24三月2023

主編：高美蘭白樹全978-7-111-49207-8工程材料與熱加工基礎Engineeringmaterialsandthermalprocessingbase機械工業(yè)出版社24三月2023第3章鋼的熱處理第3章鋼的熱處理3.1鋼在加熱時的組織轉變3.2鋼在冷卻時的組織轉變3.3鋼的退火和正火3.4鋼的淬火3.5鋼的回火3.6鋼的表面熱處理24三月2023第3章鋼的熱處理鋼的熱處理概述定義：目的及重要性：提高和改善鋼的性能；充分發(fā)揮鋼的性能潛力；提高壽命；減低成本

分類：

普通熱處理（四把火：退火、正火、淬火、回火）表面熱處理（表面淬火、化學熱處理）加熱T(℃)t(h)冷卻熱處理工藝曲線保溫

把鋼在固態(tài)下，通過加熱冷卻來改變鋼內部的組織和性能保溫蘸火24三月2023第3章鋼的熱處理鋼熱處理時首先要加熱，其目的是獲得均勻而細小的奧氏體組織。經過A化以后的鋼，再以不同的方式冷卻，即可得到不同的組織，從而獲得所需要的性能。熱處理工藝曲線3.1鋼在加熱時的組織轉變24三月2023第3章鋼的熱處理——（以共析鋼為例）

共析鋼在A1以下全部為P。P是F和Fe3C組成的機械混合物。當把共析鋼加熱到Ac1以上溫度時，P→A，這種轉變可用下式表示。P（F+Fe3C）→A0.0218%6.69%0.77%bcc復雜斜方fcc珠光體3.1鋼在加熱時的組織轉變24三月2023第3章鋼的熱處理共析鋼奧氏體形成過程可歸納為奧氏體晶核的形成：a)奧氏體晶核的長大:b)殘余滲碳體的溶解:c)奧氏體成分均勻化:d)

加熱時，為了獲得均勻而細小的奧氏體晶粒，必須選取合適的加熱溫度，并嚴格控制保溫時間。

亞共析鋼：F+P→F+A→A過共析鋼：P+Fe3C→A+Fe3C→A3.1鋼在加熱時的組織轉變——奧氏體形成過程24三月2023第3章鋼的熱處理1.過冷A等溫轉變曲線

過冷奧氏體：把在Ar1溫度以下暫時存在的、不穩(wěn)定的奧氏體稱為過冷奧氏體。3.2鋼在冷卻時的組織轉變24三月2023第3章鋼的熱處理A1——PSKMs——M轉變開始線Mf——M轉變終了線aa′——等溫轉變開始線bb′——等溫轉變終了線五線

A1

線以上：A穩(wěn)定存在區(qū)Ms~Mf：M轉變區(qū)aa′以左：過冷A區(qū)bb′以右：轉變產物區(qū)aa′~bb′：過冷A與轉變產物共存區(qū)五區(qū)

aa′bb′曲線分析共析鋼的C曲線

aa′bb′3.2鋼在冷卻時的組織轉變——過冷A等溫轉變曲線

C曲線24三月2023第3章鋼的熱處理共析鋼過冷A等溫轉變產物的組織形態(tài)和性能：1)珠光體轉變

Ar1~550℃A過→P2)貝氏體轉變

550℃~MsA過→B

3)馬氏體轉變

Ms~Mf連續(xù)冷卻A過→M共析鋼的C曲線

3.2鋼在冷卻時的組織轉變24三月2023第3章鋼的熱處理2）貝氏體轉變溫度：550℃~Ms產物：貝氏體——含過飽和碳的鐵素體和碳化物組成的機械混合物，用“B”表示。

等溫溫度組織名稱符號形態(tài)硬度HRC550~350℃上貝氏體B上羽毛狀40-45HRC塑性低、脆350~Ms下貝氏體B下黑色針狀45-55HRC塑韌性好上貝氏體下貝氏體PTSB上B下共析鋼過冷A等溫轉變產物的組織形態(tài)和性能24三月2023第3章鋼的熱處理3）馬氏體轉變溫度：Ms~Mf產物：馬氏體——碳在α-Fe中的過飽和固溶體，用“M”表示W(wǎng)c組織名稱符號形態(tài)硬度HRCWC＜0.2%板條馬氏體M板條板條狀＞50HRC塑韌性好WC＞1.0%針狀馬氏體M針狀針狀65HRC塑韌性極差、脆板條馬氏體

