第5章鋼的熱處理

1、第五章 鋼的熱處理 改善鋼的性能，主要有兩條途徑： 合金化； 熱處理。 熱處理熱處理 通過(guò)鋼在固態(tài)下的加熱、保溫、冷卻改變組織，獲得所需性能。特點(diǎn)特點(diǎn)重要性重要性提高工藝性能提高力學(xué)性能 彈簧熱處理（視頻1） 工具熱處理（視頻2）l在機(jī)床制造中約60-70%的零件要經(jīng)過(guò)熱處理。l在汽車(chē)、拖拉機(jī)制造業(yè)中需熱處理的零件達(dá)70-80%。l熱處理是一種重要的加工工藝，在制造業(yè)被廣泛應(yīng)用. l模具、滾動(dòng)軸承100%需經(jīng)過(guò)熱處理。l總之，重要零件都需適當(dāng)熱處理后才能使用。 熱處理工藝方法5.1 鋼的熱處理原理5.1.1 鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變1 鋼在加熱時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度往往要偏離平衡的臨界溫度，冷卻時(shí)也是如

2、此。隨著加熱和冷卻速度的增加，滯后現(xiàn)象將越加嚴(yán)重。通常把加熱時(shí)的臨界溫度標(biāo)以字母“c”，如AC1、AC3、ACcm等；把冷卻時(shí)的臨界溫度標(biāo)以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arcm等。 加熱目的：奧氏體化（動(dòng)畫(huà)3-2-11）1.奧氏體的形成（以共析鋼為例）奧氏體化也是形核和長(zhǎng)大的過(guò)程，分為四步?，F(xiàn)以共析鋼為例說(shuō)明 第一步 奧氏體晶核形成：首先在與Fe3C相界形核。 第二步 奧氏體晶核長(zhǎng)大： 晶核通過(guò)碳原子的擴(kuò)散向 和Fe3C方向長(zhǎng)大。第三步 殘余Fe3C溶解: 鐵素體的成分、結(jié)構(gòu)更接近于奧氏體，因而先消失。殘余的Fe3C隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)繼續(xù)溶解直至消失。第四步 奧氏體成分均勻化：Fe3C溶解后，其

3、所在部位碳含量仍很高，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間保溫使奧氏體成分趨于均勻。共析鋼奧氏體化過(guò)程 亞共析鋼和過(guò)共析鋼的奧氏體化過(guò)程與共析鋼基本相同。但由于先共析 或二次Fe3C的存在，要獲得全部奧氏體組織，必須相應(yīng)加熱到Ac3或Accm以上. 亞共析鋼(動(dòng)畫(huà)3-2-2b)和過(guò)共析鋼（3-2-2a）奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制重要性：奧氏體晶粒粗大，冷卻后的組織也粗大，降低鋼的常溫力學(xué)性能，尤其是塑性。因此加熱得到細(xì)而均勻的奧氏體晶粒是熱處理的關(guān)鍵問(wèn)題之一。隨加熱溫度升高或保溫時(shí)間延長(zhǎng)，奧氏體晶粒將進(jìn)一步長(zhǎng)大，這是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程。奧氏體晶粒長(zhǎng)大過(guò)程與再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大過(guò)程相同。（1）奧氏體的晶粒度 晶粒大小的兩種表達(dá)方法：

4、晶粒尺寸 晶粒號(hào)N：將放大100倍的金相組織與標(biāo)準(zhǔn)晶粒號(hào)圖片進(jìn)行比較。大小分為8級(jí)，1級(jí)最粗，8級(jí)最細(xì)。通常14級(jí)為粗晶粒度，58級(jí)為細(xì)晶粒度。 本質(zhì)晶粒度：鋼加熱到93010、保溫8小時(shí)、冷卻后測(cè)得的晶粒度叫本質(zhì)晶粒度。如果測(cè)得的晶粒細(xì)小，則該鋼稱(chēng)為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，反之叫本質(zhì)粗晶粒鋼。 通常將鋼加熱到930 10奧氏體化后，設(shè)法把奧氏體晶粒保留到室溫來(lái)判斷。 晶粒度為1-4 級(jí)的是本質(zhì)粗晶粒鋼, 5-8 級(jí)的是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。前者晶粒長(zhǎng)大傾向大，后者晶粒長(zhǎng)大傾向小。（2）奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響因素及控制l加熱溫度和保溫時(shí)間：加熱溫度高、保溫時(shí)間長(zhǎng), 晶粒粗大。但隨時(shí)間延長(zhǎng)，晶粒的長(zhǎng)大速度越來(lái)越慢。

