热处理的基本方法(淬火与回火)

五、回火的工艺
包括： 加热温度 保温时间 冷却方法
回火温度的确定
1、低温回火 回火温度：
150~250℃ 组织转变：
析从出马细氏片体状中-碳化物； AR分解为 -碳化物＋低碳M。
这种在马氏体基体上分布着 细片状碳化物的组织称为回 火马氏体，用M回表示。
目的：保留淬火后高硬度、 高耐磨性的同时，
回火屈氏体
5.α相状态变化和碳化物聚集长大（400--700 ℃ ） 铁素体发生回复和再结晶为等轴状、碳化物球化粗化
——回火索体。
主要发生如下变化： 内应力消除： 宏观区域性内应力（工件内外），550 ℃全部消除； 微观区域性内应力（晶粒之间）， 5回0火0 索℃氏基体本消除； 晶格弹性畸变应力（碳过饱和）， ε转变完即消除。
新淬火
软点
淬火后攻击表面有许多未淬硬的小 区域
原因包括加热温度不够，局部冷却
速度不足(局部有污物、气泡等)及局部 脱碳
组织不均匀， 性能不一致
冷却时注意操作方法， 增加搅拌
产生软点后，可先进行 一次退火，正火或者调质 处理，再重新淬火
8.2 回火
回火——在A1线以下很宽温度范围内进行，是使淬火组织的亚稳 定进一步向稳定状态转变过程，获得稳定的组织和性能，减少 或消除淬火内应力。
回复与再结晶：回火使亚结构（位错、孪晶）消失；板条和片状马氏体 特征保留（回复）、消失（再结晶）。
碳化物聚集长大：原棒状、片状、粒状渗碳体消失、溶解，并逐渐球化 长大，越来越粗大。
二、回火组织机械性能
回火组织机械性能取决于回火组织
（请同学们自己根据上述内容进行总结）
硬度
强度ห้องสมุดไป่ตู้
三、合金元素对回火的影响
显微裂纹增大； 3）渗碳体溶于奥氏体，导致奥氏体中含碳量增加，Ms点下降，
残余奥氏体增加，导致钢的硬度下降； 4）温度过高，会使氧化脱碳加剧，淬火变形和开裂倾向加大，
这样Ac1 + 30～50 ℃得到奥氏体和渗碳体，淬火后得到 马氏体 和粒状渗碳体
(1)淬火加热温度选择
淬火介质： 为实现淬火目的用的冷却介质。 理想淬火介质具备： 高温慢冷；奥氏体鼻子温度快冷；马氏 体转变慢冷。
双液淬火：
操作方法 ：
将钢件奥氏体化后，先浸入一种 冷却能力强的介质中，在钢的组织还 未开始转变时候迅速取出，马上浸入 另一种冷却能力弱的介质中，缓冷到 室温，如先水后油、先油后空气等
特点及应用场合 ：
优点是内应力小、变形及开裂少， 缺点是操作困难，不易掌握，故主要 应用于碳素工具钢制造的易开裂的工 件，如丝锥等。
淬硬性 低 高
低
淬透性 小 小
大
高
大
(5)淬透性的实际意义
1、对于截面承载均匀的重要件，要全部淬透。如螺栓、连杆、 模具等。 ——选用高淬透性钢
2、对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透（淬硬层深度一般为 半径的1/2～1/3），如轴类。——低淬透性钢
淬硬层深度与工件尺寸有关，设计时应注意尺寸效应。
4.碳化物的转变（250--400 ℃ ）
亚稳碳化物将转变成为更加稳定的碳化物形式存在。
高碳钢：
α’ α’ + ε
α’ + ε + χ α’ + ε + χ + θ
α’ + χ + θ α’ + θ（稳定的回火屈氏体）
中碳钢： α’
α’ + ε
α’ + θ（稳定的回火屈氏体）
低碳钢： α’
α’ + θ（稳定的回火屈氏体）
(4)钢的淬透性与淬硬性
Ⅰ. 概念 淬透性——钢材被淬透的能力，或者说淬火时获得马氏体的能力。 其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。
a 工件淬硬层与冷却速度的关系示意图
b
（a）零件截面的不同冷却速度;
（b）未淬透区的示意图
钢的淬透性
淬硬层深度—— 由工件表面到半马氏体区(50%M + 50%P)的深度。
过热与 过烧
钢在淬火加热时,由于加热温度 过高或高温停留时间过长,造成奥 氏体晶粒显著粗化的现象称为过 热
若加热温度达到固相线附近， 晶界已开始出现氧化和熔化的现 象，则称为过烧
后果
防止与补救方法
氧化与脱碳会降低 钢件的表层的硬度和 疲劳强度，而且还会 影响零件的尺寸
