材料工程基础-第4章 金属的热处理

金属的热处理在机床制造中，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%。热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用.

模具、滚动轴承100%需经过热处理。总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。

根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：火焰加热表面淬火感应加热表面淬火接触加热表面淬火激光热处理等热处理普通热处理：退火、正火、淬火、回火表面热处理其他热处理表面淬火化学热处理渗碳渗氮(氮化)碳氮共渗等可控气氛热处理真空热处理形变热处理等目录4.1热处理的理论基础4.2钢的热处理4.3固溶与时效处理4.1热处理的理论基础一、金属材料的主要强化方式㈠固溶强化溶质原子溶入金属基体而形成固溶体，使金属的强度、硬度升高，塑性、韧性有所下降，这一现象称为固溶强化。4.1热处理的理论基础一、金属材料的主要强化方式㈠固溶强化—浓度4.1热处理的理论基础一、金属材料的主要强化方式㈠固溶强化—尺寸4.1热处理的理论基础一、金属材料的主要强化方式㈠固溶强化—固溶体类型4.1热处理的理论基础一、金属材料的主要强化方式㈠固溶强化—固溶体类型—畸变是否对称I、溶质原子造成球对称的点阵畸变，其强化约为G/10II、溶质原子造成非球对称的点阵畸变，其强化约为G的几倍。注：G为剪切模量。非球对称的点阵畸变，将导致面心立方和体心立方的晶格失去“立方”的特性。使得各滑移系的开启阻力不一致，相当于减少了滑移系。对称非对称4.1热处理的理论基础一、金属材料的主要强化方式㈡细晶强化对只有两个晶粒的双晶试样拉伸结果表明，室温下拉伸变形后，呈现竹节状。说明室温变形时晶界具有明显强化作用。晶界的影响晶界上原子排列不规则、点阵畸变、两侧滑移方向和滑移面不一致，因此，室温下晶界对滑移具有阻碍效应。●位错在晶界处的位错塞积效应

抑制了位错源的开动。增加了多晶体金属的宏观塑性变形抗力4.1热处理的理论基础㈡细晶强化低碳钢的σs与晶粒直径的关系霍尔-佩齐(Hall-Petch)公式:

0:位错在晶内滑移所受的阻力，即点阵阻力(派-纳力)；d:晶粒度(平均晶粒尺寸)，它反映了晶界的数量。4.1热处理的理论基础㈡细晶强化晶界数量的增加(晶粒尺寸减小)提高材料的强度提高材料的塑性晶界越多，使材料塑性变形时，晶粒之间的协调变形越容易；曲折的晶界使裂纹扩展变得困难。所以通常材料加工，希望使材料获得较细的晶粒，这称为细晶强化。4.1热处理的理论基础㈡细晶强化由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。4.1热处理的理论基础4.1热处理的理论基础一、金属材料的主要强化方式㈡细晶强化细化晶粒方法I.对铸态使用的合金：合理控制冶铸工艺，如增大过冷度、加入变质剂、进行搅拌和振动等。II.对热轧或冷变形后退火态使用的合金：控制变形度、再结晶退火温度和时间。III.对热处理强化态使用的合金：控制加热和冷却工艺参数,利用相变重结晶来细化晶粒。4.1热处理的理论基础一、金属材料的主要强化方式㈢加工硬化4.1热处理的理论基础一、金属材料的主要强化方式㈢加工硬化4.1热处理的理论基础㈢加工硬化残余内应力1)宏观残余应力(第一类内应力)：材料(或工件)各个部分的宏观形变不均匀引起。作用范围整个工件。4.1热处理的理论基础㈢加工硬化残余内应力2)微观残余应力(第二类内应力)：晶粒或亚晶粒之间变形不均匀所导致。其作用范围与晶粒尺寸相当。4.1热处理的理论基础㈢加工硬化残余内应力3)点阵畸变(第三类内应力)：是由于塑性变形中形成的大量晶体缺陷所导致。作用范围为几十至几百纳米。4.1热处理的理论基础一、金属材料的主要强化方式㈣时效强化㈤第二相强化时效强化和第二相强化，起到强化作用的都是第二相颗粒。按照本书的定义：时效强化：第二相颗粒是通过热处理过程从固溶体中析出第二相强化：第二相是通过任意过程引入。4.1热处理的理论基础㈣时效强化㈤第二相强化切过VS绕过4.1热处理的理论基础一、金属材料的主要强化方式㈣时效强化㈤第二相强化第二相软硬程度影响I、几何上的“软和硬”II、原子键级别的“软和硬”4.1热处理的理论基础一、金属材料的主要强化方式㈣时效强化㈤第二相强化绕过第二相粒子4.1热处理的理论基础一、金属材料的主要强化方式㈣时效强化㈤第二相强化位错切过4.1热处理的理论基础㈣时效强化㈤第二相强化第二相分布形态的影响4.1热处理的理论基础㈣时效强化㈤第二相强化第二相分布形态的影响4.1热处理的理论基础一、金属材料的主要强化方式事实上：除了极少数情况，很少有使用单晶的，也没有绝对纯净的材料，所以通常是细晶强化、固溶强化、第二相强化，多种强化共存。⑥复合强化4.1热处理的理论基础二、固态相变为什么夏天下冰雹？鹅毛大雪冻雨（天寒地冻）4.1热处理的理论基础二、固态相变用纯净水玩魔术！4.1热处理的理论基础二、固态相变气态金属结构液体金属结构4.1热处理的理论基础二、固态相变液体金属结构固体金属4.1热处理的理论基础二、固态相变㈠固态相变的热力学、动力学条件

结构起伏（Structuralundulation）：液态金属中存在着原子排列规则（有序）的小区域（原子集团），但是不稳定，存在原子重新聚集clustering，此起彼伏。