5、l加熱速度：加熱速度越快,過(guò)熱度越大, 形核率越高, 晶粒越細(xì)，生產(chǎn)中常快速加熱，短時(shí)保溫。l合金元素： 含碳量 阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的元素: Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。 促進(jìn)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的元素：Mn、P、N。l原始組織：平衡狀態(tài)的組織有利于獲得細(xì)晶粒。5.1.2 冷卻時(shí)鋼的組織轉(zhuǎn)變 鋼的冷卻方式 連續(xù)冷卻（常用于生產(chǎn)） 等溫冷卻1.過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變（以共析鋼為例）過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變圖 過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖是表示奧氏體急速冷卻到臨界點(diǎn)A1 以下在各不同溫度下的保溫過(guò)程中轉(zhuǎn)變量與轉(zhuǎn)變時(shí)間的關(guān)系曲線.又稱(chēng)C 曲線、S 曲線或TTT曲線。(Tim

6、e-Temperature-Transformation diagram)A1-Ms 間及轉(zhuǎn)變開(kāi)始線以左的區(qū)域?yàn)檫^(guò)冷奧氏體區(qū)。轉(zhuǎn)變終了線以右及Mf以下為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)。兩線之間及Ms與Mf之間為轉(zhuǎn)變區(qū)。轉(zhuǎn)變開(kāi)始線與縱坐標(biāo)之間的距離為孕育期。孕育期越小，過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性越小.孕育期最小處稱(chēng)C 曲線的“鼻尖”。碳鋼鼻尖處的溫度為550。在鼻尖以上, 溫度較高，相變驅(qū)動(dòng)力小。在鼻尖以下，溫度較低，擴(kuò)散困難。從而使奧氏體穩(wěn)定性增加。 三個(gè)溫度區(qū)間：C曲線明確表示了過(guò)冷奧氏體在不同溫度下的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物組織和性能高溫轉(zhuǎn)變（珠光體型轉(zhuǎn)變）在A1550 之間, 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體型組織,

7、此溫區(qū)稱(chēng)珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)。珠光體轉(zhuǎn)變珠光體轉(zhuǎn)變 珠光體型組織是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物, 滲碳體呈層片狀分布在鐵素體基體上，轉(zhuǎn)變溫度越低，層間距越小，可將珠光體型組織按層間距大小分為珠光體(P)、索氏體(S)和屈氏體(T)。奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散型的形核、長(zhǎng)大過(guò)程, 是通過(guò)碳、鐵的擴(kuò)散和晶體結(jié)構(gòu)的重構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 珠光體的性能 珠光體、索氏體、屈氏體三種組織無(wú)本質(zhì)區(qū)別，只是形態(tài)上的粗細(xì)之分，因此其界限也是相對(duì)的。 A1650 珠光體 650600 索氏體 600550 屈氏體 片間距越小，鋼的強(qiáng)度、硬度越高，而塑性和韌性略有改善。 片間距片間距 bHRC 中溫轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變溫度550- 2

8、30 (Ms)貝氏體用符號(hào)B表示。根據(jù)其組織形態(tài)不同，貝氏體又分為上貝氏體(B上)和下貝氏體(B下)。貝氏體是滲碳體分布在碳過(guò)飽和的鐵素體基體上的兩相混合物。 上貝氏體 形成溫度為550-350。 在光鏡下呈羽毛狀。 在電鏡下為不連續(xù)棒狀的滲碳體分布于自?shī)W氏體晶界向晶內(nèi)平行生長(zhǎng)的鐵素體條之間。500X5000 x 下貝氏體 形成溫度為350-Ms。 在光鏡下呈竹葉狀。光鏡下光鏡下電鏡下電鏡下 在電鏡下為細(xì)片狀碳化物分布于鐵素體針內(nèi)，并與鐵素體針長(zhǎng)軸方向呈55-60角。 貝氏體的性能 上貝氏體強(qiáng)度與塑性都較低，無(wú)實(shí)用價(jià)值。 下貝氏體除了強(qiáng)度、硬度較高外，塑性、韌性也較好，即具有良好的綜合力學(xué)性能

