第四章钢的热处理.docx
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第四章钢的热处理
课时授课计划
课程
金属工艺
授课班级
任课教师
屈道强
序号
10
授课日期
编制日期
课型
理论
节次
教具
课题
第一节钢在加热时的组织转变
第二节钢在冷却时的组织转变
目
的
要
求
1.掌握钢的热处理定义和分类；
2.了解钢在加热与冷却时的组织转变。
重点
与
难点
重点：
掌握加热和冷却时的组织转变；
难点：
加热和冷却时的组织转变、球化退火原理。
课程
导入
设计
讲授教学法
教法
设计
1．利用挂图等教具。
2．列举生活中的现象，分析原理与应用，以点带面。
作业
与
思考
P55
课
后
记
事
第四章钢的热处理
热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺。
热处理工艺方法较多，但其过程都是由加热、保温、冷却三个阶段组成，如图4--1
热处理的分类见表4--1
。
第一节钢在加热时的组织转变
大多数零件的热处理都是先加热到临界点以上某一温度区间，使其全部或部分得到均匀的奥氏体组织，然后采用适当的冷却方法，获得所需要的其它组织结构，如马氏体、贝氏体等。
金属或合金在加热或冷却过程中，发生相变的温度称为相变点或临界点，如图4—2。
在铁碳合金状态图中，A1、A3、Acm是平衡条件下的临界点；
实际加热时的临界点标为Ac1、Ac3、Accm；
冷却时的临界点标为Ar1、Ar3、Arcm。
一、奥氏体的形成
以共析钢为例来分析共析钢奥氏体的形成过程。
珠光体向奥氏体的转变，是由化学成分和晶格都不相同的两相，转变为另一种化学成分和晶格的过程，因此，在转变过程中必须进行碳原子的扩散和铁原子的晶格重构，即发生相变。
研究发现：
奥氏体的形成是通过形核和核长大过程来实现的。
珠光体向奥氏体转变可以分为四个阶段：
①奥氏体晶核形成；②奥氏体晶核长大；③残余渗碳体溶解；④奥氏体化学成分的均匀化，如图4—3。
钢在热处理时之所以需要一定的保温时间，不仅是为了把零件热透，而且也是为了获得化学成分均匀的奥氏体，以便在冷却时得到良好的组织和性能。
由铁碳合金状态图可以看出，亚共析钢需加热到Ac3以上，并保温适当时间，才能得到化学成分均匀单一的奥氏体组织；过共析钢需加热到Accm以上，并保温适当时间，才能得到化学成分均匀单一的奥氏体组织。
二、奥氏体晶粒长大及其控制措施
钢中奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后的组织和性能。
奥氏体晶粒细小，则其转变产物的晶粒也较细小，其性能也较好；反之，转变产物的晶粒则粗大，其性能则较差。
1．合理选择加热温度和保温时间
2．选用含有合金元素的钢
第二节钢在冷却时的组织转变
实践证明：
同一化学成分的钢，加热到奥氏体状态后，若采用不同的冷却方法和冷却速度进行冷却，将得到形态不同的各种组织，从而获得不同的性能。
♦在一定冷却速度下进行冷却时，奥氏体要过冷到A1温度以下才能完成转变。
在共析温度以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体，也称亚稳奥氏体，它有较强的相变趋势。
钢在冷却时，可以采取两种冷却转变方式：
等温转变和连续冷却转变。
♦等温转变是指工件奥氏体化后，冷却到临界点以下的某一温度区间内等温保持时，过冷奥氏体发生的相变。
♦连续冷却转变是指工件奥氏体化后以不同冷速连续冷却时过冷奥氏体发生的相变。
采用等温转变可以获得单一的珠光体、索氏体、托氏体、上贝氏体、下贝氏体和马氏体组织。
而采用连续冷却转变时，由于连续冷却转变是在一个温度范围内进行，其转变产物往往不一定是单一的，根据冷却速度的变化，有可能是P＋S、S＋T或T＋M等。
课时授课计划
课程
金属工艺
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11
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理论
节次
教具
课题
第三节退火与正火
目
的
要
求
1.掌握退火与正火对金属性能的影响；
2.了解退火与正火原理及分类。
重点
与
难点
重点：
掌握退火与正火对金属性能的影响；
难点：
退火与正火原理
课程
导入
设计
讲授教学法
教法
设计
1．利用挂图等教具。
2．列举生活中的现象，分析原理与应用。
作业
与
思考
P55
课
后
记
事
第三节退火与正火
钢的退火与正火是常用的两种基本热处理工艺方法，主要用来处理工件毛坯，为以后切削加工和最终热处理做组织准备，因此，退火与正火通常又称为预备热处理。
对一般铸件、焊接件以及性能要求不高的工件来讲，退火和正火也可作为最终热处理。
一、钢的退火
将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺过程叫钢的退火，其目的是消除钢的内应力；降低硬度，提高塑性；细化组织，均匀成分，以利于后续加工，并为最终热处理做好组织准备。
根据钢的化学成分和退火目的不同，退火常分为：
完全退火、球化退火、去应力退火、扩散退火和再结晶退火等，如图4—5，图4—6.