針狀馬氏體PTSB上B下M混合M隱晶M共析鋼過冷A等溫轉變產物的組織形態(tài)和性能24三月2023第3章鋼的熱處理類型溫度產物形態(tài)性能特點P轉變Ar1-550℃Ar1-650℃珠光體(P)粗片＞0.4＜25HRC擴散型650-600℃索氏體(S)細片0.4-0.225-35HRC600-550℃屈氏體(T)極細＜0.235-40HRCB轉變550℃-Ms550-350℃上貝氏體(B上)羽毛40-45HRC塑性低、脆半擴散型350℃-Ms下貝氏體(B下)針狀45-55HRC塑韌性好M轉變Ms-MfWc＜0.2%板條M板條＞50HRC塑韌性好非擴散型不完全性體積膨脹Wc＞1.0%片狀M竹葉(鐵餅)65HRC塑韌性差、脆PTSB上B下M共析鋼過冷A等溫轉變產物的組織形態(tài)和性能24三月2023第3章鋼的熱處理PSTT+M+A′M+A′爐冷→P(υ

≈０)空冷→S(υ≤υk′)油冷→T+M+A'(υk′

～υk)水冷→M+A'(υ≥υk′

)連續(xù)冷卻轉變產物和冷卻速度的關系3.2鋼在冷卻時的組織轉變——過冷A連續(xù)轉變曲線

24三月2023第3章鋼的熱處理退火：把鋼加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。P600℃鋼的退火緩慢冷卻：隨爐冷卻、埋砂冷卻或灰冷3.3鋼的退火和正火——鋼的退火24三月2023第3章鋼的熱處理退火分類：

完全退火（等溫退火）等溫退火球化退火擴散退火（均勻化退火）去應力退火3.3鋼的退火和正火——鋼的退火24三月2023第3章鋼的熱處理退火后組織：P+F中碳鋼：珠光體+鐵素體完全退火目的：降低硬度，改善切削加工性能細化晶粒消除應力均勻成份、組織提高塑性AC3+30～50℃3.3鋼的退火和正火——鋼的退火24三月2023第3章鋼的熱處理適用范圍：合金鋼加熱溫度：AC3+30～50℃AC3（Ac1）+30～50℃②

等溫退火等溫退火工藝曲線3.3鋼的退火和正火——鋼的退火24三月2023第3章鋼的熱處理等溫退火——完全退火的特例優(yōu)點:退火時間短，組織均勻，縮短生產周期高速鋼的退火工藝曲線3.3鋼的退火和正火——鋼的退火24三月2023第3章鋼的熱處理球狀珠光體退火后組織：球狀P——軟

③

球化退火片狀珠光體3.3鋼的退火和正火——鋼的退火24三月2023第3章鋼的熱處理加熱溫度：目的：消除工件殘余應力，穩(wěn)定工件的尺寸；擴散退火去應力退火T加熱＜AC1T加熱=AC3＋150～250℃④

去應力退火⑤

均勻化退火（擴散退火）加熱溫度：目的：消除偏析，均勻成份、組織。3.3鋼的退火和正火——鋼的退火24三月2023第3章鋼的熱處理加熱溫度組織和性能對切削加工的影響正火——細化、硬化退火——軟化

生產周期——在滿足使用性能要求的情況下，優(yōu)選正火。3.3鋼的退火和正火——退火與正火比較24三月2023第3章鋼的熱處理退火分類加熱溫度冷卻方式目的適用范圍完全退火Ac3+30~50℃

隨爐冷卻到600℃以下，出爐空冷細化、均勻化，軟化、穩(wěn)定化亞共析鋼（WC=0.3~0.6%）的鑄、鍛、焊接件過共析鋼不宜完全退火等溫退火Ac3（Ac1）+30~50℃

快速冷卻到Ar1以下某一溫度，等溫一定時間，出爐空冷與完全退火相同。可縮短生產周期，提高生產效率（1/3）A較穩(wěn)定的合金鋼工件球化退火Ac1+30~50℃

