第三章 鋼的熱處理

第三章鋼的熱處理

第一節(jié)鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變第二節(jié)奧氏體轉(zhuǎn)變圖第三節(jié)鋼的普通熱處理第四節(jié)鋼的表面熱處理第五節(jié)鋼的特種熱處理熱處理：通過(guò)加熱、保溫和冷卻來(lái)改變鋼的內(nèi)部組織，使鋼能夠獲得新性能的工藝方法目的：改變鋼的性能碳鋼存在三種可逆的固態(tài)轉(zhuǎn)變：1.A的形成與分解沿A1線：加熱時(shí)，P→A，冷卻時(shí)A→P2.F的溶解與析出沿A3線：加熱時(shí)，F(xiàn)→A，冷卻時(shí)A→F3.Fe3CⅡ的溶解與析出：沿Acm線：加熱，F(xiàn)e3CⅡ→A，冷卻，A→Fe3CⅡ

第一節(jié)鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變一、A的形成1.共析鋼的A形成過(guò)程

P（

F+Fe3C）→A

0.0218%C6.69%C0.77%C

體心立方正交晶系面心立方轉(zhuǎn)變必須包含以下過(guò)程：①鐵、碳原子的擴(kuò)散過(guò)程

②鐵晶格的重組過(guò)程

③滲碳體的溶解過(guò)程

A晶核總是優(yōu)先在F和Fe3C的相界面上形成

2.影響A化的因素

加熱溫度越高，P→A的轉(zhuǎn)變速度越快

加熱速度越快，P→A

的轉(zhuǎn)變速度越快，A

晶粒越細(xì)

P越細(xì)，P向A轉(zhuǎn)變速度越快，轉(zhuǎn)變速度依次為：細(xì)片狀P＞粗片狀P，層片狀P＞粒狀P

3.非共析鋼的A化

①在A1以上，完成P→A的轉(zhuǎn)變

②在A3

和Acm

以上，分別完成F

和Fe3C

的A

化二、A晶粒大小A晶粒度超過(guò)規(guī)定等級(jí)，被稱為“過(guò)熱”本質(zhì)粗晶粒鋼：A晶粒長(zhǎng)大傾向大的鋼

本質(zhì)細(xì)晶粒鋼：A晶粒長(zhǎng)大傾向小的鋼本質(zhì)晶粒度:能反映不同的鋼在相同加熱條件下的A晶粒長(zhǎng)大傾向?qū)嶋H晶粒度：指在具體加熱條件下，鋼中A的晶粒大小第二節(jié)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線一、過(guò)冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線過(guò)冷A：處于臨界轉(zhuǎn)變溫度以下的A1.過(guò)冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線的建立與分析（共析鋼）①孕育期高于鼻尖溫度，A的轉(zhuǎn)變速度主要取決于過(guò)冷度大小低于鼻尖溫度，A的轉(zhuǎn)變速度主要取決于原子擴(kuò)散能力②轉(zhuǎn)變類型在A1～560℃之間，過(guò)冷A發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變?cè)?60℃～Ms溫度之間，過(guò)冷A發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變?cè)贛s

～Mf

溫度之間，過(guò)冷A發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變Ms溫度是M轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度，Mf

溫度是M轉(zhuǎn)變的終了溫度2.轉(zhuǎn)變過(guò)程及產(chǎn)物①

珠光體轉(zhuǎn)變粗片P，硬度為5～20HRC細(xì)片P，也稱索氏體（S），硬度：20～30HRC極細(xì)片P，也稱托氏體（T），硬度：30～40HRC

②貝氏體轉(zhuǎn)變

B：由過(guò)飽和碳的F和Fe3C所組成的混合物在560～350℃范圍內(nèi)形成的B稱為上貝氏體

在350℃～Ms溫度內(nèi)形成的B稱為下貝氏體

上B中F條較粗，且F條平行排列有各向異性，其韌性較差，應(yīng)用較少下B中F片較細(xì)，強(qiáng)韌性很好，硬度高達(dá)50～60HRC，應(yīng)用較為廣范③M轉(zhuǎn)變

