材料科学基础-第9章3

9.5钢的退火与正火

9.5.1退火9.5.2正火

9.5.1退火

1.退火的目的、工艺分类及应用

将钢加热到临界温度Ac1以上或以下温度，保温一定时间，然后缓慢冷却(如炉冷、坑冷、灰冷)获得接近平衡组织的热处理工艺，称为退火。相变重结晶退火

低温退火

按加热温度可分为两大类:2.完全退火（fullannealing）

T加＝Ac3＋30～50℃组织：P+F目的：①细化、均匀化粗大、不均匀原始组织；②降低硬度→切削性↑③消除内应力。将钢加热到到Ac3以上30～50℃，保温一定时间后，缓慢冷却以获得近似平衡组织的热处理工艺。9.5.1退火

3.不完全退火

将钢件加热至Ac1～Ac3或Accm之间的适当温度，保温后缓慢冷却的工艺方法。不完全退火主要用于过共析钢获得粒状珠光体组织，因此它又称为球化退火，其主要目的是降低硬度，改善切削加工性能，消除内应力，同时为下道工序作好组织准备。9.5.1退火

4.球化退火（spheroidizingannealing）

加热温度略高于Ac1温度（Ac1＋20～30℃）保温，炉冷到Ar1以下等温一段时间或以非常缓慢的速度冷却。组织：球状P（

+粒状Fe3C）目的：①使Fe3C球化→硬度↓，韧性↑→切削性↑②为淬火作组织准备应用范围：高碳钢、合金工具钢9.5.1退火

图9‑80过共析钢的网状渗碳体组织

球化退火后组织图9‑81等温球化退火工艺曲线常见的球化退火工艺主要有低温球化退火、一次球化退火、等温球化退火及周期球化退火。目前生产上用的较多的是等温球化退火。AccmAclAc1十(20～30℃)t/hT/℃Ar1-(20~30℃)1T/℃AccmAclt/hAr1-(20~30℃)1Ac1十(10～20℃)图9‑82周期球化退火工艺曲线9.5.1退火

5.等温退火将钢材或钢制工件加热到高于Ac3(亚共析钢)或Ac1～Accm之间(过共析钢)的温度，保温后快冷到低于Ar1以下的某个温度，等温保持足够时间，使珠光体转变完毕，然后出炉空冷(或油冷、水冷)，此种工艺称为等温退火（isothermalannealing）。可以得到比完全退火更为均匀的组织和性能，同时还能有效地消除锻造应力，而工艺周期却比完全退火缩短了大约一半(特别是对于合金元素含量比较多的钢)。9.5.1退火

6.扩散退火目的：消除偏析，使成分、组织均匀化。适于钢种：合金钢、铸件、焊接件及锻坯。组织：P+F或P+Fe3CII将金属铸锭、铸件或锻坯，在略低于固相线的温度（1050-1150℃）长时间加热，以消除或减少晶内偏析（枝晶偏析），达到均匀化的目的，这种热处理工艺称为扩散退火（亦称为均匀化退火）。9.5.1退火

7.去应力退火加热温度＜Ac1，一般为500～650℃。目的：消除冷热加工后的内应力，以稳定尺寸，减少变形。应用举例：铸造或焊接的机床床身、导轨；机加工成型的螺旋被动锥齿轮。将冷变形后的金属加热到再结晶温度以下保温，然后缓慢冷却（如炉冷）到200～300℃出炉空冷的热处理工艺称为去应力退火。9.5.1退火

8.再结晶退火加热温度：T再+100～200℃，一般在650～700℃之间目的：消除加工硬化应用：冷冲杯、桶形件、冷拔棒、冷轧板等。将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持适当的时间，使变形晶粒重新形核，转变为均匀细小的等轴晶粒，同时消除加工硬化的热处理工艺称为再结晶退火

9.5.1退火

9.5.2正火(normalizing)

将钢加热到Ac3（或Accm）以上30~50℃，保温一定时间，然后空冷（风冷、喷雾）的热处理工艺。组织：S（+F少或Fe3CII少）应用：1.作为预先热处理的正火工艺（1）改善低碳钢切削加工性能。2.消除中碳钢热加工缺陷。消除魏氏组织、粗大晶粒等过热缺陷和带状组织。

高碳钢中的W中碳钢中的W低碳钢中的带状组织9.5.2正火(normalizing)

3.消除过共析钢的网状碳化物。高碳钢退火组织Fe3CII2.作为最终热处理的正火工艺（1）提高普通结构件的力学性能。（2）避免淬火时的变形和开裂(但不能充分发挥材料的性能潜力)。9.5.2正火(normalizing)

9.6钢的淬火与回火9.6.1钢的淬火(quenching)9.6.2钢的回火9.6.3淬火加热缺陷及其防止方法9.6.1钢的淬火(quenching)1.淬火工艺（1）淬火加热温度的的选择淬火就是把钢加热到临界温度（Ac1或Ac3以上），保温一定时间使之奥氏体化后快速冷却从而获得马氏体组织的热处理工艺亚共析钢：Ac3＋30～50℃共析钢、过共析钢：Ac1＋30～50℃完全淬火不完全淬火

