四种焊后热处理方法

钢的热处理种类分为整体热处理和表面热处理两大类。

常用的整体热处理有退火，正火、淬火和回火；表面热处理可分为表面淬火与化学热处理两类。

正火
又称常化，是将工件加热至Ac3(Ac₃是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的终了温度)或Accm(Accm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化的临界温度线)以上
30~50℃，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。

其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化。

正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械性能也有所提高。

另外，正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。

正火的主要应用围有：
①用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切削加工的预处理。

②用于中碳钢，可代替调质处理作为最后热处理，也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理。

③用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等，可以消降或抑制网状碳化物的形成，从而得到球化退火所需的良好组织。

④用于铸钢件，可以细化铸态组织，改善切削加工性能。

⑤用于大型锻件，可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向。

⑥用于球墨铸铁，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件。

⑦过共析钢球化退火前进行一次正火，可消除网状二次渗碳体，以保证球化退火时渗碳体全部球粒化。

正火后的组织：亚共析钢为F+S，共析钢为S，过共析钢为S+二次渗碳体，且为不连续。

正火主要用于钢铁工件。

一般钢铁正火与退火相似，但冷却速度稍大，组织较细。

有些临界冷却速度（见淬火）很小的钢，在空气中冷却就可以使奥氏体转变为马氏体，这种处理不属于正火性质，而称为空冷淬火。

与此相反，一些用临界冷却速度较大的钢制作的大截面工件，即使在水中淬火也不能得到马氏体，淬火的效果接近正火。

钢正火后的硬度比退火高。

正火时不必像退火那样使工件随炉冷却，占用炉子时间短，生产效率高，所以在生产中一般尽可能用正火代替退火。

对于含碳量低于0.25%的低碳钢，正火后达到的硬度适中，比退火更便于切削加工，一般均采用正火为切削加工作准备。

对含碳量为0.25～0.5%的中碳钢，正火后也可以满足切削加工的要求。

对于用这类钢制作的轻载荷零件，正火还可以作为最终热处理。

高碳工具钢和轴承钢正火是为了消除组织中的网状碳化物，为球化退火作组织准备。

普通结构零件的最终热处理，由于正火后工件比退火状态具有更好的综合力学性能，对于一些受力不大、性能要求不高的普通结构零件可将正火作为最终热处理，以减少工序、节约能源、提高生产效率。

此外，对某些大型的或形状较复杂的零件，当淬火有开裂的危险时，正火往往可以代替淬火、回火处理，作为最终热处理。

正火是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。

大部分中、低碳钢的坯料一般都采用正火热处理。

一般合金钢坯料常采用退火，若用正火，由于冷却速度较快，使其正火后硬度较高，不利于切削加工。

回火
是将淬火钢加热到奥氏体转变温度以下，保温1到2小时后冷却的工艺。

回火往往是与淬火相伴，并且是热处理的最后一道工序。

经过回火，钢的组织趋于稳定，淬火钢的脆性降低，韧性与塑性提高，消除或者减少淬火应力，稳定钢的形状与尺寸，防止淬火零件变形和开裂，高温回火还可以改善切削加工性能。

依据加热温度不同，回火分为：
低温回火加热温度150-200℃。

淬火产生的马氏体保持不变，但是钢的脆性降低，淬火应力降低。

主要用于工具、滚动轴承、渗碳零件和表面淬火零件等要求高硬度的零件。

中温回火加热温度350-500℃。

回火组织为针状铁素体和细粒状渗碳体（FeC）的混合物，称为回火屈氏体。

中温回火能获得较高的弹性极限和韧性，主要用于弹簧和热作磨具回火。

高温回火加热温度500-600℃。

淬火加高温回火的连续工艺称为调质处理。

高温回火组织为多边形的铁素体（ferrite）和细粒状渗碳体（FeC）的混合组织，称为回火索氏体。

高温回火为了得到强度、硬度和塑性韧性等性能的均衡状态，主要用于重要结构零件的热处理，如轴、齿轮、曲轴等。

回火一般紧接着淬火进行，其目的是：
(a)消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂；
(b)调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；
(c)稳定组织与尺寸，保证精度；
(d)改善和提高加工性能。

因此，回火是工件获得所需性能的最后一道重要工序。

按回火温度围，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。

(1)低温回火
工件在250℃以下进行的回火。

目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性
回火后得到回火马氏体，指淬火马氏体低温回火时得到的组织。