經充分保溫后，隨爐冷卻到600℃出爐空冷

軟化（P球）

具有共析或過共析成分的碳鋼或合金鋼擴散退火固相線以下100~200℃

長時間（10-15h）保溫后，隨爐冷卻

均勻化

質量要求高的合金鋼鑄錠或鑄件去應力退火Ac1以下（一般為500~650℃）

隨爐冷卻到200~300℃出爐空冷

穩(wěn)定化

所有鋼件正火AC3（Accm）+30-50℃保溫適當時間，出爐空冷細化晶粒、提高硬度，消除網(wǎng)狀Fe3C普通件：提高力性

低碳鋼：提高硬度

過共析鋼：細化晶粒表3-3退火和正火的工藝特點及適用范圍3.3鋼的退火和正火24三月2023第3章鋼的熱處理3.3鋼的退火和正火24三月2023第3章鋼的熱處理淬火：將鋼加熱到Ac3（或Ac1）以上

30~50℃，保溫一定時間，然后

以大于υk的速度快速冷卻，以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。目的：提高鋼的硬度和耐磨性。是強化鋼材最重要的工藝方法。

M+A′鋼的淬火鋼的退火鋼的正火蘸火

冷卻速度快，熱應力和組織轉變應力大，工件易變形和開裂；淬火（+回火）一般是最終熱處理，是決定產品質量的關鍵工序。3.4鋼的淬火24三月2023第3章鋼的熱處理（1）淬火加熱溫度

亞共析鋼：Ac3+30～50℃（過）共析鋼：Ac1+30～50℃合金鋼——比相同含碳量的碳鋼高

碳鋼——以鐵碳相圖為依據(jù)鋼號Ac3/℃T/℃4578083040Cr7828503.4鋼的淬火——淬火工藝（2）淬火保溫時間：

用經驗公式τ=αKD估算24三月2023第3章鋼的熱處理常用冷卻介質：水、油、鹽或堿的水溶液

冷卻速度：鹽水＞水＞鹽浴＞油理想的冷卻介質：在保證淬后獲得M的前提下，又不造成開裂，且變形最小。3.4鋼的淬火——淬火工藝（3）淬火冷卻介質

24三月2023第3章鋼的熱處理①②④③①單介質淬火：碳鋼→水；合金鋼→油優(yōu)點：操作簡單、成本低；缺點：淬火件質量較低、熱應力大②雙介質淬火：水—油；水—空氣優(yōu)點：能保證淬火件的質量要求缺點：操作難度大、熱應力大③分級淬火：轉變產物→

M；優(yōu)點：熱應力小，工件不易變形；缺點：操作難度大④等溫淬火：轉變產物→

B下；優(yōu)點：綜合性能及尺寸精度高、不需回火；缺點：工藝復雜、成本高3.4鋼的淬火——常用淬火方法24三月2023第3章鋼的熱處理淬透性：是指鋼淬火時獲得淬硬層深度的能力。通常以在規(guī)定條件下獲得淬硬層深度來衡量。淬硬（透）層越深，表明淬透性越好。決定于υK，υK越小，A越穩(wěn)定，淬透性越好。

淬硬性：是指鋼在淬火后所能達到的最高硬度。決定于馬氏體的含碳量。含碳量越高，淬硬性越好。

淬透性≠淬硬性3.4鋼的淬火——鋼的淬透性24三月2023第3章鋼的熱處理

淬透性值的表示：半M區(qū)到水冷端距離半M區(qū)硬度如:

淬透性曲線的測定——末端淬火法（端淬試驗）3.4鋼的淬火——鋼的淬透性24三月2023第3章鋼的熱處理加熱淬火鋼Ac1以下保溫冷卻室溫

定義：目的：減少或消除淬火應力，防止工件變形與開裂穩(wěn)定工件組織及尺寸；獲得所需的力學性能。馬氏體的分解殘余奧氏體的分解碳化物的析出和變化α相（F）的回復和再結晶回火時的組織轉變及性能變化3.5鋼的回火24三月2023第3章鋼的熱處理回火時的組織轉變及性能變化回火階段組織變化內應力體積性能回火后組織（一）＜200℃（二）200～300℃（三）300～400℃（四）＞400℃c/a?1c/a＞

1c/a＞1c/a＝1εFe3CArB下或M回馬氏體分解MH不變或略δ、ψ、ak略含C過飽和α(針)+ε(點)

M回馬氏體分解殘余奧氏體分解(略)σ、H(略)

