課程名稱：《工程材料》第周，第講次摘要授課題目（章、節(jié)）第六章鋼的熱處理第一節(jié)概述第二節(jié)鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變第三節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變第四節(jié)鋼的退火與正火第五節(jié)鋼的淬火第六節(jié)鋼的回火第七節(jié)鋼的形變熱處理第八節(jié)鋼的表面熱處理第九節(jié)鋼的化學(xué)熱處理第十節(jié)熱處理對(duì)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求本講目的要求及重點(diǎn)難點(diǎn)：【目的要求】1.了解熱處理的定義、目的、分類及作用；2.掌握鋼加熱和保溫的目的；3.掌握鋼在冷卻轉(zhuǎn)變時(shí)的產(chǎn)物及轉(zhuǎn)變曲線；4.熟悉鋼的退火、正火、淬火、回火的目的、工藝及應(yīng)用；5.掌握鋼的淬透性概念、影響因素及與淬硬性的區(qū)別；6.了解表面熱處理的目的及應(yīng)用?！局攸c(diǎn)】1.鋼加熱及保溫的目的；2.奧氏體晶粒度的概念及影響因素；3.共析鋼過冷奧氏體等溫冷卻曲線中各種溫度區(qū)域內(nèi)奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及組織形貌，性能特點(diǎn)。4.過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的特點(diǎn)，冷卻速度對(duì)鋼的組織變化和最終性能的影響；5.各種熱處理的定義、目的、組織轉(zhuǎn)變過程，性能變化，用途和適用的鋼種，零件的范圍。【難點(diǎn)】本質(zhì)晶粒度的含義、等溫冷卻曲線中各種溫度區(qū)域內(nèi)奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形貌，性能特點(diǎn)、退火與正火的工藝及目的、淬火加熱溫度的選擇、淬透性與淬硬性的概念及區(qū)別、回火的種類及應(yīng)用。內(nèi)容【本講課程的引入】為了改變鋼材內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，以滿足對(duì)零件的加工性能和使用性能的要求所施加的一種綜合的熱加工工藝過程?！颈菊n程的內(nèi)容】第一節(jié)概述一、熱處理包括三個(gè)環(huán)節(jié)：1.加熱到預(yù)定的溫度（加熱）；2.在預(yù)定溫度下適當(dāng)保溫（保溫），保溫的時(shí)間與工件的尺寸和性能有關(guān)；3.以預(yù)定的冷卻速度冷卻（冷卻）。為滿足不同的加工和使用性能的要求，須進(jìn)行不同的熱處理：1．爐冷：珠光體（片）+先共析FHB207易切削的硬度，滿足了切削加工的性能的要求。2．空冷：細(xì)片狀P+先共析F720～740MN/m2，HB250，Jb：72～74Kg/mm23．油冷回火：粒狀F和粒狀Fe3Cσb＞100Kg/mm2，ak＞（6kg/cm2）60J/cm2，韌性好，從而能夠滿足這類零件的耐磨損、耐沖擊、耐疲勞等性能的要求?？梢?，通過熱處理可以改變鋼的組織和性能，充分發(fā)揮材料的潛力，調(diào)整材料的機(jī)械性能，滿足機(jī)械零件在加工和使用過程中對(duì)性能的要求。所以，在實(shí)際生產(chǎn)中凡是重要的零部件都必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚怼Ｏ旅娼榻B兩個(gè)熱處理中常見的概念：1．熱處理工藝：熱處理時(shí)的加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度等工序的總和稱為熱處理工藝。2．熱處理工藝曲線：將熱處理工藝參數(shù)標(biāo)示在溫度—時(shí)間坐標(biāo)圖上，得到的曲線即為熱處理工藝曲線。二、常見的熱處理方法根據(jù)熱處理時(shí)加熱和冷卻方法的不同，常用的熱處理方法大致分類如下：普通熱處理：退火、正火、淬火、回火表面熱處理：表面淬火—火焰加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬火化學(xué)熱處理—滲碳、滲氮、碳氮共滲第一節(jié)鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)上是奧氏體的形成。熱處理的第一步就是把這些原始組織加熱，使其轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。這第一步質(zhì)量的好壞，直接影響到最終熱處理后鋼件的工藝性能和使用性能。一、奧氏體化前的組織我們只考慮比較簡(jiǎn)單的情況即奧氏體化前的組織為平衡組織的情況。對(duì)于亞共析鋼→F+P共析鋼→P過共析鋼→Fe3CⅡ1.奧氏體的形成溫度與Fe-Fe3C狀態(tài)圖的關(guān)系Fe-Fe3C相圖是表示鐵碳合金在接近平衡狀態(tài)下相與成分和溫度間的關(guān)系圖，圖中的臨界點(diǎn)A1、A3然而，生產(chǎn)中不可能以無限緩慢的速度加熱和冷卻，其相變是在非平衡的條件下進(jìn)行的，研究發(fā)現(xiàn)這種非平衡的組織轉(zhuǎn)變有滯后現(xiàn)象。對(duì)于加熱：非平衡條件下的相變溫度高于平衡條件下的相變溫度；對(duì)于冷卻：非平衡條件下的相變溫度低于平衡條件下的相變溫度。這個(gè)溫差叫滯后度：加熱轉(zhuǎn)變→過熱度；冷卻轉(zhuǎn)變→過冷度。且加熱與冷卻速度越大，溫度提高與下降的幅度就越大，導(dǎo)致熱度與過冷度越大。此外，過熱度與過冷度的增大會(huì)導(dǎo)致相變驅(qū)動(dòng)力的增大，從而使相變?nèi)菀装l(fā)生。平衡條件下的臨界點(diǎn)：A平衡條件下的臨界點(diǎn)：A1A3非平衡加熱的臨界點(diǎn)：Ac1Ac3非平衡冷卻的臨界點(diǎn)：Ar1Ar3Arcm圖6-1鋼在加熱和冷卻時(shí)的相變臨界點(diǎn)2.共析鋼奧氏體的形成過程當(dāng)鋼由室溫加熱到Ac1以上溫度時(shí)，珠光體將轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。當(dāng)加熱到Accm以上溫度時(shí)P→A，即0.02%C6.69%C0.8%Cb.c.c復(fù)雜斜方f.c.c可見，這一轉(zhuǎn)變是由化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)都不相同的兩相組織，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪怀煞趾途w結(jié)構(gòu)的單相固溶體。研究表明，由于新形成的A和原來的F以及Fe3C的含碳量和晶體結(jié)構(gòu)相差很大，因而A的形成是一個(gè)Fe3整個(gè)奧氏體的形成過程分為四個(gè)階段，即：晶核形成、晶核長(zhǎng)大、殘余滲碳體的溶解和奧氏體成分的均勻化。1）奧氏體晶粒的形成：珠光體是由鐵素體和滲碳體兩相片層交替組成的，在F和Fe3C兩相交界處，原子排列處于過渡狀態(tài)，能量較高，碳濃度的差別也比較大，有利于在奧氏體形成時(shí)碳原子的擴(kuò)散。此外，由于界面原子排列的不規(guī)則，也有利于Fe原子的擴(kuò)散，導(dǎo)致晶格的改組重建，這樣為奧氏體晶核的形成提供了能量、濃度和結(jié)構(gòu)條件，因此，奧氏體優(yōu)先在F和Fe32）奧氏體晶核長(zhǎng)大：剛形成的奧氏體晶核內(nèi)部的碳濃度是不均勻的，與滲碳體相接的界面上碳濃度大于與鐵素體相接的界面濃度。由于存在碳的濃度梯度，使碳不斷從Fe3C界面通過奧氏體晶核向低濃度的鐵素體界面擴(kuò)散，這樣破壞了原來F和Fe3C界面的碳濃度關(guān)系，為維持原界面的碳濃度關(guān)系，鐵素體通過Fe原子的擴(kuò)散（短程），晶格不斷改組為奧氏體，而Fe3）殘余滲碳體的溶解：由于Fe3C的晶格結(jié)構(gòu)和含碳量與奧氏體的差別遠(yuǎn)大于鐵素體與奧氏體的差別。所以鐵素體優(yōu)先轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體后，還有一部分滲碳體殘留下來，被奧氏體包圍，這部分殘余的Fe34）奧氏體成分的均勻化：Fe3C剛?cè)咳芙鈺r(shí)，奧氏體中原先屬Fe3C的部位含碳較高，屬于F部位含碳較低，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，通過碳原子的擴(kuò)散，奧氏體的含碳量逐漸趨于均勻。a)A形核b)A長(zhǎng)大c)殘余Fe3C圖6-2共析碳鋼A形成過程示意圖3.亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體形成過程亞共析鋼和過共析鋼與共析鋼的區(qū)別是有先共析相。其奧氏體的形成過程是先完成珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，然后再進(jìn)行先共析相的溶解。這個(gè)P→A的轉(zhuǎn)變過程同共析鋼相同，也是經(jīng)過前面的四個(gè)階段。