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1、第五章 碳钢的热处理 Heat Treatment of Carbon Steel,前言,一、热处理的概念 通过对材料进行加热、保温、冷却的操作 方法使钢的组织结构发生变化，以获得所需性 能的一种工艺。,普通热处理：退火、正火、淬火、回火 表面淬火：火焰加热、感应加热、电接触加热、表面热处理 激光加热、等离子体加热 化学热处理：渗碳、氮化、渗V、渗B、渗Nb,二、热处理的分类,三、热处理在机械零件制造工艺中的位置,坯料 锻造热处理粗加工半精加工热处理精加工热处理（抛光）成品,热处理：称为改善材料切削加工性能热处理最佳切削硬度：HB170-230,（1）低碳钢 含有大量柔软的铁素体；切削加工性能
2、较差，易产生“粘刀”现象，影响加工面的表面质量（粗糙度），刀具寿命也受到影响，故加工前应进行正火热处理，以提高硬度，以改善加工性能。（2）高碳钢 含有较多的网状渗碳体，难以切削，应退火处理，再加工。,（3）冷加工硬化的坯料，应进行再结晶退火，以降低硬度，改善切削加工性能。热处理：改善零件机械性能热处理。正火，淬火回火，化学热处理 热处理：消除加工残余应力热处理。去应力退火、时效,四、热处理在机械制造业中的应用 汽车制造业：7080的零件需进行 热处理 机床创造业：6070的零件需进行 热处理 各种工具、轴承等：100的零件需进行 热处理,第一节钢在加热时的组织转变,一、奥氏体的形成,大多数热处
3、理工艺的加热温度都高于钢的临界点（A1），使钢具有奥氏体组织，然后以一定的冷却速度冷却，以获得所需的组织和性能。,铁碳合金缓慢加热时奥氏体的形成可以从Fe-Fe3C相图中反映出来，珠光体向奥氏体的转变属于扩散型相变。以共析钢为例，珠光体组织在A1（727）以下，组织保持不变（相中碳的溶解度及Fe3C的形状稍有变化）；当加热到A1点以上时，珠光体全部转 变为奥氏体。,奥氏体的形成过程可以分为四个步骤：奥氏体晶核的形成 奥氏体晶粒长大 残余渗碳体溶解 奥氏体成分均匀化,对于亚共析钢（过共析钢），当缓慢 加热到A1以上时，除珠光体全部转化为奥 氏体外，还有少量先共析铁素体转变为奥 氏体（过共析钢二次
4、渗碳体溶解）,随着 温度升高，先共析铁素体不断向奥氏体转 变，当温度高于A3时，组织为单相奥氏体。,二、奥氏体形成的热力学条件(略),钢加热时组织转变的动力是奥氏体与旧相之间的体积自由能之差Fv，而相变进行的条件是系统总的自由能降低。根据相变理论，奥氏体形成晶核时，系统总自由能变化F为：,F=-Fv+Fs+Fe 式中：Fs形成奥氏体时所增加的表面能 Fe形成奥氏体时所增加的应变能,由于奥氏体是在高温下形成的，其相变应变能Fe很小，可以忽略，故上式可写为：F=-Fv+Fs,显然，只有当Fv能克服因奥氏体形成所增加的表面能Fs时，珠光体才能自发地形成奥氏体，因此奥氏体的形成必须有一定的过热度T。,
5、体积自由能,温度,Fp,FA,A1,T1,Fv,奥氏体形成的热力学条件,三、影响珠光体向奥氏体转变的因素,1、温度的影响 提高温度，原子的扩散能力增大。特别 是碳原子在奥氏体中的扩散能力增大，奥氏 体的形成速率加快。,2、含碳量的影响 钢中含碳量增加，铁素体与渗碳体的相 界面总量增多，有利于加速奥氏体形成。,3、合金元素的影响 钢中加入合金元素，可影响奥氏体的 形成：强碳化物元素（减缓C的扩散，减 缓A的形成）；非碳化物形成元素加速A 形成。,4、钢组织中珠光体越细，奥氏体形成速度越 快（相界面积大）。,5、加热速度越快，奥氏体形成温度升高，形 成速度越快。,四、奥氏体晶粒度及其影响因素,1、
6、奥氏体晶粒度的概念,a、起始晶粒度：指珠光体刚刚全部转变为奥 氏体时的晶粒度。,b、实际晶粒度：指钢在具体的热处理或热加 工条件下实际获得的奥氏体 晶粒度。,c、本质晶粒度：不是指具体的晶粒大小，只 表示钢的奥氏体晶粒长大的 倾向性（易长大，还是不易 长大）。,一般将钢的奥氏体晶粒长大倾向分为两类：,如图：,2,1,930,加热温度,4级,晶粒度级别,Ac1,曲线1：随加热温度的升高，奥氏体晶粒一直长大，逐 渐粗化。,曲线2：一定温度下（Ac1）加热，奥氏体晶粒长大缓 慢，保持细小晶粒，超过一定温度（930后），奥氏体晶粒急剧长大，突然粗化。,凡是符合曲线1的钢本质粗晶粒钢,凡是符合曲线2的钢
