第四节 钢的淬火与回火
钢的淬火与回火
脱碳 O2: Fe3C + O2 → 3Fe +CO2 [C]A + O2 → CO2 CO2: Fe3C + CO2→ 3Fe + 2CO [C]A + CO2 → 2CO H2O: Fe3C + H2O → 3Fe +H2+CO [C]A + H2O → H2+ CO H2: Fe3C+2H2 →3Fe + CH4 [C]A +2H2 → CH4
实际淬透层深度：淬透性、工件大小、 实际淬透层深度：淬透性、工件大小、淬火介质
3 淬透性与淬硬性
淬硬性：钢淬火时的硬化能力，用淬成M可能得 淬硬性：钢淬火时的硬化能力，用淬成 可能得 到的最高硬度表示。 到的最高硬度表示。 ——取决于 中的 取决于M中的 取决于 中的C%. 淬透性：钢的临界冷却速度－合金元素。 淬透性：钢的临界冷却速度－合金元素。
(2)理想冷却速度示意图 (2)理想冷却速度示意图
温 度
2 常用淬火介质
根据工件淬火冷却过程中， 根据工件淬火冷却过程中，淬火介质由否 发生物态变化，把液态淬火介质分为两类的， 发生物态变化，把液态淬火介质分为两类的，即 有物态变化的和无物态变化的。 有物态变化的和无物态变化的。 有物态变化的 水及各种水溶液 各种淬火油 各种气体 无物态变化的 熔融金属、熔盐 固体----铜板、铁板、气-固流态床
若 T> Acm
增加, 点下降, 增多; ① C % 增加 Ms点下降 残A增多 点下降 增多 粗大M; ② 粗大 氧化脱碳严重,易变形开裂 ③ 氧化脱碳严重 易变形开裂 增大淬火应力，增加了工件变形和开裂的倾向。 ④ 增大淬火应力，增加了工件变形和开裂的倾向。
热处理的基本方法(淬火与回火)
(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，
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。
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
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 )
退火,正火,回火,淬火的区别
退火，正火，回火，淬火之间的区别是什么1.退火把钢加热到一定温度并在此温度下保温，然后缓慢冷却到室温．退火有完全退火、球化退火、去应力退火等几种。
a将钢加热到预定温度，保温一段时间，然后随炉缓慢冷却称为完全退火．目的是降低钢的硬度，消除钢中不均匀组织和内应力．b，把钢加热到７５０度，保温一段时间，缓慢冷却至５００度下，最后在空气中冷却叫球化退火．目的是降低钢的硬度，改善切削性能，主要用于高碳钢．c，去应力退火又叫低温退火，把钢加热到５００～６００度，保温一段时间，随炉缓冷到３００度以下，再室温冷却．退火过程中组织不发生变化，主要消除金属的内应力．2.正火将钢件加热到临界温度以上30-50℃,保温适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火。
正火的主要目的是细化组织，改善钢的性能，获得接近平衡状态的组织。
正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却速度稍快，所以正火热处理的生产周期短。
故退火与正火同样能达到零件性能要求时，尽可能选用正火。
3.淬火将钢件加热到临界点以上某一温度（45号钢淬火温度为840-860℃,碳素工具钢的淬火温度为760～780℃）,保持一定的时间，然后以适当速度在水（油）中冷却以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。
淬火与退火、正火处理在工艺上的主要区别是冷却速度快，目的是为了获得马氏体组织。
马氏体组织是钢经淬火后获得的不平衡组织，它的硬度高，但塑性、韧性差。
马氏体的硬度随钢的含碳量提高而增高。
4.回火钢件淬硬后，再加热到临界温度以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。
淬火后的钢件一般不能直接使用，必须进行回火后才能使用。
因为淬火钢的硬度高、脆性大，直接使用常发生脆断。
通过回火可以消除或减少内应力、降低脆性，提高韧性；另一方面可以调整淬火钢的力学性能，达到钢的使用性能。
根据回火温度的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火三种。
