北科大金属材料及热处理课件05钢的热处理

第五章钢的热处理本节重点：

掌握奥氏体转变的特点及晶粒度影响因素。(一）基本过程

珠光体向奥氏体转变示意图（1）奥氏体晶核形成（2）奥氏体晶核长大（3）残余渗碳体溶解（4）奥氏体成分均匀化

第一节钢在加热时的转变

一、奥氏体的形成(一）影响珠光体向奥氏体转变的因素

1.加热温度和加热速度的影响2.化学成分的影响3.原始组织的影响

提高加热T，将加速A的形成。随着加热速度的增加,奥氏体形成温度升高（Ac1越高），形成所需的时间缩短。

随着钢中含碳量增加，铁素体和渗碳体相界面总量增多，有利于奥氏体的形成。由于奥氏体的晶核是在铁素体和渗碳体的相界面上形成,所以原始组织越细，相界面越多，形成奥氏体晶核的“基地”越多，奥氏体转变就越快。二、奥氏体晶粒的长大及其影响因素

1、晶粒大小的表示方法金属组织中晶粒的大小通常用晶粒度级别指数来表示GB6394-86《金属平均晶粒度测定法》二、奥氏体晶粒的长大及其影响因素

（一）奥氏体晶粒度的概念

钢的标准晶粒度等级示意图本质细本质粗2、奥氏体晶粒度的概念:起始晶粒度：实际晶粒度：本质晶粒度：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热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。一般比起始晶粒度大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。（一）奥氏体晶粒度的概念

工业生产中，一般沸腾钢为本质粗晶粒钢，镇静钢为本质细晶粒钢。需要进行热处理的零件多采用本质细晶粒钢，因为一般热处理工艺的加热温度都在950℃以下，因此奥氏体晶粒不易长大，可避免过热现象。（二）奥氏体晶粒长大及其影响因素

⑴加热温度和保温时间:加热温度高、保温时间长,

晶粒粗大.⑵加热速度:加热速度越快,过热度越大,形核率越高,晶粒越细.⑶合金元素：

阻碍奥氏体晶粒长大的元素:Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。

促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。⑷原始组织:平衡状态的组织有利于获得细晶粒。（二）奥氏体晶粒长大及其影响因素

奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。控制奥氏体长大的措施

(1)合理选择加热温度和保温时间(2)合理选择钢的原始组织(3)加入一定量的合金元素第五章钢的热处理本节重点：

掌握不同碳含量铁碳合金的组织结构特点及性能；熟练掌握铁碳相图并会运用相律分析相图；第二节过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能

1、珠光体型转变—高温转变（A1～550℃）共析碳钢三种珠光体型组织组织名称符号转变温度/℃相组成转变类型特征HRCσb/MPa珠光体型珠光体PA1～650F+Fe3C扩散型（铁原子和碳原子都扩散）

片层间距＝0.6～0.8μm，500×分清10～201000索氏体S650～600

片层间距＝0.25～0.4μm，1000×分清，细珠光体25～301200屈氏体T600～550

片层间距＝0.1～0.2μm，2000×分清，极细珠光体30～401400一、珠光体类型组织形态与性能1、珠光体型转变—高温转变（A1～550℃）一、珠光体类型组织形态与性能⑴珠光体形貌形成温度为A1～650℃，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示.光镜下形貌电镜下形貌三维珠光体如同放在水中的包心菜（2）索氏体形貌像形成温度为650-600℃,片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S表示。电镜形貌光镜形貌（3）屈氏体形貌像形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，用符号T

表示。电镜形貌光镜形貌珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团.珠光体转变是扩散型转变。

一、珠光体型转变

(1)珠光体的组织形态及力学性能

(2)珠光体的形成机理珠光体的形成过程，包含两个同时进行的过程:

一个是碳的扩散，生成高碳的渗碳体和低碳的铁素体;另一个是晶体的点阵重构，由面心立方的奥氏体转变成体心立方的铁素体和复杂斜方的渗碳体。

片状珠光体形成过程示意图珠光体的形成机理

当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织。马氏体转变是强化钢的重要途径之一。

(1)马氏体的晶体结构碳在

-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示。马氏体组织马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中.二、马氏体类型组织形态与性能

马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c）轴比c/a称马氏体的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸变越严重。当＜0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格.