7、本质细晶粒钢,一般钢的奥氏体晶粒度分为8级，1级最粗，8级最细。晶粒度1-4级的钢，称为本质粗晶粒钢晶粒度5-8级的钢，称为本质细晶粒钢。镇静钢为本质细晶粒钢，沸腾钢为本质粗晶粒钢。,需经热处理强化的零件一般都采用本质细晶粒钢-镇静钢制作。,2、影响奥氏体晶粒度的因素,高温下，奥氏体晶粒长大，晶界总面积减少，系统自由能降低，是自发过程。,a、奥氏体转化温度越高，晶粒越容易长大；保温时间越长，晶粒越容易长大。,b、奥氏体含碳量越高，晶粒长大的倾向 越大。,c、在钢中加入合金元素 绝大多数合金元素都阻碍奥氏体晶粒长 大，而锰、磷则会加速奥氏体晶粒长大。,第二节钢在冷却时的组织转变,通过加热使钢转变
8、为均匀的奥氏体组织后，仅完成了热处理的加热准备工作，将高温奥氏体以不同的冷却速度冷却，获得所需的组织与性能，才是热处理的最终目的。,高温奥氏体组织是稳定的，如冷却到 A1 以下，奥氏体就处于不稳定状态（过冷态），称为过冷奥氏体。,不同的过冷度，奥氏体发生转变的过程不同：转变开始与转变终了的时间不同 转变后产物的组织与性能不同,一、珠光体型转变高温转变（A1550）,1、转变过程及特点,过冷奥氏体在A1550温度范围内，将分解为珠光体类组织。,当奥氏体被过冷至A1以下温度时，在奥氏体晶界处（含碳量高）优先产生渗碳体的核心，然后依靠奥氏体不断供应碳原子（随着冷却，奥氏体溶解碳的能力下降，碳从奥氏体
9、内向晶界扩散），渗碳体沿一定方向逐渐长大，而随着渗碳体的长大，又使其周围的奥氏体碳浓度下降，这就促使贫碳的奥氏体局部区域转变成铁素体（即渗碳体两侧出现铁素体晶核），在渗碳体长大的同时，铁素体也不断长大，而随着铁素体的长大，必然将多余的碳排挤出去，这就有利于形成新的渗碳体晶核。最终形成了相互交替的层片状渗碳体和铁素体珠光体。,珠光体,转变特点：过冷奥氏体转变为珠光体是扩散型相变。,2、分类,在高温转变区形成的珠光体类组织，虽然都是渗碳体与铁素体的混合物，但由于过冷度大小不同，其片层距差别很大：,A1650,形成的组织层间距较大，在400-500倍的金相显微镜下即可分辨，称为珠光体P。,65060
10、0，形成的组织分散度较大，层间距较小，在800-1000倍的金相显微镜下才能分辨，称为索氏体S。,600550，形成的组织，层间距很小，只有在电子显微镜下放大几千倍才能分辨，称为屈氏体或托氏体T。,索氏体,屈氏体,二、贝氏体型转变中温转变（550Ms）,1、转变过程及特点,过冷奥氏体在550Ms（共析钢的Ms约230）温度范围内，转变为贝氏体类组织。,由于过冷度增大，铁原子的扩散很困难，碳原子的扩散能力也显著减弱，扩散不充分，形成渗碳体所需的时间增长。,过冷奥氏体在这一温度范围内的转变产物仍是铁素体和渗碳体的混合物，但它与珠光体有本质的区别：贝氏体转变由于冷却速度快，渗碳体已不能呈片状析出。碳
11、的扩散速度受到很大限制，部分碳来不及析出，固溶在铁素体中形成过饱和的铁素体。,上贝氏体(Upper Bainite),下贝氏体(Lower Bainite),因此，贝氏体型转变产物是:过饱和的铁素体与渗碳体的混合物。,转变特点：过冷奥氏体向贝氏体转变是一种半扩散型相变。,2、分类,贝氏体组织形态比较复杂，根据其中铁素体与渗碳体的分布形态的不同，分为上贝氏体 B上和下贝氏体B下。,上贝氏体B上：是过冷奥氏体在550350范围内的转变产物，其中过饱和铁素体形成密集而相互平行的羽毛状扁片，一排一排地由晶界伸向晶内，渗碳体呈短杆状断断续续地分布在铁素体扁片之间。,上贝氏体由于转变温度较高，渗碳体长得较
12、大,上贝氏体的组织形态决定了其强度较低，塑性、韧性较差。,下贝氏体B下：是过冷奥氏体在350Ms范围 内的转变产物。,其中过饱和的铁素体呈针片状，比较散乱地成角度分布，而极细小的渗碳体质点呈弥散状分布在过饱和铁素体内。在金相显微镜下下贝氏体呈竹叶状特征。,下贝氏体由于转变温度较低，渗碳体来不及长大，而呈质点状,下贝氏体组织具有较高的强度、硬度，良好的塑性、韧性，即具有良好的综合机械性能。,生产上常用等温淬火法来获得下贝氏体组织。,三、马氏体型转变低温转变（MsMz）,1、转变过程,当过冷度很大，奥氏体被快速冷却至Ms时，由于碳原子已无法扩散，上述珠光体或贝氏体等扩散型相变已不可能进行，奥氏体只
