钢的热处理

　　1、 热处理的定义：主要有三点要注意，一是热处理是在固态范围内进行的，二是有三个过程（加热、保温和冷却），三是热处理是通过改变钢的组织结构来改善其性能的；

　　2、 热处理的实质

　　3、 热处理的目的：不改变材料的形状的尺寸，改善其性能，包括使用性能和工艺性能，可以充分发挥材料的潜力，提高零件的内在质量；

　　4、 热处理的应用：十分广泛；

　　5、 热处理的分类：普通热处理、表面热处理、化学热处理

　　6、 热处理的三要素：加热温度、保温时间、冷却速度；

第一节 钢在加热时的转变

　　第一步，目的是使原始组织转变为奥氏体，所以也称奥氏体化过程。然后以奥氏体为母相进行转变。

　　一、 钢的奥氏体化过程

　　2、 要使原始组织变为奥氏体，应将钢加热到A1（727℃）温度以上；具体的，亚共析钢应加热到Ac3线以上；共析钢加热到Ac1线以上；过共析钢如果进行完全奥氏体化应加热到Accm线以上。

　　3、 转变过程：

　　1） 奥氏体的形核和长大；

　　2） 残余渗碳体的溶解；

　　3） 奥氏体成分的均匀化；

　　一、 奥氏体晶粒度及其控制

　　1、 奥氏体晶粒大小对热处理的影响

　　细小的组织力学性能高（塑性变形和再结晶一章中已学过）；另外，如果奥氏体的晶粒细小，那么由其转变的产物也就细小；否则转变产物就比较粗大，或出现缺陷组织，还容易引起变形和开裂，所以要对奥氏体的晶粒大小进行控制。

　　2、 奥氏体晶粒大小的表示方法

　　1） 用晶粒的直径d表示；

　　2） 用单位面积内的晶粒数目n表示；

　　3） 用晶粒度等级G表示，一共分10级，其中一级最粗，10级最细；

　　3、 奥氏体晶粒度的控制

　　1） 正确制订和执行加热规范；

　　2） 选用长大倾向小的钢种，如用Al脱氧的钢，以及含Nb、TI、V等元素的钢；

第二节 钢在冷却时的转变

　　冷却是热处理的最后一个工序，也是最关键的工序，它决定了钢热处理后的组织和性能。同一种钢，加热温度和保温时间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。这是因为过冷奥氏体在冷却过程中转变成了不同的产物。那么奥氏体在冷却时转变成什么产物？有什么规律呢？这就是本次课的主要内容。

　　碳钢热处理时的冷却速度一般较大，大多都偏离了平衡状态（除退火外），所以热处理后的组织为非平衡组织。碳钢非平衡组织和按铁碳相图结晶得到的平衡组织相比差别很大。所以不能再用铁碳相图加以分析，而应使用C曲线来确定。

　　一、 共析钢等温转变C曲线

　　先介绍几个概念。

　　等温冷却和连续冷却:过冷奥氏体：处于A1以下热力学不稳定的奥氏体，而奥氏体在A1以上是稳定的，不会发生转变。所以等温转变C曲线讲的就是过冷奥氏体在等温冷却条件下的转变规律。

　　（一）、等温C曲线的测定（略）

　　（二）、等温C曲线的结构坐标轴、线、区的含义；孕育期的问题，引出C曲线的“NOSE”，共析钢过冷奥氏体最不稳定的温度是550℃，也就是说其“NOSE”出现在550℃。C曲线的“NOSE”对钢的热处理影响很大，应注意。

　　（三）、转变产物

　　按照不同的冷却条件，过冷奥氏体在不同的温度范围内等温时将转变成不同的产物。

　　1、 珠光体类型转变

在A1--550℃之间等温时，过冷奥氏体转变成珠光体类型组织（即都是由F和Fe3C组成 ），而且等温温度越低，组织中F和Fe3C的层片间距越小，组织越细，力学性能越高。这些组织分别称为珠光体、索氏体和屈氏体，用符号P、S、T表示。其中S只有在1000倍的显微镜下才能分辨出其层片状形态；而T则只有在更高倍的电子显微镜下才能分辨出其层片状形态。