9、，是生產(chǎn)上常用的強(qiáng)化組織之一。 上貝氏體上貝氏體貝氏體組織的透射電鏡形貌貝氏體組織的透射電鏡形貌下貝氏體下貝氏體亞共析碳鋼與過(guò)共析碳鋼過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變相同點(diǎn)：都具有轉(zhuǎn)變開(kāi)始與終了線。不同點(diǎn)：先析出線C曲線位置隨含碳量變化，共析鋼過(guò)冷奧氏體最穩(wěn)定2.過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變共析鋼的CCT曲線分析共析鋼的CCT曲線沒(méi)有貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)之下多了一條轉(zhuǎn)變中止線。當(dāng)連續(xù)冷卻曲線碰到轉(zhuǎn)變中止線時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變中止，余下的奧氏體一直保持到Ms以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。圖中的Vk 為CCT曲線的臨界冷卻速度，即獲得全部馬氏體組織時(shí)的最小冷卻速度。轉(zhuǎn)變?cè)谝粶囟葏^(qū)間進(jìn)行并隨冷卻速度變化轉(zhuǎn)變不均勻，可獲得混合組

10、織。動(dòng)畫(huà)lxzhb等溫TTT在連續(xù)轉(zhuǎn)變中的應(yīng)用CCT曲線位于TTT曲線右下方。CCT曲線獲得困難，TTT曲線容易測(cè)得?？捎肨TT曲線定性說(shuō)明連續(xù)冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變情況。方法是將連續(xù)冷卻曲線繪在C 曲線上，依其與C 曲線交點(diǎn)的位置來(lái)說(shuō)明最終轉(zhuǎn)變產(chǎn)物物. . P均勻均勻A細(xì)細(xì)AP退火退火(爐冷爐冷)正火正火(空冷空冷)S淬火淬火(油冷油冷)T+M+AM+A淬火淬火(水冷水冷)A1MSMf時(shí)間時(shí)間6506005503.馬氏體轉(zhuǎn)變 當(dāng)奧氏體冷卻速度大于臨界冷卻速度，并過(guò)冷到到Ms以下將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體類(lèi)型組織。 轉(zhuǎn)變無(wú)擴(kuò)散。 單相亞穩(wěn)組織。馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)和形態(tài)碳在-Fe中的過(guò)飽和固溶體稱(chēng)馬氏體，用M表示。

11、馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，奧氏體中的碳全部保留到馬氏體中。馬氏體具有體心正方晶格（a=bc）軸比c/a 稱(chēng)馬氏體的正方度，C% 越高，正方度越大，正方畸變?cè)絿?yán)重。當(dāng)0.25%C時(shí)，c/a=1，此時(shí)馬氏體為體心立方晶格。馬氏體的形態(tài)分板條和片狀兩類(lèi)。 板條馬氏體（低碳M） 立體形態(tài)為細(xì)長(zhǎng)的扁棒狀 在光鏡下板條馬氏體為一束束的細(xì)條組織。 片狀（針狀）馬氏體（高碳M） 立體形態(tài)為雙凸透鏡形的片狀。顯微組織為針狀。 在電鏡下，亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶，又稱(chēng)孿晶馬氏體。電鏡下電鏡下電鏡下電鏡下光鏡下光鏡下 馬氏體的形態(tài)主要取決于其含碳量 C%小于0.2%時(shí)，組織幾乎全部是板條馬氏體。 C%大于1.0%C時(shí)幾乎全部是；片狀馬

12、氏體. C%在0.21.0%之間為板條與片狀的混合組織。馬氏體形態(tài)與含碳量的關(guān)系馬氏體形態(tài)與含碳量的關(guān)系0.45%C0.2%C1.2%C馬氏體的性能高硬度是馬氏體性能的主要特點(diǎn)。馬氏體的硬度主要取決于其含碳量。含碳量增加，其硬度增加。當(dāng)含碳量大于0.6%時(shí)，其硬度趨于平緩。合金元素對(duì)馬氏體硬度的影響不大。馬氏體硬度、韌性與含碳量的馬氏體硬度、韌性與含碳量的關(guān)系關(guān)系C%馬氏體強(qiáng)化的主要原因是過(guò)飽和碳引起的固溶強(qiáng)化。此外，馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的組織細(xì)化也有強(qiáng)化作用。馬氏體的塑性和韌性主要取決于其亞結(jié)構(gòu)的形式。針狀馬氏體脆性大，板條馬氏體具有較好的塑性和韌性。馬氏體的比容比奧氏體大。當(dāng)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)

