热处理工艺课件

第1节热处理工艺分类热处理工艺分类:普通热处理(整体热处理）表面热处理其他热处理热处理工艺1普通热处理：退火、正火、淬火、回火特点：整体热处理，在整个工件上得到一致的显微组织。表面热处理：表面淬火、化学热处理特点：整体热处理表面硬而耐磨，心部有良好的韧性和塑性其他热处理：

形变热处理等21退火退火：将钢件加热到一定的温度，并保温一定时间，然后，以相对缓慢的速度冷却（随炉或埋沙）到室温，得到接近平衡状态的显微组织的热处理。3普通热处理退火在零件制造过程中的位置毛坯制造预备热处理机加工1零件热处理作用（退火或正火）退火的作用消除钢工件的热应力；使显微组织均匀化；细化显微组织；降低硬度，提高机械加工性能。（铸件或热轧、锻件）4完全退火工艺:1钢的完全退火加热温度:Ac3+20--30℃;保温时间:t=kD,其中k取1.5-2.0min/mm;冷却方式:连续缓慢冷却和等温冷却.完全退火组织:亚共析钢：F+P56

钢的完全退火1.钢的铸件组织粗大；组织不均匀(铸锭的组织分区:表面细晶区、中间柱状晶区和中心细晶区）魏氏组织；消除热应力（冷却不均匀或冷速不均匀）降低硬度，改善机加工性能。完全退火实例7钢件铸造铸锭横截面组织82.钢的锻、轧及焊件消除热加工形成的带状组织均匀化整件的显微组织消除加工应力，改善加工性能完全退火实例9过共析钢(Cr12)的热加工件中的带状组织10将钢加热到两相区→保温→缓冷亚共析钢在Ac1

~Ac3范围加热;过共析钢在Ac1~

Acm

范围加热（球化退火）钢的不完全退火不完全退火定义不完全退火组织:亚共析钢：F+P11不完全退火特点及目的:将钢加热到两相区,先共析铁素体（渗碳体）在热处理过程中相对量、形态及分布基本不发生变化。热处理加热温度低，节约能源，缩短工期，延长设备寿命。调节珠光体层间距,从而改善材料力学性能和机加工性能;降低材料的内应力.12亚共析钢：只是硬度较高、不便于切削加工时，为了改善切削加工性能，采用不完全退火此时不完全退火的目的主要是适当消除内应力和降低硬度不完全退火的选用:过共析钢:

不能采用完全退火，因为完全退火会导致组织粗大和网状碳化物的形成，使钢的性能恶化只能采用不完全退火，特别是球化退火13

钢的球化退火球化退火定义:将钢中片状或网状的碳化物转变成球状或粒状，得到铁素体基体上分布着粒状碳化物的显微组织的热处理工艺。过共析钢在Ac1+20~

30℃

加热→保温→缓冷球化退火工艺:工艺特点：温度不宜过高，保温时间不宜过长以保证奥氏体内存在成分不均匀和大量未溶解的细小、均匀分布的碳化物，作为球状碳化物析出时的形核核心。主要：刀具、模具、量具、轴承。1415获得均匀的显微组织，减轻应力集中，提高材料力学性能；降低材料的硬度，有效地改善材料的机加工性能作为最终热处理的预备热处理，避免最终热处理过程中工件的变形和开裂

钢的球化退火球化退火目的161、加热温度：低的加热温度有利于在钢中的形成成分不均匀，和保持存在较多的未溶解的碳化物；2、加热保温时间：长时间保温将会降低钢中成分偏析程度；3、冷却速度和等温温度：随着等温温度的降低，碳化物间距减少，碳化物颗粒尺寸也减少。钢的球化退火球化退火的影响因素:1718球化退火的实例一次球化退火工艺：将钢加热到Ac1+20~40℃，保温一段时间，以20~40℃/h冷却速度冷却到室温，或在600℃以下出炉空冷。特点：工艺简单，生产周期短，生产效率高。缺点析出的粒状碳化物层间距不一致，碳化物颗粒大小不均匀。19等温球化退火工艺：将钢加热到Ac1+20~40℃，保温一段时间，再在Ar1-20℃温度下保温2~4h，再随炉冷却至室温，或在600℃以下出炉空冷。特点：析出的碳化物颗粒层间距一致，碳化物颗粒大小均匀缺点工艺时间较长此工艺是目前经常使用的退火工艺球化退火的实例20循环球化退火工艺在一个周期内，将钢加热到Ac1+20~40℃，保温一段时间，再炉冷至Ar1-20℃温度下并保温一段时间，重复以上工艺多次。特点析出的碳化物颗粒大小均匀，球化程度良好缺点工艺时间长球化退火的实例2122

