材料科學與工程(gōngchéng)根底教案第七章--鋼熱處理1第一頁，共63頁。第一節熱處理的根本(gēnběn)概念

BasicConceptionofHeatTreatment一、熱處理的根本要素熱處理工藝中有三大根本要素：加熱(jiārè)、保溫、冷卻。這三大根本要素決定了材料熱處理后的組織和性能。加熱(jiārè)是熱處理的第一道工序。不同的材料，其加熱(jiārè)工藝和加熱(jiārè)溫度都不同。加熱(jiārè)分為兩種，一種是在臨界點A1以下的加熱(jiārè)，此時不發生組織變化。另一種是在A1以上的加熱(jiārè)，目的是為了獲得均勻的奧氏體組織，這一過程稱為奧氏體化。保溫的目的是要保證工件燒透，防止脫碳、氧化等。保溫時間和介質的選擇與工件的尺寸和材質有直接的關系。一般工件越大，導熱性越差，保溫時間就越長。冷卻是熱處理的最終工序，也是熱處理最重要的工序。鋼在不同冷卻速度下可以轉變為不同的組織。第二頁，共63頁。三、熱處理與相圖熱處理的根本類型根據加熱、冷卻方式的不同及組織、性能變化特點的不同，熱處理可以分為以下幾類：普通熱處理：包括退火、正火、淬火和回火等。外表熱處理：包括感應加熱外表淬火、火焰加熱外表淬火、電接觸加熱外表淬火、滲碳、氮化和碳氮共滲等。其它熱處理：包括可控氣氛熱處理、真空熱處理和形變熱處理等。按照熱處理在零件生產過程中的位置和作用不同，熱處理工藝還可分為預備熱處理和最終熱處理。預備熱處理是零件加工(jiāgōng)過程中的一道中間工序〔也稱為中間熱處理〕，其目的是改善鍛、鑄毛坯件組織、消除應力，為后續的機加工(jiāgōng)或進一步的熱處理作準備。最終熱處理是零件加工(jiāgōng)的最終工序，其目的是使經過成型工藝到達要求的形狀和尺寸后的零件的性能到達所需要的使用性能。第三頁，共63頁。鋼的臨界(línjiè)轉變溫度Ac3AccmAc1Ar3ArcmAr1

C%加熱和冷卻速度對鋼的臨界溫度的影響溫度A3AcmA1第四頁，共63頁。第二節鋼在加熱(jiārè)時的轉變

HeatingUpTransformation鋼的熱處理多數需要先加熱得到奧氏體，然后以不同速度冷卻使奧氏體轉變為不同的組織，得到鋼的不同性能。因此掌握熱處理規律，首先要研究鋼在加熱時的變化(biànhuà)。加熱的目的是得到奧氏體。一、加熱時奧氏體的形成過程共析鋼的加熱轉變（α+Fe3C）γ晶核γ長大殘余Fe3C溶解不均勻γ均勻γ珠光體向奧氏體轉變示意圖第五頁，共63頁。溫度(wēndù)A3AcmA1距離(jùlí)6.69％濃度(nóngdù)CC1C2奧氏體AＦ第六頁，共63頁。奧氏體形成的三個階段：第一階段：奧氏體晶核的形成與奧氏體長大；第二階段：剩余滲碳體的溶解；第三階段：奧氏體成分的均勻化。

珠光體轉變為奧氏體并使奧氏體成分均勻必須有兩個必要而充分條件：一是溫度條件，要在Ac1以上加熱；二是時間(shíjiān)條件，要求在Ac1以上溫度保持足夠時間(shíjiān)。在一定加熱速度條件下，超過Ac1的溫度越高，奧氏體的形成與成分均勻化需要的時間(shíjiān)愈短；在一定的溫度〔高于Ac1〕條件下，保溫時間(shíjiān)越長，奧氏體成分越均勻。

第七頁，共63頁。二、鋼的加熱缺陷鋼加熱時常見的缺陷：〔1〕氧化加熱時的氧化性氣氛〔如空氣、氣氛中O2、CO2、H2O等〕氧化鋼鐵，在工件外表形成FeO,Fe2O3,Fe3O4等氧化物。氧化將導致鋼的燒損加大，而且使零件尺寸變小，外表粗糙，更重要的還嚴重影響(yǐngxiǎng)后序熱處理的質量。〔2〕脫碳鋼加熱過程中脫碳，即鋼中的碳被燒損使鋼外表含碳量降低的現象。由于脫碳使鋼件外表含碳量下降，導致鋼件機械強度下降，特別是工件的疲勞強度下降，耐磨損性能降低。〔3〕過熱鋼的過熱指的是加熱溫度比正常溫度偏高，出現的現象是鋼的奧氏體晶粒較正常的要大，即晶粒變粗。結果是，鋼的塑性、韌性、強度降低，同時工件熱處理后變形加大，還可能導致熱處理裂紋、使工件報廢。〔4〕過燒指的是加熱溫度太高，奧氏體晶界或局部晶界氧化甚至熔化的現象。后果是，處理的工件很脆，如果鍛造一鍛即裂，過燒的工件只能報廢，無法挽救，因而是致命性的。第八頁，共63頁。加熱缺陷的防止方法〔1〕真空加熱工件在真空中加熱是防止氧化脫碳的最有效措施，是熱處理工藝的開展方向，但真空加熱用的設備投資大，工藝本錢較高。〔2〕保護氣氛加熱工件加熱過程中向爐內充入一定保護性氣氛，保證鋼在不脫碳，不增碳，不氧化的氣氛下加熱。但需要一套制取可控氣氛的發生裝置，由于本錢較高，原材料來源不廣泛限制了它的應用。

