第4章 钢的热处理 4.1 铁碳合金相图的分析及应用 4.2 钢在加热时的组织转变 4.3 钢在冷却时的组织转变 4.4 钢的整体热处理工艺

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1 第4章 钢的热处理 4.1 铁碳合金相图的分析及应用 4.2 钢在加热时的组织转变 4.3 钢在冷却时的组织转变 4.4 钢的整体热处理工艺
第4章 钢的热处理 4.1 铁碳合金相图的分析及应用 4.2 钢在加热时的组织转变 4.3 钢在冷却时的组织转变 4.4 钢的整体热处理工艺 4.5 钢的表面热处理和化学热处理 目录

2 1.纯金属的结晶过程 (1)纯金属的冷却曲线及过冷度 (2)纯金属的结晶过程 (3)晶粒大小对金属力学性能的影响 2.铁的同素异构现象
4.1.1 纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象 1.纯金属的结晶过程 (1)纯金属的冷却曲线及过冷度 (2)纯金属的结晶过程 (3)晶粒大小对金属力学性能的影响 2.铁的同素异构现象

3 (1)纯金属的冷却曲线及过冷度 图4-1 热分析装置示意图

4 图4-2 纯金属的冷却曲线 图4-3 纯金属结晶时的冷却曲线

5 综上所述，纯金属的结晶有两个特点: 一是结晶总是在一定的过冷度条件下进行; 二是结晶的整个过程是在一恒温(T1)情况下由开始到结束的。
前者也是合金结晶以及其他固态下组织转变的共同特点。

6 (2)纯金属的结晶过程 图4-4 纯金属结晶过程示意图

7 常用的细化晶粒方法有: ①增加过冷度 ②变质处理 ③振动处理
(3)晶粒大小对金属力学性能的影响 常用的细化晶粒方法有: ①增加过冷度 ②变质处理 ③振动处理

8 2.铁的同素异构现象 1394℃ ℃ δ-Fe γ-Fe α-Fe （4-1） 图4-5 纯铁的冷却曲线

9 图4-6 铁的同素异构转变示意图

10 1.铁碳合金的基本组织 （1）铁素体 （2）奥氏体 （3）渗碳体 （4）珠光体 （5）莱氏体
4.1.2 铁碳合金相图的分析 1.铁碳合金的基本组织 （1）铁素体 （2）奥氏体 （3）渗碳体 （4）珠光体 （5）莱氏体

11 4.1.2 铁碳合金相图的分析 Fe-Fe3C相图

12 LwC4.30% Ld wC4.30%（AwC2.11%+Fe3C） （4-2）
①Fe-Fe3C相图中的特性点: 1148℃ LwC4.30% Ld wC4.30%（AwC2.11%+Fe3C） （4-2） 共晶转变 或 LwC4.30% LdwC4.30% （4-3） 727℃ AwC0.77% PwC0.77%（FwC % +Fe3C） （4-4） 共析转变 727℃ 或 AwC0.77% PwC0.77% （4-5） 共析转变

13 ②Fe-Fe3C相图中的特性线: 二元相图中的线条都是一些具有共同特征的点的连线。
综上所述，渗碳体可以有三个来源，从液态合金中直接结晶出来、从奥氏体中析出和从铁素体中析出。 ③Fe-Fe3C相图中的相区: 简化后的Fe-Fe3C相图共有12个相区 （5个单相区;5个两相区;2个三相区）。

14 (2)铁碳合金的分类 根据Fe-Fe3C相图中铁碳合金的碳质量分数wC、组织转变的特点及室温组织，我们可将铁碳合金分为以下几类:

15 ①根据Fe-Fe3C相图判断铁碳合金的力学性能:
图4-8 铁碳合金室温平衡组织与碳质量分数wC的关系

16 ②作为选用钢铁材料的依据: ③制定铸、锻和热处理等热加工工艺的依据:
②作为选用钢铁材料的依据: ③制定铸、锻和热处理等热加工工艺的依据: 图 Fe-Fe3C相图与铸、锻等工艺的关系

