第3章 钢的热处理
机械工程材料-3章 钢的热处理
珠光体型转变，在A1～550℃等温； 贝氏体型转变，在550℃～Ms等温； 马氏体型转变，冷却至MS以下。
共析钢等温冷却转变曲线
随着过冷度的增大，奥氏体转 变温度降低，生成的珠光体片层间 距变小。依据片层间距的大小，将 其分别称为珠光体、索氏体、屈氏 体。珠光体片越细，HB↑，Rm↑。
珠光体 符 号：P 等温温度： A1 ~ 650℃ 层片间距：>0.4μm
①钢加热温度由冷却前希望得到的组 织决定。如果希望得到单相奥氏体组织， 需要在Ac3和Accm以上温度加热，过共析钢 如果不希望二次渗碳体全部溶解到奥氏体 中，需要在Ac1和Accm之间温度加热。 ②加热温度越高，保温时间越长，奥 氏体成分均匀，但晶粒越粗大。 ③加热速度越快，相变的过热度增大， 奥氏体实际形成温度越高，生成的奥氏体 晶粒度愈小。 ④生成的奥氏体晶粒大小也与钢的化 学成分和原始组织有关，有的钢晶粒长大 倾向小。
表 面 热处理 化学热处理
渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗金属等
3.1 钢的热处理原理
3.1.1 钢在加热时的组织转变
1 钢的组织转变温度
对不同成分和组织的钢，在 进行加热或冷却时，如果加热或 冷却速度非常缓慢，钢的组织变 化规律和铁碳相图一致。
经过PSK线（A1）时，发生 A P 转变 经过GS线（A3）时，发生 A F 转变 经过ES线（Acm）时，发生 A A+Fe3CⅡ
则A1、A3、Acm被称为碳钢固 态平衡组织转变临界温度。
铁碳相图
由于实际加热或冷却不可能非常 缓慢，加热时相变需要具有一定的过 热度，冷却时相变需要具有一定的过 冷度，组织转变才能进行。 习惯上，将碳钢加热时的相变温 度分别标记为Ac1、Ac3、Accm，其冷却 时的相变温度分别标记为Ar1、Ar3、 Arcm。 例如：对亚共析钢，当加热到 Ac1时发生P→A，加热到Ac3时才全部 转变为A；对共析钢当加热到Ac1时发 生P→A；对过共析钢加热到Ac1时发 生P→A，加热到Accm以上时渗碳体才 全部转变为A。
热处理课件 第三章 钢的珠光体转变
二、珠光体的机械性能
图3-5 共析碳素钢的珠光体形成温度 对片层间距和团直径的影响
图3-6 共析碳素钢珠光体团的直径和 片层间距对断裂强度的影响
图3-7 共析碳素钢珠光体团的直径和 片层间距对断面收缩率的影响
珠光体团直径和片层间距越小，强度、硬度越高， 塑性也越好。
图3-8 共析碳素钢不同组织的应力-应变图
第三章 钢的珠光体转变
§3-1 珠光体的组织形态与性能特点
一、珠光体的组织形态 γ → P (α + Fe3C)
面心立方 体心立方 复杂斜方 0.77%C 0.0218%C 6.69%C 根据在铁素体基体上分布的渗碳体形状，珠光体 可分为片状珠光体和粒状珠光体。
图3-1 共析碳钢(0.8%C,0.76%Mn)的C曲线
(1) 珠光体：在A1~650℃范围内形成，层片较粗， 片层间距平均大于0.3μm，在放大400倍以上的光学 显微镜下便可分辨出层片；
(2) 索氏体：在650~600℃范围内形成，层片比 较细，片层间距平均为0.1~0.3μm，在大于1000倍的 光学显微镜下可分辨出层片；
(3) 屈氏体：在600~550℃范围内形成，层片很 细，片层间距平均小于0.1μm，即使在高倍光学显微 镜下也无法分辨出片层，只有在电子显微镜下才能 分辨开层片。
1-片状珠光体 2-粒状珠光体
在退火状态下，对于相同含碳量的钢料，粒状珠 光体的强度、硬度比片状珠光体低，塑性、切削加工 性和淬火工艺性等比片状珠光体好。
§3-2 珠光体转变的机理
γ → P (α + Fe3C) 面心立方 体心立方 复杂斜方 0.77%C 0.0218%C 6.69%C
一、珠光体的形核
图3-9 片状珠光体形核与长大过程示意图
第3章 钢的淬火与回火
第3章 钢的淬火与回火钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要、也是用途最广的工序。
淬火可以大幅度提高钢的强度与硬度。
淬火后，为了消除淬火钢的残余内应力，得到不同强度、硬度与韧性的配合，需要配以不同温度的回火。
所以，淬火与回火是不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺。
