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1、第五章 鋼的熱處理 教學目的：掌握鋼的熱處理原理及常用熱處理工藝；熟悉鋼的淬透性及其對零件 機械性能的影響；了解常用熱處理設(shè)備的特點。 本章重點：1、奧氏體的形成 2、過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變 3、C曲線的建立與應(yīng)用 4、鋼的退火、正火、淬火、回火、表面淬火、化學熱處理 5、鋼的淬透性 本章難點：1、奧氏體的形成 2、過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變 參考文獻: 1、戴起勛，金屬材料學，化學工業(yè)出版社，2005 2、史美堂，金屬材料及熱處理，上海科學技術(shù)出版社，2001 3、史美堂，金屬材料

2、及熱處理習題集與實驗指導書，上?？茖W技術(shù)出版社，1997 專業(yè)詞匯:austenite; spheroidizing annealing; inherent grain size; retained austenite; quenching; hardenability; quenching medium; continuous cooling transformation curve; upper bainite; lower bainite; sorbite; practical grain size; diffusion transformation; diffusion

3、annealing; ledeburite; subercritical quenching; normalizing; complete annealing; Widmanstatten structure; cryogenic treatment; isothermal quenching; isothermal annealing; secondary hardening; broken quenching; marquenching; tempering; tempered martensite; tempering embrittlement; tempered so

4、rbite; tempered troostite; troostite; martensite starting point; granular pearlite; nitriding; tempering resistance; induction heat surface hardening; flame surface hardening; glow discharge nitriding; carbonitriding; 概 論 熱處理工藝是提高材料性能的最簡單的途徑 一、熱處理的概念 通過對材料進行加熱、保溫、冷卻的操作方法，使鋼的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以獲 得所

5、需性能的一種工藝。 二、熱處理的分類 熱處理：普通熱處理：退火、正火、淬火、回火 表面熱處理： 表面淬火：火焰加熱、感應(yīng)加熱、激光加熱、電接觸加熱、等離子 體加熱 化學熱處理:滲碳、氮化、滲V、滲B、滲Nb 三、熱處理在機械零件制造工藝中的位置 坯料 →鍛造→熱處理Ｉ→粗加工→半精加工→熱處理Ⅱ→精加工→熱處理Ⅲ→ （拋光）→成品 熱處理Ｉ：稱為改善材料切削加工性能熱處理；最佳切削硬度：HB170-230。 低碳鋼：含有大量柔軟的鐵素體；切削加工性能較差，易產(chǎn)生“粘刀”現(xiàn)象，影 響加工面的表面質(zhì)量（粗糙度），刀具壽命也受到影響，故加工前應(yīng)進行正火熱處 理，以提高硬度，

6、以改善加工性能。 高碳鋼：含有較多的網(wǎng)狀滲碳體，難以切削，應(yīng)退火處理，再加工。 冷加工硬化的坯料，應(yīng)進行再結(jié)晶退火，以降低硬度，改善切削加工性能。 熱處理Ⅱ：改善零件機械性能熱處理。正火、淬火＋回火、化學熱處理 熱處理Ⅲ：消除加工殘余應(yīng)力熱處理（去應(yīng)力退火、時效） 四、熱處理在機械制造業(yè)中的應(yīng)用 汽車制造業(yè)：70%—80%的零件需進行熱處理 機床創(chuàng)造業(yè)：60%—70%的零件需進行熱處理 各種工具、軸承等：100%的零件需進行熱處理 五、熱處理的主要工藝參數(shù) 1、 加熱速度 2、加熱溫度 3、保溫時間 4、冷卻速度 第一節(jié) 鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變 一、奧氏體的形成 大

7、多數(shù)熱處理工藝的加熱溫度都高于鋼的臨界點（A1或A3），使鋼具有奧氏體 組織，然后以一定的冷卻速度冷卻，以獲得所需的組織和性能。 鐵碳合金緩慢加熱時奧氏體的形成可以從Fe-Fe3C相圖中反映出來，珠光體向 奧氏體的轉(zhuǎn)變屬于擴散型相變。以共析鋼為例，珠光體組織在A1（727℃）以 下，組織保持不變（α相中碳的溶解度及Fe3C的形狀稍有變化）；當加熱到A1 點以上時，珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。 奧氏體的形成過程可以分為四個步驟： ①奧氏體晶核的形成 ②奧氏體晶粒長大 ③殘余滲碳體溶

8、解 ④奧氏體成分均勻化 對于亞共析鋼（過共析鋼），當緩慢加熱到A1以上時，除珠光體全部轉(zhuǎn)化為奧氏體外，還有少量先共析鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體（過共析鋼二次滲碳體溶解）,隨著溫度升高，先共析鐵素體不斷向奧氏體轉(zhuǎn)變，當溫度高于A3時，組織為單相奧氏體。 二、奧氏體形成的熱力學條件 鋼加熱時組織轉(zhuǎn)變的動力是奧氏體與舊相之間的體積自由能之差ΔFv，而相變進行的條件是系統(tǒng)總的自由能降低。根據(jù)相變理論，奧氏體形成晶核時，系統(tǒng)總自由能變化ΔF為： ΔF=-ΔFv+ΔFs+ΔFe 式中ΔFs——形成奧氏體時所增加的表面能，

9、 ΔFe——形成奧氏體時所增加的應(yīng)變能 由于奧氏體是在高溫下形成的，其相變應(yīng)變能ΔFe很小，可以忽略，故上式可寫為：ΔF=-ΔFv+ΔFs 共析鋼奧氏體和珠光體的體積自由能隨溫度的變化曲線如圖：A1以上，T1時，二者的體積自由能之差ΔFv。顯然，只有當ΔFv能克服因奧氏體形成所增加的表面能ΔFs時，珠光體才能自發(fā)地形成奧氏體，因此奧氏體的形成必須有一定的過熱度ΔT。 三、影響珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的因素 1、溫度的影響 提高溫度，原子的擴散能力增大。特別是碳原子在奧氏體中的擴散能力增大，奧氏體的形成速率加快。 2、鋼中含炭量增加，鐵素體與滲碳體的相界面總量增

