第5章 鋼的熱處理

1、第五章 鋼的熱處理 改善鋼的性能，主要有兩條途徑： 合金化； 熱處理。 熱處理熱處理 通過鋼在固態(tài)下的加熱、保溫、冷卻改變組織，獲得所需 性能。 特點特點 重要性重要性 提高工藝性能 提高力學(xué)性能 彈簧熱處理（視頻1） 工具熱處理（視頻2） l在機床制造中約60-70%的零件要經(jīng) 過熱處理。 l在汽車、拖拉機制造業(yè)中需熱處理 的零件達70-80%。 l熱處理是一種重要的加工工藝，在制造業(yè)被廣泛應(yīng)用. l模具、滾動軸承100%需經(jīng)過熱處理。 l總之，重要零件都需適當熱處理后 才能使用。 熱處理工藝方法 5.1 鋼的熱處理原理 5.1.1 鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變 1 鋼在加熱時，實際轉(zhuǎn)變溫度往往要偏

2、離平衡的臨界溫度， 冷卻時也是如此。隨著加熱和冷卻速度的增加，滯后現(xiàn)象 將越加嚴重。通常把加熱時的臨界溫度標以字母“c”， 如AC1、AC3、ACcm等；把冷卻時的臨界溫度標以字母“r”， 如Ar1、Ar3、Arcm等。 加熱目的：奧氏體化（動畫3-2-11） 1.奧氏體的形成（以共析鋼為例） 奧氏體化也是形核和長大的過程，分為四步?，F(xiàn)以共析鋼為例 說明 第一步 奧氏體晶核形成：首先在與Fe3C相界形核。 第二步 奧氏體晶核長大： 晶核通過碳原子的擴散向 和 Fe3C方向長大。 第三步 殘余Fe3C溶解: 鐵素體的成分、結(jié)構(gòu)更接近于奧氏 體，因而先消失。殘余的Fe3C隨保溫時間延長繼續(xù)溶解直

3、至消失。 第四步 奧氏體成分均勻化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含 量仍很高，通過長時間保溫使奧氏體成分趨于均勻。 共析鋼奧氏體化過程 亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體 化過程與共析鋼基本相同。但 由于先共析 或二次Fe3C的存 在，要獲得全部奧氏體組織， 必須相應(yīng)加熱到Ac3或Accm以上. 亞共析鋼(動畫3-2-2b)和過共析鋼（3-2-2a） 奧氏體晶粒長大及其控制 重要性：奧氏體晶粒粗大，冷卻后的組織也粗大，降 低鋼的常溫力學(xué)性能，尤其是塑性。因此加熱得到細 而均勻的奧氏體晶粒是熱處理的關(guān)鍵問題之一。 隨加熱溫度升高或保溫時間延長，奧氏體晶粒將進一 步長大，這是一個自發(fā)的過程。奧氏體晶粒長大

4、過程 與再結(jié)晶晶粒長大過程相同。 （1）奧氏體的晶粒度 晶粒大小的兩種表達方法： 晶粒尺寸 晶粒號N：將放大100倍的金相組織與標準晶粒號圖片進行 比較。大小分為8級，1級最粗，8級最細。通常14級為 粗晶粒度，58級為細晶粒度。 本質(zhì)晶粒度：鋼加熱到93010、保溫8小時、冷卻后 測得的晶粒度叫本質(zhì)晶粒度。如果測得的晶粒細小，則該 鋼稱為本質(zhì)細晶粒鋼，反之叫本質(zhì)粗晶粒鋼。 通常將鋼加熱到930 10奧氏體化后，設(shè)法把 奧氏體晶粒保留到室溫來 判斷。 晶粒度為1-4 級 的是本質(zhì)粗晶粒鋼, 5-8 級的是本質(zhì)細晶粒鋼。前 者晶粒長大傾向大，后者 晶粒長大傾向小。 （2）奧氏體晶粒長大的影響因素

5、及控制 l加熱溫度和保溫時間：加熱溫度高、保溫時間長, 晶粒 粗大。但隨時間延長，晶粒的長大速度越來越慢。 l加熱速度：加熱速度越快,過熱度越大, 形核率越高, 晶粒 越細，生產(chǎn)中?？焖偌訜幔虝r保溫。 l合金元素： 含碳量 阻礙奧氏體晶粒長大的元素: Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、 Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。 促進奧氏體晶粒長大的元素：Mn、P、N。 l原始組織：平衡狀態(tài)的組織有利于獲得細晶粒。 5.1.2 冷卻時鋼的組織轉(zhuǎn)變 鋼的冷卻方式 連續(xù)冷卻（常用于生產(chǎn)） 等溫冷卻 1.過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 （以共析鋼為例） 過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變圖 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖是 表示奧氏