對(duì)于亞共析鋼，平衡組織F+P，當(dāng)加熱到AC1以上溫度時(shí)，P→A，在AC1～AC3的升溫過程中，先共析的F逐漸溶入A，同樣，對(duì)于過共析鋼，平衡組織是Fe3CⅡ+P，當(dāng)加熱到AC1以上時(shí)，P→A，在AC1～ACCM二、影響奧氏體形成速度的因素奧氏體的形成是通過形核與長(zhǎng)大實(shí)現(xiàn)的，所以凡是影響形核與長(zhǎng)大的因素，都影響奧氏體的形成速度。1.加熱速度的影響加熱速度越快，奧氏體化溫度越高，過熱度越大，相變驅(qū)動(dòng)力也越大；同時(shí)由于奧氏體化溫度高，原子擴(kuò)散速度也加快，提高形核與長(zhǎng)大的速度，從而加快奧氏體的形成。2.化學(xué)成分的影響鋼中含碳量增加，碳化物數(shù)量相應(yīng)增多，F(xiàn)和Fe3C鋼中的合金元素不改變奧氏體的形成過程，但能影響奧氏體的形成速度。因?yàn)楹辖鹪啬芨淖冧摰呐R界點(diǎn)，并影響碳的擴(kuò)散速度，且它自身也存在擴(kuò)散和重新分布的過程，所以合金鋼的奧氏體形成速度一般比碳鋼慢，尤其高合金鋼，奧氏體化溫度比碳鋼要高，保溫時(shí)間也較長(zhǎng)。3.原始組織的影響鋼中原始珠光體越細(xì)，其片間距越小，相界面越多，越有利于形核，同時(shí)由于片間距小，碳原子的擴(kuò)散距離小，擴(kuò)散速度加快導(dǎo)致奧氏體形成速度加快。同樣片狀P比粒狀P的奧氏體形成速度快。三、奧氏體晶粒大小及其影響因素奧氏體晶粒大小對(duì)后續(xù)的冷卻轉(zhuǎn)變以及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的性能有重要的影響。如奧氏體晶粒細(xì)，后續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物就既強(qiáng)度高又韌性好。一般情況下，奧氏體的晶粒每細(xì)化一級(jí)，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的ak值就提高2-4kg/cm2。1.奧氏體的晶粒度及其分類晶粒度是表示晶粒大小的一種尺度。為了研究上的方便，首先要區(qū)分三種晶粒度的概念。（1）起始晶粒度：是指在臨界溫度以上，奧氏體形成剛剛完成，其晶粒邊界剛剛接觸時(shí)的晶粒大小。（2）實(shí)際晶粒度：是指在某一具體的熱處理加熱條件下所得到的晶粒尺寸。（3）本質(zhì)晶粒度：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，在930±10℃晶粒度的級(jí)別與晶粒大小的關(guān)系：式中n：放大100倍進(jìn)行金相觀察時(shí)，每平方英寸（6.45cm2）視野中，平均所含晶粒的數(shù)目。N：晶粒度的級(jí)別數(shù)?？梢?，晶粒度的級(jí)別越高，N↑晶粒愈細(xì)。為了區(qū)別奧氏體的晶粒度，冶金部規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，將奧氏體的晶粒度分為8級(jí)，如圖5-4。一般認(rèn)為1-3級(jí)為粗晶粒，4-6級(jí)為中等晶粒，7-8級(jí)為細(xì)晶粒，如圖6-3所示。具體測(cè)定晶粒度的方法：制成金相試樣，放在100倍的顯微鏡下與標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級(jí)進(jìn)行比較，與哪一級(jí)的一樣大就是哪一級(jí)。圖6-3奧氏體晶粒度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，不同牌號(hào)的鋼，其奧氏體晶粒的長(zhǎng)大傾向是不同的。有些鋼的奧氏體晶粒隨著加熱溫度升高會(huì)迅速長(zhǎng)大；而有些鋼的奧氏體晶粒則不容易長(zhǎng)大，只有加熱到更高溫度時(shí)才開始迅速長(zhǎng)大。一般稱前者稱為“本質(zhì)粗晶粒鋼”，后者為“本質(zhì)細(xì)晶粒鋼”。在實(shí)際生產(chǎn)中遇到一塊鋼料，如何區(qū)分它是本質(zhì)粗晶粒鋼還是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，不可能去作一條加熱溫度與晶粒直徑的關(guān)系曲線，看是那種長(zhǎng)大趨勢(shì)。所以抓住這兩條曲線的主要特征，930℃是不是本質(zhì)粗晶粒鋼的晶粒一定粗而本質(zhì)細(xì)晶粒鋼的晶粒就一定細(xì)？從前面的分析中知，本質(zhì)晶粒度只代表鋼在加熱時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向的大小。從圖6-4可見，本質(zhì)粗晶粒鋼在較低加熱溫度下可獲得細(xì)晶粒，而本質(zhì)細(xì)晶粒鋼若在較高溫度下加熱也會(huì)得到粗晶粒。圖6-4本質(zhì)細(xì)晶粒鋼M和本質(zhì)粗晶粒鋼K晶粒長(zhǎng)大示意圖2．影響奧氏體晶粒大小的主要因素（1）加熱溫度加熱溫度越高，保溫時(shí)間足夠長(zhǎng)，奧氏體晶粒越容易自發(fā)長(zhǎng)大粗化。當(dāng)加熱溫度確定后，加熱速度越快，相變時(shí)過熱度越大，相變驅(qū)動(dòng)力也越大，形核率提高，晶粒越細(xì)，所以快速加熱，短時(shí)保溫是實(shí)際生產(chǎn)中細(xì)化晶粒的手段之一。加熱溫度一定時(shí)，隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)，晶粒也會(huì)不斷長(zhǎng)大。但保溫時(shí)間足夠長(zhǎng)后，奧氏體晶粒就幾乎不再長(zhǎng)大而趨于相對(duì)穩(wěn)定。若加熱時(shí)間很短，即使在較高的加熱溫度下也能得細(xì)小晶核。對(duì)同一種鋼而言，當(dāng)奧氏體晶粒細(xì)小時(shí)，冷卻后的組織也細(xì)小，其強(qiáng)度較高，塑性、韌性較好；當(dāng)奧氏體晶粒粗大時(shí)，在同樣冷卻條件下，冷卻后的組織也粗大。粗大的晶粒會(huì)導(dǎo)致鋼的機(jī)械性能下降，甚至在淬火時(shí)形成裂紋。所以，凡是重要的工件，如高速切削刀具等，淬火時(shí)都要對(duì)奧氏體晶粒度進(jìn)行金相評(píng)級(jí)，以保證淬火后有足夠的強(qiáng)度和韌性?？梢姡訜釙r(shí)如何獲得細(xì)小晶粒的奧氏體晶粒常常成為保證熱處理的關(guān)鍵問題之一。（2）鋼的化學(xué)成分碳：當(dāng)鋼中的碳以固溶態(tài)存在時(shí)，C↑，D↑，晶粒粗化，當(dāng)鋼中的碳以碳化物形成存在時(shí)，有阻礙晶粒長(zhǎng)大的作用。對(duì)于鋼中的合金元素，碳化物形成元素能阻礙晶粒長(zhǎng)大，非碳化物形成元素有的阻礙晶粒長(zhǎng)大如：Cu、Si、Ni等；有的促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大，如PMn。實(shí)際生產(chǎn)中因加熱溫度不當(dāng)，使奧氏體晶粒長(zhǎng)大粗化的現(xiàn)象叫“過熱”，過熱后將使鋼的性能惡化，因此控制奧氏體晶粒大小，是熱處理和熱加工制定加熱溫度時(shí)必須考慮的重要問題。第三節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變鋼的冷卻轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)上是過冷奧氏體的冷卻轉(zhuǎn)變。一、過冷奧氏體由Fe-Fe3C相圖可知，鋼的溫度高于臨界點(diǎn)（A1、A3隨著時(shí)間的推移，過冷奧氏體將發(fā)生分解和轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能決定于冷卻條件。1.在冷卻轉(zhuǎn)變時(shí)，相變溫度對(duì)轉(zhuǎn)變速度的影響對(duì)于加熱轉(zhuǎn)變：溫度升高→相變驅(qū)動(dòng)力增大，原子擴(kuò)散速度增大，這兩個(gè)方面對(duì)轉(zhuǎn)變速度的影響是一致，均促進(jìn)轉(zhuǎn)變。對(duì)于冷卻轉(zhuǎn)變：溫度降低→相變驅(qū)動(dòng)力增大，原子擴(kuò)散速度降低，這二者對(duì)轉(zhuǎn)變速度的影響是不一致的。對(duì)于冷卻轉(zhuǎn)變，將這二者綜合作用的結(jié)果用圖來表示，即：其相變溫度對(duì)轉(zhuǎn)變速度的影響。研究表明二者綜合作用的結(jié)果，速度曲線如圖6-5所示:圖6-5相變溫度對(duì)轉(zhuǎn)變速度的影響可見：①（A1-tn）由于溫度比較高，擴(kuò)散因素占主導(dǎo)地位，相變驅(qū)動(dòng)力是這段轉(zhuǎn)變的控制因素，隨著溫度降低相變驅(qū)動(dòng)力增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)變速度增大。②（tn-Ms）由于溫度比較低，擴(kuò)散比較困難，控制相變速度的是擴(kuò)散因素，隨著溫度升高，擴(kuò)散速度加快導(dǎo)致轉(zhuǎn)變速度增大。③Ms以下，由于溫度極低，相變驅(qū)動(dòng)力相當(dāng)大，F(xiàn)e、C原子的長(zhǎng)距離擴(kuò)散已不可能，這時(shí)擴(kuò)散轉(zhuǎn)變停止，發(fā)生非擴(kuò)散型相變，即馬氏體轉(zhuǎn)變。