第四章第四章钢的热处理钢的热处理 化学工业出版社化学工业出版社 热处理的分类： 热处理 钢在固态下以适当方式进行加热、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 目的 消除零件毛坯中的缺陷，改善钢的加工工艺性能和力学性能，充分发挥钢的潜力，节约生产成本，提高零件的使用性能，延长产品的使用寿命 化学工业出版社化学工业出版社 热处理工艺曲线 热处理都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的 化学工业出版社化学工业出版社 平衡转变 PSK线——A1线；GS线——A3线；ES线——Acm线加热时的各相变点 Ac1、Ac3、Accm；冷却时的各相变点 Arl、Ar3、Arcm 第一节 钢的热处理原理 化学工业出版社化学工业出版社 一、钢在加热时的组织转变（一）钢的奥氏体化1.奥氏体的形成过程 形核及长大四个阶段 （1）奥氏体晶核的形成 （2）奥氏体晶核的长大（3）残余渗碳体的溶解（4）奥氏体的均匀化 共析钢奥氏体的形成过程 化学工业出版社化学工业出版社 2.影响奥氏体转变速度的因素 （1）加热温度 加热温度越高，奥氏体的形成速度越快。
（2）加热速度 加热速度越快，转变温度越高，转变时间越短，转变速度越快 （3）钢的原始组织 原始组织越细，晶核的形成速度就越快，形成速度较快 化学工业出版社化学工业出版社 （二）奥氏体晶粒长大及其影响因素 1.奥氏体晶粒度 两种表示方法：用晶粒的平均尺寸表示；另一种是用晶粒度N来表示 2.奥氏体晶粒的长大 奥氏体起始晶粒，奥氏体起始晶粒度，实际晶粒，实际晶粒 度，本质晶粒度，本质粗晶粒钢，本质细晶粒钢 3.影响奥氏体晶粒长大的因素 （1）加热温度和保温时间 加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒长得越大 （2）加热速度 当加热温度确定后，加热速度越快，奥氏体晶粒越细小 （3）合金元素 除锰、磷外，大多数合金元素均能不同程度的阻碍奥氏体晶粒的长大 化学工业出版社化学工业出版社 二、钢在冷却时的组织转变 生产中采用的冷却方式 等温冷却和连续冷却两种 奥氏体的组织转变方式：等温冷却转变，连续冷却转变 化学工业出版社化学工业出版社 （一）过冷奥氏体的等温冷却转变 过冷奥氏体 在孕育期内暂时存在的、处于不稳定状态的奥氏体。
1.过冷奥氏体等温转变曲线的建立 2.过冷奥氏体等温转变曲线的分析 鼻尖 冷奥氏体最不稳定，转变速度最快的温度 化学工业出版社化学工业出版社 3.过冷奥氏体等温转变产物的组织形态及性能 （1）高温转变（珠光体型转变） 在A1~550℃之间，由层片状的铁素体和渗碳体组成的，属于扩散型转变 ①珠光体 在A1~650℃形成的组织，用 “P”表示，珠光体片间距较大 ②索氏体 在650~600℃形成的组织，称为索氏体（或细珠光体），用 “S”表示 ③托氏体 在600~550℃形成的组织，称为托氏体（或极细珠光体），用 “T”表示 化学工业出版社化学工业出版社 （2）中温转变（贝氏体型转变） 550℃~Ms组织是含碳量过饱和的铁素体与碳化物组成的机械混合物，属于贝氏体型组织，用 “B”表示属于半扩散型转变 ①上贝氏体 在550~350℃形的，由大致平行的轻微过饱和碳的铁素体片和短棒状（或短片状）的碳化物组成 上贝氏体组织塑性较低，脆性较大，无实用价值。
化学工业出版社化学工业出版社 ②下贝氏体 在350℃~Ms温度范围内形成的，由含碳过饱和的针片状铁素体和铁素体片内弥散分布的碳化物组成 下贝氏体组织具有较高的强度、硬度，同时具有良好的塑性和韧性常用等温淬火的方法获得 （3）低温转变（马氏体型转变） 在Ms线以下，过冷奥氏体将转变成马氏体组织，在过冷奥氏体的连续冷却转变中介绍 化学工业出版社化学工业出版社 4.