教学课题： 第 3 章 钢的热处理

1. 教学课题： 第3章 钢的热处理 ■ 钢的热处理原理 ■ 钢的整体热处理 ■ 钢的表面热处理 ■ 金属材料热处理工艺设计

2. 本章重点内容 常用材料热处理方法的特点、工艺、目的与应用 学习目的 通过本章的学习，了解热处理的基本原理，掌握常用热处理方法的特点、工艺、目的与应用。

3. 3.1 钢的热处理原理 1.什么是钢的热处理 2.钢在加热过程中的组织转变 3.钢在冷却过程中的组织转变

4. 什么是钢的热处理？ • 热处理：采用适当方式对材料或工件在固态下进行加热、 保温和冷却，以获得预期组织结构，从而获得所需性能的工艺方法。 • 热处理工艺 • 热处理的原理 • 热处理的实质

5. 3.1.1 钢在加热时的组织转变 通常将加热时的临界温度标为Ac1.Ac3.Accm； 冷却时标为Ar1.Ar3.Arcm。

6. 3.1.1 钢在加热时的组织转变 • 共析钢： P A Ac1 • 亚共析钢： F+P F+A A Ac1 Ac3 • 过共析钢： P+Fe3C A+Fe3C A Ac1 Accm

7. P->A转变是不是结晶过程？ 1.共析钢奥氏体的形成 残余Fe3C溶解 A形核 A长大 A均匀化 F->A转变与Fe3C溶解速度是否相同？ 保温的目的？ 如何长大？ 如何形核？ 刚形成的奥氏体，其中的碳浓度是不均匀的，在原渗碳体处含碳量较高，而原铁素体处含碳量较低，只有在继续保温过程中，通过碳原子的扩散，才能使奥氏体的含碳量趋于均匀。 由于铁素体向奥氏体转变的速度比渗碳体向奥氏体溶解的速度快得多，在珠光体的奥氏体化过程中，总是铁素体首先转变完毕，奥氏体形成后仍有部分残余渗碳体存在，随着保温时间的延长，渗碳体不断向奥氏体中溶解，直到全部消失。 奥氏体晶核形成后依靠铁、碳原子的扩散，同时向晶核两侧的铁素体和渗碳体两个方向长大，即铁素体向奥氏体转变和渗碳体向奥氏体溶解两个基本过程。 界面处形核，为什么？

8. 课堂小结： • 什么是钢的奥氏体化？以共析钢为例说明奥氏体的形成过程。亚共析钢和 过共析钢要实现完全奥氏体化，各应加热到什么温度？

9. 2.奥氏体晶粒度的长大与控制 • 钢的奥氏体晶粒大小直接影响冷却所得组织和性能。奥氏体晶粒细时，退火后所得的组织亦细，则钢的强度、塑性较好。而淬火后得到的马氏体也细小，因而韧性得到改善。

10. 起始晶粒度与本质晶粒度 • 起始晶粒度 奥氏体化刚完成时的奥氏体晶粒。 • 本质晶粒度 钢加热到930±10℃，保温8小时，冷却后测得的晶粒度叫本质晶粒度。表示奥氏体晶粒长大的倾向。

11. 奥氏体晶粒大小的控制 • 加热温度和保温时间—温度高，时间长促进奥氏体晶粒长大。 • 加热速度—加热温度确定后，加热速度越快，奥氏 体晶粒越细小。 • 钢的成分—碳含量增高时，晶粒长大的倾向增多；但碳含量超过一定值后，碳能以未溶碳化物状态存在，使晶粒长大的倾向减小。钢中加入能形成稳定碳化物的元素和能生成氧化物和氮化物的元素，有利于得到本质细晶粒钢。 • 原始组织—钢的原始组织越细，碳化物弥散度越大，界面越多，则奥氏体的晶粒越小。

12. 3.1.2 钢在冷却时的组织转变 • 等温冷却 将钢迅速冷却到临界点以下给定温度，进行保温，使其在该温度下恒温转变。 • 连续冷却 将钢以某种速度连续冷却，使其在临界点以下变温连续转变。

13. 1.过冷奥氏体的等温转变 如何建立？ • 过冷奥氏体的等温转变曲线的分析 共析钢过冷奥氏体的温度转变过程和转变产物可用其等温转变曲线图来分析。该曲线可简称为C 曲线。 ①线的意义 ②区的意义 ③孕育期