以上說明：過冷奧氏體在A1以下轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間不同，轉(zhuǎn)變方式也不同，因而它的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也不同。二、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線】1.等溫轉(zhuǎn)變及等溫轉(zhuǎn)變曲線把奧氏體迅速冷卻到Ar1以下某一溫度保溫，待其分解轉(zhuǎn)變完成后，再冷至室溫的一種冷卻轉(zhuǎn)變方式。這是研究過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的基本方法。過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線就是在等溫冷卻轉(zhuǎn)變情況下，轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時(shí)間和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物之間的關(guān)系曲線。由于其形狀象個(gè)“C”字，所以又稱C曲線，根據(jù)英文名稱（Time-Temperature-TransformationCurve）的字頭又稱為“TTT”曲線。2.C曲線的建立C曲線是由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)繪而成的，以共析鋼為例，其測(cè)定過程如下：（1）將相同尺寸的（φ10×1.5mm）共析鋼試樣加熱奧氏體化后保溫約15min。（2）分別淬入Ar1以下某一溫度（700、650、600、500……℃）的鹽浴爐中進(jìn)行等溫（每一溫度下有一組樣品），等溫的同時(shí)記錄等溫時(shí)間，（等溫時(shí)間可以從幾秒到幾天）再將每一溫度下的一組樣品等溫不同的時(shí)間后從鹽浴爐中取出迅速淬入水中。（3）對(duì)淬火樣品進(jìn)行金相顯微觀察，根據(jù)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的顏色和硬度的不同。（轉(zhuǎn)變產(chǎn)物呈暗黑色，未轉(zhuǎn)變的奧氏體冷卻后呈白亮色）將金相法和硬度法配合起來分析，使可找出各溫度下轉(zhuǎn)變開始和終了的時(shí)間。將這些時(shí)間點(diǎn)描繪在“溫度—時(shí)間”坐標(biāo)上，并把所有的開始點(diǎn)的終了點(diǎn)連接起來，便得到由轉(zhuǎn)變開始線和轉(zhuǎn)變終了線構(gòu)成的共析鋼等溫轉(zhuǎn)變的C曲線。共析鋼C曲線中，高于臨界點(diǎn)A1的區(qū)域?yàn)閵W氏體的穩(wěn)定區(qū)，縱坐標(biāo)與轉(zhuǎn)變開始線之間為奧氏體穩(wěn)定區(qū)，其橫坐標(biāo)的長(zhǎng)度為過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的孕育期，兩曲線之間為轉(zhuǎn)變區(qū)（過冷奧氏體與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的共存區(qū)），對(duì)共析鋼550℃（logt）以時(shí)間的對(duì)數(shù)為標(biāo)。過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線之所以呈“C”字形是與前面分析的溫度對(duì)等溫冷卻轉(zhuǎn)變速度的影響分不開的。這里的鼻尖溫度550℃就是前面圖6-6中的tn溫度，由于在tn不穩(wěn)定，孕育期最短，tn以上溫度時(shí)，隨轉(zhuǎn)變溫度的升高，轉(zhuǎn)變速度降低，奧氏體的穩(wěn)定性增大，導(dǎo)致孕育期增長(zhǎng)，同樣在tn以下溫度時(shí)，隨溫度的降低轉(zhuǎn)變速度降低，奧氏體的穩(wěn)定性增大，導(dǎo)致孕育期增長(zhǎng)，因此使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線呈“C”字形。圖6-6共析鋼等溫轉(zhuǎn)變C曲線三、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能從前面的分析中知，過冷奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變時(shí)，轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間不同，轉(zhuǎn)變方式不同，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織性能亦不同。過冷奧氏體在不同的等溫度下會(huì)發(fā)生三種不同轉(zhuǎn)變：550℃以上：珠光體轉(zhuǎn)變；550℃～Ms之間為貝氏體轉(zhuǎn)變；Ms～Mf之間為馬氏體轉(zhuǎn)變。Ms和M1.珠光體轉(zhuǎn)變（1）轉(zhuǎn)變過程：奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的過程是一個(gè)形核和長(zhǎng)大的過程。當(dāng)奧氏體過冷到Ar1溫度時(shí)，由于能量、成分、結(jié)構(gòu)的起伏，導(dǎo)致在奧氏體晶界處形成薄片狀的滲碳體核心，F(xiàn)e3C（a）(b)(c)圖6-7珠光體形成示意圖（2）組織與性能特征：珠光體片層的粗細(xì)與等溫轉(zhuǎn)變溫度密切相關(guān)。當(dāng)溫度在A1～650℃范圍內(nèi)時(shí)，形成片層較粗的珠光體，通常所說的珠光體就指這一類，用“P”在650～600℃溫度范圍內(nèi)形成層片較細(xì)的珠光體，稱為索氏體，用“S”在600～550℃溫度范圍內(nèi)形成片層極細(xì)的珠光體，稱為屈氏體，用“T”顯然，溫度越低，珠光體的層片愈細(xì)，片間距也就愈小。（這里的片間距是指珠光體中相鄰兩片滲碳體間的平均距離。）珠光體的片間距對(duì)其性能有很大的影響?？梢?，片間距越小，珠光體的強(qiáng)度和硬度就越高，同時(shí)塑性和韌性也有所增加。這是因?yàn)橹楣怏w的基體相是鐵素體，很軟，易變形，而滲碳體片和鐵素體片的相界面阻礙鐵素體變形，從而提高了強(qiáng)度和硬度。珠光體片間距愈小，相界面積愈大，強(qiáng)化作用愈大，因而強(qiáng)度和硬度升高，同時(shí)，由于此時(shí)滲碳體片較薄，易隨鐵素體一起變形而不脆斷，因此細(xì)片珠光體又具有較好的韌性和塑性。a)珠光體b)索氏體c)屈氏體圖6-8珠光體組織示意圖2．貝氏體轉(zhuǎn)變：（1）轉(zhuǎn)變過程：將A過冷到550～230℃（Ms點(diǎn)）溫度范圍內(nèi)發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物叫貝氏體，用“B”表示，B是由過飽和的鐵素體和滲碳體組成的混合物。和珠光體轉(zhuǎn)變不同，由于B轉(zhuǎn)變溫度低，因此在B轉(zhuǎn)變過程中只有C原子的擴(kuò)散，沒有Fe原子的擴(kuò)散發(fā)生。奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)锽時(shí)，先沿奧氏體晶界析出過飽和的鐵素體，由于C處于過飽和狀態(tài)，有從鐵素體中脫溶，向奧氏體方向擴(kuò)散的傾向。隨著密排的鐵素體條伸長(zhǎng)和變寬，生長(zhǎng)著的鐵素體中碳原子不斷地通過界面而排除到其周圍的奧氏體中，導(dǎo)致條間的奧氏體中的碳原子不斷富集，當(dāng)其濃度足夠高時(shí)，便在條間沿條的長(zhǎng)軸方向析出碳化物，形成上貝氏體組織。對(duì)于下貝氏體的形成：由于其在較大的過冷度下形成，碳原子的擴(kuò)散能力降低，盡管初生的下貝氏體集中的鐵素體固溶有較多的碳原子，但碳原子的遷移都沒能越過鐵素體片的范圍，只好在片內(nèi)沿一定晶面偏聚，并沿與片的長(zhǎng)軸成55～65度夾角方向沉淀出碳化物粒子，進(jìn)而形成下貝氏體。圖6-9上貝氏體的形成圖6-10下貝氏體的形成（2）組織特征與性能上貝氏體在顯微鏡下呈羽毛狀，它是由許多互相平行的過飽和鐵素體片和分布在片間的斷續(xù)細(xì)小的滲碳體組成的混合物，用“B上”表示。其硬度較高，可達(dá)HRC40～45，但由于其鐵素體片較粗，因此塑性和韌性較差，在生產(chǎn)中應(yīng)用較少。下貝氏體的形成溫度在350℃～Ms，下貝氏體在光學(xué)顯微鏡下呈黑色針葉狀，在電鏡下觀察是由針葉狀的鐵素體和分布在其上的極為細(xì)小的滲碳體粒子組成的。極易腐蝕，故呈黑色針葉狀。下貝氏體中的鐵素體也是一種過飽和的鐵素體，且C的過飽和度大于上貝氏體。下貝氏體用“B下”表示。其硬度更高，可達(dá)HRC50～60。因其鐵素體針葉較細(xì)，故其塑性和韌性較好。在320～350℃溫度等溫形成的下貝氏體具有高強(qiáng)度、高硬度、高塑性、高韌性，即具有良好的綜合機(jī)械性能。生產(chǎn)中有時(shí)對(duì)中碳合金鋼和高碳合金鋼采用“等溫淬火”方法獲得下貝氏體，以提高鋼的強(qiáng)度、硬度、韌性和塑性，其原因就在于此。