(2)马氏体的形态马氏体的形态分板条和针状两类。①板条马氏体立体形态为细长的扁棒状在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织。光镜下电镜下电镜下光镜下②

针状马氏体立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。③马氏体的形态主要取决于其含碳量C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体。C%大于1.0%C时几乎全部是针状马氏体.C%在0.2～

1.0%之间为板条与针状的混合组织。

(3)马氏体的性能高硬度是马氏体性能的主要特点。马氏体的硬度主要取决于其含碳量。含碳量增加，其硬度增加。当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。合金元素对马氏体硬度的影响不大。马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C%马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性.针状马氏体板条马氏体马氏体的透射电镜形貌(4)马氏体转变的特点马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点是：

①无扩散性铁和碳原子都不扩散，因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。②降温形成马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用Ms表示.马氏体转变终了温度称下马氏体点，用Mf

表示.只要温度达到Ms以下即发生马氏体转变。在Ms以下，随温度下降,转变量增加，冷却中断,转变停止。MfMsM(50%)M(90%)③高速长大马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的马氏体产生裂纹。

④转变不完全

’即使冷却到Mf点，也不可能获得100%的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，

称残余奥氏体，用A’

或

’

表示。总结过冷奥氏体转变产物（共析钢）

转变类型转变产物形成温度，℃转变机制显微组织特征HRC获得工艺珠光体PA1～650扩散型粗片状，F、Fe3C相间分布5-20退火S650～600细片状，F、Fe3C相间分布20-30正火T600～550极细片状，F、Fe3C相间分布30-40等温处理贝氏体B上550～350半扩散型羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和F条之间40-50等温处理B下350～MS竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上50-60等温淬火马氏体M针MS～Mf无扩散型针状60-65淬火M*板条MS～Mf板条状50淬火（1）贝氏体的组织形态和力学性能（2）贝氏体的形成机理上贝氏体和下贝氏体的转变机理见图4-21。

贝氏体形成机理示意图三、贝氏体类型组织形态与性能

2、贝氏体型(B)转变(550～230℃):（1）550～350℃:B上;40～45HRC;脆性大，几乎无价值。B上

=过饱和碳

α-Fe条状+Fe3C细条状过饱和碳α-Fe条状羽毛状在光镜下呈羽毛状.在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。光镜下电镜下上贝氏体形貌2、贝氏体型(B)转变(550～230℃):（2）350～230℃:B下;45～55HRC;良好综合力学性能，生产中常等温淬火获得。B下

=过饱和碳

α-Fe针叶状+Fe3C细片状过饱和碳

α-Fe针叶状Fe3C细片状针叶状

下贝氏体形貌在光镜下呈竹叶状。在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈55-60º角。光镜下电镜下上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。上贝氏体贝氏体组织的透射电镜形貌下贝氏体

共析碳钢两种贝氏体型组织组织名称符号转变温度/℃相组成转变类型特征HRC贝氏体型上贝氏体B上

550～350F过饱和+Fe3C半扩散型（铁原子不扩散，碳原子扩散）

羽毛状：平行密排的过饱和F板条间，不均匀分布短杆状，使条间容易脆性断裂，工业上不应用40～45下贝氏体B下350～230F过饱和+ε-Fe2.4C

针状：在过饱和F针内均匀分布（与针轴成55º～65º）排列小薄片ε碳化物。具有较高的强度、硬度、塑性和韧性50～60第三节过冷奥氏体转变曲线图

一、过冷奥氏体的等温转变

钢在冷却时，主要的冷却方式有两种:

一种是等温冷却，另一种是连续冷却，如图所示。不同冷却方式示意图

二、钢在冷却时的组织转变

过冷奥氏体——暂时保留在A1以下的奥氏体。

连续冷却转变——使加热到奥氏体化的钢连续降温进行组织转变

等温冷却转变——使加热到奥氏体化的钢以较快的冷却速度冷到A1以下某温度保温，在等温下发生组织转变。（一）

建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线----TTT曲线(C曲线)T---timeT---temperatureT---transformation共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线共析碳钢C曲线建立过程示意图时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线

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;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf共析钢的TTT曲线

亚共析钢的TTT曲线

FAP+FS+FTBM+A残A3时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf过共析钢的TTT曲线P+Fe3CⅡS+Fe3CⅡTBM+A残

Fe3CⅡAACM时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMfAcm时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf3、影响TTT曲线形状与位置的因素（1）奥氏体中含碳量的影响:

亚共析钢的C曲线随含碳量的增加右移；

过共析钢的C曲线随含碳量的增加左移。过共析钢共析钢亚共析钢时间温度A1（2）奥氏体中含合金元素的影响:

除Co外,能溶入奥氏体使过冷奥氏体稳定性增大的合金元素会使C曲线右移动；溶入较多碳化物形成元素，使C曲线出现两个鼻尖。向右移向下移MsA1A1Ms含Cr合金钢（3）加热温度和保温时间的影响:

加热温度越高,保温时间越长,碳化物溶解充分,奥氏体成分均匀,提高了过冷奥氏体的稳定性,从而使TTT曲线向右移。图4-19连续冷却的等温转变图二、过冷奥氏体的连续转变4.3.2过冷奥氏体连续冷却转变的近似分析

