金属工艺学—钢的热处理[整理版]
钢的热处理
奥氏体化也是形核和长大
的过程，分为四步。现以
共析钢为例说明：
钢坯加热
第一步 奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核。 第二步 奥氏体晶核长大： 晶核通过碳原子的扩散向
和Fe3C方向长大。
第三步 残余Fe3C溶解: 铁素体的成分、结构更接近于 奥氏体，因而先消失。残余的Fe3C随保温时间延长继 续溶解直至消失。
第四步 奥氏体成分均匀 共析钢奥氏体化曲线（875℃退火）
化：Fe3C溶解后，其所
℃
温 度
，
在部位碳含量仍很高，
通过长时间保温使奥氏
体成分趋于均匀。
2 钢在冷却时的转变
冷却是热处理更重要的工序。 一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程 处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥
氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。随过冷度不 同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和 马氏体转变三种类型转变。 现以共析钢为例说明：
能的主要特点。
马氏体的硬度主要 取决于其含碳量。
含碳量增加，其硬 度增加。
C%
马氏体硬度、韧性与含碳量的关系
当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。
合金元素对马氏体硬度的影响不大。
3 过冷奥氏体转变产物（共析钢）
转变 转变 形成温 转变 类型 产物 度， ℃ 机制
显微组织特征
获得 HRC 工艺
⑵ 对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球 化退火作组织准备。
⑶ 普通件最终热处 理。
要改善切削性能， 低碳钢用正火，中 碳钢用退火或正火, 高碳钢用球化退火.
合适切削加工硬度
热处理与硬度关系
5 钢的淬火
淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk速 度冷却，使奥氏体转变 为马氏体的热处理工艺.
钢的热处理总结
1、热处理定义：把固态金属材料通过一定的加热，保温和冷却以改变其组织和性能的一种工艺。
目的及意义：金属材料改变性能的方法，改变使用性能和工艺性能，充分利用材料的潜能，控制产品质量，节省资源和材料，缩短生产周期、降低成本2、固态相变定义：成分、温度、压力等因素改变时，固态物质内部发生的组织结构变化。
研究意义：控制过程→获得预期的组织→得到预期性能。
三种基本变化：成分；结构；有序度主要特点：相变阻力大，相界面结构关系，存在一定的位向关系和惯习面，非均匀、缺陷处形核，新相有特定形状`，原子迁移率低驱动力：新/旧两相自由能差,晶体缺陷能阻力：1，界面能界面能产生原因：界面有一定厚度和体积；原子错排；结合键受破坏→能量高三种界面类型：完全共格：界面原子完全匹配，除孪晶外，少见。
半共格：界面能与位错密度、错配度有关，借助弹性畸变保持界面的匹配。
非共格：界面能最大2，应变能产生原因：新/旧相比容不同（比容差应变能）。
界面错配→新/旧相硬匹配（共格应变能）共格界面应变能最大，非共格最小比容差应变能与新相几何形状有关，球形应变能最大，针状居中，片状最小3、奥氏体性能←力学性能：塑性好、强度低。
←物理性能：顺磁性。
比容小。
热膨胀系数大。
导热性能差。
←化学性能:抗腐蚀；耐热。
形成条件：（1）Ac1、Ac3、Accm以上，有一定的过热度。
（2），过热度大，容易形成（3），实际相变温度与加热速度有关，不是固定值，加热速度越快，Ac1、Ac3、Accm越高。
