机械工程材料-第6章

6.1概述热处理是改变金属材料组织和性能的一种非常重要的工艺方法。通过加热、保温和冷却来实现钢的热处理，是提高其性能的重要途径。在机械制造工业中，大部分重要机器零件在其加工制造过程中都要进行热处理。据初步统计，在机床制造中，60%~70%的零件要经过热处理，在汽车制造中，需要热处理的零件多达70%~80%，而工模具及轴承等零件则100%需要热处理。钢的热处理是对钢进行加热、保温和冷却处理，以改变其结构和组织，从而获得所需要的加工性能和使用性能的一种综合的热加工工艺过程。它包括三个环节，即加热、保温和冷却，可用温度-时间的关系曲线来表示，这条曲线称为热处理工艺曲线，如图6-1所示。上一页下一页返回6.1概述在热处理工艺过程中，加热温度和冷却速度是最重要的两个工艺参数和手段，它们对热处理后钢的组织和性能起着关键性的作用。根据热处理时加热温度和冷却方法等的不同，常用的热处理方法大致分类如图6-2所示。除了钢以外，其他一些金属材料，只要在对其进行加热、保温和冷却时，材料内部能发生结构和组织等方面的变化，也能进行热处理，如铝、铜、镁和钦等金属及其合金等。因为只有发生结构和组织的变化，才能引起金属材料性能的变化，否则对金属材料进行热处理将毫无意义。对金属材料进行热处理的目的是提高和改善它们的性能。热处理可使金属材料更充分地发挥其性能潜力，同时也扩大了其应用范围。上一页返回6.2钢在加热时的转变热处理的第一个环节就是把钢材加热，使其转变为奥氏体(即奥氏体化)。第一步质量的好坏，直接影响到热处理后钢材的工艺性能和使用性能。6.2.1钢的相变和相变临界点由Fe-Fe3C相图可知，共析钢在加热或冷却过程中经过PSK线(A1)时，发生珠光体与奥氏体的相互转变;亚共析钢经过GS线(A3)时，发生先共析铁素体完全溶入奥氏体或先共析铁素体开始从奥氏体中析出的转变;过共析钢经过ES线(Acm)时，发生先共析渗碳体完全溶入奥氏体或先共析渗碳体开始从奥氏体中析出的转变。这种金属或合金的结构随温度变化而变化的现象称为相变。相变所在的温度称为相变临界点，常用A表示。下一页返回6.2钢在加热时的转变Fe-Fe3C相图表示铁碳合金在接近平衡条件时相与成分和温度间的关系，图中的A1,A3和Acm是平衡条件下的相变临界点，即钢在非常缓慢地加热或冷却的条件下发生组织转变的温度。然而，实际生产中不可能以非常缓慢的速度加热和冷却，其相变是在非平衡的条件下进行的，研究发现，这种非平衡的组织转变有滞后现象。实际相变温度与平衡相变温度之差称为过热度(加热时)或过冷度(冷却时)。过热度或过冷度随加热或冷却速度的增大而增大。为了将实际相变温度与平衡相变温度相区别，通常用Ac1,Ac3和Accm表示钢在实际加热条件下的相变温度(临界点)，而用Ar1,Ar3、Arcm表示在实际冷却条件下的相变温度(临界点)，如图6-3所示。上一页下一页返回6.2钢在加热时的转变钢的相变和相变临界点是对钢进行热处理的重要依据，没有它们，钢的热处理将无法进行。因此，Fe-Fe3C相图、相变和相变临界点在理论和实践上都具有非常重要的意义。6.2.2奥氏体的形成1.共析钢奥氏体的形成当钢由室温加热到Ac1以上的温度时，珠光体将转变为奥氏体。即上一页下一页返回6.2钢在加热时的转变可见，这一转变是由化学成分、晶体结构都不相同的两相组织，转变为另一成分和晶体结构的单相固溶体。研究表明，由于新形成的奥氏体与原来的铁素体以及渗碳体的含碳量及晶体结构相差很大，因而奥氏体的形成过程是一个渗碳体溶解、铁素体到奥氏体的点阵重构以及碳在奥氏体中扩散的过程。奥氏体的形成符合一般的规律，即通过形核、长大来完成的。整个奥氏体的形成过程分为四个阶段，即晶核形成、晶核长大、残余渗碳体的溶解和奥氏体成分的均匀化。(1)奥氏体晶核的形成上一页下一页返回6.2钢在加热时的转变珠光体是由铁素体和渗碳体两相层片交替组成的，在铁素体和渗碳体两相交界处，原子排列处于过渡状态，能量较高，碳浓度的差别也比较大，有利于形成奥氏体时碳原子的扩散。此外，界面原子排列不规则，也有利于铁原子的扩散，导致晶格的改组重建，这样，为奥氏体晶核的形成提供了能量、浓度和结构条件。因此，奥氏体优先在铁素体和渗碳体的界面处形核。

(2)奥氏体晶核长大刚形成的奥氏体晶粒内部的碳浓度是不均匀的，与渗碳体相接的界面上的碳浓度大于与铁素体相接的界面上的浓度。由于存在碳的浓度梯度，碳不断从渗碳体界面通过奥氏体晶核向低浓度的铁素体界面扩散，这样就破坏了原来铁素体和渗碳体界面的碳浓度关系。上一页下一页返回6.2钢在加热时的转变为维持原界面的碳浓度关系，铁素体通过铁原子的扩散(短程)，使晶格不断改组为奥氏体，而渗碳体则通过碳的扩散，不断溶入奥氏体，结果奥氏体晶粒不断向铁素体和渗碳体两侧长大，直至铁素体全部转变为奥氏体为止。(3)残余渗碳体的溶解由于渗碳体在晶格结构和含碳量方面与奥氏体的差别远大于铁素体与奥氏体的差别，所以，铁素体优先转变为奥氏体后，还有一部分渗碳体残留下来，被奥氏体包围，这部分残余的渗碳体在保温过程中，通过碳的扩散继续溶于奥氏体，直至全部溶解。(4)奥氏体成分的均匀化上一页下一页返回6.2钢在加热时的转变渗碳体刚溶解完时，奥氏体中原先属于渗碳体的部位含碳量较高，属于铁素体的部位含碳量较低，随着保温时间的延长，通过碳原子的扩散，奥氏体的含碳量逐渐趋于均匀。整个共析钢的奥氏体形成过程如图6-4所示。2.亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是存在先共析相。其奥氏体的形成过程是，先完成珠光体向奥氏体的转变，然后再进行先共析相的溶解。其中，珠光体向奥氏体的转变过程同共析钢相同，也是经过前面的四个阶段。上一页下一页返回6.2钢在加热时的转变6.2.3奥氏体晶粒大小及其影响因素奥氏体形成后，如果继续加热或保温，已形成的奥氏体晶粒将继续长大。奥氏体晶粒的大小对后续的冷却转变以及转变产物的性能有重要的影响。如奥氏体晶粒细，后续冷却转变产物的晶粒就细(图6-5)，后续冷却转变产物强度高，韧性好。否则，后续冷却转变产物的晶粒粗，强度、塑性差，特别是冲击韧性显著降低。一般希望在加热时得到细小的奥氏体晶粒，以获得良好的综合机械性能。1.奥氏体的晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的一种指标。奥氏体的晶粒度有三种不同的概念。上一页下一页返回6.2钢在加热时的转变①起始晶粒度:是指在临界温度以上，奥氏体刚刚形成，其晶粒边界刚刚接触时的晶粒大小。②实际晶粒度:是指在某一具体的热处理加热条件下得到的奥氏体晶粒大小。③本质晶粒度:是指根据标准试验方法，将钢加热到(930±10)℃，保温3~8h，冷却后得到的奥氏体晶粒大小。晶粒度的级别与晶粒大小的关系:可见，晶粒度的级别越高，规定面积上晶粒的数目越多，晶粒越细。按有关部门规定的标准，将奥氏体的晶粒度分为8级。如图6-6所示，一般认为1~3级为粗晶粒，4~6级为中等晶粒，7~8级为细晶粒。上一页下一页返回6.2钢在加热时的转变具体测定晶粒度的方法:制成金相试样，放在100倍的金相显微镜下与标准晶粒度等级图进行比较，晶粒大小与哪一级的一样大就是哪一级。实际生产中，不同牌号的钢，其奥氏体晶粒的长大倾向是不同的。有些钢的奥氏体晶粒不容易长大，只有加热到更高温度时才开始迅速长大;而有些钢的奥氏体晶粒会随着加热温度升高迅速长大，如图6-7所示。一般称前者(曲线1)为本质细晶粒钢，后者(曲线2)为本质粗晶粒钢。本质细晶粒钢的本质晶粒度在5~8级，本质粗晶粒钢的本质晶粒度在1-4级。显然，本质晶粒度只表示钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向的大小，并不代表钢在加热时的奥氏体实际晶粒的大小。由图6-7可见，本质粗晶粒钢在较低的加热温度下可获得细晶粒，而本质细晶粒钢，若在很高的加热温度下也会得到粗晶粒。上一页下一页返回6.2钢在加热时的转变通常，用铝脱氧的钢或含有Nb,Ti,V等元素的钢都是本质细晶粒钢，这是由于Al,Nb,Ti,V等元素易形成AlN,Al2O3,NbC,TiC,VC等不易溶解的小粒子，分布于奥氏体晶界上，阻碍奥氏体晶粒的长大。但是，当加热温度很高时，这些化合物会聚集长大或者溶解消失，从而失去阻碍晶界迁移的作用，奥氏体晶粒便会突然长大。而用硅、锰脱氧的钢为本质粗晶粒钢，由于其晶界上不存在细小化合物粒子，奥氏体晶粒长大不受阻碍，故随着温度升高，晶粒逐渐长大。钢的本质晶粒度在热处理中具有重要意义。在设计时，凡是需经热处理或焊接的零件一般尽量选用本质细晶粒钢，可以减小过热倾向。2.影响奥氏体晶粒大小的因素(1)加热温度和保温时间上一页下一页返回6.2钢在加热时的转变在保温时间足够长时，加热温度越高，奥氏体晶粒越容易自发长大粗化。当加热温度确定时，加热速度越快，相变时过热度越大，相变驱动力也越大，形核率提高，晶粒越细。所以，快速加热、短时保温是实际生产中细化晶粒的手段之一。对同一种钢而言，当奥氏体晶粒细小时，冷却后的组织也细小，其强度较高，塑性、韧性较好;当奥氏体晶粒粗大时，在同样冷却条件下，冷却后的组织也粗大。粗大的晶粒会导致钢的机械性能下降，甚至在淬火时形成裂纹。所以，重要的工件，如高速切削刀具等，淬火时都要对奥氏体晶粒度进行金相评级，以保证淬火后有足够的强度和韧性。可见，加热时如何获得细小的奥氏体晶粒是保证热处理质量的关键问题之一。上一页下一页返回6.2钢在加热时的转变