1.完全退火
♦完全退火是将工件完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火。
完全退火后所得到的室温组织为铁素体和珠光体。
完全退火主要用于亚共析钢的铸件、锻件、焊接件等。
2.球化退火
球化退火是使工件中碳化物球状化而进行的退火。
球化退火得到的室温组织为铁素体基体上均匀分布着球状（粒状）渗碳体，即球状珠光体组织。
球化退火主要用于过共析钢和共析钢制造的刃具、量具、模具等零件。
3.去应力退火
去应力退火是为去除工件塑性形变加工、切削加工或焊接造成的内应力及铸件内存在的残余应力而进行的退火。
钢件在去应力退火的加热及冷却过程中无相变发生。
去应力退火主要用于消除钢件在切削加工、铸造、锻造、热处理、焊接等过程中产生的残余应力并稳定其尺寸。
二、钢的正火
指工件加热到奥氏体化后在空气中缓慢冷却的热处理工艺过程叫正火。
正火的目的是细化晶粒，提高硬度，消除网状渗碳体，并为淬火、切削加工等后续工序作组织准备。
生产中正火主要应用于如下场合：
（1）改善切削性能。
低碳钢和低合金钢退火后铁素体所占比例较大，硬度偏低，切削加工时有“粘刀”现象，而且表面粗糙度值较大。
通过正火能适当提高硬度，改善切削加工性。
（2）消除网状碳化物，为球化退火作组织准备。
（3）用于普通结构零件或某些大型非合金钢工件的最终热处理，以代替调质处理，如铁道车辆的车轴。
（4）用于淬火返修件，消除应力，细化组织，防止重新淬火时产生变形与开裂。
小结与作业
课时授课计划
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金属工艺
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屈道强
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12
授课日期
编制日期
课型
理论
节次
教具
课题
第四节淬火
目
的
要
求
1.掌握钢的热处理定义和分类；
2.了解钢在加热时的组织转变。
重点
与
难点
重点：
掌握淬火的有关概念
难点：
淬透性和淬硬性
课程
导入
设计
讲授教学法
教法
设计
1．利用挂图等教具。
2．举生活中应用淬火的现象，分析原理。
作业
与
思考
P55
课
后
记
事
第四节淬火
把工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或（和）贝氏体组织的热处理工艺过程叫钢的淬火。
马氏体是碳或合金元素在α-Fe中的过饱和固溶体，是单相亚稳组织，硬度较高，用符号M表示。
马氏体的硬度主要取决于马氏体中碳的质量分数。
马氏体中由于溶入过多的碳原子，从而使α-Fe晶格发生畸变，增加其塑性变形抗力，故马氏体中碳的质量分数越高，其硬度也越高。
一、淬火
（一）淬火的目的
淬火的目的主要是使钢件得到马氏体（和贝氏体）组织，提高钢的硬度和强度，与适当的回火工艺相配合，更好地发挥钢材的性能潜力。
（二）淬火工艺
1．淬火加热温度的确定
亚共析钢淬火加热温度为Ac3以上30℃～50℃。
共析钢和过共析钢淬火加热温度为Ac1以上30℃～50℃。
2．淬火介质
常用的淬火冷却介质有油、水、盐水、硝盐浴和空气等。
3．淬火方法
（1）单液淬火。
将已奥氏体化的钢件在一种淬火介质中冷却的方法。
例如，低碳钢和中碳钢在水中淬火，合金钢在油中淬火等。
单液淬火方法主要应用于形状简单的钢件。
（2）双液淬火。
将工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质中，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的方法，称为双液淬火。
例如，先在水中冷却后在油中冷却的双液淬火。
双液淬火主要适用于中等复杂形状的高碳钢工件和较大尺寸的合金钢工件。
（3）马氏体分级淬火
工件加热奥氏体化浸入温度稍高于或稍低于Ms点的盐浴或碱浴中，保持适当时间，在工件整体达到冷却介质温度后取出空冷以获得马氏体组织的淬火方法，称为马氏体分级淬火。
马氏体分级淬火能够减小工件中的热应力，并缓和相变过程中产生的组织应力，减少淬火变形。