6、體急速冷卻到臨 界點A1 以下在各不同溫度 下的保溫過程中轉(zhuǎn)變量與 轉(zhuǎn)變時間的關(guān)系曲線.又稱 C 曲線、S 曲線或TTT曲線。 (Time-Temperature-Transformation diagram) A1-Ms 間及轉(zhuǎn)變開始線以左 的區(qū)域為過冷奧氏體區(qū)。 轉(zhuǎn)變終了線以右及Mf以下為 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)。 兩線之間及Ms與Mf之間為轉(zhuǎn) 變區(qū)。 轉(zhuǎn)變開始線與縱坐標之間的 距離為孕育期。 孕育期越小，過冷奧 氏體穩(wěn)定性越小. 孕育期最小處稱C 曲 線的“鼻尖”。碳鋼 鼻尖處的溫度為 550。 在鼻尖以上, 溫度較高， 相變驅(qū)動力小。 在鼻尖以下，溫度較低， 擴散困難。從而使奧氏 體穩(wěn)定性增加。

7、三個溫 度區(qū)間：C曲線明確表示 了過冷奧氏體在不同溫 度下的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。 過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 組織和性能 高溫轉(zhuǎn)變（珠光體型轉(zhuǎn)變） 在A1550 之間, 轉(zhuǎn)變產(chǎn) 物為珠光體型組織, 此溫區(qū) 稱珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)。 珠光體轉(zhuǎn)變珠光體轉(zhuǎn)變 珠光體型組織是鐵素體和滲碳體的機械混合物, 滲碳體呈層 片狀分布在鐵素體基體上，轉(zhuǎn)變溫度越低，層間距越小，可 將珠光體型組織按層間距大小分為珠光體(P)、索氏體(S)和 屈氏體(T)。奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變?yōu)閿U散型的形核、長大 過程, 是通過碳、鐵的擴散和晶體結(jié)構(gòu)的重構(gòu)來實現(xiàn)的。 珠光體的性能 珠光體、索氏體、屈氏體三 種組織無本質(zhì)區(qū)別，只是形 態(tài)上的粗細之分，

8、因此其界 限也是相對的。 A1650 珠光體 650600 索氏體 600550 屈氏體 片間距越小，鋼的強度、硬 度越高，而塑性和韌性略有 改善。 片間距片間距 b HRC 中溫轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變 轉(zhuǎn)變溫度550- 230 (Ms)貝氏體用符號B表示。 根據(jù)其組織形態(tài)不同，貝 氏體又分為上貝氏體(B上) 和下貝氏體(B下)。 貝氏體是滲碳體分布在碳 過飽和的鐵素體基體上的 兩相混合物。 上貝氏體 形成溫度為550-350。 在光鏡下呈羽毛狀。 在電鏡下為不連續(xù)棒狀的滲碳體分布于自奧氏體晶界向 晶內(nèi)平行生長的鐵素體條之間。 500X5000 x 下貝氏體 形成溫度為350-Ms。 在光鏡下呈竹葉狀

9、。 光鏡下光鏡下 電鏡下電鏡下 在電鏡下為細片狀碳化物 分布于鐵素體針內(nèi)，并與 鐵素體針長軸方向呈55- 60角。 貝氏體的性能 上貝氏體強度與塑性都較低，無實用價值。 下貝氏體除了強度、硬度較高外，塑性、韌性也較好，即具 有良好的綜合力學(xué)性能，是生產(chǎn)上常用的強化組織之一。 上貝氏體上貝氏體 貝氏體組織的透射電鏡形貌貝氏體組織的透射電鏡形貌 下貝氏體下貝氏體 亞共析碳鋼與過共析碳鋼過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 相同點：都具有轉(zhuǎn)變開始與終了線。 不同點：先析出線 C曲線位置隨含碳量變化，共析鋼過冷奧氏體最穩(wěn)定 2.過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 共析鋼的CCT曲線分析 共析鋼的CCT曲線沒有貝 氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，在珠

