金属材料与热处理课件06钢的热处理

第六单元钢的热处理模块一概述1.热处理定义：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。实质：在加热、保温和冷却过程中，钢的组织结构发生了变化，从而改变了其性能。

只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。热处理的三要素：加热温度保温时间冷却方式2.目的和作用：改善钢（工件）的力学性能或工艺性能；充分发挥材料的性能潜力，提高零件质量，延长零件寿命。3.热处理特点热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。铸造轧制4.热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用，在机床制造中约60%-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70%-80%。模具、滚动轴承100%需经过热处理。总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。5.热处理分类

根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：热处理分类四把火模块二钢在加热时的组织转变

目的：通过加热使原始组织转变为奥氏体。一、加热的目的和临界温度共析钢奥氏体化过程钢热处理加热的临界温度为727℃。将钢加热至A3或A1以上，获得完全或部分奥氏体组织的操作称为奥氏体化。钢热处理时应加热到多少温度呢？

在实际生产中，由于加热和冷却不是很缓慢，因此实际发生组织转变的温度与相图的A1、A3、Acm

有一定的偏离。通常加热用Ac1、Ac3、Accm

表示，冷却用Ar1、Ar3、Arcm表示。钢热处理时奥氏体化的最低温度是Ac1，即加热到AC1温度以上时，钢的原始组织均要转变为奥氏体。对于亚共析钢和过共析钢，需要加热到Ac3或Accm以上，使先共析相充分转变或溶解，获得单相奥氏体，才能完全奥氏体化。二、保温的目的均匀温度保证奥氏体转变顺利进行控制要素——保温时间二、热处理的加热方式（1）电加热方法

包括常用的电阻加热炉、感应加热设备和盐浴加热炉等。电加热时温度易于控制，无环境污染，热效率高，是最常用的热处理加热方法。（2）燃料燃烧加热法常用的燃料有油、天然气、氧-乙炔火焰等。（3）高能量密度能源加热

以很大的功率密度加热工件表面，加热时间以毫秒计，功率密度可达106～108W/cm2，采用的热源有激光束和电子束等。奥氏体的晶粒大小对钢随后的冷却转变及转变产物的组织和性能都有重要影响。粗大的奥氏体晶粒往往导致热处理后钢的强度与韧性降低，并容易导致工件的变形和开裂，工程上往往希望得到细小而成分均匀的奥氏体晶粒，因此应在热处理加热时控制奥氏体的晶粒大小。三、奥氏体晶粒大小及其控制1.奥氏体晶粒大小奥氏体晶粒大小的表示方法有三种：晶粒的平均直径（d）单位面积内的晶粒数目（n）晶粒度等级（N）。

一般根据标准晶粒度等级图确定钢的奥氏体晶粒大小。标准晶粒度等级分为8级，1～4级为粗晶粒度，5～8级为细晶粒度。晶粒度级别(G)与晶粒的大小有如下关系：

N100=2G-1

式中:

N100表示放大100倍时，1平方英寸（6.45cm2）上的晶粒数。N100越大，晶粒越细，晶粒度等级越高。

2.奥氏体晶粒度3.实际晶粒度和本质晶粒度

某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度叫实际晶粒度，它决定钢的性能。

钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向用本质晶粒度来表示。钢加热到930℃±10℃、保温8小时、冷却后测得的晶粒度叫本质晶粒度。如果测得的晶粒细小，则该钢称为本质细晶粒钢，反之叫本质粗晶粒钢。YB/T5148-1993《金属平均晶粒度测定方法》是现行的行业标准,该标准中取消了测定钢的本质晶粒度的规定。4.奥氏体晶粒大小的控制（1）合理选择加热温度和保温时间

随着温度升高，晶粒将随之长大。温度愈高，晶粒长大愈明显。在一定温度下,保温时间愈长,奥氏体晶粒也越粗大。

（2）含碳量

碳全部溶于奥氏体时，随奥氏体中含碳量的增加，晶粒长大倾向增大。若碳以未溶的碳化物形式存在,则它有阻碍晶粒长大的作用。

（3）合金元素合金元素Ti、Zr、V、Nb、Al等，当其形成弥散稳定的碳化物和氮化物时，由于分布在晶界上，因而阻碍晶界的迁，阻止奥氏体晶粒长大，有利于得到细晶粒钢。Mn和P是促进奥氏体晶粒长大的元素。模块三

钢在冷却时的组织转变冷却是热处理的最后一个工序，也是最关键的工序，它决定了钢热处理后的组织和性能。同一种钢，加热温度和保温时间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。45钢840℃奥氏体化后，不同冷却速度时的力学性能冷却方式屈服强度ReL/MPa抗拉强度Rm/MPa伸长率A/（%）硬度/HRC随炉冷却28053032.515～18空气冷却340670～72015～1818～24油中冷却62090018～2040～50水中冷却72011007～852～60这是因为奥氏体在冷却过程中转变成了不同的产物。那么奥氏体在冷却时转变成什么产物？这些产物的性能怎样？有什么规律呢？这就是本次课的主要内容。当温度在A1以上时,奥氏体是稳定的。当温度降到A1以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体。过冷A是不稳定的，会转变为其它的组织。钢在冷却时的转变，实质上是过冷A的转变。

