，细化晶锻件带状组织，细化晶粒和均匀组织；粒和均匀组织；消除内应力，降低硬消除内应力，降低硬度，便于切削加工。度，便于切削加工。 等温退火等温退火 亚共析钢亚共析钢AcAc3 3+3050+3050；共析、过共析钢共析、过共析钢AcAc1 1+3050+3050（等温球化）（等温球化）保温保温快冷到快冷到ArAr1 1以下某温度停留，相变完成后空冷。以下某温度停留，相变完成后空冷。目的

23、：减少退火时间目的：减少退火时间高速钢等温退火与普通退火高速钢等温退火与普通退火的比较的比较 球化退火球化退火共析钢和过共析钢共析钢和过共析钢AcAc1 1+ 30-50+ 30-50 保温保温缓冷（普通球化）缓冷（普通球化）或冷却到略低于或冷却到略低于 ArAr1 1 的温度下保温后空冷的温度下保温后空冷（等温球化）（等温球化）目的：粒状珠光体目的：粒状珠光体优点：优点：硬度降低，便于切削；硬度降低，便于切削；A A不易长大，淬火组织细密不易长大，淬火组织细密球化退火组织球化退火组织 ( 化染化染 ) 粒状珠光体：颗粒状渗碳体分布在铁素体上粒状珠光体：颗粒状渗碳体分布在铁素体上 （5 5）均

24、匀化退火（扩散退火）均匀化退火（扩散退火） AcAc3 3 +150250 +150250 保温保温 缓冷（炉冷）缓冷（炉冷）目的：消除偏析目的：消除偏析缺点：需要完全退火或正缺点：需要完全退火或正火来消除过热缺陷，细化火来消除过热缺陷，细化晶粒。晶粒。 （4 4）去应力退火去应力退火500650 500650 保温保温 缓冷（炉冷）缓冷（炉冷）目的：去除应力目的：去除应力二、正火二、正火 亚共析钢亚共析钢加热到加热到AcAc3 3+30 50+30 50；共析钢共析钢加热到加热到AcAc1 1+3050+3050； 过共析钢过共析钢加热到加热到AcAccmcm+30 50+30 50 保温后

25、保温后空冷：比退火冷却速度大。空冷：比退火冷却速度大。 组织：组织： 0.6%C0.6%C时，组织为时，组织为F+SF+S； 0.60.6 1.0%C C时，组织为时，组织为S S 1.0%C1.0%C时，组织为时，组织为S+FeS+Fe3 3C C 伪共析组织：伪共析组织： 亚（过）共析钢过冷越大，先共析相越少；亚（过）共析钢过冷越大，先共析相越少； 若冷却曲线靠若冷却曲线靠近鼻尖，则无先共析相析出。近鼻尖，则无先共析相析出。 亚（过）共析钢的亚（过）共析钢的TTT曲线曲线 P + FS + FTBM + A残残A3（ACM）时间时间(s)3001021031041010800-100100

26、200500600700温度温度()0400A1MsMf空冷目的目的 对于低、中碳钢对于低、中碳钢(0.6C%)(0.6C%)，目的与退火的相，目的与退火的相同。同。 对于过共析钢对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。球化退火作组织准备。 普通件最终热处理普通件最终热处理退火、正火后钢的组织和性能退火、正火后钢的组织和性能组织：组织：均是铁素体和渗碳体的机械混合物。均是铁素体和渗碳体的机械混合物。（先共析相（先共析相+ +）索氏体；（先共析相）索氏体；（先共析相+ +）珠光体）珠光体正火可以抑制先共析网状渗碳体析出，而完全正火可以抑制先共析网状

27、渗碳体析出，而完全退火的则有网状渗碳体存在。退火的则有网状渗碳体存在。要改善切削性能：要改善切削性能：低碳钢用正火低碳钢用正火中碳钢用退火或正火中碳钢用退火或正火高碳钢用球化退火高碳钢用球化退火热处理与硬度关系热处理与硬度关系 淬火淬火是将钢加热到临界点以上，是将钢加热到临界点以上，保温后以大于保温后以大于V Vk k速度冷却，使速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。工艺。l淬火目的淬火目的是为获得是为获得MM组织，提组织，提高钢的硬度与耐磨性。高钢的硬度与耐磨性。真空淬火炉真空淬火炉三、钢的淬火与回火三、钢的淬火与回火u淬火后的钢加热到淬火后的钢加热到Ac1A

