金属热处理讲课材料

金属热处理讲课材料第一页，共五十页，编辑于2023年，星期六2

◆钢的热处理

以适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温，并以适当的速度冷却到室温，以改变钢的内部组织，从而得到所需性能的工艺方法。

◆热处理的目的

1、消除毛坯中的缺陷，改善工艺性能，

为切削加工或热处理做组织和性能上的准备。

2、提高金属材料的力学性能，充分发挥

材料的潜力，节约材料延长零件使用寿命。

第二页，共五十页，编辑于2023年，星期六3

◆热处理的应用

热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。至于模具、滚动轴承则要100%经过热处理总之，重要的零件都要经过适当的热处理才能使用。

◆热处理特点

热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。◆热处理适用范围只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。第三页，共五十页，编辑于2023年，星期六4◆热处理的方法（按工艺方法不同划分）

退火：完全退火、球化退火、去应力退火等正火淬火回火：低温回火、中温回火、高温回火固溶热处理固溶热处理和时效表面淬火：火焰加热、感应加热、激光加热物理气相沉积化学气相沉积等离子化学气相沉积渗碳渗氮碳氮共渗其它：渗其它金属或非金属、多元共渗整体热处理表面热处理化学热处理第四页，共五十页，编辑于2023年，星期六第五页，共五十页，编辑于2023年，星期六6【相变点】金属或合金在加热或冷却过程中，发生相变的温度称为相变点或临界点。在铁碳合金状态图中，A1、A3、Acm

是任一碳含量的碳钢在平衡条件下其固态组织转变的临界点。实际加热时的临界点标注为：

Ac1、Ac3、Accm实际冷却时的临界点标注为：

Ar1、Ar3、Arcm

第一节钢在加热时的组织转变大多数零件的热处理都是先加热到临界点以上某一温度区间，使其全部或部分得到均匀的奥氏体组织，然后采用适当的冷却方法，获得所需要的组织结构。第六页，共五十页，编辑于2023年，星期六【奥氏体化】将共析钢、亚共析钢、过共析钢分别加热至A1、A3、Acm线以上时，都完全转化为单相奥氏体，这种加热转变称为奥氏体化。一、奥氏体的形成

(以共析钢为例)1.奥氏体化的转变

共析钢在室温的平衡组织是珠光体，即铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物。

共析钢加热到A1点（727℃）以上：珠光体→奥氏体转变•在加热过程中，珠光体向奥氏体转变是由化学成分和晶格类型都不相同的两相转变为另一种化学成分和晶格类型的相的过程。•在转变过程中必须进行渗碳体的溶解和铁的晶格类型的转变。第七页，共五十页，编辑于2023年，星期六8

①加热到Ac1时，A晶核形成；

②A晶核长大；Fe3C溶解；

③残余Fe3C溶解；

④A化学成分的均匀化。

2

奥氏体的形成是通过奥氏体形核和核长大过程来实现的。珠光体向奥氏体转变可以分为四个阶段：第八页，共五十页，编辑于2023年，星期六9

温度——温度越高，原子扩散能力越大，加速奥氏体形成。

原始组织——原始组织越细，相界面越多，提供的奥氏体晶核就愈多，碳原子的扩散距离也越短，加速奥氏体形成。

钢的成分——含碳量增加，F和Fe3C相界面越多，加速奥氏体形成。

加入合金元素后不改变A形成的基本过程，但会减缓A的形成速度。3影响奥氏体形成的因素

亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程基本上与共析钢相同，不同之处是在加热时有过剩相出现。第九页，共五十页，编辑于2023年，星期六10

二奥氏体晶粒长大及其控制措施

◆

生产中常采用以下措施来控制奥氏体晶粒的长大。

1）合理选择加热温度和保温时间

2）选用含有合金元素的钢——大多数合金元素，如Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、等，在钢材中均可以形成难溶于奥氏体的碳化物，分布在晶粒边界上，阻碍奥氏体晶粒长大。3）

