《飞机金属结构》-第三章 飞机金属结构的热处理

知识目标[1]掌握二元合金相图中组元、相、组织等基本概念；[2]掌握铁的同素异构、铁碳相图中基本相、基本组织的性能特点；[3]掌握钢的热处理原理及钢加热和冷却时发生的组织转变；[4]了解退火、正火、淬火及回火的概念、分类和作用；[5]了解表面热处理工艺的工作原理、分类；学习目标素质目标[1]具备良好的职业综合素质；[2]具有爱国报国的情怀。学习目标技能目标

[1]能通过合金相图识别合金的组元、相、组织；[2]能根据相图初步分析材料性能；[3]能根据工件性能要求初步设计热处理工序。主要内容一、合金的相结构及二元合金相图二、铁碳合金三、钢的热处理一、合金的相结构及二元合金相图1.合金的基本概念

（1）合金合金是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。

（2）组元组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，简称为元。一般地说，就是组成合金的元素。例如铜和锌就是黄铜的组元。有时稳定的化合物也可以看作组元。由两个组元组成的合金就称为二元合金，由三个组元组成的合金就称为三元合金。一、合金的相结构及二元合金相图1.合金的基本概念

（3）相相是指合金中成分、结构均相同的组成部分，相与相之间具有明显的界面。例如纯铁在1538℃以上时为均匀的液相L；在1538℃结晶时，不断从液相L中结晶出固相δ-Fe，在整个结晶过程中为液相L和固相δ-Fe两相并存；结晶终了时，则只存在一个固相δ-Fe。（4）组织通常把合金中相的晶体结构称为相结构，而金相显微镜下观察到的具有某种形态或形貌特征的组成部分总称为组织。所以合金中的各种相是组成合金的基本单元，而合金组织则是合金中各种相的综合体。一、合金的相结构及二元合金相图2.合金的相结构

（1）固溶体合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相，称为固溶体。形成固溶体后，晶格保持不变的组元称为溶剂，晶格消失的组元称为溶质。固溶体的晶格类型与溶剂组元相同。根据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种。置换固溶体：若溶质原子代替一部分溶剂原子而占据溶剂晶格中某些结点位置，称为置换固液体。间隙固溶体：溶质原子在溶剂晶格中并不占据晶格结点位置，而是以间隙原子的形式存在，这种形式的固溶体称为间隙固溶体。一、合金的相结构及二元合金相图2.合金的相结构

（1）固溶体固溶强化由于溶质原子的溶入，固溶体的晶格产生畸变，变形抗力增大，使合金的强度、硬度升高。因形成固溶体使合金强度、硬度升高的现象称为固溶强化，它是强化金属材料的重要途径之一。例如，低合金高强度结构钢就是利用锰、硅等元素强化铁素体，而使钢材力学性能得到较大提高。一、合金的相结构及二元合金相图2.合金的相结构

（2）金属化合物金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成具有金属特性的一种新相，其晶格类型和性能不同于其中任一组元。金属化合物大致可分为：1）正常价化合物2）电子化合物3）间隙化合物二、铁碳合金1.铁碳合金基本相

（1）纯铁及其特性纯铁的强度、硬度低，塑性好。

纯铁在1538℃结晶时形成的晶体是体心立方晶格，这种高温的体心立方晶格的铁称为δ铁（δ-Fe）；继续冷却到1394℃，晶格类型转变为面心立方晶格，称为γ铁（γ-Fe）；再继续冷却到912℃，晶格类型转变为体心立方晶格，称为α铁（α-Fe）。如继续冷却晶格类型不再发生变化，若加热则发生相反的变化。

如上所述，像铁、钛、钴等少数金属具有在不同温度晶体结构不同的特性，把这种晶格类型随温度的改变而改变的现象称为同素异晶（构）转变。二、铁碳合金1.铁碳合金基本相

（2）铁碳合金基本相

1）铁素体

铁素体是碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体，用符号F表示。铁素体仍保持α-Fe的体心立方晶格。由于体心立方晶格的间隙小，溶碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218%（727℃），因此铁素体室温时的性能与纯铁相似，强度硬度低，塑性和韧性好。

显微镜下观察，铁素体呈灰色并有明显大小不一的颗粒形状，晶界曲折。二、铁碳合金1.铁碳合金基本相

（2）铁碳合金基本相

2）奥氏体

奥氏体是碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体，用符号A表示。奥氏体仍保持γ铁的面心立方晶格。由于面心立方晶格的间隙较大，因此溶碳能力也较大，其最大溶碳量2.11%（1148℃）。奥氏体塑性、韧性好，强度、硬度较低，所以生产中常将工件加热到奥氏体状态进行锻造。