奥氏体形成（1）形核←球化体：优先在晶界的F/碳化物界面上形成，其次在晶内的F/碳化物界面上形成←片状P：优先在P团的界面上形成，其次在F/碳化物界面上形成←相界形核原因碳浓度起伏，如F中高浓度区有利于向A转变结构起伏→晶体结构改组容易能量起伏→杂质、晶体缺陷多→形核→降低界面能、应变能（2）长大←球化体：A包围碳化物，使碳化物与F分开，A形成F/A和C/A两个界面，双向推进长大。
钢的热处理工艺
退火工艺规范示意图
（完全退火、 球化退火、 扩散退火、 去应力退火、 再结晶退火）
工艺参数:
名称 完全退火 球化退火 去应力退火 扩散退火 再结晶退火
温 度 ( °C ) Ac3 +20～30 Ac1 + 20～30
将工件加热到低于AC1的某一温度（一般为 500～600 ℃） ，保温后缓慢冷却。 去应力退火又称为低温退火，这种退火主要用 来消除铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件 等的残余应力。如果这些应力不予消除，将会 引起钢件在一定时间以后或在随后的切削加工 过程中产生变形或开裂。
再结晶退火 （Recrystallization Annealing )
• 等温退火转变过程较易控制，还可缩 短工件在炉内的停留时间，更适合孕 育期长的合金钢。
• 等温退火是完全退火工艺的改进。
球化退火(Soft Annealing)
球化退火是使钢中碳化物 （渗碳体）球状化，获得粒 状珠光体的一种热处理工艺。
操作：将工件加热到Ac1+ 20~30℃温度， 保温较长 时间后缓冷，使二次渗碳体 和珠光体中的渗碳体球状化， 然后出炉空冷。
再结晶退火
普通退火
等温退火
普通球化 退火
等温球化 退火
去应力退火
完全退火(Fully annealing)
定义：将工件加热到Ac3+20~30℃，保温后缓慢 冷却的退火工艺。 • 完全退火又称为重结晶退火(recrystallization annealing)，简称退火，这种退火主要用于亚共 析成分的各种碳钢和合金钢。 • 完全退火常作为某些工件的预先热处理，也可作 为一些不重要工件的最终热处理工艺。 • 完全退火要点：加热温度 Ac3 + 20～30℃，缓冷， 适合亚共析钢。
钢的热处理工艺技术
钢的热处理工艺技术钢的热处理工艺技术是一种通过改变钢材的组织结构和性能来达到预期目标的方法。
不同的热处理工艺可以改善钢材的硬度、韧性、强度、耐磨性等性能，从而满足不同用途的要求。
以下是一些常见的钢的热处理工艺技术。
1. 退火：退火是将钢材加热到一定温度，然后缓慢冷却到室温。
退火能改善钢材的塑性和韧性，减少内部应力，使其易于加工和变形。
2. 淬火：淬火是将钢材加热到临界温度以上，然后迅速冷却到室温。
淬火能提高钢材的硬度和强度，但会降低其韧性。
常见的淬火方法包括水淬、油淬和气体淬火等。
3. 回火：回火是将已经淬火的钢材重新加热到一定温度，然后通过不同的冷却速率进行冷却。
回火能减少淬火时产生的脆性，提高钢材的韧性和抗疲劳性能。
4. 正火：正火是将钢材加热到过冷状态下的温度，然后冷却到室温。
正火能改善钢材的强度和韧性，减少内部应力。
5. 淬火和回火：淬火和回火是一种常用的复合热处理工艺。
先将钢材淬火，然后进行回火，能够在保持一定硬度的同时提高韧性。
6. 软化退火：软化退火是用于消除冷加工或焊接后的钢材内部应力和硬度的一种热处理方法。
通过加热到一定温度，然后进行适当速率的冷却，使钢材恢复到一定的韧性和塑性。
7. 预应力退火：预应力退火是一种用于提高钢材的强度和韧性的热处理方法。
通过在加热阶段施加机械应力，然后进行退火处理，能够在保持较高强度的同时提高韧性和耐疲劳性能。
以上是一些常见的钢的热处理工艺技术，每种方法在实践中都有其适用范围和特定工艺参数。
合理选择和控制热处理工艺，能够使钢材达到所需的性能要求，并满足具体工程应用的需要。