能量起伏（Energyundulation）：造成结构起伏的原因是液态金属中存在着能量起伏，能量低的地方形成cluster，遇到能量高峰又散开成无序状态。

结构起伏与能量起伏是对应的。4.1热处理的理论基础晶核形成(nucleusformation)晶核长大(nucleusgrowth)二、固态相变㈠固态相变的热力学、动力学条件4.1热处理的理论基础母相中存在三种起伏：

成分起伏 能量起伏 结构起伏二、固态相变㈠固态相变的热力学、动力学条件体积自由能的减少表面自由能的增加两相的体积差别所产生的应变能变化ΔG=-VΔGV+A

+VΔGS假设所形成新相为球形，则求极值4.1热处理的理论基础二、固态相变㈡固态相变的主要特点形核受扩散控制！过冷度影响扩散，故影响成核率等1）过冷度小，临界晶核尺寸变大，母相中不易形成如此大的晶核2）过冷度较大的时候，临界晶核尺寸变小，临界形核功变小，均匀成核率升高4.1热处理的理论基础二、固态相变㈡固态相变的主要特点4.1热处理的理论基础二、固态相变㈡固态相变的主要特点①晶界形核②位错形核③空位形核4.1热处理的理论基础二、固态相变㈡固态相变的主要特点①界面能②弹性应变能③惯习面和位相关系④过渡相4.1热处理的理论基础二、固态相变㈡固态相变的主要特点界面能包括两部分界面能中的化学项：相界面处同类键、异类键的强度和数量变化引起的化学能，称为界面能中的化学项或是界面化学能界面能中的几何项：由界面原子不匹配、原子间距发生变化导致的界面弹性应变能，称为界面能中的几何项①界面能4.1热处理的理论基础二、固态相变㈡固态相变的主要特点①界面能—共格界面旧相新相特点：化学能小，弹性畸变能大4.1热处理的理论基础二、固态相变㈡固态相变的主要特点①界面能---非共格界面特点：化学能大，弹性畸变能小4.1热处理的理论基础①界面能—半共格界面新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构和点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。新、旧相间错配度δ=|αβ-αα|/αα小(<0.05)，共格关系大(0.05-025).，半共格关系很大(>0.25)，非共格关系

共格相界

Da

a

半共格相界

非共格相界半共格相界上位错间距取决于相界处两相匹配晶面的错配度。4.1热处理的理论基础二、固态相变㈡固态相变的主要特点②弹性应变能4.1热处理的理论基础二、固态相变㈡固态相变的主要特点②弹性应变能新相形状与弹性应变能之间关系4.1热处理的理论基础二、固态相变㈡固态相变的主要特点③惯习面固态相变时，为了降低界面能和维持共格关系，新相往往以特定晶向在母相的一定晶面上形成。与生成新相的主平面或主轴平行的母相晶面称为惯习面。通常用母相的晶面指数来表示。晶向则称为惯习方向，这种现象叫做惯习现象。4.1热处理的理论基础二、固态相变㈡固态相变的主要特点③惯习面原因：固态相变时存在界面能与应变能，在界面能随接触界面或晶体取向的不同而变化的条件下，应该使界面能最低的相界面得到充分发展，因为这样有利于减小相变阻力；在应变能随新相成长方向而发生变化的条件下，应该沿着应变能最小的方向成长。因此，降低界面能和应变能以减小相变阻力是惯习现象出现的基本原因。4.1热处理的理论基础二、固态相变㈡固态相变的主要特点④过渡相4.1热处理的理论基础二、固态相变㈡固态相变的主要特点④过渡相母相a0a1+GP区a2+θ″a3+θ′a4+θ析出序列：.典型合金：Al-4%Cu合金4.2钢的热处理

钢铁热处理的发展概况发现金属的性能会因温度和加压变形的影响而变化钢铁兵器显微组织中发现都有马氏体存在公元前770～前222年公元前六世纪开始出现淬火技术

发现淬冷剂对淬火质量的影响中山靖王墓中的宝剑，心部含碳量为0.15～0.4%，表面含碳量达0.6%以上三国时代西汉时代开始应用渗碳工艺蒲元曾派人到成都取水在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀初步奠定现代热处理的理论基础现代法国人奥斯蒙德确立铁的同素异构理论;英国人奥斯汀制定的铁碳相图1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变。与此同时，人们还研究了金属的加热保护方法。1850～1880年，对于应用各种气体进行保护加热曾有一系列专利。1889～1890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；30年代出现露点电位差计，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等，进一步控制炉内气氛碳势的方法。热处理不改变材料形状和大小而只改变其组织性能热处理目的：改变强度和硬度，增强耐磨性，改善塑性，改善切削加工性，消除应力等。热处理的基本目的与常用的基本热处理方法4.2钢的热处理一、钢的热处理原理4.2钢的热处理㈠钢在加热时的相变温度在实际热处理条件下，相变是在不平衡条件下进行的，加热或冷却时的温度会出现滞后现象。把加热时的实际临界温度标以字母“c”把冷却时的实际临界温度标以字母“r”4.2钢的热处理㈡钢在加热过程中的组织转变奥氏体是碳溶于γ-Fe的八面体间隙中的间隙固溶体碳的最大溶解度为2.11％如果γ-Fe的每个八面体间隙均溶一个碳原子，最多可溶20wt%的碳。碳原子半径0.077nm八面体间隙半径0.053nm4.2钢的热处理㈡钢在加热过程中的组织转变4.2钢的热处理㈡钢在加热过程中的组织转变4.2钢的热处理㈡钢在加热过程中的组织转变4.2钢的热处理㈡钢在加热过程中的组织转变4.2钢的热处理㈢钢在冷却过程中的组织转变获得均匀的奥氏体，实现热处理目的前提条件可以看出，同样的奥氏体经过不同冷却之后，性能显著不同，强度相差几倍。这是由于在不同冷速下，奥氏体的过冷度不同，转变产物的组织便不同，因而其性能也不同。40Cr钢经850℃加热不同均却后的机械性能冷却方式σb（N/mm2）σs（N/mm2）炉冷57.4×10728.9×107空冷67.8×10738.7×107油冷185.5×107159×107控制不当会出现缺陷其转变规律是制定热加工后的冷却工艺的理论根据在不同过冷度下等温测定奥氏体的转变过程，绘出“奥氏体等温转变曲线”；在不同冷速的连续冷却过程中测定奥氏体的转变过程，绘出“奥氏体连续冷却转变曲线”。冷却转变热处理加热后的冷却铸造之后的冷却锻轧之后的冷却焊接之后的冷却冷却转变规律的研究方法4.2钢的热处理㈢钢在冷却过程中的组织转变处于高温状态的A冷却到