17 在热处理工艺上的应用 图 Fe-Fe3C相图与热处理温度的关系

18 热处理是由加热、保温和冷却三个基本环节组成的。 在大多数热处理工艺中，钢加热的主要目的是获得奥氏体组织。
4.2 钢在加热时的组织转变 热处理是由加热、保温和冷却三个基本环节组成的。 在大多数热处理工艺中，钢加热的主要目的是获得奥氏体组织。 图 加热（冷却）时临界点的位置

19 4.2.1 奥氏体的形成机理 1.奥氏体形成的热力学条件 图 珠光体和奥氏体自由能随温度的变化曲线

20 2.奥氏体的形成过程 （1）奥氏体晶核形成 （2）奥氏体晶核长大 （3）残余渗碳体溶解 （4）奥氏体成分均匀化
图 珠光体向奥氏体转变示意图

21 4.2.3 奥氏体的晶粒长大及其控制 1.奥氏体晶粒度的概念 图 钢的标准晶粒度等级示意图

22 2.奥氏体晶粒长大及其影响因素 （1）加热温度 （2）保温时间 （3）加热速度 （4）化学成分 钢中的碳含量和合金元素都会对奥氏体晶粒长大产生显著影响。 ①碳含量: ②合金元素:

23 3.控制奥氏体长大的措施 (1)合理选择加热温度和保温时间 (2)合理选择钢的原始组织 (3)加入一定量的合金元素

24 4.3 钢在冷却时的组织转变 4.3.1 过冷奥氏体的等温转变 钢在冷却时，主要的冷却方式有两种:
一种是等温冷却，另一种是连续冷却，如图4-16所示。 图 不同冷却方式示意图

25 1.过冷奥氏体等温转变曲线 图 共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线

26 2.影响奥氏体等温转变曲线的因素 影响C曲线形状、位置的因素很多，主要有下面几个方面: (1)碳含量 (2)合金元素 (3)加热温度和保温时间

27 4.3.2 过冷奥氏体连续冷却转变的近似分析 图 共析钢C曲线与CCT曲线关系

28 4.3.2 过冷奥氏体连续冷却转变的近似分析 图 连续冷却的等温转变图

29 4.3.3 过冷奥氏体的组织转变类型 1.珠光体型转变 (1)珠光体的组织形态及力学性能 (2)珠光体的形成机理
珠光体的形成过程，包含两个同时进行的过程: 一个是碳的扩散，生成高碳的渗碳体和低碳的铁素体;另一个是晶体的点阵重构，由面心立方的奥氏体转变成体心立方的铁素体和 复杂斜方的渗碳体。

30 (2)珠光体的形成机理 图 片状珠光体形成过程示意图

31 2.贝氏体型转变 （1）贝氏体的组织形态和力学性能 （2）贝氏体的形成机理 上贝氏体和下贝氏体的转变机理见图4-21。
图 贝氏体形成机理示意图

32 3.马氏体型转变 （1）马氏体的组织形态及力学性能 （2）马氏体的形成条件 （3）马氏体型转变的特点
钢中马氏体型转变有着许多不同于珠光体型转变的特点: ①转变的非扩散性: ②转变的非等温性: ③转变的非彻底性: ④比容增大:

33 4.4 钢的整体热处理工艺 退火 所谓退火，就是将金属或合金加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火的实质是将钢加热奥氏体化后进行珠光体型转变。退火后的组织，对亚共析钢是铁素体加片状珠光体;对共析或过共析钢则是粒状珠光体。总之，退火组织是接近平衡状态的组织。

34 1.退火的目的 ①降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。
②细化晶粒，消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理做准备。 ③消除钢中的内应力，以防止变形和开裂。

35 2.常用的退火工艺及应用 （1）完全退火 （2）球化退火 （3）去应力退火 （4）再结晶退火 （5）扩散退火

36 4.4.2 正火 将钢加热到Ac3(或Accm)以上30～50℃，保温适当时间后，在静止的空气中冷却的热 处理工艺称为正火。由于正火将钢加热到完全奥氏体化状态，使钢中原始组织的缺陷基本消除，然后再控制以适当的冷却速度，所以正火得到以索氏体为主的组织。 正火与退火两者的目的基本相同，但正火的冷却速度比退火稍快，故正火钢组织比较细，它的强度、硬度比退火钢高。