A 低温回火１５０～２５０．降低内应力，脆性，保持淬火后的高硬度和耐磨性．B 中温回火３５０～５００；提高弹性，强度．C 高温回火５００～６５０；淬火钢件在高于500℃的回火称为高温回火。
钢热处理工艺的四把火-退火、正火、淬火、回火
正火工艺与操作不当也产生组织缺陷，与退火相似，补救方法基本相同。
“四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺。为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质。某些合金淬火形成过饱和固溶体后，将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间，以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处理工艺称为时效处理。把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行，使工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理；在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理，它不仅能使工件不氧化，不脱碳，保持处理后工件表面光洁，提高工件的性能，还可以通入渗剂进行化学热处理。
球化退火工艺方法很多，最常用的两种工艺是普通球化退火和等温球化退火。普通球化退火是将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却，冷到500℃左右出炉空冷。等温球化退火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后，随炉冷却到略低于Ar1的温度进行等温，等温时间为其加热保温时间的1.5倍。等温后随炉冷至500℃左右出炉空冷。和普通球化退火相比，球化退火不仅可缩短周期，而且可使球化组织均匀，并能严格地控制退火后的硬度。
4.工件表面硬度高，缺口敏感性小，冲击韧性、疲劳强度以及耐磨性等均有很大提高。有利于发挥பைடு நூலகம்料地潜力，节约材料消耗，提高零件使用寿命
5.设备紧凑，使用方便，劳动条件好
6.便于机械化和自动化
7.不仅用在表面淬火还可用在穿透加热与化学热处理等。
• 感应加热的基本原理
将工件放在感应器中，当感应器中通过交变电流时，在感应器周围产生与电流频率相同的交变磁场，在工件中相应地产生了感应电动势，在工件表面形成感应电流，即涡流。这种涡流在工件的电阻的作用下，电能转化为热能，使工件表面温度达到淬火加热温度，可实现表面淬火。
4-5 4-6 钢的淬火和回火
3、稳定尺寸。回火可使非平衡M与A’转变为平
衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。
未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回 火在放置或使用过程中易变形或开裂。
钢经淬火后应立即进行回火。
三、回火的种类
1、低温回火
回火温度：150~250℃
回火组织：回火马氏体，用M回表示，58—64HRC 目的：保留淬火后高硬度、高耐磨性的同时，降低 内应力，提高韧性。 应用：高碳钢、工具钢（刀具、量具、模具）、滚 动轴承钢。
淬透性
实际淬硬层深 淬火后实际获得的 度 淬硬层深度
1、化学成分
2、尺寸大小 3、冷却速度
8-7
Chapter 8 Quenching and Temping of Steel
影响淬透性的因素 （1）含碳量：亚共析钢ωc↑，淬透性↑ 过共析钢ωc↑，淬透性↓ Vc — 过冷A稳定性 — C曲线位置
的强度同时，具有良好的塑性和韧性。
应用：汽车、拖拉机、机车，承受较大载荷的结构
零件，如：轴、齿轮等。
4、调质处理
把淬火加高温回火的热处理工艺称作“调质处
理”，简称“调质”。
调质广泛用于连杆、轴、齿轮等各种重要结 构件的处理。也可作为精密零件、量具等的 预备热处理。
正火与调质硬度很接近，但重要结构件一般 经调质而不采用正火，因调质综合力学性能 好。
2、中温回火 回火温度：350-500℃ 回火组织：回火托氏体，用T回表示,35~50HRC T回特性：具有较高的弹性极限和屈服极限，并具 有一定的韧性， 应用：主要用于各类弹簧的热处理
3、高温回火
回火温度：500-650℃ 回火组织： 回火索氏体，用S回表示，25~35HRC S回特性: 具有良好的综合力学性能，即在保持较高
