第五章 钢的热处理

热处理：加热－保温－冷却 目的：改变材料整体或表面的组织，从而获得所需的性能

热处理的分类： 热 处 理 普通热处理 表面热处理 退火 正火 淬火 回火 表面淬火 化学热处理 火焰加热 感应加热 其它 氮化 渗碳

本章主要内容 第一节 钢在加热时的转变 第二节 钢在冷却时的转变 第三节 钢的退火与正火 第四节 钢的淬火 第五节 钢的回火 第六节 钢的淬透性 第七节 钢的表面淬火 第八节 钢的化学热处理 第九节 表面气相沉积 第十节 影响热处理件质量的因素 第十一节 热处理技术条件的标注及工序位置的安排

第五章 钢的热处理 第一节 钢在加热时的转变 奥氏体化：工件 加热 奥氏体组织

一、钢的奥氏体化 基本过程——形核、长大 以共析钢为例，分为四个阶段： a、奥氏体晶核的形成和长大 b、残余渗碳体的溶解 c、奥氏体成分的均匀化

二、奥氏体晶粒长大及其控制 （一）奥氏体晶粒度：指钢加热到相变点以上某一温度并保温给定实际所得到的奥氏体晶粒大小 标准晶粒度等级（分八级）

（二）奥氏体晶粒长大 起始晶粒度：珠光体刚刚转变为奥氏体的晶粒大小 实际晶粒度：实际加热条件下得到的奥氏体晶粒度 本质晶粒度：加热（930±10）0C、保温3～8h，冷却，与标准晶粒度等级图比较，确定的试样的晶粒度，本质晶粒度代表钢的晶粒长大倾向

（三）奥氏体晶粒度的控制 1、加热温度 2、保温时间 3、加热速度 4、钢的化学成分

第五章 钢的热处理 第二节 钢在冷却时的转变

一、过冷奥氏体的等温转变 奥氏体冷至临界温度以下处于不稳定的状态，称为过冷奥氏体 （一）过冷奥氏体 等温转变曲线

二、过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能 1、珠光体转变——高温转变 2、贝氏体转变——中温转变 3、马氏体转变——低温转变 Ms温度以下发生，M

（三）亚共析碳钢与过共析碳钢过冷奥氏体的等温转变

二、过冷奥氏体的连续冷却转变 （一）共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线及分析

（三）过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中应用

三、马氏体转变 当奥氏体的冷却速度大于钢的马氏体临界冷却速度，并过冷到Ms以下时，就开始发生马氏体转变 马氏体是碳在α－Fe中的过饱和固溶体，是单相的亚稳组织 （一）马氏体的晶体结构（非扩散型转变：晶格重组） 面心立方晶格→体心立方晶格→ 体心正方晶格

（二）马氏体的组织形态： 片状（高碳马氏体） 板条状（低碳马氏体） （三）马氏体的性能 1、马氏体的强度和硬度－取决于含碳量 含碳量↑，强度、硬度↑ 原因：过饱和碳原子→晶格畸变 →固溶强化 2、马氏体的塑性和韧性 含碳量↑，塑性、韧性↓ ↓

（四）马氏体转变的特点 基本过程：形核和长大 1、无扩散型相变 2、速度极快：无孕育期 3、发生在一定温度范围内：Ms与Mf之间，是连续冷却转变过程 马氏体转变不彻底，总有残留少量奥氏体，含碳量越高，残余奥氏体量越多。 冷处理：对要求高精度的工件，冷却到室温后，再放到零下温度的冷却介质中冷却，消除残余奥氏体，达到增加硬度、耐磨性与稳定尺寸的目的

第三节 钢的退火与正火 热处理：预先热处理和最终热处理 退火或正火目的： （1）调整钢件硬度，利于随后的切削加工 （2）消除残余应力 第五章 钢的热处理 第三节 钢的退火与正火 热处理：预先热处理和最终热处理 退火或正火目的： （1）调整钢件硬度，利于随后的切削加工 （2）消除残余应力 （3）均匀细化晶粒，改善组织 （4）为最终热处理作好组织上的准备