影响C曲线的因 主要因素有奥氏体的成分及奥氏体化条件 （1）奥氏体成分的影响 ①含碳量的影响 亚共析钢的C曲线随含碳量的增加向右移动，过共析钢的C曲线则随碳的质量分数的增加向左移动 ②合金元素的影响 除钴外，所有合金元素溶入奥氏体后均能提高过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移2）奥氏体化条件的影响 加热温度越高，保温时间越长，奥氏体成分越均匀，使过冷奥氏体的稳定性提高，C曲线向右移动 化学工业出版社化学工业出版社 （二）过冷奥氏体的连续冷却转变1.过冷奥氏体的连续冷却转变曲线 Ps线 过冷奥氏体向珠光体转变的开始线； Pf线 过冷奥氏体向珠光体转变终了线； KK’线 过冷奥氏体向珠光体转变的终止线； vｋ 马氏体临界冷却速度； v’k 获得全部珠光体型组织的最大冷却速度。
化学工业出版社化学工业出版社 v1相当于随炉冷却，奥氏体将转变为珠光体组织； v2相当于在空气中冷却，奥氏体将转变为索氏体组织； v3相当于油冷的部分奥氏体将转变为托氏体，剩余的奥氏体冷却到Ms线以下转变为马氏体组织； v4是相当于水冷的速度，转变产物为马氏体+残余奥氏体；2.C曲线在连续冷却转变中的应用 化学工业出版社化学工业出版社 3.马氏体转变 当奥氏体的冷却速度大于该钢的马氏体临界冷却速度并冷却到MS点以下时，就会转变为马氏体组织 把碳在α-Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体 （1）马氏体的组织形态 板条状马氏体和片状马氏体 当奥氏体中的含碳量小于0.20%时，马氏体的形态为板条状，故称为板条马氏体（或低碳马氏体）；当奥氏体中的含碳量大于1.0%时，马氏体的形态为片状或竹叶状，称为片状马氏体（或高碳马氏体） 化学工业出版社化学工业出版社 （2）马氏体的性能 马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体中的含碳量 马氏体的塑性和韧性与含碳量有关，板条状马氏体的塑性和韧性较好，而片状高碳马氏体的塑性和韧性差。
化学工业出版社化学工业出版社 4.马氏体转变的特点 是由形核和长大两个基本过程组成的，主要有以下特点： （1）无扩散型相变； （2）转变速度极快 ； （3）马氏体转变是在一定温度范围内进行的 ；； （4）马氏体转变的不完全性 化学工业出版社化学工业出版社 第二节 钢的普通热处理 一、钢的退火和正火 （一）退火 将钢件加热到一定温度，并保温一定时间，然后进行缓慢冷却的热处理工艺 1.退火的目的 ①降低硬度，改善工件的切削加工性能； ②消除残余应力，防止工件的变形与开裂； ③细化晶粒，改善组织，以提高钢的力学性能，并为最终热处理做好组织上的准备 化学工业出版社化学工业出版社 2.退火的分类与应用 （1）完全退火 将钢件加热到完全奥氏体化温度（Ac3以上30~50℃）后，保温一段时间，然后随炉缓冷至550℃以下出炉空冷，以获得接近平衡组织的热处理工艺 主要用于亚共析钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接结构件的热处理。
（2）等温退火 将钢件加热到Ac3（或Ac1）以上温度，保温一定时间后，以较快的速度冷却到Ar1以下某一温度并进行等温，使奥氏体转变为珠光体型组织，然后缓慢冷却的热处理工艺 化学工业出版社化学工业出版社 （3）球化退火 将共析钢或过共析钢加热到Ac1以上20~30℃，保温一定时间后，随炉缓冷至550℃以下出炉空冷，以获得颗粒状碳化物的热处理工艺 主要用于共析或过共析成分的碳钢及合金钢 （4）均匀化退火 均匀化退火又称扩散退火，是将铸锭、铸件或锻坯加热到固相线温度以下100~200℃，保温10~15ｈ，然后缓慢冷却，以获得成分均匀组织的热处理工艺 （5）去应力退火 又称低温退火，是将工件加热到Ac1以下100~200℃（一般为500~600℃），保温一定时间，然后随炉缓冷的热处理工艺 化学工业出版社化学工业出版社 （二）正火 将钢件加热到Ac3（或Accm）点以上30~50℃，完全奥氏体化后，再在空气中冷却以获得较细珠光体组织的热处理工艺 应用：（1）改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性能 （2）消除网状渗碳体 （3）作为中碳钢零件的预先热处理 （4）作为普通结构件的最终热处理 化学工业出版社化学工业出版社 二、钢的淬火 将钢件加热到Ac3或Ac1以上30~50℃，保温一定的时间，然后以大于马氏体临界冷却速度快速冷却，使奥氏体化转变为马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。