等温冷却转变1——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。

连续冷却转变2——使加热到奥氏体化的钢连续降温进行组织转变。碳钢热处理时的冷却速度一般较大，大多都偏离了平衡状态（除退火外），所以热处理后的组织为非平衡组织。碳钢非平衡组织和按铁碳相图结晶得到的平衡组织相比差别很大。不能再用铁碳相图加以分析，而应使用C曲线来确定。过冷奥氏体的等温转变图是表示奥氏体急速冷却到临界点A1以下，在各不同温度的保温过程中转变量与转变时间的关系曲线。又称C曲线、S曲线或TTT曲线。

一、过冷奥氏体的等温转变图(Time-Temperature-Transformationdiagram)A1550℃温度时间(s)8006004002000104103102100230℃727℃-50℃1.共析钢TTT曲线的建立转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小.孕育期最小处称C曲线的“鼻尖”。共析钢鼻尖处的温度为550℃。亚共析钢的TTT曲线过共析钢的TTT曲线二、过冷奥氏体的等温转变组织和性能1.珠光体转变(高温转变)温度范围：A1～550℃转变特征：扩散型转变转变过程（A

P）珠光体转变珠光体转变过程长大：扩散进行长大方式：纵向长大，沿着珠光体片长轴方向长大；横向长大，沿着珠光体片垂直方向长大。珠光体型组织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，转变温度越低，层间距越小。可将珠光体型组织按层间距大小分为珠光体(P)、索氏体(S)和托氏体(T)。奥氏体向珠光体的转变为扩散型的形核、长大过程,是通过碳、铁的扩散和晶体结构的重构来实现的。

珠光体的种类SFFe3C150—450nm珠光体80----150nm索氏体30----80nm托氏体根据珠光体片间距大小分为：本质一样光镜下形貌电镜下形貌珠光体光镜形貌电镜形貌索氏体光镜形貌电镜形貌托氏体珠光体的存在：钢的退火或正火组织中珠光体：

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索氏体

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。电镜形貌光镜形貌托氏体

形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示。组织名称形成温度（℃）片层间距（μm）片层形态可见倍数（×）HBS性能珠光体P（粗P）A1～650＞0.4较厚、平直、连续500170～250强、硬塑、韧屈氏体T（托氏体）600～550﹤0.2极薄、断续、弯曲2000～5000300～450强、硬塑、韧问题：P、S、T有何异同？珠光体：片层状F和Fe3C的机械混合物球状的渗碳体分布在铁素体的基体上，称为球状珠光体或球化体。球状珠光体组织的特征是在亮白色的铁素体基体上，均匀分布着白色的渗碳体颗粒，其边界呈暗黑色。硬度160-190HBW。粒状珠光体

珠光体、索氏体、托氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。珠光体的力学性能

在550℃～Ms区间进行等温冷却时，铁、碳原子扩散较困难，其中铁原子将不能发生扩散，仅做很小的位移，过冷奥氏体通过这种半扩散型相变转变为贝氏体组织，称为贝氏体转变，也称为中温转变。

2.中温转变（贝氏体转变）

贝氏体是由过饱和碳的铁素体与碳化物组成的非层片状的机械混合物，用符号“B”表示。根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下)。形成温度为550-350℃。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。上贝氏体中铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；同时渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断，因此强度和韧性都较差。基本上没有实用价值。上贝氏体形成温度为350℃-Ms。在光镜下呈竹叶状。在电镜下为细片状碳化物(Fe2.4C)分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈55-60º角。下贝氏体组织名称形成温度（℃）显微组织特征硬度（HRC）性能B上

350~550铁素体呈平行扁平状，细小渗碳体条断续分布在铁素体之间，在光学显微镜下呈暗灰色羽毛状特征。40~45综合性能差（强、塑、韧）B下230~350铁素体呈针叶状，细小碳化物呈点状分布在铁素体中，在光学显微镜下呈黑色针叶状特征。45~55韧性好、综合性能好贝氏体转变上贝氏体500×下贝氏体500×

过冷A转变为马氏体是低温转变过程,转变温度在Ms～Mf之间,该温区称马氏体转变区。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。马氏体就是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。

