《金属材料与热处理》项目4钢的热处理

主讲人：金属材料与热处理金属材料的基本性能1金属的晶体结构与结晶2铁碳合金相图3钢的热处理4目录contents钢5铸铁6非铁金属及其合金7钢的热处理04热处理能改变钢的内部组织，从而使工件的性能满足设计使用要求。热处理的方式不同，工件的性能也不同。本项目主要介绍热处理的原理与工艺特点、热处理的不同类型，以及钢在加热和冷却时组织转变的基本类型和特点。通过本项目的学习，学生应能掌握热处理的实质及作用，为后续正确编制和执行热处理工艺奠定基础。项目导读【知识目标】掌握热处理的实质及目的。掌握钢在加热和冷却时的组织转变。

掌握钢的整体热处理工艺。掌握钢的表面热处理工艺。掌握钢的化学热处理工艺。项目目标【技能目标】能分析钢在加热和冷却时的组织转变过程。能分析钢热处理后的显微组织。能测定钢渗碳后的硬度。项目目标【素质目标】培养追求真理、实事求是的科学精神。弘扬执着专注、科学严谨、追求卓越的工匠精神。养成脚踏实地、认真负责、求真务实、开拓进取的工作作风。

项目导航掌握钢在加热和冷却时的组织转变掌握钢的整体热处理掌握钢的表面热处理和化学热处理一二三点击添加相关标题文字CLICKONADDRELATEDTITLEWORDS任务一：掌握钢在加热和冷却时的组织转变任务引入将两根一样长的细弹簧钢丝（直径为1mm左右）同时放到酒精灯上加热至赤红色，然后将一根钢丝放在空气中冷却，另一根钢丝放在水中冷却。冷却完成后，用手分别弯折两根钢丝，会发现放在水中冷却的钢丝硬而脆，很容易折断；而放在空气中冷却的钢丝较软，具有较好的塑性，可卷成任意形状而不断裂。这是为什么呢？任务引入知识与技能要求任务内容掌握钢在加热和冷却时的组织转变学习程度识记理解应用学习任务钢的热处理●

钢在加热时的组织转变

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钢在冷却时的组织转变●实训任务绘制并分析过冷奥氏体连续冷却转变曲线图

●自我勉励

一、钢的热处理热处理是指采用适当的方式对金属材料进行加热、保温和冷却，以获得预期组织和性能的热加工工艺。热处理是机械制造中重要的加工工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理不改变工件的尺寸和形状，只改变工件内部的显微组织。一、钢的热处理不仅可消除金属材料内部组织结构中的某些缺陷，改善其加工工艺性能热处理还可进一步提高金属材料的硬度、强度等力学性能，充分发挥金属材料的潜力，降低生产成本因此，热处理在机械工业生产中应用广泛，重要的金属零部件及各种刀具、模具、量具等几乎都要进行适当的热处理。一、钢的热处理钢是机械工业中应用最广的材料，因此钢的热处理是金属热处理的主要内容。此外，铝、铜、镁、钛等金属及其合金也都可进行热处理。热处理中常用的加热炉有箱式电阻炉、井式炉、盐浴加热炉、火焰燃气加热炉等。热处理中常用的加热炉（a）箱式电阻炉（b）井式炉（c）盐浴加热炉（d）火焰燃气加热炉1．热处理工艺的分类一、钢的热处理热处理工艺整体热处理表面热处理化学热处理根据加热介质、加热温度和冷却方式的不同1．热处理工艺的分类一、钢的热处理整体热处理对工件整体进行加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的热处理工艺退火正火淬火回火1．热处理工艺的分类一、钢的热处理表面热处理不改变工件的化学成分，仅改变工件的表面组织和性能的热处理工艺感应淬火火焰淬火接触电阻加热淬火激光淬火电子束淬火1．热处理工艺的分类一、钢的热处理化学热处理将工件置于一定温度的活性介质中保温，使元素渗入到工件表层，以改变工件表层的化学成分、组织和性能，从而使工件表层和心部具有不同性能的热处理工艺渗碳渗氮和碳氮共渗1．热处理工艺的分类一、钢的热处理热处理工艺预备热处理零件加工过程的中间工艺，其目的是改善切削加工性能、消除内应力，为后续的生产加工提供良好的金相组织最终热处理零件加工过程的最后一道工艺，其目的是提高强度、硬度及耐磨性等力学性能根据热处理在零件生产过程中的目的不同1．热处理工艺的分类一、钢的热处理近年来，随着热处理技术的不断发展，热处理的机械化和自动化水平得到了提高，出现了很多新兴的热处理工艺，如可控气氛热处理、真空热处理、形变热处理等。一、钢的热处理热处理工艺有很多，但任何一种热处理工艺都要经过加热、保温和冷却三个过程，这三个过程称为热处理的三要素，它们决定了金属材料热处理后的组织和性能。2．热处理工艺的路线热处理工艺的路线加热作为热处理的第一道工序，可使钢获得部分或全部奥氏体。在此基础上，对钢采取不同的冷却方式可使奥氏体发生不同的组织转变，最终获得不同性能的工件。因此，掌握钢在加热时的组织变化规律，对确保热处理工艺的质量十分重要。二、钢在加热时的组织转变二、钢在加热时的组织转变