图4-18共析钢C曲线与CCT曲线关系Vk共析碳钢CCT曲线建立过程示意图时间温度A1PfPsA+PKMsMf水冷油冷Vk′炉冷空冷图就是应用共析碳钢等温转变曲线分析过冷奥氏体在连续冷却时的转变情况。（1）图中冷却速度v1相当于随炉冷却的速度，根据v1与C曲线相交的位置，过冷奥氏体将转变为珠光体(P)；（2）冷却速度v2相当于空气中冷却的速度，根据v2与C曲线相交的位置，过冷奥氏体将转变为索氏体(S)；（3）冷却速度v3相当于淬火时的冷却速度，有一部分过冷奥氏体转变为托氏体(T)，剩余的过冷奥氏体冷却到Ms开始转变成马氏体(M)，最终获得托氏体＋马氏体＋残余奥氏体的混合组织；（4）冷却速度v4相当于在水中冷却时的冷却速度，它不与C曲线相交，一直过冷到Ms点以下开始转变为马氏体(M)，得到马氏体和残余奥氏体的混合组织。冷却速度vk与C曲线鼻尖相切，为该钢的临界冷却速度。1、同一成分的钢的CCT曲线位于C曲线右下方。要获得同样的组织，连续冷却转变比等温转变的温度要低些，孕育期要长些。2、连续冷却时，转变时在一个温度范围内进行的，转变产物的类型可能不只一种，有时是几种类型组织的混合。3、连续冷却转变时，共析钢不发生贝氏体转变。共析碳钢TTT曲线与CCT曲线的比较第五章钢的热处理本节重点：

掌握不同碳含量铁碳合金的组织结构特点及性能；熟练掌握铁碳相图并会运用相律分析相图；第四节钢的退火和正火一、退火

所谓退火，就是将金属或合金加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火的实质是将钢加热奥氏体化后进行珠光体型转变。退火后的组织，对亚共析钢是铁素体加片状珠光体;对共析或过共析钢则是粒状珠光体。总之，退火组织是接近平衡状态的组织。毛坯生产预备热处理机械加工最终热处理机械精加工预备热处理:

退火;正火；调质最终热处理:

淬火;回火；表面热处理第二节钢的普通热处理工艺一、钢的退火1、退火：将钢加热到适当温度（临界温度以上30～50℃

），保温一定时间，然后在炉中缓慢地冷却的热处理工艺。2、目的——为最终热处理作好组织准备

1）降低硬度，提高塑性，改善加工性能；

2）细化晶粒，消除组织缺陷；

3）消除内应力。退火

重结晶退火

低温退火完全退火扩散退火球化退火再结晶退火去应力退火普通退火等温退火普通球化退火等温球化退火3退火种类第二节钢的普通热处理工艺1）完全退火

定义：将钢加热Ac3以上30-50ºC,完全奥氏体后，保温一定时间随之缓慢冷却到600ºC以下，出炉空冷。组织：细小而均匀的平衡组织（铁素体+珠光体）目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利于切削加工。适用范围：亚共析钢型材。第二节钢的普通热处理工艺各种退火与正火的工艺曲线

2）球化退火

定义：将钢加热到Ac1以上20-30ºC，保温后随炉缓冷至600ºC，出炉空冷，使钢中碳化物呈球状的工艺方法。组织：球状珠光体（渗碳体呈球形的细小颗粒弥散分布在铁素体基体中）第二节钢的普通热处理工艺目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能。适用范围：主要用于过共析钢、合金工具钢。球状珠光体第二节钢的普通热处理工艺3）均匀化退火（扩散退火）

定义：将钢加热到Ac3以上150-300ºC，长时间保温后随炉缓冷。目的：使钢中的化学成分和组织均匀化适用范围：主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件、锻坯。第二节钢的普通热处理工艺4）去应力退火定义：将钢加热到Ac1以下（一般约为500—600ºC），保温后随炉缓冷至200--300ºC出炉空冷，又称低温退火。目的：消除铸件、锻件和焊接件的内应力。（没有发生组织变化）适用范围：用于所有的钢。第二节钢的普通热处理工艺5）再结晶退火---中间退火定义：把经过冷变形处理的钢加热到再结晶温度以上150～250℃，保温后缓慢冷却的退火工艺方法。目的：使形变晶粒重新结晶成均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残余应力。应用：去除冷变形钢引起的加工硬化。第二节钢的普通热处理工艺再结晶退火视频：退火工艺第二节钢的普通热处理工艺二、钢的正火1、正火：将钢件加热到Ac3或Accm线以上30～50ºC