10、光體 轉(zhuǎn)變區(qū)之下多了一條轉(zhuǎn) 變中止線。 當連續(xù)冷卻曲線碰到轉(zhuǎn) 變中止線時，珠光體轉(zhuǎn) 變中止，余下的奧氏體 一直保持到Ms以下轉(zhuǎn)變 為馬氏體。 圖中的V k 為CCT曲線的臨界 冷卻速度，即獲得全部馬氏 體組織時的最小冷卻速度。 轉(zhuǎn)變在一溫度區(qū)間進行并隨 冷卻速度變化 轉(zhuǎn)變不均勻，可獲得混合組 織。 動畫lxzhb 等溫TTT在連續(xù)轉(zhuǎn)變中的 應(yīng)用 CCT曲線位于TTT曲線右下 方。CCT曲線獲得困難， TTT曲線容易測得。 可用TTT曲線定性說明連 續(xù)冷卻時的組織轉(zhuǎn)變情況。 方法是將連續(xù)冷卻曲線繪 在C 曲線上，依其與C 曲 線交點的位置來說明最終 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物物. . P 均勻均勻A 細細A P

11、退火退火 (爐冷爐冷) 正火正火 (空冷空冷) S 淬火淬火 (油冷油冷) T+M+AM+A 淬火淬火 (水冷水冷) A1 MS Mf 時間時間 650 600 550 3.馬氏體轉(zhuǎn)變 當奧氏體冷卻速度大于臨界冷卻速度，并過冷到到Ms以下 將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體類型組織。 轉(zhuǎn)變無擴散。 單相亞穩(wěn)組織。 馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)和形態(tài) 碳在-Fe中的過飽和固溶體稱馬氏體，用M表示。 馬氏體轉(zhuǎn)變時，奧氏體中的碳全部保留到馬氏體中。 馬氏體具有體心正方晶格（a=bc） 軸比c/a 稱馬氏體的正方度，C% 越高，正方度越大，正方 畸變越嚴重。當0.25%C時，c/a=1，此時馬氏體為體心立 方晶格。 馬氏體的形態(tài)分板

12、條和片狀兩類。 板條馬氏體（低碳M） 立體形態(tài)為細長的扁棒狀 在光鏡下板條馬氏體為一束束的細條組織。 片狀（針狀）馬氏體（高碳M） 立體形態(tài)為雙凸透鏡形的片狀。 顯微組織為針狀。 在電鏡下，亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶， 又稱孿晶馬氏體。 電鏡下電鏡下 電鏡下電鏡下光鏡下光鏡下 馬氏體的形態(tài)主要取決 于其含碳量 C%小于0.2%時，組織幾 乎全部是板條馬氏體。 C%大于1.0%C時幾乎全部 是；片狀馬氏體. C%在0.21.0%之間為板 條與片狀的混合組織。 馬氏體形態(tài)與含碳量的關(guān)系馬氏體形態(tài)與含碳量的關(guān)系 0.45%C0.2%C1.2%C 馬氏體的性能 高硬度是馬氏體性能的 主要特點。 馬氏體的硬度主要

13、取決 于其含碳量。 含碳量增加，其硬度增 加。 當含碳量大于0.6%時， 其硬度趨于平緩。 合金元素對馬氏體硬度 的影響不大。 馬氏體硬度、韌性與含碳量的馬氏體硬度、韌性與含碳量的 關(guān)系關(guān)系 C% 馬氏體強化的主要原因是過飽和碳引起的固溶強化。此 外，馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的組織細化也有強化作用。 馬氏體的塑性和韌性主要取決于其亞結(jié)構(gòu)的形式。針狀 馬氏體脆性大，板條馬氏體具有較好的塑性和韌性。 馬氏體的比容比奧氏體大。當奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時， 體積會膨脹。馬氏體是鐵磁相，而奧氏體為順磁相。馬 氏體晶格畸變嚴重，因此電阻率高；轉(zhuǎn)變應(yīng)力大。 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（共析鋼） 轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變 類型類型 轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變 產(chǎn)物