〔3〕鹽浴加熱工件置于一熔化了的中性鹽液中加熱，鹽液進行充分脫氧(tuōyǎng)，保證工件加熱過程中少氧化，甚至無氧化。問題主要是粘在工件上的鹽難以清洗潔凈，清洗不干凈會導致儲存及應用過程易于長銹。第九頁，共63頁。第三節熱處理的組織(zǔzhī)轉變

StructureTransformationinHeatTreatment同一種鋼加熱到奧氏體狀態后，由于此后的冷卻速度不一樣，奧氏體轉變成的組織不一樣，因而所得的性能(xìngnéng)也不一樣。研究奧氏體冷卻轉變常用TTT曲線〔過冷奧氏體等溫轉變曲線〕和CCT曲線〔過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線〕。第十頁，共63頁。一、珠光體轉變〔Pearlite〕珠光體組織在溫度(wēndù)A1以下至550℃左右的溫度(wēndù)范圍內，過冷奧氏體轉變產物是珠光體，即形成鐵素體與滲碳體兩相組成的相間排列的層片狀的機械混和物組織，所以這種類型的轉變又叫珠光體轉變。在珠光體轉變中，由A1以下溫度(wēndù)依次降到鼻尖的550℃左右，層片狀組織的片間距離依次減小。根據片層的厚薄不同，這類組織又可細分為三種。第一種是珠光體，其形成溫度(wēndù)為A1～650℃，片層較厚，一般在500倍的光學顯微鏡下即可分辨。用符號“P〞表示。第二種是索氏體，其形成溫度(wēndù)為650℃～600℃，片層較薄，一般在800～1000倍光學顯微鏡下才可分辨。用符號“S〞表示。第三種是托氏體，其形成溫度(wēndù)為600℃～550℃，片層極薄，只有在電子顯微鏡下才能分辨。用符號“T〞表示。第十一頁，共63頁。25μ珠光體組織第十二頁，共63頁。珠光體轉變過程奧氏體轉變為珠光體的過程也是形核和長大的過程。珠光體轉變是一種擴散型轉變，即鐵原子(yuánzǐ)和碳原子(yuánzǐ)均進行擴散。珠光體轉變過程示意圖Fe3CFe3CαP第十三頁，共63頁。二、貝氏體轉變〔Bainite〕貝氏體組織貝氏體按形成溫度不同分為兩種：上貝氏體和下貝氏體。下貝氏體的形成溫度為350℃～Ms，它有較高的強度和硬度(yìngdù)，還有良好的塑性和韌性，具有較優良的綜合機械性能，是生產上常用的組織。獲得下貝氏體組織是強化鋼材的途徑之一。上貝氏體的形成溫度為550℃～350℃，它的硬度(yìngdù)比同樣成份的下貝氏體低，韌性也比下貝氏體差，所以上貝氏體的機械性能很差，脆性很大，強度很低，根本上沒有實用價值。25μ下貝氏體的顯微組織第十四頁，共63頁。下貝氏體碳化物在鐵素體板條中析出(xīchū)上貝氏體碳化物在鐵素體板條間析出(xīchū)上貝氏體和下貝氏體中碳化物析出(xīchū)位置示意圖第十五頁，共63頁。貝氏體轉變貝氏體轉變機制之學術爭論：1950年：柯俊發表論文貝氏體的轉變機制〔目前教科書公認的機制〕鐵原子的共格切變；碳原子的短程(duǎnchénɡ)擴散。1950`年代，黑荷曼教授提出貝氏體的切變轉變機制，認為貝氏體轉變主要是通過切變完成。1960`年代，美國的阿隆生教授發表論文提出擴散轉變機制，認為貝氏體轉變主要是通過擴散完成的。從此，兩派爭執不休。第十六頁，共63頁。三、馬氏體轉變〔Martensite〕馬氏體組織過冷奧氏體在馬氏體開始形成溫度Ms以下轉變為馬氏體，這個轉變持續至馬氏體形成終了(zhōngliǎo)溫度Mf。在Mf以下，過冷奧氏體停止轉變。除Al、Co元素外，溶解到奧氏體中的元素均使Ms、Mf下降，碳含量增多，Ms、Mf點降低。經冷卻后未轉變的奧氏體保存在鋼中，稱為剩余奧氏體。在Ms與Mf溫度之間過冷奧氏體與馬氏體共存。在Ms溫度以下，轉變溫度越低，剩余奧氏體量越少。隨奧氏體中含碳量的增加Ms和Mf均會降低，可見在同樣的冷卻速度下〔或冷卻介質中〕，奧氏體中含碳量越高，馬氏體中的剩余奧氏體就越多。第十七頁，共63頁。馬氏體形成的溫度已是碳原子難以擴散的溫度，它是由過冷奧氏體按無擴散型轉變機制的轉變產物，馬氏體與過冷奧氏體含碳量相等，晶格(jīnɡɡé)同于鐵素體體心立方。體心立方晶格(jīnɡɡé)的鐵素體在室溫含約0.008%C，對共析鋼馬氏體的晶格(jīnɡɡé)內含約0.77%C，為此導致體心立方晶格(jīnɡɡé)畸變為體心正方晶格(jīnɡɡé)，因此馬氏體是含過飽和碳的固溶體，是單一的相，同高溫、中溫轉變產物有本質區別。8006004002000-20000.40.81.21.62.0含碳量（%）含碳量對Ms與Mf溫度的影響溫度℃MsMf鐵原子碳原子可能位置鐵原子的振動范圍馬氏體晶格示意圖第十八頁，共63頁。主要有兩種組織(zǔzhī)：板條馬氏體和片狀馬氏體〔孿晶馬氏體〕板條馬氏體主要產生于低碳鋼中；片狀馬氏體主要產生于高碳鋼中。20μ15μ（a）（b）馬氏體的顯微組織（a）板條狀馬氏體；（b）片狀馬氏體第十九頁，共63頁。馬氏體轉變〔1〕馬氏體轉變的特點：馬氏體轉變同樣是一個形核和長大的過程。它的主要特點是：1〕無擴散性馬氏體轉變是在很大的過冷度下進行的，轉變溫度低，轉變時沒有鐵原子和碳原子的擴散，只發生從γ-Fe到α-Fe的晶格改組。因而在馬氏體轉變過程中沒有成分變化，馬氏體和原奧氏體中固溶的碳量一致。2〕有共格位向關系由于原子不能進行擴散，因而馬氏體轉變中晶格的轉變以切變的方式進行。在切變過程中，由面心立方的奧氏體轉變為體心立方的馬氏體。切變不僅使晶格改變，還使切變局部的形狀和體積發生變化，引起相鄰奧氏體隨之變形。所以，馬氏體形成時，馬氏體和奧氏體相界面上的原子是共有的，既屬于(shǔyú)馬氏體，又屬于(shǔyú)奧氏體，這種關系稱為共格關系。第二十頁，共63頁。3〕馬氏體轉變具有一定的位向關系和慣習面馬氏體是在奧氏體一定的結晶面上形成的，此面稱為慣習面，它在相變過程中不變形，也不轉動。4〕馬氏體轉變在一個溫度范圍內進行在通常情況下，過冷奧氏體向馬氏體轉變開始后，必須在不斷降溫條件下轉變才能繼續進行，冷卻過程中斷，轉變立即停止，馬氏體轉變與保溫時間無關。即使溫度降低到Mf以下，奧氏體也不能100%轉變為氏體，總有局部奧氏體未轉變而殘留下來，這局部奧氏體稱為剩余奧氏體，用“A′〞或“γ′〞表示(biǎoshì)。5〕馬氏體轉變的可逆性在某些鐵合金以及鎳與其他有色金屬中，奧氏體冷卻轉變為馬氏體，重新加熱時已形成的馬氏體又能無擴散地轉變為奧氏體，這就是馬氏體轉變的可逆性。第二十一頁，共63頁。cabcabcabcab〔2〕馬氏體的轉變機制：1〕K-S關系〔Курдюмов－Sachs〕由于轉變時新相和母相始終保持切變共格性，因此馬氏體轉變后新相和母相之間存在一定(yīdìng)的結晶學位向關系。K－S關系｛110｝α`//｛111｝γ；<111>α`//<110>γ2〕Bain模型面心立方(lìfāng)面心立方(lìfāng)第二十二頁，共63頁。第三節熱處理工藝(gōngyì)