淬火与回火作为各种机器零件及工、模具的最终热处理，是赋予钢件最终性能的关键性工序，也是钢件热处理强化的重要手段之一。
3.1 钢的淬火与分类淬火是将钢加热至临界点（A c1或A c3）以上，保温一定时间后快速冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的工艺方法。
图3-1是共析碳钢淬火冷却工艺曲线示意图。
v c 、v c '分别为上临界冷却速度（即淬火临界冷却速度）和下临界冷却速度。
以v >v c 的速度快速冷却（曲线1），可得到马氏体组织；以v c >v >v c '的速度冷却（曲线2），可得到马氏体＋珠光体混合组织；以曲线3冷却则得到下贝氏体组织。
钢淬火后的强度、硬度和耐磨性大大提高。
w c ≈0.5％的淬火马氏体钢经中温回火后，可以具有很高的弹性极限。
中碳钢经淬火和高温回火（调质处理）后，可以有良好的强度、塑性、韧性的配合。
奥氏体高锰钢的水韧处理，奥氏体不锈钢、马氏体 时效钢及铝合金的高温固溶处理，都是通过加热、保温 和急冷而获得亚稳态的过饱和固溶体，虽然习惯上也称 为淬火，但这是广义的淬火概念，它们的直接目的并不 是强化合金，而是抑制第二相析出。
高锰钢的水韧处理 是为了达到韧化的目的。
奥氏体不锈钢固溶处理是为了 提高抗晶间腐蚀能力，铝合金和马氏体时效钢的固溶处 理，则是时效硬化前的预处理过程。
本章讨论钢的一般淬火强化问题，其淬火工艺分类见表3-1。
表3-1 钢的淬火工艺分类图3-1 共析钢的淬火冷却工艺热处理工艺及设备3.2 钢的淬透性一、淬透性的基本概念1．淬硬层与淬透性由于淬火冷却速度很快，所以工件表面与心部的冷却速度不同，表层最快，中心最慢（见图3-2a ）。
钢的热处理原理和工艺
A1—Ac1—Ar1
Acm —Accm —Arcm
钢在加热和冷却时的临界温度
2.奥氏体的形成（以共析钢为例）
(1)奥氏体晶核的形成； (2)奥氏体晶核的长大；
（基本过程）
(3)残余渗碳体的溶解；
(4)奥氏体成分的均匀化。
共析钢中奥氏体形成过程示意图
a)形核；b)长大；c)残余渗碳体溶解；d)奥氏体均匀化
铁素体+渗碳体
组织特征：
铁素体 ——长成针片状，互不平行，有一定角度，形成分枝； 渗碳体 ——呈粒状或细小短条状分布在铁素体片内。
a）形成温度范围
350℃ ~ Ms
b）组织——下贝氏体（B下）
形态呈黑色针叶状
C）性能
硬度可达45 ~ 55HRC 具有较高的强度及
下贝氏体组织 630 ×
良好的塑性和韧性。
奥
4秒
氏
体
6秒
形
成
示
8秒
意
图
15秒
对于亚共析钢、过共析钢的奥氏体ห้องสมุดไป่ตู้过程： 1.亚共析钢：
F+P→F+A→A 2.过共析钢：
Fe3C + P → Fe3C + A → A
3.奥氏体晶粒的长大 晶粒的长大主要是依靠较大晶粒吞并较小
晶粒和晶界迁移的方式进行的。
晶粒的吞并与长大过程 为了防止晶粒长的粗大，严格控制加热温度和保温时间。
一、表面淬火 1.定义
是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部仍 保持未淬火前状态的一种局部淬火方法。 2.方法（快速加热）
火焰加热、感应加热、电接触加热、激光加热等 表面淬火方法。 目前生产上最常用是：
第3章钢的热处理
化学热处理
渗碳 碳氮共渗 渗氮 氮碳共渗 渗其它非金属 渗金属 多元共渗 溶渗
三、热处理的原理
铁碳合金相图是确定热处理工艺的重 要依据。它是表示平衡状态下不同化学成 分的铁碳合金在不同温度时所具有的组织 和状态的图形。
热处理的过程
金属材料零件
加热至某一温度区间 保温
奥氏体组织
屈氏体组织
马氏体组织 索氏体组织 贝氏体组织
3、球化退火的应用范围为( A. 亚共析钢和合金钢件 C. 不能用于过共析钢
4. 比较正火与退火的异同点，生产中如何选用退火与正火？
一、淬火
1、淬火的概念和目的 淬火是将工件加热到奥氏体化后，保持一 定的时间，以适当方式冷却（水冷或油冷）， 获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺 马氏体是碳或合金元素在α-Fe中的过饱 和固溶体，硬度较高，用M表示，马氏体中 含碳量越高，其硬度也越高。
工艺 特点
应用 范围
一、淬火
2、淬火方法和应用
一、淬火
2、淬火方法和应用 淬火开裂现象
一、淬火