14、產(chǎn)物 形成溫度，形成溫度， 轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變 機制機制 顯微組織特征顯微組織特征HRC 獲得獲得 工藝工藝 珠珠 光光 體體 PA1650 擴擴 散散 型型 粗片狀，粗片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布相間分布5-20退火退火 S650600細片狀，細片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布相間分布20-30正火正火 T600550 極細片狀，極細片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布相間分布 30-40 等溫等溫 處理處理 貝貝 氏氏 體體 B上 上 550350 半擴半擴 散型散型 羽毛狀，短棒狀羽毛狀，短棒狀Fe3C分布分布 于過飽和于過飽和F條之間條之間 40-50 等溫等溫 處理處理 B下 下 350MS 竹葉狀，細片狀竹葉

15、狀，細片狀Fe3C分布分布 于過飽和于過飽和F針上針上 50-60 等溫等溫 淬火淬火 馬馬 氏氏 體體 M針 針 MSMf 無擴無擴 散型散型 針片狀針片狀60-65淬火淬火 M*板條 板條 MSMf板條狀板條狀50淬火淬火 5.2 鋼的普通熱處理 5.2.1 退火和正火 1.鋼的退火 概念：將鋼加熱、保溫、隨爐冷卻或埋入灰中緩慢緩慢冷卻， 以獲得接近平衡平衡組織的熱處理工藝。 目的目的： a 降低硬度，改善切削加工性。 b 細化晶粒，提高鋼的塑性和韌性。 c 消除內(nèi)應(yīng)力，并為淬火作準備。 工藝方法工藝方法 （1）完全退火 工藝工藝 將亞共析鋼加熱到AC3以上3050，保溫后緩慢冷卻。 應(yīng)用

16、應(yīng)用 亞共析鋼鑄鍛件：降低硬度、均勻組織、消除應(yīng)力、改善 切削加工性。 原理原理 固態(tài)下原子擴散速度慢，加熱奧氏體化后晶粒細小，緩慢 冷卻重結(jié)晶后獲得更細小的晶粒。 （2）球化退火 工藝及原理 將過共析鋼加熱到AC1以上2030，此時形成的奧氏體內(nèi) 及晶界上有少量的未完全溶解的碳化物，在隨后的冷卻過 程中，從奧氏體中經(jīng)共析反應(yīng)析出的滲碳體以未溶滲碳體 為晶核，呈球狀析出分布在鐵素體基體上，稱為球化體。 目的、應(yīng)用 主要用于過共析鋼。降低硬度，改善切削加工性,為淬火做 準備。 球化退火演示（動畫3-3-11 ） 球狀珠光體球狀珠光體 （3） 等溫退火 亞共析鋼加熱到Ac3+3050, 共析、過共

17、析鋼加熱到 Ac1+3050，保溫后快冷到Ar1以下的某一溫度下（珠光體 轉(zhuǎn)變區(qū)）停留，待相變完成后出爐空冷。 目的和應(yīng)用：與完全退火相同，等溫退火可縮短工件在爐內(nèi) 停留時間，更適合于孕育期長的合金鋼。 高速鋼等溫退火與普通退火的比較高速鋼等溫退火與普通退火的比較 （4）均勻化退火（擴散退火） 工藝：將工件加熱到略低于固相線溫度，保溫后緩慢冷卻 的熱處理工藝稱為擴散退火。 目的：消除枝晶偏析。 （5） 低溫去應(yīng)力退火 工藝工藝：將鋼加熱到AC1以下（500-650），保溫后緩冷， 無組織變化。 目的目的：消除工件內(nèi)應(yīng)力 主要應(yīng)用主要應(yīng)用：鑄、鍛、焊件，精密零件精加工前。 推桿式電阻爐推桿式電阻

18、爐 2.鋼的正火 工藝工藝：將鋼加熱到AC3以上3050（亞共析鋼）或Accm以上 3050（過共析鋼），保溫后在空氣中冷卻，獲得索氏體在空氣中冷卻，獲得索氏體。 應(yīng)用 a 普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理。 b 改善低碳鋼的切削加工性。 c 用于過共析鋼消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火做準備。 退火和正火的加熱溫度范圍 5.2.2 鋼的淬火 工藝工藝：將鋼加熱到AC3（亞共析鋼）或AC1以上3050，保溫 后在冷卻介質(zhì)中快速冷卻快速冷卻，以獲得馬氏體獲得馬氏體的熱處理工藝。 馬氏體馬氏體：碳在-Fe中的過飽和固溶體，硬而脆，非常耐磨。 問題：問題：M比容大，造成內(nèi)應(yīng)力。 工藝措施工藝措施 a 控制淬火加