钢的扩散退火将钢加热到略低于固相线的温度,并且长时间的保温,然后随炉冷却至室温的热处理工艺,同时,也被称为均匀化退火。扩散退火定义:扩散退火温度一般为Ｔs－100~200℃取决于热处理的钢种：碳钢扩散退火温度一般取1100~1200℃；合金钢一般取1200~1300℃。扩散退火的工艺特点:23

钢的扩散退火依靠原子在高温下的充分运动扩散，使钢中原来存在的偏析减轻或消除，使之成分均匀化。扩散退火的目的（作用）:Al-Cu合金等轴晶内的Cu等浓度线大的镇静钢锭中的偏析24加热时应正确选择温度，并准确控制温度，以避免工件过烧（晶界发生严重氧化或局部熔化的现象）扩散退火后，晶粒粗大，力学性能低，往往需要进行后续完全退火或正火处理，以消除粗大晶粒。扩散退火时，加热温度高，能耗高，对设备的损害大，生产周期长，生产成本高。所以，此种工艺一般不应用。只应用于有些优质合金钢或铸造材料成分偏析严重的合金钢钢铸件。钢的扩散退火注意:25将钢加热到A3以下温度，一般的加热温度为200~700℃。保温时间为：t=kD

钢件k取3min/mm：铸铁件取k取6min/mm。

去应力退火去应力退火定义（工艺特点）26铸钢缸套件的去应力退火温度为600~650°C；冷卷弹簧的去应力温度为250~300°C；焊接件的去应力温度也取低温，以防止变形。注意：保温完成后，缓慢冷却以避免产生新的应力。去应力退火实例27将经过冷变形的金属加热到再结晶温度以上，使变形晶粒转变成无变形或少变形晶粒，同时消除冷变形过程中产生的加工硬化和残余内应力。

再结晶退火定义工艺特点加热温度高于Ｔ再作用消除加工硬化，提高塑性和韧性28注意：避免冷变形材料经过临界变形量变形后再进行再结晶退火，产生粗大晶粒。

再结晶退火29

正火将钢加热到奥氏体区完全奥氏体化，然后出炉进行空冷，以得到珠光体类型组织的热处理正火的定义加热温度：Ac3或Accm+30~50°C；冷却方式：一般采取在空气中冷却，或对大型零件采用鼓风冷却，或对高强度要求的采用热水冷却。正火的工艺30与退火相比较两者的加热温度相当，正火的冷却速度快，正火工艺是一种简单、经济的热处理工艺钢件材料内的共析组织（珠光体）相对量多些，珠光体的层片间距小正火处理的材料的硬度和强度较高正火的特点31改善低碳钢的切削加工性能对于低碳钢（<0.25％C），若采用退火处理，此时材料的硬度太低，切削加工时容易发生“粘刀”，且被机加工材料的表面光洁度很差。如果改为正火处理，可以提高材料的硬度150－200HB，正好适合切削加工消除中碳钢的热加工缺陷中碳钢铸件、锻件、轧制件以及焊接件，在经过热加工后容易出现魏氏组织、粗大晶粒等过热缺陷正火的应用32消除过共析钢中的网状碳化物过共析钢在淬火之前需要进行球化处理。然而，过共析钢铸造材料中容易出现网状碳化物，直接进行球化处理不能达到需要的效果。这时，如果在球化处理之前加上一次正火预处理，则能够有效地抑制网状碳化物的析出，为球化处理作好组织准备提高普通结构件的材料的力学性能对于一些受力不大、力学性能要求不高的碳钢或低合金钢结构件，可以采用正火处理作为最终热处理，也可以获得较好的综合力学性能，满足服役性能要求正火的应用3334退火与正火工艺加热温度35退火与正火的冷却正火：空冷退火：缓冷退火与正火的组织和性能亚共析钢：正火：F+细P(P量多），硬度较高;退火：F+P，硬度低退火与正火的应用低碳钢（<0.25%C)：正火中碳钢：完全退火/正火高碳钢（>1.0%C)：正火→球化退火36

淬火热处理的定义加钢加热到奥氏体转变区进行奥氏体化（亚共析钢加热到Ac3以上，过共析钢加热到Ac1以上），保温一定时间，然后以大于临界淬火速度的冷却速度进行冷却，使奥氏体发生非平衡转变，得到马氏体或贝氏体等非平衡组织的热处理工艺。37对于中、高碳钢，通过淬火得到马氏体或贝氏体等非平衡组织，从而使材料获得高的强度、硬度和耐磨性能。对于中碳钢，通过淬火及其随后的回火处理，可以使钢获得良好的强度、硬度、塑性和韧性配合，即得到良好的综合力学性能。

