項目四金屬的常規熱處理一熱處理的基本原理二鋼的整體熱處理三鋼的表面熱處理四熱處理新技術簡介鋼的熱處理是在不改變工件形狀和尺寸的條件下，通過改變工件內部的顯微組織或工件表面的化學成分，從而得到所需性能的工藝方法，它是保證工件內在質量的重要工序。根據其在零件加工中的工序位置不同，熱處理工藝可分為預備熱處理和最終熱處理。預備熱處理：是指機械零件切削加工的一個中間工序，可消除材料內部缺陷，改善材料工藝性能，為后續加工成形或進一步熱處理做組織和性能準備，如改善鍛、軋、鑄毛坯組織的退火、正火等工藝過程。最終熱處理：是指使工件獲得最終使用性能的熱處理工藝，如使零件獲得良好的綜合力學性能的淬火、高溫回火等工藝過程。根據工藝方法不同，熱處理工藝可分為整體熱處理、表面熱處理和其他熱處理。整體熱處理：包括退火、正火、淬火、回火等。表面熱處理：包括表面淬火和化學熱處理。其他熱處理：包括激光熱處理、電子束熱處理、可控氣氛熱處理、真空熱處理、形變熱處理、復合熱處理等。任何一種熱處理工藝都由加熱、保溫和冷卻三個環節組成，其工藝過程可用熱處理工藝曲線來表達，如圖4-1所示。改變加熱溫度、保溫時間和冷卻速度都會在一定程度上改變材料的組織結構，從而影響材料的性能。圖4-1鋼的熱處理工藝曲線示意圖第一節熱處理的基本原理一、鋼在加熱時的轉變大多數熱處理工藝都要將鋼加熱到相變溫度（臨界溫度）以上，并保溫一段時間，以獲得均勻的奧氏體組織，這一過程稱為奧氏體化。加熱和保溫時形成的奧氏體晶粒大小及成分均勻性對冷卻轉變過程及組織、性能都有極大影響。圖4-2加熱和冷卻對相變溫度的影響（一）奧氏體的形成奧氏體的形成遵循結晶過程的普遍規律，是一個形核和長大的過程。下面以共析鋼為例來進行分析。共析鋼奧氏體的形成過程一般包括奧氏體的形核、奧氏體的長大、殘余滲碳體的溶解和奧氏體成分的均勻化4個階段，如圖4-3所示。（a）奧氏體的形核（b）奧氏體的長大（c）殘余滲碳體的溶解（d）奧氏體成分的均勻化圖4-3共析鋼奧氏體的形成過程示意圖1．奧氏體的形核奧氏體晶核優先在鐵素體和滲碳體的界面上形成，其原因有三方面：①

