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钢的热处理 1、钢的热处理定义：将钢在固态下加热到一定温度，进行必要的保温，并以适当的速度冷却到室温，使钢的内部组织发生变化，从而获得的过程。所需的性能。
二、钢材热处理的目的： 1、消除毛坯缺陷，改善工艺性能，为切削或热处理的组织和性能做准备。 ————称为预热处理。 2、提高金属材料的力学性能，充分发挥材料的潜力，节约材料，延长零件的使用寿命。 ————称为最终热处理。 3、热处理方法（根据不同的工艺方法）
第一节热处理的基本原理 • 热处理之所以能使钢的性能发生很大变化，主要是由于钢在加热和冷却过程中内部组织发生了变化。
1.钢受热相变
大多数热处理工艺需要将钢加热到临界温度（A区）以上，因此加热转变主要包括A形成和晶粒长大两个过程。
1、奥氏体的形成 • 以共析钢为例（ωc=0.77%） 影响奥氏体形成的因素： • 温度：温度越高，原子扩散能力越大，加速奥氏体的形成。 • 原始组织：原始组织越精细，相界越多，提供的奥氏体核越多，碳原子扩散距离越短，奥氏体形成越快。 • 钢的成分：随着含碳量的增加，更多的F和Fe3C相界面会加速奥氏体的形成。 加入合金元素后不会改变A的形成基本过程，但会减慢A的形成速度。 • 晶粒大小：表示晶粒大小的标尺。 • 分为十个等级。 1 级最厚，10 级最薄。 • 粗大的A晶——冷却后晶粒组织粗大——力学性能和工艺性能较差——合理选择加热温度和保温时间。 2、钢在冷却过程中的相变 • 钢的室温力学性能不仅与加热保温后得到的A晶粒尺寸有关，而且还取决于A冷却相变后得到的组织。 冷却方式和冷却速度对A结构的转变有直接影响。 将A钢冷却至室温有两种方法： 连续冷却：是使奥氏体钢在连续降温的过程中发生组织转变。 水冷、油冷、炉冷、风冷。 等温冷却：将奥氏体钢快速冷却到A1以下温度，并在恒温状态下保持一段时间。 在此保温时间内，发生结构转变，然后冷却下来。 1、过冷A等温转变 以共析钢为例： • 过冷A等温转变曲线：由于过冷温度和等温时间的不同，过冷A的等温转变过程和转变产物也不同，表明即不同等温降温温度、等温时间、转变过程和冷产物的关系曲线A—C曲线。 (1) C曲线的建立 • 共析钢A等温转变曲线的建立是通过一系列不同过冷度的等温冷却实验建立的。 • 通过实验测得：在温度-时间坐标系中画出恒温下不同过冷A的相变开始和结束时间，分别连接相变开始时间和结束时间，得到共析钢C曲线。
(2)共析钢过冷A等温转变产物组织与性能•珠光体型(高温转变产物)：
共析钢A过冷至723℃～550℃的等温转变产物属于P型结构。 分类如图所示。 • 贝氏体转变（中温转变产物）：
A在550℃--230℃转变为贝氏体，组织类型为贝氏体。 - 它是碳过饱和的 F+Fe3C 的两相混合物。 分类如图所示。 • 马氏体相变（低温相变产物）：230℃——60℃保温相变为马氏体相变，组织类型为马氏体。 分为板状和片状马氏体，图3-9。
马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。 (3) 影响过冷奥氏体等温转变的因素 • 碳的影响：随着ωc 的增大，亚共析钢的C 曲线右移； 过共析钢的C曲线左移。 • 合金元素的影响：除初始CO外，所有合金元素进入奥氏体后都会增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。 2. 过冷A的连续降温转变 • 与等温降温曲线相比，连续降温曲线在右下方，说明转变温度低，潜伏期长。 • 共析钢连续冷却时，只有珠光体转变，没有贝氏体转变。 亚共析钢可产生贝氏体组织。 合金钢可有珠光体和贝氏体相变，有珠光体无贝氏体。 或者有很多情况如贝氏体但没有珠光体转变。 • 当连续冷却速度达到一定值时，冷却曲线与C曲线相切，不发生珠光体转变，但在低温区发生马氏体转变，通常称为临界冷却速度。 冷却速度小时，得到珠光体和马氏体的混合组织，冷却速度小时，得到珠光体组织。