3.马氏体转变

马氏体转变（低温转变）温度范围：

230～-50℃（Ms～Mf）转变特征：非扩散型转变转变过程：

快速共格切变

50m/s

bcc0.77%C

fcc0.77%CAM马氏体：碳溶于α-Fe中所形成的过饱和间隙固溶体（1）马氏体晶体结构由于马氏体的形成温度较低，过冷度很大，铁、碳原子难以扩散，所以马氏体转变时只发生γ-Fe→α-Fe的晶格改组，是一种无扩散型转变。在马氏体为体心正方晶格，由于过饱和的碳原子的溶入，使其晶格常数a=b≠c。c/a称为马氏体的正方度，马氏体中的碳质量分数越大，其正方度越大，晶格畸变越严重。在钢的组织中，马氏体的比体积最大，奥氏体比体积最小，所以，当奥氏体转变为马氏体时，会因工件体积膨胀而产生内应力，是淬火时容易出现变形和裂纹的原因之一。（2）马氏体的形态

马氏体形态主要有两种，板条马氏体和片状马氏体。马氏体束马氏体群碳质量分数在0.25%以下时，基本上是板条马氏体（亦称低碳马氏体），板条马氏体在显微镜下为一束束平行排列的细板条。

当碳质量分数大于1.0%时，则大多数是针状马氏体。针状马氏体在光学显微镜中呈竹叶状或凸透镜状，在空间形同铁饼。马氏体针之间形成一定角度(60°)。高倍透射电镜分析表明，针状马氏体内有大量孪晶，因此亦称孪晶马氏体。正常淬火组织：隐晶马氏体T12钢锉刀碳质量分数在0.25～1.0%之间时，为板条马氏体和针状马氏体的混和组织。如45钢淬火的组织就是混合马氏体。45钢正常淬火组织45钢正常淬火组织马氏体形态与含碳量的关系0.45%C0.2%C1..2%C

马氏体是钢中最硬的组织，马氏体的硬度主要取决于其中的含碳量，与其它因素关系不大。但当含碳量增大到0.6%时,马氏体的硬度不再继续升高,大约为60-64HRC。（3）马氏体的性能马氏体的高硬度主要是由于固溶强化造成的，过饱和碳使α-Fe的晶格发生很大畸变，产生很强的固溶强化。还有位错和孪晶的影响,奥氏体向马氏体转变造成的组织细化也是一个因素。

马氏体的塑性和韧性与其碳含量（或形态）密切相关。高碳马氏体由于过饱和度大、内应力高和存在孪晶结构，所以硬而脆，塑性、韧性极差，但晶粒细化得到的隐晶马氏体却有一定的韧性。而低碳马氏体，由于过饱和度小，内应力低和存在位错亚结构，则不仅强度高，塑性、韧性也较好。马氏体的比容比奥氏体大。当奥氏体转变为马氏体时，体积会膨胀。马氏体是铁磁相，而奥氏体为顺磁相。马氏体晶格畸变严重，因此电阻率高。（4）马氏体转变特点1.过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转变铁和碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥氏体一定晶面,集体地(不改变相互位置关系)作一定距离的移动(不超过一个原子间距)，使面心立方晶格改组为体心正方晶格，碳原子原地不动，过饱和地留在新组成的晶胞中；增大了其正方度c/a。

2.在一个温度范围内进行的。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。3.马氏体的形成速度很快

奥氏体冷却到Ms点以下后，无孕育期，瞬时转变为马氏体。随着温度下降，过冷奥氏体不断转变为马氏体，是一个连续冷却的转变过程。

4.马氏体转变是不彻底的

总要残留少量奥氏体。残余奥氏体的含量与MS、Mf的位置有关。奥氏体中的碳含量越高，则MS、Mf越低，残余A含量越高。只在碳质量分数少于0.6%时,残余A可忽略。5.马氏体形成时体积膨胀

体积膨胀在钢中造成很大的内应力,严重时导致开裂。

AR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淬火在实际热处理中，很多热处理工艺都是在连续冷却条件下进行的，如淬火、正火、退火等。虽然可以利用TTT图来分析连续冷却时过冷A的转变过程，但这种分析只能是粗略的估计，有时甚至可以得出错误的结果。

三、过冷奥氏体的连续冷却转变

实际上在连续冷却时，过冷A是在一个温度范围内发生转变的，所以人们很早就开始对过冷A在连续冷却条件下的转变形为，并试图用图形的方式来描述这一过程。连续冷却转变图通常称为CCT图（ContinuousCoolingTransformation):综合反映了过冷奥氏体在连续冷却时的转变温度、时间和转变量之间的关系（即反映了过冷奥氏体在不同的冷却速度下转变的转变开始时间、转变终了时间、转变产物类型、转变量与转变温度、转变时间的关系）。