1．热处理的临界温度简化后的铁碳合金相图二、钢在加热时的组织转变

1．热处理的临界温度加热和冷却速度对碳钢临界温度的影响二、钢在加热时的组织转变1．热处理的临界温度

小贴士二、钢在加热时的组织转变2．奥氏体的形成过程

共析钢室温下的平衡组织为珠光体，它是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。由铁碳合金相图可知，珠光体在向奥氏体转变的过程中，晶格类型发生了变化，体心立方晶格的铁素体变成了面心立方晶格的奥氏体。因此，在钢的热处理过程中，既进行了铁原子晶格的重构，又进行了碳原子的扩散。二、钢在加热时的组织转变2．奥氏体的形成过程实验研究表明，共析钢奥氏体的形成过程遵循结晶过程的普遍规律，是一个形核和长大的过程，一般包含奥氏体晶核的形成、奥氏体晶核的长大、残余渗碳体的溶解、奥氏体成分的均匀化。（a）奥氏体晶核的形成（b）奥氏体晶核的长大（c）残余渗碳体的溶解（d）奥氏体成分的均匀化共析钢奥氏体的形成过程二、钢在加热时的组织转变2．奥氏体的形成过程奥氏体晶核优先在铁素体和渗碳体的两相界面上形成，这是因为铁素体和渗碳体的交界处成分不均匀，原子排列不规则，晶格畸变大，可为奥氏体晶核的产生提供有利的成分和结构。（a）奥氏体晶核的形成1）奥氏体晶核的形成二、钢在加热时的组织转变2．奥氏体的形成过程奥氏体晶核形成后，与奥氏体相邻的铁素体中的铁原子不断扩散到奥氏体晶核上，使奥氏体晶核不断长大。同时，与奥氏体相邻的渗碳体不断向奥氏体中溶解，也使奥氏体晶核不断长大。2）奥氏体晶核的长大因此，奥氏体晶核将向铁素体和渗碳体两个方向不断长大。同时，新的奥氏体晶核也将不断形成并长大，直至铁素体全部转变为奥氏体。（b）奥氏体晶核的长大二、钢在加热时的组织转变2．奥氏体的形成过程由于渗碳体与奥氏体的晶体结构和含碳量差别较大，因此当铁素体完全消失后，仍会有部分渗碳体尚未溶解，这些尚未溶解的渗碳体称为残余渗碳体。残余渗碳体需要一定的时间向奥氏体溶解，直至全部溶解。3）残余渗碳体的溶解（c）残余渗碳体的溶解二、钢在加热时的组织转变2．奥氏体的形成过程奥氏体转变结束后，其碳浓度是不均匀的。原本是渗碳体的区域，碳浓度高；原本是铁素体的区域，碳浓度低。因此，奥氏体转变结束后仍需要继续保温，以通过碳原子的扩散，使奥氏体的成分趋于均匀。4）奥氏体成分的均匀化（d）奥氏体成分的均匀化二、钢在加热时的组织转变2．奥氏体的形成过程亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同。不同的是，亚共析钢的室温平衡组织是珠光体和铁素体，过共析钢的室温平衡组织是珠光体和二次渗碳体。亚共析钢的奥氏体形成过程