轉(zhuǎn)變特點(diǎn)：aM沿A晶界形核并迅速向晶內(nèi)長(zhǎng)大bM的長(zhǎng)大速度極快C必須降溫，才會(huì)有新的M針葉形成d直到Mf點(diǎn)，轉(zhuǎn)變才告結(jié)束

e馬氏體是碳在α－Fe中的過(guò)飽和固溶體，具有

體心正方結(jié)構(gòu)fM轉(zhuǎn)變時(shí)，會(huì)產(chǎn)生顯著的固溶強(qiáng)化和相變強(qiáng)化，使M具有很高的強(qiáng)度和硬度gM的含碳量越高，其強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越低

馬氏體的性能:含碳<0.25%的低碳M,ss=800～1300MPaHRC=35～45δ=9～17%含碳為0.8%的高碳M,,ss=1500～2000MPaHRC=62～64，δ=1%殘余A：相變結(jié)束后被殘留下來(lái)的A3、影響C曲線的主要因素①碳含量的影響

A隨著c%的增加，亞共折鋼的C曲線逐漸右

移，過(guò)共折鋼的C曲線逐漸左移，共折鋼的C曲線最靠右B隨著C%增加，鋼的Ms點(diǎn)和Mf點(diǎn)逐漸降低

②合金元素的影響A除Co以外，其余合金元素溶入A后，都會(huì)

使C曲線右移B除Co、Al之外，其余合金元素溶入A后，

都會(huì)降低鋼的Ms點(diǎn)和Mf點(diǎn)二、過(guò)冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線在熱加工過(guò)程中，工件的冷卻通常都是采用連續(xù)冷卻的方式來(lái)進(jìn)行例如：鋼件在鍛造、軋制和焊接后，通常都是采用空冷的方式來(lái)進(jìn)行冷卻在熱處理過(guò)程中，工件的冷卻則是分別采用隨爐冷卻、空冷、油冷和水冷等方式來(lái)進(jìn)行在鋼經(jīng)過(guò)A化后的連續(xù)冷過(guò)程中，過(guò)冷A仍然會(huì)向P、B和M進(jìn)行轉(zhuǎn)變但由于此時(shí)過(guò)冷A可能會(huì)先后經(jīng)過(guò)不同的轉(zhuǎn)變區(qū)，可能會(huì)發(fā)生不同的組織轉(zhuǎn)變且冷速不同，可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變也不同所以，過(guò)冷A的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變較為復(fù)雜建立A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的基本的方法是金相法金相法：就是組織觀測(cè)法例如：將一組共析鋼式樣A化后，以某一冷卻速度進(jìn)行連續(xù)冷卻，并相隔不同的時(shí)間將這些試樣分別淬入水中，將這些試樣的組織固定到室溫通過(guò)組織觀測(cè)，就能判斷出每一個(gè)試樣在這一連續(xù)冷過(guò)程中，是否發(fā)生了組織轉(zhuǎn)變？發(fā)生的是哪種轉(zhuǎn)變？轉(zhuǎn)變到了那種程度？從而能確定出各種轉(zhuǎn)變所對(duì)應(yīng)的溫度和時(shí)間貝氏體是由過(guò)飽和碳的F和Fe3C所組成的混合物A向貝氏體轉(zhuǎn)變，不僅需要碳的擴(kuò)散，而且還需要鐵的晶格重組當(dāng)A的成分不均勻時(shí)，能促進(jìn)過(guò)飽和碳的F和Fe3C的形成當(dāng)碳在A中的分布能夠滿足B的形核要求時(shí)，B轉(zhuǎn)變的孕育效果就能達(dá)到100%在冷速較快的連續(xù)冷卻過(guò)程中，在B形成溫度較低的情況下，由于碳原子的擴(kuò)散很難進(jìn)行，因此，在A被冷至B轉(zhuǎn)變區(qū)時(shí)，就難以達(dá)到100%的孕育效果A的孕育效果不能達(dá)到100%，A向B的轉(zhuǎn)變就不能進(jìn)行在共折鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線上，就不會(huì)出現(xiàn)B轉(zhuǎn)變區(qū)Vk和Vk1是A轉(zhuǎn)變的兩個(gè)臨界狀態(tài)冷速小于Vk1時(shí)，A會(huì)發(fā)生珠光體型轉(zhuǎn)變冷速大于Vk1時(shí)，A會(huì)分別向托氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變冷速大于Vk時(shí)，A會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變Vk是A在連續(xù)冷卻過(guò)程中能全部形成M的最小冷速Vk1是A在連續(xù)冷卻過(guò)程中只能形成珠光體型組織的最大冷速