HeatTreatmenttechnology鋼的熱處理工藝可分為三大類：一是一般熱處理〔或常規熱處理〕，即退火、正火、淬火、回火的“四火〞處理；二是外表熱處理，如高頻感應加熱淬火、滲碳(shèntàn)、滲氮〔氮化〕、碳氮共滲等；三是其它熱處理，如可控氣氛熱處理、真空熱處理、形變熱處理等。第二十三頁，共63頁。一、過冷奧氏體轉變曲線過冷奧氏體等溫轉變曲線〔TTT曲線〕共析碳鋼過冷奧氏體的等溫轉變曲線。縱坐標表示轉變溫度，橫坐標表示轉變時間。它反映(fǎnyìng)了奧氏體在快速冷卻到臨界點以下在各不同溫度的保溫過程中，溫度、時間與轉變組織、轉變量的關系。在溫度727℃〔即A1溫度〕與溫度Ms〔馬氏體開始形成溫度〕之間有兩條似如“C〞字型的曲線，所以又叫C曲線、TTT曲線或“S〞曲線〔按俄語發音〕。A1珠光體轉變開始貝氏體轉變開始珠光體轉變終了貝氏體轉變終了PA8007006005004003002001000-100溫度℃0110102103104105時間秒圖6-10共析鋼過冷奧氏體等溫轉變曲線MsM＋AMf第二十四頁，共63頁。C曲線分析在第一條曲線以左的時間過冷奧氏體沒有轉變，稱為孕育期。孕育期最短處，過冷奧氏體最不穩定，轉變最快，這里被稱為C曲線的“鼻尖〞。對于碳鋼而言，“鼻尖〞處溫度一般為550℃。過冷奧氏體的穩定性取決于相變的驅動力和擴散兩個因素。在鼻尖以上(yǐshàng)，溫度越高，過冷度越小，因而驅動力也越小，過冷奧氏體穩定性增加，孕育期延長；在鼻尖以下，溫度越低，原子擴散越困難，過冷奧氏體的穩定性也會增加，孕育期也越長。因此，鼻尖溫度正是珠光體轉變和貝氏體轉變的分界線。在鼻尖溫度以上(yǐshàng)是珠光體轉變區；在鼻尖溫度以下，Ms溫度以上(yǐshàng)是貝氏體轉變區；而在Ms溫度以下那么是馬氏體轉變區。在轉變過渡區，既有未轉變的過冷奧氏體又有轉變出的產物，鼻尖溫度以上(yǐshàng)為珠光體與過冷奧氏體共存區，鼻尖溫度以下為貝氏體與過冷奧氏體共存區。第二十五頁，共63頁。影響C曲線的因素影響C曲線的主要(zhǔyào)因素是奧氏體的成分和奧氏體化條件。a〕含碳量的影響在正常加熱條件下，亞共析鋼的C曲線隨著含碳量的增加而右移，過共析鋼的C曲線隨著含碳量的增加而左移。所以，碳鋼中以共析鋼的過冷奧氏體最穩定。A1PA溫度℃時間（a）亞共析鋼的C曲線MsM＋AMfMfA3AFPBAPA1PA溫度℃時間（a）過共析鋼的C曲線MsM＋AMfMfAccmAFe3CⅡPBAP非共析鋼的C曲線第二十六頁，共63頁。b〕合金元素的影響除Co以外，所有的合金元素溶入奧氏體后，都能增加奧氏體的穩定性，使C曲線右移。某些合金元素含量(hánliàng)較多時，C曲線的形狀將發生變化，甚至整個C曲線在鼻尖處分開，形成上下兩個C曲線。c〕奧氏體化條件的影響隨奧氏體化溫度的提高和保溫時間的延長，奧氏體晶粒長大，晶界面積減少，奧氏體成分更加均勻。這降低了過冷奧氏體轉變的形核率和可能性，不利于過冷奧氏體的轉變，從而提高了奧氏體的穩定性，使C曲線右移。對于同一種鋼，由于奧氏體化的條件不同，測出的C曲線可能有很大的差異。因此，在使用C曲線時，必須注意加熱溫度和奧氏體晶粒度的影響。第二十七頁，共63頁。過冷奧氏體連續冷卻(lěngquè)轉變曲線〔CCT曲線〕A1PsKPf轉變(zhuǎnbiàn)中止8007006005004003002001000-100溫度(wēndù)℃0110102103104105時間秒圖6-12共析鋼過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線MsAMMfK′TTTVkVk′CCT連續冷卻轉變曲線又叫CCT曲線。它是通過測定不同速度下過冷奧氏體的轉變量而獲得的。如圖是共析鋼的CCT曲線。Ps線為過冷奧氏體轉變為珠光體的開始線，Pf為轉變終了線，兩線之間為轉變過渡區。KK′線為轉變的中止線，當冷卻曲線碰到此線時，過冷奧氏體就中止向珠光體型組織轉變，繼續冷卻一直保持到Ms點以下，使剩余的奧氏體轉變為馬氏體。Vk稱為CCT曲線的臨界冷卻速度，它是獲得全部馬氏體組織〔實際還含有一小局部剩余奧氏體〕的最小冷卻速度。第二十八頁，共63頁。以不同的冷卻速度連續冷卻時，過冷奧氏體將會轉變為不同的組織。通過連續轉變冷卻曲線可以了解冷卻速度與過冷奧氏體轉變組織的關系。根據(gēnjù)連續冷卻曲線與CCT曲線交點的位置，可以判斷連續冷卻轉變的產物。由圖中可知，冷卻速度大于Vk時，連續冷卻轉變得到馬氏體組織；當冷卻速度小于Vk′時，連續冷卻轉變得到珠光體組織；而冷卻速度大于Vk′而小于Vk時，連續冷卻轉變將得到珠光體＋馬氏體組織。臨界冷卻速度越小，奧氏體越穩定，因而即使在較慢的冷卻速度下也會得到馬氏體。這對淬火工藝操作具有十分重要的意義。第二十九頁，共63頁。二、退火與正火鑄造形成的零件常常出現內部各區域之間化學成分差異，軋制后常出現帶狀組織、縱向與橫向之間強度與韌性不一樣，焊接后常出現異常組織，鑄造、軋制、鍛造、焊接、冷拉、冷擠壓等熱加工與冷加工后還會使零件的應力增加。這些熱加工或冷加工后給零件造成的內應力不消除會導致零件變形甚至開裂，假設不使化學成分均勻化，異常組織給予消除，會使零件內各局部的性能(xìngnéng)差異很大，危及零件的正常平安使用。通過正火、退火可消除零件內存在的內應力、改善組織、改善性能(xìngnéng)，適應零件后序冷、熱加工及使用過程的需要。