28、c1线以下某一温度，保温一定时间，线以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺，称为然后冷却到室温的热处理工艺，称为回火回火。淬火钢一般。淬火钢一般不直接使用，必须进行回火不直接使用，必须进行回火。1、淬火加热工艺、淬火加热工艺u淬火组织：淬火组织：M+A（少量）。（少量）。45钢正常淬火组织钢正常淬火组织u淬火温度为淬火温度为Ac3+30-50。20钢正常淬火组织钢正常淬火组织 在在Ac1 Ac3之间的加热淬之间的加热淬火称火称亚温淬火亚温淬火。35钢亚温淬火组织钢亚温淬火组织l亚温淬火组织为亚温淬火组织为F+M，强度硬度强度硬度低，但塑韧性好低，但塑韧性好。T12钢正常淬火组织

29、钢正常淬火组织T12钢过热淬火组织钢过热淬火组织v若加热温度过高：A碳含量增高；Ms下移；A增加；硬度下降；M淬火应力增加晶粒粗大，韧性下降 增加钢件淬火变形开裂倾向；是为钢件淬火软而裂现象2、 淬火冷却工艺淬火冷却工艺 （冷却剂（冷却剂=淬火剂）淬火剂） 1）理想淬火冷却速度）理想淬火冷却速度时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf慢慢慢慢快快时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMfVk时间( lg )温度A1PfPsA+PKMsMf水冷水冷油冷

30、油冷Vk1炉冷炉冷空冷空冷水水 水的冷却能力强，但水的冷却能力强，但低温却能力太大低温却能力太大，只适用，只适用 于于形状简单的碳钢件形状简单的碳钢件。水温越高冷却能力越。水温越高冷却能力越 小。加入少小。加入少量的盐或碱，可提高冷却能力。量的盐或碱，可提高冷却能力。油油 冷却能力较水低，工件不易产生裂纹和变形，冷却能力较水低，工件不易产生裂纹和变形， 但但难以使难以使MM转变充分，转变充分，高温区冷却能力太小高温区冷却能力太小，一般，一般合金合金钢件钢件适用。适用。盐浴盐浴 熔化的熔化的NaNONaNO3 3 ，冷却能力介于水和油之间，常，冷却能力介于水和油之间，常用于处理用于处理形状复杂、

31、尺寸较小和形状复杂、尺寸较小和 变形变形 严格的工件严格的工件。水玻璃水玻璃- -碱（盐）水溶液碱（盐）水溶液、氯化锌氯化锌- -碱水溶液碱水溶液、过饱和过饱和硝盐水溶液、聚乙烯醇硝盐水溶液、聚乙烯醇等也是工业常用的淬火介质等也是工业常用的淬火介质（3) 3) 常用的淬火方法常用的淬火方法图图7-9 7-9 各种淬火方法的冷却曲线示意图各种淬火方法的冷却曲线示意图(a) 单液淬火单液淬火 (b) 双液淬火双液淬火 (c) 分级淬火分级淬火 (d) 等温淬火等温淬火均温降应均温降应力力 不同冷却条件下的转变产物（不同冷却条件下的转变产物（T8钢）钢）等温退火等温退火P退火退火(炉冷炉冷)正火正火

32、(空冷空冷)S(油冷油冷)T+M+A等温淬火等温淬火B下下M+A分级淬火分级淬火M+A淬火淬火(水冷水冷)A1MSMf时间时间温度温度淬火淬火PP细细A？局部淬火法局部淬火法：仅对钢件需要硬化的局部进行加热：仅对钢件需要硬化的局部进行加热淬火的方法。即可保证钢件局部的高硬度，又避淬火的方法。即可保证钢件局部的高硬度，又避免其它部分产生变形或开裂。免其它部分产生变形或开裂。T10A制造的直径为制造的直径为60mm以上的较大卡以上的较大卡规的淬火方法。规的淬火方法。3、热处理工件结构设计、热处理工件结构设计一）零件应尽量避免尖角、棱角一）零件应尽量避免尖角、棱角 零件的尖、棱角处容易产生过热、应力

33、集中，导致裂零件的尖、棱角处容易产生过热、应力集中，导致裂纹产生，在设计零件时应将其设计为圆角或倒角纹产生，在设计零件时应将其设计为圆角或倒角 。 二）零件截面厚度二）零件截面厚度应力求均匀应力求均匀。零件。零件截面尺寸差别较大截面尺寸差别较大时，容易造成冷却时，容易造成冷却速度和组织转变不速度和组织转变不一致，产生很大的一致，产生很大的应力，导致较大的应力，导致较大的变形或开裂。变形或开裂。 避免尖角设计避免尖角设计 避免厚薄悬殊避免厚薄悬殊（三）零件的形状应尽量对称和封闭（三）零件的形状应尽量对称和封闭零件的几何形状不对称易造成淬火时冷却速度不零件的几何形状不对称易造成淬火时冷却速度不同，

