钢的热处理工艺

钢的热处理工艺主要内容二正火一退火三淬火四回火一、钢的退火与球化退火0102球化退火钢的退火1.1钢的退火定义与目的退火定义将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却(如炉冷、坑冷、灰冷等)的热处理工艺。退火目的均匀钢的化学成分及组织，消除铸造偏析，细化晶粒。消除内应力，稳定工件尺寸，减小变形，防止开裂。降低硬度，提高切削加工性能。提高塑性，便于冷变形加工。消除淬火后的过热组织以便再进行重新淬火。脱氢，防止白点。1.1退火分类与常用工艺退火分类：按不同标准划分包括5类

温度冷却方式零件面积设备表面状态030405相变重结晶退火(临界温度以上),低温退火(临界温度以下)等温退火,连续冷却退火,临界区快速冷却后缓慢冷却退火整体退火,局部退火加热炉退火,盐浴退火,真空退火,感应退火,磁场退火,包装退火黑皮退火,光亮退火01021.1退火分类与常用工艺完全退火不完全退火球化退火再结晶退火去应力退火扩散退火1.退火分类与常用工艺时间温度/℃Ac1Ac3温度高,时间长,能耗大,易氧化脱碳。易导致退火后晶粒粗大,一般需要再次完全退火。不能消除合金元素偏析的,要反复锻打。又称为均匀化退火，将金属铸锭或锻坯，在稍低于固相线的温度下长期加热通过钢中元素的充分扩散，消除或减少化学成分偏析及显微组织的不均匀性，已达到均匀化目的的热处理工艺。扩散退火加热温度：Ac3或Accm以上150-300℃,碳钢1100-1200℃,合金钢1200-1300℃。保温时间：10-15h。冷却速度：一般为50℃/h,降温到600℃后空冷;高合金钢低于20-30℃/h,降温到350℃后空冷。工艺参数注意事项1.1退火分类与常用工艺细化晶粒。消除内应力。得到平衡组织,切断组织遗传。时间温度/℃Ac3Accm亚共析钢过共析钢完全退火又称重结晶退火，一般指加热并保温足够长时间使钢完全得到奥氏体后慢冷，以获得接近平衡组织的热处理工艺。退火目的加热温度：亚共析钢Ac3+(30-50℃),合金钢Ac3+(50-70℃)。保温时间：结构钢、弹簧钢及模具钢8.5+Q/4,亚共析锻、轧钢(3-4)+(0.2-0.5)Q(Q:装炉量)。冷却速度：碳钢100-200℃/h,随炉冷;低合金钢50-100℃/h,高合金钢20-50℃/h在600℃出炉冷。工艺参数1.退火分类与常用工艺时间温度/℃Ac1Ac3不完全退火将钢件加热到Ac1和Ac3(或Accm)之间,经保温后缓慢冷却,以获得接近平衡组织的热处理工艺。相同点：目的相同，通过相变重结晶来细化晶粒，改善组织，去除应力，改善切削性能。不同点：相变和重结晶不完全，细化晶粒的程度较差。与完全退火的异同优点：加热温度低，消耗热能少，工艺周期短，生产效率高，工艺成本低。工艺参数：保温时间、冷却速度等工艺参数的确定与完全退火基本相同。优点与工艺参数1.退火分类与常用工艺时间温度/℃Ac1将冷变形的金属或合金加热到再结晶温度以上保温适当时间，使畸变晶粒通过形核长大而形成新的无畸变的等轴晶，以消除形变强化和残余应力的热处理工艺。再结晶退火目的：消除冷变形造成的强度、硬度提高，塑性韧性下降形变强化及残余应力。应用范围：冷变形的钢材及冷变形成形工件，如冷轧钢板及冷拉、冷挤压成形工件。目的与应用加热温度：一般碳钢和低合金钢600-700℃；温度太高，晶粒粗化，温度太低，再结晶不充分。保温时间：1-3h。冷却速度：随炉冷至500℃，出炉空冷。工艺参数1.退火分类与常用工艺去应力退火冷变形后的金属在低于再结晶温度加热，以去除由于形变加工、锻造、焊接等所引起的应力,但仍保留冷作硬化效果的热处理工艺。实际生产中应用非常广泛。组织没有发生变化；在保留冷作/热作/表面硬化条件下，去除应力，减小变形和开裂。情况说明时间温度/℃Ac1加热温度：碳钢和低合金钢550-650℃,铸铁500-600℃,热作模具钢、高合金钢650-750℃。保温时间：一般1-3h。冷却速度：缓冷至500℃以下出炉空冷,大件、易畸变件冷至200-300℃再出炉空冷

