结构钢的热处理工艺、组织与性能之间的关系
碳钢的热处理工艺对组织和性能的影响
韧性
韧性随含碳量的增加而降 低，低碳钢具有较好的韧 性。
影响因素及变化规律
01
含碳量
含碳量是决定碳钢组织和性能的主要因素，随着含碳量的增加，钢的强
度和硬度提高，但塑性和韧性降低。
02 03
热处理工艺
通过不同的热处理工艺可以改变碳钢的组织结构，从而获得不同的力学 性能。例如，淬火可以提高钢的硬度和强度，但会降低韧性；回火可以 消除淬火应力，提高韧性和塑性。
正火
将金属加热到临界温度以上，保温一定时间后空 冷，以获得细化的珠光体组织，提高强度和硬度 。
回火
将淬火后的金属加热到Ac1以下某一温度，保温 一定时间后冷却，以消除内应力和脆性，提高韧 性和塑性。
热处理在碳钢加工中的应用
改善切削加工性能
通过退火或正火处理，消除碳钢 内应力，细化晶粒，提高切削加 工性能。
06
热处理工艺优化与改进方向
Chapter
新型热处理技术发展趋势预测
真空热处理技术
真空环境下进行热处理，可减少氧化、脱碳等表 面缺陷，提高材料性能。
等离子热处理技术
利用高温等离子体对材料进行快速加热和冷却， 实现高效、环保的热处理过程。
激光热处理技术
通过高能激光束对材料进行局部加热和快速冷却 ，实现高精度、高质量的热处理。
组合。
回火温度和时间
回火可以降低淬火钢的硬度，随着 回火温度的升高和时间的延长，硬 度逐渐降低。
合金元素
合金元素可以改变钢的淬透性和回 火稳定性，从而影响硬度。
韧性改善方法与效果评估
细化晶粒
通过细化晶粒可以提高钢的韧性，如采用正火、退火等工艺。
降低内应力
钢的热处理及其对组织和性能的影响
钢的热处理及其对组织和性能的影响一、实验目的1．熟悉钢的几种基本热处理操作（退火、正火、淬火及回火）；2．研究加热温度、冷却速度及回火温度等主要因素对碳钢热处理后性能的影响；3．观察和研究碳素钢经不同形式热处理后显微组织的特点；4．了解材料硬度的测定方法，学会正确使用硬度计。
二、实验概述钢的热处理就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作。
普通热处理的基本操作有退火、正火、淬火、回火等。
加热温度、保温时间和冷却方式是热处理最重要的三个基本工艺因素。
正确合理选择这三者的工艺规范，是热处理质量的基本保证。
1.加热温度选择（1）退火加热温度一般亚共析钢加热至A C3＋(20～30)℃（完全退火）；共析钢和过共析钢加热至A C1＋(20～30)℃（球化退火），目的是得到球化体组织，降低硬度，改善高碳钢的切削性能，同时为最终热处理做好组织准备。
（2）正火加热温度一般亚共析钢加热至A C3＋(30～50)℃；过共析钢加热至A Cm＋(30～50)℃，即加热到奥氏体单相区。
退火和正火加热温度范围选择见图3-1。
图1 退火和正火的加热温度范围图2 淬火的加热温度范围（3）淬火加热温度一般亚共析钢加热至A C3＋(30～50)℃；共析钢和过共析钢则加热至A C1＋(30～50)℃，加热温度范围选择见图3-2。
淬火按加热温度可分为两种：加热温度高于A C3时的淬火为完全淬火；加热温度在A C1和A C3（亚共析钢）或A C1和A CCm（过共析钢）之间是不完全淬火。
在完全淬火时，钢的淬火组织主要是由马氏体组成；在不完全淬火时亚共析钢得到马氏体和铁素体组成的组织，过共析钢得到马氏体和渗碳体的组织。
亚共析钢用不完全淬火是不正常的，因为这样不能达到最高硬度。
而过共析钢采用不完全淬火则是正常的，这样可使钢获得最高的硬度和耐磨性。
在适宜的加热温度下，淬火后得到的马氏体呈细小的针状；若加热温度过高，其形成粗针状马氏体，使材料变脆甚至可能在钢中出现裂纹。
钢材的组织结构与力学性能研究
钢材的组织结构与力学性能研究钢材作为一种广泛应用于建筑、制造和工程等领域的重要材料，其性能的研究对于提高材料的质量和效率至关重要。
钢材的组织结构与力学性能之间存在着密切的关联，探索这种关联有助于优化钢材的性能。
首先，钢材的组织结构对其力学性能具有重要影响。