过共析钢的奥氏体形成过程

二、钢在加热时的组织转变3．奥氏体的晶粒度及控制方法奥氏体的晶粒大小对钢的热处理性能有很大的影响，是评定钢的热处理质量的重要指标之一。一般来说，奥氏体的晶粒越细小，热处理后产物组织的晶粒就越细小，强度、塑性及冲击韧度也越高。因此，掌握奥氏体晶粒大小的控制方法，对制订热处理工艺非常重要。二、钢在加热时的组织转变3．奥氏体的晶粒度及控制方法1）奥氏体的晶粒度奥氏体的晶粒大小用晶粒度表示。目前，世界各国几乎统一使用与标准金相图片相比较的方法来确定晶粒度的级别。奥氏体的晶粒度1～4级为粗晶粒5～8级为细晶粒超过8级的晶粒称为超细晶粒二、钢在加热时的组织转变3．奥氏体的晶粒度及控制方法1）奥氏体的晶粒度各级晶粒度的晶粒大小（100×）二、钢在加热时的组织转变3．奥氏体的晶粒度及控制方法2）奥氏体晶粒度的控制方法控制奥氏体的晶粒度合理选择加热温度和保温时间晶粒长大是通过原子扩散进行的，而原子扩散速度会随温度的升高而加快。因此，加热温度越高，保温时间越长，奥氏体的晶粒就越大。合理选择加热速度当加热温度一定时，加热速度越快，奥氏体的晶粒越细小。因此，在生产中可通过快速加热到较高温度的方法，来达到细化晶粒的目的。选用含有合金元素的钢大多数合金元素可在钢中形成难溶于奥氏体的碳化物和氮化物，弥散分布在奥氏体的晶界上，阻碍奥氏体晶粒的长大。在工业生产中，常在钢中加入Ti、V、Ni、Zr、Al等元素，来达到细化晶粒的目的。钢在加热后得到的奥氏体并不是热处理的最终组织。在随后的冷却过程中，奥氏体还会发生转变，其转变产物决定钢在热处理后的组织和性能。三、钢在冷却时的组织转变常用的冷却方式等温冷却连续冷却

三、钢在冷却时的组织转变等温冷却连续冷却：将奥氏体化的钢以不同的冷却速度连续冷却至室温，如水冷、空冷、炉冷等。三、钢在冷却时的组织转变连续冷却

三、钢在冷却时的组织转变因此，钢在冷却时的转变，实质上是过冷奥氏体的转变。除退火外，实际热处理的冷却速度大多较快，无法根据铁碳合金相图分析过冷奥氏体的组织转变。因此，常利用过冷奥氏体的等温冷却转变曲线图和连续冷却转变曲线图分析钢在热处理冷却时过冷奥氏体的转变规律。三、钢在冷却时的组织转变由于共析钢的组织转变相对而言比较简单，因此下面以共析钢为例，介绍不同的冷却方式对钢的组织和性能的影响。二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变1）过冷奥氏体的等温冷却转变曲线图过冷奥氏体的等温冷却转变曲线图是表示过冷奥氏体在不同过冷度下的等温冷却过程中，转变温度、转变时间及转变产物的关系曲线图。因其形状与字母“C”

相似，所以又称C曲线。共析钢的过冷奥氏体等温冷却转变曲线图二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变1）过冷奥氏体的等温冷却转变曲线图共析钢的过冷奥氏体等温冷却转变曲线图与铁碳合金相图相似，都是通过试验方法测定的。共析钢的过冷奥氏体等温冷却转变曲线图纵坐标表示转变温度横坐标表示转变时间左边的曲线表示过冷奥氏体的等温冷却转变开始线右边的曲线表示过冷奥氏体的等温冷却转变终了线二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变1）过冷奥氏体的等温冷却转变曲线图共析钢的过冷奥氏体等温冷却转变曲线图

图中还包含三条水平线：二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变1）过冷奥氏体的等温冷却转变曲线图共析钢的过冷奥氏体等温冷却转变曲线图

二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变1）过冷奥氏体的等温冷却转变曲线图共析钢的过冷奥氏体等温冷却转变曲线图

二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变1）过冷奥氏体的等温冷却转变曲线图共析钢的过冷奥氏体等温冷却转变曲线图

过冷奥氏体等温冷却转变曲线图被上述线段分为六个区域。二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变1）过冷奥氏体的等温冷却转变曲线图共析钢的过冷奥氏体等温冷却转变曲线图

二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变1）过冷奥氏体的等温冷却转变曲线图共析钢的过冷奥氏体等温冷却转变曲线图

二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变1）过冷奥氏体的等温冷却转变曲线图共析钢的过冷奥氏体等温冷却转变曲线图

二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变1）过冷奥氏体的等温冷却转变曲线图共析钢的过冷奥氏体等温冷却转变曲线图

二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变1）过冷奥氏体的等温冷却转变曲线图共析钢的过冷奥氏体等温冷却转变曲线图

二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变1）过冷奥氏体的等温冷却转变曲线图共析钢的过冷奥氏体等温冷却转变曲线图

二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变1）过冷奥氏体的等温冷却转变曲线图共析钢的过冷奥氏体等温冷却转变曲线图过冷奥氏体等温冷却转变曲线图在550℃左右出现一个拐点，该拐点称为“鼻尖”，它位于C曲线上最突出、距纵坐标最近处。该处过冷奥氏体的孕育期最短、最不稳定且最易分解，转变速度也最快。二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变1）过冷奥氏体的等温冷却转变曲线图共析钢的过冷奥氏体等温冷却转变曲线图当温度高于或低于“鼻尖”时，随着温度的升高或降低，孕育期逐渐变长，过冷奥氏体的稳定性不断增加。二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变2）过冷奥氏体等温冷却转变的组织和性能