一、退火：加热—保温—缓冷 分类:完全退火、等温退火、均匀化退火、球化退火和去应力退火 各种退火加热温度范围和工艺曲线

（一）完全退火：亚共析钢 Ac3＋30～50 oC，保温，炉冷 目的： a、使热加工造成的粗大、不均匀的组织细化 b、消除内应力和组织缺陷 c、降低硬度，改善切削加工性能 （二）等温退火：与完全退火相同，保温，急冷至珠光体区，等温转变，缓冷 a、与完全退火相同 b、转变较易控制，获得均匀的预期组织 c、大大缩短退火时间

（三）球化退火：过共析钢 Ac1＋10～20 oC，保温，缓冷 目的： a、使网状的二次渗碳体球状化，为以后的热处理作组织准备 b、降低硬度，改善切削加工性能 （四）均匀化退火（扩散退火）：Ac3＋150～200 oC，保温10～15h，缓冷 目的:减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性 （五）去应力退火（低温退火）： Ac1－100～200 oC ，保温，炉冷 目的：消除残余应力

二、正火：加热－保温－空冷 （一）正火工艺： （二）正火后组织与性能 组织：亚共析钢：F＋S； （三）应用 加热温度：Ac3或Accm＋50～70 oC （二）正火后组织与性能 组织：亚共析钢：F＋S； 共析钢：S；过共析钢：S＋Fe3C 性能：冷却速度快，晶粒细小，强度、硬度、韧性更好 （三）应用 1、作为普通结构零件的最终热处理 2、改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性 3、作为中碳结构钢制作的较重要零件的预先热处理 4、消除过共析钢中二次渗碳体网 5、特定情况下代替淬火、回火 注：对所有零件的预先热处理，能正火不退火

第四节 钢的淬火 加热－保温－介质中冷却（发生马氏体转变 ） 目的：1、获得硬、脆的马氏体 ， 提高钢的硬度和耐磨性 第五章 钢的热处理 第四节 钢的淬火 加热－保温－介质中冷却（发生马氏体转变 ） 目的：1、获得硬、脆的马氏体 ， 提高钢的硬度和耐磨性 2、得到优异的综合力学性能 一、淬火工艺 （一）加热温度： 亚共析钢：Ac3＋30～70 oC 共析钢、过共析钢：Ac1＋30～70 oC （二）加热时间：经验公式

（1）水：主要用于截面积大,形状简单的碳钢零件的淬火 （2）油：冷却速度小于水，减少变形与开裂，一般作为合金钢的淬火冷却介质 二、淬火方法 （三）冷却介质 1、理想淬火冷却速度：C曲线鼻尖附近快冷 2、常用淬火冷却介质：水、油 （1）水：主要用于截面积大,形状简单的碳钢零件的淬火 （2）油：冷却速度小于水，减少变形与开裂，一般作为合金钢的淬火冷却介质 二、淬火方法 （一）单液淬火法：一种冷却介质,用于形状简单的工件 （二）预冷淬火法：先在空气中预冷,再投入介质中冷却，可减小内应力 （三）双液淬火法：先在冷却能力较强的介质中冷却，再转入冷却能力弱的介质中冷却，即保证获得马氏体组织，又减小淬火应力，但工艺控制难

（四）分级淬火法：在盐浴炉中保温一定时间后，出炉空冷，获得马氏体组织， 可保证工件较小的变形与防止开裂，适用于截面尺寸不大、形状复杂的工件 （五）等温淬火法：在盐浴炉中保温足够时间，发生下贝氏体转变后出炉空冷，获得下贝氏体组织，淬火内应力小，具有良好的综合力学性能，适用于处理形状复杂、尺寸较小，要求较高硬度和韧性的工件 （六）局部淬火法：只对工件需要硬化的部位进行加热淬火