3.馬氏體的組織與形態(tài)馬氏體用“M”表示。馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體，具有體心正方晶格。馬氏體轉(zhuǎn)變溫度低，鐵原子和碳原子都不能擴(kuò)散，屬于非擴(kuò)散型相變，轉(zhuǎn)變前后新相與母相的成份相同，即M的含碳量與高溫奧氏體的含碳量相同。如：共析鋼奧氏體中含碳里0.8%，轉(zhuǎn)變成的馬氏體的含碳量也是0.8%。通常鐵素體在室溫的含碳量小于0.006%，當(dāng)A由面心立方轉(zhuǎn)變?yōu)镸改組為體心立方時(shí)，多余的碳并不以Fe3C形式析出，而仍保留在體心立方晶格的C軸上，成為過飽和的固溶體，并使其C軸伸長(zhǎng)，其余兩個(gè)a軸縮短，因而將αc/a稱為馬氏體的正方度，其值大于1，馬氏體中含碳量愈高，c/a的數(shù)值就越大。大量碳原子的過飽和造成晶格的畸變，使塑性變形的抗力增加；另外，由于馬氏體的比容比奧氏體大，當(dāng)奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體時(shí)發(fā)生體積膨脹，產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，引起塑性變形和加工硬化。因此，馬氏體具有高的強(qiáng)度和硬度。奧氏體轉(zhuǎn)變后，所產(chǎn)生的M的形態(tài)取決于奧氏體中的含碳量，低碳馬氏體呈板條狀；高碳馬氏體呈針葉狀?？梢姡剂浚?.6%的為板條馬氏體；含碳量在0.6—1.0%之間為板條和針狀混合的馬氏體；含碳量大于1.0%的為針狀馬氏體。這兩種不同形態(tài)的馬氏體具有不同機(jī)械性能，隨著馬氏體含碳量的增加，形態(tài)從板條狀過渡到針葉狀，硬度和強(qiáng)度也隨之升高，而塑性和韌性隨之降低?？梢?，低碳馬氏體強(qiáng)而韌，而高碳馬氏體硬而脆。這是因?yàn)榈吞捡R氏體中含碳量較低，過飽和度較小，晶格畸變也較小，故具有良好的綜合機(jī)械性能。隨含碳量增加，馬氏體的過飽和度增加，使塑性變形阻力增加，因而引起硬化和強(qiáng)化。當(dāng)含碳量很高時(shí)，盡管馬氏體的硬度和強(qiáng)度很高，但由于過飽和度太大，引起嚴(yán)重的晶格畸變和較大的內(nèi)應(yīng)力，致使高碳馬氏體針葉內(nèi)產(chǎn)生許多微裂紋，因而塑性和韌性顯著降低。針葉狀和板條狀馬氏體的形態(tài)見圖6-11。a)板條狀馬氏體b)針葉狀馬氏體圖6-11馬氏體的形態(tài)（2）馬氏體的轉(zhuǎn)變過程馬氏體轉(zhuǎn)變是在Ms～Mf溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。當(dāng)奧氏體過冷到Ms點(diǎn)時(shí)，便有第一批馬氏體針葉沿奧氏體晶界形核并迅速向晶內(nèi)長(zhǎng)大，由于長(zhǎng)大速度極快，它們很快橫貫整個(gè)奧氏體晶?；蚝芸毂舜讼嗯龆⒓赐Ｖ归L(zhǎng)大，必須降低溫度，才能有新的馬氏體針葉形成。如此不斷連續(xù)冷卻便有一批又一批的馬氏體針葉不斷形成。隨溫度降低，馬氏體的數(shù)量不斷增多，直至馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Mf點(diǎn)，轉(zhuǎn)變結(jié)束。（但此時(shí)并不可能獲得100%馬氏體，總有部分奧氏體被保留下來，這部分奧氏體稱為殘余奧氏體，用γ'或A'表示，可見殘余奧氏體就是M轉(zhuǎn)變后剩余的奧氏體，室溫下不再發(fā)生相變；而過冷奧氏體則是未發(fā)生相變，隨時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)發(fā)生相變的奧氏體。）對(duì)于Ms和Mf點(diǎn)的溫度，實(shí)驗(yàn)表明：Ms和Mf與冷卻速度無關(guān)，而奧氏體的成分對(duì)其有顯著影響，含碳量增加，Ms及Mf點(diǎn)降低，如圖6-12所示?？梢?，奧氏體中含碳量超過0.5%時(shí)，Mf點(diǎn)便下降到室溫以下，而一般的淬火操作均是冷卻到室溫，高于Mf點(diǎn)，必然保留一定量的殘余奧氏體。此外，奧氏體中的合金元素，也會(huì)明顯降低其Ms和Mf點(diǎn)，從而增加了淬火后的殘余A量。圖6-12含碳量對(duì)Ms、Mf的影響冷處理：對(duì)高碳鋼或高碳合金鋼，為了減少其淬火后殘余奧氏體的量，常對(duì)其進(jìn)行“冷處理”。所謂的冷處理即淬火至室溫后，立即將鋼件放入干冰酒精等深冷劑中繼續(xù)冷卻到零下溫度，使殘余奧氏體繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。四、過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線在實(shí)際生產(chǎn)中，奧氏體的轉(zhuǎn)變大多是在連續(xù)冷卻過程中進(jìn)行，故有必要對(duì)過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線有所了解。它也是由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定的，它與等溫轉(zhuǎn)變曲線的區(qū)別在于連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線位于曲線的右下側(cè)，且沒有C曲線的下部分，即共析鋼在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時(shí)，得不到貝氏體組織。這是因?yàn)楣参鲣撠愂象w轉(zhuǎn)變的孕育期很長(zhǎng)，當(dāng)過冷奧氏體連續(xù)冷卻通過貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)尚未發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)就已過冷到Ms點(diǎn)而發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，所以不出現(xiàn)貝氏體轉(zhuǎn)變。連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線又稱CCT圖（ContinuousCoolingTransformationCurve），如圖6-13所示：圖中Ps和Pf表示A→P的開始線和終了線，K線表示A→P的終止線，若冷卻曲線碰到K線，這時(shí)A→P轉(zhuǎn)變停止，繼續(xù)冷卻時(shí)A一直保持到Ms點(diǎn)溫度以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。圖6-13連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線Vk稱為臨界冷卻速度，它是獲得全部馬氏體組織的最小冷卻速度。Vk愈小，鋼在淬火時(shí)越容易獲得馬氏體組織，即鋼接受淬火的能力愈大。Vk’是TTT圖上的臨界冷卻速度，可見Vk’＞Vk，用Vk’去研究鋼在連續(xù)冷卻時(shí)接受淬火能力的大小是不合適的。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于連續(xù)冷卻曲線的測(cè)定比較困難，且CCT圖少，對(duì)于某種鋼若找不到它的CCT圖，可用TTT圖定性地分析其應(yīng)得到的組織。但定量上不夠精確?！咀鳂I(yè)題】1.解釋下列名詞：1）奧氏體的起始晶粒度、實(shí)際晶粒度、本質(zhì)晶粒度；2）珠光體、索氏體、屈氏體、貝氏體、馬氏體；3）奧氏體、過冷奧氏體、殘余奧氏體；2.何謂本質(zhì)細(xì)晶粒鋼？本質(zhì)細(xì)晶粒鋼的奧氏體晶粒是否一定比本質(zhì)粗晶粒鋼的細(xì)？第四節(jié)鋼的退火與正火普通熱處理是將工件整體進(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以使其獲得均勻的組織和性能的一種操作。它包括退火、正火、淬火和回火。實(shí)際生產(chǎn)中，各種工件在制造過程中有不同的工藝路線，如：鑄造（或鍛造）→退火（正火）→切削加工→成品；或鑄造（或鍛造）→退火（正火）→粗加工→淬火→回火→精加工→成品?？梢?，退火與正火是應(yīng)用非常廣泛的熱處理。為什么將其安排在鑄造成鍛造之后，切削加工之前呢？原因如下：①在鑄造或鍛造之后，鋼件中不但殘留有鑄造或鍛造應(yīng)力，而且還往往存在著成分和組織上的不均勻性，因而機(jī)械性能較低，還會(huì)導(dǎo)致以后淬火時(shí)的變形和開裂。經(jīng)過退火和正火后，便可得到細(xì)而均勻的組織，并消除應(yīng)力，改善鋼件的機(jī)械性能并為隨后的淬火作了準(zhǔn)備。②鑄造或鍛造后，鋼件硬度經(jīng)常偏高或偏低，嚴(yán)重影響切削加工。經(jīng)過退火與正火后，鋼的組織接近于平衡組織，其硬度適中，有利于下一步的切削加工。③如果工件的性能要求不高時(shí)，如鑄件、鍛件或焊接件等，退火或正火常作為最終熱處理。