钢的热处理

热处理—将固体金属或合金在一定介质中的加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需要的工艺性能。大多数热处理工艺都要将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织，即奥氏体化。

奥氏体的形成  

奥氏体的形成是形核和长大的过程，也是Fe，C原子扩散和晶格改变的过程。 
分为四步。共析钢中奥氏体的形成过程如图1所示： 
第一步  奥氏体晶核形成：首先在a与Fe3C相界形核。  
第二步  奥氏体晶核长大：g晶核通过碳原子的扩散向a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  奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所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。  

 图1    奥氏体的形成示意图

亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析a或二次Fe3C的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上。

2. 影响奥氏体转变速度的因素 
（1）加热温度和速度增加→转变快； 
（2）钢中的碳质量分数增加或Fe3C片间距减小→界面多，形核多→转变快； 
(3)合金元素→钴、镍增加奥氏体化速度，铬、钼等降低奥氏体化速度。

3.奥氏体晶粒度 
（1）奥氏体晶粒度—奥氏体晶粒越细，退火后组织细，则钢的强度、塑性、韧性较好。淬火后得到的马氏体也细小，韧性得到改善。某一具体热处理或加工条件下的奥氏体的晶粒度叫实际晶粒度。奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时晶粒细小均匀。通常将钢加热到930±10℃奥氏体化后，保温8小时，设法把奥氏体晶粒保留到室温测得的晶粒度为本质晶粒度。用来衡量钢加热时奥氏体晶粒的长大倾向。g晶粒度为1-4级的是本质粗晶粒钢,5-8级的是本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。     
（2）影响奥氏体晶粒度的因素 
第一，加热温度越高，保温时间越长→晶粒尺寸越大。 
第二，碳质量分数越大晶粒长大倾向增多。加入合金有利于得到本质细晶粒钢。

钢在冷却时的转变

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。冷却的方式有两种，第一是等温冷却，使其在某个温度下恒温转变，第二是连续冷却。

1.过冷奥氏体的等温转变 
过冷奥氏体:当温度在A1以上时，奥氏体是稳定的。在A1以下时，奥氏体处于过冷状态称为过冷奥氏体。过冷奥氏体转变是在临界点以下某个恒温下发生，就称为过冷奥氏体的等温转变。转变在连续冷却的过程中发生，称为过冷奥氏体的连续冷却转变。 
⑴共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线（TTT或C曲线）如图1所示。 

图1共析钢的C曲线 

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。 
①高温转变，A1～550℃，过冷奥氏体→珠光体型组织，此温区称为珠光体转变区， 
珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，按层间距珠光体组织分为珠光体P、索氏体S和屈氏体T，如图2所示。形成温度为A1-650℃，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示；形成温度为650-600℃，片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S表示。形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示。 
珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。  

 

珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。珠光体转变是扩散型转变。珠光体显微组织转变过程见（I3-17）。

②中温转变，550℃～MS过冷奥氏体→贝氏体（B），此温度区称为贝氏体转变区。 
过冷奥氏体在350℃～550℃之间转变产物称为上贝氏体。过冷奥氏体在350℃～MS之间转变产物称为下贝氏体。上贝氏体呈羽毛状，小片渗碳体分布在成排铁素体片之间。上贝氏体显微组织见 （I3-18），其形成温度

较高，铁素体片较宽，塑性变形抗力较低，且渗碳体分布在铁素体片之间，易引起脆断，强度和韧性都较差。上贝氏体的转变过程见图3所示。 

图3      上贝氏体转变过程 

下贝氏体呈黑色针状，下贝氏体显微组织见（I3-19），铁素体针内沿一定方向分布细 小的碳化物颗粒。其

形成温度较低，铁素体针细小，无方向性，碳过饱和度大，位错密度高。碳化钨分布均匀，弥散度大，所以

硬度高，韧性好，有实际应用价值。下贝氏体的转变过程见图4所示。贝氏体的转变是只有C原子扩散的半扩

散型转变。

图4    下贝氏体转变过程 

③低温转变，MS～Mf  过冷A→马氏体(M)。 
当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织，是Fe原子和C原子都不扩散的非扩散型转变，马氏体转变是强化钢的重要途径之一。马氏体是碳在a-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。 
马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c），轴比c/a称马氏体的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸变越严重。当＜0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格。 
马氏体的形态分板条和针状两类。第一种是板条马氏体，其立体形态为细长的扁棒状，在光学显微镜下板条马氏体为一束束的细条组织。每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列，一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束。在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错，r=1012/cm2,又称位错马氏体。显微组织见（I3-20）。第二种是针状马氏体，其立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。显微组织见（I3-21）。马氏体的形态主要取决于其含碳量，当C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体，C%大于1.0%C时几乎全部是针状马氏体，C%在0.2-1.0%之间为板条与针状的混合组织。其形态与含碳量的关系如图5所示。 

