第三章 钢的热处理

第一节 概述

热处理的概念：固态、加热、保温、冷却，组织、性能、改变 

热处理工艺曲线：T（温度）—t（时间）曲线

三要素：加热、保温、冷却 

热处理的应用：材料改性 

钢实际加热和冷却时的相变点 

AC1    AC3   Accm 

Ar1    Ar3     Arcm

第二节钢的热处理原理

一、钢在加热时的组织转变

组织奥氏体化

1．奥氏体的形成

以T8钢为例:

加热条件： AC1以上

A化过程：形核 ；A晶粒长大  

2．奥氏体的晶粒度与控制措施

实际晶粒度

本质晶粒度：本质粗晶粒钢、本质细晶粒钢

3．奥氏体晶粒大小与力学性能的关系

奥氏体晶粒细小、均匀

4．影响奥氏体晶粒大小因素：

化学成分,

加热温度,

保温时间, 

原始组织

二、钢在冷却时的组织转变

等温冷却与连续冷却的概念

1．钢的等温冷却转变

共析钢的等温冷却转变曲线

（1）曲线分析

（2）等温转变产物及性

  高温转变:  P 727~650℃   160～250HBS 

             S 727~600℃    25～30HRC

             T 600~550℃    35～48HRC 

  中温转变:  B上  50~350℃  40～48HRC

             B下 350~Ms℃   45～55HRC

（3）影响C曲线的因素:化学成分,奥氏体化条件

亚共析钢和过共析钢等温转变曲线（略）

2．钢的连续冷却转变

（1）用等温转变曲线近似分析连续冷却后产物

以共析钢为例进行分析

   炉冷：V1     P     170～220HBS

   空冷：V2     S      25～35HRC

   油冷：V3     M+T   45～55HRC

   水冷：V4     M+A’  55～65HRC

共析钢和过共析钢的连续转变 

（2）马氏体转变   

马氏体（M）：是碳在 αFe中的过饱和固溶体

特点：不完整性；非扩散型，奥氏体中含碳量就是马氏体的含碳量；体积胀；

形态：板条状（低碳）、针状（高碳）

性能：含碳量增，硬度升

讨论：

1.热处理加热时如何全部奥氏体化？ 如何部分奥氏体化？如何获得均匀、细小的奥氏体？

2.等温冷却时温度—组织的对应关系？连续冷却时，冷却速度与组织、性能的关系？

第三节 钢的整体热处理工艺

一、退火

1．完全退火  AC3以上30～50℃加热、保温、缓冷

 细化组织 降低硬度 改善塑性 作为亚共析钢的预先热处理

2．球化退火  AC1以上20～30℃加热、保温、缓冷

 P球改善组织、降低硬度、为淬火作组织准备、改善切削加工性能。

3．去应力退火  500～600℃加热、保温、缓冷

  去除各类内应力，适合于铸、锻、焊、冷冲压、切削加工等件。

二、正火

 AC1 或AC 3 以上30～50℃加热、保温、空冷.

 细化组织、除二次渗碳体网、提高力学性能、改善低碳钢可切削性能

退火与正火的选择

考虑切削加工性（170~260HBS）；从零件结构形状考虑，减小内应力（形状复杂件主要用退火）；从经济性考虑，使成本低（正火成本低）。

三、淬火

1．淬火目的：获M或B下组织，强化钢材

2．淬火工艺：

（1）淬火温度   AC1或ACcm以上30～50℃

（2）淬火介质：水及水溶液、油、盐浴和碱浴

（3）淬火方法

a）单介质淬火b）双介质淬火c）马氏体分级淬火d）下贝氏体等温淬火

大型零件淬火：

3．淬透性

  淬透性概念：规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性

淬透性影响因素：钢的化学成分（主要是合金元素）、奥氏体化温度及保温时间

淬透性的实用意义：选材、制订热处理工艺

四、回火

目的：去除淬火内应力、调整力学性能（提高韧性,降低脆性）、稳定组织和尺寸

1．低温回火（<250℃）

  组织：M回；性能58～64HRC； 目的降低内应力和脆性

  应用：量具、刃具、模具、滚动轴承、渗碳件

2．中温回火（250～500）

 组织：T回 ；性能：40～50HRC；目的提高弹性极限,屈服点；应用弹性元件

3．高温回火（>500℃）

  组织：S回性能：25~35HRC具有良好的综合性能

  应用：机器受力件  轴、齿轮、连杆......

讨论：“四把火”的工艺方法、应用

第四节 钢的表面淬火与化学热处理

一、表面淬火

表面方法：感应加热  火焰加热  电接触加热

感应加热表面淬火：

原理：电磁感应、集肤效应

工艺：高频淬火、中频淬火、工频淬火

材料：中碳钢（45）、合金调质钢（40Cr）

技术条件：表面50~55HRC

感应表面淬火方法

(1)高频 200kHz~300kHz，表面硬化层0.5～2mm

(2)中频2500Hz~8000Hz， 表面硬化层3～6mm

(3)工频  50Hz，        表面硬化层10～15mm 

应用：机床主轴、机床齿轮

2．典型表面淬火件的工艺路线分析：机床齿轮

下料——锻造——正火——机加工（粗、半精）——调质——机加工——表面淬火、低温回火——精磨。

二、钢的化学热处理

1．渗碳 

  气体渗碳：设备:常用井式气体渗碳炉

  工艺：920~930℃  3~8小时 

  材料：例  20、20Cr、20CrMnTi等

  技术条件：表面含碳量0.85%~1.05%

            渗层深度 0.4~1.5mm (一般1.0mm)

  渗碳后的热处理：淬火+低温回火   M回+Fe 3 C‖

  典型渗碳件的工艺路线：汽车齿轮

下料——锻造——正火——机加工（粗、半精）——渗碳、淬火、低温回火——机加工（精加工）

2．氮化

气体氮化  离子氮化

工艺：渗氮温度一般为500℃~560℃，渗氮时间一般为30~50小时

材料：38CrMoAl

性能特点：950HV～1200HV（相当于65HRC～72HRC）

应用：适宜精密零件，例如磨床主轴、镗床镗杆、精密机床丝杠、内燃机曲轴以及各种精密齿轮和量具等。

典型氮化件的工艺路线：磨床主轴

下料——锻造——正火——机加工（粗加工）——调质——机加工——渗氮——精磨

讨论：比较表面淬火件和渗碳件的组织、性能、经济性、应用。