模塊四鋼的熱處理模塊四鋼的熱處理任務四鋼的表面熱處理和化學熱處理任務三鋼的淬火與回火任務二鋼的退火與正火任務一鋼的熱處理基礎01鋼的熱處理基礎在熱處理工藝中，鋼的加熱就是為了使鋼的組織轉變?yōu)閵W氏體組織。鋼加熱時奧氏體形成的過程稱為奧氏體化。由Fe—Fe3C相圖可知，只有把鋼加熱到臨界點以上，才能獲得奧氏體組織。如圖4-3所示，A1、A3、Acm

是鋼在極緩慢加熱和冷卻時的理論臨界點，但在實際加熱和冷卻條件下，鋼的組織轉變有滯后現(xiàn)象。因此，把加熱時的各臨界點分別用Ac1、Ac3、Accm

來表示，冷卻時的各臨界點分別用Ar1、Ar3、Arcm

來表示。任務一鋼的熱處理基礎一、鋼在加熱時的組織轉變由圖4-3可知：將共析鋼加熱到Ac1

以上時，珠光體將向奧氏體轉變，這一轉變也是一個晶核形成與長大的過程，即首先形成奧氏體晶核，再逐漸長大，直至形成全部奧氏體。奧氏體的形成過程如圖4-4所示。任務一鋼的熱處理基礎鋼經加熱獲得奧氏體組織后，在不同條件下冷卻，可以獲得不同的組織和力學性能。鋼加熱到一定的溫度后，在水中冷卻比在空氣中冷卻硬度大得多。為了分析產生差別的原因，需要了解奧氏體在冷卻過程中的組織變化規(guī)律。任務一鋼的熱處理基礎二、鋼在冷卻時的組織轉變熱處理工藝中，常采用等溫冷卻和連續(xù)冷卻兩種方式，其工藝曲線如圖4-5所示。以共析鋼為例，分析冷卻方式對鋼的組織和性能的影響。1．共析鋼過冷奧氏體等溫轉變由于過冷現(xiàn)象，奧氏體冷卻至共析溫度A1以下時，并不是立即發(fā)生轉變，而是首先保持奧氏體狀態(tài)。這種在共析溫度以下存在的奧氏體稱為過冷奧氏體。過冷奧氏體是不穩(wěn)定的，保持一定時間后必定要發(fā)生轉變。過冷奧氏體在A1

以下的等溫轉變可用等溫轉變圖來表示。任務一鋼的熱處理基礎（1）等溫轉變圖過冷奧氏體在等溫轉變條件下，轉變溫度、轉變時間與轉變產物之間的關系曲線稱為等溫轉變圖（見圖4-6），由于其形狀類似字母“C”，也稱為C曲線。任務一鋼的熱處理基礎（2）共析鋼的過冷奧氏體等溫轉變產物在A1以下Ms

點以上，共析鋼可以發(fā)生兩種類型的轉變。1）珠光體型轉變（又稱高溫轉變）。在A1～550℃溫度范圍內，過冷奧氏體轉變?yōu)殍F素體和滲碳體的片層混合物——珠光體型組織。在珠光體轉變區(qū)內，轉變溫度越低，則形成的珠光體片層越薄，根據形成的珠光體片層的間距由大到小，這類組織又可分為珠光體（P）、索氏體（S）和屈氏體（T），它們并無本質區(qū)別，也沒有嚴格界限，只是片層粗細不同。任務一鋼的熱處理基礎珠光體型組織的力學性能主要取決于片層間距的大小，片層間距越小，則強度和硬度越高，塑性和韌性也有所改善，其組織和性能特點見表4-1。任務一鋼的熱處理基礎2）貝氏體型轉變（又稱中溫轉變）。在550℃～Ms

溫度范圍內，過冷奧氏體轉變?yōu)樨愂象w。因轉變溫度較低，原子的活動能力較弱，轉變后的組織是含碳量具有一定過飽和度的鐵素體與滲碳體（或碳化物）的混合物，用符號B表示。按其顯微組織形態(tài)不同，又可分為上貝氏體（B上）和下貝氏體（B下）兩種。任務一鋼的熱處理基礎上貝氏體的力學性能較差，而下貝氏體具有良好的綜合力學性能，因此熱處理中希望獲得下貝氏體，而避免出現(xiàn)上貝氏體。貝氏體型轉變產物的組織及性能特點見表4-2。任務一鋼的熱處理基礎2．馬氏體轉變當鋼從奧氏體區(qū)急冷到Ms

