鋼的熱處理[目標]1.了解鋼的熱處理分類、化學熱處理、熱處理新技術；2.掌握鋼熱處理原理：加熱、保溫、冷卻過程及組織、性能轉變規律；3.掌握鋼的正火、退火、淬火、回火的熱處理工藝和應用；鋼的表面熱處理的特點和應用；4.淬透性、淬硬性概念及其影響因素。[重點]1.鋼在冷卻時的轉變過程和組織、性能；2.鋼正火、退火、淬火、回火的熱處理工藝和應用；3.鋼的表面熱處理的特點和應用。[難點]1.鋼在冷卻時的轉變過程和組織；2.鋼的表面熱處理。鋼的熱處理第六章鋼的熱處理

將鋼進行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需結構、組織與性能的一種熱加工工藝。

工藝簡單成本低廉

歷史悠久

應用廣泛

效果卓越

重要零件都要經過熱處理機床制造：60~70%汽車：70~80%模具、滾動軸承：100%6.1鋼在加熱時的組織轉變6.1.1奧氏體的形成平衡時:A1A3Acm加熱時:Ac1Ac3Accm冷卻時:Ar1Ar3Arcm1.實際加熱和冷卻時相變點2.奧氏體的形成目標：成分均勻、晶粒細小的A奧氏體形核奧氏體長大剩余Fe3C溶解奧氏體成分均勻化途徑：C、Fe原子的擴散

Fe的晶格改變P(F+Fe3C)→A6.1.2奧氏體晶粒的長大及其影響因素（1）加熱溫度↑

C擴散↑

（2）加熱速度↑過熱度↑

形核率↑（3）Wc↑

：C擴散速度↑

（4）合金元素：合金碳化物大多數阻礙A長大（5）原始組織晶粒細↑形核率↑粗↑保溫時間↑長大↑細↑

粗↑細↑

細↑

快加熱、短保溫A思考題1.亞共析鋼加熱到Ac1時，其轉變是怎樣的2.過共析鋼加熱到Ac1時，其轉變是怎樣的A+FA+Fe3CP+F

P+Fe3C6.2鋼在冷卻時的組織轉變1-連續冷卻方式2-等溫冷卻方式6.2.1

共析鋼過冷奧氏體等溫冷卻轉變（

TTT

曲線、C

曲線)TimeTemperatureTransformation1.過冷奧氏體等溫冷卻轉變圖550

℃溫度時間A1-50230550723T/℃0t/s110102103104A1穩定A過冷AA轉變開始線A轉變終止線2.C曲線建立示意圖穩定奧氏體區過冷奧氏體區A轉變開始線A轉變終止線A

+產物區產物區A1～550℃(高溫轉變)

P轉變550～230℃（中溫轉變）

B轉變230～-50℃（低溫轉變）

M轉變t/s3001021031041010800-100100200500600700

T/℃0400A1MsMf區物產M轉變開始線M轉變終止線3.共析鋼過冷奧氏體等溫冷卻轉變圖2）C

曲線概述T/℃t/sA1（723

℃）穩定A

區轉變開始線轉變終止線轉變開始線轉變終止線過冷區A高溫轉變區（P

組織）550

℃中溫轉變區（B

組織）低溫轉變區（M

組織）3.共析鋼過冷奧氏體等溫冷卻轉變圖（另一種，供選擇）AF正常溶解度多余C充分析出Fe3CP

第二相強化1.珠光體型(P)轉變--高溫擴散型6.2.2共析鋼過冷奧氏體等溫轉變產物及性能A1～650℃粗片珠光體（P）≈

20HRC650～600℃細片索氏體(S)≈30HRC600～550℃極細片屈氏體(T)≈

40HRC強硬度塑韌性提高1.珠光體型(P)轉變PSTC

不能析出AFM

過飽和的F2.馬氏體型(M)轉變--低溫非擴散型極度過飽和固溶強化馬氏體硬度和碳含量的關系（1）馬氏體的硬度取決于Wc?c＜0.2％：低碳M（板條狀--細長條狀）

