第一節(jié)概述一、熱處理工藝１.熱處理熱處理就是將鋼在固態(tài)下通過加熱、保溫和不同的冷卻方式，改變金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的操作工藝，其工藝曲線如圖４－１所示。２.熱處理的分類根據(jù)加熱、保溫和冷卻工藝方法的不同，熱處理工藝大致分為整體熱處理、表面熱處理和化學(xué)熱處理。常用鋼的熱處理分類見表４－１。下一頁返回第一節(jié)概述二、鋼在加熱和冷卻時(shí)的臨界點(diǎn)金屬發(fā)生結(jié)構(gòu)改變的溫度稱為臨界點(diǎn)。由Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相圖可知，Ａ１，Ａ３和Ａｃｍ是鋼在極緩慢加熱和冷卻時(shí)的臨界點(diǎn)。實(shí)際加熱和冷卻時(shí)，發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)都要偏離平衡臨界點(diǎn)，有一個(gè)滯后現(xiàn)象。并且加熱和冷卻速度越快，其偏離的程度越大。實(shí)際加熱時(shí)的臨界點(diǎn)分別用Ａｃ１、Ａｃ３、Ａｃｃｍ表示；實(shí)際冷卻時(shí)的臨界點(diǎn)分別用Ａｒ１、Ａｒ３、Ａｒｃｍ表示。鋼在加熱和冷卻時(shí)相圖上各相變臨界點(diǎn)的位置如圖４－２所示。上一頁返回第二節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼在進(jìn)行熱處理時(shí)，通常都要先加熱到臨界點(diǎn)以上，其目的是使鋼的組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織，通常把這個(gè)過程稱為鋼的奧氏體化過程。只有使鋼呈奧氏體狀態(tài)，才能通過不同的冷卻方式轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織，獲得所需要的性能。這里以共析鋼為例，來說明鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律。一、共析鋼的奧氏體化過程共析鋼在常溫時(shí)具有珠光體組織，加熱到Ａｃ１以上溫度時(shí)，珠光體開始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，其轉(zhuǎn)變過程是通過形核及晶核長(zhǎng)大的過程來實(shí)現(xiàn)的，一般可分為四個(gè)階段，如圖４－３所示。下一頁返回第二節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變１.奧氏體晶核的形成當(dāng)共析鋼加熱到Ａｃ１以上時(shí)，在鐵素體與滲碳體相界面上優(yōu)先形成奧氏體晶核，這是因?yàn)橄嘟缑嫣幊煞植痪鶆?，原子排列紊亂，晶格畸變大，具有能為產(chǎn)生奧氏體晶核提供成分和結(jié)構(gòu)等兩方面的有利條件。２.奧氏體晶核的長(zhǎng)大奧氏體晶核形成后，依靠鐵素體的晶格改組和滲碳體的不斷溶解，奧氏體晶核不斷向鐵素體和滲碳體兩個(gè)方向長(zhǎng)大。與此同時(shí)，新的奧氏體晶核也不斷形成并隨之長(zhǎng)大，直至鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體為止。上一頁下一頁返回第二節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變３.殘余滲碳體的溶解在奧氏體的形成過程中，當(dāng)鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體后，仍有部分滲碳體尚未溶解（稱為殘余滲碳體），隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，殘余滲碳體將不斷溶入奧氏體中，直至完全消失。４.奧氏體成分均勻化即使?jié)B碳體全部溶解，奧氏體內(nèi)的成分仍不均勻，即在原鐵素體區(qū)域形成的奧氏體含碳量偏低，在原滲碳體區(qū)域形成的奧氏體含碳量偏高，則還需保溫足夠時(shí)間，讓碳原子充分?jǐn)U散，奧氏體成分才可能均勻，以便冷卻后獲得良好的組織和性能。上一頁下一頁返回第二節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變二、奧氏體的晶粒當(dāng)珠光體剛?cè)哭D(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時(shí)，奧氏體晶粒還是很細(xì)小的，此時(shí)將奧氏體冷卻后得到的組織晶粒也細(xì)小。