合理选择钢的原始组织

◆

奥氏体晶粒细小，则其转变产物的晶粒也较细小，其性能也较好；反之，转变产物的晶粒则粗大，其性能则较差。◆

将钢加热到临界点以上时，刚形成的奥氏体晶粒都很细小。如果继续升温或延长保温时间，便会引起奥氏体晶粒长大。第十页，共五十页，编辑于2023年，星期六11

第二节钢在冷却时的组织转变

一、钢在冷却时的组织转变

在一定冷却速度下进行冷却时，奥氏体要过冷到A1温度以下才能完成转变。

在共析温度以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体，也称亚稳奥氏体，它有较强的相变趋势。

钢在冷却时，可以采取两种冷却转变方式：等温转变和连续冷却转变。

第十一页，共五十页，编辑于2023年，星期六12

【连续冷却转变】

工件奥氏体化后以不同冷却速度连续冷却时过冷奥氏体发生的相变。

【等温转变】

工件奥氏体化后，冷却到临界点以下的某一温度区间内等温保持时，过冷奥氏体发生的相变。采用不同的冷却方法，冷却速度不同，奥氏体在不通过冷度下转变后的组织和性能不同。（表6-3）

第十二页，共五十页，编辑于2023年，星期六13

【高温转变】

珠光体型转变

共析钢成分的奥氏体过冷到A1—550℃之间奥氏体等温转变产物属于珠光体型组织。

珠光体(P)

(A1～650℃)

索氏体(S)

(650～

600℃)

屈氏体(托氏体)(T)

(600～

550℃)二、共析钢过冷奥氏体等温转变产物组织和性能

光学显微500×第十三页，共五十页，编辑于2023年，星期六14电子显微1500×索氏体托氏体电子显微1．5000×第十四页，共五十页，编辑于2023年，星期六15

【中温转变】贝氏体形转变

奥氏体在550℃--230℃保温转变为贝氏体型转变，其组织类型为贝氏体组织。分为上贝氏体和下贝氏体。

■贝氏体（B）——含碳过饱和的F与碳化物的机械混合物。

①550～350℃—羽毛状——上贝氏体(B上)

②350℃～Ms——竹叶状——下贝氏体(B下)

第十五页，共五十页，编辑于2023年，星期六16下贝氏体（B下）

上贝氏体（B上）光学显微500×第十六页，共五十页，编辑于2023年，星期六17【低温转变】马氏体型转变

230℃～

－60℃（Ms-Mf）发生马氏体型转变，其组织类型为马氏体组织。分为板条状和双凸透镜状马氏体。

■马氏体(M)——碳在α-Ｆｅ中的过饱和固溶体。

【特点】单相亚稳组织，硬度较高。马氏体的硬度主要取决于马氏体中碳的质量分数。马氏体中由于溶入过多的碳原子，使α-Fe晶格发生畸变，增加其塑性变形抗力，故马氏体中碳的质量分数越高，其硬度也越高。

第十七页，共五十页，编辑于2023年，星期六18板条状马氏体双凸透镜状（针状）马氏体

采用等温转变可以获得单一的珠光体、索氏体、托氏体、上贝氏体、下贝氏体和马氏体组织。

而采用连续冷却转变时，由于连续冷却转变是在一个温度范围内进行，其转变产物往往不是单一的，根据冷却速度的变化，有可能是P＋S、S＋T或T＋M等。第十八页，共五十页，编辑于2023年，星期六19

退火与正火是钢材常用的两种基本热处理工艺方法，主要用来热处理钢制毛坯件，为以后切削加工和最终热处理做组织准备，因此，退火与正火通常又称为预备热处理。对一般铸件、焊件以及性能要求不高的工件来讲，退火和正火也可作为最终热处理。第三节退火和正火

退火是将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。

目的是消除钢材内应力；降低钢材硬度，提高钢材塑性；细化钢材组织，均匀钢材成分，为最终热处理做好组织准备。

根据钢材化学成分和退火目的不同，退火通常分为：完全退火、球化退火、去应力退火、扩散退火和再结晶退火等。一、退火第十九页，共五十页，编辑于2023年，星期六20

【工艺】

加热到Ac3以上20~30℃，保温适当时间，随炉冷至500℃以下，空冷至室温。

【目的】细化晶粒，均匀组织，消除内应力。

【组织】P＋F

【用途】主要用于亚共析钢制作的铸件、锻件、焊件等。1、完全退火

是将工件完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火。第二十页，共五十页，编辑于2023年，星期六21

