第五章 钢的热处理

1、金属工艺学金属工艺学第五章钢的热处理第五章钢的热处理 改善钢的性能，主要有两条途径：改善钢的性能，主要有两条途径：一是合金化一是合金化，这是下几章研究的内容；，这是下几章研究的内容；二是热处理，二是热处理，这是本章要研究的内容。这是本章要研究的内容。 金属工艺学金属工艺学5.15.1热处理的基本概念热处理的基本概念 一、热处理在机械制造中的作用和地位一、热处理在机械制造中的作用和地位凡重要的凡重要的零件零件都都必须进行必须进行适当的适当的热处理热处理才能使用。才能使用。材料的热处理通常指的是将材料加热到相变温度以上材料的热处理通常指的是将材料加热到相变温度以上发生相变，再施以冷却再发生相变的工

2、艺过程。通过发生相变，再施以冷却再发生相变的工艺过程。通过这个相变与再相变，材料的这个相变与再相变，材料的内部组织内部组织发生了变化，因发生了变化，因而而性能性能变化。变化。热处理工艺热处理工艺（或制度）选择要根据（或制度）选择要根据材料的成份，材料的成份，材材料料内部组织内部组织的变化依赖于材料的变化依赖于材料热处理热处理及其它热加工工及其它热加工工艺，材料性能的变化又取决于材料的内部组织变化，艺，材料性能的变化又取决于材料的内部组织变化，材料成份加工工艺组织结构材料性能材料成份加工工艺组织结构材料性能这四者相这四者相互依成的关系贯穿在材料加工的全过程之中。互依成的关系贯穿在材料加工的全过程

3、之中。金属工艺学金属工艺学二、热处理的基本要素二、热处理的基本要素定义：定义：钢在固态下，采用适当的方式进行加热、保温钢在固态下，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需的组织结构与性能的工艺操作。和冷却，以获得所需的组织结构与性能的工艺操作。热处理过程都由热处理过程都由三大基本要素三大基本要素：加热、保温、冷却加热、保温、冷却组成组成。三大。三大基本要素基本要素决定了材料热处理后的决定了材料热处理后的组织组织和和性性能能。图图5 51 1热处理工艺曲线图热处理工艺曲线图常采用热处理常采用热处理工工艺曲线艺曲线来描述，来描述，如图如图5151所示。所示。金属工艺学金属工艺学 在机床制造中

4、约在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。的零件要经过热处理。 在汽车、拖拉机制造业中在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达需热处理的零件达70-80%。l热处理是一种重要的加工工艺，热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用在制造业被广泛应用. l模具、滚动轴承模具、滚动轴承100%需经过需经过热处理。热处理。l总之，重要零件总之，重要零件都需适当热处都需适当热处理后才能使用。理后才能使用。 金属工艺学金属工艺学根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同，根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同，热处理可以分为下列几类：热处理可以分为下列几类：1 1普通热处理普通

5、热处理（整体热处理）（整体热处理） 对工件整体进行穿透加热的热处对工件整体进行穿透加热的热处 理。包括退火、正火、淬火和回火等。理。包括退火、正火、淬火和回火等。2 2表面热处理表面热处理 指仅对工件表层进行热处理，以改变其组织和指仅对工件表层进行热处理，以改变其组织和性能的工艺。分为以下几类：性能的工艺。分为以下几类：表面淬火表面淬火（包括（包括感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电、电接触加热表面淬火等）接触加热表面淬火等）物理气相沉积物理气相沉积化学气相沉积化学气相沉积等离子化学气相沉积等离子化学气相沉积 3 3化学热处理化学热处理根据渗入成分的不同分为

6、根据渗入成分的不同分为渗碳渗碳、氮化氮化和和碳氮碳氮共共渗等。渗等。 三、热处理的基本类型三、热处理的基本类型 金属工艺学金属工艺学预备热处理与最终热处理预备热处理与最终热处理预备热处理预备热处理为随后的加工（冷拔、冲压、切为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作准备的热处理。削）或进一步热处理作准备的热处理。最终热处理最终热处理赋予工件所要求的使用性能的热赋予工件所要求的使用性能的热处理处理. .预备热处理预备热处理最终热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线钢热处理工艺曲线时间时间温度温度/金属工艺学金属工艺学四、四、钢的临界转变温度钢的临界转变温度 钢在加热时，实际转变温度

7、往往要偏离平衡的临界温度，钢在加热时，实际转变温度往往要偏离平衡的临界温度，冷却时也是如此。随着加热和冷却速度的增加，滞后现象将越冷却时也是如此。随着加热和冷却速度的增加，滞后现象将越加严重。通常把加严重。通常把加热加热时的临界温度标以字母时的临界温度标以字母“C C”，如，如A AC1C1、A AC3C3、A ACmCm等；把等；把冷却冷却时的临界温度标以字母时的临界温度标以字母“r”r”，如，如A Ar1r1、A Ar3r3、A Armrm等。等。 图图5-2加热和冷却对临界转变温度的影响加热和冷却对临界转变温度的影响金属工艺学金属工艺学5.25.2钢在加热时的转变钢在加热时的转变 一、加

8、热时奥氏体的形成过程一、加热时奥氏体的形成过程 1、基本过程、基本过程奥氏体化：奥氏体化：钢在加热时奥氏体的形成过程。钢在加热时奥氏体的形成过程。以以共析钢共析钢的奥氏体形成过程为例。如图的奥氏体形成过程为例。如图5 53 3所示。所示。5-3共析钢奥氏体化过程示意图共析钢奥氏体化过程示意图金属工艺学金属工艺学 奥氏体形核奥氏体形核 奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上形成。形成。 奥氏体晶核长大奥氏体晶核长大 奥氏体晶核形成以后，依靠铁、碳原子的奥氏体晶核形成以后，依靠铁、碳原子的扩散，使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不断溶入到奥氏体中去扩散，使铁