界面處碳濃度分布不均勻，容易滿足濃度起伏；②

界面上的原子排列不規則，原子的活動能力較強，容易滿足結構起伏；③

界面上晶體缺陷密度較大，處于能量較高的狀態，容易滿足能量起伏。2．奧氏體的長大奧氏體晶核形成后，它的一側與滲碳體相接，另一側與鐵素體相接。通過鐵、碳原子的擴散，相鄰的鐵素體晶格將不斷改組成奧氏體晶格，相鄰的滲碳體將不斷地向奧氏體中溶解。因此，奧氏體晶核將向鐵素體和滲碳體兩個方向不斷長大。同時，新的奧氏體晶核也將不斷形成并長大，直至鐵素體全部轉變為奧氏體為止。3．殘余滲碳體的溶解由于滲碳體的晶體結構和含碳量與奧氏體相差較大，所以當鐵素體全部消失后，仍有部分滲碳體尚未溶解，稱為殘余滲碳體。隨著保溫時間的延長，殘余滲碳體將逐漸溶解，直至完全消失。4．奧氏體成分的均勻化殘余滲碳體全部溶解后，奧氏體中的碳濃度是不均勻的，原來是滲碳體的區域碳濃度高，而原來是鐵素體的區域碳濃度低。只有保溫一段時間，通過碳原子的擴散，才能使奧氏體的成分趨于均勻。（二）奧氏體晶粒的長大與控制隨著加熱溫度的升高和保溫時間的延長，奧氏體晶粒會不斷長大。奧氏體晶粒大小用晶粒度來表示，它是評定鋼加熱質量的重要指標之一。1．奧氏體晶粒度奧氏體晶粒大小用晶粒度來表示。目前，世界各國對鋼鐵產品幾乎統一使用與標準金相圖片相比較的方法來確定晶粒度的級別。晶粒度可分為8級，各級晶粒度的晶粒大小如圖4-4所示。圖4-4標準晶粒度等級示意圖研究鋼在熱處理過程中奧氏體晶粒大小的變化時，需要區分以下三種不同概念的晶粒度。2．影響奧氏體晶粒度的因素加熱溫度和保溫時間：加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體晶粒長得越大。通常，加熱溫度對奧氏體晶粒長大的影響比保溫時間更顯著。加熱速度：加熱溫度確定后，加熱速度越快，奧氏體晶粒越細小。因此，快速高溫加熱和短時保溫是生產中常用的一種晶粒細化方法。含碳量：隨著奧氏體中含碳量的增加，奧氏體晶粒長大的傾向增大。但當含碳量超過某一限度時，碳會以殘余滲碳體的形式存在，阻礙晶界移動，從而使晶粒長大傾向減小。合金元素：若在鋼中加入適量的Ti，Zr，V，Nb等元素，它們將在鋼中形成高熔點的彌散碳化物和氮化物，阻礙奧氏體晶粒長大。二、鋼在冷卻時的轉變鋼經加熱奧氏體化后，采用不同的方式冷卻，將獲得不同的組織和性能。所以，冷卻過程是熱處理的關鍵環節。1—等溫冷卻；2—連續冷卻圖4-5兩種冷卻方式示意圖等溫冷卻：將已奧氏體化的鋼迅速冷卻到臨界點以下的某一給定溫度，進行保溫，使其在該溫度下發生組織轉變。連續冷卻：將已奧氏體化的鋼以某種冷卻速度連續冷卻，使其在臨界點以下的不同溫度進行組織轉變。（一）過冷奧氏體的等溫轉變過冷奧氏體在等溫冷卻條件下的轉變稱為過冷奧氏體的等溫轉變。過冷度和等溫時間不同，過冷奧氏體的等溫轉變過程及轉變產物也不相同。現以共析鋼為例詳細說明過冷奧氏體的等溫轉變。1．過冷奧氏體等溫轉變曲線過冷奧氏體等溫轉變曲線表示過冷奧氏體在不同過冷度下等溫轉變的過程中，轉變時間、轉變溫度和轉變產物之間關系的曲線圖。因其形狀與字母“C”相似，所以又稱為C曲線，也稱為TTT（Time，Temperature，Transformation）曲線。圖4-6共析鋼過冷奧氏體等溫轉變曲線圖分析等溫轉變曲線圖可知，圖中有兩條曲線、三條水平線、六個區域、一個特征和三種類型轉變。兩條曲線：左邊曲線為等溫轉變開始線，右邊曲線為等溫轉變終了線。三條水平線：A1線為穩定奧氏體與過冷奧氏體分界線；Ms線為上馬氏體點，即過冷奧氏體轉變為馬氏體的開始溫度；Mf線為下馬氏體點，即過冷奧氏體轉變為馬氏體的終了溫度。六個區域：A1線以上為奧氏體穩定區；A1線以下、轉變開始線以左、Ms線以上為過冷奧氏體區，在此區域內，奧氏體不發生轉變；兩曲線之間為過冷奧氏體轉變區，在此區域內，過冷奧氏體向珠光體或貝氏體轉變；轉變終了線以右為轉變產物區；Ms線以下、Mf線以上為馬氏體轉變區；Mf線以下為馬氏體和殘余奧氏體兩相共存區。一個特征：即“鼻尖”，C曲線上最突出、距縱坐標最近的部分。鼻尖以上或以下，隨著溫度的升高或降低，孕育期（過冷奧氏體轉變之前所經歷的時間）增長，過冷奧氏體穩定性增加；鼻尖處，過冷奧氏體的孕育期最短，最不穩定，最易分解，轉變速度也最快。三種類型轉變：分別是高溫珠光體轉變、中溫貝氏體轉變和低溫馬氏體轉變。其中，高溫珠光體轉變和中溫貝氏體轉變屬于等溫轉變，而低溫馬氏體轉變則屬于連續冷卻轉變。