第五节 钢的回火 淬火钢加热－保温－冷却 （回火一定在淬火后进行 ） 一、回火目的 1、获得工件所需的组织和性能 2、稳定工件尺寸 第五章 钢的热处理 第五节 钢的回火 淬火钢加热－保温－冷却 （回火一定在淬火后进行 ） 一、回火目的 1、获得工件所需的组织和性能 2、稳定工件尺寸 3、消除或减小淬火内应力

二、淬火钢的回火转变 （一）马氏体的分解（<200oC） 碳以ε碳化物的形式析出而发生分解，淬火内应力减小 过饱和度有所下降的α固溶体与ε碳化物组成的组织，称为回火马氏体，M回 （二）残余奥氏体的转变（200～300 oC） 马氏体→回火马氏体；残余奥氏体→下贝氏体 淬火应力进一步减小 （三）碳化物的转变 （250～450 oC） ε碳化物→Fe3C；α固溶体→铁素体；F＋Fe3C→回火托氏体T回 强度硬度↓塑性韧性↑ ，淬火应力基本消除 （四）渗碳体的球化、长大和铁素体的再结晶（450～700oC） F＋Fe3C→回火索氏体S回 （F：发生回复和再结晶，最后形成等轴晶粒，Fe3C：颗粒状） 强度硬度↓塑性韧性↑

随回火温度的升高，钢的强度硬度↓，塑性韧性↑ 三、回火转变产物的组织与性能 （一）回火后组织 1、回火马氏体（<250oC回火产物） ： α固溶体＋ ε碳化物，高碳回火马氏体强度、硬度高，塑性韧性差，低碳回火马氏体的强韧性较好 2、回火托氏体（ 300～500 oC回火产物）： F（未再结晶）＋Fe3C （片状或粒状）,弹性极限好,高弹性 3、回火索氏体（ 500～650 oC回火产物）： F（已再结晶）＋Fe3C （细粒状） 4、回火珠光体（ 650 oC ～A1 回火产物）： F（多边形）＋Fe3C （较大粒状），较好的综合力学性能 （二）回火时力学性能的变化 随回火温度的升高，钢的强度硬度↓，塑性韧性↑

（二）回火时力学性能的变化 随回火温度的升高，钢的强度硬度↓，塑性韧性↑

四、回火的种类及应用 （一）低温回火（150～250 oC） 组织：回火马氏体 目的：1、降低内应力和脆性2、保持高硬度和高耐磨性 用途：刀具、模具、滚动轴承、渗碳件、表面淬火件 （二）中温回火（350～500 oC） 组织：回火托氏体 目的：1、较高的强度、硬度，良好的塑性和韧性 2、高的弹性极限 用途：弹簧、热锻模具 （三）高温回火（500～650 oC） 组织：回火索氏体 目的：获得较好的综合力学性能 用途：汽车、机床等的重要结构零件

五、回火脆性：淬火钢在某些温度范围内回火时，钢的韧性明显下降的现象 1、低温回火脆性（第一类回火脆性）： 250～350 oC，不可逆过程，要避免发生 2、高温回火脆性（第二类回火脆性）： 450～600 oC，可逆过程 措施：1、高温回火后快冷2、加入W、Mo等合金元素

第六节 钢的淬透性 一、概念 淬透性：钢在淬火时能获得淬硬深度的能力，是钢材本身固有的属性 淬硬深度：工件表面至半马氏体区的垂直距离 第五章 钢的热处理 第六节 钢的淬透性 一、概念 淬透性：钢在淬火时能获得淬硬深度的能力，是钢材本身固有的属性 淬硬深度：工件表面至半马氏体区的垂直距离 同样条件下，淬硬深度越大，钢的淬透性越好 淬硬性：也叫可硬性，指钢在淬火后能达到最高硬度的能力，取决于马氏体的含碳量

