第4章 钢的热处理

第四章钢的热处理热处理概念、特点及功用概念在固态下采用适当的方式进行加热、保温和冷却，从而改变钢的内部组织结构，最终获得所需性能的工艺方法热处理的四大要素加热温度加热速度保温时间冷却速度特点不改变工件的形状，只改变材料的组织结构和性能无固态相变的材料不能用热处理来进行强化功用提高钢的使用性能，改善钢的工艺性能减少零件的重量，延长产品使用寿命，提高产品的产量、质量和经济效益热处理分类钢在加热时的转变固态临界点钢在固态下进行加热、保温和冷却时将发生组织转变Ar1Ar3AccmAC1AC3AccmA1A3AcmS平衡相变临界点：A1、A3、Acm加热相变临界点：Ac1、Ac3、Accm冷却相变临界点：Ar1、Ar3、Arcm转变临界点偏移距离与加热和冷却速度有关钢在加热时的组织转变过程共析钢奥氏体化加热奥氏体化奥氏体晶核形成奥氏体晶粒长大残余渗碳体溶解奥氏体成分均匀化亚共析钢和过共析钢奥氏体化亚共析钢过共析钢先进行：PA然后：先析出相F

A完全奥氏体化不完全奥氏体化影响奥氏体转变过程的因素加热温度和加热速度含碳量原始组织匀细合金元素

T2T1△T1△T2

奥氏体化加速T加奥氏体化加速

奥氏体化加速碳化物形成元素非碳化物形成元素Co、Ni奥氏体化变慢

奥氏体化加速

奥氏体化加速奥氏体晶粒大小及控制晶粒度：表示晶粒大小的一种尺度1～4级为粗晶粒，5～8级为细晶粒，超过8级为超细晶粒控制途径加热温度和保温时间钢的成分（增加未溶碳化物比例）合金元素加入能形成稳定碳化物或稳定氧化物的元素（钛、钒），或能形成氧化物、氮化物的元素（铝）钢在冷却时的转变转变产物与冷却方式和冷却速度有关过冷奥氏体等温转变过冷奥氏体区奥氏体稳定区转变产物区混合区高温中温低温转变产物的组织形态及性能高温转变（珠光体型转变）A1～550℃

转变产物为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状组织，即珠光体型组织。等温温度越低，铁素体层和渗碳体层越薄，层间距越小，硬度越高。根据片层的厚薄不同，这类组织又可细分为三种，分别称为珠光体（P）、索氏体（S）和托氏体（T）中温转变（贝氏体型转变）550℃~MS（马氏体转变开始温度）贝氏体用符号“B”表示，它仍是由铁素体与渗碳体组成的机械混合物，但其形貌及渗碳体的分布与珠光体型不同，硬度也比珠光体型的高上贝氏体下贝氏体低温转变（马氏体型转变）转变温度低于MS

铁、碳原子均不能进行扩散，碳将全部固溶在α-Fe的晶格中，这种含过饱和碳的固溶体称为马氏体，用符号M表示根据组织形态的不同，马氏体可分为高碳马氏体（针状）和低碳马氏体（板条状）两种硬而脆较高的强度、良好的韧性和塑性过冷奥氏体连续冷却转变在生产实践中，过冷奥氏体大多是在连续冷却过程中发生转变的，如在炉内、空气里、油或水槽中冷却钢的退火