(2)钢的化学成分当钢中的碳以固溶态存在时，碳越多，越容易引起晶粒粗化，当钢中的碳以碳化物形式存在时，有阻碍晶粒长大的作用。对于钢中的合金元素，碳化物形成元素能阻碍晶粒长大，非碳化物形成元素有的阻碍晶粒长大或对晶粒大小影响不大;有的促进晶粒长大，如P,Mn等。实际生产中，因加热温度不当，导致奥氏体晶粒长大、粗化的现象叫过热。过热将使钢的性能恶化，因此，控制奥氏体晶粒大小，是热处理和热加工制订加热温度时必须考虑的重要问题。由于热处理的最终目的不同，加热的目的也有所不同。加热主要是为了获得晶粒细小、成分均匀的奥氏体或部分奥氏体。上一页下一页返回6.2钢在加热时的转变热处理的第二个环节是保温，保温的作用是使被处理的工件温度均匀、成分均匀。同一炉的工件或同一工件的表面和心部在刚加热到温时，可能会温度不均，此外，刚形成的奥氏体的不同部位也会有成分不均匀的现象，所以，加热后需要保温。但保温时间不能长，否则会引起奥氏体晶粒粗大，导致热处理后钢的性能变差。上一页返回6.3钢的冷却转变钢的冷却转变实质上是过冷奥氏体的冷却转变。6.3.1相变温度对转变速度的影响相变温度对转变速度的影响实质上是相变温度对相变驱动力(自由能差△G)和原子扩散系数D的影响的综合。对于加热转变，温度升高，相变驱动力△G增大，原子扩散速度也加快。二者对转变速度的影响是一致的，均促进转变，即温度越高，转变速度越快。对于冷却转变，温度降低，相变驱动力△G增大，转变速度加快，但原子扩散速度减慢，转变速度减慢。反之，温度升高，相变驱动力△G减小，转变速度减慢，但原子扩散速度加快，转变速度加快。下一页返回6.3钢的冷却转变这二者对转变速度的影响是不一致的，转变速度的大小是二者综合作用的结果。对于冷却转变，相变驱动力和原子扩散速度综合作用的结果如图6-8所示。①当温度比较高时，原子扩散容易，控制相变速度的是相变驱动力，随着温度降低，相变驱动力增大，导致转变速度加快。②当温度比较低时，原子扩散比较困难，控制相变速度的是扩散因素，随着温度升高，扩散速度加快导致转变速度加快。③当温度极低时，相变驱动力相当大，但铁、碳原子的长距离扩散已不可能，这时扩散转变停止，发生非扩散型相变，即马氏体转变。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变以上说明，过冷奥氏体在A，以下不同的温度区间转变时，转变方式不同，转变速度不同，车4变产物也不同。6.3.2过冷奥氏体等温转变曲线钢在进行热处理时最关键的工序是冷却，冷却的方式和速度决定着钢的结构、组织和性能。钢的热处理冷却方式主要有两种:一种是等温冷却，即将加热后的奥氏体化的钢迅速冷却到临界点以下的一定温度进行保温，使其在该温度下恒温转变，转变结束后再在空气中冷却到室温;另一种是连续冷却，即将加热后的奥氏体化的钢，以一定的速度连续冷却，使其在临界点以下变温连续转变，这种转变称为连续冷却转变，如图6-9所示。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变1.过冷奥氏体等温转变曲线的建立过冷奥氏体等温转变曲线就是在等温冷却转变的情况下，转变温度、转变时间和转变产物之间的关系曲线。C曲线是由实验方法测得的，以共析钢为例，其测定过程如下:①将相同尺寸的(Φ10mmX1.5mm)共析钢试样加热，奥氏体化后保温约15mm。②分别淬入A1以下某一温度(700℃，650℃，600℃，550℃，…)的盐浴炉中进行等温(每一温度下有一组样品)，等温的同时记录等温时间(等温时间可以从几秒到几天)，再将每一温度下的一组试样等温不同的时间后从盐浴炉中取出，迅速淬入水中。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变③对淬火样品进行金相显微观察，根据转变产物的颜色和硬度的不同(转变产物为暗黑色，未转变的奥氏体冷却后为白亮色)，将金相法和硬度法配合起来分析，便可找出各温度下转变开始和终了时间。将这些时间点描绘在温度一时间坐标图上，并把所有的开始点或终了点连接起来，便得到由转变开始线和转变终了线构成的共析钢等温转变的C曲线，如图6-10所示。