转变类型高温珠光体转变中温贝氏体转变等温冷却转变低温马氏体连续冷却转变二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变2）过冷奥氏体等温冷却转变的组织和性能（1）珠光体转变过程

二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变2）过冷奥氏体等温冷却转变的组织和性能（1）珠光体转变过程珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，其层片间的距离随等温温度的降低而减小。过冷奥氏体高温转变产物珠光体（P）索氏体（S）屈氏体（T）根据层片间距离的不同二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变2）过冷奥氏体等温冷却转变的组织和性能（1）珠光体转变过程（a）珠光体（3800×）（b）索氏体（8000×）（c）屈氏体（8000×）过冷奥氏体高温转变产物的显微组织二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变2）过冷奥氏体等温冷却转变的组织和性能（1）珠光体转变过程组织名称符号形成温度范围/℃硬度可见倍数珠光体P约0.3170～200HBW500倍金相显微镜索氏体S600～6500.1～0.325～35HRC800～1000倍金相显微镜屈氏体T550～600约0.135～40HRC高倍电子显微镜过冷奥氏体高温转变产物的形成温度及性能二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变2）过冷奥氏体等温冷却转变的组织和性能（2）贝氏体转变过程

二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变2）过冷奥氏体等温冷却转变的组织和性能贝氏体是由过饱和的铁素体和碳化物组成的非层片状机械混合物。（2）贝氏体转变过程贝氏体上贝氏体（）下贝氏体（）根据组织形态和转变温度的不同二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变2）过冷奥氏体等温冷却转变的组织和性能上贝氏体的形成温度范围为350～550℃。上贝氏体在光学显微镜下呈羽毛状，过饱和铁素体片间分布着连续的渗碳体。上贝氏体的强度低，脆性大，易引起脆断，实用性较差。（2）贝氏体转变过程上贝氏体的形态二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变2）过冷奥氏体等温冷却转变的组织和性能

（2）贝氏体转变过程下贝氏体的形态二、钢在加热时的组织转变1．过冷奥氏体的等温冷却转变2）过冷奥氏体等温冷却转变的组织和性能（2）贝氏体转变过程热处理工艺过程中的冷却速度对材料的性能有直接的影响。例如，将45钢加热到450℃并在保温炉中保温后，在空气中冷却至室温时其屈服强度为272MPa，在水中冷却至室温时其屈服强度高达706MPa。前者的韧性好，易弯曲；后者脆而硬，易断裂。小贴士二、钢在加热时的组织转变2．过冷奥氏体的连续冷却转变1）过冷奥氏体的连续冷却转变曲线图在实际生产中，钢的冷却过程一般不是等温进行而是连续进行的。如图所示为共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线图（又称CCT曲线）。共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线图共析钢在连续冷却时只发生珠光体转变和马氏体转变，不发生贝氏体转变。但在亚共析钢和大部分合金钢中，奥氏体在连续冷却时一般都会发生贝氏体转变。二、钢在加热时的组织转变2．过冷奥氏体的连续冷却转变1）过冷奥氏体的连续冷却转变曲线图共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线图

二、钢在加热时的组织转变2．过冷奥氏体的连续冷却转变1）过冷奥氏体的连续冷却转变曲线图共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线图

二、钢在加热时的组织转变2．过冷奥氏体的连续冷却转变2）过冷奥氏体连续冷却转变的组织和性能共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线图

马氏体中由于存在大量的碳原子，易发生晶格畸变，因此会产生很强的固溶强化。二、钢在加热时的组织转变2．过冷奥氏体的连续冷却转变2）过冷奥氏体连续冷却转变的组织和性能共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线图

二、钢在加热时的组织转变2．过冷奥氏体的连续冷却转变2）过冷奥氏体连续冷却转变的组织和性能共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线图

二、钢在加热时的组织转变2．过冷奥氏体的连续冷却转变2）过冷奥氏体连续冷却转变的组织和性能马氏体板条马氏体片状（针状）马氏体根据成分和形成条件的不同二、钢在加热时的组织转变2．过冷奥氏体的连续冷却转变2）过冷奥氏体连续冷却转变的组织和性能板条马氏体也称低碳马氏体，含碳量在0.25%以下，其形状近似为一束束相互平行的细条。板条马氏体具有较高的强度和韧性，其单个晶体的显微组织为边缘不规则的块状。（a）板条马氏体显微组织（1000×）（b）板条马氏体单个晶体示意图板条马氏体的组织形态二、钢在加热时的组织转变2．过冷奥氏体的连续冷却转变2）过冷奥氏体连续冷却转变的组织和性能片状马氏体也称高碳马氏体，含碳量在1.0%以上，其断面呈针状。片状马氏体具有较高的硬度和脆性，其单个晶体的显微组织为凸透镜形的片状。（a）片状马氏体显微组织（1500×）（b）片状马氏体单个晶体示意图片状马氏体的组织形态二、钢在加热时的组织转变2．过冷奥氏体的连续冷却转变3）过冷奥氏体连续冷却转变曲线图的应用过冷奥氏体连续冷却转变曲线图是分析连续冷却条件下过冷奥氏体的转变过程及其组织和性能的依据，是实际热处理常用的图表之一。共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线图不同冷却速度下过冷奥氏体的转变产物不同二、钢在加热时的组织转变2．过冷奥氏体的连续冷却转变3）过冷奥氏体连续冷却转变曲线图的应用共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线图

