机械工程材料及选用第四章热处理2

2) 粒状碳化物消失，淬火组织耐磨性降低。 3) 钢发生严重氧化、脱碳，降低表面质量； 4) 增大淬火应力，变形与开裂倾向增加； 5) 奥氏体晶粒粗化，淬火马氏体粗大，钢的脆性增加。
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4.4.3 淬火
4.4.3.1 完全淬火 4.4.3.2 不完全淬火 4.4.3.3 淬火介质 4.4.3.4 钢的淬透性和淬硬性 4.4.3.5 淬火冷却方式
性增大。
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4.4.3 淬火
4.4.3.1 完全淬火 4.4.3.2 不完全淬火 4.4.3.3 淬火介质 4.4.3.4 钢的淬透性和淬硬性 4.4.3.5 淬火冷却方式
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4.4.3.5 淬火冷却方式
1. 单液淬火 将加热的工件放入单
一液体中进行冷却， 转变为马氏体的淬火 方式。 适用于形状简单、截 面尺寸小的零件。
回火是将淬火钢加热到Ac1以下温度，保持1~2小 时后冷却的热处理工艺。
淬火钢必须回火，回火是钢热处理的最后一道工 序。
回火目的： 1) 稳定淬火钢件的组织﹑形状与尺寸。 2) 调整强度、硬度，降低脆性，提高韧性与塑性。 3) 消除内应力，防止淬火件的变形与开裂。
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4.4.4 回火
4.4.4.1 淬火钢回火转变过程 4.4.4.2 回火工艺的分类
力大。
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4.4.3.3 淬火介质
2. 矿物油：冷却速度比水慢得多，低温区的冷却能力 更小，适用于合金钢淬火，而不能用于碳钢淬火。
3. 新型淬火剂：是以水或油为基，加入各种添加剂改 变水或油的冷却特性，达到理想冷却效果的冷却介 质。
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水 ，
不 同
新 型 淬 火 剂 ，
淬 火 剂 冷 却 曲 线
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淬火钢中马氏体的碳含量、残余奥氏体量、 内应力及碳化物粒子大小与回火温度的关系
4.4.4 回火
4.4.4.1 淬火钢回火转变过程 4.4.4.2 回火工艺的分类
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4.4.4.2 回火工艺的分类
按照回火温度的不同，回火工艺可分为三大类： 1. 低温回火 回火温度150~200C，回火组织为低过饱和度的-Fe固
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4.4.3.5 淬火冷却方式
5. 冷处理 将淬火钢件继续冷到室温以下，使残余奥氏体转
变为马氏体的热处理工艺。 目的：提高硬度，增加尺寸稳定性。 冷处理适用于量具及精密件等。
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第四节 钢的常规热处理工艺
4.4.1 退火 4.4.2 正火 4.4.3 淬火 4.4.4 回火
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4.4.4 回火
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4.4.3.5 淬火冷却方式
2. 水/油双液淬火 将加热的工件先淬入水中
快速冷却至Ms点以上，再 出水入油继续冷却，转变 为马氏体的淬火方式。 适用于形状复杂的碳钢件 淬火，在Ms点以下冷速慢， 可防止马氏体转变时产生 裂纹 。
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4.4.3.5 淬火冷却方式
3. 分级淬火 将工件放入稍高于Ms点的
感应加热表面淬火后，必须进行低温回火。
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4.5.1 表面淬火
4.5.1.1 感应加热表面淬火 4.5.1.2 激光加热表面淬火
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4.5.1.2 激光加热表面淬火
激光表面淬火是用激光束扫描工件表面，使表面迅 速升温奥氏体化，当激光束移开后，通过热传导实 现表面自冷淬火的热处理工艺。
激光表面淬火的特点： ① 能量集中，热影响区小，热应力小； ② 可对大工件的局部表面或沟﹑槽﹑孔的侧面淬火； ③ 淬硬层与基体结合良好，淬火变形小，硬度、耐磨
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4.4.4.1 淬火钢回火转变过程
淬火共析钢在不同回火温度时将发生以下变化： 1. 马氏体分解 100~200C，马氏体开始分解，部分碳原子脱溶析
出-Fe2.4C，由于温度低，析出不完全，马氏体中 的碳仍然过饱和。 2. 残余奥氏体的分解 200~300C，马氏体继续分解，残余奥氏体也发生 分解，转变为下贝氏体，此时硬度下降不明显。