钢材的组织结构可以分为晶粒、相、晶界等多个层次。
晶粒是钢材中最小的结构单元，晶界是相邻晶粒之间的界面。
晶粒的大小和形状直接影响着钢材的强度和韧性。
晶粒尺寸较小的钢材通常具有更高的强度，而晶粒尺寸较大的钢材则具有较好的韧性。
相的种类和分布对钢材的性能也有重要影响。
不同的相可以提供不同的强度和硬度，并影响钢材的塑性和变形行为。
而晶界则对钢材的强度和断裂韧性具有显著影响。
晶界的移动和滑动会导致钢材的塑性变形，而晶界的断裂则决定了钢材的韧性。
其次，钢材的组织结构与力学性能之间的关系可以通过多种材料科学和力学测试来研究。
一种常用的方法是通过金相显微镜观察钢材的组织结构。
金相显微镜可以用来观察晶粒的大小和形状、相的分布以及晶界的形貌。
这种观察可以为进一步分析钢材的性能提供基础。
另外，通过力学测试如拉伸试验、压缩试验和冲击试验等，可以得到钢材的力学性能参数，如强度、韧性和硬度等。
将这些力学性能参数与钢材的组织结构进行对比和分析，可以揭示出二者之间的内在关系。
此外，钢材的组织结构和力学性能的优化研究也十分重要。
通过合理设计和控制钢材的组织结构，可以达到提高其力学性能的目的。
例如，通过调整热处理参数可以控制钢材中的相变和晶粒尺寸。
合理的热处理过程可以使得钢材中形成所需的相结构和晶粒尺寸，从而实现力学性能的优化。
此外，通过掺入一定比例的合金元素也可以改变钢材的组织结构和性能。
添加合金元素可以改善钢材的强度、硬度和韧性等性能指标。
总之，钢材的组织结构与力学性能之间存在着密不可分的关系。
对于钢材性能的研究和优化需要综合运用材料科学和力学的方法。
进一步的研究不仅可以帮助优化钢材的性能，也对于提高加工工艺和应用领域的效率具有重要意义。
钢的热处理实验报告
钢的热处理实验报告篇一：热处理实验报告热处理工艺对钢组织与性能的影响一、实验目的1. 了解热处理工艺、组织和性能之间的关系。
2. 了解热处理设备和几种热处理工艺的实际操作，熟悉合金元素在钢中的作用。
3. 考查学生综合运用所学理论和实验技术的能力，培养学生独立分析和解决问题的能力。
二、实验内容与方案本实验采用的钢材有40、40CrNi和T8三种，对于每一种钢材，要求得到如下组织：晶粒粗大的马氏体+残余奥氏体；晶粒细小的马氏体+残余奥氏体；回火马氏体；回火屈氏体；回火索氏体；铁素体+珠光体。
对于40和40CrNi钢还要求得到如下组织：屈氏体网+马氏体+残余奥氏体；铁素体+马氏体+残余奥氏体。
全班分三组，每组选一种钢材，每人选一种组织进行如下实验：1. 根据所选钢种和组织，综合运用所学的热处理知识，制定合理的（或能得到所要求显微组织的）热处理工艺；2. 按照制定的热处理工艺对钢进行热处理；3. 测定热处理后钢材的性能；4. 制备金相试样，观察组织并记录；5. 总结并讨论实验结果。
三、实验设备与材料1. 40、40CrNi和T8钢试样2. 加热炉3. 硬度计4. 拉伸试验机5. 冲击试验机6. 金相显微镜及数码照相系统7. 磨光机及金相砂纸8. 抛光机及抛光液9. 浸蚀剂、酒精、玻璃器皿、竹夹子、脱脂棉、滤纸等四、实验基本要求1. 每位同学均要首先根据实验总学时和实验要求制定实验方案（包括实验时间的具体安排）。
注意本综合性实验为团队性实验，每位同学均无法单独完成，制定方案和时间安排时要与其他同学协调好。
2．在每个同学根据所选钢种和组织制定了相应热处理工艺的基础上，以组为单位讨论并协调热处理方案；3. 按照方案进行热处理、性能测定、组织观察与记录；4. 以组为单位分析和总结实验结果，然后再以班为单位分析和总结实验结果。
五、实验结果分析1. 根据所选钢种和组织，给出合理的热处理工艺，并作简要分析下图为T8钢水淬后在300℃回火得到的金相图钢淬火后在300℃左右回火时，易产生不可逆回火脆性。
20号钢热处理工艺对组织性能的影响
屈服强度 (Mpa)
≥250
伸长率 %
≥25
面积缩减 %
≥55
冲击功 (J)
无
2.2 实验设计内容 根据对含碳量，加热温度，加热时间，冷却速度对碳钢材料硬度的影响资料的检索
得到如下的相关数据：