在盐浴炉内加热，或 在工件表面涂覆保护剂， 也可在保护气氛及真空 中加热
回火目的：提高淬火钢塑性和韧性，降低其脆性； 降低或消除淬火引起的残余应力； 稳定尺寸
一、回火时钢的组织转变
随温度升高，淬火组织将发生五个阶段变化： • 马氏体中碳原子偏聚（80～100℃） •马氏体的分解（80～250℃）
产物：M回
• 残余奥氏体的转变（200～300℃） 产物：M回（主要）+ B下（微量）
一、钢的淬火
钢的淬火——将钢加热到临界温度（A1 或A3）以上，保温一定时间（使其奥氏 体化）以大于临界冷却速度（V临）进行冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织 的热处理工艺。 其目的是为了获得马氏体组织，提高钢的强度、硬度和耐磨性。
(1)淬火加热温度选择
淬火工艺 ①淬火加热温度 亚共析钢：Ac3 +30～50℃;共析和过共析钢： Ac1 + 30～50℃
第二类（高温）回火脆性：（500〜650℃）
是指淬火钢在500-650℃范围内回火后缓冷时出现的脆性。 回火后快冷不出现。多发生在含Cr、Ni、Mn、Si等元素的合金 钢中，
是一种可逆性的回火脆性。
预防措施： （1）高温回火后，在水中快速冷却。
一般适用于较小截面的零件。
（2）加入降低回火脆性倾向的元素Mo或W。 适用大截面零件或合金钢(如Cr-Ni钢等)。
2.马氏体分解（80--250 ℃ ） ➢ 高碳马氏体发生分解，马氏体中过饱和碳不断以ε碳化物形式
析出，使马氏体碳含量降低。 ➢ 低碳马氏体，低于150℃无碳化物析出，只有C偏聚
高于200℃，马氏体中可析出稳定碳化物；
➢
➢ 产物：回火马氏体。 ➢ 性能：保留淬火后高硬度
3.残余奥氏体分解（200--300 ℃ ） 淬火后的残余奥氏体是不稳定组织，在本阶段，残余奥氏体分 解为低碳马氏体和ε碳化物，此组织为回火马氏体。
为什么过共析钢淬火加热 温度在Ac1 + 30～50 ℃ ， 而不是Acm + 30～50℃？
(1)淬火加热温度选择
为什么过共析钢淬火加热温度在Ac1 + 30～50 ℃ ，而不是Acm + 30～50℃？
答： 1）由于渗碳体全部溶于奥氏体，淬火后耐磨性下降； 2）温度过高会引起奥氏体粗化，淬火后得到粗大的马氏体，
在A1～650℃缓慢冷却，以减少热应力； 在过冷奥氏体最不稳定区域（650～ 400℃ ），快速冷却； 而在MS附近的温度区域冷速比较缓慢，它 可以减少淬火内应力，避免淬火变形
开裂。
缓冷（理想冷 却速度）
快冷
缓冷
(2)淬火冷却介质选择
传统的淬火冷却介质有油、水、盐水和碱水等，它们的冷却能力 依次增加。其中，水和油是目前生产中应用最广的冷却介质。
注意区别：
淬透性和淬硬性 淬硬性: 钢在理想条件下淬火后所能 达到的最高硬度。
影响因素: 主要取决于马氏体的含碳量。
马氏体硬度、韧性与含碳量的关系
C%
淬硬性与淬透性:
（两个完全不同的概念） 钢种 碳素结构钢 ( 20 ) 碳素工具钢( T12A ) 低碳合金结构钢 ( 20Cr2Ni4A )
高碳高合金工具钢 ( W18Cr4V )
• 碳化物析出和转变（250～400℃） 产物：T回
• α相状态变化及碳化物聚集长大（>400 ℃) 产物： S回
一、回火时组织转变
按回火温度划分如下阶段，但各阶段也不是单独发生，而是相互 重叠的。
1.碳原子偏聚（时效阶段） ——(80—100℃以下) 由于淬火马氏体为过饱和固溶体，晶格中有大量微观缺陷的亚稳态。 对位错马氏体，低温下C、N原子短程扩散到位错线附近 对孪晶马氏体，低温下C 、N原子短程扩散聚集到某一晶面
对截面较低的碳钢及低合金钢不 易淬硬，一般作为形状 复杂的中 小型合金钢零件的淬火介质
(3)淬火方法：
单液淬火：
操作方法 ：
将钢件奥氏体化后，在单一淬火 介质中冷却到室温的处理，称为单液 淬火。单液淬火时碳钢一般采用水冷 淬火，合金钢采用油冷
特点及应用场合 ：
操作简单，易于实现机械化、自 动化。但由于单独用水或油进行冷却， 冷却特征不够理想，所以容易产生硬 度不足或开裂等淬火缺陷。
降低内应力，提高韧性。 用途：处理各种工具、模具、量具、轴承及经渗碳和表面淬火的工件。
