材料热处理第9章常规热处理

1、u 钢的退火与正火u 钢的淬火u 钢的回火铸锭铸锭铸件铸件热轧热轧热锻热锻板棒型管板棒型管焊接焊接机加工机加工冷轧冷轧冷拔冷拔深冲深冲锻件锻件机加工机加工零件或构件工艺性能，为加工和热处理作组织和性能上的准备工艺性能，为加工和热处理作组织和性能上的准备改变组织，改变组织， 使用性能使用性能 预备热处理预备热处理 最终热处理最终热处理毛坯生产毛坯生产 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 : 退火退火 ; 正火；调质正火；调质最终热处理最终热处理 : 淬火淬火 ; 回火；表面热处理回火；表面热处理 1 1 定义：定义：钢加热到临界

2、温度以上或以下的钢加热到临界温度以上或以下的适当温度，保温一段时间后适当温度，保温一段时间后缓慢缓慢随炉随炉冷却冷却或控制其冷速，获得接近或控制其冷速，获得接近平衡状态组织平衡状态组织的的热处理工艺。（珠光体）热处理工艺。（珠光体） “高于或低于高于或低于A Ac1c1” SAAc1退火退火 2 2 退火的分类：退火的分类： 高温退火高温退火 （相变重结晶退火）（相变重结晶退火） T T加热加热AAc1c1(2)(2) 低温退火低温退火完全退火完全退火不完全退火与球化退火不完全退火与球化退火等温退火等温退火扩散退火扩散退火T T加热加热 0.6%)的工、模具钢，轴承钢的预备热的工、模具钢，轴承

3、钢的预备热处理。处理。工艺关键：工艺关键： Fe3C形态控制形态控制 控制奥氏体化程度控制奥氏体化程度 球的大小控制球的大小控制 控制过冷奥氏体冷却转变的温度控制过冷奥氏体冷却转变的温度(3) 球化退火球化退火 不完全退火的一种不完全退火的一种 球化退火工艺球化退火工艺u 低温球化退火低温球化退火适用范围：适用范围： 高合金钢及冷变形钢高合金钢及冷变形钢不适用范围：不适用范围： 原始组织粗大的钢原始组织粗大的钢过共析钢中的网状碳化物过共析钢中的网状碳化物球化退火工艺球化退火工艺u 不均匀奥氏体中碳的聚集球化退火不均匀奥氏体中碳的聚集球化退火工艺特点：工艺特点： 形成不均匀奥氏体及未溶碳化物；形

4、成不均匀奥氏体及未溶碳化物；适用范围：适用范围： 高碳钢奥氏体易有较多残留未溶碳化物，易球化；高碳钢奥氏体易有较多残留未溶碳化物，易球化； 低碳钢中未溶碳化物少，不易球化低碳钢中未溶碳化物少，不易球化 u 形变球化退火形变球化退火 将工件在一定温度下施行一定的形变加工后，将工件在一定温度下施行一定的形变加工后，再于低于再于低于A1温度下进行长时间保温，这种工艺称为温度下进行长时间保温，这种工艺称为形变球化退火。形变球化退火。Ac1 - (2030)低中碳钢和低合金低中碳钢和低合金钢冷变形加工后的钢冷变形加工后的快速球化快速球化轧、锻件的锻后余轧、锻件的锻后余热球化退火，大批热球化退火，大批量的

5、弹簧钢、轴承量的弹簧钢、轴承钢等钢等u 高温固溶淬火、高温回火球化高温固溶淬火、高温回火球化( (快速球化退火快速球化退火) )利用高温固溶获得均匀奥氏体后再利用高温固溶获得均匀奥氏体后再经淬火获得马氏体组织，然后再通经淬火获得马氏体组织，然后再通过高温回火使析出的碳化物球化。过高温回火使析出的碳化物球化。适用范围：适用范围： 适用于共析钢、过共析钢和合金钢小锻件的快速球化退火；适用于共析钢、过共析钢和合金钢小锻件的快速球化退火； 不适用于截面尺寸大的毛坯及半成品工件的球化不适用于截面尺寸大的毛坯及半成品工件的球化片状与球状珠光体组织切削性能比较片状与球状珠光体组织切削性能比较层片状珠光体层片