钢的热处理工艺技术是钢材加工和制造过程中非常重要的环节，它能够改善钢材的性能，增加其应用价值。
随着现代工业的发展，钢材的应用领域越来越广泛，对于不同类型的钢材，需要采用适当的热处理工艺来实现所需的性能要求。
首先，退火是最常见的钢材热处理工艺之一。
退火过程中钢材被加热到一定温度，然后缓慢冷却到室温。
第五章 钢的热处理
等温退火
加热温度：Ac1以上10-20度，或Ac3以上30-50度 组织：P 目的： ①与完全退火、球化退火相同 ②更均匀的组织和硬度 ③显著缩短生产周期 应用范围：高碳钢，合金工具钢，高合金钢。
球化退火（不完全退火）
加热温度：Ac1以上20-40度 应用范围：过共析钢，共析钢 组织：球状P（F+球状FeC3） 目的： ①使FeC3球化→HRC↓，韧性↑→切削性↑ ②为淬火作准备
钢加热到930℃±10℃、保温8小时、冷却后测得的晶 粒度 表示钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向 本质细晶粒钢
本质粗晶粒钢
本质细晶粒钢M和本质粗晶粒钢K晶粒长大示意图
图5-5
第二节 钢的冷却转变
一、过冷奥氏体 二、在冷却转变时，相变温度对转变速度的 影响 三、过冷奥氏体等温转变曲线 四、过冷奥氏体等温转变的产物的组织和性 能 五、过冷奥氏体连续冷却转变曲线
三、过冷奥氏体等温转变曲线
温 度 ℃ 700 600 550 500 400 300 200 100
2 3 4 5 6
Ar
Ms
1
10 10 10
10
10 10
时间（s）
图5-8
共析碳钢过冷A等温曲线的建立
图5-9
四、过冷奥氏体等温转变的产物的组织和性能
珠光体转变 贝氏体转变
马氏体的组织与形态
一、奥氏体化前的组织
我们只考虑比较简单的情况即奥氏体化前的 组织为平衡组织的情况。 对于亚共析钢 → F+P 共析钢 → P 过共析钢 → Fe3CⅡ+P
二、奥氏体的形成温度与Fe- Fe3C状态图的关系
对于加热：非平衡条件下的相变温度高于平衡条 件下的相变温度； 对于冷却：非平衡条件下的相变温度低于平衡条件 下的相变温度。 这个温差叫滞后度。加热转变 → 过热度， 冷却转变 → 过冷度，且加热与冷却速度越大，温 度提高与下降的幅度就越大，导致热度与过冷度越 大。此外，过热度与过冷度的增大会导致相变驱动 力的增大，从而使相变容易发生。
钢的热处理工艺
钢的热处理工艺钢的热处理工艺，是指通过加热、保温和冷却等工艺步骤，改变钢材的结构和性能。
热处理工艺可以使钢材具有更高的强度、硬度、耐磨性和耐蚀性，提高其使用性能。
常见的钢的热处理工艺包括退火、正火、淬火和回火等。
退火是钢材的一种常见热处理工艺。
通过加热钢材至适当温度后，进行保温一段时间，然后缓慢冷却至室温。
退火可以消除钢材的内应力，改善钢材的塑性和韧性，减少脆性，同时提高钢的延展性和可加工性。
正火是指将钢材加热至高于临界温度后，进行保温一段时间，然后将钢材风冷或水冷至室温。
正火可以提高钢材的强度和硬度，改善其耐磨性能。
正火过程中的冷却速度较缓慢，使得钢材晶粒长大，同时降低了内应力。
淬火是将加热至临界温度的钢材迅速冷却，使其组织转变为马氏体。
马氏体是一种具有高强度和硬度的组织。
淬火工艺中的冷却速度非常快，可以制造出高强度的硬质钢。
回火是将淬火后的钢材加热至一定温度，并保持一定时间后，再进行冷却。
回火工艺可以降低淬火后钢材的脆性，提高其韧性，增加塑性和抗热应力能力。
回火也可用于调整钢材的硬度和强度。
除了上述常见的热处理工艺外，还有调质、表面硬化、固溶处理等多种热处理方法可用于钢材加工。
总之，钢的热处理工艺通过改变钢材的结构和性能，使其具备更好的力学性能和耐磨性能。
热处理工艺的选择需要根据钢材的成分、用途和要求来确定，以确保最佳的性能结果。
钢材在现代工业中被广泛应用，其性能可以通过热处理工艺得到显著提升。