2.共析钢C曲线分析①由过冷奥氏体转变开始点连接起来的线称为转变开始线;由过冷奥氏体转变终了点连接起来的线称为转变终了线。②过冷奥氏体在各个温度下等温转变时，都要经过一段孕育期。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变孕育期是指金属及合金在一定过冷度条件下等温转变时，等温停留开始至相转变开始的时间，以转变开始线与纵坐标之间的水平距离表示。过冷奥氏体越稳定，孕育期越长，反之则越短。共析钢在550℃,即C曲线的鼻尖处，过冷奥氏体稳定性最小，孕育期最短。③在C曲线下部的Ms水平线，表示钢在奥氏体化后以大于或等于马氏体临界冷却速度淬火冷却时，奥氏体开始向马氏体转变的温度(共析钢约为230℃)，称为钢的上马氏体点或马氏体转变开始点。其下面还有一条M冰平线，表示过冷奥氏体停止向马氏体转变的温度，称为钢的下马氏体点或马氏体转变终了点，一般在室温以下。Ms与Mf线之间为马氏体与过冷奥氏体共存区。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变3.亚共析钢和过共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线亚共析钢和过共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线与共析钢的C曲线相似，但由于在奥氏体向珠光体转变前，有先共析铁素体或二次渗碳体析出，所以与共析钢的C曲线相比，亚共析钢的C曲线的左上部多出一条先共析铁素体析出线(图6-11(a))，过共析钢多一条二次渗碳体的析出线(图6-11(b))。此外，随着等温温度的下降，先析出的铁素体或二次渗碳体越来越少，甚至最终组织全部为珠光体。这种非共析成分获得的共析体称为伪共析体。4.影响C曲线的因素①含碳量。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变②合金元素。③加热温度和保温时间。6.3.3过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能过冷奥氏体在不同的温度下会发生三种不同类型的转变:A1~550℃之间为珠光体转变;550℃~Ms之间为贝氏体转变;Ms~Mf之间为马氏体转变。1.珠光体转变将奥氏体过冷到A1~550℃度范围内发生珠光体转变，转变产物为珠光体类型组织，即铁素体和渗碳体的机械混合物，且转变温度不同，转变产物的组织形态和性能也不同。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变

(1)珠光体的转变过程珠光体的形成过程是一个形核和长大的过程，如图6-12所示。当奥氏体过冷到A温度时，由于能量、成分、结构的起伏，在奥氏体晶界处形成薄片状的渗碳体核心，渗碳体的含碳量为6.69%，它必须依靠其周围的奥氏体不断地供应碳原子向奥氏体晶内长大，与此同时，渗碳体周围的奥氏体的含碳量不断降低，为铁素体的形核创造了有利条件，铁素体晶核便在渗碳体两侧形成，这样就形成了一个珠光体晶核。由于铁素体的溶碳量很低，约为0.0218%，在其长大过程中，将过剩的碳排出来，使相邻奥氏体中的含碳量增高，这又为产生新的渗碳体片创造了条件。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变随着渗碳体片的不断长大，又产生新的铁素体片。如此反复进行，一个珠光体晶核就长大为一个珠光体领域。当一个珠光体晶核向奥氏体晶粒内部长大时，同时又有新的珠光体晶核形成并长大，每个晶核都长大成一个珠光体领域，直到各个珠光体领域彼此相碰，这时奥氏体完全消失，转变完成。在这一转变过程中，既有碳原子的扩散，又有铁原子的扩散。(2)珠光体的组织与性能特征珠光体片层的粗细与等温转变温度密切相关。在A1~650℃:温度范围内，形成片层较粗(400~150nm)的珠光体，通常所说的珠光体就指这一类，用P表示，其片层形貌在500倍光学显微镜下就能分辨出来。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变在650℃~600℃:温度范围内，形成片层较细(150~80nm)的珠光体，称为索氏体(Sorbite)，用s表示，在800~1000倍的光学显微镜下才能分辨清楚。在600℃~550℃:温度范围内，形成片层极细(80~30nm)的珠光体，称为屈氏体(Troostite)，用T表示。它只有在电子显微镜下才能观察清楚。珠光体、索氏体和屈氏体之间并无本质的区别，只是形成温度不同，造成形态上片间距的大小不同(图6-13)。温度越低，珠光体的片层越细，片间距也就越小。珠光体类型组织的片间距对其性能有很大的影响。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变片间距越小，其强度和硬度就越高，珠光体、索氏体和屈氏体的硬度依次为5~20HRC,20~30HRC和30~40HRC，同时，塑性和韧性也依次有所增加。这是因为，珠光体的基体相是铁素体，很软，易变形，而渗碳体片和铁素体片的相界面阻碍铁素体变形，从而提高了强度和硬度。珠光体片间距越小，相界面积越大，强化作用越大，故强度和硬度升高。同时，由于此时渗碳体片较薄，易随铁素体一起变形而不脆断，因此，细片状珠光体又具有较好的塑性和韧性。这也是冷拔钢丝要求具有索氏体组织，容易变形但又不致因拉拔而断裂的原因。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变应当指出，珠光体类型组织不是在任何条件下都是层片状的，如共析钢和过共析钢可通过球化退火等热处理工艺使渗碳体呈细小的球状分布在铁素体的基体上，得到粒状珠光体或球状珠光体(图6-14)。

2.贝氏体转变过冷奥氏体在550℃~230℃(Ms点)温度范围内发生贝氏体转变，转变产物叫贝氏体(Bainite)，用B表示。贝氏体是由过饱和的铁素体和渗碳体组成的混合物。与珠光体转变不同，由于贝氏体转变温度低，在贝氏体转变过程中只有碳原子的扩散，没有铁原子的扩散。且转变温度不同，贝氏体的形态和性能也不同，对于共析钢，在550℃~350℃间，转变产物为羽毛状的上贝氏体(B上)，在350℃~230℃间，转变产物为针状的下贝氏体(B下)。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变(1)贝氏体的转变过程上贝氏体的形成:奥氏体转变为贝氏体时，先沿奥氏体晶界析出过饱和的铁素体，由于碳处于过饱和状态，有从铁素体中脱溶向奥氏体方向扩散的倾向。随着密排的铁素体条伸长、变宽，生长着的铁素体中的碳原子不断地通过界面排出，进入其周围的奥氏体中，导致条间的奥氏体中碳原子不断富集，当其浓度足够高时，便在条间沿条的长轴方向析出碳化物，形成上贝氏体组织(图6-15)。下贝氏体的形成:由于下贝氏体在较大的过冷度下形成，碳原子的扩散能力降低，尽管初生的下贝氏体中的铁素体固溶有较多的碳原子，上一页下一页返回6.3钢的冷却转变但碳原子的迁移都没能越过铁素体片的范围，只在片内沿一定晶面偏聚，并沿与片的长轴呈55°~65°夹角的方向沉淀出碳化物粒子，进而形成下贝氏体组织(图6-16)。

(2)贝氏体的组织形态与性能上贝氏体在显微镜下呈羽毛状，它是由许多互相平行的过饱和铁素体片和分布在片间的断续细小的渗碳体组成的混合物(图6-17)。上贝氏体硬度较高，可达40~50HRC，但由于其铁素体片较粗，塑性和韧性较差，在生产中应用较少。下贝氏体在光学显微镜下呈黑色针叶状，在电镜下观察，是由针叶状的铁素体和分布在其上的极细小的渗碳体粒子组成(图6-18)。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变下贝氏体中的铁素体也是一种过饱和的铁素体，且碳的过饱和度大于上贝氏体的。其硬度更大，可达50~60HRC。因其铁素体针叶较细，故其塑性和韧性较好。由于下贝氏体具有高强度、高硬度、高塑性、高韧性的特性，即具有良好的综合机械性能，故生产中有时对中碳合金钢和高碳合金钢采用等温淬火方法获得下贝氏体，以提高钢的强度、硬度、塑性和韧性。3.马氏体转变当奥氏体快速冷却到MS以下时，就开始发生马氏体转变。由于马氏体转变温度极低，过冷度很大，而且形成的速度极快，故奥氏体向马氏体的转变只发生γ-Fe→α-Fe的晶格改组，而没有铁、碳原子的扩散。所以，马氏体的含碳量就是转变前奥氏体的含碳量。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变(1)马氏体的晶体结构如图6-19所示，在马氏体中，由于过饱和的碳强制地分布在晶胞的某一晶轴(如c轴)的间隙处，故Z轴方向的晶格常数c上升，X,Y轴方向的晶格常数a下降，α-Fe的体心立方晶格变为体心正方晶格。晶格常数c/a的值称为马氏体的正方度，其值大于1。马氏体的含碳量越高，c/a的数值就越大。(2)马氏体的组织形态马氏体的组织形态主要有两种类型，即板条状马氏体(图6-20)和针状马氏体(图6-21)。淬火钢中究竟形成何种形态的马氏体，主要与钢的含碳量有关。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变板条马氏体是低碳钢、马氏体时效钢、不锈钢等铁系合金形成的一种典型的马氏体组织;针状马氏体则常见于中、高碳钢中。一般当含碳量小于0.25%时，钢中的马氏体几乎全为板条马氏体;含碳量大于1.0%时，则几乎全部为针状马氏体;含碳量为0.25%~1.0%时，为板条马氏体和针状马氏体的混合组织。随着含碳量的升高，淬火钢中板条马氏体的量减少，针状马氏体的量增加。(3)马氏体的性能马氏体的性能取决于马氏体的含碳量与组织形态。①强度与硬度。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变主要取决于马氏体的含碳量。随着马氏体的含碳量的增大，强度与硬度随之增大，特别是在含碳量较低时，这种作用较明显，但当含碳量大于0.6%时，这种作用则不明显，曲线趋于平缓，如图6-22所示。②塑性与韧性。马氏体的塑性与韧性同样受含碳量的影响，随着马氏体的含碳量的增大，塑性与韧性急剧下降。由于高碳马氏体中碳的过饱和度大，马氏体的正方度大，晶格畸变严重，残余应力大，且其亚结构主要是孪晶，故高碳马氏体的塑性和韧性差;低碳马氏体中碳的过饱和度小，晶格畸变轻微，残余应力小，且低碳马氏体内的亚结构主要是位错，故低碳马氏体有好的韧性和塑性。