正火是將鋼加熱到Ac3或Accm以上保溫再在空氣中冷卻的熱處理工藝，退火是將鋼加熱到相變溫度Ac1以上或以下，較長時間保溫并緩慢冷卻〔一般隨爐冷卻〕的一種工藝。第三十頁，共63頁。退火(tuìhuǒ)退火的種類很多，常用的主要有如下幾種(jǐzhǒnɡ)類型：〔1〕完全退火目的：去除鑄造、軋制、鍛造、焊接等造成的異常組織，均勻化學成分，消除內應力，細化組織，降低硬度和改善切削加工性。工藝：加熱：Ac3以上20℃～30℃冷卻：隨爐緩慢冷卻組織：近于平衡組織。用途：主要用于亞共析鋼〔ωc=0.3～0.6%〕第三十一頁，共63頁。〔2〕球化退火球化退火加熱時由奧氏體及碳化物兩相組成，在保溫過程中其中的碳化物球化，在保溫后的冷卻過程中，尤其在共析溫度附近的緩慢冷卻過程中自奧氏體析出的碳化物進行球化。經球化退火的鋼由鐵素體及均勻分布的球狀碳化物組成。經球化退火以后的工具，模具鋼硬度降低(jiàngdī)，韌性提高，切削加工性能也變好，與此同時存在于鋼內部的內應力得以消除。目的：讓共析或過共析的工模具鋼中的碳化物球化〔粒化〕和消除網狀的二次滲碳體，提高其切削加工性能工藝：加熱：Ac1以上20℃～30℃冷卻：隨爐緩慢冷卻組織：鐵素體基體＋粒狀滲碳體用途：主要用于共析或過共析鋼〔ωc≥0.8%〕第三十二頁，共63頁。〔3〕去應力退火再結晶退火為了消除由于變形加工以及鑄造、焊接過程引起的剩余內應力而進行的退火稱為去應力退火。鋼的去應力退火加熱溫度范圍較寬，但不超過Ac1點，一般在500℃～650℃之間。鑄鐵件去應力退火溫度一般為500℃～550℃，超過550℃容易造成珠光體的石墨(shímò)化。焊接工件的退火溫度一般為500℃～600℃。去應力退火過程未發生相變。〔4〕再結晶退火再結晶退火是把冷變形后的金屬加熱到再結晶溫度以上保持適當的時間，使變形晶粒重新轉變為均勻等軸晶粒而消除加工硬化的熱處理工藝。〔5〕擴散退火擴散退火是將工件加熱到略低于固相線的溫度〔亞共析鋼通常為1050℃～1150℃〕，長時間〔一般10～20小時〕保溫，然后隨爐緩慢冷卻到室溫。擴散退火的主要目的是均勻鋼內部的化學成分。主要適用于鑄造后的高合金鋼。第三十三頁，共63頁。正火正火是將鋼材或鋼件加熱到臨界溫度(wēndù)以上，保溫后空冷的熱處理工藝。亞共析鋼的正火加熱溫度(wēndù)為Ac3＋30℃～50℃；而過共析鋼的正火加熱溫度(wēndù)那么為Accm＋30℃～50℃。正火與退火的主要區別在于冷卻速度不同，正火冷卻速度較大，得到的珠光體組織很細，因而強度和硬度也較高。正火后的組織與材料的成分及原始組織有關，正火后的組織一般為片間距較小的索氏體，其強度和硬度都較好，韌性也較好，且先共析相〔鐵素體或滲碳體〕的數量顯著減少。對于含碳0.6%～1.4%的碳鋼，正火后甚至不出現先共析相，而全部是偽索氏體。因此，鋼經正火后的機械性能比退火后提高。第三十四頁，共63頁。正火主要應用于以下幾個方面：〔1〕消除網狀二次滲碳體所有的鋼鐵材料通過正火，均可使晶粒細化。而原始組織中存在網狀二次滲碳體的過共析鋼，經正火處理后可消除對性能不利的網狀二次滲碳體，以保證球化退火質量。〔2〕作為最終熱處理對于機械性能要求不高的結構鋼零件，經正火后所獲得的性能即可滿足使用要求，可用正火作為最終熱處理。〔3〕改善切削加工性能對于低碳鋼或低碳合金鋼，由于完全退火后硬度太低，一般在170HB以下，切削加工性能不好(bùhǎo)。而用正火，那么可提高其硬度，從而改善切削加工性能。所以，對于低碳鋼和低碳合金鋼，通常采用正火來代替完全退火，作為預備熱處理。從改善切削加工性能的角度出發，低碳鋼宜采用正火；中碳鋼既可采用退火，也可采用正火；含碳0.45%～0.6%的高碳鋼那么必須采用完全退火；過共析鋼用正火消除網狀滲碳體后再進行球化退火。第三十五頁，共63頁。三、鋼的淬火將亞共析鋼加熱到Ac3以上，共析鋼與過共析鋼加熱到Ac1以上〔低于Accm〕的溫度，保溫后以大于Vk的速度快速冷卻，使奧氏體轉變為馬氏體的熱處理工藝叫淬火。馬氏體強化是鋼的主要強化手段，因此淬火的目的就是為了獲得馬氏體，提高(tígāo)鋼的機械性能。淬火是鋼的最重要的熱處理工藝，也是熱處理中應用最廣的工藝之一。第三十六頁，共63頁。淬火溫度確實定淬火溫度即鋼的奧氏體化溫度，是淬火的主要工藝參數之一。選擇淬火溫度的原那么是獲得均勻(jūnyún)細小的奧氏體組織。亞共析鋼的淬火溫度一般為Ac3以上30℃～50℃，淬火后獲得均勻(jūnyún)細小的馬氏體組織。過共析鋼的淬火溫度為Ac1以上30℃～50℃，這個加熱溫度限制了奧氏體的含碳量，減少了淬火組織中的剩余奧氏體數量。奧氏體AcmA+Fe3CⅡA+FAF+PP+Fe3CⅡA1120011001000900800700溫度℃00.40.81.21.62.0C%碳鋼的淬火溫度范圍第三十七頁，共63頁。加熱保溫時間和淬火介質確實定淬火加熱保溫時間：經驗公式：τ＝KD淬火介質確實定：淬火過程是冷卻非常快的過程。為了得到馬氏體組織，淬火冷卻速度必須大于臨界冷卻速度Vk。但是(dànshì)，冷卻速度快必然產生很大的淬火內應力，這往往會引起工件變形。淬火的目的是得到馬氏體組織，同時又要防止產生變形和開裂。A1PA溫度℃時間（對數）理想淬火冷卻曲線示意圖MsM＋AMfMf第三十八頁，共63頁。淬火(cuìhuǒ)工藝