10、多，有利于加速奧氏體形 成。 3、鋼中加入合金元素，可影響奧氏體的形成①強碳化合物②減緩C的擴散，減 緩A的形成③非碳化物形成元素加速A形成。 4、鋼組織中珠光體越細，奧氏體形成速度越快（相界面積大）。 加熱速度越快，奧氏體形成溫度升高，形成速度越快。 四、奧氏體晶粒度及其影響因素 1、奧氏體晶粒度的概念 a、起始晶粒度 指珠光體剛剛?cè)哭D(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時的晶粒度。 b、實際晶粒度 指鋼在具體的熱處理或熱加工條件下實際獲得的奧氏體晶粒度。 c、本質(zhì)晶粒度 不是指具體的晶粒大小，只表示鋼的奧氏體晶粒長大的傾向性（易長大，還是不易長大） 一般將鋼的奧氏體晶粒長大傾向分為兩類

11、： 曲線1：隨加熱溫度的升高，奧氏體晶粒一直長大，逐漸粗化。 曲線2：在一定溫度下加熱，奧氏體晶粒長大緩慢，保持細小晶粒，超過一定溫度（930℃后），奧氏體晶粒急劇長大，突然粗化。 凡是符合曲線1的鋼—本質(zhì)粗晶粒鋼 凡是符合曲線2的鋼—本質(zhì)細晶粒鋼 一般鋼的奧氏體晶粒度分為8級，1級最粗，8級最細。 晶粒度1-4級的鋼，稱為本質(zhì)粗晶粒鋼；晶粒度5-8級的鋼，稱為本質(zhì)細晶粒鋼。 鎮(zhèn)靜鋼為本質(zhì)細晶粒鋼，沸騰鋼為本質(zhì)粗晶粒鋼。 需經(jīng)熱處理強化的零件一般都采用本質(zhì)細晶粒鋼---鎮(zhèn)靜鋼制作。 2、影響奧氏體晶粒度的因素 高溫下，奧氏體晶粒長大，晶界總面積減少，系統(tǒng)自由能降低是

12、自發(fā)過程： a、 奧氏體轉(zhuǎn)化溫度越高，晶粒越容易長大；保溫時間越長，晶粒越容易長大 b、 奧氏體含碳量越高，晶粒長大的傾向越大 c、 在鋼中加入合金元素：絕大多數(shù)合金元素都阻礙奧氏體晶粒長大，而錳、磷則會加速奧氏體晶粒長大 第二節(jié) 鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 通過加熱使鋼轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻膴W氏體組織后，僅完成了熱處理的加熱準備工作，將高溫奧氏體以不同的冷卻速度冷卻，獲得所需的組織與性能，才是熱處理的最終目的。 高溫奧氏體組織是穩(wěn)定的，如冷卻到A1以下，奧氏體就處于不穩(wěn)定狀態(tài)（過冷態(tài)），稱為過冷奧氏體。不同的過冷度，奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程不同：①轉(zhuǎn)變開始與轉(zhuǎn)變終了的時間不同；②轉(zhuǎn)變后產(chǎn)物的組織

13、與性能不同 一、 珠光體型轉(zhuǎn)變——高溫轉(zhuǎn)變（A1—550℃） 1、 轉(zhuǎn)變過程及特點 過冷奧氏體在A1—550℃溫度范圍內(nèi)，將分解為珠光體類組織。當奧 氏體被過冷至A1以下溫度時，在奧氏體晶界處（含碳量高）優(yōu)先產(chǎn)生滲碳體的核心，然后依靠奧氏體不斷供應(yīng)碳原子（隨著冷卻，奧氏體溶解碳的能力下降，碳從奧氏體內(nèi)向晶界擴散），滲碳體沿一定方向逐漸長大，而隨著滲碳體的長大，又使其周圍的奧氏體碳濃度下降，這就促使貧碳的奧氏體局部區(qū)域轉(zhuǎn)變成鐵素體（即滲碳體兩側(cè)出現(xiàn)鐵素體晶核），在滲碳體長大的同時，鐵素體也不斷長大，而隨著鐵素體的長大，必然將多余的碳排擠出去，這就有利于形成新的滲碳體晶核。最

14、終形成了相互交替的層片狀滲碳體和鐵素體——珠光體。排列方向相同的鐵素體與滲碳體區(qū)域，稱為珠光體晶粒。珠光體一直長大到與相鄰的珠光體互相接觸，而奧氏體全部轉(zhuǎn)化為珠光體為止。 轉(zhuǎn)變特點：過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w是擴散型相變。 2、 分類 在高溫轉(zhuǎn)變區(qū)形成的珠光體類組織，雖然都是滲碳體與鐵素體的混合物，但由于過冷度大小不同，其片層距差別很大： A1—650℃, 形成的組織層間距較大，在400-500倍的金相顯微鏡下即可分辨，稱為珠光體P。 650℃—600℃，形成的組織分散度較大，層間距較小，在800-1000倍的金相顯微鏡下才能

15、分辨，稱為索氏體S。 600℃—550℃，形成的組織，層間距很小，只有在電子顯微鏡下放大幾千倍才能分辨，稱為屈氏體或托氏體。 珠光體、索氏體、屈氏體都是珠光體類組織，本質(zhì)上沒有任何區(qū)別，只是滲碳體、鐵素體片的厚度不同而已。 從珠光體到索氏體、屈氏體，隨著層間距的減小，強度和硬度依次升高。 二、 貝氏體型轉(zhuǎn)變——中溫轉(zhuǎn)變（550℃—Ms） 1、 轉(zhuǎn)變過程及特點 過冷奧氏體在550℃—Ms（共析鋼的Ms約230℃）溫度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w類組織。 由于過冷度增大，鐵原子的擴散很困難，碳原子的擴散能力也顯著