13、，體積會(huì)膨脹。馬氏體是鐵磁相，而奧氏體為順磁相。馬氏體晶格畸變嚴(yán)重，因此電阻率高；轉(zhuǎn)變應(yīng)力大。過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（共析鋼） 轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變類(lèi)型類(lèi)型轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變產(chǎn)物產(chǎn)物形成溫度，形成溫度， 轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變機(jī)制機(jī)制顯微組織特征顯微組織特征HRC獲得獲得工藝工藝珠珠光光體體PA1650擴(kuò)擴(kuò)散散型型粗片狀，粗片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布相間分布5-20退火退火S650600細(xì)片狀，細(xì)片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布相間分布20-30正火正火T600550極細(xì)片狀，極細(xì)片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布相間分布30-40等溫等溫處理處理貝貝氏氏體體B上上550350半擴(kuò)半擴(kuò)散型散型羽毛狀，短棒狀羽毛狀，短棒狀Fe3C分布分布于過(guò)飽和于

14、過(guò)飽和F條之間條之間40-50等溫等溫處理處理B下下350MS竹葉狀，細(xì)片狀竹葉狀，細(xì)片狀Fe3C分布分布于過(guò)飽和于過(guò)飽和F針上針上50-60等溫等溫淬火淬火馬馬氏氏體體M針針MSMf無(wú)擴(kuò)無(wú)擴(kuò)散型散型針片狀針片狀60-65淬火淬火M*板條板條MSMf板條狀板條狀50淬火淬火5.2 鋼的普通熱處理5.2.1 退火和正火1.鋼的退火 概念：將鋼加熱、保溫、隨爐冷卻或埋入灰中緩慢緩慢冷卻，以獲得接近平衡平衡組織的熱處理工藝。 目的目的： a 降低硬度，改善切削加工性。 b 細(xì)化晶粒，提高鋼的塑性和韌性。 c 消除內(nèi)應(yīng)力，并為淬火作準(zhǔn)備。 工藝方法工藝方法（1）完全退火工藝工藝 將亞共析鋼加熱到AC3

15、以上3050，保溫后緩慢冷卻。應(yīng)用應(yīng)用 亞共析鋼鑄鍛件：降低硬度、均勻組織、消除應(yīng)力、改善切削加工性。原理原理 固態(tài)下原子擴(kuò)散速度慢，加熱奧氏體化后晶粒細(xì)小，緩慢冷卻重結(jié)晶后獲得更細(xì)小的晶粒。（2）球化退火工藝及原理 將過(guò)共析鋼加熱到AC1以上2030，此時(shí)形成的奧氏體內(nèi)及晶界上有少量的未完全溶解的碳化物，在隨后的冷卻過(guò)程中，從奧氏體中經(jīng)共析反應(yīng)析出的滲碳體以未溶滲碳體為晶核，呈球狀析出分布在鐵素體基體上，稱(chēng)為球化體。目的、應(yīng)用 主要用于過(guò)共析鋼。降低硬度，改善切削加工性,為淬火做準(zhǔn)備。球化退火演示（動(dòng)畫(huà)3-3-11 ）球狀珠光體球狀珠光體（3） 等溫退火亞共析鋼加熱到Ac3+3050, 共析

16、、過(guò)共析鋼加熱到Ac1+3050，保溫后快冷到Ar1以下的某一溫度下（珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)）停留，待相變完成后出爐空冷。 目的和應(yīng)用：與完全退火相同，等溫退火可縮短工件在爐內(nèi)停留時(shí)間，更適合于孕育期長(zhǎng)的合金鋼。 高速鋼等溫退火與普通退火的比較高速鋼等溫退火與普通退火的比較（4）均勻化退火（擴(kuò)散退火） 工藝：將工件加熱到略低于固相線溫度，保溫后緩慢冷卻的熱處理工藝稱(chēng)為擴(kuò)散退火。 目的：消除枝晶偏析。（5） 低溫去應(yīng)力退火工藝工藝：將鋼加熱到AC1以下（500-650），保溫后緩冷，無(wú)組織變化。目的目的：消除工件內(nèi)應(yīng)力主要應(yīng)用主要應(yīng)用：鑄、鍛、焊件，精密零件精加工前。推桿式電阻爐推桿式電阻爐2.鋼的正火

17、工藝工藝：將鋼加熱到AC3以上3050（亞共析鋼）或Accm以上3050（過(guò)共析鋼），保溫后在空氣中冷卻，獲得索氏體在空氣中冷卻，獲得索氏體。 應(yīng)用 a 普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理。 b 改善低碳鋼的切削加工性。 c 用于過(guò)共析鋼消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火做準(zhǔn)備。 退火和正火的加熱溫度范圍5.2.2 鋼的淬火 工藝工藝：將鋼加熱到AC3（亞共析鋼）或AC1以上3050，保溫后在冷卻介質(zhì)中快速冷卻快速冷卻，以獲得馬氏體獲得馬氏體的熱處理工藝。 馬氏體馬氏體：碳在-Fe中的過(guò)飽和固溶體，硬而脆，非常耐磨。 問(wèn)題：?jiǎn)栴}：M比容大，造成內(nèi)應(yīng)力。 工藝措施工藝措施 a 控制淬火加熱溫度。 b 合理選擇淬

