第一节 钢的退火与正火第二节 钢的淬火与回火第三节 其他类型热处理第十章 钢的热处理工艺本章目的：介绍钢的常用热处理工艺及其应用 本章重点： （1）各类热处理（退火、正火、淬火、 回火）工艺—组织－性能－应用的规律 和特点； （2）淬透性、淬硬性的概念与应用热处理工艺是根据钢在加热和冷却过程 中组织转变规律制定具体加热时间、保温 时间和冷却方式的一些参数根据热处理零件生产工艺流程中位置和 作用，可分为：预备热处理、最终热处理热处理工艺种类很多，根据加热、冷却 方式、以及获得组织和性能不同，如下分 类：热处理分类• 普通热处理：退火、正火、淬火、回火 • 表面热处理：表面淬火化学热处理 • 形变热处理：形变热处理磁场热处理如：控制轧制第一节 钢的退火与正火退火和正火生产应用很广的预备热处理工 艺一些受力不大、性能要求不高的机械零 件，也可以最为最终热处理，比如铸件退火 或正火就是最终热处理钢退火根据加热温度分为如下两类：退火定义：钢加热到适当温度，保温一定时间 后缓慢随炉冷却或控制其冷速，获平衡 组织的工艺~参见教材“高于或低于AC1”AC1S分类（P231图9.1）（1）高温退火（相变重结晶退火）T加热AC1或AC3（2）低温退火T加热AC1完全退火不完全退火与球化退火等温退火扩散退火去应力退火再结晶退火.（一）完全退火定义：将钢件或毛坯加热到 Ac3以上20℃~30℃， 保温一段时间，使钢中组织完全转变成奥氏体后，缓 慢冷却(一般为随炉冷却)到500℃~600出炉，在空气中 冷却下来。
所谓“完全”是指加热时获得完全的奥氏体组织 采用随炉缓冷可以保证先共析铁素体的析出和过 冷奥氏体在Ar1以下较高温度范围内转变为珠光体目的：细化晶粒，均匀组织；达到消除内应力和 热加工缺陷，降低硬度和改善切削加工性能的如：中碳钢铸件，常见的缺陷有魏氏组织、晶粒 粗大、焊接件焊缝处组织不均匀，内应力用完全退 火发生重结晶，缺陷得以消除一、退火目的及工艺• 适用范围 • 主要适用于含碳量为 0.25%~0.77%的亚 共析成分的碳钢、合金钢和工程铸件、锻件 和热轧型材 • 过共析钢不宜采用完全退火，因为过共 析钢加热至Accm以上缓慢冷却时，二次渗碳 体会以网状沿奥氏体晶界析出，使钢的强度 、塑性和冲击韧性显著下降• 工件在退火温度下的保温时间不仅要使工件 烧透，即工件心部达到要求的加热温度，而且要 保证全部得到均匀化的奥氏体 • 完全退火保温时间与钢材成分、工件厚度、 装炉量和装炉方式等因素有关 • 保温时间Γ=KDmin D-工件有效厚度 • K-加热系数，一般取1.5~2.0min/mm • 亚共析钢一般经验公式： • Γ=（3~4）+（0.2~0.5）Q • Q为装炉量（t) • • 等温退火 • 将钢件或毛坯加热至 Ac3(或Ac1)以上 20℃～30℃，保温一定时间后，较快地冷却 至过冷奥氏体等温转变曲线“鼻尖”温度附 近并保温(珠光体转变区)，使奥氏体转变为 珠光体后，再缓慢冷却下来，这种热处理方 式为等温退火。
• 等温退火的目的与完全退火相同，但是 等温退火时的转变容易控制，能获得均匀的 预期组织 • 对于大型制件及合金钢制件较适宜，可 大大缩短退火周期不完全退火是将钢加热至Ac1～Ac3（亚共 析钢）或Ac1～Accm（过共析钢）之间，经保温 后缓慢冷却以获得近于平衡组织的热处理工 艺由于加热至两相区温度，组织没有完全 奥实体化，基本上不改变先共析铁素体或渗 碳体的形态及分布如果亚共析钢原始组织中的铁素体已均 匀细小，只是珠光体片间距小，硬度偏高， 内应力较大，那么只要进行不完全退火即可 达到降低硬度、消除内应力的目的 （二）不完全退火球化退火是使钢中碳化物球化，获得粒状 珠光体的一种热处理工艺其目的是降低硬度，均匀组织，改善切 削加工性，并为淬火作组织准备三）球化退火图10-2 碳素工具钢（T7～T10）的几种球化退火工艺• 球化退火主要适用于碳素工具钢、合金 弹簧钢、滚动轴承钢和合金工具钢等共析 钢和过共析钢(含碳量大于0.77%) • 举例：共析钢锻件在锻后组织为一般细 片状珠光体，如果锻后不当，出现了网状 渗碳体，不仅硬度高，难以进行加工，增 大钢脆性，淬火时容易开裂，因此锻后球 化退火使碳化物球化，获得粒状珠光体组 织。