強而韌

20～50HRC?c＞1.0％：高碳M（針狀--雙凸透鏡狀）

硬而脆≈65HRCM束M針（2）馬氏體的分類低碳M高碳M在不斷降溫的過程中形成。如冷卻中途停止，M轉變即停止；高速長大；轉變不徹底；

當?c＞0.6％時，Mf降至0℃以下，室溫冷卻時將有殘余A（Ar/A＇）；

?c↑→Ar↑→HRC↓

穩定性↓精度↓

（高精度件需冷處理：干冰-78℃，液氮-196℃）體積膨脹；產生較大內應力，變形、開裂。（3）馬氏體轉變的特點C部分析出碳化物B3.貝氏體型(B)轉變--中溫半擴散型A過飽和

FB上B下過飽和固溶強化第二相強化550～350℃B上≈45HRC碳化物短桿狀塑韌性差350℃～MsB下≈55HRC碳化物顆粒狀良好塑韌性貝氏體性能共析鋼三種產物組織示意圖C充分析出C部分析出C未能析出7230550230-50650600350550230-50PSTBuBd7230550230-50t/sP型B型M型7230T/℃230-50A1穩定AMSMf2030404555M66共析鋼等溫冷卻產物及硬度轉變溫度區間名稱組織形貌HRCA1～650℃PF+Fe3C層片狀≈20650℃～600℃S≈30600℃～550℃T≈40550℃～350℃B上含碳略過飽和F+碳化物羽毛狀40～48350℃～230℃B下含碳略過飽和F+碳化物黑色針狀48～55Ms～MfM碳極大過飽和的F板條狀或片狀50～65共析鋼等溫冷卻產物及硬度6.2.3影響TTT曲線的因素1.碳含量合金元素3.奧氏體化溫度和保溫時間課堂練習：分析等溫冷卻組織轉變①③②④①T②B下+M③B下④M+Ar6.2.4過冷奧氏體連續冷卻轉變（1）同一成分鋼的連續冷卻轉變曲線較等溫冷卻轉變曲線靠右下方；（2）CCT曲線只有上半部分，而沒有下半部分；（3）CCT曲線珠光體轉變區由三條曲線構成；

（4）CCT曲線的上\下臨界冷卻速度。800-100100200500600700

溫度0400共析鋼連續冷卻的產物

時間(s)3001021031041010A1MsMfV1V2υkV3V4爐冷P空冷S油冷T+M+Ar水冷

M+Ar課堂練習

按硬度要求做出連續冷卻曲線：Wc＝0.8％的工件,頭部65HRC，尾部50HRC。800-100100200500600700

溫度0400

時間(s)3001021031041010A1MsMf尾頭時間爐冷：P空冷：S油冷、水冷：M6.3鋼的退火和正火毛坯生產預備熱處理機械粗加工

補充熱處理

1.鋼的熱處理作用與分類去應力退火穿插進行退火正火再結晶退火改善加工工藝性能(160～230HBS)力學性能↑使用壽命↑淬火回火機械精加工最終熱處理消除加工中的內應力滲碳、滲氮碳氮共滲熱處理普通熱處理表面熱處理退火、正火淬火與回火表面淬火

化學熱處理感應加熱火焰加熱根據工藝特點分類細化晶粒、改善組織：優化力學性能，為最終熱處理

（淬火回火）做好組織準備；消除殘余應力：穩定尺寸，防止變形、開裂；調整硬度：改善材料切削加工性能，160~230HBW；最終熱處理：用于普通零件2.退火和正火的作用6.3.1鋼的退火（a）加熱溫度范圍

（b）工藝曲線各種退火工藝規范示意圖

退火是將鋼加熱至一定溫度，保溫一定時間后緩慢冷卻的熱處理工藝。1.完全退火特點：完全A化，緩冷（爐冷等）應用：中、高碳亞共析鋼（?c：0.3～0.6％）

(若?c↓→F↑→軟/黏刀；工藝：Ac3＋30～50℃組織：F＋P作用：細化晶粒

消除內應力

HRC↓?c↑→Fe3C網↑→硬/脆）2.球化退火特點：不完全A化，緩冷（爐冷等）應用：高碳鋼（?c＞0.6％）——共析、過共析鋼工藝：A1＋30～50℃組織：F＋Fe3C（球狀）作用：細化晶粒