14. 1.过冷奥氏体的等温转变 • 过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能 ①高温转变（在A1~550℃之间）——珠光体型转变 索氏体 8000倍 屈氏体 8000倍 珠光体 3800倍

15. 1.过冷奥氏体的等温转变 • 过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能 ②中温转变（550℃ ~Ms）——贝氏体型转变 ■ 550℃～350℃ ——B上。呈羽毛状，强度和韧性都较差。 ■ 350℃～Mf——B下。黑色针状，硬度高，韧性好，具有较高的综合力学性能。 上贝氏体 电子显微照片 5000倍 下贝氏体 电子显微照片 12000倍

16. 缓慢冷却时(炉冷)—过冷A将转变为珠光体，呈粗片状，硬度为170~220HB。缓慢冷却时(炉冷)—过冷A将转变为珠光体，呈粗片状，硬度为170~220HB。 只有等温转变曲线的上半部分，无下半部分，即连续冷却转变时不形成贝氏体组织，且较奥氏体等温转变曲线向右下方移一些。 2.过冷奥氏体的连续冷却转变 • 过冷奥氏体的连续冷却转变曲线（CCT曲线）及分析 稍快速度冷却时(空冷)—过冷A转变为索氏体，为细片状组织，硬度为25~35HRC。 ①形状 ②特性线 ③转变过程及产物 快速度冷却时(水冷V>VK)—奥氏体将过冷到Ms点以下，得到的组织是马氏体+残余奥氏体。 采用油冷时—得到的组织为屈氏体+马氏体+残余奥氏体。硬度为45~55HRC。

17. 课堂小结： 综上所述，钢在冷却时，过冷奥氏体的转变产物根据其转变温度的高低可分为高温转变产物珠光体、索氏体、屈氏体；中温转变产物上贝氏体、下贝氏体；低温转变产物马氏体。随着转变温度的降低，其转变产物的硬度增高，而韧性的变化则较为复杂。

18. 2.过冷奥氏体的连续冷却转变 • 马氏体转变M —碳溶于α—Fe中的过饱和固溶体。 转变特点：过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转变；形成速度很快；其转变不是彻底的，要残留少量的奥氏体；转变是在一个温度范围内完成的，在某一温度下停留，不能增加马氏体的数量：马氏体形成时体积膨胀,在钢中造成很大的内应力,严重时将使被处理的零件开裂。 组织形态及性能：马氏体的形态有板条状和针状(或称片状)两种.其形态决定于奥氏体的碳质量分数。碳质量分数在0.25%以下时,基本上是板条状马氏体(亦称低碳马氏体), 碳质量分数在0.25%~1.0%之间时，为板条马氏体和针状马氏体的混合结构。当碳质量分数大于1.0%时,则大多数是针状马氏体. 马氏体的硬度很高，碳质量分数越高，马氏体的硬度越高。

19. 3.2 钢的整体热处理 1.钢的退火与正火 2.钢的淬火与回火

20. 3.2.1 钢的退火与正火 • 退火与正火的目的 ①调整硬度，改善切削加工性能（退火可降低硬度，正火可适当提高硬度）； ②消除应力（来自锻造、铸造、焊接和其它加工的应力），以减少零件变 形开裂倾向； ③细化晶粒 ④为最终热处理做组织准备。 对正火还可以消除二次网状渗碳体，有利于后续的球化退火。

21. 3.2.1 钢的退火与正火（工艺）

22. 3.2.1 钢的退火与正火（工艺）

23. 3.2.1 钢的退火与正火（小结）

24. 3.2.1 钢的退火与正火（选择） 1.从切削加工性上考虑 切削加工性又包括硬度，切削脆性，表面粗糙度及对刀具的磨损等。 一般金属的硬度在HB170～230范围内，切削性能较好。高于它过硬，难以加工，且刀具磨损快；过低则切屑不易断，造成刀具发热和磨损，加工后的零件表面粗糙度很大。对于低、中碳结构钢以正火作为预先热处理比较合适，高碳结构钢和工具钢则以退火为宜。至于合金钢，由于合金元素的加入，使钢的硬度有所提高，故中碳以上的合金钢一般都采用退火以改善切削性。 2.从使用性能上考虑 如工件性能要求不太高，随后不再进行淬火和回火，那么往往用正火来提高其机械性能，但若零件的形状比较复杂，正火的冷却速度有形成裂纹的危险，应采用退火。 3.从经济上考虑 正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，故在可能的条件下，应优先考虑以正火代替退火。

