工程材料及成形工藝 第3版 課件 5章 金屬材料熱處理

第5章金屬材料熱處理5.1鋼在加熱和冷卻時的轉變5.2鋼的常規(guī)熱處理5.3鋼的表面和化學熱處理5.4熱處理工藝及其應用5.5非鐵合金的熱處理5.6其它熱處理及表面處理《工程材料及成形工藝》機械工業(yè)出版社45鋼奧氏體化后經(jīng)不同方式冷卻后的組織和性能問題1在不同冷卻過程后，45鋼的性能為什么會有如此大的差異？問題2能不能利用這樣的加熱冷卻過程來提高材料的性能？問題3表中淬火+回火后，組織中出現(xiàn)了Fe－Fe3C相圖中沒有出現(xiàn)過的新組織---回火馬氏體和回火索氏體，這又是怎么回事呢？熱處理工藝組織Rm/MPaRel/MPaA/%Z/%aK/J/cm2退火（隨爐冷卻）鐵素體+珠光體600～700300～35015～2040～5032～48正火（空氣冷卻）鐵素體+珠光體700～800350～40015～2045～5540～64淬火（水冷）低溫回火回火馬氏體1500～18001360～16002～310～1216～24淬火（水冷）高溫回火回火索氏體650～750650～75012～1460～6696～112引例熱處理是將固態(tài)金屬材料加熱到預定溫度，并保溫一定時間之后，以需要的冷卻速度冷卻下來的一種熱加工工藝方法。熱處理不能改變零件的形狀和尺寸，但能改變材料的內(nèi)部組織，從而改善材料使用性能和加工性能。熱處理工藝曲線1什么是熱處理2熱處理分類整體熱處理表面熱處理退火正火淬火回火表面淬火化學熱處理滲碳滲氮碳氮共滲滲金屬等熱處理對不同成分和組織的鋼，在進行加熱或冷卻時，如果加熱或冷卻速度非常緩慢，鋼的組織變化規(guī)律和鐵碳相圖一致。經(jīng)過PSK線（A1）時，發(fā)生AP轉變經(jīng)過GS線（A3）時，發(fā)生AF轉變經(jīng)過ES線（Acm）時，發(fā)生AA+Fe3CⅡ則A1、A3、Acm被稱為碳鋼固態(tài)平衡組織轉變臨界溫度。

1鋼的組織轉變溫度5.1鋼在加熱和冷卻時的轉變5.1.1鋼在加熱時的組織轉變鐵碳相圖由于實際加熱或冷卻不可能非常緩慢，加熱時相變需要具有一定的過熱度，冷卻時相變需要具有一定的過冷度，組織轉變才能進行。習慣上，將碳鋼加熱時的相變溫度分別標記為Ac1、Ac3、Accm，其冷卻時的相變溫度分別標記為Ar1、Ar3、Arcm。例如：對亞共析鋼，當加熱到Ac1時發(fā)生P→A，加熱到Ac3時才全部轉變?yōu)锳；對共析鋼當加熱到Ac1時發(fā)生P→A；對過共析鋼加熱到Ac1時發(fā)生P→A，加熱到Accm以上時滲碳體才全部轉變?yōu)锳。碳鋼實際相變溫度以共析鋼為例，來分析奧氏體轉變的過程。A形核A長大殘余Fe3C溶解A均勻化

