第4章 鋼的熱處理

第四章鋼的熱處理熱處理概念、特點及功用概念在固態(tài)下采用適當?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻，從而改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，最終獲得所需性能的工藝方法熱處理的四大要素加熱溫度加熱速度保溫時間冷卻速度特點不改變工件的形狀，只改變材料的組織結(jié)構(gòu)和性能無固態(tài)相變的材料不能用熱處理來進行強化功用提高鋼的使用性能，改善鋼的工藝性能減少零件的重量，延長產(chǎn)品使用壽命，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和經(jīng)濟效益熱處理分類鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變固態(tài)臨界點鋼在固態(tài)下進行加熱、保溫和冷卻時將發(fā)生組織轉(zhuǎn)變Ar1Ar3AccmAC1AC3AccmA1A3AcmS平衡相變臨界點：A1、A3、Acm加熱相變臨界點：Ac1、Ac3、Accm冷卻相變臨界點：Ar1、Ar3、Arcm轉(zhuǎn)變臨界點偏移距離與加熱和冷卻速度有關(guān)鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變過程共析鋼奧氏體化加熱奧氏體化奧氏體晶核形成奧氏體晶粒長大殘余滲碳體溶解奧氏體成分均勻化亞共析鋼和過共析鋼奧氏體化亞共析鋼過共析鋼先進行：PA然后：先析出相F

A完全奧氏體化不完全奧氏體化影響奧氏體轉(zhuǎn)變過程的因素加熱溫度和加熱速度含碳量原始組織勻細合金元素

T2T1△T1△T2

奧氏體化加速T加奧氏體化加速

奧氏體化加速碳化物形成元素非碳化物形成元素Co、Ni奧氏體化變慢

奧氏體化加速

奧氏體化加速奧氏體晶粒大小及控制晶粒度：表示晶粒大小的一種尺度1～4級為粗晶粒，5～8級為細晶粒，超過8級為超細晶?？刂仆緩郊訜釡囟群捅貢r間鋼的成分（增加未溶碳化物比例）合金元素加入能形成穩(wěn)定碳化物或穩(wěn)定氧化物的元素（鈦、釩），或能形成氧化物、氮化物的元素（鋁）鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變產(chǎn)物與冷卻方式和冷卻速度有關(guān)過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變過冷奧氏體區(qū)奧氏體穩(wěn)定區(qū)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)混合區(qū)高溫中溫低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)及性能高溫轉(zhuǎn)變（珠光體型轉(zhuǎn)變）A1～550℃

轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀組織，即珠光體型組織。等溫溫度越低，鐵素體層和滲碳體層越薄，層間距越小，硬度越高。根據(jù)片層的厚薄不同，這類組織又可細分為三種，分別稱為珠光體（P）、索氏體（S）和托氏體（T）中溫轉(zhuǎn)變（貝氏體型轉(zhuǎn)變）550℃~MS（馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度）貝氏體用符號“B”表示，它仍是由鐵素體與滲碳體組成的機械混合物，但其形貌及滲碳體的分布與珠光體型不同，硬度也比珠光體型的高上貝氏體下貝氏體低溫轉(zhuǎn)變（馬氏體型轉(zhuǎn)變）轉(zhuǎn)變溫度低于MS

鐵、碳原子均不能進行擴散，碳將全部固溶在α-Fe的晶格中，這種含過飽和碳的固溶體稱為馬氏體，用符號M表示根據(jù)組織形態(tài)的不同，馬氏體可分為高碳馬氏體（針狀）和低碳馬氏體（板條狀）兩種硬而脆較高的強度、良好的韌性和塑性過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變在生產(chǎn)實踐中，過冷奧氏體大多是在連續(xù)冷卻過程中發(fā)生轉(zhuǎn)變的，如在爐內(nèi)、空氣里、油或水槽中冷卻鋼的退火

