第五章鋼熱處理

1、第五章 鋼的熱處理本章重點(diǎn)：熱處理工藝主要介紹鋼的普通常見的熱處理方法，1 退火2 正火3 淬火4 回火。難點(diǎn)：各種熱處理方法的區(qū)別和應(yīng)用§5.3 鋼的退火和正火 退火和正火是應(yīng)用最為廣泛的熱處理工藝。在機(jī)械零件和工、模具的制造加工過程中，退火和正火往往是不可缺少的先行工序，具有承前啟后的作用。機(jī)械零件及工、模具的毛坯退火或正火后，可以消除或減輕鑄件、鍛件及焊接件的內(nèi)應(yīng)力與成分、組織的不均勻性，從而改善鋼件的機(jī)械性能和工藝性能，為切削加工及最終熱處理（淬火）作好組織、性能準(zhǔn)備。一些對性能要求不高的機(jī)械零件或工程構(gòu)件，退火和正火亦可作為最終熱處理。一. 退火目的及工藝 退火是鋼加熱到適

2、當(dāng)?shù)臏囟?，?jīng)過一定時間保溫后緩慢冷卻，以達(dá)到改善組織、提高加工性能的一種熱處理工藝。其主要目的是減輕鋼的化學(xué)成分及組織的不均勻性，細(xì)化晶粒，降低硬度，消除內(nèi)應(yīng)力，以及為淬火作好組織準(zhǔn)備。 退火工藝種類很多，常用的有完全退火、等溫退火、球化退火、擴(kuò)散退火、去應(yīng)力退火及再結(jié)晶退火等。不同退火工藝的加熱溫度范圍如圖5.25所示，它們有的加熱到臨界點(diǎn)以上，有的加熱到臨界點(diǎn)以下。對于加熱溫度在臨界點(diǎn)以上的退火工藝，其質(zhì)量主要取決于加熱溫度、保溫時間、冷卻速度及等溫溫度等。對于加熱溫度在臨界點(diǎn)以下的退火工藝，其質(zhì)量主要取決于加熱溫度的均勻性。1. 完全退火 完全退火是將亞共析鋼加熱到AC3以上2030，保

3、溫一定時間后隨爐緩慢冷卻至500左右出爐空冷，以獲得接近平衡組織的一種熱處理工藝。它主要用于亞共析鋼，其主要目的是細(xì)化晶粒、均勻組織、消除內(nèi)應(yīng)力、降低硬度和改善鋼的切削加工性能。 低碳鋼和過共析鋼不宜采用完全退火。低碳鋼完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。過共析鋼完全退火，加熱溫度在Acm以上，會有網(wǎng)狀二次滲碳體沿奧氏體晶界析出，造成鋼的脆化。2. 等溫退火 完全退火所需時間很長，特別是對于某些奧氏體比較穩(wěn)定的合金鋼，往往需要幾十小時，為了縮短退火時間，可采用等溫退火。等溫退火的加熱溫度與完全退火時基本相同，鋼件在加熱溫度保溫一定時間后，快冷至Ar1以下某一溫度等溫，使奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體，然后

4、出爐空冷。圖5.26為高速鋼的完全退火與等溫退火的比較，可見等溫退火所需時間比完全退火縮短很多。 A r1以下的等溫溫度，根據(jù)要求的組織和性能而定；等溫溫度越高，則珠光體組織越粗大，鋼的硬度越低。3. 球化退火 球化退火是使鋼中滲碳體球化，獲得球狀（或粒狀）珠光體的一種熱處理工藝。主要用于共析和過共析鋼，其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性能；同時為后續(xù)淬火作好組織準(zhǔn)備。球化退火是將鋼件加熱到A c1以上2030，充分保溫使未溶二次滲碳體球化，然后隨爐緩慢冷卻，或在A r1以下20左右進(jìn)行較長時間保溫，使珠光體中的滲碳體球化，隨后出爐空冷。上述兩種工藝如圖5.27所示。（1分鐘）對于有網(wǎng)狀二

5、次滲碳體的過共析鋼，在球化退火之前應(yīng)進(jìn)行一次正火，以消除粗大的網(wǎng)狀滲碳體。 近年來，球化退火工藝應(yīng)用于亞共析鋼也取得較好的效果，只要工藝控制恰當(dāng)，同樣可使?jié)B碳體球化，從而有利于冷成形加工。4. 擴(kuò)散退火 擴(kuò)散退火是將鋼錠或鑄鋼件加熱到略低于固相線的溫度，長時間保溫，然后緩慢冷卻，以消除化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象的一種熱處理工藝，擴(kuò)散退火加熱溫度通常為A c1以上150300，具體加熱溫度視鋼種及偏析程度而定，保溫時間工般為1015h。 擴(kuò)散退火后鋼的晶粒非常粗大，需要再進(jìn)行完全退火或正火。由于高溫擴(kuò)散退火生產(chǎn)周期長、消耗能量大、生產(chǎn)成本高，所以一般不輕易采用。5. 去應(yīng)力退火為了消除冷加工以及鑄造、焊

