第五章 鋼的熱處理

第五章鋼的熱處理改善鋼的性能，主要有兩條途徑：一是合金化，這是下幾章研究的內(nèi)容；二是熱處理，這是本章要研究的內(nèi)容?！?.1熱處理的基本概念

一、熱處理在機械制造中的作用和地位凡重要的零件都必須進行適當?shù)臒崽幚聿拍苁褂?。材料的熱處理通常指的是將材料加熱到相變溫度以上發(fā)生相變，再施以冷卻再發(fā)生相變的工藝過程。通過這個相變與再相變，材料的內(nèi)部組織發(fā)生了變化，因而性能變化。熱處理工藝（或制度）選擇要根據(jù)材料的成份，材料內(nèi)部組織的變化依賴于材料熱處理及其它熱加工工藝，材料性能的變化又取決于材料的內(nèi)部組織變化，材料成份－加工工藝－組織結(jié)構(gòu)－材料性能這四者相互依成的關(guān)系貫穿在材料加工的全過程之中。二、熱處理的基本要素定義：鋼在固態(tài)下，采用適當?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝操作。熱處理過程都由三大基本要素：加熱、保溫、冷卻組成。三大基本要素決定了材料熱處理后的組織和性能。圖5—1熱處理工藝曲線圖常采用熱處理工藝曲線來描述，如圖5—1所示。在機床制造中約60-70%的零件要經(jīng)過熱處理。在汽車、拖拉機制造業(yè)中需熱處理的零件達70-80%。熱處理是一種重要的加工工藝，在制造業(yè)被廣泛應(yīng)用.

模具、滾動軸承100%需經(jīng)過熱處理。總之，重要零件都需適當熱處理后才能使用。

根據(jù)加熱、冷卻方式的不同及組織、性能變化特點的不同，熱處理可以分為下列幾類：1．普通熱處理（整體熱處理）對工件整體進行穿透加熱的熱處理。包括退火、正火、淬火和回火等。2．表面熱處理指僅對工件表層進行熱處理，以改變其組織和性能的工藝。分為以下幾類：⑴表面淬火（包括感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火等）⑵物理氣相沉積⑶化學(xué)氣相沉積⑷等離子化學(xué)氣相沉積

3．化學(xué)熱處理根據(jù)滲入成分的不同分為滲碳、氮化和碳氮共滲等。三、熱處理的基本類型預(yù)備熱處理與最終熱處理預(yù)備熱處理—為隨后的加工（冷拔、沖壓、切削）或進一步熱處理作準備的熱處理。最終熱處理—賦予工件所要求的使用性能的熱處理.預(yù)備熱處理最終熱處理W18Cr4V鋼熱處理工藝曲線時間溫度/℃四、鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度

鋼在加熱時，實際轉(zhuǎn)變溫度往往要偏離平衡的臨界溫度，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、ACm等；把冷卻時的臨界溫度標以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arm等。

圖5-2加熱和冷卻對臨界轉(zhuǎn)變溫度的影響§5.2鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變

一、加熱時奧氏體的形成過程

1、基本過程奧氏體化：鋼在加熱時奧氏體的形成過程。

以共析鋼的奧氏體形成過程為例。如圖5－3所示。5-3共析鋼奧氏體化過程示意圖

⑴奧氏體形核

奧氏體的晶核優(yōu)先在鐵素體與滲碳體的界面上形成。

⑵奧氏體晶核長大

奧氏體晶核形成以后，依靠鐵、碳原子的擴散，使鐵素體不斷向奧氏體轉(zhuǎn)變和滲碳體不斷溶入到奧氏體中去而進行的。

⑶殘留滲碳體的溶解

鐵素體全部消失以后，仍有部分剩余滲碳體未溶解，隨著時間的延長，這些剩余滲碳體不斷地溶入到奧氏體中去，直至全部消失。

⑷奧氏體均勻化

滲碳體全部溶解完畢時，奧氏體的成分是不均勻的，只有延長保溫時間，通過碳原子的擴散才能獲得均勻化的奧氏體。亞共析鋼的加熱過程：過共析鋼的加熱過程：2、珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的影響因素⑴溫度T的影響：提高加熱溫度T,將加速A的形成。⑵加熱速度的影響:隨著加熱速度的增加,奧氏體形成溫度升高(AC1

越高),形成所需的時間縮短。⑶原始組織的影響:原始組織越細,相界面越多,奧氏體轉(zhuǎn)變就越快。⑷化學(xué)成分的影響:隨著鋼中含碳量增加,有利于奧氏體的形成。二、奧氏體晶粒大小及其控制

1.奧氏體晶粒度的概念晶粒度：是指晶粒大小的尺度。常用單位或單位面積或單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)量或晶粒度級別來表示。根據(jù)奧氏體形成過程和晶粒長大情況,奧氏體晶粒度可分為起使晶粒度、實際晶粒度和本質(zhì)晶粒度三種。實際晶粒度：在某一具體的加熱條件下所得到的奧氏體晶粒大小。本質(zhì)晶粒度：用以表明奧氏體晶粒長大傾向的晶粒度。通常采用標準試驗方法，即將鋼加熱到930±10℃，保溫3～8h后測定奧氏體晶粒大小，如晶粒大小級別在1～4級，稱為本質(zhì)粗晶粒鋼；如晶粒大小在5～8級，則稱為本質(zhì)細晶粒鋼。2.奧氏體晶粒大小的控制