鋼的退火是將鋼材或鋼件加熱到臨界溫度以上的適當溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻（通常隨爐冷卻）以獲得接近平衡的珠光體組織的熱處理工藝退火目的降低硬度，提高塑性，以利于切削加工或繼續(xù)冷變形細化晶粒，消除組織缺陷，改善鋼的性能，并為最終熱處理作組織準備消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定工作尺寸，防止變形與開裂為后續(xù)熱處理做準備完全退火完全退火是一種將鋼加熱到Ac3以上30～50℃，保溫一定時間，緩慢冷卻（隨爐或埋入石灰和砂中冷卻）至500℃以下，然后在空氣中冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝一般常作為一些不重要工件的最終熱處理或作為某些重要件的預(yù)先熱處理使熱加工造成的粗大、不均勻的組織均勻化和細化；或使中碳以上的碳鋼及合金鋼得到接近平衡狀態(tài)的組織，并降低硬度、改善切削加工性能；還可消除殘余應(yīng)力完全退火的保溫時間按鋼件的有效厚度計算。在箱式電爐中加熱時，碳鋼厚度不超過25mm需保溫1h，以后每增加25mm厚度延長0.5h；合金鋼每20mm保溫1h。保溫后的冷卻一般是關(guān)閉電源讓鋼件在爐中緩慢冷卻，當冷至500～600℃時即可出爐空冷等溫完全退火等溫完全退火是將鋼件或毛坯加熱到高于Ac3或Ac1的溫度，保溫適當時間后，較快地冷卻到珠光體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的某一溫度，并等溫保持使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織，然后在空氣中冷卻的退火工藝加熱過程較易控制，能獲得均勻的預(yù)期組織，比完全退火所需時間短球化退火得到球狀珠光體主要用于共析鋼和過共析鋼制造的刀具、量具及模具等零件降低硬度，提高塑性，改善切削加工性能，以獲得均勻的組織，改善熱處理工藝性能，并為以后淬火做組織準備普通球化退火時采用隨爐緩冷，至500～600℃出爐空冷；等溫球化退火則先在Ar1以下20℃等溫足夠時間，然后再隨爐緩冷至500～600℃出爐空冷。球化退火是一種將鋼加熱到Ac1以上20～30℃，保溫一定時間，并緩慢冷卻，使鋼中碳化物球狀化而進行的退火工藝均勻化退火均勻化退火又稱擴散退火，是將鋼加熱到略低于固相線的溫度(1050～1150℃)下長期加熱，長時間保溫（10～20h），然后緩慢冷卻，以消除或減少化學(xué)成分偏析及顯微組織(枝晶)的不均勻性，從而達到均勻化的目的。主要用于鑄件凝固時發(fā)生偏析而造成成分和組織的不均勻性的均勻化處理去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火是為了去除由于塑性變形加工、焊接等造成的應(yīng)力以及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力而進行的熱處理工藝去應(yīng)力退火的加熱溫度一般為500～600℃，保溫后隨爐緩冷至室溫去應(yīng)力退火廣泛用于消除鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件以及機加工件中的殘余應(yīng)力，以穩(wěn)定鋼件的尺寸，減少變形，防止開裂鋼的正火鋼的正火是將鋼材或鋼件加熱到臨界溫度（Ac3或Accm）以上適當溫度，保溫適當時間后以較快速度冷卻（通?？諝庵欣鋮s），以獲得珠光體類型組織的熱處理工藝正火與退火的主要區(qū)別是正火冷卻速度稍快，得到的組織較細小，強度和硬度有所提高，操作簡便，生產(chǎn)周期短，成本較低正火的應(yīng)用改善切削加工性能對于低碳鋼或低碳合金鋼，正火可提高其硬度，防止“粘刀”現(xiàn)象，從而改善切削加工性能消除網(wǎng)狀二次滲碳體（強化）對于過共析鋼，正火加熱到Accm以上，可使網(wǎng)狀二次滲碳體充分地溶解到奧氏體中，空冷時，先前的共析碳化物來不及析出，則消除了網(wǎng)狀碳化物組織，同時細化了珠光體，使強度提高細化晶粒作為最終熱處理退火與正火的應(yīng)用切削加工性對低、中碳鋼宜用正火，以防止“粘刀”現(xiàn)象；高碳結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼以及含合金元素較多的中碳合金鋼，宜球化退火降低硬度，以利于切削加工使用性能若零件的性能要求不太高時，可采用正火作為最終熱處理；對于一些大型或重型零件，當淬火有開裂危險時，也采用正火作為最終熱處理；對于一些形狀復(fù)雜的零件和大型鑄件，宜用退火，以防止正火產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力而發(fā)生裂紋經(jīng)濟性正火比退火的生產(chǎn)周期短，設(shè)備利用率高，節(jié)能省時，操作簡便，可能的情況下優(yōu)先采用正火鋼的淬火加熱溫度：Ac3或Ac1以上某一溫度亞共析鋼為Ac3+(30～100)℃