二、淬透性对钢热处理后力学性能的影响

三、影响淬透性及淬硬深度的因素 （一）影响淬透性的因素 最主要因素是奥氏体的化学成分和奥氏体化条件 1、奥氏体化学成分（合金元素）：除钴以外的合金元素都能使钢的淬透性提高 2、奥氏体化条件：温度越高，保温时间越长，钢的淬透性越好 （二）影响淬硬深度的因素 钢的淬透性，工件的形状、尺寸和冷却介质的冷却能力等外部因素

四、淬透性的测定——端淬试验

第七节 钢的表面淬火 仅对钢的表面加热、冷却而不改变其心部组织 表层组织：马氏体；心部仍保持原状态组织 第五章 钢的热处理 第七节 钢的表面淬火 表面淬火：不改变钢表层化学成分，但改变表层组织的局部热处理方法 仅对钢的表面加热、冷却而不改变其心部组织 表层组织：马氏体；心部仍保持原状态组织 加热方式：感应加热、火焰加热、电解液加热、激光加热等

一、感应加热的基本原理 交流电的集肤效应，靠近表面的感应电流密度大，而中心几乎为0，电流频率越大，电流透入深度越小，加热层也越薄

二、感应加热表面淬火用钢及其应用 （一）适宜钢种：中碳钢和中碳合金钢 （二）应用： 1、高频感应加热表面淬火 主要采用电子管式高频发生装置，目前应用最广泛，主要用于要求淬硬层较薄的中小型零件 2、中频感应加热表面淬火 主要用于处理淬硬层要求较深的零件 3、工频感应加热表面淬火 加热采用工业频率电流，主要用于大直径钢材的穿透加热和要求淬硬层深的大直径零件 4、超音频感应加热表面淬火 主要用于齿轮等的表面淬火 （三）工艺：预先热处理（正火或调质处理）＋高频淬火＋（180～200 oC）低温回火

三、感应加热表面淬火的特点 （1）感应加热速度极快 （2）表层组织为极细马氏体，硬度高，脆性低 （3）提高疲劳极限 （4）工件表面不易氧化和脱碳，耐磨性好 （5）生产率高，且便于实现机械化和自动化 补充：火焰加热表面淬火：氧－乙炔高温火焰（～3000 oC）加热工件表面,使其快速升温,升温后立即喷水冷却 特点：工艺及设备简单、成本低，但生产率低，工件表面易过热，淬火质量不稳定 主要用于单件、小批量生产及 大型零件的表面淬火

第八节 钢的化学热处理 一、概述 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层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺 第五章 钢的热处理 第八节 钢的化学热处理 一、概述 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层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺 （一）作用 1、强化工件表面 2、保护工件表面 （二）种类 1、扩散元素是非金属 2、扩散元素是金属 （三）过程 1、介质的分解 2、表面吸收 3、原子扩散 种类：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铝等

二、钢的渗碳：钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入钢表层的工艺 （一）渗碳目的及用钢 低碳钢或低合金钢（C％＝0.1～0.25）钢件表面获得高碳，经适当淬火和回火处理后，可提高表面的硬度、耐磨性和疲劳强度 适用：同时受严重磨损和较大冲击载荷的零件，齿轮、活塞销、套筒 （二）渗碳方法：固体渗碳、液态渗碳和气体渗碳 气体渗碳应用最广 气体渗碳：基本过程：分解、吸收、扩散 工件→渗碳炉→（900~950） oC →通入煤油、煤气等渗碳气体→ 2CO→CO2+[C]（[C]：活性原子） → [C]被工件表面吸收

（四）渗碳后的组织与热处理 1、组织： 表层 → → → 心部 过共析钢组织→共析钢组织→亚共析钢组织→原始组织 2、渗碳后的热处理 （1）直接淬火法：渗碳件的心部和表层都不过热的情况下适用 （2）一次淬火法： 受载不大但表面性能要求高的零件－Ac1～Ac3 心部要求高的零件－略高于心部的Ac3 （3）二次淬火法： 机械性能要求很高的零件 工艺路线：锻造→正火→ 机加工→渗碳→ 淬火、低温回火→磨削