表 3 含碳量对碳钢硬度的影响
材料
时间
20 钢/Wc=0.2%
2 4
45 钢/Wc=0.45%
2 4
查阅资料，独立制定实验计划，交实验预习报告经老师神月批准（2 天）
实验操作、记录实验数据和结果（5 天）
分析结果，写出实验报告（2 天）
2.9 实验结果
表 6 金相经不同冷却速度的硬度
冷却方式
硬度
淬火前硬度（HRC）
淬火后硬度（HRC）
水冷
16.8
38.7
油冷
16.2
22
空冷
15.8
11.5
图 4 水冷 ×200 图 5 油冷 ×200
图 6 空冷 ×200 3.讨论
从实验结果来看，如图 4，5 得到了细小的马氏体组织，如图 6，得到了成块状 的奥氏体组织，可知该实验设计是合理的，经查阅资料 20 号钢的相变点温度（近 似值）Ac1=735℃，Ac3=855℃，Ar3=835℃，Ar1=680℃（如图 7）。
本试样为 20 号碳钢，则加热时间为： t k D (10 ' ~ 30 ' ) k 为1' / mm
D 为工件有效厚度（单位/mm） 保温结束后，根据冷却方式空气冷，油冷，水冷分别进行冷却。 3 制取金相试样流程图
2.8 实验的安排
专题讲座及基础训练，分配题目（1 天）
冷却，以得到高硬度的淬火马氏体组织的一种工艺方法。
碳素结构钢的含碳量,晶体组织与其性能间的关系
碳素结构钢的含碳量,晶体组织与其性能间的关系.《碳素结构钢的含碳量、晶体组织与其性能间的关系》一、碳素结构钢的含碳量碳素结构钢是由铁、碳元素组成的一种合金钢，其特殊的性质在于含碳量超过0.8%的钢被称为碳素钢。
碳素结构钢，也就是铁元素含量为0.4%-2.4%,碳元素含量0.8%-1.6%的碳钢。
含碳量超1.2%,则将钢分为低合金碳素钢、中合金碳素钢和高合金碳素钢三类。
碳素结构钢的含碳量越高，其韧性和塑性也会随之增加，但是同时其加工性能也会随之下降，同时热处理的工艺也会受影响。
综上，选择合适的碳素结构钢，必须根据其含碳量进行区分。
二、晶体组织与碳素结构钢性能的关系晶体组织能够直接影响碳素结构钢的性能，因此，在分析碳素结构钢的性能之前，必须先从晶体组织出发。
晶体组织可分为同晶组织、马氏体组织和等轴尺寸组织三类。
同晶组织由非枝晶网络形成，其特点是晶内材料具有较高的硬度与抗拉强度，但同时塑性较差，热处理工艺也相对较困难;马氏体组织是一种较易产生的晶体结构，可以通过热处理调节，其强度和耐磨性要高于同晶组织，其加工性能也较好;等轴尺寸组织是晶体中最广泛的形式，其特点是强度较高，耐蚀性也较好，同时具有良好的应变塑性，在热处理工艺上也容易较同晶组织。
从以上可以看出，不同的晶体组织对碳素结构钢的性能具有重要的影响，因而有助于指导碳素结构钢的开发与加工。
三、性能与工艺碳素结构钢的性能与碳含量、晶体组织、热处理工艺的参数有着非常密切的关系，因此，正确的热处理工艺对改善碳素结构钢的性能是至关重要的。
在正确选择以前两步中参数，以及搭配正确的热处理工艺之后，便可以诞生优质的碳素结构钢，同时既具有足够的强度，又具有较好的耐腐蚀性和附加塑性能等性质。
最常见的热处理工艺有正火处理、退火处理，以及疲劳回复等。
正火处理，其性能一般取决于热处理温度差别，如果含碳量较高，一般采用低温正火处理，而在低温正火处理上，一般可以分成普通正火处理，准硬化正火处理，以及淬火正火处理等。
热处理工艺对不同材料的显微组织和相变的影响
热处理工艺对不同材料的显微组织和相变的影响热处理工艺是材料科学中一个非常重要的工艺，通过控制材料的加热和冷却过程，可以显著改变材料的显微组织和性能。
不同材料的显微组织和相变受热处理工艺的影响也不尽相同。
首先，对于钢材来说，热处理工艺对其显微组织和相变的影响尤为明显。
钢材经过加热和冷却过程，可以通过不同的热处理方式，如退火、正火、淬火等，来调控其组织和性能。
退火处理可以通过连续加热至适当温度，然后慢慢冷却，使钢材结晶微观组织内部发生均匀化和再结晶，从而获得良好的塑性和韧性。
而正火处理则是将钢材加热至奥氏体区域，然后慢慢冷却，使其获得良好的硬度和强度。