⑴加熱溫度與保溫時間加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體晶粒越粗大，因為這與原子擴散密切相關(guān)。

⑵加熱速度加熱速度越快，過熱度越大，奧氏體實際形成溫度越高，可獲得細小的起始晶粒。

⑶鋼的化學(xué)成分碳全部溶于奧氏體時，隨奧氏體中含碳量的增加，晶粒長大傾向增大。合金元素Ti、Zr、V、Nb、Al等，當其形成彌散穩(wěn)定的碳化物和氮化物時，由于分布在晶界上，因而阻礙晶界的遷移，阻止奧氏體晶粒長大，有利于得到本質(zhì)細晶粒鋼。Mn和P是促進奧氏體晶粒長大的元素。

§5.3鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變

熱處理時常用的冷卻方式有兩種：一是連續(xù)冷卻；二是等溫冷卻。如圖5－4所示。圖5－4兩種冷卻方式示意圖等溫冷卻方式：把鋼加熱到A狀態(tài)，快速冷卻到相變點Ar1以下某一溫度進行等溫轉(zhuǎn)變，再冷卻到室溫，如圖5—4曲線1所示。連續(xù)冷卻方式：以某一速度連續(xù)冷卻到室溫，使之發(fā)生轉(zhuǎn)變的方式，如圖5—4曲線2所示。

研究奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變常用等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線，即TTT曲線（過冷奧氏體在一定溫度下隨時間變化組織轉(zhuǎn)變情況）及連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，即CCT曲線（過冷奧氏體依冷卻速度變化組織轉(zhuǎn)變情況）。CCT曲線作為選擇熱處理冷卻制度的依據(jù)。一、過冷

A等溫轉(zhuǎn)變曲線

（C曲線）㈠過冷

A等溫轉(zhuǎn)變曲線分析

過冷奧氏體：奧氏體冷卻到A1線以下某一溫度，處于未轉(zhuǎn)變的、暫時存在的、不穩(wěn)定的奧氏體。過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變：將高溫A迅速冷卻到A1以下某一溫度，并保持恒溫，使過冷A奧氏體進行轉(zhuǎn)變的過程。過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（圖）：全面表示過冷A轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變的時間、轉(zhuǎn)變產(chǎn)物間的關(guān)系圖。也稱“C曲線”。

以共析碳鋼過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線為例進行分析，如右圖所示?？v坐標表示轉(zhuǎn)變溫度，橫坐標表示轉(zhuǎn)變時間。它反映了奧氏體在快速冷卻到臨界點以下在各不同溫度的保溫過程中，溫度、時間與轉(zhuǎn)變組織、轉(zhuǎn)變量的關(guān)系。

共析碳鋼以下圖為共析碳鋼C曲線為例：

C曲線的左邊一條線為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始線，右邊一條線為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變終了線。該曲線下部還有兩條水平線，分別表示奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度Ms線和轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Mf線。

共析鋼的過冷奧氏體可發(fā)生三種不同的轉(zhuǎn)變:⑴珠光體轉(zhuǎn)變：

A1

至C曲線鼻尖區(qū)間的高溫轉(zhuǎn)變,其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體。⑵貝氏體轉(zhuǎn)變：C曲線鼻尖至MS線區(qū)間的中溫轉(zhuǎn)變,其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體。⑶馬氏體轉(zhuǎn)變：在MS

線以下區(qū)間的低溫轉(zhuǎn)變,其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體。5-5共析鋼過冷A等溫轉(zhuǎn)變圖㈡過冷

A等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物及性能

⒈珠光體轉(zhuǎn)變共析成分的奧氏體在A1～550℃溫度范圍內(nèi)等溫停留時，將發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，形成鐵素體和滲碳體兩相組成的機械混合物-珠光體。因轉(zhuǎn)變的溫度較高，也稱高溫轉(zhuǎn)變。⑴珠光體的組織形態(tài)

珠光體的組織有兩種形態(tài)：一種是片狀珠光體；顯微組織如圖5－6所示。

圖5-6片狀珠光體組織

圖5-7粒狀珠光體組織另一種是球狀或粒狀珠光體；顯微組織如圖5－7所示。

珠光體形成如下圖所示珠光體的轉(zhuǎn)變示意圖

片狀珠光體中，按片間距的大小可將其分為三類：珠光體（P）：即A1～650℃之間形成的片層較粗的珠光體。片層距>0.4um。索氏體（S）：

650～600℃之間形成的片層較細的珠光體。片層距0.4-0.2um托氏體（T）或稱屈氏體：

600～550℃之間形成的片層極細的珠光體。片層距<0.2um。實際上，這三種組織都是珠光體，其差別只是珠光體組織的“片間距”大小，形成溫度越低，片間距越小。

⑵珠光體的力學(xué)性能⒉貝氏體轉(zhuǎn)變片狀珠光體的性能主要取決于珠光體的片層間距。片層間距越小，則強度和硬度越高，塑性和韌性也越好。形成粒狀珠光體，滲碳體的顆粒越細小，則鋼的強度硬度越高。在相同硬度下，粒狀珠光體比片狀珠光體的綜合力學(xué)性能優(yōu)越得多。

貝氏體轉(zhuǎn)變：過冷奧氏體在“鼻子”溫度至Ms點范圍內(nèi)進行的轉(zhuǎn)變，又稱為中溫轉(zhuǎn)變。貝氏體是碳化物（滲碳體）分布在碳過飽和的鐵素體基體上的兩相混合物。

⑴貝氏體的組織形態(tài)