（a）亞共析鋼的等溫轉變圖

（b）過共析鋼的等溫轉變圖圖4-7亞共析鋼和過共析鋼的等溫轉變圖2．過冷奧氏體等溫轉變產物1）珠光體型轉變

（a）珠光體

（b）索氏體

（c）托氏體圖4-8共析鋼過冷奧氏體高溫轉變組織表4-1過冷奧氏體高溫轉變產物的形成溫度及性能2）貝氏體型轉變

圖4-9上貝氏體形態

圖4-10下貝氏體形態上貝氏體強度低，塑性、韌性差，易引起脆斷，實用性差；下貝氏體具有較高的強度和硬度，良好的塑性和韌性，綜合力學性能好，因此，生產中常采用下貝氏體強化金屬的性能。（二）過冷奧氏體的連續冷卻轉變1．過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線是表示在不同冷卻速度下過冷奧氏體的轉變量與轉變時間關系的曲線圖，又稱為CCT（ContinuousCoolingTransformation）曲線。圖4-11所示為共析鋼連續冷卻轉變曲線圖。圖4-11共析鋼連續冷卻轉變曲線圖2．過冷奧氏體連續冷卻轉變產物板條馬氏體由一束束平行排列的細板條組成，在光學顯微鏡下觀察到的只是邊緣不規則的塊狀，如圖4-12所示。板條馬氏體具有較高的硬度、強度及較好的塑性和韌性，綜合力學性能較好。（a）板條馬氏體顯微組織（1000×）

（b）板條馬氏體示意圖圖4-12板條馬氏體的組織形態片狀馬氏體單個晶體的立體形態呈雙凸透鏡形的片狀，觀察金相磨片，其斷面呈針狀，整個組織是由長短不一的馬氏體片組成的，如圖4-13所示。片狀馬氏體具有比板條馬氏體更高的硬度，但脆性較大，塑性和韌性較差。（a）片狀馬氏體顯微組織（1500×）（b）片狀馬氏體示意圖

圖4-13片狀馬氏體的組織形態

第二節鋼的整體熱處理一、鋼的退火退火是將鋼加熱到一定溫度并保溫一定時間后，緩慢冷卻（一般為隨爐冷卻），以獲得達到或接近平衡狀態組織的熱處理工藝。根據目的和工藝特點的不同，鋼的退火可分為完全退火、等溫退火、球化退火、擴散退火、去應力退火和再結晶退火等。各種退火的加熱溫度范圍和工藝曲線如圖4-14所示。（a）加熱溫度范圍