钢的淬火与回火
一、 钢在回火时的组织转变
1. 马氏体分解
2.余奥氏体转变 余奥氏体转变
在 200~300℃ 之 ℃ 间, 钢中的残余奥氏体 也发生分解 ， 转变为 回火马氏体或下贝氏 体。
当回火温度在100~200℃时， ℃ 当回火温度在 马氏体开始发生部分分解， 马氏体开始发生部分分解， 析出ε碳化物 碳化物， 析出 碳化物 ， 这种碳化物 与马氏体保持共格关系。 与马氏体保持共格关系。 ε碳化物不是平衡相 ， 而是 碳化物不是平衡相， 碳化物不是平衡相 向渗碳体转变前的一个过渡 相。 这一阶段转变完成后, 钢的 这一阶段转变完成后 组织由有一定过饱和度的固 溶体和与其有共格关系的ε 溶体和与其有共格关系的 碳化物所组成， 碳化物所组成，这种组织称 为回火马氏体。 为回火马氏体。
第七章
钢的淬火与回火
第一节
钢的淬火
• 淬火 ： 将钢件加热到 3 或 Ac1 以上某一温 淬火：将钢件加热到Ac 保持一定时间（ 使奥氏体化） 度 ， 保持一定时间 （ 使奥氏体化 ） ， 然后 适当速度冷却， 获得马氏体和（ 以 适当速度冷却 ， 获得马氏体和 （ 或 ） 贝 氏体组织的热处理工艺。 氏体组织的热处理工艺。 • 淬火的目的： 淬火的目的： 使钢件获得所需的马氏体组织； 使钢件获得所需的马氏体组织； 提高工件的硬度， 提高工件的硬度 ， 强度和耐磨性及其他性 能 为后续热处理作好组织准备等。 为后续热处理作好组织准备等。
淬透性曲线
半M与碳含量 与碳含量
（二）临界直径法 生产中也常用临界淬火直径表示钢的 淬透性。 淬透性。 临界淬火直径——圆棒试样在某介质中淬火 临界淬火直径 圆棒试样在某介质中淬火 时所能得到的最大淬透直径（ 时所能得到的最大淬透直径（ 即心部被淬成 表示。 半马氏体的最大直径） 半马氏体的最大直径），用D0表示。
金属工艺学电子教学教案——第四章 钢的热处理02(高教版 王英杰主编)
第四节淬火教学重点与难点1．重点淬火、回火2．难点淬透性和淬硬性教学方法与手段1．利用挂图等教具。
2．举生活中应用淬火与回火的现象，分析原理与应用，触类旁通。
教学组织1.复习提问10分钟2.讲解75分钟3.小结5分钟教学内容♦钢的淬火是指工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或(和)贝氏体组织的热处理工艺。
♦临界冷却速度是指获得马氏体的最低冷却速度。
♦马氏体是碳或合金元素在α-Fe中的过饱和固溶体，是单相亚稳组织，硬度较高，用符号M表示。
马氏体的硬度主要取决于马氏体中碳的质量分数。
马氏体中由于溶入过多的碳原子，从而使α-Fe晶格发生畸变，增加其塑性变形抗力，故马氏体中碳的质量分数越高，其硬度也越高。
一、淬火(一)淬火的目的淬火的目的主要是使钢件得到马氏体(和贝氏体)组织，提高钢的硬度和强度，与适当的回火工艺相配合，更好地发挥钢材的性能潜力。
(二)淬火工艺1．淬火加热温度的确定亚共析钢淬火加热温度为Ac以上30℃～50℃。
3以上30℃～50℃。
共析钢和过共析钢淬火加热温度为Ac12．淬火介质常用的淬火冷却介质有油、水、盐水、硝盐浴和空气等。
3．淬火方法(1)单液淬火。
♦将已奥氏体化的钢件在一种淬火介质中冷却的方法。
例如，低碳钢和中碳钢在水中淬火，合金钢在油中淬火等。
单液淬火方法主要应用于形状简单的钢件。
(2)双液淬火。
♦将工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质中，在组织即将发生马氏体转变时立即转入冷却能力弱的介质中冷却的方法，称为双液淬火。
例如，先在水中冷却后在油中冷却的双液淬火。
双液淬火主要适用于中等复杂形状的高碳钢工件和较大尺寸的合金钢工件。
(3)马氏体分级淬火♦工件加热奥氏体化浸入温度稍高于或稍低于Ms点的盐浴或碱浴中，保持适当时间，在工件整体达到冷却介质温度后取出空冷以获得马氏体组织的淬火方法，称为马氏体分级淬火。
马氏体分级淬火能够减小工件中的热应力，并缓和相变过程中产生的组织应力，减少淬火变形。
钢的淬火与回火
二．淬火冷却方法 1. 单液淬火：将奥氏体化后的工件直接淬入 一种淬火介质中连续冷却至室温的方法。 优点：工艺过程简单，操作方便，经济， 适合于批量作业。 缺点：对形状复杂，截面变化突然的某些 工件，容易在截面突变处因淬火应力集中 而导致开裂。
2. 双液淬火：分别在两种不同的介质中进行 冷却的方法，如水—油；油—空气等。 作用：在过冷奥氏体转变曲线的鼻尖处快 速冷却避免过冷奥氏体分解，而在Ms点以 下缓慢冷却以减小变形开裂。