A1点以下就处于热力学不稳定状态，必然要发生相变，但未必立即发生，而是经过一个孕育期后才开始。这种在孕育期内暂时存在的处于不稳定状态的A称为过冷A。过冷奥氏体稳定奥氏体区过冷奥氏体区

过冷A+产物区产物区A1～550℃;高温转变区扩散型转变;P转变区。550～230℃;中温转变区半扩散型转变;

贝氏体(B)转变区;230～-50℃;低温转变区无扩散型转变;马氏体(M)转变区。时间(s)1021031041013000800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf过冷A转变开始线过冷A转变终了线M+过冷AM孕育期5506502s10s5s2s5s10s30s40s4.2钢的热处理㈢钢在冷却过程中的组织转变①高温转变

珠光体珠光体是渗碳体和铁素体片层相间、交替排列形成的机械混合物。用符号P表示（Pearlite）。0.0218%6.69%0.77%含碳量铁素体渗碳体奥氏体晶体结构体心立方面心立方复杂斜方4.2钢的热处理㈢钢在冷却过程中的组织转变①高温转变

珠光体0.0218%6.69%0.77%含碳量铁素体渗碳体奥氏体晶体结构体心立方面心立方复杂斜方珠光体转变：单相奥氏体分解为铁素体+渗碳体，因此珠光体转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组。4.2钢的热处理①高温转变

珠光体4.2钢的热处理①高温转变

珠光体①珠光体的组织形态珠光体铁素体渗碳体根据形态不同片状珠光体粒状珠光体针状珠光体两种最常见的珠光体组织4.2钢的热处理①高温转变

珠光体①珠光体的组织形态材料名称：共析钢浸蚀剂：4％硝酸酒精溶液处理情况：820℃加热保温后缓冷片状珠光体渗碳体呈片状，是由一层铁素体和一层渗碳体层层紧密堆叠而成。珠光体型相变为扩散型相变，铁素体片和渗碳体片的长大是受碳、铁原子的扩散控制的。当珠光体的形成温度下降时扩散系数减小长大速度减小片间距减小ΔT增加片状珠光体的分类通常所说的珠光体，是指在光学显微镜下能清楚分辨出片层状态的一类珠光体，而当片间距离小到一定程度后，光学显微镜就无法分辨不出片层的状态了。根据片间距离的大小，通常把珠光体分为普通珠光体P、索氏体S和屈氏体T。

S：S0=0.25~0.08μm，很难分辨出片层结构；P：S0>0.25μm，能清晰分辨出片层结构；T：S0<0.08μm，无法分辨片层结构。在光学显微镜下粒状珠光体的形成粒状珠光体形成的特定条件：A化温度低，保温时间短，(即加热转变未充分进行，A中保留有未溶的碳化物成为非自发形核的球化核心)等温温度高，等温时间足够长，或者冷速极慢，可使渗碳体成为颗粒状。

具体工艺：球化退火或淬火后高温回火。4.2钢的热处理①高温转变

珠光体注意：三种组织本质上无区别，只是形态上有粗细之分。片状珠光体的性能取决于P的片间距，片间距小，则强度、硬度越高，塑性、韧性也越好。4.2钢的热处理①高温转变

珠光体渗碳体呈颗粒状，均匀地分布在铁素体基体上的组织，铁素体呈连续分布。粒状珠光体4.2钢的热处理①高温转变

珠光体针状珠光体当钢中含有一定数量的Cr，在转变温度较低时，可形成一类特异形态的珠光体，其组织外形呈黑色针状，整体呈冰花状。4.2钢的热处理①高温转变

珠光体片状珠光体的力学性能片层间距P团直径F片的亚晶粒尺寸原始奥氏体晶粒大小力学性能影响因素片状珠光体的性能主要取决于奥氏体化温度及珠光体的形成温度珠光体的形成温度奥氏化条件珠光体的形成温度奥氏体的晶粒大小碳含量随着珠光体团直径以及片间距离的减小，珠光体的强度、硬度和塑性均升高。规律由于铁素体与渗碳体片薄时，相界面增多，阻碍位错运动。在外力作用下，抵抗塑性变形的能力增高，因而强度和硬度增大；珠光体团直径减小，单位体积内珠光体片层排列方向增多，每一有利塑性变形的尺寸减小，都将使局部发生大量塑性变形所引起的应力集中减少，因而既增高了强度又提高了塑性。原因与片状珠光体相比，在成分相同的情况下，粒状珠光体的强度、硬度稍低，但塑性较好。粒状珠光体的机械性能铁素体与渗碳体的相界面较片状珠光体的少，对位错运动的阻力较小。铁素体呈连续分布，渗碳体颗粒均匀地分布在铁素体基体上，位错可以较大范围的移动，因此，塑性变形量较大。4.2钢的热处理②中温转变中温转变时，原子扩散速度较慢，铁原子已然无法扩散，碳原子无法充分扩散。奥氏体分解为渗碳体+铁素体的过程将受到一定的阻碍。结果为：奥氏体中的C过饱和“渗碳体”中的FeC3的比例达不到满足，所以会形成很多种亚稳态的碳化物。4.2钢的热处理②中温转变为纪念美国著名冶金学家Bain，中温转变被命名为贝氏体转变，转变所得产物则被称为贝氏体。英文Bainite，用B表示贝氏体转变的基本特征⑴B转变有一个温度范围⑵B转变产物是由α相与碳化物组成的非层片状机械混合物⑶