，保温适当的时间后，在空气中冷却。2、正火与退火的区别：正火与退火的目的基本相同，但正火的冷却速度比退火稍快，正火后得到的珠光体组织比较细，强度、硬度比退火钢高。第二节钢的普通热处理工艺2）对低、中碳钢（S+F），可用正火作为预备热处理，可提高硬度和强度，改善切削加工性；3）对高碳钢（S），正火可抑制渗碳体网的形成，可为球化退火作准备。

热处理与硬度关系合适切削加工硬度3、目的及应用：1）对力学性能要求不高的结构、零件，可用正火最为最终热处理，以提高其强度、硬度和韧性。第二节钢的普通热处理工艺视频：正火工艺

第二节钢的普通热处理工艺三、钢的淬火淬火：将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温一定时间后，快速冷却的热处理工艺。目的：为了获得马氏体（或贝氏体）组织，提高钢的硬度、强度和耐磨性，并保持足够的韧性第二节钢的普通热处理工艺1、碳钢⑴亚共析钢淬火温度为Ac3+30-50℃。预备热处理组织为退火或正火组织。(一)淬火温度碳钢的淬火加热温度范围

第二节钢的普通热处理工艺亚共析钢淬火组织：

0.5%C时为M

0.5%C时为M+A’。65MnV钢(0.65%C)淬火组织45钢(含0.45%C)正常淬火组织第二节钢的普通热处理工艺⑵共析钢淬火温度为Ac1+30-50℃；淬火组织为M+A’。碳钢的淬火加热温度范围

第二节钢的普通热处理工艺⑶过共析钢淬火温度:Ac1+30-50℃.温度高于Accm，则奥氏体晶粒粗大、含碳量高,淬火后马氏体晶粒粗大、A’量增多,使钢硬度、耐磨性下降，脆性、变形开裂倾向增加。淬火组织:

M+Fe3C颗粒+A’。(预备组织为P球)T12钢（含1.2%C）正常淬火组织第二节钢的普通热处理工艺总结M+Fe3C+A残Ac1+30～50过共析钢M+A残Ac1+30～50

共析钢M+A残Ac3+30～50亚共析钢Wc＞0.5%MAc3+30～50亚共析钢Wc≤0.5%

最终组织淬火温度(℃)

钢种第二节钢的普通热处理工艺2、合金钢

由于多数合金元素(Mn、P除外)对奥氏体晶粒长大有阻碍作用，因而合金钢淬火温度比碳钢高。⑴亚共析钢淬火温度为Ac3+50-100℃。⑵共析钢、过共析钢淬火温度为Ac1+50-100℃。

第二节钢的普通热处理工艺（二）淬火介质理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在Ms附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小内应力的目的。但目前还没有找到理想的淬火介质。常用淬火介质是水和油.水的冷却能力强，但低温却能力太大，只使用于形状简单的碳钢件。第二节钢的普通热处理工艺油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间,用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质.第二节钢的普通热处理工艺（三）淬火方法

采用不同的淬火方法可弥补介质的不足。

1、单液淬火法加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。操作简单，易实现自动化。第二节钢的普通热处理工艺视频：单液淬火法第二节钢的普通热处理工艺

2、双液淬火法工件先在一种冷却能力强的介质中冷，却躲过鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。如水淬油冷，油淬空冷.优点是冷却理想，缺点是不易掌握。用于形状复杂的碳钢件及大型合金钢件。第二节钢的普通热处理工艺视频：双液淬火法第二节钢的普通热处理工艺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。盐浴炉第二节钢的普通热处理工艺视频：分级淬火法第二节钢的普通热处理工艺4、等温淬火法将工件在稍高于Ms的盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，淬火应力小.适用于形状复杂及要求较高的小型件。第二节钢的普通热处理工艺视频：等温淬火法第二节钢的普通热处理工艺网带式淬火炉淬透性是钢的主要热处理性能。是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。（四）钢的淬透性第二节钢的普通热处理工艺1、淬透性的概念M量和硬度随深度的变化淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区(50%M+50%P)的深度。淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力.第二节钢的普通热处理工艺2、影响淬透性的因素:

钢的临界冷却速度，Vc越低，钢的淬透性越好钢的化学成分（增加过冷奥氏体稳定性，降低Vc，钢的淬透性越好）

3、淬透性的应用:

淬透性好的钢，经淬火回火后，截面上组织均匀一致，综合力学性能好。因此，钢的淬透性对提高大截面零件的力学性能，发挥材料潜力，具有重要的意义。淬透性好的钢，在淬火冷却时可采用比较缓和的淬火介质，减小工件淬火的变形及开裂倾向。第二节钢的普通热处理工艺淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响淬透钢第二节钢的普通热处理工艺未淬透钢（五）钢的淬硬性淬硬性：是指钢在理想条件下淬火成马氏体后所能达到的最高硬度。

