鋼的熱處理原理和工藝

第五章

鋼的熱處理原理和工藝目前一頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點

熱處理是改善金屬材料使用性能和工藝性能的一種非常重要的工藝方法。熱處理是機械零件及工具制造過程中的重要工序。它擔負著改善工件的組織和性能，充分發(fā)揮材料潛力，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量延長使用壽命的重要任務(wù)。重要的機械零件必須經(jīng)熱處理才能獲得良好的使用性能。目前二頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點

§1.鋼的熱處理原理及分類一、熱處理原理1.定義將鋼在固態(tài)范圍內(nèi)，采用適當?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝方法。目前三頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點2.工藝曲線注明：臨界溫度（A1、A3、Acm）目前四頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點

3.原理：熱處理不改變工件的形狀和尺寸，只改變工件的內(nèi)部組織和性能的一種非常重要的工藝方法。根本原因：是由于鐵具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特性，從而使鋼在加熱和冷卻過程中發(fā)生組織和結(jié)構(gòu)上的變化，從而可以改善和提高獲得所需要的使用性能。目前五頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點二、熱處理的分類

目前六頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點常見熱處理車間目前七頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點加熱冷卻保溫目前八頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點§2.鋼在加熱及冷卻時的組織轉(zhuǎn)變一、鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變1.鋼在加熱和冷卻時的相變溫度加熱溫度選擇的理論依據(jù)——鐵碳合金狀態(tài)圖；但實際轉(zhuǎn)變溫度（相變溫度）比狀態(tài)圖上的臨界溫度（A1、A3、Acm）有一定的滯后現(xiàn)象，采用代號表示。即：加熱(c)和冷卻(r)

A3—Ac3—Ar3A1—Ac1—Ar1

Acm—Accm—Arcm目前九頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點

鋼在加熱和冷卻時的臨界溫度目前十頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點2.奧氏體的形成（以共析鋼為例）(1)奧氏體晶核的形成；(2)奧氏體晶核的長大；(3)殘余滲碳體的溶解；(4)奧氏體成分的均勻化。

（基本過程）共析鋼中奧氏體形成過程示意圖a)形核；b)長大；c)殘余滲碳體溶解；d)奧氏體均勻化目前十一頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點奧氏體形成示意圖4秒6秒8秒15秒目前十二頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點

對于亞共析鋼、過共析鋼的奧氏體化過程：1.亞共析鋼：

F+P→F+A→A2.過共析鋼：

Fe3C+P→Fe3C+A→A目前十三頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點3.奧氏體晶粒的長大

晶粒的長大主要是依靠較大晶粒吞并較小晶粒和晶界遷移的方式進行的。晶粒的吞并與長大過程為了防止晶粒長的粗大，嚴格控制加熱溫度和保溫時間。目前十四頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點4.奧氏體晶粒大小的實際意義：

鋼中奧氏體晶粒的大小直接影響到冷卻后的組織和性能。奧氏體晶粒細小，則其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織也較細小，性能較好；反之，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織則粗大，而且其性能也較差。

晶粒號的標準等級圖(100×)目前十五頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點二、鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變

冷卻方式：等溫冷卻；連續(xù)冷卻。

目前十六頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點1.奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變1）定義不穩(wěn)定的過冷奧氏體經(jīng)過一段時間的等溫保持，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的新相的過程。2）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物

珠光體（粗珠光體、索氏體、屈氏體）

貝氏體（上貝氏體、下貝氏體）

馬氏體（低碳馬氏體、高碳馬氏體）目前十七頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點

共析鋼等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖（C曲線或為TTT曲線）表示：過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變溫度~轉(zhuǎn)變時間~轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的關(guān)系。目前十八頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點1）珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū)（A1~550℃）

——高溫等溫轉(zhuǎn)變a）形成溫度范圍

A1~650℃

b）組織——珠光體（P）粗片狀珠光體片層間距>0.4μmC）性能強度比較高，硬度適中170

~220HBW有一定的塑性，具有較好的綜合力學(xué)性能。珠光體組織3800×

目前十九頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點a）形成溫度范圍

650℃~600℃

b）組織——索氏體（S）細片狀珠光體片層間距0.4~0.2μm

C）性能硬度為230

~320HBW綜合力學(xué)性能優(yōu)于粗珠光體。

索氏體組織8000×

目前二十頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點a）形成溫度范圍

600℃~550℃

b）組織——屈氏體（T）極細片狀珠光體片層間距<

0.2μm

C）性能硬度為330

~400HBW綜合力學(xué)性能優(yōu)于索氏體。規(guī)律：形成溫度↓；片層間距↓

；硬度↑。

屈氏體組織8000×

目前二十一頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點2）貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)（550℃