6、接過程中引起的殘余內(nèi)應(yīng)力而進(jìn)行的退火，稱為去應(yīng)力退火。去應(yīng)力退火還能降低硬度，提高尺寸穩(wěn)定性，防止工件的變形和開裂。鋼的去應(yīng)力退火加熱溫度范圍較寬，但不能超過A c1點(diǎn)，一般在500-650之間；去應(yīng)力退火后的冷卻應(yīng)盡量緩慢，以免產(chǎn)生新的應(yīng)力。二. 正火目的及工藝 正火是將鋼加熱到A c3或A ccm以上3050，保溫一定時間，然后在空氣中冷卻以獲得珠光體類組織的一種熱處理工藝。正火與退火主要區(qū)別在于冷卻速度不同，正火冷卻速度較快，獲得的珠光體組織較細(xì)，強(qiáng)度和硬度也較高。正火與退火的目的相似，但正火態(tài)鋼的機(jī)械性能較高，而且正火生產(chǎn)效率高，成本低，因此在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)盡量用正火代替退火。 正火的主

7、要應(yīng)用是：1. 作為普通結(jié)構(gòu)零件的最終熱處理。2. 作為低、中碳結(jié)構(gòu)鋼的預(yù)先熱處理，可獲得合適的硬度，便于切削加工。3. 用于過共析鋼消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火作妤組織準(zhǔn)備。綜上所述，為改善鋼的切削性能，低碳鋼宜用正火；共析鋼和過共析鋼宜用球化退火，且過共析鋼宜在球化退火前采用正火消除網(wǎng)狀二次滲碳體；中碳鋼最好采用退火，但也可采用正火。§5.4 鋼的淬火淬火是將鋼加熱到A c3或A c1以上的一定溫度，保溫后快速冷卻，以獲得馬氏體（或下貝氏體）組織的一種熱處理工藝。馬氏體強(qiáng)化是鋼最有效的強(qiáng)化手段，因此，淬火也是鋼的最重要的熱處理工藝。一. 淬火加熱溫度 淬火加熱溫度是淬火工藝的主

8、要參數(shù)。它的選擇應(yīng)以得到均勻細(xì)小的奧氏體晶粒為原則，以使淬火后獲得細(xì)小的馬氏體組織。為防止奧氏體晶粒粗化，淬火加熱溫度一般限制在臨界點(diǎn)以上3050范圍。碳鋼淬火加熱溫度范圍如圖50.28所示。 亞共析鋼淬火加熱溫度為A c3（3050）。這樣可獲得均勻細(xì)小的馬氏體組織，若淬火加熱溫度過高，不僅會出現(xiàn)粗大馬氏體組織，還會導(dǎo)致淬火鋼的嚴(yán)重變形。若淬火加熱溫度過低，則會在淬火組織中出現(xiàn)鐵素體，造成淬火鋼硬度不足，甚至出現(xiàn)“軟點(diǎn)”現(xiàn)象。 共析鋼和過共析鋼的淬火加熱溫度為A c1（3050）。淬火后，共析鋼組織為均勻細(xì)小的馬氏體和少量殘余奧氏體；過共析鋼則可獲得均勻細(xì)小的馬氏體加粒狀二次滲碳體和少量殘余

9、奧氏體的混合組織。過共析鋼的這種正常淬火組織，有利于獲得最佳硬度和耐磨性。若過共析鋼的淬火加熱溫度過高，則會得到較粗大的馬氏體和較多的殘余奧氏體。這不僅降低了淬火鋼的硬度和耐磨度性，而且會增大淬火變形和開裂傾向。 對于合金鋼，由于大多數(shù)合金元素有阻礙奧氏體晶粒長大的作用，所以淬火加熱溫度可以稍微提高一些，以利于合金元素的溶解和均勻化，從而獲得較好的淬火效果。二. 淬火冷卻介質(zhì)冷卻也是影響淬火質(zhì)量的一個重要因素。因此選擇合適的淬火冷卻介質(zhì)，對于達(dá)到淬火目的和保證淬火質(zhì)量具有十分重要的煮義。為了保證淬火能得到馬氏體組織，淬火冷卻速度就必須大于臨界冷卻速度（Vc）而快冷總是不可避免地要造成較大的內(nèi)應(yīng)

10、力，以致往往要引起鋼件的變形或開裂。要解決這一矛盾，理想的淬火冷卻曲線應(yīng)如圖50.29所示。由圖可知，淬火并不需要整個冷卻過程都是快冷，只要求在C曲線鼻尖附近快冷；而在MS點(diǎn)以下則應(yīng)盡量慢冷，以減小馬氏體轉(zhuǎn)變時的內(nèi)應(yīng)力。但是到目前為止，還沒有找到一種淬火冷卻介質(zhì)能符合這一理想淬火冷卻曲線的要求，也就是說，至今還沒有一種十分理想的淬火冷卻介質(zhì)。淬火最常用的冷卻介質(zhì)是水、鹽水和油。水是既經(jīng)濟(jì)又有很強(qiáng)冷卻能力的淬火冷卻介質(zhì)。其不足之處是在650550的范圍內(nèi)冷卻能力不夠強(qiáng)，而在300200范圍內(nèi)冷卻能力又偏強(qiáng)，不符合理想淬火冷卻介質(zhì)的要求。鹽水的淬火冷卻能力比清水更強(qiáng)，尤其在650550范圍內(nèi)具有很