奥氏体的显微组织与铁素体的显微组织相似，呈多边形晶粒，但晶界较铁素体平直。二、铁碳合金1.铁碳合金基本相

（2）铁碳合金基本相

3）渗碳体

渗碳体是铁和碳形成的一种具有复杂晶格的金属化合物，用化学式Fe3C表示，渗碳体是钢和铸铁中常见的固相。渗碳体的含碳量为6.69%，硬度很高（约1000HV），塑性、韧性几乎为零，极脆。

渗碳体在铁碳合金中常以片状、球状、网状等形式与其他相共存，它是钢中的主要强化相，其形态、大小、数量和分布对钢的性能有很大影响。二、铁碳合金2.铁碳合金相图及其应用

（1）铁碳合金相图铁碳合金相图是指在平衡条件下（极其缓慢加热或冷却），不同成分的铁碳合金在不同温度下所处状态或组织的图形。

铁和碳可形成一系列稳定化合物（Fe3C、Fe2C、FeC），但含碳量大于6.69%的铁碳合金的脆性极大，没有实用价值。而Fe3C的含碳量较低，又是一个稳定的化合物，可以作为一个独立的组元，因此一般研究的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图。Fe-Fe3C相图的纵坐标表示温度，横坐标表示成分。左端原点wc=0%，即纯铁；右端点wc=6.69%，即Fe3C。横坐标上任一点均代表一种成分的铁碳合金，表示wc=4.3%（wFe=95.7%）的铁碳合金。二、铁碳合金2.铁碳合金相图及其应用

（1）铁碳合金相图1）各特性点的含义二、铁碳合金2.铁碳合金相图及其应用

（1）铁碳合金相图2）铁碳合金的分类①工业纯铁（wc≤0.0218%）

②钢（0.0218%＜wc≤2.11%）共析钢：wc=0.77%，室温组织为P亚共析钢：0.0218%＜wc＜0.77%，室温组织为F+P过共析钢：0.77%＜wc≤2.11%，室温组织为P+Fe3CⅡ③白口铸铁（2.11%＜wc≤6.69%）共晶白口铸铁：wc=4.3%，室温组织为Ld′亚共晶白口铸铁：2.11%＜wc＜4.3%，室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld′过共晶白口铸铁：4.3%＜wc≤6.69%，室温组织为Ld+Fe3CⅠ二、铁碳合金2.铁碳合金相图及其应用

（1）铁碳合金相图

3）典型铁碳合金结晶过程分析

①共析钢冷却过程分析合金I为wc=0.77%的共析钢。合金在1点温度以上全部为液相，当缓冷至与AC线相交的1点温度时，开始从液相中结晶出奥氏体，奥氏体的量随温度下降而增多，其成分沿AE线变化，剩余液相逐渐减少，其成分沿AC线变化。冷至2点温度时，液相全部结晶为与原合金成分相同的奥氏体。

2点至3点（即S点）温度范围内为单一奥氏体。冷至3点（727℃）时，发生共析转变，从奥氏体中同时析出成分为P点的铁素体和成分为K点的渗碳体，构成交替重叠的层片状两相组织，称为珠光体，用符号P表示，其共析转变式为ASP（FP+Fe3CK）。二、铁碳合金2.铁碳合金相图及其应用

（1）铁碳合金相图

3）典型铁碳合金结晶过程分析②亚共析钢冷却过程分析合金Ⅱ在3点以上的冷却过程与合金Ⅰ在3点以上相似。当合金冷至与GS线相交的3点时，开始从奥氏体中析出铁素体。随温度降低，铁素体量不断增多，其成分沿GP线变化，而奥氏体量逐渐减少，其成分沿GS线向共析成分接近，3点至4点间组织为奥氏体和铁素体。合金缓冷至4点时，剩余奥氏体的含碳量达到共析成分（wc=0.77%），发生共析转变形成珠光体。温度继续下降，由铁素体中析出极少量的三次渗碳体，可忽略不计。故其室温组织为铁素体和珠光体。所有亚共析钢的冷却过程均相似，其室温组织都是由铁素体和珠光体组成。所不同的是随含碳量的增加，珠光体量增多，铁素体量减少。二、铁碳合金2.铁碳合金相图及其应用