6、状珠光体粒粒(球球)状状珠光体珠光体刀具刀具T12钢完全退火与球化退火后组织与性能比较钢完全退火与球化退火后组织与性能比较 T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 影响碳化物球化的因素影响碳化物球化的因素化学成分的影响化学成分的影响原始组织的影响原始组织的影响加热温度与球化时间的影响加热温度与球化时间的影响冷却速度的影响冷却速度的影响(1) 碳碳(2) 合金元素：非碳化物形成元素合金元素：非碳化物形成元素(Co除外除外)，球化快，球化快(1) 淬火马氏体：球化快，组织均匀淬火马氏体：球化快，组织均匀(2) 块状铁素体块状铁素体+珠光体：碳化物不均匀，原珠光体区有球珠光体：碳化物不均匀，原珠

7、光体区有球状碳化物，原铁素体区无球状碳化物状碳化物，原铁素体区无球状碳化物(3) 贝氏体、屈氏体比粗片状珠光体易获得球状碳化物贝氏体、屈氏体比粗片状珠光体易获得球状碳化物(4) 过共析钢网状碳化物难球化：正火消除网状过共析钢网状碳化物难球化：正火消除网状+球化退火球化退火(5) 经冷变形：利于球化碳化物的形成经冷变形：利于球化碳化物的形成工业上一般采用工业上一般采用1020C/h的冷速缓冷球化的冷速缓冷球化(4) 均匀化退火均匀化退火(扩散退火扩散退火) Acm 或或Ac3 Acm 或或Ac3150300CtT2 工艺：工艺：加热温度：一般选择在高于加热温度：一般选择在高于0.80.9T熔熔，

8、但低于固相线温，但低于固相线温 度。一般选择度。一般选择10501150C加热速度：低合金钢加热速度：低合金钢 100C/h 高合金钢高合金钢 2050C/h保温时间：保温时间：2.53 min/mm， 1015h冷却速度：低合金钢冷却速度：低合金钢 50100C/h 高合金钢高合金钢2050C/h冷却方式：随炉冷却冷却方式：随炉冷却(5) 去应力退火去应力退火(低温退火低温退火) Ac1tT特点：特点： 无组织变化无组织变化 工艺：工艺：加热温度：碳钢和低合金钢加热温度：碳钢和低合金钢 550650C 高合金钢高合金钢650750C 铸铁件铸铁件500600C 焊接钢件焊接钢件 500600

9、C加热速度：加热速度：100150C/h 高合金钢高合金钢 2050C/h保温时间：保温时间：2.53 min/mm， 铸铁为铸铁为6min/mm；一般大于；一般大于2h冷却速度：尽量缓慢，常用随炉冷却；大型工具或机械部冷却速度：尽量缓慢，常用随炉冷却；大型工具或机械部 件采取更低的冷却速度件采取更低的冷却速度冷却方式：随炉冷却，冷却方式：随炉冷却，300C以下空冷以下空冷Ac1tT600700C(6) 再结晶退火再结晶退火 (低温退火低温退火) 工艺：工艺：加热温度：加热温度：TR + ()， TR为再结晶温度为再结晶温度(0.4 Tm ) 600700C保温时间：保温时间：1-4h冷却方式

10、：空冷冷却方式：空冷定义：定义：钢加热到钢加热到Ac3或或Acm以上以上30 ，完全奥氏，完全奥氏体化后出炉空冷，得到体化后出炉空冷，得到珠光体类组织珠光体类组织的热处理工的热处理工艺。艺。Acm 或或Ac3Ac1 Acm 或或Ac33050CT正火及其应用正火及其应用正火与退火相比正火与退火相比p 正火冷却速率较快；正火冷却速率较快；p 正火所得珠光体类组织片间距正火所得珠光体类组织片间距小小( (索氏体）；索氏体）；p 正火所得铁素体的量少；正火所得铁素体的量少；p 强硬度与塑韧性较高；强硬度与塑韧性较高；p 生产效率较高。生产效率较高。定义：定义：把把钢加热到临界温度（钢加热到临界温度（

11、A Ac3c3或或A Ac1c1）以上保温一定时间，）以上保温一定时间，使之奥氏体化后以大于临界冷却速度的冷速急冷，使奥氏使之奥氏体化后以大于临界冷却速度的冷速急冷，使奥氏体过冷到体过冷到MsMs点以下，获得高硬度点以下，获得高硬度M M（或（或B B下下）组织的热处理工）组织的热处理工艺。艺。目的目的:(1) 提高工具、渗碳零件和其它高强度耐磨机器零件等的硬度、提高工具、渗碳零件和其它高强度耐磨机器零件等的硬度、强度和耐磨性；强度和耐磨性；(2) 结构钢通过淬火和回火之后获得良好的综合机械性能；结构钢通过淬火和回火之后获得良好的综合机械性能；(3) 此外，还有很少数的一部分工件是为了改善钢的