★上貝氏體共析鋼上貝氏體大約在550℃（“鼻子”溫度）至350℃之間形成。光學(xué)顯微鏡觀察，典型上貝氏體組織形態(tài)呈羽毛狀。顯微組織如下圖所示?！锵仑愂象w共析鋼下貝氏體大約在350℃至Ms之間形成。光學(xué)顯微鏡觀察，下貝氏體呈黑色針狀或竹葉狀。顯微組織如下圖所示。

⒊馬氏體轉(zhuǎn)變上貝氏體的強度和韌性均差，基本上沒有實用價值。下貝氏體不僅強度高，而且韌性也好，表現(xiàn)為具有較好的綜合力學(xué)性能，是一種很有應(yīng)用價值的組織。獲得下貝氏體組織是強化鋼材的途徑之一。⑵貝氏體的力學(xué)性能

馬氏體轉(zhuǎn)變是典型的無擴散性相變。馬氏體是碳在α—Fe中的過飽和固溶體，具有非常高的強度和硬度。所以，馬氏體轉(zhuǎn)變是強化金屬的重要途徑之一。⑴馬氏體的組織形態(tài)

鋼中馬氏體有兩種基本形態(tài)：板條馬氏體和片狀馬氏體。當wc在0.25%以下時，基本上形成板條狀馬氏體（也稱低碳馬氏體），板條馬氏體內(nèi)有高密度的位錯纏結(jié)的亞結(jié)構(gòu)，又稱為位錯馬氏體。

圖5-8板條馬氏體圖5-9片狀馬氏體

wc在0.25%～1.0%之間的奧氏體則形成上述兩種馬氏體的混合組織，含碳量越高，條狀馬氏體量越少而片狀馬氏體量越多。

當wc

>1.0%時，奧氏體幾乎只形成片狀馬氏體（針狀馬氏體）。片狀馬氏體內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶。因此，片狀馬氏體又稱為孿晶馬氏體。

⑵馬氏體的力學(xué)性能⑶馬氏體轉(zhuǎn)變的主要特點

馬氏體的硬度主要取決于馬氏體的含碳量，通常情況是隨含碳量的增加而升高。馬氏體的塑性和韌性主要取決于它的亞結(jié)構(gòu)。在相同屈服強度條件下，板條（位錯）型馬氏體比片狀（孿晶）型馬氏體的韌性好得多。

⑴無擴散性馬氏體的形成無需借助于無擴散過程，轉(zhuǎn)變前后沒有化學(xué)成分的改變，馬氏體可在很低的溫度下以高速形成。

⑵轉(zhuǎn)變是在一個溫度范圍內(nèi)進行的馬氏體轉(zhuǎn)變是在Ms～Mf的溫度范圍內(nèi)進行的，其轉(zhuǎn)變量隨溫度的下降而增加，一旦溫度停止下降，轉(zhuǎn)變立即中止。

⑶轉(zhuǎn)變不完全多數(shù)鋼的Mf點在室溫以下，因此冷卻到室溫時仍會保留相當數(shù)量未轉(zhuǎn)變的奧氏體，這稱之為殘余（留）奧氏體，常用Ar表示。亞共析鋼和過共析鋼的C曲線與共析鋼的C曲線不同。區(qū)別在于分別在其上方多了一條過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的轉(zhuǎn)變開始線和過冷奧氏體析出二次滲碳體的開始線。

二、過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT曲線）連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線是通過實驗測定出來的。圖中Ps和Pf線分別表示珠光體轉(zhuǎn)變的開始和終了線；KK′線是珠光體轉(zhuǎn)變終止線。共析鋼以大于VK的速度冷卻時，由于遇不到珠光體轉(zhuǎn)變線，得到的組織為馬氏體，這個冷卻速度稱為上臨界冷卻速度。冷卻速度小于VK′時，鋼將全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，為下臨界冷卻速度。共析鋼連續(xù)冷卻時沒有貝氏體形成（無貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)）。

過冷A的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變：將鋼加熱到A狀態(tài)后，使A在溫度連續(xù)下降到室溫的過程中發(fā)生轉(zhuǎn)變。過冷A的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖：指鋼經(jīng)A化后，經(jīng)過不同的冷卻速度連續(xù)冷卻的條件下獲得的轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時間與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物間關(guān)系的曲線。如圖5－10所示。

圖5－10共析鋼過冷A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖三、影響過冷A轉(zhuǎn)變的因素

⒈碳的影響

奧氏體含碳量對C曲線的形狀沒有什么影響,僅使其位置左右移動。隨著A中含碳量的增加，A的穩(wěn)定性增大，C曲線的位置向右移。⒉合金元素的影響

除了鈷以外,所有的合金元素的溶入都使過冷奧氏體趨于穩(wěn)定,使C曲線的位置右移。碳化物形成元素含量較多時,不僅影響C曲線的位置,而且還會改變C曲線的形狀,可能出現(xiàn)兩組C曲線。⒊加熱溫度和保溫時間的影響

隨著加熱溫度的提高和保溫時間的延長,使過冷奧氏體穩(wěn)定性增加,使C曲線右移。

§5.5鋼的整體熱處理工藝及應(yīng)用

一、退火與正火

退火與正火的目的：▲降低剛的硬度，提高塑性（軟化鋼件），以便進行切削加工；▲消除殘余應(yīng)力,以防鋼件的變形,開裂；▲細化晶粒,改善組織以提高機械性能；▲為最終熱處理(淬火,回火)做好組織上的準備。退火或正火是將鋼加熱到一定溫度并保溫一定時間以后，以緩慢的速度冷卻下來，使之獲得達到或接近平衡狀態(tài)的組織的熱處理工藝。㈠退火⒈完全退火根據(jù)退火目的的不同，退火的種類很多，常用的主要有以下幾種類型：

