机械制造基础

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第四章钢的热处理

一、概述 1、热处理的概念钢的热处理是指将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。 • 热处理的目的是： • 显著提高钢的力学性能，发挥钢材的潜力 • 提高工件的使用性能和寿命 • 还可以消除毛坯（如铸件、锻件等）中缺陷，改善其工艺性能，为后续工序作组织准备。

2、热处理的分类 钢的热处理种类很多，根据加热和冷却方法不同，大致分类如下：普通热处理：退火、正火、淬火、回火感应加热表面淬火表面淬火：火焰加热表面淬火热处理激光加热表面淬火化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗

二、钢在加热时的组织转变 在Fe-Fe3C相图中，共析钢加热超过PSK线（A1）时，其组织完全转变为奥氏体。亚共析钢和过共析钢必须加热到GS线（A3）和ES线（Acm）以上才能全部转变为奥氏体。相图中的平衡临界点A1、A3、Acm 是碳钢在极缓慢地加热或冷却情况下测定的。如右图所示。加热(冷却) 时Fe-Fe3C 相图中各临界点的位置

在实际生产中，加热和冷却并不是极其缓慢的。因此，钢的相变过程不可能在平衡临界点进行。加热转变在平衡临界点以上进行，冷却转变在平衡临界点以下进行。加热和冷却速度越大，其偏离平衡临界点也越大。在实际生产中，加热和冷却并不是极其缓慢的。因此，钢的相变过程不可能在平衡临界点进行。加热转变在平衡临界点以上进行，冷却转变在平衡临界点以下进行。加热和冷却速度越大，其偏离平衡临界点也越大。为了区别于平衡临界点，通常将实际加热时各临界点标为Ac1、 Ac3 、Accm；实际冷却时各临界点标为Ar1、Ar3、Arcm。如右图所示。加热(冷却) 时Fe-Fe3C 相图中各临界点的位置

1、奥氏体的形成 由Fe-Fe3C相图可知，任何成分的碳钢加热到相变点Ac1以上都会发生珠光体向奥氏体转变，热处理时进行Ac1 以上加热的目的，就是为了得到奥氏体，通常把这种转变过程称为奥氏体化。共析钢加热到Ac1以上由珠光体全部转变为奥氏体，这一转变可表示为： P （ F + Fe3C ） → A 0.0218%ωc 6.69%ωc 0.77 %ωc 体心立方晶格复杂晶格面心立方晶格由上式看出,珠光体向奥氏体转变是由碳质量分数、晶格均不同的两相混合物转变成为另一种晶格的单相固溶体过程，因此，转变过程中必须进行碳原子和铁原子的扩散，才能进行碳的重新分布和铁的晶格改组，即发生相变。

奥氏体的形成是通过形核与长大过程来实现的，其转变过程分为三个阶段，如图所示。奥氏体的形成是通过形核与长大过程来实现的，其转变过程分为三个阶段，如图所示。 • 第一阶段是奥氏体的形核与长大 • 第二阶段是剩余渗碳体的溶解 • 第三阶段是奥氏体成分均匀化。亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析碳钢基本相同，不同处在于亚共析碳钢、过共析碳钢在Ac1稍上温度时，还分别有铁素体、二次渗碳体未变化。所以，它们的完全奥氏体化温度应分别为Ac3 、Accm以上。

2、奥氏体晶粒的长大及影响因素 钢在加热时，奥氏体的晶粒大小直接影响到热处理后钢的性能。加热时奥氏体晶粒细小，冷却后组织也细小；反之，组织则粗大。钢材晶粒细化，即能有效的提高强度，又能明显提高塑性和韧性。因此，在选用材料和热处理工艺上，如何获得细的奥氏体晶粒，对工件使用性能和质量都具有重要意义。

（1）奥氏体晶粒度 晶粒度是表示晶粒大小的一种量度。有本质粗晶粒度和本质细晶粒度之分。 5～8级的钢为本质细晶粒度的钢。 1～4级的钢为本质粗晶粒度钢。钢的晶粒度等级