末端淬火法示意图
淬透性表示方法
HRC 即用 J 表示，J 表示末端淬透性，d 表示 d 半马氏体区
到水冷端的 距离, HRC为 半马氏体区 的硬度。
J40/6
四、淬透性曲线的应用 合理选择材料 预测材料的组织与性能 制定热处理工艺 1. 根据淬透性曲线求圆棒工件截面上的硬度 分布 例：欲选用45Mn2钢制造Φ 50mm的轴，试求 经水淬后其截面上的硬度分布曲线。
第九章 钢的淬火与回火
§9.1 钢的淬火
一、淬火的定义及目的 1. 定义：将钢加热至临界点以上，保温一定时间后 以大于临界冷却速度的速度冷却，使过冷奥氏体 转变为马氏体或贝氏体的热处理工艺。 2. 目的 获得马氏体，淬火后的钢的强度、硬度和耐磨性 大大提高 与不同的回火工艺配合，以提高钢的力学性能
（7）综合应用马氏体、贝氏体形态的形成规 律来指导淬火规范的优选。 淬透性 板条马氏体 片状马氏体 变形、显微裂纹
2. 加热与保温时间
1：加热时间 2 ：透烧时间
3 ：组织转变
1 2 3
生产中常用下式来估算加热与保温时间： t KD ：加热系数（跟加热介质有关） K：与装炉量和装炉方式有关的系数 D：工件有效厚度
淬火与回火
一、钢的淬火淬火就是把钢加热到临界温度（Ac1或Ac3以上），保温一定时间使之奥氏体化后快速冷却从而获得马氏体组织的热处理工艺。
（一）淬火工艺1. 淬火加热碳钢的淬火加热温度可利用Fe－Fe3C相图来选择对于亚共析钢：℃；共析钢和过共析钢：℃。
根据淬火加热温度的不同，钢的淬火可分为完全淬火和不完全淬火。
所谓完全淬火就是将钢加热成为单一奥氏体后冷却；若加热到部分成为奥氏体后冷却则称为不完全淬火。
亚共析钢选择以上30～50℃的完全淬火可获得均匀细小的马氏体组织。
但淬火加热温度不能高于太高，否则会得到粗大的马氏体组织，恶化钢的性能；若加热温度低于，淬火组织中将出现铁素体，造成淬火钢强度、硬度不足。
近年来研究发现，采用将亚共析钢加热到以下5～10℃的亚温淬火工艺，使淬火组织中出现少量细小均匀分布的铁素体，可提高钢的强韧性，而且降低钢的韧脆转变温度。
对于过共析钢，选择以上30～50℃的不完全淬火，这是因为如果淬火加热温度过高，甚至高于，则会得到粗大的马氏体组织，增大淬火开裂的倾向；而且淬火后钢中残余奥氏体量将增多，降低硬度和耐磨性。
但过低则可能得到非马氏体组织，硬度达不到要求。
对于合金钢来说，它们的淬火加热温度可以比碳钢稍高一些，一般为AC3+30~50℃或AC1+50~100℃。
加热时间（τH）为升温加上保温时间，可根据经验或配合实验确定，也可参考热处理手册。
淬火所用的加热设备主要有箱式电阻炉（或煤气炉）、可控气氛炉（渗碳、渗氮、碳氮共渗等）、真空加热炉、盐浴炉等。
2. 淬火冷却淬火要得到马氏体，淬火冷却介质的冷却速度就必须大于临界淬火速度（vk），而快冷势必要造成很大的内应力，这就会引起钢件的变形和开裂。
如何使工件既能获得马氏体又能减小变形和避免裂纹呢？可从两个方面入手，其一是选择一种比较理想的淬火冷却介质；其二就是选择合适的淬火方法。
（1）淬火冷却介质图4-39 为钢的理想淬火冷却速度曲线。
在“鼻子”附近（650～550℃）快速冷却，而在这以上或以下温度并不需要快速冷却，尤其在300～200℃以下发生马氏体转变时反而希望冷却缓慢些，以防止淬火变形和开裂。
《钢的淬火与回火》课件
03
02
01
03
新型环保介质开发
研发新型环保的淬火介质和回火材料，降低对环境的污染和破坏。
01
减少能源消耗
研究节能型的淬火与回火工艺，降低能源消耗和碳排放，实现绿色生产。
02
废弃物资源化利用
对淬火与回火过程中产生的废弃物进行资源化利用，减少对环境的负担。
目的
淬火的方法包括单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等。
方法
淬火过程包括加热、保温和冷却三个阶段。加热阶段是将钢加热到奥氏体化温度；保温阶段是为了保证奥氏体化充分进行；冷却阶段是将钢迅速冷却至室温，使奥氏体转变为马氏体。
过程
淬火后的组织主要包括马氏体、残余奥氏体和少量未转变的铁素体。马氏体的形态和分布对钢的性能有重要影响。
淬火后的钢具有较高的硬度和强度，但同时也存在较大的脆性。为了获得良好的综合性能，通常需要对淬火后的钢进行回火处理。
性能
组织
CHAPTER
钢的回火
02
定义
回火是钢淬火后加热到低于临界点某一温度，并保温一定时间，然后冷却到室温的一种热处理工艺。
目的
消除淬火产生的内应力，提高钢的塑性和韧性，获得良好的力学性能和稳定组织。