消除內應力

球化Fe3C

塑韌性↑

HRC↓

主要用于合金鋼鑄件消除鑄造枝晶偏析，使鋼成分均勻。

加熱至Ac3或Acm+150～250℃，保溫10～15h，隨爐冷至350℃，出爐空冷。3.均勻化退火4.去應力退火為消除或減小工件內部殘余內應力，穩定尺寸和形狀。加熱至A1以下（550～650℃），保溫后隨爐緩冷至200℃，出爐空冷。6.3.3鋼的正火特點：完全A化，空冷應用：亞、共、過共析鋼工藝：Ac3或Acm以上30～50℃組織：亞共析鋼：S+F

共析鋼：S

過共析鋼：S＋Fe3CⅡ

（呈斷續鏈狀）作用：與退火相似

但速度快，生產效率高組織更細密，性能更好正火的應用（1）具有綜合性能：正火可作為力學性能要求不高時的最終熱處理；（2）用于亞共析鋼（?c：0.2~0.4%）：較完全退火，HRC↑（150~220HBW）；（3）用于過共析鋼：能消除Fe3CⅡ

呈網狀分布。過共析鋼正火前過共析鋼正火后正火球化退火正火＋球化退火?c＝0.2～0.6％：低、中碳——優先采用正火?c≥0.6％：高碳——球化退火?c≥1％：正火+球化退火1.選用原則16.3.3退火和正火在零件制造中的應用2.選用原則2（參考）0.5％正火球化退火0.75％完全退火正火＋球化退火0.2％6.3.3退火和正火在零件制造中的應用6.4鋼的淬火與回火

時間(s)6.4.1鋼的淬火加熱

快冷（υ

≥

υk）等溫冷卻MB下鋼

A

臨界溫度以上

6.4鋼的淬火與回火淬火工藝（1）淬火加熱溫度亞共析鋼：Ac3+30

50℃共、過共析鋼：Ac1+30℃50℃t>AcmAcm>t>A1過共析鋼不同溫度下的淬火組織

加熱保溫時間過長，A晶粒易長大，且零件氧化、脫碳傾向增大；反之，奧氏體化不充分。

確定零件的加熱保溫時間時應考慮加熱方法、鋼的種類、工件形狀尺寸和裝爐方式等因素。

詳見各類熱處理工藝手冊（2）加熱保溫時間

（3）淬火冷卻介質V堿水＞V鹽水＞V清水＞V熔鹽＞V油最常用的冷卻介質是水和油生產中接近理想冷卻曲線的實際操作理想的淬火冷卻曲線1.緩冷2.快冷3.緩冷1.緩冷3.緩冷2.快冷出爐①單介質淬火：形狀簡單小件；應力大碳鋼—水合金鋼—油②雙介質淬火:形狀復雜、大件；應力↓

水—油油—空氣如：浴以五牲之溺，淬以五牲之脂---唐《北齊書》③分級淬火：精密件，應力↓↓④等溫淬火：尺寸小、精度高的強韌性件（B下）應力↓↓↓

②①④③2.常用淬火方法6.4.2鋼的回火

回火：淬火鋼重新加熱至A1以下某預定溫度并保溫一定時間，然后冷卻至室溫。

1.回火的作用（1）消除或減少內應力；

（2）穩定工件尺寸；（3）獲得工件所要求的力學性能?；鼗鸬脑駽

不能析出MA

F

晶格畸變程度↑應力↑脆性↑Ar↑

過飽和C↑

自然析出F+Fe3C穩定的平衡組織非平衡組織冷速↑自發變形釋放體心立方F

不可阻擋強度↑

硬度↑馬氏體的分解（80～200℃）

過飽和碳以極細小片狀過渡碳化物Fe2.4C形式部分析出。

過飽和針狀鐵素體+Fe2.4C（Mˊ）。殘余奧氏體的轉變（200～300℃），B下滲碳體的形成（250～450℃）Fe2.4C向更穩定的、彌散、細小的Fe3C轉變