25. 3.2.2 钢的淬火与回火 铁匠打铁时将烧红的铁块放入水中。 • 什么是钢的淬火？ 是将钢加热至临界点(Ac3或Ac1)以上，保温后以大于VK的速度冷却，使奥氏体转变成马氏体(或下贝氏体)的热处理工艺。 淬火的目的是为了获得马氏体

26. 若淬火温度过低，则淬火后组织中将会有铁素体，使钢的强度、硬度降低；若加热温度过高，奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗大的马氏体，钢的力学性能变差，且淬火应力增大，易导致变形和开裂。若淬火温度过低，则淬火后组织中将会有铁素体，使钢的强度、硬度降低；若加热温度过高，奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗大的马氏体，钢的力学性能变差，且淬火应力增大，易导致变形和开裂。 如果加热温度过高，渗碳体溶解过多，奥氏体中碳的质量分数提高，Ms温度降低，淬火后A‘量增多，钢的硬度和耐磨性降低；若加热温度低于Ac1点，则组织没发生相变，达不到淬火目的。 一、钢的淬火 • 1.淬火工艺 （1）淬火加热温度 ①亚共析钢：淬火温度一般为Ac3以上30～50℃，淬火后得到均匀细小的M和少量残余奥氏体。 ②共析钢或过共析钢：淬火加热温度为Ac1以上30～50℃，淬火后得到细小的马氏体和少量残余奥氏体（共析钢）或细小的马氏体、少量渗碳体和残余奥氏体(过共析钢)。 （2）淬火加热时间 t=αD （3）淬火冷却介质 水、盐水、油、盐浴、碱浴 选用原则：能获得M或B尽可能慢，以减少淬火应力。 • 理想淬火介质 盐浴、碱浴和硝盐浴—主要用于分级淬火和等级淬火常用于处理形状复杂、尺寸较小、变形要求严格的工具等。 机油和柴油—一般用作为合金钢的淬火介质。它粘度大，流动性差，散热慢，不能用于碳钢冷却。 水、盐水—适用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。变形开裂倾向大。

27. 操作简单，易实现机械化，应用较广。缺点是水淬变形开裂倾向大；油淬冷却速度小，淬透直径小，大件淬不硬。 一、钢的淬火 双液淬火能有效的减少热应力和相变应力，降低工件变形和开裂的倾向，所以可用于形状复杂的高碳钢件和尺寸较大的合金钢件。 • 2.淬火方法 等温淬火大大降低了钢件的内应力，减少变形，适用于处理复杂和精度要求高的小件，其缺点是生产周期长、生产效率低。 (1)单液淬火 (2)双液淬火 (3)马氏体分级淬火 双液分级和相变应力，降低工件变形和开裂的倾向，所以可用于形状复杂的高碳钢件和尺寸较大的合金钢件。 (4)等温淬火

28. 钢淬火得到马氏体的最大硬度。 钢淬火时形成马氏体的能力。 一、钢的淬火 • 3.淬火缺陷 (1)变形与开裂 (2)过热与过烧 (3)氧化与脱碳 (4)硬度不足与软点 • 4.钢的淬透性与淬硬性 临界直径：工件在某种介质中淬火后，心部得到全部马氏体或半马氏体组织时的最大直径。直径越大，钢的淬透性越好。 淬硬层深度:工件表面向里至半马氏体区(马氏体与非马氏体组织各占一半处)的垂直距离。 测试方法: ①末端淬火法 ②临界直径(D0) 要求零件的表面与心部力学性能一致，应选用高淬透性的钢制造，并要求全部淬透。 表面受力最大、心部受力最小，应选用淬透性较低的钢种，淬硬层深度为工件半径或厚度的1/2～1/3即可。 淬透性的实际意义

29. 二、钢的回火 • 为什么钢淬火后要进行回火？ 回火:将淬火钢重新加热到A1点以下的某一温度，保温一定时间后，冷却到室温的热处理工艺。 钢淬火后存在的问题: ①钢淬火后存在有内应力，容易产生变形和开裂 ； ②淬火得到的马氏体和残余奥氏体都是不稳定组织，在工作中会发生分解，导致零件尺寸的变化； ③ 淬火钢脆性大，韧、塑性差。 回火的目的:降低淬火钢的脆性，减少或消除内应力，使组织趋于稳定并获得所需要的性能。