臨界冷卻速度V臨:A能直接轉(zhuǎn)變成M的最小

冷卻速度

第三節(jié)鋼的普通熱處理普通熱處理：退火、正火、淬火及回火預(yù)先熱處理：用于消除各類晶體缺陷，為零件的機(jī)加工和后續(xù)熱處理進(jìn)行組織準(zhǔn)備的熱處理最終熱處理：為滿足零件使用要求進(jìn)行的熱處理

鋼的實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度：Ac1：實(shí)際加熱時(shí)，P向A轉(zhuǎn)變的最低溫度Ac3：實(shí)際加熱時(shí)，F(xiàn)向A轉(zhuǎn)變的最低溫度ACcm：實(shí)際加熱時(shí)，F(xiàn)e3CⅡ溶入A的最低溫度

Ar1：實(shí)際冷卻時(shí)，A向P轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度

Ar3：實(shí)際冷卻時(shí)，A析出F的開(kāi)始溫度Arcm：實(shí)際冷卻時(shí)，A析出Fe3CⅡ的開(kāi)始溫度

一、鋼的退火退火：將鋼加熱至某一溫度保溫一定時(shí)間后，再將鋼緩慢冷卻至室溫的工藝過(guò)程退火類型適用范圍退火目的完全退火亞共析鋼鑄鍛件消除過(guò)熱、細(xì)化晶粒Ac3+30～50℃擴(kuò)散退火各類鑄件消除成分偏析Ac3

（AcCm

）+150～250℃使成分均勻化球化退火共析鋼和過(guò)共析鋼鍛、軋件Ac1+30～50℃使Fe3C球化，為淬火作準(zhǔn)備退火類型適用范圍退火目的去應(yīng)力退火鑄、鍛、焊及去應(yīng)力、穩(wěn)定尺寸、500℃～650℃各類冷沖壓件防止工件變形與開(kāi)裂再結(jié)晶退火冷變形產(chǎn)品消除加工硬化、650℃～700℃

恢復(fù)塑性完全退火和擴(kuò)散退火后的組織：亞共析鋼：F+片狀P過(guò)共析鋼：P+Fe3CⅡ

二、鋼的正火正火：將工件加熱到Ac3或ACcm以上30～80℃，保溫后將工件空冷至室溫的工藝過(guò)程工藝特點(diǎn)：①能提高鋼中的珠光體含量②能夠細(xì)化珠光體組織亞共析鋼的正火組織：F+S或F+T過(guò)共析鋼的正火組織：S+Fe3CⅡ

或T+Fe3CⅡ

共析鋼的正火組織：S或T③能提高鋼的強(qiáng)度和硬度正火的目的：細(xì)化鋼的組織，消除過(guò)熱缺陷，使組織

正?；岣叩吞间撚捕龋纳破淝邢骷庸ば阅?，

作為低碳鋼機(jī)加工前的預(yù)先熱處理消除或減少過(guò)共析鋼中的網(wǎng)狀Fe3CⅡ，

使過(guò)共析鋼易于球化退火作為最終熱處理用于某些性能要求不高

的零件

三、鋼的淬火淬火：將工件加熱到Ac3或Ac1以上30～50℃保溫后，再將工件放在水中或油中進(jìn)行快速冷卻，以使工件能夠獲得M或B下組織的工藝過(guò)程（一）淬火目的及工藝①提高零件的硬度和耐磨性②提高零件的彈性極限③提高鋼的強(qiáng)韌性

淬火加熱溫度的選擇：過(guò)共析鋼在ACcm溫度以上加熱淬火的害處：①零件在淬火過(guò)程中的變形開(kāi)裂傾向顯著增大

②淬火鋼中的殘余A數(shù)量增多，鋼的硬度降低，零件的尺寸不穩(wěn)定性增大③鋼的耐磨性下降

亞共析鋼：t=Ac3+(30～50)℃共析鋼和過(guò)共析鋼：t=Ac1+(30～50)℃

鋼在連續(xù)冷卻時(shí)的淬火組織：

亞共析鋼及共析鋼：M+殘余A

過(guò)共析鋼：M+殘余A+未溶Fe3C

（二）淬火介質(zhì)

熱應(yīng)力：零件內(nèi)外冷速不同，熱脹冷縮不能同時(shí)進(jìn)行所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力