——淬火使钢得到马氏体或下贝氏体

淬火热处理的目的38淬火热处理工艺加热温度39亚共析钢加热到Ac3+30～50℃：得到全奥氏体组织，避免残余铁素体对于亚共析钢，得到全奥氏体组织，转变成马氏体后，得到的是力学性能较好的板条马氏体或混合型马氏体过共析钢加热到Accm+30～50℃：加热，基体奥氏体化时，少量未完全溶解的、细小的渗碳体可以有效地阻止奥氏体晶粒长大；淬火后，得到马氏体+细小碳化物，可以满足过共析钢的服役要求；防止得到过多、过大片状马氏体。加热温度40淬火加热的方式在空气中直接加热；在还原性气氛中加热；在熔融盐浴中加热：氯化盐；表面涂敷防止氧化的涂料。41淬火冷却大于临界淬火速度Vc的冷却速度进行冷却，使奥氏体发生非平衡转变，得到马氏体快速冷却到350℃以下等温保持，得到贝氏体T/℃A1MSMfA转变产物M+A’时间/sMVC2142淬火处理的组织快冷到室温（曲线1）亚共析钢马氏体+（残余奥氏体）过共析钢马氏体+残余奥氏体+渗碳体粒状快速冷却到350℃以下等温保持（曲线2）贝氏体43钢在淬火过程中时常发生变形和开裂，其原因就是淬火过程中产生了内应力——淬火应力。淬火应力有热应力和组织应力两种热应力及其形成：钢件在淬火加热和冷却过程中，由于不同部位的温度差异，导致热胀冷缩的不均匀性，从而产生的内应力组织应力及其形成：钢件在淬火过程中，由于组织转变而产生的内应力奥氏体转变成马氏体时，引起严重的晶格畸变马氏体比容与母体的巨大差异马氏体切变相变时极快速率淬火处理的淬火应力44淬透性定义钢的淬火淬透性钢件在淬火时获得马氏体的能力。它是钢的本质性能。通常用淬透层深度表示。淬透性表示

在一定条件下，钢件淬火时获得的淬透层的深度表示生产上常用临界淬火直径表示钢的淬透性45钢的淬透层深度:在标准实验条件下，钢在淬火时，表面至内部马氏体组织占50%处（半马氏体层）的距离临界淬火直径指圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏体的最大直径），用Do表示。在相同冷却条件下，Do越大，钢的淬透性越好。46半马氏体硬度与钢中含碳量的关系实线表示碳素钢，阴影线表示中、低合金钢47端淬实验示意图45钢的淬透性带淬透层深度48淬透性意义1）选材的依据根据钢件有效尺寸大小，要求整个截面上淬透时，需要选用相应的钢材；40钢的临界淬透直径£35mm；45钢的临界淬透直径£37mm；40Cr钢的临界淬透直径£45mm；40CrMnMo钢的临界淬透直径£100mm；2)选择冷却方式根据钢材淬透性，在保证满足要求的前提条件下，尽量选取缓和的冷却介质。49淬硬性:指在淬火时，钢件表面获得的最高硬度。影响因素主要是钢的含碳量淬硬层深度（淬透层深度）:指实际淬火条件下，钢件获得的淬透层深度；影响因素主要是合金化成分、加热工艺、冷却方式等。淬硬性和淬硬层深度50钢的淬火冷却介质冷却介质的影响

淬火的目的是为了得到马氏体，所以，淬火冷却时冷却速度应该大于临界冷却速度（冷却要快）冷速太快，钢件中淬火应力太大，易产生变形和开裂（冷却要慢）理想的淬火冷却速度51（1）水——最常用的冷却介质常用的冷却介质特点：在800－400℃，冷速较慢室温以下的温度，特别是进入马氏体转变温度区时，冷却速度很快容易造成钢件变形和开裂。适用于淬透性差、形状简单的钢件。水的冷却特性52（2）盐、碱水溶液：在水中添加少量NaCl或NaOH特点：在800－400℃，加快水在高温冷却区的冷却速度适用于淬透性很差、形状十分简单的钢件常用的冷却介质（3）油：也是最常用的一种冷却介质优点是低温区冷却速度比水小，有利于减轻马氏体区冷却转变时钢件的变形和开裂。缺点是，在高温区的冷却速度也较慢油广泛地用于奥氏体稳定性好的钢件的淬火。与水相反，随着温度升高，油的冷却速度反而增加。53淬火方法基本淬火方法冷却曲线示意图a.单液淬火冷却b.双液淬火冷却c.分级淬火冷却d.等温淬火冷却54