19、熱溫度。 b 合理選擇淬火介質(zhì)。 c 正確選擇淬火工藝。 淬火加熱溫度的選擇 亞共析鋼 淬火溫度為Ac3+30-50。 預(yù)備熱處理組織為退火或正火組織。 過共析鋼 淬火溫度: Ac1+3050. 溫度高于Accm，則奧氏體晶粒粗大、含碳量高,淬火后馬 氏體晶粒粗大、A量增多。使鋼硬度、耐磨性下降， 脆性、變形開裂傾向增加。 淬火介質(zhì) 對冷卻能力的要求 淬火冷卻速度應(yīng)大于Vk， 在保證大于Vk的前提下應(yīng)盡量 緩慢，避免出現(xiàn)大的應(yīng)力，引 起變形或開裂。 理想的冷卻曲線 應(yīng)只在C曲線鼻尖處快冷，而 在Ms附近盡量緩冷，以達到既 獲得馬氏體組織，又減小內(nèi)應(yīng) 力的目的。 理想淬火曲線示意圖理想淬火曲線示

20、意圖 Ms Mf 常用淬火介質(zhì)是水、油及鹽和堿的水溶液 水：冷卻能力強，但冷卻曲線不理想，低溫卻能力太大， 只使用于形狀簡單截面較大的碳鋼件。 油：低溫區(qū)冷卻能力較理想，但高溫區(qū)冷卻能力太小，使 用于合金鋼和小尺寸的碳鋼件。 熔鹽：作為淬火介質(zhì)稱鹽浴，高溫區(qū)冷卻能力在水和油之 間,用于形狀復(fù)雜件的分級淬火和等溫淬火。 淬火方法 采用不同的淬火方法可彌補介質(zhì) 的不足。 單介質(zhì)淬火法 加熱工件在一種介質(zhì)中連續(xù)冷卻 到室溫的淬火方法。 操作簡單，易實現(xiàn)自動化。 冷卻特點不理想 雙介質(zhì)淬火法 工件先在一種冷卻能力強的介質(zhì)中冷，卻躲過鼻尖后，再在 另一種冷卻能力較弱的介質(zhì)中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的方法。如水 淬

21、油冷，油淬空冷. 優(yōu)缺點：冷卻理想，不易掌握。 應(yīng)用：復(fù)雜的碳鋼件及大型合金鋼件。 馬氏體分級淬火法 工藝：在Ms附近的鹽浴或堿浴中停留適當時間，待內(nèi)外溫 度均勻后再取出緩冷獲得馬氏體。 優(yōu)點：可減少內(nèi)應(yīng)力， 應(yīng)用：用于小尺寸工件。 貝氏體等溫淬火法 工藝：將工件在稍高于 Ms 的鹽浴或堿浴中保溫足夠長時 間，從而獲得下貝氏體組織的淬火方法。 優(yōu)缺點：經(jīng)等溫淬火零件具有良好的綜合力學(xué)性能，淬火 應(yīng)力小，但鹽浴冷卻能力較小。 適用于形狀復(fù)雜及要求較高的小型件。 局部淬火法 l有些零件只需要局部硬度高、耐磨性好，因此可進行局 部淬火，以避免其它部位產(chǎn)生變形或開裂。 l局部淬火法包括： 局部加熱淬火

22、法 局部冷卻淬火法 5.2.3 淬火鋼的回火 問題的提出： 鋼連續(xù)冷卻淬火后的組織是什么? 什么是馬氏體？馬氏體的性能如何？ 淬火后的工件能直接使用嗎？ l幾點思考： 馬氏體是不穩(wěn)定組織；另外還有一定數(shù)量的殘余奧氏體； 淬火后的性能不能滿足工件的使用要求，如脆性太大； 淬火后工件內(nèi)部有內(nèi)應(yīng)力，會導(dǎo)致工件的變形或開裂； l回火：將淬火后的鋼重新加熱到A1點以下的某一溫度，保 溫一段時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。 l目的： 通過回火，使馬氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，并控制轉(zhuǎn)變程度獲得不同 的回火組織，使鋼具有所需要的性能； 使淬火組織穩(wěn)定化，避免工件在使用過程中發(fā)生尺寸和形 狀的變化。 降低或消除淬火應(yīng)力，