共析鋼、過共析鋼為Ac1+(30～70)℃冷卻速度：較快獲得組織：馬氏體或下貝氏體目的：提高鋼的硬度和強度淬火加熱溫度加熱時間確定組成：升溫時間+保溫時間影響因素：工件形狀尺寸、裝爐方式、裝爐量、加熱爐類型、加熱介質(zhì)通常根據(jù)經(jīng)驗公式估算或通過實驗確定

t=KDK:加熱系數(shù)，1.5~2.0；D：鋼件有效厚度冷卻介質(zhì)選擇性能要求：足夠的冷卻能力、較寬的使用范圍，同時還應(yīng)具有不易老化、不腐蝕零件、不易燃、易清洗、無公害、價廉常用淬火介質(zhì)：水、水溶性的鹽類和堿類、礦物油等理想冷卻介質(zhì)vCCABD650℃400℃理想淬火冷卻曲線淬火介質(zhì)水油鹽水堿浴硝鹽浴冷速650～550℃600℃/s快150℃/s太慢1000～1200℃/s比油快比油稍弱200～300℃270℃/s太快30℃/s慢300℃/s比油弱比油弱特點

高溫冷速快，可保證工件淬硬低溫冷速快，工件易變形開裂冷卻能力對水溫敏感雜質(zhì)使冷卻能力下降

低溫冷速慢，工件不易變形、開裂高溫冷速慢，工件易分解，淬不硬易老化、易燃油溫增加，冷卻能力增加（20～80℃）

冷卻能力強工件表面質(zhì)量好，硬度均勻易變形開裂易腐蝕

既能保證工件淬硬，又能使變形開列程度減少流動性好工作環(huán)境差用途碳鋼合金鋼小截面碳鋼形狀簡單，截面尺寸大的碳鋼小件、形狀復(fù)雜、精度要求高的工件①②④③

常用淬火方法

優(yōu)點：操作簡單、成本低；缺點：淬火件質(zhì)量較低、熱應(yīng)力大ClicktoaddTitle1單介質(zhì)淬火：碳鋼—水；合金鋼—油1

優(yōu)點：能保證淬火件的質(zhì)量要求缺點：操作難度大、熱應(yīng)力大ClicktoaddTitle1

雙介質(zhì)淬火：水—油；水—空氣2

優(yōu)點：熱應(yīng)力小，工件不易變形；缺點：操作難度大ClicktoaddTitle1

分級淬火：轉(zhuǎn)變產(chǎn)物—M；3

優(yōu)點：綜合性能及尺寸精度高、不需回火；缺點：工藝復(fù)雜、成本高ClicktoaddTitle1等溫淬火：轉(zhuǎn)變產(chǎn)物—B下；4心部表面T(℃)t⊿T鋼的淬透性和淬硬性淬透性：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，其大小用淬硬層深度來表示。影響因素：化學(xué)成分實用意義：淬透性好可獲得性能均勻一致的鋼件淬透性差表里不一淬硬性：鋼在理想條件下進行淬火硬化所能達到的最高硬度的能力影響因素：鋼在淬火加熱時固溶于奧氏體中的含碳量奧氏體中含碳量越高，則其淬硬性越好

鋼的淬透性小型工件：V表面＞V心部＞Vk能淬透組織為100%M大型工件：V表面＞Vk＞V心部淬不透表面—M；心部—非M[大尺寸工件的淬透情況示意圖][淬透性不同的鋼調(diào)質(zhì)后機械性能]淬硬層深度（淬透層深度、有效淬硬尺寸）50%M表面心部淬硬層