(4)马氏体转变的特点上一页下一页返回6.3钢的冷却转变马氏体转变也是形核和长大的过程，但有下列特点:①转变的非扩散性。②转变的速度极快。③转变的非等温性。

Ms与Mf的位置主要取决于奥氏体的成分。奥氏体的含碳量越高，Ms与Mf越低，奥氏体的含碳量对Ms与Mf的影响如图6-23所示。④转变的不彻底性。当奥氏体含碳量大于0.5%时，Mf已低于室温，所以淬火到此温度时，必然有一部分奥氏体残留下来，称为残余奥氏体(A‘)。随着奥氏体含碳量的上升，Ms与Mf下降，残余奥氏体的量增大，如图6-24所示。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变一般中、低碳钢淬火到室温后，仍有1%~2%的残余奥氏体;而高碳钢淬火到室温后，仍有10%~15%的残余奥氏体。残余奥氏体不仅降低了淬火钢的硬度和耐磨性，而且在工件的长期使用过程中残余奥氏体还会发生转变，使工件形状、尺寸发生变化，降低工件尺寸的精度。所以，在生产中，为保证某些高精度的工件如精密量具、精密丝杆、精密轴承等在使用期间的精度，可将淬火工件冷至室温后，放到0℃以下的介质中冷却，以最大限度地消除残余奥氏体，达到提高硬度、耐磨性与尺寸稳定性的目的，这种处理称为冷处理。冷处理适用于对硬度、耐磨性及精度要求高的零件、模具和量具的处理。获得低温的办法是，以干冰(固态CO2)和酒精的混合物作为冷处理介质，温度可达-70℃。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变高碳高合金钢需选用温度更低的冷却介质，如液化乙烷(-88℃)、液化乙烯(-103℃)和液态氮(-192℃)。6.3.4过冷奥氏体连续冷却转变曲线过冷奥氏体连续冷却转变，是指钢在奥氏体化后，在不同冷却速度下的连续冷却过程中，过冷奥氏体发生的相转变。实际生产中，过冷奥氏体大多是在连续冷却中转变的，因此，研究过冷奥氏体连续冷却时的转变规律具有重要的意义。过冷奥氏体连续冷却转变曲线，是指钢在奥氏体化后，在不同冷却速度的连续冷却过程中，过冷奥氏体的转变产物、转变开始及转变终了时间与转变温度的关系曲线，又称CCT(Continuous-CoolingTransformation)曲线。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变将一组试样奥氏体化后，以不同的冷却速度连续冷却，测出奥氏体转变开始点与终了点的温度和时间，并标在温度一时间坐标图上，分别连接所有转变开始点和终了点，便得到过冷奥氏体连续冷却转变曲线。图6-25所示为共析钢的CCT曲线.

1.CCT曲线分析①PS线是珠光体转变开始线，Pf线是珠光体转变终了线，PS与Pf线之间为过冷奥氏体与其转变产物珠光体共存的过渡区。K线是珠光体转变中止线，冷却曲线碰到该线时，过冷奥氏体不再发生珠光体转变，而一直保留到MS线以下，再向马氏体组织转变。②与过冷奥氏体连续冷却转变曲线开始线PS相切的冷却速度，上一页下一页返回6.3钢的冷却转变是保证过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解，全部过冷到马氏体转变区的最小冷却速度，称为淬火临界冷却速度，用vk表示。③K′点是Pf线与K线的交点，v′k是通过K′点的冷却速度。④当冷却速度在vk与v′k之间时，得到混合组织。⑤奥氏体连续冷却时的转变产物及性能取决于冷却速度。冷却速度越大，则转变时的过冷度越大，转变温度越低，形成的组织越细，组织的不平衡程度也越大，强度、硬度也越高。2.CCT曲线和C曲线的比较①共析钢的CCT曲线在其C曲线右下方，这表明过冷奥氏体连续冷却的转变产物与等温冷却的转变产物基本相同，但连续转变的开始和终了的温度要低些，孕育期也较长。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变②CCT曲线只有c曲线的上半部分，而无下半部分，表明共析钢连续冷却时，只有珠光体、马氏体转变，而不发生贝氏体转变。③在连续冷却过程中，过冷奥氏体的转变是在一个温度区间内进行的，随着冷却速度的增大，转变温度区间逐渐移向低温，而转变时间则缩短。④因为过冷奥氏体的连续冷却转变是在一个温度区间内进行的，在同一冷却速度下，因转变开始温度高于转变终了温度，故先转变的组织晶粒粗，后转变的组织晶粒细，而且可能先后经过几个转变温度区，先后产生几种不同的组织，获得几种组织的混合产物。如在图6-25中，冷却速度为v3时，转变产物是屈氏体、马氏体和残余奥氏体的混合物。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变

3.亚共析钢与过共析钢的CCT曲线过共析钢的CCT曲线与共析钢的相比，除了多一条先共析的渗碳体析出线外，其他基本相似，即也没有贝氏体转变区。亚共析钢的CCT曲线与共析钢的相比，不大相同，除了多一条先共析的铁素体析出线外，还出现了贝氏体转变区。4.C曲线在连续冷却转变中的应用因为过冷奥氏体的连续冷却转变曲线测定困难，且有些已广泛使用的钢种的CCT曲线至今还未测出，所以，目前生产上常用C曲线代替CCT曲线定性地、近似地分析过冷奥氏体的连续冷却转变，如图6-25所示。上一页下一页返回6.3钢的冷却转变

v1相当于随炉冷却的速度，根据其与C曲线相交的位置，可估计出奥氏体将转变为珠光体;

v2相当于在空气中冷却的速度，根据其与C曲线相交的位置，可估计出奥氏体将转变为索氏体;

v3相当于油冷的速度，根据其与C曲线相交的位置，可估计出有一部分奥氏体将转变为屈氏体;剩余的奥氏体冷却到MS线以下开始转变为马氏体，最终得到屈氏体、马氏体和残余奥氏体;v4相当于水冷的速度，其不与C曲线相交，一直过冷到M、线以下开始转变为马氏体。用C曲线来估计连续冷却过程是很粗略的、不精确的，随着实验技术的发展，将有更多的CCT曲线被测得并用于连续冷却过程。上一页返回6.4钢的普通热处理6.4.1钢的退火与正火实际生产中，各种工件在制造过程中有不同的工艺路线，如:铸造(或锻造)→退火(或正火)→切削加工→成品，或者铸造(或锻造)→退火(或正火)→粗加工→淬火+回火→精加工→成品。可见，退火与正火是应用非常广泛的热处理。为什么将其安排在铸造或锻造之后，切削加工之前呢?原因如下:①在铸造或锻造之后，工件中不但残留铸造或锻造应力，而且往往存在着成分和组织上的不均匀性，因而机械性能较低，还会导致其在淬火时的变形和开裂。经过退火或正火后，便可得到细小而均匀的组织，消除应力，改善工件的机械性能，并为随后的淬火做准备。下一页返回6.4钢的普通热处理②铸造或锻造后，工件硬度经常偏高或偏低，严重影响切削加工。经过退火与正火后，钢的组织接近于平衡组织，其硬度适中，有利于下一步的切削加工。③当工件的性能要求不高时，如铸件、锻件或焊接件等，退火或正火常作为最终热处理。