马氏体分级淬火适用于尺寸比较小、形状复杂的工件的淬火。
（4）贝氏体等温淬火
工件加热奥氏体化后快冷到贝氏体转变温度区间等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火。
贝氏体等温淬火的特点是工件在淬火后，工件的淬火应力与变形较小，工件具有较高的韧性、塑性、硬度和耐磨性。
贝氏体等温淬火可用来处理各种中碳钢、高碳钢和合金钢制造的小型复杂工件。
4．冷处理
冷处理是指钢件淬火冷却到室温后，继续在一般致冷设备或低温介质中冷却的工艺。
主要目的是消除和减少残余奥氏体，稳定钢件尺寸，获得更多的马氏体，如量具、精密轴承、精密丝杠、精密刀具、枪杆等，均应在淬火之后进行冷处理，以消除残余奥氏体，稳定钢件尺寸。
二、钢的淬透性与淬硬性
淬透性是指以规定条件下钢试样淬硬深度和硬度分布表征的材料特性。
换句话说，淬透性是钢材的一种属性，是指钢淬火时获得马氏体的能力。
钢在理想条件下淬火所能达到的最高硬度来表征的材料特性称为淬硬性。
淬硬性主要与钢中碳的质量分数有关，与合金元素含量没有多达关系。
奥氏体中碳的质量分数越高，钢的淬硬性越高，淬火后硬度值也越高。
淬硬性和淬透性是两个不同的概念：
淬火后硬度高的钢，不一定淬透性就高，淬火后硬度低的钢，不一定淬透性就低。
三、淬火缺陷
1．过热与过烧
工件加热温度偏高，而使晶粒过度长大，以致力学性能显著降低的现象称为过热。
钢件过热后，形成的粗大奥氏体晶粒可以通过正火和退火来消除。
工件加热温度过高，致使晶界氧化和部分熔化的现象称为过烧。
过烧钢件淬火后强度低，脆性很大，并且无法补救，只能报废。
2．氧化与脱碳
工件加热时，介质中的氧、二氧化碳、水蒸汽等与之反应生成氧化物的过程称为氧化。
工件加热时介质与工件中的碳发生反应，使表层碳的质量分数降低的现象称为脱碳。
氧化使钢件表面烧损，增大表面粗糙度值，减小钢件尺寸，甚至使钢件报废。
脱碳使钢件表面碳的质量分数降低，使其力学性能下降，容易引起钢件早期失效。
3.硬度不足和软点
钢件淬火后较大区域内硬度达不到技术要求，称为硬度不足。
钢件淬火硬化后，其表面局部区域存在硬度偏低的现象称为软点。
4．变形和开裂
变形是淬火时钢件产生形状或尺寸偏差的现象。
开裂是淬火时钢件表层或内部产生裂纹的现象。
钢件产生变形与开裂的主要原因是由于钢件在热处理过程中其内部产生了较大的内应力。
热应力是指钢件加热和（或）冷却时，由于不同部位出现温差而导致热胀和（或）冷缩不均所产生的内应力。
相变应力是热处理过程中，因钢件不同部位组织转变不同步而产生的内应力。
钢件在淬火时，热应力和相变应力同时存在，这两种应力总称为淬火应力。
当淬火应力大于钢的屈服点时，钢件就发生变形；当淬火应力大于钢件的抗拉强度时，钢件就产生开裂。
课时授课计划
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金属工艺
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任课教师
屈道强
序号
13
授课日期
编制日期
课型
理论
节次
教具
课题
第五节回火
目
的
要
求
1.掌握回火的方法；
2.了解钢在回火时的组织转变。
重点
与
难点
重点：
掌握回火的有关概念
难点：
回火时组织的变化
课程
导入
设计
讲授教学法
教法
设计
1．利用挂图等教具。
2．举生活中应用回火的现象，分析原理。
作业
与
思考
P55
课
后
记
事
第五节回火
回火是指工件淬硬后，加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。
回火的目的是消除和减小内应力，稳定组织，调整性能以获得较好的强度和韧性配合。
一、钢在回火时组织和性能的变化
随着回火温度的升高，淬火组织将发生一系列变化，根据组织转变情况，回火与一般分为四个阶段：
马氏体分解、残余奥氏体分解、碳化物转变、碳化物的聚集长大与铁素体的再结晶。
1．回火第一阶段（≤200℃）──马氏体分解
在这一阶段中，由于回火温度较低，马氏体中仅析出了一部分过饱和的碳原子，它仍是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。
