金属热处理讲解
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绪
论
金属热处理工艺在我国已有悠久的历史。热处理最早的史料记载
见于《汉书· 王褒传》中“清水粹其锋”之说，我国古代的热处理工 艺部分的记载于明代科学家宋应星《天工开物》一书中。他对于退
火、淬火、固体渗碳、形变热处理等均有生动的描述。大量事实表
明，我国曾是世界上发展和应用热处理技术最早的国家之一。
金属热处理的基本工艺是退火、正火、淬火、回火（包括时效）、 化学热处理及表面处理，近年来，随着材料科学的发展，传统的热 处理工艺内容不断地丰富，由于对组织与性能关系认识的深化，基 本热处理工艺也随之发生了许多的变革，并派生了许多优质和高效 能的工艺方法，如可控气氛热处理、激光热处理、气相沉积、真空
二、主要的热处理种类及作用
1.3.3 球化退火：为使钢中的碳化物呈球状化而进行的退火。将工件加热到Ac1以上2030℃，然后以不大于50℃/h的冷却速度随炉冷却下来，得到球状珠光体组织。
球化退火适用于共析钢及过共析钢，如炭素工具钢、合金工具钢、轴承钢等，这些钢 在锻造后，必须进行球化退火，才适于切削加工，同时也为最后的淬火做好组织准备。 1.3.4 去应力退火：为了去除由于塑性变形、焊接等原因造成的以及铸件内部存在的残 余应力而进行的退火。是将工件加热到略低于A1温度（一般取600-650℃），经保温后 缓慢冷却即可。去应力退火钢的组织不发生变化，只是消除内应力。 零件中存在的内应力是非常有害的，将使零件在加工及使用过程中发生变形，影响工 件的精度，引起材料发生意外的断裂。因此，锻造、铸造、焊接以及切削加工后（精度 要求高的工件）应采用去应力退火，以消除加工过程中产生的内应力。 正火与退火的差别主要是冷却速度，正火的冷却速度大于退火的冷却速度，是在自然
热处理等等。
一、钢的热处理
钢的热处理是将固态钢采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所 需组织结构与性能的一种工艺。
热处理的特点：是改变零件或者毛坯的内部组织，而不改变其形状和尺寸。 能进行热处理强化的材料必须满足：⑴有固态相变；⑵经冷加工使组织结 构处于热力学不稳定状态；⑶表面能被活性介质的原子渗入从而改变表面 化学成分
钢在加热时的组织转变 ：钢能进行热处理强化，是由于钢在固态下具有相 变，在固态下不发生相变的纯金属或合金则不能用热处理方法强化。
一、钢的热处理
钢在热处理的依据：在Ｆe-Fｅ3C相图中，A1、A3和Acm是碳钢在极缓慢 地加热或冷却时的相变温度，是平衡临界点。在实际生产中，加热和冷却 不可能极缓慢，因此不可能在平衡临界点进行组织转变。由图一所示，实
F/1148 G/912 H/1495
二、主要的热处理种类及作用
一）退火、正火 1.1 什么是退火、正火：将钢加热到临界点以上，保温一定时间随 后缓慢冷却，使其组织结构达到或接近平衡状态的热处理工艺称退 火或正火，得到珠光体组织，用符号“P”表示。 退火一般是在炉内随炉内温度缓冷、正火一般是在流动的空气中 冷却。 1.2 退火、正火的目的： 1. 改善或消除钢在铸造、锻造、和焊接过程中所造成的各种组织 缺陷。 2. 细化晶粒，改善钢中第二相的分布和形态，为以后的机加工及 热处理准备良好的组织状态。 3.消除内应力，降低硬度，改善组织便于切削加工。
流通的空气冷却，目的类同于退火但组织更加细化，力学性能优于退火。
工具钢热轧、锻后球化退火的目的 工具钢大都属于共析钢、过共析钢，热轧、锻后钢中珠光体是层 片状，过共析钢中的渗碳体则成网状，具有较高的硬度和淬火时 容易引起变形和开裂；如果钢中碳化物成球粒状，均匀分布在铁 素体基体上，则淬火变形和开裂的倾向大大减少，同时提高耐磨 性和韧性。故，热轧、锻后的工具钢需进行球化退火，使钢中渗 碳体全部球化，得到所谓粒状珠光体，硬度也明显下降。
点的符 C％/及含义 号/温度
A/1538 B/1495 C/1148 D/1227 E/1148 0/纯铁熔点 0.53/包晶转变点 4.3/共晶点L A+Fe3C 6.69/渗碳体熔点 2.11/C在γ-Fe中最大溶 解度 6.69/渗碳体 0/α-Fe与 γ-Fe转变点 0.09/碳在δ-Fe最大溶解 度