23、減小變形，防止開裂 淬火鋼在回火時組織的轉(zhuǎn)變 鋼經(jīng)淬火后，獲得馬氏體與殘余奧氏體是亞穩(wěn)定相。在回火 加熱、保溫中，都會向穩(wěn)定的鐵素體和滲碳體(或碳化物)的 兩相組織轉(zhuǎn)變。根據(jù)碳鋼回火時發(fā)生的過程和形成組織，一 般回火分為四個轉(zhuǎn)變。 （1）馬氏體分解 當回火溫度大于100時，馬氏體中碳以-碳化物（Fe2.4C ）形式析出，使馬氏體中碳的過飽和度降低，晶格畸變度減 弱，內(nèi)應(yīng)力有所下降，這一轉(zhuǎn)變的回火組織是由過飽和固 溶體與碳化物所組成，這種組織稱為回火馬氏體。馬氏體 這一分解過程一直進行到約350。 （2）殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變 回火溫度達到200300時，馬氏體繼續(xù)分解，殘余奧氏體 也開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)

24、變?yōu)橄仑愂象w。下貝氏體與回火馬氏體 相似，這一轉(zhuǎn)變后的主要組織仍為回火馬氏體，此時硬度沒 有明顯下降，但淬火內(nèi)應(yīng)力進一步減少。在光鏡下M回為黑色 ，A為白色。 （3）碳化物的轉(zhuǎn)變 回火溫度在250450時，因碳原子的擴散能力增大，碳過 飽和固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，同時碳化物亞穩(wěn)定相也轉(zhuǎn)變 為穩(wěn)定的細粒狀滲碳體，此時組織由保持馬氏體形態(tài)的鐵素 體和彌散分布的極細小的片狀或粒狀滲碳體組成，稱為回火 屈氏體。 （4）滲碳體的聚集長大和鐵素體再結(jié)晶 回火溫度大于450時，滲碳體顆粒將逐漸聚集長大，隨著 回火溫度升到600時，鐵素體發(fā)生再結(jié)晶，使鐵素體完全 失去原來的板條狀或片狀，而成為多邊形晶粒，此時組織

25、由 多邊形鐵素體和粒狀滲碳體組成，稱為回火索氏體。 回火時力學(xué)性能的變化：總的趨勢是隨回火溫度提高，鋼 的強度、硬度下降，塑性、韌性提高。 淬火鋼硬度隨回火溫度的變化淬火鋼硬度隨回火溫度的變化4040鋼力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系鋼力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系 d 工藝工藝：將淬火鋼加熱到AC1以下某個溫度，保溫后按一定規(guī) 范冷卻。 種類種類： 低溫回火低溫回火（150-250）：組織為回火馬氏體，降低內(nèi)應(yīng)力 和脆性，保持淬火的高硬度和耐磨性。主要用于工具鋼、 軸承和耐磨件。 中溫回火中溫回火（350-500）：組織為回火屈氏體，獲得高彈性， 保持較高硬度（35-50HRC）和一定的韌性。用于各種彈簧

26、、 發(fā)條、鍛模。 高溫回火高溫回火（500-650）：組織為回火索氏體，又稱為調(diào)質(zhì) 處理。獲得良好的綜合力學(xué)性能，用于承受疲勞載荷的中 碳鋼，如連桿、軸、齒輪等。 其它回火： 某些高合金鋼在640680進行回火軟化。 某些精密零件（如量具），為了保持淬火后的高硬度， 又要保持尺寸穩(wěn)定性，僅在100150進行長時間回火 （10-50h），稱為“尺寸穩(wěn)定處理”或 “時效處理”。 15.2.4 鋼的淬透性 淬透性是鋼的主要熱處理性能。 問題的提出 鋼在淬火過程中，沿工件截面各處的實際冷卻速度是不同的， 表層的實際冷卻速度總大于內(nèi)部，而中心部的冷卻速度最低。 如果表層的冷卻速度大于臨界冷卻速度Vk，而