1.共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变Vk时间(lgτ)温度℃A1PfPsA→PKMsMf水冷油冷Vk1炉冷空冷转变中止线得不到贝氏体组织中止线PsPf与共析钢的TTT曲线相比，共析钢的CCT曲线稍靠右靠下一点，表明连续冷却时，奥氏体完成珠光体转变的温度较低，时间更长。共析钢以大于Vk（上临界冷却速度）的速度冷却时，得到的组织为马氏体。冷却速度小于Vk′（下临界冷却速度）时，钢将全部转变为珠光体型组织。VK：保证获得马氏体的最小冷却速度。◆连续冷却转变曲线与等温C曲线的区别是：1)连续冷却曲线靠右一些，连续冷却的转变温度均比等温转变温度低一些，所以连续冷却到达这个温度进行转变时，需要较长的孕育期，约为C

曲线的1．5倍。3)连续冷却曲线获得的组织不均匀，先转变的组织较粗，后转变的组织较细。2)连续冷却转变曲线只有C曲线的上半部分，而没有下半部分。这就是说，共析钢在连续冷却时只有珠光体和马氏体转变，而没有贝氏体转变。45钢的CCT图2.非共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变

45钢在油中冷却后的混合组织（500×）

Q345钢的混合组织（500×）

过共析钢的CCT图向上曲折向上曲折亚共析钢过共析钢向下曲折3.过冷奥氏体等温转变曲线连续冷却中的应用v1---炉冷A→Pv2---空冷A→Sv3---油冷A→T+Mv4---水冷A→M＋A/vk---临界冷却速度vkPSMT

前二模块学习的内容是热处理的原理，从这一节开始学习热处理工艺，也就是具体的热处理实现方法。在一个零件的加工路线中，热处理起着很重要的作用:

模块四钢的退火和正火一、退火加热到适当的温度，保温一定时间后缓慢冷却（炉冷）。过冷奥氏体在C曲线的上部进行转变，热处理后的组织接近于平衡组织，以珠光体为主。亚共析钢为F+P，共析、过共析钢为球状珠光体。用途：降低硬度，以利于切削（比较适合的切削硬度为160---260HBW）；消除内应力，稳定尺寸，防止变形或开裂；消除偏析，均匀成分。第一类退火（扩散退火、再结晶退火、去应力退火）是不以组织转变为目的的工艺方法，由不平衡状态过渡到平衡状态。第二类退火（完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火）是以改变组织和性能为目的，改变钢中珠光体、铁素体和碳化物等组织形态及分布。1.完全退火适用于亚共析钢的铸件、锻件、焊接件。工艺参数为：加热到Ac3+30--50℃，保温，随炉冷却到600℃出炉空冷。2.等温退火原理与完全退火相同，主要是为了缩短工艺周期，特别是对一些大型合金钢件的退火。高速钢等温退火与普通退火的比较3.球化退火适用于共析及过共析钢，目的是为了获取球状珠光体，降低这些高碳钢的硬度，以利于切削。所有的高碳钢在切削之前一般都要进行球化退火。工艺参数为：加热到Ac1+30--50℃，保温，随炉冷却或等温冷却。球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织，称球状珠光体,用P球表示。对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先进行正火，以消除网状.4.均匀化退火一般用于铸件，消除偏析，使成分均匀；通常是将钢加热到固相线以下100--200℃长时间保温，使原子充分扩散。5.去应力退火属于低温热处理，加热温度一般在A1线以下，对于钢来说，大约为600℃。铸、锻、焊接结构件热处理常用。

二、正火加热到Ac3（或Accm）以上30℃~50℃，保温后在空气中冷却。主要特点是空冷，对于大型零件或在炎热地区，也可用风冷或喷雾冷却。正火的目的是使钢的组织正常化，亦称常化处理。正火后的组织，亚共析钢为铁素体+索氏体；当碳质量分数大于0.6%时，钢正火后一般不出现先共析组织，为伪共析的珠光体或索氏体。正火温度均匀A细AP退火(炉冷)正火(空冷)SA1MSMf时间650℃600℃550℃区别：冷却速度比退火稍快，组织较细，强度硬度稍有提高正火的作用正火能提高硬度，一般用于低碳钢的预备热处理；正火可以消除魏氏组织、粗大组织、网状组织等；如过共析钢在球化退火之前，应先用正火消除网状的Fe3CⅡ；对于一些大件，正火可代替调质作为最终热处理使用。热处理与硬度关系合适切削加工硬度

三、魏氏组织如果正火加热温度过高或保温时间过长，使奥氏体晶粒粗大，同时冷却速度又较快，则亚共析钢中的先共析铁素体或过共析钢中的渗碳体（Fe3C）除沿奥氏体晶界或在晶粒内部独自呈针状析出，这种称为魏氏组织，用符号W表示。钢在锻造、轧制、焊接时也会出现。一般认为，魏氏组织会降低钢中力学性能，尤其是显著降低钢的塑性和冲击韧性。生产中常采用完全退火或正火消除魏氏组织。一般认为，钢中魏氏组织的存在会降低力学性能，显著降低钢的塑性和冲击韧性。为了防止在热轧条件下的钢材形成魏氏组织，可以采用控制轧制工艺和控制冷却等措施。当形成魏氏组织后，一般采用完全退火或正火加以消除。

