第六章 钢的热处理

第一节钢在加热时的转变第二节奥氏体在冷却时的转变第三节钢的退火与正火第四节钢的淬火与回火第五节钢的淬透性第六节

钢的表面淬火第七节钢的化学热处理第六章钢的热处理一、前言二、共析钢的奥氏体形成过程三、亚、过共析钢的奥氏体化过程四、影响奥氏体形成的因素五、奥氏体晶粒度及其影响因素第一节钢在加热时的转变热处理——把固态金属材料加热到预定温度，保温一段时间后，以一定的速度冷却，从而改变材料的组织结构和性能的热加工工艺。加热保温冷却时间/h温度/℃

临界温度钢的热处理工艺曲线一、前言(一)热处理的概念平衡转变温度：A1、A3、Acm实际加热时转变温度：Ac1、Ac3、Accm

实际冷却时转变温度：Ar1、Ar3、Arcm(二)钢的临界转变温度因加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中的数据是以30-50℃/h的速度加热或冷却时测得的。（三）热处理分类热处理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激光加热表面淬火普通热处理

退火淬火正火回火化学热处理渗碳渗氮碳氮共渗渗金属P（α＋Fe3C）Wc%:0.026.690.77晶格：b.c.c复杂晶格f.c.cAs（

）>Ac1Wc（％）spA1Ac1A（

）（α

＋Fe3C）P0.77Fe二、共析钢的奥氏体（A）形成过程A形核

A晶核长大

剩余Fe3C溶解

A均匀化A形成包括四个阶段：未溶Fe3C未溶Fe3C包括两个过程：（1）P（α

＋Fe3C）

As

（

）（2）先共析相α（Fe3C）

γ三、亚、过共析钢的奥氏体化过程若亚共析钢加热到Ac1～Ac3之间（两相区），获得A＋F组织；过共析钢加热到Ac1～Accm之间（两相区），获得A＋Fe3C组织，此时称为不完全奥氏体化加热。完全奥氏体化加热与不完全奥氏体化加热

:将亚共析钢和过共析钢分别加热到Ac3或Accm以上完全转变为A（单相区），此时称为完全奥氏体化加热。（一）加热温度四、影响奥氏体形成的因素加热温度越高奥氏体形成速度加快，转变所需要的时间也越短温度时间A开始转变线A转变终了线t1t2T1T2（二）加热速度加热速度越快dcbaTdTcTbTa奥氏体珠光体ⅡⅠA1时间温度Ac1v1v2

c

d

a

b奥氏体转变温度升高、形成速度加快，转变所需要的时间也越短V2>V1t2<t1（三）钢的原始组织

Fe3C片间距↓→界面多，形核多→转变快片层状珠光体比粒状珠光体更易于形成AFe3C的形状和大小影响A的形成。（四）化学成分的影响碳：亚共析钢：C%↑→奥氏体的形成速度加快过共析钢：C%↑→奥氏体的形成速度减慢共析钢奥氏体的形成速度最快（1）改变钢的临界点温度。锰对奥氏体相区的影响扩大奥氏体相区的元素：Ni、Mn、Cu、Co、C、N使A1、A3点下降，A4点上升。当Mn

13%或Ni

9%时，S点降到0℃以下，室温下为单相奥氏体组织，称奥氏体钢。提高奥氏体形成速度2.合金元素

Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等使A1、A3点上升，A4点下降。铬对奥氏体相区的影响缩小奥氏体相区的元素当Cr

13%时，奥氏体相区消失，室温下为单相铁素体组织，称铁素体钢.降低奥氏体形成速度对E点和S点位置的影响

所有合金元素均使E点和S点左移，即这两点的含碳量下降，使碳含量比较低的钢出现过共析组织（如4Cr13）或共晶组织（如W18Cr4V）。

（2）影响碳在奥氏体中的扩散速度。除Co、Ni外，均减慢奥氏体形成速度。（一）奥氏体晶粒度五、奥氏体的晶粒度及其影响因素

式中：n-----放大100倍时，每平方英寸(6.45cm2)面积内观察到的平均晶粒数。N-----晶粒度级别通常1—4级为粗晶粒，5－8级为细晶粒，8级以外的晶粒称为超细晶粒。标准晶粒度等级图1.

起始晶粒度

——刚完成P→A转变的A晶粒大小。

2.实际晶粒度

——在某一具体加热条件下得到的 奥氏体晶粒大小。3.本质晶粒度

——反映了奥氏体晶粒长大的倾向性。本质细晶粒钢：随加热温度升高晶粒不易长大。如用A1脱氧的钢、含有Ti、V等元素的钢。根据本质晶粒度的大小分为两种钢：本质粗晶粒钢：随加热温度升高晶粒容易长大。如用Si或Mn脱氧的钢。温度晶粒尺寸Ac112本质细晶粒钢本质粗晶粒钢钢的本质晶粒度示意图930℃1.