13、能进行非扩散型的晶格转变。碳原子来不及扩散，被完全固溶于铁素体内，形成过饱和的铁素体，这种过饱和的铁素体就是马氏体M。,所以：马氏体的含碳量与相应的奥氏体含碳量相同,室温下铁素体的含碳量仅为0.0008%,而马氏体的含碳量与奥氏体相同，故马氏体的过饱和程度很大，此时过饱和的铁素体的某些棱边被撑长，形成了体心正方晶格。,由于碳原子过饱和造成的晶格畸变严重，故马氏体具有很高的硬度，而塑性、韧性较低。,马氏体的高硬度决定了它是钢中的重要强化组织，也是淬火钢的基本组织，凡是要求高硬度、高耐磨性的零件，都需要经过淬火获得马氏体组织。,硬度HRC,含碳量%,合金元素含量,合金元素,碳,马氏体的硬度主要与含
14、碳量有关，与其他合金元素关系不大。因为合金元素在马氏体晶格中，不是处于间隙位置，而是置换了某些铁原子的位置，它对马氏体晶格歪扭和畸变的作用远不及碳的作用大。,2、分类,马氏体按组织形态分为：,a、板条状马氏体 每一马氏体的晶体呈细长的薄板条晶 片平行成束地分布，在金相显微镜下呈板 条状。,板条状马氏体,b、针状马氏体 每一马氏体晶体呈中间厚、两端薄的透 镜式晶片，在金相显微镜下呈针片状或竹叶 状。板条状马氏体主要存在于低碳钢的淬火组织中 针状马氏体主要存在于中、高碳钢的淬火组织中,片针状马氏体,3、转变特点,a、马氏体转变是非扩散型相变 由于过冷度很大，原子来不及扩散。马氏体的晶粒度完全取决于
15、原来奥氏体的晶粒度。,b、马氏体转变是变温转变,马氏体转变是从转变开始点Ms到转变终了点Mz 的一个温度范围内进行的，在某一温度下，只能形成一定数量的马氏体，保温时间的延长并不增加马氏体的数量，要使马氏体的数量增加，只能继续降温。Ms、Mz 与含碳量有关，而与冷却速度无关。,含碳量%,T,Ms,Mz,c、马氏体转变的不完全性 由于马氏体的转变终了温度Mz一般在零下几十度，所以室温下进行马氏体转变不可能获得完全的马氏体 组织，必有一定量的奥氏体组织没有转变这部分 奥氏体组织称为残余奥氏体A，即马氏体转变不完全。,残余奥氏体的存在会显著降低零件的强度、硬度以及耐磨性，此外残余奥氏体是一种不稳定组织
16、，会逐渐分解，引起零件尺寸变化，这对精密零件是不允许的。为了减少残余奥氏体的含量，可将淬火零件继续冷却到零下几十度冷处理，使残余奥氏体转变为马氏体。,残余奥氏体,第三节过冷奥氏体转变曲线图,在过冷奥氏体的转变过程中，冷却速度（过冷度）对转变有很大影响。由于冷却速度较高，因此这种相变就不再符合Fe-Fe3C相图所反映的规律。,为了弄清奥氏体在冷却过程中组织变化的全过程，找出转变温度、转变时间与奥氏体转变过程及其产物之间的相互关系和转变规律，通常采用两种方法：,一是在不同过冷度下等温测定奥氏体的转变过程，绘出过冷奥氏体等温转变曲线图,二是在不同冷却速度的连续冷却过程中测定奥氏体的转变过程，绘出过冷
17、奥氏体连续转变曲线图,一、过冷奥氏体等温转变曲线图（TTT图）,过冷奥氏体等温转变曲线图是分析过冷奥氏体的转变温度、转变时间、转变产物之间关系的曲线图，即TTT图（Temperature,Time,Transformation），又称C曲线。,1、TTT图的建立（以共析钢为例）,等温转变曲线图是用实验方法建立的。选取一组共析钢试样加热到稍高于A1温度，使其全部转变成均匀的奥氏体，然后分别快速投入不同温度的等温槽中，保持不同的时间，并观察共析钢奥氏体在不同温度下组织的变化。把转变开始与终了的时间记录下来，然后描绘在以温度为纵坐标，一时间为横坐标的图面上，把开始点与终了点分别连接起来，即可得到共析
18、钢奥氏体等温转变曲线。,2、TTT图分析,在共析钢的TTT 曲线中，高于临界点A1的区域为稳定状态的奥氏体区；左边曲线为过冷奥氏体开始转变曲线，右边曲线为过冷奥氏体转变终了线；开始线与纵坐标表之间的区域为过冷奥氏体区。终了线以右区域为转变产物区，两曲线之间为过冷奥氏体转变区（即过冷奥氏体与转变产物共存区）。,从纵坐标到转变开始点的距离（转变开始前的准备时间），叫做“孕育期”，其长短表示某一温度下过冷奥氏体的稳定程度，如550部位孕育期最短（共析钢约1秒左右）；而在700左右，孕育期大于1000 秒，故时间坐标采用对数坐标。不同钢种具有不同形状的过冷奥氏体等温转变曲线。,时间s,温度,Ms,A1