3、过冷奥氏体相变图的应用 过冷奥氏体相变图是选择钢种和制定热处理工艺的基本依据之一。 (1)不同成分的钢有不同的相变图，设计时可根据需要合理选用合适廉价的材料。 (2)制定热处理工艺规程和选择冷却介质。 (3)估算零件各部分在热处理条件下可能的组织结构。 第二节钢材的整体热处理 1.钢材退火的概念：将钢材加热、保温，然后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的过程。 完全退火：普通退火、等温退火、球化退火、去应力退火、再结晶退火等 1、完全退火工艺：Ac3以上加热至30～50℃—保温—随炉冷却至500℃以下—空冷在室温下冷却。 用途：细化晶粒，均匀组织，提高塑性韧性，消除内应力，便于机械加工。
2、等温退火工艺：加热过Ac3——保温——急冷至珠光体转变温度——等温停留——转变为P——出炉空冷目的：同上。 但时间短，易控制，脱氧脱碳量小。 （适用于过冷度相对稳定的合金钢和大型碳素钢零件A） 3、球化退火 • 概念：是使钢中的渗碳体球化的过程。 • 对象：共析钢和过共析钢 • 工艺：（1）等温球化退火加热Ac1以上20~30度-保温-急冷至Ar1以下20度-等温-随炉冷却至600度左右100度左右-出炉烤箱和空气冷却。 (2)普通球化退火Ac1加热20~30度以上——保温——极缓冷至600度左右——出炉空冷。 （周期长，效率低，不适用） 用途：降低硬度，提高塑性韧性，便于切削加工。 机理：使片状或网状渗碳体变成粒状（球状） 说明：退火加热时组织不完全A，故又称不完全退火。 4、去应力退火 • 工艺：加热到Ac1以下一定温度（500~650度）——保温——缓冷至室温。 • 用途：消除铸件、锻件、焊件等的残余内应力，稳定工件尺寸。
2、钢材正火 • 工艺：加热到Ac3或Accm以上30~50度——保温——出炉空冷。 • 目的：亚共析钢中游离铁素体减少，过共析钢中网状渗碳体消失。 低碳钢：增加硬度，克服粘刀现象，提高切削性能。 中碳钢：细化晶粒，为淬火准备组织，可作为对性能要求不高的零件的最终热处理。 高碳钢：消除网状Fe3C。 3. 钢材淬火 • 工艺：将钢材加热到Ac3或Ac1以上30-50度，保温-急冷（>vk）得到马氏体。 • 用途：增加钢的硬度和耐磨性。 • 分类（方法）： 1.单液淬火； 2、双液淬火； 3、分级淬火； 4、等温淬火； 严重变形过低：淬火后组织出现F，硬度和强度不足钢材热处理手册，不均匀。 ·过共析钢：Ac1+30~50OC过高：淬火后M厚，脆性增加，易变形开裂。 残余A增加，硬度和耐磨性下降。 太低：像差不均匀。 一般过共析钢在淬火前需进行正火或球化退火，以消除网状渗碳体。
3、淬火法 • 单液淬火：将A化钢放入水或油等淬火介质中，连续冷却至室温的操作方法。 如：碳钢件水冷、合金钢件油冷、厚大碳钢件盐水冷却等。 特点：操作方便，易于实现自动化、机械化。
· 双液淬火：将A型钢放入水中冷却至300~200度，然后迅速移入油中（甚至放入空气中）。 特点：可硬化，可避免开裂变形。 但操作难度大。 · 分段淬火：将A型钢放入略高于Ms点的盐浴中2-5分钟，然后取出晾冷。 特点：应力小，不易开裂变形。 但盐浴的冷却能力有限，只适用于形状复杂、尺寸较小的零件。
•等温淬火：将A钢放入略高于Ms点的盐浴中保温足够时间，使过冷的A变为B，然后取出空冷法。