这些热处理工艺能够改变钢材的组织结构，并调整其力学性能和物理性能。
一种常见的钢材热处理工艺是退火。
退火是将钢材加热至高温，然后经过保温一段时间，最后缓慢冷却至室温。
退火过程中，钢材的晶粒会得到细化，内应力被消除，从而提高了材料的塑性和韧性。
退火也可以减少脆性，并改善加工性能和可塑性。
另一种常见的热处理工艺是正火。
正火是将钢材加热至高于临界温度，然后经过保温一段时间，最后通过风冷或水冷来快速冷却。
正火可以增加钢材的强度和硬度，改善其耐磨性能。
钢的热处理工艺
二、回火的分类和应用
根据回火温度和对淬火钢力学性能的要求，一般 将回火分为三类 ：
定义：是将钢加热到略低于固相线的温度，长时间 保温（10~20 h），以消除成分偏析的热处理工 艺。
加热温度；略低于固相线温度。 亚共析钢：T＝Ac3 + (150℃～300℃) 过共析钢：T＝Accm+(150℃～300℃) 目的：为了消除晶内偏析，使成分均匀化 实质：使合金元素的原子充分扩散。 适用于：合金钢铸件和铸锭。 后续处理：保温10～20小时退火后晶粒较粗大，一
热处理分类
普通热处理：退火、正火、 淬火与回火
表面热处理：表面淬火 化学热处理
形变热处理：控制轧制
§10-1 钢的退火与正火
一、钢的退火
钢的退火：将（组织偏离平衡状态的）钢加热到Ac1 以上或以下温度，保温一定的时间，然后缓慢冷却 （一般为炉冷至550℃后空冷），以获得接近平衡状态 组织的热处理工艺。
4、 淬火冷却介质
理想冷却速度： 1）在Ac1～650℃之
间慢冷，以↓热应力 2）在650℃～400 ℃
之间快冷，以避开“鼻 尖；防发生非M相变 3）在400 ℃以下慢冷 ，以↓组织应力。
图5 理想冷却速度
常用淬火介质介绍
1．自来水（30℃以下）
冷却特性：在650-400 ℃冷却能力较小、在Ms附近点 冷速极快，淬硬能力较强。
淬透性与淬透层 深度关系：
钢的热处理工艺
冈的热处理第一章钢的热处理热处理工艺包括：将钢材或钢制件加热到预定温度，在此温度下保温一定时间。
然后一定的冷却速度冷却下来，达到热处理所预定的对钢材及钢制件的组织与性能的要求。
1.1□制定钢的加热制度加热温度、加热速度、保温时间。
1.1.1加热温度的选择加热温度取决于热处理的目的。
热处理分为：淬火、退火、正火、和回火等。
淬火的目的是为了得到细小的马氏体组织，使钢具有高的硬度；退火及正火的目的是获得均匀的珠光体组织，因此其加热温度不同。
在具体制定加热温度时应按以下原则：热处理工艺种类及目的要求；被加热钢材及钢制件的化学成分和原始状态；钢材及钢制件的尺寸和形状以及加热条件来制定。
对于碳钢及低合金钢的加热温度：亚共析钢淬火温度：A「q以上30〜50℃；C3过共析钢淬火温度：A C3以上30〜50℃;亚共析钢完全退火：A C3以上20〜30℃；过共析钢不完全退火：A C3以上20〜30℃；正火A C3或A CM以上30〜50℃；1.1.2加热速度的选择必须根据钢的化学成分及导热性能；钢的原始状态及应力状态；钢的尺寸及形状来确定加热速度。
如钢的原始状态存在着铸造应力或轧煅热变形残余应力时，在加热是应特别注意。
对这类钢要特别控制低温阶段的加热速度。
钢的变形与热裂倾向是以钢的化学成分及原始状态不同而不同，主要有以下几点：a）低碳钢比高碳钢热烈倾向小；b）碳钢比合金钢变形开裂倾向小；c）钢坯和成品件比钢锭变形和开裂倾向小；d）小截面比大截面的钢变形和开裂倾向小。
1.1.3钢在加热时的缺陷a）过热：过热就是由于加热温度过高，加热时间过长使奥氏体晶粒过分长大。
粗大的奥氏体晶粒在冷却时产生粗大的组织，并往往出现魏氏组织，结果是钢的冲击韧性、塑性明显下降。
已过火的钢可以在次正火或退火加以纠正。
b）强烈过热：加热温度过高或加热保温时间过长，使氧或硫沿晶界渗入钢中或者钢中的精选范本硫与氧在高温下溶解于奥氏体中，在冷却过程中硫或氧以化合物形态沿粗大的奥氏体晶界析出。