37 1.正火工艺的应用 （1）低碳钢 （2）中碳结构钢 （3）过共析钢 2.退火与正火的选择 （1）切削加工性 （2）使用性能 （3）经济性

38 4.4.3 淬火 1.钢的淬火工艺及种类 钢的淬火就是将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间，然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。 淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体(或下贝氏体)型转变，得到马氏体或下贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，获得所需的力学性能。

39 (1)淬火加热温度 在具体选择钢的淬火加热温度时，除了遵循一般原则外，还应考虑工件的化学成分、技术要求、尺寸形状、原始组织以及加热设备、冷却介质等诸多因素的影响，对加热温度予以适当调整。 图 碳钢的淬火加热温度范围

40 一类是工件在冷却过程中会发生物态变化的介质;
(2)淬火介质 生产中实际使用的淬火介质可分为两大类: 一类是工件在冷却过程中会发生物态变化的介质; 另一类是不发生物态变化的介质。 其冷却特性的不同，直接影响了工件的冷却速度。 图 钢在理想淬火介质中冷却速度示意图

41 ●蒸气膜阶段（图4-24中 AB段） ●沸腾阶段 （图4-24中 BC段） ●对流阶段 （图4-24中 CD段）
图 冷却过程的三个阶段

42 常用的淬火介质 常用的淬火介质有水、盐水和碱水、油、熔盐和熔碱等。 ●水 ●盐水和碱水: ●油: ●熔盐和熔碱:
●新型淬火介质:主要有聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液等。

43 (3)淬火冷却方法 ①单液淬火: ②双介质淬火: ③马氏体分级淬火: ④下贝氏体等温淬火: ⑤延迟淬火冷却: ⑥局部淬火: ⑦深冷处理:
图 常用淬火方法冷却曲线示意图

44 淬硬性和淬透性是表示钢接受淬火能力的两项性能指标。它们是选材、用材的重要依据，也是热处理技师必须了解的材料的重要性能。 ①淬硬性 ②淬透性
2.钢的淬硬性和淬透性 淬硬性和淬透性是表示钢接受淬火能力的两项性能指标。它们是选材、用材的重要依据，也是热处理技师必须了解的材料的重要性能。 ①淬硬性 ②淬透性

45 4.4.4 回火 回火就是钢淬硬后，再加热到低于Ac1以下的某一温度，保温一定的时间，然后冷却到室温的热处理工艺。
1.淬火钢在回火时的组织和性能转变 回火就是钢淬硬后，再加热到低于Ac1以下的某一温度，保温一定的时间，然后冷却到室温的热处理工艺。 回火的目的是:合理调整力学性能，使工件满足使用要求;稳定组织，使工件在使用过程中不发生组织转变，从而保证工件的形状、尺寸不变;降低或消除内应力，以减少工件的变形并防止开裂。

46 (1)回火时的组织转变 淬火钢回火时的组织转变大致包括以下几个过程: ①碳原子的偏聚和聚集: ②马氏体的分解: ③残余奥氏体的转变: ④碳化物的析出、转化和长大: ⑤铁素体的回复与再结晶:

47 总之，淬火钢的回火转变是由以上五个过程综合作用的结果，难以用明确的温度范围将 它们截然分开，它们有时互相交错，有时同时进行。
总之，淬火钢的回火转变是由以上五个过程综合作用的结果，难以用明确的温度范围将 它们截然分开，它们有时互相交错，有时同时进行。

48 淬火钢回火时力学性能总的变化趋势是：随着回火温度的上升，硬度、强度降低，塑性、 韧性升高。
(2)回火后的力学性能 淬火钢回火时力学性能总的变化趋势是：随着回火温度的上升，硬度、强度降低，塑性、 韧性升高。

49 ①回火对淬火钢硬度的影响 图 不同碳含量的碳钢回火温度与硬度的关系

50 ②回火对钢的强度、塑性和韧性的影响 图 碳钢的力学性能与回火温度的关系

51 2.回火的分类及回火工艺的制定 （1）回火的分类 ①低温回火: ②中温回火: ③高温回火: （2）回火工艺的制定 制定回火工艺的主要参数有: 回火温度、回火时间、回火后的冷却速度。