9、素体不断向奥氏体转变和渗碳体不断溶入到奥氏体中去而进行的。而进行的。 残留渗碳体的溶解残留渗碳体的溶解 铁素体全部消失以后，仍有部分剩余渗铁素体全部消失以后，仍有部分剩余渗碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗碳体不断地溶入到奥氏碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗碳体不断地溶入到奥氏体中去，直至全部消失。体中去，直至全部消失。 奥氏体均匀化奥氏体均匀化 渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的成分是不渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩散才能获得均匀化的均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩散才能获得均匀化的奥氏体。奥氏体。AAFPFACAC31ACFeA

10、CFePcmACAC 331亚共析钢亚共析钢的加热过程：的加热过程：过共析钢过共析钢的加热过程：的加热过程：金属工艺学金属工艺学2 2、珠光体向奥氏体转变的影响因素、珠光体向奥氏体转变的影响因素 温度温度T T的影响：的影响：提高加热温度提高加热温度T,T,将加速将加速A A的形成。的形成。加热速度的影响加热速度的影响: :随着加热速度的增加随着加热速度的增加, ,奥氏体形奥氏体形成温度升高成温度升高(AC(AC1 1 越高越高),),形成所需的时间缩短。形成所需的时间缩短。原始组织的影响原始组织的影响: :原始组织越细原始组织越细, ,相界面越多相界面越多, ,奥氏奥氏体转变就越快。体转变就

11、越快。化学成分的影响化学成分的影响: :随着钢中含碳量增加随着钢中含碳量增加, ,有利于奥氏有利于奥氏体的形成。体的形成。 金属工艺学金属工艺学二、奥氏体晶粒大小及其控制二、奥氏体晶粒大小及其控制 1.1.奥氏体晶粒度的概念奥氏体晶粒度的概念晶粒度：晶粒度：是指晶粒大小的尺度。常用单位或单位面积或单位体是指晶粒大小的尺度。常用单位或单位面积或单位体积内的晶粒数量或晶粒度级别来表示。积内的晶粒数量或晶粒度级别来表示。根据奥氏体形成过程和晶粒长大情况根据奥氏体形成过程和晶粒长大情况, ,奥氏体晶粒度可分为奥氏体晶粒度可分为起使晶粒度起使晶粒度、实际晶粒度实际晶粒度和和本质晶粒度本质晶粒度三种。三种

12、。 实际晶粒度：实际晶粒度：在某一具体的加热条件下所得到的奥氏体晶粒大在某一具体的加热条件下所得到的奥氏体晶粒大小。小。本质晶粒度：本质晶粒度：用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度。用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度。通常采用标准试验方法，即将钢加热到通常采用标准试验方法，即将钢加热到9309301010，保温，保温3 38h8h后测定奥氏体晶粒大小，如晶粒大小级别在后测定奥氏体晶粒大小，如晶粒大小级别在1 14 4级，称为级，称为本质粗晶粒钢；本质粗晶粒钢；如晶粒大小在如晶粒大小在5 58 8级，则称为级，则称为本质细晶粒钢。本质细晶粒钢。金属工艺学金属工艺学2.2.奥氏体晶粒大小的控制奥氏体

13、晶粒大小的控制加热温度与保温时间加热温度与保温时间 加热温度越高，保温时间越加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大，因为这与原子扩散密切相关。长，奥氏体晶粒越粗大，因为这与原子扩散密切相关。 加热速度加热速度 加热速度越快，过热度越大，奥氏体加热速度越快，过热度越大，奥氏体实际形成温度越高，可获得细小的起始晶粒。实际形成温度越高，可获得细小的起始晶粒。 钢的化学成分钢的化学成分 碳全部溶于奥氏体时，随奥氏体碳全部溶于奥氏体时，随奥氏体中含碳量的增加，晶粒长大倾向增大。中含碳量的增加，晶粒长大倾向增大。 合金元素合金元素TiTi、ZrZr、V V、NbNb、AlAl等，当其形成弥散稳等，当

14、其形成弥散稳定的碳化物和氮化物时，由于分布在晶界上，因而阻碍定的碳化物和氮化物时，由于分布在晶界上，因而阻碍晶界的迁移，阻止奥氏体晶粒长大，有利于得到本质细晶界的迁移，阻止奥氏体晶粒长大，有利于得到本质细晶粒钢。晶粒钢。MnMn和和P P是促进奥氏体晶粒长大的元素。是促进奥氏体晶粒长大的元素。 金属工艺学金属工艺学5. .3 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变 热处理时常用的热处理时常用的冷却方式有两种冷却方式有两种：一是：一是连续冷却连续冷却；二是；二是等温冷却等温冷却。如图如图5 54 4所示。所示。图图5 54 4两种冷却方式示意图两种冷却方式示意图等温冷却方式：等温冷却方式：把钢

15、加热到把钢加热到A状态，状态，快速冷却到相变点快速冷却到相变点Ar1以下某一温以下某一温度进行等温转变，再冷却到室温，度进行等温转变，再冷却到室温，如图如图54曲线曲线1所示。所示。连续冷却方式：连续冷却方式：以某一速度连续冷以某一速度连续冷却到室温，使之发生转变的方式，却到室温，使之发生转变的方式，如图如图5 54 4曲线曲线2 2所示。所示。 研究奥氏体冷却转变常用研究奥氏体冷却转变常用等温冷却转变曲线等温冷却转变曲线，即，即TTTTTT曲线（过冷奥氏曲线（过冷奥氏体在一定温度下随时间变化组织转变情况）及体在一定温度下随时间变化组织转变情况）及连续冷却转变曲线，即连续冷却转变曲线，即CCT