B转变也是一个形核和长大过程⑷B转变过程中只有碳原子的扩散⑸B转变也能产生表面浮凸：M是N形，B为V形⑹

B中铁素体具有一定的惯习面，并与母相A之间保持一定的晶体学位向关系（分歧重大）⑺B转变的不完全性：一般不能进行到底；通常随转变温度的升高，转变的不完全程度增大随转变温度升高，转变的不完全程度增大：温度越高，A与B之间的自由能差减小，从而使得转变的驱动力减小；温度越高，越有利于碳原子的扩散而形成柯氏气团，从而增强未转变A的热稳定性。B转变的不完全：一方面，B总是优先在A中贫碳区形成，随着B转变量的增加，碳不断向A中扩散而使得未转变A中的碳浓度越来越高，从而增加A的化学稳定性而使B转变难于进行；另一方面，贝氏体的比容比A大，产生一定的机械稳定化作用，也不利于B转变的继续进行。4.2钢的热处理②中温转变下贝氏体上贝氏体无碳化物贝氏体粒状贝氏体反常贝氏体柱状贝氏体贝氏体在B转变区的较高温度范围内形成，对于中、高碳钢约在350～550℃范围内形成，所以上贝氏体也称高温贝氏体。上贝氏体⑴

形成温度范围上贝氏体是一种两相组织，是由条状α相与粒状和条状碳化物组成的非层片状机械混合物。⑵组织形态成束的大致平行的α相板条，自A晶粒晶界的一侧或两侧向A晶粒内部长大，粒状或条状渗碳体(有时还有残余A)分布于α相板条之间，整体呈羽毛状。上贝氏体碳含量：随碳含量的增加，B上中的α相板条更多、更薄，渗碳体的形态由粒状、链球状转变为短杆状，渗碳体数量增多，不但分布于α相之间，而且可能分布于各α相内部。形成温度：随形成温度的降低，α相变薄，渗碳体更小，且更密集。⑶

影响B上组织形态的因素上贝氏体与上贝氏体一样，下贝氏体也是一种两相组织，由α相与碳化物组成。下贝氏体⑴形成温度范围一般在350℃～Ms之间的低温区。⑵组织形态4.2钢的热处理②中温转变贝氏体转变也是一个形核、长大的过程。形核需要有一定的孕育期。B上转变过程示意图

A晶界

Fe3C}

Fe3C上B4.2钢的热处理②中温转变B下转变过程示意图

碳化物

碳化物

碳化物下B4.2钢的热处理4.2钢的热处理回顾中温转变中温转变时，原子扩散速度较慢，铁原子已然无法扩散，碳原子无法充分扩散。奥氏体分解为渗碳体+铁素体的过程将受到一定的阻碍。结果为：奥氏体中的C过饱和“渗碳体”中的FeC3的比例达不到满足，所以会形成很多种亚稳态的碳化物。马氏体相变：钢铁在经过奥氏体化温度后采取快速冷却，抑制其扩散分解，在较低温度（＜Ms）下发生的无扩散型相变。A1温度(℃)MsV1P炉冷V2S空冷V3油冷V4M＋AR水冷VkPST临界冷却速度时间(s)

实际生产连续冷却4.2钢的热处理③低温转变低温转变时，铁原子、碳原子都无法扩散。奥氏体分解为渗碳体+铁素体的过程将受到一定的阻碍。结果为：非但不但形成碳化物，甚至铁素体都无法正常形成4.2钢的热处理③低温转变

A

M（α’）

fcc

体心正方马氏体是碳在α－Fe中的过饱和固溶体，用符号M表示。由于碳的过饱和作用,使α–Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。致使马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c）ca成分不变结构变化—C原子—Fe原子③低温转变4.2钢的热处理③低温转变M呈板条状，板条一束束地排列在原奥氏体晶粒内。4.2钢的热处理③低温转变出现在Fe-Mn-C或Fe-Cr-Ni合金中。马氏体的晶体结构为密排六方点阵，呈极薄的片状。薄片状马氏体4.2钢的热处理③低温转变M形成温度M形态板条状薄片状片状从本质上看，马氏体相变是为了降低体系的能量。板条状：在少量缺陷集中的位置萌发并长大片状：遍地开花，在很多地方萌发，但都张得不大由于M中的过饱和C极容易从M晶体中析出而引起时效强化，为严格区分C原子的固溶强化效应与时效强化效应，Winchell专门设计了一套Ms点很低的、碳含量不同的Fe-Ni-C合金，以保证M转变能在C原子不可能发生时效析出的低温下进行。C%不同的试样，在淬火后立即在该温度下测量M的强度，以了解C原子的固溶强化效果。⑴

固溶强化马氏体的高硬度、高强度的本质⑶时效强化⑵

相变强化4.2钢的热处理③低温转变M相变的切变特性，造成在马氏体晶体内产生大量微观缺陷，如位错、孪晶等亚结构，从而使M强化，即相变强化。相变强化4.2钢的热处理③低温转变一般认为，马氏体的塑性和韧性很差，而实际上，低碳的位错型M就具有较高的塑性和韧性；M的塑性和韧性，随着碳含量的增加而急剧降低。马氏体的塑性和韧性

热加保温时间温度临界温度A1连续冷却等温冷却过冷奥氏体的两种冷却方式把加热到奥氏体状态的钢，以不同的冷却速度连续冷却到室温。钢在冷却时的转变把加热到奥氏体状态的钢，快速冷却到低于A1的某一温度，并等温停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温。钢的热处理定义：热处理是指将钢在固态下加热、保温和冷却，