（1）铁碳合金相图3）典型铁碳合金结晶过程分析

③过共析钢冷却过程分析合金Ⅲ的含碳量wc=1.2%，在3点以上的冷却过程与合金I在3点以上相似。当合金冷至与ES线相交的3点时，奥氏体中含碳量达到饱和，碳以二次渗碳体的形式析出，呈网状沿奥氏体晶界分布。继续冷却，二次渗碳体量不断增多，奥氏体量不断减少，剩余奥氏体的成分沿ES线变化。当冷却到与PSK线相交的4点时，剩余奥氏体中含碳量达到共析成分（wc=0.77%），故奥氏体发生共析转变，形成珠光体。继续冷却，组织基本不变。其室温组织为珠光体和网状二次渗碳体。二、铁碳合金2.铁碳合金相图及其应用

（1）铁碳合金相图

3）典型铁碳合金结晶过程分析④共晶白口铸铁冷却过程分析

合金Ⅳ为wc=4.3%的共晶白口铸铁。合金在1点（即C点）温度以上为液相。缓冷至1点温度（1148℃）时，发生共晶转变，即从一定成分的液相中同时结晶出成分为E点的奥氏体和成分为F点的渗碳体。共晶转变后的奥氏体和渗碳体又称共晶奥氏体和共晶渗碳体。由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，称为莱氏体，用符号Ld表示，其转变式为Lc二、铁碳合金2.铁碳合金相图及其应用

（1）铁碳合金相图

3）典型铁碳合金结晶过程分析

⑤亚共晶白口铸铁冷却过程分析合金Ⅴ为wc=3.0%的亚共晶白口铸铁。合金在1点温度以上为液相。缓冷至与AC线相交的1点温度时，从液相中开始结晶出奥氏体，随温度降低，奥氏体量不断增多，其成分沿AE线变化，而液相逐渐减小，其成分沿AC线变化。冷却至与ECF线相交的2点（1148℃）时，剩余液相成分达到共晶成分（wc=4.3%），发生共晶转变，形成莱氏体。在2点至3点之间冷却时，奥氏体的成分沿ES变化，并不断析出二次渗碳体，冷至与PSK线相交的3点温度时，奥氏体达到共析成分，发生共析转变，形成珠光体。其室温组织为珠光体+二次渗碳体+变态莱氏体，即P+Fe3CⅡ+Ld’。二、铁碳合金2.铁碳合金相图及其应用

（1）铁碳合金相图

3）典型铁碳合金结晶过程分析⑥过共晶白口铸铁冷却过程分析合金Ⅵ为wc=5.0%的过共晶白口铸铁。合金在1点温度以上为液相。缓冷至1点温度时，从液相中结晶出板条状一次渗碳体，随温度降低，一次渗碳体量不断增多，液相不断减少，其成分沿DC线变化，冷至2点（1148℃）时，液相成分达到共晶成分，发生共晶转变，形成莱氏体。在2点至3点之间冷却时，同样由奥氏体中析出二次渗碳体，但二次渗碳体在组织中难以辨认。继续冷却到3点（727℃）时，奥氏体发生共析转变，形成珠光体。过共晶白口铸铁的室温组织为变态莱氏体和一次渗碳体。二、铁碳合金2.铁碳合金相图及其应用

（2）铁碳合金相图的应用

1）在选材方面的应用铁碳合金相图所表明的成分、组织与性能之间的关系，为合理选用钢铁材料提供了依据。例如，要求塑性、韧性好的各种型材和建筑用钢，应选用含碳量低的钢；承受冲击载荷、并要求较高强度、塑性和韧性的机械零件，应选用含碳量为0.25～0.55%的钢；要求硬度高、耐磨性好的各种工具，应选用含碳量大于0.55%的钢；形状复杂、不受冲击、要求耐磨的铸件（如冷轧棍、拉丝模、梨铧等），应选用白口铸铁。二、铁碳合金2.铁碳合金相图及其应用

（2）铁碳合金相图的应用

2）在铸造方面的应用根据Fe-Fe3C相图可确定合金的浇注温度，浇注温度一般在液相线以上50～100℃。由相图可知，共晶成分的合金熔点最低，结晶温度范围小，故流动性好、分散缩孔少、偏析小，因而铸造性能最好。所以，在铸造生产中，共晶成分附近的铸铁得到了广泛的应用。常用铸钢的含碳量规定在wc=0.15～0.6%之间，在此范围的钢，其结晶温度范围较小，铸造性能好。二、铁碳合金2.铁碳合金相图及其应用