（b）工藝曲線圖4-14各種退火的加熱溫度范圍和工藝曲線（一）完全退火（二）等溫退火（三）球化退火（四）擴散退火（五）去應力退火（六）再結晶退火

再結晶退火是指將冷變形后的金屬加熱到再結晶溫度以上，保持適當時間，使形變晶粒重新結晶為均勻的等軸晶粒，以消除形變強化和殘余應力的退火工藝。二、鋼的正火正火是指將鋼加熱到Ac3或Accm以上30～50℃，保溫適當時間后，在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火的加熱溫度范圍和工藝曲線如圖4-14所示。正火與退火的主要區別是正火的冷卻速度稍快，可以獲得較細的索氏體（見圖4-15），強度和硬度也較高。圖4-15鋼的退火（左）與正火（右）的組織比較正火的主要應用如下。（1）作為普通結構零件的最終熱處理。（2）減少亞共析鋼中的自由鐵素體。（3）消除過共析鋼的網狀二次滲碳體，為球化退火做好組織準備。（4）對低、中碳結構鋼進行預備熱處理，可獲得合適的硬度，降低塑性，克服粘刀現象，改善切削加工性。（5）消除中碳鋼鑄件、鍛件的過熱組織，細化晶粒，并為淬火做好組織準備。三、鋼的淬火淬火是指將鋼加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保持一定時間，然后以適當的速度冷卻獲得馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝。淬火是鋼最重要的強化方法。（一）淬火工藝1．淬火加熱溫度淬火加熱溫度是淬火工藝的主要參數。一般情況下，淬火加熱溫度應限制在臨界點以上30～50℃范圍內，如圖4-16所示。圖4-16碳鋼的淬火加熱溫度范圍2．淬火加熱時間淬火加熱時間是指達到加熱溫度和獲得奧氏體均勻化的時間，包括升溫和保溫時間。加熱時間不能過長，也不能過短，其受工件形狀和尺寸、裝爐方式、裝爐量、加熱爐類型、爐溫和加熱介質等影響。3．淬火冷卻介質理想的淬火冷卻介質應該能使零件通過快速冷卻轉變成馬氏體，同時又不會引起太大的淬火應力。理想的冷卻速度如圖4-17所示。圖4-17理想冷卻曲線4．淬火方法常用的淬火方法有單介質淬火、雙介質淬火、分級淬火和等溫淬火等，如圖4-18所示。1—單介質淬火；2—雙介質淬火；3—分級淬火；4—等溫淬火圖4-18不同淬火方法示意圖單介質淬火：是指奧氏體化后的工件在一種介質（水或油）中連續冷卻至室溫的淬火方法。此法操作簡單，易于實現機械化和自動化，但淬火應力大，工件容易變形和開裂。對碳素鋼而言，單介質淬火只適用于形狀較簡單的工件。雙介質淬火：是指將工件奧氏體化后，先在冷卻能力較強的介質中冷卻，在組織即將發生馬氏體轉變時，立即轉入冷卻能力較弱的介質中冷卻的淬火方法，如先水后油、先水后空氣等。此方法可有效減少工件變形和開裂，但操作不好掌握，主要用于形狀復雜的高碳鋼件和尺寸較大的合金鋼件。分級淬火：是指將奧氏體化后的工件浸入溫度稍高于或稍低于Ms點的堿浴或鹽浴中保持適當時間，在工件整體達到介質溫度后取出空冷，以獲得馬氏體組織的淬火方法，又稱馬氏體分級淬火。此方法顯著降低了淬火應力，因而能更有效地減小或防止淬火工件的變形和開裂，主要用于尺寸較小的工件。等溫淬火：是指將工件奧氏體化后，快冷到貝氏體轉變溫度區間等溫保持，使奧氏體轉變為貝氏體的淬火方法，又稱貝氏體等溫淬火。此法淬火后應力和變形很小，工件強度高、韌性好，多用于形狀復雜、尺寸較小的零件。（二）鋼的淬透性鋼的淬透性是指鋼件在淬火時形成馬氏體的能力，一般用圓柱體試樣的淬硬層深度或沿截面的硬度分布曲線表示。淬硬性是指鋼在理想條件下進行淬火硬化所能達到的最高硬度，即硬化能力。它主要取決于馬氏體的含碳量。一般來說，奧氏體的穩定性越好，形成馬氏體所需要的臨界冷卻速度就越小，鋼的淬透性也就越好。因此，凡是影響奧氏體穩定性的因素，如合金元素、碳含量、奧氏體化溫度和鋼中的第二相等，均影響鋼的淬透性。四、鋼的回火回火是指將淬火鋼重新加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。回火一般在淬火后隨即進行。淬火與回火常作為零件的最終熱處理。回火可減小和消除淬火時產生的應力和脆性，防止和減小工件變形和開裂；獲得所需的穩定組織，保證工件在使用中形狀和尺寸不發生改變；獲得工件所要求的使用性能。（一）淬火鋼在回火時的轉變一般淬火鋼的室溫組織是由馬氏體和少量殘余奧氏體組成的，兩者均是不穩定組織。在A1以下不同溫度重新加熱時，將發生下列四個階段的組織轉變。馬氏體的分解（小于200℃）殘余奧氏體的分解（200～300℃）碳化物的轉變（250～400℃）滲碳體的聚集長大與α相的再結晶（大于400℃）