34、应力分布不均匀而产生变形。同，应力分布不均匀而产生变形。采用对称结构采用对称结构槽口槽口淬火回火淬火回火后切开后切开弹簧卡头弹簧卡头(四四)零件各部分可零件各部分可采用组合结构采用组合结构。对一些形状复杂或对一些形状复杂或各部分性能要求不各部分性能要求不同而采取不同热处同而采取不同热处理的零件，可分别理的零件，可分别设计成几个零件，设计成几个零件，单独加工热处理后单独加工热处理后再组装。再组装。四、钢的回火四、钢的回火u定义：把定义：把淬火后淬火后的零件重新加温到的零件重新加温到 A1线以下线以下某个温度，某个温度，保温一段时间，然后冷却到室温。保温一段时间，然后冷却到室温。1、回火的目的、回

35、火的目的:l获得所需要的组织与性能。获得所需要的组织与性能。淬火钢一般硬度淬火钢一般硬度高，脆性大；回火可转变组织，调整性能。高，脆性大；回火可转变组织，调整性能。l减少或消除淬火内应力减少或消除淬火内应力， 防止变形或开裂。防止变形或开裂。l稳定尺寸。稳定尺寸。淬火淬火M和和A都是非平衡组织，有自都是非平衡组织，有自发向平衡组织转变的倾向。回火可使发向平衡组织转变的倾向。回火可使M与与A转转变为平衡或接近平衡的组织。变为平衡或接近平衡的组织。u淬火淬火M和和A都是不稳定组织，在回火过程中都都是不稳定组织，在回火过程中都会向稳定的铁素体和渗碳体（或碳化物）的两会向稳定的铁素体和渗碳体（或碳化物

36、）的两相组织进行转变，称为相组织进行转变，称为回火转变回火转变。2、回火转变与组织、回火转变与组织u淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶段。淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶段。随加热温度升高，淬火钢组织发生随加热温度升高，淬火钢组织发生四阶段四阶段变化。变化。 300四、钢的回火四、钢的回火1）马氏体的分解）马氏体的分解 100回火时，钢回火时，钢的组织无变化。的组织无变化。 100-200加热时，加热时，马氏体将发生分解马氏体将发生分解,从马氏体中析出从马氏体中析出-碳化物碳化物( - Fe2.4C)，使马氏体过饱和度降低。使马氏体过饱和度降低。析出析出的碳化物以细片状分布在马氏体基

37、体上，这种组织的碳化物以细片状分布在马氏体基体上，这种组织称称回火马氏体回火马氏体，用用M回回表示。表示。u硬度不降低，但内应力减小，韧性有所提高。硬度不降低，但内应力减小，韧性有所提高。透射电镜下的回火马氏体形貌透射电镜下的回火马氏体形貌200-300时，马氏体分解继续；残余奥氏体转变为：B下或M回，使硬度升高；过饱和度降低，使硬度降低。2）残余奥氏体分解）残余奥氏体分解回火马氏体回火马氏体回火第二阶段：回火第二阶段：硬度不显著下硬度不显著下降，淬火应内降，淬火应内力进一步减小。力进一步减小。u组织称为组织称为回火托氏体回火托氏体，用，用T T回回表示。铁素体仍保表示。铁素体仍保持原来持原来

38、MM的板条状或片状形态。的板条状或片状形态。u内应力基本消除，强硬度下降，塑韧性提高。内应力基本消除，强硬度下降，塑韧性提高。l发生于发生于300-400300-400，碳原子碳原子继续析出，继续析出，同时同时 转变为转变为FeFe3 3C C，MM转变为铁素体。转变为铁素体。钢的组织为钢的组织为铁素体铁素体基体内分布着极细基体内分布着极细小颗粒渗碳体。小颗粒渗碳体。回火托氏体回火托氏体3） -碳化物转变为碳化物转变为Fe3C回火索氏回火索氏体体 4 4）FeFe3 3C C聚集长大和聚集长大和 相的再结晶（相的再结晶（F F多边形化）多边形化）l400400以上，以上， FeFe3 3C C