。工艺参数小结按照温度,退火分为相变重结晶退火和低温退火;前者包括扩散退火、完全退火、不安全退火、球化退火,后者包括再结晶退火和去应力退火。01退火得到接近平衡的组织,是生产中常用的热处理方法,退火种类繁多,目的各不相同,工艺差别较大;大部分退火工艺有3个基本特点,一是加热温度在Ac1以上,二是慢冷,三是得到珠光体型转变产物。022.球化退火0102球化退火方法球化退火定义与目的03球化退火案例分析2.1.球化退火定义与目的使钢中碳化物球化而进行的退火工艺。高碳钢及高合金钢工件及某些冷挤压成形的低中碳结构钢。降低硬度，改善切削性能。为最终热处理做组织准备。改善亚共析钢的冷塑性变形能力。球化退火适用范围球化目的2.2.球化退火方法

3.周期球化退火主要球化退火方法普通球化退火2.等温球化退火4.形变球化退火2.2.球化退火方法普通球化退火：又称缓冷球化退火或一次球化退火，将钢加热到AC1+(20-30)℃，保温适当时间(2-6h)，然后随后炉冷至550℃左右出炉空冷的工艺。注意事项适用对象原始组织为细片状P，无连续网状渗碳体。保温时间取决于烧透时间。冷却速度通常10-20℃/h。冷却速度太快，碳化物易呈细粒状或片状；冷速太慢，碳化物聚集长大较充分，导致碳化物较粗。时间温度/℃Ac1Ac3AC1+(20-30)℃550℃随炉缓冷空冷.特点球化效果较好，但退火周期较长，能耗较大，生产效率较低，缓冷速度不易控制。2.2.球化退火方法等温球化退火：将钢加热到AC1+(10-30)℃，保温一定时间(4h)，然后冷至Ar1-(20-30)℃，并在此温度等温较长时间，随后炉冷至550℃后空冷的工艺。特点与普通球化退火相比，退火周期短，球化组织均匀，适用于大件。时间温度/℃Ac1Ac3AC1+(10-30)℃Ar1-(20-30)℃550℃随炉缓冷空冷.注意事项加热温度是决定球化质量的关键。温度高，奥氏体成分较均匀，碳化物与富碳区较少，退火后易出现粗片P；温度低，溶断碳化物较少，球化不易充分，硬度偏高。等温温度是另一关键参数。温度再低，球化所需时间太长；保温时间应保证碳化物的球化。2.2.球化退火方法周期球化退火：又叫循环球化退火，将钢加热到AC1+(20-30)℃，短时保温后炉冷到Ar1-(20-30)℃进行短时保温，如此交替加热和冷却若干次的工艺。特点工艺周期较短，能耗较低、球化较充分，但操作较繁琐，难以控制，适用于小批量小截面工件。时间温度/℃Ac1Ac3AC1+(10-30)℃Ar-(20-30)℃550℃空冷.注意事项加热、冷却温度与等温球化相同；保温时间主要取决于工件的均温时间。等小件循环冷却时，可由炉中取出，空冷至Ar1以下再放回炉中。2.2.晶粒控制的途径及措施影响碳化物球化效果4个主要因素：温度因素时间/冷速化学成分原始组织加热温度等温温度加热时间等温时间冷却速度含碳量：碳增多球化效果好强碳化物形成元素：有利于球化碳化物薄细：易于球化网状碳化物：不易球化04030201钢在略高于Ac1临界温度加热保温，得到不均匀奥氏体；在缓冷或略低于Ac1等温时，未溶碳化物质点或富碳区域为核心形成球状碳化物。普通(等温、周期)球化退火共同点：2.2球化退火方法形变球化退火应用案例:将T8A、T9A钢丝冷拔后，加热到700℃保温60min后随炉冷至500℃出炉空冷。室温下对钢件进行适量变形，然后在Ac1-(20-30)℃进行球化退火的工艺。低温形变球化退火高温形变后，立即在Ac1+(30-50)℃保温，然后进行缓冷或等温退火的工艺。高温形变球化退火应用案例：将GCr15钢锻造后，在780-800℃保温2-5h后随炉缓冷或出炉空冷。2.3.球化退火案例分析技术要求：GCr15钢滚动轴承套圈锻坯，球化退火后锻坯硬度180-208HBW，球化级别2-3级。加工路线：备料-锻造-球化退火-车削加工-淬火/冷处理/低温回火-粗磨-时效-半精磨-时效-精磨。加热温度与等温温度的选择：GCr15钢的Ac1点为750-760℃,加热温度取790