以下時，奧氏體轉變?yōu)轳R氏體。馬氏體轉變是在一定溫度內（Mf～Ms）連續(xù)冷卻過程中進行的，其轉變規(guī)律與珠光體、貝氏體型轉變有所不同。由于馬氏體轉變溫度低，原子擴散能力小，轉變時只有鐵的晶格改組，不發(fā)生碳原子擴散，奧氏體中的碳原子原封不動地保留在α—Fe晶格中，形成碳在α—Fe中的過飽和固溶體，稱為馬氏體，用符號“M”表示。由于α—Fe中的含碳量大大超出其溶解度，使α—Fe晶格產生嚴重畸變，變形抗力明顯提高。因此，馬氏體轉變是鋼熱處理強化的主要手段。馬氏體轉變速度極快，轉變時體積發(fā)生膨脹，易產生較大的內應力。馬氏體轉變不能完全進行到底，即使過冷到Mf

以下的溫度，仍有一定量奧氏體的存在，這部分奧氏體稱為殘余奧氏體。任務一鋼的熱處理基礎馬氏體的強度和硬度主要取決于馬氏體的含碳量。馬氏體型轉變產物的組織及性能特點見表4-3。任務一鋼的熱處理基礎3．連續(xù)冷卻轉變實際熱處理常常是在連續(xù)冷卻條件下進行的，過冷奧氏體的轉變也是在連續(xù)冷卻過程中進行的。由于連續(xù)冷卻圖測定十分困難，在實際生產中，往往用等溫轉變圖近似地分析連續(xù)冷卻轉變的過程。任務一鋼的熱處理基礎圖4-7所示是用共析鋼等溫轉變C曲線分析連續(xù)冷卻轉變產物的示意圖。圖中v1（爐冷）、v2（空冷）、v3（油冷）、v4（水冷）代表熱處理常用的四種連續(xù)冷卻方式，其中v1<v2<v3<v4。任務一鋼的熱處理基礎任務一鋼的熱處理基礎1．什么是熱處理？其目的是什么？2．共析鋼的過冷奧氏體在不同冷卻條件下可得到哪些組織？它們的性能如何？3．分別將T8鋼和T10鋼制造的零件，同時加熱到Ac1

以上，保溫后以大于vk

的速度冷卻，試問：它們的硬度和耐磨性是否相同？為什么？02鋼的退火與正火退火是指將鋼加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻（一般隨加熱爐冷卻）的熱處理方法。1．退火的目的（1）降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工和冷變形加工。（2）細化晶粒，均勻鋼的組織及成分，改善鋼的性能或為最終熱處理做組織準備。（3）消除鋼中的殘余內應力，以防止變形和開裂。任務二鋼的退火與正火一、退火2．常用退火方法常用退火方法的工藝、性能及應用見表4-4。任務二鋼的退火與正火將鋼加熱到Ac3

或Accm

以上30～50℃，保溫適當時間，在空氣中冷卻的工藝方法叫正火。正火的冷卻速度比退火快，正火后得到的組織為比較細小的索氏體，其強度、硬度比退火鋼高。正火的主要作用如下。任務二鋼的退火與正火二、正火1．作為預備熱處理預備熱處理是指為隨后的加工（如沖壓、切削等）或進一步熱處理做組織準備的預先熱處理。正火（或退火）常作為預備熱處理，安排在鑄造或鍛造、焊接等熱加工之后，切削加工之前。對于低碳鋼和低碳合金鋼，正火后能獲得合適的硬度，便于切削加工；對于部分中碳鋼和中碳合金鋼，正火能縮短生產周期，可以替代完全退火；對于過共析鋼，正火可以抑制和消除網狀二次滲碳體，為球化退火做組織準備。任務二鋼的退火與正火2．作為最終熱處理最終熱處理是指用以滿足工件所需要的使用性能的熱處理。當普通結構零件或大型結構零件的力學性能要求不太高時，正火可作為最終熱處理。退火和正火的加熱溫度范圍及熱處理工藝曲線如圖4-8所示。任務二鋼的退火與正火正火與退火的目的基本相同，但正火比退火生產周期短、操作方便、成本低，有時在實際生產中，兩者可以相互替代。選用這兩種熱處理工藝時，主要從以下三個方面考慮。1．從切削加工性考慮一般認為，硬度在170～230HBW范圍內的鋼材切削加工性能最好。圖4-9所示為退火和正火后鋼的硬度值范圍，圖中陰影部分為切削加工性能較好的硬度范圍。任務二鋼的退火與正火三、退火與正火的選用2．從零件的結構形狀考慮零件形狀復雜或尺寸較大時，由于正火的冷卻速度較快，易產生內應力，有引起變形或開裂的危險，因此應選用退火為宜。3．從經濟性考慮正火比退火生產周期短、成本低、操作簡單，所以在處理性能需求及條件允許的情況下，應盡可能選用正火。任務二鋼的退火與正火任務二鋼的退火與正火1．退火的目的有哪些？常用的退火方法有哪幾種？2．正火的主要作用有哪些？3．試確定下列工件的熱處理方法。（1）具有網狀滲碳體的T12A鋼鍛造毛坯。（2）用45鋼制造的軸鍛造毛坯。（3）用HT200鑄造的機殼。03鋼的淬火與回火1．淬火的概念將鋼加熱到Ac3