1234A1溫度Ms時間各種淬火方法冷卻曲線示意圖第三十九頁，共63頁。〔1〕單液淬火它是將奧氏體狀態的工件放入一種淬火介質中一直冷卻到室溫的淬火方法。這種方法操作簡單，容易實現機械化，適用于形狀簡單的碳鋼和合金鋼工件。一般來說。碳鋼的臨界冷卻速度高，尤其是尺寸較大的碳鋼工件多采用水淬；而尺寸較小的碳鋼件及過冷奧氏體較穩定的合金鋼件那么可采用油淬。〔2〕雙液淬火它是先將奧氏體狀態的工件在冷卻能力強的淬火介質中冷卻至接近Ms點溫度時，再立即轉入冷卻能力較弱的淬火介質中冷卻，直至完成馬氏體轉變〔圖6-16曲線2〕。一般用水作為(zuòwéi)快冷淬火介質，用油作為(zuòwéi)慢冷淬火介質。有時也采用水淬、空冷的方法。這種方法利用了兩種介質的優點，獲得了較理想的冷卻條件。其缺點是操作復雜，在第一種介質中停留時間難以掌握，需要有很強的實踐經驗。主要用于形狀復雜的高碳鋼工件及大型合金鋼工件。第四十頁，共63頁。〔3〕分級淬火(cuìhuǒ)它是將奧氏體狀態的工件首先淬入略高于鋼的Ms點的鹽浴或堿浴爐中保溫，當工件內外溫度均勻后，再從浴爐中取出空冷至室溫，完成馬氏體轉變。分級淬火(cuìhuǒ)只適用于尺寸較小的工件，如刀具、量具和要求變形很小的精密工件。〔4〕等溫淬火(cuìhuǒ)它是將奧氏體化后的工件在稍高于Ms溫度的鹽浴或堿浴中冷卻并保溫足夠時間，從而獲得下貝氏體組織的淬火(cuìhuǒ)方法。等溫淬火(cuìhuǒ)實際上是分級淬火(cuìhuǒ)的進一步開展。所不同的是等溫淬火(cuìhuǒ)獲得下貝氏體組織。經這種方法處理的零件強度高，塑性和韌性好，即具有良好的綜合機械性能，同時淬火(cuìhuǒ)應力小，變形小。這種方法多用于形狀復雜和要求較高的小零件。第四十一頁，共63頁。鋼的淬透性淬透性是鋼的重要熱處理工藝性能，也是選材和制定熱處理工藝的重要依據之一。〔1〕淬透性的概念鋼的淬透性是指奧氏體化后的鋼在淬火時獲得淬硬層〔也稱為淬透層〕深度的能力，其大小用鋼在一定條件下淬火獲得的淬硬層深度來表示。淬硬層越深，說明其淬透性越好，一般規定由工件外表到半馬氏體區〔即馬氏體和珠光體型組織各占50%的區域(qūyù)〕的深度作為淬硬層深度。淬透性的概念與淬硬性不同，所謂淬硬性是指鋼在淬火后所能到達的最高硬度，即鋼在淬火時的硬化能力。第四十二頁，共63頁。〔2〕影響淬透性的因素鋼的淬透性實質上取決于其過冷奧氏體穩定性的上下，表現為臨界冷卻(lěngquè)速度的大小。因而只要是影響臨界冷卻(lěngquè)速度大小〔C曲線“鼻尖〞位置〕的因素，均影響其淬透性。一般而言，但凡使C曲線右移，降低臨界冷卻(lěngquè)速度的因素，都會提高鋼的淬透性。所以影響淬透性的主要因素是化學成分，除Co以外，所有溶于奧氏體中的合金元素都提高淬透性。另外，奧氏體的均勻性、晶粒大小及是否存在第二相等因素都會影響淬透性。第四十三頁，共63頁。〔3〕淬透性的測定及其表示方法淬透性的測定方法很多，目前應用得最廣泛的是“末端淬火法〞，簡稱端淬試驗。試驗時，先將標準(biāozhǔn)試樣加熱至奧氏體化溫度，停留30～40min，然后迅速放在端淬試驗臺上噴水冷卻。在末端淬火法中，淬透性值用表示，其中(qízhōng)J表示末端淬透性，d表示至水冷端的距離，HRC為該處測得的硬度值。如表示水冷端5mm處試樣的硬度值為HRC42。φ30φ25310012.5φ12.5水HRC6050403020100369121500.20.40.60.8至水冷端距離（ｍｍ）含碳量（%）40Cr鋼45鋼低合金鋼碳鋼（a）（b）（c）圖6-17末端淬火試驗測定鋼的淬透性曲線（a）噴水裝置；（b）淬透性曲線舉例；（c）鋼的半馬氏體區（50%M）硬度與鋼的含碳量的關系第四十四頁，共63頁。四、鋼的回火回火一般是緊接淬火以后的熱處理工藝，回火是淬火后再將工件加熱到Ac1溫度以下某一溫度，保溫后再冷卻到室溫的一種熱處理工藝。淬火后的工件有三大不穩定因素：一是工件淬火后處于高內應力狀態，應力狀態不穩定，需要松弛；二是工件淬火后存在剩余奧氏體，組織不穩定，需要轉變；三是工件淬火后馬氏體要自發地向穩定的鐵素體和滲碳體或碳化物的混合物轉變，導致工件尺寸變化，性能不穩定，需要調整組織和性能。所以淬火后的鋼鐵(gāngtiě)工件不能直接使用，必須即時回火，否那么會有工件斷裂的危險。淬火后回火目的在于降低或消除內應力，以防止工件開裂和變形；減少或消除剩余奧氏體，以穩定工件尺寸；調整工件的內部組織和性能，以滿足工件的使用要求。