（2）淬火冷却介质水盐水油硝盐浴和碱浴聚乙烯醇水溶液钢的理想冷却曲线示意图9.6.1钢的淬火(quenching)（3）淬火方法

b.单液淬火一种淬火介质。如：水冷、油冷

c.双液淬火高温区：冷却能力较强的介质低温区：冷却能力较弱的介质如：水－油、油－空气a.预冷淬火加热、保温后先在空气或热水中预冷一段时间后，再放入淬火冷却介质中。

9.6.1钢的淬火(quenching)d.

分级淬火e.等温淬火：在下B转变区的盐浴或碱浴中等温→下B（等温温度和时间由该钢C曲线定）在Ms以上或以下的盐浴中保温然后空冷。各种淬火方法的示意图bcdeA1MS时间温度a9.6.1钢的淬火(quenching)（4）冷处理目的：为了尽量减少钢中残余奥氏体的数量以获得最大数量的马氏体。作用：这样一方面可以提高钢的硬度和耐磨性，另一方面可以稳定工件的尺寸，防止在使用中变形，这对于高精度的量具、精密零件尤为重要。冷处理就是将淬火钢继续冷却到－70～－80℃（也可冷却到更低的温度），并保持一段时间，使残余奥氏体在继续冷却中转变为马氏体。9.6.1钢的淬火(quenching)2.钢的淬透性(hardenability)

（1）什么是淬透性淬透性：钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。即在淬火条件下得到M组织的能力。一般规定从表面到50%非马氏体深度的距离作为淬硬层深度。钢的淬硬性：淬火后所达到的最高硬度值。主要取决于M中含碳量。M中含碳量愈高，淬硬性愈好。9.6.1钢的淬火(quenching)（2）淬透性的测定及表示方法临界淬火直径法9.6.1钢的淬火(quenching)末端淬火法©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.9.6.1钢的淬火(quenching)淬透性表示方法：d—测试点至水冷端的距离（mm）。HRC—测试点处的硬度值J－Jominy大写字头如：距水冷端3mm处的硬度值为43HRC。表示为9.6.1钢的淬火(quenching)（3）影响淬透性的因素

1）钢的化学成分

含碳量亚共析钢C%↑→Vc↓→淬透性↑；过共析钢C%↑→Vc↑→淬透性↓；共析钢的Vc最小，淬透性最好。合金元素除Co外，其余合金元素降低Vc，C曲线右移，淬透性↑。9.6.1钢的淬火(quenching)2）奥氏体化条件的影响奥氏体化温度越高、保温时间越长，则奥氏体晶粒越粗大，成分越均匀，奥氏体就越稳定，从而抑制珠光体或贝氏体的形核率，降低了临界淬火速度，增加淬透性。钢中未溶入奥氏体的第二相，由于促进珠光体、贝氏体等相变的形核，降低奥氏体的稳定性，从而使淬透性下降。9.6.1钢的淬火(quenching)9.6.2钢的回火

——淬火钢加热到A1以下，保温一定时间，然后冷却的热处理工艺。目的：3.

获得所要求的组织和性能。如：M回、S回、T回等。1.降低脆性，减少或消除内应力、防止工件变形和开裂。2.

减少残余奥氏体，稳定组织、稳定尺寸。1.

低温回火（150～250℃）回火组织：回火马氏体（M回）（过饱和α固溶体十ε碳化物）——由M中析出极细小片状ε碳化物目的：保持高硬度，降低脆性及残余应力。应用：用于工模具钢、表面淬火及渗碳淬火件。9.6.2钢的回火淬火M回火M2.中温回火(350～

500℃)

——亚稳定ε碳化物溶入α相中，从α相中析出细粒状的渗碳体。α相仍保持M形态。组织：α相＋细粒状Fe3C→回火屈氏体（T回）。目的：硬度下降，韧性、弹性极限和屈服强度↑。应用：用于弹性元件，如弹簧等。T回火TT3.高温回火(500～650℃）

目的：较高的强度、硬度、塑性、韧性，即具有良好综合力学性能，优于正火得到的组织。应用：重要结构零件。如轴、螺栓、连杆、齿轮等。碳化物聚集长大及α相回复、再结晶。组织：多边形α相＋颗粒状Fe3C→回火索氏体（S回）。淬火+高温回火→调质处理，简称调质。

回火SS9.6.3淬火加热缺陷及其防止方法3.

欠热：造成工件淬火后硬度不足2.