30. 二、钢的回火 （工艺及应用） 回火后组织为回火马氏体。 回火后组织为回火托氏体。 回火后组织为回火索氏体。生产上将淬火加高温回火称为调质处理。

31. 二、钢的回火（性能变化） • 随着回火温度升高，淬火钢的强度 、硬度下降，塑性升高，韧性呈升高趋势。 • 但中间出现两次下降（回火脆性） 第一类回火脆性：发生在3000℃左右，是一种不可避免的脆性，亦称不可逆回火脆性。 第二类回火脆性：发生在570℃左右，但回火以后较快冷却可以避免。

32. 3.3 钢的表面热处理 1.钢的表面淬火 2.钢的化学热处理

33. 3.3.1 钢的表面淬火 • 将工件表面快速加热到淬火温度，迅速冷却，使工件表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持未淬火状态组织的热处理工艺。 表面淬火前应对工件正火或调质，表面淬火后应低温回火。

34. 3.3.1 钢的表面淬火 • 一、感应加热表面淬火 ①高频感应淬火：200～300kHz，淬硬层深度为0.5～2mm。主要用于要求淬硬层较薄的中、小模数齿轮和中、小尺寸轴类零件等。 ②中频感应淬火 ：2500～8000Hz，淬硬层深度为2～10mm。主要用于大、中模数齿轮和较大直径轴类零件。 ③工频感应淬火 ：50Hz，淬硬层深度为10～20mm。主要用于大直径零件。 利用感应电流通过工件所产生的热量，使工件表层、局部或整体加热并快速冷却的淬火。 1.感应淬火频率的选用 2.感应淬火加热的特点 • 二、火焰加热表面淬火 火焰淬火是利用氧-乙炔(或其他可燃气体)火焰对工件表层加热，并快速冷却的淬火工艺。淬硬层深度一般为2～6mm。用于单件、小批生产 。 ①加热速度极快； ②工件表层获得极细小的马氏体组织； ③工件表面质量好，变形小； ④生产效率高

35. 3.3.2 钢的化学热处理 • 将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入其表层，以改变表层一定深度的化学成分、组织和性能的热处理工艺。 • 基本过程 分解 吸收 扩散 渗层

36. 将工件放入神探气氛中，在900-950的温度下加热、保温，以提高工件表层碳的质量分数的化学热处理工艺。目的是使表面具有高的硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度和较高的韧性，既能承受大的冲击，又能承受大的摩擦。将工件放入神探气氛中，在900-950的温度下加热、保温，以提高工件表层碳的质量分数的化学热处理工艺。目的是使表面具有高的硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度和较高的韧性，既能承受大的冲击，又能承受大的摩擦。 一、渗碳 • 1.渗碳的方法 ①固体神渗碳法 ②气体渗碳法 设备简单，成本低廉，但劳动条件差，质量不易控制，生产率低。主要用于单件、小批生产。 生产率高，渗碳过程容易控制，渗层质量好，易实现机械化。但设备成本高，广泛用于大批大量生产中。

37. 一、渗碳 • 2.渗碳用钢、渗后组织及热处理 ①渗碳用钢为低碳钢和低碳合金钢 ，碳的质量分数一般为0.1-0.25%，保证心部的韧性。 ②渗碳后的组织：表层为过共析组织，与其相邻为共析组织，再向里为亚共析组织的过渡层，心部为原低碳钢组织。 ③渗碳后的热处理 改善心部组织，消除表面网状二次渗碳体 ，细化工件表层组织，获得细马氏体和均匀分布的粒状二次渗碳体。 奥氏体晶粒得到细化，提高钢的力学性能。 渗碳件淬火后应进行低温回火(一般150～200℃)。 (a)直接淬火 (b)一次淬火 (c)二次淬火 工件耐磨性较低，变形较大。此法适用于本质细晶粒钢或受力不大，耐磨性要求不高的零件。

38. 一、渗碳 • 2.渗碳用钢、渗后组织及热处理 直接淬火和一次淬火经低温回火后，表层组织为回火马氏体和少量残余奥氏体，二次淬火表层组织为回火马氏体和粒状渗碳体及少量残余奥氏体。它们的表面硬度均可达到58～64HRC，心部组织：低碳钢一般为铁素体和珠光体，硬度137～183HBS；低碳合金钢一般为回火低碳马氏体、铁素体和托氏体，硬度可达35～45HRC，并具有较高的强度、韧性和一定的塑性。 • 3.应用 耐冲击和耐磨都要求很高的零件，如汽车变速齿轮，活塞销。 例：渗碳零件的工艺路线 锻造—正火—机加工—渗碳—淬火＋低温回火（＋喷丸）——精磨——……