16、減弱，擴散不充分，形成滲碳體所需的時間增長。過冷奧氏體在這一溫度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物仍是鐵素體和滲碳體的混合物，但它與珠光體有本質(zhì)的區(qū)別：貝氏體轉(zhuǎn)變由于冷卻速度快，滲碳體已不能呈片狀析出。碳的擴散速度受到很大限制，部分碳來不及析出，固溶在鐵素體中形成過飽和的鐵素體。因此，貝氏體型轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是過飽和的鐵素體與滲碳體的混合物。 轉(zhuǎn)變特點：過冷奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變是一種半擴散型相變。 2、 分類 貝氏體組織形態(tài)比較復(fù)雜，根據(jù)其中鐵素體與滲碳體的分布形態(tài)的不同，分為上貝氏體B上和下貝氏體B下。 上貝氏體B上：是過冷奧氏體在550℃--350℃范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，其中

17、過飽和鐵素體形成密集而相互平行的羽毛狀扁片，一排一排地由晶界伸向晶內(nèi)，滲碳體呈短桿狀斷斷續(xù)續(xù)地分布在鐵素體扁片之間。（上貝氏體由于轉(zhuǎn)變溫度較高，滲碳體長得較大） 上貝氏體的組織形態(tài)決定了其強度較低，塑性、韌性較差。 下貝氏體B下：是過冷奧氏體在350℃--Ms范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。其中過飽和的鐵素體呈針片狀，比較散亂地成角度分布，而極細小的滲碳體質(zhì)點呈彌散狀分布在過飽和鐵素體內(nèi)。在金相顯微鏡下下貝氏體呈竹葉狀特征。（下貝氏體由于轉(zhuǎn)變溫度較低，滲碳體來不及長大，而呈質(zhì)點狀） 下貝氏體組織具有較高的強度、硬度，良好的塑性、韌性，即具有良好的綜合機械性能。

18、 生產(chǎn)上常用等溫淬火法來獲得下貝氏體組織。 三、 馬氏體型轉(zhuǎn)變——低溫轉(zhuǎn)變（Ms—Mz） 1、 轉(zhuǎn)變過程 當過冷度很大，奧氏體被快速冷卻至Ms時，由于碳原子已無法擴散，上述珠光體或貝氏體等擴散型相變已不可能進行，奧氏體只能進行非擴散型的晶格轉(zhuǎn)變。碳原子來不及擴散，被完全固溶于鐵素體內(nèi)，形成過飽和的鐵素體，這種過飽和的鐵素體就是馬氏體M。所以馬氏體的含碳量與相應(yīng)的奧氏體含碳量相同。 室溫下鐵素體的含碳量僅為0.0008%,而馬氏體的含碳量與奧氏體相同，故馬氏體的過飽和程度很大，此時過飽和的鐵素體的某些棱邊被撐長，形成了體心正方晶格。

19、 由于碳原子過飽和造成的晶格畸變嚴重，故馬氏體具有很高的硬度，而塑性、韌性較低。 馬氏體的高硬度決定了它是鋼中的重要強化組織，也是淬火鋼的基本組織，凡是要求高硬度、高耐磨性的零件，都需要經(jīng)過淬火獲得馬氏體組織。 馬氏體的硬度主要與含碳量有關(guān)，與其他合金元素關(guān)系不大。因為合金元素在馬氏體晶格中，不是處于間隙位置，而是置換了某些鐵原子的位置，它對馬氏體晶格歪扭和畸變的作用遠不及碳的作用大。 HRC ? о

20、 о ? ?о о? C％ о— 合金鋼 ?— 碳鋼 2、 分類 馬氏體按組織形態(tài)分為：a、板條狀馬氏體：每一馬氏體的晶體呈細長的薄板條晶片平行成束地分布，在金相顯微鏡下呈板條狀。 b、針狀馬氏體：每一馬氏體晶體呈中

21、間厚、兩端薄的透鏡式晶片，在金相顯微鏡下呈針片狀或竹葉狀。 板條狀馬氏體主要存在于低碳鋼的淬火組織中——低碳馬氏體；針狀馬氏體主要存在于高碳鋼的淬火組織中——高碳馬氏體。 3、 轉(zhuǎn)變特點 a、 馬氏體轉(zhuǎn)變是非擴散型相變：由于過冷度很大，原子來不及擴散。馬氏體的晶粒度完全取決于原來奧氏體的晶粒度。 b、 馬氏體轉(zhuǎn)變是變溫轉(zhuǎn)變：馬氏體轉(zhuǎn)變是從轉(zhuǎn)變開始點Ms到轉(zhuǎn)變終了點Mz的一個溫度范圍內(nèi)進行的，在某一溫度下，只能形成一定數(shù)量的馬氏體，保溫時間的延長并不增加馬氏體的數(shù)量，要使馬氏體的數(shù)量增加，只能繼續(xù)降溫。Ms、Mz于含碳量有關(guān)，而與冷卻速度無關(guān)。 如圖：

22、 T℃ Ms Mz C% C、馬氏體轉(zhuǎn)變的不完全性：由于馬氏體的轉(zhuǎn)變終了溫度Mz一般在零下幾十度，所以室溫下進行馬氏體轉(zhuǎn)變不可能獲得完全的馬氏體組織，必有一定量的奧氏體組織沒有轉(zhuǎn)變——這部分奧氏體組織稱為殘余奧氏體A’，即馬氏體轉(zhuǎn)變不完全。