（2）影响奥氏体晶粒度的因素 • 加热温度和保温时间奥氏体起始晶粒是很细小的，随加热温度升高，奥氏体晶粒逐渐长大，晶界总面积减少而系统的能量降低。所以，在高温下保温时间越长，越有利于晶界总面积减少而导致晶粒粗大。奥氏体晶粒长大倾向示意图

钢的成分 • 对于亚共析钢随奥氏体中碳的质量分数增加时，奥氏体晶粒的长大倾向也增大。但对于过共析钢部分碳以渗碳体的形式存在，当奥氏体晶界上存在未溶的剩余渗碳体时，有阻碍晶粒长大的作用。 • 钢中加入能形成稳定碳化物元素，如钨、钛、钒、铌等时，钢中能形成高熔点化合物，并存在于奥氏体晶界上，有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。 • 锰和磷是促进奥氏体晶粒长大的元素。

三、钢在冷却时的组织转变 加热时钢的奥氏体化，一般不是热处理的目的，它仅为随后的冷却转变作准备。冷却过程是热处理的关键工序，它决定着钢热处理后的组织与性能。在实际生产中，钢在热处理时采用的冷却方式通常是两种： • 等温冷却，如a图所示 • 连续冷却，如b图所示两种冷却方式示意图

1、过冷奥氏体的等温转变 奥氏体在临界温度以上是一稳定相，能够长期存在而不转变。一旦冷却到临界温度以下，则处于热力学的不稳定状态，称为“过冷奥氏体”，它总是要转变为稳定的新相。过冷奥氏体等温转变反映了过冷奥氏体在等温冷却时组织转变的规律。

（1）过冷奥氏体的等温转变曲线 • 右图为过冷奥氏体的等温转变曲线： • A1以下转变开始以左的区域是过冷奥氏体区； • A1以下，转变终了线以右和Ms点以上的区域为转变产物区； • 在转变开始线与转变终了线之间的区域为过冷奥氏体和转变产物共存区。 • Ms线和Mf线是马氏体转变开始线和终了线。

共析碳钢的奥氏体在A1 温度以下不同温度范围内会发生三种不同类型的转变： • 珠光体转变 • 贝氏体转变 • 马氏体转变

1）珠光体转变——高温转变（A1～550℃） 在（A1～550℃）温度区间，过冷奥氏体的转变产物为珠光体型组织，都是由铁素体和渗碳体的层片组成的机械混合物。由于过冷度不同，铁素体和渗碳体的片层间距也不同，根据片间距的大小，将珠光体分为以下三种： • 珠光体：形成温度为A1 ～650℃,片层较厚,用符号“P”表示。 • 索氏体：形成温度为650～600℃,片层较薄,用符号“S”表示。 • 托氏体：形成温度为600～550℃,片层极薄,用符号“T”表示。层片越薄，其强度、硬度越高。珠光体、索氏体、屈氏体三种组织，在形态上只有厚薄片之分，并无本质区别，统称为珠光体型组织。

2）贝氏体转变——中温转变（550℃～Ms） 共析成分的奥氏体过冷到C曲线“鼻端”到Ms线的区域，即（550～230）℃的温度范围，将发生奥氏体向贝氏体转变，如右图所示。贝氏体以符号“B”表示。贝氏体是由过饱和碳的铁素体与碳化物组成的两相机械混合物。常见的贝氏体组织形态有以下两种： • 上贝氏体（B上） • 下贝氏体（B下）

上贝氏体（B上） 过冷奥氏体在（550～350）℃范围内转变产物，在显微镜下呈羽毛状，称为上贝氏体（B上）。上贝氏体强度低、塑性差、脆性大，生产上很少采用。 • 下贝氏体（B下）过冷奥氏体在350℃～Ms温度范围内的转变产物为下贝氏体，在显微镜下呈暗黑色针状或竹叶状，称为下贝氏体（B下）。下贝氏体具有高的强度和硬度45HRC～55HRC，好的塑性、韧性。生产中常采用等温淬火获得高强韧性的下贝氏体组织。上贝氏体下贝氏体