39、聚集长大。聚集长大。l450 450 以上以上F F发生多边形化发生多边形化，由，由针片状变为多边形。针片状变为多边形。l组织为：多边形铁素体基体上组织为：多边形铁素体基体上分布着颗粒状分布着颗粒状FeFe3 3C C，称回火索称回火索氏体氏体S S回回。2 高碳钢硬度稍变高高碳钢硬度稍变高低碳钢强度稍变高低碳钢强度稍变高 1）第一类回火脆性）第一类回火脆性 又称又称不可逆回火脆性不可逆回火脆性。是是指淬火钢在指淬火钢在250-350回火回火时出现的脆性。时出现的脆性。 原因：认为原因：认为碳化物沿马氏碳化物沿马氏体的晶界分布；体的晶界分布；l防止办法：防止办法：回火时应避开这一温度范围。回火

40、时应避开这一温度范围。 淬火钢的韧性淬火钢的韧性并不总是随温度升高而提高并不总是随温度升高而提高。 在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降的现象，称的现象，称回火脆性。回火脆性。 4、回火脆性、回火脆性2 2）第二类回火脆性）第二类回火脆性又称又称可逆回火脆性可逆回火脆性。是指淬火钢在是指淬火钢在500-650500-650范围内回火后范围内回火后缓冷缓冷时出现的脆性。时出现的脆性。 回火后快冷不出现，是可逆的。回火后快冷不出现，是可逆的。原因：合金、杂质元素向原奥氏体晶界偏聚原因：合金、杂质元素向原奥氏体晶界偏聚防止办法：防止办法： 回火后快冷。

41、回火后快冷。 加入合金元素加入合金元素W (W (约约1%)1%)、 Mo(Mo(约约0.5%)0.5%)。该法更适用。该法更适用于大截面的零部件。于大截面的零部件。 四、回火种类及应用四、回火种类及应用广泛用于广泛用于各种结构件如轴、各种结构件如轴、齿轮齿轮等热处理。也可作为等热处理。也可作为要求较高精密件、量具等要求较高精密件、量具等预备热处理。预备热处理。 适用于各种适用于各种高碳高碳钢钢、渗碳件渗碳件及及表表面淬火件面淬火件。 应用应用获得良好的综合力学性能，获得良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑韧性。具有良好的塑韧性。 提高提高 e及及

42、s，同，同时使工件具有一时使工件具有一定韧性定韧性 。在保留高硬度、在保留高硬度、高耐磨性的同时，高耐磨性的同时，降低应力降低应力。 回火目的回火目的S回回=F多多+Fe3C球球T回回=F针针+Fe3C粒粒M回回=0.3%C+回火组织回火组织500-650350-500150-250 回火温度回火温度 高温回火高温回火 中温回火中温回火 低温回火低温回火 适用于适用于弹簧弹簧热处理热处理5、调质与时效、调质与时效（1）调质处理）调质处理-钢件淬火及高温回火获得综钢件淬火及高温回火获得综 合力性的复合热处理工艺，合力性的复合热处理工艺， S回回 =F+ Fe3C粒粒 S回回比正火比正火S具有更高

43、的具有更高的b、ak。 重要件多用调质处理。重要件多用调质处理。（2）时效处理）时效处理（人工处理、稳定化处理）精密件（人工处理、稳定化处理）精密件（量具、轴承（量具、轴承） 100150（1050h）保温。）保温。 目的：目的：残余应力，稳定尺寸残余应力，稳定尺寸第五节第五节 钢的淬透性与淬硬性钢的淬透性与淬硬性一、钢的淬透性一、钢的淬透性 淬透性淬透性是指钢在淬是指钢在淬火时获得火时获得M的的能力能力。其大小是用规定条其大小是用规定条件下获得的件下获得的淬硬层淬硬层深度深度来表示。来表示。l淬硬层深度是指由工件表淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区面到半马氏体区(50%M + 50%非马氏

44、体非马氏体)的深度。的深度。同一材料的淬硬层深度同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质与工件尺寸、冷却介质有关。有关。工件尺寸小、介质冷却工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。能力强，淬硬层深。 淬透性与工件尺寸、冷淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。却介质无关。它只用于它只用于不同不同材料之间的比较，材料之间的比较，在尺寸、冷却介质相同在尺寸、冷却介质相同时，通过比较淬硬层深时，通过比较淬硬层深度来确定的。度来确定的。 2.淬透性表示方法淬透性表示方法-临界淬透直径临界淬透直径 临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被淬成半马氏体的最大直径，用淬