淬火则是将钢材迅速冷却，使其形成马氏体组织，从而获得更高的硬度。
通过这些热处理工艺，可以使钢材在不同工程应用中具有理想的组织和性能。
此外，对于铝合金来说，热处理工艺也能对其显微组织和相变产生重要的影响。
铝合金中的合金元素通过热处理可以形成细小且均匀分布的相，如硬质相、溶固相等。
通过固溶处理，可以将整个合金加热至其固溶温度，然后迅速冷却，使溶固相得到均匀溶解，并使合金的形变能降低。
而时效处理则是将固溶态的合金加热至一定温度，在一定时间内静置，使溶固相再次析出，并进行相变。
这种时效处理能够调节合金的硬度和强度，提高其机械性能。
此外，对于陶瓷材料来说，热处理工艺同样会对其显微组织和相变产生影响。
常见的热处理工艺有烧结和再结晶等。
烧结是指将陶瓷颗粒加热至一定温度，使其表面熔化并熔结在一起，从而形成致密的陶瓷材料。
再结晶则是将陶瓷材料加热至足够高的温度，使其发生晶粒长大和再分布的过程，从而改善材料的晶界和性能。
总之，热处理工艺对不同材料的显微组织和相变产生着重要的影响。
通过合理选择热处理工艺和参数，可以调控材料的显微组织，从而实现对材料性能的优化和调整。
在实际应用中，热处理工艺在材料的制备和加工过程中扮演着重要的角色，为各行各业的发展提供了支撑。
因此，研究和掌握不同材料的热处理工艺，对于材料科学和工程领域的发展具有重要的意义。
新版热处理工艺(热处理工艺对碳钢组织和硬度的影响实验报告)
——淬火是将工件加热到AC3或AC1点以上某一温度保持一定时间。
然后以适当速度快速冷却获得马氏体或（和）贝氏体组织的热处理工艺。
目的：就是为了获得马氏体或下贝氏体组织，提高强度硬度，以便在随后不同温度回火后获得所需要的性能。
1、淬火加热温度淬火温度主要是根据Fe—Fe3C相图中钢的临界点确定。
亚共析钢的淬火加热温度：AC3以上30℃~50℃，使钢完全奥氏体化，淬火后获得全部马氏体组织。
共析钢、过共析钢的淬火加热温度：为AC1以上30℃~50℃，得到奥氏体和部分二次渗碳体，淬火后得到马氏体（共析钢）或马氏体加渗碳体（过共析钢）组织。
2、淬火冷却淬火冷却时，要保证获得马氏体组织，必须使奥氏体以大于马氏体临界冷却速度冷却，而快速冷却会产生很大淬火应力，导致钢件的变形与开裂。
因此，淬火工艺中最重要的一个问题是既能获得马氏体组织，又要减小变形、防止开裂。
常用冷却介质：目前应用最广泛的淬火冷却介质是水和油。
实际生产中，使用的冷却介质较多，到目前为止，尚未找到一种介质，能完全符合理想淬火冷却速度的要求。
水具有较强烈的冷却能力，用作奥氏体稳定性较小的碳钢的淬火，水冷却介质最为合适。
油的冷却能力比水小，因此，生产中用油作冷却介质，只适用于过冷奥氏体稳定性较大的合金钢淬火。
常用淬火方法：主要有单介质淬火、双介质淬火、马氏体等温淬火、贝氏体等温淬火。
选择适当的淬火方法可以保证在获得所要求的淬火组织和性能条件下，尽量减小淬火应力，减少工件变形和开裂倾向。
工程材料及成形工艺基础淬火冷却方法（1）单介质淬火是采用一种淬火介质中一直冷却到室温的淬火方法。
这种淬火方法的优点是操作简便，适用于形状简单的碳钢和合金钢工件。
形状简单、尺寸较大的碳钢工件多采用水淬，小尺寸碳钢件和合金钢件一般用油淬。
缺点对大尺寸和或形状复杂的工件，采用水淬变形开裂倾向大，而油淬冷却速度小，淬不硬。
（2）双介质淬火是将工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质，在组织即将发生马氏体转变时，立即转入冷却能力弱的介质中冷却。
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学
1、淬火温度-碳钢
亚共析钢
淬火温度为Ac3+30-50℃
预备热处理组织为退火或 正火组织
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• 亚共析钢淬火组织：
• 0.5%C时为M
• 0.5%C时为M+A’。
45钢(含0.45%C)正常淬火组织
65MnV钢(0.65%C) 淬火组织