如果在形成奧氏體后繼續(xù)升溫或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，都會(huì)使奧氏體晶粒逐漸長(zhǎng)大。晶粒的長(zhǎng)大是依靠較大晶粒吞并較小晶粒和晶界遷移的方式進(jìn)行的，保溫時(shí)間越長(zhǎng)晶粒越粗大。１.奧氏體晶粒大小及對(duì)鋼性能的影響奧氏體晶粒的大小對(duì)鋼冷卻后的組織和性能有很大影響。鋼在加熱時(shí)獲得的奧氏體晶粒大小直接影響到冷卻后轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的晶粒大小和力學(xué)性能。上一頁下一頁返回第二節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變加熱時(shí)獲得的奧氏體晶粒細(xì)小，則冷卻后轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的晶粒也細(xì)小，其強(qiáng)度、塑性和韌性較好；反之，粗大的奧氏體晶粒冷卻后轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也粗大，其強(qiáng)度、塑性較差，特別是沖擊韌性顯著降低。表示奧氏體晶粒大小的是晶粒度，工程上將奧氏體標(biāo)準(zhǔn)晶粒度分為００，０，１，２，…，１０等級(jí)，１～４級(jí)為粗晶粒，５～８級(jí)為細(xì)晶粒，超過８級(jí)為超細(xì)晶粒。２.奧氏體晶粒大小的控制奧氏體晶粒尺寸過大，會(huì)導(dǎo)致熱處理后鋼的強(qiáng)度降低，工程上往往希望鋼在加熱后得到細(xì)小而成分均勻的奧氏體晶粒?？刂茒W氏體晶粒的大小主要有以下三個(gè)途徑。上一頁下一頁返回第二節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變（１）加熱溫度和保溫時(shí)間奧氏體剛形成時(shí)晶粒是細(xì)小的，但隨著溫度的升高，奧氏體晶粒將逐漸長(zhǎng)大，溫度越高，晶粒長(zhǎng)大越明顯；在一定溫度下，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，奧氏體晶粒就越粗大。因此，熱處理加熱時(shí)要合理選擇加熱溫度和保溫時(shí)間，以保證獲得細(xì)小均勻的奧氏體組織。（２）鋼的成分隨著奧氏體中碳含量的增加，晶粒的長(zhǎng)大傾向也增加；若碳以未溶碳化物的形式存在時(shí)，則有阻礙晶粒長(zhǎng)大的作用。上一頁下一頁返回第二節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變（３）合金元素在鋼中加入能形成穩(wěn)定碳化物的元素（如鈦、釩、鈮、鋯等）和能形成氧化物或氮化物的元素（如適量的鋁等），有利于獲得細(xì)晶粒，因?yàn)樘蓟?、氧化物、氮化物等彌散分布在奧氏體的晶界上，能阻礙晶粒長(zhǎng)大；錳和磷是促進(jìn)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的元素。上一頁返回第三節(jié)鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼經(jīng)過加熱、保溫形成的奧氏體，在冷卻時(shí)分解或轉(zhuǎn)變。如果冷卻非常緩慢，奧氏體轉(zhuǎn)變按照鐵碳合金相圖進(jìn)行，即奧氏體在低溫時(shí)將轉(zhuǎn)變成珠光體。當(dāng)冷卻方式和速度不同時(shí)，所得到的組織和性能就大不一樣。在Ａ１溫度以下暫時(shí)存在的、處于不穩(wěn)定的狀態(tài)的奧氏體稱為過冷奧氏體。下面以共析鋼為例分析奧氏體冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變。一、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線把用共析鋼制的同樣尺寸（φ１.５ｍｍ的圓片）的試樣分成若干組，使其奧氏體化后，再把各組試樣分別投入Ａｒ１點(diǎn)以下不同溫度，如６５０℃、６００℃、５００℃、３５０℃、２３０℃的等溫鹽浴爐中進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變，并每隔一定時(shí)間取出其中一個(gè)放于顯微鏡下觀察它們的組織變化。下一頁返回第三節(jié)鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變測(cè)定奧氏體在各個(gè)溫度下組織轉(zhuǎn)變開始與終了時(shí)間最終的組織和性能。