11、強(qiáng)的冷卻能力，這對尺寸較大的碳鋼件的淬火是非常有利的。采用鹽水淬火時，由于鹽晶體在工件表面的析出和爆裂，可不斷有效地打破包圍在工件表面的蒸汽膜和促使附著在工件表面上的氧化鐵皮的剝落。因此用鹽水淬火的工件容易獲得高硬度和光潔的表面，且不會產(chǎn)生淬不硬的軟點(diǎn)，這是清水淬火所不及的。但是鹽水在300200以下溫度范圍內(nèi)，冷卻能力仍像清水那樣相當(dāng)強(qiáng)，能使工件變形加重，甚至發(fā)生開裂。此外，鹽水對工件有銹蝕作用，淬過火的工件必須進(jìn)行清洗。 總之，水和鹽水主要適用于形狀簡單、硬度要求高而均勻、變形要求不嚴(yán)格的碳鋼零件的淬火。 油是一類冷卻能力較弱的淬火冷卻介質(zhì)。淬火用油主要為各種礦物油。油在高溫區(qū)冷卻速度不夠

12、，不利于碳鋼的淬硬，但有利于減少工件的變形。因此，在實際生產(chǎn)中，油主要用作過冷奧氏體穩(wěn)定性好的合金鋼和尺寸小的碳鋼零件的淬火冷卻介質(zhì)。 熔融狀態(tài)的堿浴和硝鹽浴也常用作淬火冷卻介質(zhì)。堿浴在高溫區(qū)的冷卻能力比油強(qiáng)而比水弱，而硝鹽在高溫區(qū)的冷卻能力比油略弱。在低溫區(qū)域，堿浴和硝鹽浴的冷卻能力都比油弱。因此堿浴和硝鹽浴廣泛作截面不大、形狀復(fù)雜、變形要求嚴(yán)格的工具鋼的分級淬火或等溫淬火的冷卻介質(zhì)。 表5.1和表5.2分別為常用淬火冷卻介質(zhì)水、鹽水、堿水和油的冷卻能力與堿浴、硝鹽浴的成分、熔點(diǎn)使用溫度。三. 淬火冷卻方法由于淬火介質(zhì)不能完全滿足淬火質(zhì)量的要求，所以要選擇適當(dāng)?shù)拇慊鸱椒?，以保證獲得所需要的淬

13、火組織和性能的前提下，盡量減小淬火應(yīng)力、工件變形和開裂傾向。；最常用的幾種淬火方法如下：1. 單液淬火單液淬火是將奧氏體化后的鋼件淬入一種介質(zhì)中連續(xù)冷卻獲得馬氏體組織的一種淬火方法（如圖5.30曲線-1所示）這種方法操作簡單，易實現(xiàn)機(jī)械化與自動化熱處理；但它只適用于形狀簡單的碳鋼和合金鋼零件的淬火。（1分鐘）2. 雙液淬火雙液淬火是先將奧氏體化后的鋼件淬入冷卻能力較強(qiáng)的介質(zhì)中冷至接近MS點(diǎn)溫度時快速轉(zhuǎn)人冷卻能力較弱的介質(zhì)中冷卻，直至完成馬氏體轉(zhuǎn)變（如圖5.30曲線2所示）。這種淬火法利用了兩種介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，獲得了較為理想的冷卻條件；在保證工件獲得馬氏體組織的同時，減小了淬火應(yīng)力，能有效防止工件的

14、變形或開裂。在工業(yè)生產(chǎn)常以水和油分別作為兩種冷卻介質(zhì)，故又稱之為水淬油冷法。雙液淬火法要求操作人員必須具有豐富的實踐經(jīng)驗，否則難以保證淬火質(zhì)量。（1分鐘）3. 分級淬火 分級淬火是將奧氏體化后的鋼件淬入稍高于MS點(diǎn)溫度的鹽浴中，保持到工件內(nèi)外溫度接近后取出，使其在緩慢冷卻條件下發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變（如圖5.30曲線3所示）。這種淬火方法顯著降低了淬火應(yīng)力，因而更為有效地減小或防止了淬火工件的變形和開裂。因受熔鹽冷卻能力的限制，它只適用于處理尺寸較小的工件。4. 等溫淬火 等溫淬火是將奧氏體化后的鋼件淬入高于MS點(diǎn)溫度的鹽浴中，等溫保持，以獲得下貝氏體組織的一種淬火工藝（如圖5.30曲線4所示）。這種

15、淬火方法處理的工件強(qiáng)度高、韌性好；同時因淬火應(yīng)力很小，故工件淬火變形極小。它多用于處理形狀復(fù)雜、尺寸較小的零件。 §5.5 鋼的回火 回火是將淬火鋼加熱到臨界點(diǎn)Acl以下的某一溫度，保溫后以適當(dāng)方式冷卻到室溫的一種熱處理工藝。 回火的主要目的是：降低脆性：消除或減少內(nèi)應(yīng)力。淬火鋼存在很大的內(nèi)應(yīng)力，如不及時回火，往往會導(dǎo)致工件的變形和開裂。 穩(wěn)定組織和工件尺寸：回火過程中，不穩(wěn)定的淬火馬氏體和殘余奧氏體會轉(zhuǎn)變?yōu)檩^穩(wěn)定的鐵素體和滲碳體或碳化物的兩相混合物，從而保證了工件在使用過程中形狀和尺寸的穩(wěn)定性。 獲得要求的機(jī)械性能：鋼的淬火態(tài)組織一般雖然硬度很高，但脆性也很大；可通過適當(dāng)溫度的回火