圖4-19回火馬氏體

圖4-20回火托氏體

圖4-21回火索氏體碳鋼在回火過程中馬氏體碳含量、殘余奧氏體量、淬火內應力以及碳化物尺寸的變化情況如圖4-22所示。圖4-22淬火鋼在回火過程中的變化（二）淬火鋼回火后的組織和性能表4-2回火的種類與應用第三節鋼的表面熱處理一、表面淬火表面淬火是一種常用的表面熱處理，是指僅對工件表層進行淬火的工藝。它是利用快速加熱，使工件表面很快達到淬火溫度并奧氏體化，然后迅速冷卻，使表層一定深度淬成馬氏體組織，而心部仍為未淬火組織的一種局部淬火方法。根據加熱方法的不同，表面淬火主要分為感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火、激光加熱表面淬火和電子束加熱表面淬火等，其中最常用的是感應加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火。（一）感應加熱表面淬火感應加熱表面淬火是指利用感應電流通過工件時所產生的熱量，使工件表層、局部或整體加熱并快速冷卻的淬火工藝。圖4-23感應加熱表面淬火示意圖根據通入感應器的交流電頻率不同，感應加熱表面淬火可分為高頻、中頻、工頻三種，如表4-3所示。（二）火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火是利用氧-乙炔火焰或氧-煤氣火焰，使工件表面迅速被加熱到淬火溫度，隨后噴水冷卻的熱處理工藝，如圖4-24所示。圖4-24火焰加熱表面淬火示意圖二、化學熱處理化學熱處理是指將金屬或合金工件置于一定溫度的活性介質中保溫，使一種或幾種元素滲入其表層，以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝。化學熱處理的方法很多，包括滲碳、滲氮和碳氮共滲等。但無論哪種方法，都是通過以下三個相互銜接而又同時進行的基本過程來完成的。分解：化學介質在一定溫度下分解，產生能夠滲入工件表面的活性原子。吸收：活性原子被工件表面吸收，即活性原子溶入鐵的晶格形成固溶體，或與鋼中某元素形成化合物。擴散：被吸收的活性原子由工件表面逐漸向內部擴散，形成一定深度的擴散層。上述基本過程都與溫度有關，溫度越高，過程進行得越快，擴散層越厚，但溫度過高會引起奧氏體晶粒粗化，使鋼變脆。（一）滲碳滲碳是將鋼件放入滲碳介質中加熱、保溫，使碳原子滲入工件表層，以增加鋼件表層含碳量和獲得一定碳濃度梯度的化學熱處理工藝。氣體滲碳是指工件在氣體滲碳介質中進行滲碳的工藝。圖4-25氣體滲碳示意圖（二）滲氮滲氮也稱為氮化，是指在一定溫度下（一般在Ac1溫度以下）使活性氮原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。其目的是提高零件表面的硬度、耐磨性、抗疲勞強度、熱硬性和耐蝕性等。常用的滲氮工藝有氣體滲氮和離子滲氮。氣體滲氮：將氨氣通入加熱至滲氮溫度（500～570℃）的密封滲氮罐中，高溫下氨氣分解出活性氮原子，被工件表面吸附并向內擴散，形成一定深度的滲氮層。離子滲氮：將零件置于充有氨氣或氮氫混合物的真空爐中，零件作為陰極，爐壁作為陽極，并在陰極與陽極之間加上800～1000V的直流電壓。在高壓電場的作用下，零件周圍的氨氣電離為氮正離子和氫電子，氮正離子在電場的作用下高速沖擊并深入工件表面，工件表面溫度升至500～700℃，形成氮化層。（三）碳氮共滲碳氮共滲是將碳、氮同時滲入工件表層的化學熱處理工藝，又稱為氰化。目前常采用氣體碳氮共滲，通常將零件放入密閉的爐中加熱，通入氨氣并滴入煤油。氨氣中分解出來的活性氮原子和煤油中分解出來的活性碳原子同時被工件表面吸附并擴散，形成化合物層。碳氮共滲若在高溫下進行，則以滲碳為主；若在較低溫度下進行，則以滲氮為主。第四節熱處理新技術簡介一、激光熱處理激光熱處理可實現表面淬火、局部表面硬化和表面合金化，它具有以下幾方面優點。功率密度高，加熱、冷卻速度極快，無氧化脫碳，可實現自激冷淬火。應力和變形小，表面光亮，不需再進行表面精加工。可以在零件選定表面局部加熱，解決拐角、溝槽、盲孔底部、深孔內壁等一般熱處理工藝難以解決的強化問題。生產效率高，易實現自動化，無需冷卻介質，對環境無污染。二、電子束熱處理電子束熱處理是利用電子槍發射的電子束轟擊金屬表面，將能量轉換為熱能進行熱處理的方法。在電子束熱處理過程中，工件表面的加熱速度和冷卻速度都很快，奧氏體化時間很短，能夠獲得超細晶粒組織，這是電子束表面淬火最大的特點。電子束熱處理需要在真空下進行，避免了氧化、滲氮的不利影響，可獲得更好的表面質量和組織，但可控制性較差，而且需