图5      马氏体形态与含碳量的关系 

马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性。

⑵  过冷奥氏体的连续转变 
实际生产中多采用连续冷却，研究连续冷却更有实际意义。 
①共析钢过冷奥氏体连续冷却转变。 
共析钢过冷A的连续冷却转变曲线（CCT）如图6所示。共析钢的CCT曲线没有贝氏体转变区，在珠光体转变区之下多了一条转变中止线。当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变中止，余下的奥氏体一直保持到Ms以下转变为马氏体。 

图6    共析钢过冷奥氏体冷却曲线 

图6中的Vk为CCT曲线的临界冷却速度，即获得全部马氏体组织时的最小冷却速度，Vk’为TTT曲线的临界冷却速度。Vk‘>1.5Vk。  
CCT曲线位于TTT曲线右下方。CCT曲线获得困难，TTT曲线容易测得。可用TTT曲线定性说明连续冷却时的组织转变情况。方法是将连续冷却曲线绘在C曲线上，依其与C曲线交点的位置来说明最终转变产物。 
转变过程及产物： 
在缓慢冷却时，过冷A将转变为珠光体，其转变温度高，珠光体呈粗片状。以稍快速度冷却时，过冷A转变为索氏体，为细片状组织。采用油冷时过冷A有部分转变为屈氏体，剩余A在冷却到MS线下以后转变为马氏体，冷却到室温时，还有少量的A留下来，称为残余奥氏体。当以很快的速度水冷时，奥氏体过冷到MS点以下，发生马氏体转变，冷却到室温也会保留部分残余A，组织为残余奥氏体+马氏体。 
过冷A为马氏体低温转变过程，转变温度在MS——Mf之间，该温区称为马氏体转变区。 
②亚共析钢过冷奥氏体连续冷却转变 
炉冷→  F  +  P
空冷→  F  +  S
油冷→  T  +  M
水冷→  M
③过共析钢过冷奥氏体连续冷却转变 
炉冷→  P  +  Fe3CⅡ 
空冷→  S  +  Fe3CⅡ 
油冷→  T  +  M  +  A'
水冷→  M  +  A'
过共析钢CCT曲线也无贝氏体转变区,但比共析钢CCT曲线多一条A→Fe3C转变开始线。由于Fe3C的析出,奥氏体中含碳量下降,因而Ms线右端升高。 
亚共析钢CCT曲线有贝氏体转变区，还多A→F开始线,F析出使A含碳量升高,因而Ms线右端下降，如图7所示。 

图7a    过共析钢CCT曲线      图7b    亚共析钢CCT曲线

综上所述，刚在冷却时，过冷奥氏体的转变产物根据转变温度的高低可分为高温产物珠光体、索氏体、屈氏体，中温产物上贝氏体、下贝氏体，低温转变产物马氏体。随着转变温度的降低，其转变产物的硬度增加，韧性变化较为复杂。

钢的普通热处理

1.退火 
将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温到一定时间，然后缓慢冷却（随炉冷却），获得接近平衡状态组织的热处理工艺。退火的目的是调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HBS；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。常用的退火设备为退火炉（I3-22）。 
根据目的和要求分类，钢的退火分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火。各种退火方式的加热温度如图1所示。 

图1    退火方式 

⑴完全退火—重结晶退火，钢加热到Ac3以上20℃-30℃，保温一段时间后随炉冷却，获得接近平衡组织的热处理工艺。目的—通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，以提高性能。或使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态的组织，以降低硬度，改善切削加工性能。 
应用—亚共析钢，过共析钢不宜采用。

⑵等温退火—是将钢件或毛坯加热高于Ac3以上30到50度的温度保温适当时间后较快的冷却到珠光体区的某一温度，并等温保持，使奥氏体转变为珠光体组织，缓慢冷却。目的—与完全退火相同，但转变较易控制，对于奥氏体较稳定的合金钢，缩短退火时间。