淬透性好的钢适合于制造受力状态复杂、要求整个 截面具有均匀力学性能的零件，如连杆、锤杆、锻 模等。
淬透性低的钢适合于制造只承受弯曲或扭转载荷、 最大应力在表层、心部受力小的零件，如机床主轴、 发动机转子等。
2. 钢的淬透性测定 淬透性的测定方法：末端淬火法。
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用末端淬火法测定钢的淬透性 17
机械工程材料及选用第四章热 处理2
第四节 钢的常规热处理工艺
4.4.1 退火 4.4.2 正火 4.4.3 淬火 4.4.4 回火
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4.4.3 淬火
淬火：将钢加热到 Ac1 或Ac3以上30~50C， 保温后快速冷却以得到马氏体组织的热处理 工艺称为淬火。
淬火工艺可分为：完全淬火和不完全淬火。
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第五节 钢的表面处理
4.5.1 表面淬火 4.5.2 表面化学热处理
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4.5.1 表面淬火
4.5.1.1 感应加热表面淬火 4.5.1.2 激光加热表面淬火
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4.5.1.1 感应加热表面淬火
感应加热表面淬火是以电磁感应原理和集肤效应为 基础，对工件表面进行快速加热，在变温中完成奥 氏体化，并迅速冷却淬火的热处理工艺。
淬火+高温回火称为调质处理。 调质处理目的：获得具有足够强度、硬度和良好的
塑性、韧性配合的综合力学性能。 主要用于重要结构件，如轴、齿轮、曲轴等。
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回 火 索 氏 体
第四章 钢的热处理
第一节 钢加热时奥氏体转变 第二节 钢的过冷奥氏体转变图 第三节 过冷奥氏体转变组织与性能 第四节 钢的常规热处理工艺 第五节 钢的表面处理工艺 第六节 钢的热处理新技术 第七节 常见热处理缺陷
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4.4.3.3 淬火介质
淬火冷却速度必须大于临界冷却速度，才能得到马氏体。 理想淬火冷却介质应满足在高温区冷速快、低温区冷速
慢的要求。 常用的介质有水、矿物油及新型淬火剂。 1. 水：最常用的淬火介质，适用于小截面的碳钢工件。 水介质的优点：冷却能力强、成本低、无污染； 水介质的缺点：在马氏体转变区冷速快，使得材料内应
感应加热表面淬火适合碳含量0.3~0.5%的中碳钢和 中碳合金钢，常用于齿轮、轴和钢轨等工件。
1) 加热原理 感应圈中的交变电流产生同频交变磁场，使感应圈
内的工件产生感应电流。由于集肤效应，工件表层 电流密度最大，心部电流密度几乎为零。因此工件 表层被迅速加热，而心部温度不变。
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齿轮的感应加热表面淬火
盐浴炉中保温，在贝氏体 转变之前取出空冷，得到 马氏体的淬火工艺。 优点：工件表面与内部温 差小，马氏体转变缓慢， 应力小，不易变形开裂。 适用于截面尺寸小、形状 复杂、淬透性好的钢件。
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4.4.3.5 淬火冷却方式
4. 等温淬火 将加热的工件放入处于贝
氏体转变温度区的盐浴炉 中，保温足够长时间，使 过冷奥氏体转变为下贝氏 体的热处理工艺。 适用于形状复杂、要求具 有较高硬度与强韧性的工 模具。
4.4.3.4 钢的淬透性和淬硬性
将标准试样加热至奥氏体化后，迅速放入末端淬火 试验机进行喷水冷却。
喷水端冷却速度最大，沿轴向随距离增大，冷却速 度逐渐减小，组织及硬度亦逐渐变化。
从末端开始，每隔一定距离测量一个硬度值，得到 试样沿长度方向上的硬度变化，绘制出曲线，称为 淬透性曲线。
曲线上硬度变化最剧烈处即为50%马氏体处。
Ac1+30~50C保温，保持部分粒状碳化物未溶，淬火后 得到马氏体与粒状碳化物混合组织的热处理工艺。
Accm
（a）亚共析钢完全淬火
碳钢淬火加热温度 （b）过共析钢不完全淬火
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4.4.3.2 不完全淬火
过共析钢淬火加热温度一定不能超过Accm，否则将 会产生以下不利影响 ：
1) 碳化物全部溶解将使奥氏体中碳浓度过高，Ms点降 低，淬火后残余奥氏体量增多；
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4.4.3.4 钢的淬透性和淬硬性
临界淬透直径是指圆钢棒在给定冷却介质中淬火，使其 心部淬透（马氏体量占50%）的最大尺寸。
临界淬透直径不仅取决于钢的成分，也与介质的冷却能 力有关。同一钢棒在不同介质中的临界淬透直径不同。
3. 淬硬性 淬硬性是指钢淬火后马氏体组织所能达到的最高硬度。 淬硬性取决于马氏体中的含碳量，含碳量增加，则淬硬
轴 的 感 应 加 热 表 面 淬 火
4.5.1.1 感应加热表面淬火