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共析钢
• 淬火温度为Ac1+30-50℃；淬火组织为M+A’
适用于
弹簧热处理
淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质
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试验方法与步骤 试验方法与步骤
• 1、将T11钢分别在920℃、880℃、860℃加热，保 温20分钟，并分别在10%盐水、水、和油中淬火； • 2、观察淬火后式样的组织并测其洛氏硬度； • 3、将各个试样分别在180℃、350℃、560℃回火半 个小时； • 4、观察回火组织并测其洛氏硬度。
20钢 45钢 T8钢
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过共析钢
• 淬火温度: Ac1+30-50℃ • 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。 • 淬火组织:
T12钢（含1.2%C）正常淬火组织
M+Fe3C颗粒+A’。(预备组织为P球)
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2、淬火介质
• 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介质。
• 力强，但低温却能
Ms Mf
力太大，只使用于形状简单的碳钢件
理想淬火曲线示意图
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• 油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太
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热 处 理
热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，并在
该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到
室温的一种热加工工艺。其目的是改变钢的内部组 织结构，以改善其性能。常用的热处理工艺为以下 几种：退火、正火、淬火和回火。
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一、退
火
将钢件加热至高于或低于钢的临界温度，经适当保 温后随炉或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，以获 得接近平衡状态组织的热处理工艺。
目 的：调整硬度，便于切削加工，适合加工的硬度
为170-250HB；消除内应力，防止加工中变形；细 化晶粒，为最终热处理作组织准备。
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二、正 火
• 正火是将亚共析钢加热到Ac3+30~ 50℃，共析钢加 热到Ac1+30~50℃，过共析钢加热到Accm+30~ 50℃ 保温后空冷的工艺。
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实验报告要求
• 1、写明实验目的、实验原理及试验方法
• 2、根据性能测定和组织观察，能够选定适当的淬火
回火工艺得到所需要的力学性能
• 3、分析不同的回火温度对结构钢组织和性能的影响
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实验数据表（硬度单位：HRC）
钢号
组织与 性能 淬火 组织 硬度 180℃回火 组织 硬度 350℃回火 组织 硬度 560℃回火 组织 硬度
• 目 的：对于低、中碳钢(≤0.6C%)，目的与退火的