模块五钢的淬火将钢加热到Ac1或Ac3以上30--50℃，适当保温，然后快速冷却，获取马氏体或下贝氏体的一种热处理工艺。淬火是一种很早就应用的热处理工艺，它的目的是获得马氏体或下贝氏体，但主要是马氏体。从性能上看，它是为了强化材料，提高材料的强度或硬度。一、淬火工艺参数为了获得好的淬火效果，就必须制定正确的淬火工艺参数。1.加热温度根据钢的成分确定，亚共析钢加热到Ac3+30--50℃，共析、过共析钢加热到Ac1+30--50℃。（根据铁碳相图进行解释）

亚共析钢淬火温度为Ac3+30-50℃。亚共析钢淬火组织：

0.5%C时为M

0.5%C时为M+A’。

过共析钢淬火温度:Ac1+30-50℃.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45钢正常淬火组织

一、淬火工艺参数45钢的Ac3=785℃，其淬火温度为815--835℃T8、T12钢的Ac1=737℃，其淬火温度为770--790℃；合金钢由于合金元素的影响，加热温度比碳钢高，具体情况可以查阅热处理手册。

D——工件有效厚度，mm。

=.K·D式中：

——加热时间，minK——反映装炉时的修正系数，通常在1.0~1.3

范围内选取

——加热系数，min／mm，加热系数2.淬火保温时间一般将升温时间和保温时间加在一起，称为加热时间。加热时间的确定应考虑二个问题，一个是材料的均温，一个是组织转变的时间。

3.淬火冷却介质

淬火冷却速度应大于VK，但不是越快越好，在保证大于VK的前提下应尽量缓慢，这主要是为了避免出现大的应力，引起变形或开裂。

在NOSE处要快，以避开它保证获得全部的马氏体组织；而在“NOSE”下面特别是在Ms线以下要慢，以避免变形和开裂。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。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。二、常用的淬火方法单液淬火：直冷，简单易操作。双液淬火：先快后慢，降低组织应力。分级淬火：快-恒-慢，降低热应力与组织应力。等温淬火：得到B下（工模具、弹簧）。局部淬火：量具等的局部区域。冷处理：-70～-80℃，降低A残%，稳定尺寸。局部淬火三、淬火操作要领工件淬入冷却介质时，一般应做到：设法保证工件淬硬、淬深，尽量减小工件畸变、避免开裂，并安全生产。四、淬透性与淬硬性淬透性是指在规定条件下，决定钢淬硬深度和硬度分布的特性。钢淬火时获得马氏体的能力，表示钢接受淬火的能力。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。1.淬透性的概念

淬透性大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。指由工件表面到半马氏体区(50%M+50%P)的深度。淬透性是钢本身属性，取决于钢的临界冷却速度；淬硬层与钢的淬透性、工件尺寸及所用冷却介质有关。同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质有关。工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。它只用于不同材料之间的比较，是通过尺寸、冷却介质相同时的淬硬层深度来确定的。凡能增加过冷奥氏体稳定性，即使C曲右移，减小钢的临界冷却速度VK的因素，都能提高钢的淬透性。反之，则降低淬透性。所以，钢的化学成分和奥氏体化条件是影响其淬透性的基本因素。2.淬透性的影响因素3.淬透性的测定方法（1）端淬试验用末端淬火法测定淬透性（2）临界直径在生产和科研中还常使用临界直径表示钢的淬透性，这是一种直观衡量淬透性的方法。所谓临界直径是指钢在某种介质中淬火后,心部能得到全部马氏体或50％马氏体组织的最大直径，用Dc表示。显然，在冷却能力大的介质中比冷却能力小的介质中所淬透的直径要大。在同一介质中，钢的临界直径越大，其淬透性越高。几种常用钢的临界直径牌号临界直径/mm牌号临界直径/mm淬水淬油淬水淬油4513～16.55～9.535CrMo36～4220～286011～176～1260Si2Mn55～6232～46T1010～15<850CrV55～6232～4020Cr12～196～1220CrMnTi22～3515～2440Cr30～3819～2830CrMnSi40～5032～40钢的淬硬性指钢在理想条件下淬火后所能达到的最高硬度值，即硬化能力。钢的淬硬性与淬透性是两个完全不同的概念。取决于M中C%，C%↑→淬硬性↑淬透性好的钢，其淬硬性不一定高，如低碳合金钢的淬透性相当好，但其淬硬性并不高；又如高碳工具钢的淬透性较差，但其淬硬性较高。4.钢的淬硬性

（1）根据服役条件，确定对钢淬透性的要求——选材的依据焊接用钢材不希望淬透性高；（2）热处理工艺制定的依据（3）尺寸效应

5.淬透性的应用模块六钢的回火温故而知新钢淬火后的组织是什么?