27、心部的冷卻速 度低于臨界冷卻速度，則表層獲得馬氏體表層與心部之間依 次為馬氏體、屈氏體、索氏體、珠光體，也即鋼僅被淬火到 一定深度。 如果心部的冷卻速度也大于臨界冷卻速度Vk，則沿工件截面 均獲得馬氏體組織，即鋼被淬透。 淬透性的概念 淬透性是指鋼在淬火時獲得淬硬層深度的能力。其大小是 用規(guī)定條件下淬硬層深度來表示。 淬硬層深度是指由工件表面到半馬氏體區(qū)(50%M + 50%P) 的深度。 淬硬性是指鋼淬火后所能達到的最高硬度，即硬化能力。 主要取決于含碳量。 淬透性對鋼熱處理后力學(xué)性能的影響 淬透性高的鋼，其力學(xué)性能沿截面均勻分布 淬透性低的鋼，其截面心部的力學(xué)性能低 關(guān)于選材：根據(jù)工件的具

28、體工作條件。 影響淬透性及淬硬深度的因素 鋼的淬透性取決于臨界冷卻速度Vk， Vk越小，淬透性越高。 Vk取決于C曲線的位置，C 曲線越 靠右，Vk越小。因而凡是影響C曲 線的因素都是影響淬透性的因素。 碳鋼中以共析鋼的淬透性最好， 合金鋼的淬透性高于碳鋼 淬透性差的合金必須使用冷卻能 力大的冷卻介質(zhì)才能獲得足夠的 淬火深度。 5.3 鋼的表面熱處理 問題的提出 在生產(chǎn)中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性能， 一般是表面硬度高，有較高的耐磨性和疲勞強度；而心部 要求有較好的塑性和韌性。 表面：硬度高，耐磨 心部：硬度低， 韌性高 問題的解決： 低碳鋼 ：可滿足心部要求，表面要求不能滿 高碳

29、鋼： 可滿足表面要求，心部要求不能滿足 表面熱處理 5.3.1 表面淬火 概念：在不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織情況下，利用快 速加熱將表層奧氏體化后進行淬火以強化零件表面的熱處 理方法。 工藝：快速加熱，立即快冷，表面得到馬氏體。 目的及應(yīng)用：一般用于中碳鋼，提高表面耐磨性，保持心 部良好韌性。機床主軸、齒輪、發(fā)動機主軸等。 加熱方法 a 感應(yīng)加熱 b 火焰加熱 感應(yīng)加熱表面淬火 感應(yīng)線圈中通以交流電時，即在 其內(nèi)部和周圍產(chǎn)生一與電流相同 頻率的交變磁場。若把工件置于 磁場中，則在工件內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng) 電流，并由于電阻的作用而被加 熱。由于交流電的集膚效應(yīng)，靠 近工件表面的電流密度大，而中 心幾乎

30、為零。工件表面溫度快速 升高到相變點以上，而心部溫度 仍在相變點以下。 h對于碳鋼 高頻感應(yīng)加熱 頻率為250300KHz，淬硬 層深度0.52mm 適用于中、小型零件，如 小模數(shù)齒輪、軸類等。 傳動軸連續(xù)傳動軸連續(xù) 淬火感應(yīng)器淬火感應(yīng)器 感應(yīng)加熱表面淬火齒輪的截面感應(yīng)加熱表面淬火齒輪的截面 圖圖 中頻感應(yīng)加熱 頻率為25008000Hz，淬 硬層深度210mm。 適用于直徑較大的軸類和 大、中模數(shù)齒輪以及鋼軌、 機床導(dǎo)軌等。 各種感應(yīng)器各種感應(yīng)器 中頻感應(yīng)加熱表面淬火的機車凸中頻感應(yīng)加熱表面淬火的機車凸 輪軸輪軸 工頻感應(yīng)加熱 頻率為50Hz,淬硬層深度1015 mm 適用于淬硬層深度為（1

31、020） mm以上的大型工件或用于穿透加 熱。如火車車輪等的表面淬火。 各種感應(yīng)器各種感應(yīng)器 感應(yīng)穿透感應(yīng)穿透 加熱加熱 感應(yīng)加熱表面淬火的特點 加熱速度極大，使珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的轉(zhuǎn)變溫度升高， 轉(zhuǎn)變時間極短（不需保溫），轉(zhuǎn)變速度極快。 淬火后，可使零件表層獲得極細的“隱晶馬氏體”組織， 零件表層具有比普通淬火稍高的硬度（高23HRC），較 低的脆性。 較高的疲勞強度。 零件不易氧化、脫碳，且變形小。 零件淬硬層深度易于控制，操作易實現(xiàn)自動化，生產(chǎn)率高。 缺點：設(shè)備貴、維修難、復(fù)雜件感應(yīng)器不易制造。 2. 火焰加熱表面淬火 感應(yīng)加熱感應(yīng)加熱 5.3.2 化學(xué)熱處理 概念：將工件置于一定的化學(xué)