23、 殘余奧氏體的存在會顯著降低零件的強度、硬度以及耐磨性，此外殘余奧氏體是一種不穩(wěn)定組織，會逐漸分解，引起零件尺寸變化，這對精密零件是不允許的。 為了減少殘余奧氏體的含量，可將淬火零件繼續(xù)冷卻到零下幾十度——冷處理，使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。 d、奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，體積增大 奧氏體比容〈珠光體比容〈馬氏體比容 比容：單位重量的體積值 這個特點，使馬氏體內(nèi)部存在較大的內(nèi)應(yīng)力，易導致零件淬火變形、開裂。 附：形狀記憶合金的工作原理 熱彈性馬氏體的可逆轉(zhuǎn)變是形狀記憶合金的基礎(chǔ)。 如：Ni-Ti合金，母相狀態(tài)很硬

24、，難以變形；而馬氏體狀態(tài)很軟，可以任意變形。因此，在較高溫度下（母相狀態(tài)）制成天線，然后降低溫度，完全發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變（很軟），可折疊成一小團。當飛船飛上太空后，由于太陽光線的加熱，溫度升高，合金發(fā)生馬氏體逆轉(zhuǎn)變，天線恢復(fù)原狀。 第三節(jié) 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線圖 在過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變過程中，冷卻速度（過冷度）對轉(zhuǎn)變有很大影響。由于冷卻速度較高，因此這種相變就不再符合Fe-Fe3C相圖所反映的規(guī)律。 為了弄清澳實體在冷卻過程中組織變化的全過程，找出轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時間與奧氏體轉(zhuǎn)變過程及其產(chǎn)物之間的相互關(guān)系和轉(zhuǎn)變規(guī)律，通常采用兩種方法： 一是在不同過冷度下等溫測定奧氏體

25、的轉(zhuǎn)變過程，繪出過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖 二是在不同冷卻速度的連續(xù)冷卻過程中測定奧氏體的轉(zhuǎn)變過程，繪出過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線圖 一、 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖（TTT圖） 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖是分析過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時間、轉(zhuǎn)變 產(chǎn)物之間關(guān)系的曲線圖，即TTT圖（Temperature, Time, Transformation），又稱C曲線。 1、TTT圖的建立（以共析鋼為例） 等溫轉(zhuǎn)變曲線圖是用實驗方法建立的。選取一組共析鋼試樣加熱到稍高于 A1溫度，使其全部轉(zhuǎn)變成均勻的奧氏體，然后分別快速投入不同溫度的等溫槽中，保持不同的時間，并觀

26、察共析鋼奧氏體在不同溫度下組織的變化。把轉(zhuǎn)變開始與終了的時間記錄下來，然后描繪在以溫度為縱坐標，一時間為橫坐標的圖面上，把開始點與終了點分別連接起來，即可得到共析鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線。 2、TTT圖分析 在共析鋼的TTT曲線中，高于臨界點A1的區(qū)域為穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體區(qū)；左邊曲線為過冷奧氏體開始轉(zhuǎn)變曲線，右邊曲線為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變終了線；開始線與縱坐標表之間的區(qū)域為過冷奧氏體區(qū)。終了線以右區(qū)域為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)，兩曲線之間為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變區(qū)（即過冷奧氏體與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物共存區(qū)）。 從縱坐標到轉(zhuǎn)變開始點的距離（轉(zhuǎn)變開始前的準備時間），叫做“孕育期”，其長短表示某一溫度下過冷奧氏體的穩(wěn)定程度，如55

27、0℃部位孕育期最短（共析鋼約1秒左右）；而在700℃左右，孕育期大于1000秒，故時間坐標采用對數(shù)坐標。 不同鋼種具有不同形狀的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（C曲線） 3、影響TTT圖的因素 ａ、含碳量的影響 亞共析鋼的C曲線隨含碳量的增加而右移，即過冷奧氏體的穩(wěn)定性提高；過共析鋼的C曲線隨含碳量的增加而左移，即過冷奧氏體的穩(wěn)定性降低；因此在碳鋼中，以共析鋼的過冷奧氏體最為穩(wěn)定，C曲線處于最右端。 亞共析鋼C曲線拐點上部區(qū)域多一條先共析鐵素體轉(zhuǎn)變曲線；過共析鋼C曲線拐點上部區(qū)域多一條先共析滲碳體轉(zhuǎn)變曲線。 b、合金元素的影響 除鈷元素以外，其他所

28、有合金元素溶入奧氏體后，都增加了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移。非碳化物形成元素（Ni, Si, Cu等）不改變C曲線的形狀；而碳化物形成元素（Cr, W, V, Mo, Ti等）使C曲線的形狀也發(fā)生改變。 C、加熱溫度、保溫時間的影響 隨著加熱溫度的提高或保溫時間的延長，奧氏體的成分更加均勻，晶粒隨之長大，晶界相對減少，未溶質(zhì)點（碳化物、氮化物等）也顯著減少，這些因素都使奧氏體轉(zhuǎn)變時形核困難，提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移。 4、 C曲線的應(yīng)用 　實際生產(chǎn)中，過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變大多數(shù)是在連續(xù)冷卻過程中進行的，但仍可以

29、利用C曲線估計過冷奧氏體轉(zhuǎn)變情況。如圖：V1

30、 V1 V2 Ms V3 V4 Vk

31、 V1相當于爐冷，冷卻速度約為10℃/min，V1與C曲線相交于710—650℃范圍內(nèi)，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為100%珠光體，HRC=12 V2相當于空冷，冷卻速度約為10℃/S，V2與C曲線相割于650—600℃ 范圍內(nèi)，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為索氏體組織，HRC=26 V3相當于油冷，冷卻速度約為150℃/S，V3只與C曲線的轉(zhuǎn)變起始線相 交，表明一部分過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榍象w，而剩余部分過冷奧氏體隨

