登云科技职业学院 ——机电系

热处理：将固态金属或合金进行加热、保温和冷却，改变内部组织以获得所需要性能的工艺方法。 第五章 钢的热处理 热处理：将固态金属或合金进行加热、保温和冷却，改变内部组织以获得所需要性能的工艺方法。 目的：改善钢（工件）的力学性能或工艺性能； 作用：充分发挥材料的性能潜力，提高零件加工性或质量，延长零件寿命； 特点:改变零件或毛坯的内部组织和力学性能,而不改变形状和尺寸。 应用：十分广泛。机床60％～70％，汽车和拖拉机70％～ 80％，量具、刀具、模具级轴承100％的零件需热处理.

热处理的分类：

热处理车间 热处理炉

（a）冷却水槽 （b）冷却油池 冷却设备

热处理都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的。可以用热处理工艺曲线表示。如图5-1 图5-1 热处理曲线

热处理平衡转变的相变温度 PSK线——A1线；GS线——A3线；ES线——Acm线。加热时的各相变点 Ac1、Ac3、Accm；冷却时的各相变点 Arl、Ar3、Arcm。如图5-2 图5-2 实际加热和冷却时铁碳相图上各相变点的位置

奥氏体形核 奥氏体核长大 残余渗碳体溶解 奥氏体成分均匀化 1.奥氏体的形成过程 ：形核及长大。通过四个阶段完成。如图5-3 （1）奥氏体晶核的形成 （2）奥氏体晶核的长大 （3）残余渗碳体的溶解 （4）奥氏体的均匀化 图5-3 共析钢中奥氏体形成过程示意图 奥氏体形核 奥氏体核长大 残余渗碳体溶解 奥氏体成分均匀化

1.孕育期：共析钢加热到Ac1点以上某一温度，奥氏体并不是立即出现，而是需要保温一段时间才开始形成，这段时间称为孕育期。 2.影响奥氏体转变速度的因素 （1）加热温度　加热温度越高，奥氏体的形成速度越快。 （2）加热速度　加热速度越快，转变温度越高，转变时间越短，转变速度越快。 （3）钢的原始组织　原始组织越细，晶核的形成速度就越快，形成速度较快。 三、奥氏体晶粒长大及其影响因素 1.奥氏体晶粒度：两种表示方法：用晶粒的平均尺寸表示；另一种是用晶粒度N来表示。晶粒度分8级

奥氏体起始晶粒，奥氏体起始晶粒度，实际晶粒，实际晶粒度，本质晶粒度，本质粗晶粒钢，本质细晶粒钢 2.奥氏体晶粒的长大 奥氏体起始晶粒，奥氏体起始晶粒度，实际晶粒，实际晶粒度，本质晶粒度，本质粗晶粒钢，本质细晶粒钢 3.影响奥氏体晶粒长大的因素 （1）加热温度和保温时间　加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒长得越大。 （2）加热速度　当加热温度确定后，加热速度越快，奥氏体晶粒越细小。 （3）合金元素　除锰、磷外，大多数合金元素均能不同程度的阻碍奥氏体晶粒的长大。

过冷奥氏体：在孕育期内暂时存在的、处于不稳定状态的奥氏体。 生产中采用的冷却方式 等温冷却和连续冷却两种。如图5-4 奥氏体的组织转变方式：等温冷却转变，连续冷却转变。 图5-4过冷奥氏体冷却曲线 1.等温冷却 2.连续冷却

1.过冷奥氏体等温转变 曲线的建立 如图5-5 2.过冷奥氏体等温转变 曲线的分析 鼻尖：冷奥氏体最不稳 定，转变速度最快的温度。 图5-5 共析钢C曲线及转变产物