【工艺】

把钢加热到Ac1线以上20～30℃，保温一定时间，随炉缓慢冷却。

【目的】

使片状或网状渗碳体转变成颗粒球状（颗粒状）降低钢材硬度，改善钢材切削加工性，并为淬火作组织准备。

2球化退火

球化退火是使工件中碳化物球状化而进行的退火，所得到的室温组织为铁素体基体上均匀分布着球状(粒状)渗碳体，即球状珠光体组织。

第二十一页，共五十页，编辑于2023年，星期六22

【组织】

P＋Fe3C（球状）

【用途】主要用于过共析钢和共析钢制造的刃具、量具、模具等零件。第二十二页，共五十页，编辑于2023年，星期六233、去应力退火

►去应力退火是为去除工件塑性形变加工、切削加工或焊接加工过程中造成的内应力及铸件内存在的残余应力而进行的退火。

►

钢材在去应力退火的加热及冷却过程中无相变发生。

【工艺】

加热到Ac1以下的500~650℃，

保温，缓冷至室温。

【目的】

消除铸件、锻件、焊接件等的

残余内应力，稳定工件尺寸。

【用途】主要用于消除钢制工件在切削

加工、铸造、锻造、热处理、焊接等过程

中产生的残余应力并稳定其尺寸。

第二十三页，共五十页，编辑于2023年，星期六24二、钢的正火

【工艺】将钢加热到Ac3

线以上30～50℃

（亚共析钢）或Accm线以上30～50℃

（过共析钢），保温后在空气中冷却，得到细珠光体组织（索氏体或托氏体）。

【组织】

亚共析钢

S＋F

过共析钢

S＋Fe3C（粒）【目的】

细化晶粒，提高钢材硬度，消除钢材中的网状渗碳体，并为淬火、切削加工等后续工序作组织准备。第二十四页，共五十页，编辑于2023年，星期六25【应用】

1）对于含碳量0.3～0.5％的钢件，用正火代替退火；含碳量低于0.3％的钢件，采用正火，能提高硬度利于切削。

2）用于普通结构件的最终热处理；

3）用于过共析钢，减少或消除网状二次渗碳体，为球化处理作准备。

4）用于淬火返修件，消除应力，细化组织，防止重新淬火时产生变形与开裂。第二十五页，共五十页，编辑于2023年，星期六26

淬火是指工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或(和)贝氏体组织的热处理工艺。淬火时的临界冷却速度是指钢材获得马氏体的最低冷却速度。

马氏体是碳或合金元素在α-Fe中的过饱和固溶体，是单相亚稳组织，硬度较高,用符号M表示。马氏体的硬度主要取决于马氏体中碳的质量分数。马氏体中由于溶入过多的碳原子，使α-Fe晶格发生畸变，增加其塑性变形抗力，故马氏体中碳的质量分数越高，其硬度也越高。第四节

淬火

一、淬火的目的淬火的目的主要是使钢件得到马氏体(或贝氏体)组织，提高钢件的硬度和强度，与回火工艺合理配合，更好地发挥钢材的性能潜力。第二十六页，共五十页，编辑于2023年，星期六271．淬火加热温度

亚共析钢淬火加热温度为Ac3线以上30℃～50℃。

共析钢和过共析钢淬火加热温度为Ac1线以上30℃～50℃。

2．淬火介质

常用的淬火冷却介质有油、水、盐水、碱水等。

二、淬火加热温度与淬火介质

►

一般过共析钢，淬火前需要正火或球化退火，消除网状渗碳体。第二十七页，共五十页，编辑于2023年，星期六28三、淬火方法

(1)单液淬火——是将已奥氏体化的钢件在一种淬火介质中冷却的方法。

例如，低碳钢和中碳钢在水中淬火，

合金钢在油中淬火等。

操作简便，易实现自动、机械化。

主要应用于形状简单的钢件。

第二十八页，共五十页，编辑于2023年，星期六29

(2)双液淬火是将工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质中，在组织即将发生马氏体转变时立即转入冷却能力弱的介质中冷却的方法。