钢淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体。（等温淬火后为下贝氏体）温故而知新什么是马氏体？马氏体的性能如何？马氏体是碳在α-铁中的过饱和固溶体。马氏体硬度高，但脆性大。温故而知新马氏体转变有什么特点？奥氏体转变为马氏体时，工件的体积增大，同时由于冷却速度较快，所以淬火后工件内常存在内应力。温故而知新淬火后的工件能直接使用吗？不能温故而知新1、马氏体是不稳定组织；另外还有一定数量的残余奥氏体；2、淬火后的性能不能满足工件的使用要求，如脆性太大；3、淬火后工件内部有内应力，会导致工件的变形或开裂。那怎么办？一、回火的目的钢件淬火后,为了消除内应力并获得所要求的组织和性能,将其加热到Ac1以下某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。回火的目的有三：稳定组织、调整性能、消除内应力。二、淬火钢在回火时的组织转变非常复杂。一般是马氏体由过饱和状态向非饱和状态转变，也就是碳以一定的形式析出；残余奥氏体也发生变化，它们的最后转变产物是铁素体和渗碳体。在低温回火时，从淬火马氏体内部会析出碳化物薄片（Fe2.4C）,马氏体的过饱和度减小。部分残余奥氏体转变为下贝氏体,但量不多。所以低温回火后组织为回火马氏体＋残余奥氏体。1.马氏体的分解回火马氏体透射电镜下的回火马氏体形貌回火马氏体回火温度为350℃～500℃，得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，叫做回火托氏体(回火T)。铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。2.回火托氏体回火托氏体回火温度为500℃～650℃,得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织,称回火索氏体(回火S)。3.回火索氏体

回火组织及性能三、淬火钢在回火时的性能变化回火后力学性能取决于回火组织回火后组织性能取决于回火温度总趋势：随回火温度的升高，钢的硬度和强度连续下降，而塑性和韧性不断上升。硬度强度塑性℃淬火钢硬度随回火温度的变化40钢力学性能与回火温度的关系四、回火方法1.低温回火回火温度为150℃～250℃。回火后组织为回火马氏体。

低温回火的目的是降低淬火应力，提高工件韧性，保留淬火后的高硬度(一般为58HRC～64HRC)和高耐磨性。适用于工具、模具和表面处理件。2.中温回火回火温度为350℃～500℃，回火后组织为回火托氏体(回火T)。回火托氏体具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35HRC～45HRC。适用于弹簧等弹性元件。3.高温回火回火温度为500℃～650℃。

得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织,称回火索氏体。在生产中将淬火后高温回火的复合热处理工艺称为调质，调质后得到的回火索氏体具有良好的综合力学性能，回火后硬度为200~330HBW。

广泛用于轴类、齿轮、连杆等受力复杂的零件。钢件回火温度计算法中碳钢回火温度=（80－要求硬度值HRC）×10高碳钢回火温度=（85－要求硬度值HRC）×10合金钢回火温度=（90－要求硬度值HRC）×10当钢中含Mn和Si的时候温度要高30－50℃磨光的工件表面经回火加热后发生氧化，温度不同，生成的氧化膜厚度不同，从而呈现的颜色不同，这就是所谓的“回火色”。非合金钢回火温度与回火色对照如图所示。回火色还与回火时间有关，通常都以5分钟回火为准，因此回火色要在2～3分钟内快速辨认。钢的回火色五、回火脆性

在某些温度区间回火时，钢的韧性显著下降的现象。

1.第一类（低温）回火脆性指淬火钢在250～350℃回火时出现的脆性。x-Fe2C5或Fe3C沿板条马氏体的条界、束界、群界或在片状马氏体的孪晶带和原奥氏体晶界上析出引起。杂质元素P、S、As、Sn等在晶界、亚晶界偏聚导致晶界弱化，加剧此类回火脆性。当出现了第一类回火脆性后，再加热到较高温度（300℃左右）回火，可将脆性消除；如再在此温度范围回火，就不会出现这种脆性。故称之为不可逆回火脆性。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。零件淬火后应避免在250〜350℃回火。降低钢中杂质元素含量用Al脱氧或加入Nb,V,Ti等元素细化奥氏体晶粒加入Cr、Si等元素调整发生第一类回火脆性的温度范围，使之避开所需的回火温度。采用等温淬火代替淬火+回火工艺2.第二类（高温）回火脆性

指淬火钢在450～650℃回火后缓冷时出现的脆性。回火后快冷不出现。产生机理：杂质元素在原奥氏体晶界上偏聚或以化合物形式析出，降低了晶界的断裂强度。多发生在含Cr、Ni、Mn、Si等元素的合金钢中。碳钢一般不出现。

特征：可逆性，与冷速有关（快冷不产生），与回火时间有关（回火时间、脆性增加）。

Cr-Ni钢的回火脆性示意图预防措施：

（1）高温回火后，在水中快速冷却。（2）加入降低回火脆性倾向的元素Mo或W。

（3）降低钢中的杂质元素含量。（4）加入能阻止奥氏体晶粒长大的元素如Nb、Ti、V等，细化奥氏体晶粒，增加晶界面积，降低单位晶界面积杂质元素的含量。（5）采用亚温淬火，使P元素溶入残留的铁素体中，降低他们在奥氏体晶界的偏聚浓度。

模块七钢的表面热处理

温故知新1、钢的普通热处理包括哪些工艺?