⑶球化退火—随炉加热到Ac1+30-50℃，在较长的保温一段时间，保证二次渗碳体自发球化，之后随炉冷却。 
应用—过共析钢，如工具钢、滚珠轴承钢等。 目的—使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化，以降低硬度，改善切削加工性能，为淬火作准备。球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织，称球状珠光体（I3-23），用P球表示。对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先进行正火，以消除网状。

⑷扩散退火—为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线的温度，长时间的保温并进行缓慢冷却工艺。扩散退火后钢的晶粒很粗大，因此一般再进行完全退火或正火。

⑸去应力退火—为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行低温退火。将钢件加热至低于Ac1的某一温度，保温，随炉冷却。

2.正火 
钢材或钢件加热到Ac3（亚共析钢）和Accm（过共析钢）以上30℃—50℃，保温适当时间后，在自由流动的空气中均匀冷却的热处理工艺为正火。 
正火后的组织:亚共析钢为F+S,共析钢为S，过共析钢为S+Fe3CⅡ正火与完全退火的主要差别在于冷却速度快些，目的是让钢组织正常化，亦称常化处理。 
应用：

最终热处理   正火可以细化晶粒，使组织均匀化，减少亚共析钢中铁素体含量，使珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。对于普通结构钢零件，机械性能要求不高时，作为最终热处理。

预先热处理   对于截面较大的合金结构钢件，在淬火或调质处理前常进行正火处理。改善切削加工性能  低碳钢或低碳合金钢退火后硬度太低，不便于切削，正火提高硬度。

要改善切削加工性能，低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火,高碳钢用球化退火方式。

3.淬火 
将钢加热到相变温度以上，保温一段时间，然后快速冷却获得马氏体组织的热处理工艺。淬火是钢的最重要的强化方法，常用的淬火设备为淬火炉（I3-24）。 
⑴淬火工艺 
①淬火温度的选定 
一般情况，亚共析钢的淬火温度为Ac3以上30℃—50℃；亚共析钢淬火后的组织（I3-25） 为马氏体或马氏体加残余奥氏体；共析钢和过共析钢的淬火温度为Ac1以上30℃—50℃。共析钢淬火后的组织（I3-26）为马氏体加残余奥氏体，过共析钢淬火后的组织（I3-27）为马氏体加残余奥氏体加少量渗碳体颗粒。 
②加热时间的确定，加热时间包括升温和保温时间。 
③淬火冷却介质 
常用的冷却介质是水和油，水的温度控制在30℃以下，在生产上主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。淬火油一般用于合金钢的淬火介质。为了减少零件淬火的变形，可用盐浴作为淬火介质。 
④淬火方法 
常用淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火。 
⑵钢的淬透性 
①钢的淬透性 
钢接受淬火时形成马氏体的能力叫做钢的淬透性。在实际生产中，往往要测定淬火工件的淬透层深度—试样表面至半马氏体区的距离。同样淬火条件下，淬透层深度越大，则反应钢的淬透性越好。钢淬火后硬度会大幅度提高，能够达到的最高硬度较钢的淬硬性，主要取决于马氏体的含碳量。 
同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质有关。工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。淬透性与工件尺寸、冷却介质无关，它只用于不同材料之间的比较，是通过尺寸、冷却介质相同时的淬硬层深度来确定的。 
②影响淬透性的因素 
钢的淬透性由其临界冷却速度决定，临界冷却速度越小，奥氏体越稳定，钢的淬透性越好。 
a碳质量分数—共析钢淬透性最好。 
b合金元素—合金钢的淬透性比碳钢好。 
c奥氏体化温度，提高奥氏体温度增加淬透性。 
d钢中未熔第二相，第二相越多，淬透性降低。 
③淬透性曲线应用 
利用淬透性曲线，可比较不同钢种的淬透性，淬透性是选择钢材的重要依据。 
对于截面承载均匀的重要件，要全部淬透，如螺栓、连杆、模具等。对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透(淬硬层深度一般为半径的1/2~1/3)，如轴类、齿轮等。  