以改变钢的组织结构，从而获得所需要性能的

一种综合的热加工工艺过程。加热：促使组织发生转变保温：保证组织充分转变冷却：获得所需的组织和性能热处理工艺流程：时间温度临界温度加热保温冷却4.2钢的热处理二、钢的普通热处理㈠退火将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却(炉冷)的热处理工艺叫做退火。退火目的⑴调整硬度，便于切削加工。

适合切削加工的硬度为170～250HB。⑵消除内应力，防止加工中变形。⑶细化晶粒，为最终热处理作组织准备。真空退火炉概念：将亚共析钢(0.3～0.6％C)加热到Ac3+(30～50)℃，完全A化后保温缓冷(随炉、埋入砂、石灰中)，以获得接近平衡状态的组织的热处理工艺。①完全退火目的：细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度、改善切削加工性能。完全退火完全奥氏体化完全退火采用随炉缓冷，可以保证先共析F的析出和过冷A在Ar1以下较大温度范围内转变为P。实际生产时，为了提高生产率，退火冷却至600℃左右即可出炉空冷。保温时间：不仅要使工件烧透，而且要保证全部奥氏体均匀化，达到完全重结晶。保温时间：与钢材成分、工件厚度、装炉量和装炉方式等因素有关，一般以25mm截面厚度1h计算。工艺适用范围中碳钢和中碳合金钢的铸、焊、锻、轧制件等低碳钢和过共析钢不宜采用完全退火；注意事项完全退火消除粗大晶粒及魏氏组织过程示意图完全退火后硬度偏低，不利于切削加工加热至Accm以上奥氏体状态缓冷退火时，有网状二次渗碳体析出，使钢的强度、塑性和冲击韧性显著降低。对于亚共析钢，原始组织细小时，可用不完全退火代替完全退火，消除内应力。如果组织粗大：则要通过完全退火，细化组织。②不完全退火将钢不完全奥氏体化，随之缓慢冷却的退火工艺工艺：亚共析：AC1～AC3

过共析：AC1～ACcm用途：主要用于过共析钢，改善珠光体组织，降低硬度，消除内应力；低温球化：AC1

－10～30℃

几十～一百小时缓冷球化：AC1

＋10～20℃等温球化：AC1

＋10～20℃Ar1－20～30℃

炉冷至500～600℃空冷②球化退火使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺工艺：片P在退火时向粒P转变过程示意图如果完全奥氏体化，会长成片状珠光体。铁素体和渗碳体以片状交替排列。②球化退火粒状珠光体的形成粒状珠光体形成的特定条件：A化温度低，保温时间短，(即加热转变未充分进行，A中保留有未溶的碳化物成为非自发形核的球化核心)等温温度高，等温时间足够长，或者冷速极慢，可使渗碳体成为颗粒状。过共析钢中存在网状二次渗碳体硬度高，难以切削加工增大钢的脆性容易产生淬火变形及开裂③扩散退火(均匀化退火)概念：把合金钢铸锭或铸件加热到Ac3＋150～300℃(一般碳钢1100～1200℃，合金钢1150～1250℃)，保温十几～几十h(一般以25mm截面厚度1h计算)后缓慢冷却，以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。目的：消除结晶过程中的枝晶偏析，使成分均匀化。这是一个大范围，全局性的原子扩散过程，所以是所有退火中温度最高的一个。适用范围：主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件、锻件注意事项：高温扩散退火生产周期长，能量消耗大，工件氧化、脱碳严重，成本很高；尺寸不大的铸件或碳钢铸件，因偏析程度较轻，可采用完全退火来细化晶粒、消除铸造应力；由于加热温度高、时间长，会引起A晶粒严重粗化，因此一般还需要进行一次完全退火或正火，以细化晶粒、消除过热缺陷。工艺：TK＋150～250℃；钢：600～700℃；铝合金：350～400℃④再结晶退火经冷变形后金属，加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使形变晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，以消除加工硬化和残余应力的退火工艺如果超进入奥氏体区域，会引发相变。就不能称为结晶退火。去应力，从字面上看，仅仅是去除内应力，而不去改变晶粒的形状。⑤去应力退火为去除塑性变形加工、焊接等造成的应力以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。工艺：将工件缓慢加热到Ac1以下100～200℃保温一定时间(1～3h)后，随炉缓冷至200℃，再出炉冷却。名称目的工艺制度组织应用完全退火细化晶粒，消除铸造偏析，降低硬度，提高塑性加热到AC3＋20～50℃，炉冷至550℃左右空冷

F＋P亚共析钢的铸、锻、轧件，焊接件球化退火降低硬度，改善切削性能，提高塑性韧性，为淬火作组织准备加热到AC1＋20～40℃，然后缓冷片状珠光体和网状渗碳体组织转变为球状共析、过共析钢及合金钢的锻件、轧件等扩散退火改善或消除枝晶偏析，使成分均匀化加热到Tm-100～200℃，先缓冷，后空冷粗大组织（组织严重过烧）合金钢铸锭及大型铸钢件或铸件再结晶退火消除加工硬化，提高塑性加热到再结晶温度，再空冷变形晶粒变成细小的等轴晶冷变形加工的制品去应力退火消除残余应力，提高尺寸稳定性加热到500～650℃缓冷至200℃空冷无变化铸、锻、焊、冷压件及机加工件4.2钢的热处理二、钢的普通热处理

㈡正火（normalizing）正火是将亚共析钢加热到Ac3+30～50℃，共析钢加热到Ac1+30～50℃，过共析钢加热到Accm+30～50℃保温后空冷的工艺。