组织：回火后钢的组织转变为多相混合组织，包括铁素体、奥氏体和碳化物。
CHAPTER
淬火与回火的关系
03
淬火的目的是通过快速冷却使钢的内部组织转变为马氏体，从而提高钢的硬度和强度。
回火的目的是通过加热使钢的内部组织进行转变，消除淬火过程中产生的内应力，提高钢的韧性和塑性。
淬火与回火是钢铁热处理工艺中的两个重要环节，二者相互关联，相互影响。淬火是回火的基础，回火的质量直接影响淬火的效果。
淬火和回火
淬火和回火淬火可以加强硬度，回火可以加强韧性淬火是将钢加热到临界温度以上,保温一段时间,然后快速冷却下来,进行淬硬工件的热处理方法.其实质是通过加热使钢组织结构中的铁素体和珠光体充分转变为成分均匀的奥氏体,然后急冷下来得到硬度很高的马氏体.回火是紧接于淬火之后的热处理工序,淬火钢在不同的温度下回火,所得的组织不同,因而其机械性能差别很大,总的趋势是:随着回火温度升高,其强度、硬度降低，而塑性、韧性提高。
淬火钢中的马氏体和残余奥氏体都是不稳定的组织，加热就会发生转变。
随着温度升高，碳原子逐渐以渗碳体的形式析出，引起组织转变。
最后渗碳体聚合而分散在铁素体基体上，形成各种回火组织回火是钢淬火后必须进行的一道工序，其目的和作用是减少和消除钢在淬火时所造成的内应力，降低脆性。
回火油具有良好的热氧化安定性、闪点高、传热性能好，分1号、2号两个牌号，其中1号使用温度为15 0℃左右，2号使用温度为200℃左右。
回火是将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度，保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理。
钢铁工件在淬火后具有以下特点：①得到了马氏体、贝氏体、残余奥氏体等不平衡（即不稳定）组织。
②存在较大内应力。
③力学性能不能满足要求。
因此，钢铁工件淬火后一般都要经过回火。
回火的作用在于：①提高组织稳定性，使工件在使用过程中不再发生组织转变，从而使工件几何尺寸和性能保持稳定。
②消除内应力，以便改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸。
③调整钢铁的力学性能以满足使用要求。
回火的目的是减小或消除工件在淬火时产生的内应力，降低淬火钢的脆性，使工件获得较好的强度、韧性、塑性、弹性等综合力学性能。
回火之所以具有这些作用，是因为温度升高时，原子活动能力增强，钢铁中的铁、碳和其他合金元素的原子可以较快地进行扩散，实现原子的重新排列组合，从而使不稳定的不平衡组织逐步转变为稳定的平衡组织。
内应力的消除还与温度升高时金属强度降低有关。
钢的淬火和回火
淬火钢回火时组织的变化
马氏体回火加热时，五个主要过程： 室温~200℃，碳的偏聚和聚集 100~250 ℃，马氏体分解 200~300 ℃，残余奥氏体分解 250~400 ℃，碳化物类型变化 400~700 ℃，相回复再结晶，Fe3C球化粗化
1. 碳的偏聚和聚集（室温~200℃）
回火
回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保 温后冷却的热处理工艺。
回火的目的
消除或减少淬火内应力，防止工件变形或开裂； 获得工艺所要求的力学性能； 稳定工件尺寸。淬火马氏体和残余奥氏体都是非平衡组织， 有自发向平衡组织铁素体加渗碳体转变的倾向。回火可使 马氏体和残余奥氏体转变为平衡或接近平衡的组织，防止 使用时变形。 对于某些高淬透性的钢，空冷即可淬火，如采用退火则软 化周期太长，则采用回火软化即能降低硬度，又能缩短软 化周期。 对于未经淬火的钢，回火是没有意义的，而淬火钢不 经回火一般也不能直接使用，为避免淬火件在放置过程中 发生变形或开裂，钢件经淬火后应及时回火。
回火的种类
根据钢的回火温度范围，可将回火分为3类。 1.低温回火 2.中温回火
3.高温回火
1.低温回火
回火温度为150-250℃。低温回火时发生如下 变化，得到M回组织。
低温回火的目的是在保留淬火后高硬度、高耐 磨性的同时，降低内应力，提高韧性。主要用 于处理各种工具、模具、轴承及经渗碳和表面 淬火的工件。
2.中温回火
回火温度为350-500℃。中温回火时发生如下 变化，得到T回组织，即为在保持马氏体形态 的铁素体基体上分布着细粒状渗碳体的组织。
回火托氏体组织具有较高的弹性极限和屈服极 限，并具有一定的韧性，硬度一般为35HRC45HRC，主要用于各类弹簧的处理。
第十章-淬火与回火要点
12
第10章 淬火与回火 13