一、鋼的退火退火是將工件加熱到臨界點(diǎn)以上或在臨界點(diǎn)以下某一溫度保溫一定時(shí)間后，以十分緩慢的冷卻速度（爐冷、坑冷、灰冷）進(jìn)行冷卻的一種操作。根據(jù)鋼的成分、組織狀態(tài)和退火目的不同，退火工藝可分為：完全退火、等溫退火、球化退火、去應(yīng)力退火等。1.完全退火和等溫退火用于亞共析鋼成分的碳鋼和合金鋼的鑄件、鍛件及熱軋型材。有時(shí)也用于焊接結(jié)構(gòu)。目的：細(xì)化晶粒，降低硬度，改善切削加工性能。完全退火工藝：將工件加熱到Ac3以上30～50℃，保溫一定時(shí)間后，隨爐緩慢冷卻到500℃等溫退火工藝：先以較快的冷速，將工件加熱到Ac3以上30～50℃，保溫一定時(shí)間后，先以較快的冷速冷到珠光體的形成溫度等溫，待等溫轉(zhuǎn)變結(jié)束再快冷。這樣就可大大縮短退火的時(shí)間。高速鋼的等溫退火與完全退火的比較。2.球化退火主要用于共析或過共析成分的碳鋼及合金鋼。目的：在于降低硬度，改善切削加工性，并為以后淬火做準(zhǔn)備。實(shí)質(zhì)：通過球化退火，使層狀滲碳體和網(wǎng)狀滲碳體變?yōu)榍驙顫B碳體，球化退火后的組織是由鐵素體和球狀滲碳體組成的球狀珠光體。球化退火工藝：將鋼件加熱到Ac1以上30～50℃，保溫一定時(shí)間后隨爐緩慢冷卻至600℃3.去應(yīng)力退火（低溫退火）主要用于消除鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件（或冷拔件）及機(jī)加工的殘余內(nèi)應(yīng)力。這些應(yīng)力若不消除會(huì)導(dǎo)致隨后的切削加工或使用中的變形開裂。降低機(jī)器的精度，甚至?xí)l(fā)生事故。去應(yīng)力退火工藝：將工件隨爐緩慢加熱（100～150℃/h）至500～650℃（＜A1點(diǎn)），保溫一段時(shí)間后隨爐緩慢冷卻（50～100℃/h），至200℃在去應(yīng)力退火中不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。在保溫過程中（500～650℃）部分彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，使?nèi)應(yīng)力下降。退火溫度愈高，內(nèi)應(yīng)力消除越充分，退火所需的時(shí)間越短。二、鋼的正火：正火：將工件加熱到Ac3或Accm以上30～50℃，保溫后從爐中取出在空氣中冷卻。與退火的區(qū)別是冷速快，組織細(xì)，強(qiáng)度和硬度有所提高。當(dāng)鋼件尺寸較小時(shí)，正火后組織：S，而退火后組織：P。鋼的退火與正火工藝參數(shù)見圖6-14所示。正火的應(yīng)用：（1）用于普通結(jié)構(gòu)零件，作為最終熱處理，細(xì)化晶粒提高機(jī)械性能。（2）用于低、中碳鋼作為預(yù)先熱處理，得合適的硬度便于切削加工。（3）用于過共析鋼，消除網(wǎng)狀Fe3CⅡ三、退火和正火的選擇從前面的學(xué)習(xí)中知，退火與正火在某種程度上有相似之處，在實(shí)際生產(chǎn)中又可替代，那么，在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)什么原則進(jìn)行選擇呢？從以下三方面予以考慮：（1）從切削加工性上考慮切削加工性又包括硬度，切削脆性，表面粗糙度及對(duì)刀具的磨損等。一般金屬的硬度在HB170～230范圍內(nèi)，切削性能較好。高于它過硬，難以加工，且刀具磨損快；過低則切屑不易斷，造成刀具發(fā)熱和磨損，加工后的零件表面粗糙度很大。對(duì)于低、中碳結(jié)構(gòu)鋼以正火作為預(yù)先熱處理比較合適，高碳結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼則以退火為宜。至于合金鋼，由于合金元素的加入，使鋼的硬度有所提高，故中碳以上的合金鋼一般都采用退火以改善切削性。（2）從使用性能上考慮如工件性能要求不太高，隨后不再進(jìn)行淬火和回火，那么往往用正火來提高其機(jī)械性能，但若零件的形狀比較復(fù)雜，正火的冷卻速度有形成裂紋的危險(xiǎn)，應(yīng)采用退火。（3）從經(jīng)濟(jì)上考慮正火比退火的生產(chǎn)周期短，耗能少，且操作簡(jiǎn)便，故在可能的條件下，應(yīng)優(yōu)先考慮以正火代替退火。圖6-14鋼的退火與正火工藝參數(shù)第五節(jié)鋼的淬火淬火就是將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上30～50℃，保溫一定時(shí)間，然后快速冷卻（一般為油冷或水冷），從而得馬氏體的一種操作。一、淬火工藝淬火的目的就是獲得馬氏體。但淬火必須和回火相配合，否則淬火后得到了高硬度，高強(qiáng)度，但韌性，塑性低，不能得到優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。淬火是一種復(fù)雜的熱處理工藝，又是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序之一，（淬火后要得到細(xì)小的馬氏體組織又不致于產(chǎn)生嚴(yán)重的變形和開裂）就必須根據(jù)鋼的成分、零件的大小，形狀等，結(jié)合C曲線合理地確定淬火加熱和冷卻方法。1.淬火加熱溫度的選擇馬氏體針葉大小取決于奧氏體晶粒大小。為了使淬火后得到細(xì)而均勻的馬氏體，首先要在淬火加熱時(shí)得到細(xì)而均勻的奧氏體。因此，加熱溫度不宜太高。只能在臨界點(diǎn)以上30～50℃。淬火工藝參數(shù)見圖6-15所示。對(duì)于亞共析鋼：Ac3+（30～50℃），淬火后的組織為均勻而細(xì)小的馬氏體。對(duì)于過共析鋼：Ac1+（30～50℃），淬火后的組織為均勻而細(xì)小的馬氏體和顆粒狀滲碳體及殘余奧氏體的混合組織。如果加熱溫度過高，滲碳體溶解過多，奧氏體晶粒粗大，會(huì)使淬火組織中馬氏體針變粗，滲碳體量減少，殘余奧氏體量增多，從而降低鋼的硬度和耐磨性。圖6-15淬火工藝參數(shù)的選擇2.淬火冷卻介質(zhì)淬火冷卻是決定淬火質(zhì)量的關(guān)鍵，為了使工件獲得馬氏體組織，淬火冷卻速度必須大于臨界冷卻速度V臨，而快冷會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，容易引起工件的變形和開裂。所以既不能冷速過大又不能冷速過小，理想的冷卻速度應(yīng)是如圖6-16所示的速度，但到目前為止還沒有找到十分理想的冷卻介質(zhì)能符合這一理想的冷卻速度的要求。最常用的冷卻介質(zhì)是水和油，水在650～550℃范圍內(nèi)具有很大的冷卻速度（＞600℃/s），可防止珠光體的轉(zhuǎn)變，但在300～200℃圖6-16淬火理想的冷卻速度這時(shí)正發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變具有如此高的冷速，必然會(huì)引起淬火鋼的變形和開裂。若在水中加入10%的鹽（NaCl）或堿（NaOH），可將650～550℃范圍內(nèi)的冷卻速度提高到1100℃/s，但在300～200℃范圍內(nèi)冷卻速度基本不變，因此水及鹽水或堿水常被用作碳鋼的淬火冷卻介質(zhì)，但都易引起材料變形和開裂。而油在300～200℃范圍內(nèi)的冷卻速度較慢（約為20℃/s），可減少鋼在淬火時(shí)的變形和開裂傾向，但在650～550℃范圍內(nèi)的冷卻速度不夠大（約為此外，還有硝鹽?。?5%KNO3+45%NaNO2另加3～5%H2O）、堿?。?5%KOH+15%NaNO2，另加3～6%H2O）及聚乙烯醇水溶液（濃度為0.1～0.3%）和三硝水溶液（25%NaNO3+20%KNO3+20%NaNO2+35%H2O）等作為淬火冷卻介質(zhì)，它們的冷卻能力介于水與油之間，適用于油淬不硬，而水淬開裂的碳鋼零件。3.淬火方法為了使工件淬火成馬氏體并防止變形和開裂，單純依靠選擇淬火介質(zhì)是不行的，還必須采取正確的淬火方法。最常用的淬火方法有如下四種：如圖6-17所示①單液淬火法將加熱的工件放入一種淬火介質(zhì)中一直冷到室溫。這種方法操作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，自動(dòng)化，如碳鋼在水中淬火，合金鋼在油中淬火。但其缺點(diǎn)是不符合理想淬火冷卻速度的要求，水淬容易產(chǎn)生變形和裂紋，油淬容易產(chǎn)生硬度不足或硬度不均勻等現(xiàn)象。②雙液淬火法將加熱的工件先在快速冷卻的介質(zhì)中冷卻到300℃左右，立即轉(zhuǎn)入另一種緩慢冷卻的介質(zhì)中冷卻至室溫，以降低馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的應(yīng)力，防止變形開裂。如形狀復(fù)雜的碳鋼工件常采用水淬油冷的方法，即先在水中冷卻到300③分級(jí)淬火法將加熱的工件先放入溫度稍高于Ms的硝鹽浴或堿浴中，保溫2～5min，使零件內(nèi)外的溫度均勻后，立即取出在空氣中冷卻。這種方法可以減少工件內(nèi)外的溫差和減慢馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度，從而有效地減少內(nèi)應(yīng)力，防止產(chǎn)生變形和開裂。但由于硝鹽浴或堿浴的冷卻能力低，只能適用于零件尺寸較小，要求變形小，尺寸精度高的工件，如模具、刀具等。