32、介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì) 中的活性原子滲入工件表層，以改變表層的化學(xué)成分和組 織，從而獲得所需性能。 過程：分解吸收擴散 種類：按滲入元素 滲碳、滲氮、碳氮共滲。 鋼的滲碳 鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱到奧氏體區(qū)保溫一段時間，使碳 原子滲入到鋼表層的化學(xué)熱處理工藝叫滲碳。是向鋼的 表面滲入碳原子的過程。 滲碳目的及用鋼 目的：提高工件表面硬度、耐磨性及疲勞強度，同時保 持心部良好的韌性。 滲碳用鋼：為含0.10.25%C的低碳鋼，如：如：1515、2020、 2020CrCr、20CrMnTi20CrMnTi 。碳高則心部韌性降低。 滲碳方法有氣體滲碳、固體滲碳、 液體滲碳。目前廣泛應(yīng)用的是氣 體滲碳

33、法。 氣體滲碳法 將工件放入密封爐內(nèi)，在高溫 （900-950）滲碳氣氛中滲碳。 滲劑為氣體 (煤氣、液化氣等)或 有機液體(煤油、甲烷等)。 表層碳的質(zhì)量分數(shù)0.85%-1.05%，滲碳層厚度一般0.5- 2.5mm。工件滲碳后要進行淬火加低溫回火 應(yīng)用：滲碳件都是低碳或低碳低合金鋼；主要用于表面承 受強烈磨損，又承受沖擊載荷或疲勞載荷的零件。如變速 齒輪、凸輪、活塞銷等。碳氮共滲主要用于高精度工件。 滲碳零件的加工工藝路線 坯料鍛造正火機械加工滲碳淬火 低溫回火精加工成品。 氣體滲碳 鋼的氮化 工藝：滲氮俗稱氮化，是指在一定溫度下（Ac1以下）使 活性氮原子滲入工件表面，在鋼件表面獲得一定

34、深度的 富氮硬化層的熱處理工藝。 目的：是提高零件表面硬度、耐磨性、疲勞強度、熱硬 性和耐蝕性等。 方法：氣體滲氮、離子滲氮、氮碳共滲（軟氮化）等。 生產(chǎn)中應(yīng)用較多的是氣體滲氮。 氣體滲氮 原理：在專門的密封滲氮爐中進行，利用氨在500500 600600的溫度下分解，產(chǎn)生活性氮原子，分解反應(yīng)如下： 分解出的活性氮原子被工件表面吸收并向內(nèi)層擴散，形 成一定深度的滲氮層。當達到要求的滲氮層深度后，工 件隨爐降溫到200停止供氮，即可出爐空冷。 2NH33H2+2N l氮化用鋼 為含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳鋼；最典型的：38CrMoAl， 35CrMo，18CrNiW。 氮化組織：鋼件表面

35、形成一層陶瓷層 AlN、 MoN 、VN、 TiN。 為保證工件心部的力學(xué)性能，滲氮前工件應(yīng)進行調(diào)質(zhì)處理， 調(diào)質(zhì)處理后獲得回火索氏體。 特點： 零件氮化后，無需進行淬火，表層便具有很高的硬度和耐 磨性。因為表層形成一層堅硬的氮化物（氮化物顆粒很細、 均勻分布）。 氮化層產(chǎn)生了較大的殘余壓應(yīng)力，可顯著降低疲勞載荷下 產(chǎn)生的拉應(yīng)力水平。 氮化處理溫度低，零件變形小。 氮化后零件具有良好的耐腐蝕性，因為表層形成了一層致 密的氮化物（陶瓷） 缺點：周期長，氮化層脆不耐沖擊。 應(yīng)用 表面高硬度，耐磨、耐蝕、耐高溫的精密零件，如精密機 床主軸、絲桿、鏜桿、閥門等。 離子氮化 在真空容器中，抽真空到13.33 1.33Pa），慢慢通入氨或氮、氫混 合氣體，以容器的殼壁為陽極，以 被處理工件為陰極，通入幾百伏 上千伏的可控直流電，產(chǎn)生等離子 體；電子移向陽極，正離子移向陰 極；N+以極高的速度轟擊零件，動