点的符 C％及含义 号/温度
J/1495 K/727 M/770 N/1394 O/770 P/727 S/727 Q/600 0.17/包晶转变点 6.69/渗碳体 纯铁磁性转变点 0/δ-Fe与 γ-Fe转变点 0.5/合金磁性转变点 0.0218/碳在α-Fe最大 溶解度 0.77/共析转变 0.0057/600 ℃时碳在αFe最大溶解度
二、主要的热处理种类及作用
பைடு நூலகம்
1.3 退火方法：常用的退火方法有完全退火、扩散退火、球化退火、去应力 退火等几种。 1.3.1 完全退火:将钢加热到Ac3以上，保温一定的时间使之完全转变成奥氏 体，随之缓慢冷却，获得接近平衡状态组织的工艺。 完全退火主要用于中碳钢及中、低碳合金钢的铸、锻件，改善组织、细化 晶粒、消除内应力及降低硬度。此工艺不适合于过共析钢，对于过共析钢使 用此工艺容易增加脆性。 1.3.2 扩散退火：专门用于改善化学成分不均匀的一种退火操作，加热温度 较高，一般在Ac3或ACcm以上150-300℃，根据材料偏析程度的不同选择温 度，通常在1100-1200℃之间加热。保温时间一般10-20小时，视材料偏析 程度调整。 扩散退火可以有效地改善材料成分的不均匀，但由于加热温度高、保温时间 长容易造成晶粒粗大，所以，扩散退火后必须增加完全退火或正火工序，以 使晶粒细化。 扩散退火适用于合金铸锭，大型铸件及亚共析钢中的带状组织、成分偏析。
际加热时各临界点的位置分别为图中的Ac1、Ac3
却时各临界点的位置分别为Ar1、Ar3和Arcm。
、Accm线，而实际冷
在图一中， S点成为共析点，此点的含碳量为 0.77% ，当钢中的含碳量
低于S点的碳量时，称为亚共析钢，当钢中的含碳量高于S 点的碳量时，
称为过共析钢。
图一
在铁碳平衡图上，按含碳量不同对钢和铸铁分类： 含碳量在0.0218％以下为工业纯铁 含碳量在2.11%以下为钢；0.0218—0.77％亚共析钢，0.77％共 析钢，0.77—2.11％过共析钢 含碳量在4.3％称为共晶生铁，含碳量在2.11—4.3％称为亚共晶 生铁，含碳量在4.3—6.69％称为过共晶生铁
论
金属热处理工艺在我国已有悠久的历史。热处理最早的史料记载
见于《汉书· 王褒传》中“清水粹其锋”之说，我国古代的热处理工 艺部分的记载于明代科学家宋应星《天工开物》一书中。他对于退
火、淬火、固体渗碳、形变热处理等均有生动的描述。大量事实表
明，我国曾是世界上发展和应用热处理技术最早的国家之一。
金属热处理的基本工艺是退火、正火、淬火、回火（包括时效）、 化学热处理及表面处理，近年来，随着材料科学的发展，传统的热 处理工艺内容不断地丰富，由于对组织与性能关系认识的深化，基 本热处理工艺也随之发生了许多的变革，并派生了许多优质和高效 能的工艺方法，如可控气氛热处理、激光热处理、气相沉积、真空
二、主要的热处理种类及作用
1.3.3 球化退火：为使钢中的碳化物呈球状化而进行的退火。将工件加热到Ac1以上2030℃，然后以不大于50℃/h的冷却速度随炉冷却下来，得到球状珠光体组织。
球化退火适用于共析钢及过共析钢，如炭素工具钢、合金工具钢、轴承钢等，这些钢 在锻造后，必须进行球化退火，才适于切削加工，同时也为最后的淬火做好组织准备。 1.3.4 去应力退火：为了去除由于塑性变形、焊接等原因造成的以及铸件内部存在的残 余应力而进行的退火。是将工件加热到略低于A1温度（一般取600-650℃），经保温后 缓慢冷却即可。去应力退火钢的组织不发生变化，只是消除内应力。 零件中存在的内应力是非常有害的，将使零件在加工及使用过程中发生变形，影响工 件的精度，引起材料发生意外的断裂。因此，锻造、铸造、焊接以及切削加工后（精度 要求高的工件）应采用去应力退火，以消除加工过程中产生的内应力。 正火与退火的差别主要是冷却速度，正火的冷却速度大于退火的冷却速度，是在自然
热处理等等。
一、钢的热处理
钢的热处理是将固态钢采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所 需组织结构与性能的一种工艺。
