钢的热处理

一、热处理的定义
热处理是指金属在固态下经加热、保温和冷却，以改变金属的内部组织和结
构，从而获得所需性能的一种工艺过程。
保温 温度 临界温度 冷 加 热 却 时间
热处理工艺曲线示意图
钢的热处理－热处理的基本概念
二、热处理的基本要素和作用
热处理的三大要素
①加热（ Heating） 目的是获得均匀细小的奥氏体组织。
种类： 扩散退火、再结晶退火、去应力退火。
第二类退火：
目的和作用： 以改变组织和性能为目的，获得以珠光体为主的组织，并使钢中的珠光体、 铁素体和碳化物等组织形态及分布达到要求。 种类： 完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火。
钢的热处理－钢的退火与正火
完全退火（Complete Annealing）
热处理的作用
改善钢（工件）的力学性能或工艺性能，充分发挥钢的性能潜力， 提高工件
质量，延长工件寿命。
重要结论：
材料是否能够通过热处理而改善其性能，关键条件是材料在加热和冷却过程 中是否发生组织和结构的变化。
钢的热处理-热处理的基本概念
三、热处理的类型
1.按加热、冷却方式及钢的组织、性能不同分类
时间 / s
马氏体转变时产生的组织应力。
温度 / C
Ms
理想淬火介质的冷却曲线
钢的热处理－钢的淬火与回火
常用淬火介质：
①水 特点：经济，冷却能力较强，但在Ms点附近冷速过快。 适用范围：碳钢。 盐水：盐或碱的水溶液，高温冷却能力比水强，适用于碳钢。 ②油
特点：低温区（Ms点附近）冷速缓慢，可有效降低变形和开裂倾向，
两个方面的问题：
冷却速度大，容易获得马氏体。 冷却速度大，内应力大，工件变形和开裂的倾向大。
钢的热处理－钢的淬火与回火
理想淬火介质的冷却特性：
A1 当冷却至“鼻尖”温度前冷却较慢，
以充分降低热应力。
在“鼻尖”温度附近具有较大的冷却能
力，避免产生非马氏体组织。
在 Ms 点附近冷却尽量缓慢，以减少
退火 普通热处理 正火 (整体热处理) 淬火 回火
感应加热表面淬火 表面淬火 火焰加热表面淬火 电接触加热表面淬火 表面热处理 渗碳 化学热处理 渗氮（氮化） 碳氮共渗
热处理工艺
控制气氛热处理 其他热处理 真空热处理 形变热处理
钢的热处理－热处理的基本概念
2.按热处理在工件生产过程中的位置和作用不同分类
但高温区冷却能力较低。 适用范围：合金钢。
种类：锭子油、机油、柴油。
钢的热处理－钢的淬火与回火
4.淬火方法
（1）单液淬火（Simple Quenching） 操作简单，易实现机械化。用于尺寸不 大、形状简单的工件。 淬火后组织：M （2）双液淬火（Double Quenching） 操作复杂，不易掌握。用于形状复杂的 高碳钢及尺寸较大的合金钢工件。 淬火后组织：M （3）分级淬火（Broken Quenching） 工艺较复杂。用于尺寸较大、形状复杂 的合金钢工件。 淬火后组织：M （4）等温淬火（Isothermal Quenching） 用于形状复杂和要求较高的小工件。 淬火后组织：B下
钢的热处理
Heat Treatment of Steels
主要内容：
热处理的基本概念 钢在加热时的转变 钢在冷却时的转变 钢的退火与正火 钢的淬火与回火 钢的表面热处理
热处理原理
热处理工艺
钢铁材料是工程材料中最重要的材料之一，在机械制造业中的比例 达到90%左右，在汽车制造业中的比例达到70%，在其他制造业中也 是最重要的材料之一。
钢的热处理－钢的退火与正火 二、正火（Normalizing）
1.正火的定义
正火是将钢加热至Ac3或Accm+ 30C～50C，保温后空冷以获得近于平衡状态组 织的热处理工艺。 与退火相比，正火冷却速度快，得到较细的P，强度和硬度也较高。
2.正火的目的
正火的目的与退火基本相同。
3.正火的应用
①消除网状二次渗碳体。 ②作为要求不高的零件的最终热处理。 ③作为低、中碳结构钢的预备热处理，改善切削加工性能。
影响淬透性的因素
淬透性的高低取决于钢的过冷奥氏体的稳定性。 过冷奥氏体的稳定性越高，淬透性越好，反之，淬透性越差。
什么因素影响过冷奥氏体的稳定性？
C曲线的位置。 C曲线右移，淬火临界冷却速度减小，淬透性提高。
重要结论：
凡是使钢的C曲线向右移的因素，均提高钢的淬透性。 最主要因素：化学成分
除Co外，所有溶入奥氏体中的合金元素均提高淬透性。
退火和正火通常属于预备热处理。
钢的热处理－钢的退火与正火 常用退火及正火的加热范围
A A＋Fe3CⅡ
F＋ A