钢的退火是将钢材或钢件加热到临界温度以上的适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（通常随炉冷却）以获得接近平衡的珠光体组织的热处理工艺退火目的降低硬度，提高塑性，以利于切削加工或继续冷变形细化晶粒，消除组织缺陷，改善钢的性能，并为最终热处理作组织准备消除内应力，稳定工作尺寸，防止变形与开裂为后续热处理做准备完全退火完全退火是一种将钢加热到Ac3以上30～50℃，保温一定时间，缓慢冷却（随炉或埋入石灰和砂中冷却）至500℃以下，然后在空气中冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺一般常作为一些不重要工件的最终热处理或作为某些重要件的预先热处理使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化；或使中碳以上的碳钢及合金钢得到接近平衡状态的组织，并降低硬度、改善切削加工性能；还可消除残余应力完全退火的保温时间按钢件的有效厚度计算。在箱式电炉中加热时，碳钢厚度不超过25mm需保温1h，以后每增加25mm厚度延长0.5h；合金钢每20mm保温1h。保温后的冷却一般是关闭电源让钢件在炉中缓慢冷却，当冷至500～600℃时即可出炉空冷等温完全退火等温完全退火是将钢件或毛坯加热到高于Ac3或Ac1的温度，保温适当时间后，较快地冷却到珠光体转变温度区间的某一温度，并等温保持使奥氏体转变为珠光体型组织，然后在空气中冷却的退火工艺加热过程较易控制，能获得均匀的预期组织，比完全退火所需时间短球化退火得到球状珠光体主要用于共析钢和过共析钢制造的刀具、量具及模具等零件降低硬度，提高塑性，改善切削加工性能，以获得均匀的组织，改善热处理工艺性能，并为以后淬火做组织准备普通球化退火时采用随炉缓冷，至500～600℃出炉空冷；等温球化退火则先在Ar1以下20℃等温足够时间，然后再随炉缓冷至500～600℃出炉空冷。球化退火是一种将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温一定时间，并缓慢冷却，使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺均匀化退火均匀化退火又称扩散退火，是将钢加热到略低于固相线的温度(1050～1150℃)下长期加热，长时间保温（10～20h），然后缓慢冷却，以消除或减少化学成分偏析及显微组织(枝晶)的不均匀性，从而达到均匀化的目的。主要用于铸件凝固时发生偏析而造成成分和组织的不均匀性的均匀化处理去应力退火去应力退火是为了去除由于塑性变形加工、焊接等造成的应力以及铸件内存在的残余应力而进行的热处理工艺去应力退火的加热温度一般为500～600℃，保温后随炉缓冷至室温去应力退火广泛用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以及机加工件中的残余应力，以稳定钢件的尺寸，减少变形，防止开裂钢的正火钢的正火是将钢材或钢件加热到临界温度（Ac3或Accm）以上适当温度，保温适当时间后以较快速度冷却（通常空气中冷却），以获得珠光体类型组织的热处理工艺正火与退火的主要区别是正火冷却速度稍快，得到的组织较细小，强度和硬度有所提高，操作简便，生产周期短，成本较低正火的应用改善切削加工性能对于低碳钢或低碳合金钢，正火可提高其硬度，防止“粘刀”现象，从而改善切削加工性能消除网状二次渗碳体（强化）对于过共析钢，正火加热到Accm以上，可使网状二次渗碳体充分地溶解到奥氏体中，空冷时，先前的共析碳化物来不及析出，则消除了网状碳化物组织，同时细化了珠光体，使强度提高细化晶粒作为最终热处理退火与正火的应用切削加工性对低、中碳钢宜用正火，以防止“粘刀”现象；高碳结构钢、工具钢以及含合金元素较多的中碳合金钢，宜球化退火降低硬度，以利于切削加工使用性能若零件的性能要求不太高时，可采用正火作为最终热处理；对于一些大型或重型零件，当淬火有开裂危险时，也采用正火作为最终热处理；对于一些形状复杂的零件和大型铸件，宜用退火，以防止正火产生较大的内应力而发生裂纹经济性正火比退火的生产周期短，设备利用率高，节能省时，操作简便，可能的情况下优先采用正火钢的淬火加热温度：Ac3或Ac1以上某一温度亚共析钢为Ac3+(30～100)℃

共析钢、过共析钢为Ac1+(30～70)℃冷却速度：较快获得组织：马氏体或下贝氏体目的：提高钢的硬度和强度淬火加热温度加热时间确定组成：升温时间+保温时间影响因素：工件形状尺寸、装炉方式、装炉量、加热炉类型、加热介质通常根据经验公式估算或通过实验确定

t=KDK:加热系数，1.5~2.0；D：钢件有效厚度冷却介质选择性能要求：足够的冷却能力、较宽的使用范围，同时还应具有不易老化、不腐蚀零件、不易燃、易清洗、无公害、价廉常用淬火介质：水、水溶性的盐类和碱类、矿物油等理想冷却介质vCCABD650℃400℃理想淬火冷却曲线淬火介质水油盐水碱浴硝盐浴冷速650～550℃600℃/s快150℃/s太慢1000～1200℃/s比油快比油稍弱200～300℃270℃/s太快30℃/s慢300℃/s比油弱比油弱特点