32、后 冷卻到Ms一下，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而獲得屈氏體與馬氏體混合組織，其 HRC=45—55 V4相當于水冷，冷卻速度600℃/S，它與C曲線不相交，而直接與Ms相 交，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體（還有效部分殘余奧氏體），HRC=60—64 Vk與C曲線相切，稱為臨界冷卻速度，它表示過冷奧氏體不轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣? 體類產(chǎn)物，而直接轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織的最小冷卻速度。Vk取決于C曲線 的位置，C曲線右移，Vk降低，容易獲得馬氏體組織，即易淬火。 二、 過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線圖（CCT圖） 實際生產(chǎn)中，大多數(shù)轉(zhuǎn)變是在連續(xù)冷卻過程中進行的，定量研究需要測定CCT圖（Continuo

33、us Cooling Transformation）。 方法：金相法，膨脹法，磁性法等 如圖：Ps線表示過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的起始線 （A→P開始） Pz線表示過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的終了線 （A→P終了） K線表示過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w終止線 （A→P終止） T℃ A1 A1 Ps

34、 Pz Ms K Vk Vk’ S 凡是冷卻曲線碰到K線，過冷奧氏體就不再繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，而是一直冷卻到Ms以下，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏

35、體。CCT圖位于TTT圖右下方，Vk’

36、工 工藝：將亞共析鋼加熱到Ac3+30-50℃，保溫一定時間后，隨爐緩慢冷卻（或埋入沙或石灰中）到500℃以下，空冷。 由于加熱溫度在Ac3以上，得到單一奧氏體組織，故稱為完全退火；又因為加熱溫度能使低溫組織通過重新結(jié)晶獲得細小的奧氏體晶粒并在隨后的緩慢冷卻中轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿《鶆虻闹楣怏w和鐵素體晶粒，所以又稱為重結(jié)晶退火。 b、 等溫退火 等溫退火的目的與完全退火相同。由于完全退火所需要的時間很長，尤其對于某些奧氏體比較穩(wěn)定的合金鋼，往往需要數(shù)十小時甚至數(shù)天的時間，采用等溫退火可明顯縮短退火時間。 等溫退火：對應(yīng)于鋼的C曲線上珠光體形成溫度進行奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變處理，而在其前后可以快速

37、冷卻。 工藝：加熱過程與完全退火相同，Ac3+30-50℃，保溫一定時間后，開爐門較快速冷卻到稍低于A1的某一溫度（550-700℃），在該溫度下保溫到奧氏體完全轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，然后空冷。 優(yōu)點：1、縮短了退火時間 2、可以較好地控制組織與硬度（通過選擇保溫溫度） 3、工件氧化、脫碳傾向較小 c、 球化退火（不完全退火） 應(yīng)用：過共析碳鋼和合金鋼的刀具、模具、量具、軸承等零件 目的：降低硬度，改善切削加工性，為最終淬火做準備 過共析組織為珠光體和網(wǎng)狀的二次滲碳體。由于網(wǎng)狀二次滲碳體的存在，增加了鋼的硬度和脆性，不僅給切削加工帶來困難，而且會引起淬火時

38、工件產(chǎn)生變形和開裂。 球化退火工藝：將過共析鋼加熱到Ac1+30-50℃，保溫后，緩慢冷卻。由于加熱到Ac1+30-50℃，此時未溶的滲碳體小質(zhì)點可作為冷卻時滲碳體析出的核心，使?jié)B碳體發(fā)生球化，變成球狀或粒狀滲碳體長大，故稱為球化退火。由于加熱溫度在Ac1+30-50℃，鋼組織沒有全部奧氏體化，故稱為不完全退火。 經(jīng)過球化退火的過共析鋼，可獲得鐵素體與球狀滲碳體的混合組織，叫做“球化體”，HB163。 有的鋼種一次球化退火難以達到球化目的，可采用循環(huán)退火法（或稱周期退火法）進行球化。 d、 去

39、應(yīng)力退火 去應(yīng)力退火又叫消除內(nèi)應(yīng)力退火，低溫退火。 目的：這種退火主要用于消除鑄件、鍛件及焊接件、熱軋件的內(nèi)應(yīng)力。否則，會引起鋼件在一定時間后產(chǎn)生變形，降低耐蝕性。 去應(yīng)力退火工藝：將鋼件隨爐緩慢加熱（100-150℃/小時），到500-600℃（

40、退火后，往往要經(jīng)過一次完全退火來細化晶粒。 擴散退火工藝：把鋼加熱到高于Ac3或Accm的溫度(約1050-1250℃)，保溫較長時間（約10-20小時），然后緩冷。 擴散退火主要用于合金鋼，尤其是高合金鋼的鋼錠及鑄件。 三、 正火工藝及應(yīng)用 正火與退火并無本質(zhì)上的區(qū)別，僅僅是冷卻速度不同而已。 1、定義：所謂正火是指把鋼加熱到Ac3（亞共析碳鋼）或Accm（過共析碳鋼）以上30-50℃，保溫一定時間，隨后在空氣中冷卻。 2、 目的：對于亞共析鋼，正火的目的與退火相同，主要是細化晶粒，由于正火冷卻速度較快，得到的珠光體組織較細，且與退火相比，鐵素體數(shù)量較少（冷速快，鐵素

41、體析出少），故碳鋼正火處理后強度、硬度均高于退火處理。 對于過共析鋼，正火用于消除網(wǎng)狀滲碳體。由于冷速較快，析出的二次滲碳體較小（冷速快，滲碳體來不及長大），且不易形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)。 3、 正火工藝的主要應(yīng)用范圍 a、 用于普通零件作為最終熱處理 b、 用于中、低碳結(jié)構(gòu)鋼，作為預(yù)先熱處理，便于切削加工 c、 用于過共析鋼，可抑制或消除網(wǎng)狀二次滲碳體的形成，以便在進一步的球化退火中獲得良好的球化體，為淬火做好組織上的準備 正火比退火生產(chǎn)周期短，耗能低，操作簡便，故一般盡可能用正火代替退火，常用中低碳鋼的鋼材都以正火狀態(tài)交貨。 第四節(jié) 鋼的淬火