19、,550,转变起始线,转变终了线,共析钢的TTT曲线,3、影响TTT图的因素,a、含碳量的影响,亚共析钢的C曲线随含碳量的增加而右移，即过冷奥氏体的稳定性提高；过共析钢的C曲线随含碳量的增加而左移，即过冷奥氏体的稳定性降低；因此在碳钢中，以共析钢的过冷奥氏体最为稳定，C曲线处于最右端。,亚共析钢C曲线拐点上部区域多一条先共析铁素体转变曲线；过共析钢C曲线拐点上部区域多一条先共析渗碳体转变曲线。,b、合金元素的影响 除钴元素以外，其他所有合金元素溶入奥氏体后，都增加了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。,非碳化物形成元素（Ni,Si,Cu等）不改变C曲线的形状；而碳化物形成元素（Cr,W,V,Mo
20、,Ti等）使C曲线的形状也发生改变。,C、加热温度、保温时间的影响 随着加热温度的提高或保温时间的延长，奥氏体的成分更加均匀，晶粒随之长大，晶界相对减少，未溶质点（碳化物、氮化物等）也显著减少，这些因素都使奥氏体转变时形核困难，提高了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。,V1,V2,V3,Vk,V4,时间,温度,4、C曲线的应用,实际生产中，过冷奥氏体的转变大多数是在连续冷却过程中进行的，但仍可以利用C曲线估计过冷奥氏体转变情况。如图：V1V2V3Vk V4分别表示不同冷却速度的冷却曲线。,V1相当于炉冷，冷却速度约为10/min，V1与C曲线相交于710-650范围内，过冷奥氏体转变产物为10
21、0%珠光体，HRC=12V2相当于空冷，冷却速度约为10/S，V2与C曲线相割于650-600范围内，过冷奥氏体转变产物为索氏体组织，HRC=26,V3相当于油冷，冷却速度约为150/S，V3只与C曲线的转变起始线相交，表明一部分过冷奥氏体转变为屈氏体，而剩余部分过冷奥氏体随后冷却到Ms以下，转变为马氏体，从而获得屈氏体与马氏体混合组织，其HRC=45-55,V4相当于水冷，冷却速度600/S，它与C曲线不相交，而直接与Ms相交，过冷奥氏体转变为马氏体（还有小部分残余奥氏体），HRC=60-64,Vk与C曲线相切，称为临界冷却速度。它表示过冷奥氏体不转变为珠光体类产物，而直接转变为马氏体组织的
22、最小冷却速度。Vk 取决于C曲线的位置，C曲线右移，Vk降低，容易获得马氏体组织，即易淬火。,第四节 钢的退火与正火,一、退火和正火的目的 1、改善钢件的硬度，以便于进行切削加工（最佳切削硬度范围HB170-230）。2、消除残余应力，防止零件变形、开裂。3、细化晶粒，改善组织以提高零件的机械性能。4、为最终热处理（淬火、回火）做好组织上的 准备。,二、退火和正火工艺及应用 1、退火 包括：完全退火，等温退火，球化退火，扩散 退火，去应力退火。,a、完全退火（重结晶退火，退火）应用：亚共析碳钢和合金钢的铸件、锻件、热 轧型材、焊接结构目的：细化晶粒，改善组织，消除残余应力，降低 硬度，提高塑性
23、，便于切削加工。工艺：将亚共析钢加热到Ac3+30-50，保温一定 时间后，随炉缓慢冷却（或埋入沙或石灰中）到500以下，空冷。,b、等温退火 等温退火的目的与完全退火相同。由于完 全退火所需要的时间很长，尤其对于某些奥氏 体比较稳定的合金钢，往往需要数十小时甚至 数天的时间，采用等温退火可明显缩短退火时 间。,等温退火：对应于钢的C曲线上珠光体形成温度进行奥氏体的等温转变处理，而在其前后可以快速冷却。,工艺：加热过程与完全退火相同，Ac3+30-50，保温一定时间后，开炉门较快速冷却到稍 低于A1的某一温度（550-700），在该温 度下保温到奥氏体完全转变为珠光体，然 后空冷。,优点：（）
24、缩短了退火时间（）可以较好地控制组织与硬度（通过选择保温温度）（）工件氧化、脱碳倾向较小,c、球化退火（不完全退火）应用：过共析碳钢和合金钢的刀具、模具、量具、轴承等零件。目的：降低硬度，改善切削加工性，为最终 淬火作准备。,过共析组织为珠光体和网状的二次渗碳体。由于网状二次渗碳体的存在，增加了钢的硬度和脆性，不仅给切削加工带来困难，而且会引起淬火时工件产生变形和开裂。,球化退火工艺：将过共析钢加热到Ac1+30-50，保温后，缓 慢冷却。,由于加热到Ac1+30-50，此时未溶的渗碳体小质点可作为冷却时渗碳体析出的核心，使渗碳体发生球化，变成球状或粒状渗碳体长大，故称为球化退火。,由于加热温