4.回火 
回火—钢件淬火后，为了消除内应力防止变形或开裂（I3-28），并获得所要求的组织和性能，将其加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。常用的回火设备为回火炉（I3-29）。 回火时组织会发生转变，组织转变分为四个阶段。 
（1）马氏体的分解 
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(2) 残余奥氏体分解 
200-300℃时,由于马氏体分解，奥氏体所受的压力下降,Ms上升，A’分解为e-碳化物和过饱和铁素体，即M回。   
(3)e-碳化物转变为Fe3C 
发生于250-400℃，此时，e-碳化物溶解于F中，并从铁素体中析出Fe3C。到350℃，马氏体含碳量降到铁素体平衡成分, 内应力大量消除，M回转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状Fe3C组织，称回火托氏体（I3-31），用T回表示。 
(4)  Fe3C聚集长大和铁素体多边形化 
400℃以上，Fe3C开始聚集长大。450℃以上铁素体发生多边形化，由针片状变为多边形。这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织称回火索氏体（I3-32），用S回表示。   
根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。   
⑴低温回火 
回火温度：150℃—250℃。 
回火目的：降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度和高耐磨性。 
回火应用：各种高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳和表面淬火零件。 
⑵中温回火 
回火温度：350℃—500℃，得到回火托氏体。 
回火目的：高强度、硬度，高的弹性极限及屈服强度；具有一定的塑性、韧性。 
回火应用：Wc  =  0.5—0.7%碳钢、合金钢制造的各种弹簧。  
⑶高温回火 
回火温度：500℃—650℃，得到回火索氏体。 
回火索氏体综合机械性能最好，即强度、塑性和韧性都比较好。 
通常把淬火加高温回火称为调质处理，广泛用于各种重要的机械结构件，特别是受交变载荷的零件。

钢的表面热处理 
钢的表面热处理—仅对钢的表面加热，冷却而不改变其成分的热处理工艺，也叫表面淬火。 
具体方法：将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未达到心部时立即迅速冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法。 
目的：提高表面硬度，保持心部良好的塑韧性。使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限；而心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。   
表面热处理常加工的材料有：⑴  0.4-0.5%C的中碳钢；由于其含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。含碳量过高，心部韧性下降；⑵ 铸铁，主要提高其表面耐磨性。

表面热处理的加热方法主要有两种。 
1.感应加热表面热处理 
基本原理：交变磁场→感应表面电流→表面加热，如图1所示。 

图1    感应加热淬火 

适用钢种：中碳合金钢和中碳低合金钢，如45、40Cr、40MnB。 
处理特点：淬火质量好，表层组织细、硬度高、脆性小、生产效率高、便于自动化，缺点是设备昂贵，劳动条件差。  
2.火焰加热表面热处理 
基本原理：用乙炔、氧或煤气、氧火焰加热工件表面的工艺，如图2所示。 

图2      火焰加热淬火 

处理特点：优点：方法简便；无需特殊设备；适用于单件、小批量生产零件。

钢的化学热处理

工艺:  将工件置于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却使介质中的某些元素渗入工件表层以改变工件表层的化学成分和组织，从而达到“表硬心韧”的性能特点。  

1.渗碳 
渗碳目的：表面硬度，耐磨性↑，心部保持一定的强度和塑韧性。 
渗碳方法：低C钢在高C介质中加热到900℃～950℃、保温→高碳表层（约1.0%）  
渗碳工艺： 
渗碳温度—奥氏体的溶碳能力大，因此加热到Ac1以上。温度越高，渗碳速度越快，渗碳层越厚。避免晶粒粗大，一般加热到900℃～950℃。 
渗碳时间：渗碳时间由渗碳层厚度决定。 
渗碳设备常用渗碳炉，如图1所示。渗碳材料常用含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高则心部韧性降低。  

图1      渗碳炉 

渗碳后的热处理： 
淬火： 
直接淬火——晶粒粗大，残余A多，耐磨性低，变形大。 
一次淬火——加热温度Ac3以上（心部性能↑）或Ac1以上（表面性能↑） 
二次淬火——Ac3以上（心部性能↑）+ Ac1以上（表面性能↑） 
低温回火,150～200℃，消除淬火应力，提高韧性。 
2.氮化 
工件表面渗入N原子，目的以提高硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性。 
氮化温度低(500～600℃)，时间长（20～50h），渗层薄。氮化前调质处理、氮化后无须淬火。 
工厂常用气体氮化法和离子渗氮的方法进行渗氮，气体氮化法和渗碳方式一样，不同的是介质为氨。离子渗氮的方法如图2所示。 

图2      离子渗氮法