18、火介質(zhì)。 c 正確選擇淬火工藝。淬火加熱溫度的選擇亞共析鋼淬火溫度為Ac3+30-50。預(yù)備熱處理組織為退火或正火組織。過(guò)共析鋼淬火溫度: Ac1+3050.溫度高于Accm，則奧氏體晶粒粗大、含碳量高,淬火后馬氏體晶粒粗大、A量增多。使鋼硬度、耐磨性下降，脆性、變形開(kāi)裂傾向增加。淬火介質(zhì)對(duì)冷卻能力的要求淬火冷卻速度應(yīng)大于Vk，在保證大于Vk的前提下應(yīng)盡量緩慢，避免出現(xiàn)大的應(yīng)力，引起變形或開(kāi)裂。理想的冷卻曲線應(yīng)只在C曲線鼻尖處快冷，而在Ms附近盡量緩冷，以達(dá)到既獲得馬氏體組織，又減小內(nèi)應(yīng)力的目的。理想淬火曲線示意圖理想淬火曲線示意圖MsMf 常用淬火介質(zhì)是水、油及鹽和堿的水溶液 水：冷卻能力強(qiáng)

19、，但冷卻曲線不理想，低溫卻能力太大，只使用于形狀簡(jiǎn)單截面較大的碳鋼件。 油：低溫區(qū)冷卻能力較理想，但高溫區(qū)冷卻能力太小，使用于合金鋼和小尺寸的碳鋼件。 熔鹽：作為淬火介質(zhì)稱(chēng)鹽浴，高溫區(qū)冷卻能力在水和油之間,用于形狀復(fù)雜件的分級(jí)淬火和等溫淬火。淬火方法采用不同的淬火方法可彌補(bǔ)介質(zhì)的不足。單介質(zhì)淬火法加熱工件在一種介質(zhì)中連續(xù)冷卻到室溫的淬火方法。操作簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。冷卻特點(diǎn)不理想雙介質(zhì)淬火法工件先在一種冷卻能力強(qiáng)的介質(zhì)中冷，卻躲過(guò)鼻尖后，再在另一種冷卻能力較弱的介質(zhì)中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的方法。如水淬油冷，油淬空冷.優(yōu)缺點(diǎn)：冷卻理想，不易掌握。應(yīng)用：復(fù)雜的碳鋼件及大型合金鋼件。馬氏體分級(jí)淬火法工藝：

20、在Ms附近的鹽浴或堿浴中停留適當(dāng)時(shí)間，待內(nèi)外溫度均勻后再取出緩冷獲得馬氏體。優(yōu)點(diǎn)：可減少內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)用：用于小尺寸工件。貝氏體等溫淬火法工藝：將工件在稍高于 Ms 的鹽浴或堿浴中保溫足夠長(zhǎng)時(shí)間，從而獲得下貝氏體組織的淬火方法。優(yōu)缺點(diǎn)：經(jīng)等溫淬火零件具有良好的綜合力學(xué)性能，淬火應(yīng)力小，但鹽浴冷卻能力較小。適用于形狀復(fù)雜及要求較高的小型件。局部淬火法l有些零件只需要局部硬度高、耐磨性好，因此可進(jìn)行局部淬火，以避免其它部位產(chǎn)生變形或開(kāi)裂。l局部淬火法包括：局部加熱淬火法 局部冷卻淬火法5.2.3 淬火鋼的回火 問(wèn)題的提出： 鋼連續(xù)冷卻淬火后的組織是什么? 什么是馬氏體？馬氏體的性能如何？ 淬火后的工件

21、能直接使用嗎？l幾點(diǎn)思考： 馬氏體是不穩(wěn)定組織；另外還有一定數(shù)量的殘余奧氏體； 淬火后的性能不能滿足工件的使用要求，如脆性太大； 淬火后工件內(nèi)部有內(nèi)應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致工件的變形或開(kāi)裂；l回火：將淬火后的鋼重新加熱到A1點(diǎn)以下的某一溫度，保溫一段時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。l目的： 通過(guò)回火，使馬氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，并控制轉(zhuǎn)變程度獲得不同的回火組織，使鋼具有所需要的性能； 使淬火組織穩(wěn)定化，避免工件在使用過(guò)程中發(fā)生尺寸和形狀的變化。 降低或消除淬火應(yīng)力，減小變形，防止開(kāi)裂 淬火鋼在回火時(shí)組織的轉(zhuǎn)變 鋼經(jīng)淬火后，獲得馬氏體與殘余奧氏體是亞穩(wěn)定相。在回火加熱、保溫中，都會(huì)向穩(wěn)定的鐵素體和滲碳體(或碳化物)