• 温度不宜过高， Ac1以上20℃～30℃保 温时间为2~4h • 炉冷或者在Ar1以下20 ℃ 左右以下进行较 长时间等温处理常用球化退火主要有三种：一次球化退火（a), Ac1以上20℃～30℃, 保温后，缓冷（20～60℃/h),待炉冷至600℃ 以下出炉• 等温球化退火（b), Ac1以上20℃～30℃,保 温后，快冷Ar1 20℃左右，等温3~6h,再随炉 冷至600℃以下出炉空冷往复球化退火（c) 加热、保温、随炉 冷却，如此反复，最后冷至室温，获得粒 状珠光体工艺比较繁琐但是钢原始组织不允许有网状碳化物， 如果有需要先进行正火，消除网状碳化物退火目的及工艺均匀化退火又称扩散退火，它是将钢锭、铸件 或锻坯加热至略低于固相线的温度下长时间保温， 然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理 工艺其目的是消除铸锭或铸件在凝固过程中产生 的枝晶偏析及区域偏析，使成分和组织均匀化四）均匀化退火退火目的及工艺为了消除铸件、锻件、焊接件及机械加工工件 中的残留内应力，以提高尺寸稳定性，防止工件变 形和开裂，在精加工或淬火之前将工件加热到Ac1以 下某一温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处 理工艺称为去应力退火。
再结晶退火是把冷变形后的金属加热到再结晶 温度以上保持适当的时间，使变形晶粒重新转变为 均匀等轴晶粒，同时消除加工硬化和残留内应力的 热处理工艺经过再结晶退火，钢的组织和性能恢 复到冷变形前的状态五）去应力退火和再结晶退火正火可以作为预备热处理，为机械加工提供 适宜的硬度，又能细化晶粒，消除应力,消除魏氏 组织和带状组织，为最终热处理提供合适的组织 状态正火还可作为最终热处理，为某些受力较 小、性能要求不高的碳素钢结构零件提供合适的 力学性能正火还能消除过共析钢的网状碳化物 ，为球化退火作好组织准备对于大型工件及形 状复杂或截面变化剧烈的工件，用正火代替淬火 和回火可以防止变形和开裂二、正火目的及工艺正火目的及工艺正火工艺是较简单、经济的热处理方法，主要 应用于以下几方面：1.改善低碳钢的切削加工性能2．消除中碳钢的热加工缺陷3．消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火4.提高普通结构件的力学性能生产上退火和正火工艺的选择应当根据钢种， 冷、热加工工艺，零件的使用性能及经济性综合考 虑三、退火和正火的选用第二节 钢的淬火与回火（一）淬火应力 工件在淬火过程中会发生形状和尺寸的变化， 有时甚至要产生淬火裂纹。
工件变形或开裂的原因 是由于淬火过程中在工件内产生的内应力造成的淬火内应力主要有热应力和组织应力两种工 件最终变形或开裂是这两种应力综合作用之结果 当淬火应力超过材料的屈服强度时，就会产生塑性 变形；当淬火应力超过材料的抗拉强度时，工件则 发生开裂一、钢 的 淬 火钢 的 淬 火淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏 体晶粒为原则，以便淬火后获得细小的马氏体组织 淬火温度主要根据钢的临界点确定二）淬火加热温度钢 的 淬 火钢从奥氏体状态冷至Ms点 以下所用的冷却介质叫做淬火 介质介质冷却能力越大，钢 的冷却速度越快，越容易超过 钢的临界淬火速度，则工件越 容易淬硬，淬硬层的深度越深 但是，冷却速度过大将产生 巨大的淬火应力，易于使工件 产生变形或开裂因此，理想 淬火介质的冷却能力应当如图 10-4曲线所示三）淬火冷却介质图10-4 钢的理想淬火冷却曲线钢 的 淬 火选择适当的淬火方法同选用淬火介质一样，可 以保证在获得所要求的淬火组织和性能条件下，尽 量减小淬火应力，减少工件变形和开裂倾向1.单液淬火法2.双液淬火法3.分级淬火法4.等温淬火法（四）淬火方法图10-5 各种淬火方法冷却曲线示意图钢 的 淬 火1.淬透性的概念钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得 马氏体的能力，其大小以钢在一定条件下淬火获得 的淬透层深度和硬度分布来表示。