3、钢的淬透性 淬透性是以在规定条件下钢试样淬硬深度 和硬度分布表征的材料特性。 淬硬深度是从淬硬的工件表面量至规定硬 度值(一般为550HV)处的垂直距离。 淬硬深度愈深，淬透性愈好。 影响钢淬透性的决定因素是马氏体临界冷 却速度。大多数合金元素(除钴外)降低钢的马 氏体临界冷却速度，因而能显著提高钢的淬透 性。
用于淬火返修件，消除淬火应力，细化 组织，防止重新淬火后变形或开裂。
练习
1、用锻、铸、方法制造的零件毛坯，为消除毛坯内应力，均匀 组织，改善切削加工性能，为后序工作做准备，常采用（ A、调质 B、淬火 C、回火 D退火或正火 ）
2、为了细化晶粒提高力学性能改善切削加工性，常对低碳钢件 进行的热处理是( A. 完全退火 ) B. 球化退火 ) B. 过共析钢和合金工具钢等 D. 以上都对 C. 正火 D. 淬火
钢的化学热处理
渗剂
吸收: 析出的活性原子克服表面能垒进入金属表面， 形成固溶体或化合物。
Fe〃[C]吸附 → Fe〃C溶
溶解
3Fe〃[C]吸附 → Fe3C
化合
吸收必须进行得足够快，否则会因发生其它反应而失去活性 。 吸收能力与钢的表面活性有关，表面缺陷多（位错、晶界露 头）、粗糙、干净无污染则表面活性高，吸附力强，可促进化 学热处理。
常用的气体介质：天然气、煤气、液化石油气。
使用时，直接通入炉罐里。 CH4→2H2+[C]
2CO→CO2+[C]
CO+H2→H2O+[C]
良好的渗碳介质应具备下列条件：
价格低廉，安全卫生，易于获取； 具有较好的活性，既保证能获得较高的渗碳速度，同时不致使
渗碳层碳浓度过高，而造成大量的过剩碳化物；
5）化学催渗：渗剂中加入一定的化学药剂或触媒剂以加速分解或吸收过程
6）物理催渗：eg:高频电场下的扩散。
化学热处理进行的条件:
1. 渗入元素的原子必须是活性原子, 而且具有较大的扩散能力 2. 零件本身具有吸收渗入原子的能力, 即对渗入原子有一定的 溶解度或能与之化合, 形成化合物。
分解、吸收、扩散三者的协调进行是确保化学热处理成功进行的关键。
产生的“碳黑”“焦炭”少。 渗碳剂分解产物中如果含有较多的不饱和碳氢化合物易形成过
多的碳黑附着在零件表面，使渗碳不均匀；附着在炉壁上，使
炉罐导热性差，从而使渗碳速度降低，同时也增加清理时的麻 烦。 含硫量低。
举例：
18CrMnTi钢汽车后桥主动伞齿轮渗碳工艺
固体渗碳：
典型铁碳合金结晶过程分析 (2)
第二章碳钢C相图第3节Fe-Fe3第5讲典型铁碳合金结晶过程分析2典型铁碳合金的结晶过程分析-4共晶白口铸铁w c ＝4.3%铁碳合金的结晶过程CD EFK124.30%共晶白口铸铁w c ＝4.3%铁碳合金的结晶过程CD EFK124.30%1交点：液相开始发生共晶转变1~2之间：共晶奥氏体中会出现二次渗碳体2交点：γ发生共析转变→P (珠光体)共晶渗碳体不发生变化2 以下：组织低温莱氏体（L′d ）L 4.31148∘C(γ2.11+Fe 3C)共晶转变生成莱氏体（Ld ）奥氏体为共晶奥氏体，渗碳体为共晶渗碳体w c＝4.3%的铁碳合金结晶过程示意图低温莱氏体金相照片（黑斑区为珠光体，白色为渗碳体）室温组织：（L′d ）室温相：α+ Fe 3Cw c ＝4.3%的铁碳合金的结晶过程通过杠杆定律计算室温下各组织含量通过杠杆定律计算室温下各相含量自学内容w α=6.69−4.36.69−0.0008×100%≈？w Fe 3C =1−w α≈？%100='d L w典型铁碳合金的结晶过程分析-5亚共晶白口铸铁w c ＝3%铁碳合金的结晶过程CD EFK1233.0%亚共晶白口铸铁w c ＝3%铁碳合金的结晶过程CD EFK1233.0%3以下2交点：存在两相L +γ2~3：奥氏体中会出现二次渗碳体3交点：γ发生共析转变→P (珠光体)二次渗碳体+ Ld 不发生变化3 以下：组织低温莱氏体（L′d + Fe 3C II + P ）L 4.31148∘C(γ2.11+Fe 3C)1交点：液相开始发生匀晶转变L →γ其中的室温组织：（L'd + P + Fe 3C Ⅱ）室温相：α+ Fe 3Cw c ＝3.0%的铁碳合金的结晶过程通过杠杆定律计算室温下各组织含量通过杠杆定律计算室温下各相含量自学内容w Fe 3C =1−w α≈？w α= 6.69−3.06.69−0.0008×100%≈?w L ′d=3.0−2.114.3−2.11×100%≈？w P = 4.3−3.04.3−2.11×6.69−2.116.69−0.77×100%≈？w Fe 3C II =1−w L ′d −w P ≈?