~Ms）

——中溫等溫轉(zhuǎn)變形成上貝氏體組織。組織組成：

鐵素體+滲碳體組織特征：鐵素體——長成板條狀大致平行分布滲碳體——呈粒狀或短桿狀分布在鐵素體板條之間。目前二十二頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點a）形成溫度范圍

550℃~350℃

b）組織——上貝氏體（B上）形態(tài)呈典型羽毛狀C）性能硬度為40

~45HRC強度低，塑性很差，

基本上沒有使用價值。

目前二十三頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點下貝氏體組織組織組成：鐵素體+滲碳體組織特征：鐵素體——長成針片狀，互不平行，有一定角度，形成分枝；滲碳體——呈粒狀或細小短條狀分布在鐵素體片內(nèi)。目前二十四頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點a）形成溫度范圍

350℃~Msb）組織——下貝氏體（B下）形態(tài)呈黑色針葉狀C）性能硬度可達45

~55HRC具有較高的強度及良好的塑性和韌性。采用等溫淬火方法可獲得B下，是各種復(fù)雜模具、量具、刀具熱處理后的一種理想組織。下貝氏體組織630×目前二十五頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點2）馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)（Ms

~Mf）

——低溫連續(xù)轉(zhuǎn)變①定義

碳在α-Fe中的過飽和固溶體——稱為馬氏體（用M表示）②分類根據(jù)碳含量不同分為：

低碳馬氏體——<0.20%C

高碳馬氏體——>0.25%Cabca=b≠c——碳原子目前二十六頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點低碳馬氏體組織特征：呈一束一束相互平行的細條狀板條。性能特點：硬度可達

HRC45~50，具有較高的強度及良好的韌性。M板條M板條束低碳馬氏體組織形態(tài)

目前二十七頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點高碳馬氏體組織特征：斷面呈針狀或片狀性能特點：硬度均在≥

HRC60，表現(xiàn)為硬度高而脆性大。

目前二十八頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點③馬氏體的性能特點1、硬度高，且隨C%的增加而增加；2、強度高，亦隨C%的增加而增加。目前二十九頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點④馬氏體轉(zhuǎn)變特點

a）過冷A轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體是一種非擴散型轉(zhuǎn)變；b）馬氏體轉(zhuǎn)變是在一定溫度范圍內(nèi)（Ms~Mf）的

連續(xù)冷卻過程中進行的；c）馬氏體的轉(zhuǎn)變速度極快，產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，轉(zhuǎn)變時發(fā)生體積膨脹；d）馬氏體轉(zhuǎn)變的不徹底性，仍有少量未轉(zhuǎn)變的A

被保留下來，成為殘余奧氏體（用AR表示）。目前三十頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點e）馬氏體中溶入過多的碳而使α-Fe晶格發(fā)生畸變，形成組織不穩(wěn)定；f）過冷A轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體所需的最小冷卻速度稱為

臨界冷卻速度（用?c表示）。指出：每一種鋼的臨界冷卻速度都不同。要想獲得馬氏體組織，必須使其冷卻速度>?c。這種操作叫淬火。

獲得馬氏體是強化鋼材的一種重要組織。目前三十一頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點二、奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT）

在實際熱處理生產(chǎn)中，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變多數(shù)是在連續(xù)冷卻過程中進行的，除了等溫轉(zhuǎn)變獲得貝氏體組織；另外常采用連續(xù)冷卻曲線（CCT）與等溫轉(zhuǎn)變曲線（TTT）疊加，近似地分析連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的組織和性能。VcMM+PP

共析碳鋼CCT曲線MsMfVcMM+PP

共析碳鋼CCT曲線①②③共析碳鋼TTT曲線目前三十二頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點目前三十三頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線比較亞共析鋼共析鋼過共析鋼目前三十四頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點§3.鋼的熱處理工藝機械零件的一般加工工藝順序：

鑄造或鍛造→退火和正火→

機械粗加工

→淬火+回火（或表面熱處理）→機械精加工其中：退火和正火——預(yù)備熱處理淬火+回火——最后熱處理目前三十五頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點一、退火

1.定義：將鋼加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻（一般為隨爐冷卻），以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝叫做退火。目前三十六頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點2.退火分類：；a.擴散退火：