22、的兩相組織轉(zhuǎn)變。根據(jù)碳鋼回火時(shí)發(fā)生的過(guò)程和形成組織，一般回火分為四個(gè)轉(zhuǎn)變。 （1）馬氏體分解 當(dāng)回火溫度大于100時(shí)，馬氏體中碳以-碳化物（Fe2.4C）形式析出，使馬氏體中碳的過(guò)飽和度降低，晶格畸變度減弱，內(nèi)應(yīng)力有所下降，這一轉(zhuǎn)變的回火組織是由過(guò)飽和固溶體與碳化物所組成，這種組織稱(chēng)為回火馬氏體。馬氏體這一分解過(guò)程一直進(jìn)行到約350。 （2）殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變 回火溫度達(dá)到200300時(shí)，馬氏體繼續(xù)分解，殘余奧氏體也開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w。下貝氏體與回火馬氏體相似，這一轉(zhuǎn)變后的主要組織仍為回火馬氏體，此時(shí)硬度沒(méi)有明顯下降，但淬火內(nèi)應(yīng)力進(jìn)一步減少。在光鏡下M回為黑色，A為白色。 （3）碳化物

23、的轉(zhuǎn)變 回火溫度在250450時(shí)，因碳原子的擴(kuò)散能力增大，碳過(guò)飽和固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，同時(shí)碳化物亞穩(wěn)定相也轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的細(xì)粒狀滲碳體，此時(shí)組織由保持馬氏體形態(tài)的鐵素體和彌散分布的極細(xì)小的片狀或粒狀滲碳體組成，稱(chēng)為回火屈氏體。 （4）滲碳體的聚集長(zhǎng)大和鐵素體再結(jié)晶 回火溫度大于450時(shí)，滲碳體顆粒將逐漸聚集長(zhǎng)大，隨著回火溫度升到600時(shí)，鐵素體發(fā)生再結(jié)晶，使鐵素體完全失去原來(lái)的板條狀或片狀，而成為多邊形晶粒，此時(shí)組織由多邊形鐵素體和粒狀滲碳體組成，稱(chēng)為回火索氏體。 回火時(shí)力學(xué)性能的變化：總的趨勢(shì)是隨回火溫度提高，鋼的強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性提高。淬火鋼硬度隨回火溫度的變化淬火鋼硬度隨回火溫度的變

24、化4040鋼力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系鋼力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系 d 工藝工藝：將淬火鋼加熱到AC1以下某個(gè)溫度，保溫后按一定規(guī)范冷卻。 種類(lèi)種類(lèi)：低溫回火低溫回火（150-250）：組織為回火馬氏體，降低內(nèi)應(yīng)力和脆性，保持淬火的高硬度和耐磨性。主要用于工具鋼、軸承和耐磨件。中溫回火中溫回火（350-500）：組織為回火屈氏體，獲得高彈性，保持較高硬度（35-50HRC）和一定的韌性。用于各種彈簧、發(fā)條、鍛模。高溫回火高溫回火（500-650）：組織為回火索氏體，又稱(chēng)為調(diào)質(zhì)處理。獲得良好的綜合力學(xué)性能，用于承受疲勞載荷的中碳鋼，如連桿、軸、齒輪等。 其它回火：某些高合金鋼在640680進(jìn)行回火軟

25、化。某些精密零件（如量具），為了保持淬火后的高硬度，又要保持尺寸穩(wěn)定性，僅在100150進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間回火（10-50h），稱(chēng)為“尺寸穩(wěn)定處理”或 “時(shí)效處理”。15.2.4 鋼的淬透性 淬透性是鋼的主要熱處理性能。 問(wèn)題的提出 鋼在淬火過(guò)程中，沿工件截面各處的實(shí)際冷卻速度是不同的，表層的實(shí)際冷卻速度總大于內(nèi)部，而中心部的冷卻速度最低。如果表層的冷卻速度大于臨界冷卻速度Vk，而心部的冷卻速度低于臨界冷卻速度，則表層獲得馬氏體表層與心部之間依次為馬氏體、屈氏體、索氏體、珠光體，也即鋼僅被淬火到一定深度。 如果心部的冷卻速度也大于臨界冷卻速度Vk，則沿工件截面均獲得馬氏體組織，即鋼被淬透。淬透性的概念