1.高温转变（珠光体型转变） 在A1~550℃之间，由层片状的铁素体和渗碳体组成的，属于扩散型转变。 ①珠光体 在A1~650℃形成的组织，用 “P”表示，珠光体片间距较大。 ②索氏体 在650~600℃形成的组织，称为索氏体（或细珠光体），用 “S”表示。 ③托氏体 在600~550℃形成的组织，称为托氏体（或极细珠光体），用 “T”表示。 2.中温转变（贝氏体型转变）　550℃~Ms。组织是含碳量过饱和的铁素体与碳化物组成的机械混合物，属于贝氏体型组织，用 “B”表示。属于半扩散型转变。

①上贝氏体 在550~350℃形的，由大致平行的轻微过饱和碳的铁素体片和短棒状（或短片状）的碳化物组成。 ①上贝氏体 在550~350℃形的，由大致平行的轻微过饱和碳的铁素体片和短棒状（或短片状）的碳化物组成。 上贝氏体组织塑性较低，脆性较大，无实用价值。 ②下贝氏体 在350℃~Ms温度范围内形成的，由含碳过饱和的针片状铁素体和铁素体片内弥散分布的碳化物组成。 下贝氏体组织具有较高的强度、硬度，同时具有良好的塑性和韧性。常用等温淬火的方法获得。 3.低温转变（马氏体型转变） 在Ms线以下，过冷奥氏体将转变成马氏体组织。马氏体的组织形态 板条状马氏体和片状马氏体。 4.影响C曲线的因素： 主要因素有奥氏体的成分及奥氏体化条件。 （1）奥氏体成分的影响

①含碳量的影响 亚共析钢的C曲线随含碳量的增加向右移动，过共析钢的C曲线则随碳的质量分数的增加向左移动。 v1相当于随炉冷却，奥氏体将转变为珠光体组织； v2相当于在空气中冷却，奥氏体将转变为索氏体组织； v3相当于油冷的部分奥氏体将转变为托氏体，剩余的奥氏体冷却到Ms线以下转变为马氏体组织； v4是相当于水冷的速度，转变产物为马氏体+残余奥氏体；

一、钢的退火和正火 退火：将钢件加热到一定温度，并保温一定时间，然后进行缓慢冷却的热处理工艺。 1.退火的目的 ①降低硬度，改善工件的切削加工性能； ②消除残余应力，防止工件的变形与开裂； ③细化晶粒，改善组织，以提高钢的力学性能，并为最终热处理做好组织上的准备。 2.退火的分类与应用 （1）完全退火 将亚共析钢件完全奥氏体化（加热至Ac3以上30～50℃）后，随之缓慢冷却。为提高生产率，随炉冷至600℃左右，工件出炉空冷。如图5-7

缺点：时间长，对于比较稳定的合金钢，退火需要几十个小时。 应用：亚共析钢的铸件、锻件、 热轧型材和焊接件。 作用：降低钢的硬度，便于切削加工；消除残留应力，稳定工件尺寸，以防变形或开裂；细化晶粒，改善组织，以提高力学性能和改善工艺性能，为最终热处理（淬火、回火）作好组织准备。 缺点：时间长，对于比较稳定的合金钢，退火需要几十个小时。 应用：亚共析钢的铸件、锻件、 热轧型材和焊接件。 图5-7 完全退火工艺图及加热温度范围

二者目的相同，但等温退火转变易控制，所用时间比完全退火缩短约1 /3，并可获得均匀的组织和性能。 （2）等温退火工艺：为缩短完全退火时间，常采用等温退火工艺。将钢件加热到Ac3（或Ac1）点以上，保温适当时间后，较快冷却到珠光体转变温度区间的适当温度并等温保持，使奥氏体转变为珠光体类组织，然后在空气中冷却的退火工艺。如图5-8 二者目的相同，但等温退火转变易控制，所用时间比完全退火缩短约1 /3，并可获得均匀的组织和性能。 图5-8 高速钢等温退火工艺曲线

（3）球化退火：将共析钢或过共析钢加热到Ac1点以上20～30℃，保温一定时间后，随炉缓冷至室温，或快冷到略低于Ar1温度，保温后出炉空冷，使钢中碳化物球状化的退火工艺。如图5-9.球化退火适用于共析钢和过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢和轴承钢多采用球化退火作为预备热处理。 图5-9 球化退火温度范围及工艺曲线