第四十五頁，共63頁。鋼在回火(huíhuǒ)時的轉變共析鋼在淬火后，得到的馬氏體和剩余奧氏體組織是不穩定的，存在著向穩定組織轉變的自發傾向。回火(huíhuǒ)加熱可加速這種自發轉變過程。根據轉變發生的過程和形成的組織，回火(huíhuǒ)可分為四個階段：第一階段〔200℃以下〕：馬氏體分解。淬火鋼在100℃～200℃范圍加熱時，馬氏體中的碳以ε碳化物〔FexC〕的形式析出，使馬氏體中碳的過飽和度減小，正方度降低。析出的碳化物以極細小的片狀分布在馬氏體基體上，這種組織稱為回火(huíhuǒ)馬氏體，用“M回〞表示。在顯微鏡下觀察，回火(huíhuǒ)馬氏體為黑色，而剩余奧氏體為白色。第四十六頁，共63頁。第二階段〔200℃～300℃〕：剩余奧氏體分解。馬氏體不斷分解為回火馬氏體，正方度下降，體積縮小，降低了對剩余奧氏體的壓力促使馬氏體分解為下貝氏體。其組織與同溫度下的回火馬氏體相似(xiānɡsì)。剩余奧氏體的分解過程從200℃開始，到300℃根本完成。所以這個階段的組織主要是回火馬氏體。第三階段〔250℃～400℃〕：碳化物的轉變。馬氏體和剩余奧氏體分解完成后，再繼續提高溫度，介穩定的ε碳化物溶入α相中，同時從α相中析出滲碳體。到350℃左右，馬氏體中的含碳量已根本上降到鐵素體的平衡成分，內應力也大量消除。此時回火馬氏體轉變為在保持馬氏體形態的鐵素體基體上分布著細粒狀滲碳體的組織，稱為回火屈氏體，記為“T回〞。第四階段〔400℃以上〕：滲碳體的聚集長大與α相的再結晶。溫度繼續升高時，滲碳體通過聚集長大形成較大顆粒的滲碳體。同時在450℃以上，鐵素體開始發生再結晶，由針片狀轉變為多邊形。這種由多邊形鐵素體和粒狀滲碳體的混合物稱為回火索氏體，記為“S回〞。第四十七頁，共63頁。回火(huíhuǒ)組織及其特點回火組織形