16、CCT曲线曲线（过冷奥氏体依冷却速度变化组织转变情况）。（过冷奥氏体依冷却速度变化组织转变情况）。CCTCCT曲线曲线作为选择热作为选择热处理冷却制度的依据。处理冷却制度的依据。 金属工艺学金属工艺学一、过冷一、过冷 A等温转变曲线等温转变曲线 （C C曲线）曲线）过冷过冷 A等温转变曲线分析等温转变曲线分析 过冷奥氏体：过冷奥氏体：奥氏体冷却到奥氏体冷却到A A1 1线以下某一温度，处于未转变的、暂时存在线以下某一温度，处于未转变的、暂时存在的、不稳定的奥氏体。的、不稳定的奥氏体。过冷奥氏体等温转变：过冷奥氏体等温转变：将高温将高温A A迅速冷却到迅速冷却到A A1 1以下某一温度，并保持恒

17、温，以下某一温度，并保持恒温，使过冷使过冷A A奥氏体进行转变的过程。奥氏体进行转变的过程。过冷奥氏体等温转变曲线（图）：过冷奥氏体等温转变曲线（图）：全面表示过冷全面表示过冷A A转变温度、转变的时间、转变温度、转变的时间、转变产物间的关系图。也称转变产物间的关系图。也称“C C曲线曲线”。 以以共析碳钢共析碳钢过冷奥氏体的等温过冷奥氏体的等温转变曲线为例进行分析，如右图转变曲线为例进行分析，如右图所所示示。纵坐标纵坐标表示转变温度，表示转变温度，横坐标横坐标表示转变时间。它反映了奥氏体在表示转变时间。它反映了奥氏体在快速冷却到临界点以下在各不同温快速冷却到临界点以下在各不同温度的保温过程中

18、，度的保温过程中，温度温度、时间时间与与转转变组织变组织、转变量的转变量的关系。关系。 共析碳钢共析碳钢金属工艺学金属工艺学以下图为共析碳钢以下图为共析碳钢C C曲线为例曲线为例 ：C C曲线的左边一条线为曲线的左边一条线为过冷奥氏体转变开始线过冷奥氏体转变开始线，右边一条线为，右边一条线为过冷奥氏过冷奥氏体转变终了线体转变终了线。该曲线下部还有两条水平线，分别表示奥氏体向马氏体转变。该曲线下部还有两条水平线，分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温度的开始温度MsMs线线和转变结束温度和转变结束温度MfMf线线。 共析钢的过冷奥氏体可发生共析钢的过冷奥氏体可发生三种不同的转变三种不同的转变: :珠

19、光体转变：珠光体转变： A A 1 1 至至C C曲线鼻曲线鼻尖区间的高温转变尖区间的高温转变, ,其转变产物其转变产物为珠光体。为珠光体。贝氏体转变贝氏体转变 ：C C曲线鼻尖至曲线鼻尖至M MS S线区间的中温转变线区间的中温转变, ,其转变产物其转变产物为贝氏体为贝氏体 。马氏体转变马氏体转变 ：在在M M S S 线以下线以下区间的低温转变区间的低温转变, ,其转变产物为其转变产物为马氏体马氏体 。5-5共析钢过冷共析钢过冷A等温转变图等温转变图金属工艺学金属工艺学过冷过冷 A等温转变的产物及性能等温转变的产物及性能 珠光体转变珠光体转变共析成分的奥氏体在共析成分的奥氏体在A A1 1

20、550550温度范围内等温停留时，将发生温度范围内等温停留时，将发生珠珠光体转变光体转变，形成铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物，形成铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物- -珠光体珠光体。因转。因转变的温度较高，也称高温转变。变的温度较高，也称高温转变。珠光体的组织形态珠光体的组织形态 珠光体的组织有两种形态：一种是珠光体的组织有两种形态：一种是片状珠光体片状珠光体；显微组织如图；显微组织如图5 56 6所示。所示。 图图5-6 片状珠光体组织片状珠光体组织 图图5-7 粒状珠光体组织粒状珠光体组织另一种是另一种是球状或粒状珠光体球状或粒状珠光体；显微组织如图；显微组织如图5 57 7所示。所

21、示。 金属工艺学金属工艺学珠光体形成如下图所示珠光体形成如下图所示珠光体的转变示意图珠光体的转变示意图金属工艺学金属工艺学 片状珠光体中，按片间距的大小可将其分为三类：片状珠光体中，按片间距的大小可将其分为三类：珠光体（珠光体（P P）：）：即即A A1 1650650之间形成的片层较粗的珠光体。之间形成的片层较粗的珠光体。片层距片层距 0.4um0.4um。 索氏体（索氏体（S S）：）： 650650600600之间形成的片层较细的珠光体。之间形成的片层较细的珠光体。片层距片层距 0.4-0.2um0.4-0.2um托氏体（托氏体（T T）或称屈氏体：）或称屈氏体： 60060055055

22、0之间形成的片层极细之间形成的片层极细的珠光体。片层距的珠光体。片层距 0.2um 1.0%1.0%时，奥氏体几乎只形成片状马氏体（针状马氏体）。片状时，奥氏体几乎只形成片状马氏体（针状马氏体）。片状马氏体内部的亚结构主要是孪晶。因此，片状马氏体又称为孪晶马氏体。马氏体内部的亚结构主要是孪晶。因此，片状马氏体又称为孪晶马氏体。 金属工艺学金属工艺学马氏体的力学性能马氏体的力学性能马氏体转变的主要特点马氏体转变的主要特点 马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量，通常情况是随含碳马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量，通常情况是随含碳量的增加而升高。量的增加而升高。 马氏体的塑性和韧性主要取决于它的亚

23、结构。在相同屈服强度马氏体的塑性和韧性主要取决于它的亚结构。在相同屈服强度条件下，板条（位错）型马氏体比片状（孪晶）型马氏体的韧性好条件下，板条（位错）型马氏体比片状（孪晶）型马氏体的韧性好得多。得多。 无扩散性无扩散性 马氏体的形成无需借助于无扩散过程，转变前后马氏体的形成无需借助于无扩散过程，转变前后没有化学成分的改变，马氏体可在很低的温度下以高速形成。没有化学成分的改变，马氏体可在很低的温度下以高速形成。 转变是在一个温度范围内进行的转变是在一个温度范围内进行的 马氏体转变是在马氏体转变是在MsMsMfMf的的温度范围内进行的，其转变量随温度的下降而增加，一旦温度停止温度范围内进行的，其