2) 感应加热的频率 电流频率越高，加热层越薄。通过选择不同的加热频
率，可获得不同的加热层深度，从而得到不同的淬硬 层深度。 常用的感应加热电流有高频，中频和工频三种频率。 ① 高频感应加热：常用频率在200~300KHz之间，淬火层 深度为0.5~2mm； ② 中频感应加热：常用频率为2500~8000Hz，淬火层深 度2~8mm，可用于处理曲轴、凸轮轴、钢轨等；
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4.4.4.1 淬火钢回火转变过程
3. 碳化物的转变 300~400C，-Fe2.4C碳化物向渗碳体Fe3C转变。同
时，碳还继续从-Fe固溶体析出。 4. 渗碳体粗化和α-Fe回复与再结晶 超过400C 回火，渗碳体（Fe3C）发生集聚粗化，
-Fe中的碳已降到平衡浓度，固溶强化作用消失， -Fe发生回复与再结晶，硬度、强度降低，韧性与 塑性大大提高。
则从该处向内的中心部分将得到部分马氏体或非马 氏体组织。 淬透层深度：由钢表面至内部半马氏体点（马氏体 占50%）的距离，也称淬硬层深度。
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4.4.3.4 钢的淬透性和淬硬性
淬透性：钢淬火后得 到淬透层深度大小的 能力。
淬透层深度越大，其 淬透性越好。
不同钢材具有不同的 淬透性。
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4.4.3.4 钢的淬透性和淬硬性
溶体和极细-Fe2.4C的混合组织，称为回火马氏体。 回火马氏体仍然保持着淬火马氏体的形态。高碳钢的回
火马氏体为片状，低碳钢的回火马氏体为板条状。 低温回火目的：保持高硬度，降低脆性，降低内应力。
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4.4.4.2 回火工艺的分类
低温回火适用于工具、滚动轴承、渗碳件、表面淬 火件等要求高硬度工件。
2. 中温回火 回火温度350~500C，回火组织为-Fe固溶体和极
细粒状渗碳体的混合组织，称为回火屈氏体。 中温回火主要是为获得高的弹性极限及较高韧性。
主要用于弹簧的回火。
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4.4.4.2 回火工艺的分类
3. 高温回火
回火温度500~600C，组织为多边形化的-Fe固溶 体和细粒状渗碳体的混合组织，称回火索氏体。
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4.5.1.1 感应加热表面淬火
③ 工频感应加热：频率为50Hz，淬火层深度增加至 10~20mm，适合于大直径钢材的深层加热淬火。
3) 预备热处理 预备热处理是指为随后的机加工或最终热处理提供
良好的机加性能或组织形态而进行的热处理。 感应加热淬火只改变工件的表层组织，对心部组织
和性能不产生影响。因此表面淬火前要先进行预备 热处理，准备好心部的组织和性能。
能完全溶解，淬火后将得到马氏体与铁素体的双相 组织，从而使材料出现软点。
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4.4.3 淬火
4.4.3.1 完全淬火 4.4.3.2 不完全淬火 4.4.3.3 淬火介质 4.4.3.4 钢的淬透性和淬硬性 4.4.3.5 淬火冷却方式
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不完全淬火工艺适合于共析钢和过共析钢 不完全淬火是将球化退火的共析钢或过共析钢加热到
3
油
4.4.3 淬火
4.4.3.1 完全淬火 4.4.3.2 不完全淬火 4.4.3.3 淬火介质 4.4.3.4 钢的淬透性和淬硬性 4.4.3.5 淬火冷却方式
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4.4.3.4 钢的淬透性和淬硬性
1. 淬透性 工件淬火冷却时，表面的冷却速度高，内部冷却速
度低。 若工件内部某深度处的冷却速度低于临界冷却速度，
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4.5.1.1 感应加热表面淬火
预备热处理工艺：
① 中碳合金钢：采用调来自百度文库处理，得到回火索氏体组织；
② 中碳钢：采用正火处理，得到索氏体组织。
特点：感应加热速度极快，奥氏体化温度高，转变 时间短，晶粒细小，得到极细的隐晶马氏体组织， 硬度高于普通淬火的硬度。
感应加热淬火使工件表层产生残余压应力，提高了 疲劳强度。
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4.4.3 淬火
4.4.3.1 完全淬火 4.4.3.2 不完全淬火 4.4.3.3 淬火介质 4.4.3.4 钢的淬透性和淬硬性 4.4.3.5 淬火冷却方式
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4.4.3.1 完全淬火
完全淬火工艺适合于亚共析钢。 完全淬火：是将亚共析钢加热到Ac3+ 30~50C保温，
淬火后得到完全马氏体组织的热处理工艺。 加热温度在Ac3以上可保证组织完全奥氏体化。 如果加热温度在Ac1~Ac3之间，则先共析铁素体不