45、成半马氏体的最大直径，用D0表示。表示。 D0与与介质介质有关，如有关，如45钢钢D0水水=16mm，D0油油=8mm。 只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比较，如较，如45钢钢D0油油=8mm，40Cr D0油油=20mm。3、 影响淬透性的因素影响淬透性的因素 钢的淬透性钢的淬透性取决于临界冷取决于临界冷却速度却速度Vk， Vk越小，淬越小，淬透性越高。透性越高。 Vk取决于取决于C曲线的位置曲线的位置，C 曲线越靠右，曲线越靠右，Vk越小。越小。 凡是影响凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素。曲线的因素都是影响淬透性的因素。l1）含

46、碳量的影响，随）含碳量的影响，随C% ，淬透性先，淬透性先 后后 ；l2）合金元素的影响，除）合金元素的影响，除Co、Al外，均提高淬透性；外，均提高淬透性；l3）奥氏体化条件的影响，）奥氏体化条件的影响，A越稳定，淬透性越好。越稳定，淬透性越好。u淬透性好的钢淬透性好的钢材经材经调质处理调质处理后，后，整个截面都是整个截面都是S回，力学性能均回，力学性能均匀，强度高，韧匀，强度高，韧性好；而淬透性性好；而淬透性差的钢表层为差的钢表层为S回，心部为片状回，心部为片状S+F，心部强韧，心部强韧性差。性差。二、钢的淬硬性二、钢的淬硬性u钢淬火后能够达到的最高硬度叫钢的钢淬火后能够达到的最高硬度叫钢

47、的淬硬性淬硬性，又，又叫可硬性。它主要决定于马氏体的含碳量，奥氏体叫可硬性。它主要决定于马氏体的含碳量，奥氏体中固溶的碳越多，淬火后马氏体的硬度也就越高。中固溶的碳越多，淬火后马氏体的硬度也就越高。u淬透性和淬硬性的含义是不同的：淬透性和淬硬性的含义是不同的： 淬硬性高的钢，其淬透性不一定高。淬硬性高的钢，其淬透性不一定高。淬透性淬透性淬硬性淬硬性钢钢 种种小小高高碳素工具钢碳素工具钢( T10A )大大低低低碳合金结构钢低碳合金结构钢( 18Cr2Ni4WA )大大高高高碳高合金工具钢高碳高合金工具钢( Cr12MoV )第六节第六节 钢的表面热处理钢的表面热处理工艺的核心工艺的核心:使零件

48、具有使零件具有“表硬里韧表硬里韧” 的力学性能。的力学性能。l表面淬火表面淬火l化学热处理化学热处理 表面淬火表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。行淬火以强化零件表面的热处理方法。一、钢的表面淬火一、钢的表面淬火感应加热表面淬火感应加热表面淬火 表面淬火加工的方法表面淬火加工的方法: 感应感应 ( 高、中、工频高、中、工频 )、火焰火焰、电接触加热等。、电接触加热等。 1、表面淬火用材料、表面淬火用材料 0.4-0.5%C的中碳钢。的中碳钢。 含

49、碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。 含碳量过高，心部韧性下降含碳量过高，心部韧性下降； 铸铁铸铁 提高其表面耐磨性。提高其表面耐磨性。机床导轨机床导轨表面淬火齿轮表面淬火齿轮 2、预备热处理、预备热处理 工艺：工艺： 对于结构钢为对于结构钢为调质调质或或正火正火。 前者性能高，用于要求高的前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高重要件，后者用于要求不高的普通件。的普通件。 目的目的: 为表面淬火作组织准备；为表面淬火作组织准备； 获得最终心部组织。获得最终心部组织。 回火索氏体回火索氏体索氏体索氏体 3、表面淬火后的回火、表面淬火后的回火 采用低温回火

50、采用低温回火，温度不高于，温度不高于200。 回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。 4、表面淬火、表面淬火+低温回火后的组织低温回火后的组织 表层组织为表层组织为M回回；心部为；心部为S回回(调质调质)或或F+S(正火正火)。 5、表面淬火常用加热方法表面淬火常用加热方法 感应加热表面淬火感应加热表面淬火: 原理：原理：利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热的方法。使工件表面迅速加热的方法。淬硬层深度淬硬层深度()与电流频率与电流频率( f )的关系的关系: 2、火焰加热表面淬火、火焰加