將測(cè)定結(jié)果繪在溫度—時(shí)間坐標(biāo)圖中，把各試樣轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)連接起來，形成轉(zhuǎn)變開始線；把各試樣轉(zhuǎn)變終了點(diǎn)連接起來，形成轉(zhuǎn)變終了線。這樣就得到過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（ＴＴＴ曲線），如圖４－４所示。因?yàn)榍€形狀像英文字母“Ｃ”所以也叫Ｃ曲線。由于過冷奧氏體在不同過冷度下轉(zhuǎn)變經(jīng)歷的時(shí)間相差很大，從不足１ｓ至長(zhǎng)達(dá)幾天，在等溫轉(zhuǎn)變開始線的左邊為過冷奧氏體區(qū)，處于尚未轉(zhuǎn)變而準(zhǔn)備轉(zhuǎn)變階段，這段時(shí)間稱為“孕育期”。在不同等溫溫度下，孕育期的長(zhǎng)短不同。上一頁下一頁返回第三節(jié)鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變對(duì)共析鋼來講，過冷奧氏體在等溫轉(zhuǎn)變的“鼻尖”（約５５０℃）附近等溫時(shí)，孕育期最短，即說明過冷奧氏體最不穩(wěn)定、易分解、轉(zhuǎn)變速度最快。在高于或低于５５０℃時(shí)，孕育期由短變長(zhǎng)，即過冷奧氏體穩(wěn)定性增加、轉(zhuǎn)變速度較慢。轉(zhuǎn)變終了線右邊為轉(zhuǎn)變結(jié)束區(qū)，兩條Ｃ曲線之間為轉(zhuǎn)變過渡區(qū)，在Ｃ曲線下面還有兩條水平線：一條是馬氏體開始轉(zhuǎn)變線Ｍｓ，一條是馬氏體轉(zhuǎn)變終了線Ｍｆ，在兩條水平線之間為馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。二、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織及性能根據(jù)共析鋼過冷奧氏體在不同溫度區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和性能的不同，可分為高溫、中溫及低溫轉(zhuǎn)變區(qū)，即珠光體型、貝氏體型和馬氏體型的轉(zhuǎn)變。上一頁下一頁返回第三節(jié)鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變?nèi)?、過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中，過冷奧氏體大多是在連續(xù)冷卻過程中發(fā)生轉(zhuǎn)變的，如在爐內(nèi)、空氣里、油或水槽中冷卻。因此，研究過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變對(duì)制定熱處理工藝具有現(xiàn)實(shí)意義。共析鋼過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（又稱ＣＣＴ曲線）如圖４－８所示，圖中Ｐｓ線是過圖４－８共析鋼過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織的開始線；Ｐｆ線是過冷奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織的終了線，兩線之間為轉(zhuǎn)變的過渡區(qū)；ｖｋ線為珠光體轉(zhuǎn)變的終止線，稱為上臨界冷卻速度，它是得到全部馬氏體組織的最小冷卻速度，又稱臨界冷卻速度；ｖ′ｋ稱為下臨界冷卻速度，它是得到全部珠光體組織的最大冷卻速度。上一頁下一頁返回第三節(jié)鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變當(dāng)冷卻速度小于ｖ′ｋ時(shí)，連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變得到珠光體組織；冷卻速度大于ｖ′ｋ而小于ｖｋ時(shí)，連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變將得到“珠光體＋馬氏體組織”。１）爐冷：相當(dāng)于退火。它與ＣＣＴ曲線相交于７００℃～６５０℃，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為粗片狀珠光體。２）空冷：相當(dāng)于正火情況。它與ＣＣＴ曲線相交于６５０℃～６００℃，轉(zhuǎn)變后產(chǎn)物為細(xì)片狀珠光體，即索氏體。