1.钢的退火退火是将工件加热到临界点以上或临界点以下某一温度，保温一定时间后，以十分缓慢的冷却速度(炉冷、坑冷、灰冷)进行冷却的一种操作。根据钢的成分、组织状态和退火目的不同，退火工艺可分为:完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、再结晶退火、扩散退火等。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理(1)完全退火和等温退火用于亚共析成分的碳钢和合金钢的铸件、锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构。目的:消除应力，细化晶粒，均匀组织，降低硬度，改善切削加工性能。退火后的组织一般是F+P。完全退火工艺:将工件加热到Ac3以上30℃~50℃，保温一定时间后，随炉缓慢冷却到500℃以下，然后在空气中冷却。这种工艺过程比较费时间，为克服这一缺点，产生了等温退火工艺。等温退火工艺:将工件加热到Ac3以上30℃~50℃，保温一定时间后，先以较快的速度冷却到珠光体的形成温度等温，待等温转变结束后再在空气中冷却。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理等温退火的目的与完全退火相同，但可大大缩短退火时间，如图6-26所示。(2)球化退火(不完全退火)主要用于共析或过共析成分的碳钢及合金钢，如刀具、量具、模具等。目的:使网状二次渗碳体和珠光体中的片状渗碳体变为球状，以降低硬度，改善切削加工性能，并为以后淬火进行组织准备。球化退火后的组织是由铁素体和球状渗碳体组成的球状珠光体(图6-14)。球化退火工艺:将工件加热到Ac1以上20℃~30℃，保温一定时间后随炉缓慢冷却至500℃后出炉空冷。同样，为缩短退火时间，生产上常采用等温球化退火，其加热工艺与普通球化退火的相同，只是冷却方法不同。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理等温的温度和时间要根据硬度要求，利用C曲线确定。等温球化退火可缩短退火时间，提高生产效率。(3)去应力退火(低温退火)主要用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件(或冷拔件)及机加工后零件的残余内应力。这些应力若不消除，会导致零件在随后的切削加工或使用中发生变形与开裂，降低机器的精度，甚至会发生事故。去应力退火工艺:将工件随炉缓慢加热(100℃/h~150℃/h)至500℃~650℃(低于A,点温度)，保温一段时间后随炉缓慢冷却(50℃/h~100℃/h)至200℃，出炉空冷。在去应力退火过程中，工件内部不发生组织转变，应力消除是在加热、保温和缓冷过程中完成的。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理(4)再结晶退火再结晶退火是将钢加热至再结晶温度以上100℃~200℃，一般采用650℃~700℃,适当保温后缓慢冷却的一种操作工艺。主要用于冷拔、冷拉和冷冲压等冷变形工件，使冷变形被拉长、破碎的晶粒重新形核、长大，成为均匀的等轴晶粒，从而消除变形强化状态和残余应力，为下道工序做准备，属于中间退火。再结晶退火过程中没有晶格结构的变化，但有组织的变化。

(5)扩散退火(均匀化退火)扩散退火是将钢加热至其熔点以下100℃~200℃，保温时间一般为10~15h，使晶内偏析通过充分扩散达到均匀化，以提高性能。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理一般碳钢的加热温度为1100℃~1200℃，合金钢为1200℃~1300℃。扩散退火主要用于重要的合金钢锻铸件，消除化学成分偏析和组织的不均匀性。由于扩散退火加热温度高，保温时间长，故钢的晶粒粗大，可用完全退火或正火来细化晶粒，以提高和改善钢的性能。扩散退火成本高，一般很少采用。

2.钢的正火正火是将工件加热到Ac3或Accm以上30℃~50℃，经适当保温后在空气中冷却的一种操作。与退火的区别是，冷却速度快，组织细，强度和硬度有所提高。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理当钢件尺寸较小时，正火后组织是索氏体，而退火后组织是珠光体。钢的退火与正火工艺规范如图6-27所示。正火的目的:①作为普通结构件的最终热处理，正火可使粗大晶粒细化、组织均匀。②作为重要零件的预先热处理，可以消除应力，细化晶粒，均匀组织，改善切削加工性能。③对于过共析钢、轴承钢和工具钢等，用正火消除网状Fe3CⅡ

，有利于球化退火，同时细化晶粒，并为淬火做组织准备。3.退火和正火的选择上一页下一页返回6.4钢的普通热处理从前面的学习可知，退火与正火在某种程度上有相似之处，在实际生产中又可替代，那么，在设计时，根据什么原则进行选择呢?从以下三方面予以考虑:

(1)从切削加工性方面考虑切削加工性又包括硬度、切削脆性、表面粗糙度及对刀具的磨损等。如果金属的硬度在170~230HB范围内，切削性能较好;若硬度高于230HB，则过硬，难以加工，且刀具磨损快;若硬度过低，则切屑不易断，造成刀具发热和磨损，加工后的零件表面粗糙度很大。可见，对于低、中碳结构钢，以正火作为预先热处理比较合适，高碳结构钢和工具钢则以退火为宜。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理至于合金钢，由于合金元素的加入使钢的硬度有所提高，故中碳以上的合金钢一般都采用退火来改善切削加工性能。图6-28所示为热处理工艺与合适的切削加工硬度范围的关系。碳质量分数在0.5%以下的钢，预备热处理一般采用正火。碳质量分数在0.50%~0.75%的钢，预备热处理一般采用完全退火工艺。碳质量分数在0.75%~1.0%的钢，若用于制作弹簧，则以完全退火作为预备热处理;若用于制造工具，则以球化退火作为预备热处理。碳质量分数大于1.0%的钢，一般都用来制造工具，均采用球化退火作为预备热处理。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理含较多合金元素的钢，过冷奥氏体特别稳定，C曲线右移，在缓慢冷却的条件下就能得到马氏体和贝氏体组织，因而应采用高温回火来消除应力，降低硬度，改善切削加工性能，如低碳高合金钢18Cr2Ni4WA没有珠光体转变，即使在极缓慢的冷却速度下退火，也不可能得到珠光体组织，一般需要用高温回火来降低硬度，以便进行切削加工。

(2)从使用性能方面考虑如工件性能要求不太高，随后不再进行淬火和回火，那么往往用正火来提高其机械性能。但若零件的形状比较复杂，正火的冷却速度有形成裂纹的危险，则应采用退火。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理(3)从经济性方面考虑正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，故在可能的条件下，应优先考虑以正火代替退火。6.4.2钢的淬火1.淬火的目的淬火就是将工件加热到Ac3或Ac1以上30℃~50℃，保温一定时间，然后快速冷却(一般为油冷或水冷)，得到马氏体的一种操作。淬火的目的就是获得马氏体，提高钢的强度和硬度。但淬火必须和回火相配合，否则淬火后得到了高硬度、高强度的钢，但塑性、韧性差，不能得到优良的综合机械性能。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理由于淬火可获得马氏体组织，使钢得到强化，因此，淬火是钢的重要的强化手段，也是挖掘和发挥钢铁材料性能潜力的有效途径。

2.钢的淬火工艺淬火是一种复杂的热处理工艺，也是决定产品质量的关键工序之一，淬火后要得到细小的马氏体组织又不至于产生严重的变形和开裂，就必须根据钢的成分、零件的大小、形状等，结合C曲线合理地确定淬火加热和冷却方法。