一定尺寸的工件 在某介质中淬火，其淬透层的深度与工件截面各点 的冷却速度有关如果工件截面中心的冷却速度高 于钢的临界淬火速度，工件就会淬透然而工件淬 火时表面冷却速度最大，心部冷却速度最小，由表 面至心部冷却速度逐渐降低（见图10-6）五）钢的淬透性钢 的 淬 火（五）钢的淬透性图10-6 工件截面不同冷却速度a）与未淬透区b）示意图钢 的 淬 火2.淬透性的 测定方法目前测定淬 透性常用的方法 是末端淬火法， 简称端淬法图 10-9为末端淬火 法测定钢的淬透 性的示意图五）钢的淬透性图10-9 末端淬火法示意图 a）淬火装置 b）淬透性曲线钢 的 淬 火3.淬透性的实际意义钢的淬透性是钢的热处理工艺性能，在生产中 有重要的实际意义工件在整体淬火条件下，从表 面至中心是否淬透，对其力学性能有重要影响在 拉压、弯曲或剪切载荷下工作的零件，例如各类齿 轮、轴类零件，希望整个截面都能被淬透，从而保 证这些零件在整个截面上得到均匀的力学性能选 择淬透性较高的钢即能满足这一性能要求而淬透 性较低的钢，零件截面不能全部淬透，表面到心部 的力学性能不相同，尤其心部的冲击韧度很低五）钢的淬透性（一）低温回火低温回火温度约为150～250℃，回火组织主要 为回火马氏体。
和淬火马氏体相比，回火马氏体既 保持了钢的高硬度、高强度和良好耐磨性，又适当 提高了韧性因此，低温回火特别适用于刀具、量 具、滚动轴承、渗碳件及高频表面淬火工件低温 回火钢大部分是淬火高碳钢和高碳合金钢，经淬火 并低温回火后得到隐晶回火马氏体和均匀细小的粒 状碳化物组织，具有很高的硬度和耐磨性，同时显 著降低了钢的淬火应力和脆性对于淬火获得低碳 马氏体的钢，经低温回火后可减少内应力，并进一 步提高钢的强度和塑性，保持优良的综合力学性能 二、钢 的 回 火钢 的 回 火中温回火温度一般在350～500℃之间，回火组 织主要为回火托氏体中温回火后工件的淬火应力 基本消失因此钢具有高的弹性极限，较高的强度 和硬度，良好的塑性和韧性故中温回火主要用于 各种弹簧零件及热锻模具二）中温回火钢 的 回 火高温回火温度约为500～650℃，回火组织为回 火索氏体习惯上将淬火和随后的高温回火相结合 的热处理工艺称为调质处理经调质处理后，钢具 有优良的综合力学性能因此，高温回火主要适用 于中碳结构钢或低合金结构钢制作的重要机器零件 ，如发动机曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车半轴、机 床主轴及齿轮等这些机器零件在使用中要求较高 的强度并能承受冲击和交变负荷的作用。
三）高温回火（一）淬火工件的过热和过烧工件在淬火加热时，由于温度过高或者时间过 长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷叫做过热由于过热 不仅在淬火后得到粗大马氏体组织，而且易于引起 淬火裂纹因此，淬火过热的工件强度和韧性降低 ，易于产生脆性断裂轻微的过热可用延长回火时 间来补救严重的过热则需进行一次细化晶粒退火 ，然后再重新淬火淬火加热温度太高，使奥氏体晶界出现局部熔 化或者发生氧化的现象叫做过烧过烧是严重的加 热缺陷，工件一旦过烧就无法补救，只能报废三、淬火加热缺陷及其防止淬火加热缺陷及其防止淬火加热时，钢制零件与周围加热介质相互作 用往往会产生氧化和脱碳等缺陷氧化使工件尺寸 减小，表面光洁程度降低，并严重影响淬火冷却速 度，进而使淬火工件出现软点或硬度不足等新的缺 陷工件表面脱碳会降低淬火后钢的表面硬度、耐 磨性，并显著降低其疲劳强度因此，淬火加热时 ，在获得均匀化奥氏体的同时，必须注意防止氧化 。