42、 將鋼加熱到Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上30-50℃，經(jīng)保溫后，快速冷卻獲得馬氏體的熱處理操作稱為淬火。 一、 淬火的目的 1、 提高鋼的硬度及耐磨性（如工具、軸承等要求高耐磨性的零件） 2、 獲得良好的綜合機械性能（中碳鋼經(jīng)淬火+高溫回火可獲得強、韌兼?zhèn)浣M織；各種彈簧都要求強度高、彈性好，一般用高碳鋼制作，經(jīng)淬火+中溫回火后，彈性大大提高） 3、 獲得特殊物理、化學性能（許多不銹鋼、耐熱鋼零件，淬火后可使耐腐蝕、耐熱性能提高） 二、 淬火溫度的確定 碳鋼的淬火溫度可根據(jù)Fe-Fe3C相圖來確定 亞共析鋼：合適的淬火溫度為Ac3+30-50℃，淬火組織為馬氏體，溫

43、度太低（低于Ac3）則淬火后組織中出現(xiàn)鐵素體，導致硬度、耐磨性下降；溫度太高，則獲得粗大的馬氏體組織，鋼的性能惡化，同時引起鋼件嚴重變形。 過共析鋼：合適的淬火溫度為Ac1+30-50℃，淬火組織為馬氏體+粒狀二次滲碳體；由于滲碳體的硬度高與馬氏體，所以當二次滲碳體以粒狀彌散分布于馬氏體基體之上時，可以提高組織的硬度和耐磨性——彌散強化；淬火加熱溫度過高，不僅會得到粗大的馬氏體組織，還會引起零件嚴重的變形甚至開裂，而且由于二次滲碳體隨著加熱溫度的升高會大量溶入奧氏體中，使得Ms、Mz降低，從而增加了組織中殘余奧氏體的含量，影響淬火硬度和耐磨性。淬火溫度過低，（

44、 對于合金鋼，由于奧氏體晶粒長大傾向受到合金碳化物等的抑制，故可適當提高淬火溫度。（T↑→C曲線右移） 2、 加熱、保溫時間的確定 原則：既要保證工件表面和心部都達到指定的加熱溫度，又要保證組織轉(zhuǎn)變充分進行和化學成分擴散均勻，同時不能使A晶粒長大。適當?shù)谋貢r間，對于保證鋼的淬火質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率很重要。 不同的壁厚、材料的零件，保溫時間不同，可根據(jù)理論計算，也可根據(jù)經(jīng)驗公式確定。見《熱處理手冊》。 三、淬火冷卻介質(zhì) 淬火時，通過快速冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這一過程體積膨脹，內(nèi)應(yīng)力很大，所以要使零件在不淬裂、變形小的前提下淬成馬氏

45、體，并不是一件容易的事。根據(jù)C曲線，淬火時，要求在650-400℃范圍內(nèi)快速冷卻，以避過C曲線拐點部位，使奧氏體不發(fā)生高溫、中溫組織轉(zhuǎn)變，而冷卻到300℃以下，Ms附近時，則希望冷速慢一些，以免產(chǎn)生太大的內(nèi)應(yīng)力導致零件變形、開裂。因此，理想的冷卻介質(zhì)應(yīng)具有圖示的 冷卻速度。但實際上找不到一種能滿足上述要求的冷卻介質(zhì)。 實際生產(chǎn)中，最常用的淬火冷卻介質(zhì)是水、油、硝鹽?。ɑ驂A?。?。 水：高溫區(qū)冷卻速度很大，但低溫區(qū)冷卻速度也大，能淬硬，但易淬裂。油：高溫區(qū)冷速較低，低溫區(qū)冷速較合適，淬不裂，但可能淬不硬且價 格高、易燃。 堿?。焊邷貐^(qū)

46、冷速比水弱，比油強，低溫區(qū)比油弱 鹽?。焊邷貐^(qū)冷速比水弱，比油略弱，低溫區(qū)比油弱。 常用淬火冷卻介質(zhì)的冷卻能力 介質(zhì) 冷卻速度（℃/S） 650—550℃ 300—200℃ 水（18℃） 600 270 水（26℃） 500 270 水（50℃） 100

47、 270 水（74℃） 30 200 10%NaCl(18℃) 1100 300 蒸餾水 250 200 肥皂水 30 200 機油（18℃） 100 20 機油（50℃） 150 30 變壓器油（50℃） 120 25 四、常

48、用淬火方法 由于實際冷卻介質(zhì)不能滿足淬火要求，所以必須從淬火方法上加以彌補。 3、 單液淬火法（普通淬火法） 將加熱后的鋼件放入一種淬火冷卻介質(zhì)中冷卻。單液淬火法操作簡單，易實現(xiàn)自動化操作，但存在明顯缺點：水淬易變形、開裂；油淬硬度不足，只適用于形狀簡單的工件。 4、 雙液淬火法（水淬油冷法） 對于形狀復(fù)雜的高碳鋼零件，為了防止淬火后產(chǎn)生過大的變形或開裂，可在水中淬火至Ms附近，然后立即放入油中（或空氣）繼續(xù)冷卻，故雙液淬火法又稱水淬油冷法。用這種方法既能淬硬，又能防止淬裂。 缺點：對操作技術(shù)要求較高。適用于高碳鋼形狀復(fù)