上一頁下一頁返回第三節(jié)鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變３）油冷：相當(dāng)于油冷淬火情況，它只與ＣＣＴ曲線開始轉(zhuǎn)變線相交于鼻尖附近，隨后又與Ｍｓ線相交，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為屈氏體和馬氏體。４）水冷：相當(dāng)于水冷淬火情況，它不與ＣＣＴ曲線相交，而直接與Ｍｓ相交并繼續(xù)冷卻，它的組織為馬氏體和殘余奧氏體。連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變由于是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，往往得到混合組織，如珠光體＋索氏體，屈氏體＋馬氏體等。上一頁返回第四節(jié)退火與正火退火和正火是應(yīng)用非常廣泛的熱處理方法，主要用于鑄、鍛、焊毛坯加工前的預(yù)備熱處理，以消除前一工序所帶來的某些缺陷，還可改善機(jī)械零件毛坯的切削加工性能，也可用于性能要求不高的機(jī)械零件的最終熱處理。一、鋼的退火鋼的退火是將工件加熱到臨界溫度以上的適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理工藝。１.退火的目的鋼經(jīng)退火后將獲得接近于平衡狀態(tài)的組織，退火的主要目的如下。下一頁返回第四節(jié)退火與正火１）降低硬度，提高塑性，以利于切削加工或繼續(xù)冷變形加工；２）細(xì)化晶粒，消除組織缺陷，改善鋼的性能，并為最終熱處理作組織準(zhǔn)備；３）消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定工作尺寸，防止變形與開裂。２.退火方法退火方法很多，通常按退火目的不同，可分為完全退火、球化退火、均勻化退火和去應(yīng)力退火等。（１）完全退火完全退火又稱重結(jié)晶退火，一般簡(jiǎn)稱為退火。完全退火是一種將鋼加熱到Ａｃ３以上３０℃～５０℃，保溫一定時(shí)間，緩慢冷卻（隨爐或埋入石灰和砂中冷卻）至５００℃以下，然后在空氣中冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。上一頁下一頁返回第四節(jié)退火與正火完全退火的“完全”是指工件被加熱到臨界點(diǎn)以上獲得完全的奧氏體組織，通過完全重結(jié)晶，使熱加工造成的粗大、不均勻的組織均勻化和細(xì)化或使中碳以上的碳鋼及合金鋼得到接近平衡狀態(tài)的組織，并降低硬度、改善切削加工性能，還可消除殘余應(yīng)力。完全退火主要用于亞共析鋼和中碳合金鋼的鑄、焊、鍛、軋制件等的處理，一般常作為一些不重要工件的最終熱處理或作為某些重要件的預(yù)備熱處理。過共析鋼不宜采用完全退火，因?yàn)楫?dāng)加熱到Ａｃｃｍ以上慢冷時(shí)，二次滲碳體會(huì)以網(wǎng)狀形式沿奧氏體晶界析出，使鋼的韌性大大下降，并可能在以后的熱處理中引起裂紋。（２）球化退火球化退火是使鋼中碳化物球狀化的熱處理工藝。上一頁下一頁返回第四節(jié)退火與正火將鋼加熱到Ａｃ１以上２０℃～３０℃，充分保溫后隨爐冷至６００℃以下出爐空冷。球化退火后獲得的組織為鐵素體基體上分布的細(xì)小均勻球狀滲碳體的混合物，即球狀珠光體組織，如圖４－９所示。球狀珠光體與片狀珠光體相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在以后的淬火加熱時(shí)，奧氏體晶粒不易粗大，冷卻時(shí)工件的變形和開裂傾向小。球化退火適用于共析鋼及過共析鋼，如碳素工具鋼、合金工具鋼、軸承鋼等。這些鋼在鍛造加工以后，必須進(jìn)行球化退火才適于切削加工，同時(shí)也為最后的淬火處理作好了組織準(zhǔn)備。上一頁下一頁返回第四節(jié)退火與正火（３）去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火又稱低溫退火，其目的是為了消除由于塑性變形、焊接、機(jī)械加工、鑄造等原因所造成的殘余應(yīng)力。去應(yīng)力退火的工藝一般是將鋼加熱到Ａｃ１以下某一溫度，保溫一定時(shí)間后隨爐緩冷到２００℃～３００℃以下，最后出爐在空氣中冷卻，又稱低溫退火。由于去應(yīng)力退火溫度低于Ａ１，所以鋼件在去應(yīng)力退火過程中組織不發(fā)生變化，只是消除內(nèi)應(yīng)力。二、鋼的正火１.工藝方法正火是指將鋼加熱到Ａｃ３或Ａｃｃｍ以上３０℃～５０℃，經(jīng)保溫后，在空氣中冷卻的工藝方法。上一頁下一頁返回第四節(jié)退火與正火正火的冷卻速度比退火快，故正火后得到的珠光體組織比較細(xì)，正火后鋼的強(qiáng)度、硬度比退火后的鋼高。２.正火的應(yīng)用（１）改善低碳鋼和低碳合金鋼的切削加工性低碳鋼和低碳合金鋼退火后的硬度小于１５０ＨＢＷ。