半馬氏體層的硬度/HRC

鋼的淬透性影響淬透性的因素合金元素的影響：除Co、Al，均使C曲線右移淬透性碳的影響：亞共析鋼，wcC

曲線右移淬透性過共析鋼，wcC

曲線左移淬透性碳鋼中共析鋼淬透性最好加熱條件的影響

鋼的淬透性合金元素對鋼淬透性的影響※凡是能使A穩(wěn)定性增加的因素都能增加鋼的淬透性

比較鋼的淬透性利用淬透性可控制淬硬層深度預(yù)測零件淬火后的硬度分布合理選擇材料及其熱處理工藝

鋼的淬透性淬透性原理的應(yīng)用淬透性原理的應(yīng)用——選材及熱處理工藝制定斷面受力均勻、應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜的重要零件——淬透（螺栓、連桿）受彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用的零件——不必淬透（軸類）受交變應(yīng)力和震動的彈簧零件，要求無塑性變形，屈強比高——淬透工具類，要求高硬度、強度、耐磨性——高淬透性鋼（模具）形狀復(fù)雜、尺寸精度高的工件——高淬透性鋼特殊零件——低淬透性鋼（焊接件、齒輪等）大尺寸工件——考慮尺寸效應(yīng)尺寸小的工件——能淬透——調(diào)質(zhì)處理尺寸大的工件——不能淬透——正火大尺寸工件淬火時——先加工、再淬火螺栓連桿淬火缺陷及預(yù)防硬度不足與軟點硬度不足：鋼件淬火硬化后，表面硬度低于應(yīng)有的硬度軟點：表面硬度偏低的局部小區(qū)域主要原因：淬火加熱溫度偏低保溫時間不足淬火冷卻速度不夠表面氧化脫碳等過熱與過燒過熱：淬火加熱溫度過高或保溫時間過長，晶粒過分粗大，以致鋼的性能顯著降低的現(xiàn)象補救措施：正火過燒：加熱溫度達到鋼的固相線附近時，晶界氧化和開始部分熔化的現(xiàn)象（無法補救、報廢）預(yù)防措施：正確選擇和控制淬火加熱溫度和保溫時間變形與開裂淬火冷卻應(yīng)力：工件淬火冷卻時，由于不同部位存在溫度差異及組織轉(zhuǎn)變的不同時性所引起的應(yīng)力。當淬火應(yīng)力超過鋼的屈服點時，工件將產(chǎn)生變形；當淬火應(yīng)力超過鋼的抗拉強度時，工件將產(chǎn)生裂紋，從而造成廢品預(yù)防措施：合理進行零件結(jié)構(gòu)設(shè)計合理選材合理制定加工工藝流程合理制定熱處理工藝及時回火氧化與脫碳氧化：工件加熱時，介質(zhì)中的氧、二氧化碳和水等與金屬反應(yīng)生成氧化物的過程脫碳：加熱時由于氣體介質(zhì)和鋼鐵表層碳的作用，使表層含碳量降低的現(xiàn)象主要措施：采用保護氣氛或可控氣氛加熱在工作表面涂上一層防氧化劑不同冷卻條件下的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物等溫退火P退火(爐冷)正火(空冷)S(油冷)T+M+A’等溫淬火B(yǎng)下M+A’分級淬火M+A’淬火(水冷)A1MSMf時間溫度淬火PP均勻A細A？？？淬火鋼回火

回火目的（1）降低脆性，減少或消除內(nèi)應(yīng)力，防止工件的變形和開裂（2）穩(wěn)定組織，調(diào)整硬度（3）穩(wěn)定工件尺寸（4）降低鋼的硬度，以利于切削加工

回火：將淬火后的鋼件重新加熱到A1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

鋼的回火回火時的組織轉(zhuǎn)變及性能變化回火階段組織變化內(nèi)應(yīng)力體積性能回火后組織（一）＜200℃（二）200～300℃（三）300～400℃（四）＞400℃c/a?1c/a＞

1c/a＞1c/a＝1εFe3CArB下或M回馬氏體分解MH不變或略δ、ψ、ak略含C過飽和α(針)+ε(點)

M回馬氏體分解殘余奧氏體分解(略)σ、H(略)

脆性M回1馬氏體分解碳化物聚集長大α相（F）的回復(fù)和再結(jié)晶消失Hδ、ak＞M回σ、H較高彈性最佳σs

最佳針狀

F+顆粒狀Fe3C

T回σ、Hδ、ψ、ak綜合性能最佳等軸

F+顆粒狀Fe3C

S回

鋼的回火回火后鋼的的組織回火托氏體回火索氏體

回火板條馬氏體

回火片狀馬氏體馬氏體回火后鋼的的性能[40Cr鋼經(jīng)不同溫度回火后的機械性能](直徑D=12mm,油淬)回火工藝分類

鋼的回火工藝名稱回火溫度(℃)回火后組織回火后硬度(HRC)性能特點用途低溫回火150～250M回58～64硬度耐磨性內(nèi)應(yīng)力降低工具鋼、滾動軸承滲碳件、表面淬火件※調(diào)質(zhì)處理＝淬火＋高溫回火中溫回火350～500T回35～50彈性σs