49、雜的零件。 3、分級淬火法 不管是單液淬火法，還是雙液淬火法，都存在零件表面與心部溫差較大，易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力導致零件變形、開裂的問題，分級淬火法能很好地解決這個問題。 所謂分級淬火法就是：先將加熱好的零件淬入溫度稍高于Ms的鹽浴或堿浴中，保持一定時間，使零件表面與心部的溫度均勻并與熱浴一致，然后取出空冷，在熱浴中停留的時間以不發(fā)生奧氏體中溫轉(zhuǎn)變?yōu)橐恕? 缺點：冷卻能力較低，只適用于小尺寸零件。 4、 等溫淬火法 將加熱好的零件淬入溫度稍高于Ms的鹽浴或堿浴中，保溫足夠的時間，使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w組織，然后空冷至室溫。

50、 等溫淬火法可獲得強、韌兼?zhèn)涞慕M織，且零件的內(nèi)應(yīng)力可減低到最小程度，不易變形。缺點：生產(chǎn)周期長，僅適用于形狀復(fù)雜的小零件。 5、 局部淬火法 有些零件只需要局部硬度高、耐磨性好，因此可進行局部淬火，以避免其它部位產(chǎn)生變形或開裂。局部淬火法包括：①局部加熱淬火法 ②局部冷卻淬火法 6、 冷處理 高碳鋼、合金鋼的Mz都在零下幾十度，為了減少殘余奧氏體的數(shù)量，可在淬火后進行冷處理，即加熱零件淬火至室溫后，再放入低溫槽中繼續(xù)冷卻，使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。 冷處理介質(zhì)：干冰（-8

51、0℃）；液化乙烯（-107℃）；液氮（-192℃） 冷處理的目的：穩(wěn)定尺寸，提高硬度。 第五節(jié)、 鋼的淬透性 一、什么叫淬透性 鋼在淬火過程中，沿工件截面各處的實際冷卻速度是不同的表層的實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。 所謂的鋼

52、的淬透性是指鋼在淬火冷卻時，獲得淬透層深度的能力（獲得馬氏體層厚度的能力）。 如何定義淬透性深度：從表層馬氏體到半馬氏體（50%馬氏體）處的深度。 獲得馬氏體層的厚度越大，即淬透性深度越大，，鋼的淬透性越好。 注意：鋼的淬透性與淬硬性是兩個不同的概念。淬硬性是指鋼在淬火后所能獲得的最大硬度指。它主要取決于含c量，含c量越高，淬硬性越大，但淬硬性的鋼淬透性不一定好，淬透性受很多因素的影響。 二、淬透性對鋼機械性能的影響 1、對機械性能的影響 將淬透性不同的兩種鋼制成直徑相同的軸,進行淬火+高溫回火熱處理（調(diào)

53、質(zhì)），其中一件完全淬透，另一件未淬透，兩者的機械性能比較見圖： HRC HRC σb σb σ0.2 σ0.2 Ak Ak 淬透性好的鋼，調(diào)質(zhì)后的各項機械性

54、能指標沿軸的橫截面均勻分布；淬透性差的鋼，調(diào)質(zhì)后軸的心部機械性能明顯偏低，尤其是沖擊韌性Ak。 2、淬火不完全程度與屈強比的關(guān)系 如圖，RM-RQ 表示淬火不完全程度，HRC RM 表示淬火最高硬度（100%馬氏體硬度），HRC RQ 表示淬火的實際硬度，HRC (RM-RQ)越大，表示淬火不完全程度越大 σs/σb 1.0

55、 о о о о о о 0.75 о о о 0.5 (RM-RQ),HRC

56、可見，(RM-RQ)越大，σs/σb越小，對材料強度的利用率越低（零件在工作中不允許出現(xiàn)塑性變形）。 3、淬火鋼中馬氏體含量對回火后鋼的疲勞極限的影響 淬火后馬氏體含量越高，回火后鋼的疲勞極限越高，如圖： σ-1 100% 20%馬氏體 綜上：零件截面尺寸越大，淬透性對機械性能的影響越大。 三、影響鋼淬透性的因素 影響鋼淬

57、透性的決定因素是臨界冷卻速度Vk，Vk越小，淬透性越大。而臨界冷卻速度與C曲線的位置有關(guān)，C曲線越右，Vk越小。 1、含碳量的影響 亞共析鋼， C%↑→C曲線右移→Vk↓→淬透性↑ 過共析鋼 C%↑→C曲線左移→Vk↑→淬透性↓ 碳鋼中以共析鋼的淬透性最好。 2、合金元素的影響 除Co以外，其它合金元素都使C曲線右移，Vk↓，淬透性提高，故合金鋼的淬透性大大高于碳鋼。 3、奧氏體化溫度的影響 提高溫度或

58、延長保溫時間，可使C曲線右移，Vk↓，淬透性提高，但作用有限，因為奧氏體晶粒會長大。 四、淬透性的測定方法 最常用的是末端淬火法（端淬發(fā)）測定鋼的淬透性。將Ф25100mm的標準試樣加熱后對末端進行噴水冷卻（水壓恒定），試樣末端相當于淬火零件的表面，距末端的距離越遠，冷卻速度越低，相當于淬火零件的內(nèi)部。端淬試樣冷卻后，沿其長度方向磨出一狹條平面，每隔一定距離測量硬度值，可以繪出淬透性曲線，對應(yīng)于半馬氏體的硬度點至末端的距離d，就是淬透層深度，d越大，鋼的淬透性越好。 45： d=3.3mm； 40Cr： d=10.5mm

59、 表示方法： J(HRC/d) J——末端淬透性 D——至水冷端（末端）的距離，mm HRC——此處的實測硬度值 J45/10-15表示距末端10-15mm處，淬火硬度為45HRC J42-45/10表示距末端10mm處，淬火硬度為42-45HRC 五、機械零件設(shè)計中對鋼淬透性的考慮（選材） 1、重要零件，，要求表面與心部機械性能一致，應(yīng)選用淬透性