51、热表面淬火特点：特点：*设备简单设备简单, 操作方便操作方便, 成本低；成本低；*淬火质量不淬火质量不稳定；稳定；*适于单件、小批量及大型零件的生适于单件、小批量及大型零件的生产。产。 化学热处理化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使是将工件置于特定介质中加热保温，使介质中介质中活性原子活性原子渗入工件表层从渗入工件表层从而改变工件表层而改变工件表层化学成分和组织化学成分和组织,进而改变其性能进而改变其性能的热处理工艺。的热处理工艺。二、化学热处理二、化学热处理 ( Chemical Heat Treatment ) 与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组与表面淬火相比，化学热处理

52、不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。织，还改变其化学成分。 化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。 根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。化、多元共渗、渗其他元素等。 可控气氛渗碳炉可控气氛渗碳炉渗碳回火炉渗碳回火炉一、化学热处理的基本过程一、化学热处理的基本过程 1、介质、介质(渗剂渗剂)的分解的分解: 分解分解的同时释放出活性原子。的同时释放出活性原子。 如：如：渗碳渗碳 CH42H2+C 氮化氮化 2NH33H2+2N 2、工件表面的吸收、工件表面的吸收: 活性

53、活性原子向固溶体溶解或与钢原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物。中某些元素形成化合物。 3、原子向内部扩散。、原子向内部扩散。 氮化扩散层氮化扩散层u化学热处理进行的条件化学热处理进行的条件:1. 渗入元素的原子渗入元素的原子必须是活性原子必须是活性原子, 而而 且且具有较大的扩散能力具有较大的扩散能力。2. 零件本身具有零件本身具有吸收渗入原子的能力吸收渗入原子的能力, 即对渗入原子有一定的即对渗入原子有一定的溶解度溶解度或能或能 与之化合与之化合, 形成化合物形成化合物。u化学热处理的种类化学热处理的种类: 渗碳渗碳; 渗氮渗氮; 碳氮碳氮 共渗共渗; 渗硼渗硼; 渗铝渗铝; 渗硫渗

54、硫; 渗硅渗硅; 渗铬等。渗铬等。二、钢的渗碳二、钢的渗碳是指向钢的表面渗入碳原子的过程。是指向钢的表面渗入碳原子的过程。 1、渗碳目的、渗碳目的 提高工件表面硬度、提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好同时保持心部良好的韧性。的韧性。 2、渗碳用钢、渗碳用钢l为含为含0.1-0.25%C的低碳钢或低碳和近钢。的低碳钢或低碳和近钢。碳高则心部韧性降低。碳高则心部韧性降低。 经渗碳的机车从动齿轮经渗碳的机车从动齿轮零件零件渗碳剂渗碳剂试棒试棒盖盖泥封泥封渗碳箱渗碳箱固体渗碳法示意图固体渗碳法示意图将工件和固体渗碳剂装入渗碳箱中，用盖子和耐火将工件和固体渗碳剂装入渗

55、碳箱中，用盖子和耐火泥封好，然后放在炉中加热至泥封好，然后放在炉中加热至900-950，保温，保温足够长时间，得到一定厚度的渗碳层。足够长时间，得到一定厚度的渗碳层。 3、渗碳方法、渗碳方法固体渗碳剂通常是一定粒度的固体渗碳剂通常是一定粒度的木炭木炭与与15%20%的的碳酸盐碳酸盐（BaCO3或或Na2CO3）的混合物，反应如下：）的混合物，反应如下： BaCO3BaO+ CO2CO2 +C（木炭）（木炭）2CO2COCO2 +C（渗入钢中）（渗入钢中）CO2 + BaOBaCO3v木炭提供渗碳所需要的活性炭原子，碳酸盐木炭提供渗碳所需要的活性炭原子，碳酸盐 起起催化作用催化作用。v渗碳层厚度取决于保温时间，渗碳层厚度取决于保温时间，0.10.15mm/h气体渗碳法示意图气体渗碳法示意图u将工件置于密封的气体渗碳将工件置于密封的气体渗碳炉内，通入渗碳剂并加热到炉内，通入渗碳剂并加热到900 950，使钢在气体渗，使钢在气体渗碳剂中进行渗碳。碳剂中进行渗碳。u常用的渗碳剂有含碳气体常用的渗碳剂有含碳气体（如煤气、天然气等）和碳氢（如煤气、天然气等）和碳氢化合物的有机液体（如煤油、化合物的有机液体（如煤油、苯、等）。苯、等）