脆性M回1馬氏體分解碳化物聚集長大α相（F）的回復和再結晶消失Hδ、ak＞M回σ、H較高彈性最佳σs

最佳針狀

F+顆粒狀Fe3C

T回σ、Hδ、ψ、ak綜合性能最佳等軸

F+顆粒狀Fe3C

S回24三月2023第3章鋼的熱處理——回火的種類和應用回火工藝回火溫度/℃回火組織及硬度特點用途低溫回火100~250回火馬氏體58~64HRC

保持了淬火M的高硬度和高耐磨性，韌性提高，內應力和脆性有所降低

用于工模量具、滾動軸承及表面處理件中溫回火350~500回火托氏體38~50HRC

具有較高的彈性和一定的韌性

用于各種彈性零件，如汽車彈簧和熱作模具高溫回火500~650回火索氏體25~35HRC

具有較好的綜合力學性能

廣泛用于汽車、拖拉機軸類零件、齒輪和高強度螺栓、連桿等※調質處理＝淬火＋高溫回火3.5鋼的回火24三月2023第3章鋼的熱處理24三月2023第3章鋼的熱處理——回火后的性能：影響回火后性能的關鍵因素：回火溫度3.5鋼的回火24三月2023第3章鋼的熱處理

回火脆性的概念

第一類回火脆性250～350℃（低溫、不可逆）

產生范圍：所有鋼

防止措施：避免在該脆性區(qū)回火；鋼中加少量Si；

第二類回火脆性

500～650℃

（高溫、可逆）產生范圍：部分合金結構鋼（含Cr、Ni、Si、Mn）

防止措施：回火后快冷加少量Mo、W

減少鋼中雜質改變熱處理工藝——回火脆性3.5鋼的回火24三月2023第3章鋼的熱處理定義：不改變鋼的化學成分和心部組織的情況下，利用快速加熱，將表層加熱到A化溫度后進行淬火的熱處理工藝。目的：提高表面硬度和耐磨性，心部在保持一定的強度、硬度的條件下，具有足夠的塑性和韌性。3.6鋼的表面淬火24三月2023第3章鋼的熱處理所用鋼種：中碳成分的優(yōu)質碳素結構鋼、合金結構鋼應用：承受彎曲、扭轉、摩擦和沖擊載荷的零件：齒輪、凸輪、曲軸、軋輥等——只需表面淬硬的工件；機床導軌等大型、復雜工件——只能表面淬硬的工件。分類：感應加熱淬火、火焰加熱淬火、激光加熱淬火……3.6鋼的表面淬火24三月2023第3章鋼的熱處理——感應加熱表面淬火分類①高頻感應加熱：f=200～300kHZ，δ=0.5~2.0m②中頻感應加熱f=2500～8000HZ，δ=2.0~10mm③工頻感應加熱f=50HZδ=10~15mm原理：利用工件在交變磁場中產生的感應電流，

將工件表面迅速加熱到淬火溫度，然后快速冷卻的工藝。

淬硬層深度

淬后要低溫(180℃~200℃)回火。3.6.1鋼的表面淬火24三月2023第3章鋼的熱處理表3-5感應加熱淬火的種類及應用范圍種類常用頻率/kHz淬硬深度/㎜應用范圍高頻感應加熱200~3000.5~2

淬硬層要求較薄的中小模數(shù)齒輪和中小尺寸的軸類零件中頻感應加熱2.5~82~10

大、中模數(shù)齒輪和較大直徑的軸類零件工頻感應加熱50Hz10~20

大直徑零件如軋輥、火車車輪等高頻淬火超音頻淬火設備長軸高頻淬火內齒圈高頻淬火3.6.1鋼的表面淬火——感應加熱表面淬火24三月2023第3章鋼的熱處理加熱速度快：高頻只需幾秒-幾十秒，不需保溫，生產率高

加熱溫度高：AC3+100-200℃

淬火質量好：組織為極細M，比普通淬火高2-3HRC，且塑韌性好。但感應加熱設備較貴，維修調整較困難，形狀復雜的零件不易制作感應器，不適于單件生產。

特點3.6.1鋼的表面淬火——感應加熱表面淬火24三月2023第3章鋼的熱處理

鍛造→退火或正火→粗加工→調質或正火→精加工→感應加熱表面淬火→低溫回火→粗磨→時效處理→精磨消除鍛造應力；調整硬度，便于機加工細化晶粒，提高心部綜合性能，為淬火做準備強化表面，獲得M降低淬火應力穩(wěn)定表面組織T加：160～200℃進一步降低應力，穩(wěn)定組織，防止工件變形開裂