60、好的鋼材。 2、對心部機械性能要求不高的零件，可選用淬透性低的鋼材（便宜）。 3、焊接件，不能采用淬透性高的鋼材。防止焊縫出現(xiàn)淬火組織→脆、裂 紋。 4、小尺寸試樣的性能數(shù)據(jù)，不能用于大尺寸工件的強度計算。 5、淬透性低的大尺寸零件，淬火應(yīng)安排在切削加工之后進行。 6、碳鋼的淬透性很低，設(shè)計大尺寸零件時，應(yīng)采用正火工藝代替調(diào)質(zhì)處 理，以防止淬不透。二者的性能相差不大，但成本相差很大。 第六節(jié) 鋼的回火 一、 回火的概念 將淬火鋼件重新加熱到A1以下某一溫度，經(jīng)保溫，冷卻到室溫的操作，稱為回火。 二、 回火的目的

61、 淬火后鋼的組織為馬氏體、殘余奧氏體、過共析鋼還有少量滲碳體，而馬氏體組織硬度高，脆性大，組織不穩(wěn)定，且淬火后鋼件存在較大的內(nèi)應(yīng)力，易導致鋼件變形、開裂，故淬火后應(yīng)及時進行回火。 通過回火，馬氏體、殘余奧氏體可轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^穩(wěn)定的組織，內(nèi)應(yīng)力也被消除，組織脆性降低，零件尺寸穩(wěn)定。 三、 淬火鋼回火時組織與性能的變化 （一）馬氏體的分解 從室溫到200℃左右范圍內(nèi)回火時，馬氏體中一部分過飽和的碳以及細小的ε-碳化物（FexC或Fe2.4C）形式析出，并分布在馬氏體基體上，使馬氏體中的含碳量下降，體心正方的正

62、方度c/a減?。磭柡统潭冉档停?，使馬氏體的脆性下降，硬度稍降。此時組織為過飽和程度稍低的馬氏體和極細小的ε-碳化物組成的混合組織，稱為“回火馬氏體組織”，M回。 ε-碳化物：是一非平衡相，使向Fe3C轉(zhuǎn)變的過渡相。 （二）殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變 約在200-300℃，馬氏體繼續(xù)分解的同時，殘余奧氏體也發(fā)生轉(zhuǎn)變，變成了下貝氏體組織。此時主要組織仍是回火馬氏體，但由于加熱溫度較高，馬氏體的過飽和程度進一步降低，組織的硬度降低，塑性提高。由于殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕容^高的下貝氏體，因此鋼的硬度下降不大。此時組織為“回火馬氏體+下貝氏體”

63、 （三）滲碳體形成和鐵素體恢復(fù) 約在300-400℃之間，α固溶體中過飽和的碳逐漸析出，ε-碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的較小的Fe3C顆粒，α固溶體中的含碳量幾乎達到平衡成分，故馬氏體變成鐵素體（c/a≈1），體心正方晶格變成體心立方晶格，此時組織為“鐵素體與彌散在其中的細粒狀滲碳體的混合物”,稱為“回火屈氏體”，T回。 （四）滲碳體的聚集長大和鐵素體的再結(jié)晶 約在400-650℃之間，滲碳體不斷聚集長大，內(nèi)應(yīng)力與晶格歪扭完全消除，組織是由鐵素體和球化的滲碳體所組成的混合物，稱為“回火索氏體”，S回。此時，碳固溶強化

64、作用消失，強度取決于Fe3C質(zhì)點的尺寸和彌散度?；鼗饻囟仍礁?，滲碳體質(zhì)點越大，彌散讀越低，強度越低。 回火索氏體組織具有良好的綜合機械性能，即強、韌兼?zhèn)?。若繼續(xù)升溫到650℃以上，滲碳體繼續(xù)粗化，組織變?yōu)閺姸雀偷那驙钪楣怏w組織，綜合機械性能下降，一般不用。 回火組織較正火組織具有較高的強度、韌性（主要原因是Fe3C形態(tài)不同）。 四、回火的分類 1、低溫回火：150-250℃ 組織為M回 硬度：HRC58-64 2、中溫回火：350-500℃ 組織為T回 硬度：H

65、RC35-45 3、高溫回火：500-650℃ 組織為S回 硬度：HRC23-35 淬火+低溫回火→工具、量具、軸承等，提高硬度、耐磨性 淬火+中溫回火→各種彈簧，提高σs/σb 淬火+高溫回火→調(diào)質(zhì)，軸、齒輪、交變載荷零件，綜合機械性能 注：在250-350℃范圍內(nèi)回火很少使用，因為在此溫度范圍內(nèi)，從馬氏體中析出的ε碳化物呈細片狀，從而引起鋼的脆性，稱為低溫回火脆性。當溫度超過350℃，ε碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀的Fe3C，鋼的韌性恢復(fù)。 其它回火：①某些高

66、合金鋼在640-680℃進行回火軟化。 ②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100-150℃進行長時間回火（10-50h），稱為“尺寸穩(wěn)定處理”或“時效處理”。 第七節(jié) 鋼的表面淬火 承受交變載荷、沖擊載荷的零件，表面比心部承受較高的應(yīng)力，且表面由于受到磨損、腐蝕等，故零件表面失效較快，需進行表面強化，使零件表面具有較高的強度、硬度、耐磨性、疲勞極限、耐腐蝕性，而心部仍保持足夠的塑性、韌性，防止脆斷，即具有“外硬內(nèi)韌”組織。 表面淬火是鋼表面強化的重要手段，具有工藝簡單，熱處理變形小，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。 一、表面淬火的概念 表面淬火是通過對鋼件表面快速加熱與立即冷卻相結(jié)合，在零件表面獲得淬火馬氏體層的熱處理方法。 快速加熱使鋼表面很快達到淬火溫度，迅速冷卻使熱量不能傳遞到零件中心，這樣零件表面被淬成馬氏體組織，而心部仍為未淬火組織，從而獲得“外硬內(nèi)韌”組織。 二、表面淬火用鋼 表面淬火用鋼的含碳量以0.40%-0.50%為