结晶过程示意图亚共晶白口铸铁的金相照片亚共晶白口铸铁w c ＝3%铁碳合金3以下典型铁碳合金的结晶过程分析-6过共晶白口铸铁w c ＝5.3%铁碳合金的结晶过程CDEF K123典型铁碳合金的结晶过程分析-6过共晶白口铸铁w c ＝5.3%铁碳合金的结晶过程CDEF K1231~2：一次渗碳体形成的温度高，故其形貌为粗大的片状结构2交点：共晶转变3交点：γ发生共析转变3 以下：组织低温莱氏体（L′d + Fe 3C I ）1交点：液相开始发生匀晶转变L →Fe 3C I过共晶白口铸铁w c＝5.3%铁碳合金L'd＋Fe3CⅠ过共晶白口铸铁的室温组织典型铁碳合金的结晶过程分析-7工业纯铁w c <0.01%铁碳合金的结晶过程A GH J NP Q1234567工业纯铁w c <0.01%铁碳合金的结晶过程A GH J NP Q12345671~2：L 减少δ增加1以上：液相1交点：匀晶转变L →δ2点：单相δ （0.01%）2~3：单相δ （0.01%）3点开始：δ →γ3~4：δ减少γ增加4~5：单相γ（0.01%）5点开始：γ→α5~6：γ减少α增加6点，6~7：单相α （0.01%）7点：α析出Fe 3C ⅡI工业纯铁w c<0.01%铁碳合金室温下的相：F+Fe3C 室温组织: F + Fe3CⅢ工业纯铁室温组织金相照片。
钢的热处理
均匀化退火 Ac3
Ac1
完全退火 球化退火 去应力 再结晶退火 正火 退火
时间
正火的应用
① 作为低、中碳结构钢 的预备热处理，可获 得合适硬度，改善切 削加工性能，为淬火 作组织准备
温 度
② 消除过共析钢中的网 状二次渗碳体，为球 化退火作组织准备
③ 作为普通结构零件的 最终热处理
均匀化退火 Ac3
三.钢在冷却时的转变
1. 过冷奥氏体的转变产物 过冷奥氏体：处于临界点A1以下的奥氏体
不稳定组织
随过冷度不同，过冷奥氏体将发生三种类型转变
珠光体转变 过冷奥氏体 贝氏体转变 马氏体转变
2.过冷奥氏体转变图
等温冷却 冷却 连续冷却 将钢迅速冷却至临界点A1以下的某 一温度，使奥氏体在该温度下转变 将钢以某种速度不停顿地冷却，使 奥氏体在连续降温过程中转变
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钢的热处理
学习内容
热处理的原理
钢 的 热 处 理
钢的加热和冷却
钢的热处理
第一节 概
一。热处理的目的
述
通过热处理可以改变钢的内部组织结构，从而改善 其工艺性能和使用性能。充分挖掘钢材的潜力，延长零 件的使用寿命，提高产品质量，节约材料和能源。
二。热处理的原理
钢中组织转变的规律是热处理的理论基础，称为 “热处理原理” 。
固溶体 合金的构造 化合物
间隙固溶体 置换固溶体
金属化合物
金属与非金属化合物
机械混合物
固溶体是在固态下，以一种 金属元素的晶格为溶剂，其 他元素的原子为溶质，在一 定条件下，溶质原子溶入溶 剂晶格中，构成的均匀固体。 分为间隙固溶体和臵换固溶 体。譬如铁素体
化合物：是构成合金 的元素相互化合而生 成的新物质。譬如渗 碳体
钢的热处理
• 无论是上贝氏体还是下贝氏体，其中的铁素体与 母相奥氏体之间的晶体学位向关系均遵循K-S关 系。上贝氏体中铁素体的惯习面为{111}γ；下贝 氏体中铁素体的惯习面为{225}γ。
片状珠光体的片层间距和珠光体团的示意图
a) 珠光体的片层间距；b) 珠光体团
片状珠光体形核与长大过程示意图 珠光体团直径和片层间距越小，强度、硬度越高，塑性也越好。
根据片层间距的大小，可将片状珠光体细分为以下三类： (1) 珠光体：在A1~650℃范围内形成，层片较粗，片层间 距平均大于0.3μm，在放大400倍以上的光学显微镜下便可分 辨出层片，硬度10～20HRC；
2. 不完全退火
将亚共析钢在 Ac1~Ac3 之间或过共析钢在 Ac1~Accm之间 两相区加热，保温足够时间后缓慢冷却的热处理工艺，称 为不完全退火。 不完全退火的目的是：改善珠光体组织，消除内应力， 降低硬度以便切削加工。 亚共析钢不完全退火的温度一般为740~780℃，其优点 是加热温度低，操作条件好，节省燃料和时间。 3. 球化退火
针片状马氏体的立体形态呈凸透镜状，显微组织常呈片 状或针状。针片状马氏体之间交错成一定角度。最初形成的 马氏体针片往往贯穿整个奥氏体晶粒，较为粗大；后形成的 马氏体针片则逐渐变细、变短。由于针片状马氏体内的亚结 构主要为孪晶，故又称它为孪晶马氏体。
高 碳 马 氏 体 的 形 成 过 程