二、钢在加热时的组织转变2．过冷奥氏体的连续冷却转变3）过冷奥氏体连续冷却转变曲线图的应用共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线图

二、钢在加热时的组织转变2．过冷奥氏体的连续冷却转变3）过冷奥氏体连续冷却转变曲线图的应用共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线图

因此，转变产物为屈氏体+马氏体+残余奥氏体。二、钢在加热时的组织转变2．过冷奥氏体的连续冷却转变3）过冷奥氏体连续冷却转变曲线图的应用共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线图

因此，转变产物为马氏体+残余奥氏体。二、钢在加热时的组织转变2．过冷奥氏体的连续冷却转变3）过冷奥氏体连续冷却转变曲线图的应用由此可知，不同的冷却速度会使钢生成不同的产物，其具有的力学性能也不同。45钢在相同奥氏体条件下，以不同冷却方式进行冷却所得到的力学性能冷却方式硬度/HRC炉冷28053032.515~18空冷340670~72015~1818~24油冷62090018~2040~50水冷72011007~850~60课堂小结钢在加热和冷却时的组织转变钢的热处理热处理工艺的分类热处理工艺的路线钢在加热时的组织转变热处理的临界温度奥氏体的形成过程奥氏体晶核的形成奥氏体晶核的长大残余渗碳体的溶解奥氏体成分的均匀化奥氏体的晶粒度及控制方法奥氏体的晶粒度奥氏体晶粒度的控制方法钢在冷却时的组织转变过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的等温冷却转变曲线图过冷奥氏体等温冷却转变的组织和性能过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变曲线图过冷奥氏体连续冷却转变的组织和性能过冷奥氏体连续冷却转变曲线图的应用课堂检测1.根据加热介质、加热温度和冷却方式的不同，热处理工艺可分为哪几种？2.在实际热处理时，可通过哪些方法控制奥氏体的晶粒度？点击添加相关标题文字CLICKONADDRELATEDTITLEWORDS任务二：掌握钢的整体热处理任务引入生活中我们经常会用到各种锋利的刀具，但一般买来的新刀都是没有开刃或开刃不锋利的，所以需要给新刀开刃，即磨出锋口。根据生活中的经验，人们在磨刀时，总是会时不时浇一些冷水。这是因为磨刀过程中，由于摩擦生热，刀的温度会急剧上升。若刀的温度过高则会因退火而不再坚硬和锋利。刀刃一旦发生退火，会严重影响刀的使用。因此，在磨刀时需要控制磨刀温度，而加冷水就是控制温度最简单的方法。退火还会对钢的性能产生什么影响呢？任务引入知识与技能要求任务内容掌握钢的整体热处理学习程度识记理解应用学习任务退火

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正火●淬火●回火●实训任务进行碳素钢的热处理试验

●自我勉励

一、退火退火是指将钢加热到适当的温度，并经过一定时间保温和冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。退火完全退火等温退火球化退火去应力退火再结晶退火均匀化退火等根据钢的成分和退火目的的不同一、退火（a）加热温度范围（b）工艺曲线退火和正火的加热温度范围和工艺曲线1．完全退火一、退火

完全退火后的平衡组织为铁素体和珠光体。1．完全退火一、退火完全退火主要适用于各种亚共析钢和合金钢的铸件、锻件、焊件、热轧型材等，其目的在于细化晶粒、均匀组织、降低硬度、消除内应力和改善切削加工性能。

小贴士2．等温退火一、退火

等温退火主要适用于低碳合金钢和某些高合金钢的大型铸件及冲压件等，其目的与完全退火相同。但完全退火需要的时间较长，特别是对于一些奥氏体比较稳定的合金钢，完全退火需要几十小时，而采用等温退火可有效缩短退火时间。3．球化退火一、退火

球化退火主要适用于共析钢和过共析钢，如工具钢、滚珠轴承钢等。球化退火可使钢降低硬度、提高塑性和改善切削加工性能，为后续的淬火做组织准备。除此之外，球化退火也可应用于亚共析钢中。4．去应力退火一、退火

