第四章 钢的热处理

第四章 金属材料热处理 ( Heat Treatment of Steel )
• • • • 概述 钢的普通热处理工艺 钢的表面热处理工艺 机械制造过程中的热处理
第一节 概述
• 1、热处理: 是指将金属材料(钢)在固态下加热、保
温和冷却, 以改变钢的组织结构, 获得所需要性能的
一种工艺.

为简明表示热处理 的基本工艺过程， 通常用温度—时间 坐标绘出热处理工
（2）球化退火
①、工艺规范：加热温度 ：Ac1+10~30℃
②、保温时间：以充分使二次渗碳体球化为原则。 ③、冷却方式：经过保温后采用空气中冷却。 使用于共析钢和过共析钢。 ④、球化原因 ：使钢中的网状二次渗碳体和珠光体中的片 状渗碳体球化，降低材料硬度，改善切削加工性，为最终 热处理做准备。 球化退火 保温时间较长，以保证二次渗碳体球化。为了获 得较好的球化效果，对于含碳量高、网状渗碳体严重的钢， 应在退火前用正火消除网状渗碳体。
2.常用的淬火冷却介质
最大冷却速度时
平均冷却速度/(℃•s-1) 300～ 200 ℃ 450 410 185 1000 775 65
所在温 冷却速度 650～ 度/ ℃ /( ℃ • s-1) 550 ℃ 340 775 135 20℃静止水 285 545 110 40℃静止水 220 275 80 60℃静止水 10%NaCl 溶液 580 2000 1900 10%NaOH 溶液 560 2830 2750 430 230 60 20℃10号机 油 430 230 70 80℃10号机
名
称
55
三、淬火方法 • 采用不同的淬火方法
1—单液淬火法 2—双液淬火法 3—分级淬火法 4—等温淬火法
可弥补介质的不足。
• 1、单液淬火法
• 加热工件在一种介质
中连续冷却到室温的 淬火方法。 • 操作简单，易实现自 动化。
各种淬火方法示意图
• 2、双液淬火法 • 工件先在一种冷却能力
强的介质中冷，却躲过
艺处理后钢材的硬度最高，那种工艺处理后硬度最低？
7．确定碳钢淬火加热温度的基本依据是 -A C曲线 B Fe－Fe3C相图 C 钢的Ms 线 D CCT曲线 判断正误 1.过共析钢完全退火后能消除网状渗碳体。 2. 完全退火主要应用于过共析钢。 3.去应力退火的温度一般在500℃~650℃,因此退火过 程是没有相变的。 4．去应力退火可以细化钢的晶粒。
淬火工艺的选择对淬火工件的质量影响较大，如果选择不当， 容易使淬火件力学性能不足或产生过热，马氏体晶粒粗大和 变形开裂等缺陷，严重的会造成零件报废。因此，对淬火工 艺提出更为严格的要求
一、淬火温度和加热时间 • 碳钢
• ⑴ 亚共析钢

淬火温度为 Ac3+30~50℃。 淬火后的组织为均 匀细小的马氏体。
T10钢球化退火组织 ( 化染 )
500
（3）扩散退火
①、工艺规范：
加热温度： Ac3+150~200℃ 以上（1050~1150 ℃ ）， 长时间保温（10~15h）后随炉冷却。 主要使用合金钢大型铸、锻件。目的是为了消除其化学 成分的偏析和组织的不均匀性。
缺点：扩散退火容易使钢的晶粒粗大，影响力学性能，