加热温度与保温时间加热温度↑或保温时间↑

→A实际晶粒就越大（二）

影响奥氏体晶粒度的因素时间晶粒面积/μm2加热温度和保温时间对奥氏体晶粒大小的影响过热

Overheat3.钢的含碳量含碳量

↑，亚共析钢易长大，过共析钢不易长大（有未溶Fe3C出现），共析钢最易长大。2.加热速度在保证奥氏体成分均匀化的前提下，快速加热、短时保温能够获得细小的奥氏体晶粒。如感应加热淬火

4.第二相高熔点的弥散碳化物和氮化物，能阻碍晶粒长大。5.原始组织原始组织愈细，碳化物弥散度越大，晶粒越细小，奥氏体形核率高，则A起始晶粒就越细小。但晶粒长大倾向大，即过热敏感性增大，不可采用过高的加热温度和长时间保温，宜采用快速加热、短时保温的工艺方法。第二节奥氏体在冷却时的转变一、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线

二、影响过冷奥氏体等温转变的因素三、过冷奥氏体连续冷却转变曲线简介五、过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能四、等温冷却转变曲线的应用过冷奥氏体：在临界温度以下存在且不稳定的、将要发生转变的奥氏体。

过冷奥氏体的冷却方式有两种：等温处理和连续冷却研究过冷奥氏体的冷却转变行为两个工具过冷奥氏体等温转变曲线（TTT）过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT

）一、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线(TTT曲线)过冷奥氏体的等温转变图是表示奥氏体快速冷却到临界点A1

以下在各不同温度下保温过程中转变量与转变时间的关系曲线，又称C曲线或TTT曲线。(Time-Temperature-Transformationdiagram)（一）TTT曲线的测定采用金相－硬度法测定。1.把钢材制成Φ10×1.5mm的圆片试样（钻小孔，便于提取），分成若干组。2.

取一组试样，在盐炉内加热使之完全A化。3.

将A化后的试样快速投入A1

以下某一温度的浴炉中进行等温转变，并开始计时。4.

每隔一定时间取出一个试样急速淬入水中，而后将各试样取出制样，进行金相组织观察。确定各等温温度下奥氏体的转变量与转变时间的关系曲线，就可以得到在不同温度下过冷奥氏体的等温转变开始点和转变终了点。

5.将所有转变开始时间点和终了时间点标在温度－时间(对数)坐标系中，并分别连接起来，即得C曲线。共析碳钢TTT曲线（二）图形分析稳定奥氏体区过冷奥氏体区

过冷

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℃:低温转变区无扩散型转变;马氏体(M)转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf过冷A转变开始线过冷A转变终了线M+过冷AM“孕育期”即转变开始线与纵坐标轴之间的距离。孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小。孕育期二、影响过冷奥氏体等温转变的因素（一）奥氏体成分的影响

1、含碳量的影响亚共析钢共析钢过共析钢（1）形状：多一条过冷A→F（Fe3CⅡ）的转变开始线；Ms、Mf线上（下）移。亚共析钢：随含碳量的增加，C曲线逐渐向右移

过共析钢：随着含碳量的增加，C曲线反而向左移

共析钢的C曲线最靠右

与共析钢对比：（2）位置：

除Co、Al（>2.5%）外，所有溶入奥氏体的合金元素均会使C曲线右移。

2、合金元素的影响向右移MsA1tT铬对C曲线的影响110102200400600800温度/℃时间/s0.5％C2.2％Cr103104105110102200400600800温度/℃时间/s0.5％C4.2％Cr103104105碳化物形成元素如Cr、W、Mo、V存在使C曲线形状变化，变成两拐弯。加热温度越高、保温时间越长，碳化物溶解越充分,奥氏体成分越均匀,同时晶粒愈粗大，降低过冷奥氏体分解时的形核率，提高了过冷奥氏体的稳定性，从而使C曲线右移。3、奥氏体化条件的影响使用C曲线时应注意奥氏体化条件及晶粒度的影响。CCT和TTT曲线的比较：CCT位于TTT曲线右下方；CCT中没有A→B转变。Ps——过冷A→P开始线Pf——过冷A→P终了线KK′——P型转变中止线Vk——上临界冷却速度