2、中温回火
回火温度：350-500℃
开裂
裂的主要原因
后果 无法使用
防止与补救方法
应选用合理的工艺方法 变形的工件课采取校正的 方法补救，而开裂的工件只 能报废
硬度 不足
由于加热温度过低、保温时间不足、
严格执行工艺规程
冷却速度不够快或表面脱碳等原因， 无法满足使用性能 发现硬度不足，可先进行
在淬火后无法达到预期的硬度
一次退火或正火处理，再重
介质 冷却 特点
应用 场合
水、盐水和碱水
油
在550—650℃范围内的冷却能力较 油的冷却能力较低，在200—300℃ 大,但在200—300℃范围内冷却能力 范围内冷却速度较慢，能减少工件 过强，易使淬火零件变形与开裂 变形与开裂的现象，但是在550—
650℃范围内冷却能力过低
常用于尺寸不大，外形较简单 的碳钢零件的淬火
工件过热后，晶粒 粗大，使钢的力学性 能(尤其是韧性)降低， 并易引起淬火时的变 形和开裂
严格控制加热温度和保 温时间，发现过热，马上 出炉空冷至火色消失，再 立即重新加热到规定温度 或通过正火予以补救
过烧后的工件只能报废，
无法补救。
五、淬火缺陷
缺陷名称
缺陷含义及产生原因
变形与
淬火内应力是造成工件变形和开
高强螺栓
柴油机连杆
齿轮
五、淬火缺陷
五、钢的淬火缺陷
在热处理生产中，由于淬火工艺控制不当， 常会产生氧化与脱碳、过热与过烧、变形与开 裂、硬度不足及软点等缺陷。
五、淬火缺陷
缺陷名称
氧化与 脱碳
缺陷含义及产生原因
钢在加热时，炉内的氧与钢表 面的铁相互作用，形成一层松脆 的氧化铁皮的现象称为氧化
脱碳是指钢在加热时，钢表面 的碳与气体介质作用而逸出，使 钢件表面含碳量降低的现象
马氏体分级淬 火 ：
操作方法 ：
将钢件奥氏体化后，随之浸入温度稍 高或者稍低于Ms点的液态介质中，保持 适当的时间，待钢件的内外层都达到介质 温度后取出空冷以获得马氏体组织的淬火 工艺。
特点及应用场合 ：
通过Ms点附近的保温，使工件内外 温差最小，可以减小淬火应力，防止工件 变形和开裂。但由于盐浴的冷却能力较差， 对碳钢零件，淬火后悔出现非马氏体组织， 因此主要应用于淬透性好的合金钢或截面 不大、形状复杂的碳钢工件
M量和硬度随深度 的变化
如果工件中心在淬火后获得了50％以上的M，则认为工件已经被淬透。
钢的淬透性
淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响
淬
未
透
淬
透
HRC
HRC
钢的淬透性
Ⅱ、影响淬透性的因素
决定因素:临界冷却速度; 取决于A成分。
因此使C曲线右移的元素均使淬透性提高; 奥氏体化温度越高,保温时间越长,则晶粒越粗大,成分越均匀,过 冷奥氏体越稳定,C曲线越向右移,淬火临界冷却速度越小,钢的 淬透性越好
钢的淬透性
注意区别：
钢的淬透性 —— 钢材本身的固有属性，与外部因素无关 工件的淬透深度 —— 取决于钢材淬透性, 还与冷却介质、
工件尺寸等外部因素有关。 同一材料的淬硬层深度与工件的尺寸、冷却介质有关。工件尺寸
小、介质冷却能力强，淬硬层深。
淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。它只用于不同材料之间的比 较。是在尺寸、冷却介质相同时，用不同材料的淬硬层深度来进 行比较的。
提高钢的回火抗力
引起二次硬化
四、回火脆性
在某些温度区间回火时，钢的韧性显著下降的现象。
第一类（低温）回火脆性:
是指淬火钢在250-350℃回火时出现的脆性。 这种回火脆性是不可逆的，只要在此温度范围内回火就会出现脆性， 目前尚无有效消除办法。 除弹簧钢之外，其它零件淬火后应避免在250〜350℃回火。
贝氏体等温淬 火 ：
操作方法 ：
将钢件奥氏体化后，随之快冷到贝氏 体转变温度区间（260～400℃）等温保 持，使奥氏体转变为下贝氏体的淬火工艺 称为贝氏体等温淬火
特点及应用场合 ：
主要目的是强化钢材，使工件获得较 高的强度、硬度，较好的耐磨性和比马氏 体好的韧性，可以显著地减少淬火应力， 从而减少工件的淬火变形，避免淬火工件 的开裂，常应用于各种中、高碳工具钢和 低合金钢制造的形状复杂、尺寸较小、韧 性要求较高的各种模具、成形刀具等工件