例如，先在水中冷却后在油中冷却的双液淬火。

即可淬硬又可避免开裂和变形，但操作困难。

主要适用于中等复杂形状的高碳钢工件和较大尺寸的合金钢工件。

第二十九页，共五十页，编辑于2023年，星期六30(3)马氏体分级淬火

——将工件加热奥氏体化后浸入温度稍高于或稍低于Ms点的盐浴或碱浴中，保持适当时间，在工件整体达到冷却介质温度后取出空冷以获得马氏体组织的淬火方法。

马氏体分级淬火能够减小工件中的热应力，并缓和相变时产生的组织应力，减少淬火变形。

适用于尺寸比较小、形状复杂的工件的淬火。第三十页，共五十页，编辑于2023年，星期六31(4)贝氏体等温淬火

——工件加热奥氏体化后快冷到贝氏体转变温度区间等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火。淬火后淬火应力与变形小，工件具有较高的韧性、塑性和耐磨性。可用来处理各种中碳钢、高碳钢和合金钢制造的小型复杂工件。第三十一页，共五十页，编辑于2023年，星期六

1.淬透性

——钢在规定淬火条件下，可以达到的淬硬层深度。

淬透性是钢材的一种属性，是指钢淬火时获得马氏体的能力。

影响因素：钢的成分；过冷奥氏体的稳定性，即Vk，临界冷却速度越低，钢的淬透性越好。

淬透性好的钢在淬火冷却时可采用比较缓和的淬火冷却介质，减小工件淬火变形及开裂的倾向。

不同化学成分的钢淬火后所得马氏体组织的硬度值是不同的。

2.淬硬性

——钢在正常淬火条件下，淬火形成的马氏体所能达到的最高硬度。

淬硬性取决于马氏体的含碳量，含碳量越高，碳的过饱和度就越大，硬度越高。二、淬硬性和淬透性

第三十二页，共五十页，编辑于2023年，星期六33

第五节

回火

【回火】是指工件淬硬后，加热到Ac1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。

【目的】

①降低材料的脆性、消除内应力，稳定组织。

②调整性能以获得较好的强度和韧性配合。

③稳定工件尺寸。

【特点】

淬火钢随着回火温度的升高，硬度、强度下降，塑性韧性升高。

第三十三页，共五十页，编辑于2023年，星期六34一钢在回火时的组织和性能的变化

1T≤

200℃→马氏体分解

①T=0～80℃

→淬火钢没有明显的组织转变

②T=80～200℃

→马氏体分解阶段

【回火马氏体】过饱和度较低的马氏体和

极细微碳化物的混和组织（M′）。

第三十四页，共五十页，编辑于2023年，星期六35

2

T=200～300℃→残余奥氏体分解►分解为α相和碳化物的混合组织，即形成下贝氏体（B下）。3

T=250～400℃

→碳化物转变【回火托氏体】铁素体基体内分布着细小粒状（或片状）渗碳体组织（T′）。►此阶段淬火应力基本消除，硬度有所下降，塑性、韧性得到提高。第三十五页，共五十页，编辑于2023年，星期六36

4）T≥400℃→碳化物的聚集长大；铁素体的再结晶

【回火索氏体】

铁素体基体上分布着粒状碳化物（S′）。►此阶段淬火应力和晶格畸变完全消除。第三十六页，共五十页，编辑于2023年，星期六37二、回火方法及其应用

1.低温回火

•低温回火温度范围是在250℃以下。

•

经低温回火后组织为回火马氏体（M′）。

•

低温回火后硬度一般为58～62HRC。

•

主要用于高碳钢、合金工具钢制造的刃具、量具、冷作模具、滚动轴承及渗碳件、表面淬火件等。

2.中温回火

•中温回火温度范围是在250℃～450℃。

•淬火钢经中温回火后组织为回火托氏体（T′），

•中温回火后硬度一般为35～50HRC。

•主要用于处理弹性元件，如各种卷簧、板簧、弹簧钢丝等。

第三十七页，共五十页，编辑于2023年，星期六383.高温回火

•高温回火温度范围是在500℃以上。

•

淬火钢经高温回火后组织为回火索氏体（S′）。

•回火后硬度一般为200～330HBW。

•

钢件淬火加高温回火的复合热处理工艺又称为调质处理，它主要用于处理轴类、连杆、螺栓、齿轮等工件。

◆调质处理一般作为最终热处理，但由于调质处理后钢的硬度不高，便于切削加工，并能得到较好的表面质量，故也作为表面淬火和化学热处理的预备热处理。一般说来，回火钢的性能只与加热温度有关，而与冷却速度无关。第三十八页，共五十页，编辑于2023年，星期六39§6-6钢的表面热处理和化学热处理