（2）铁碳合金相图的应用

3）在锻造和焊接方面的应用碳钢在室温时是由铁素体和渗碳体组成的复相组织，塑性较差，变形困难，当将其加热到单相奥氏体状态时，可获得良好的塑性，易于锻造成形。含碳量越低，其锻造性能越好。而白口铸铁无论是在低温还是高温，组织中均有大量硬而脆的渗碳体，故不能锻造。铁碳合金的焊接性与含碳量有关，随含碳量增加，组织中渗碳体量增加，钢的脆性增加，塑性下降，导致钢的冷裂倾向增加，焊接性下降。含碳量越高，铁碳合金的焊接性越差。二、铁碳合金2.铁碳合金相图及其应用

（2）铁碳合金相图的应用

4）在热处理方面的应用铁碳合金在加热或冷却过程中有相的变化，故钢和铸铁可通过不同的热处理（如退火、正火、淬火、回火及化学热处理等）来改善性能。根据Fe-Fe3C相图可确定各种热处理操作的加热温度。三、钢的热处理1.钢的热处理原理

（1）钢在加热时的组织转变加热是热处理的第一道工序。大多数热处理工艺首先要将钢加热到相变点（又称临界点）以上，目的是获得奥氏体。共析钢、亚共析钢和过共析钢分别被加热到PSK（A1）线、GS（A3）线和ES（Acm）线以上温度才能获得单相奥氏体组织。

A1、A3和Acm都是平衡相变点。但在实际热处理时，加热和冷却都不可能是非常缓慢的，因此组织转变都要偏离平衡相变点，即加热时偏向高温，冷却时偏向低温。

为了区别于平衡相变点，通常将加热时的相变点用Ac1、Ac3和Accm表示；而冷却时的相变点用Ar1、Ar3和Arcm表示。

钢的相变点是制定热处理工艺参数的重要依据，各种钢的相变点可在热处理手册中查到。三、钢的热处理1.钢的热处理原理

（1）钢在加热时的组织转变

1）奥氏体的形成过程

任何成分的钢加热到A1点以上时，都要发生珠光体向奥氏体的转变过程（奥氏体化）。

以共析钢为例，来分析奥氏体化过程。

共析钢加热到Acl温度时，便会发生珠光体向奥氏体的转变，转变过程遵从结晶的普遍规律。奥氏体的形成过程可分四个阶段。三、钢的热处理1.钢的热处理原理

（1）钢在加热时的组织转变

1）奥氏体的形成过程

①奥氏体晶核的形成：奥氏体的晶核优先形成于铁素体和渗碳体的相界面上。

②奥氏体晶核的长大：晶核的长大是依靠与其相邻的铁素体向奥氏体的转变和渗碳体的不断溶解来完成的。

③剩余渗碳体的溶解：在奥氏体形成过程中，当铁素体完全转变成奥氏体后，仍有部分渗碳体尚未溶解。这部分剩余的渗碳体随着保温时间的延长，不断向奥氏体中溶解，直至全部消失。

④奥氏体的均匀化：继续延长保温时间，依靠碳原子的扩散，使奥氏体的成分逐渐趋于均匀。三、钢的热处理1.钢的热处理原理

（1）钢在加热时的组织转变

2）奥氏体晶粒长大及其影响因素

①晶粒大小的表示方法实际工作中常采用在100倍的显微镜下与标准评级图对比来确定晶粒度级别G。一般认为4级以下为粗晶粒，5～8级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。

②奥氏体晶粒度的概念a）起始晶粒度指珠光体向奥氏体的转变刚刚完成时奥氏体晶粒的大小。一般比较细小而均匀。

b）实际晶粒度指钢在某一具体加热条件下实际获得的奥氏体晶粒大小。实际晶粒度一般比起始晶粒度大，其大小直接影响钢热处理后的性能。

c）本质晶粒度表示某种钢在规定的加热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向，不是晶粒大小的实际度量。三、钢的热处理1.钢的热处理原理

（1）钢在加热时的组织转变

2）奥氏体晶粒长大及其影响因素

③奥氏体晶粒长大的影响因素在高温下，奥氏体晶粒长大是一个自发过程。奥氏体化温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒长大越明显。随着钢中奥氏体含碳量的增加，奥氏体晶粒长大的倾向也增大。但当wc>1.2%时，奥氏体晶界上存在未溶的渗碳体能阻碍晶粒的长大。钢中加入能生成稳定碳化物的元素（如Nb、Ti、V、Zr等）和能生成氧化物及氮化物的元素（如A1等），都会阻止奥氏体晶粒长大，而锰和磷是增加奥氏体晶粒长大倾向的元素。