或Ac1

以上某一溫度，保溫一定時間，然后以適當的速度冷卻，以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理稱為淬火。淬火的主要目的是獲得馬氏體，以提高鋼的強度、硬度和耐磨性。任務三鋼的淬火與回火一、淬火2．淬火加熱溫度鋼的淬火加熱溫度由鋼中的含碳量決定，F(xiàn)e-Fe3C相圖是選擇淬火加熱溫度的依據，如圖4-10所示。任務三鋼的淬火與回火（1）亞共析鋼的淬火加熱溫度亞共析鋼的淬火加熱溫度為Ac3

以上30～50℃，亞共析鋼加熱到這個溫度，鋼的組織轉變?yōu)榧毦Я５膴W氏體，淬火后獲得細小的馬氏體組織，從而獲得較好的力學性能。如加熱溫度低于Ac3，則鋼的組織為鐵素體加奧氏體，淬火后奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，而鐵素體則被保留下來，將降低淬火后鋼的強度和硬度；若溫度過高，奧氏體晶粒粗化，馬氏體組織粗大，會使鋼脆化。因此，45鋼的淬火加熱溫度以830～850℃為宜。任務三鋼的淬火與回火（2）共析鋼和過共析鋼的淬火加熱溫度共析鋼和過共析鋼的淬火加熱溫度為Ac1

以上30～50℃，過共析鋼加熱到這個溫度，鋼的組織轉變?yōu)榧毿〉膴W氏體和均勻分布的細顆粒狀滲碳體，淬火后將在細小的馬氏體基體上均勻分布著細顆粒滲碳體組織。該組織不僅耐磨性好，而且脆性也小。若加熱到Accm

以上，將使奧氏體顆粒粗化，淬火后得到粗大馬氏體，增大鋼的脆性及變形開裂傾向，而且殘留奧氏體也多，使鋼的硬度和耐磨性下降。因此，T12鋼的淬火加熱溫度以760～800℃為宜。任務三鋼的淬火與回火3．淬火的冷卻介質鋼加熱、保溫一定時間后，需以適當的冷卻速度淬火。冷卻速度過慢易出現(xiàn)非馬氏體組織，不能獲得全部馬氏體；冷卻速度過快易產生較大內應力，造成工件變形和開裂。因此，淬火介質的選擇是很重要的。根據鋼的等溫轉變圖可知，為了抑制非馬氏體轉變，在C曲線“鼻尖”附近（550℃左右）需快速冷卻，而在“鼻尖”上下兩個區(qū)間內（650℃以上和400℃以下）并不需要快速冷卻。特別是在Ms