去应力退火可消除冷加工、铸造、锻造及焊接过程中引起的残余应力，还能降低硬度，提高尺寸稳定性，防止工件变形或开裂。5．再结晶退火一、退火再结晶退火是将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保温适当时间，使变形晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残余应力的热处理工艺。再结晶退火可消除冷作硬化，提高塑性，改善切削加工性能。6．均匀化退火一、退火均匀化退火又称扩散退火，是将钢加热到固相线以下100～200℃，保温10～15h，通过原子扩散使成分均匀化，然后缓慢冷却至室温的热处理工艺。均匀化退火可消除钢锭、铸件或锻造毛坯的偏析现象。均匀化退火后，钢的奥氏体晶粒较粗大，因此一般需要再进行完全退火或正火处理。二、正火

（a）加热温度范围（b）工艺曲线退火和正火的加热温度范围和工艺曲线二、正火正火和退火的目的基本相同，但正火加热温度略高、冷却速度较快，得到的组织更细小。因此，正火后得到的珠光体组织，其强度、硬度比退火的高。（a）退火后的显微组织（b）正火后的显微组织钢在退火与正火后的显微组织比较二、正火对于截面较大的合金钢，正火可细化晶粒，消除组织缺陷，为下一步热处理做组织准备。对于过共析钢，正火可消除对性能不利的网状渗碳体，以保证球化退火质量。对于某些大型非合金钢或力学性能要求不高的零件，正火可作为最终热处理。正火可作为低、中碳结构钢的预备热处理，可提高硬度，改善切削加工性能。三、淬火

淬火可提高钢的力学性能，是强化钢最主要的热处理工艺。淬火通常与回火配合使用，可满足各类零件或工、模具的使用要求。1．淬火加热温度淬火加热温度是淬火工艺的重要参数，可由铁碳合金相图确定。三、淬火碳钢的淬火加热温度1．淬火加热温度

三、淬火若加热温度过高会得到粗大的马氏体组织，导致工件的使用性能变差，容易变形甚至开裂若加热温度过低淬火后的组织将出现铁素体，导致钢的硬度变低。1．淬火加热温度

三、淬火

淬火后的组织没有发生相变，导致强度和硬度达不到要求

会得到粗大的针状马氏体组织，此时，钢中的碳化物消失，奥氏体晶粒粗化，且残余奥氏体含量增大，这种钢的硬度和耐磨性较差2．淬火加热时间淬火加热时间是指达到淬火加热温度并完成奥氏体化过程所需要的时间，由升温时间和保温时间组成。三、淬火影响加热时间的因素工件的形状尺寸装炉方式加热介质加热温度等多种因素3．淬火冷却介质钢进行淬火时所使用的冷却介质称为淬火介质。理想的淬火介质应具备的条件是既要保证奥氏体向马氏体转变，又不会因冷却速度过快引起太大的淬火应力。三、淬火在C曲线“鼻尖”以上的温度，冷却速度应小一点，以减小冷却所产生的热应力