26、淬透性是指鋼在淬火時(shí)獲得淬硬層深度的能力。其大小是用規(guī)定條件下淬硬層深度來(lái)表示。淬硬層深度是指由工件表面到半馬氏體區(qū)(50%M + 50%P)的深度。淬硬性是指鋼淬火后所能達(dá)到的最高硬度，即硬化能力。主要取決于含碳量。淬透性對(duì)鋼熱處理后力學(xué)性能的影響淬透性高的鋼，其力學(xué)性能沿截面均勻分布淬透性低的鋼，其截面心部的力學(xué)性能低關(guān)于選材：根據(jù)工件的具體工作條件。影響淬透性及淬硬深度的因素鋼的淬透性取決于臨界冷卻速度Vk， Vk越小，淬透性越高。Vk取決于C曲線的位置，C 曲線越靠右，Vk越小。因而凡是影響C曲線的因素都是影響淬透性的因素。碳鋼中以共析鋼的淬透性最好，合金鋼的淬透性高于碳鋼淬透性差的合

27、金必須使用冷卻能力大的冷卻介質(zhì)才能獲得足夠的淬火深度。5.3 鋼的表面熱處理 問(wèn)題的提出 在生產(chǎn)中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性能，一般是表面硬度高，有較高的耐磨性和疲勞強(qiáng)度；而心部要求有較好的塑性和韌性。表面：硬度高，耐磨心部：硬度低，韌性高 問(wèn)題的解決： 低碳鋼 ：可滿足心部要求，表面要求不能滿 高碳鋼： 可滿足表面要求，心部要求不能滿足 表面熱處理5.3.1 表面淬火 概念：在不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織情況下，利用快速加熱將表層奧氏體化后進(jìn)行淬火以強(qiáng)化零件表面的熱處理方法。 工藝：快速加熱，立即快冷，表面得到馬氏體。 目的及應(yīng)用：一般用于中碳鋼，提高表面耐磨性，保持心部良好韌性

28、。機(jī)床主軸、齒輪、發(fā)動(dòng)機(jī)主軸等。 加熱方法 a 感應(yīng)加熱 b 火焰加熱感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)線圈中通以交流電時(shí)，即在其內(nèi)部和周?chē)a(chǎn)生一與電流相同頻率的交變磁場(chǎng)。若把工件置于磁場(chǎng)中，則在工件內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，并由于電阻的作用而被加熱。由于交流電的集膚效應(yīng)，靠近工件表面的電流密度大，而中心幾乎為零。工件表面溫度快速升高到相變點(diǎn)以上，而心部溫度仍在相變點(diǎn)以下。h對(duì)于碳鋼 高頻感應(yīng)加熱 頻率為250300KHz，淬硬層深度0.52mm 適用于中、小型零件，如小模數(shù)齒輪、軸類(lèi)等。 傳動(dòng)軸連續(xù)傳動(dòng)軸連續(xù)淬火感應(yīng)器淬火感應(yīng)器感應(yīng)加熱表面淬火齒輪的截面感應(yīng)加熱表面淬火齒輪的截面圖圖 中頻感應(yīng)加熱 頻率為2500

29、8000Hz，淬硬層深度210mm。 適用于直徑較大的軸類(lèi)和大、中模數(shù)齒輪以及鋼軌、機(jī)床導(dǎo)軌等。 各種感應(yīng)器各種感應(yīng)器中頻感應(yīng)加熱表面淬火的機(jī)車(chē)凸中頻感應(yīng)加熱表面淬火的機(jī)車(chē)凸輪軸輪軸 工頻感應(yīng)加熱 頻率為50Hz,淬硬層深度1015 mm 適用于淬硬層深度為（1020）mm以上的大型工件或用于穿透加熱。如火車(chē)車(chē)輪等的表面淬火。 各種感應(yīng)器各種感應(yīng)器感應(yīng)穿透感應(yīng)穿透加熱加熱感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn) 加熱速度極大，使珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的轉(zhuǎn)變溫度升高，轉(zhuǎn)變時(shí)間極短（不需保溫），轉(zhuǎn)變速度極快。 淬火后，可使零件表層獲得極細(xì)的“隱晶馬氏體”組織，零件表層具有比普通淬火稍高的硬度（高23HRC），較低的脆性