Ac3

+200℃～300℃b.完全退火：

Ac3+20℃～50℃c.球化退火：

Ac1

+20℃～30℃d.去應(yīng)力退火：＜

Ac1；500℃～650℃

目前三十七頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點3.退火目的：1）降低硬度，提高鋼的塑性，以利于機械加工；2）細化晶粒，均勻組織，為淬火工序做好準備；3）消除內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形和開裂；4）消除或減輕偏析、帶狀組織。目前三十八頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點4.退火應(yīng)用：1）擴散退火：適宜合金鋼錠和大型鑄鋼件；2）完全退火：適宜亞共析鋼，不適宜過共析鋼；3）球化退火：適宜共析鋼和過共析鋼；

4）低溫退火：適宜鑄造、鍛造或焊接及切削加工后的高精度工件。

目前三十九頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點二、正火1.定義：將鋼加熱到Ac3以上30～50℃（亞共析鋼）或Accm以上

30～50℃（過共析鋼），保溫后在空氣中冷卻的一種熱處理工藝。2.正火的目的和應(yīng)用是使鋼的組織正?；?，亦稱——?；幚?；一般應(yīng)用于以下方面：

1）作為最終熱處理——要求不高的普通結(jié)構(gòu)件；2）作為預(yù)先熱處理——含碳量高的過共析鋼；3）改善切削加工性能——低、中碳合金結(jié)構(gòu)鋼。目前四十頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點正火的作用與退火相似，與退火不同之處是：正火是在空氣中冷卻，冷卻速度快，所獲得的組織更細。b.正火后的強度、硬度較退火后的稍高，而塑性、韌性則稍低。c.不占用設(shè)備；生產(chǎn)率高。目前四十一頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點三、淬火1.定義：

將鋼加熱到Ac3以上30～50℃（亞共析鋼）或Ac1以上30～50℃（過共析鋼），保溫后在淬火介質(zhì)中快速冷卻以獲得馬氏體組織（M）的一種熱處理工藝。目前四十二頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點鋼的淬透性與淬硬性區(qū)別：淬透性——在規(guī)定的條件下，鋼接受淬火時獲得馬氏體組織深度的能力。淬硬性——鋼淬火后能夠達到的最高硬度，它主要決定于馬氏體中的含碳量。指出：

淬透性好的鋼淬硬性不一定高。目前四十三頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點

2．淬火介質(zhì)：淬火時為了得到足夠的冷卻速度，以保證奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，又不致由于冷卻速度過大而引起內(nèi)應(yīng)力增大，造成零件變形和開裂。

常用的淬火冷卻介質(zhì)：水、鹽水、油、硝鹽浴和空氣等。

目前四十四頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點3．淬火方法選擇根據(jù)鋼材成分及對組織、性能和工件尺寸精度的要求，在保證技術(shù)要求規(guī)定的前提下，應(yīng)選擇簡便而經(jīng)濟的淬火冷卻方法。目前四十五頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點4.鋼的淬火缺陷1）氧化與脫碳2）過熱與過燒3）變形與開裂4）硬度不足5）淬火軟點目前四十六頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點

四、回火回火是緊接淬火之后進行的，通常也是零件進行熱處理的最后一道工序。目的是消除和減小內(nèi)應(yīng)力、穩(wěn)定組織、調(diào)整性能，獲得較好的強度和韌性。

因為，淬火鋼的組織主要由馬氏體和少量殘余奧氏體組成(有時還有未溶碳化物)，存在很大內(nèi)應(yīng)力，如不及時消除，將會引起工件的變形、甚至開裂。淬火組織很不穩(wěn)定，有向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變的趨勢，而且組織脆性大，韌性低，一般不能直接使用。目前四十七頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點1.定義：

將鋼加熱到Ac1以下某一溫度，保溫一定時間后，冷卻到室溫的一種熱處理工藝。2.目的：1）降低內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形、開裂；2）調(diào)整性能（提高淬火鋼的塑性和韌性）滿足生產(chǎn)需要；3）穩(wěn)定組織，防止尺寸變化；4）降低硬度，便于切削加工。

回火往往是零件生產(chǎn)中的最后一道工序，決定鋼件最后的性能。目前四十八頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點3.回火時的組織轉(zhuǎn)變1）馬氏體分解（80～200℃）

轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：回火M+殘余A2）殘余奧氏體分解（200～300℃）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：回火M3）滲碳體形成（300～400

℃）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：回火T4）滲碳體聚集長大（>

400℃）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：回火S目前四十九頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點4.回火后的組織和應(yīng)力變化目前五十頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點5.回火時的分類及應(yīng)用1）低溫回火：