2、性能特征 高硬度是马氏体的主要特点。马氏体的硬度主要受含碳 量的影响，在含碳量较低时，马氏体硬度随着含碳量的增加 而迅速上升；当含碳量超过0.6％之后，马氏体硬度的变化 趋于平缓。含碳量对马氏体硬度的影响主要是由于过饱和碳 原子与马氏体中的晶体缺陷交互作用引起的固溶强化所造成。 板条马氏体中的位错和针片状马氏体中的孪晶也是强化的重 要因素，尤其是孪晶对针片状马氏体的硬度和强度的贡献更 为显著。 一般认为马氏体的塑性和韧性都很差，实际只有针片状 马氏体是硬而脆的，而板条马氏体则具有较好的强度和韧性。
3章 钢的热处理(1)
第三章钢的热处理检测卷一、填空题(共10小题，每小题2分，共20分)1.钢的热处理一般由、和三个阶段组成。
2.退火按工艺不同可分为去应力退火、完全退火、、均匀化退火和等温退火。
3.根据渗碳介质的物理状态不同，渗碳可分为、和,其中应用最广。
4.化学热处理通常由、和三个基本过程组成。
5.热处理的工艺过程可用来表示。
6. 频感应淬火主要用于处理中小型轴、销、套等圆柱形零件。
7.热处理一般不改变工件的形状，而是通过改变工件内部的或改变工件表面的来改善工件的工艺性能或使用性能。
8. 是将工件加热到适当温度,保持一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
9.钢不发生相变是退火。
10.正火是指工件加热奥氏体化后在中冷却的热处理工艺。
二、判断题(共20小题，每小题2分,共40分)（）1.渗碳钢零件经过渗碳以后,表面就有很高的硬度，不必再进行淬火处理。
（）2.退火是指工件加热奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺。
（）3.本质粗晶粒钢渗碳后，应采用直接淬火进行热处理。
（）4.利用自然时效可以部分消除工件内的部分残余应力,稳定工件的形状和尺寸。
（）5.钢的碳质量分数越高，其淬火加热温度越高。
（）6.完全退火可用于过共析钢,降低硬度，便于切削加工。
（）7.正火与退火的主要区别是前者冷却速度快，得到的组织晶粒较细，强度和硬度也较高。
（）8.钢热处理时，工件淬火后中温回火的复合热处理工艺称为调质。
（）9.制订钢热处理工艺的依据是铁碳合金状态图。
（）10.对钢件进行加热的处理工艺简称热处理。
（）11.淬火后的钢一般需要及时进行回火。
（）12.渗氮工艺适合于要求表面耐磨的高精度零件。
（）13.回火的主要目的是消除淬火造成的残余应力，故回火与去应力退火无本质区别。
（）14.球化退火是碳素工具钢、合金工具钢、高速钢或轴承钢等淬火前必须进行的预处理。
（）15.一些复杂、截面不大、变形要求严的工件,用分级淬火比用双介质淬火能更有效地减少变形及开裂。
钢的热处理
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（四） 渗碳体的聚集长大和铁素体再结晶
细粒状渗碳体
>450℃ 聚集长大
粒状渗碳体
500~600℃ 再结晶
回火索氏体 多边形铁素体
板条状或片状铁素体
性能：具有良好的综合机械性能。
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三、回火种类及应用 低温回火
中温回火
高温回火
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频率范围 高频感应加热 200~300kHz 中频感应加热 工频感应加热 1~10kHz 50Hz 淬硬层深度
应 用
举 例
0.5~2mm 2~8mm
在摩擦条件下工作的零件， 如小齿轮、小轴 承受扭矩、压力载荷的零件 ， 如曲轴、大齿轮、等
10~15mm 承受扭矩、压力载荷的大 型零件 ，如冷轧辊等
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（三）高温回火（500~650 ℃）
组织： 回火索氏体。 性能：具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力 学性能。回火后硬度一般为200～330HBS。 应用：用于汽车、拖拉机、机床等承受较大载荷的结构 零件，如连杆、齿轮、轴类、高强度螺栓等。
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650℃回火2小时 组织：回火索氏体 硬度：187HBS
特点：钢内外温度基本一致，过冷奥氏体在缓冷