3．淬火冷却介质三、淬火理想的冷却速度曲线3．淬火冷却介质三、淬火常用的淬火介质水及水溶液各种矿物油硝盐浴碱浴空气等3．淬火冷却介质三、淬火水是冷却能力较强的淬火介质，来源广、价格低、成分稳定且不易变质。水在C曲线的“鼻尖”区（500～600℃），冷却速度较快，能保证工件获得马氏体组织而在马氏体转变温度区（300～100℃），冷却速度仍很快，易使马氏体转变速度过快而产生很大的内应力，致使工件变形甚至开裂因此，水适合作为截面尺寸不大、形状简单的碳素钢工件的淬火介质。3．淬火冷却介质三、淬火此外，冷却介质还广泛采用矿物油，如机油、变压器油、柴油等。其中，机油一般采用10号、20号、30号机油，油号越大，黏度越大，冷却能力就越低，使用温度也就相应提高。随着技术的不断发展，工业生产中出现了很多新型淬火冷却介质，如高速淬火油、光亮淬火油、真空淬火油、高分子聚合物水溶液等。它们的冷却特性优于普通的水和油，已在生产中获得了广泛应用。例如，三硝水溶液由25%硝酸钠+20%亚硝酸钠+20%硝酸钾+35%水组成，它在高温（500～650℃）时析出盐晶体，破坏蒸汽膜的形成，冷却能力接近于水；在低温（200～300℃）时浓度较高，流动性差，冷却能力接近于油。因此，三硝水溶液可作为水-油双介质淬火的淬火介质。知识链接4．淬火方法淬火的冷却方式和冷却速度直接影响淬火后钢的力学性能。若冷却速度过快，钢容易发生变形甚至断裂；若冷却速度过慢，钢未发生相变，无法达到所要求的性能。三、淬火淬火单介质淬火双介质淬火马氏体分级淬火贝氏体等温淬火等根据冷却方式的不同4．淬火方法三、淬火1—单介质淬火；2—双介质淬火；3—马氏体分级淬火；4—贝氏体等温淬火。不同的淬火方法4．淬火方法三、淬火类别工艺流程特点应用范围单介质淬火将加热至奥氏体状态的工件放入一种淬火介质中连续冷却至室温。非合金钢用水作为淬火介质，碳钢用油作为淬火介质操作简单，易于实现机械化与自动化，但该方法水冷时变形大，工件容易变形和开裂；油冷时难以达到所要求的硬度适用于形状简单、尺寸较小的钢双介质淬火将加热至奥氏体状态的工件先浸入冷却能力强的淬火介质中，在发生马氏体转变前立即转入另一种冷却能力弱的淬火介质中冷却克服了单介质淬火的不足，得到了接近理想状态的冷却条件，既可获得马氏体组织，又可防止变形和开裂；但钢在第一种淬火介质中的冷却时间难以掌握，操作技能要求较高适用于形状复杂的高碳钢及尺寸较大的合金钢各种淬火方法的工艺流程、特点和应用范围4．淬火方法三、淬火类别工艺流程特点应用范围马氏体分级淬火将加热至奥氏体状态的工件放入到接近马氏体转变温度的介质中冷却（如硝盐浴、碱浴），在工件整体达到介质温度后再取出空冷，以获得马氏体组织操作简单，在缓慢冷却时减少了马氏体转变的组织应力，可显著减少变形和开裂；但停留时间不好控制，盐浴和碱浴的冷却能力较小适用于形状较复杂、横截面尺寸较小、精度要求较高的碳素钢和合金工具钢的小型零件贝氏体等温淬火将奥氏体状态的工件快速冷却到贝氏体转变区间等温保持，使奥氏体转变为下贝氏体强度、硬度较高，韧性较好，可有效防止工件变形和开裂；但生产周期较长、效率低适用于薄、细、形状复杂、尺寸要求精确且韧性较高的工件（续表）各种淬火方法的工艺流程、特点和应用范围三、回火

回火不仅可提高组织的稳定性，避免钢在使用过程中发生开裂和变形；还可消除内部应力，调整硬度，提高韧性，并改善切削加工性能。钢回火时的力学性能变化四、回火钢经淬火后，其内部存在着马氏体、贝氏体及残余奥氏体等不稳定组织，随着时间的推移很容易发生组织转变，因此一般需要马上进行回火。随着加热温度的升高，钢的组织会发生一系列组织转变。四、回火回火时钢的组织转变阶段回火温度回火组织组织特点第一阶段20～200℃回火马氏体马氏体分解，转变为过饱和度较低的马氏体和极细的碳化物混合组织第二阶段200～300℃回火马氏体残余奥氏体分解，转变为回火马氏体，马氏体继续分解，含碳量进一步减少第三阶段300～400℃回火托氏体回火马氏体中的碳化物转变为稳定的颗粒状渗碳体（回火托氏体），马氏体转变为铁素体第四阶段>400℃回火索氏体渗碳体颗粒逐渐增大，铁素体再结晶，由原来的马氏体组织形态转变为多边形晶粒，形成由颗粒状渗碳体与多边形铁素体组成的组织，称为回火索氏体四、回火回火的保温温度越高，获得的钢强度越低，塑性和韧性越高。回火低温回火中温回火高温回火根据钢在回火时加热温度的不同1．低温回火低温回火的温度范围为150～250℃，经低温回火后获得的组织为回火马氏体，硬度为58～64HRC。低温回火能减小钢淬火时产生的内应力，降低钢的脆性，获得较高的硬度和耐磨性，并保持一定的韧性。四、回火低温回火适用于处理各种高硬度和高耐磨性的工件，如各种刀具、量具、模具、滚动轴承等。2．中温回火中温回火的温度范围为350～500℃，经中温回火后获得的组织为回火托氏体，硬度为30～50HRC。四、回火中温回火使钢具有较高的弹性和一定的韧性，适用于处理各种弹性零件和热锻模具，如弹簧等。3．高温回火高温回火的温度范围为500～650℃，经高温回火后获得的组织为回火索氏体，硬度为25～35HRC。高温回火能使钢具有较高的强度、塑性和韧性，可提高钢的综合力学性能。四、回火高温回火适用于处理各种重要的受力零部件，如传动轴、连杆、齿轮、丝杠等。3．高温回火工业上将先进行淬火，再进行高温回火的复合热处理工艺称为调质处理，简称调质。四、回火调质可使钢获得良好的综合力学性能，使其在具有高强度和高硬度的同时，保持一定的韧性和塑性。调质常用于丝杠、连杆、主轴轴承等受力复杂的重要机械零部件的生产中。课堂小结钢的整体热处理退火完全退火等温退火球化退火去应力退火再结晶退火均匀化退火正火淬火淬火加热温度淬火加热时间淬火冷却介质淬火方法回火低温回火中温回火高温回火课堂检测1.根据钢的成分和退火目的的不同，退火分为哪几种？2.为什么亚共析钢经正火后，可获得比退火高的强度与硬度？点击添加相关标题文字CLICKONADDRELATEDTITLEWORDS任务三：掌握钢的表面热处理和化学热处理任务引入我国赫哲族在近代仍选用传统工艺制作鱼钩。制作时，先将铁丝锻造成鱼钩，然后将鱼钩与木炭、火硝等一起放入陶罐加热，随后趁热打碎陶罐，让鱼钩立即落入水中冷却，最后在铁锅中用油和小米对鱼钩进行翻炒。用这种方法制作出来的鱼钩具有较高的强度和韧性，钓几百斤的大鱼也不成问题。任务引入对鱼钩进行的这一系列处理实际上就是渗碳处理。将鱼钩锻造成形之后，与木炭、火硝一起加热是为了使碳原子渗入鱼钩表层，提高鱼钩表面的含碳量并形成一定的碳浓度梯度；随后放入水中，是为了淬火；用油和小米翻炒是为了进行回火。经过淬火和回火后，鱼钩的表面硬度和耐磨性得到了很大地提高，心部保持了良好的韧性，能承受较重的物品。任务引入知识与技能要求任务内容掌握钢的表面热处理和化学热处理学习程度识记理解应用学习任务表面热处理