奥氏体晶粒长大的结果，对零件的热处理质量有很大的影响。为了控制奥氏体晶粒长大，热处理加热时要合理选择并严格控制加热温度和保温时间，合理选择钢的原始组织及选用含有一定量合金元素的钢材等。三、钢的热处理1.钢的热处理原理

（2）钢在冷却时的组织转变钢经奥氏体化后，由于冷却条件不同，其转变产物在组织和性能上有很大差别。45钢在同样奥氏体化条件下，由于冷却速度不同，其力学性能有明显差别。

在热处理生产中，常用的冷却方式有两种，即等温冷却和连续冷却。三、钢的热处理1.钢的热处理原理

（2）钢在冷却时的组织转变

1）等温转变

①珠光体型转变转变发生在A1～550℃温度范围内。在转变过程中铁、碳原子都进行扩散，故珠光体转变是扩散型转变。珠光体转变是以形核长大方式进行的，在A1～550℃温度范围内，奥氏体等温分解为层片状的珠光体组织。珠光体层间距随过冷度的增大而减小。按其层间距的大小，可分为珠光体、索氏体（细珠光体）和托氏体（极细珠光体）三种。三、钢的热处理1.钢的热处理原理

（2）钢在冷却时的组织转变

1）等温转变

②贝氏体型转变转变发生在550℃～Ms温度范围内。由于贝氏体的转变温度较低，铁原子扩散困难，因此，贝氏体（以符号B表示）的组织形态和性能与珠光体不同。

根据组织形态和转变温度不同，贝氏体一般可分为上贝氏体和下贝氏体两种。

上贝氏体是在550～350℃温度范围内形成的，其显微组织特征呈羽毛状，它是由成束的铁素体条和断续分布在条间的短小渗碳体组成的。

下贝氏体是在350℃～Ms的温度范围内形成的，其显微组织特征是黑色针叶状，它是由针叶状铁素体和分布在针叶内的细小渗碳体粒子组成的。三、钢的热处理1.钢的热处理原理

（2）钢在冷却时的组织转变

1）等温转变

②贝氏体型转变贝氏体的性能主要取决于贝氏体的组织形态。上贝氏体硬度约40～45HRC，下贝氏体硬度约45～55HRC。与上贝氏体比较，下贝氏体不仅硬度、强度较高，而且塑性和韧性也较好，具有良好的综合力学性能。因此，在生产中常用等温淬火来获得下贝氏体组织。三、钢的热处理1.钢的热处理原理

（2）钢在冷却时的组织转变

1）等温转变

③马氏体型转变是当奥氏体被迅速过冷至MS线以下时发生的转变。与前两种转变不同，马氏体转变是在一定温度范围内（MS～Mf线之间）连续冷却时完成的。三、钢的热处理1.钢的热处理原理

（2）钢在冷却时的组织转变

1）等温转变

影响奥氏体等温转变的因素：①碳的影响共析钢的过冷奥氏体最稳定。②合金元素的影响除Co以外，能溶入奥氏体的合金元素都使过冷奥氏体的稳定性增大，C曲线向右移。③加热温度和保温时间的影响奥氏体化温度越高，保温时间越长，奥氏体成分越均匀，同时晶粒越大，晶界面积则减少。这样会降低过冷奥氏体转变的形核率，奥氏体稳定性增大，C曲线右移。三、钢的热处理1.钢的热处理原理

（2）钢在冷却时的组织转变

2）连续冷却转变

共析钢的连续冷却转变图中，图中PS线为珠光体转变开始线，Pf线为珠光体转变终了线，K线为珠光体转变中止线。当实际冷却速度小于v’k时，只发生珠光体转变；大于vk时则只发生马氏体转变。冷却速度介于两者之间时，奥氏体先有一部分转变为珠光体型组织，当冷却曲线与K线相交时，转变中止，剩余奥氏体在冷至Ms线以下时，发生马氏体转变。马氏体转变在低温（Ms线以下）下进行。由于过冷度很大，奥氏体向马氏体转变时难以进行铁、碳原子的扩散，只发生γ-Fe向α-Fe的晶格改组。固溶在奥氏体中的碳全部保留在α-Fe晶格中，形成碳在α-Fe中的过饱和固溶体，称其为马氏体，以符号M表示。三、钢的热处理1.钢的热处理原理

（2）钢在冷却时的组织转变

2）连续冷却转变

马氏体转变的特点：

①马氏体转变属无扩散型转变，马氏体转变前后的碳浓度没有变化。②马氏体转变速度极快，瞬间形成。③马氏体转变是在Ms～Mf温度范围内进行的。马氏体的量随温度的不断降低而增多，一直到Mf点。Ms和Mf与冷却速度无关，只取决于奥氏体的化学成分。