2鋼加熱時奧氏體的轉變過程

A形核A長大殘余Fe3C溶解A成分均勻化共析鋼奧氏體化過程3加熱及保溫工藝與奧氏體晶粒大小鋼加熱及保溫工藝包括：加熱速度、加熱溫度及保溫時間，它們決定了合金冷卻前的初始組織。①鋼加熱溫度由冷卻前希望得到的組織決定。如果希望得到單相奧氏體組織，需要在Ac3和Accm以上溫度加熱，過共析鋼如果不希望二次滲碳體全部溶解到奧氏體中，需要在Ac1和Accm之間溫度加熱。②加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體成分均勻，但晶粒越粗大。③加熱速度越快，相變的過熱度增大，奧氏體實際形成溫度越高，生成的奧氏體晶粒度愈小。④生成的奧氏體晶粒大小也與鋼的化學成分和原始組織有關，有的鋼晶粒長大傾向小。鐵碳相圖鋼在實際熱處理時，常采用兩種冷卻方式：等溫冷卻方式;連續(xù)冷卻方式。等溫冷卻方式是將鋼快速冷卻到所需的溫度，在該溫度下保溫，使過冷奧氏體在恒溫下發(fā)生組織轉變。連續(xù)冷卻方式是將鋼以某一冷卻速度不停頓地冷卻，使奧氏體在連續(xù)降溫過程中發(fā)生組織轉變。1過冷奧氏體的不同冷卻方式5.1.2鋼在冷卻時的組織轉變奧氏體不同冷卻方式示意圖2過冷奧氏體的等溫冷卻轉變曲線簡稱C曲線。等溫冷卻轉變曲線描述了過冷奧氏體在不同等溫溫度下會轉變?yōu)槟姆N產(chǎn)物，并揭示了轉變數(shù)量及轉變時間的關系。A1線之上鋼具有穩(wěn)定的奧氏體組織，A1線之下開始轉變線之左為過冷奧氏體區(qū)，轉變終了線之右為轉變產(chǎn)物區(qū)。在230℃之上，C曲線由兩條線組成，左邊的一條線表示過冷奧氏體轉變?yōu)槠渌M織的轉變開始線，右邊的一條線表示過冷奧氏體完全轉變?yōu)槠渌M織的轉變終了線。兩條線之間是正在轉變的時間區(qū)域。

共析鋼等溫轉變曲線

橫坐標表示時間，縱坐標表示等溫溫度C曲線分為三個區(qū)域：①A1～550℃溫度范圍內(nèi)為珠光體轉變區(qū)，鋼在此溫度區(qū)間保溫時，如時間穿過轉變開始線和轉變終了線，過冷奧氏體將轉變?yōu)橹楣怏w；②550℃～Ms線之間為貝氏體轉變區(qū)域，鋼在此溫度區(qū)間保溫，如保溫時間穿過轉變開始和轉變終了線，過冷奧氏體將轉變?yōu)樨愂象w組織；③Ms以下為馬氏體轉變區(qū)域，過冷奧氏體冷卻過程中通過該區(qū)域，將轉變?yōu)轳R氏體組織。共析鋼等溫冷卻轉變曲線

共析鋼等溫冷卻轉變曲線

四條線：過冷A轉變開始線；過冷A轉變終了線；Ms線（230°）：M轉變開始線；Mf線（-50°）：M轉變終了線；四個區(qū)：奧氏體穩(wěn)定區(qū)；過冷奧氏體區(qū)；轉變產(chǎn)物區(qū)；轉變區(qū)。

過冷奧氏體轉變有過冷度和孕育期二個條件。在任一過冷度下，過冷奧氏體需要經(jīng)過一段時間才開始轉變，這段時間就是孕育期。在550℃以上時，過冷度小孕育期較長；低于550℃時，原子擴散能力降低孕育期變長。在550℃發(fā)生轉變孕育期最短。共析鋼等溫冷卻轉變曲線

〖例1〗根據(jù)共析鋼的C曲線，將共析鋼奧氏體化后，如果分別快速冷卻到630℃、570℃、450℃、300℃，然后在該溫度下長時間保溫，將得到哪種組織？解：共析鋼奧氏體化后，快速冷卻到630℃長時間保溫后，將得到索氏體組織；快速冷卻到570℃長時間保溫后，將得到屈氏體組織；快速冷卻到450℃長時間保溫后，將得到上貝氏體組織；快速冷卻到300℃長時間保溫后，將得到下貝氏體組織?！祭?〗將共析鋼奧氏體化后，①如要獲得下貝氏體組織，應該選擇怎樣的冷卻方式？并說明原因。②如要獲得全部馬氏體組織，應該選擇怎樣的冷卻方式？并說明原因。解：見課本3過冷奧氏體等溫冷卻轉變過程及轉變產(chǎn)物當過冷奧氏體在較高溫度等溫時，由于鐵原子和碳原子都能發(fā)生擴散，得到平衡組織珠光體或先析出相+珠光體。當過冷奧氏體在較低溫度等溫時，隨著鐵原子和碳原子擴散能力下降，使奧氏體轉變成非平衡組織貝氏體或馬氏體。根據(jù)轉變溫度及產(chǎn)物的不同，分為三種類型。珠光體型轉變，在A1～550℃等溫；貝氏體型轉變，在550℃～Ms等溫；馬氏體型轉變，冷卻至MS以下。共析鋼等溫冷卻轉變曲線