25、度在Ac1+30-50，钢组织没有全部奥氏体化，故称为不完全退火。,经过球化退火的过共析钢，可获得铁素体与球状渗碳体的混合组织，叫做“球化体”，HB163。有的钢种一次球化退火难以达到球化目的，可采用循环退火法（或称周期退火法）进行球化。,Ac1,T,T,Ac1,球化退火,循环退火,s,d、去应力退火去应力退火又叫消除内应力退火，低温退火。目的：主要用于消除铸件、锻件及焊接件、热轧件的内应力。否则，会引起钢件 在一定时间后产生变形，降低耐蚀性。,去应力退火工艺：将钢件随炉缓慢加热（100-150/小时），到500-600（A1），经过一段时间保温后，随炉缓慢冷却（冷速50-100/小时）到30
26、0-200以下出炉。,e、扩散退火 目的：是利用高温下原子具有较强的扩散 能力，来减轻或消除钢中化学成分 不均匀现象。由于加热温度高，晶 粒也会因此长大，所以扩散退火后，往往要经过一次完全退火来细化晶 粒。,扩散退火工艺：把钢加热到高于Ac3或Accm 的温度(约1050-1250)，保温较长时间（约10-20小时），然后缓冷。扩散退火主要用于合金钢，尤其是高合金钢的钢锭及铸件。,三、正火工艺及应用,1、定义 所谓正火是指把钢加热到Ac3（亚共析 碳钢）或Accm（过共析碳钢）以上30-50，保温一定时间，随后在空气中冷却。,2、目的 对于亚共析钢，正火的目的与退火相同，主要是 细化晶粒，由于
27、正火冷却速度较快，得到的珠光体组 织较细，且与退火相比，铁素体数量较少（冷速快，铁素体析出少），故碳钢正火处理后强度、硬度均高 于退火处理。对于过共析钢，正火用于消除网状渗碳体。由于 冷速较快，析出的二次渗碳体较小（冷速快，渗碳体 来不及长大），且不易形成连续的网络。,3、正火工艺的主要应用范围：a、用于普通零件作为最终热处理b、用于中、低碳结构钢，作为预先热处理，便 于切削加工c、用于过共析钢，可抑制或消除网状二次渗碳 体的形成，以便在进一步的球化退火中获得 良好的球化体，为淬火做好组织上的准备。,正火比退火生产周期短，耗能低，操作简便，故一般尽可能用正火代替退火，常用中低碳钢的钢材都以正火
28、状态交货。,第五节 钢的淬火 将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上30-50，经保温后，快速冷却获得马氏体的热处理操作称为淬火。,一、淬火的目的1、提高钢的硬度及耐磨性（如工具、轴承等要求 高耐磨性的零件）2、获得良好的综合机械性能（中碳钢经淬火+高温 回火可获得强、韧兼备组织；各种弹簧都要求 强度高、弹性好，一般用高碳钢制作，经淬火+中温回火后，弹性大大提高）3、获得特殊物理、化学性能（许多不锈钢、耐热 钢零件，淬火后可使耐腐蚀、耐热性能提高）。,二、淬火温度的确定 1、亚共析钢 合适的淬火温度为：Ac3+30-50 淬火组织为：马氏体 温度太低（低于Ac3）则淬火后组织中出
29、现 铁素体，导致硬度、耐磨性下降 温度太高，则获得粗大的马氏体组织，钢的 性能恶化，同时引起钢件严重变形。,2、过共析钢 合适的淬火温度为：Ac1+30-50 淬火组织为：马氏体+粒状二次渗碳体 由于渗碳体的硬度高与马氏体，所以当二次渗 碳体以粒状弥散分布于马氏体基体之上时，可 以提高组织的硬度和耐磨性弥散强化,马氏体球状渗碳体,淬火加热温度过高，不仅会得到粗大的马氏体组织，还会引起零件严重的变形甚至开裂，而且由于二次渗碳体随着加热温度的升高会大量溶入奥氏体中，使得Ms、Mz 降低，从而增加了组织中残余奥氏体的含量，影响淬火硬度和耐磨性。淬火温度过低，Ac1则得不到马氏体组织。,对于合金钢，由
30、于奥氏体晶粒长大倾向受到合金碳化物等的抑制，故可适当提高淬火温度。（TC曲线右移）,三、加热、保温时间的确定原则：既要保证工件表面和心部都达到指定的加 热温度，又要保证组织转变充分进行和化 学成分扩散均匀，同时不能使A 晶粒长大。适当的保温时间，对于保证钢的淬火质量，提高劳动生产率很重要。,四、淬火冷却介质,淬火时，通过快速冷却，使奥氏体转变为马氏体，这一过程体积膨胀，内应力很大，所以要使零件在不淬裂、变形小的前提下淬成马氏体，并不是一件容易的事。,根据C曲线，淬火时，要求在650-400范围内快速冷却，以避过C曲线拐点部位，使奥氏体不发生高温、中温组织转变；而冷却到300以下、Ms附近时，则