目的：細化晶粒、降低硬度以改善切削加工性能和消除內(nèi)應(yīng)力。定義：將鋼件或鋼材加熱到Ac3以上20℃～30℃，經(jīng)完全奧氏體化后進行隨爐緩慢冷卻，以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。應(yīng)用：亞共析成分的各種碳鋼和合金鋼的鑄,鍛件及熱軋型材,有時也用于焊接結(jié)構(gòu)。⒉等溫退火⒊球化退火等溫退火的加熱工藝與完全退火相同。“等溫”的含義是，發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變時是在Ar1以下珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)間的某一溫度等溫進行。等溫退火能有效縮短退火時間，提高生產(chǎn)效率并能獲得均勻的組織和性能。目的：●使碳化物球化（粒化）和消除網(wǎng)狀的二次滲碳體球化。●降低硬度、均勻組織、改善切削性能，為淬火作組織準備。定義：鋼隨爐升溫加熱到Ac1以上Accm以下的雙相區(qū)，較長時間保溫，并緩慢冷卻的工藝。應(yīng)用：用于過共析鋼和合金工具鋼。⒋擴散退火（均勻化退火）⒌去應(yīng)力退火目的：均勻鋼內(nèi)部的化學(xué)成分。

定義：加熱溫度高（一般在Ac3或Accm以上150～300℃），保溫時間長（10h以上），然后隨爐緩慢冷卻到室溫。應(yīng)用：適用于鑄造后的高合金鋼。擴散退火后鋼的晶粒粗大，需要進行一次正常的完全退火或正火處理。目的：削除內(nèi)應(yīng)力。定義：將工件隨爐緩慢加熱至500～650℃，經(jīng)一段時間保溫后隨爐緩慢冷卻至300～200℃以下出爐。應(yīng)用：主要用來消除因變形加工及鑄造、焊接過程中引起的殘余內(nèi)應(yīng)力，以提高工件的尺寸穩(wěn)定性，防止變形和開裂。⒍再結(jié)晶退火

目的：消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及成形性能。定義：冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，保持適當?shù)臅r間，使變形晶粒重新轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻牡容S晶粒的工藝。㈡正火

正火的加熱溫度為Ac3或Accm以上30～50℃，保溫以后的冷卻方式在空氣中進行。由于正火比退火的冷卻速度大，故珠光體的片層間距較小，因而正火后強度、硬度較高。

正火的應(yīng)用：

①低碳鋼和某些低碳低合金鋼采用正火來調(diào)整硬度，改善切削加工性能。如圖5－11為鋼的幾種熱處理工藝與合適加工硬度范圍的關(guān)系。圖5－11

熱處理與硬度的關(guān)系（陰影部分為適合切削加工硬度范圍）

②過共析鋼的正火是為了消除網(wǎng)狀碳化物。

③某些受力不大，性能要求不高的中碳鋼和中碳合金鋼件，正火后的力學(xué)性能尚能滿足要求，可作為最終熱處理。

二、鋼的淬火

1.淬火加熱溫度定義：將亞共析鋼加熱到Ac3以上，共析鋼與過共析鋼加熱到Ac1以上（低于Accm）的溫度，保溫后以大于Vk的速度快速冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝。目的:獲得馬氏體，提高鋼的機械性能.

淬火加熱溫度的選擇應(yīng)以得到細而均勻的奧氏體晶粒為原則，以便冷卻后獲得細小的馬氏體組織。亞共析鋼的淬火加熱溫度通常為Ac3以上30～50℃。共析鋼、過共析鋼的淬火加熱溫度通常為Ac1以上30～50℃。如圖5-12是碳鋼的淬火溫度范圍。

圖5-12碳鋼的淬火加熱溫度范圍2.加熱時間的確定

3.淬火冷卻介質(zhì)⑴理想淬火介質(zhì)的冷卻特性加熱時間由升溫時間和保溫時間組成。升溫時間：由零件入爐溫度升至淬火溫度所需的時間。保溫時間：指零件燒透及完成奧氏體化過程所需要的時間。影響加熱時間確定的因素：鋼種、加熱介質(zhì)、加熱速度、裝爐方式、裝爐量及鋼件的形狀、尺寸。冷卻是關(guān)系到淬火質(zhì)量高低的關(guān)鍵操作,即既要快冷,防止過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榉邱R氏體組織,以獲得馬氏體組織,又要減少變形和防止

開裂。為此,一方面要選擇適當?shù)拇慊鸾橘|(zhì),另一方面要改進淬火方法。以共析鋼為例,根據(jù)其C曲線,理想的淬火冷卻方式，如圖5－13所示。

圖5－13理想的游人冷卻曲線示意圖⑵淬火冷卻介質(zhì)4.常見的淬火方法

目前常見的淬火冷卻介質(zhì)有各種礦物油、植物油、水、鹽水和堿水，它們的冷卻能力依次增加。其中水和油目前生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的冷卻介質(zhì)。水主要用于形狀簡單、截面較大的碳鋼零件的淬火。油一般用作合金鋼的淬火冷卻介質(zhì)。為了減少零件淬火時的變形，鹽浴也常用作淬火介質(zhì)，主要用于分級淬火和等溫淬火。