℃,等温温度取720℃,硬度为210-215HBW。保温与等温时间的选择：综合考虑球化质量、装炉量、装炉方法、工件大小等,通常保温时间3-6h,等温时间4-6h。冷却：两个保温阶段之间的冷却方式可以随炉冷却、打开炉门冷却、将工件移出炉外空冷、双炉冷却、风冷;等温后冷却采用随炉冷至650℃出炉空冷。时间温度780-810℃680-720℃3-6h4-6h炉冷至650℃出炉空冷冷却1冷却2小结球化退火的工艺参数主要包括：温度、时间、冷速，其中温度因素对碳化物球化效果的作用大于时间因素的作用，这些因素参数的合理制定是退火质量的保证。01球化退火是重要的退火方法，按照球化碳化物的实现路径，又可细分为：普通球化退火、等温球化退火、周期球化退火、形变球化退火等，它们既有不同点也有相同点，各有优势。02二、正火01正火定义02正火目的与应用03正火工艺2.1.正火定义正火：将钢加热到Ac3或Accm以上适当温度，保温一定时间后，在空气中冷却，得到珠光体类型组织的热处理工艺。理论基础完全奥氏体化+伪共析转变。常化处理正火所得珠光体的分散度大，先共析铁素体的数量少，钢的组织实现正常化，正火后组织的强度、硬度高。T℃Wc/%GEPQKTS正火2.2.正火目的与应用作为预备热处理。消除过共析钢的网状碳化物，或减轻铸锻件的带状组织为后续的热处理提供组织准备。作为最终热处理。细化奥氏体晶粒，使组织均匀化；减少亚共析钢中F含量，增加和细化P，提高强度/硬度/韧性，满足普通工件使用性能要求。调整硬度。细化晶粒，提高强度，改善低碳或低碳合金钢的切削加工性能，避免“粘刀”现象。目的与应用取代部分完全退火。正火操作简单，生产周期短，消耗少，可消除低碳钢或含碳较低的中碳钢的应力。2.3.正火工艺

时间/h温度/℃Ac3(Accm)Ac1空冷工艺参数加热温度：Ac3+(50-70℃)或Accm+(30-50℃)。保温时间：τ=αkD,α为加热时间常数，k为装炉修正系数，D为工件有效厚度钢。冷却方式：通常空冷；低碳钢、含碳量较低的中碳钢、高碳钢及大件采用吹风、喷雾冷却。正火工艺曲线普通正火工艺2.3.正火工艺等温正火：将工件加热奥氏体化后，采用强制吹风等方法快冷到珠光体转变区的某一温度并保温，以获得珠光体型组织，然后在空气中冷却的正火。应用适用于过冷奥氏体较稳定、珠光体转变温度范围较窄的合金钢，如20CrMnTi、20CrMo；批量生产的合金渗碳钢齿轮毛坯预备处理；能够利用锻后预热，值得推广。工艺参数@奥氏体化与等温之间的冷速：速度要快，采用强制鼓风方式在很短的规定时间内降到等温温度。@等温温度：不同钢材的温度不同(常为560-650℃)。时间/h温度/℃Ac3(Accm)Ac1空冷强制风冷2.3.正火工艺双(多)重正火：对工件进行两次或两次以上的正火。工艺说明@含有粗大组织或魏氏组织的锻件和铸件，如20Mn、20CrMoV、15Cr等低合金钢铸件。@第一次正火消除组大组织。@第二次正火细化晶粒，使组织均匀化，提高冲击韧性。AC3+(150-200)℃时间温度/℃Ac3AC3+(30-50)℃2.3.正火工艺实例：20CrMoH钢锻件有严重带状组织，影响切削加工及最终热处理质量。时间/h温度/℃Ac3Ac1空冷600℃空冷空冷1050-1250℃时间/h温度/℃Ac3Ac1空冷风冷950℃610℃小结正火的理论基础是奥氏体化和伪共析转变，其冷却常采用空冷或风冷的方式，关键工艺参数温度通常比Ac3或Accm高于30到50℃，如工件尺寸大，温度可以高出150-200℃。01正火是一种重要热处理工艺，它既可做预备热处理也可以为最终热处理，包括普通正火、等温正火、双重或多重正火等，正火不仅可以获得细化的组织，还可以消除网状渗碳体、魏氏体、带状组织等组织缺陷。02三、淬火01淬火概念与介质02钢的淬透性03淬火方法04淬火应力与变形开裂3.1.1.淬火概念与介质0102淬火介质淬火概念3.1.淬火概念将钢加热到临界温度(Ac3或Ac1)以上，保温一定时间使之奥氏体化后，以大于临界冷却速率的冷速进行冷却的热处理工艺。在工件界面上获得所需要的马氏体或者下贝氏体组织。

A1700温度/℃

时间/s300500MsVk马氏体的冷却条件：V≥Vk。Vk:临界冷却速度，取决于钢的化学成分和奥氏体化条件。V

:实际冷却速度，取决于工件的几何尺寸和冷却介质的冷却特性。定义时间/h温度/℃Ac3Ac1油冷或水冷目的3.1.2.淬火介质理想淬火介质>650℃:冷却能力较弱，冷速较慢，减少热应力。淬火工艺中采用的冷却介质，其状况影响淬火质量。650-400℃：冷却能力较强，冷速较快，保证过冷奥氏体不分解。<400℃：冷却能力弱，冷速慢，减小M转变的组织应力。稳定，廉价，无毒无味，不腐蚀工件，安全环保。