三、钢的渗氮（氮化）:在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面 目的：提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳极限和耐蚀性 （一）气体渗氮：氨被加热分解出活性氮原子→ 2NH3 → 2[N]+3H2 →N原子被钢吸收并溶入表面，在保温过程中向内扩散，形成渗氮层 渗氮用钢：含有Al、Cr、Mo等元素的合金钢 渗氮前调质处理，使工件综合力学性能好,心部组织为回火索氏体 特点： （1）表面高硬度和耐磨性 （2）高疲劳强度 （3）高的抗腐蚀能力 （4）渗氮后工件变形小，无需热处理 应用：耐磨性和精度都要求较高的零件，或要求抗热、抗蚀的耐磨件

四、钢的碳氮共渗：向钢的表面同时渗入碳和氮原子的过程 方法：液态碳氮共渗和气体碳氮共渗 目的：提高工件的表面硬度、耐磨性和疲劳极限

第九节 表面气相沉积 表面气相沉积：气相中的纯金属或化合物在零件表面沉积，形成具有特殊性能膜层的方法 第五章 钢的热处理 第九节 表面气相沉积 表面气相沉积：气相中的纯金属或化合物在零件表面沉积，形成具有特殊性能膜层的方法 化学气相沉积：通过气相化学反应在金属表面沉积元素或化合物层，由于沉积温度高，工件变形大，只能用于少数几种能承受高温的材料 物理气相沉积：通过真空蒸发或真空溅射等物理过程，使金属表面沉积元素或化合物层，温度低，发展较快

第十节 影响热处理件质量的因素 热处理工艺因素和工件的结构因素 一、热处理工艺因素 淬火常见的缺陷： （一）氧化和脱碳 第五章 钢的热处理 第十节 影响热处理件质量的因素 热处理工艺因素和工件的结构因素 一、热处理工艺因素 淬火常见的缺陷： （一）氧化和脱碳 氧化：在氧和氧化性气体的作用下，金属表面生成氧化皮的现象。使工件尺寸减小,表面粗糙,严重的会成为废品 脱碳：工件表面的碳被氧化，碳含量减少的现象。使表面硬度、耐磨性下降。 解决方法： 1、采用脱氧良好的盐浴炉加热 2、在可控保护气氛炉中加热 3、真空炉中加热 4、正确控制加热温度与保温时间

（二）变形与开裂 由淬火应力引起（淬火应力：热应力和相变应力） 当淬火应力超过钢的屈服极限时，引起工件变形 当淬火应力超过钢的强度极限时，引起工件开裂 解决措施： 1、合理的锻造与预先热处理 2、合理的淬火工艺 3、淬火后及时回火

第十一节 热处理技术条件的标注及工序位置的安排 第五章 钢的热处理 第十一节 热处理技术条件的标注及工序位置的安排 一、热处理技术条件的标注 热处理技术条件标注：最终热处理方法及热处理后应达到的力学性能指标（硬度值）

二、热处理工序位置的安排 （一）预先热处理的工序位置 1、退火、正火：安排在毛坯生产之后，切削加工之前 毛坯生成→退火或正火→机械加工 2、调质：粗加工之后，精加工或半精加工之前 下料→锻造→正火（或退火） →机械粗加工→调质→机械精加工 （二）最终热处理的工序位置 1、淬火 （1）整体淬火件：下料→锻造→正火（或退火） →机械粗加工、半精加工→淬火、回火→磨削 （2）感应加热表面淬火件的加工路线：下料→锻造→正火（或退火） →机械粗加工→调质→机械半精加工→感应加热表面淬火、低温回火→磨削 2、渗碳：下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火、低温回火→磨削 3、渗氮：下料→锻造→退火→机械粗加工→调质→机械精加工→去应力退火→粗磨→渗氮→精磨

本章到此结束。