12、物理和化此外，还有很少数的一部分工件是为了改善钢的物理和化学性能。如提高磁钢的磁性，不锈钢淬火以消除第二相，学性能。如提高磁钢的磁性，不锈钢淬火以消除第二相，从而改善其耐蚀性等。从而改善其耐蚀性等。 淬火分类淬火分类 钢的淬透性钢的淬透性 淬透性的概念淬透性的概念 指钢淬火时获得马氏体的能力，是钢指钢淬火时获得马氏体的能力，是钢固有的一种属性。固有的一种属性。淬透性取决于钢的淬火临界冷却速度的大小淬透性取决于钢的淬火临界冷却速度的大小(1) 淬透性与淬透层深度淬透性与淬透层深度淬透层深度：当工件未淬透时，淬透层的深度并不是以淬透层深度：当工件未淬透时，淬透层的深度并不是以全部淬成马氏体的区域来

13、界定的，而是以淬火工件表面全部淬成马氏体的区域来界定的，而是以淬火工件表面至半马氏体区至半马氏体区( (即马氏体组织和非马氏体组织各占一半即马氏体组织和非马氏体组织各占一半) )的深度作为淬透层深度。的深度作为淬透层深度。(2) 淬透性与淬硬性的区别淬透性与淬硬性的区别 淬硬性：指钢在正常淬火条件下，淬成的马氏体所能达淬硬性：指钢在正常淬火条件下，淬成的马氏体所能达到的最高硬度，它表示钢淬火时的硬化能力。到的最高硬度，它表示钢淬火时的硬化能力。淬硬性主要取决于淬硬性主要取决于钢中的含碳量钢中的含碳量，更确切地说，它取决，更确切地说，它取决于淬火加热时固溶于奥氏体中的含碳量。于淬火加热时固溶于奥

14、氏体中的含碳量。淬透性的测定方法淬透性的测定方法(1) 断口试验法断口试验法 主要用来测定碳素工具钢的淬透性，低合金工具钢也可参照使用主要用来测定碳素工具钢的淬透性，低合金工具钢也可参照使用将预测淬透性的钢按规定尺寸制成将预测淬透性的钢按规定尺寸制成标准试样，淬火后从中间横向打断标准试样，淬火后从中间横向打断后测量淬透层深度的方法。后测量淬透层深度的方法。详见国家标准详见国家标准GB/T 1298-2008 GB/T 1298-2008 碳素工具钢碳素工具钢附录附录B B 工具钢工具钢淬透性试验方法淬透性试验方法淬透性的测定方法淬透性的测定方法(2) 端淬法端淬法 淬透性曲线的实际意义及应用淬

15、透性曲线的实际意义及应用(1) 根据淬透性曲线求沿工件截面上的硬度分布根据淬透性曲线求沿工件截面上的硬度分布用用40MnB钢制造直径为钢制造直径为 50mm的轴，求水淬后沿截面的硬度分布曲线的轴，求水淬后沿截面的硬度分布曲线(2) 根据淬透性曲线及硬度要求选择材料根据淬透性曲线及硬度要求选择材料 已知某零件的直径和已知某零件的直径和沿径向的硬度要求沿径向的硬度要求(3) 根据淬透性曲线可以选择适当的淬火介质根据淬透性曲线可以选择适当的淬火介质用碳的质量分数为用碳的质量分数为0.4%的钢制造直径为的钢制造直径为45mm的轴，要求淬火的轴，要求淬火后在后在3R/4处有体积分处有体积分数为数为80%

16、的马氏体组的马氏体组织，而在织，而在R/2处的硬度处的硬度大于大于40HRC，问是否，问是否可以油淬？可以油淬？ 淬火介质淬火介质 理想淬火介质，理想淬火介质，中温冷却快，低中温冷却快，低温冷却慢温冷却慢适用钢种范围宽，适用钢种范围宽，淬火变形开裂倾向淬火变形开裂倾向小，使用过程中不小，使用过程中不变质、不腐蚀工件、变质、不腐蚀工件、不粘接工件、不易不粘接工件、不易燃、不易爆、无公燃、不易爆、无公害等害等有物态变化的淬火介质有物态变化的淬火介质淬火介质淬火介质在下列温度范围内的在下列温度范围内的冷却速度冷却速度/C s-1550650 C200300 C淬火介质淬火介质在下列温度范围内的在下列