一、钢的表面热处理

为改变钢的表层组织和性能，仅对其表层进行的热处理工艺。

■表面淬火

【目的】

使工件表面获得高硬度和耐磨性，而心部保持较好的塑性、韧性，以提高其在扭转、弯曲等交变载荷或在摩擦、冲剂、接触应力大等工作条件下的使用寿命。

【基本原理】通过快速加热使钢表层奥氏体化，且不等热量传递至心部，立即淬火冷却，结果使表层获得硬而耐磨的马氏体组织，心部则保持原有的组织状态。【表面淬火方法】按加热方法的不同，表面淬火方法主要有：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热表面淬火及电解液加热表面淬火等。第三十九页，共五十页，编辑于2023年，星期六40（一）感应加热表面淬火

利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表层、局部或表面加热并进行快速冷却的淬火工艺。

1基本原理

依靠感应电流产生的热效应，可以使工件表层在几秒钟内快速加热到淬火温度，然后迅速喷水冷却，以淬硬工件表面层。

第四十页，共五十页，编辑于2023年，星期六412特点

加热时间短，工件基本无氧化和脱碳现象，变形小；奥氏体晶粒细小，淬火后可以获得细小马氏体组织，提高工件的疲劳强度。

加热速度快，热效率高，生产率高，易实现机械化、自动化，适于大批量生产。

感应加热设备投资大，维修调试比较困难。3应用用于中碳钢和中碳合金钢制造的中型工件。4分类

第四十一页，共五十页，编辑于2023年，星期六42

感应加热表面淬火零件的工艺路线一般是：

毛坯锻造（或轧材下料）→退火或正火→粗加工→调质→精加工→感应加热表面淬火→低温回火→磨削加工。

淬火时工件表面加热深度主要取决于电流频率。

感应加热表面淬火后，需要进行低温回火。回火温度比普通回火温度稍低，以降低淬火应力。(二)

火焰加热表面淬火

1原理

利用氧—乙炔或者其他可燃气体燃烧的火焰对工件表面加热，随之快速冷却的淬火工艺。第四十二页，共五十页，编辑于2023年，星期六43

2工艺特点

①淬硬层深度一般为2～6mm。

②操作简单，不需要特殊设备，成本低。

③生产率低，工件表面容易过热，质量较难控制。

3用途

主要用于单件或小批量

生产的中碳钢及中碳合金钢

工件，如各种齿轮、轴、轧

辊等。第四十三页，共五十页，编辑于2023年，星期六44

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到它的表面，以改变其化学成分、组织和性能。

化学热处理由分解、吸收和扩散三个基本过程所组成。

1）渗入介质在高温下通过化学反应进行分解，形成渗入元素的活性原子；

2）渗入元素的活性原子被钢件的表面吸附，进入晶格内形成固溶体或形成化合物；

3）被吸附的渗入原子由钢件的表层逐渐向内扩散，形成一定深度的扩散层。

常用化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗硅

二、钢的化学热处理第四十四页，共五十页，编辑于2023年，星期六45

为提高工件表层碳的质量分数并在其中形成一定的碳含量梯度，将工件在渗碳介质中加热、保温，使碳原子渗入的化学热处理工艺称为渗碳。渗碳所用钢种一般是碳的质量分数为0.10%～0.25%的低碳钢和低合金钢，如15、20、20Cr、20CrMnTi等钢。

经渗碳后的工件，都要进行淬火和低温回火，使工件表面获得高硬度(56～64HRC)、高耐磨性和高疲劳强度，而心部仍保持一定的强度和良好的韧性。

渗碳被广泛应用于要求表面硬而心部韧的工件上，如齿轮、凸轮轴、活塞销。

（一）渗碳第四十五页，共五十页，编辑于2023年，星期六46

根据渗碳时介质的物理状态不同，渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳，其中气体渗碳应用最广泛。

【气体渗碳工艺】

采用液体或气体碳氢化合物作为渗碳剂，如：煤油、甲苯或含碳的气体。

渗碳温度T=900~950℃。

保温时间—取决于要求的渗碳层深度，从几小时到十几小时不等。

零件表面含碳量Wc=0.8~1.1%

渗层深度：0.5~2mm

渗碳零件的加工工艺路线一般如下：

毛坯锻造（或轧材下料）→正火→粗加工、