組織應(yīng)力：工件內(nèi)外冷速不同，M轉(zhuǎn)變不能同時(shí)進(jìn)行所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力

冷卻能力：鹽水＞水＞油

（三）淬火方法①單液淬火法

在一種介質(zhì)中進(jìn)行冷卻的淬火方法

缺點(diǎn)：冷卻特性不好優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，適合大批量作業(yè)

②雙液淬火法

高溫區(qū)快冷，300℃后慢冷，以減少淬火應(yīng)力的淬火方法缺點(diǎn)：雙液轉(zhuǎn)換時(shí)間難把握優(yōu)點(diǎn)：冷卻特性好③分級(jí)淬火

將工件淬入溫度為Ms＋﹝10～30﹞℃的硝鹽浴中保溫2～5分鐘，再對(duì)工件進(jìn)行空冷的淬火方法

優(yōu)點(diǎn)：冷卻特性好缺點(diǎn)：只能用于尺寸較小、變形要求較小的工模具④等溫淬火將工件淬入溫度為Ms+30℃的鹽浴中保溫半小時(shí)以上，直到下B轉(zhuǎn)變結(jié)束后，再將工件進(jìn)行空冷的淬火方法缺點(diǎn)：只能用于尺寸較小、變形要求較小的工模具優(yōu)點(diǎn)：冷卻特性好

（四）鋼的淬透性淬透性：鋼在淬火時(shí)能夠獲得M的能力

在零件尺寸與淬火介質(zhì)一定時(shí)，由于鋼種不同，C曲線的位置不同，鋼在淬火時(shí)能夠獲得M的能力不同，所以鋼的淬透性不同測(cè)定淬透性的方法：臨界直徑法和頂端淬火法

鋼的C曲線越靠右，淬透性越好，鋼在淬火時(shí)獲得M的能力越強(qiáng)，鋼的淬硬層深度越大淬硬層深度：由工件表面至至零件內(nèi)部半馬氏體層的深度合金鋼的淬透性優(yōu)于碳鋼

碳鋼中，共析鋼的淬透性最好零件要求整個(gè)截面性能一致時(shí)，應(yīng)該選用高淬透性鋼制造，使零件整個(gè)截面均能獲得M

對(duì)全部淬硬反而會(huì)影響使用性能的零件，應(yīng)選用低淬透性鋼制造注意：不能把鋼的淬透性與具體淬火條條件下的零件淬硬層深度混為一談

四、鋼的回火鋼經(jīng)淬火后所得到的M+殘余A組織是不穩(wěn)定的原因：

馬氏體處于含碳過(guò)飽和狀態(tài)不穩(wěn)定殘余奧氏體處于過(guò)冷狀態(tài)不穩(wěn)定淬火組織中存在大量晶體缺陷不穩(wěn)定鋼中存在很大的淬火應(yīng)力不穩(wěn)定

①消除淬火應(yīng)力，避免工件在淬火應(yīng)力作用下發(fā)生變形與開(kāi)裂②通過(guò)碳化物的析出，降低碳在M中的過(guò)飽和度，以降低M的脆性③使殘余A向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，使鋼的組織及工件尺寸趨于穩(wěn)定④調(diào)整鋼的組織，使工件獲得所需的性能回火的目的：回火：將淬火鋼重新加熱到A1以下某一溫度保溫一定時(shí)間后，再將鋼冷卻至室溫的工藝過(guò)程

回火過(guò)程：是淬火M和殘余A的分解，碳化物的析出和長(zhǎng)大，過(guò)飽和

α－Fe的回復(fù)和再結(jié)晶過(guò)程回火組織轉(zhuǎn)變的四個(gè)階段：①

80～200℃回火，馬氏體分解成過(guò)飽和碳的α

－Fe與ε碳化物回火馬氏體：由過(guò)飽和碳的α－Fe與ε碳化物所組成的混合物②200～300℃回火，殘余A分解成過(guò)飽和碳的α－Fe與ε碳化物③250～400℃回火，過(guò)飽和碳的α－