析出的极细微碳化物，均匀分布在马氏体基体上。
这种过饱和度较低的马氏体和极细微碳化物的混合组织称为回火马氏体。
2．回火第二阶段（200℃～300℃）──残余奥氏体分解
当温度升至200℃～300℃范围时，马氏体分解继续进行，但占主导地位的转变已是残余奥氏体分解过程了。
残余奥氏体分解是通过碳原子的扩散先形成偏聚区，进而分解为α相和碳化物的混合组织，即形成下贝氏体。
此阶段钢的硬度没有明显降低。
3.回火第三阶段（250℃～400℃）──碳化物转变
在此温度范围，由于温度较高，碳原子的扩散能力较强，铁原子也恢复了扩散能力，马氏体分解和残余奥氏体分解析出的过渡碳化物将转变为较稳定的渗碳体。
得到铁素体基体内分布着细小粒状（或片状）渗碳体组织，该组织称为回火托氏体。
此阶段淬火应力基本消除，硬度有所下降，塑性、韧性得到提高。
4.回火第四阶段（>400℃）──碳化物的聚集长大与铁素体的再结晶
由于回火温度已经很高，碳原子和铁原子均具有较强的扩散能力，第三阶段形成的渗碳体薄片，将不断球化并长大,该组织称为回火索氏体，回火索氏体具有良好的综合力学性能。
此阶段内应力和晶格畸变完全消除。
二、回火方法及其应用
回火是最终热处理，根据钢在回火后组织和性能的不同，按回火温度范围可将回火分为三种：
低温回火、中温回火和高温回火。
1.低温回火
低温回火温度范围是250℃以下。
经低温回火后组织为回火马氏体，保持了淬火组织的高硬度和耐磨性，降低了淬火应力，减小了钢的脆性。
低温回火后硬度一般为58～62HRC。
主要用于高碳钢、合金工具钢制造的刃具、量具、冷作模具、滚动轴承及渗碳件、表面淬火件等。
2.中温回火
中温回火温度范围是250℃～450℃。
淬火钢经中温回火后组织为回火托氏体，降低了淬火应力，使工件获得高的弹性极限和屈服强度，并具有一定的韧性。
中温回火后硬度一般为35～50HRC。
主要用于处理弹性元件，如各种卷簧、板簧、弹簧钢丝等。
有些受小能量多次冲击载荷的结构件，为了提高强度，增加小能量多冲抗力，也采用中温回火。
3.高温回火
高温回火温度范围是500℃以上。
淬火钢经高温回火后组织为回火索氏体，淬火应力可完全消除，强度较高，有良好的塑性和韧性，即具有良好的综合力学性能。
回火后硬度一般为200～330HBW。
另外，钢件淬火加高温回火的复合热处理工艺又称为调质处理
主要用于处理轴类、连杆、螺栓、齿轮等工件。
同时，钢件经过调质处理后，不仅具有较高的强度和硬度，而且塑性和韧性也显著比经正火处理后高。
小结与作业
课时授课计划
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编制日期
课型
理论
节次
教具
课题
第六节钢的表面热处理与化学热处理
目
的
要
求
1.了解表面热处理对工件表面的影响；
2.掌握常用表面淬火方法。
重点
与
难点
重点：
掌握常用表面淬火方法；
难点：
对钢的化学热处理
课程
导入
设计
讲授教学法
教法
设计
1．利用挂图等教具。
2．列举生活与生产中应用表面淬火与化学热处理、渗碳
与渗氮工艺的实例，分析原理与应用。
作业
与
思考
P55
课
后
记
事
第六节钢的表面热处理与化学热处理
一、钢的表面热处理
表面热处理是为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺。
表面淬火是指仅对工件表层进行淬火的工艺，其目的是使工件表面获得高硬度和耐磨性，而心部保持较好的塑性和韧性。
依加热方法的不同，表面淬火方法主要有：
感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火及电解液加热表面淬火等。
（一）感应加热表面淬火
利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面、局部或整体加热并进行快速冷却的淬火工艺称为感应加热淬火。
1.感应加热基本原理
依靠感应电流的热效应，使工件表层在几秒钟内快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，淬硬工件表面层，这就是感应加热表面淬火的基本原理。
2.感应加热表面淬火的特点
（1）加热时间短，工件基本无氧化、脱碳，且变形小。