31、希望冷速慢一些，以免产生太大的内应力导致零件变形、开裂。,最常用的淬火冷却介质是水、油、硝盐浴或碱浴。,水：高温区冷却速度很大，但低温区冷却速度 也大，能淬硬，但易淬裂。油：高温区冷速较低，低温区冷速较合适，淬 不裂，但可能淬不硬且价格高、易燃。碱浴：高温区冷速比水弱，比油强，低温区比 油弱。盐浴：高温区冷速比水弱，比油略弱，低温区 比油弱。,五、常用淬火方法 由于实际冷却介质不能满足淬火要求，所以必须从淬火方法上加以弥补。,1、单液淬火法（普通淬火法）将加热后的钢件放入一种淬火冷却介质中 冷却。单液淬火法操作简单，易实现自动化操作，但存在明显缺点：水淬易变形、开裂；油淬硬 度不足，只适用于形
32、状简单的工件。,2、双液淬火法（水淬油冷法）对于形状复杂的高碳钢零件，为了防止淬火后产生过大的变形或开裂，可在水中淬火至Ms附近，然后立即放入油中（或空气）继续冷却，故双液淬火法又称水淬油冷法。用这种方法既能淬硬，又能防止淬裂。缺点：对操作技术要求较高。适用于高碳钢形状复杂的零件。,3、分级淬火法 不管是单液淬火法，还是双液淬火法，都 存在零件表面与心部温差较大，易产生较大的 热应力导致零件变形、开裂的问题，分级淬火 法能很好地解决这个问题。,所谓分级淬火法就是：先将加热好的零件淬 入温度稍高于 Ms 的盐浴或碱浴中，保持一定时 间，使零件表面与心部的温度均匀并与热浴一致，然后取出空冷，在热浴
33、中停留的时间以不发生奥 氏体中温转变为宜。缺点：冷却能力较低，只适用于小尺寸零件。,4、等温淬火法 将加热好的零件淬入温度稍高于 Ms 的盐 浴或碱浴中，保温足够的时间，使奥氏体等温 转变为下贝氏体组织，然后空冷至室温。等温淬火法可获得强、韧兼备的组织，且 零件的内应力可减低到最小程度，不易变形。缺点：生产周期长，仅适用于形状复杂的小零件。,5、局部淬火法 有些零件只需要局部硬度高、耐磨性好，因此可进行局部淬火，以避免其它部位产生 变形或开裂。局部淬火法包括：局部加热淬火法 局部冷却淬火法,6、冷处理 高碳钢、合金钢的Mz都在零下几十度，为了减少残余奥氏体的数量，可在淬火后进 行冷处理，即加热
34、零件淬火至室温后，再放 入低温槽中继续冷却，使残余奥氏体转变为 马氏体。冷处理介质：干冰（-80）、液化乙烯（-107）、液氮（-192）冷处理的目的：稳定尺寸，提高硬度。,第六节 钢的淬透性一、什么叫淬透性 钢在淬火过程中，沿工件截面各处的实 际冷却速度是不同的，表层的实际冷却速度 总大于内部，而中心部的冷却速度最低。,如果表层的冷却速度大于临界冷却速度Vk，而心部的冷却速度低于临界冷却速度，则表层获得马氏体表层与心部之间依次为马氏体、屈氏体、索氏体、珠光体，也即钢仅被淬火到一定深度。如果心部的冷却速度也大于临界冷却速度Vk，则沿工件截面均获得马氏体组织，即钢被淬透。,屈氏体马氏体,所谓钢的
35、淬透性是指:钢在淬火冷却时，获得淬透层深度的能力（获得马氏体层厚度的能力）。,如何定义淬透层深度：从表层马氏体到半马氏体（50%马氏体）处的深度。获得马氏体层的厚度越大，即淬透层深度越大，钢的淬透性越好。,注意：钢的淬透性与淬硬性是两个不同的概念。淬硬性是指钢在淬火后所能获得的最大硬度值。它主要取决于含碳量，含碳量越高，淬硬性越大，但淬硬性的钢淬透性不一定好，钢的淬透性受很多因素的影响。,HRC,b,0.2,Ak,HRC,b,0.2,Ak,淬透件,未淬透件,二、淬透性对钢机械性能的影响 1、对机械性能的影响 将淬透性不同的两种钢制成直径相同的轴,进行淬 火+高温回火热处理（调质），其中一件完全
36、淬透，另 一件未淬透，两者的机械性能比较见图：,s/b,(RM-RQ)，HRC,2、淬火不完全程度与屈强比的关系 如图，（RM-RQ）表示淬火不完全程度，HRC RM表示淬火最高硬度（100%马氏体硬度），HRC RQ表示淬火的实际硬度，HRC(RM-RQ)越大，表示淬火不完全程度越大 可见，(RM-RQ)越大，s/b越小，对材料强度的利 用率越低（零件在工作中不允许出现塑性变形）。,-1,100%马氏体,20%马氏体,3、淬火钢中马氏体含量对回火后钢的疲劳极限的影响 淬火后马氏体含量越高，回火后钢的疲劳极限越高综上：零件截面尺寸越大，淬透性对机械性能的影响越大。,三、影响钢淬透性的因素 影响