16、，以獲得零件所要求的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的良好配合。一. 淬火鋼在回火時的轉(zhuǎn)變與回火組織1. 淬火鋼在回火時的轉(zhuǎn)變 淬火碳鋼在回火過程中的組織轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在加熱階段。隨著回火溫度的升高，淬火鋼的組織變化大致可以分為四個階段；如圖5.31所示。（1分鐘）1) 馬氏體分解 當(dāng)回火溫度超過80時，馬氏體開始發(fā)生分解，從過飽和固溶體中析出彌散的且與母相保持共格聯(lián)系的碳化物。隨著回火溫度的升高，馬氏體中含碳量不斷降低；直到350左右，馬氏體分解基本結(jié)束。相中的含碳量降至接近平衡濃度。此時的相仍保持板條或針片狀特征。（1分鐘）2) 殘余奧氏體轉(zhuǎn)變 淬火碳鋼加熱到200時，殘余奧氏體開始分解，轉(zhuǎn)變?yōu)?碳化

17、物和過飽和相的混合物，即轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w或回火馬氏體。相中的含碳量與馬氏體在相同的溫度下分解后的含碳量相近。到300時殘余奧氏體分解基本完成。（1分鐘）3) 碳化物的轉(zhuǎn)變 當(dāng)回火溫度升至250400時，亞穩(wěn)定的-碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的碳化物，即從相中析出滲碳體。這種轉(zhuǎn)變在350左右進(jìn)行較快，結(jié)果-碳化物被滲碳體所代替，從此碳化物與母相之間已不再有共格聯(lián)系。（1分鐘）4) 滲碳體聚集長大和相再結(jié)晶 當(dāng)回火溫度升至400以上時，滲碳體開始聚集長大。淬火碳鋼經(jīng)高于500回火后，滲碳體已為粒狀；當(dāng)回火溫度超過600時，細(xì)粒狀滲碳體迅速粗化。與此同時，在400以上相發(fā)生回復(fù)；當(dāng)回火溫度升到600以上時，相發(fā)生

18、再結(jié)晶，失去板條或針片狀形態(tài)，成為多邊形鐵素體。（1分鐘）2. 回火組織 由于淬火鋼在回火過程中上述轉(zhuǎn)變過程的交又進(jìn)行，因此得到的回火組織較為復(fù)雜，但根據(jù)回火溫度范圍的不同，大致可將碳鋼的主要回火組織分為三類。1) 回火馬氏體高碳淬火鋼在150350低溫回火時，淬火馬氏體分解為回火馬氏體，它是由細(xì)小的-碳化物和較低過飽和度的針片狀相組成，如圖5.32所示。中碳淬火鋼低溫回火后得到的回火馬氏體仍保持板條狀和針片狀形態(tài)。低碳淬火鋼低溫回火時，只發(fā)生碳原子的偏聚而無碳化物析出，其形態(tài)仍保持板條狀不變。2) 回火托氏體 淬火碳鋼在350500溫度范圍內(nèi)回火得到的組織為回火托氏體。常見的回火托氏體是由大

19、量彌散分布的細(xì)粒狀滲碳體和針片狀鐵素體組成，在光學(xué)顯微鏡下，滲碳體顆粒難以分辨，如圖5.33所示。3) 回火索氏體 淬火碳鋼在500850溫度范圍內(nèi)回火得到的組織為回火索氏體。它是由粒狀滲碳體和多邊形鐵素體組成，在光學(xué)顯微鏡下，滲碳體顆粒能清楚分辨，如圖5.34所示。二. 回火鋼的性能淬火鋼在回火過程中，回火溫度回火組織鋼的性能之間存在著一一對應(yīng)關(guān)系?；鼗饻囟仍礁撸摰挠捕仍降?，如圖5.35所示。在200以下回火時，由于-碳化物的彌散析出，硬度下降甚微；而高碳鋼在100左右回火時，硬度甚至稍有提高。在200250回火時，由于殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w或回火馬氏體，高碳鋼的硬度幾乎停止下降。當(dāng)回火

20、溫度超過250以后，由于-碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體以及滲碳體的聚集長大，鋼的硬度隨回火溫度的升高直皇直線下降。在較低溫度（200-300）回火時，因淬火引起的內(nèi)應(yīng)力被消除，鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都得到提高。在300400溫度范圍內(nèi)回火時，鋼的彈性極限達(dá)到最高值。進(jìn)一步提高回火溫度，鋼的強(qiáng)度將迅速下降，鋼的塑性和韌性一般都隨著回火溫度的升高而增長。在600左右回火時，鋼的塑性、韌性與強(qiáng)度達(dá)到良好配合，即可獲得較好的綜合機(jī)械性能。淬火鋼經(jīng)回火獲得的托氏體和索氏體組織與過冷奧氏體直接分解所得到的托氏體和索氏體相比，具有較優(yōu)的性能；在硬度相同時，前者具有較高的屈服強(qiáng)度、塑性和韌性。這主要是因為組織形態(tài)不同所