30、。 較高的疲勞強(qiáng)度。 零件不易氧化、脫碳，且變形小。 零件淬硬層深度易于控制，操作易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，生產(chǎn)率高。 缺點(diǎn)：設(shè)備貴、維修難、復(fù)雜件感應(yīng)器不易制造。2. 火焰加熱表面淬火感應(yīng)加熱感應(yīng)加熱5.3.2 化學(xué)熱處理 概念：將工件置于一定的化學(xué)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，從而獲得所需性能。 過(guò)程：分解吸收擴(kuò)散 種類(lèi)：按滲入元素 滲碳、滲氮、碳氮共滲。鋼的滲碳鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱到奧氏體區(qū)保溫一段時(shí)間，使碳原子滲入到鋼表層的化學(xué)熱處理工藝叫滲碳。是向鋼的表面滲入碳原子的過(guò)程。滲碳目的及用鋼目的：提高工件表面硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，同時(shí)保持心部良好的韌

31、性。滲碳用鋼：為含0.10.25%C的低碳鋼，如：如：1515、2020、2020CrCr、20CrMnTi20CrMnTi 。碳高則心部韌性降低。 滲碳方法有氣體滲碳、固體滲碳、液體滲碳。目前廣泛應(yīng)用的是氣體滲碳法。 氣體滲碳法將工件放入密封爐內(nèi)，在高溫（900-950）滲碳?xì)夥罩袧B碳。滲劑為氣體 (煤氣、液化氣等)或有機(jī)液體(煤油、甲烷等)。 表層碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.85%-1.05%，滲碳層厚度一般0.5-2.5mm。工件滲碳后要進(jìn)行淬火加低溫回火 應(yīng)用：滲碳件都是低碳或低碳低合金鋼；主要用于表面承受強(qiáng)烈磨損，又承受沖擊載荷或疲勞載荷的零件。如變速齒輪、凸輪、活塞銷(xiāo)等。碳氮共滲主要用于高精度

32、工件。 滲碳零件的加工工藝路線 坯料鍛造正火機(jī)械加工滲碳淬火 低溫回火精加工成品。 氣體滲碳鋼的氮化工藝：滲氮俗稱(chēng)氮化，是指在一定溫度下（Ac1以下）使活性氮原子滲入工件表面，在鋼件表面獲得一定深度的富氮硬化層的熱處理工藝。目的：是提高零件表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、熱硬性和耐蝕性等。 方法：氣體滲氮、離子滲氮、氮碳共滲（軟氮化）等。生產(chǎn)中應(yīng)用較多的是氣體滲氮。氣體滲氮原理：在專(zhuān)門(mén)的密封滲氮爐中進(jìn)行，利用氨在500500600600的溫度下分解，產(chǎn)生活性氮原子，分解反應(yīng)如下：分解出的活性氮原子被工件表面吸收并向內(nèi)層擴(kuò)散，形成一定深度的滲氮層。當(dāng)達(dá)到要求的滲氮層深度后，工件隨爐降溫到200停止供

33、氮，即可出爐空冷。2NH33H2+2Nl氮化用鋼 為含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳鋼；最典型的：38CrMoAl，35CrMo，18CrNiW。 氮化組織：鋼件表面形成一層陶瓷層 AlN、 MoN 、VN、 TiN。 為保證工件心部的力學(xué)性能，滲氮前工件應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)處理后獲得回火索氏體。 特點(diǎn)： 零件氮化后，無(wú)需進(jìn)行淬火，表層便具有很高的硬度和耐磨性。因?yàn)楸韺有纬梢粚訄?jiān)硬的氮化物（氮化物顆粒很細(xì)、均勻分布）。 氮化層產(chǎn)生了較大的殘余壓應(yīng)力，可顯著降低疲勞載荷下產(chǎn)生的拉應(yīng)力水平。 氮化處理溫度低，零件變形小。 氮化后零件具有良好的耐腐蝕性，因?yàn)楸韺有纬闪艘粚又旅艿牡铮ㄌ沾桑?缺點(diǎn)：周期長(zhǎng)，氮化層脆不耐沖擊。 應(yīng)用 表面高硬度，耐磨、耐蝕、耐高溫的精密零件，如精密機(jī)床主軸、絲桿、鏜桿、閥門(mén)等。離子氮化在真空容器中，抽真空到13.331.33Pa），慢慢通入氨或氮、氫混合氣體，以容器的殼壁為陽(yáng)極，以被處理工件為陰極，通入幾百伏上千伏的可控直流電，產(chǎn)生等離子體；電子移向陽(yáng)極，正離子移向陰極；N+以極高的速度轟擊零件，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能加熱工件，部分N+被工件表面吸收，并向內(nèi)層