（一）淬火的目的 获得马氏体，并配合适当的回火工艺，以获得零件所需要的力学性能，充分发挥钢的潜力 （二）淬火工艺 1.淬火加热温度 亚共析钢： T= Ac3+（30~50）℃ 共析钢、过共析钢： T=Ac1+（30~50）℃ 化学工业出版社化学工业出版社 2.淬火加热保温时间 淬火加热保温时间是指从炉温指示仪表达到规定温度至工件出炉之间的时间 经验公式ｔ=α×D t——加热时间，min； α——加热系数，min/mm； D——工件的有效厚度，mm 3.淬火介质 工件进行快速冷却时所用的介质 理想的淬火冷却曲线 化学工业出版社化学工业出版社 （2）油 机械油、变压器油、柴油、植物油等 生产中常用的淬火冷却介质（1）水及水溶液 （二）淬火方法 1.单介质淬火 将奥氏体化的工件投入一种淬火冷却介质中，一直冷却到室温的淬火方法 一般碳钢在水或水溶液中淬火，合金钢在油中淬火等均属单液淬火 化学工业出版社化学工业出版社 2.双介质淬火 先把奥氏体化的工件投入冷却能力较强的介质中，待零件冷却到稍高于Ms温度时，再立即投入到另一冷却能力较弱的介质中，使之发生马氏体转变的淬火工艺。
如高碳钢淬火时用的水-油淬火，合金钢淬火时用的油-空气淬火等 3.分级淬火 把奥氏体化后的工件投入到温度稍高于或稍低于Ms点的盐浴或碱浴中，保持适当时间，待工件内外层都达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火方法 4.等温淬火 把奥氏体化后的工件投入到温度稍高于Ms点的盐浴或碱浴中，保温一定时间，使其发生下贝氏体转变的热处理工艺方法 化学工业出版社化学工业出版社 （三）钢的淬透性和淬硬性 1.淬透性的概念 钢在淬火时获得淬硬层深度的能力它是钢本身固有的属性 淬硬性 钢在淬火后所能达到最高硬度的能力淬硬性主要取决于马氏体的含碳量，而合金元素对淬硬性没有显著影响 2.淬透性的应用 3.影响淬透性的因素 与马氏体临界冷却速度有关，过冷奥氏体的稳定性越高，临界冷却速度越小，钢的淬透性越好 化学工业出版社化学工业出版社 表表4-2 常常用用钢的的临界界淬淬透透直直径径 三、钢的回火 将淬火后的工件重新加热到A1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。
（一）回火的目的 1.获得工件所需要的力学性能 2.稳定工件尺寸 3.减少或消除淬火内应力 （二）淬火钢的回火转变 1.马氏体的分解（≤200℃） 这一阶段的回火组织是由过饱和度较低的α固溶体和ε碳化物所组成的——回火马氏体 化学工业出版社化学工业出版社 2.残余奥氏体的分解（200~300℃） 残余奥氏体的回火转变产物与过冷奥氏体的转变产物相同，即在不同温度下可转变为马氏体、贝氏体和珠光体组织 3.碳化物的转变（250~450℃） 250℃以上回火时，ε碳化物将逐渐转变为稳定的渗碳体组织，到450℃时全部转变为高度弥散分布的渗碳体α固溶体中的含碳量已降到平衡含量而成为铁素体，但其形态仍为针状由针状铁素体和高度弥散分布的渗碳体组成的组织——回火托氏体 4.渗碳体的聚集长大和铁素体的再结晶（450~700℃） 450℃以上，在渗碳体球化、长大的同时，铁素体在500~600℃开始再结晶，铁素体由板条状或针状转变为多边形晶粒这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织——回火索氏体 。