④等溫淬火法將加熱的工件放入溫度稍高于Ms的硝鹽浴或堿浴中，保溫足夠長(zhǎng)的時(shí)間使其完成B轉(zhuǎn)變。等溫淬火后獲得B下組織。下貝氏體與回火馬氏體相比，在含碳量相近，硬度相當(dāng)?shù)那闆r下，前者比后者具有較高的塑性與韌性，適用于尺寸較小，形狀復(fù)雜，要求變形小，具有高硬度和強(qiáng)韌性的工具，模具等。圖6-17各種淬火方法示意圖三、鋼的淬透性：1．淬透性的概念所謂淬透性是指鋼在淬火時(shí)獲得淬硬層的能力。淬硬層一般規(guī)定為工件表面至半馬氏體（馬氏體量占50%）之間的區(qū)域，它的深度叫淬硬層深度。不同的鋼在同樣的條件下淬硬層深度不同，說明不同的鋼淬透性不同，淬硬層較深的鋼淬透性較好。淬硬性：是指鋼以大于臨界冷卻速度冷卻時(shí)，獲得的馬氏體組織所能達(dá)到的最高硬度。鋼的淬硬性主要決定于馬氏體的含碳量，即取決于淬火前奧氏體的含碳量。2．影響淬透性的因素①化學(xué)成分C曲線距縱坐標(biāo)愈遠(yuǎn)，淬火的臨界冷卻速度愈小，則鋼的淬透性愈好。對(duì)于碳鋼，鋼中含碳量愈接近共析成分，其C曲線愈靠右，臨界冷卻速度愈小，則淬透性愈好，即亞共析鋼的淬透性隨含碳量增加而增大，過共析鋼的淬透性隨含碳量增加而減小。除Co和Al（＞2.5%）以外的大多數(shù)合金元素都使C曲線右移，使鋼的淬透性增加，因此合金鋼的淬透性比碳鋼好。②奧氏體化溫度溫度愈高，晶粒愈粗，未溶第二相愈少，淬透性愈好。因?yàn)閵W氏體晶粒粗大使晶界減少，不利珠光體的形核，從而避免淬火時(shí)發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。③淬透性的表示方法及應(yīng)用鋼的淬透性必須在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的冷卻條件下，來測(cè)定和比較，其測(cè)定方法很多。過去為了便于比較各種鋼的淬透性，常利用臨界直徑Dc來表示鋼獲得淬硬層深度的能力。所謂臨界直徑就是指圓柱形鋼棒加熱后在一定的淬火介質(zhì)中能全部淬透的最大直徑。對(duì)同一種鋼Dc油＜Dc水，因?yàn)橛偷睦鋮s能力比水低。目前國(guó)內(nèi)外都普遍采用“頂端淬火法”測(cè)定鋼的淬透性曲線，比較不同鋼的淬透性?！绊敹舜慊鸱ā薄獓?guó)家規(guī)定試樣尺寸為φ25×100mm；水柱自由高度65mm；此外應(yīng)注意加熱過程中防止氧化，脫碳。將鋼加熱奧氏體化后，迅速噴水冷卻。顯然，在噴水端冷卻速度最大，沿試樣軸向的冷卻速度逐漸減小。據(jù)此，末端組織應(yīng)為馬氏體，硬度最高，隨距水冷端距離的加大，組織和硬度也相應(yīng)變化，將硬度隨水冷端距離的變化繪成曲線稱為淬透性曲線。如圖6-18所示。不同鋼種有不同的淬透性曲線，工業(yè)上用鋼的淬透性曲線幾乎都已測(cè)定，并已匯集成冊(cè)可查閱參考。由淬透性曲線就可比較出不同鋼的淬透性大小。此外對(duì)于同一種鋼，因冶煉爐冷不同，其化學(xué)成分會(huì)在一個(gè)限定的范圍內(nèi)波動(dòng)，對(duì)淬透性有一定的影響，因此鋼的淬透性曲線并不是一條線，而是一條帶，即表現(xiàn)出“淬透性帶”。鋼的成分波動(dòng)愈小，淬透性帶愈窄，其性能愈穩(wěn)定，因此淬透性帶愈窄愈好。圖5-18鋼的淬透性曲線應(yīng)用：淬透性是機(jī)械零件設(shè)計(jì)時(shí)選擇材料和制定熱處理工藝的重要依據(jù)。淬透性不同鋼材，淬火后得到的淬硬層深度不同，所以沿截面的組織和機(jī)械性能差別很大。圖6-19中表示淬透性不同的鋼制成直徑相同的軸，經(jīng)調(diào)質(zhì)后機(jī)械性能的對(duì)比。圖（a）表示全部淬透，整個(gè)截面為回火索氏體組織，機(jī)械性能沿截面是均勻分布的；（b）表示僅表面淬透，由于心部為層片狀組織（索氏體），沖擊韌性較低。由此可見，淬透性低的鋼材機(jī)械性能較差。因此機(jī)械制造中截面較大或形狀較復(fù)雜的重要零件，以及應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜的螺栓，連桿等零件，要求截面機(jī)械性能均勻應(yīng)選用淬透性較好的鋼材。受彎曲和扭轉(zhuǎn)力的軸類零件，應(yīng)力在截面上的分布是不均勻的，其外層受力較大，心部受力較小，可考慮選用淬透性較低的，淬硬層較淺（如為直徑的1/3～1/2）的鋼材。有些工件（如焊接件）不能選用淬透性高的鋼件，否則容易在焊縫熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)淬火組織，選成焊縫變形和開裂。a)全淬透b)未淬透圖6-19淬透性不同的鋼調(diào)質(zhì)后機(jī)械性能第六節(jié)鋼的回火一、鋼的回火1.鋼的回火及回火的目的回火是將淬火鋼重新加熱到A1點(diǎn)以下的某一溫度，保溫一定時(shí)間后，冷卻到室溫的一種操作。由于淬火鋼硬度高，脆性大，存在著淬火內(nèi)應(yīng)力，且淬火后的組織M和A’都處于非平衡態(tài)，是一種不穩(wěn)定的組織，在一定條件下，經(jīng)過一定的時(shí)間后，組織會(huì)向平衡組織轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致工件的尺寸形狀改變，性能發(fā)生變化，為克服淬火組織的這些弱點(diǎn)而采取回火處理?；鼗鸬哪康模航档痛慊痄摰拇嘈?，減少或消除內(nèi)應(yīng)力，使組織趨于穩(wěn)定并獲得所需要的性能。2.淬火鋼在回火時(shí)組織和性能的變化淬火鋼在回火過程中，隨著加熱溫度的提高，原子活動(dòng)能力增大，其組織相應(yīng)發(fā)生以下四個(gè)階段性的轉(zhuǎn)變。（1）80～200℃，發(fā)生馬氏體的分解由淬火馬氏體中析出薄片狀細(xì)小的ε碳化物（過渡相分子式Fe2、4C）使馬氏體中碳的過飽和度降低，因而馬氏體的正方度減小，但仍是碳在α-Fe中的過飽和固溶體，通常把這種過飽和α+ε碳化物的組織稱為回火馬氏體（M’）。它是由兩相組成的，易被腐蝕，在顯微鏡下觀察呈黑色針葉狀。這一階段內(nèi)應(yīng)力逐漸減小。（2）200～300℃發(fā)生殘余奧氏體分解殘余奧氏體分解過飽和的α+ε碳化物的混合物，這種組織與馬氏體分解的組織基本相同。把它歸入回火馬氏體組織，即回火溫度在300℃（3）250～400℃，馬氏體分解完成過飽和的α中的含碳量達(dá)到飽和狀態(tài)，實(shí)際上就是M→F，使馬氏體的正方度c/a=1，但這時(shí)的鐵素體仍保持著馬氏體的針葉狀的外形，這時(shí)ε碳化物這一過渡相也轉(zhuǎn)變?yōu)闃O細(xì)的顆粒狀的滲碳體。這種由針葉狀F和極細(xì)粒狀滲碳體組成的機(jī)械混合物稱為回火屈氏體（T回），在這一階段馬氏體的內(nèi)應(yīng)力大大降低。（4）400℃回火溫度超過400℃時(shí)，具有平衡濃度的α相開始回復(fù)，500℃以上時(shí)發(fā)生再結(jié)晶，從針葉狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅蔚牧睿谶@一回復(fù)再結(jié)晶的過程中，粒狀滲碳體聚集長(zhǎng)大成球狀，即在500℃以上（500—650℃）得到由粒狀鐵素體+Fe3C可見，碳鋼淬火后在回火過程中發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變主要有：馬氏體和殘余奧氏體的分解，碳化物的形成、聚集長(zhǎng)大，以及α固溶體的回復(fù)與再結(jié)晶等幾個(gè)方面。而且隨回火溫度的不同可得到三種類型的回火組織：300℃以下得到M'，其硬度與淬火馬氏體相近，但塑性、韌性較淬火馬氏體提高。回火溫度在300～500℃范圍內(nèi)得到回火屈氏體組織，具有較高的硬度和強(qiáng)度以及一定的塑性和韌性，回火溫度在500～650℃范圍時(shí)，得到回火索氏體組織與T回相比，它的強(qiáng)度、硬度低而塑性和韌性較高。硬度大約在200℃以后呈直線下降；鋼的強(qiáng)度在開始時(shí)雖然隨著內(nèi)應(yīng)力和脆性的減少而有所提高，但自300℃值得注意：所有淬火鋼回火時(shí)，在300℃a)回火索氏體b)回火屈氏體c)回火馬氏體圖6-20回火組織3.回火的方法及應(yīng)用鋼的回火按回火溫度范圍可分為以下三種：（1）低溫回火回火溫度范圍150～250℃。得到的組織：回火馬氏體。內(nèi)應(yīng)力和脆性降低，保持了高硬度和高耐磨性。這種回火主要應(yīng)用于高碳鋼或高碳合金鋼制造的工、模具、滾動(dòng)軸承及滲碳和表面淬火的零件，回火后的硬度一般為HRC58-64。（2）中溫回火回火溫度范圍為350～500℃，回火后的組織為回火屈氏體，硬度HRC35-45，具有一定的韌性和高的彈性極限及屈服極限。這種回火主要應(yīng)用于含碳0.5-0.7%的碳鋼和合金鋼制造的各類彈簧。（3）高溫回火回火溫度范圍為500～650℃，回火后的組織為回火索氏體，其硬度HRC25-35，具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和足夠的塑性和韌性。這種回火主要應(yīng)用于含碳0.3-0.5%的碳鋼和合金鋼制造的各類連接和傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)零件，如軸、連桿、螺栓等。