影响钢的淬硬性的因素主要取决于钢含碳量。低碳钢淬火的最高硬度值低，淬硬性差；高碳钢淬火的最高硬度值高，淬硬性好。第二节钢的普通热处理工艺淬硬性与淬透性之间的关系:淬透性淬硬性钢种小低碳素结构钢(20)小高碳素工具钢(T10A)大低低碳合金结构钢(18Cr2Ni4WA)大高高碳高合金工具钢(Cr12MoV)第二节钢的普通热处理工艺淬硬性与淬透性之间的区别:

淬透性与实际工件有效淬硬深度的区别同一钢种对不同截面的工件在同样奥氏体化条件下淬火，其淬透性是相同的，但是其有效淬硬深度却因工件的形状、尺寸和冷却介质的不同而异。淬透性是钢本身所固有的的属性，对以一种钢，它是确定的，可用于不同钢种之间的比较。实际工件的有效淬硬深度，除了取决于钢的淬透性，还与工件的形状、尺寸及采用的冷却介质等外界因素有关。

两个不同的概念淬硬性是指钢淬火后能达到的最高硬度，主要取决于马氏体的含碳量，淬透性好的钢其淬硬性不一定高。第二节钢的普通热处理工艺(六)淬火缺陷与防止措施

1、氧化与脱氧

氧化，是指铁的氧化，即在工件表面形成一层松脆的氧化铁皮。氧化不仅造成金属的损耗，还影响工件的承载能力和表面质量等。

脱碳，是指气体介质和钢表面的碳起作用而逸出，使材料表面含碳量降低。脱碳会降低工件表层的强度、硬度和疲劳强度，对于弹簧、轴承和各种工具、模具等，脱碳是严重的缺陷。为了防止氧化和脱碳，对重要受力零件和精密零件，通常应在盐浴炉内加热。第二节钢的普通热处理工艺2、过热和过烧

钢在淬火加热时，由于加热温度过高或高温下停留时间过长而发生奥氏体晶粒显著粗化的现象，称为过热。加热温度达到固相线附近，使晶界氧化并部分熔化的现象称为过烧。工件过热后，晶粒粗大，不仅降低钢的力学性能（尤其是韧性），也容易引起变形和开裂。过热可以用正火处理予以纠正，而过烧后的工件只能报废。为了防止工件的过热和过烧，必须严格控制加热温度和保温时间。第二节钢的普通热处理工艺3、变形与开裂淬火内应力是造成工件变形和开裂的原因。对于变形量小的工件可采取某些措施予以纠正，而变形量太大或开裂的工件只能报废。为了防止变形和开裂的产生，可采用不同的淬火方法（如分级淬火或等温淬火等）或在设计上采取一些措施（如结构对称、截面均匀、避免尖角等）。

4、硬度不足由于加热温度过低、保温时间不足、冷却速度过低或表面脱碳等原因造成的。一般情况下，可采用重新淬火消除，但淬火前要进行一次退火或正火处理。第二节钢的普通热处理工艺四、钢的回火一、定义：将淬火后钢件再加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间后，然后冷却到室温的热处理工艺。二、目的：消除淬火应力，降低脆性；稳定工件尺寸；调整淬火零件的力学性能。第二节钢的普通热处理工艺

三、回火的种类按回火温度的不同，回火可分以下三种：高温回火低温回火：中温回火回火的种类150ºC-250ºC350ºC-500ºC500ºC-650ºC第二节钢的普通热处理工艺1、低温回火（150-250）ºC

组织：

M回=α0.3%C+ε

目的：保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，降低淬火力，减少钢的脆性。硬度为58-64HRC。应用：刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳淬火件和表面淬火件.第二节钢的普通热处理工艺2、中温回火（350-500）ºC

组织：T回=F针+Fe3C粒目的：获得高的弹性极限、屈服点和较好的韧性。又称弹性处理。硬度为35-45HRC.应用：弹性零件及热锻模具等。第二节钢的普通热处理工艺3、高温回火（500-650）ºC

组织：S回=F块+Fe3C球目的：获得良好的综合力学性能。硬度为25-35HRC.应用：各种重要结构零件如螺栓、齿轮及轴承。淬火+高温回火=调质处理第二节钢的普通热处理工艺（四）回火脆性

淬火钢的韧性并不总是随温度升高而提高。在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降的现象，称回火脆性。

第二节钢的普通热处理工艺1、第一类回火脆性又称不可逆回火脆性。是指淬火钢在250-350℃回火时出现的脆性。这种回火脆性是不可逆的，只要在此温度范围内回火就会出现脆性，目前尚无有效消除办法。回火时应避开这一温度范围。第二节钢的普通热处理工艺2、第二类回火脆性又称可逆回火脆性。是指淬火钢在500-650℃范围内回火后缓冷时出现的脆性.回火后快冷不出现，是可逆的。防止办法：⑴回火后快冷。⑵加入合金元素W(约1%)、Mo(约0.5%)。该法更适用于大截面的零部件第二节钢的普通热处理工艺视频：钢的回火第二节钢的普通热处理工艺