3）马氏体转变——低温转变（<Ms） 奥氏体被迅速冷却至Ms温度以下便发生马氏体转变。马氏体以符号M表示。应指出，马氏体转变不属于等温转变，而是在极快的连续冷却过程中形成。详细内容将在过冷奥氏体连续冷却转变中介绍。

2、亚共析碳钢与过共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变2、亚共析碳钢与过共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变（1）亚共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变亚共析碳钢在过冷奥氏体转变为珠光体之前，首先析出先共析相铁素体，所以在C曲线上还有一条铁素体析出线，如右图所示

（2）过共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变 过共析碳钢在过冷奥氏体转变为珠光体之前，首先析出先共析相二次渗碳体，所以C曲线上还有一条二次渗碳体析出线，如右图所示。

右图为共析碳钢连续冷却转变曲线： 3、过冷奥氏体的连续冷却转变 • 实际冷却速度 Vc′（炉冷、空冷） • 珠光体转变 • 组织：珠光体和索氏体 • 实际冷却速度 Vc，（水冷） • 马氏体转变 • 组织：马氏体 • Vc′ Vs Vc：（油冷） • 组织：Ms以上：P（屈氏体）+A • Ms以下：P（屈氏体）+M νc是奥氏体全部过冷到Ms 点以下转变为马氏体的最小冷却速度，通常叫作临界淬火冷却速度。

4、马氏体转变 当转变温度在Ms和Mf之间时，即有马氏体组织转变。马氏体是碳在α-Fe中过饱和的固溶体，用符号“M”表示。（1）马氏体的组织形态马氏体组织形态分为板条状和针状两大类： • 板条马氏体：显微组织如图所示。形态呈细长的扁棒状，显微组织为细条状。 • 针状马氏体：显微组织如图所示。形态呈双凸透镜的片状，显微组织为针状。板条马氏体针状马氏体马氏体的形态取决于碳含量。当wC＜0.2%时，为板条M；当wC ＞1.0%时，为针状M；当wC ＝0.2 %～１.0%时，为板条和针状的混合组织。

（2）马氏体的性能 马氏体的强度与硬度主要取决于马氏体中碳的质量分数，如图所示。 • 碳含量：如碳含量增加，其硬度就增加。所以马氏体是钢的主要强化手段之一。 • 塑性和韧性：马氏体的塑性与韧性随碳的质量分数增高而急剧降低。主要取决于亚结构形式和碳在马氏体中的过饱和度。

（3）马氏体转变的不完全性 一般钢中，马氏体转变是在不断降温中（Ms – Mf）进行的，所以转变具有不完全性特点，转变后总有部分残余奥氏体存在。钢碳的质量分数越高，Ms 、 Mf温度越低，淬火后残余奥氏体（AR）越多。随着碳的质量分数或合金元素（除Co外）增加，马氏体转变点不断降低，碳的质量分数大于0.5%的碳钢和许多合金钢的Mf都在室温以下。由于残余奥氏体不稳定，可采用冷处理使之继续向马氏体转变。冷处理可达到增加硬度、耐磨性与稳定工件尺寸的目的。

四、钢的退火与正火 常用热处理工艺可分为两类： • 预先热处理预先热处理是消除坯料、半成品中的某些缺陷，为后续的冷加工和最终热处理作组织准备。 • 最终热处理最终热处理是使工件获得所要求的性能。

1、退火与正火的目的 退火和正火是生产中应用很广泛的预备热处理工艺，主要用于改善材料的切削加工性能。对于一些受力不大、性能要求不高的机器零件，也可以做为最终热处理。其目的是: • 调整硬度以便进行切削加工。 • 消除残余应力。 • 细化晶粒，改善组织。 • 为最终热处理做好组织上的准备。