珠光體型轉變轉變溫度：A1～550℃，完全擴散片狀珠光體形成過程示意圖

奧氏體轉變?yōu)殍F素體和滲碳體。一方面需要Fe和C原子的充分擴散，另一方面需要進行晶格重構。此相變也需要經(jīng)過形核和長大兩個基本過程。一個滲碳體片的生成，使周圍區(qū)域含碳量降低，為鐵素體的生核和長大創(chuàng)造了條件，因此緊靠滲碳體片生成了鐵素體片。鐵素體生長時向周圍奧氏體中排出多余的碳原子，又為滲碳體片的形成創(chuàng)造了條件。經(jīng)過鐵素體片與滲碳體片的交替生長，形成了層片狀珠光體。

珠光體符號：P等溫溫度：A1

~

650℃層片間距：>0.4μm

索氏體符號：S等溫溫度：650~600℃層片間距：0.2~0.4μm

屈氏體符號：T等溫溫度：600~550℃層片間距：<0.2μm隨著過冷度的增大，奧氏體轉變溫度降低，生成的珠光體片層間距變小。依據(jù)片層間距的大小，將其分別稱為珠光體、索氏體、屈氏體。珠光體片越細，HB↑，Rm↑。貝氏體型轉變轉變溫度：550～230℃，半擴散上貝氏體：B上；等溫溫度550~350℃；斷續(xù)Fe3C顆粒+粗大F板條，呈羽毛狀。下貝氏體：B下；等溫溫度350℃~Ms；微細Fe3C顆粒+針狀F，呈針狀，其強度硬度高，塑性韌性好。轉變溫度低于Ms或低于Mf馬氏體型轉變過冷奧氏體在MS溫度之下轉變時，在巨大的過冷度作用下，原子無法擴散，奧氏體（面心立方）轉變?yōu)樘荚讦粒璅e中過飽和的間隙固溶體，稱為馬氏體M

(體心正方)。若要得到M，首先冷卻曲線須躲開C曲線的鼻尖，即在550℃前需要快冷；再就是需要冷卻到Ms線之下。在冷卻到Ms～Mf之間的溫度時，M組織中會存在未轉化的奧氏體，稱為殘余奧氏體。室溫組織為M+A'。如冷卻到Mf之下，奧氏體全部轉化為馬氏體。深冷組織為M。問題：曲線2與曲線1哪個好呢？馬氏體的含碳量過飽和，使體心立方晶格的c軸被拉長，形成體心正方（a=b≠c）晶格。c/a之比稱為晶格的正方度。馬氏體的含碳量越高，其晶格的正方度就越大，則馬氏體的強度和硬度越高。馬氏體的轉變特點①馬氏體轉變是典型的非擴散型相變，不需要孕育期，其轉變速度極快；②馬氏體轉變有固定的溫度區(qū)間（MS～Mf），其轉變量只決定于過冷度，與保溫時間無關；③由于Mf線位于室溫之下，使得過冷馬氏體轉變難以完全進行，常會有部分奧氏體殘余下來。④過冷奧氏體由面心立方晶格轉變?yōu)轶w心正方晶格的馬氏體過程中，伴隨著體積膨脹，使零件產(chǎn)生內(nèi)應力，甚至變形和開裂。馬氏體的晶格含碳量小于0.2%的低碳馬氏體形態(tài)為板條狀；而含碳量高于1.0%的高碳馬氏體形態(tài)為針狀；含碳量在0.2～1.0%之間的馬氏體形態(tài)是片狀和針狀的混合組織。板條馬氏體呈位向平行的束條狀分布，各馬氏體束間位向不同。板條馬氏體出現(xiàn)在淬火低碳鋼中。板條馬氏體含碳量低，晶格畸變小，板條內(nèi)部存在著高密度的位錯，因此具有良好的綜合力學性能，塑性和韌性比片狀馬氏體好。如含碳量為0.2%的低碳馬氏體，其硬度為50HRC，Rm為1500MPa，αK為150～180J/cm2。片狀馬氏體的空間形狀為透鏡狀，在光學顯微鏡下呈竹葉或針片狀，針片大小不一，角度不一。片狀馬氏體出現(xiàn)在淬火態(tài)的高碳鋼或高碳合金鋼中。片狀馬氏體含碳量高，晶格畸變大。片狀馬氏體的強度和硬度高，但其塑性和韌性低。碳鋼的等溫冷卻轉變曲線4連續(xù)冷卻轉變曲線（CCT曲線）共析鋼的CCT曲線CCT曲線上，在溫度較高時過冷奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w。在轉變開始線上開始發(fā)生由A→P的轉變，在轉變終了線上完全轉變?yōu)橹楣怏w。在轉變開始線和轉變終了線的下端，存在著轉變中止線。如過冷奧氏體以v2的速度冷卻，轉變中止線上時只部分轉變?yōu)橹楣怏w，剩余的過冷奧氏體在低溫下發(fā)生馬氏體轉變，室溫下得到P+M+A′的混合組織。在CCT曲線上沒有貝氏體轉變區(qū)。