52 4.5.1 钢的表面热处理 1.感应加热表面淬火 (1)基本原理
4.5 钢的表面热处理和化学热处理 4.5.1 钢的表面热处理 1.感应加热表面淬火 (1)基本原理 图 感应加热示意图

53 (2)特点及其在热处理中的应用 ①感应加热能够在一定范围内控制加热层深度。 ②加热速度快，生产效率高。 ③工件的热处理质量高而稳定。 ④热效率高。 ⑤易实现局部加热和连续加热。 ⑥便于实现机械化和自动化。

54 (4)感应加热表面淬火后的组织及性能 ①感应加热表面淬火后的组织: ②感应加热表面淬火后的力学性能: ●硬度: ●疲劳强度: ●耐磨性:
图4-29 淬火钢感应加热表面淬火后的组织、硬度与加热温度之间关系

55 (5)工艺 感应加热表面淬火的工艺参数分为热参数和电参数两种。 ①感应加热表面淬火方法:●同时加热淬火法；●连续加热 淬火法。
②淬火温度和加热速度的选择 ③感应加热设备的选择:应根据工件的淬硬层深度要求选择 电流频率。 ④感应加热后的冷却：●喷射冷却；●浸液冷却；●埋油冷 却。 ⑤感应加热表面淬火后的回火 通常回火方法有三种: ●炉中回火；●自回火；●感应加热 回火。

56 1—火焰喷嘴;2—喷水装置;3—加热层;4—淬硬层
2.火焰加热表面淬火 (1)基本原理和特点 (2)方法 ①固定法；②旋转法；③前进法；④联合法。 图4-30 火焰表面淬火方法示意图 1—火焰喷嘴;2—喷水装置;3—加热层;4—淬硬层

57 4.5.2 钢的化学热处理 1.化学热处理的基本原理 (1)化学热处理的概念 (2)化学热处理的基本过程 2.渗碳 (1)渗碳概述
(2)气体渗碳 (3)渗碳后的热处理及其性能 ①渗碳后的热处理: ②渗碳淬火后的组织: 一类是从表面到心部组织依次为马氏体+残余奥氏体→马 氏体→心部组织; 另一类是马氏体+残余奥氏体+碳化物→马氏体+残余奥氏 体→马氏体→心部组织。

58 气体渗碳工艺过程通常可划分为升温排气、渗碳(包括强渗和扩散)、降温冷却三个阶段，如图4-31所示。
图4-31 井式炉滴注式气体渗碳工艺过程

59 3. 渗氮 (1)渗氮概述 (2)气体渗氮原理 (3)渗氮前的热处理 (4)气体渗氮工艺 气体渗氮的工艺曲线见图4-32。 4
3.渗氮 (1)渗氮概述 (2)气体渗氮原理 (3)渗氮前的热处理 (4)气体渗氮工艺 气体渗氮的工艺曲线见图4-32。 4.碳氮共渗及氮碳共渗 (1)碳氮共渗 (2)氮碳共渗 5.其他化学热处理简介 (1)渗硼 (2)其他多元共渗 (3)渗铝

60 3.渗氮 （1）渗氮概述 （2）气体渗氮原理 （3）渗氮前的热处理 （4）气体渗氮工艺 气体渗氮的工艺曲线见图4-32。
（4）气体渗氮工艺 气体渗氮的工艺曲线见图4-32。 4.碳氮共渗及氮碳共渗 （1）碳氮共渗 （2）氮碳共渗 5.其他化学热处理简介 （1）渗硼 （2）其他多元共渗 （3）渗铝 图4-32 气体渗氮工艺曲线

61 思考题 4-1 铁碳合金的基本组织有哪几种?分别说明它们的性能特征。 4-2 Fe-Fe3C相图中各特性点、特性线有何意义?
4-4 什么叫热处理?热处理的目的是什么? 4-5 通常热处理工艺分为哪几个阶段? 4-6 何为奥氏体化?其经历了哪几个阶段? 4-7 奥氏体晶粒大小对钢热处理后的性能有什么影响?如何才能获得细小、均匀的奥 氏体晶粒? 4-8 过冷奥氏体在不同温度下等温时其最终产物分别是什么?它们的组织形态和性 能如何? 4-9 过冷奥氏体等温转变与连续转变有何区别? 4-10 简述马氏体型转变的特点。 目录