(1)淬火加热温度的选择马氏体针叶的大小取决于奥氏体晶粒大小。为了在淬火后得到细小而均匀的马氏体，首先要在淬火加热时得到细小而均匀的奥氏体。因此，加热温度不宜太高，只能在临界点以上30℃~50℃。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理亚共析钢的淬火加热温度为Ac3以上30℃~50℃，因为淬火的目的是提高钢的强度和硬度，得到马氏体组织。若加热温度低于Ac1，则淬火冷却时将得不到马氏体;如果加热到Ac1~Ac3之间，则淬火冷却后有铁素体出现，使钢的强度降低;温度太高，晶粒粗大，钢的性能变脆，因此，淬火温度不能过低，也不能太高。共析钢和过共析钢的淬火加热温度为式，以上30℃~50℃,该温度下共析钢组织为奥氏体，而过共析钢由于在淬火前一般要经过正火和球化退火处理，当加热到Ac1以上30℃~50℃时，钢中有奥氏体和少量的球状渗碳体。淬火后的组织为马氏体和颗粒状渗碳体，可使钢的强度、硬度和耐磨性达到较好的效果。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理如果将过共析钢加热到Accm以上，Fe3CⅡ溶入奥氏体，使其含碳量增加，降低了钢的M、和M「点，结果使钢晶粒粗大的同时又使钢中残余奥氏体量增加。在一般情况下，这都使钢的性能变坏，出现软点和脆性增加的现象，也增加了钢件变形和开裂的倾向。碳钢的淬火加热温度范围如图6-29所示。淬火加热时间是淬火加热的升温和保温所需的时间，工件的加热时间与钢的化学成分、原始组织、工件尺寸和形状、加热介质、装炉方式、炉温等许多因素有关，在生产上有许多计算加热时间的方法，其中较常用的一种方法是，当炉温达到淬火温度时，将工件每毫米厚度的加热时间乘上工件的有效厚度，单位有效厚度的加热时间为:上一页下一页返回6.4钢的普通热处理在箱式炉中:碳钢1~1.3min/mm，合金钢1.5~2min/mm。在盐浴炉中:碳钢0.4~0.5min/mm，合金钢0.51min/mm。(2)淬火冷却介质淬火冷却是决定淬火质量的关键，为了使工件获得马氏体组织，淬火冷却速度必须大于临界冷却速度vk，而快速冷却会产生很大的内应力，容易引起工件的变形和开裂。所以，冷却速度既不能过大也不能过小，理想的冷却速度应如图6-30所示。若要淬火成马氏体，则只有在C曲线鼻尖附近快速冷却，使冷却曲线不与C曲线相交，保证过冷奥氏体不被分解。而在鼻尖上部和下部要缓慢冷却，以减少热应力和组织应力。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理但到目前为止，还没有找到十分理想的淬火冷却介质能满足这一冷却速度的要求。在生产上，常用的冷却介质有水、盐水、碱水、油和熔融盐或碱等。它们的冷却特点等见表6-1和表6-2。①水。在650℃~550℃范围内冷却能力较好，是最常用的冷却介质，但要注意使用温度，水温应介于30℃~40℃之间，否则冷却能力下降。主要用于形状简单、大截面碳钢零件的淬火。②盐水、碱水。5%~10%NaCI或NaOH等水溶液，它们的冷却能力比水的更强，且在300℃~200℃温度范围时，其冷却能力仍很强，同样不利于减少变形，因此，也只能用于形状简单、截面尺寸较大的碳钢工件。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理③油。油是一种应用广泛的冷却介质，主要是各种矿物油。④熔融盐、碱。为了减少零件淬火时的变形和开裂，常用盐浴和碱浴作为淬火冷却介质，它们的使用温度范围一般为150℃~500℃，冷却能力介于油和水之间，其特点是，在高温区有较强的冷却能力，而在接近使用温度时冷却能力迅速下降，有利于减少零件变形和开裂。这种冷却介质适用于形状复杂、尺寸较小和变形要求较严格的零件，经常用于分级淬火和等温淬火等工艺。(3)淬火方法为了使工件淬火成马氏体并防止变形和开裂，单纯依靠淬火介质是不行的，还必须采取正确的淬火方法。最常用的淬火方法有如下四种(图6-31);上一页下一页返回6.4钢的普通热处理1)单液淬火法将加热的工件放入一种淬火介质中一直冷却到室温(图6-31中的曲线1)。这种方法操作简单，容易实现机械化、自动化。如碳钢在水中淬火，合金钢在油中淬火。但其缺点是不满足理想淬火冷却速度的要求，水淬容易产生变形和裂纹，油淬容易产生硬度不足或硬度不均匀等现象。

2)双液淬火法将加热的工件先在快速冷却的介质中冷却到300℃左右，立即转入另一种缓慢冷却的介质中冷却至室温，以降低马氏体转变时的应力，防止变形和开裂(图6-31中的曲线2)。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理如形状复杂的碳钢工件常采用水淬油冷的方法，即先在水中冷却到300℃后，再在油中冷却;而合金钢则采用油淬空冷，即先在油中冷却后，再在空气中冷却。这种方法的关键在于，从一种介质转入另一种介质时要掌握好时间和温度。一般情况下，这种淬火方法通过实验来确定在一种介质中的停留时间，然后通过控制停留时间来实现。这种方法主要用于形状复杂的高碳钢和较大的合金钢等零件。3)分级淬火法将加热的工件先放入温度稍高于MS的硝盐浴或碱浴中，保温2~5min，零件内外的温度均匀后，立即取出，在空气中冷却(图6-31中的曲线3)。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理这种方法可以减小工件内外的温差，减慢马氏体转变时的冷却速度，从而有效地减小内应力，防止产生变形和开裂。但由于硝盐浴或碱浴的冷却能力低，只适用于零件尺寸较小、要求变形小、尺寸精度高的工件，如模具、刀具等。4)等温淬火法将加热的工件放入温度稍高于M、的硝盐浴或碱浴中，保温足够长的时间使其完成贝氏体转变(图6-31中的曲线4)。等温淬火后获得下贝氏体组织。在含碳量相近、硬度相当的情况下，下贝氏体比回火马氏体具有更高的塑性与韧性，适用于尺寸较小、形状复杂、要求变形小、具有高硬度和强韧性的工具、模具等。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理

3.钢的淬透性和淬硬性

(1)钢的淬透性所谓淬透性，是指钢在淬火时获得淬硬层的能力。淬硬层一般规定为工件表面至半马氏体层(马氏体量为50%)之间的区域，其深度叫淬硬层深度。不同的钢在同样的条件下淬硬层深度不同，说明不同的钢的淬透性不同，淬硬层较深的钢，其淬透性较好。淬硬性，是指钢以大于临界冷却速度的速度进行冷却时，获得的马氏体组织所能达到的最高硬度。钢的淬硬性主要取决于马氏体的含碳量，即取决于淬火前奥氏体的含碳量。

(2)影响淬透性的因素上一页下一页返回6.4钢的普通热处理①化学成分。C曲线距纵坐标越远，淬火的临界冷却速度越小，钢的淬透性越好。②奥氏体化温度。温度越高，晶粒越粗，未溶第二相越少，淬透性越好。