力学性能：58～64HRC，高的硬度和耐磨性。

应用围：刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳及表面淬火的零件等。

(2)中温回火
工件在250～500 ℃之间进行的回火。

目的是得到较高的弹性和屈服点，适当的韧性。

回火后得到回火托氏体，指马氏体回火时形成的铁素体基体分布着极其细小球状碳化物（或渗碳体）的复相组织。

力学性能：35～50HRC，较高的弹性极限、屈服点和一定的韧性。

应用围：弹簧、锻模、冲击工具等。

(3)高温回火
工件在500℃以上进行的回火。

目的是得到强度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。

回火后得到回火索氏体，指马氏体回火时形成的铁素体基体分布着细小球状碳化物（包括渗碳体）的复相组织。

力学性能：200～350HBS，较好的综合力学性能。

应用围：广泛用于各种较重要的受力结构件，如连杆、螺栓、齿轮及轴类零件等。

工件淬火并高温回火的复合热处理工艺称为调质。

调质不仅作最终热处理，也可
钢淬火后在300℃左右回火时，易产生不可逆回火脆性，为避免它，一般不在250～350℃围回火。

含铬、镍、锰等元素的合金钢淬火后在500～650℃回火，缓冷易产生可逆回火脆性，为防止它，小零件可采用回火时快冷；大零件可选用含钨或钼的合金钢。

将淬火成马氏体的钢加热到临界点A1以下某个温度，保温适当时间，再冷到室温的一种热处理工艺。

回火的目的在于消除淬火应力，使钢的组织转变为相对稳定状态。

在不降低或适当降低钢的硬度和强度的条件下改善钢的塑性和韧性，以获得所希望的性能。

中碳和高碳钢淬火后通常硬度很高，但很脆，一般需经回火处理才能使用。

钢中的淬火马氏体，是碳在α-Fe中的过饱和固溶体,具有体心结构，其度c/a随含碳量的增加而增大(c/a=1+0.045wt%C)。

马氏体组织在热力学上是不稳定的，有向稳定组织过渡的趋势。

许多钢淬火后还有一定量的残留奥氏体，也是不稳定的，回火过
程中将发生转变。

因此，回火过程本质上是在一定温度围加热粹火钢，使钢中的热力学不稳定组织结构向稳定状态过渡的复杂转变过程。

转变的容和形式则视淬火钢的化学成分和组织，以及加热温度而有所不同（见马氏体相变）
碳钢的回火过程
淬火碳钢回火过程中的组织转变对于各种钢来说都有代表性。

回火过程包括马氏体分解，碳化物的析出、转化、聚集和长大，铁素体回复和再结晶，残留奥氏体分解等四类反应。

低、中碳钢回火过程中的转变示意地归纳在图1中。

根据它们的反应温度，可描述为相互交叠的四个阶段。

第一阶段回火（250℃以下）马氏体在室温是不稳定的,填隙的碳原子可以在马氏体进行缓慢的移动,产生某种程度的碳偏聚。

随着回火温度的升高，马氏体开始分解,在中、高碳钢中沉淀出ε-碳化物（图2），马氏体的度减小。

高碳钢在50～100℃回火后观察到的硬度增高现象，就是由于ε-碳化物在马氏体中产生沉淀硬化的结果（见脱溶）。

ε-碳化物具有密排六方结构，呈狭条状或细棒状，和基体有一定的取向关系。

初生的ε-碳化物很可能和基体保持共格。

在250℃回火后，马氏体仍保持含碳约0.25%。

含碳低于0.2%的马氏体在200℃以下回火时不发生ε-碳化物沉淀，只有碳的偏聚，而在更高的温度回火则直接分解出渗碳体。

回火
第二阶段回火(200～300℃) 残留奥氏体转变。

回火到200～300℃的温度围，淬火钢中原来没有完全转变的残留奥氏体，此时将会发生分解，形成贝氏体组织。

在中碳和高碳钢中这个转变比较明显。