温度

时间MsA1理想冷却曲线示意淬火介质3.1.2.淬火介质有物态变化的介质：包括水、油和水溶液等，其沸点低于工件淬火温度，淬火时介质沸腾汽化。无物态变化的介质：包括熔盐、熔碱、熔金属等，其沸点高于工件淬火温度，淬火时介质不沸腾汽化。时间蒸汽膜阶段沸腾阶段对流阶段温度ABCD淬火时有物态变化介质冷却机理(1)蒸汽膜阶段：工件表面出现连续的蒸汽膜，将工件与液体分开，此阶段传热以辐射为主，对流与传导作用较弱，工件冷速较慢；随温度降低，蒸汽膜逐渐变薄，直至破裂消失。(2)沸腾阶段：蒸汽膜破裂后，液体与工件接触，液体被汽化，发生沸腾，气泡逸出液面，此阶段辐射、对流、传导作用明显，冷速快。(3)对流阶段：工件表面降温至沸点(C点)以下时，辐射与传导传热作用很小，主要依靠对流传热，冷速较慢。按物理特性，淬火介质分两类

1.油3.盐浴与碱浴主要淬火介质3.2.淬火介质2.水及水溶液3.1.2.淬火介质冷却特点：在高温区冷却速度低，在500-350℃范围冷却速度最快，在小于350℃的低温区冷速较慢。优点：在低温区的油的冷却速度远小于水的冷速，有利于减少工件的变形与开裂倾向。缺点：高温区的冷却能力很小，仅为水的1/5~1/6，使其适用于合金钢或小尺寸碳钢工件的淬火；油易老化，需定期过滤和更换。

油3.1.2.淬火介质冷却特点：在650-400℃范围内的冷却速度较小；在马氏体转变温度区的冷却速度特别快；水温对冷却特性影响很大，随水温提高，水的冷却速度降低。适用对象：尺寸小、形状简单的碳钢工件。

水

盐水冷却特点：冷却能力在中、高温区比水高很多，在200-300℃范围内也比水强，200℃以下与水相近；盐水蒸汽膜易破裂，冷却均匀，不易产生软点。适用对象：硬度要求较高的碳素工具钢及部分结构钢。3.1.2.

淬火介质冷却特点：在高温区和中温区冷速水的冷速(400℃/s)，低温区的冷速介于水与油的之间(40-100℃/s)。适用对象：要求较小畸变的中、高碳钢、低合金钢、球墨铸铁等。硝酸盐水溶液聚二醇水溶液适用对象：碳钢、中低碳合金钢及高碳高合金钢。三硝水溶液：25%NaNO3+20%NaNO3+20%KNO3+35%H2O。PAG水溶液：聚二醇、水和添加剂。冷却特点：冷速介于水和油之间，高温区和中温区冷速较大，低温区冷速较慢；具有独特的逆溶性。3.1.2.淬火介质冷却特点：高、中温区冷却速度较大，高温时冷速介于水、油冷速之间，低温区冷速慢，其冷速略低于油的冷速。适用对象：形状复杂、易变形、开裂的工件或对变形要求较严的工件。缺点：易造成环境污染，对工件有腐蚀氧化作用。

盐浴小结淬火时选用理想的淬火介质很关键，介质包括水及水的盐、碱溶液或者聚合物溶液、油介质和盐浴、碱浴，淬火介质的选用既要关注其冷却特性，也要兼顾介质的成本、对环境的影响。01淬火是重要的热处理工艺，为得到马氏体或者下贝氏体，实际冷速要大于临界冷却速度，前者与工件尺寸与淬火介质的冷却特性有关，后者取决于钢的成分及奥氏体化条件。022.钢的淬透性01淬透性及相关概念02淬透性的测量03淬透性的影响因素3.2.1.淬透性及相关概念中心表面表面界面上冷速变化横截面全淬硬VcVcV表面V中心时间OA1Ms温度淬透中心表面表面界面上冷速变化横截面淬硬层未淬硬层VcVcV表面V中心时间OA1Ms温度未淬透淬透性？？淬硬性？？3.2.1.淬透性及相关概念

以在规定条件下钢试样淬硬深度和硬度分布表征的材料特性。(GB/T7232-1999)

衡量钢淬火获得马氏体的能力，是固有属性。淬透性具体条件下淬透深度，随淬火冷却介质、工件尺寸、加热温度等变化。实际淬透深度

以钢在理想条件下淬火所能达到的最高硬度来表征的材料特性。

反应钢被淬硬能力的指标，取决于M的硬度高低，与含碳量有关。淬硬性淬硬性不一定高。3.2.1.淬透性及相关概念(注：直径相同/淬火介质相同)直径硬度HRC直径18Cr2Ni4WA钢T10钢淬透性高的钢，3.2.2.淬透性的测量主要测量方法1234端淬法断口检验法U曲线法临界直径法3.2.2.淬透性的测量端淬法末端淬透性实验示意图将Ф25×100mm