21、致。三. 回火種類淬火鋼回火后的組織和性能決定于回火溫度。按回火溫度范圍的不同，可將鋼的回火分為三類：1. 低溫回火回火溫度范圍一般為150250，得到回火馬氏體組織。淬火鋼經(jīng)低溫回火后仍保持高硬度（HRC58-64）和高耐磨性。其主要目的是為了降低淬火應(yīng)力和脆性。各種高碳鋼工、模具及耐磨零件通常采用低溫回火。2. 中溫回火回火溫度范圍通常為350500，得到回火托氏體組織。淬火鋼經(jīng)中溫回火后，硬度為HRC3545，具有較高的彈性極限和屈服極限，并有一定的塑性和韌性。中溫回火主要用于各種彈簧的處理。3. 高溫回火回火溫度范圍通常為500650，得到回火索氏體組織，硬度為HRC2535。淬火鋼經(jīng)

22、高溫回火后，在保持較高強(qiáng)度的同時，又具有較好的塑性和韌性，即綜合機(jī)械性能較好。人們通常將中碳鋼的淬火加高溫回火的熱處理稱為凋質(zhì)處理。它廣泛應(yīng)用于處理各種重要的結(jié)構(gòu)零件，如在交變載荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。（2分鐘）四. 回火脆性 淬火鋼回火時，其沖擊韌性并非隨著回火溫度的升高而單調(diào)地提高，在250400和450650兩個溫度區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)明顯下降，這種脆化現(xiàn)象稱為鋼的回火脆性，如圖5.36所示。1. 低溫回火脆性淬火鋼在250400溫度范圍內(nèi)回火出現(xiàn)的脆性稱為低溫回火脆性，也叫第一類回火脆性。幾乎所有的淬火鋼在300左右回火時都會出現(xiàn)這種脆性。一般認(rèn)為，低溫回火脆性是由于馬氏體分解在其晶

23、界上析出斷續(xù)的薄殼狀滲碳體，降低了晶界斷裂強(qiáng)度，使裂紋容易沿著晶界形成與擴(kuò)展，因而導(dǎo)致脆性斷裂。若進(jìn)一步提高回火溫度，可使碳化物聚集球化，從而減輕和消除界面脆化，鋼的韌性又得到恢復(fù)和提高，此后，即使再一次在300左右回火，脆性不會重新出現(xiàn)。因此又稱低溫回火脆性為不可逆回火脆性，為了防止低溫回火脆性，通常的辦法是避免在脆化溫度范圍內(nèi)回火。2. 高溫回火脆性淬火鋼在500-650溫度范圍內(nèi)回火出現(xiàn)的脆性稱為高溫回火脆性，又叫第二類回火脆性。這類回火脆性主要出現(xiàn)在含Cr、Ni、Mn、Si等合金元素的鋼中。當(dāng)淬火鋼在550左右加熱保溫后緩慢冷卻時，會出現(xiàn)明顯的隘脆化現(xiàn)象，若快速冷卻，脆化現(xiàn)象消失或受到

24、抑制。若將已產(chǎn)生脆化的鋼重新加熱到550左右保溫并快速冷卻時，可消除脆性；反之，若將已消除脆性的鋼重新加熱到高溫回火溫區(qū)，然后緩慢冷卻，則脆性又會再次出現(xiàn)。因此高溫回火脆性又稱可逆回火脆性。一般認(rèn)為，高溫回火脆性的產(chǎn)生主要與Sb、Sn、P、As等有害雜質(zhì)元素在原奧氏體晶界偏聚有關(guān)。這些雜質(zhì)削弱了奧氏體晶界上原子間的結(jié)合，從而降低了晶界斷裂強(qiáng)度，而Ni、Cr、Mn等合金元素不但促進(jìn)上述雜質(zhì)元素向原奧氏體晶界偏聚，所以增大了回火脆性傾向。在鋼中加入Mo、W等合金元素，能抑制雜質(zhì)元素向晶界偏聚，可有效減輕或消除這類回火脆性傾向。§5.6 鋼的淬透性淬透性是鋼的一個重要的熱處理工藝性能，它是

25、根據(jù)使用性能合理選擇鋼材和正確制定熱處理工藝的重要依據(jù)。一. 淬透性的概念鋼的淬透性是指奧氏體化后的鋼在淬火時獲得馬氏體的能力，其大小可用鋼在一定條件下淬火獲得淬透層的深度表示。淬透層越深，表明鋼的淬透性越好。一定尺寸的工件在某種冷卻介質(zhì)中淬火時，其淬透層的深度與工件從表面到心部各點(diǎn)的冷卻速度有關(guān)，若工件心部的冷卻速度能達(dá)到或超過鋼的臨界冷卻速度Vc，則工件從表面到心部均能得到馬氏體組織，這表明工件已淬透。若工件心部的冷卻速度達(dá)不到Vc，僅外層冷卻速度超過Vc，則心部只能得到部分馬氏體或全部非馬氏體組織，這表明工件未淬透。在這種情況下，工件從表到里是由一定深度的淬透層和未淬透的心部組成。顯然鋼