高温冷速快，可保证工件淬硬低温冷速快，工件易变形开裂冷却能力对水温敏感杂质使冷却能力下降

低温冷速慢，工件不易变形、开裂高温冷速慢，工件易分解，淬不硬易老化、易燃油温增加，冷却能力增加（20～80℃）

冷却能力强工件表面质量好，硬度均匀易变形开裂易腐蚀

既能保证工件淬硬，又能使变形开列程度减少流动性好工作环境差用途碳钢合金钢小截面碳钢形状简单，截面尺寸大的碳钢小件、形状复杂、精度要求高的工件①②④③

常用淬火方法

优点：操作简单、成本低；缺点：淬火件质量较低、热应力大ClicktoaddTitle1单介质淬火：碳钢—水；合金钢—油1

优点：能保证淬火件的质量要求缺点：操作难度大、热应力大ClicktoaddTitle1

双介质淬火：水—油；水—空气2

优点：热应力小，工件不易变形；缺点：操作难度大ClicktoaddTitle1

分级淬火：转变产物—M；3

优点：综合性能及尺寸精度高、不需回火；缺点：工艺复杂、成本高ClicktoaddTitle1等温淬火：转变产物—B下；4心部表面T(℃)t⊿T钢的淬透性和淬硬性淬透性：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，其大小用淬硬层深度来表示。影响因素：化学成分实用意义：淬透性好可获得性能均匀一致的钢件淬透性差表里不一淬硬性：钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力影响因素：钢在淬火加热时固溶于奥氏体中的含碳量奥氏体中含碳量越高，则其淬硬性越好

钢的淬透性小型工件：V表面＞V心部＞Vk能淬透组织为100%M大型工件：V表面＞Vk＞V心部淬不透表面—M；心部—非M[大尺寸工件的淬透情况示意图][淬透性不同的钢调质后机械性能]淬硬层深度（淬透层深度、有效淬硬尺寸）50%M表面心部淬硬层

半马氏体层的硬度/HRC

钢的淬透性影响淬透性的因素合金元素的影响：除Co、Al，均使C曲线右移淬透性碳的影响：亚共析钢，wcC

曲线右移淬透性过共析钢，wcC

曲线左移淬透性碳钢中共析钢淬透性最好加热条件的影响

钢的淬透性合金元素对钢淬透性的影响※凡是能使A稳定性增加的因素都能增加钢的淬透性

比较钢的淬透性利用淬透性可控制淬硬层深度预测零件淬火后的硬度分布合理选择材料及其热处理工艺

钢的淬透性淬透性原理的应用淬透性原理的应用——选材及热处理工艺制定断面受力均匀、应力状态复杂的重要零件——淬透（螺栓、连杆）受弯曲、扭转应力作用的零件——不必淬透（轴类）受交变应力和震动的弹簧零件，要求无塑性变形，屈强比高——淬透工具类，要求高硬度、强度、耐磨性——高淬透性钢（模具）形状复杂、尺寸精度高的工件——高淬透性钢特殊零件——低淬透性钢（焊接件、齿轮等）大尺寸工件——考虑尺寸效应尺寸小的工件——能淬透——调质处理尺寸大的工件——不能淬透——正火大尺寸工件淬火时——先加工、再淬火螺栓连杆淬火缺陷及预防硬度不足与软点硬度不足：钢件淬火硬化后，表面硬度低于应有的硬度软点：表面硬度偏低的局部小区域主要原因：淬火加热温度偏低保温时间不足淬火冷却速度不够表面氧化脱碳等过热与过烧过热：淬火加热温度过高或保温时间过长，晶粒过分粗大，以致钢的性能显著降低的现象补救措施：正火过烧：加热温度达到钢的固相线附近时，晶界氧化和开始部分熔化的现象（无法补救、报废）预防措施：正确选择和控制淬火加热温度和保温时间变形与开裂淬火冷却应力：工件淬火冷却时，由于不同部位存在温度差异及组织转变的不同时性所引起的应力。当淬火应力超过钢的屈服点时，工件将产生变形；当淬火应力超过钢的抗拉强度时，工件将产生裂纹，从而造成废品预防措施：合理进行零件结构设计合理选材合理制定加工工艺流程合理制定热处理工艺及时回火氧化与脱碳氧化：工件加热时，介质中的氧、二氧化碳和水等与金属反应生成氧化物的过程脱碳：加热时由于气体介质和钢铁表层碳的作用，使表层含碳量降低的现象主要措施：采用保护气氛或可控气氛加热在工作表面涂上一层防氧化剂不同冷却条件下的转变产物等温退火P退火(炉冷)正火(空冷)S(油冷)T+M+A’等温淬火B下M+A’分级淬火M+A’淬火(水冷)A1MSMf时间温度淬火PP均匀A细A？？？淬火钢回火

回火目的（1）降低脆性，减少或消除内应力，防止工件的变形和开裂（2）稳定组织，调整硬度（3）稳定工件尺寸（4）降低钢的硬度，以利于切削加工

回火：将淬火后的钢件重新加热到A1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺

钢的回火回火时的组织转变及性能变化回火阶段组织变化内应力体积性能回火后组织（一）＜200℃（二）200～300℃（三）300～400℃（四）＞400℃c/a»1c/a＞