成

溫

度組

織

特

征性

能

特

征回火馬氏體150℃～350℃極細的ε碳化物分布在馬氏體基體上強度、硬度高，耐磨性好。硬度一般為HRC58～64。回火屈氏體350℃～500℃細粒狀滲碳體分布在針狀鐵素體基體上彈性極限、屈服極限高，具有一定的韌性。硬度一般為HRC35～45。回火索氏體500℃～650℃粒狀滲碳體分布在多邊形鐵素體基體上綜合機械性能好，強度、塑性和韌性好。硬度一般為HRC25～35。第四十八頁，共63頁。回火工藝重要的機械零件都要淬火和回火。鋼淬火和回火后的機械性能取決于淬火的質量和回火的合理性。在淬火得到(dédào)細小、均勻和完全的馬氏體的前提下，工件的性能主要取決于回火溫度。按照回火后性能要求，淬火以后的回火有低溫回火，中溫回火、高溫回火。按照回火溫度和工件所要求的性能，一般將回火分為三類。〔1〕低溫回火低溫回火溫度為150℃～250℃，常用170－200℃。經淬火并低溫回火的工藝主要用于工具、冷作模具，處理后的組織主要為回火馬氏體組織。經這種熱處理后，淬火中留給零件的內應力很大一部份被消除，并保證了零件需要的高硬度〔58－64HRC〕。用以制作石油鉆機吊環以及一些高強度連桿、螺栓使用效果很好。第四十九頁，共63頁。〔2〕中溫回火中溫回火溫度為350℃～500℃，常用400℃－480℃。淬火鋼經中溫回火后，獲得回火屈氏體組織，鋼的硬度(yìngdù)約為38－50HRC，具有高的彈性、高的屈服極限、高的強度極限〔即高的屈強比〕和足夠的韌性，適用于彈簧鋼的熱處理。〔3〕高溫回火高溫回火溫度為500℃～650℃，常用550℃－650℃。淬火加高溫回火的工藝在工程上稱為調質。調質處理用于含碳0.3%～0.5%的中碳鋼及中碳合金鋼。處理后的組織為回火索氏體，具有韌性、強度配合良好的綜合機械性能。常需調質處理的零件如軸類、連桿、齒輪等。如果需要氮化處理的零件一般需要先進行調質處理。第五十頁，共63頁。回火脆性如圖是隨著回火溫度的升高，鋼的沖擊韌性的變化規律。從圖中我們可以看出，在250℃～350℃和500℃～650℃鋼的沖擊韌性明顯下降，這種脆化現象稱為回火脆性。〔1〕低溫回火脆性淬火鋼在250℃～3500℃范圍內回火時出現的脆性叫做低溫回火脆性，也叫第一類回火脆性。幾乎所有的鋼都存在這類脆性。這是一種不可逆回火脆性，目前尚無有效方法完全消除這類回火脆性。所以(suǒyǐ)一般都不在250℃～350℃這個溫度范圍內回火。快冷慢冷20