為了保證獲得所需淬火組織，又要防止變形和開裂，必須采用已有的淬火介質(zhì)再配以各種冷卻方法才能解決。通常的淬火方法包括單液淬火、雙液淬火、分級淬火和等溫淬火等，如圖5－14所示。

圖5－14各種淬火方法示意圖三、鋼的回火

1、淬火鋼在回火時的轉(zhuǎn)變

定義：將淬火鋼加熱到Ac1溫度以下某一溫度，保溫后再冷卻到室溫的一種熱處理工藝。目的:⑴降低或消除內(nèi)應(yīng)力，以防止工件開裂和變形；⑵減少或消除殘余奧氏體，以穩(wěn)定工件尺寸；⑶調(diào)整工件的內(nèi)部組織和性能，以滿足工件的使用要求。⑷對于退火難以軟化的某些合金鋼。

淬火鋼得到的馬氏體和殘余奧氏體組織是不穩(wěn)定的，存在著向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變的自發(fā)傾向。回火的實質(zhì)就是通過加熱促使馬氏體和殘余奧氏體向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。

根據(jù)轉(zhuǎn)變發(fā)生的過程和形成的組織，回火可分為四個階段：⑴馬氏體分解（100～200℃）

100℃以上回火，馬氏體開始發(fā)生分解，從過飽和α固溶體中析出彌散的ε碳化物，這種碳化物的成分和結(jié)構(gòu)不同于滲碳體，是亞穩(wěn)定相。一定飽和度的α固溶體和彌散分布的ε碳化物組成的復(fù)相組織，稱為回火馬氏體。鋼的硬度沒有明顯降低，但淬火應(yīng)力下降?；鼗瘃R氏體顯微組織如下圖所示⑵殘余奧氏體的分解（200～300℃）

⑶碳化物的轉(zhuǎn)變（300～400℃）在200～300℃之間回火時，鋼中的殘余奧氏體將會發(fā)生分解，產(chǎn)物是過飽和的α固溶體和ε碳化物組成的復(fù)相組織，相當于回火馬氏體或下貝氏體。

在300～400℃范圍內(nèi)回火，ε碳化物將自發(fā)地向穩(wěn)定相滲碳體轉(zhuǎn)變。由飽和針狀的α固溶體和細小顆粒狀的滲碳體組成的組織稱為回火托氏體或稱屈氏體（T回）。淬火應(yīng)力已基本消除，硬度明顯下降。其顯微組織如下圖所示。

回火托氏體顯微組織⑷Fe3C集聚長大和F的再結(jié)晶(450～700℃)

回火溫度升高到450℃以上，滲碳體明顯聚集長大。由等軸的相和粗粒狀的滲碳體組成的組織稱為回火索氏體（S回）。其顯微組織如下圖所示?；鼗鹚魇象w顯微組織

如果回火溫度升高到650℃～A1間，顆粒狀的Fe3C進一步長大，回火后形成多邊形的F+大顆粒Fe3C組織，稱回火珠光體P。2、回火的種類、組織、性能及應(yīng)用

根據(jù)加熱溫度不同、回火后性能要求，回火可分為:⑴低溫回火回火溫度：在150～250℃之間。回火目的：降低應(yīng)力和脆性，獲得回火馬氏體組織，使鋼具有高的硬度、強度和耐磨性。組織：回火馬氏體組織（M回）。硬度一般為58-64HBC。用途：低溫回火一般用來處理要求高硬度和高耐磨性的工件，如刀具、量具、滾動軸承和滲碳件等。⑵中溫回火回火溫度：

在350～500℃之間?；鼗鹉康模韩@得較高的彈性和屈服極限，具有一定的韌性。

組織：回火托氏體（T回）。硬度為35-45HRC。用途：主要用于各種彈簧件、發(fā)條、熱鍛模等零件。3、回火脆性

⑶高溫回火

回火溫度：在500～650℃之間?；鼗鹉康模韩@得強度，塑性，韌性都較好的綜合機械性能。組織：得到回火索氏體組織，硬度為200-350HRC。用途：適用于中碳結(jié)構(gòu)鋼制作的曲軸、連桿、連桿螺栓、汽車拖拉機半軸、機床主軸及齒輪等重要機器零件。一般把淬火加高溫回火的熱處理稱為“調(diào)質(zhì)處理”。定義：淬火鋼在某些溫度區(qū)間回火時會產(chǎn)生沖擊功的顯著下降的脆化現(xiàn)象。⑴低溫回火脆性——淬火鋼在250℃～350℃范圍內(nèi)回火時出現(xiàn)的脆性，也叫第一類回火脆性。幾乎所有的鋼都存在這類脆性。避免在脆化溫度范圍內(nèi)回火。

⑵高溫回火脆性——淬火鋼在500℃～650℃范圍內(nèi)回火時出現(xiàn)的脆性，也稱為第二類回火脆性。這種脆性主要發(fā)生在含Cr、Ni、Si、Mn等合金元素的結(jié)構(gòu)鋼中。防止高溫回火脆性的方法是加熱后快冷?；鼗鸾M織及特點如表5－3所示§5.6鋼的淬透性與淬硬性