　　这个转变是一个扩散型相变，需要完成铁的晶格改组和碳原子的重新分布。

　　2、 贝氏体转变

　　在550℃--Ms之间等温时，过冷奥氏体发生贝氏体转变。贝氏体是过饱和F和碳化物组成的机械混合物，用符号B表示。在550℃--350℃之间 等温时，过冷奥氏体转变成上贝氏体（B上），呈黑色羽毛状，其中断续的碳化物分布在F片之间 ，这种上贝氏体力学性能较差，一般不用。在350℃--Ms之间等温时，过冷奥氏体转变成下贝氏体（B下），呈黑色针状或竹叶状，其中颗粒状碳化物分布在F片之上，这种下贝氏体具有较好的力学性能，应用广泛。

　　3、 马氏体转变

　　1）定义:当等温温度低于Ms线时，过冷奥氏体将转变成马氏体。马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，用符号M表示。

　　2）形态:马氏体按形态不同分为板条状马氏体和片状马氏体两种。板条状马氏体又称为低碳马氏体，在显微镜下呈一束束的板条状；片状马氏体又称为高碳马氏体，在显微镜下呈黑色针状，其立体形状为双凸透镜状。介于二者之间的为混合马氏体，如45钢淬火后的马氏体组织。

　　3）晶体结构:由于马氏体中固溶了过饱合的碳，所以其晶体结构由体心立方晶格变体心正方晶格，即高度C比宽度a大，C/a称为正方度，马氏体中的含碳量越多，正方度越大，组织转变应力越大，变形或开裂的危险也就越大。

　　另一个要注意的问题是，在钢的相和组织中马氏体的比容最大，而奥氏体的比容最小，所以当奥氏体转变成马氏体时，钢的体积增大。这也是造成应力的主要原因。

　　4） 性能

马氏体是钢中最硬的组织，马氏体的硬度主要取决于其中的含碳量，与其它因素关系不大。但当含碳量增大到0.6%时,马氏体的硬度不再继续升高,大约为60-64HRC.

　　马氏体的高硬度主要是由于固溶强化造成的,另外还有位错和孪晶的影响,奥氏体向马氏体转变造成的组织细化也是一个因素。

　　原来认为马氏体是一个脆性相，但近年的研究发现，低碳板条马氏体有较好的塑性和韧性，因此常用低碳钢直接淬火得到以马氏体代替渗碳淬火。

　　高碳马氏体仍然是脆性较大的相。

　　5） 转变特点

　　这里主要注意两个问题。首先，马氏体是在一个温度范围（Ms---Mf）内进行的，需要连续冷却，也就是说它不是一个等温转变。

　　其次，马氏体转变具有不完全性，最后总有一部分奥氏体残留下来。原因是部分钢的Mf低于室温，所以残余奥氏体的数量与Ms、Mf有关，而Ms、Mf又与钢的成分有关，含碳量和合金元素量越多，Ms、Mf越低，残余奥氏体量越多。