10Kg·m/cm20200400600回火溫度℃鋼的韌性與回火溫度的關系第五十一頁，共63頁。〔2〕高溫回火脆性淬火鋼在500℃～650℃范圍內回火時出現的脆性稱為高溫回火脆性，也稱為第二類回火脆性。這種脆性主要發生在含Cr、Ni、Si、Mn等合金元素的結構鋼中。這種脆性與加熱、冷卻條件有關。加熱至600℃以上后，以緩慢的冷卻速度通過(tōngguò)脆化溫度區時，出現脆性；快速通過(tōngguò)脆化區時，那么不出現脆性。此類回火脆性是可逆的，在出現第二類回火脆性后，重新加熱至600℃以上快冷，可消除脆性。第五十二頁，共63頁。第四節外表(wàibiǎo)熱處理

Thermolize鋼的外表(wàibiǎo)熱處理有兩大類：一類是外表(wàibiǎo)加熱淬熾熱處理，通過對零件外表(wàibiǎo)快速加熱及快速冷卻使零件表層獲得馬氏體組織，從而增強零件的表層硬度，提高其抗磨損性能。另一類是化學熱處理，通過改變零件表層的化學成分，從而改變表層的組織，使其表層的機械性能發生變化。第五十三頁，共63頁。一、外表淬火僅對鋼的外表加熱、冷卻而不改變成分的熱處理淬火工藝稱為外表淬火。按加熱方式(fāngshì)可分為感應加熱、火焰加熱、電接觸加熱和電解加熱等。最常用的是前兩種。感應加熱外表淬火〔1〕感應加熱的根本原理感應線圈通以交流電時，就會在它的內部和周圍產生與交流頻率相同的交變磁場。假設把工件置于感應磁場中，那么其內部將產生感應電流并由于電阻的作用被加熱。感應電流在工件表層密度最大，而心部幾乎為零，這種現象稱為集膚效應。電流透入工件表層的深度主要與電流頻率有關。如下式所示：

式中：δ為感應電流透入深度〔mm〕；ρ為被加熱零件電阻〔Ω-mm2/m〕；μ為被加熱零件的導磁率〔G/Oe〕；f為電流頻率〔Hz〕。第五十四頁，共63頁。〔2〕感應加熱外表淬火的分類根據電流頻率的不同，可將感應加熱外表淬火分為三類：第一類是高頻感應加熱淬火，常用電流頻率范圍為200～300千赫茲，一般淬硬層深度為0.5～2.0mm。適用于中小模數的齒輪及中小尺寸的軸類零件等。第二類是中頻感應加熱淬火，常用電流頻率范圍為2500～800赫茲，一般淬硬層深度為2～10mm。適用于較大尺寸的軸和大中模數的齒輪等。第三類是工頻(ɡōnɡpín)感應加熱淬火，電流頻率為50赫茲，不需要變頻設備，淬硬層深度可達10～15mm。適用于較大直徑零件的穿透加熱及大直徑零件如軋輥、火車車輪等的外表淬火。加熱感應圈進水出水淬火噴水套

水電流集中層電流密度水加熱淬火層

工件間隙感應加熱表面淬火示意圖第五十五頁，共63頁。〔3〕感應加熱適用的材料外表淬火一般適用于中碳鋼和中碳低合金鋼，如45、40Cr、40MnB等。這些鋼經預先熱處理〔正火或調質處理〕后再外表淬火，心部有較高的綜合機械性能，外表也有較高的硬度和耐磨性。另外，鑄鐵也是適合于外表淬火的材料。〔4〕感應加熱外表淬火的特點與普通淬火相比，感應加熱外表淬火具有以下主要特點：一是加熱溫度高，升溫快。這是由于感應加熱速度(sùdù)很快，因而過熱度大。二是工件表層易得到細小的隱晶馬氏體，因而硬度比普通淬火提高2～3HRC，且脆性較低。三是工件表層存在剩余壓應力，因而疲勞強度較高。四是工件外表質量好