工艺的核心:使零件具有“表硬里韧”的力学性能。机床导轨表面淬火齿轮第三节钢的表面热处理和化学热处理一、表面淬火1、定义：是一种不改变钢表层化学成分，但改变表层组织，且局部组织不发变化的局部热处理工艺。2、工艺特征：通过快速加热至淬火温度，使钢的表层奥氏体化，然后急冷以大于Vc的速度冷却，使表层形成马氏体组织，而心部仍保持不变。

感应加热表面淬火第三节钢的表面热处理和化学热处理3、表面淬火应用:

选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。4、表面淬火加工的方法:

感应加热(高、中、工频)、火焰加热、电接触加热法等。火焰加热第三节钢的表面热处理和化学热处理（一）感应加热表面淬火1、感应加热的基本原理4-17火焰加热表面淬火示意图第三节钢的表面热处理和化学热处理2、工艺要求

表面淬火前,必须对零件进行正火或调质处理,以保证零件有良好的基体。表面淬火后,必须对零件进行低温回火处理,以降低淬火应力和脆性。3、生产特点:

淬火件的质量好;工件变形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易控制;生产率高；设备投资大,不适于复杂形状零件和小批量生产。第三节钢的表面热处理和化学热处理感应淬火的基本原理、分类及应用第三节钢的表面热处理和化学热处理视频：齿轮感应淬火的操作第三节钢的表面热处理和化学热处理视频：齿轮高频淬火的过程第三节钢的表面热处理和化学热处理（二）火焰加热表面淬火

1、火焰加热表面淬火的基本方法第三节钢的表面热处理和化学热处理2、火焰加热表面淬火的特点:*设备简单,操作方便,成本低。*淬火质量不稳定。*适于单件、小批量及大型零件的生产。第三节钢的表面热处理和化学热处理视频：火焰加热表面淬火第三节钢的表面热处理和化学热处理二、化学热处理

1、定义：将零件置于一定的化学介质中,通过加热、保温，使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层，以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。2、化学热处理的基本过程:分解:化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。

2COCO2+〔C〕吸收:活性原子被零件表面吸收和溶解。扩散:活性原子由零件表面向内部扩散,形成一定的扩散层。第三节钢的表面热处理和化学热处理3、化学热处理进行的条件:

1）渗入元素的原子必须是活性原子,而且具有较大的扩散能力。2）零件本身具有吸收渗入原子的能力,

即对渗入原子有一定的溶解度或能与之化合,

形成化合物。

4、化学热处理的种类:

渗碳;渗氮;碳氮共渗;渗硼;渗铝;渗硫;渗硅;渗铬等。第三节钢的表面热处理和化学热处理（一）钢的渗碳

1、定义:

向钢的表面渗入碳原子的过程。2、目的:

获得具有表硬里韧性能的零件。3、用钢:低碳钢和低碳合金钢。4、方法:

固体、气体、液体渗碳。第三节钢的表面热处理和化学热处理⑴气体渗碳法

将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。渗剂为气体(煤气、液化气等)或有机液体(煤油、甲醇等)。优点:质量好,效率高；缺点:渗层成分与深度不易控制。第三节钢的表面热处理和化学热处理⑵固体渗碳法

将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。渗剂为木炭。优点：操作简单；缺点：渗速慢，劳动条件差。零件渗碳剂试棒

盖泥封渗碳箱第三节钢的表面热处理和化学热处理⑶真空渗碳法将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入渗碳气体加热渗碳。优点:表面质量好,渗碳速度快。真空渗碳炉第三节钢的表面热处理和化学热处理5、工艺:加热温度为900～950℃;渗碳时间一般为3～9小时;6、渗碳后的组织:

1%CP+Fe3CⅡ0.2%C

F+P少表面中心零件PP+F第三节钢的表面热处理和化学热处理7、渗碳后的热处理工艺

时间温度930℃850℃方案1方案2渗碳淬火加热第三节钢的表面热处理和化学热处理⑴预冷淬火法：渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。⑵一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。⑶二次淬火法：即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac3+30-50℃，细化心部；第二次加热为Ac1+30-50℃，细化表层。

第三节钢的表面热处理和化学热处理此时组织为：表层：M回+颗粒状碳化物+A’(少量)心部：M回+F（淬透时）渗碳淬火后的表层组织M+F第三节钢的表面热处理和化学热处理8、热处理后的组织F+PM回+Fe3C+A残低碳钢心部组织表层组织钢种9、常用的钢种:15、20、20Cr、20Mn2、