正火比退火冷却速度大。正火后的组织：

＜0.6%C时，组织为F+S；

≥0.6%C时，组织为S。4.2钢的热处理二、钢的普通热处理

㈡正火（normalizing）完全退火后，组织为片状珠光体，如果适当加快冷却速度（也就是正火），片状化的程度会有所降低。正火的目的⑴对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。⑵普通件最终热处理。要改善切削性能，低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火,高碳钢用球化退火。退火、正火缺陷

碳素/低合金工具钢在退火后虽硬度很低，但脆性却很大，断口呈灰黑色，故称“黑脆”。主要原因是退火温度过高，保温时间过长，冷却缓慢，奥氏体分解为为:铁素体+石墨。

退火和正火若由于加热或冷却不当时会出现一些异常组织，造成缺陷，常见的如下：(1)过烧：

由于加热温度过高，晶界被氧化，甚至晶界局部溶解，使工件报废。(2)黑脆：（3）粗大魏氏组织：主要是由于加热温度过高。魏氏组织不仅晶粒粗大，而且由于铁素体针片形成的脆面，使金属的韧性急剧下降。（4）反常组织：亚/过共析钢在Ar1附近冷却缓慢，结果在亚共析钢中形成非共析渗碳体，再过共析钢中形成游离的铁素体或渗碳体。（5）网状组织：由于加热温度过高，冷却速度过慢引起的。网状铁素体或渗碳体降低钢的机械性能，特别是网状渗碳体。一般重新正火可消除。（6）球化不均匀：由于退火前没有消除网状渗碳体，在球化退火时聚集而成。可通过正火和一次球化退火消除。（7）硬度过高：退火时加热温度过高，冷却速度过快，使硬度高于规定的范围，重新退火即可。魏氏组织粗大的奥氏体在较快的冷却速度下会形成一种特殊的过热组织，其组织特征为在一个粗大的奥氏体晶粒内会形成许多平行的铁素体(渗碳体)针片，在铁素体针片之间的剩余奥氏体最后转变为珠光体，这种过热组织称为铁素体(渗碳体)魏氏组织。4.2钢的热处理二、钢的普通热处理㈢淬火4.2钢的热处理二、钢的普通热处理㈢淬火淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk速度冷却，以获得马氏体的工艺。真空淬火炉4.2钢的热处理㈢淬火缺点：在水中淬火应力大，工件容易变形开裂；在油中淬火，冷却速度小，淬透直径小，大型工件不易淬透。单介质淬火广泛应用于形状简单的工件淬火。⑴

单介质淬火其特点是工件经加热后，置于一种介质中冷却，如水淬、油淬，也就是直接淬火。优点：操作简单，易于实现机械化，应用广泛。缺点：难以掌握双液转换的时刻，转换过早容易淬不硬，转换过迟又容易淬裂。⑵

双介质淬火加热好的工件先在较强冷却能力的介质中冷却到300℃左右，再在另一种冷却能力较弱的介质中冷却，如：先水淬后油淬。优点：可有效减少马氏体转变的内应力，减小工件变形开裂的倾向，可用于形状复杂、截面不均匀的工件淬火。(3)分级淬火法

在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后再取出缓冷。可减少内应力，用于小尺寸工件。盐浴炉工件在等温盐浴中淬火，盐浴温度在稍高于Ms温度的贝氏体区下部，工件等温停留较长时间，直到B转变结束，取出空冷。⑷

等温淬火等温淬火用于中碳以上的钢，低碳钢一般不采用等温淬火。目的：是为了获得下贝氏体，以提高强度、硬度、韧性和耐磨性。若加热温度过高片状M粗大渗碳体溶入A中的数量增大缩短炉子的使用寿命氧化和脱碳加剧奥氏体晶粒粗大显微裂纹增多淬火应力增加淬火变形和开裂倾向增大钢的脆性增加Ms点下降残A增多未溶渗碳体颗粒减少降低钢的硬度与耐磨性4.2钢的热处理二、钢的普通热处理㈢淬火—淬透性如果工件中心在淬火后获得了50％以上的M，则认为工件已经被淬透。4.2钢的热处理二、钢的普通热处理㈢淬火—淬透性淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响未淬透淬透HRCHRC4.2钢的热处理二、钢的普通热处理㈢淬火—淬透性对于截面承载均匀的重要件,要全部淬透。如螺栓、连杆、模具等。对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透(淬硬层深度一般为半径的1/2～1/3)，如轴类、齿轮等。高强螺栓柴油机连杆齿轮尺寸较大的齿轮类、轴类等零件承受弯曲或扭转载荷的轴类零件承受的是拉伸、压缩、弯曲或剪切应力等要求整个截面上机械性能均匀一致希望整个截面淬透应选用淬透性较高的钢种制造轴外层承受应力最大，轴心部分应力较小对整个截面上机械性能的要求不一样希望淬透工件半径的1/3～1/2即可应选用淬透性较小的钢种制造4.2钢的热处理二、钢的普通热处理㈢淬火—内应力

（1）热应力：由于工件心部和表面冷却速度不一致，其冷却收缩不同而造成的内应力。（2）组织应力：由于工件表层和心部发生马氏体转变的不同时性而造成的内应力。4.2钢的热处理二、钢的普通热处理㈣回火回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。回火的目的(1)减少或消除淬火内应力,防止变形或开裂。(2)获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。螺杆表面的淬火裂纹(3)稳定尺寸。淬火M和A’都是非平衡组织，有自发向平衡组织转变的倾向。回火可使M与A’转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。(4)对于某些高淬透性的钢，空冷即可淬火，如采用回火软化既能降低硬度，又能缩短软化周期。

未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置使用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行回火。钢在回火时的转变

淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶段。随加热温度升高，淬火钢的组织发生四个阶段变化。网带式回火电炉4.2钢的热处理㈣回火①马氏体的分解