（4）均匀化退火（扩散退火）：将铸锭、铸件或锻坯加热到高温（钢熔点以下100～200℃）在此温度长时间保温（lO～15h），然后缓慢冷却，达到化学成分和组织均匀化。如图5-10 均匀化退火后，钢的晶粒过分粗大， 还要进行完全退火或正火。均匀化 退火时间长，耗费能量大，成本高。 主要用于要求质量高的合金钢铸锭 和铸件。 图5-10 扩散退火温度范围

（5）去应力退火：将钢加热到略低于A1温度（500～600℃），保温一段时间，随炉缓慢冷却或随炉缓冷至300～2OO℃出炉空冷。如图5-11 目的：去除工件塑性变形加工、切削加工或焊接造成的应力，以及铸件内存在的残留应力。 由于加热温度低于A1，点，不发 生组织的变化（相变），只是消 除内应力。 用于消除工件中的残留应力。 可消除50％～80％应力，对 形状复杂及壁厚不均匀的 零件尤为重要。 图5-11 去应力退火温度范围

正火：将钢加热到Ac3或Accm以上30～50℃，保温一段时间，随后在空气中冷却。如图5-12 正火与退火的区别：正火冷却速度稍快，得到的组织较细小，强度和硬度有所提高，操作简便，生产周期短，成本较低 目的：对于低碳钢和低碳的合金钢经正火后，可提高硬度，改善切削加工性能（170～230HBS范围内金属切削加工性较好）；对于中碳结构钢制作的较重要件，可作为预先热处理，为最终热处理作好组织准备；对于过共析钢，可消除二次渗碳体网，为球化退火作好组织准备；对于使用性能要求不高的零件，以及某些大型或形状复杂的零件，当淬火有开裂危险时，可采用正火作为最终热处理。

图5-13 几种退火和正火温度范围及热处理工艺曲线

淬火：将钢件加热至Ac3或Ac1以上某一温度，保温后以适当速度冷却，获得马氏体和(或)下贝氏体组织的热处理工艺。 1

①淬火加热温度选择以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则, 淬火后获得均匀细小的马氏体组织。 ②淬火温度主要根据钢的临界点确定，亚共析钢通常加热至Ac3以上30～50℃，可获得均匀细小的马氏体和少量残余奥氏体组织。如图5-14 如果淬火温度过高，则将获得粗大马氏体组织，同时引起钢件较严重的变形。如果淬火温度过低，则在淬火组织中将出现铁素体，造成钢的硬度不足，强度不高。 共析钢、过共析钢加热至Ac1以上30～50℃，可获得均匀细小的马氏体和少量残余奥氏体组织。 合金钢：大多数合金元素阻碍奥氏体晶粒长大(Mn、P除外)，淬火温度允许比碳钢稍微高一些，使合金元素充分溶解和均匀化，取得较好淬火效果。

4.淬火加热时间：淬火加热保温时间 淬火加热保温时间是指从炉温指示仪表达到规定温度至工件出炉之间的时间。 4.淬火加热时间：淬火加热保温时间　淬火加热保温时间是指从炉温指示仪表达到规定温度至工件出炉之间的时间。 经验公式ｔ=α×D t加热时间，min；α加热系数，min/mm；D工件的有效厚度，mm 5.淬火冷却介质：工件进行快速冷却时所用的介质。 1）理想的淬火冷却方式：应具有图5-15示的冷却曲线，即只在C曲线鼻部附近快速冷却，而在淬火温度到650℃之间以及Ms点以下以较慢的速度冷却。 Ⅰ.在达到C曲线的“鼻尖”附近，即在550-650℃温度范围内以极快的冷却速度，迅速冷却到“鼻尖”以下，以避开C曲线的“鼻尖”。 Ⅱ.在650℃以上或在400 ℃以下，过冷奥氏体稳定，这两个阶段应尽量减慢冷却速度，以减少淬火应力 Ⅲ.特别在Ms（300～200℃）点附近发生马氏体转变时，尤其不应快冷，否则容易造成变形及开裂