24、转变量随温度的下降而增加，一旦温度停止下降，转变立即中止。下降，转变立即中止。 转变不完全转变不完全 多数钢的多数钢的MfMf点在室温以下，因此冷却到室温时点在室温以下，因此冷却到室温时仍会保留相当数量未转变的奥氏体，这称之为残余（留）奥氏体，仍会保留相当数量未转变的奥氏体，这称之为残余（留）奥氏体，常用常用ArAr表示。表示。 金属工艺学金属工艺学亚共析钢和过共析钢的亚共析钢和过共析钢的C C曲线与共析钢的曲线与共析钢的C C曲线不同。曲线不同。区别在于区别在于分别在其上方多了一条过冷奥氏体转变为分别在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素体铁素体的转变开始线的转变开始线和过冷奥氏体析出和过冷奥

25、氏体析出二次渗碳体的开始线二次渗碳体的开始线。 金属工艺学金属工艺学二、过冷奥氏体连续冷却转变二、过冷奥氏体连续冷却转变曲线（曲线（CCTCCT曲线）曲线）连续冷却转变曲线是通过实验测连续冷却转变曲线是通过实验测定出来的。图中定出来的。图中P Ps s和和P Pf f线线分别表示珠分别表示珠光体转变的光体转变的开始和终了线开始和终了线；KKKK线线是珠光体转变是珠光体转变终止线终止线。共析钢以大于。共析钢以大于V VK K的速度冷却时，由于遇不到珠光体的速度冷却时，由于遇不到珠光体转变线，得到的组织为马氏体，这个转变线，得到的组织为马氏体，这个冷却速度称为上冷却速度称为上临界冷却速度临界冷却速

26、度。冷却。冷却速度小于速度小于V VK K时，钢将全部转变为珠时，钢将全部转变为珠光体，为光体，为下临界冷却速度下临界冷却速度。共析钢连续冷却时没有贝氏体形成共析钢连续冷却时没有贝氏体形成（无贝氏体转变区）。（无贝氏体转变区）。 过冷过冷A的连续冷却转变：的连续冷却转变：将钢加热到将钢加热到A状态后，使状态后，使A在温度连续下降到室温在温度连续下降到室温的过程中发生转变。的过程中发生转变。过冷过冷A A的连续冷却转变曲线图：的连续冷却转变曲线图：指钢经指钢经A A化后，经过不同的冷却速度连续冷化后，经过不同的冷却速度连续冷却的条件下获得的转变温度、转变时间与转变产物间关系的曲线。却的条件下获得

27、的转变温度、转变时间与转变产物间关系的曲线。如图如图5 51010所示。所示。 图图5 51010共析钢过冷共析钢过冷A A连续冷却转变图连续冷却转变图金属工艺学金属工艺学三、影响过冷三、影响过冷A转变的因素转变的因素 碳的影响碳的影响奥氏体含碳量对奥氏体含碳量对C曲线的形状没有什么影响曲线的形状没有什么影响,仅使其位置左仅使其位置左右移动。随着右移动。随着A中含碳量的增加，中含碳量的增加，A的稳定性增大，的稳定性增大，C曲线的位曲线的位置向右移。置向右移。合金元素的影响合金元素的影响除了钴以外除了钴以外, ,所有的合金元素的溶入都使过冷奥氏体趋于所有的合金元素的溶入都使过冷奥氏体趋于稳定稳定

28、, ,使使C C曲线的位置右移。碳化物形成元素含量较多时曲线的位置右移。碳化物形成元素含量较多时, ,不仅不仅影响影响C C曲线的位置曲线的位置, ,而且还会改变而且还会改变C C曲线的形状曲线的形状, ,可能出现两组可能出现两组C C曲线。曲线。加热温度和保温时间的影响加热温度和保温时间的影响随着加热温度的提高和保温时间的延长随着加热温度的提高和保温时间的延长, ,使过冷奥氏体稳使过冷奥氏体稳定性增加定性增加, ,使使C C曲线右移。曲线右移。 金属工艺学金属工艺学5. .5钢的整体热处理工艺及应用钢的整体热处理工艺及应用 一、退火与正火一、退火与正火 退火与正火的退火与正火的目的目的：降低

29、刚的硬度，提高塑性（降低刚的硬度，提高塑性（软化钢件），以便进行切削加工；软化钢件），以便进行切削加工；消除残余应力消除残余应力 , ,以防钢件的变形以防钢件的变形, ,开裂；开裂； 细化晶粒细化晶粒, ,改善组织以提高机械性能；改善组织以提高机械性能；为最终热处理为最终热处理( (淬火淬火, ,回火回火) )做好组织上的准备。做好组织上的准备。 退火或正火退火或正火是将钢加热到一定温度并保温一定时间以后，以缓是将钢加热到一定温度并保温一定时间以后，以缓慢的速度冷却下来，使之获得达到或接近平衡状态的组织的热慢的速度冷却下来，使之获得达到或接近平衡状态的组织的热处理工艺。处理工艺。金属工艺学金属

30、工艺学退火退火完全退火完全退火根据退火目的的不同，退火的种类很多，常用的主要有以根据退火目的的不同，退火的种类很多，常用的主要有以下几种类型：下几种类型： 目的：目的：细化晶粒、降低硬度以改善细化晶粒、降低硬度以改善切削加工性能和消除内应力。切削加工性能和消除内应力。定义：定义：将钢件或钢材加热到将钢件或钢材加热到Ac3Ac3以以上上20203030，经完全奥氏体化后，经完全奥氏体化后进行随炉缓慢冷却，以获得近于平进行随炉缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。衡组织的热处理工艺。应用：应用：亚共析成分的各种碳钢和合亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸金钢的铸, ,锻件及热轧型材锻件及热轧型材,