工藝路線：3.6.1鋼的表面淬火——感應加熱表面淬火24三月2023第3章鋼的熱處理原理：利用氧—乙炔（煤氣）的混合氣體燃燒的火焰，將工件表層快速加熱到淬火溫度，然后立即噴水冷卻的熱處理工藝。淬硬層深度:δ=2～8mm特點：設備簡單成本低；但質量不易控制。應用：批量小、形狀復雜、大件。3.6.1鋼的表面淬火——火焰加熱表面淬火24三月2023第3章鋼的熱處理將工件置于一定溫度的活性介質中，使一種或幾種元素滲入工件表層，以改變表層的化學成分、組織和性能的熱處理工藝。滲碳、滲氮和碳氮共滲等。3.6.2鋼的化學熱處理定義：種類24三月2023第3章鋼的熱處理——鋼的滲碳定義：將工件在滲碳介質中加熱并保溫，使碳原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。

用途：用于在較大沖擊載荷和在嚴重磨損條件下工作的零件。如汽車變速齒輪、活塞銷、摩擦片、套筒等。

滲碳用鋼：低碳鋼和低碳合金鋼。滲碳的目的：提高工件表層碳的質量分數(shù)，經淬火和低溫回火后，使工件表面獲得高硬度和耐磨性，而心部仍然保持良好的塑性和韌性。3.6.2鋼的化學熱處理

方法：固體滲碳、液體滲碳、氣體滲碳24三月2023第3章鋼的熱處理氣體滲碳示意圖

原理：將工件置于密封的井式氣體滲碳爐中，加熱到930℃左右，滴入煤油、甲醇、苯等，使?jié)B碳介質在高溫下分解出活性碳原子，并被工件表面吸收，被吸收的活性碳原子由表面逐漸向工件內部擴散，形成具有一定深度的滲碳層。深層深度：滲碳后δ=0.5～2.5mm表層含碳量：WC=

0.85%~1.05%氣體滲碳

滲碳后熱處理：淬火+低溫回火滲后硬度：表面硬度：58~64HRC，心部硬度：30~45HRC?！摰臐B碳3.6.2鋼的化學熱處理24三月2023第3章鋼的熱處理滲后組織表面0.85～1.05%心部0.15～0.30%wcP+網(wǎng)狀Fe3CⅡPP+F滲碳工藝

鍛造→正火→切削加工→滲碳→淬火+低溫回火→精加工——鋼的滲碳3.6.2鋼的化學熱處理24三月2023第3章鋼的熱處理經滲碳的機車從動齒輪——鋼的滲碳3.6.2鋼的化學熱處理24三月2023第3章鋼的熱處理定義：將工件在滲氮介質中加熱并保溫，使氮原子滲入工件表層的化學熱處理工藝

目的：提高工件表面的硬度、耐磨性、疲勞強度和耐腐蝕性。特點：氮化溫度低：(500～600℃)

時間長：（20～50h）硬度更高：1000~1200HV（69~72HRC）滲層薄：（0.1~0.4㎜）

氮化前調質處理、氮化后無須淬火。用于：耐磨、耐高溫、耐腐蝕的精密零件，如精密齒輪、精密機床主軸、汽輪機閥門及閥桿、發(fā)動機氣缸和排氣閥等?！摰臐B氮（氮化）3.6.2鋼的化學熱處理24三月2023第3章鋼的熱處理1.熱處理是將鋼在固態(tài)下加熱、保溫、冷卻以獲得所需組織和性能的工藝。目的是提高或改善金屬材料的性能，充分挖掘金屬材料的性能潛力。2.退火和正火作為預先熱處理常安排在鑄造、鍛造和焊接之后或粗加工之前，用以消除前一工序所造成的某些組織缺陷及內應力，為隨后的切削加工及熱處理做組織準備，也可用于性能要求不高的零件的最終熱處理。3.淬火和回火作為最終熱處理，淬火必須與回火工藝相配合，才能使鋼具有不同的力學性能，以滿足各類零件或工模具的使用要求。4.表面熱處理是指僅對工件表層進行的熱處理工藝，用于要求表面有較高強度、硬度和耐磨性，而心部要求有足夠塑性和韌性的零件。本章小結24三月2023第3章鋼的熱處理綜合訓練題二、填空題1.熱處理工藝過程都是由

、

和

三個階段組成。2.奧氏體形成