标准试样加热后对末端进行喷水冷却(水压恒定)，试样末端相当于淬火零件的表面，距末端的距离越远，冷却速度越低，相当于淬火零件的内部。试样冷却后沿长度方向磨出一狭条平面，每隔一定距离测量硬度值，绘出淬透性曲线至水冷端的距离(mm)3.2.2.淬透性的测量淬透性表示方法：J——表示末端淬透性d——测试点至水冷端的距离(mm)HRC——测试点处的硬度值:距水冷端6mm处试样的硬度为40HRC。3.2.2.淬透性的测量断口检验法适用对象碳素工具钢、低合金工具钢。试样尺寸20×20×100mm，Φ22～23×100mm试样，试样侧面开3～5mm刻槽。试样热处理参数淬火温度760℃、800℃、840℃。加热时间15～20min，淬火介质为20-40℃水。淬透性表示断口上“脆断区”的深度h。测量方法将长度是直径4倍的圆柱形试样，经奥氏体化后，在同样冷却介质中冷却，然后在试样截面上沿直径测量硬度，得到U形硬度分布曲线。淬透性表示DH/DU曲线法3.2.2.淬透性的测量临界直径法

Do含义工件心部被淬成半马氏体的最大直径，所能得到的最大淬透直径。

淬透性表示

Do，Do越大，钢的淬透性越好。将某种钢做成各种不同直径的一组圆棒试样，按规定条件在某介质中淬火后，找出其中界面中心恰好是含50%马氏体组织的一根试样，该试样的直径为临界淬透直径Do。测量方法3.2.3.淬透性的影响因素淬透性取决于临界冷却速度Vk(即取决于等温转变曲线鼻尖的位置)。

A1700温度/℃

时间/s300500MsVk淬透性的变化：

“C”曲线右移，淬透性提高；“C”曲线左移，淬透性降低。

淬透性的影响因素：钢的化学成分、奥氏体晶粒度和成分均匀程度、未溶的第二相。小结淬透性有多种测量方法，如端淬法、断口检验法、U型曲线法、临界直径法，其中端淬法最常用。01钢的淬透性是固有属性，反应其获得马氏体的能力，取决于钢等温转变C形曲线的位置，明显受合金元素的影响。023.3.淬火方法02双介质淬火法01单介质淬火法03分级淬火法贝氏体等温淬火法043.3.1.单介质淬火法适用范围形状简单、变形开裂倾向小或对变形量要求不高的碳钢与合金钢工件。实施要点@加热时，防氧化脱碳与变形。@控制温度与时间，保持晶粒细小与节能。@冷却时，淬入介质要快，淬入后适当运动。优、缺点@易操作、易实现机械化、自动化，适宜批量生产。@工件硬度与畸变要求难以兼顾。单介质淬火：将已加热奥氏体化的工件淬火某种淬火冷却介质中，一直冷至室温的淬火冷却方式。时间温度A1Ms3.3.2.双介质淬火法适用范围相对于其淬透性来说，截面较大且要求畸变较小或形状复杂的碳钢和合金钢工件。工艺原理先快冷，躲过C曲线鼻尖，获得足够硬度和淬硬层深度；后慢冷，使心部/表层同步转变，减小组织应力和畸变，避免开裂。优、缺点@获得足够硬度和淬硬层深度的同时，减小畸变和开裂倾向性。@工件在第一种介质中停留时间要精准，不易操作。双介质淬火：将工件加热奥氏体化后先侵入冷却能力强的介质，在组织即将发生马氏体转变时，立刻移入冷却能力弱的介质中冷却的淬火方式。时间温度A1Ms分级淬火将工件加热奥氏体化后侵入温度稍高或稍低于Ms点的盐浴或碱浴中保持适当时间，待工件整体达到介质温度后取出空冷以获得M的淬火方式。3.分级淬火法时间温度A1Ms与双介质淬火方法相比，分级淬火适用于要求畸变较小或形状复杂的小件和淬火易畸变开裂的小件。①冷却介质温度多在200℃左右，与工件的温差较小，冷速较慢，工件心部和表层温差小，热应力减少。②在等温过程中，工件心部、表面温度趋于均匀，随后空冷冷速较慢，心部和表层基本同时发生马氏体转变，组织应力减小。③在等温和较慢冷却中发生一定程度的奥氏体稳定化，残余A增多，减小淬火畸变和开裂倾向。适用范围工艺原理3.