由于硬度過低，切削時(shí)容易“粘刀”，使刀具發(fā)熱而磨損，而且加工后工件的表面粗糙度值較高。通過正火能適當(dāng)提高其硬度，改善切削加工性。（２）用于普通結(jié)構(gòu)零件或大型結(jié)構(gòu)零件的最終熱處理因?yàn)檎鸷缶Я＜?xì)化，力學(xué)性能較退火高（見表４－２），零件鍛造或軋制后進(jìn)行正火處理，既能消除內(nèi)應(yīng)力、細(xì)化晶粒，也可滿足這些結(jié)構(gòu)零件的使用性能要求。上一頁下一頁返回第四節(jié)退火與正火（３）消除過共析鋼中的網(wǎng)狀滲碳體當(dāng)過共析鋼的原始組織中存在明顯的網(wǎng)狀滲碳體組織時(shí)，不能直接進(jìn)行球化退火，必須先進(jìn)行正火，以消除鋼中的網(wǎng)狀滲碳體組織，改善鋼的力學(xué)性能，并為球化退火作好組織準(zhǔn)備。（４）工藝經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便正火與退火的目的基本相同，但正火比退火生產(chǎn)周期短，操作簡(jiǎn)便，成本低。因此，在滿足性能要求的前提下應(yīng)優(yōu)先采用正火。但當(dāng)零件形狀較復(fù)雜時(shí)，由于正火冷卻速度較快，可能會(huì)使零件產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力和變形，甚至開裂，這時(shí)則以采用退火為宜。上一頁返回第五節(jié)淬火與回火淬火是將鋼件加熱到Ａｃ３或Ａｃ１以上適當(dāng)溫度，經(jīng)保溫后以大于臨界冷卻速度的冷速冷卻，以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。淬火的目的主要是為了獲得馬氏體組織，以提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。但淬火使鋼脆性增加，塑性韌性降低，通過配以不同溫度的回火，可調(diào)整鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度及韌性，從而滿足各種機(jī)械零件和工具的不同使用要求。一、淬火為達(dá)到淬火的目的，應(yīng)選擇合適的淬火加熱溫度和冷卻介質(zhì)。１.淬火加熱溫度的選擇（１）亞共析鋼的淬火加熱溫度應(yīng)選擇在Ａｃ３以上３０℃～５０℃。淬火后獲得細(xì)小的馬氏體組織。下一頁返回第五節(jié)淬火與回火如果加熱溫度過高，則引起奧氏體晶粒粗化，淬火后馬氏體的組織粗大，使鋼脆化。若加熱溫度過低（在Ａｃ１～Ａｃ３），則淬火組織中含有未熔鐵素體，將降低淬火工件的強(qiáng)度和硬度。（２）過共析鋼的淬火加熱溫度選擇在Ａｃ１以上３０℃～５０℃。淬火后形成的組織為在細(xì)小針狀馬氏體基體上均勻分布著細(xì)小顆粒狀滲碳體。如果淬火加熱溫度選擇在Ａｃｃｍ以上，淬火后將得到粗大馬氏體，增大鋼的脆性及變形開裂傾向，而且殘余奧氏體量也多，降低了鋼的硬度。如圖４－１０所示。２.加熱時(shí)間的確定加熱時(shí)間包括升溫和保溫時(shí)間。加熱時(shí)間受工件形狀尺寸、裝爐方式、裝爐量、加熱爐類型和加熱介質(zhì)等影響。上一頁下一頁返回第五節(jié)淬火與回火加熱時(shí)間通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算或通過實(shí)驗(yàn)確定，生產(chǎn)中往往要通過實(shí)驗(yàn)確定合理的加熱及保溫時(shí)間，以保證工件質(zhì)量。３.淬火冷卻介質(zhì)的選擇鋼件進(jìn)行淬火冷卻時(shí)所使用的介質(zhì)稱為淬火介質(zhì)。淬火介質(zhì)應(yīng)具有足夠的冷卻能力、較寬的使用范圍，同時(shí)還應(yīng)具有不易老化、不腐蝕零件、不易燃、易清洗、無公害、價(jià)廉等特點(diǎn)。為了在淬火時(shí)得到馬氏體組織，淬火冷卻速度必須大于臨界冷卻速度。但冷卻過快，工件的體積收縮及組織轉(zhuǎn)變都很劇烈，從而不可避免地引起很大的內(nèi)應(yīng)力，容易造成工件變形及開裂。上一頁下一頁返回第五節(jié)淬火與回火因此，鋼的理想冷卻速度應(yīng)如圖４－１１所示。為了抑制非馬氏體轉(zhuǎn)變，在Ｃ曲線“鼻尖”附近（５５０℃左右）快冷。而在６５０℃以上或４００℃以下Ｍｓ線附近發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度范圍內(nèi)，為了減少淬火冷卻過程中工件截面上內(nèi)外溫差引起的熱應(yīng)力和減少馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的組織應(yīng)力以及減少工件的變形與開裂等，并不需要快冷。