(淬火临界冷却速度）Vk′——下临界冷却速度

MS——过冷A→M开始温度

Mf——A→M终止温度三、过冷奥氏体连续冷却转变曲线(CCT)简介

四、等温冷却转变曲线的应用（一）利用TTT图近似地估计连续冷却条件下过冷奥氏体的转变过程和转变产物冷却方式显微组织冷速工艺名称炉冷

PV1

退火空冷

S V2

正火油冷

T+M+A′V4

淬火水冷

M+A′V5

淬火1、判断连续冷却转变所得到的组织。以共析钢为例：应用共析碳钢C曲线估计连续冷却所得到的组织用TTT曲线定性说明共析钢连续冷却时的组织转变炉冷空冷油冷水冷PST+M+A’M+A’2、淬火临界冷却速度实际淬火临界冷却速度:Vk´、Vk—获得完全M组织的最小冷却速度或与转变开始线相切的冷却速度;Tm—C曲线鼻尖处温度;τm

—C曲线鼻尖处时间。淬火临界冷却速度:VkVk′时间/s温度/℃共析钢的CCT图共析温度连续冷却转变曲线完全退火正火等温转变曲线油淬水淬M+A’M+T+A’SP200100Vk’

Vk/1.5（二）确定工艺参数

（三）确定冷处理工艺的温度等温退火分级淬火等温淬火

t1t0例如：等温退火、等温淬火和分级淬火τ1

τ2

τ3

τ4

（一）珠光体转变(A1～550℃)

A（γ）→P（

+Fe3C）(P为片层相间平行排列的机械混合物)扩散型转变——通过Fe、C原子的扩散和A晶格的改组来实现。三、过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能1、珠光体的转变过程AFe3CAFe3C

Fe3C

A}P珠光体转变过程示意图温度/℃A相变层片间距HRC性能A1~650

A→P（珠光体）

0.6～0.8μm，500×分清10～20随片间距减小，强度、硬度、塑性升高650~600

A→S（索氏体）0.25μm，1000×分清20～30600~550

A→T（屈氏体）

0.1μm，5000×分清30～40２、珠光体转变的组织及性能

珠光体P

光镜下形貌电镜下形貌索氏体S电镜形貌光镜形貌屈氏体T光镜形貌电镜形貌粒状珠光体组织

P除了片状以外，还有粒状P。

马氏体：C在α－Fe中的过饱和固溶体，用M表示。（１）晶体结构

体心正方无扩散型转变——仅发生Fe的晶格改组（面心立方→体心正方）

（二）马氏体转变（低于Ms点)

马氏体的组织结构和性能马氏体的晶体结构用c／a的比值反映马氏体的正方度

马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。马氏体形态取决于A中的含碳量。（２）马氏体组织形态板条M（低碳M）与片状M（高碳M）。WC

＞1.0%：片状MWC=0.2％~1.0％：板条M＋片状MWC＜

0.2%

：板条M主要有两种形态：板条M由一束束平行排列的细板条束组成。片状M为竹叶状或凸透镜状，马氏体针之间形成一定角度(60°)。板条状M板条状M+片状M片状M其强度、硬度取决于M中的含碳量。含碳量增加，硬度升高。（３）性能：高的硬度和强度强化机理：固溶强化过饱和碳原子强烈地引起点阵畸变，阻碍位错的运动，故使马氏体显著强化。相变强化相变中产生的大量晶体缺陷，如位错、孪晶以及层错等，使得马氏体强化，其本质类似于形变强化。时效强化碳原子通过扩散产生偏聚或碳化物弥散析出，钉扎位错，阻碍位错运动，从而造成马氏体时效强化