26、的淬透層深度與鋼件尺寸及淬火介質(zhì)的冷卻能力有關(guān)。工件尺寸越小，淬火介質(zhì)冷卻能力越強(qiáng)，則鋼的淬透層深度越大；反之，工件尺寸越大，介質(zhì)冷卻能力越弱，則鋼的淬透層深度就越小。鋼的淬透性在本質(zhì)上取決于過冷奧氏體的穩(wěn)定性。過冷奧氏體越穩(wěn)定，臨界冷卻速度越小，鋼件在一定條件下淬火后得到的淬透層深度越大，則鋼的淬透性越好。因此，凡是影響過冷奧氏體穩(wěn)定性的因素，都影響鋼的淬透性。過冷奧氏體的穩(wěn)定性主要決定于鋼的化學(xué)成分和奧氏體化溫度。也就是說，鋼的含碳量、合金元素及其含量以及淬火加熱溫度是影響淬透性的主要因素。需要特別強(qiáng)調(diào)兩個問題，一是鋼的淬透性與具體工件的淬透層深度的區(qū)別。淬透性是鋼的一種工藝性能，也是鋼的

27、一種屬性，對于一種鋼在一定的奧氏體化溫度下淬火時，其淬透性是確定不變的。鋼的淬透性的大小用規(guī)定條件下的淬透層深度表示。而具體工件的淬透層深度是指在實際淬火條件下得到的半馬氏體區(qū)至工件表面的距離，是不確定的，它受鋼的淬透性、工件尺寸及淬火介質(zhì)的冷卻能力等諸多因素的影響。二是淬透性與淬硬性的區(qū)別。淬硬性是指鋼在淬火時的硬化能力，用淬火后馬氏體所能達(dá)到的最高硬度表示，它主要取決于馬氏體中的含碳量。淬透性和淬硬性并無必然聯(lián)系，如過共析碳鋼的淬硬性高，但淬透性低；而低碳合金鋼的淬硬性雖然不高，但淬透性很好。 二. 淬透性的測定及表示方法測定鋼的淬透性的最常用的方法是末端淬火法（筒稱端淬法），其有關(guān)細(xì)則可

28、參見國家標(biāo)誰GB225-63。采用25mm×100mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，經(jīng)奧氏體化后迅速放在末端淬火裝置（見圖5.38a）上噴水冷卻。 將端淬后的試樣沿著軸線方向相對兩側(cè)面各磨去0.20.5mm，獲得兩個相互平行的窄條平面。然后從試樣的末端開始，每隔1.5mm，測量一個硬度值，即可得到試樣沿軸線方向的硬度分布曲線，這就是鋼的淬透性曲線。鋼的淬速性通常用表示，其中J表示末端淬透性，d表示至水冷端的距離，HRC為在該處測得的硬度值。例如表示距水冷端12mm處的硬度值為HRC35，表示距水冷端6mm處的硬度值為HRC4550。三. 淬透性曲線的應(yīng)用1. 根據(jù)淬透性曲線可以比較不同鋼種的淬透性大小

29、先在半馬氏體區(qū)硬度與鋼的含碳量的關(guān)系曲線（圖5.38c）上找出不同鋼種的半馬氏體區(qū)硬度值，然后過此硬度值的點(diǎn)作一水平線與淬透性曲線相交（見圖5.38b），交點(diǎn)處對應(yīng)的距離即為相應(yīng)鋼種的半馬氏體區(qū)至水冷端的距離。該距離越大，鋼的淬透性就越大。例如，45鋼半馬氏體區(qū)至水冷端的距離大約為3.3mm，而40Cr鋼則為10.5mm左右，顯然40Cr鋼的淬透性比45鋼大。2. 利用淬透性曲線可以確定鋼棒的臨界淬火直徑一根鋼棒在某種介質(zhì)中淬火時，能夠淬透或截面中心獲得半馬氏體的最大直徑，叫做臨界淬火直徑。3. 利用淬透性曲線可推導(dǎo)圓鋼淬火后橫我面上的硬度分布 基本方法是：先在圖5.40中找到鋼材直徑的水平線

30、上與“表面”、“3/4半徑”、“1/2半徑”和“中心”曲線的交點(diǎn)，并由此找到它們相應(yīng)的距試樣末端的距離d，然后利用這些d值在鋼的淬透性曲線上找到它們相應(yīng)的硬度值。4. 淬透性與機(jī)械設(shè)計 由于鋼的機(jī)械性能受淬透性的影響，因此設(shè)計人員在根據(jù)工件的服役條件和性能要求選材時，必須充分考慮淬透性這一重要因素。 對于一些重要零件，如承受較大載荷的螺栓、拉桿、錘桿等，常常要求其心部和表面機(jī)械性能一致，因此應(yīng)當(dāng)選用能全部淬透的鋼。 某些心部機(jī)械性能對于使用條件影響不大的零件，如僅承受彎曲和扭轉(zhuǎn)的軸類零件，不需要一定淬透，因而可選用較低淬透性的鋼，只要保證淬透層深度為工件半徑的1/31/2即可。 有些工件不能選