正火、退火、淬火和回火，统称“四把火”。2、什么是调质？调质处理后钢的组织和性能怎样？淬火后高温回火的复合热处理工艺称调质。调质后的组织为回火索氏体，具有综合力学性能。3、什么是钢的淬透性？

钢在淬火条件下得到M组织或淬透层深度的能力，是钢的固有属性。

截面较大、形状复杂以及受力较苛刻的螺栓、拉杆、锻模、锤杆等工件，要求截面机械性能均匀，应选用淬透性好的钢。心部：硬度低，韧性高在生产中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性能，一般是表面硬度高，有较高的耐磨性和疲劳强度；而心部要求有较好的塑性和韧性。表面：硬度高，耐磨表面和心部性能要求不同的零件实例

在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热处理方法，都有不能满足其要求。低碳钢：可满足心部要求，表面要求不能满足；高碳钢：可满足表面要求，心部要求不能满足；解决这一问题的方法是表面热处理和化学热处理

仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理,也叫表面淬火。

化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。让我们首先学习一下表面热处理吧。。。。。。按照实现方式，表面淬火可分为：

感应加热淬火火焰加热淬火

激光加热淬火

一、感应加热淬火原理分类应用特点表面淬火齿轮1.原理感应线圈中通以交流电时，即在其内部和周围产生一与电流相同频率的交变磁场。若把工件置于磁场中，则在工件内部产生感应电流，并由于电阻的作用而被加热。由于交流电的集肤效应，靠近工件表面的电流密度大，而中心几乎为零。工件表面温度快速升高到相变点以上，而心部温度仍在相变点以下。感应加热后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶液喷射淬火，淬火后进行180-200℃低温回火，以降低淬火应力，并保持高硬度和高耐磨性。

感应加热表面淬火

2.电流频率与淬硬深度的关系在淬火温度状态下，电流透入的深度与感应电流的频率有关，电流频率越高，电流透入深度越薄，淬火后硬化层也就越薄。3.感应加热淬火分类名称频率（HZ）淬硬深度（mm)适用零件高频感应加热100K~1000K0.2~2中小型，如小模数齿轮，直径较小的圆柱型零件中频感应加热500~100002~8中大型，如直径较大的轴，大中等模数的齿轮工频感应加热5010~15以上大型零件，如直径大于300mm的轧辊及轴类零件4.感应加热淬火应用范围

一般用于中碳钢和中碳低合金钢,如45、40Cr、40MnB钢等。用于齿轮、轴类零件的表面硬化，提高耐磨性。为零件心部的性能，感应加热淬火的预备热处理常采用正火或调质。感应加热淬火零件的加工工艺路线为：下料-----锻造-----调质或正火------切削加工-----感应加热淬火+低温回火-----精加工-----检验感应加热淬火齿轮的截面图5.感应加热淬火特点高频感应加热时，钢的奥氏体化是在较大的过热度（Ac3以上80℃～150℃)进行的,因此晶核多,且不易长大，组织细小。表面层淬得马氏体后,由于体积膨胀在工件表面层造成较大的残余压应力,显著提高工件的疲劳强度。因加热速度快，没有保温时间，工件的氧化脱碳少。另外，由于内部未加热，工件的淬火变形也小。加热温度和淬硬层厚度（从表面到半马氏体区的距离）容易控制，便于实现机械化和自动化。工艺设备较贵，维修调整困难，对于形状复杂的零件的感应器不易制造。二、火焰加热淬火火焰加热表面淬火是用乙炔－氧或煤气－氧等火焰加热工件表面，进行淬火。火焰加热表面淬火和高频感应加热表面淬火相比，具有设备简单，成本低等优点。但生产率低，零件表面存在不同程度的过热，质量控制也比较困难。因此主要适用于单件、小批量生产及大型零件（如大型齿轮、轴、轧辊等）的表面淬火。模块八钢的化学热处理化学热处理是指将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理的作用主要有以下两个方面，一方面是提高工件表层的某些力学性能，如表层硬度、耐磨性、疲劳极限等。另一方面是保护工件表面，提高工件表层的物理、化学性能，如耐高温、耐腐蚀等。按渗入的元素不同，化学热处理可分为：

渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。渗入元素介质可以是固体、液体和气体。一、渗碳钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入到钢表层的化学热处理工艺叫渗碳。目的：提高表层的硬度的耐磨性，并保持心部良好的韧性。渗碳适用于含碳量为0.10%-0.25%的低碳钢或低碳合金钢，经渗碳和淬火、低温回火后，可在零件的表层和心部分别获得高碳和低碳组织，使高碳钢和低碳钢的不同性能结合在一个零件上，从而满足了零件的使用性能要求。

1.渗碳的目的和应用根据渗碳剂的不同，渗碳方法可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳。气体渗碳法的生产率高，渗碳过程容易控制，渗碳层质量好，且易实现机械化与自动化，故应用最广。本节将介绍国内应用较广的气体渗碳法。2.渗碳方法

气体渗碳滴注法气体渗碳法是把工件置于密封的井式气体渗碳炉中，通入渗碳剂，并加热到渗碳温度900-950℃（常用930℃），使工件在高温的气氛中进行渗碳。炉内的渗碳气氛主要由滴入炉内的煤油、丙酮、甲苯及甲醇等有机液体在高温下分解而成，主要由CO、CO2、H2和CH4等组成。渗碳层的表面含碳量最好在0.85%～1.05%范围内。低碳钢渗碳后缓冷到室温的组织由外向内依次是过共析组织→共析组织→亚共析组织的过渡层→心部的原始组织。适宜的渗碳层深度取决于工件的尺寸和工作条件，一般为0.5～2.5mm。平缓的碳浓度分布可以提高工件的弯曲强度和弯曲疲劳强度。气体渗碳的技术要求3渗碳层缓冷后的组织过共析组织(P+Fe3CⅡ)共析组织(P)过渡区亚共析组织(P+F)原始亚共析组织(F+P)0.20％1.10％工件渗碳后必须进行热处理,常用的热处理方法是淬火+低温回火。渗碳后可直接淬火，但由于渗碳温度高,奥氏体晶粒长大,淬火后马氏体较粗,残余奥氏体也较多,所以耐磨性较低,变形较大。为了减少淬火时的变形,渗碳后常将工件预冷到830℃～850℃后淬火。渗碳、淬火后应进行低温(150℃～200℃)回火,以消除淬火应力和提高韧性。

渗碳件的热处理钢渗碳淬火+低温回火后表面硬度高可达58～62HRC以上,耐磨性较好；心部韧性较好,硬度较低，可达30～45HRC。此外由于表层体积膨胀大，心部体积膨胀小，结果在表层中造成压应力，使零件的疲劳强度提高。渗碳件的加工路线一般为：锻造→正火→粗加工→渗碳→淬火→低温回火→精加工（磨削）→检验。0t℃回火淬火820〜850℃180〜200℃t(h)加热3〜9h

930℃渗碳直接淬火工艺预冷渗碳后直接淬火工艺曲线

我国赫哲族在近代仍用传统方法制作鱼钩。其步骤是：先将铁丝弯制加工成钩，和木炭、火硝一同装入陶罐加热，趁热打碎陶罐，使钩落入水中；再在铁锅中用油和小米翻炒。这样做成的鱼钩具有很好的强度和韧性，可以钓起百斤重的大鱼。请说一说这样做的道理。想一想1.定义

钢铁工件在一定温度的含有活性氮的介质中保温一定时间，使其表面渗入氮原子的过程称为渗氮或氮化。二、钢的渗氮2.气体氮化使用最多的渗氮介质是氨气。2NH3→3H2+2[N]NH3560℃分解活性[N]表面形成固溶体或氮化物达到一定渗层0.40~0.60mm40~70h气体氮化的工艺特点：温度低：500～600℃〔常用510～570℃〕，远低于渗碳温度。由于氮在铁素体中有一定的溶解能力，无需加热到高温。为了不改变调质后的心部强度与硬度，渗氮温度要比调质处理的回火温度低40～70℃。时间长：20～70h，氮化层厚度为0.4～0.6mm。工艺温度/℃时间/h渗层厚度/mm渗层硬度渗后处理变形量适用材料渗碳920～950，高3～9，较短0.5～2.5，较厚58～62HRC，较软淬火+低温回火大低碳及低碳合金钢渗氮500～600，低20～70，较长0.4～0.6，较薄950～1000HV，较硬不需要小中碳合金钢渗碳与渗氮的比较交流讨论模块九热处理的质量控制

加热温度不够，保温时间不足：

导致奥氏体化不充分、第二相溶解不充分、缺陷组织（偏析、铁素体或魏氏组织、网状碳化物）不能消除、淬火不足等。一、欠热、加热不足

过热：钢加热时由于加热温度过高或加热时间过长引起奥氏体晶粒粗大的现象。

过烧：加热时，由于加热温度过高，造成晶界