17、温度范围内的冷却速度冷却速度/C s-1550650 C200300 C蒸汽膜阶段蒸汽膜阶段 ( (靠辐射传热靠辐射传热) )沸腾阶段沸腾阶段 ( (冷却速度快冷却速度快) )对流阶段对流阶段无物态变化的淬火介质无物态变化的淬火介质熔盐、熔碱及空气，多用于分级淬火及等温淬火熔盐、熔碱及空气，多用于分级淬火及等温淬火 淬火工艺淬火工艺 淬火加热温度淬火加热温度 亚共析钢的淬火加热温度为亚共析钢的淬火加热温度为Ac3以上以上30 50C ； 共析钢、过共析钢的淬火加热温度为共析钢、过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上以上30 50C，为不完全淬火为不完全淬火（为什么？）（为什么？） 合金钢，淬火温度

18、允许比碳钢稍高合金钢，淬火温度允许比碳钢稍高淬火保温时间淬火保温时间 应遵循工件内外的温度均匀一致、奥氏体相变完应遵循工件内外的温度均匀一致、奥氏体相变完成、奥氏体晶粒不得长大的原则成、奥氏体晶粒不得长大的原则淬火冷却方法淬火冷却方法 冷却是淬火的关键，选择合适的淬火冷却方法，既要冷却是淬火的关键，选择合适的淬火冷却方法，既要保证钢淬火后获得所需要的组织和性能，还要尽量减保证钢淬火后获得所需要的组织和性能，还要尽量减小淬火应力，以减小工件变形和开裂的倾向。小淬火应力，以减小工件变形和开裂的倾向。(1) 单液淬火法(2) 双液淬火法(3) 分级淬火法(4) 等温淬火法(5) 预冷淬火法(1) 单

19、液淬火法(直接淬火) 将加热后的零件投入将加热后的零件投入一种冷却剂中冷却至室一种冷却剂中冷却至室温。温。 缺点：缺点：易产生淬火缺陷，易产生淬火缺陷，水中淬火易产生变形和水中淬火易产生变形和裂纹，油中淬火易产生硬裂纹，油中淬火易产生硬度不足或硬度不均匀等现度不足或硬度不均匀等现象。象。应用：应用：碳钢一般用水作冷碳钢一般用水作冷却介质，合金钢可用油作却介质，合金钢可用油作冷却介质。冷却介质。优点：优点：操作简单，容易实操作简单，容易实现自动化现自动化(2) 双液淬火法 将加热的工件先投入一种冷将加热的工件先投入一种冷却能力强的介质中冷却，然却能力强的介质中冷却，然后在接近后在接近MsMs点温

20、度（钢的组点温度（钢的组织还未开始转变时迅速取织还未开始转变时迅速取出），马上浸入另一种冷却出），马上浸入另一种冷却能力弱的介质中使之发生马能力弱的介质中使之发生马氏体转变的淬火，称为双介氏体转变的淬火，称为双介质淬火。质淬火。优点：优点：内应力小，变形及开裂小。内应力小，变形及开裂小。缺点：缺点：操作困难，不易掌握操作困难，不易掌握应用：应用：由碳素工具钢制造的易开裂工件，如丝锥。由碳素工具钢制造的易开裂工件，如丝锥。(3) 分级淬火法 将奥氏体化后的钢件置于温将奥氏体化后的钢件置于温度稍高于或低于度稍高于或低于MsMs点的热态点的热态淬火介质中淬火介质中( (熔融硝盐、碱浴熔融硝盐、碱浴或

21、热油或热油) )，保持适当时间，待，保持适当时间，待钢件的内外层温度基本一致钢件的内外层温度基本一致时取出空冷，以获得马氏体时取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺。组织的淬火工艺。优点：优点：内应力小，防止变形和开裂内应力小，防止变形和开裂缺点：缺点：对于碳钢零件，淬火后出现非马氏体组织对于碳钢零件，淬火后出现非马氏体组织应用：应用：稍高于稍高于Ms的分级淬火适用于尺寸较小的合金的分级淬火适用于尺寸较小的合金钢、碳钢零件及工模具；钢、碳钢零件及工模具； 稍低于稍低于Ms的分级淬火适用于尺寸较大的零件和的分级淬火适用于尺寸较大的零件和淬透性较差的钢种。淬透性较差的钢种。(4) 贝氏体等温淬火法