，碳化物充分析出。

平衡成分的針狀鐵素體+

顆粒狀Fe3C（Tˊ）。滲碳體球化、長大及鐵素體形態變化（>450℃）滲碳體集聚長大球化為細粒狀；鐵素體發生再結晶，由針狀轉變為細小等軸狀晶粒。

等軸狀（粒狀）鐵素體+

顆粒狀Fe3C（Sˊ）2.淬火鋼回火時的組織轉變及產物（1）馬氏體的分解（80～200℃）（2）殘余奧氏體的轉變（200～300℃）（3）滲碳體的形成（250～450℃））（4）滲碳體球化、長大及鐵素體形態變化（>450℃）2.淬火鋼回火時的組織轉變及產物低溫回火≈200℃碳化物析出少M′中溫回火≈400℃碳化物充分析出（細小Fe3C）T′高溫回火≈600℃鐵素體形態發生變化（針→粒）S′

3.淬火鋼回火時的性能變化淬火鋼（0.4%)回火時力學性能的變化

不同淬火鋼的回火硬度曲線C

回火獲得不同組織和性能4.

回火的種類及應用25中低?c0.3～0.5％受力復雜傳動件如：軸、連桿、螺栓綜合性能強、硬塑、韌均衡S′

45中高?c0.5～0.7％彈性零件如：彈簧、熱作模具高強度足夠韌性T′60高?c＞0.8％高硬度耐磨件如:車刀、鋸條、卡尺軸承、冷作模具高硬度M′

HRC鋼含碳量應用性能組織第一類(低溫回火脆性)：不可逆250～350℃：M界面上析出薄片狀碳化物。與冷速無關，無法消除，應避免該溫度第二類(高溫回火脆性)：可逆

1）再加熱至550℃，快冷消除2）消除雜質3）大件加入

W/Mo防偏聚5.

回火脆性500～650℃:慢冷時，P/S/Sn/As等元素向晶界偏聚、析出。Cr/Mn/Ni/Si促進此偏聚。6.4.3淬火鋼的冷處理

將淬火鋼從室溫繼續冷卻至0℃以下溫度的工藝稱為冷處理。消除Ar硬度、耐磨性↑；穩定性、精度↑

常用的冷處理介質：酒精加干冰（-78℃）、液氮（-196℃）和液氧（-183℃）。6.5鋼的淬硬性和淬透性6.5.1鋼的淬硬性1.淬硬性：淬火鋼獲得最高硬度或馬氏體硬度的能力。與?c有關與合金元素無關2.淬硬性的應用

工具：

?c≥0.8%,彈簧：

?c=0.5～0.7%軸和部分齒輪：

?c=0.3～0.5%6.5.2鋼的淬透性

淬透性是指在規定淬火條件下，鋼獲得高硬度馬氏體層（淬硬層）深度的能力。（a）工件截面不同冷速

（b）截面不同冷速與M層深度的關系1.臨界淬透直徑——dc

心部也被淬硬時的最大直徑6.5鋼的淬硬性和淬透性dc是鋼中的合金元素及其含量。2.影響鋼淬透性的最主要因素種類：C曲線右移Vk↓

淬透性↑合金總量↑：淬透性↑（1）大工件：淬透性↑

心部淬透↑

性能一致（2）同一工件：淬透性↑冷速↓應力↓3.淬透性應用課堂思考2：如何根據零件受力狀況選擇淬透性橫截面受力均勻的零件橫截面受力不均勻的零件避免脆性斷裂的零件淬透性要高淬透性不必高淬透性不能高課堂思考1：某細長沖孔凸模，應力大時易變形，要求高精度，選哪種材料更合適：T8、9CrWMn？

6.6鋼的表面熱處理表硬心韌6.6鋼的表面熱處理6.6.1鋼的表面淬火1.感應加熱表面淬火①心部:整體熱處理正火S

或調質

S′②表面:淬火：A→M→M′

電流

頻率

高頻（100kHz～500kHz）

中頻（500Hz～10000Hz）