第10章 淬火与回火
2．碱或盐的水溶液 水中溶入盐碱等物质，减少了蒸汽膜的稳定性，使
光体转变区）具有较快的冷却速度，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；
分类：固态、 液态、 气态。
6
第10章 淬火与回火
Ms Mf
理想淬火曲线示意图
7
第10章 淬火与回火
一、淬火介质的冷却作用
淬火介质有固态、液态、气态。对固态 介质，或者是静止接触(热传导问题)，如 是沸腾床冷却，则主要与其冷却特性有 关。气态，则是气体介质加热的逆过程。
43
第10章 淬火与回火 例1，有一圆柱形工件，直径35mm，要求油淬（H=0.4)后
心部硬度大于HRC45，试问能否采用40Cr钢？ 例2，有40Cr钢，直径50mm圆柱，求油淬后沿截面硬度？
44
第10章 淬火与回火 45
第10章 淬火与回火
第四节 淬火应力、 变形及开裂
一、淬火时工件的内应力
30
第10章 淬火与回火
4．钢的原始组织的影响
钢的原始组织中，由于珠光体的类型（片状或 粒状）及弥散度的不同，在奥氏体化时，将会 影响到奥氏体的均匀性，从而影响到高钢的淬透性。
31
第10章 淬火与回火
二、淬透性的试验测定方法 1．计算法：根据钢材的主要成分，与奥氏
9
第10章 淬火与回火 10
第10章 淬火与回火
钢的淬火和回火
钢的淬火和回火
14..1钢钢的的淬透淬性火和淬硬性
淬透性是指在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。它是重要的热 处理工艺性能，淬透性高低表示了钢接受淬火的能力，常用淬硬层深度表示，淬硬层 深度是指钢表面到半马氏体（50％马氏体）组织的深度。
淬透性主要由钢的临界速度 vk 决定。vk 越小，钢的淬透性越好。临界冷却速度和 钢的化学成分、奥氏体化的温度及保温时间等都有密切的关系。如在碳钢中，共析钢 的淬透性最好。亚共析钢随着含碳量的增加，其淬透性增加，过共析钢随着含碳量的 增加，其淬透性降低。除 Co 外大多数合金元素，如 Cr、Mo、Si、Ni、Mn 等都能显 著提高钢的淬透性。即合金钢的淬透性高于碳素钢。提高奥氏体化温度和延长保温时 间，会使奥氏体成分均匀，晶粒粗大，过冷奥氏体稳定性提高，马氏体临界冷却速度 减小，淬透性提高。此外，采用的冷却介质也影响着钢的淬透性。
淬透性好的钢，经淬火回火后，组织均匀一致，具有良好的综合力学性能，有利 于钢材潜力的发挥。同时，淬透性好的钢淬火时可采用低的冷却速度缓冷，以减少变 形与开裂。淬硬性是指钢在淬火时能达到最高硬度的能力。淬硬性取决于马氏体中碳 的质量分数，wc 越高，淬硬性越好。
钢的淬火和回火
1.2钢钢的的回回火火和淬火是密不可分的，淬火后必须立即回火的）分淬级火淬火
钢材奥氏体化后，随之投入温度在钢的 Ms 点左右的液态介质（盐浴或碱浴）中， 保持适当时间，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。
马氏体分级淬火既避免高温时奥氏体分解，又达到低温时缓慢冷却的目的，减小 了淬火内应力，且硬度均匀。分级淬火是防止变形和开裂的有效淬火方法。
马氏体分级淬火法在工艺上虽然比较理想，操作容易，但由于它在盐浴或碱浴中 的冷却速度较慢，故只适用于形状复杂或尺寸较小的零件。
热处理的基本方法淬火与回火
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。
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。
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
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 )
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，
第九章_钢的淬火和回火
热处理原理及工艺
9- 38
（三）渗碳体形成和铁素体恢复
约在300-400℃之间，α固溶体中过饱和 的碳逐渐析出，ε-碳化物转变为稳定的较小 的Fe3C颗粒，α固溶体中的含碳量几乎达到 平衡成分，故马氏体变成铁素体（c/a≈1）， 体心正方晶格变成体心立方晶格。
此时组织为： “铁素体与弥散在其中的细粒状渗碳体的混合 物”, 称为 “回火托氏体”，T回。
热处理原理及工艺
d 等温淬火法
9- 33