31、 ,有时也有时也用于焊接结构。用于焊接结构。金属工艺学金属工艺学等温退火等温退火球化退火球化退火等温退火的加热工艺与完全退火相同。等温退火的加热工艺与完全退火相同。“等温等温”的含义的含义是，发生珠光体转变时是在是，发生珠光体转变时是在ArAr1 1以下珠光体转变区间的某一以下珠光体转变区间的某一温度等温进行。温度等温进行。等温退火能有效缩短退火时间，提高生产效率并能获得等温退火能有效缩短退火时间，提高生产效率并能获得均匀的组织和性能。均匀的组织和性能。目的：目的：使碳化物球化（粒化）和消除网状的二次渗碳体球化。使碳化物球化（粒化）和消除网状的二次渗碳体球化。降低硬度、均匀组织、改善切削性能，

32、为淬火作组织降低硬度、均匀组织、改善切削性能，为淬火作组织准备。准备。定义：定义：钢随炉升温加热到钢随炉升温加热到Ac1Ac1以上以上AccmAccm以下的双相区，较长时以下的双相区，较长时间保温，并缓慢冷却的工艺。间保温，并缓慢冷却的工艺。应用：应用：用于过共析钢和合金工具钢。用于过共析钢和合金工具钢。金属工艺学金属工艺学扩散退火扩散退火（均匀化退火）（均匀化退火）去应力退火去应力退火目的：目的：均匀钢内部的化学成分。均匀钢内部的化学成分。 定义：定义：加热温度高（一般在加热温度高（一般在AcAc3 3或或AcAccmcm以上以上150150300300），保温时间长），保温时间长（10h1

33、0h以上），然后随炉缓慢冷却到室温。以上），然后随炉缓慢冷却到室温。应用：应用：适用于铸造后的高合金钢。扩散退火后钢的晶粒粗大，需要进行一适用于铸造后的高合金钢。扩散退火后钢的晶粒粗大，需要进行一次正常的完全退火或正火处理。次正常的完全退火或正火处理。目的：目的：削除内应力。削除内应力。定义：定义：将工件随炉缓慢加热至将工件随炉缓慢加热至500500650650，经一段时间保温后随炉缓慢冷，经一段时间保温后随炉缓慢冷却至却至300300200200以下出炉。以下出炉。 应用：应用：主要用来消除因变形加工及铸造、焊接过程中引起的残余内应力，主要用来消除因变形加工及铸造、焊接过程中引起的残余内应力

34、，以提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂。以提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂。再结晶退火再结晶退火 目的：目的：消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及成形性能。消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及成形性能。定义：定义：冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当的时间，使变形冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒的工艺。晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒的工艺。金属工艺学金属工艺学正火正火 正火正火的加热温度为的加热温度为AcAc3 3或或AcAccmcm以上以上30305050，保温以后的冷却方式在空，保温以后的冷却方式在空气中进行。由于正火比

35、退火的冷却速度大，故珠光体的片层间距较小，因气中进行。由于正火比退火的冷却速度大，故珠光体的片层间距较小，因而正火后强度、硬度较高。而正火后强度、硬度较高。 正火的应用：正火的应用： 低碳钢和某些低碳低合金钢低碳钢和某些低碳低合金钢采用正火来调整硬度，改善切削加工采用正火来调整硬度，改善切削加工性能。如图性能。如图5 51111为为钢的钢的几种热处理几种热处理工艺工艺与合适与合适加工硬度范围加工硬度范围的关系。的关系。图图5 51111热处理与硬度的关系热处理与硬度的关系（阴影部分为适合切削加工硬度范围）（阴影部分为适合切削加工硬度范围）过共析钢的正火是为了消除过共析钢的正火是为了消除网状碳化

36、物。网状碳化物。 某些受力不大，性能要求不某些受力不大，性能要求不高的中碳钢和中碳合金钢件，正火高的中碳钢和中碳合金钢件，正火后的力学性能尚能满足要求，可作后的力学性能尚能满足要求，可作为最终热处理。为最终热处理。 金属工艺学金属工艺学二、钢的淬火二、钢的淬火 1.1.淬火加热温度淬火加热温度定义：定义：将将亚共析钢亚共析钢加热到加热到Ac3Ac3以上，以上，共析钢与过共析钢共析钢与过共析钢加热到加热到Ac1Ac1以上（低以上（低 于于AccmAccm）的温度，保温后以大于）的温度，保温后以大于VkVk的速度快速冷却，使奥氏体转变为马氏体的速度快速冷却，使奥氏体转变为马氏体 的热处理工艺。的热

37、处理工艺。目的目的 : :获得马氏体，提高钢的机械性能获得马氏体，提高钢的机械性能 . . 淬火加热温度的选择应以得到细而淬火加热温度的选择应以得到细而均匀的奥氏体晶粒为原则，以便冷却后均匀的奥氏体晶粒为原则，以便冷却后获得细小的马氏体组织。获得细小的马氏体组织。亚共析钢亚共析钢的淬火加热温度通常为的淬火加热温度通常为AcAc3 3以以上上30305050。共析钢、过共析钢共析钢、过共析钢的淬火加热温度通常的淬火加热温度通常为为AcAc1 1以上以上30305050。如图如图5-125-12是碳钢的淬火温度范围。是碳钢的淬火温度范围。 图图5-125-12碳钢的淬火加热温度范围碳钢的淬火加热温

38、度范围金属工艺学金属工艺学2.2.加热时间的确定加热时间的确定 3.3.淬火冷却介质淬火冷却介质理想淬火介质的冷却特性理想淬火介质的冷却特性加热时间由加热时间由升温时间升温时间和和保温时间保温时间组成。组成。升温时间升温时间 ：由零件入炉温度升至淬火温度所需的时间。由零件入炉温度升至淬火温度所需的时间。 保温时间保温时间 ：指零件烧透及完成奥氏体化过程所需要的时间。指零件烧透及完成奥氏体化过程所需要的时间。影响加热时间确定的因素：影响加热时间确定的因素：钢种、加热介质、加热速度、装炉方式、装炉钢种、加热介质、加热速度、装炉方式、装炉量及钢件的形状、尺寸。量及钢件的形状、尺寸。冷却是关系到淬火质