31、用淬透性高的鋼，例如需要焊接的工件，若選用高淬透性的鋼，則易在焊縫熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)淬火組織，造成焊件的變形和開裂。 由于工件的淬透層深度受到工件有效尺寸的影響，一些大尺寸工件往往不能淬透，并且工件截面尺寸越大、淬透層深度越小。因此，在機(jī)械設(shè)計中，不能將小尺寸試樣的性能數(shù)據(jù)用于大尺寸工件的設(shè)計計算中。 低淬透性鋼制造的大尺寸工件，采用正火代替凋質(zhì)處理，不僅更為經(jīng)濟(jì)，而且性能也相差不大。§5.7 鋼的表面淬火 表面淬火是采用快速加熱的方法使工件表面奧氏體化，然后快冷獲得表層淬火組織的一種熱處理工藝。 很多承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、摩擦和沖擊的零件，其表面要比心部承受更高的應(yīng)力。因此，要求零件表面應(yīng)具

32、有高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，而心部在保持一定強(qiáng)度、硬度的條件下，應(yīng)具有是夠的塑性和韌性。顯然，采用表面淬火的熱處理工藝，能使工件達(dá)到這種表硬心韌的性能要求。 表面淬火是鋼表面強(qiáng)化的方法之一，由于其具有工藝簡單、生產(chǎn)率高、熱處理缺陷少等優(yōu)點(diǎn)，因而在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)加熱方法的不同，表面淬火可分為感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火、電解液加熱表面淬火及激光加熱表面淬火等。其中應(yīng)用最廣泛的是感應(yīng)加熱與火焰加熱表面淬火方法。一. 感應(yīng)加熱表面淬火1. 感應(yīng)加熱的基本原理感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)原理，使工件表面產(chǎn)生密度很高的感應(yīng)電流，將工件表層迅速加熱、。圖5.42為感應(yīng)加

33、熱表面淬火示意圖。將工件放人感應(yīng)圈內(nèi)，當(dāng)感應(yīng)圈中通過一定頻率交流電時會產(chǎn)生交變磁場，于是工件內(nèi)就會感應(yīng)產(chǎn)生同頻率的感應(yīng)電流。由于感應(yīng)電流沿工件表面形成封閉回路，故通常稱為渦流。渦流在工件中的分布由表面到心部呈指數(shù)規(guī)律衰減。因此，渦流主要分布在工件表面，工件心部電流密度幾乎為零，這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。感應(yīng)加熱就是利用感應(yīng)電流的集膚效應(yīng)和熱效應(yīng)將工件表面迅速加熱到淬火溫度的。2. 感應(yīng)加熱表面淬火的種類感應(yīng)電流透入工件表層的深度主要取決于電流頻率，電流頻率越高，電流透入深度越淺，則工件表層被加熱的厚度越薄，即淬透層深度越小。感應(yīng)電流透入工件表層的深度（mm）與電流頻率f（Hz）之間有如下關(guān)系： （

34、20冷態(tài)） （800熱態(tài)） 800遠(yuǎn)大于20。，這是因為鋼被加熱到磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上溫度時，失去磁性，磁導(dǎo)率急劇下降，導(dǎo)致電流透人深度急劇增加。根據(jù)所用電流頻率的不同，感應(yīng)加熱表面淬火可分為三類：1) 高頻感應(yīng)加熱表面淬火：電流頻率為100500kHz，最常用頻率為200300kHz，可獲淬硬層濃度為0.52.0mm，主要適用于中、小模數(shù)齒輪及中、小尺寸軸類零件的表面淬火。2) 中頻感應(yīng)加熱表面淬火：電流頻率為50010000Hz，最常用頻率為25008000Hz?？色@淬硬層深度為35mm。主要用于要求淬硬層較深的較大尺寸的軸類零件及大中模數(shù)齒輪的表面淬火。3) 工頻感應(yīng)加熱表面淬火：電流頻率為5

35、0Hz，不需要變頻設(shè)備?？色@得淬硬層深度為1015mm。適用于軋輥、火車車輪等大直徑零件的表面淬火。 感應(yīng)加熱速度極快，一般不進(jìn)行加熱保溫，為保證奧氏體化質(zhì)量，感應(yīng)加熱表面淬火可采用較高的淬火加熱溫度，一般可比普通淬火溫度高100200。 感應(yīng)加熱表面淬火通常采用噴射介質(zhì)冷卻。工件經(jīng)表面淬火后，一般應(yīng)在180200進(jìn)行回火，以降低殘余應(yīng)力和脆性。3. 感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn) 與普通加熱淬火相比，感應(yīng)加熱表面淬火有以下主要特點(diǎn)：1) 由于感應(yīng)加熱速度極快，鋼的奧氏體化溫度明顯升高，奧氏體化時間顯著縮短，即奧氏體化是短時間內(nèi)在一個很寬的溫度范圍內(nèi)完成的。2) 由于感應(yīng)加熱時間短、過熱度大，使得奧氏

36、體形核多，且不易長大，因此淬火后表面得到細(xì)小的隱晶馬氏體，硬度比普通淬火的高HRC2-3，韌性也明顯提高。3) 表面淬火后，不僅工件表層強(qiáng)度高，而且由于馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的體積膨脹，在工件表層造成了有利的殘余壓應(yīng)力，從而有效地提高了工件的疲勞強(qiáng)度并降低了缺口敏感性。4) 感應(yīng)加熱速度快、時間短，工件一般不會發(fā)生氧化和脫碳；同時由于芯部未被加熱，淬火變形小c5) 感應(yīng)加熱表面淬火的生產(chǎn)效率高，便于實際機(jī)械化和自動化；但因設(shè)備費(fèi)用昂貴，不宜用于單件生產(chǎn)。感應(yīng)加熱表面淬火主要適用于中碳和中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼，例如40、45、40Cr、40MnB等。 §5.8 鋼的化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理是將工件置于