共析鋼的CCT曲線如淬火冷卻速度小于vc'時（爐冷或空冷），發(fā)生珠光體轉變，室溫得到珠光體。如冷卻速度大于vc時（水冷或油冷），冷卻曲線不經(jīng)過珠光體轉變區(qū)，發(fā)生馬氏體轉變后，室溫下得到M+A′組織。冷卻速度介于vc和vc'之間的情況，室溫下得到P+M+A′組織。vc是全部獲得M的最小冷卻速度，稱其為淬火臨界冷卻速度。Cr、Mo、W、V、Ti等合金元素，能增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而使鋼的C曲線和CCT曲線右移，減小鋼的淬火臨界冷卻速度。對共析鋼，保證過冷A只轉變?yōu)镸的最小冷速為138.8℃/s；保證過冷A全部轉變?yōu)镻的最大冷速為33.3℃/s．不同冷卻方式的冷速V爐冷v≈1/120～1/30℃/s空冷v≈3～10℃/s二者得到珠光體組織油冷：vC＇＞vC水冷：v＞vC二者可得到馬氏體組織

共析鋼的CCT曲線通過對零件整體進行加熱、保溫和冷卻的工藝過程來改變零件組織和性能的熱處理工藝，稱為整體熱處理，也稱為常規(guī)熱處理。鋼的整體熱處理主要包括退火、正火、淬火和回火。它們通常均是先奧氏體化，再通過不同的冷卻方式進行冷卻，使過冷奧氏體發(fā)生轉變，從而獲得具有不同的組織和性能的材料。5.2鋼的常規(guī)熱處理

常規(guī)熱處理的分類1正火5.2.1正火和退火將鋼加熱到至完全奧氏體化溫度，保溫一定時間，然后從爐中取出，使其在空氣中冷卻的熱處理工藝，稱為正火。鋼奧氏體化后，空冷比爐冷冷卻速度快，具有較大的過冷度，過冷奧氏體轉變?yōu)樗魇象w組織。亞共析鋼空冷后的組織為鐵素體+索氏體；共析鋼空冷后的為索氏體；過共析鋼空冷時，二次滲碳體來不及充分析出，空冷后的組織也為索氏體，也就是說空冷能消除過共析鋼緩冷時生成的網(wǎng)狀滲碳體。亞共析鋼Ac3以上30～50℃過共析鋼Accm以上30～50℃碳鋼的各種退火和正火工藝規(guī)范正火的冷卻速度比退火快，索氏體組織細小，強度和硬度比退火高。正火生產(chǎn)周期比退火大大縮短，見C曲線，生產(chǎn)成本比退火低。正火的用途：①對亞共析鋼的鑄件或鍛件，用空冷來代替爐冷，可細化晶粒，消除部分鑄造或鍛造缺陷，又可節(jié)約冷卻時間、降低生產(chǎn)成本；②對低碳鋼正火可提高零件硬度，改善切削加工性能；③對過共析鋼零件正火可消除網(wǎng)狀二次滲碳體；④對力學性能要求不高的零件，可在正火后使用。過共析鋼爐冷組織過共析鋼空冷組織將亞共析鋼加熱到Ac3以上30～50℃進行完全奧氏體化，保溫后停止加熱，在關閉爐門的情況下隨爐緩冷，使過冷奧氏體發(fā)生珠光體轉變的熱處理工藝，稱為完全退火。完全退火原子擴散充分，使零件成分均勻、內(nèi)應力基本消除，由于重新結晶而使晶粒細化。它主要用于亞共析鋼的鑄件、鍛件、焊坯件、軋材等的預備熱處理，可以細化晶粒，消除過熱組織，充分消除內(nèi)應力、降低硬度和改善切削加工性能。2完全退火減少退火時間的原理3球化退火球化退火工藝為：將過共析鋼零件加熱到Ac1以上20～30℃長時間保溫；然后隨爐緩慢冷卻至600℃以下，出爐空冷。在保溫時珠光體轉變?yōu)閵W氏體，仍有部分滲碳體未固溶到奧氏體中，它們在長時間保溫時自發(fā)球化；在隨爐緩慢冷卻過程中，未溶滲碳體作為滲碳體形核核心而進行共析轉變，從而得到粒狀滲碳體分布于鐵素體基體上的組織。球化退火使碳素工具鋼、高碳合金鋼中的滲碳體全部轉變?yōu)榱?，消除了珠光體的層片組織，使鋼的韌性升高，硬度降低，切削加工性能升高。若原始組織中存在網(wǎng)狀滲碳體，在進行球化退火前，則須先用正火來消除滲碳體網(wǎng)。