　　复习等温C曲线，然后做一个练习。

　　转变温度 组织名称 符号 组织特征 力学性能

　　727-650℃ 珠光体 P 较粗 低

　　650-600℃ 索氏体 S 较细 较高

　　600-550℃ 屈氏体 T 极细 很高

　　550-350℃ 上贝氏体 B上 黑色羽毛状 劣

　　350-230℃ 下贝氏体 B下 黑色针状 强韧性好

　　230℃以下 马氏体 M 板条状或片状 硬度高

　　将T8钢加热到800℃，充分奥氏体化。问如何冷却才能得到下列组织：P、S、T、B、M；

　　二、亚共析钢和过共析钢的等温C曲线 

　　首先，这两种的等温C曲线与共析钢相比，多一条先共析转变线。亚共析钢是铁素体转变线，过共析钢是渗碳体转变线。

　　其次，这两种钢的等温C曲线的位置比共析钢靠左，也就是说过冷奥氏体的稳定性较差。

最后，先共析产物的数量与等温温度有关系，等温温度越低，先共析产物越少，有可能出现伪共析组织。

　　1、 连续冷却转变C曲线

　　热处理生产多为连续冷却，所以研究连续冷却C曲线的实际意义更大。

　　（一）、共析钢连续冷却C曲线

这个曲线最明显的特点是只有半个C，也就是没有贝氏体转变，过共析钢也是如此。这是由于贝氏体相变被大大推迟了。

　　图中Ps是珠光体转变开始线，Pf是珠光体转变结束线，K线是转变中止线，当冷却到这条线时过冷奥氏体要“休息一会儿”，直到冷却到Ms线时再继续转变。

钢在连续冷却转变时并不会出现新的转变，所有转变都以等温C曲线为基础。它相当于是许多时间很短的等温转变，其转变温度是在不断下降的，转变产物也在不断变化，所以连续冷却转变的产物多是混合组织。

　　上图冷却后，V1是珠光体；V2是S+T+M；V3是M。

　　VK是一个临界冷却速度，它是保证过冷奥氏体全部冷却到MS线以下转变成马氏体的最小冷却速度，称上临界冷却速度，也称淬火临界冷却速度，因为淬火时冷却速度必须大于它。

一般地，钢连续冷却转变C曲线的位置在等温C曲线的右下方，即钢在连续冷却时比在等温冷却时稳定。

　　2、C曲线的应用

　　确定等温热处理的工艺参数；

　　确定淬火工艺参数和淬火后组织性能；

　　在等温C曲线估计连续冷却时的产物。

　　第三节 退火和正火

　　前二节学习的内容是热处理的原理，从这一节开始学习热处理工艺，也就是具体的热处理实现方法。

　　在一个零件的加工路线中，热处理起着很重要的作用，一般有两种情况，如一个齿轮：

　　下料------锻造------预备热处理（退火或正火）------铣齿-------最终热处理（淬火回火）------精加工（磨削）；

　　其中预备热处理的作用是消除锻造的缺陷，如晶粒粗大、内应力、缺陷组织等，同时调整硬度，为后续的切削做准备。最终热处理的作用是使材料具有使用状态下的性能，如强度、硬度等。

　　一、 钢的退火

　　1、 定义

　　2、 特点：缓冷，一般用随工业炉冷却。过冷奥氏体在C曲线的上部进行转变，热处理后的组织接近于平衡组织，以珠光体为主。亚共析钢为F+P，共析、过共析钢为球状珠光体。

　　3、 用途：降低硬度，以利于切削（比较适合的切削硬度为160---260HBS）；消除内应力，稳定尺寸，防止变形或开裂；消除偏析，均匀成分；

　　4、 分类：

　　1） 完全退火：适用于亚共析钢的铸件、锻件、焊接件，（目的同上）。工艺参数为：加热到Ac3+30--50℃，保温，随炉冷却到600℃出炉空冷。

　　2） 等温退火：原理与完全退火相同，主要是为了缩短工艺周期，特别是对一些大型合金钢件的退火。

　　3） 球化退火：适用于共析及过共析钢，目的是为了获取球状珠光体，降低这些高碳钢的硬度，以利于切削。所有的高碳钢在切削之前一般都要进行球化退火。工艺参数为：加热到Ac1+30--50℃，保温，随炉冷却或等温冷却；