37、钢淬透性的决定因素是临界冷却速 度Vk，Vk越小，淬透性越大。临界冷却速度与C曲线的位置有关，C曲 线越右，Vk越小。,1、含碳量的影响亚共析钢，C%C曲线右移Vk淬透性过共析钢，C%C曲线左移Vk 淬透性碳钢中以共析钢的淬透性最好。2、合金元素的影响 除Co以外，其它合金元素都使C曲线右移，Vk，淬透性提高，故合金钢的淬透性大大高于碳钢。,3、奥氏体化温度的影响 提高温度或延长保温时间，可使 C曲线 右移，Vk，淬透性提高，但作用有限，因 为奥氏体晶粒会长大。,五、机械零件设计中对钢淬透性的考虑（选材）1、重要零件，要求表面与心部机械性能一致，应选用淬透性好的钢材。2、对心部机械性能要求不高
38、的零件，可选用 淬透性低的钢材（便宜）。3、焊接件，不能采用淬透性高的钢材。防止 焊缝出现淬火组织脆、裂纹。,4、小尺寸试样的性能数据，不能用于大尺寸工 件的强度计算。5、淬透性低的大尺寸零件，淬火应安排在切削 加工之后进行。6、碳钢的淬透性很低，设计大尺寸零件时，应 采用正火工艺代替调质处理，以防止淬不透。二者的性能相差不大，但成本相差很大,第七节 钢的回火,一、回火的概念 将淬火钢件重新加热到A1以下某一温 度，经保温，冷却到室温的操作，称为回火。,二、回火的目的 淬火后钢的组织为马氏体、残余奥氏体、过共析钢还有少量渗碳体，而马氏体组织硬 度高，脆性大，组织不稳定，且淬火后钢件 存在较大的
39、内应力，易导致钢件变形、开裂，故淬火后应及时进行回火。通过回火，马氏体、残余奥氏体可转变 为比较稳定的组织，内应力也被消除，组织 脆性降低，零件尺寸稳定。,三、淬火钢回火时组织与性能的变化,（一）马氏体的分解,从室温到200左右范围内回火时，马氏体中一部分过饱和的碳以极细小的-碳化物（FexC或Fe2.4C）形式析出，并分布在马氏体基体上，使马氏体中的含碳量下降，体心正方的正方度c/a 减小（即过饱和程度降低），使马氏体的脆性下降，硬度稍降。,此时组织为：过饱和程度稍低的马氏体和极细小的-碳化物组成的混合组织，称为“回火马氏 体组织”，M回。-碳化物：是一非平衡相，是向Fe3C转变 的过渡相。
40、,（二）残余奥氏体的转变,约在 200-300，马氏体继续分解的同时，残余奥氏体也发生转变，变成了下贝氏体组织。此时主要组织仍是回火马氏体，但由于加热温度较高，马氏体的过饱和程度进一步降低，组织的硬度降低，塑性提高。由于残余奥氏体转变为硬度较高的下贝氏体，因此钢的硬度下降不大。此时组织为“回火马氏体+下贝氏体”。,（三）渗碳体形成和铁素体恢复,约在300-400之间，固溶体中过饱和 的碳逐渐析出，-碳化物转变为稳定的较小 的Fe3C颗粒，固溶体中的含碳量几乎达到 平衡成分，故马氏体变成铁素体（c/a1），体心正方晶格变成体心立方晶格。此时组织为：“铁素体与弥散在其中的细粒状渗碳体的混合 物”,
41、称为“回火屈氏体”，T回。,（四）渗碳体的聚集长大和铁素体的再结晶,约在400-650 之间，渗碳体不断聚集长 大，内应力与晶格歪扭完全消除，组织是由铁 素体和球化的渗碳体所组成的混合物，称为“回 火索氏体”，S回。此时，碳固溶强化作用消失，强度取决于 Fe3C质点的尺寸和弥散度。回火温度越高，渗 碳体质点越大，弥散度越低，强度越低。,回火索氏体组织具有良好的综合机械性能，即强、韧兼备。,回火组织较正火组织具有较高的强度、韧性。,若继续升温到650以上，渗碳体继续粗化，组织变为强度更低的球状珠光体组织，综合机械性能下降，一般不用。,四、回火的分类 低温回火：150-250 组织为M回 硬度：H
42、RC58-64 中温回火：350-500 组织为T回 硬度：HRC35-45 高温回火：500-650 组织为S回 硬度：HRC23-35 淬火+低温回火工具、量具、轴承等，提高硬度、耐 磨性 淬火+中温回火各种弹簧，提高s/b 淬火+高温回火调质，轴、齿轮、交变载荷零件，综 合机械性能,注：在250-350范围内回火很少使用，因为在此温度范围内，从马氏体中析出的碳化物呈细片状，从而引起钢的脆性，称为低温回火脆性。当温度超过350，碳化物转变为颗粒状的Fe3C，钢的韧性恢复。,其它回火：某些高合金钢在640-680进行回火软化。某些精密零件（如量具），为了保持淬火 后的高硬度，又要保持尺寸稳定