• 加热温度小于 Ac3。淬火组
织为马氏体和铁素体，强度、 硬度低。 35钢(含0.35%C)亚温淬火组织

• 加热温度大于 Ac3。
将导致马氏体晶粒
粗大并引起工件变 形。
• ⑶ 过共析钢
• 淬火温度: Ac1+30~50℃. • 淬火组织: M+Fe3C颗粒+A’。
T12钢（含1.2%C）正常淬火组织
3.调整性能 淬火后得到的马氏体在含碳量较高时， 材料的硬度高，脆性大，通过回火处理，控制回 火的温度和时间，达到需要的强度、塑性和韧性。
未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置 使用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行 回火
温度高于Accm，则奥氏 体晶粒粗大、含碳量 高,淬火后马氏体晶 粒粗大、A’量增多。 使钢硬度、耐磨性下 降，脆性、变形开裂 倾向增加。
• 2、合金钢
• 由于多数合金元素 (Mn 、 P 除外 ) 对奥氏体晶粒长 大有阻碍作用，因而合金钢淬火温度比碳钢高。 • ⑴ 亚共析钢淬火温度为Ac3+ 50~100℃。 • ⑵ 共析钢、过共析钢淬火温度为 Ac1+50~100℃。
连续冷却转 变曲线 完全退火
等温转 变曲线
进行马氏体转变，但
冷却速度过快又不可 避免地造成很大内应 力，使工件产生变形 和开裂。
200
100
水淬
Vk’Vk
M+A’ M+T+A’ S P
共析钢的CCT图
时间/s
• 理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在Ms 附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小 内应力的目的。但目前 还没有找到理想的淬火
因此，一般扩散退火后仍需进行完全退火或正火，以细 化扩散退火中因高温和长时间的保温所产生的粗大组织。
（3）、去应力退火
①、工艺规范：加热温度：Ar1以下，通常为Ar1以下，一 般为 500 ℃ ～650℃，充分保温后缓慢冷却至200℃出炉空冷。 去应力退火 加热温度低，在退火过程中无组织 变化。目的是为了消除毛坯 和零件中的残余应力，稳定工件尺寸及形状，减少零件在 切削加工和使用过程中的变形和开裂倾向。 ②、保温时间：一般保温时间都较短 ③、冷却方式：随炉缓冷至200℃左右出炉。
4.退火是将工件加热到一定温度，保温一段时间，然后 采用的冷却方式是（ ）。 A．随炉冷却；B．在油中冷却 ； C．在空气中冷却 D．在水中冷却
5．亚共析钢加热到AC1～AC3之间某温度，水冷后组 织为 . A 马氏体+珠光体；B 马氏体+铁素体；C 马氏体+残余 奥氏体；D 铁素体+渗碳体 6．常用淬火冷却介质有 、 、 、和 。 7．常用淬火方法有 淬火、 淬火、 淬 火和 淬火。 8. 含碳量为0.4%的碳钢分别经过退火、正火和淬火后，那种工
• 将工件在稍高于 Ms 的盐 浴或碱浴中保温足够长时 间，从而获得下贝氏体组 织的淬火方法。
• 经等温淬火零件具有良好
的综合力学性能，淬火应
力小.
• 适用于形状复杂及要求较 高的小型件。
1.碳钢的淬火工艺是将其工件加热到一定温度，保温一段时间， 然后采用的冷却方式是（ ）。 A．随炉冷却 B．在风中冷却 C．在空气中冷却 D．在水中冷却 2.正火是将工件加热到一定温度，保温一段时间，然后采用的冷 却方式是（ ）。 A．随炉冷却 B．在油中冷却 C．在空气中冷却 D．在水中冷却 3.完全退火主要用于（ ）。 A．亚共析钢 B．共析钢 C．过共析钢 D．所有钢种
表 面 热处理 化 学 热处理
火焰加 热淬火
渗碳; 渗氮; 碳氮共渗;
一.钢的退火(Annealing of steel)
一)定义: 把钢加温到预定温度，保温一定时间后缓慢冷却后 （通常随炉冷却），获得接近于平衡组织的热处理工艺． 二)目的: 消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处 理 作好组织准备。
二)回火的目的:
1.消除内应力 钢在淬火后，存在较大的内应力，加上淬火马 氏体性能较脆时，容易出现开裂，有的零件淬火当时未裂， 在大的内应力作用下，放置或稍有受力就开裂。利用回火可 以消除或减小内应力，达到防止以后变形开裂。
2.稳定组织和尺寸 淬火后的组织为马氏体加残余奥氏体，它 们都是不稳定组织，使用过程中温度发生变化，它们都会发 生转变，会带来零件的尺寸和性能的变化。利用回火让可能 的变化的热处理时发生，得到的亚稳组织在使用过程中不再 发生变化，达到稳定零件的组织性能和尺寸。
二、 正火
把零件加温到Ac3（亚共析钢）或Accm以上30～50℃,保温一段 时间，然后在空气中冷却。 目的： （1）对普通碳、低合金钢和力学性能要求不高的结构件，可 作为最终热处理。 （2）对低碳素钢用来调整硬度，避免切削加工中“粘刀” 现象，改善切削性能 （3）对共析钢、过共析钢用来消除网状二次渗碳体，为球化 退火作好组织准备。
钢坯加热
五)淬火加热时间 ( τ ) 的选择:
τ = α K D
工件有效厚度 (尺寸最小部位)
装炉量有关系数 一般 K = 1～1.5
加热系数,与钢种 及加热介质有关
二、淬火介质
• 冷却是决定钢的淬火
质量的关键。根据 Vk CCT曲线可知，冷却 速度必须大于临界冷 却速度才能获得全部
正火
油淬 共析温度
鼻尖后，再在另一种冷
却能力较弱的介质中发
生马氏体转变的方法。 如水淬油冷，油淬空冷. • 优点是冷却理想，缺点 是不易掌握。用于形状 复杂的碳钢件及大型合金钢件。
• 3、分级淬火法
• 在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后 再取出缓冷。

可减少内应力，用于小尺 寸工件。
盐浴炉
• 4、等温淬火法
介质。

常用淬火介质是水和油.
水的冷却能力强，但低
温却能力太大，只使用 于形状简单的碳钢件。
Ms Mf
理想淬火曲线示意图
• 油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太
小，使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。 • 熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间, 用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。 • 聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质.
5．钢的含碳量愈高，淬火加热温度愈高。
简答题 1．在C曲线上画出常用的几种淬火方法，并说明单液 淬火方法的优缺点。
四.钢的回火 ( Tempering of steel )
为什么钢要进行回火？ 钢在淬火后一般很少直接使用，因为淬火后的组 织马氏体和残余奥氏体，马氏体虽然强度、硬度高， 但塑性差，脆性大，在交变载荷和冲击载荷作用下 极易断裂；此外，淬火后组织是不稳定的，在室温 下就能缓慢分解，产生体积变化而导致工件变形。 因此，淬火后的零件必须进行回火才能使用。 回火的定义 一)定义: 把淬火后的零件重新加热到低于Ac1的某个 温度,保温一段时间,然后冷却到窒温的热处理工艺。