　　4） 均匀化退火：一般用于铸件，消除偏析，使成分均匀；通常是将钢加热到固相线以下100--200℃长时间保温，使原子充分扩散。

　　5） 去应力退火：属于低温热处理，加热温度一般在A1线以下，对于钢来说，大约为600℃。

　　二、 正火

　　将钢加热到Ac或Accm线以上完全A化，然后在空气中冷却的一种热处理工艺。它的主要特点是空冷，对于大型零件或在炎热地区，也可用风冷或喷雾冷却。

　　正火和退火的区别主要有以下几点：

　　1、 正火的加热温度较高；

　　2、 正火的冷却速度比退火快，热处理后的组织比退火细，先共析相数量也较少，所以正火后的性能比在退火时高；

　　3、 正火的用途也和退火有所不同：

　　1） 正火能提高硬度，一般用于低碳钢的预备热处理；

　　2） 正火可以消除魏氏组织、粗大组织、网状组织等；如过共析钢在球化退火之前，应先用正火消除网状的Fe3CⅡ；

　　3） 对于一些大件，正火可代替调质作为最终热处理使用；

　　第四节 钢的淬火

将钢加热到Ac1或Ac3以上30--50℃，适当保温，然后快速冷却，获取马氏体或下贝氏体的一种热处理工艺。

　　淬火是一种很早就应用的热处理工艺，它的目的是获得马氏体或下贝氏体，但主要是马氏体。从性能上看，它是为了强化材料，提高材料的强度或硬度。

　　一、 淬火工艺

　　为了获得好的淬火效果，就必须制定正确的淬火工艺参数。

　　1、 加热温度

　　根据钢的成分确定，亚共析钢加热到Ac3+30--70℃，共析、过共析钢加热到Ac1+30--70℃；

　　根据铁碳相图进行解释。

　　例如，45钢的Ac3=780℃，其淬火温度为840--860℃；

　　T8、T12钢的Ac1=730℃，其淬火温度为760--780℃；

　　合金钢由于合金元素的影响，加热温度比碳钢高，具体情况可以查阅热处理手册。

　　2、 加热时间

　　一般将升温时间和保温时间加在一起，称为加热时间。加热时间的确定应考虑二个问题，一个是材料的均温，一个是组织转变的时间。淬火加热时间与零件的尺寸和加热设备有关，可按下列经验公式确定；

　　τ=α×D；

　　其中α是系数，一般取1—1.5；D是零件的有效厚度。

　　3、 淬火冷却介质

　　淬火冷却速度应大于VK，但不是越快越好，在保证大于VK的前提下应尽量缓慢，这主要是为了避免出现大的应力，引起变形或开裂。

　　1） 理想淬火冷却介质

　　“NOSE”处要快，以避开它，保证获得全部的马氏体组织；而在“NOSE”下面，特别是在Ms线以下要慢，以避免变形和开裂。

　　但是实际使用的淬火介质都不满足这个条件，（介绍常用的淬火介质）水、油、盐水、碱水等。

　　二、 淬火方法

　　1、 单液淬火

　　碳钢在水中淬火、合金钢在油中淬火，它的优点是操作方便，容易实现机械化和自动化。缺点是在水中淬火容易变形和开裂；在油中容易出现软点。

　　2、 双液淬火

克服单淬火的缺点，主要有水---油、油---空气等。要熟练操作需要一定的经验。

　　3、 分级淬火

　　主要是为了最大限度的减小内应力。常用的是在Ms线附近进行分级，适用于截面较小的合金钢件。

　　4、 等温淬火

　　为了获得下贝氏体，等温温度选取在稍高于Ms温度，保温足够时间，使钢发生贝氏体转变。等温淬火的好处是内应力小，组织性能高，淬火后不需要回火，如T7做的螺丝刀。

　　5、 局部淬火

有些工件只要局部较高的硬度，如菜刀、凿子、卡规等，因此淬火时只将需要硬化的部位进行加热淬火。

　　三、 钢的淬透性

　　工件淬火时，特别是大件淬火时表面和心部的冷却速度是不一致的，如果表面和心部的冷却速度都大于V，那么工件同表及里都得到了马氏体，就是工件被淬透了；如果仅表面一定厚度的冷却速度大于V，而心部的冷却速度小于V，那么仅表面一层得到了马氏体，而心部得到了非马氏体组织，就是说工件没有被淬透；如图。淬透性就是表示材料接受淬火的能力。