目前常用的淬火冷卻介質(zhì)有礦物油、水、水溶液（鹽水和堿水），它們的冷卻能力依次增加。其冷卻特性如下。（１）水水在５５０℃～６５０℃的冷卻能力較大，但在２００℃～３００℃的冷卻能力過強(qiáng)，易使淬火零件變形與開裂。因此，水常用于尺寸不大、外形較簡(jiǎn)單的碳鋼零件的淬火。上一頁下一頁返回第五節(jié)淬火與回火（２）鹽堿水溶液在水中加入一定量的鹽和堿可以成倍提高其冷卻能力，但使淬火工件變形與開裂的傾向增大。故常用于尺寸較大、外形簡(jiǎn)單、硬度要求較高、對(duì)淬火變形要求不高的碳鋼零件。（３）礦物油礦物油的冷卻能力較低，能減少工件的變形與開裂的現(xiàn)象，但是在５５０℃～６５０℃的冷卻能力也低，這不利于鋼的淬火，尤其對(duì)截面較大的碳鋼及低合金鋼不易淬硬，因此，油一般作為形狀復(fù)雜的中、小型合金鋼零件的淬火介質(zhì)。上一頁下一頁返回第五節(jié)淬火與回火４.淬火方法常用的淬火方法如圖４－１２所示。（１）單介質(zhì)淬火將鋼件奧氏體化后，浸入一種淬火介質(zhì)中連續(xù)冷卻到室溫的淬火方法稱為單介質(zhì)淬火，如碳鋼件水冷、合金鋼件油冷等。此法操作簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化。但易產(chǎn)生硬度不足，變形與裂紋，主要適用于形狀較簡(jiǎn)單的鋼件。（２）雙介質(zhì)淬火將鋼件奧氏體化后，先浸入一種冷卻能力強(qiáng)的介質(zhì)，在鋼件還未到達(dá)該淬火介質(zhì)溫度之前即取出，馬上浸入另一種冷卻能力弱的介質(zhì)中冷卻的方法稱為雙介質(zhì)淬火，例如先水后油、先水后空氣等。上一頁下一頁返回第五節(jié)淬火與回火此種方法既能保證淬硬，又能減少產(chǎn)生變形和裂紋的傾向，但操作起來較難掌握在兩種介質(zhì)中的停留時(shí)間，要求操作者具有較高的技能。雙介質(zhì)淬火主要用于形狀較復(fù)雜易開裂的高碳鋼件，如絲錐等。（３）馬氏體分級(jí)淬火將加熱好的鋼件先放入溫度稍高于Ｍｓ點(diǎn)的鹽浴或堿浴中，保持一定的時(shí)間，使鋼件內(nèi)外的溫度達(dá)到均勻一致，然后取出鋼件在空氣中冷卻，使之轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。馬氏體分級(jí)淬火可以減小淬火應(yīng)力，防止工件變形和開裂。但由于鹽浴的冷卻能力較差，對(duì)碳鋼零件，淬火后會(huì)出現(xiàn)非馬氏體組織，主要應(yīng)用于淬透性好的合金鋼或截面不大、形狀復(fù)雜的碳鋼工件。上一頁下一頁返回第五節(jié)淬火與回火（４）貝氏體等溫淬火貝氏體等溫淬火是指將鋼件加熱奧氏體化后，隨即快冷到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間（２６０℃～４００℃）等溫，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w的淬火工藝。貝氏體等溫淬火可使工件獲得較高的硬度、耐磨性及良好的強(qiáng)度和韌性，顯著減少工件的淬火變形，避免淬火件的開裂，但生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。因此，常用于各種中、高碳和低合金鋼制作的形狀復(fù)雜、尺寸較小、韌性要求較高的各種模具和成型刀具等。５.鋼的淬透性和淬硬性（１）淬透性淬透性是指鋼在淬火時(shí)獲得淬硬層深度的能力。在相同的條件下淬火，獲得的淬硬層越深，表明鋼的淬透性越好。上一頁下一頁返回第五節(jié)淬火與回火鋼的臨界冷卻速度越低，鋼的淬透性越好。凡是能降低臨界冷卻速度的因素（主要是鋼的化學(xué)成分）都可以提高鋼的淬透性，例如，合金鋼的淬透性比碳鋼好。臨界冷卻速度與淬透性的關(guān)系如圖４－１３所示。實(shí)際生產(chǎn)中常用臨界直徑ｄｃ表示鋼的淬透性。臨界直徑是指工件在某種介質(zhì)中淬火后，心部能淬透（即心部獲得全部或半馬氏體組織）的最大直徑，臨界直徑越大，鋼的淬透性越好，幾種常用鋼的臨界直徑見表４－３。（２）淬透性的應(yīng)用淬透性好的鋼，在獲得同樣淬硬層深度的情況下，可以采用冷卻能力較低的淬火介質(zhì)，減小形狀復(fù)雜的零件在淬火時(shí)的變形和開裂。上一頁下一頁返回第五節(jié)淬火與回火淬透性對(duì)調(diào)質(zhì)后鋼的力學(xué)性能的影響如圖４－１４所示。例如，對(duì)于大截面、形狀復(fù)雜和在動(dòng)載荷下工作的零件，以及承受軸向拉壓的連桿、螺栓、拉桿、鍛模等要求表面和心部性能均勻一致的零件，應(yīng)選用淬透性良好的鋼材，以保證心部“淬透”。