④马氏体转变一般不能进行完全，总有一小部分奥氏体未能转变而残留下来，这部分奥氏体称为残余奥氏体。三、钢的热处理1.钢的热处理原理

（2）钢在冷却时的组织转变

2）连续冷却转变

马氏体的组织与性能：马氏体的形态主要有板条状和片状两种。其形态主要与奥氏体含碳量有关。含碳量较低的钢淬火时几乎全部得到板条状马氏体组织，而含碳量高的钢得到片状马氏体组织，又称针状马氏体，含碳量介于中间的钢则是两种马氏体的混合组织。板条状马氏体显微组织呈相互平行的细板条束，束之间具有较大的位向差。片状马氏体呈针片状，在正常淬火条件下马氏体针片十分细小，在光学显微镜下不易分辨形态。板条状马氏体不仅具有较高的强度和硬度，而且还具有较好的塑性和韧性。片状马氏体的硬度很高，但塑性和韧性很差。三、钢的热处理2.钢的热处理工艺

（1）钢的退火

退火是将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火主要用于铸、锻、焊毛坯或半成品零件，为预备热处理。退火后获得珠光体型组织。退火的主要目的是：软化钢材以利于切削加工；消除内应力以防止工件变形；细化晶粒，改善组织，为零件的最终热处理作好准备。根据钢的成分和退火目的不同，常用的退火方法有完全退火、等温退火、球化退化、均匀化退火、去应力退火和再结晶退火等。三、钢的热处理2.钢的热处理工艺

（1）钢的退火1）完全退火和等温退火

完全退火是把钢加热到Ac3以上30～50℃，保温一定时间，随炉冷至600℃以下，然后出炉空冷。完全退火可获得接近平衡状态的组织，主要用于亚共析钢的铸、锻件，有时也用于焊接结构。

完全退火目的在于细化晶粒，消除过热组织，降低硬度和改善切削加工性能。过共析钢不宜采用完全退火，以避免二次渗碳体以网状形式沿奥氏体晶界析出，给切削加工和以后的热处理带来不利影响。完全退火很费工时，生产中常采用等温退火来代替。等温退火与完全退火加热温度完全相同，只是冷却方式有差别。等温退火是以较快速度冷却到A1以下某一温度，等温一定时间使奥氏体转变为珠光体组织，然后空冷。对某些奥氏体比较稳定的合金钢，采用等温退火可大大缩短退火周期。三、钢的热处理2.钢的热处理工艺

（1）钢的退火2）球化退火

球化退火是将钢加热到Ac1以上20～40℃，充分保温后，随炉冷却到600℃以下出炉空冷。球化退火随炉冷却通过Ar1温度时，冷却应足够缓慢，以使共析渗碳体球化。球化退火主要用于过共析钢。其目的是使钢中的渗碳体球状化，以降低钢的硬度，改善切削加工性，并为以后的热处理工序做好组织准备。若钢的原始组织中有严重的渗碳体网，则在球化退火前应进行正火消除，以保证球化退火效果。三、钢的热处理2.钢的热处理工艺

（1）钢的退火3）均匀化退火（扩散退火）均匀化退火是将钢加热到略低于固相线温度（Ac3或Accm以上150～300℃）长时间保温（10～15h），然后随炉冷却，以使钢的化学成分和组织均匀化。均匀化退火能耗高，易使晶粒粗大。为细化晶粒，均匀化退火后应进行完全退火或正火。主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件或锻坯。4）去应力退火和再结晶退火去应力退火又称低温退火，是将钢加热到Ac1以下某一温度（一般约为500～600℃）保温一定时间，然后随炉冷却。去应力退火过程中不发生组织的转变，目的是为了消除铸、锻、焊件和冷冲压件的残余应力。

再结晶退火主要用于经冷变形的钢，可以软化由于冷变形引起的材料硬化现象。三、钢的热处理2.钢的热处理工艺

（2）钢的正火将钢加热到Ac3（或Accm）以上30～50℃，保温适当时间，出炉后在空气中冷却的热处理工艺称正火。

正火主要有以下几方面的应用：

①对力学性能要求不高的结构零件可用正火作为最终热处理，以提高其强度、硬度和韧性。

②对低、中碳钢可用正火作为预备热处理，以调整硬度，改善切削加工性。

③对过共析钢正火可抑制渗碳体网的形成，为球化退火做好组织准备。

正火与退火的主要差别是：前者冷却速度较快，得到的组织比较细小，强度和硬度也稍高一些。三、钢的热处理2.钢的热处理工艺——退火和正火的选择

（1）从切削加工性考虑

一般地说，钢的硬度在170～260HBW范围内时，切削加工性能较好。碳的质量分数小于0.5%的结构钢选用正火为宜；碳的质量分数大于0.5%的结构钢选用完全退火为宜；而高碳工具钢则应当选用球化退火作为预备热处理，且碳质量分数大于0.9%时，先正火消除渗碳体网状再球化退火。