塑性、韧性取决于碳的过饱和度和亚结构形式。

高碳片状M的硬度高，塑、韧性很差；

板条M强韧性好。

高碳片状M的塑、韧性均很差的主要原因：

1）碳在M中过饱和程度大，晶格畸变严重，残余应力大，有显微裂纹；

2）片状M内的亚结构主要是孪晶。低碳板条M的塑、韧性相当好的主要原因：

1）碳在M中过饱和程度小，晶格畸变轻微，残余应力小，不存在显微裂纹；

2）板条M内的亚结构主要是位错。（4）

转变的不完全性。（1）无扩散性。仅是晶格的改组而没有成分的变化。（3）

非恒温性。（2）高速度。瞬间形核，瞬间长大。

A中的C%↑则MS、Mf↓，残余A含量↑。

2、M转变的特点有残余奥氏体（A'）。Ms与Mf点主要取决于奥氏体的含碳量。

降温形成含碳量对马氏体转变温度的影响含碳量对残余奥氏体量的影响除

Co、Al元素外，所有的合金元素都使MS、Mf↓，残余A含量↑。合金元素对马氏体点（Ms）的影响

合金元素对残余奥氏体量的影响

Ms、Mf与冷速无关，主要取决于奥氏体中的合金元素含量（包括碳含量）。

A→B(

+Fe3C)，其中

相具有一定的碳过饱和度。

过冷A→B上(550℃~350℃)，羽毛状

半扩散型转变——碳原子扩散，铁原子不扩散。

Fe3C以不连续棒状分布在较宽的F条之间。硬度40～45HRC，强度低，塑韧性差，工业上不应用。（１）上贝氏体（三）贝氏体转变(550℃～230℃)

1、贝氏体的组织和性能B上显微组织光镜照片Fe3C（白色），细条或短杆状断续分布F（深色），大体平行分布细小片状Fe3C均匀分布在过饱和F针内，并与F针长轴方向呈55-60º角。强韧性好，硬度50～60HRC，是工业生产上追求的组织。可采用等温淬火得到。过冷A→B下（350℃~230℃），黑色针状

（2）下贝氏体B下显微组织光镜照片M灰色针状B下黑色针状A'

白色块状B上转变过程示意图

A晶界

Fe3C}

Fe3C上B2、贝氏体的转变过程B下转变过程示意图

碳化物

碳化物

碳化物下B第三节钢的退火与正火一、钢的退火二、钢的正火三、退火与正火的选用原则

四、退火、正火在零件制造工艺路线中的位置将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后缓冷(如炉冷)的热处理工艺→近似平衡组织P（+F或（Fe3C）II）（一）完全退火（退火）——亚共析钢T加＝Ac3＋30～50℃组织：P+F目的：①细化、均匀化粗大、不均匀原始组织②降低硬度→切削性↑

③消除内应力一、钢的退火亚共析钢T加＝Ac3+30~50℃；共析钢、过共析钢T加＝Ac1+30~50℃。保温后快冷到Ar1以下珠光体转变区某一温度等温，使A→P后空冷。（二）

等温退火目的：同完全退火。特点：与退火相比可大大缩短时间、提高生产率；组织均匀，退火工件的加工工艺性能好。——加热温度略高于Ac1温度（Ac1＋20～30℃）保温，炉冷到Ar1以下（Ar1-20～30℃）等温一段时间或以非常缓慢的速度冷却。组织：球状P（F基体上分布着颗粒状渗碳体）目的：①使Fe3C球化→硬度↓，韧性↑→切削性↑②为淬火作组织准备应用范围：高碳钢、合金工具钢（三）

球化退火（不完全退火）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。球化退火显微组织粒状Fe3C（四）扩散退火目的：消除偏析，使成分、组织均匀化。适于钢种：合金钢、铸件、焊接件及锻坯。组织：P+F或P+(Fe3C)II将金属铸锭、铸件或锻坯，在略低于固相线的温度（1050-1150℃）长时间加热，以消除或减少晶内偏析（枝晶偏析），达到均匀化的目的，这种热处理工艺称为扩散退火（亦称为均匀化退火）。目的：消除冷热加工后的内应力，以稳定尺寸、减少变形。（五）

去应力退火应用举例：铸造或焊接的机床床身、导轨；机加工成型的螺旋被动锥齿轮。将金属加热到A1温度以下某一温度（一般为500～650℃）保温，然后缓慢冷却（如炉冷）到200～300℃出炉空冷的热处理工艺称为去应力退火。加热温度：T再+100～200℃，一般在650～700℃之间。目的：消除加工硬化（六）

再结晶退火应用：冷冲杯、桶形件、冷拔棒、冷轧板等。将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持适当的时间，使变形晶粒重新形核，转变为均匀细小的等轴晶粒，同时消除加工硬化的热处理工艺称为再结晶退火

二、钢的正火——将钢加热到Ac3（或Ac1

、Accm）以上30~50℃，保温一定时间，然后空冷（风冷、喷雾）的热处理工艺。组织：S或（

S

+F少或（Fe3C）II少）应用：（一）作为预备热处理的正火工艺1.改善低碳钢切削加工性能。2.消除热加工组织缺陷。消除魏氏组织、粗大晶粒等过热缺陷和带状组织。

高碳钢中的W中碳钢中的W低碳钢中的带状组织3.消除过共析钢的网状碳化物。高碳钢退火组织(Fe3C)II(二)作为最终热处理的正火工艺提高普通结构件的力学性能。2.避免淬火时的变形和开裂(但不能充分发挥材料的性能潜力)。（一）