39. 在一定温度下(一般在Ac1以下)，使活性氮原子渗入钢件表面的化学热处理工艺。其目的是使工件表面获得高硬度、高耐磨性、高疲劳强度和高热硬性以及良好的耐蚀性。渗氮温度低，变形小。在一定温度下(一般在Ac1以下)，使活性氮原子渗入钢件表面的化学热处理工艺。其目的是使工件表面获得高硬度、高耐磨性、高疲劳强度和高热硬性以及良好的耐蚀性。渗氮温度低，变形小。 二、渗氮 • 1.渗碳的方法 ①气体渗氮 ②离子渗氮 • 2.渗氮用钢及热处理 渗氮用钢通常是含有Al、Cr、Mo、V、Ti的合金钢，使渗氮后工件表面有很高的硬度和耐磨性。 渗氮前零件须经调质处理，以保证心部的强度和韧性；对于形状复杂或精度要求较高的零件，在渗氮前、精加工后还要进行消除应力的退火，以减少渗氮时的变形。 渗氮后不需再进行淬火，热硬性高。 • 3.应用 渗氮主要用于耐磨性和精度要求很高的精密零件或承受交变载荷的重要零件以及要求耐热、耐蚀、耐磨的零件。 例：精密机床、化工、食品机械的中碳合金钢（ 38CrMoAL,35 CrMo)的轴、齿轮、阀门等。氮化齿轮的加工路线： 锻造——完全退火——机加工——调质——精加工——氮化（最终热处理）——……

40. 三、碳氮共渗 • 在工件表面同时渗入碳和氮的化学热处理工艺。其主要目的是提高工件表面的硬度和耐磨性。 碳氮共渗后要进行淬火、低温回火。 共渗层表面组织为回火马氏体、粒状碳氮化合物和少量残余奥氏体，渗层深度一般为0.3～0.8mm。 气体碳氮共渗用钢，大多为低碳或中碳的非合金钢、低合金钢及合金钢。

41. 3.4 金属材料热处理工艺设计 1.热处理的技术条件 2.热处理工序位置安排

42. 3.4.1 热处理的技术条件 包括：最终热处理方法(如调质、淬火、回火、渗碳等) 以及应达到的力学性能指标 力学性能指标一般只标出硬度值，如：调质220～250HBS，淬火回火40～45HRC 对于力学性能要求较高的重要件，如主轴、齿轮、曲轴、 连杆等，还应标出强度、塑性和韧性指标，有时还要对金相 组织提出要求。对于渗碳或渗氮件应标出渗碳或渗氮部位、 渗层深度，渗碳或渗氮后的硬度等。表面淬火零件应标明淬 硬层深度、硬度及部位等。

43. 3.4.1 热处理的技术条件

44. 3.4.1 热处理的技术条件

45. 3.4.1 热处理的技术条件 表3-4 加热方式及代号 表3-5 退火工艺及代号 表3-6 淬火冷却介质和冷却方法及代号 如515-33-01表示调质和气体渗氮。

46. 3.4.2 热处理工序位置安排 1.预先热处理 (1)退火、正火工序位置 毛坯生产→退火(或正火)→切削加工。 (2)调质工序位置 下料→锻造→正火(或退火)→粗加工(留余量)→ 调质→半精加工(或精加工) 2.最终热处理 (1)淬火工序位置 ① 整体淬火 一般为：下料→锻造→退火(或正火)→粗加工、 半精加工(留磨量)→淬火、回火(低、中温)→磨削。

47. 3.4.2 热处理工序位置安排 ② 表面淬火一般为：下料→锻造→退火(或正火)→粗加工 →调质→半精加工(留磨量)→表面淬火、低温回火→磨削 (2)渗碳工序位置 渗碳件(整体与局部渗碳)的加工路线一般为：下料→锻造 →正火→粗、半精加工→渗碳→淬火、低温回火→磨削。 (3)渗氮工序位置 渗氮件加工路线一般为：下料→锻造→退火→粗加工→调质 →半精加工→去应力退火(俗称高温回火)→粗磨→渗氮→ 精磨或研磨或抛光。