图5-15 理想淬火冷却曲线

6.淬火方法 工业上常用的淬火方法有： ①单液淬火法 ②双液淬火法 ③分级淬火法 ④等温淬火法 局部淬火法 冷处理 2）生产中常用的淬火冷却介质 （1）水及水溶液 （2）油　机械油、变压器油、柴油、植物油等。 6.淬火方法 工业上常用的淬火方法有： ①单液淬火法 ②双液淬火法 ③分级淬火法 ④等温淬火法 局部淬火法 冷处理 如图5-16 图5-16 钢常用的淬火方法

7.钢的淬透性：钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。它是钢本身固有的属性。 淬硬性：钢在淬火后所能达到最高硬度的能力。淬硬性主要取决于马氏体的含碳量，而合金元素对淬硬性没有显著影响 。 淬硬深度：从工件的表面到半马氏体层（体积分数为50％的马氏体＋体积分数为50％的托氏体）的深度。淬硬层的深度越大，则钢的淬透性越高。如图5-17 图5-17 钢的淬透层

影响淬透性的因素：与马氏体临界冷却速度有关，过冷奥氏体的稳定性越高，临界冷却速度越小，钢的淬透性越好。 三、钢的回火 回火：将淬火后的工件重新加热到A1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。 1.回火的目的 1)获得工件所需要的力学性能； 2）稳定工件尺寸 ； 3）减少或消除淬火内应力。 2.淬火钢在回火时的转变 1）马氏体的分解（≤200℃） 这一阶段的回火组织是由过饱和度较低的α固溶体和ε碳化物所组成的——回火马氏体。

2）残余奥氏体的分解（200~300℃） 残余奥氏体的回火转变产物与过冷奥氏体的转变产物相同，即在不同温度下可转变为马氏体、贝氏体和珠光体组织。 3）碳化物的转变（250~450℃） 250℃以上回火时，ε碳化物将逐渐转变为稳定的渗碳体组织，到450℃时全部转变为高度弥散分布的渗碳体。α固溶体中的含碳量已降到平衡含量而成为铁素体，但其形态仍为针状。由针状铁素体和高度弥散分布的渗碳体组成的组织——回火托氏体。 4）渗碳体的聚集长大和铁素体的再结晶（450~700℃） 450℃以上，在渗碳体球化、长大的同时，铁素体在500~600℃开始再结晶，铁素体由板条状或针状转变为多边形晶粒。这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织——回火索氏体 。

3.回火的分类及应用 1）低温回火（150~250℃） 组织为回火马氏体。 目的是在保持淬火钢高硬度和高耐磨性的前提下，降低淬火内应力和脆性，提高塑性和韧性。主要用于高碳钢和合金钢制作的切削刃具、量具、冷冲模具、滚动轴承、渗碳件以及表面淬火零件等，回火后的硬度一般为58~64HRC。 2）中温回火（350~500℃） 组织为回火托氏体。 目的是获得高的屈服强度、弹性极限和较高的韧性。 主要用于各种弹性元件和热作模具的处理，回火后硬度一般为35~50HRC。 3）高温回火（500~650℃）组织为回火索氏体。 目的是要获得强度、硬度、塑性和韧性具有良好配合的综合力学性能。

将淬火加高温回火相结合的热处理工艺称为“调质处理”。 应用于汽车、拖拉机、机床制造中的重要结构件（如连杆、螺柱、齿轮及传动轴等）的热处理。回火后的硬度一般为200~330HBS。 表5-1 45钢经调质和正火后的力学性能对比 热处理状态 力　学　性　能 σb/MPa δ×100 Ak/J HBS 组　　织 正　　火 700~800 15~20 40~60 163~220 铁素体＋细片状珠光体 调　　质 750~850 20~25 64~96 210~250 回火索氏体