Fe逐漸轉(zhuǎn)變成針葉狀F，ε碳化物逐漸轉(zhuǎn)變成極細(xì)小的顆粒狀Fe3C

回火托氏體：

由針葉狀F和細(xì)小的顆粒狀

Fe3C所組成的混合物④400℃以上回火，顆粒狀Fe3C通過(guò)聚集和長(zhǎng)大會(huì)變成球狀Fe3C，針葉狀F通過(guò)回復(fù)和再結(jié)晶會(huì)轉(zhuǎn)變成等軸狀F回火素氏體：由等軸狀F和球狀Fe3C所組成的混合物上述回火階段對(duì)應(yīng)著四種不同的轉(zhuǎn)變：①淬火M分解成由過(guò)飽和碳的α－Fe與

ε碳化物所組成的混合物→回火馬氏體

②殘余A分解成回火馬氏體

③

回火馬氏體轉(zhuǎn)變成回火托氏體

④回火托氏體轉(zhuǎn)變成回火索氏體三個(gè)回火溫區(qū)：①在300℃以下回火，得到回火M②在300～500℃回火，得到回火T③在500～650℃回火，得到回火S

ss

：

M回＞T回＞S回

δ、ak：M回＜T回＜S回

顆粒狀和球狀Fe3C對(duì)F基體的切割作用比較小，所以：T回和S回的綜合力學(xué)性能分別優(yōu)于正火T和正火S

回火工藝：1.低溫回火（＜250℃）主要用于高碳鋼和高碳合金鋼制造的各類工模具，回火后鋼的硬度為58～64HRC2.中溫回火（350～500℃

）主要用于中高碳鋼制造的各類彈簧，回火后鋼的硬度為35～45HRC3.高溫回火（500～650℃）主要用于中碳鋼制造的各種機(jī)械零件，調(diào)質(zhì)后鋼的硬度為25～35HRC第四節(jié)鋼的表面熱處理一、表面淬火表面淬火：采用快速加熱方法將零件表層迅速A化，再將零件迅速冷卻，使零件表層能夠得到有效強(qiáng)化的淬火方法工藝特點(diǎn)：工件表面能得到一定深度的淬硬層，工件的心部組織不會(huì)發(fā)生變化用途：用于表面硬度、耐磨性要求高，心部塑韌性要求好的機(jī)械零件（一）火焰加熱淬火燃燒氣：天燃?xì)?、煤氣、乙炔、丙烷?/p>

助燃?xì)猓貉鯕夂涂諝?/p>

乙炔一氧氣火焰溫度：3100℃

使用條件：淬硬層深度＜3mm煤氣一氧氣火焰,溫度:2540℃

使用條件：淬硬層深度＞3mm火焰加熱用鋼：中碳鋼

鋼的原始組織：珠光體加熱溫度：Ac3

+(80～100)℃淬硬層深度：2～6mm

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，適用于特大工件的表面淬火缺點(diǎn)：表面易過(guò)熱，淬火質(zhì)量不穩(wěn)定（二）感應(yīng)加熱淬火感應(yīng)加熱淬火是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象，在工件的表層中形成強(qiáng)大的感應(yīng)電流，使工件表層能夠迅速升溫并可立即進(jìn)行淬火的工藝方法

外加電流頻率越高，表面效應(yīng)越顯著，淬硬層深度越小高頻感應(yīng)淬火：f=100～1000KHz

淬硬層深度：0.2～2mm

中頻感應(yīng)淬火：f=0.5～10KHz淬硬層深度：2～8mm

工頻感應(yīng)淬火：f=50Hz

淬硬層深度：10～15mm

優(yōu)點(diǎn)：①生產(chǎn)效率高②淬火質(zhì)量好③淬硬層硬度比普通淬火高2～3HRC④產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定感應(yīng)淬火用鋼：中碳鋼或中碳合金鋼

預(yù)先熱處理：淬火+高溫回火（回火索氏體）

或正火處理（細(xì)片狀珠光體）回火溫度：

180～200℃回火組織：表層為回火馬氏體，心部為回火索氏體或珠光體

自回火：利用淬火余熱進(jìn)行回火的工藝方法

二、化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理：將某些活性元素滲入工件表層，來(lái)改變工件表層成分和組織的熱處理工藝分解過(guò)程：從活性介質(zhì)中分解出活性原子的過(guò)程如滲C：

2CO→[C]+CO2

CH4→[C]+2H2吸收過(guò)程：活性原子滲入到工件表面的過(guò)程擴(kuò)散過(guò)程：滲入表面的活性原子向工件內(nèi)部進(jìn)行遷移的過(guò)程