奥氏体化后的钢件直接投入一种冷却介质中，使之连续冷却至室温。冷却介质可以是水、油、空气（1）钢的单液淬火法淬火方法主要应用于淬透性差，需要快冷的钢种。碳钢采用水淬合金钢水淬易开裂，并且，合金钢具有良好的淬透性，常采用油淬。55单液淬火冷却方式的特点：优点：操作简单，容易实现机械化和自动化缺点：缺点：淬火时，钢件内外温差大，淬火应力大，易导致变形或开裂。对于形状复杂钢件此种方法不太适合。（1）钢的单液淬火法淬火方法561.双液淬火法将奥氏体化钢件先投入水中快冷至接近Ms点，然后立即转入油中冷却至室温。（2）、钢的双液淬火法淬火方法57定义：将奥氏体化钢件先淬入略高于或等于该钢Ms点的热浴液态介质中冷却停留一定时间，待钢件各部分的温度均匀一致后，取出空冷，在缓慢的冷却条件下，完成马氏体转变。（3）分级淬火法淬火方法58特点：这种工艺可以有效地防止钢件淬火时的变形和开裂，操作容易，简单。但是，由于采用硝盐或碱浴冷却，冷却速度不快，所以，此种方法只是适合小尺寸工件的淬火处理。特别适合于如刀具、量具和要求变形小的零件。（3）、分级淬火冷却淬火方法59定义：将奥氏体状态的钢件淬入温度稍高于Ms点的盐浴中等温，保持足够长时间，使之转变成为贝氏体组织，然后取出在空气中冷却的淬火工艺。（4）等温淬火冷却淬火方法特点：得到综合性能较好的下贝氏体，也就是得到较好的强度、硬度和韧性配合。由于下贝氏体的比容比马氏体小，转变速率也较慢，所以，等温淬火可以明显地减小淬火钢件的变形和开裂6061钢的回火处理

将淬火钢件重新加热到Ac以下的温度，保温，然后冷却的一种热处理形式。

回火的定义消除或减少淬火钢件的内应力；调整性能；稳定组织和尺寸回火的目的621.

消除或减少淬火钢件的内应力；淬火后回火处理，通过应力松释，消除应力集中区；或碳化物的重新异位形核、长大消除微裂纹

回火的目的2.

稳定组织和尺寸：消除内应力；降低正方度；促使残余奥氏体转变；633.

调整力学性能回火温度与硬度的关系回火温度与不同原始组织硬度的关系64

低温回火（碳钢）回火温度：150～250℃之间回火目的：是降低应力和脆性，使钢具有高的硬度、强度和耐磨性。回火组织：回火马氏体组织应用：要求高硬度和高耐磨性的工件，如刀具、量具、滚动轴承和渗碳件等。

中温回火回火温度：350～500℃之间回火组织：回火托氏体回火目的：内应力完全消除，具有高的弹性极限应用：各种弹簧件

回火类别、组织65高温回火

回火温度：500～650℃之间组织：回火索氏体性能特点：工件的强度、塑性、韧性有较好地配合，即具有高的综合力学性能。应用中碳结构钢制作的曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车拖拉机半轴、机床主轴及齿轮等重要机器零件。

淬火加高温回火的热处理称为“调质处理”。

回火类别、组织66合金化元素对回火的影响1.提高钢的回火抗力：

合金化元素不会改变回火过程相变，然而，它们可以延缓回火时各种转变，将其推向至高温时发生，即提高回火抗力。2.延缓残余奥氏体的分解碳钢淬火中的残余奥氏体在200－300°C分解；然而，合金钢中的残余奥氏体需要在更高的温度下发生分解，即合金化元素提高了残余奥氏体的稳定性。671.定义：

淬火钢回火时，在特定温度下，韧性降低的现象。回火脆性回火温度对钢冲击韧性的影响68低温回火脆性（第一类回火脆性）

：定义：淬火钢在250－400℃温度范围回火时，出现韧性降低的现象。形成原因：一般认为，是由于回火时呈薄膜状碳化物在马氏体晶界或亚晶界上形成而造成的；也有人认为是残余奥氏体消失导致脆性。2.分类：

低温回火脆性和高温回火脆性69低温回火脆性特点：与回火冷却速度无关；不可逆回火脆性克服办法：避免在此温度范围回火。70高温回火脆性（第二类回火脆性）

定义淬火钢在450－600℃温度范围回火时，出现低韧性的现象。形成原因：采用俄歇谱仪对发生回火脆性试验的断口表面（0.5－1nm）进行成份分析，富集大量的有害杂质元素（P、Sn、Sb、As）等。2.分类：

低温回火脆性和高温回火脆性71高温回火脆性特点：出现与否与回火冷却速度相关也称作为可逆回火脆性；克服办法：回火冷却时采用快速冷却合金元素W、Mo可减轻回火脆性72第3节钢的表面处理3.1、钢的表面淬火处理

一些钢件（例如齿轮、曲轴、冷轧棍等）使用时，要求表面硬而耐磨，心部有良好的韧性和塑性。此时，可以采用表面强化，例如表面淬火仅在表面得到马氏体的方法实现。1.钢件表面淬火目的732.钢件表面淬火方法（1)传统方法：火焰表面加热淬火方法它是利用氧－乙炔焰或者其他可燃气体将钢件表面迅速加热然后喷溶液冷却74特点