一、淬透性

1、淬透性的概念淬透性：指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，其大小用鋼在一定條件下淬火獲得的淬硬層深度來表示。2、影響淬透性的因素主要因素：化學(xué)成分，除Co以外，所有溶于奧氏體中的合金元素都提高淬透性。另外，奧氏體的均勻性、晶粒大小及是否存在第二相等因素都會影響淬透性。淬透性的大小主要取決于鋼的臨界冷卻速度(Vk)。因此,凡是影響C曲線位置的因素,均能影響鋼的淬透性。3、淬透性的評定

⑴界直徑測定法

鋼材在某中介質(zhì)中淬火后,心部得到全部馬氏體或50%馬氏體組織時的最大直徑稱為臨界直徑。臨界直徑越大,表明鋼的淬透性越高。

⑵淬實驗法

用標準尺寸的端淬試樣(ф25mm*100mm),經(jīng)奧氏體化后,在專用設(shè)備上對其一端面噴水冷卻,冷卻后沿軸線方向測出硬度距水冷端距離的關(guān)系曲線(即淬透性曲線)的實驗方法。

淬透性可用“末端淬火法”測定。鋼的淬透性用表示，其中d表示淬透性曲線上測試點至水冷端的距離（mm）,HRC為該處的硬度值。

二、淬硬性

4、淬透性的實際意義

淬透性不同的鋼材經(jīng)淬火及回火后,它們沿工件截面的組織和力學(xué)性能有很大的差別。工件材料應(yīng)該根據(jù)工件的受力狀況,工作條件及失效原因來選用有一定淬透性的鋼材,而不應(yīng)該都選用淬透性好的鋼材。

鋼的淬硬性：鋼在理想條件下進行淬火硬化(即得到馬氏體組織)所能達到的最高硬度的能力。

硬度高的鋼淬透性不一定高，而硬度低的鋼淬透性有時卻很高。淬硬性與淬透性是兩個概念,淬硬性主要于馬氏體中的含碳量有關(guān),含碳量愈高,淬火后硬度愈高。

§5.7鋼的表面熱處理及化學(xué)熱處理

一、鋼的表面熱處理

定義：表面熱處理常用的方法是表面淬火，表面淬火僅對工件表層進行淬火。一般包括：感應(yīng)淬火、火焰淬火等。表面淬火的目的：使工件表層具有高硬度、耐磨性，而心部具有足夠的強度和韌性。

感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)原理。感應(yīng)加熱表面淬火的特點：

①淬火溫度高于一般淬火溫度。

②淬火后獲得非常細小的隱晶馬氏體組織，表層硬度比普通淬火高2～3HRC。

③表層存在很大的殘余壓應(yīng)力。

④無氧化、脫碳現(xiàn)象，且工件變形也很小。

⑤易于實現(xiàn)機械化與自動化。感應(yīng)加熱淬火后，為了減小淬火應(yīng)力和降低脆性，需進行170～200℃低溫回火。

感應(yīng)淬火定義利用感應(yīng)電流通過工件所產(chǎn)生的熱量使工件表層、局部或整體加熱并快速冷卻的淬火。原理將工件置于銅管制的感應(yīng)器中，當感應(yīng)器有交流電通過時，工件的相應(yīng)部位產(chǎn)生感應(yīng)電流，使表層迅速加熱到預(yù)定的淬火溫度，噴水器立即噴水冷卻，將工件表層淬硬成馬氏體，心部保持低溫。仍為原始組織。2．火焰加熱表面淬火火焰加熱淬火：用乙炔—氧或煤氣—氧等火焰直接加熱工件表面，然后立即噴水冷卻，以獲得表面硬化效果的淬火方法?；鹧婕訜釡囟群芨撸s3000℃以上），能將工件迅速加熱到淬火溫度，通過調(diào)節(jié)燒嘴的位置和移動速度，可以獲得不同厚度的淬硬層。

3．其它類型的表面淬火

⑴接觸加熱表面淬火

利用觸頭和工件間的接觸電阻在通以大電流時產(chǎn)生的電阻熱，將工件表面迅速加熱到淬火溫度，當電極移開，借工件本身來加熱部分的熱傳導(dǎo)來淬火冷卻的熱處理工藝。⑵激光熱處理將高功率密度的激光束照射到工件表面,使表面層快速加熱到奧氏體區(qū)或熔化溫度,依靠工件本身熱傳導(dǎo)迅速自冷而獲得一定淬硬層或熔凝層。

二、化學(xué)熱處理

1．鋼的滲碳化學(xué)熱處理：將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使介質(zhì)中的一種或幾種元素原子滲入工件表面，以改變鋼件表層化學(xué)成分和組織，進而達到改進表面性能，滿足技術(shù)要求的熱處理工藝?；具^程：①化學(xué)介質(zhì)的分解；②活性原子被鋼件表面吸收和溶解；③原子由表面向內(nèi)部擴散，形成一定的擴散層。滲碳：將鋼放入滲碳的介質(zhì)中加熱并保溫，使活性碳原子滲入鋼的表層的工藝。目的：通過滲碳提高零件表層的含碳量，隨后的淬火和低溫回火，使表面具有高的硬度、耐磨性和抗疲勞性能，而心部具有一定的強度和良好的韌性配合。應(yīng)用：滲碳用鋼為含0.1-0.25%C低碳鋼及低碳合金鋼，如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。