5、局部淬火法 有些零件只需要局部硬度高、耐磨性好， 因此可进行局部淬火，以避免其它部位产生 变形或开裂。
局部淬火法包括：①局部加热淬火法
②局部冷却淬火法 喷射淬火——向工件喷射急速水流的淬火方法。
热处理原理及工艺
9- 34
6、 冷处理
——将淬火至室温的工件继续冷却到零下温度的处理(实际上 是淬火过程的继续)称为冷处理。 高碳钢、合金钢的Mf都在零下几十度， 为了减少残余奥氏体的数量，可在淬火后进 行冷处理，即加热零件淬火至室温后，再放 入低温槽中继续冷却，使残余奥氏体转变为 马氏体。 冷处理介质：干冰（-80℃）、 液化乙烯（-107℃）、液氮（-192℃） 冷处理的目的：稳定尺寸，提高硬度。
热处理原理及工艺
9- 23
4.淬火工艺
1 淬火加热温度 ⑴ 亚共析钢 淬火温度：Ac3+30~50℃。 T过低——有F，↓HRC
T过高——氧化脱碳，晶粒 粗大，淬火应力大
热处理原理及工艺
9- 24
（2）共析、过共析钢 淬火温度：Ac1+30~50℃。 T过低——得不到M
T过高——晶粒粗大，残 余A量↑，HRC↓
此时组织为： 过饱和程度稍低的马氏体和极细小的ε-碳化物组成 的混合组织，称为“回火马氏体组织”，M回。 ε-碳化物：是一非平衡相，使向Fe3C转变的过渡相。
钢的淬火和回火
钢的热处理
❖ 钢的淬火和回火
1.1 钢的淬火 1.2 钢的回火
机械零件使用状态下的性能,一般由淬火和回火获得,所以淬 火和回火称为最终热处理。重要的机械零件通常都要经过淬火和 回火热处理,以提高零件的性能,充分发挥钢的潜力。
钢的热处理
1.1 钢的淬火
将钢件加热到Ac1(或Ac3)以上30～50℃,保温一定的时间,然后 以大于临界冷却速度冷却,以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工 艺,称为淬火
高温回火 回火素氏体 28~33 HRC
获得强度、塑性和韧 各种重要的结构件 性均较好的良好综合
力学性能
机械制造基础
淬火的主要目的：
获得马氏体
提高钢的硬 度和耐磨性
钢的热处理 1.1 钢的淬火
保温时间
淬火三要素
冷却速度
加热时间
钢的热处理
1.1 钢的淬火
1. 淬火加热温度
淬火加热温度主要取决于钢的成分,其经验公式如下
亚共析钢 T=Ac3+(30～50℃) 共析、过共析钢T=Ac1+(30～50℃)
钢的热处理
1.1 钢的淬火
通常将钢件淬火加高温回火 的复合热处理工艺称为调质
钢的热处理
回火方法 回火组织 硬 度 主要用途 目 的
低温回火
回火马氏体
60HR C以上
高碳钢或合金钢的 刃具、量具、具、 轴承以及渗碳钢淬 火后的回火处理
降低淬火应力和脆性
中温回火 回火托氏体 35~45 HRC
各种弹和较高的硬度
2. 淬火冷却介质及冷却方法
工件在淬火介质中的冷却速度必须大于其临界冷却速度 在保证获得马氏体组织的前提下,应选用冷却能力弱的淬火介质 碳素钢常用的冷却介质是水溶液,而合金钢常用油作为冷却介质
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21.对某些钢件，当其尺寸较小时，即使在空气 中冷却也能够得到马氏体组织，因而也属于淬 火。（ ）
30.因为碳素钢也能获得100%马氏体，所以合金 元素对钢获得马氏体组织无任何关系。（ ）
31.因为马氏体含碳量越高其硬度越高，而马氏 体含碳量与奥氏体的含碳量相同，所以，奥氏 体的含碳量越高，淬火后所组织的硬度也越高。 （）
细小、弥散的、高硬度的合金碳化 物，如Mo2C，使硬度反而提高。
（2）二次淬火 回火时A'中析出合金碳化物→ A'中 C% ↓ → Ms、Mf ↑, 随后冷却时A' →M
（四）回火种类
1. 低温回火（150～250 ℃）
——由M中析出极细小片状ε碳化物
（分级淬火或等温淬 火的冷却介质 ）
聚乙烯醇水溶液
钢的理想冷却曲线示意图
常用淬火介质及其冷却能力： 盐水 ＞ 水 ＞ 聚乙烯醇 ＞ 油＞空气
（２） 淬火方法
A1
a. 预冷淬火
加热、保温后先在空气 或热水中预冷一段时间 后，再放入淬火冷却介 质中。
b. 单液淬火
MS
一种淬火介质。
a
如：水冷、油冷
b
c
32.淬火后进行冷处理能提高硬度和尺寸稳定性。 （）
二、钢的回火
（一）回火： 淬火钢加热到A1以下，保温一定 时 间，然后冷却的热处理工艺。
（二）目的： 1. 降低脆性，减少或消除内应力、防止工件变形和
开裂。 2. 减少残余奥氏体，稳定组织、稳定尺寸。 3. 获得所要求的组织和性能。
如：M回、S回、T回等。