从切削加工性上考虑低、中碳钢→正火中高碳钢、合金工具钢→完全退火（0.5～0.75％C），球化退火（>0.75％C）金属最佳切削硬度170～230HBS三、退火与正火的选用原则

工具钢→正火+球化退火 结构钢→正火 返修件、尺寸较大及形状复杂零件→退火（三）从经济成本上考虑在可能的条件下应尽量选用正火。

2.为最终热处理提供良好的组织状态。（二）从使用性能上考虑

1.对性能要求不太高的零件，选用正火作为最终热处理。铸、锻（或原材料）毛坯→退火（正火）→粗加工→淬火＋回火→精加工（磨削）

四、退火、正火在零件制造工艺路线中的位置例1：20CrMnTi钢汽车后桥螺旋被动齿轮加工的主要工序有：下料→锻造→预备热处理（正火）→机加工（车、钻、铣等）→渗碳→淬火+低温回火→清洗→精加工（磨削、研磨等）。例2：滚动轴承的生产工艺路线：下料→锻造→预备热处理（球化退火）→机加工（车等）→淬火+低温回火→清洗→磨削加工→成品。第四节钢的淬火与回火一、钢的淬火二、钢的回火一、钢的淬火淬火：将钢加热到Ac3（或Ac1）+30~50℃，保温一定时间，然后迅速冷却获得马氏体的热处理工艺。（一）钢的淬火工艺

1、淬火加热（1）加热温度亚共析钢：Ac3＋30～50℃共析钢、过共析钢：Ac1＋30～50℃完全淬火不完全淬火为什么？τH＝升温＋保温时间。可根据经验或配合实验确定，也可参考热处理手册。（3）合金钢淬火加热条件的选择（2）

加热时间（τH）：T淬火↑

(AC+50～100℃)需预热t箱式电阻炉实验室电阻炉箱式电阻炉（或煤气炉）可控气氛炉（渗碳、渗氮、碳氮共渗等）真空加热炉盐浴炉（4）

加热设备：台车式电阻炉燃气炉真空炉2、淬火冷却（１）淬火冷却介质vCCABD650℃400℃理想淬火冷却曲线选择原则：保证工件既能淬上火（得到M），又要尽量减小变形。淬火介质水油盐水碱浴硝盐浴冷速650～550℃600℃/s快150℃/s太慢1000～1200℃/s比油快比油稍弱200～300℃270℃/s太快30℃/s慢300℃/s比油弱比油弱特点高温冷速快，可保证工件淬硬低温冷速快，工件易变形开裂冷却能力对水温敏感杂质使冷却能力下降低温冷速慢，工件不易变形、开裂高温冷速慢，工件易分解，淬不硬易老化、易燃油温增加，冷却能力增加（20～80℃）冷却能力强工件表面质量好，硬度均匀易变形开裂易腐蚀既能保证工件淬硬，又能使变形开列程度减少流动性好工作环境差用途碳钢合金钢小截面碳钢形状简单，截面尺寸大的碳钢小件、形状复杂、精度要求高的工件常用淬火介质①②④③（2）常用淬火方法

优点：操作简单、成本低；缺点：淬火件质量较低、热应力大ClicktoaddTitle1单介质淬火：碳钢—水；合金钢—油1优点：能保证淬火件的质量要求缺点：操作难度大、热应力大ClicktoaddTitle1双介质淬火：水—油；水—空气2

优点：热应力小，工件不易变形；缺点：操作难度大ClicktoaddTitle1分级淬火：转变产物—M；3

优点：综合性能及尺寸精度高、不需回火；缺点：工艺复杂、成本高ClicktoaddTitle1等温淬火：转变产物—B下；4心部表面T(℃)t⊿T（3）冷处理（精密零件及量具）目的：为了尽量减少钢中残余奥氏体的数量以获得最大数量的马氏体。作用：一方面可以提高钢的硬度和耐磨性，另一方面可以稳定工件的尺寸，防止在使用中变形。工艺方法：将淬火钢继续冷却到－70～－80℃（也可冷却到更低的温度），并保持一段时间，使残余奥氏体在继续冷却中转变为马氏体。

3、淬火组织亚共析钢：含C量<0.2%时:

含C量0.2～

0.5％时:

含C量>0.5％时:

共析钢：

过共析钢：M板条（M板条+M片状）

＋A'M片状＋A´＋Fe3C粒状（M板条+M片状）+A'M板条+M片状亚共析钢（20Cr）亚共析钢（45钢）板条M板条M+针状M过共析钢（T12A钢）MA'未溶Fe3C二、淬火钢的回火

——淬火钢加热到A1以下，保温一定时间，然后冷却的热处理工艺。目的：3.