⑴滲碳方法根據(jù)使用時滲碳劑的不同狀態(tài)，滲碳方法可以分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳三種，目前廣泛應(yīng)用的是氣體滲碳法。氣體滲碳：將工件置于密封的氣體滲碳爐內(nèi)，加熱到900℃以上（一般900℃~950℃），使鋼奧氏體化，向爐內(nèi)滴入易分解的有機液體（如煤油、苯、甲醇、醋酸乙酯等），或直接通入滲碳氣氛通過在鋼的表面上發(fā)生反應(yīng)，形成活性碳原子。反應(yīng)如下：真空滲碳爐⑵滲碳工藝及組織

①滲碳處理的工藝參數(shù)：滲碳溫度和滲碳時間。滲碳溫度必須高于Ac3溫度。加熱溫度越高，則滲碳速度越快，滲碳層越厚，生產(chǎn)率也越高。在溫度一定的情況下，滲碳時間取決于滲碳層的厚度。表6-1是不同滲碳溫度下，不同滲碳時間的滲層厚度。

⑶滲碳后的熱處理

②滲碳后的組織滲碳后緩冷組織自表面至心部依次為：過共析組織（珠光體+碳化物）、共析組織（珠光體）、亞共析組織（珠光體+鐵素體）的過渡區(qū)，直至心部的原始組織。滲碳工藝的加熱溫度高，時間較長，還需淬火才能達到硬度要求，所以鋼滲碳以后必須進行熱處理才能達到預(yù)期目的。如汽車、機車、礦山機械、起重機械等用的大量傳動齒輪都采用滲碳熱處理工藝提高其耐磨損性能。滲碳后的熱處理方法有：直接淬火法、一次淬火法和二次淬火法。

重新加熱到Ac1+30-50℃淬火+低溫回火。此時組織為：表層：M回+顆粒狀碳化物+A’(少量)心部：M回+F（淬透時）2．鋼的滲氮滲氮俗稱氮化：指在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的熱處理工藝。目的：提高零件表面硬度、耐磨性、疲勞強度、熱硬性和耐蝕性等。常用的滲氮方法有：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。氮化后的組織和性能：氮化后零件表面硬度比滲碳的還高，耐磨損性能很好，同時滲層一般處于壓應(yīng)力，疲勞強度高，但脆性較大。氮化層還具有一定的抗蝕性能。氮化后零件變形很小，通常毋需再加工，也不必再熱處理強化。與滲碳相比：滲氮溫度低且滲氮后不再進行熱處理，所以工件變形小。為了提高滲碳工件的心部強韌性，需要在滲氮前對工件進行調(diào)質(zhì)處理。

3．鋼的碳氮共滲4．其它化學(xué)熱處理碳氮共滲（或稱氰化）：同時向鋼件表面滲入碳和氮原子的化學(xué)熱處理工藝。碳氮共滲零件的性能介于滲碳與滲氮零件之間。氰化主要有液體氰化和氣體氰化兩種。氣體氰化包括高溫氰化和低溫氰化兩種。

滲硼：在約900℃左右采用固體或液體方式向鋼滲入硼（B）元素，鋼表面形成幾百微米厚以上的Fe2B或FeB化合物層，其硬度較氮化的還要高，一般為1300HV以上，有的高達1800HV，抗磨損能力很高。滲鉻、滲釩等滲金屬后，鋼表層一般形成一層碳的金屬化合物，如Cr7C3、V4C3等，硬度很高，如滲釩后硬度可高達1800－2000HV，適合于工具、模具增強抗磨損能力?！?.8表面處理新技術(shù)

近年來，金屬材料表面處理新技術(shù)得到了迅速發(fā)展，開發(fā)出許多新的工藝方法，這里只介紹主要的幾種。全方位離子注入與沉積設(shè)備一、熱噴涂技術(shù)將熱噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，用高壓氣流使其霧化并噴射于工件表面形成涂層的工藝稱為熱噴涂。利用熱噴涂技術(shù)可改善材料的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及絕緣性等。廣泛用于包括航空航天、原子能、電子等尖端技術(shù)在內(nèi)的幾乎所有領(lǐng)域。等離子熱噴涂1、涂層的結(jié)構(gòu)熱噴涂層是由無數(shù)變形粒子相互交錯呈波浪式堆疊在一起的層狀結(jié)構(gòu)，粒子之間存在著孔隙和氧化物夾雜缺陷。噴涂層與基體之間以及噴涂層中顆粒之間主要熱噴涂層組織

是通過鑲嵌、咬合、填塞等機械形式連接的，其次是微區(qū)冶金結(jié)合及化學(xué)鍵結(jié)合。2、熱噴涂方法常用的熱噴涂方法有：①火焰噴涂:多用氧-乙炔火焰作為熱源。②電弧噴涂:絲狀噴涂材料作為自耗電極、電弧作為熱源的噴涂方法③等離子噴涂:是一種利用等離子弧作為熱源進行噴涂的方法。

火焰熱噴涂電弧熱噴涂等離子噴涂3、熱噴涂的特點及應(yīng)用⑴工藝靈活：熱噴涂的對象小到Φ10mm的內(nèi)孔,大到鐵塔、橋梁,可整體噴涂，也可局部噴涂⑵基體及噴涂材料廣泛：基體可以是金屬和非金屬，涂層材料可以是金屬、合金及塑料、陶瓷等⑶涂層可控:從幾十m到幾mm⑷生產(chǎn)效率高⑸工件變形小：基體材料溫度不超過250℃(冷工藝)渦輪葉片的熱障涂層(熱噴涂層)由于涂層材料的種類很多，所獲得的涂層性能差異很大，可應(yīng)用于各種材料的表面保護、強化及修復(fù)并滿足特殊功能的需要。熱噴涂二、氣相沉積技術(shù)