含碳低于0.4%的碳钢和低合金钢，由于残留奥氏体量很少，所以这一转变基本上可以忽略不计。

第三阶段回火(200～350℃) 马氏体分解完成,度消失。

ε-碳化物转化为渗碳体
(Fe3C)。

这一转化是通过ε-碳化物的溶解和渗碳体重新形核长大方式进行的。

最初形成的渗碳体和基体保持严格的取向关系。

渗碳体往往在ε-碳化物和基体的界面上、马氏体界面上、高碳马氏体片中的孪晶界上和原始奥氏体晶粒界上形核（图3）。

形成的渗碳体开始时呈薄膜状，然后逐渐球化成为颗粒状的Fe3C。

回火第四阶段回火(350～700℃) 渗碳体球化和长大,铁素体回复和再结晶。

渗碳体从400℃开始球化，600℃以后发生集聚性长大。

过程进行中，较小的渗碳体颗粒溶于基体，而将碳输送给选择生长的较大颗粒。

位于马氏体晶界和原始奥氏体晶粒间界上的碳化物颗粒球化和长大的速度最快，因为在这些区域扩散容易得多。

铁素体在350～600℃发生回复过程。

此时在低碳和中碳钢中，板条马氏体的板条和板条界上的位错通过合并和重新排列，使位错密度显著降低，并形成和原马氏体板条束密切关联的长条状铁素体晶粒。

原始马氏体板条界可保持稳定到600℃；在高碳钢中,针状马氏体孪晶消失而形成的铁素体，此时也仍然保持其针状形貌。

在600～700℃间铁素体发生明显的再结晶，形成了等轴铁素体晶粒。

此后，Fe3C颗粒不断变粗，铁素体晶粒逐渐长大。

合金元素的影响
对一般回火过程的影响合金元素硅能推迟碳化物的形核和长大,并有力地阻滞ε-碳化物转变为渗碳体；钢中加入2%左右硅可以使ε-碳化物保持到400℃。

在碳钢中，马氏体的度于300℃基本消失，而含Cr、Mo、W、V、Ti和Si等元素的钢,在450℃甚至500℃回火后仍能保持一定的度。

说明这些元素能推迟铁碳过饱和固溶体的分解。

反之，Mn和Ni促进这个分解过程（见合金钢）。

合金元素对淬火后的残留奥氏体量也有很大影响。

残留奥氏体围绕马氏体板条成
细网络;经300℃回火后这些奥氏体分解，在板条界产生渗碳体薄膜。

残留奥氏体含量高时，这种连续薄膜很可能是造成回火马氏体脆性(300～350℃)的原因之一。

合金元素,尤其是Cr、Si、W、Mo等，进入渗碳体结构,把渗碳体颗粒粗化温度由350～400℃提高到500～550℃，从而抑制回火软化过程,同时也阻碍铁素体的晶粒长大。

特殊碳化物和次生硬化当钢中存在浓度足够高的强碳化物形成元素时，在温度为450～650℃围，能取代渗碳体而形成它们自己的特殊碳化物。

形成特殊碳化物时需要合金元素的扩散和再分配，而这些元素在铁中的扩散系数比C、N等元素要低几个数量级。

因此在形核长大前需要一定的温度条件。

基于同样理由，这些特殊碳化物的长大速度很低。

在450～650℃形成的高度弥散的特殊碳化物,即使长期回火后仍保持其弥散性。

图4表明，在450～650℃之间合金碳化物的形成对基体产生强化作用，使钢的硬度重新升高，出现峰值。

这一现象称为次生硬化。

回火
钢在回火后的性能
淬火钢回火后的性能取决于它的部显微组织；钢的显微组织又随其化学成分、淬火工艺及回火工艺而异。

碳钢在100～250℃之间回火后能获得较好的力学性能。

合金结构钢在200～700℃之间回火后的力学性能的典型变化如图5所示。

从图5可以看出,随着回火温度的升高，钢的抗拉强度σb单调下降；屈服强度σ0.3 先稍升高而后降低;断面收缩率ψ 和伸长率δ 不断改善；韧性(用断裂韧度K1c为指标)总的趋势是上升，但在300～400℃之间和500～550℃之间出现两个极小值，相应地被称为低温回火脆性与高温回火脆性。