化学工业出版社化学工业出版社 （三）回火的种类及应用 1.低温回火（150~250℃） 组织为回火马氏体 目的是在保持淬火钢高硬度和高耐磨性的前提下，降低淬火内应力和脆性，提高塑性和韧性主要用于高碳钢和合金钢制作的切削刃具、量具、冷冲模具、滚动轴承、渗碳件以及表面淬火零件等，回火后的硬度一般为58~64HRC 2.中温回火（350~500℃） 组织为回火托氏体 目的是获得高的屈服强度、弹性极限和较高的韧性 主要用于各种弹性元件和热作模具的处理，回火后硬度一般为35~50HRC 化学工业出版社化学工业出版社 3.高温回火（500~650℃）组织为回火索氏体 目的是要获得强度、硬度、塑性和韧性具有良好配合的综合力学性能 将淬火加高温回火相结合的热处理工艺称为“调质处理” 应用于汽车、拖拉机、机床制造中的重要结构件（如连杆、螺柱、齿轮及传动轴等）的热处理回火后的硬度一般为200~330HBS 45钢经调质和正火后的力学性能对比热处理状态力 学 性 能σb/MPaδ×100Ak/JHBS组 织正 火700~80015~2040~60163~220铁素体＋细片状珠光体调 质750~85020~2564~96210~250回火索氏体 化学工业出版社化学工业出版社 第三节 钢的表面热处理 一、钢的表面淬火 在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表层组织奥氏体化后进行淬火，使表层获得硬而耐磨的马氏体组织，而心部组织不变仍保持原有的塑性和韧性的热处理方法。
（一）感应加热表面淬火 1.感应加热的基本原理 化学工业出版社化学工业出版社 2.感应加热表面淬火用钢及工艺 最适宜的钢种是中碳钢或中碳合金钢，常用的材料有40、45、40Cr、40MnB等 感应加热表面淬火前应对工件进行调质或正火处理，以保证心部具有良好的综合力学性能，并为表面淬火作好组织准备 3.感应加热表面淬火的应用 （1）高频感应加热表面淬火 常用频率为200~300kHz，工件的淬硬层深度为0.5~2mm主要用于要求淬硬层较薄的中、小模数齿轮和中、小尺寸的轴类零件等 化学工业出版社化学工业出版社 （2）中频感应加热表面淬火 常用频率为2500~8000Hz，淬硬层深度为2~10mm主要用于大、中模数齿轮和较大直径的轴类零件等 （3）工频感应加热表面淬火 电流频率为50Hz，淬硬层深度为10~20mm主要用于大直径零件（如轧辊、火车车轮等）的表面淬火 （4）超音频感应加热表面淬火 电流频率一般为20~40kHz，由于该频率比音频（＜20kHz）稍高。
主要应用于模数为3~6的齿轮、链轮、凸轮等零件的表面淬火 化学工业出版社化学工业出版社 4.感应加热表面淬火的特点 （1）感应加热表面淬火的加热速度极快（2）淬火后表层可获得极细小的针状马氏体组织，比普通淬火要高出2~3HRC（3）工件表层将产生残余压应力，能显著提高工件的疲劳强度4）工件表面不易产生氧化、脱碳现象，淬火变形较小5）生产效率高，容易实现机械化和自动化操作主要缺点是：设备较贵，维修费用较高，复杂零件的感应器不易制作，一般不宜用于单件生产 化学工业出版社化学工业出版社 （二）火焰加热表面淬火 利用乙炔-氧或煤气-氧的混合气体燃烧的高温火焰，将工件表面迅速加热到淬火温度，然后立即喷水快速冷却，从而获得一定淬硬层深度的热处理方法 化学工业出版社化学工业出版社 二、钢的化学热处理 将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入工件的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理方法 化学热处理的三个基本过程： ①分解 化学介质在一定温度下分解出能够渗入工件表面的活性原子； ②吸收 活性原子被工件表面吸收，并溶入铁的晶格形成固溶体或与钢中某元素形成化合物； ③扩散 被吸收的活性原子由工件表面逐渐向内部扩散，形成一定深度的渗层。