20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。第三节钢的表面热处理和化学热处理视频：气体渗碳炉的构造第三节钢的表面热处理和化学热处理视频：化学热处理的基本过程第三节钢的表面热处理和化学热处理视频：渗碳操作第三节钢的表面热处理和化学热处理二、钢的渗氮

1、定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。

2NH3→3H2+2[N]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。井式气体氮化炉第三节钢的表面热处理和化学热处理5、工艺：加热温度500～600℃;

保温时间0.3～0.5mm/20～50h。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、18CrNiW、

38CrMoAlA(氮化王牌钢)等。第三节钢的表面热处理和化学热处理

渗碳与渗氮的工艺特点处理后是否需要热处理处理时间(h)处理温度(℃)名称需要3～9900～950渗碳不需要20～50500～600渗氮第三节钢的表面热处理和化学热处理视频：钢的渗氮处理第三节钢的表面热处理和化学热处理（三）钢的碳氮共渗---氰化处理1)定义:向钢的表面同时渗入碳和氮原子的过程。2)目的:获得具有表硬里韧性能的零件。3)方法:固体碳氮共渗气体碳氮共渗液体碳氮共渗高温中温低温第三节钢的表面热处理和化学热处理4)工艺:合金结构钢HRC53～60中温气体碳氮共渗800～8601～8以渗碳为主0.5～0.8mm淬火+低温回火合金工具钢HRC54～63低温气体碳氮共渗500～6001～6以渗氮为主0.1～0.4mm不需要材料性能名称温度(℃)时间(h)作用渗层热处理第三节钢的表面热处理和化学热处理热处理新技术可控气氛热处理真空热处理形变热处理化学热处理电子束表面淬火激光热处理热处理新技术第四节热处理新技术简介一、可控气氛热处理

在炉气成分可控的热处理炉内进行的热处理称为可控气氛热处理。在热处理时实现无氧化加热是减少金属氧化损耗，保证制件表面质量的必备条件。

正确控制热处理炉内的炉气成分，可为某种热处理过程提供元素的来源，金属零件和炉气通过界面反应，其表面可以获得或失去某种元素。也可以对加热过程的工件提供保护。如可使零件不被氧化，不脱碳或不增碳，保证零件表面耐磨性和抗疲劳性。从而也可以减少零件热处理后的机加工余量及表面的清理工作。缩短生产周期，节能、省时，提高经济效益。可控气氛热处理已成为最成熟的，在大批量生产条件下应用最普遍的热处理技术之一。第四节热处理新技术简介

二、真空热处理

真空热处理是在0.0133Pa～1.33Pa真空度的真空介质中对工件进行热处理的工艺。真空热处理具有无氧化、无脱碳、无元素贫化的特点，可以实现光亮热处理，可以使零件脱脂、脱气，避免表面污染和氢脆；同时可以实现控制加热和冷却，减少热处理变形。提高材料性能；还具有便于自动化、柔性化和清洁热处理等优点。近年已被广泛采用，并获得迅速发展。几乎全部热处理工艺均可以进行真空热处理，如退火、淬火、回火、渗碳、氮化、渗金属等。而且淬火介质也由最初仅能气淬，发展到现在的油淬、水淬、硝盐淬火等。第四节热处理新技术简介视频：保护气氛热处理第四节热处理新技术简介

三、离子渗扩热处理

离子渗扩热处理是利用阴极(工件)和阳极间的辉光放电产生的等离子体轰击工件，使工件表层的成分、组织及性能发生变化的热处理工艺。离子渗碳的硬度、疲劳强度、耐磨性等力学性能比传统渗碳方法都高，而且渗碳速度快，特别是对狭小缝隙和小孔能进行均匀的渗碳，渗碳层表面碳浓度和渗层深度容易控制，工件不易产生氧化；表面洁净，耗电省和无污染。根据同样的原理，离子轰击热处理还可以进行离子碳氮共渗、离子硫氮共渗、离子渗金属等，所以在国内外具有很大的发展前途。缝纫机用氮化件经氮化的机车曲轴第四节热处理新技术简介视频：离子氮化第四节热处理新技术简介