条件下转变成马氏体，从而减小变形。 应用：形状中等复杂的高碳钢和尺寸较大的合金 钢工件。
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4. 贝氏体等温淬火 性能：贝氏体的硬度略低于马氏体，但综合力学 性能较好。
应用：一般弹簧、螺栓、小齿轮、轴、丝锥等的
热处理。
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B第三章钢的淬火及回火
超过材料的断裂强度），但材料内部存在缺陷。
1、纵向裂纹（又称轴向裂纹）
产生的原因：①②③
2、横向裂纹（包括弧形裂纹）
产生的原因：①②
3、网状裂纹（或称表面裂纹）
§3-5 确定淬火工艺规范的原则、淬火工 艺方法及其应用
一、淬火加热方式及加热温度的确定原则
1、淬火加热方式
①应采用保护气氛加热或盐浴炉加热，以防止氧 化脱碳。 常用的保护气氛：P19-21 ②淬火加热一般采用热炉装料。但对大工件、几 何形状复杂的的高合金钢件，可采用预热炉预热， 或分区加热，以减小变形开裂倾向。
2、淬火加热温度 ①碳素钢：
淬火称为 亚温淬火。
亚共析钢：Ac3+30～50℃
四、常用淬火介质淬火特性举例 1、水
冷却特性： a、冷却速度较大。 b、水的特性温度低（静水约 为400℃），所以水在淬火 临界温度区冷速小，在淬火 危险区冷速太大，因此水淬 易使工件开裂，尤其对工具 钢及形状复杂的零件。
c、冷却能力对水温的变化很敏感，t水↑，冷却能 力急剧下降，蒸汽膜阶段延长，t水特性降低，最大 冷速的温度移向低温，故使用温度一般为20～ 40℃。
2、奥氏体晶粒度：奥氏体晶粒度增大，淬透性提高。 3、奥氏体化温度：奥氏体化温度提高，淬透性提高。
4、第二相的存在和分布：钢中未溶入奥氏体的碳化物、 氮化物及其它非金属夹杂物，由于促进珠光体、贝氏体等 相变的形核，从而使淬透性下降。
二、淬透性的实验测定方法
1、临界直径法 2、端淬法（末端淬火试验法）
按聚集状态不同，淬火介质可分为固态、液态 和气态三种，在此只讨论液态介质。 根据工件淬火冷却过程中，淬火介质是否发生 物态变化，可把液态淬火介质分为两大类：
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正火温度
（二）钢的淬火和回火 淬火：将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温一定时间 后快速冷却到室温的获得马氏体组织或贝氏体组织的热处理 工艺。淬火的目的：获得高硬度的马氏体组织或贝氏体组织， 以提高钢的硬度和耐磨性，常用于各种刃具、量具、模具和 滚动轴承等。
理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在650 度以上和400度以下尽量缓冷，以达到既获得马氏体组 织，又减小内应力的目的。但目前还没有找到理想的淬 火介质。 常用淬火介质是水、盐 水和油。 水：过A稳定性差较差的碳钢 盐水：形状简单、淬硬层要求 较深、硬度高而均匀、表面 光洁、变形要求不严，截面 Ms 尺寸较大的碳钢。 油：过A比较稳定的合金钢。 Mf
（4）均匀化退火（扩散退火）：将铸件加热到略低于固相 线的温度约1050℃～ 1150℃ ，长时间保温（10－20h） 缓 慢冷却用以消除某些具有化学成分偏析的铸钢及锻轧件，退 火温度高，得到的晶粒粗大。随后经完全退火来细化晶粒。 （5）去应力退火：即低温退火。将钢件加热至Ar1以下某一 温度约500℃～ 600℃ ，保温后随炉缓慢冷却到160℃以下 空冷。去应力退火是一种无相变退火，是为去除工件内存在 的残余应力，稳定尺寸，防止工件在后续工序中变形开裂而 进行的退火。 一般去应力退火应在精加工之前或淬火之后， 用于所有的钢。
1—单液淬火法 2—双液淬火法 3—分级淬火法 4—等温淬火法
各种淬火方法示意图
b.双液淬火法 工件先在一种冷却能 力强的介质中冷，却躲过鼻 尖后，再在另一种冷却能力 较弱的介质中发生马氏体转 变的方法。如水淬油冷，油 淬空冷。 优点是冷却理想，缺 点是不易掌握。用于形状复 杂的碳钢件及大型合金钢件。
扩散退火
正火：将钢件加热至Ac3或Acm以上30--50℃，保温一定时间 后出炉，在空气中冷却的热处理工艺。 退火与正火的主要区别： 1. 正火的冷却速度比退火稍快，过冷度较大。 2. 正火后所得到的组织比较细，强度和硬度比退火高一些。 目的： 1）对低碳钢，可细化晶粒，提高硬度，改善加工性能； 2）对中碳钢，可提高硬度和强度，作为最终热处理； 3）对高碳钢，可为球化退火作准备 。