化学工业出版社化学工业出版社 （一）渗碳 将工件置于具有活性碳原子的介质中，加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理方法 1.渗碳用钢 一般选用含碳量为0.1~0.25%的低碳钢和低碳合金钢，如15、20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3A、18Cr2Ni4WA等2.渗碳方法 固体渗碳、气体渗碳和液体渗碳 滴注式气体渗碳法示意图 化学工业出版社化学工业出版社 3.渗碳后的组织 渗碳后在缓冷条件下，工件表层到心部的组织依次为过共析层（P+Fe3CⅡ）、共析层（P）、亚共析过渡层（P+F）和心部原始亚共析组织（F+P） 4.渗碳后的热处理 （1）直接淬火法 （2）一次淬火法 （3）二次淬火 化学工业出版社化学工业出版社 （二）渗氮 在Ac1以下某一温度下使活性氮原子渗入工件表层的化学热处理方法 目的是为了提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐腐蚀性能 1.渗氮用钢 典型的渗氮用钢是38CrMoAlA还可选用碳钢、低合金钢、合金钢、铸铁等材料 2.渗氮方法 常用的渗氮方法有气体渗氮和离子渗氮两种。
3.渗氮处理的技术要求 渗氮前零件须经调质处理，得到回火索氏体组织4.渗氮的特点及应用 化学工业出版社化学工业出版社 （三）碳氮共渗 在一定温度下，向钢的表面同时渗入碳原子和氮原子的热处理工艺碳氮共渗的方法有液体碳氮共渗和气体碳氮共渗 1.低温气体氮碳共渗 主要是以渗氮为主的碳氮共渗工艺 2.中温气体碳氮共渗 主要是以渗碳为主的碳氮共渗工艺 化学工业出版社化学工业出版社 第四节 影响热处理件质量的因素 一、常见的热处理缺陷及影响因素 （二）氧化与脱碳（三）硬度不足（四）变形和开裂（一）过热与过烧 化学工业出版社化学工业出版社 二、热处理工件的结构工艺性1.避免尖角、棱角、减少台阶 2.零件的外形应尽量简单，避免厚薄悬殊的截面 化学工业出版社化学工业出版社 3.尽量采用对称结构 4.尽量采用封闭结构 化学工业出版社化学工业出版社 5.尽量采用组合结构 整体结构 组合结构 化学工业出版社化学工业出版社 第五节 热处理技术条件的标注及工序位置安排 一、热处理技术条件的标注 包括：最终热处理方法（如调质、淬火、回火、渗碳等）以及应达到的力学性能指标等。
一般以硬度作为热处理技术条件但对于某些力学性能要求较高的重要件，应标出强度、塑性、韧性等指标，有的还应提出对显微组织的要求 一般布氏硬度范围在30~40HB左右；洛氏硬度范围在5HRC左右 对于渗碳或渗氮零件应标出需要进行渗碳或渗氮的部位、渗层深度，热处理后的表面硬度等，重要件及关键零件还要有心部性能要求；对于表面淬火零件应标明淬火部位、淬硬层深度、表层硬度、心部硬度等内容 化学工业出版社化学工业出版社 二、热处理工序位置的安排 （一）预先热处理的工序位置 预先热处理包括：退火、正火、调质等 1.退火、正火工序的位置 一般安排在毛坯生产之后，切削加工之前，退火、正火的工序位置安排一般为： 下料→毛坯生产（铸、锻、焊等）→ 退火（或正火）→ 切削加工 2.调质工序的位置 调质工序位置一般安排在粗加工之后，半精加工或精加工之前调质工序的位置安排一般为： 下料 → 锻造 →退火（或正火）→ 粗加工 → 调质 →半精加工（或精加工） 化学工业出版社化学工业出版社 （二）最终热处理的工序位置 最终热处理主要包括淬回火、渗碳、渗氮等。
1.淬、回火工序的位置 淬火可分为整体淬火和表面淬火两类 整体淬火件的加工路线为： 下料 → 锻造 → 退火（或正火）→ 粗加工、半精加工 → 淬、回火→磨削 表面淬火件的加工路线为：下料 → 锻造 →退火（或正火）→ 粗加工 → 调质 → 半精加工 → 表面淬火+低温回火 → 磨削 化学工业出版社化学工业出版社 2.渗碳工序的位置 一般渗碳件的加工路线为： 下料 → 锻造 → 正火 → 粗、半精加工 →局部防渗碳→ 渗碳（渗碳完成后，不渗碳部位切除防渗余量或退铜等）→ 淬火+低温回火→ 磨削 3.渗氮工序的位置 渗氮件的加工路线一般为： 下料 → 锻造 →退火（或正火） → 粗加工 → 调质 → 半精加工 → 去应力退火 → 粗磨 →渗氮 → 精加工。