　　1、淬透性：钢在淬火条件下得到M组织或淬透层深度的能力，是钢的固有属性。取决于VK（上临界冷却速度）。

　　在实际生产中, 往往要测定淬火工件的淬透层深度, 所谓淬透层深度即是从试样表面至半马氏体区(马氏体和非马氏体组织各占一半)的距离。在同样淬火条件下, 淬透层深度越大, 则反映钢的淬透性越好。

　　2．淬硬性，钢在淬火后获得硬度的能力，取决于M中C%，

　　C%↑→淬硬性↑

　　3．影响淬透性的因素——VK，C曲线

　　C% 亚共析钢 C%↑→淬透性↑，过共析钢C%↑→淬透性↓

　　奥氏体化温度 T↑t↑→淬透性↑

　　合金元素 除Co%以外，C曲线右移，↑淬透性

　　未溶第二相 ↓淬透性

　　4.钢的淬透性测定

　　用末端淬火法测定钢的淬透性 

　　淬透性可用“末端淬火法”来测定(见GB225-63)。将标准试样(Φ25×100mm)加热奥氏体化后, 迅速放入末端淬火试验机的冷却孔中, 喷水冷却。规定喷水管内径12.5mm, 水柱自由高度65±5mm, 水温20-30℃。图2-84(a)为末端淬火法示意图。显然, 喷水端冷却速度最大, 距末端沿轴向距离增大, 冷却速度逐渐减小, 其组织及硬度亦逐渐变化。在试样测面沿长度方向磨一深度0.2-0.5mm的窄条平面, 然后从末端开始,每隔一定距离测量一个硬度值, 即可测得试样沿长度方向上的硬度变化, 所得曲线称为淬透性曲线。

　　实验测出的各种钢的淬透性曲线均收集在有关手册中。同一牌号的钢, 由于化学成分和晶粒度的差异, 淬透性曲线实际上为有一定波动范围的淬透性带。

　　根据GB225-63规定, 钢的淬透性值用 表示。其中J表示末端淬火的淬透性, d表示距水冷端的距离,HRC为该处的硬度。例如, 淬透性值 , 即表示距水冷端5mm试样硬度为42HRC。

　　淬火试样断面上马氏体量和硬度的变化 

　　4．淬透性的应用 

　　（1）根据服役条件，确定对钢淬透性的要求——选材的依据

　　（2）热处理工艺制定的依据

　　（3）尺寸效应

　　利用淬透性曲线, 可比较不同钢种的淬透性。淬透性是钢材选用的重要依据之一。 利用半马氏体硬度曲线和淬透性曲线，找出钢的半马氏体区所对应的距水冷端距离。该距离越大，则淬透性越好。图中可知40Cr钢的淬透性比45钢要好。 

　　淬透性不同的钢材经调质处理后, 沿截面的组织和机械性能差别很大。图中40CrNiMo钢棒整个截面都是回火索氏体, 机械性能均匀, 强度高, 韧性好。而40Cr、40钢的都为片状索氏体+铁素体, 表层为回火索氏体, 心部强韧性差。截面较大、形状复杂以及受力较苛刻的螺栓、拉杆、锻模、锤杆等工件，要求截面机械性能均匀，应选用淬透性好的钢。而承受弯曲或扭转载荷的轴类零件、外层受力较大，心部受力较小，可选用淬透性较低的钢种。

　　5-5回火 

　　工件淬火后不能直接使用，主要原因有三：

　　1、 马氏体是不稳定组织；另外还有一定数量的残余奥氏体；

　　2、 淬火后的性能不能满足工件的使用要求，如脆性太大；

　　3、 淬火后工件内部有内应力，会导致工件的变形或开裂；

　　因此工件淬火后还应进行回火，（例子）。

　　钢件淬火后, 为了消除内应力并获得所要求的组织和性能, 将其加热到Ac1以下某一温度, 保温一定时间, 然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。