氣相沉積技術(shù)是指將含有沉積元素的氣相物質(zhì)，通過物理或化學(xué)的方法沉積在材料表面形成薄膜的一種新型鍍膜技術(shù)。根據(jù)沉積過程的原理不同，氣相沉積技術(shù)可分為物理氣相沉積(PVD)

和化學(xué)氣相沉積(CVD)兩大類。物理氣相沉積TiAl靶1、物理氣相沉積（PVD）物理氣相沉積是指在真空條件下，用物理的方法，

使材料汽化成原子、分子或電離成離子，并通過氣相過程，在材料表面沉積一層薄膜的技術(shù)。物理沉積技術(shù)主要包括真空蒸鍍、濺射鍍、離子鍍?nèi)N基本方法。磁控濺射鍍膜設(shè)備真空蒸鍍是蒸發(fā)成膜材料使其汽化或升華沉積到工件表面形成薄膜的方法。真空蒸鍍TiN活塞環(huán)真空蒸鍍Al膜的塑料制品濺射鍍是在真空下通過輝光放電來電離氬氣，氬離子在電場作用下加速轟擊陰極，濺射下來的粒子沉積到工件表面成膜的方法。濺射鍍示意圖磁控濺射鍍膜機磁控濺射鍍Al的塑料制品離子鍍是在真空下利用氣體放電技術(shù)，將蒸發(fā)的原子部分電離成離子，與同時產(chǎn)生的大量高能中性粒子一起沉積到工件表面成膜的方法。多弧離子鍍膜機物理氣相沉積具有適用的基體材料和膜層材料廣泛；工藝簡單、省材料、無污染；獲得的膜層膜基附著力強、膜層厚度均勻、致密、針孔少等優(yōu)點。廣泛用于機械、航空航天、電子、光學(xué)和輕工業(yè)等離子鍍產(chǎn)品領(lǐng)域制備耐磨、耐蝕、耐熱、導(dǎo)電、絕緣、光學(xué)、磁性、壓電、滑潤、超導(dǎo)等薄膜。

2、化學(xué)氣相沉積(CVD)化學(xué)氣相沉積是指在一定溫度下，混合氣體與基體CVD設(shè)備表面相互作用而在基體表面形成金屬或化合物薄膜的方法。例如，氣態(tài)的TiCl4與N2和H2在受熱鋼的表面反應(yīng)生成TiN，并沉積在鋼的表面形成耐磨抗蝕的沉積層。由于化學(xué)氣相沉積膜層具有良好的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及電學(xué)、光學(xué)等特殊性能，已被廣泛用于機械制造、航空航天、交通運輸、煤化工等工業(yè)領(lǐng)域。經(jīng)CVD處理的模具經(jīng)CVD處理的活塞環(huán)三、三束表面改性技術(shù)

三束表面改性技術(shù)是指將激光束、電子束和離子束(合稱“三束”)等具有高能量密度的能源(一般大于103W/cm2)施加到材料表面，使之發(fā)生物理、化學(xué)變化，以獲得特殊表面性能的技術(shù)。激光束加工電子束加工等離子束加工

進行快速加熱和快速冷卻，使表層的結(jié)構(gòu)和成分發(fā)生大幅度改變（如形成微晶、納米晶、非晶、亞穩(wěn)成分固溶體和化合物等），從而獲得所需要的特殊性能。束流技術(shù)還具有能量利用率高、工件變形小、生產(chǎn)效率高等特點。由于這些束流具有極高的能量密度，可對材料表面離子束濺射系統(tǒng)1、激光束表面改性技術(shù)激光束能量密度高(106W/cm2)，可在短時間內(nèi)將工件表面快速加熱或融化,而心部溫度基本不變;當激光輻射停止后，由于散熱速度快，又會產(chǎn)生“自激冷”。激光表面改性技術(shù)主要應(yīng)用于以下幾方面:CO2激光器⑴激光表面淬火（激光相變硬化）激光表面淬火件硬度高（比普通淬火高15~20%）、耐磨、耐疲勞，變形極小，表面光亮。已廣泛用于發(fā)動機缸套、滾動軸承圈、機床導(dǎo)軌、冷作模具等。激光表面淬火件激光表面淬火⑵激光表面合金化預(yù)先用鍍膜或噴涂等技術(shù)把所要求的合金元素涂敷到工件表面，再用激光束照射涂敷表面，使表面膜與基

體材料表層融合在一起并迅速凝固，從而形成成分與結(jié)構(gòu)均不同于基體的、具有特殊性能的合金化表層。已成功用于發(fā)動機閥座和活塞環(huán)、渦輪葉片等零件的性能和壽命的改善。

激光合金化熱剪斷刀電子束表面改性技術(shù)是以在電場中高速移動的電子作為載能體,電子束的能量密度最高可達109W/cm2。除所使用的熱源不同

外，電子束表面改性技術(shù)與激光束表面改性技術(shù)的原理和工藝基本類似。凡激光束可進行的處理，電子束也都可進行。電子束表面改性裝置2、電子束表面改性技術(shù)與激光束表面改性技術(shù)相比，電子束表面改性技術(shù)還具有以下特點:①由于電子束具有更高的能量密度，

所以加熱的尺寸范圍和深度更大。②設(shè)備投資較低，操作較方便（無需象激光束處理那樣在處理之前進行“黑化”）。③因需要真空條件，故零件的尺寸受到限制。電子束物理氣相沉積3、離子注入表面