(3)淬透性的表示方法及应用钢的淬透性必须在统一的冷却条件下进行测定和比较，其测定方法很多。过去，为了便于比较各种钢的淬透性，常利用临界直径D〔来表示钢获得淬硬层的能力。所谓临界直径，就是指圆柱形钢棒加热后在一定的淬火介质中能全部淬透的最大直径。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理顶端淬火法—国家规定试样尺寸为Φ25mmx100mm;水柱自由高度65mm;此外，应注意在加热过程中防止氧化、脱碳。将钢加热至奥氏体化后，迅速喷水冷却。显然，在喷水端冷却速度最大，冷却速度沿试样轴向逐渐减小。据此，末端组织应为马氏体，硬度最高，随着离水冷端距离的加大，组织和硬度也相应变化，将硬度与距水冷端的距离绘成曲线，称为淬透性曲线。不同钢种有不同的淬透性曲线，工业用钢的淬透性曲线几乎都已测定，并已汇集成册，可查阅参考。由淬透性曲线就可比较出不同钢的淬透性大小。此外，对于同一种钢，因冶炼炉次不同，其化学成分会在一个限定的范围内波动，对淬透性有一定的影响。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理因此，钢的淬透性曲线并不是一条线，而是一条带，即表现为淬透性带。钢的成分波动越小，淬透性带越窄，其性能越稳定，因此，淬透性带越窄越好。(4)淬透性的应用淬透性是设计机械零件时选择材料和制订热处理工艺的重要依据。淬透性不同的钢材，淬火后得到的淬硬层深度不同，故沿截面的组织和机械性能差别很大。图6-32所示为淬透性不同的钢制成直径相同的轴，经调质后机械性能的对比。图6-32(a)所示为全部淬透，整个截面为回火索氏体组织，机械性能沿截面均匀分布;图6-32(b)所示为仅表面淬透，由于心部为层片状组织(索氏体)，冲击韧性较低。由此可见，淬透性低的钢材机械性能较差。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理因此，机械制造中，截面较大或形状较复杂的重要零件，以及应力状态较复杂的螺栓、连杆等零件，要求其截面机械性能均匀，应选用淬透性较好的钢材。受弯曲和扭转力的轴类零件，应力在截面上的分布是不均匀的，其外层受力较大，心部受力较小，可考虑选用淬透性较低、淬硬层较浅的钢材。有些工件(如焊接件)不能选用淬透性高的钢材，否则容易在焊缝热影响区内出现淬火组织，造成焊缝变形和开裂。6.4.3钢的回火钢在淬火后得到的组织一般是马氏体和残余奥氏体，同时有内应力，这些都是不稳定的状态，必须进行回火，否则零件在使用过程中会发生变化。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理淬火后要立即进行回火，只淬火不回火不行，不淬火而只进行回火，也没有实际意义。回火是将淬火钢重新加热到A1点以下的某一温度，保温一定时间后，冷却到室温的一种操作。回火的目的是:①降低脆性，减少或消除内应力，防止工件变形和开裂。②获得工艺要求的机械性能。淬火工件的硬度高且脆性大，通过适当回火可调整硬度，获得所需要的塑性、韧性。③稳定工件尺寸。淬火马氏体和残余奥氏体都是非平衡组织，会自发地向稳定的平衡组织—铁素体和渗碳体转变，从而引起工件的尺寸和形状的改变。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理通过回火，可使淬火马氏体和残余奥氏体转变为较稳定的组织，保证工件在使用过程中不发生尺寸和形状的变化。④对于某些高淬透性的合金钢，在空气中冷却便可淬火成马氏体，如采用退火软化，则周期很长。此时可采用高温回火，使碳化物聚集长大，降低硬度，以利于切削加工，同时可缩短软化周期。1.淬火钢在回火时组织的转变在回火过程中，随着加热温度的提高，淬火钢的原子活动能力增大，其组织相应发生以下四个阶段性的转变。(1)80℃~200℃，发生马氏体的分解上一页下一页返回6.4钢的普通热处理从淬火马氏体中析出薄片状细小的ε碳化物，使马氏体中碳的过饱和度降低，因而马氏体的正方度减小，但仍是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，通常把这种过饱和α+ε碳化物组织称为回火马氏体(M‘)。它由两相组成，易被腐蚀，在显微镜下观察呈黑色针叶状。这一阶段内应力逐渐减小。(2)200℃~300℃发生残余奥氏体分解残余奥氏体分解为过饱和的α+ε碳化物的混合物。这种组织与马氏体分解的组织基本相同，把它归入回火马氏体组织，即回火温度在300℃以下得到的回火组织是回火马氏体。

(3)250℃~400℃，马氏体分解完成上一页下一页返回6.4钢的普通热处理过饱和的α固溶体的含碳量达到饱和状态，实际上就是马氏体转变为铁素体，马氏体的正方度c/a=1，但这时的铁素体仍保持着马氏体的针叶状的外形，ε碳化物这一过渡相也转变为极细的颗粒状的渗碳体。

(4)400℃以上，渗碳体长大和铁素体再结晶回火温度超过400℃时，具有平衡浓度的。相开始回复，500℃以上时发生再结晶，从针叶状转变为多边形的等轴状，在这一回复再结晶的过程中，粒状渗碳体聚集长大成球状，即在500℃以上(500℃~650℃)得到由等轴状铁素体和球状渗碳体组成的回火组织—回火索氏体(S回或S’)。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理可见，碳钢淬火后在回火过程中发生的组织转变主要有:马氏体和残余奥氏体的分解，碳化物的形成、聚集长大以及α固溶体的回复与再结晶等。2.淬火钢在回火时性能的变化在回火过程中，随着组织的变化，钢的机械性能也相应发生变化。总的规律是:随着回火温度的升高，强度、硬度下降，塑性、韧性上升。图6-33为钢的硬度与回火温度的关系。在200℃以下，由于马氏体中大量。碳化物弥散析出，钢的硬度并不下降，对于高碳钢来说，甚至略有升高。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理在200℃~300℃时，由于高碳钢中的残余奥氏体转变为回火马氏体，硬度会再次提高，而对于低、中碳钢，由于残余奥氏体量很少，硬度缓慢下降。300℃以上，由于渗碳体粗化及马氏体转变为铁素体，钢的硬度直线下降。回火得到的回火屈氏体和回火索氏体与由过冷奥氏体直接分解得到的片状屈氏体和索氏体的机械性能有着显著的区别。

3.回火脆性淬火钢的韧性并不总是随着回火温度上升而提高。在某些温度范围内回火时，淬火钢出现冲击韧性显著下降的现象称为回火脆性，如图6-34所示。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理

(1)低温回火脆性淬火钢在250℃~350℃回火时出现的脆性称为低温回火脆性，也称第一类回火脆性。几乎所有淬火后形成马氏体的钢在该温度范围内回火时，都不同程度地产生这种脆性。目前尚无有效办法完全消除这类回火脆性，所以一般不在250℃~350℃范围内进行回火。

(2)高温回火脆性淬火钢在500℃~650℃范围内回火后出现的脆性称为高温回火脆性，又称第二类回火脆性。这类回火脆性主要发生在含Cr,Ni,Si,Mn等合金元素的结构钢中。当淬火钢在上述温度范围内长时间保温或以缓慢的速度冷却时，便发生明显的脆化现象。但快速冷却时，脆化现象消失或受到抑制。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理除快速冷却可以防止高温回火脆性外，向钢中加入W(约1%)Mo(约0.5%)等合金元素也可有效地抑制这类回火脆性的产生。4.回火的种类及应用淬火钢回火后的组织和性能取决于回火温度，根据回火温度范围不同，可将回火分为以下三类:(1)低温回火回火温度范围为150℃~250℃。回火后的组织为回火马氏体。内应力和脆性降低，保持了高硬度和高耐磨性。这种回火主要应用于高碳钢或高碳合金钢制造的工具、模具、滚动轴承及渗碳和表面淬火的零件，回火后的硬度一般为58~64HRC。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理(2)中温回火回火温度范围为350℃~500℃，回火后的组织为回火屈氏体，硬度一般为35~45HRC，具有一定的韧性和高的弹性极限及屈服极限。这种回火主要应用于含碳量为0.5%~0.7%的碳钢和合金钢制造的各类弹簧。

(3)高温回火回火温度范围为500℃~650℃，回火后的组织为回火索氏体，其硬度一般为25~35HRC，具有适当的强度和足够的塑性和韧性，即具有良好的综合机械性能。这种回火主要应用于含碳量为0.3%~0.5%的碳钢和合金钢制造的各类连接和传动的结构零件，如轴、连杆、螺栓、齿轮等。上一页下一页返回6.4钢的普通热处理也可作为要求较高的精密零件、量具等的预备热处理。通常在生产上将淬火加高温回火的处理称为调质处理，简称“调质”。对于在交变载荷下工作的重要零件，要求在其整个截面上得到均匀的回火索氏体组织，首先必须使零件淬透。因此，随着调质零件尺寸的不同，要求钢的淬透性也不同，大零件要求选用高淬透性的钢，小零件则可以选用淬透性较低的钢。上一页返回6.5钢的表面热处理6.5.1钢的表面淬火表面淬火是将工件的表面层淬硬到一定深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。利用快速加热使钢件表面奥氏体化，而中心尚处于较低温度，然后迅速予以冷却，表层被淬硬为马氏体，而中心仍为原来的退火、正火或调质状态的组织。表面淬火一般适用于中碳钢和中低碳合金钢，也可用于高碳工具钢、低合金工具钢以及球墨铸铁等。常用的表面淬火方法有感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。1.感应加热表面淬火下一页返回6.5钢的表面热处理即在工件中引入一定频率的感应电流(涡流)，使工件表面层快速加热到淬火温度后立即喷水冷却的方法。