37、特定介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表層，改變表層的化學(xué)成分和組織，從而達(dá)到改進(jìn)表層性能的一種熱處理工藝。與表面淬火相比，化學(xué)熱處理后的工件表層不僅有組織的變化，而且有化學(xué)成分的變化，所以，化學(xué)熱處理使工件表層性能提高的程度超過了表面淬火的水平。 化學(xué)熱處理不僅可以顯著提高工件表層的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性能，而且能夠保證工件心部具有良好的強(qiáng)韌性。因此，化學(xué)熱處理在工業(yè)生產(chǎn)中已獲得越來越廣泛的應(yīng)用。 化學(xué)熱處理種類很多，根據(jù)滲入元素的不同，可分為滲碳、滲氮（氮化），！碳氮共滲（氰化）、滲硼、滲硫、滲金屬、多元共滲等。在機(jī)械制造工業(yè)中，最常用的化學(xué)熱處理工藝有鋼的滲碳、氮化和

38、碳氮共滲。一. 化學(xué)熱處理的基本過程 化學(xué)熱處理過程是一個比較復(fù)雜的過程。一般將它看成由滲劑的分解、工件表面對活性原子的吸收和滲入工件表面的原子向內(nèi)部擴(kuò)散三個基本過程組成。1. 滲劑的分解 在一定溫度下滲劑的化合物發(fā)生分解，產(chǎn)生滲人元素的活性原子（或離子）。例如： 2COCO2C COH2H2OC CH42H2C 2NH3一3H22N 值得注意的是，作為化學(xué)熱處理滲劑的物質(zhì)必須具有一定的活性，即具有易于分解出被滲元素原子的能力。然而并非所有含被滲元素的物質(zhì)都能作為滲劑。例如N2在普通滲氮溫度下就不能分解出活性氮原子，因此不能作為滲氮的滲劑。2. 工件表面的吸收 剛分解出的活性原子（或離子）碰到

39、工件時，首先被工件表面所吸附；而后溶入工件表面，形成固溶體；在活性原子濃度很高時，還可能在工件表面形成化合物。3. 工件表面原子向內(nèi)部擴(kuò)散 工件表面吸收被滲元素的活性原子后，造成了工件表面與心部的濃度差，促使被滲元素的原子由高濃度表面向內(nèi)部的定向遷移，從面形成一定深度的擴(kuò)散層。二. 鋼的滲碳將低碳鋼放人滲碳介質(zhì)中，在900950加熱保溫，使活性碳原子滲入鋼件表面以獲得高碳滲層的化學(xué)熱處理工藝稱為滲碳。滲碳的主要目的是提高工件表面的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，同時保持心部具有一定強(qiáng)度和良好的塑性與韌性。滲碳鋼的含碳量一般為0.10.3，常用滲碳鋼有20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi、20

40、MnVB等。因此，一些重要的鋼制機(jī)器零件經(jīng)滲碳和熱處理后，能兼有高碳鋼和低碳鋼的性能；從而使它們既能承受磨損和較高的表面接觸應(yīng)力，同時又能承受彎曲應(yīng)力及沖擊載荷的作用。1. 滲碳方法根據(jù)所用滲碳劑的不同，滲碳方法可分為三種，即氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。常用的是前兩種，尤其是氣體滲碳應(yīng)用最為廣泛。1) 氣體滲碳?xì)怏w滲碳是零件在含有氣體滲碳介質(zhì)的密封高溫爐罐中進(jìn)行滲碳處理的工藝。通常使用的滲碳劑是易分解的有機(jī)液體，如煤油、苯、甲醇、丙酮等。這些物質(zhì)在高溫下發(fā)生分解反應(yīng)，產(chǎn)生活性碳原子，造成滲碳條件： CH4一2H2C 2COCO2C COH2一H2OC 2) 固體滲碳 如圖5.45所示，固體滲

41、碳是將工件裝人滲碳箱中，周圍填滿固體滲碳劑，密封后送入加熱爐內(nèi)，進(jìn)行加熱滲碳。滲碳溫度一般也為900950。2. 滲碳層成分、組織和厚度 低碳鋼滲碳后，表層含碳量可達(dá)過共析成分，由表往里碳濃度逐漸降低，直至滲碳鋼的原始成分，如圖5.46所示。所以滲碳件緩冷后，表層組織為珠光體加二次滲碳體；心部為鐵素體加少量珠光體組織；兩者之間為過渡層，越靠近表層鐵素體越少，如圖5.47所示。一般規(guī)定，從表面到過渡層一半處的厚度為滲碳層的厚度。 滲碳層的厚度主要根據(jù)零件的工作條件來確定。滲碳層太薄，易產(chǎn)生表面疲勞剝落；太厚則使承受沖擊載荷的能力降低。一般機(jī)械零件的滲碳層厚度在0.52.0mm之間。工作中磨損輕、