39、量高低的关键操冷却是关系到淬火质量高低的关键操作作,即既要快冷即既要快冷,防止过冷奥氏体转变为非防止过冷奥氏体转变为非马氏体组织马氏体组织,以获得马氏体组织以获得马氏体组织,又要减少又要减少变形和防止变形和防止 开裂。为此开裂。为此,一方面要选择适一方面要选择适当的淬火介质当的淬火介质,另一方面要改进淬火方法。另一方面要改进淬火方法。以以共析钢共析钢为例为例, ,根据其根据其C C曲线曲线, ,理想的淬火理想的淬火冷却方式，如图冷却方式，如图5 51313所示。所示。 图图5 51313理想的游人冷却曲线示意图理想的游人冷却曲线示意图金属工艺学金属工艺学淬火冷却介质淬火冷却介质4.4.常见的淬

40、火方法常见的淬火方法 目前常见的淬火冷却介质有各种目前常见的淬火冷却介质有各种矿物油矿物油、植物油植物油、水水、盐水盐水和和碱水碱水，它们的，它们的冷却能力冷却能力依次增加。其中依次增加。其中水水和和油油目前生产中应用最广目前生产中应用最广的冷却介质。水主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。的冷却介质。水主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。油一般用作合金钢的淬火冷却介质。油一般用作合金钢的淬火冷却介质。 为了减少零件淬火时的变形，盐浴也常用作淬火介质，主要用为了减少零件淬火时的变形，盐浴也常用作淬火介质，主要用于分级淬火和等温淬火。于分级淬火和等温淬火。 为了保证获得所需淬火为了

41、保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，组织，又要防止变形和开裂，必须采用已有的淬火介质再必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。配以各种冷却方法才能解决。通常的通常的淬火方法淬火方法包括包括单液淬单液淬火火、双液淬火双液淬火、分级淬火分级淬火和和等温淬火等温淬火等，如图等，如图5 51414所所示。示。 图图5 51414各种淬火方法示意图各种淬火方法示意图金属工艺学金属工艺学三、钢的回火三、钢的回火 1、淬火钢在回火时的转变、淬火钢在回火时的转变 定义：定义：将淬火钢加热到将淬火钢加热到Ac1温度以下某一温度，保温后再冷却到室温的一种温度以下某一温度，保温后再冷却到室温的一种

42、热处理工艺。热处理工艺。目的目的: :降低或消除内应力，以防止工件开裂和变形；降低或消除内应力，以防止工件开裂和变形；减少或消除残余奥氏体，以稳定工件尺寸；减少或消除残余奥氏体，以稳定工件尺寸；调整工件的内部组织和性能，以满足工件的使用要求。调整工件的内部组织和性能，以满足工件的使用要求。对于退火难以软化的某些合金钢。对于退火难以软化的某些合金钢。 淬火钢得到的淬火钢得到的马氏体马氏体和和残余奥氏体残余奥氏体组织是不稳定的，存在着向稳定组织组织是不稳定的，存在着向稳定组织转变的自发倾向。回火的实质就是通过加热促使马氏体和残余奥氏体向平衡转变的自发倾向。回火的实质就是通过加热促使马氏体和残余奥氏

43、体向平衡状态转变的过程。状态转变的过程。 根据转变发生的过程和形成的组织，回火可分为根据转变发生的过程和形成的组织，回火可分为四个阶段四个阶段：马氏体分解（马氏体分解（100100200200） 100100以上回火，马氏体开始发生分解，以上回火，马氏体开始发生分解，从过饱和从过饱和固溶体中析出弥散的固溶体中析出弥散的碳化物，这种碳化物的成分和结构不同碳化物，这种碳化物的成分和结构不同于渗碳体，是亚稳定相。一定饱和度的于渗碳体，是亚稳定相。一定饱和度的固溶体和弥散分布的固溶体和弥散分布的碳化物组碳化物组成的复相组织，称为成的复相组织，称为回火马氏体回火马氏体。钢的钢的硬度硬度没有明显降低，但没

44、有明显降低，但淬火应力淬火应力下下降降 。 金属工艺学金属工艺学回火马氏体显微组织如下图所示回火马氏体显微组织如下图所示金属工艺学金属工艺学残余奥氏体的分解（残余奥氏体的分解（200200300300） 碳化物的转变（碳化物的转变（300300400400）在在200200300300之间回火时，钢中的残余奥氏体将会发生分之间回火时，钢中的残余奥氏体将会发生分解，产物是解，产物是过饱和的过饱和的固溶体固溶体和和碳化物碳化物组成的复相组织，相组成的复相组织，相当于当于回火马氏体回火马氏体或下或下贝氏体。贝氏体。 在在300300400400范围内回火，范围内回火，碳化物将自发地向稳定相渗碳体转碳

45、化物将自发地向稳定相渗碳体转变。由饱和针状的变。由饱和针状的固溶体和细小固溶体和细小颗粒状的渗碳体组成的组织称为颗粒状的渗碳体组成的组织称为回回火托氏体火托氏体或称或称屈氏体（屈氏体（T T回回） 。淬淬火应力已基本消除，硬度明显下降。火应力已基本消除，硬度明显下降。 其显微组织如下图所示。其显微组织如下图所示。 回火托氏体显微组织回火托氏体显微组织金属工艺学金属工艺学FeFe3 3C C集聚长大和集聚长大和F F的再结晶的再结晶(450(450700)700) 回火温度升高到回火温度升高到450450以上，渗碳体明显聚集长大。由等轴的相和粗粒以上，渗碳体明显聚集长大。由等轴的相和粗粒状的渗碳