（2）从零件的结构形状考虑

对于形状复杂的零件或尺寸较大的大型钢件，若采用正火，零件的外层和尖角处冷却速度太快，而内部则冷却较慢，最终可能产生较大的内应力，导致变形和裂纹，因此以采用退火为宜。

（3）从经济性考虑

因正火比退火的生产周期短，成本低，操作简单，故在可能条件下应尽量采用正火，以降低生产成本。三、钢的热处理2.钢的热处理工艺

（3）钢的淬火

1）淬火的加热温度钢淬火的加热温度主要根据其相变点来确定。

亚共析钢一般采用完全奥氏体化淬火，淬火加热温度为Ac3以上30～50℃。如果加热温度选择在Ac1～Ac3之间，则在淬火组织中将有先析出的铁素体存在，使钢的强度降低。

共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上30～50℃。过共析钢加热温度选择在Ac1～Accm之间，是为了淬火冷却后获得细小片状马氏体和细小球状渗碳体的混合组织，以提高钢的耐磨性。如果加热到Accm以上进行完全奥氏体化淬火，奥氏体晶粒粗化，淬火后的马氏体粗大，使钢的脆性增加。此外，由于渗碳体过多的溶解，使马氏体中碳的过饱和度过大，增大了淬火应力和变形与开裂倾向，同时使钢中残余奥氏体量增多，降低了钢的硬度和耐磨性。三、钢的热处理2.钢的热处理工艺

（3）钢的淬火

2）保温时间的确定保温的目的，是使零件内外温度达到一致，并使室温组织转变为奥氏体或主要为奥氏体和均匀的化学成分。保温时间的长短，应根据钢的成分特点、零件尺寸、装炉量、摆放情况和加热介质来确定。一般来讲，钢的碳质量分数越高，含合金元素越多，导热性越差，保温时间越长；零件的厚度或直径尺寸越大，装炉量大，保温时间也越长。在空气为介质的加热炉中加热速度慢，则保温时间长；而在熔融的盐炉中加热速度快，保温时间相应缩短。三、钢的热处理2.钢的热处理工艺

（3）钢的淬火

3）常用淬火冷却方法为了保证淬火质量，减小淬火应力和变形与开裂的倾向，淬火的冷却方式很关键。但是，目前实际应用的淬火介质还不能完全满足理想冷却速度的要求。为了获得比较理想的淬火效果，需采用适宜的淬火介质和适当的淬火方法。

常用的冷却介质有水、盐或碱的水溶液和油等。三、钢的热处理2.钢的热处理工艺

（3）钢的淬火

3）常用淬火冷却方法①单液淬火

将加热至淬火温度的工件，投入单一一种淬火介质中连续冷却至室温。单液淬火操作简便，易于实现机械化和自动化。但易产生淬火缺陷。水中淬火易产生变形和裂纹，油中淬火易产生硬度不足或硬度不均匀等现象。

②双介质淬火

双介质淬火是将加热的工件先投入一种冷却能力强的介质中冷却，然后在Ms点以下区域时转入冷却能力小的另一种介质中冷却。双介质淬火可使低温转变时的内应力减小，从而有效防止工件的变形和开裂。能否准确地控制工件从第一种介质转到第二种介质时的温度，是双介质淬火的关键，需要一定的实践经验。三、钢的热处理2.钢的热处理工艺

（3）钢的淬火

3）常用淬火冷却方法③马氏体分级淬火

将加热的工件先放入温度为MS线附近（150-260℃）的盐浴或碱浴中，稍加停留（约2～5min），等工件整体温度趋于均匀时，再取出空冷以获得马氏体。分级淬火可更为有效地避免变形和裂纹的产生，而且比双介质淬火易于操作。一般适用于形状较复杂，尺寸较小的工件。

④贝氏体等温淬火

等温淬火与分级淬火相似，其差别在于等温淬火是在稍高于MS点温度的盐浴或碱浴中，保温足够的时间，使其发生下贝氏体转变后出炉空冷。等温淬火的内应力很小，工件不易变形和开裂，而且具有良好综合力学性能。常用于处理形状复杂，尺寸要求精确，并且硬度和韧性都要求较高的工件。三、钢的热处理2.钢的热处理工艺