2、退火 是将钢加热到适当的温度，保温一定时间，随炉缓慢冷却的一种热处理工艺。根据钢的成分、退火工艺与目的不同，退火常分为完全退火、球化退火、等温退火、均匀化退火、去应力退火和再结晶退火等，如图所示。

亚共析钢加热到Ac3以上，共析钢加热到Ac1以上20～30℃，保温后快速冷却到稍低于Ar1的温度后进行等温处理,使A转变为P,再在空气中冷却。目的与完全退火相同，但时间可缩短一半，适用于大批生产。亚共析钢加热到Ac3以上，共析钢加热到Ac1以上20～30℃，保温后快速冷却到稍低于Ar1的温度后进行等温处理,使A转变为P,再在空气中冷却。目的与完全退火相同，但时间可缩短一半，适用于大批生产。加热到Ac3以上30～50℃，保温后随炉冷到600℃以下，再出炉空气冷却。目的是细化晶粒，消除内应力，降低硬度以便于切削加工。（1）完全退火（2）等温退火

将过共析钢加热到Ac1以上20～30℃，保温后随炉冷到700℃左右，再出炉空气冷却。使渗碳体球化，降低硬度，改善切削加工性。将过共析钢加热到Ac1以上20～30℃，保温后随炉冷到700℃左右，再出炉空气冷却。使渗碳体球化，降低硬度，改善切削加工性。将钢加热到500～650℃,保温后随炉冷却。目的是消除残余应力,提高工件的尺寸稳定性。（3）球化退火（4）去应力退火

在再结晶温度以上的退火，不发生同素异构转变。目的是消除加工硬化，细化晶粒。在再结晶温度以上的退火，不发生同素异构转变。目的是消除加工硬化，细化晶粒。将工件加热到1100℃左右，保温10～15h，随炉缓冷到350℃，再出炉空冷。高温下长期保温的目的是使原子充分扩散，消除晶内偏析。（5）再结晶退火（6）均匀化退火

3、正火 是将钢加热Ac3或Acm以上30～50C，保温适当时间，在空气中冷却的一种热处理工艺。正火与退火的主要区别是：正火的冷却速度较快，过冷度较大，因此正火后所获得的组织比较细，强度和硬度比退火高一些。退火后组织正火后组织

正火是成本较低和生产率较高的热处理工艺。在生产中应用如下：正火是成本较低和生产率较高的热处理工艺。在生产中应用如下： • 对于要求不高的结构零件，可作最终热处理 • 改善低碳钢的切削加工性 • 作为中碳结构钢的较重要工件的预先热处理 • 消除过共析钢中二次渗碳体网，为球化退火作组织准备

五、钢的淬火 淬火是将钢件加热到Ac3或Ac1以上（30～50）℃，保温一定时间，然后以大于淬火临界冷却速度冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。淬火的目的是：提高金属材料的强度和硬度，增加耐磨性。既要得到马氏体组织，同时又要避免产生变形和开裂。

1、钢的淬火工艺 （1）淬火加热温度的选择选择淬火加热温度的原则是获得均匀细小的奥氏体。一般淬火加热温度在临界点以上。 • 亚共析钢： Ac3+（30～50C） • 共析钢： • 过共析钢： Ac1+（30～50C）

（2）淬火冷却介质 为了获得理论的淬火效果必须采用适宜的淬火介质和淬火方法。目前常用的淬火介质有水、油和盐浴。常用的淬火冷却介质的冷却能力如下表所示：

理想冷却曲线： 为了保证得到马氏体组织，淬火速度必须大于临界冷却速度Vk，但往往会引起工件变形和开裂。要想既得到马氏体又避免变形和开裂，理想的淬火冷却曲线如图所示。

（3）淬火方法 由于目前没有理想的淬火介质，因而淬火方法是根据工件特点（化学成分、形状与尺寸、技术要求等），结合各种淬火冷却介质特点而定。常用淬火方法有：

1）单液淬火法 将加热的工件放入一种淬火介质中连续冷却至室温的操作方法，如水淬、油淬等。 • 优点是：单介质淬火操作简单，易实现机械化、自动化应用广泛。 • 缺点是：水淬容易变形或开裂；油淬大型零件容易产生硬度不足现象。