（３）淬硬性淬硬性是指在一定條件下淬火后獲得馬氏體組織所能達(dá)到的最高硬度。鋼的淬硬性主要取決于鋼的含碳量。鋼的淬硬性好并不代表淬透性就好，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相當(dāng)好，但它的淬硬性卻不高。上一頁下一頁返回第五節(jié)淬火與回火６.淬火缺陷及預(yù)防措施（１）氧化與脫碳鋼在加熱時(shí)，表面形成一層松脆的氧化鐵皮的現(xiàn)象稱為氧化；脫碳指表面碳含量降低的現(xiàn)象。氧化和脫碳會(huì)降低鋼件表層的硬度和疲勞強(qiáng)度，而且還影響零件的尺寸。為了防止氧化和脫碳，通常在鹽浴爐內(nèi)加熱，要求更高時(shí)，可在工件表面涂覆保護(hù)劑或在保護(hù)氣氛及真空中加熱。（２）過熱和過燒鋼在淬火加熱時(shí)，奧氏體晶粒顯著粗化的現(xiàn)象稱為過熱。若加熱溫度過高，出現(xiàn)晶界氧化并開始部分熔化的現(xiàn)象稱為過燒。上一頁下一頁返回第五節(jié)淬火與回火工件過熱后，不僅降低鋼的力學(xué)性能（尤其是韌性），也容易引起淬火變形和開裂。過熱組織可以用正火處理予以糾正，而過燒的工件只能報(bào)廢。為了防止工件的過熱和過燒，必須嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時(shí)間。（３）變形與開裂工件淬火冷卻時(shí)，由于不同部位存在溫度差異及組織轉(zhuǎn)變的不同時(shí)性所引起的應(yīng)力稱為淬火內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)淬火應(yīng)力超過鋼的屈服點(diǎn)時(shí)，工件將產(chǎn)生變形；當(dāng)淬火應(yīng)力超過鋼的抗拉強(qiáng)度時(shí)，工件將產(chǎn)生裂紋，從而造成廢品。上一頁下一頁返回第五節(jié)淬火與回火為了防止變形和開裂的產(chǎn)生，可采用不同的淬火方法（如分級(jí)淬火或等溫淬火等）和合理設(shè)計(jì)工藝（如結(jié)構(gòu)對(duì)稱、截面均勻、避免尖角）等措施，盡量減少淬火應(yīng)力，并在淬火后及時(shí)進(jìn)行回火處理。（４）硬度不足硬度不足是由于加熱溫度過低、保溫時(shí)間不足、冷卻速度不夠大或表面脫碳等原因造成的，可采用重新淬火來消除（但淬火前要進(jìn)行一次退火或正火處理）。二、回火回火是將淬火鋼重新加熱到Ａｃ１以下某一溫度，保溫后冷卻到室溫的熱處理工藝?；鼗鸬闹饕康模荷弦豁撓乱豁摲祷氐谖骞?jié)淬火與回火１）改變強(qiáng)度、硬度高，塑性、韌性差的淬火組織；２）使不穩(wěn)定的淬火組織馬氏體和殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定組織，保證工件不再發(fā)生形狀和尺寸的改變；３）消除淬火內(nèi)應(yīng)力，防止進(jìn)一步變形和開裂。鋼淬火后都必須進(jìn)行回火處理，回火決定了鋼在使用狀態(tài)的組織和壽命。１.淬火鋼的回火過程淬火鋼在回火時(shí)，隨著溫度的升高，組織轉(zhuǎn)變可分為四個(gè)階段。第一階段回火（８０℃～２００℃以下）：馬氏體分解。上一頁下一頁返回第五節(jié)淬火與回火馬氏體在室溫是不穩(wěn)定的，隨著回火溫度的升高，馬氏體開始分解，在中、高碳鋼中沉淀出ε－碳化物，這種馬氏體和ε－碳化物的回火組織稱為回火馬氏體。此階段鋼的淬火內(nèi)應(yīng)力減少，韌性改善，但硬度并未明顯降低。第二階段回火（２００℃～３００℃）：殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?；鼗鸬剑玻埃啊妗常埃啊娴臏囟确秶?，淬火鋼中原來沒有完全轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體，此時(shí)將會(huì)發(fā)生分解，形成下貝氏體組織，這個(gè)階段轉(zhuǎn)變后的組織是下貝氏體和回火馬氏體。淬火內(nèi)應(yīng)力進(jìn)一步降低，但馬氏體分解造成的硬度降低，被殘余奧氏體分解引起的硬度升高所補(bǔ)償，所以剛的硬度降低并不明顯。上一頁下一頁返回第五節(jié)淬火與回火第三階段回火（３００℃～４００℃）：馬氏體分解完成和ε－碳化物轉(zhuǎn)化為滲碳體。馬氏體繼續(xù)分解，直到過飽和的碳原子幾乎全部析出，同時(shí)，ε－碳化物轉(zhuǎn)化為極細(xì)的穩(wěn)定的滲碳體。形成尚未再結(jié)晶的針狀鐵素體和細(xì)球狀滲碳體的混合組織，稱為回火托氏體。此時(shí)鋼的淬火內(nèi)應(yīng)力基本消除，硬度有所降低。第四階段回火（４００℃以上）：滲碳體球化和長(zhǎng)大，鐵素體回復(fù)和再結(jié)晶。