因此，为了获得良好的综合力学性能，合金结构钢往往在三个不同温度围回火:超高强度钢约在200～300℃；弹簧钢在460℃附近；调质钢在550～650℃回火。

碳素及合金工具钢要求具有高硬度和高强度,回火温度一般不
超过200℃。

回火时具有次生硬化的合金结构钢、模具钢和高速钢等都在500～650℃围回火。

回火脆性
低温回火脆性许多合金钢淬火成马氏体后在250～400℃回火中发生的脆化现象。

已经发生的脆化不能用重新加热的方法消除，因此又称为不可逆回火脆性。

引起低温回火脆性的原因已作了大量研究。

普遍认为，淬火钢在250～400℃围回火时，渗碳体在原奥氏体晶界或在马氏体界面上析出，形成薄壳，是导致低温回火脆性的主要原因。

钢中加入一定量的硅，推迟回火时渗碳体的形成，可提高发生低温回火脆性的温度，所以含硅的超高强度钢可在300～320℃回火而不发生脆化，有利于改进综合力学性能。

高温回火脆性许多合金钢淬火后在500～550℃之间回火,或在600℃以上温度回火后以缓慢的冷却速度通过500～550℃区间时发生的脆化现象。

如果重新加热到600℃以上温度后快速冷却，可以恢复韧性,因此又称为可逆回火脆性。

已经证明,钢中P、Sn、Sb、As等杂质元素在500～550℃温度向原奥氏体晶界偏聚，导致高温回火脆性;Ni、Mn等元素可以和P、Sb等杂质元素发生晶界协同偏聚(cosegregation),Cr元素则又促进这种协同偏聚，所以这些元素都加剧钢的高温回火脆性。

相反，钼与磷交互作用，阻碍磷在晶界的偏聚，可以减轻高温回火脆性。

稀土元素也有类似的作用。

钢在600℃以上温度回火后快速冷却可以抑止磷的偏析，在热处理操作中常用来避免发生高温回火脆性。

淬火
淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或下贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。

也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。

淬火工艺
将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。

常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。

淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性，因而广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨的零件（如齿轮、轧辊、渗碳零件等）。

通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之间的配合（综合机械性能）以满足不同的使用要求。

另外淬火还可使一些特殊性能的钢获得一定的物理化学性能，如淬火使永磁钢增强其铁磁性、不锈钢提高其耐蚀性等。

淬火工艺主要用于钢件。

常用的钢在加热到临界温度以上时，原有在室温下的组织将全部或大部转变为奥氏体。

随后将钢浸入水或油中快速冷却，奥氏体即转变为马氏体。

与钢中其他组织相比，马氏体硬度最高。

淬火时的快速冷却会使工件部产生应力，当其大到一定程度时工件便会发生扭曲变形甚至开裂。

为此必须选择合适的冷却方法。

根据冷却方法，淬火工艺分为单液淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火和贝氏体等温淬火4类。

淬火效果的重要因素，淬火工件硬度要求和检测方法：
淬火工件的硬度
淬火工件的硬度影响了淬火的效果。

淬火工件一般采用洛氏硬度计，测试HRC 硬度。

淬火的薄硬钢板和表面淬火工件可测试HRA的硬度。

厚度小于0.8mm的淬火钢板、浅层表面淬火工件和直径小于5mm的淬火钢棒，可改用表面洛氏硬度计，测试HRN硬度。

在焊接中碳钢和某些合金钢时，热影响区中可能发生淬火现象而变硬，易形成冷裂纹，这是在焊接过程中要设法防止的。

由于淬火后金属硬而脆，产生的表面残余应力会造成冷裂纹，回火可作为在不影响硬度的基础上，消除冷裂纹的手段之一。

淬火对厚度、直径较小的零件使用比较合适，对于过大的零件，淬火深度不够，渗碳也存在同样问题，此时应考虑在钢材中加入铬等合金来增加强度。

淬火是钢铁材料强化的基本手段之一。

钢中马氏体是铁基固溶体组织中最硬的相(表1)，故钢件淬火可以获得高硬度、高强度。

但是，马氏体的脆性很大，加之淬火后钢件部有较大的淬火应力，因而不宜直接应用，必须进行回火。

表1钢中铁基固溶体的显微硬度值
淬火工艺的应用
淬火工艺在现代机械制造工业得到广泛的应用。

机械中重要零件，尤其在汽车、飞机、火箭中应用的钢件几乎都经过淬火处理。

为满足各种零件干差万别的技术要求，发展了各种淬火工艺。

如，按接受处理的部位，有整体、局部淬火和表面淬火；按加热时相变是否完全，有完全淬火和不完全淬火(对于亚共析钢，该法又称亚临界淬火)；按冷却时相变的容，有分级淬火，等温淬火和欠速淬火等。