四、形变热处理

形变热处理是将形变强化与相变强化综合起来的一种复合强韧化处理方法。从广义上来说，凡是将零件的成形工序与组织改善有效结合起来的工艺都叫形变热处理。形变热处理的强化机理是：奥氏体形变使位错密度升高，由于动态回复形成稳定的亚结构，淬火后获得细小的马氏体，板条马氏体数量增加，板条内位错密度升高，使马氏体强化。此外，奥氏体形变后位错密度增加，为碳氮化物弥散析出提供了条件，获得弥散强化效果。弥散析出的碳氮化物阻止奥氏体长大，转变后的马氏体板条更加细化，产生细晶强化。马氏体板条的细化及其数量的增加，碳氮化物的弥散析出，都能使钢在强化的同时得到韧化。第四节热处理新技术简介视频：形变热处理第四节热处理新技术简介一、热处理的技术条件热处理工艺代号5×××附加分类工艺代号加热方法工艺名称工艺类型热处理基础分类工艺代号第四节热处理新技术简介毛坯生产预备热处理机械加工最终热处理机械精加工预备热处理:

退火;正火；调质最终热处理:

淬火;回火；表面热处理二、热处理工序位置的确定第四节热处理新技术简介三、典型零件的热处理分析

该轴选用45钢的锻件毛坯，热处理技术条件如下：整体调质后硬度为220～250HBS；内锥孔和外锥体硬度为45～

48HRC；花键齿廓部分硬度为48～

53HRC。生产过程中，主轴的加工工艺路线为：备料→锻造→正火→机械粗加工→调质→机械半精加工→锥孔及外锥体的局部淬火、回火→粗磨（外圆、锥孔、外锥体）→铣花键、花键淬火、回火→精磨（外圆、锥孔、外锥体）第四节热处理新技术简介2、齿轮该齿轮选用20CrMnTi的锻件毛坯，热处理技术条件如下：

齿面渗碳层深度：0.8～1.3mm

齿面硬度为58～62HRC

心部硬度为33～48HRC生产过程中，齿轮加工工艺路线如下：备料→锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火、低温回火→喷丸→校正花键孔→磨齿第四节热处理新技术简介1.退火的目的

①降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。②细化晶粒，消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理做准备。③消除钢中的内应力，以防止变形和开裂。

2.常用的退火工艺及应用

（1）完全退火（2）球化退火（3）去应力退火（4）再结晶退火（5）扩散退火2正火

将钢加热到Ac3(或Accm)以上30～50℃，保温适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火。由于正火将钢加热到完全奥氏体化状态，使钢中原始组织的缺陷基本消除，然后再控制以适当的冷却速度，所以正火得到以索氏体为主的组织。

正火与退火两者的目的基本相同，但正火的冷却速度比退火稍快，故正火钢组织比较细，它的强度、硬度比退火钢高。

1.正火工艺的应用

（1）低碳钢（2）中碳结构钢（3）过共析钢

2.退火与正火的选择

（1）切削加工性（2）使用性能（3）经济性

第五节钢的淬火

1.钢的淬火工艺及种类

钢的淬火就是将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间，然后以适当速度冷却获得马氏体和(或)下贝氏体组织的热处理工艺。淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体(或下贝氏体)型转变，得到马氏体或下贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，获得所需的力学性能。

(1)淬火加热温度

在具体选择钢的淬火加热温度时，除了遵循一般原则外，还应考虑工件的化学成分、技术要求、尺寸形状、原始组织以及加热设备、冷却介质等诸多因素的影响，对加热温度予以适当调整。图4-22碳钢的淬火加热温度范围(2)淬火介质

生产中实际使用的淬火介质可分为两大类:

一类是工件在冷却过程中会发生物态变化的介质;

另一类是不发生物态变化的介质。其冷却特性的不同，直接影响了工件的冷却速度。图4-23钢在理想淬火介质中冷却速度示意图●蒸气膜阶段（图4-24中AB段）

●沸腾阶段（图4-24中

BC段）

●对流阶段（图4-24中CD段）

图4-24冷却过程的三个阶段常用的淬火介质常用的淬火介质有水、盐水和碱水、油、熔盐和熔碱等。●水●盐水和碱水:●油:●熔盐和熔碱:●新型淬火介质:主要有聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液等。

(3)淬火冷却方法

①单液淬火:②双介质淬火:③马氏体分级淬火:④下贝氏体等温淬火:⑤延迟淬火冷却:⑥局部淬火:⑦深冷处理:图4-25常用淬火方法冷却曲线示意图

2.钢的淬硬性和淬透性

淬硬性和淬透性是表示钢接受淬火能力的两项性能指标。它们是选材、用材的重要依据，也是热处理技师必须了解的材料的重要性能。

①淬硬性

②淬透性第七节钢的回火

1.淬火钢在回火时的组织和性能转变回火就是钢淬硬后，再加热到低于Ac1以下的某一温度，保温一定的时间，然后冷却到室温的热处理工艺。回火的目的是:合理调整力学性能，使工件满足使用要求;稳定组织，使工件在使用过程中不发生组织转变，从而保证工件的形状、尺寸不变;降低或消除内应力，以减少工件的变形并防止开裂。(1)回火时的组织转变

淬火钢回火时的组织