分级淬火法加热温度：比普通淬火高10-20℃，增大奥氏体的稳定性。分级温度：淬透性好的钢，温度Ms+(10-30)℃较长时间孕育，防止等温时发生非M转变；淬透性较差或截面较大的工件，温度Ms-(80-100)℃。分级时间：短于该温度下奥氏体分解的孕育期，尽量使工件内外温度均匀，先按30+5d秒(d:有效厚度)初定，后由工艺试验确定。时间温度A1Ms淬火介质：硝盐浴、分级淬火油或碱浴。4.贝氏体等温淬火法贝氏体等温淬火：将工件加热好的工件置于温度高于Ms点淬火介质中保持适当时间，使其转变为下贝氏体，然后取出空冷的淬火方式。适用范围形状复杂、要求畸变比分级淬火更小的工具及零件，不适用于尺寸较大的工件，但截面尺寸比分级的略大些。工艺原理①与M分级淬火相似，冷却介质与工件的温差较小，冷速较慢，热应力较小。②贝氏体的比容较马氏体的小，引起的相变应力较小。③等温时，工件心部和表层基本同时发生相变，组织应力较小。时间温度A1Ms等温淬火优、缺点4.贝氏体等温淬火法①加热温度：一般与普通淬火相同。②等温温度：一般在Ms-Ms+30℃温度范围。③等温时间：包括工件冷却到介质温度所需时间、均温时间和等温转变的时间，取决于成分、尺寸，不宜过长。④等温介质：硝盐、碱浴、专用热处理油。⑤冷却：一般采用空冷。①工件变形开裂倾向极小。②操作较简单，结构钢等温淬火处理后可直接使用，节能效果显著。③获得的下贝氏体韧性良好，但硬度略低于普通淬火后的硬度。时间温度A1Ms工艺参数4.贝氏体等温淬火法小结单介质淬火，适用于形状简单、变形开裂倾向小或对畸变要求不严的工件。其中碳钢多用水或盐水淬冷，合金钢采用油冷；双介质淬火主要用于硬度及淬硬深度要求高、而淬透性相对低的工件；分级与等温淬火主要用于易畸变开裂的小件。3.4.主要内容01淬火应力02淬火变形与开裂03淬火缺陷的防止应力方向3.4.1.淬火应力淬火应力①热应力在加热/冷却过程中，工件各部位因加热和冷却速度不同而存在温度差异，致使不同部位热胀冷缩不均匀所引起的内应力。②组织应力在加热/冷却过程中，工件各部位难以同时发生相变或者相变产物有所不同，新旧相之间存在着结构/比容差异和组织结构转变不均匀所引起的内应力。①淬火不可避免产生内应力。②淬火应力状态和分布影响热处理质量。③导致变形甚至开裂。径向/轴向/切向径向轴向切向3.4.1.淬火应力开始冷却表层先冷收缩，对心部产生压应力，受到心部的拉应力。冷却前期，表层受拉，心部受压；冷却后期，表层受压，心部受拉。继续冷却表层与心部温差增大，热应力增大；心部压应力大于屈服强度，塑变并轴向缩短，松弛应力。进一步冷却表层温度较低，收缩较小或不再收缩，表层与心部收到的热应力减小，直至为零，此时试样截面有温差。Ⅱ后冷却心部会收缩，而心部早被缩短，表层将阻碍心部收缩到室温应用长达，致使表层受到压应力，心部受拉应力。3.4.1.淬火应力切向表面表面中心轴向表面表面中心径向表面表面中心800400-4000心部为拉应力表层应力为零表层为压应力心部为拉应力表层为压应力心部为拉应力圆柱试样热应力分布1.淬火应力(1)开始冷却：表层先形成M而膨胀产生压应力，心部产生拉应力；当心部的拉应力超过钢在该温度的屈服强度，发生塑变，心部沿轴向伸长。(2)继续冷却：心部发生M转变而膨胀，对表层产生压应力，受到拉应力，此时表层受到压应力。组织应力变化冷却前期，表层受压，心部受拉；冷却后期，表层受拉，心部受压。切向表面表面中心径向表面表面中心轴向表面表面中心800400-4000表层为拉应力心部为压应力表层为拉应力心部为压应力表层应力为零心部为压应力组织应力分布-8003.4.2.淬火变形与开裂热应力引起变形规律：工件沿最大尺寸方向收缩，沿最小尺寸方向长大，使棱角变圆，平面凸起趋于球形。杆件趋于鼓形扁平件趋于铁饼形正方件趋于球形套筒趋于瓮形