➢ 淬火+高温回火→调质处理，简称调质。
回火M
淬火M
T
回火T
T
回火S
S
（五）回火脆性
回火脆性：当回火温度升高时，在250~350 ℃和 500~650 ℃两个区出现冲击韧性明显下降的脆化现象。
第四节 钢的淬火与回火
一、钢的淬火 二、钢的回火
一、钢的淬火
淬火：将钢加热到Ac3（或Ac1）+30~50℃，保温一 定时间，然后迅速冷却获得马氏体的热处理工艺。 （一）钢的淬火工艺
1.淬火加热 （1）加热温度 亚共析钢：Ac3＋30～50℃ 完全淬火 共析钢、过共析钢：Ac1＋30～50℃ 不完全淬火
➢回火组织： 回火马氏体（M回）（过饱和α固溶体十ε 碳化物） ➢目的： 保持高硬度，降低脆性及残余应力。 ➢应用： 用于工模具钢、表面淬火及渗碳淬火件。
2. 中温回火(350 ～ 500℃)
——亚稳定ε 碳化物溶入α相中，从α相中析出细 粒状的渗碳体。
α相仍保持M形态。
➢组织： α相＋细粒状Fe3C→回火屈氏体（T回）。
目的：为了尽量减少钢中残余奥氏体的数 量以获得最大数量的马氏体。
冷处理就是将淬火钢继续冷却到－70～－80℃ （也可冷却到更低的温度），并保持一段时间， 使残余奥氏体在继续冷却中转变为马氏体。
作用：这样一方面可以提高钢的硬度和耐磨 性， 另一方面可以稳定工件的尺寸，防止在使用中变 形，这对于高精度的量具、精密零件尤为重要。
４. 碳化物的变化（250～400℃） 淬火马氏体完全分解，但α相仍保持板条状或针
状外形，碳化物全部转变为渗碳体 。
板条或针状α相和细小粒状的渗碳体组成 的机械混合物称为回火屈氏体
５.α相的回复与再结晶（＞400℃）
渗碳体逐渐聚集和球化，马氏体的板条状或 针状形态消失，形成多边形的铁素体 。 多边形的铁素体和粗粒状渗碳体的机械混合物 称为回火索氏体
➢目的： 硬度下降，韧性、弹性极限和屈服强度↑。 ➢应用： 用于弹性元件 ，如弹簧等。
3. 高温回火(500～650℃ ）
碳化物聚集长大及α相回复、再结晶 。
➢组织： 多边形α相＋颗粒状Fe3C→回火索氏体（S回）。 ➢目的： 较高的强度、硬度、塑性、韧性，即具有良好综 合力学性能，优于正火得到的组织。 ➢应用： 重要结构零件。如轴、螺栓、连杆、齿轮等。
（2） 加热时间（τH） ：
τH＝升温＋保温时间。 可根据经验或配合实验确定，也可参考热处理手册。
（3） 加热设备： 箱式电阻炉（或煤气炉） 可控气氛炉（渗碳、渗氮、碳氮共渗等） 真空加热炉 盐浴炉
箱式电阻炉
实验室电阻炉
燃气炉
真空炉
2. 淬火冷却 （１）冷却介质
水 油 盐水
硝盐浴和碱浴
井式回火炉
（三）淬火钢的回火转变及组织
1. 过饱和碳原子的偏聚（20～100℃） 马氏体中过饱和的碳原子将自发向晶体 缺陷处偏聚，使马氏体正方度下降。
２. 马氏体的分解（80℃～350℃） 马氏体分解后形成的低碳α相和弥散的ε碳化物组成 的复相组织称为回火马氏体
３. 残余奥氏体转变（250～300℃） A'→M回
3. 淬火组织
➢ 亚共析钢：
含C量<0.2%时:
M板条
含C量0.2 ～ 0.5％时: M板条+M片状
含C量> 0.5％时: （M板条+M片状）+A'
➢ 共 析 钢：（M板条+M片状） ＋A' ➢ 过共析钢： M片状＋A´＋Fe3C粒状
板条M 亚共析钢（20Cr）
板条M+针状M 亚共析钢（45钢）
回火时性能的变化 回火温度↑ → 硬度、强度↓ ， 塑性↑、韧性↑。
40钢的力学性能与回火温度的关系
合金元素对回火转变的影响
1. 提高回火稳定性 回火稳定性：指钢在回火时，抵抗回火造成软化的能力。
合金元素减缓回火的四 个过程。这对切削刀具 至关重要。
2. 产生二次硬化
强碳化物形成元素还可 在高温回火时析出弥散 的特殊碳化物，使钢的 硬度显著升高，造成二 次硬化
M 未溶Fe3C A'
过共析钢（T12A钢）
随堂思考题
17.感应加热、盐浴炉加热、箱式炉加热都可 以用来进行局部淬火。（ ）
18.先用油冷后用水冷可以预防工件的变形和 开裂。（ ）
19.先用水冷后用油冷可以预防工件的变形和 开裂。（ ）
20.分级淬火和等温淬火方法都能有效的减小 形状复杂零件在淬火时的变形。（ ）
时间
c. 双液淬火如:水-油、油-空气 各种淬火法的示意图
高温区：冷却能力较强的介质
低温 区：冷却能力较弱的介质
d. 分级淬火
在Ms以上或以下的盐 浴中保温然后空冷。
e. 等温淬火：
在下B转变区的盐浴或 碱浴中等温→下B
（等温温度和时间由该钢C 曲线定）
A1
MS
e
c
时间
各种淬火方法的示意图
（3）冷处理