2. 化学热处理：是将工件置于一定温度的活性介质中保温， 使一种或几种元素渗入其表层，以改变其化学成分、组织和性 能的热处理工艺。与表面淬火相比，化学热处理不仅改变表层 的组织，且改变了表层的化学成分。
常用：a.提高硬度：渗碳、渗氮、渗硼等 b.提高抗高温氧化性：渗铝、渗铬等
c.提高抗腐蚀性：渗硅、渗氮等
二、钢在冷却时的组织转变
钢加热到A1以上温度时，奥氏体是稳定的相，当重新 冷却到Ar1以下时就成为不稳定的过冷奥氏体，将发生组织 转变。 热处理中冷却方式有连续冷却和等温冷却两种形式。 连续冷却：至于某种介质中，温度连续下降。 如水冷、油冷、 空冷 等温冷却：迅速冷却到Ar1以下某一温度，成为过冷奥氏体。 如等温退火、等温淬火
2.中温回火：（350～500℃）回火后的组织是回火托氏体组织， 有较高的弹性极限、屈服极限和一定的塑性、韧性。主要用于 各种弹簧钢、热锻模等处理。 3.高温回火：（500～650℃）回火后的组织是索氏体组织，基 本残余应力基本消除。能得到强度、塑性、韧性都较好的综合 力学性能。主要用于传动轴、齿轮、连杆的热处理。
1.奥氏体等温转变图（C曲线）
亚共析钢的C曲线
过共析钢的C曲线
2.奥氏体连续冷却时的转变
3.奥氏体冷却时的转变的应用
C
共析钢的等温冷却和连续冷却的退火和正火 退火： 将钢件加热到临界温度A1以上或以下某一温度，保温 一定时间，然后随炉缓慢冷却，使其结构组织达到平衡状 态的热处理工艺。 根据钢的成分和处理目的的不同，可分为完全退火、 球化退火和去应力退火等。
3.1
钢的热处理
钢的热处理是把固态下的钢，通过加热、保温和冷却，
使其组织、结构发生变化，获得所需性能的工艺方法。热处 理可以是中间工序，也可以是最综工序。
普通热处理
热处理
表面热处理
特殊热处理
退火、正火、淬火、回火 时效、冷处理等 火焰加热 感应加热 表面淬火 激光热处理等 渗碳 渗氮 化学热处理 碳氮共渗 形变热处理 真空热处理 其他
（2）等温退火：将钢件加热到Ac3（或Ac1）以上，保温适 当时间后，较快地冷却到稍低于Ar1的温度，再进行等温处 理，使奥氏体转变为珠光体，然后在空气中冷却。 等温退火对于亚共析钢可完全替代完全退火，对于共析钢、 过共析钢可完成替代球化退火。 目的： 降低硬度，提高塑性，改善加工性能；细化晶粒，消除组织 缺陷；消除内应力 。
c.分级淬火法 在Ms附近的盐浴或碱浴中 淬火，短时间停留， 待内外温度均匀后 再取出空冷。可减少内应 力，硬度比较均匀， 用于小尺寸工件。
d.等温淬火法 将工件在稍高于 Ms 的盐 浴或碱浴中保温足够长时间， 从而获得下贝氏体组织的淬火 方法。 经等温淬火零件具有良好 的综合力学性能，淬火应力小。 适用于形状复杂及要求较 高的小型件。
亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。 但由于先共析F或二次Fe3C的存在，要获得全部奥氏体组织，必 须相应加热到Ac3或Accm以上。
2.奥氏体晶粒长大及其影响因素 （1）奥氏体晶粒长大 奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时晶粒 细小均匀。随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体 晶粒将进一步长大，这也是一个自发的过程。奥氏体 晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同。
理想淬火曲线示意图
淬火的关键工艺 1.淬火温度的选择：为了防止 奥氏体粗大，一般淬火温度在 临界温度以上30～50℃。 2.淬火冷却介质 常用淬火分单液淬火、双液 淬火、分级淬火、等温淬火 等。
采用不同的淬火方 法可弥补介质的不足。 a.单液淬火法 加热工件在一种介 质中连续冷却到室温的 淬火方法。操作简单， 易实现自动化。
第三章
钢的热处理
（一）基本要求： 1.理解钢的热处理原理，即成份——组织——性能、 组织——性能之间的关系； 2.掌握钢的热处理工艺方法； 3.了解金属材料热处理新技术发展情况。 （二）教学内容： 1.钢的热处理原理，在加热时的转变、钢在冷却时的 组织转变规律； 2.钢的普通热处理及钢的表面热处理方法：退火、正 火、淬火、回火、淬硬性、淬透性、表面和化学处理； 3.金属材料热处理新技术发展情况。 难点：热处理工艺原理； 重点：热处理工艺方法的应用。