22、将工件加热奥氏体化后，在将工件加热奥氏体化后，在下贝氏体转变温度区间下贝氏体转变温度区间(400 250 C)等温，然后取出空冷，等温，然后取出空冷，使奥氏体转变为以下贝氏体使奥氏体转变为以下贝氏体为主要组织的淬火工艺。为主要组织的淬火工艺。特点：特点：保持较高强度的同时还具有较好的韧性，同保持较高强度的同时还具有较好的韧性，同时淬火变形也小。时淬火变形也小。(5) 马氏体等温淬火法 将工件加热奥氏体化后，置将工件加热奥氏体化后，置于稍低于于稍低于Ms点的淬火介质中点的淬火介质中保持一定时间，使钢发生部保持一定时间，使钢发生部分马氏体转变，然后取出空分马氏体转变，然后取出空冷。冷。特点：特点：

23、组织应力比较小，变形开裂倾向小组织应力比较小，变形开裂倾向小应用：应用：马氏体等温淬火常用于处理一些尺寸要求严马氏体等温淬火常用于处理一些尺寸要求严格，而硬度在格，而硬度在60HRC左右的工具。左右的工具。无变形淬火法(6) 预冷淬火法将淬火件奥氏体化后先在空将淬火件奥氏体化后先在空气中气中(或其它缓冷介质中或其它缓冷介质中)预冷预冷一定时间，使工件的温度降一定时间，使工件的温度降低一些，再置于淬火介质中低一些，再置于淬火介质中冷却的一种淬火方法。冷却的一种淬火方法。预冷的作用：预冷的作用：组织减少工件各部分的温差，减小淬组织减少工件各部分的温差，减小淬火变形和开裂的倾向火变形和开裂的倾向应用

24、：应用：适用于厚薄差异较大的零件。适用于厚薄差异较大的零件。 淬火缺陷与防止淬火缺陷与防止 淬火内应力淬火内应力 淬火时在工件中产生的内应力是造成工件变形和淬火时在工件中产生的内应力是造成工件变形和开裂的根本原因。当内应力超过材料的屈服强度时便开裂的根本原因。当内应力超过材料的屈服强度时便引起工件变形，当内应力超过材料的抗拉强度时便造引起工件变形，当内应力超过材料的抗拉强度时便造成工件的开裂。成工件的开裂。(1) 热应力热应力(2) 组织应力组织应力由于工件在加热和冷却过程中，各部分热胀冷由于工件在加热和冷却过程中，各部分热胀冷缩的不同时性而引起的内应力。缩的不同时性而引起的内应力。工件在加热

25、和冷却过程中，由于各部位组织转工件在加热和冷却过程中，由于各部位组织转变的不同时性而引起的一部分金属对另一部分变的不同时性而引起的一部分金属对另一部分金属的作用力。金属的作用力。淬火变形淬火变形(1) 工件的外形或尺寸发生变化工件的外形或尺寸发生变化 内应力和组织应力引起内应力和组织应力引起(2)体积胀大或缩小体积胀大或缩小(体积变形，比体积差效应体积变形，比体积差效应)相变引起相变引起(1) 化学成分化学成分(2)原始组织原始组织(3)工艺参数工艺参数(4)工件几何形状工件几何形状碳含量碳含量，淬火变形，淬火变形合金元素，淬火变形合金元素，淬火变形缓慢加热，尽量减小淬火冷却速度缓慢加热，尽量

26、减小淬火冷却速度影响因素影响因素工件的原始组织越均匀，热处理变形越小，变形工件的原始组织越均匀，热处理变形越小，变形约有规律，越易于控制约有规律，越易于控制形状简单、截面对称的工件，淬火变形较小形状简单、截面对称的工件，淬火变形较小淬火开裂淬火开裂淬火时产生的内应力淬火时产生的内应力(拉应力拉应力)超过材料的断裂强度超过材料的断裂强度(1) 原材料缺陷原材料缺陷(2) 工件结构设计或选材不当工件结构设计或选材不当(3) 热处理工艺不当热处理工艺不当减少淬火变形及防止开裂的措施减少淬火变形及防止开裂的措施(1) 合理设计工件形状，正确选择材料和确定技术条件合理设计工件形状，正确选择材料和确定技术条件(2