F＋P
P
P＋Fe3CⅡ
钢的热处理－钢的淬火与回火 第五节 钢的淬火与回火
淬火和回火通常属于最终热处理。
一、淬火（Quenching）
1.淬火的定义
淬火是将钢加热至Ac3或Ac1以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度vk冷却下 来，以获得马氏体的热处理工艺。
马氏体或非马氏体量
0 25 50 75 非马氏体量 /×100
淬透性的大小用规定条件下钢淬火后
硬度
获得的淬硬层的深度表示。
淬硬层深度：由工件表面到半马氏体 区域的深度。
50
40 30
4 6 8 距表面距离 /mm
10 0
淬火工件截面上马氏体量与硬度的关系
（wC=0.8%）
钢的热处理－钢的淬火与回火
钢 种 牌 号
20 T12 20Cr2Ni4 W18Cr4V
含碳量/%
0.2 1.2 0.2 0.8
淬透性
小 小 大 大
淬硬性
低 高 低 高
碳素结构钢 碳素工具钢 合金结构钢 合金工具钢
钢的热处理－钢的淬火与回火
淬透性的测定及其表示方法
（1）末端淬火试验（End-quench Hardenability test）法 通过端淬试验测定淬透性，淬透性的数值为 J HRC 。 （2）临界淬透直径（Critical Quench Diameter）法
2.淬火的目的
获得马氏体（有时也可以是下贝氏体），提高钢的硬度和耐磨性。
淬火是钢的最重要的热处理工艺。
钢的热处理－钢的淬火与回火
3.淬火工艺参数 淬火温度
度，即是钢的奥氏体化温度。 确定淬火温度的原则： 获得均匀细小的奥氏体。 确定淬火温度的依据： Fe-Fe3C相图。
wC / %
温度 / C
淬火温度，或称淬火加热温
A
Ac3 F＋A F＋P P
A＋Fe3CⅡ
Ac1 P＋Fe3CⅡ
碳钢的淬火温度范围
钢的热处理－钢的淬火与回火
各类钢淬火温度的确定：
亚共析钢：
Ac3 + 30C～50C
温度 / C
A
共析钢和过共析钢：
Ac1 + 30C～50C
Ac3
A＋Fe3CⅡ P P＋Fe3CⅡ
含碳量愈接近共析成分的碳钢，其C曲线愈靠右，淬透性越高。
钢的热处理－钢的淬火与回火 淬透性与淬硬性（Hardening
Capacity）的区别：
淬透性表示钢淬火后获得淬透层深度的能力，取决于钢本身。 淬硬性表示钢淬火后所能达到的最高硬度，取决于钢的含碳量。
几种典型钢种淬透性与淬硬性的比较
对过共析成分的钢，Ac1 + 30C～50C。
30C～50C 保温 温度 Ac3或Ac1 等温 加 热 A→P转变温度区 时间
临界温度 空 冷
特点：
大大缩短工件在 炉内的时间。
适用范围：
亚共析钢、（尤其是）合金钢。
钢的热处理－钢的退火与正火
球化退火（Spheriodizing Annealing）
工艺规范：
加热温度：Ac1附近。
目的： 使钢中的渗碳体或碳化物球状化，以获得粒（球）状珠光体。
适用范围：
共析成分和过共析成分的钢。
扩散退火（Diffusing Annealing）
又称为均匀化退火（Homogenizing Annealing）。
工艺规范： 加热温度：略低于相图上的固相线。 目的： 消除偏析。
的是使钢从室温组织（如珠光体） 材料中的一种相在一定条件下转变 为另一种相的过程。 转变为奥氏体，即获得均匀
细小的奥氏体组织。该过程又称为钢的奥氏体化（Austenitizing）。
钢的热处理－钢的退火与正火
第四节 钢的退火与正火
通常是随炉冷却
一、退火（Annealing）
1.退火的定义
退火是将钢加热至临界点Ac1以上或以下温度，保温后缓慢冷却下来以获得近于 平衡状态组织的热处理工艺。
两种加热方式：
温 度 保温
第①种加热方式发生在临界温 度Ac1以上，一定有组织转变，是 一种相变过程。 第②种加热方式发生在临界温
Ac1
冷
保温
加 热 加 热 时 间
冷
却
却
②①
度Ac1以下，不一定有组织转变。
加热的目的：
本节介绍第①种加热过程，目
加热钢的两种方式
相变（Phase
Transformation）：
2.退火的目的
①调整硬度以便切削加工 适于机加工的硬度：HB170～230。
②消除残余内应力
防止工件淬火时变形或开裂。 ③细化晶粒，改善组织
④为最终热处理（淬火和回火）作组织准备
获得粒（球）状珠光体。
钢的热处理－钢的退火与正火
3.退火的种类
第一类退火：
目的和作用：
不以组织转变为目的，使钢的不平衡状态过渡到平衡状态。
钢的热处理－钢的退火与正火 三、退火和正火的选用