热处理的特点：是改变零件或者毛坯的内部组织，而不改变其形状和尺寸。 能进行热处理强化的材料必须满足：⑴有固态相变；⑵经冷加工使组织结 构处于热力学不稳定状态；⑶表面能被活性介质的原子渗入从而改变表面 化学成分
钢在加热时的组织转变 ：钢能进行热处理强化，是由于钢在固态下具有相 变，在固态下不发生相变的纯金属或合金则不能用热处理方法强化。
一、钢的热处理
钢在热处理的依据：在Ｆe-Fｅ3C相图中，A1、A3和Acm是碳钢在极缓慢 地加热或冷却时的相变温度，是平衡临界点。在实际生产中，加热和冷却 不可能极缓慢，因此不可能在平衡临界点进行组织转变。由图一所示，实
F/1148 G/912 H/1495
二、主要的热处理种类及作用
一）退火、正火 1.1 什么是退火、正火：将钢加热到临界点以上，保温一定时间随 后缓慢冷却，使其组织结构达到或接近平衡状态的热处理工艺称退 火或正火，得到珠光体组织，用符号“P”表示。 退火一般是在炉内随炉内温度缓冷、正火一般是在流动的空气中 冷却。 1.2 退火、正火的目的： 1. 改善或消除钢在铸造、锻造、和焊接过程中所造成的各种组织 缺陷。 2. 细化晶粒，改善钢中第二相的分布和形态，为以后的机加工及 热处理准备良好的组织状态。 3.消除内应力，降低硬度，改善组织便于切削加工。
流通的空气冷却，目的类同于退火但组织更加细化，力学性能优于退火。
工具钢热轧、锻后球化退火的目的 工具钢大都属于共析钢、过共析钢，热轧、锻后钢中珠光体是层 片状，过共析钢中的渗碳体则成网状，具有较高的硬度和淬火时 容易引起变形和开裂；如果钢中碳化物成球粒状，均匀分布在铁 素体基体上，则淬火变形和开裂的倾向大大减少，同时提高耐磨 性和韧性。故，热轧、锻后的工具钢需进行球化退火，使钢中渗 碳体全部球化，得到所谓粒状珠光体，硬度也明显下降。
点的符 C％/及含义 号/温度
A/1538 B/1495 C/1148 D/1227 E/1148 0/纯铁熔点 0.53/包晶转变点 4.3/共晶点L A+Fe3C 6.69/渗碳体熔点 2.11/C在γ-Fe中最大溶 解度 6.69/渗碳体 0/α-Fe与 γ-Fe转变点 0.09/碳在δ-Fe最大溶解 度
点的符 C％及含义 号/温度
J/1495 K/727 M/770 N/1394 O/770 P/727 S/727 Q/600 0.17/包晶转变点 6.69/渗碳体 纯铁磁性转变点 0/δ-Fe与 γ-Fe转变点 0.5/合金磁性转变点 0.0218/碳在α-Fe最大 溶解度 0.77/共析转变 0.0057/600 ℃时碳在αFe最大溶解度
二、主要的热处理种类及作用
பைடு நூலகம்
1.3 退火方法：常用的退火方法有完全退火、扩散退火、球化退火、去应力 退火等几种。 1.3.1 完全退火:将钢加热到Ac3以上，保温一定的时间使之完全转变成奥氏 体，随之缓慢冷却，获得接近平衡状态组织的工艺。 完全退火主要用于中碳钢及中、低碳合金钢的铸、锻件，改善组织、细化 晶粒、消除内应力及降低硬度。此工艺不适合于过共析钢，对于过共析钢使 用此工艺容易增加脆性。 1.3.2 扩散退火：专门用于改善化学成分不均匀的一种退火操作，加热温度 较高，一般在Ac3或ACcm以上150-300℃，根据材料偏析程度的不同选择温 度，通常在1100-1200℃之间加热。保温时间一般10-20小时，视材料偏析 程度调整。 扩散退火可以有效地改善材料成分的不均匀，但由于加热温度高、保温时间 长容易造成晶粒粗大，所以，扩散退火后必须增加完全退火或正火工序，以 使晶粒细化。 扩散退火适用于合金铸锭，大型铸件及亚共析钢中的带状组织、成分偏析。
际加热时各临界点的位置分别为图中的Ac1、Ac3
却时各临界点的位置分别为Ar1、Ar3和Arcm。
、Accm线，而实际冷
在图一中， S点成为共析点，此点的含碳量为 0.77% ，当钢中的含碳量
低于S点的碳量时，称为亚共析钢，当钢中的含碳量高于S 点的碳量时，
称为过共析钢。
图一
在铁碳平衡图上，按含碳量不同对钢和铸铁分类： 含碳量在0.0218％以下为工业纯铁 含碳量在2.11%以下为钢；0.0218—0.77％亚共析钢，0.77％共 析钢，0.77—2.11％过共析钢 含碳量在4.3％称为共晶生铁，含碳量在2.11—4.3％称为亚共晶 生铁，含碳量在4.3—6.69％称为过共晶生铁