　　一、回火时钢组织和性能的变化

　　1、 钢组织的变化

　　非常复杂。一般是马氏体由过饱和状态向非饱和状态转变，也就是碳以一定的形式析出；残余奥氏体也发生变化 ，它们的最后转变产物是铁素体和渗碳体。

　　2、 钢性能的变化

　　随回火温度升高，马氏体中的碳不断析出，所以钢的强度、硬度不断下降，而塑性、韧性不断升高。

　　二、回火的分类和应用

　　1．低温回火 

　　回火温度为150℃～250℃。在低温回火时，从淬火马氏体内部会析出碳化物薄片（Fe2.4C）, 马氏体的过饱和度减小。部分残余奥氏体转变为下贝氏体, 但量不多。所以低温回火后组织为回火马氏

 

体＋残余奥氏体。下贝氏体可忽略。

　　低温回火的目的是降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度(一般为58HRC～64HRC)和高耐磨性。适用于工具、模具和表面处理件。 

　　2．中温回火 

　　回火温度为350℃～500℃，得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，叫做回火屈氏体(回火T)。铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。 

　　回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35HRC～45HRC。适用于弹簧等弹性元件。 

　　3. 高温回火 

　　回火温度为500℃～650℃, 得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织, 称回火索氏体。 

　　在生产中将淬火后高温回火的复合热处理工艺称为调质，调质后得到的回火索氏体具有良好的综合力学性能，广泛用于轴类、齿轮、连杆等受力复杂的零件，回火后硬度大约为200~330HBS。

　　5-6 钢的表面热处理 

　　在生产中，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，有较高的耐磨性和疲劳强度；而心部要求有较好的塑性和韧性。在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热处理方法，都有不能满足其要求。解决这一问题的方法是表面热处理和化学热处理。 

仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理, 也叫表面淬火。

　　一.感应加热表面热处理 

　　1.感应加热的基本原理 

　　感应线圈中通以交流电时，即在其内部和周围产生一与电流相同频率的交变磁场。若把工件置于磁场中，则在工件内部产生感应电流，并由于电阻的作用而被加热。由于交流电的集肤效应，靠近工件表面的电流密度大，而中心几乎为零。工件表面温度快速升高到相变点以上，而心部温度仍在相变点以下。感应加热后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶液喷射淬火，淬火后进行180-200℃低温回火，以降低淬火应力，并保持高硬度和高耐磨性。 

　　表面淬火一般用于中碳钢和中碳低合金钢,如45、40Cr、40MnB钢等。用于齿轮、轴类零件的表面硬化，提高耐磨性。

　　2.感应加热表面热处理的特点：

　　(1) 高频感应加热时，钢的奥氏体化是在较大的过热度（Ac3以上80℃～150℃)进行的, 因此晶核多, 且不易长大。

　　(2) 表面层淬得马氏体后, 由于体积膨胀在工件表面层造成较大的残余压应力, 显著提高工件的疲劳强度。

　　(3) 因加热速度快，没有保温时间，工件的氧化脱碳少。另外，由于内部未加热，工件的淬火变形也小。

　　(4) 加热温度和淬硬层厚度（从表面到半马氏体区的距离）容易控制，便于实现机械化和自动化。 

　　二.火焰加热表面淬火

　　火焰加热表面淬火是用乙炔－氧或煤气－氧等火焰加热工件表面，进行淬火。

　　火焰加热表面淬火和高频感应加热表面淬火相比，具有设备简单，成本低等优点。但生产率低，零件表面存在不同程度的过热，质量控制也比较困难。因此主要适用于单件、小批量生产及大型零件（如大型齿轮、轴、轧辊等）的表面淬火。