相同；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； 普通件最终热处理。
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三、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。
淬火是应用最广的热处理工艺之一。
淬火目的是为获得马氏体组织，提高钢的性能
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.
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3、淬火方法
• 采用不同的淬火方法 可弥补介质的不足
1—单液淬火法 2—双液淬火法 3—分级淬火法 4—等温淬火法
结构钢的热处理工艺、组织分析 与性能之间的关系
湘 潭 大 学
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实 验 目 的
• 1、了解淬火、回火工艺对结构钢组织和性能的影响
• 2、确定结构钢具有综合机械性能的热处理工艺
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实 验 原 理
结构钢是机械制造和工程构件中应用最广泛的一
类钢。它要求具有高的综合机械性能，即要求具有
高的强度、硬度以及好的塑性和韧性的配合。
获得良好的综合力学性能， 即在保持较高的强度同时， 具有良好的塑性和韧性。 广泛用于各种结构件如轴、 齿轮等热处理。也可作为 要求较高精密件、量具等 预备热处理。
在保留高硬度、 提高 及 ， e s 高耐磨性的同时， 同时使工件具 回火目的 降低内应力。 有一定韧性 。
应用
适用于各种高碳 钢、渗碳件及表 面淬火件。
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2、钢在回火时的转变 ①马氏体的分解
②残余奥氏体分解
③-碳化物转变为Fe3C
④Fe3C聚集长大和铁素体多边形化
湘 潭 大
学
3、回火脆性
• 淬火钢的韧性并不总
是随温度升高而提高。
• 在某些温度范围内
回火时，会出现冲击
韧性下降的现象，
称回火脆性。
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第一类回火脆性
• 又称不可逆回火脆性。是指淬火钢在250-350℃回火 时出现的脆性。 • 这种回火脆性是不可逆的，只要在此温度范围内回 火就会出现脆性，目前尚无有效消除办法
各种淬火方法示意图
湘 潭 大
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四、回 火
• 回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温适当时
间后，置于空气或水中冷却的工艺。
• 1、目 的：减少或消除淬火内应力, 防止变形或开裂； 获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性 大，回火可调整硬度、韧性；稳定尺寸；对于某些 高淬透性的钢，空冷即可淬火，如采用回火软化既 能降低硬度，又能缩短软化周期。
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第二类回火脆性 • 又称可逆回火脆性。是指淬火钢在500-650℃范围内
回火后缓冷时出现的脆性.
回火后快冷不出现，是可逆的。
防止办法：
⑴ 回火后快冷。
⑵ 加入合金元素W (约1%)、 Mo(约0.5%)。该法更适 用于大截面的零部件
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4、回火种类
低温回火 回火温度 回火组织 150-250℃ M回 中温回火 350-500℃ T回 高温回火 500-650℃ S回