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化学热处理●实训任务进行钢的渗碳试验

●自我勉励

一、表面热处理表面热处理是指仅对钢的表面进行加热，以改变其表面组织结构和力学性能的热处理工艺。表面淬火是一种常用的表面热处理工艺。表面淬火需要对钢的表面进行快速加热，并在表层热量未传到心部之前进行快速冷却，从而使表层获得较高的硬度和耐磨性，同时心部保持良好的韧性和塑性。激光表面淬火一、表面热处理表面淬火感应加热表面淬火火焰加热表面淬火电接触加热表面淬火激光表面淬火等根据加热方式的不同工程中应用较为广泛1．感应加热表面淬火感应加热表面淬火是指利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面或整体很快加热到淬火温度并快速冷却的热处理工艺。一、表面热处理感应加热表面淬火的原理1．感应加热表面淬火一、表面热处理感应加热表面淬火的原理将工件置于纯铜制成的感应线圈内，并通入一定频率的交流电，使周围和内部产生一定的交变磁场。工件内部会形成频率相同、方向相反的感应电流（涡流）。由于感应电流的集肤效应和热效应，工件表层的温度迅速被加热到淬火温度，而心部温度还很低。在随即喷水快冷后，工件表面形成马氏体组织，心部组织不变，从而达到表面淬火的目的。1．感应加热表面淬火一、表面热处理感应加热表面淬火主要用于中碳钢和中碳合金钢的齿轮和轴类零件等的表面热处理。在某些情况下，感应加热表面淬火也可用于高碳工具钢、含合金元素较少的合金工具钢及铸铁等的表面热处理。1．感应加热表面淬火一、表面热处理感应加热表面淬火与传统热处理相比，淬火升温速度快，保温时间短，工件表面氧化脱碳少，淬火效率高，淬层深度易于控制，占地面积小。但感应加热设备和淬火工艺匹配较麻烦，设备维修较复杂。因此，感应加热表面淬火不适用于单件小批量生产，主要用于大批量生产。1．感应加热表面淬火一、表面热处理生活中常会用到感应加热，电磁炉就是典型的例子。电磁炉的表面是耐热陶瓷板，交变电流通过陶瓷板下方的线圈产生磁场，磁场内的磁力线穿过铁锅、不锈钢锅的底部时，产生涡流，使锅底迅速发热，从而达到加热食品的目的。知识链接2．火焰加热表面淬火一、表面热处理火焰加热表面淬火是指利用氧-乙炔或其他可燃气体的火焰，对工件表面进行加热，然后快速冷却的热处理工艺。火焰加热表面淬火的原理火焰加热表面淬火可使工件表面获得一定的硬度和硬化层深度，而中心组织保持不变，其淬硬层深度一般为2～6mm。2．火焰加热表面淬火一、表面热处理火焰加热表面淬火的操作简单、体积小、工艺灵活