(1)工作原理一定频率的交流电通过线圈时，线圈周围便产生交变磁场。若把工件放入线圈中，工件中就会产生与线圈频率相同而方向相反的感应电流。这种感应电流在工件中的分布是不均匀的，主要集中在表面层，越靠近表面，电流密度越大;频率越高，这种现象称为集肤效应，是感应电流加热工件表面层的基本依据。

(2)感应加热表面淬火的分类根据电流频率的不同，感应加热表面淬火可分为:上一页下一页返回6.5钢的表面热处理高频感应加热表面淬火，最常用的工作频率为200~300kHz，淬硬层深度为0.5~2mm适用于中小型零件，如小模数齿轮。中频感应加热表面淬火，最常用的工作频率为2500~8000Hz，淬硬层深度为2~8mm,适用于大中型零件，如直径较大的轴和大中型模数的齿轮。工频感应加热表面淬火，工作频率为50Hz，淬硬层深度一般为10~15mm，适用于大型零件，如直径大于300mm的轧辊及轴类零件等。(3)感应加热表面淬火的特点优点是加热速度快、生产效率高;淬火后表面组织细、硬度高(比普通淬火高2-3HRC;加热时间短，氧化脱碳少;淬硬层深度易控制，变形小、产品质量好;生产过程易实现自动化。上一页下一页返回6.5钢的表面热处理其缺点是设备昂贵，维修、调整困难，形状复杂的感应线圈不易制造，不适合单件生产。对于感应加热表面淬火的工件，在设计时一般应注明表面淬火硬度、淬硬层深度、表面淬火部位及心部硬度等。在选材方面，为了保证工件感应加热表面淬火后的表面硬度和心部硬度、强度和韧性，一般用中碳钢和中碳合金钢，如40,45,40Cr,40MnB等。此外，合理地确定淬硬层深度也很重要，一般来说，增加淬硬层深度可延长表面层的耐磨寿命，但也增加了脆性破坏倾向。所以，选择淬硬层深度时，除考虑磨损外，还必须考虑工件的综合机械性能，应保证兼有足够的强度、抗疲劳性能和韧性。上一页下一页返回6.5钢的表面热处理另外，工件在感应加热前需进行预先热处理，一般为调质或正火，以保证工件表面在淬火后得到均匀细小的马氏体，改善工件心部硬度、强度、韧性以及切削加工性，并减少淬火变形。工件在感应加热表面淬火后需进行低温回火(180℃~200℃)，以降低内应力和脆性，获得回火马氏体组织。

2.火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是将乙炔-氧或煤气-氧的混合气体燃烧的火焰喷射至工件表面，使其快速加热，当达到淬火温度时，立即喷水冷却，从而获得预期的硬度和淬硬层深度的一种表面淬火方法。火焰加热表面淬火零件的选材一般为中碳钢，如35,45钢，以及中碳合金结构钢，如40Cr,65Mn等。上一页下一页返回6.5钢的表面热处理如果含碳量太低，则淬火后硬度较低;如果碳和合金元素含量过高，则易淬裂。火焰加热表面淬火还可用于对铸铁件，如灰铸铁件、合金铸铁件等进行表面淬火。火焰加热表面淬火的淬硬层深度一般为2~6mm，若要获得更深的淬硬层，往往会引起零件表面严重过热，且易产生淬火裂纹。火焰加热表面淬火后，零件表面不应出现过热、烧熔或裂纹，变形也要在规定的技术要求之内。由于火焰加热表面淬火方法简便，无须特殊设备，适用于单件或小批量生产的大型零件以及需要局部淬火的工具和零件，如大型轴类、大模数齿轮、锤子等。但火焰加热表面淬火较易过热，淬火质量往往不够稳定，工作条件差，从而限制了它在机械制造业中的广泛应用。上一页下一页返回6.5钢的表面热处理6.5.2钢的化学热处理化学热处理是将工件置于一定介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分和组织，使工件表面具有某些特殊的机械或物理化学性能的一种热处理工艺。与表面淬火相比，化学热处理的主要特点是:表面层不仅有组织的变化，还有成分的变化。化学热处理工艺较多，渗入元素不同，工件表面所具备的性能也不同。如渗碳和碳氮共渗可提高钢的硬度、耐磨性及疲劳强度;氮化、渗硼、渗铬可使表面特别硬，显著提高耐磨性和耐蚀性;渗硅可提高耐酸性;渗铝可提高耐热和抗氧化性等。上一页下一页返回6.5钢的表面热处理在化学热处理过程中，要使碳、氮等原子渗入工件表面，必须具备以下条件:①钢本身必须具有吸收这些渗入元素活性原子的能力，即对该活性原子具有一定的溶解度或能与之化合，形成化合物，或既具有一定的溶解度，又能与之形成化合物。②渗入元素的原子必须是具有化学活性的活性原子，即它是从某种化合物中分解出来的，或是由离子转变成的新生态原子，同时这些原子应具有较强的扩散能力。化学热处理的基本程序:①将工件加热到一定的温度，有利于其吸收渗入元素的活性原子。②由化合物分解或离子转化得到渗入元素的活性原子。上一页下一页返回6.5钢的表面热处理③活性原子被吸附，并溶入工件表面，形成固溶体，当活性原子浓度很高时，还可形成化合物。④渗入原子在一定温度下，由表层向内扩散，形成一定的扩散层。目前，在汽车、拖拉机和机床的制造中，最常用的化学热处理工艺有渗碳、氮化和气体碳氮共渗。1.钢的渗碳渗碳是向钢的表面层渗入碳原子的过程。其目的是，在热处理后使工件表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度以及较高的韧性和塑性。按照采用的渗碳剂分类，渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳三种，常用的是前两种，尤其是气体渗碳。上一页下一页返回6.5钢的表面热处理气体渗碳生产率高，劳动条件较好，渗碳质量容易控制，并易于实现机械化自动化，故在当前工业中得到极广泛的应用。(1)气体渗碳将工件置于密封的加热炉中(如井式气体渗炉碳)，通入气体渗碳剂，在900℃~950℃加热，保温，在钢件表面层进行渗碳。向井式炉中直接滴入煤油进行气体渗碳的方法在热处理生产中得到了广泛的应用，其主要优点是，煤油有足够的活性，价格低廉，供应充足。缺点是，容易产生炭黑。除煤油外，目前使用较多的是复合渗碳剂，如甲醇和丙酮，将它们按一定比例同时滴入炉内，可使渗碳零件获得满意的质量。上一页下一页返回6.5钢的表面热处理渗碳剂在高温下分解为渗碳气体(C0,CO2.H2.H2O.CH4等)，在进行气体渗碳时，含碳气氛在钢的表面进行以下气相反应，生成活性碳原子:活性碳原子溶入高温奥氏体中，然后向钢的内部扩散，实现渗碳。渗碳时，最主要的工艺参数是渗碳温度和保温时间。加热温度越高，渗碳速度就越大，且扩散层的厚度也越大。但温度过高会使钢件中晶粒长大，使钢变脆，故加热温度的选择应适当，一般在900℃~950℃范围内，即式z以上50℃~80℃。上一页下一页返回6.5钢的表面热处理保温时间主要取决于所需的扩散层的厚度，但随着保温时间的延长，厚度增长速度会逐渐减慢。渗碳层的组织及热处理:工件渗碳后，其表面的含碳量最高，通常在0.8%~1.1%范围内。从表面向中心，含碳量逐渐降低，直至原始含碳量。因此，工件从渗碳温度缓慢冷却至室温后的组织，由表面向中心依次为过共析组织、共析组织、过渡区亚共析组织、原始亚共析组织。对于渗碳层深度，碳钢以从表面到过渡区亚共析组织一半处的深度作为渗碳层的深度;合金钢以从表面到过渡区亚共析组织终止处的深度作为渗碳层深度。上一页下一页返回6.5钢的表面热处理工件渗碳后必须进行淬火和低温回火处理，才能达到表面高硬度、高耐磨性和心部高韧性的要求，发挥渗碳层的作用。根据不同要求，可选用下列