46、体组成的组织称为状的渗碳体组成的组织称为回火索氏体（回火索氏体（S S回）回）。其显微组织如下图所示。其显微组织如下图所示。回火索氏体显微组织回火索氏体显微组织如果回火温度升高到如果回火温度升高到650650A A1 1间，颗粒状的间，颗粒状的FeFe3 3C C进一步长大，回火后进一步长大，回火后形成多边形的形成多边形的F+F+大颗粒大颗粒FeFe3 3C C组织，称组织，称回火珠光体回火珠光体P P。金属工艺学金属工艺学2、回火的种类、组织、性能及应用、回火的种类、组织、性能及应用 根据加热温度不同、回火后性能要求，回火可分为根据加热温度不同、回火后性能要求，回火可分为: 低温回火低温回火

47、回火温度：回火温度：在在150150250250之间。之间。回火目的：回火目的：降低应力和脆性，获得回火马氏体组织，使钢具有高降低应力和脆性，获得回火马氏体组织，使钢具有高的硬度、强度和耐磨性。的硬度、强度和耐磨性。组织：组织：回火马氏体组织（回火马氏体组织（M M回回）。硬度一般为）。硬度一般为58-64HBC 58-64HBC 。用途：用途：低温回火一般用来处理要求低温回火一般用来处理要求高硬度高硬度和和高耐磨性高耐磨性的工件，如刀具、量的工件，如刀具、量具、滚动轴承和渗碳件等。具、滚动轴承和渗碳件等。中温回火中温回火回火温度：回火温度： 在在350350500500之间。之间。回火目的：

48、回火目的：获得较高的弹性和屈服极限，具有一定的韧性。获得较高的弹性和屈服极限，具有一定的韧性。 组织：组织：回火托氏体（回火托氏体（T T回回）。硬度为）。硬度为35-45HRC35-45HRC。用途：用途：主要用于各种弹簧件、发条、热锻模等零件。主要用于各种弹簧件、发条、热锻模等零件。 金属工艺学金属工艺学3、回火脆性、回火脆性 高温回火高温回火 回火温度：回火温度：在在500500650650之间。之间。回火目的：回火目的：获得强度，塑性，韧性都较好的综合机械性能。获得强度，塑性，韧性都较好的综合机械性能。 组织：组织：得到回火索氏体组织，硬度为得到回火索氏体组织，硬度为200-350HR

49、C200-350HRC。用途：用途：适用于中碳结构钢制作的曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车拖拉机半轴、适用于中碳结构钢制作的曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车拖拉机半轴、机床主轴及齿轮等重要机器零件。机床主轴及齿轮等重要机器零件。一般把一般把淬火淬火加加高温回火高温回火的热处理称为的热处理称为“调质处理调质处理”。定义：定义：淬火钢在某些温度区间回火时会产生冲击功的显著下降的脆化现象。淬火钢在某些温度区间回火时会产生冲击功的显著下降的脆化现象。低温回火脆性低温回火脆性淬火钢在淬火钢在250250350350范围内回火时出现的脆性，也范围内回火时出现的脆性，也叫第一类回火脆性。几乎所有的钢都存在这类脆性。避免

50、在脆化温度范围叫第一类回火脆性。几乎所有的钢都存在这类脆性。避免在脆化温度范围内回火。内回火。 高温回火脆性高温回火脆性淬火钢在淬火钢在500500650650范围内回火时出现的脆性，也范围内回火时出现的脆性，也称为第二类回火脆性。这种脆性主要发生在含称为第二类回火脆性。这种脆性主要发生在含CrCr、NiNi、SiSi、MnMn等合金元素等合金元素的结构钢中。的结构钢中。防止高温回火脆性防止高温回火脆性的方法是加热后的方法是加热后快冷快冷。 金属工艺学金属工艺学回火组织及特点如表回火组织及特点如表53所示所示金属工艺学金属工艺学5. .6钢的淬透性与淬硬性钢的淬透性与淬硬性 一、淬透性一、淬透

51、性 1、淬透性的概念、淬透性的概念淬透性：淬透性：指奥氏体化后的钢在淬火时获得淬硬层（也称为淬透层）深度的能指奥氏体化后的钢在淬火时获得淬硬层（也称为淬透层）深度的能力，其大小用钢在一定条件下淬火获得的淬硬层深度来表示。力，其大小用钢在一定条件下淬火获得的淬硬层深度来表示。2 2、影响淬透性的因素、影响淬透性的因素主要因素：主要因素：化学成分，除化学成分，除CoCo以外，所有溶于奥氏体中的合金元素都提高淬透以外，所有溶于奥氏体中的合金元素都提高淬透性。另外，奥氏体的均匀性、晶粒大小及是否存在第二相等因素都会影响淬性。另外，奥氏体的均匀性、晶粒大小及是否存在第二相等因素都会影响淬透性。透性。淬透

52、性的大小主要取决于钢的淬透性的大小主要取决于钢的临界冷却速度临界冷却速度(V k )(V k )。因此。因此, ,凡是影响凡是影响C C曲曲线位置的因素线位置的因素, ,均能影响钢的淬透性。均能影响钢的淬透性。3 3、淬透性的评定、淬透性的评定 界直径测定法界直径测定法 钢材在某中介质中淬火后钢材在某中介质中淬火后,心部得到心部得到全部马氏体全部马氏体或或50%马氏体马氏体组织时的最组织时的最大直径称为大直径称为临界直径临界直径。临界直径越大。临界直径越大,表明钢的淬透性越高。表明钢的淬透性越高。 金属工艺学金属工艺学淬实验法淬实验法用标准尺寸的端淬试样用标准尺寸的端淬试样(25mm(25mm

53、* *100mm),100mm),经奥氏体化后经奥氏体化后, ,在专用设备上在专用设备上对其一端面喷水冷却对其一端面喷水冷却, ,冷却后沿轴线方向测出硬度距水冷端距离的关系曲冷却后沿轴线方向测出硬度距水冷端距离的关系曲线线( (即淬透性曲线即淬透性曲线) )的实验方法。的实验方法。 淬透性可用淬透性可用“末端淬火法末端淬火法”测定。测定。 钢的淬透性用钢的淬透性用 表示，其中表示，其中d d表示淬透性曲线上测试点至水冷表示淬透性曲线上测试点至水冷端的距离（端的距离（mmmm）,HRC,HRC为该处的硬度值。为该处的硬度值。 dHRCJ金属工艺学金属工艺学二、淬硬性二、淬硬性 4、淬透性的实际意