调质：淬火加高温回火
（三）钢的表面处理 表面热处理：是对工件表层进行热处理, 以改变其组织 和性能的热处理工艺。主要用于某些承受交变载荷或在摩擦条 件下工作的零件，以及要求“表硬心韧”。 1.表面淬火：(1)通过快速加热使钢件的表面迅速达到淬火温 度，然后立即激冷形成马氏体组织，具有高硬度、高耐磨性； (2)在热量尚来不及传到心部时立即迅速冷却，故能仍然保持 心部淬火前的调质或正火组织，具有良好的韧性与塑性。 表面淬火的加热方法有电感应、火焰、电接触加热等。 2.化学热处理：是将工件置于一定温度的活性介质中保温，使 元素渗入其表层的化学热处理工艺。与表面淬火相比，化学热 处理不仅改变表层的组织，且改变了表层的化学成分。 化学热处理按所渗入的元素可分为渗碳、渗氮、碳氮共 渗、渗硼、渗金属等。
在给定温度下奥氏体的晶粒度称实际晶粒度。 加热时奥氏体晶粒的长大倾向称本质晶粒度。 通常将钢加热到940 10℃奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒 保留到室温来判断。 A晶粒度为1-4 级的是本 质粗晶粒钢, 5-8 级的是 本质细晶粒钢。前者晶粒 长大倾向大，后者晶粒长 大倾向小。
（2）影响奥氏体晶粒长大的因素 a. 加热温度和保温时间: 加热温度高、保温时间长, 晶粒粗大. b. 加热速度: 加热速度越快,过热度越大, 形核率越高, 晶粒越 细. c. 合金元素：阻碍奥氏体晶粒长大的元素: Ti、V、Nb、Ta、Zr、 W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。促进奥氏体晶粒长大 的元素：Mn、P、C、N。 d. 原始组织: 接近平衡状态的组织有利于获得细晶粒。 奥氏体晶粒粗大，冷后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能， 尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关 键问题之一。
3.1.1
钢的热处理原理
实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象，因此将 钢加 热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示；冷却时的实
际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。
一、 钢在加热和保温时的转变
1. 奥氏体的形成过程 奥氏体化是形核、长大和成分均匀化的过程，分为四步。现以 共析钢为例说明： 第一步 奥氏体晶核形成：首先在F与Fe3C相界形核。 第二步 奥氏体晶核长大：A晶核通过碳原子的扩散向F和Fe3C方 向长大。 第三步 残余Fe3C溶解: 铁素体的成分、结构更接近于奥氏体， 因而先消失。残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。 第四步 奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍 很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。
化学热处理三个过程： a.活性原子产生 b.活性原子被工件表面吸收
c.活性原子由工件表面向心部扩散
含活性原 子的渗剂
工 件
渗剂分解释放 活性原子 活性原子在工 件表面吸附
工 件
活性原子由表 面向心部扩散
1）渗碳 为了增加钢件表层的碳质量分数和一定的碳浓度梯度，将 钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入表层的化学热处理 工艺。 其目的：高的表面硬度（HRC58-63），好的耐磨性，高 的接触疲劳强度，弯曲疲劳强度，高的冲击韧性等。
回火：是将淬火后的钢件加热至Ac1以下某一温度,保温一 段时间后冷至室温的热处理工艺。回火的目的：降低脆性， 减少内应力， 调整硬度，提高塑性、韧性，稳定工件尺寸。
（1）回火时组织转变 以碳钢为例： a.马氏体开始分解（100～200℃）：
碳原子以ε -碳化物形式从马氏体中逐渐析出。回火马氏 体。
1. 表面淬火 感应加热表面淬火的原理