2）双液淬火法 将加热的工件放入一种冷却能力较强的介质中冷却，然后转入另一种冷却能力较弱的介质冷却的淬火方法。如水淬油冷或油淬空冷。 • 这种工艺的缺点是不易掌握从一种淬火介质转入另一种淬火介质的时间，要求有熟练的操作技艺。 • 双液淬火主要用于形状复杂的高碳钢工件及大型合金钢工件。

3）马氏体分级淬火 将加热的工件在Ms点附近的盐浴或碱浴中淬火，然后取出缓冷的淬火方法。其特点是显著减少淬火变形与开裂，是用于截面尺寸较小淬透性较高的钢件。 • 这种工艺特点是在钢件内外温度基本一致时，使过冷奥氏体在缓冷条件下转变成马氏体，从而减少变形。 • 这种工艺的缺点是由于钢中在盐浴和碱浴中冷却能力不足，只适用尺寸较小的零件。

4）贝氏体等温淬火 将加热工件在稍高于Ms点附近温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间而获得下贝氏体组织的淬火方法。 • 其特点是工件具有良好的综合力学性能，一般不必回火。 • 多用于形状复杂和要求较高的小件。

5）局部淬火 对于有些工件，如果只是局部要求高硬度，可将工件整体加热后进行局部淬火。为了避免工件其它部分产生变形和开裂，也可局部进行加热淬火冷却。

2、钢的淬透性与淬硬性 • 钢的淬透性是钢在淬火时，获得马氏体组织深度的能力，其大小用钢在一定条件下淬火获得的淬硬层深度来表示。影响淬透性的主要原因是钢的化学成分。 • 钢的淬硬性是淬火能达到的最高硬度。影响淬硬性的主要原因是马氏体的含碳量。如左图所示。

六、钢的回火 将淬火钢重新加热到Acl点以下的某一温度，保温一定时间后冷却到室温的热处理工艺称为回火。一般淬火件必须经过回火才能使用。回火的目的： • 获得工件所要求的力学性能 • 稳定工件尺寸 • 降低脆性，消除或减少内应力

1、淬火钢在回火时组织的转变 钢经淬火后，获得马氏体与残余奥氏体是亚稳定相。在回火加热、保温中，都会向稳定的铁素体和渗碳体(或碳化物)的两相组织转变。根据碳钢回火时发生的过程和形成组织，一般回火分为四个转变。 • 马氏体分解 • 残余奥氏体的转变 • 碳化物的转变 • 渗碳体的聚集长大和铁素体再结晶

2、回火种类与应用 根据对工件力学性能要求不同，按其回火温度范围，可将回火分为三种。（1）低温回火淬火钢件在250℃以下回火称低温回火。低温回火后组织为回火马氏体，基本上保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，淬火内应力有所降低。回火后硬度为58HRC～64HRC。主要用于要求高硬度、高耐磨性的刃具、冷作模具、量具和滚动轴承，渗碳、碳氮共渗和表面淬火的零件。

（2）中温回火 淬火钢件在350～500℃之间回火称为中温回火。中文回火后组织为回火屈氏体。具有高的屈强比，高的弹性极限和一定的韧性，淬火内应力基本消除。回火后硬度一般为35HRC～50HRC。中温回火常用于各种弹簧和模具热处理。

（3）高温回火 淬火钢件在500～650℃回火称为高温回火。高温回火后组织为回火索氏体，具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。回火后硬度一般为200HBW～330HBW。高温回火广泛用于汽车、拖拉机、机床等承受较大载荷的结构零件的热处理，如连杆、齿轮、轴类、高强度螺栓等。淬火+高温回火调质处理调质一般作为最终热处理，但也作为表面淬火和化学热处理的预先热处理。调质后的硬度不高，便于切削加工，并能获得较低得表面粗糙度值。

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