通常在生產(chǎn)上將淬火加高溫回火的處理稱為“調(diào)質(zhì)處理”。對(duì)于在交變載荷下工作的重要零件，要求其整個(gè)截面得到均勻的回火索氏體組織，首先必須使零件淬透，因此，隨著調(diào)質(zhì)零件尺寸不同，要求鋼的淬透性也不同，大零件要求選用高淬透性的鋼，小零件則可以選用淬透性較低的鋼。【作業(yè)題】1.正火與退火的主要區(qū)別是什么？生產(chǎn)中應(yīng)如何選擇正火及退火？2.淬火的目的是什么？亞共析碳鋼及過共析碳鋼淬火加熱溫度應(yīng)如何選擇？試從獲得的組織及性能等方面加以說明。3.一批45鋼試樣（尺寸Φ15*10mm），因其組織、晶粒大小不均勻，需采用退火處理。擬采用以下幾種退火工藝；（1）緩慢加熱至700℃（2）緩慢加熱至840℃（3）緩慢加熱至1100℃問上述三種工藝各得到何種組織？若要得到大小均勻的細(xì)小晶粒，選何種工藝最合適？4.有兩個(gè)含碳量為1.2%的碳鋼薄試樣，分別加熱到780℃和860℃并保溫相同時(shí)間，使之達(dá)到平衡狀態(tài)，然后以大于V（1）哪個(gè)溫度加熱淬火后馬氏體晶粒較粗大？（2）哪個(gè)溫度加熱淬火后馬氏體含碳量較多？（3）哪個(gè)溫度加熱淬火后殘余奧氏體較多？（4）哪個(gè)溫度加熱淬火后未溶碳化物較少？（5）你認(rèn)為哪個(gè)溫度加熱淬火后合適？為什么？第七節(jié)鋼的形變熱處理自學(xué)第八節(jié)鋼的表面淬火一些在彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊載荷、磨擦條件區(qū)工作的齒輪等機(jī)器零件，它們要求具有表面硬、耐磨，而心部韌，能抗沖擊的特性，僅從選材方面去考慮是很難達(dá)到此要求的。如用高碳鋼，雖然硬度高，但心部韌性不足，若用低碳鋼，雖然心部韌性好，但表面硬度低，不耐磨，所以工業(yè)上廣泛采用表面熱處理來滿足上述要求。表面淬火是將工件的表面層淬硬到一定深度，而心部仍保持未淬火狀態(tài)的一種局部淬火法。它是利用快速加熱使鋼件表面奧氏體化，而中心尚處于較低溫度即迅速予以冷卻，表層被淬硬為馬氏體，而中心仍保持原來的退火、正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)的組織。表面淬火一般適用于中碳鋼（0.4～0.5%C）和中碳低合金鋼（40Cr、40MnB等），也可用于高碳工具鋼，低合金工具鋼（如T8、9Mn2V、GCr15等）。以及球墨鑄鐵等。目前應(yīng)用最多的是感應(yīng)加熱和火焰加熱表面淬火。1.火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火是用乙炔—氧或煤氣—氧的混合氣體燃燒的火焰，噴射至零件表面上，使它快速加熱，當(dāng)達(dá)到淬火溫度時(shí)立即噴水冷卻，從而獲得預(yù)期的硬度和淬硬層深度的一種表面淬火方法。火焰加熱常用的裝置如下圖。圖5-22火焰加熱裝置示意圖火焰表面淬火零件的選材，常用中碳鋼如35、45鋼的以及中碳合金結(jié)構(gòu)鋼如40Cr、65Mn等，如果含碳量太低，則淬火后硬度較低；碳和合金元素含量過高，則易淬裂?；鹧姹砻娲慊鸱ㄟ€可用于對(duì)鑄鐵件如灰鑄件、合金鑄鐵進(jìn)行表面淬火?；鹧姹砻娲慊鸬拇阌矊由疃纫话銥?-6mm，若要獲得更深的淬硬層，往往會(huì)引起零件表面嚴(yán)重的過熱，且易產(chǎn)生淬火裂紋?；鹧娲慊鸷?，零件表面不應(yīng)出現(xiàn)過熱、燒溶或裂紋，變形情況也要在規(guī)定的技術(shù)要求之內(nèi)。由于火焰表面淬火方法簡(jiǎn)便，無需特殊設(shè)備，可適用于單件或小批生產(chǎn)的大型零件和需要局部淬火的工具和零件，如大型軸類、大模數(shù)齒輪、錘子等。但火焰表面淬火較易過熱，淬火質(zhì)量往往不夠穩(wěn)定，工作條件差，因此限制了它在機(jī)械制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用。2.感應(yīng)加熱表面淬火：它是工件中引入一定頻率的感應(yīng)電流（渦流），使工件表面層快速加熱到淬火溫度后立即噴水冷卻的方法。（1）工作原理在一個(gè)線圈中通過一定頻率的交流電時(shí)，在它周圍便產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。若把工件放入線圈中，工件中就會(huì)產(chǎn)生與線圈頻率相同而方向相反的感應(yīng)電流。這種感應(yīng)電流在工件中的分布是不均勻的，主要集中在表面層，愈靠近表面，電流密度愈大；頻率愈高，電流集中的表面層愈薄。這種現(xiàn)象稱為“集膚效應(yīng)”，它是感應(yīng)電流能使工件表面層加熱的基本依據(jù)。（2）感應(yīng)加熱的分類根據(jù)電流頻率的不同，感應(yīng)加熱可分為：高頻感應(yīng)加熱（100～1000KHz），最常用的工作頻率為200～300KHz，淬硬盡深度為0.2～2mm，適用于中小型零件，如小模數(shù)齒輪。中頻感應(yīng)加熱（2.5～10KHz），最常用的工作頻率2500～8000Hz，淬硬層深度為2～8mm，適用于大中型零件，如直徑較大的軸和大中型模數(shù)的齒輪。工頻感應(yīng)加熱（50Hz），淬硬層深度一般在10～15mm以上，適用于大型零件，如直徑大于300mm的軋輥及軸類零件等。（3）感應(yīng)加熱的特點(diǎn)加熱速度快、生產(chǎn)率高；淬火后表面組織細(xì)、硬度高（比普通淬火高HRC2-3）；加熱時(shí)間短，氧化脫碳少；淬硬層深易控制，變形小、產(chǎn)品質(zhì)量好；生產(chǎn)過程易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，其缺點(diǎn)是設(shè)備昂貴、維修、調(diào)整困難、形狀復(fù)雜的感應(yīng)圈不易制造，不適于單件生產(chǎn)。對(duì)于感應(yīng)加熱表面淬火的工件，其設(shè)計(jì)技術(shù)條件一般應(yīng)注明表面淬火硬度、淬硬層深度，表面淬火部位及心部硬度等。在選材方面，為了保證工件感應(yīng)加熱表面淬火后的表面硬度和心部硬度、強(qiáng)度及韌性，一般用中碳鋼和中碳合金鋼如40、45、40Cr、40MnB等，此外合理地確定淬硬層深度也很重要，一般說，增加淬硬層深度可延長(zhǎng)表面層的耐磨壽命，但卻增加了脆性破壞傾向，所以，選擇淬硬層深度時(shí)，除考慮磨損外，還必須考慮工件的綜合機(jī)械性能，應(yīng)保證兼有足夠的強(qiáng)度，耐疲勞度和韌性。另外，工件在感應(yīng)加熱前需要進(jìn)行預(yù)先熱處理，一般為調(diào)質(zhì)或正火，以保證工件表面在淬火后得到均勻細(xì)小的馬氏體和改善工件心部硬度、強(qiáng)度和韌性以及切削加工性，并減少淬火變形。工件在感應(yīng)表面淬火后需要進(jìn)行低溫回火（180～200℃）以降低內(nèi)應(yīng)力和脆性，獲得回火馬氏體組織。第九節(jié)鋼的化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理是將工件置于活性介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中活性原子滲入工件表層，以改變其表面層的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和性能的熱處理工藝。根據(jù)滲入元素的類別，化學(xué)熱處理可分為滲碳、氮化、碳氮共滲等。化學(xué)熱處理的主要目的：除提高鋼件表面硬度，耐磨性以及疲勞極限外，也用于提高零件的抗腐蝕性、抗氧化性，以代替昂貴的合金鋼?；瘜W(xué)熱處理的一般過程：任何化學(xué)熱處理方法的物理化學(xué)過程基本相同，都要經(jīng)過分解、吸收和擴(kuò)散三個(gè)過程。（1）介質(zhì)分解：分解出活性的[N][C]原子（2）吸收：活性原子被工件表面吸收、先固溶于基體金屬，當(dāng)超過固溶度后，使可能形成化合物。（3）原子向內(nèi)擴(kuò)散：形成具有一定厚度的滲層。一、鋼的滲碳將工件放在滲碳性介質(zhì)中，使其表面層滲入碳原子的一種化學(xué)熱處理工藝稱為滲碳。滲碳鋼都是含0.15～0.25%的低碳鋼和低碳合金鋼,如20、20Cr、20CrMnTi、20SiMnVB等。滲碳層深度一般都在0.5～2.5mm。鋼滲碳后表面層的含碳量可達(dá)到0.8～1.1%C范圍。滲碳件滲碳后緩冷到室溫的組織接近于鐵碳相圖所反映的平衡組織，從表層到心部依次是過共析組織，共析組織，亞共析過渡層，心部原始組織。滲碳主要用于表面受嚴(yán)重磨損，并在較大的沖擊載荷下工作的零件（受較大接觸應(yīng)力）如齒輪、軸類、套角等。滲碳方法有氣體滲碳、液體滲碳、固體滲碳，目前常用的就是氣體滲碳。1.氣體滲碳將工件放在900～950℃，密封的滲碳爐中，向爐內(nèi)滴入易分解的有機(jī)液體（如媒油、丙酮、甲醇等）或直接通入滲碳總體（如煤氣、石油液化氣等），經(jīng)裂解后得到含H2、CO和CH4的滲碳?xì)怏w與鋼中表面接觸后產(chǎn)生活性原子[C]。發(fā)生的反應(yīng)：產(chǎn)生的活性碳原子溶入鋼中，使工件表面滲碳。氣體滲碳的設(shè)備見P86-圖6-41。