获得所要求的组织和性能。如：M回、S回、T回等。1.降低脆性，减少或消除内应力、防止工件变形和开裂。2.

减少残余奥氏体，稳定组织、稳定尺寸。螺杆表面的淬火裂纹钢经淬火后应立即进行回火井式回火炉（一）淬火钢的回火转变及组织1、过饱和碳原子的偏聚（20～80℃）马氏体中过饱和的碳原子将自发向晶体缺陷处偏聚，使马氏体正方度下降。

２、马氏体的分解（80℃～350℃）马氏体分解后形成的低碳α相和弥散的ε碳化物组成的复相组织称为回火马氏体，用M回表示。３、

残余奥氏体转变（200～300℃）

A'→M回透射电镜下的回火马氏体形貌4、

碳化物的变化（250～400℃）淬火马氏体完全分解，但α相仍保持板条状或针状外形，碳化物全部转变为渗碳体。

5、相的回复与再结晶（＞400℃）板条或针状α相和细小粒状的渗碳体组成的机械混合物称为回火屈氏体，用T回表示。渗碳体逐渐聚集和球化，马氏体的板条状或针状形态消失，形成多边形的铁素体。多边形的铁素体和粗粒状渗碳体的机械混合物称为回火索氏体

，用S回表示。回火温度↑→硬度、强度↓，塑性↑、韧性↑。（二）回火时性能的变化钢的硬度随回火温度的变化40钢的力学性能与回火温度的关系1、

提高回火稳定性

合金元素对回火转变的影响回火稳定性：指钢在回火时，抵抗回火造成软化的能力。合金元素减缓回火的四个过程。这对切削刀具至关重要。2.

产生二次硬化强碳化物形成元素还可在高温回火时析出弥散的特殊碳化物，使钢的硬度显著升高，造成二次硬化。

回火温度较高时析出细小、弥散的、高硬度的合金碳化物，如Mo2C，使硬度反而提高。回火时A′中析出合金碳化物→A′中C%↓→Ms、Mf↑,随后冷却时A'

→M（2）二次淬火（1）弥散硬化（第二相（沉淀）强化）二次硬化原因：（三）回火类型根据淬火钢的回火温度范围，可将回火分为三类。

●淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质。广泛用于各种重要结构零件、如轴、齿轮等。也可作为要求较高精密件、量具等预备热处理。适用于各种高碳钢、渗碳件及表面淬火件。应用获得良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。

提高

e及

s，同时使工件具有一定韧性。在保留高硬度、高耐磨性的同时，降低内应力。

回火目的S回

T回

M回

回火组织500-650℃350-500℃150-250℃回火温度高温回火中温回火低温回火适用于弹簧、热作模具淬火M回火MT回火TT回火SS（四）回火脆性回火脆性：当回火温度升高时，在250~350℃和500~650℃两个区出现冲击韧性明显下降的脆化现象。1、第一类回火脆性（250～350℃）不可避免的，但可躲开。2、第二类回火脆性（500-650℃）主要出现在含Cr、Ni、Si、Mn等合金元素的合金钢。防止方法：（1）回火后快冷(如水冷）；（2）加入W、Mo元素。如42CrMo钢的回火脆性（五）

淬火回火的工艺缺陷1、氧化与脱碳3、硬度不足、硬度不均匀2、

过热或过烧过热——加热温度过高或保温时间过长所造成的

A晶粒粗大。过烧——加热温度过高或超过固相线温度， 使A晶界局部熔化或氧化。4、

淬火变形和开裂、原因和预防措施淬火变形——淬火后钢件体积、形状、尺寸的变化。由淬火内应力（包括热应力与组织应力）所造成。热应力是指钢件在冷却过程中由于其表面和心部的温差引起的钢件体积胀缩不均匀所产生的内应力。组织应力是指由于钢件快速冷却时表层与心部相变不同时，以及相变前后相的比容不同所产生的内应力。（2）合理进行结构设计。预防措施：

（1）

正确选材。（4）合理制订淬火工艺。（5）淬火后及时回火，消除内应力。（3）合理制订热处理工艺标准。不好1.