工艺过程包括加热、保温、冷却3个阶段。

下面以钢的淬火为例，介绍上述三
个阶段工艺参数选择的原则。

淬火加热温度
以钢的相变临界点为依据，加热时要形成细小、均匀奥氏体晶粒，淬火后获得细小马氏体组织。

碳素钢的淬火加热温度围如图1所示。

淬火加热温度
由本图示出的淬火温度选择原则也适用于大多数合金钢，尤其低合金钢。

亚共析钢加热温度为Ac3温度以上30～50℃。

从图上看，高温下钢的状态处在单相奥氏体(A)区，故称为完全淬火。

如亚共析钢加热温度高于Ac1、低于Ac3温度，则高温下部分先共析铁素体未完全转变成奥氏体，即为不完全(或亚临界)淬火。

过共析钢淬火温度为Ac1温度以上30～50℃，这温度围处于奥氏体与渗碳体(A+C)双相区。

因而过共析钢的正常的淬火仍属不完全淬火，淬火后得到马氏体基体上分布渗碳体的组织。

这-组织状态具有高硬度和高耐磨性。

对于过共析钢，若加热温度过高，先共析渗碳体溶解过多，甚至完全溶解，则奥氏体晶粒将发生长大，奥氏体碳含量也增加。

淬火后，粗大马氏体组织使钢件淬火态微区应力增加，微裂纹增多，零件的变形和开裂倾向增加；由于奥氏体碳浓度高，马氏体点下降，残留奥氏体量增加，使工件的硬度和耐磨性降低。

常用钢种淬火的温度参见表2。

表2常用钢种淬火的加热温度
实际生产中，加热温度的选择要根据具体情况加以调整。

如亚共析钢中碳含量为下限，当装炉量较多，欲增加零件淬硬层深度等时可选用温度上限；若工件形状复杂，变形要求严格等要采用温度下限。

淬火加热温度围
淬火保温
淬火保温时间由设备加热方式、零件尺寸、钢的成分、装炉量和设备功率等多种因素确定。

对整体淬火而言，保温的目的是使工件部温度均匀趋于一致。

对各类淬火，其保温时间最终取决于在要求淬火的区域获得良好的淬火加热组织。

加热与保温是影响淬火质量的重要环节，奥氏体化获得的组织状态直接影响淬火后的性能。

-般钢件奥氏体晶粒控制在5～8级。

淬火冷却
要使钢中高温相——奥氏体在冷却过程中转变成低温亚稳相——马氏体，冷却速度必须大于钢的临界冷却速度。

工件在冷却过程中，表面与心部的冷却速度有-定差异，如果这种差异足够大，则可能造成大于临界冷却速度部分转变成马氏体，而小于临界冷却速度的心部不能转变成马氏体的情况。

为保证整个截面上都转变为马氏体需要选用冷却能力足够强的淬火介质，以保证工件心部有足够高的冷却速度。

但是冷却
速度大，工件部由于热胀冷缩不均匀造成应力，可能使工件变形或开裂。

因而要考虑上述两种矛盾因素，合理选择淬火介质和冷却方式。

冷却阶段不仅零件获得合理的组织，达到所需要的性能，而且要保持零件的尺寸和形状精度，是淬火工艺过程的关键环节。

淬火冷却
淬火方式
单介质淬火
工件在一种介质中冷却，如水淬、油淬。

优点是操作简单，易于实现机械化，应用广泛。

缺点是在水中淬火应力大，工件容易变形开裂；在油中淬火，冷却速度小，淬透直径小，大型工件不易淬透。

双介质淬火
工件先在较强冷却能力介质中冷却到300℃左右，再在一种冷却能力较弱的介质中冷却，如：先水淬后油淬，可有效减少马氏体转变的应力，减小工件变形开裂的倾向，可用于形状复杂、截面不均匀的工件淬火。

双液淬火的缺点是难以掌握双液转换的时刻，转换过早容易淬不硬，转换过迟又容易淬裂。

为了克服这一缺点，发展了分
分级淬火
工件在低温盐浴或碱浴炉中淬火，盐浴或碱浴的温度在Ms点附近，工件在这一温度停留2min～5min，然后取出空冷，这种冷却方式叫分级淬火。

分级冷却的目的，是为了使工件外温度较为均匀，同时进行马氏体转变，可以大大减小淬火应力，防止变形开裂。

分级温度以前都定在略高于Ms点，工件外温度均匀以后进入马氏体区。

现在改进为在略低于Ms 点的温度分级。

实践表明，在Ms 点以下分级的效果更好。

例如，高碳钢模具在160℃的碱浴中分级淬火，既能淬硬，变形又小，所以应用很广泛。

等温淬火
工件在等温盐浴中淬火，盐浴温度在贝氏体区的下部(稍高于Ms)，工件等温停留较长时间，直到贝氏体转变结束，取出空冷。

等温淬火用于中碳以上的钢，目的是为了获得下贝氏体，以提高强度、硬度、韧性和耐磨性。

低碳钢一般不采用等温淬火。

表面淬火
表面淬火是将刚件的表面层淬透到一定的深度，而心部分仍保持未淬火状态的一种局部淬火的方法。

表面淬火时通过快速加热，使刚件表面很快到淬火的温度，在热量来不及穿到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。