氣體滲碳的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率高，勞動(dòng)條件較好，滲碳?xì)夥找卓刂?，滲碳層均勻，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。2.固體滲碳將工件埋入填滿固體滲碳劑的滲碳箱中，用蓋和耐火封泥密封后，放入900～950℃加熱爐中保溫一定時(shí)間后，得到一定厚度的滲碳層。固體滲碳的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，適應(yīng)性大，在單件、小批量生產(chǎn)的情況下，具有一定的優(yōu)越性，但勞動(dòng)效率低，生產(chǎn)條件差，質(zhì)量不易控制。不論是氣體滲碳還是固體滲碳，滲碳后的零件都要進(jìn)行淬火和低溫回火處理，才能達(dá)到所要求的使用性能。二、鋼的氮化向鋼件表面滲入氮，形成含氮硬化層的化學(xué)熱處理過程稱為氮化。氮化實(shí)質(zhì)就是利用含氮的物質(zhì)分解產(chǎn)生活性[N]原子，滲入工件的表層。應(yīng)用較廣泛的是氣體氮化法，即把工件放入密封箱式（或中式）爐內(nèi)加熱（溫度500-580℃分解出的活性氮原子被工件表面吸收，通過擴(kuò)散傳質(zhì)，得到一定深度的滲氮層。N位于鐵素體形成含氮鐵素體（即α相），當(dāng)含氮量超過飽和溶解度時(shí)，就會(huì)形成γ’（Fe4N）和ε（Fe2N）兩種氮化物。此外，N還可與鋼中合金元素Cr、Mo、Al形成CrN、MoN、AlN氮化物，這些氮化物具有高硬度，高耐磨度，高的耐蝕性。氮化緩冷后滲層組織從表面到心部按Fe-N相圖依次是ε→→γ’→→心部原始組織。氮化用鋼通常是含Al、Cr、Mo等合金元素的鋼，如38CrMoAlA是一種比較典型的氮化鋼，此外還有35CrMo、18CrNiW等也經(jīng)常作為氮化鋼。合金元素Al、Cr、Mo、V、Ti極易與氮元素形成顆粒細(xì)密，分布均勻，硬度高且穩(wěn)定的各種氮化物如AlN、CrN、MoN、TiN、VN等，這些氮化物的存在對(duì)氮化鋼的性能起著主要的作用。與滲碳相比、氮化工件具有以下特點(diǎn)：1）氮化前需經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，以便使心部組織具有較高的強(qiáng)度和韌性。2）表面硬度可達(dá)HRC65～72，具有較高的耐磨性。3）氮化表面形成致密氮化物組成的連續(xù)薄膜，具有一定的耐腐蝕性。4）氮化處理溫度低，滲氮后不需再進(jìn)行其它熱處理。氮化處理適用于耐磨性和精度都要求較高的零件或要求抗熱、抗蝕的耐磨件。如：發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸、排氣閥、高精度傳動(dòng)齒輪等。三、碳氮共滲碳氮共滲是向鋼的表面同時(shí)滲入碳和氮的過程。習(xí)慣上又稱氮化，目前以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲（即氣體軟氧化）應(yīng)用較為廣泛。中溫氣體碳氮共滲的主要目的是提高鋼的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主，其主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。四、鋼的化學(xué)熱處理具體工藝1.什么是化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理是將工件置于一定介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表層，以改變表層的化學(xué)成分和組織，從而使工件表面具有某些特殊的機(jī)械或物理化學(xué)性能的一種熱處理工藝。與表面淬火相比，化學(xué)熱處理的主要特點(diǎn)是：表面層不僅有組織的變化，而且有成分的變化?；瘜W(xué)熱處理工藝較多，由于滲入元素不同，會(huì)使工件表面所具備的性能也不同。如滲碳和碳氮共滲可提高鋼的硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度；氮化、滲硼、滲鉻使表面特別硬，顯著提高耐磨性和耐蝕性；滲硫可提高減摩性；滲硅可提高耐酸性；滲鋁可提高耐熱和抗氧化性等等?；瘜W(xué)熱處理，要使碳、氮等原子滲入工件表面，必須具備以下條件：（1）鋼本身必須具有吸收這些滲入元素活性原子的能力，即對(duì)它具有一定的溶解度或能與之化合，形成化合物，或既具有一定的溶解度，又能與之形成化合物。（2）滲入元素的原子必須是具有化學(xué)活性的活性原子，即它是從某種化合物中分解出來的，或是由離子轉(zhuǎn)變而成的新生態(tài)原子，同時(shí)這些原子應(yīng)具有較大的擴(kuò)散能力。2.化學(xué)熱處理的基本程序：（1）將工件加熱到一定的溫度，使有利于吸收滲入元素活性原子。（2）由化合物分解或離子轉(zhuǎn)化而得到滲入元素的活性原子。（3）活性原子被吸附，并溶入工件表面，形成固溶體，在活性原子濃度很高時(shí)，還可形成化合物。（4）滲入原子在一定溫度，由表層向內(nèi)擴(kuò)散，形成一定的擴(kuò)散層。目前在汽車、拖拉機(jī)和機(jī)床制造中，最常用的化學(xué)熱處理工藝有滲碳、氮化和氣體碳氮共滲。3.鋼的滲碳滲碳是向鋼的表面層滲入碳原子的過程。其目的是使工件在熱處理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定強(qiáng)度以及較高的韌性和塑性。按照采用的滲碳劑不同，滲碳法可分為氣體滲碳、固體滲碳、液體滲碳三種，常用的是前面兩種，尤其是氣體滲碳。氣體滲碳法生產(chǎn)率高，勞動(dòng)條件較好，滲碳質(zhì)量容易控制，并易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化，故在當(dāng)前工業(yè)中得到極廣泛的應(yīng)用。（1）氣體滲碳將工件置于密封的加熱爐中（如井式氣體滲碳爐），通入氣體滲碳劑，在900～950℃加熱，保溫，使鋼件表面層進(jìn)行滲碳。往井式爐中直接滴入煤油進(jìn)行氣體滲碳的方法在熱處理生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，其主要優(yōu)點(diǎn)：煤油有足夠的活性，價(jià)格低廉，供應(yīng)充足；但有容易產(chǎn)生碳墨的缺點(diǎn)。除煤油外，目前采用較多的是復(fù)合滲碳劑如甲醇+丙酮，將它們按一定比例同時(shí)滴入爐內(nèi)，可使?jié)B碳零件獲得滿意的質(zhì)量。滲碳劑在高溫下分解為滲碳?xì)怏w（CO、CO2、H2、H20、CH4組成），在進(jìn)行氣體滲碳時(shí)，含碳?xì)夥赵阡摰谋砻孢M(jìn)行以下的氣相反應(yīng)，生成活性碳原子：活性碳原子溶入高溫奧氏體中，而后向鋼的內(nèi)部擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)滲碳。滲碳時(shí)最主要的工藝參數(shù)是滲碳溫度和保溫時(shí)間。加熱溫度愈高，滲碳速度就愈大，且擴(kuò)散層的厚度也愈大。但溫度過高會(huì)引起鋼件中晶粒長(zhǎng)大，使鋼變脆，故加熱溫度應(yīng)選擇適當(dāng)，一般在900～950℃范圍，即AC3以上50—80℃滲碳層的組織及熱處理：工件滲碳后，其表面的含碳量最高，通常在0.8-1.1%范圍。由表面向中心過度時(shí)，含碳量逐漸降低，直至原始含碳量。因此，工件從滲碳溫度慢冷至室溫后的組織由表面向中心依次為過共析組織，共析組織，過渡區(qū)亞共析組織，原始亞共析組織。對(duì)于滲碳層深度：碳鋼，以從表面到過渡區(qū)亞共析組織一半處的深度作為滲碳層的深度；合金鋼，則把從表面到過渡區(qū)亞共析組織終止處的深度作為滲碳深度。工件滲碳后必須進(jìn)行淬火+低溫回火處理，才能達(dá)到表面高硬度，高耐磨性，心部高韌性的要求，發(fā)揮滲碳層的作用。根據(jù)不同要求可選用下列三種熱處理工藝：①直接淬火法：先將滲碳工件自滲碳溫度預(yù)冷到某一溫度（一般850～880℃），立即淬入水或油中，然后在180～200℃進(jìn)行低溫回火。這種方法最簡(jiǎn)便，可降低成本，提高生產(chǎn)率，且淬火變形小。但是由于滲碳時(shí)，工件在高溫下長(zhǎng)時(shí)期保溫，奧氏體晶粒易長(zhǎng)大，影響淬火后工件的性能，故只適用于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼制造的工件。此外，在滲碳后緩冷過程中，二次滲碳體沿晶界呈網(wǎng)狀析出，對(duì)淬火后工件的性能不利。通常大批量生產(chǎn)的汽車、拖拉機(jī)齒輪常用方法。②一次淬火法：工件滲碳后出爐空冷，然后再重新加熱到830～860℃進(jìn)行淬火，最后在180～200℃進(jìn)行回火。這種方法比直接淬火好，因?yàn)楣ぜ谥匦录訜釙r(shí)晶粒已得到細(xì)化，因而提高了鋼的機(jī)械性能。一般適用于比較重要的零件，如高速柴油機(jī)齒輪。③二次淬火法：工件滲碳后出爐空冷，然后加熱到Ac3以上某一溫度（一般為850～900℃）油淬，使零件心部組織細(xì)化，并進(jìn)一步消除表層的網(wǎng)狀滲碳體，接著再加熱到Ac1以