淬硬件：下料→锻造→退火（正火）→粗加工＋精加工→淬火＋回火（低、中温回火）→磨削

2.调质件：下料→锻造→退火（正火）→粗加工→调质→精加工（六）

淬火、回火在零件制造工艺路线中的位置第五节钢的淬透性一、钢的淬透性与淬硬性二、淬透性的测定及表示方法三、淬透性对钢力学性能的影响四、影响淬透性的因素五、淬透性的应用第五节钢的淬透性一、钢的淬透性与淬硬性淬透性：钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。即在淬火条件下得到M组织的能力。淬硬层深度：一般规定从表面到50%非马氏体深度的距离作为淬硬层深度。钢的淬硬性：钢淬火后所能达到的最高硬度值。主要取决于M中含碳量。M中含碳量愈高，淬硬性愈好。两种成分钢的淬透性的对比00直径直径硬度HRC（注：料直径相同，在相同淬火介质中淬火）淬硬区１、端淬试验法二、淬透性的测定及表示方法淬透性表示方法：

d—测试点至水冷端的距离（mm）。HRC—测试点处的硬度值JHRC-dJ－Jominy大写字头如：距水冷端3mm处的硬度值为43HRC。表示为J43-3２、临界直径法生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。临界淬火直径——圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏体的最大直径），用Do表示。在相同冷却条件下，Do越大，钢的淬透性越好。D0与介质有关，如45钢D0水=16mm，D0油=8mm。淬硬层深度不同截面的钢淬火时淬硬层深度的变化(D0为心部为50％M的最大直径)三、淬透性对钢力学性能的影响表面中心表面HRCσbσ0.2AKUa）已淬透(40CrNiMo)淬透性对调质后钢的力学性能的影响HRCAKU表面表面中心σ0.2σbb）未淬透(40)

１.钢的化学成分

（1）含碳量亚共析钢C%↑→Vk↓→淬透性↑；过共析钢C%↑→Vk↑→淬透性↓；共析钢的Vk最小，淬透性最好。（2）合金元素除Co外，其余溶入A中的合金元素降低Vk，C曲线右移，淬透性↑。四、影响淬透性的因素２.

奥氏体化条件的影响加热温度↑，保温时间↑→淬透性↑同种钢，奥氏体化条件不同，其淬透性不同。切削刀具，必须淬透。

各类弯、扭件要求淬透1/4R～1/2R。２.

热处理工艺制定的依据３.

尺寸效应１.根据零件不同的工作条件合理确定钢的淬透性要求。受拉、压、冲击载荷零件必须淬透。五、淬透性的应用焊接工件应选用低淬透性钢。钢件淬硬层深度随其截面尺寸↑而

↓。高强螺栓柴油机连杆齿轮第六节钢的表面淬火一、感应加热表面淬火二、其他表面淬火方法（一）感应加热的基本原理一、感应加热表面淬火交变电流交变磁场→→感应电流表面加热→

式中

f－交流电频率Hzδ－电流透入深度mm感应加热表面淬火示意图（二）感应加热淬火的分类和选用1.

高频200-300KHz：淬硬深度0.5-2mm，适于小工件。2.

中频2500-8000Hz：淬硬深度2-10mm，适于尺寸较大的工件。3.

工频50Hz：淬硬深度10-15mm，适于大型工件。4.超音频20~40kHz：淬硬层深度在2mm以上，适于模数为3～6的齿轮、链轮、花键轴及凸轮等。（三）感应加热表面淬火的特点1.感应加热速度快。2.感应加热淬火后工件表面得到极细的隐晶马氏体组织，使表面的硬度比普通淬火高，脆性也较低，并具有较高的疲劳强度。3.工件表面不容易氧化和脱碳，且变形也小。4.淬硬层深度易于控制。5.淬火操作易于实现机械化和自动化，劳动条件好、生产率高。中碳钢和中碳低合金钢（40、45、40Cr等）、铸铁（机床导轨）（四）感应加热淬火的工艺1.感应加热淬火用钢2.感应加热淬火件的技术要求（1）表面硬度表面硬度要求在45～58HRC范围内。

（3

）预备热处理→正火或调质齿轮：m≥5，单齿同时加热淬火，硬化层仿齿形分布。（2）

淬硬层深度轴类件：小直径（10～20mm），δ≤1/5R；大直径，δ≤1/10R。m＜5，同时加热淬火，齿根淬硬。①为表面淬火作组织准备；②获得最终心部组织（心部性能要求高选调质）。（4）感应淬火后的回火采用低温回火，温度不高于200℃。回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。（5）感应淬火+低温回火后的组织表层组织为M回；心部组织为S回(调质)或F+S(正火)。（五）感应加热淬火零件的加工工艺路线下料→锻造→正火→粗加工→（调质）→精加工→感应加热淬火＋低温回火→磨削特点：与感应加热相比，设备简单，成本低；但生产率低，零件表面存在不同程度的过热，质量难以控制。二、其它表面淬火方法烧嘴喷水管移动方向淬硬层钢件加热层火焰加热表面淬火示意图（一）火焰加热表面淬火应用：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。（二）激光加热表面淬火激光加热表面淬火是利用高能密度(功率密度大于103W／cm2)激光束对金属工件表层迅速加热和随后激冷，使其表层发生固态相变而达到表面强化的一种淬火工艺。