150～250℃，56～64HRC，獲得高的硬度和耐磨性；2）中溫回火：

350～500℃，35～50HRC，獲得高的彈性極限；3）高溫回火：

550～650℃，20～35HRC，獲得良好的綜合性能。

生產(chǎn)上：淬火+高溫回火——稱作調(diào)質(zhì)處理目前五十一頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點§4.鋼的表面熱處理在機械設(shè)備中，有許多零件，如：齒輪、花鍵軸、活塞銷等，要求表面具有高的硬度和耐磨性．而心部卻要求一定的強度和足夠的韌性。在這種情況下，要達到上述要求，如果僅從材料方面去解決是很困難的。如：選用高碳鋼，淬火后表面硬度雖然很高，但心部韌性不足；如：采用低碳鋼，雖然心部韌性好，但表面硬度和耐磨性低。這就需要對零件進行表面熱處理，以達到強化表面的目的，即：所謂‘外硬內(nèi)韌’的性能要求。目前五十二頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點表面熱處理分為兩類：一類是只改變工件表面組織而不改變表面化學(xué)成分的熱處理，稱為表面淬火。另一類是既改變表面化學(xué)成分又改變表面組織的熱處理，稱為化學(xué)熱處理。目前五十三頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點一、表面淬火1.定義是將鋼件的表面層淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火前狀態(tài)的一種局部淬火方法。2.方法（快速加熱）火焰加熱、感應(yīng)加熱、電接觸加熱、激光加熱等表面淬火方法。目前生產(chǎn)上最常用是：

火焰加熱表面淬火；感應(yīng)加熱表面淬火。3.目的獲得高硬度、高耐磨性的表層，而心部仍保持良好的韌性。目前五十四頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點1）火焰加熱表面淬火應(yīng)用氧-乙炔火焰對零件表面進行快速加熱并隨后快速冷卻的工藝。特點：不需要特殊設(shè)備，淬火質(zhì)量不夠穩(wěn)定；適合單件或小批量生產(chǎn)。目前五十五頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點2）感應(yīng)加熱表面淬火利用感應(yīng)電流通過工件所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使得工件表面受到局部加熱，并進行快速冷卻的淬火工藝。特點：加熱速度冷卻快，淬火質(zhì)量好；適合大批量生產(chǎn)。

目前五十六頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點3）感應(yīng)加熱表面淬火電流頻率與淬硬層的關(guān)系：指出：頻率越高淬硬層深度越淺；生產(chǎn)上根據(jù)零件技術(shù)要求，通過調(diào)整頻率獲得需要使用性能。目前五十七頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點二、化學(xué)熱處理1）定義將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入工件的表層以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝稱為化學(xué)熱處理。2）目的與其它熱處理相比，能更有效地改變零件表層的使用性能。3）分類根據(jù)滲入元素不同可分為：

滲C、滲N、C-N共滲、滲B以及滲金屬（Cr、Al、Zn）等。目前五十八頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點1.化學(xué)熱處理的原理

基本過程：1）分解——首先在氣氛中產(chǎn)生活性原子；2）吸收——工件表面吸收活性原子；3）擴散——表面吸收活性原子產(chǎn)生濃度差，向中心遷移，經(jīng)過一段時間后，形成一定厚度的擴散層（滲層）。目前五十九頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點2.鋼的滲碳方法：固體滲碳、氣體滲碳、液體（鹽?。B碳目前六十頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點滲C過程：

將零件加熱到930℃，開始滴入滲碳劑（煤油、丙酮、甲醇），經(jīng)分解后開始向低碳鋼的表面滲入碳原子，隨著時間的延長，使表層的含C量可達1.0%，成為高碳鋼；然后經(jīng)表面淬火和低溫回火后，使得零件的表面硬度可達56~64HRC，而心部仍然是保持低碳鋼，得到一種所謂——‘外硬內(nèi)韌’的使用性能。目前六十一頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點滲碳后的組織目前六十二頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點3.鋼的滲氮在A1溫度以下，使活性氮原子滲入工件表面的一種化學(xué)熱處理工藝，稱為滲氮。

目的：提高工件表層的硬度、耐磨性、紅硬性、耐蝕性和疲勞強度。

方法——通入氨氣（NH3）介質(zhì)。1）氣體滲氮：——加熱（500~600

℃）

分解出[N]原子；2）離子滲氮：——高壓形成輝光放電分解出[N]離子。目前六十三頁\總數(shù)六十九頁\編于十二點滲氮專用鋼：通常是指含有Cr、Mo、Al等合金元素的鋼。例如：38CrMoAl就是一種典型的滲氮用鋼。因為這些合金元素與氮元素形成非常穩(wěn)定的氮化物。獲得的氮化層薄而致密，一般為0.1~0.6mm。鋼件氮化后具有很高硬度，1000HV以上（相當于69~72HRC），并且當加熱至600~650℃使用時仍能保持高硬度，即：具有高的