線附近發(fā)生馬氏體轉變時，尤其不應快冷，否則容易造成變形和開裂。任務三鋼的淬火與回火鋼的理想淬火冷卻速度如圖4-11所示。任務三鋼的淬火與回火常用淬火介質有水、鹽水（或堿水）、淬火油、鹽浴（或堿?。┑取Ｋ写慊鸾橘|均無法達到理想冷卻速度的狀態(tài)，但可根據不同淬火介質的冷卻特性，以及不同零件在不同冷卻階段的要求，靈活搭配應用。常用冷卻介質的冷卻能力和應用范圍見表4-5。任務三鋼的淬火與回火4．淬火方法淬火時應最大限度地減小工件的變形和避免工件開裂。實際生產中，應根據工件的材料、尺寸、形狀和技術要求，選擇合適的淬火方法。常用淬火方法的特點及應用見表4-6。任務三鋼的淬火與回火5．鋼的淬透性和淬硬性淬火時，工件截面上各處的冷卻速度是不同的，工件淬硬層與冷卻速度的關系如圖4-12所示。任務三鋼的淬火與回火（1）淬透性淬透性是指在規(guī)定的條件下，鋼在淬火后獲得淬硬層深度的能力。獲得的淬硬層越深，淬透性越好。它與鋼的臨界冷卻速度有密切關系，臨界冷卻速度越低，淬透性越好。因此，一切增加過冷奧氏體穩(wěn)定性、降低臨界冷卻速度的因素（主要是鋼的化學成分）都可以提高鋼的淬透性。例如，合金鋼的淬透性好于非合金鋼。淬透性是鋼的主要熱處理性能之一，對合理選用鋼材，正確制定熱處理工藝具有重要意義。淬透性好不僅有利于大截面零件獲得均勻一致的組織和性能，而且在淬火時可采用比較緩和的淬火介質，減少工件的變形及開裂傾向。因此，截面尺寸大、形狀復雜的零件，以及在動載荷下工作的零件，如連桿、螺栓、鍛模等，都應選用淬透性好的鋼材制作。任務三鋼的淬火與回火（2）淬硬性淬硬性是指鋼在淬火后能達到的最高硬度的能力。鋼的淬硬性主要取決于鋼的含碳量。鋼的淬硬性好，其淬透性不一定就好。例如，高碳鋼的淬硬性很高，但淬透性差。而低碳合金鋼的淬透性很好，但它的淬硬性卻不高。任務三鋼的淬火與回火1．回火的概念將淬火后的鋼再加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝叫回火。2．回火的目的（1）減小或消除淬火內應力，以防止工件變形和開裂。（2）減輕淬火鋼的脆性，改善塑性和韌性，適當調整鋼的強度和硬度，獲得所需要的力學性能。（3）使淬火后不穩(wěn)定的組織趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定形狀和尺寸，從而保證工件的精度。任務三鋼的淬火與回火二、回火3．回火時鋼的組織與性能的變化鋼的淬火組織是馬氏體和少量的殘余奧氏體，它們處于不穩(wěn)定狀態(tài)，都具有轉變成穩(wěn)定組織的傾向。但在室溫條件下，原子擴散能力低，這種轉變很難進行。隨著回火溫度的升高，原子擴散能力增強，其內部組織將發(fā)生明顯變化?；鼗鸾M織的轉變，實際上是馬氏體中的過飽和碳逐步析出形成碳化物，最后形成滲碳體的過程。碳析出后，由于馬氏體中碳的過飽和程度有所下降，鋼的硬度也相應地有所下降。任務三鋼的淬火與回火圖4-13所示為40鋼的力學性能與回火溫度的關系。從圖中可以看出，隨著回火溫度的升高，鋼的強度、硬度下降，塑性、韌性提高。任務三鋼的淬火與回火4．回火的方法和應用根據回火溫度和回火組織的不同，回火分為低溫回火、中溫回火、高溫回火三類。常用回火方法、回火組織、性能及應用見表4-7。任務三鋼的淬火與回火生產中常把淬火及高溫回火的復合熱處理工藝稱為調質，其廣泛應用于各種重要的結構零件。調質鋼與正火鋼相比，不僅強度較高，而且塑性、韌性遠高于正火鋼。這是由于調質后鋼的組織為回火索氏體，其滲碳體呈細顆粒狀，而正火后的組織為索氏體，其滲碳體呈層片狀。因此，重要零件均采用調質。45鋼正火或調質后力學性能的比較見表4-8。任務三鋼的淬火與回火任務三鋼的淬火與回火1．什么是淬火？淬火的主要目的是什么？2．常用的淬火冷卻方法有哪些？3．什么是淬透性和淬硬性？它們有何區(qū)別？4．什么是回火？回火的目的是什么？任務三鋼的淬火與回火5．常用的回火方法有哪幾種？指出各種回火方法的組織、性能及適用范圍。6．分析45鋼機床主軸、65Mn彈簧、T10鋼鋸條三種工件在淬火后，應采取何種回火方法？04鋼的表面熱處理和化學熱處理為改變工件表面的組織和性能，僅對其表面進行熱處理的工藝稱為表