源于淬火应力大于钢的下屈服强度。①扭曲或翘曲(工件几何形状发生变化)：源于热应力和组织应力。②膨胀或缩小(工件体积发生变化)：源于相变时的比容差。淬火变形3.4.2.淬火变形与开裂杆件伸长，直径缩短成樽形扁平件趋于双凹透镜形正方件表面瘪凹，八角突出套筒趋于长鼓形均匀的膨胀或收缩。相变比容差引起变形规律：组织应力引起变形规律：工件沿最大尺寸方向伸长，沿最小尺寸方向缩短，使棱角突出，平面内凹。3.4.2.淬火变形与开裂加热温度/冷却速率①淬火加热温度：加热温度越高，变形越大。②淬火冷却速率：冷却速率增大，变形增大。工件形状原始组织化学成分①形状与对称性：形状简单，截面对称的工件，变形小。②截面尺寸：工件截面尺寸越大，变形越大。①带状组织/成分偏析：增大工件变形不均匀性。②碳化物的分布：带状方向的变形大于垂直方向的变形。③比容：比容差越小，变形越小。①碳：低碳钢热应力为主，C越少，热应力比例越大。②合金元素：降低导热性，增大热应力；增大M，增大组织应力；增大淬透性，降低淬火应力；降低Ms增加A，减小组织应力。淬火变形的4个主要因素：3.4.2.淬火变形与开裂纵向裂纹：多见于全淬透工件，与热处理前的裂纹、非金属夹杂等有关。横向裂纹：多见于非全淬透工件的淬硬层与非淬硬层的过渡区，与工件的尖角、凹槽等有关。网状裂纹：多见于表面脱碳的高碳钢。剥离裂纹：多见于表面淬火和化学处理工件的表面皮下压应力向拉应力急剧过渡区。显微裂纹：多见于过热的高碳钢或渗碳件的片状M中。淬火开裂：源于拉应力超过材料的断裂强度；或者材料内部有缺陷。3.4.3.淬火缺陷的防止①形状复杂、截面尺寸相差悬殊的工件，应选用淬透性较高的合金钢；使用前对原材料质量严格检验，避免不合格的钢材。②尽量减少截面厚薄悬殊，避免薄边和尖角；形状尽量对称，复杂工件冷却均匀或适当增加工艺孔。①对钢材进行锻造，消除冶金缺陷；并适当正火、退火等预备热处理。②对复杂零件，在其加工工序间或淬火前，进行去应力退火。①加热温度一般选下限温度，减小温差；调整变形量时，也适当增大温度。②对复杂、厚薄不匀的高速钢或高合金件，要预热或限制加热速度；正确选择淬火介质和方法。正确锻造与预备热处理：正确选材与合理设计：热处理工艺合适：小结淬火应力是工件变形和开裂的原因，该缺陷与工件成分、结构尺寸和淬火工艺参数等有关，但淬火缺陷生产中可通过多种措施加以防止。01淬火时工件中存在内应力，包括热应力和组织应力，它们在工件不同部位变化规律相反，热应力在冷却前期，使表层受拉，心部受压，冷却后期，使表层受压，心部受拉。024.1主要内容01回火概述02碳钢回火组织转变4.1.1.回火概述①减小或消除淬火应力；②提高韧性和塑形，获得硬度、强度、塑形、韧性的适当配合；③稳定组织和尺寸。淬火回火将淬硬工件加热到Ac1以下某一温度，保温一段时间，然后冷却到室温的热处理工艺。定义：目的：4.1.2.碳钢回火组织转变时效阶段(20-100℃):碳原子偏聚第一阶段(100-250℃):M分解第二阶段(200-300℃):A’分解第三阶段(200-400℃):K析出与转变第四阶段(350℃以上):Fe3C球化粗化及F相回复再结晶回火转变的五个阶段123454.1.2.碳钢回火组织转变碳原子偏聚实例时效阶段：回火准备阶段Fe-0.21wt%C钢经过1000℃奥氏体化水淬获得马氏体组织，再经150℃回火10分钟，用原子探针可以测得α基体的碳含量为0.029%，但板条马氏体边界的碳含量则高达0.42%，比平均的碳含量提高了一倍。板条马氏体：碳偏聚在位错线。wc≤0.2%的板条M亚结构为位错，马氏体中过饱和C原子就近向位错线附近扩散，形成碳的偏聚区。4.1.2.碳钢回火组织转变碳原子偏聚实例时效阶段：回火准备阶段片状马氏体：碳偏聚在孪晶界面。片状M亚结构为孪晶，没有足够容纳碳原子的位错，C原子在一定界面上聚集，形成片状的富碳聚集区。Fe-0.78％C-0.65％Mn(wt%)钢，经过1200℃奥氏体化水淬获得马氏体组织，再经160℃回火一小时，用原子探针可以测得α基体的碳含量为0.32%，但孪晶界的碳含量则高达1.83%4.1.2.碳钢回火组织转变回火第一阶段＞100°C时，随T↑，M中C%↓，晶格常数c↓，a↑正方度c/a↓－过饱和程度下降M发生分解(固溶强化消失)4.1.2.碳钢回火组织转变4.1.2.碳钢回火组织转变高碳回火马氏体①<150℃时：二相式分解，温度升高孪晶界的富碳区进一步富碳并转化为ε-碳化物，其附近马氏体中碳含量降低，远离ε的M中碳含量不变，在同一片M中出现成分不同结构相同的两相区。②>150℃时：连续式分解，温度升高，碳原子扩散能力增强，使同一片马氏体中的两相碳浓度区域一致。εMMM/M/εM/Mwc%M/εεM/M/wc%回火第一阶段高碳片状马氏体的分解2.碳钢回火组织转变回火第一阶段中碳钢M分解①有片状马氏体的ε碳化物析出。②有低碳板条马氏体的碳偏聚。低碳板条M分解(1)<200℃时：碳偏聚区比ε-碳化物稳定，碳原子处于位错线间隙位置，不析出ε碳化物。(2)>200℃时：析出ε碳化物低碳回火马氏体2.碳钢回火组织转变A/的等温转变：形成过饱和α固溶体和ε碳化物