1c/a＞1c/a＝1εFe3CArB下或M回马氏体分解MH不变或略δ、ψ、ak略含C过饱和α(针)+ε(点)

M回马氏体分解残余奥氏体分解(略)σ、H(略)

脆性M回1马氏体分解碳化物聚集长大α相（F）的回复和再结晶消失Hδ、ak＞M回σ、H较高弹性最佳σs

最佳针状

F+颗粒状Fe3C

T回σ、Hδ、ψ、ak综合性能最佳等轴

F+颗粒状Fe3C

S回

钢的回火回火后钢的的组织回火托氏体回火索氏体

回火板条马氏体

回火片状马氏体马氏体回火后钢的的性能[40Cr钢经不同温度回火后的机械性能](直径D=12mm,油淬)回火工艺分类

钢的回火工艺名称回火温度(℃)回火后组织回火后硬度(HRC)性能特点用途低温回火150～250M回58～64硬度耐磨性内应力降低工具钢、滚动轴承渗碳件、表面淬火件※调质处理＝淬火＋高温回火中温回火350～500T回35～50弹性σs

屈强比(σs/σs)一定韧性、抗疲劳性弹簧钢、热作模具高温回火500～600S回25～35综合性能重要结构件、机械零件

钢的回火回火脆性

回火脆性的概念

第一类回火脆性250～350℃（低温、不可逆）

产生范围：所有钢

防止措施：避免在该脆性区回火加少量Si

第二类回火脆性500～650℃

（高温、可逆）产生范围：部分合金结构钢（含Cr、Ni、Si、Mn）

防止措施：回火后快冷加少量Mo、W

减少钢中杂质改变热处理工艺[形变热处理]钢的表面热处理

仅对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺称为表面热处理

表面淬火火焰加热表面淬火采用氧—乙炔(或其他可燃气体)火焰,喷射在工件的表面上，使其快速加热，当达到淬火温度时立即喷水冷却，从而获得预期的硬度和有效淬硬层深度的一种表面淬火方法常选中碳钢、中碳合金钢、铸铁有效淬硬深度一般为2～6mm

适用于单件或小批量生产的大型工件或局部淬火的工具——工件表层迅速加热到淬火温度进行淬火的工艺方法感应加热表面淬火利用感应电流流经工件而产生热效应（集肤效应），使工件表面迅速加热并进行快速冷却(水或油）的淬火工艺分类频率淬火深度应用工频50（HZ)10~20大型轴（轧辊、车轮）中频2500~8000(HZ)2~10尺寸较大的轴类零件（中型曲轴）、大模数齿轮高频50~300(KHZ)0.5~2.5中小型零件（凸轮轴、摇杆）超高汽车齿圈特点：淬火质量好，淬火后晶粒细小，不易氧化和脱碳，不易变形；淬硬层深度易于控制适宜大批量生产激光加热表面淬火优点：加热点准确，热应力小能量利用率高易于对形状复杂的工件进行表面淬火淬硬层：0.2~0.8mm

将激光束照到工件表面，使工件表面迅速加热到奥氏体化状态，当光束移开后，由于基体金属大量吸热而使工件表面获得急速冷却，以实现工件表面自冷淬火的工艺方法。电解液加热表面淬火

淬火部分置于电解液中，作为阴极，金属电解槽作为阳极。电路接通，电解液产生电离，阳极放出氧，阴极放出氢。氢围绕阴极工件形成气膜，产生很大的电阻，通过的电流转化为热能将工件表面迅速加热到临界点以上温度。电路断开时，气膜消失，加热的工件在电解液中实现淬火冷却。钢的化学热处理目前常用的化学热处理有：渗碳、渗氮、碳氮共渗等渗碳为了增加钢件表层的含碳量和一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入表层的化学热处理工艺

化学热处理是指将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入其表层，以改变化学成分、组织和性能的热处理工艺渗碳作用：提高工件表面的硬度、耐磨性及疲劳强度，心部保持良好的塑性和韧性。渗碳用钢：碳的质量分数一般为0.1%～0.25%的低碳钢和低碳合金钢渗碳方法可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳三种渗氮（AC1以下）作用：替高工件的表面硬度、耐磨性以及疲劳强度和耐蚀性特点：无需淬火便具有高的硬度、耐磨性和热硬性，还具有良好的抗蚀性和高的疲劳强度，工件的变形小。但渗氮的生产周期长，一般要得到0.3～0.5mm的渗氮层，气体渗氮时间约需30～50小时，成本较高；渗氮层薄而脆，不能承受冲击。应用：要求表面