54、义、淬透性的实际意义淬透性不同的钢材经淬火及回火后淬透性不同的钢材经淬火及回火后, ,它们沿工件截面的组织和力学性它们沿工件截面的组织和力学性能有很大的差别。工件材料应该根据工件的受力状况能有很大的差别。工件材料应该根据工件的受力状况, ,工作条件及失效原工作条件及失效原因来选用有一定淬透性的钢材因来选用有一定淬透性的钢材, ,而不应该都选用淬透性好的钢材。而不应该都选用淬透性好的钢材。 钢的淬硬性：钢的淬硬性：钢在理想条件下进行淬火硬化钢在理想条件下进行淬火硬化(即得到马氏体组织即得到马氏体组织)所能达到的所能达到的最高硬度的能力。最高硬度的能力。硬度高的钢淬透性不一定高，而硬度低的钢淬透性

55、有时却很高。硬度高的钢淬透性不一定高，而硬度低的钢淬透性有时却很高。淬硬性与淬透性是两个概念淬硬性与淬透性是两个概念, ,淬硬性主要于淬硬性主要于马氏体中的含碳量马氏体中的含碳量有关有关, ,含含碳量愈高碳量愈高, ,淬火后硬度愈高。淬火后硬度愈高。 金属工艺学金属工艺学5. .7钢的表面热处理及化学热处理钢的表面热处理及化学热处理 一、钢的表面热处理一、钢的表面热处理 定义：定义：表面热处理常用的方法是表面淬火，表面淬火仅对工件表层进行淬火表面热处理常用的方法是表面淬火，表面淬火仅对工件表层进行淬火。一般包括：一般包括：感应淬火、火焰淬火等。表面淬火的目的：使工件表层具感应淬火、火焰淬火等。

56、表面淬火的目的：使工件表层具有高硬度、耐磨性，而心部具有足够的强度和韧性。有高硬度、耐磨性，而心部具有足够的强度和韧性。 感应加热是利用电磁感应原理。感应加热是利用电磁感应原理。 感应加热表面淬火的特点：感应加热表面淬火的特点： 淬火温度高于一般淬火温度。淬火温度高于一般淬火温度。 淬火后获得非常细小的隐晶马氏体组织，淬火后获得非常细小的隐晶马氏体组织，表层硬度比普通淬火高表层硬度比普通淬火高2 23HRC3HRC。 表层存在很大的残余压应力。表层存在很大的残余压应力。 无氧化、脱碳现象，且工件变形也很小。无氧化、脱碳现象，且工件变形也很小。 易于实现机械化与自动化。感应加热淬易于实现机械化与

57、自动化。感应加热淬火后，为了减小淬火应力和降低脆性，需进行火后，为了减小淬火应力和降低脆性，需进行170170200200低温回火。低温回火。 金属工艺学金属工艺学感应淬火感应淬火定义 利用感应电流通过工件所产生的热量使工件表层、局部或整体加 热并快速冷却的淬火。原理 将工件置于铜管制的感应器中，当感应器有交流电通过时，工件 的相应部位产生感应电流，使表层迅速加热到预定的淬火温度， 喷水器立即喷水冷却，将工件表层淬硬成马氏体，心部保持低温。 仍为原始组织。金属工艺学金属工艺学2火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火火焰加热淬火：火焰加热淬火：用乙炔用乙炔氧或煤气氧或煤气氧等火焰直接加热工件表面，然后

58、立氧等火焰直接加热工件表面，然后立即喷水冷却，以获得表面硬化效果的淬火方法。即喷水冷却，以获得表面硬化效果的淬火方法。火焰加热温度很高（约火焰加热温度很高（约3000以上），能将工件迅速加热到淬火温度，以上），能将工件迅速加热到淬火温度，通过调节烧嘴的位置和移动速度，可以获得不同厚度的淬硬层。通过调节烧嘴的位置和移动速度，可以获得不同厚度的淬硬层。 3其它类型的表面淬火其它类型的表面淬火 接触加热表面淬火接触加热表面淬火利用触头和工件间的接触电阻在通以大电流时产生的电阻热，将工件利用触头和工件间的接触电阻在通以大电流时产生的电阻热，将工件表面迅速加热到淬火温度，当电极移开，借工件本身来加热部分

59、的热传导表面迅速加热到淬火温度，当电极移开，借工件本身来加热部分的热传导来淬火冷却的热处理工艺。来淬火冷却的热处理工艺。激光热处理激光热处理将高功率密度的激光束照射到工件表面将高功率密度的激光束照射到工件表面, ,使表面层快速加热到奥氏体使表面层快速加热到奥氏体区或熔化温度区或熔化温度, ,依靠工件本身热传导迅速自冷而获得一定淬硬层或熔凝层。依靠工件本身热传导迅速自冷而获得一定淬硬层或熔凝层。 金属工艺学金属工艺学二、化学热处理二、化学热处理 1 1钢的渗碳钢的渗碳化学热处理：化学热处理：将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或几将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或

60、几种元素原子渗入工件表面，以改变钢件表层化学成分和组织，进而达到改进种元素原子渗入工件表面，以改变钢件表层化学成分和组织，进而达到改进表面性能，满足技术要求的热处理工艺。表面性能，满足技术要求的热处理工艺。基本过程：基本过程：化学介质的分解；化学介质的分解；活性原子被钢件表面吸收和溶解；活性原子被钢件表面吸收和溶解；原子原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。渗碳：渗碳：将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺。工艺。目的：目的：通过渗碳提高零件表层的含碳量，随后的淬火和低温回火