激光表面淬火件激光表面淬火优点：激光表面淬火件淬硬层均匀、硬度高（比普通淬火高15~20%)；自冷却淬火；耐磨、耐疲劳；变形极小，表面光亮。淬火后一般不需回火。应用：适合对于形状复杂的工件（如带有盲孔、小孔、小槽、薄壁工件）、高精度工件进行局部表面淬火。已广泛用于发动机缸套、滚动轴承套圈、机床导轨、冷作模具等。第七节化学热处理一、化学热处理的基本过程二、钢的渗碳三、钢的渗氮四、钢的碳氮和氮碳共渗一、化学热处理的基本过程活性原子从工件表层向内部的扩散原理:渗剂分解出活性原子→工件表面对活性原子的吸收→1、介质(渗剂)的分解:分解的同时释放出活性原子。如：渗碳CH4→2H2+[C]

氮化2NH3→3H2+2[N]2、工件表面的吸收:活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物。3、原子向内部扩散。

二、钢的渗碳(一)渗碳件的主要技术要求和渗碳用钢1、渗碳件的主要技术要求

渗碳层的碳浓度：0.70～1.05％渗碳层深度：零件经渗碳后，含碳量高于心部的表层厚度。一般为0.5~2mm。

齿轮渗碳层深度（mm）＝齿轮模数×（0.15～0.25）其它渗碳零件渗碳层深度按零件壁厚汁算。渗碳层深度(mm)＝零件壁厚×(0.1～0.2)

（厚壁零件选择系数的下限，而薄壁零件选择上限值）2、渗碳用钢渗碳用钢的碳的质量分数一般在0.15～0.25%之间。

形状简单、小尺寸的渗碳件：多用碳素钢制造，如15和20钢。截面较大、形状复杂，表面耐磨性、疲劳强度及心部力学性能要求高的零件：多用合金渗碳钢来制造，如20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo和18Cr2Ni4WA等。1、固体渗碳设备：固体渗碳箱常用的固体渗碳剂：硬木木炭及焦炭。常用的催渗剂：碳酸钡或碳酸钠

Na2CO3→Na2O＋CO2BaCO3→BaO＋CO2

CO2＋C→2CO（二）渗碳方法优点：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固体渗碳法示意图2、气体渗碳常用渗碳设备：气体渗碳炉分为周期式炉和连续式炉。周期式炉：箱式、井式、卧式和滚筒炉等形式；连续式炉：振底式、输送带式、旋转罐式以及推杆式等炉型。按热源分为电加热炉和煤气加热炉。优点:质量好,效率高；缺点:渗层成分与深度不易控制。井式气体渗碳炉气体渗碳法示意图常用的渗碳剂渗碳剂气态渗剂天然气丙烷煤气等液态渗剂煤油甲醇乙醇丙酮苯等渗碳温度：900～950℃CH4→2H2+[C]（三）渗碳后的热处理淬火＋低温回火1、淬火目的：提高表面硬度、耐磨性，心部保持一定的强韧性。Ar3（心部）渗碳温度Ac3（心部）Ac1时间温度/℃淬火回火a）预冷直接淬火b）一次淬火缓冷淬火回火c）二次淬火缓冷淬火淬火回火渗碳件常用的淬火方法（1）预冷直接淬火优点是减少加热和冷却次数，操作简化，生产率提高。可减少淬火变形及表面氧化脱碳。目前本质细晶粒钢（如20CrMnTi、20MnVB等）制作的工件大都采用本法。在淬透情况下，表层组织为回火马氏体＋部分二次渗碳体＋残余奥氏体，心部为低碳回火马氏体。

（2）一次淬火淬火温度的选择应兼顾表面和心部的要求。加热温度高于心部Ac3，改善心部性能；在Ac1以上，改善表面性能。该法也仅适用于本质细晶粒钢，如合金钢和不重要的碳钢，碳钢的淬火温度比合金钢可适当低一些。常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到表面Ac1+30-50℃淬火+低温回火。第一次淬火温度Ac3以上，改善心部性能；第二次在Ac1以上，改善表面性能。仅适用于本质粗晶粒钢和使用性能要求很高的工件。缺点：因加热次数多，工艺较复杂，工件