奥氏体晶粒细小，淬火后获得细小马氏体组织，使工件表层比一般淬火硬度高2～3HRC，且脆性较低。
工件表面淬火后，在淬硬的表面层中存在较大的残余压应力，因此，提高了工件的疲劳强度。
（2）加热速度快，热效率高，生产率高，易实现机械化、自动化，适于大批量生产。
（3）感应加热设备投资大，维修调试比较困难。
3．感应加热表面淬火的应用
感应加热表面淬火主要用于中碳钢和中碳合金钢制造的工件，如40钢、45钢、40Cr、40MnB等。
生产上通过选择不同的电流频率来达到满足不同要求的淬硬层深度。
根据电流频率不同，感应加热淬火分为三类：
高频感应加热表面淬火、中频感应加热表面淬火和工频感应加热表面淬火。
感应加热表面淬火后，需要进行低温回火。
感应加热表面淬火零件的工艺路线一般如下：
毛坯锻造（或轧材下料）→退火或正火→粗加工→调质→精加工→感应加热表面淬火→低温回火→磨削加工。
（二）火焰加热表面淬火
火焰加热表面淬火是利用乙炔一氧或其它可燃气燃烧的火焰对工件表层加热，随之快速冷却的淬火工艺。
火焰加热表面淬火的淬硬层深度一般为2mm～6mm，若淬硬层过深，往往会引起工件表面产生过热，甚至产生变形与裂纹。
火焰加热表面淬火操作简便，不需要特殊设备，成本低。
但生产率低，工件表面容易过热，质量难以控制，因此，使用受到一定限制。
火焰加热表面淬火主要用于单件或小批量生产的各种齿轮、轴、轧辊等。
二、钢的化学热处理
钢的化学热处理是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到它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。
其特点是表层不仅有组织的变化，而且有成分的变化。
化学热处理方法很多，通常以渗入元素来命名，如渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗硅、渗金属等。
化学热处理由分解、吸收和扩散三个基本过程所组成。
（一）渗碳
为提高工件表层碳的质量分数并在其中形成一定的碳含量梯度，将工件在渗碳介质中加热、保温，使碳原子渗入的化学热处理工艺称为渗碳。
渗碳所用钢种一般是碳的质量分数为0.10%～0.25%的低碳钢和低合金钢，如15、20、20r、20CrMnTi等钢。
经渗碳后的工件，都要进行淬火和低温回火，使工件表面获得高的硬度（56～64HRC）、耐磨性和疲劳强度，而心部仍保持一定的强度和良好的韧性。
渗碳被广泛应用于要求表面硬而心部韧的工件上，如齿轮、凸轮轴、活塞销等。
根据渗碳时介质的物理状态不同，渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。
气体渗碳是工件在气体渗碳介质中进行的渗碳工艺。
渗碳零件的工艺路线一般如下：
毛坯锻造（或轧材下料）→正火→粗加工、半精加工→渗碳→淬火→低温回火→精加工（磨削加工）。
（二）渗氮（氮化）
在一定温度下于一定介质中，使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺称为渗氮，又称氮化。
目的：
是为了提高工件表层的硬度、耐磨性、红硬性、耐腐蚀性和疲劳强度。
渗氮处理广泛应用于各种高速传动的精密齿轮、高精度机床主轴、交变循环载荷作用下要求疲劳强度高的零件（如高速柴油机曲轴）以及要求变形小和具有一定耐热、抗腐蚀能力的耐磨零件（如阀门）等。
钢件渗氮后不需淬火就可达到68～72HRC的硬度
目前常用的渗氮方法主要有气体渗氮和离子渗氮两种。
渗氮工件的加工工艺路线一般如下：
毛坯锻造→退火→粗加工→调质→精加工→去应力退火→粗磨→镀锡（非渗氮面）→渗氮→精磨或研磨。
（三）碳氮共渗
在奥氏体状态下同时将碳、氮原子渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺称为碳氮共渗。
根据共渗温度不同，可分为低温（520℃～580℃）、中温（760℃～880℃）和高温（900℃～950℃）碳氮共渗。
广泛应用于自行车、缝纫机、仪表零件，齿轮、轴类、模具、量具等表面处理。
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