43、性，仅在 100-150进行长时间回火（10-50h），称为“尺寸稳定处理”或“时效处理”。,第八节 钢的表面淬火,承受交变载荷、冲击载荷的零件，表面比心部承受较高的应力，且表面由于受到磨损、腐蚀等，故零件表面失效较快，需进行表面强化，使零件表面具有较高的强度、硬度、耐磨性、疲劳极限、耐腐蚀性；而心部仍保持足够的塑性、韧性，防止脆断，即具有“外硬内韧”组织。,一、表面淬火的概念,表面淬火是通过对钢件表面快速加热与立即冷却相结合，在零件表面获得淬火马氏体层的热处理方法。,快速加热使钢表面很快达到淬火温度，迅速冷却使热量不能传递到零件中心，这样零件表面被淬成马氏体组织，而心部仍为未淬火组织，从而获
44、得“外硬内韧”组织。,二、表面淬火用钢 表面淬火用钢的含碳量以 0.40%-0.50%为宜(中碳钢),因为含碳量太高,尽管表面淬硬 性增大,但心部塑性降低;而含碳量太低,尽管 心部塑、韧性提高,但表层淬火硬度不足。（这也是物理热处理的局限性：简单但作用有限）,三、表面淬火的分类 根据加热方式的不同，表面淬火可分为：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 激光加热表面淬火 等离子体加热表面淬火 工业上使用最多的是,第九节 钢的化学热处理,表面淬火，钢材的合适含C量为0.40.5%。由于表层性能与心部性能矛盾“外硬内韧”，只能选用中碳钢来制作，虽然既照顾了“外硬”，又兼顾了“内韧”
45、，但“外硬”与“内韧”的水平都不高。,要解决这一问题，可以采用化学热处理的方法。化学热处理与物理热处理最大的区别是前者改变了钢的化学成分。,一、化学热处理及分类,1、化学热处理,将零件置于一定介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入零件表层，以改变表层的化学成分和组织，从而使零件表层具有所需的特殊性能。,2、分类 按渗入元素的不同，化学热处理分为：渗碳、氮化、碳氮共渗、渗金属（钒、铌）。,3、化学热处理进行的必要条件,a、材料本身对欲渗的活性原子具有一定的溶解 度，或具有与活性原子形成化合物的能力。b、渗入的原子必须具有化学活性和较大的扩散 能力。,4、化学热处理的基本过程 a、将钢材和介质加
46、热到高温，以提高对活性 原子的溶解度，提高活性原子扩散能力；同时介质在高温下分解，产生活性原子。b、活性原子被钢吸收，并由表及里扩散，在 表层（扩散层）形成固溶体或化合物,二、钢的渗碳,1、渗碳：是向钢表层渗入碳原子的过程。,2、渗碳目的：提高钢表层的含碳量，经热处理后，使表层具有高硬度，高耐磨性，而心部 仍保持一定的强度，较高的塑、韧性。,3、渗碳钢材：采用低碳钢，低碳合金钢（零件心部塑、韧性很好）如：15、20、20Cr、20CrMnTi,4、渗碳工艺的分类 按所用渗碳介质的不同，分为：气体渗 碳、固体渗碳、液体渗碳、等离子体渗碳。,5、气体渗碳,a、原理：900950 CH4 C+2H2
47、 2CO C+CO2 CO+H2 C+H2O 活性C溶入高温奥氏体（面心立方），然后向内部扩散。,b、影响渗碳过程的因素,加热温度 加热温度越高，渗碳速度越大，扩散层 厚度越大；但温度过高，会引起晶粒长大，零件变形严重。一般为Ac3+5080，即：900950。,保温时间 保温时间越长，获得的渗碳层厚度越大，但达到一定厚度后，渗碳层的厚度随时间的延长变化不大。,c、渗碳后的热处理,零件渗碳后，应进行热处理“淬火+低温回火”,热处理组织：表面为:回火马氏体M回+粒状渗碳体（过共析钢），HRC5862。,心部组织根据钢的淬透性：低碳钢20：F+P HRC1015 低合金钢20CrMnTi:低碳M回+F HRC3545,d、渗碳浓度的控制 为了保证零件表层的机械性能，一般渗碳 后表层含碳量控制在0.851.05%范围内。含碳量过低，表层硬度低，耐磨性差；含 碳量过高，表层出现大量渗碳体，引起脆性、剥落，同时残余奥氏体含量增加，影响耐磨性 及疲劳强度。,e、渗碳零件的加工工艺路线 坯料锻造正火机械加工渗碳淬火 低温回火精加工成品。,