在300℃左右回火会出现脆性，称第一类回火脆性。原因不明，目前无法消除。 在500～650℃回火会出现第二类回火脆性。回火后大多数采用空冷，为防止第二类脆性可快冷(水冷，油冷)

一、钢的表面淬火 在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表层组织奥氏体化后进行淬火，使表层获得硬而耐磨的马氏体组织，而心部组织不变仍保持原有的塑性和韧性的热处理方法。 1.感应加热表面淬火 感应加热表面淬火用钢及工艺 最适宜的钢种是中碳钢或中碳合金钢，常用的材料有40、45、40Cr、40MnB等.如图5-18 感应加热表面淬火前应对工件进行调质或正火处理，以保证心部具有良好的综合力学性能，并为表面淬火作好组织准备。

2. 感应加热表面淬火的分类及应用 （1）高频感应加热表面淬火：常用频率为200~300kHz，工件的淬硬层深度为0 2.感应加热表面淬火的分类及应用 （1）高频感应加热表面淬火：常用频率为200~300kHz，工件的淬硬层深度为0.5~2mm。主要用于要求淬硬层较薄的中、小模数齿轮和中、小尺寸的轴类零件等。 （2）中频感应加热表面淬火：常用频率为2500~8000Hz，淬硬层深度为2~10mm。主要用于大、中模数齿轮和较大直径的轴类零件等。 （3）工频感应加热表面淬火：电流频率为50Hz，淬硬层深度为10~20mm。主要用于大直径零件（如轧辊、火车车轮等）的表面淬火。 （4）超音频感应加热表面淬火：电流频率一般为20~40kHz，由于该频率比音频（＜20kHz）稍高。主要应用于模数为3~6的齿轮、链轮、凸轮等零件的表面淬火。

3.火焰加热表面淬火 利用乙炔-氧或煤气-氧的混合气体燃烧的高温火焰，将工件表面迅速加热到淬火温度，然后立即喷水快速冷却，从而获得一定淬硬层深度的热处理方法。如图5-19 图5-19 火焰加热表面淬火工艺

将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工件的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理方法。 二、钢的化学热处理 将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工件的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理方法。 化学热处理的三个基本过程： ①分解：化学介质在一定温度下分解出能够渗入工件表面的活性原子； ②吸收：活性原子被工件表面吸收，并溶入铁的晶格形成固溶体或与钢中某元素形成化合物； ③扩散：被吸收的活性原子由工件表面逐渐向内部扩散，形成一定深度的渗层。

1.钢的渗碳 将工件置于具有活性碳原子的介质中，加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理方法 。 目的：提高钢件表层的含碳量，淬火与回火后表面硬、心部韧。 材料：低碳钢、低碳合金钢。 渗碳后处理：淬火及低温回火。 工艺路线： 锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火+低温回火。 渗碳方法：固体渗碳法、液体渗碳法和气体渗碳法三种。 工件的渗碳层深度取决于工件尺寸和工作条件，一般为0.5～2.5 mm。 低碳钢件渗碳后表层含碳量0.85％～1.05％为最佳。

渗碳设备:如图5-20 图5-20 渗碳炉

2.渗氮 在Ac1以下某一温度下使活性氮原子渗入工件表层的化学热处理方法。 目的是为了提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐腐蚀性能。 渗氮用钢 ：典型的渗氮用钢是38CrMoAlA。还可选用碳钢、低合金钢、合金钢、铸铁等材料。 渗氮方法：常用的渗氮方法有气体渗氮和离子渗氮两种。 渗氮处理的技术要求　渗氮前零件须经调质处理，得到回火索氏体组织。 3.碳氮共渗 在一定温度下，向钢的表面同时渗入碳原子和氮原子的热处理工艺。碳氮共渗的方法有液体碳氮共渗和气体碳氮共渗。