过热或过烧过热——加热温度过高或保温时间过长所造成的

A晶粒粗大。过烧——加热温度过高或超过固相线温度， 使A晶界局部熔化或氧化。1.氧化与脱碳9.7形变热处理9.7.1高温形变热处理9.7.2低温形变热处理9.7.1高温形变热处理将钢加热到稳定的奥氏体区内进行塑性变形(如锻、轧等)，然后立即淬火并回火至所需要的性能。该工艺的优点是变形在高塑性区进行，变形和淬火加热合二为一，对变形设备要求不高。锻造余热淬火和轧制热淬火都属于此类。与普通淬火相比，这种热处理可提高钢的强度10～30％，提高塑性40～50％，还大大提高韧性，降低缺口敏感性和韧脆转变温度等。对钢材无特殊要求，一般碳钢及合金钢零件以及加工量不大的锻件或轧材均可应用，如连杆、曲轴、弹簧、叶片等。二、低温形变热处理

将钢加热至奥氏体状态，然后迅速冷却至Ac1点以下、Ms点以上过冷奥氏体亚稳温度范围内(500～600℃)，进行大量(70～90％)塑性变形，随后立即淬火并回火到所需性能的工艺。只适用于含有较多强碳化物形成元素的合金钢。这是由于这类钢具有双“鼻子”C曲线。在保持钢的塑性、韧性不降低或降低不多的条件下，显著提高钢的强度和抗磨损能力，其强化效果要优于高温形变热处理。应用于结构钢、弹簧钢、轴承钢和工具钢。也可应用于模具以及飞机的起落架、火箭的蒙皮等等。MS时间温度形变淬火回火A3A1MS时间温度形变淬火回火A3A1图9‑95高温形变热处理工艺过程示意图图9‑96低温形变热处理工艺过程示意图9.8表面淬火9.8.1感应加热表面淬火9.8.2其他表面淬火方法9.8.1感应加热表面淬火1.感应加热的基本原理交变电流交变磁场→→感应电流表面加热→

式中

f－交流电频率Hzδ－电流透入深度mm图9‑97感应加热表面淬火示意图a)表面淬火示意图b)工件横截面上的电流密度分布2.感应加热淬火的分类和选用（1）

高频

200-300KHz，淬硬深度

0.5-2mm，适于小工件。（2）

中频2500-8000Hz，淬硬深度2-10mm，适于尺寸较大的工件。（3）

工频

50Hz，淬硬深度10-15mm，适于大型工件。（4）超音频感应加热淬火：淬硬层深度在2mm以上，适用于模数为3～6的齿轮、链轮、花键轴及凸轮等。9.8.1感应加热表面淬火3.感应加热表面淬火的特点

1.感应加热速度快。2.感应加热淬火后工件表面得到极细的隐晶马氏体组织，使表面的硬度比普通淬火高，脆性也较低，并具有较高的疲劳强度。3.工件表面不容易氧化和脱碳，且变形也小。4.淬硬层深度易于控制。5.淬火操作易于实现机械化和自动化，劳动条件好、生产率高。9.8.1感应加热表面淬火4.感应加热淬火的工艺中碳钢和中碳低合金钢（40、45、40Cr等）、铸铁（1）感应加热淬火用钢（2）感应加热淬火件的技术要求（3）表面硬度表面硬度要求在45～58HRC范围内。

（4）预备热处理→正火或调质淬火后要进行低温回火9.8.1感应加热表面淬火例题9－7某机床变速箱齿轮（厚度为15mm）选用45钢制造，工作时转速较高，受到冲击很小，性能要求如下：齿面表面硬度50～55HRC，齿心部硬度22～25HRC，试制定其简明加工工艺路线。解：下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→齿面感应加热淬火＋低温回火→磨削9.8.1感应加热表面淬火9.8.2其他表面淬火方法与感应加热相比，设备简单，可用于尺寸大的零件的局部表面淬火。但生产率低。烧嘴喷水管移动方向淬硬层钢件加热层火焰加热表面淬火示意图1.火焰加热表面淬火2.激光加热表面淬火激光加热表面淬火是利用高能密度(功率密度大于103W／cm2)激光束对金属工件表层迅速加热和随后激冷，使其表层发生固态相变而达到表面强化的一种淬火工艺。

9.8.2其他表面淬火方法优点：能量密度高，加热速度极快，无氧化脱碳，热变形极小；冷却速度也很快，可自淬火而无需冷却介质；表面光洁度高，不需要再进行表面精加工，可作为最后一道工序；表面硬度高，一般不需回火；适合对于形状复杂的工件（如带有盲孔、小孔、小槽、薄壁工件）进行局部表面淬火。9.8.2其他表面淬火方法9.9化学热处理9.8.1化学热处理的基本过程9.8.2钢的渗碳9.8.3钢的渗氮9.8.4钢的碳氮共渗与氮碳共渗9.8.5其它化学热处理9.8.6表面化学热处理新技术9.9.1化学热处理的基本过程化学热处理通常可分为分解、吸收和扩散三个基本过程。分解：在一定的温度下，介质将发生分解，形成渗入元素的活性原子。吸收：是指活性原子被金属表面吸收的过程。扩散：工件表面吸收了渗入元素