100℃回火时，钢的组织无变化。100～200℃加热时，马氏体将发生分解,从马氏体中析出

-碳化物(

-FeXC)，使马氏体过饱和度降低。析出的碳化物以细片状分布在马氏体基体上，这种组织称回火马氏体，用M回表示。4.2钢的热处理㈣回火回火马氏体②残余奥氏体分解

200～300℃时,由于马氏体分解，奥氏体所受的压力下降,Ms上升，A’分解为

-碳化物和过饱和铁素体，即M回。4.2钢的热处理㈣回火分,内应力大量消除，M回转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状Fe3C组织，称回火托氏体，用T回表示。发生于250-400℃，此时，

-碳化物溶解于F中，并从铁素体中析出Fe3C。到350℃,马氏体含碳量降到铁素体平衡成回火托氏体③

-碳化物转变为Fe3C4.2钢的热处理㈣回火④Fe3C聚集长大和铁素体多边形化400℃以上,Fe3C开始聚集长大。450℃以上铁素体发生多边形化，由针片状变为多边形。这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织称回火索氏体，用S回表示。根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质。广泛用于各种结构件如轴、齿轮等热处理。也可作为要求较高精密件、量具等预备热处理。适用于各种高碳钢、渗碳件及表面淬火件。应用获得良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。

提高

e及

s，同时使工件具有一定韧性。在保留高硬度、高耐磨性的同时，降低内应力。回火目的S回

T回

M回

回火组织500～650℃350～500℃150～250℃回火温度高温回火中温回火低温回火适用于弹簧热处理4.2钢的热处理㈠表面淬火

①使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;

②心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有

足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。机床导轨表面淬火齿轮4.2钢的热处理四、钢的表面淬火和化学热处理㈠表面淬火表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。火焰加热感应加热感应加热表面淬火示意图表面淬火常用加热方法感应加热：利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热的方法。火焰加热：利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。成本低，但质量不易控制。激光热处理：利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。效率高，质量好。火焰加热表面淬火示意图激光表面热处理火焰加热表面淬火4.2钢的热处理四、钢的表面淬火和化学热处理㈡化学热处理

化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织，进而改变其性能的热处理工艺。4.2钢的热处理㈡化学热处理

与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。可控气氛渗碳炉渗碳回火炉化学热处理的基本过程I、介质(渗剂)的分解：分解的同时释放出活性原子。如：渗碳CH4→2H2+[C]

氮化2NH3→3H2+2[N]II、工件表面的吸收：活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物。III、原子向内部扩散。氮化扩散层4.2钢的热处理㈡化学热处理

①渗碳渗碳目的

提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。渗碳用钢主要为含0.1～0.25%C的低碳钢。含碳量高则心部韧性降低。经渗碳的机车从动齿轮I、固体渗碳法设备简单操作方便生产率低质量不易控制劳动条件差单件、小批量零件渗碳剂试棒盖泥封渗碳箱II、气体渗碳法煤油、甲醇等生产率高渗碳层质量好劳动条件好渗碳层的组织过共析组织(P+Fe3CⅡ)共析组织(P)过渡区亚共析组织(P+F)原始亚共析组织(F+P)4.2钢的热处理㈡化学热处理

②渗氮1)定义:把钢置于含有活性氮原子的介质中，加热、保温，使活性氮原子渗入钢的表面的热处理工艺。2)目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能的零件。3)用钢:中碳合金钢4)方法:气体渗氮、离子渗氮。4.2钢的热处理㈡化学热处理

②渗氮5)工艺:加热温度500～600℃;(渗碳温度900～950℃)

保温时间20～50h（0.3～0.5mm）。6)热处理特点:渗氮前需调质处理;

渗氮后不需热处理。7)渗氮处理后的组织表层:Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、

MoN、TiN、VN。

心部:S回。8)常用的钢种:35CrMo、38CrNiW、

38CrMoAlA等。调质处理淬火加高温回火的双重热处理，其目的是使工件具有良好的综合机械性能。高温回火500℃~650℃中温回火300℃~450℃低温回火150℃~250℃渗氮件的性能：〔表面强化和表面保护〕1)高硬度、高耐磨性合金氮化物层，1000~1100HV，而且在600～650℃下保持不下降；2)疲劳极限高渗氮层的体积增大产生残余压应力，疲劳极限提高达15%～35%；3)高的耐蚀性能致密的耐蚀的氮化物，使工件在水、过热的蒸气和碱性溶液中都很稳定4)变形很小渗氮温度低。工艺路线：锻造→正火→粗加工→调质→精加工→去应力→粗磨→氮化→精磨或研磨I、气体渗氮气体渗氮：在气体介质中进行渗氮的工艺称为气体渗氮。工艺过程：在渗氮炉内通入氨气，在380℃以上氨分解出活性氮原子:2NH3→3H2+2[N]活性氮原子被工件表面吸收并溶入表面，在保温过程中向里扩散，形成渗氮层。工艺特点：温度低：500～600℃〔550～570℃〕氮在铁素体中有一定的溶解能力。时间长：40～70h，氮化层厚度为0.4～0.6mm。II、离子渗氮离子渗氮：在低于一个大气压的渗氮气氛中，利用工件(阴极)和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮的工艺称为离子渗氮。工艺过程：真空度1.33~13.33Pa)的离子渗氮炉中通入NH3，工件－，炉壁＋，400~750V，氨气被电离成氨和氢的正离子和电子阴极工件表面形成一层紫色辉光高能量氮离子高速轰击工件表面，动能

热能，工件表面温升到450~650℃同时氮离子在阴极上夺取电子后，还原成氮原子渗入工件表面，形成渗氮层。另外，氮离子轰击工件表面时，还能产生阴极溅射效应而溅射出铁离子，铁离子形成氮化铁(FeN)附着在工件表面分解为Fe2N、Fe3N、Fe4N放出氮原子向工件内部扩散，形成渗氮层。4.2钢的热处理㈡化学热处理