滲碳體從４００℃開始球化，６００℃以后發(fā)生集聚性長(zhǎng)大。上一頁下一頁返回第五節(jié)淬火與回火同時(shí)，鐵素體發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶。形成塊狀鐵素體和球狀滲碳體的混合組織，稱為回火索氏體。鋼的強(qiáng)度和硬度不斷降低，韌性有明顯提高。２.回火的分類和應(yīng)用在熱處理生產(chǎn)中，通常按回火溫度把回火分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。上一頁返回第六節(jié)化學(xué)熱處理與表面熱處理不少機(jī)械零件在工作時(shí)承受沖擊載荷和交變載荷的作用，要求其整體和心部具有足夠的塑性、韌性和一定的強(qiáng)度，而表面承受著比心部更高的應(yīng)力，同時(shí)又不斷地被磨損，因此，要求其表面具有高硬度和高耐磨性。為了同時(shí)滿足零件心部和表層的性能要求，生產(chǎn)中可以進(jìn)行化學(xué)熱處理和表面熱處理。一、常用的化學(xué)熱處理方法將工件置于適當(dāng)?shù)幕钚越橘|(zhì)中加熱、保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝稱為化學(xué)熱處理。下一頁返回第六節(jié)化學(xué)熱處理與表面熱處理化學(xué)熱處理的基本過程：活性介質(zhì)在一定溫度下通過化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行分解，形成滲入元素的活性原子；活性原子被工件表面吸收，即活性原子溶入鐵的晶格形成固溶體或與鋼中某種元素形成化合物；被吸收的活性原子由工件表面逐漸向內(nèi)部擴(kuò)散，形成一定深度的滲層?；瘜W(xué)熱處理的種類很多，根據(jù)滲入元素的不同，化學(xué)熱處理有滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼和滲金屬等。二、常用的表面熱處理方法表面熱處理是指為改變工件表面的組織和性能，僅對(duì)其表面進(jìn)行熱處理的工藝。常用的表面熱處理方法是表面淬火。上一頁下一頁返回第六節(jié)化學(xué)熱處理與表面熱處理將工件表層迅速加熱到淬火溫度進(jìn)行淬火的工藝方法稱為表面淬火。工件經(jīng)表面淬火后，表層將得到馬氏體組織，具有高的硬度和耐磨性，而心部仍為淬火前的組織，具有足夠的強(qiáng)度和韌性。表面淬火適用于中碳鋼、中碳合金鋼。根據(jù)淬火加熱方法的不同，表面淬火可分為火焰加熱表面淬火和感應(yīng)加熱表面淬火兩種。三、熱處理新技術(shù)及其他熱處理簡(jiǎn)介１.流態(tài)層熱處理流態(tài)層熱處理又稱流動(dòng)層熱處理，在國外稱為藍(lán)熱。這是一種操作方便，容易維護(hù)，且無公害的熱處理方法，其原理如圖４－１８所示。這種用流態(tài)化的固體粒子作為加熱或冷卻介質(zhì)的熱處理爐就是流態(tài)粒子爐。上一頁下一頁返回第六節(jié)化學(xué)熱處理與表面熱處理這種流動(dòng)的細(xì)小的粒子（粉末）的傳熱性能優(yōu)良，因此能迅速加熱，并能準(zhǔn)確控制溫度。此外，由于加熱均勻，故零件的變形與開裂傾向減少。目前這種熱處理方法的應(yīng)用已有很大擴(kuò)展，不僅能送入各種氣氛進(jìn)行滲碳、滲氮等，而且可逐步用來代替熔融鹽、水、油、空氣的冷卻，這就是流態(tài)層變速冷卻技術(shù)。它的冷卻速度比液態(tài)介質(zhì)低一點(diǎn)，但能自由調(diào)節(jié)溫度，適用于分級(jí)淬火和高速鋼的淬火。上一頁下一頁返回第六節(jié)化學(xué)熱處理與表面熱處理２.形變熱處理形變熱處理是一種把塑性變形與熱處理有機(jī)結(jié)合的新技術(shù)，它能同時(shí)收到形變強(qiáng)化和相變強(qiáng)化的綜合效果，因而能有效提高鋼的力學(xué)性能。形變熱處理可分為高溫形變熱處理和低溫形變熱處理兩種。高溫形變熱處理后，不僅能提高材料的強(qiáng)度和硬度，而且能顯著提高韌性，取得強(qiáng)韌化的效果。這種新工藝可用于加工量不大的鍛件或軋件，利用鍛造或軋制的余熱直接淬火，不僅提高了零件的強(qiáng)度，還可以改善塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度，并可簡(jiǎn)化工藝、降低成本。低溫形變熱處理是將鋼奧氏體化后，急速冷卻到過冷奧氏體孕育期最長(zhǎng)的溫度（５００℃～６００℃）進(jìn)行大量塑性變形，然后淬火、立即回火。上一頁下一頁返回第六節(jié)化學(xué)熱處理與表面熱處理這種熱處理可在保持