屈強比(σs/σs)一定韌性、抗疲勞性彈簧鋼、熱作模具高溫回火500～600S回25～35綜合性能重要結(jié)構(gòu)件、機械零件

鋼的回火回火脆性

回火脆性的概念

第一類回火脆性250～350℃（低溫、不可逆）

產(chǎn)生范圍：所有鋼

防止措施：避免在該脆性區(qū)回火加少量Si

第二類回火脆性500～650℃

（高溫、可逆）產(chǎn)生范圍：部分合金結(jié)構(gòu)鋼（含Cr、Ni、Si、Mn）

防止措施：回火后快冷加少量Mo、W

減少鋼中雜質(zhì)改變熱處理工藝[形變熱處理]鋼的表面熱處理

僅對工件表層進行熱處理以改變其組織和性能的工藝稱為表面熱處理

表面淬火火焰加熱表面淬火采用氧—乙炔(或其他可燃氣體)火焰,噴射在工件的表面上，使其快速加熱，當達到淬火溫度時立即噴水冷卻，從而獲得預(yù)期的硬度和有效淬硬層深度的一種表面淬火方法常選中碳鋼、中碳合金鋼、鑄鐵有效淬硬深度一般為2～6mm

適用于單件或小批量生產(chǎn)的大型工件或局部淬火的工具——工件表層迅速加熱到淬火溫度進行淬火的工藝方法感應(yīng)加熱表面淬火利用感應(yīng)電流流經(jīng)工件而產(chǎn)生熱效應(yīng)（集膚效應(yīng)），使工件表面迅速加熱并進行快速冷卻(水或油）的淬火工藝分類頻率淬火深度應(yīng)用工頻50（HZ)10~20大型軸（軋輥、車輪）中頻2500~8000(HZ)2~10尺寸較大的軸類零件（中型曲軸）、大模數(shù)齒輪高頻50~300(KHZ)0.5~2.5中小型零件（凸輪軸、搖桿）超高汽車齒圈特點：淬火質(zhì)量好，淬火后晶粒細小，不易氧化和脫碳，不易變形；淬硬層深度易于控制適宜大批量生產(chǎn)激光加熱表面淬火優(yōu)點：加熱點準確，熱應(yīng)力小能量利用率高易于對形狀復(fù)雜的工件進行表面淬火淬硬層：0.2~0.8mm

將激光束照到工件表面，使工件表面迅速加熱到奧氏體化狀態(tài)，當光束移開后，由于基體金屬大量吸熱而使工件表面獲得急速冷卻，以實現(xiàn)工件表面自冷淬火的工藝方法。電解液加熱表面淬火

淬火部分置于電解液中，作為陰極，金屬電解槽作為陽極。電路接通，電解液產(chǎn)生電離，陽極放出氧，陰極放出氫。氫圍繞陰極工件形成氣膜，產(chǎn)生很大的電阻，通過的電流轉(zhuǎn)化為熱能將工件表面迅速加熱到臨界點以上溫度。電路斷開時，氣膜消失，加熱的工件在電解液中實現(xiàn)淬火冷卻。鋼的化學(xué)熱處理目前常用的化學(xué)熱處理有：滲碳、滲氮、碳氮共滲等滲碳為了增加鋼件表層的含碳量和一定的碳濃度梯度，將鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱并保溫使碳原子滲入表層的化學(xué)熱處理工藝

化學(xué)熱處理是指將工件置于適當?shù)幕钚越橘|(zhì)中加熱、保溫，使一種或幾種元素滲入其表層，以改變化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝滲碳作用：提高工件表面的硬度、耐磨性及疲勞強度，心部保持良好的塑性和韌性。滲碳用鋼：碳的質(zhì)量分數(shù)一般為0.1%～0.25%的低碳鋼和低碳合金鋼滲碳方法可分為固體滲碳、液體滲碳和氣體滲碳三種滲氮（AC1以下）作用：替高工件的表面硬度、耐磨性以及疲勞強度和耐蝕性特點：無需淬火便具有高的硬度、耐磨性和熱硬性，還具有良好的抗蝕性和高的疲勞強度，工件的變形小。但滲氮的生產(chǎn)周期長，一般要得到0.3～0.5mm的滲氮層，氣體滲氮時間約需30～50小時，成本較高；滲氮層薄而脆，不能承受沖擊。應(yīng)用：要求表面