A/M回或

B(α相+ε-FexC)(2)A/的二次淬火：回火时A/析出碳化物而碳含量减少，马氏体分解使得A/所受压应力降低；这提高其M转变的Ms和Mf，导致A在第二阶段稳定存在，不分解；随后冷却中才能M转变。@残余奥氏体本质上与过冷奥氏体相同。@wc<0.5%碳钢的残余奥氏体数量<2%。@碳、合金元素量增加和淬火热稳定化、机械稳定化增加残余A

。回火第二阶段残余奥氏体的分解残余奥氏体特点2.碳钢回火组织转变(1)低碳位错M：偏聚在位错线附近的碳原子，直接在位错线附近或M条间析出细小片状的θ碳化物。ε碳化物密排六方Fe2.4Cχ碳化物单斜晶系θ碳化物正交晶系Fe2.5CFe3C(3)高碳孪晶M：回火第一阶段析出的ε碳化物，在高于250℃通过原位或离位转变，在M孪晶界或边界处形成薄片状状的χ和θ碳化物。(2)中碳混合M：0.2-0.4%C时，亚稳碳化物转变为θ碳化物，不析出χ碳化物；板条和片状共存的M中孪晶M析出碳化物的过程与高碳M相同。回火第三阶段碳化物的析出与转变钢中碳化物2.碳钢回火组织转变回火温度(℃)回火时间(h)回火屈氏体θ-K与针状α无共格关系碳化物转变：形核与长大①原位形核：在原碳化物的基础上发生成分变化和点阵重构，形成更稳定的碳化物。②离位形核：原碳化物溶回母相中，新的更稳定的碳化物在其它部位重新形核。4.1.2.碳钢回火组织转变回火第四阶段板条M回火时α相回复再结晶：①400-600℃：回复时M位错密度下降,剩余位错排成位错网组成亚晶界;局部板条界消失,板条外形可见。②>600℃：再结晶时板条特征消失,

α等轴状。板条M回火时α相回复再结晶：①<400℃：回复时孪晶消失，出现位错，片状特征存在(回火屈氏体)。②>600℃：再结晶时片状特征消失,α等轴状。回火索氏体=等轴α+粒状Fe3C碳化物球化与长大：400℃球化，600℃聚集粗化；遵循小颗粒溶解、大颗粒长大机制。水淬态回复态再结晶态小结回火过程中，碳钢经过系列组织转变，包括碳的扩散偏聚、马氏体的分解、碳化物的析出转变/球化粗化、残余奥氏体的分解和α相的回复/再结晶。01淬火后通常需要回火，回火能够消除淬火应力，去除残余奥氏体稳定工件尺寸，在保持足够强硬度的前提下提高钢的塑韧性。024.2主要内容01回火时力学性能的变化02回火时淬火应力的变化4.2.1.回火时力学性能的变化碳钢马氏体的回火硬度曲线(1)低碳钢：低于250℃时，硬度下降不多；超过300℃时，硬度迅速下降。(3)高碳钢：~100℃时，硬度略有升高且碳含量越高越明显；超过150℃，硬度下降；~200℃时，硬度下降缓慢；超过300℃，硬度快速下降。(2)中碳钢：低于200℃时，硬度下降缓慢；

超过250℃时，硬度迅速下降。硬度与回火温度的关系4.2.1.回火时力学性能的变化强度/塑性/韧性与回火温度的关系低碳马氏体回火时力学性能变化HRC回火温度(℃)SK,σb,σ0.2(MPa)φK,δ5(%)αK

(J/cm2)碳偏聚针/片状θ碳化物α再结晶颗粒状θSKHRCσbσ0.2φKαKδ54.2.1.回火时力学性能的变化强度/塑性/韧性与回火温度的关系高碳马氏体回火时力学性能变化4.2.1.回火时力学性能的变化强度/塑性/韧性与回火温度的关系中碳马氏体回火时力学性能变化组织：淬火后得板条M和片状M混合组织，性能变化介于低C和高C之间。<250°C回火时，随T↑强度↑，硬度↓，塑性不变，宏观应力未消除，呈脆性断裂。＞300°C回火，变化与低C钢相似。4.2.2.回火时淬火应力的变化4.2.2.回火时淬火应力的变化4.3主要内容01回火二次硬化02回火脆性4.3.1.回火二次硬化当M中K形成元素含量足够多时，500°C以上回火会析出合金碳化物，细小的弥散分布的合金K将使已经因回火温度升高而下降的硬度重新升高，故称二次硬化。能引起二次硬化的合金K是M2C及MC型K，主要有Mo、W、V、Ti、Nb等。如高速钢W18Cr4V。二次硬化效应的大小取决于引起二次硬化的合金K的种类，数量，大小和形态。4.3.2.回火脆性随回火温度升高，一般是钢的强度、硬度降低，塑性升高，但冲击韧性不一定总是随回火温度升高而升高，有些钢在某些温度回火时，韧性反而显著下降的现象4.3.2.回火脆性几乎所有的钢均有第一类回火脆性特征：再加热到更高温度时脆性可消失，若再在200~350℃回火将不再出现－称为不可逆回火脆性4.3.2.回火脆性第一类回火脆性影响因素第一类回火脆性防止降低杂质元素含量；用Al脱氧或加入Nb、V、Ti，细化奥氏体晶粒；加入Mo、W减轻回火脆性元素；避开产生回火脆性的温度区间。化学成分有害元素：S、P、As、Sn、Sb、H、O促进回火脆性元素：Mn、Si、Cr、Ni、V减弱回火脆性元素：Mo