特点：B级以下硬度更高，韧性更好，变形小。 适用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件。
· 冷处理：将残留的A转化为M。 ——提高硬度和耐磨性。 尺寸稳定。 需要高成本的专用设备。
4.淬透性和淬透性
淬透性：在正常淬火条件下，淬火形成的马氏体可达到最高硬度。
淬透性取决于马氏体的含碳量，含碳量越高，碳的过饱和度越大，硬度越高。
淬透性：钢材在规定的淬火条件下所能达到的硬化层深度。
影响因素：过冷奥氏体的稳定性，即Vk。
• 通过末端淬火法测定淬透性。 2、钢的回火 • 工艺：将淬火后的钢重新加热至A1以下温度保温，然后冷却（一般为空冷）至室温。 • 用途：消除淬火产生的内应力，稳定工件尺寸，降低脆性，提高切削性能。 • 机械性能：随着回火温度的升高，硬度和强度降低，塑性和韧性增加。 1、低温回火：150-250℃，M次，降低内应力和脆性，提高塑性韧性，具有更高的硬度和耐磨性。 用于制作量具、刀具和滚动轴承等。 2、中温回火：350-500℃，T次，具有高弹性，有一定的塑性和硬度。 用于制作弹簧、锻模等。 3、高温回火：500-650℃，S次，具有良好的综合机械性能。 用于制造齿轮、曲轴等。
• 淬火后的高温回火称为调质处理。 第三节钢的表面热处理和化学热处理 1.表面淬火工艺（概念）：快速加热零件，使表面迅速达到淬火温度，并在加热前及时冷却芯部，使表面获得高温。硬度 一种热处理过程，其中保留马氏体，而核心保持原始组织。 · 分类： (1) 感应加热表面淬火：高频、中频、低频。 (2)火焰受热面淬火
2、化学热处理 • 工艺（概念）：将零件放入一定的活性介质中，加热保温，使介质的活性原子渗入零件表面，从而改变化学成分、结构和性能的表面。 • 分类： (1) 渗碳：气体渗碳、固体渗碳 (2) 渗氮：气体渗氮、离子渗氮 (3) 碳氮共渗 (4) 其他渗碳方法 1. 化学热处理的基本过程 1) 化学渗透剂在高温下分解温度（加热）和催化剂的作用产生能渗入工件表面的活性元素。 2）活性原子被工件表面吸附。 3）在一定温度下，工件表面的活性原子扩散到金属中，形成一定的扩散层。 2、渗碳渗碳是在钢的表面渗入碳原子，使表面达到高碳钢的含碳量，增加耐磨性。 1）气体渗碳工艺及组织气体渗碳是以液态或气态碳氢化合物（如煤油、甲苯或含碳气体）为渗碳剂。 渗碳温度为900～950℃。 时间视所要求的渗碳层深度而定钢材热处理手册，从几小时到十几小时不等。 渗碳后，零件表面含碳量约为0.8～1.0%，且从表面向中心逐渐降低。
2）渗碳后热处理为使渗碳件具有较高的机械性能，渗碳后必须进行调质处理。 渗碳层组织为细小的针状马氏体和粒状渗碳体组织。 3、渗氮（） 渗氮是使氮原子渗入钢件表面，形成以氮化物为主的渗氮层，以提高渗氮层的硬度、耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性。 . 1）渗氮工艺特点渗氮剂为氨气，在480～600℃时分解形成活性氮原子，渗入工件内部形成富氮层，完成渗氮。 渗氮温度为600℃，此时铁的吸氮能力最好。 2）显微组织与性能 氮与铁等金属形成氮化物，可显着强化渗氮层。 4、碳氮共渗又称氰化，是在钢件表面同时渗入碳原子和氮原子，形成碳氮共渗层，以提高工件的耐磨性和疲劳强度的处理方法。 1）高温（820~920℃）碳氮共渗，主要是渗碳，当气氛中含有一定量的氮气时，碳的渗入速度比同温度下单独渗碳的渗碳速度快，厚度更深。 2）低温（520~580℃）碳氮共渗，以渗氮为主，共渗后，在表面形成白色层，可大大提高工件的耐磨、防咬合、抗划伤性能。
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