（3）钢的淬火

3）常用淬火冷却方法⑤局部淬火

有些工件根据其工作条件只要求局部高硬度，则可进行局部加热淬火，以避免工件其他部分产生变形和裂纹。

⑥冷处理

零件进行常规淬火处理冷却到室温后，继续在一般制冷设备或低温介质（如-70～-80℃的干冰等）中冷却的工艺称为冷处理。冷处理可以减少钢中残留奥氏体的数量，得到尽量多的马氏体，有利于提高钢的硬度和耐磨性，并使尺寸稳定，多用于精密量具及滚动轴承等零件的处理。三、钢的热处理2.钢的热处理工艺

（3）钢的淬火

4）钢的淬透性与淬硬性①淬透性的概念

钢的淬透性是指钢在淬火冷却时，获得马氏体组织深度的能力。工件在淬水时，整个截面的冷却速度不同，工件表层的冷却速度最大，中心层的冷却速度最小。

冷却速度大于该钢νc的表层部分，淬火后得到马氏体组织。一般规定由钢的表面至内部马氏体组织占50%处的距离为有效淬硬深度。三、钢的热处理2.钢的热处理工艺

（3）钢的淬火

4）钢的淬透性与淬硬性②影响淬透性的因素

影响淬透性的因素很多。钢的淬透性主要取决于钢的马氏体临界冷却速度的大小，实质是取决于过冷奥氏体的稳定性，即C曲线的位置。钢的C曲线越靠右，其淬透性越好。因此，钢的化学成分和奥氏体化条件是影响淬透性的主要因素。三、钢的热处理2.钢的热处理工艺

（3）钢的淬火

4）钢的淬透性与淬硬性③淬透性的实际应用

钢的淬透性是机械设计制造过程中，合理选材和正确制定热处理工艺的重要依据。

淬透性对钢件热处理后的力学性能影响很大。若整个工件淬透，经高温回火后，其力学性能沿截面是均匀一致的；若工件未淬透，高温回火后，虽然截面上硬度基本一致，但未淬透部分的屈服点和冲击韧度却显著降低。三、钢的热处理2.钢的热处理工艺

（4）钢的回火回火是将淬火钢加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却（一般为空冷）至室温的热处理工艺。

回火是淬火的后续工序。回火的主要目的是减少或消除淬火应力，防止工件变形与开裂，稳定工件尺寸及获得工件所需的组织和性能。三、钢的热处理2.钢的热处理工艺

（4）钢的回火

1）淬火钢在回火时的组织转变

淬火后钢的组织是不稳定的，具有向稳定组织转变的自发倾向。回火加速了自发转变的过程。淬火钢在回火时，随着温度的升高，组织转变可分四个阶段。

①马氏体分解（80～200℃）

②残余奥氏体分解（200～300℃）

③马氏体分解完成和渗碳体的形成（300～400℃）

④固溶体的再结晶与渗碳体的聚集长大（400℃以上）

三、钢的热处理2.钢的热处理工艺

（4）钢的回火

2）回火的分类及其应用

①低温回火（150～250℃）

回火后的组织是回火马氏体。它基本保持马氏体的高硬度（一般为58~64HRC）和耐磨性，钢的内应力和脆性有所降低。低温回火主要用于各种工具、滚动轴承、渗碳件和表面淬火件。

②中温回火（350～500℃）

回火后的主要组织为回火托氏体，具有较高的弹性极限和屈服强度，具有一定的韧性和硬度（一般为35~45HRC）。中温回火主要用于各种弹簧和模具等。三、钢的热处理2.钢的热处理工艺

（4）钢的回火

2）回火的分类及其应用

③高温回火（500～650℃）

回火后的组织为回火索氏体。具有强度、硬度（一般为25~35HRC）、塑性和韧性都较好的综合力学性能。高温回火广泛用于各种机械中的重要结构零件，如各种轴、齿轮、连杆、高强度螺栓等。三、钢的热处理2.钢的热处理工艺

（4）钢的回火

3）回火脆性

回火时的组织变化会引起力学性能的变化，其总趋势是随回火温度的提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。

回火过程中，淬火钢的韧性不一定总是随回火温度的升高而不断提高。有些钢在某一温度范围内回火时，其韧性比在较低温度回火时反而显著下降，这种脆化现象称为回火脆性。

在250～400℃的温度范围内出现的回火脆性称为第一类回火脆性，应尽量避免在此温度范围内回火。