②渗氮4.2钢的热处理㈡化学热处理③碳氮共渗碳氮共渗：向钢中同时渗入碳和氮的化学热处理方法称为碳氮共渗。高温碳氮共渗：790～920℃以渗碳为主低温碳氮共渗：520～580℃以渗氮为主4.2钢的热处理㈡化学热处理C-N共渗的优点共渗温度低，工件不易过热，渗后可直接淬火，变形比较小（N降低A1温度）渗入速度较快，大大缩短工艺周期表层硬度较高，渗层较深，硬度、耐磨性与疲劳强度较高氮能提高过冷奥氏体稳定性，提高了渗层的淬透性。4.2钢的热处理四、钢的热处理新工艺简介㈠无氧化加热①在保护气氛中加热②保护涂料加热③真空加热2Fe3C+O2=6Fe+2COFe3C+2H2=3Fe+CH4Fe3C+CO2=3Fe+2CO氧化对性能的影响降低表面光洁度烧损加大，零件尺寸变小出现淬火软点4.2钢的热处理四、钢的热处理新工艺简介㈠无氧化加热①在保护气氛中加热②保护涂料加热③真空加热2Fe3C+O2=6Fe+2COFe3C+2H2=3Fe+CH4Fe3C+CO2=3Fe+2CO组织结构表层的奥氏体在后续转换过程中，没有碳化物形成。对性能的影响机械性能下降（强度、硬度、耐磨性）脱碳层具有残余拉应力，易出现淬火裂纹4.2钢的热处理四、钢的热处理新工艺简介㈡强韧化热处理①获得板条马氏体所有相变过程，都由萌生(之所以不说形核，是由于有的相变没有临界晶核的概念，所以不具备形核过程)、长大两个步骤构成。萌生点多：最终就长得细小萌生点少：长得就比较粗大4.2钢的热处理四、钢的热处理新工艺简介㈡强韧化热处理①获得板条马氏体低碳钢为了长成板条状马氏体：I、需要萌生点相对较少，淬火温度要适当高A、消灭一大票萌生点B、使得碳元素充分扩散，消除马氏体性能的不均匀性4.2钢的热处理四、钢的热处理新工艺简介㈡强韧化热处理①获得板条马氏体对于高碳钢，快速、短时、低温加热淬火工艺。是为了防止碳化物的C元素进入奥氏体。Ｍs点较高的A，可能只形成板条状M；Ｍs点略低的A，形成板M和片M的混合组织；Ｍs点更低的A，只形成片状M；Ｍs点极低的A，只形成薄片状M。4.2钢的热处理四、钢的热处理新工艺简介㈡强韧化热处理②超细化处理通过多次快速加热冷却，利用相变细化晶粒。突出一个快字，是为了增加过冷度、过热度，促进铁素体、奥氏体形核4.2钢的热处理四、钢的热处理新工艺简介㈢化学热处理新工艺①离子氮化②离子碳氮共渗③真空渗碳④多元共渗只有游离态的C、N才能进入钢铁，所以离子化的碳、氮更容易渗入。可以节约加热时间。不仅仅是节约时间：加热时间缩短，可以有效防止奥氏体晶粒的长大。奥氏体晶粒越大，马氏体转变过程中，体积相容性、弹性模量相容性等问题就越凸显，容易产生内应力。4.2钢的热处理四、钢的热处理新工艺简介㈣钢的形变热处理塑性加工输入的机械能，有90%的会转变为热量。合理利用该热量，改变钢的降温过程，可以节约大量能源和时间。4.2钢的热处理㈣钢的形变热处理钢的低温形变热处理工艺在过冷奥氏体区变形。奥氏体中的位错可以遗传到马氏体中（大量位错作为马氏体萌生点），所以可得到非常细小的马氏体，合金钢强度可达2800-3300MPa（相对普通的1800-2200MPa）4.2钢的热处理四、钢的热处理新工艺简介㈣钢的形变热处理钢的高温形变热处理工艺在奥氏体区变形后淬火，钢强度与前者比稍低，可达2200-2600MPa,但塑性较高。4.3固溶与时效处理一、固溶与时效的基本原理及步骤由A、B两组元组成的合金，B在A中的固溶度是有限的，并且随温度的降低而减小。4.3固溶与时效处理4.3固溶与时效处理一、固溶与时效的基本原理及步骤共析钢和铝合金淬火时的组织变化示意图固溶时效处理示意图固溶处理→过饱和固溶体→时效(析出)→饱和固溶体＋析出相(弥散相)。4.3固溶与时效处理一、固溶与时效的基本原理及步骤合金具有沉淀强化效果的先决条件:(1)加入基体金属中的合金元素应有较高的极限固溶度，且在其相图上有固溶度变化，其固溶度随温度降低而显著减小；

(2)淬火后形成过饱和固溶体在时效过程中能析出均匀，弥散的共格或半共格的亚稳相，在基体中能形成强烈的应变场。

(3)沉淀强化相是硬度高的质点。如在铝合金中，Cu有很好的沉淀强化效果，因此为达到好的性能效果，一般在二元合金中常加入第三或第四合金组元，构成了三元以上的多元合金系列。4.3固溶与时效处理二、过饱和固溶体的时效分解产物4.3固溶与时效处理二、过饱和固溶体的时效分解产物母相a0a1+GP区a2+θ″a3+θ′a4+θ析出序列：.典型合金：Al-4%Cu合金4.3固溶与时效处理三、时效时间对性能的影响随着时效时间的延长，第二相颗粒在长大过程中将从共格演变为非共格！时间4.3固溶与时效处理三、时效时间对性能的影响非共格界面引入极大的界面能和弹性畸变，促进裂纹的产生，塑性会降低！时间4.3固溶与时效处理三、时效时间对性能的影响时效时间与强度的关系4.3固溶与时效处理四、几种典型合金的固溶时效处理㈠铝合金时效过程包括以下四个阶段：

G.P区的形成

θ″的形成

θ′的形成