粒狀Ｐ(F+球狀Fe3C)4其它退火均勻化退火（擴散退火）為消除鋼錠、鑄件、鍛件等的晶內(nèi)偏析，將鋼加熱到固相線之下100～200℃保溫10～15h，爐冷。擴散退火零件晶粒粗大，還須通過正火或完全退火來細化晶粒。

去應力退火鑄、鍛、焊件及特種加工、切削加工的零件中均存在內(nèi)應力。為消除內(nèi)應力，穩(wěn)定尺寸，將鋼加熱到500～650℃，保溫后爐冷到200℃出爐空冷，這一熱處理過程可消除零件50～80%的內(nèi)應力，稱為去應力退火。退火溫度

5.2.2淬火M的強度、硬度和耐磨性能都極好，為得到M，進行淬火處理。它是鋼材強化的最重要的方法。1

淬火的加熱溫度及保溫時間淬火時亞共析鋼加熱溫度為Ac3+（30～50）℃，在該溫度下保溫可獲得均勻單一的奧氏體組織。若其加熱溫度在Ac1之上低于Ac3，鐵素體就不能完全固溶入奧氏體，使淬火鋼的強度和硬度不足。若加熱溫度過高，奧氏體晶粒長大，使淬火后馬氏體組織粗大。淬火后組織一般為M+A′．鋼淬火加熱溫度

淬火加熱溫度為：Ac3+（30～50）℃---亞共析鋼Ac1+（30～50）℃---過共析鋼T—保溫時間,單位為min；k—加熱時間系數(shù)，K=1.5~2.0min/mm；D—工件有效厚度，單位為mm。過共析鋼淬火加熱溫度為Ac1+（30～50）℃。在該溫度下保溫，珠光體轉變?yōu)閵W氏體，保留有大量粒狀滲碳體。好處為：降低奧氏體的含碳量，使淬火后的馬氏體含碳量降低，降低淬火開裂傾向，同時降低殘余奧氏體的數(shù)量。淬火后組織為M+A′+Fe3C。鋼淬火加熱溫度

保溫時間：T=k·D淬火冷卻速度v必須大于臨界冷卻速度vc，才能保證冷卻曲線從C曲線的“鼻尖”左側通過，避免發(fā)生珠光體型轉變?？炖鋾沽慵?nèi)部產(chǎn)生較大的熱應力，馬氏體轉變也產(chǎn)生巨大的應力，在二種應力共同作用下，容易使零件變形或開裂。問：①v>vc的適用溫度區(qū)域在哪里？②馬氏體轉變應力什么時候產(chǎn)生？淬火冷卻速度選擇原則為：在保證馬氏體轉變的前提下，選擇較低的冷卻速度。結論：在C曲線“鼻尖”溫度前需要快速冷卻，在“鼻尖”溫度之下慢速冷卻，這樣可以減少馬氏體轉變前的熱應力。

理想淬火冷卻速度示意圖2

淬火的冷卻速度及冷卻介質(zhì)GCr15鋼的淬火裂紋常用淬火冷卻介質(zhì)的冷卻能力淬火冷卻介質(zhì)冷卻能力650～550℃300～200℃水（18℃）60027010%鹽水（18℃）1100300菜籽油20035熔鹽（鹽?。?5010①水在高溫段水冷卻速度高，能夠滿足淬火需求；在低溫段冷卻速度過高，零件變形和開裂傾向相當大。升高水溫，可以使其低溫冷卻速度降低；在水中加入的鹽或堿，可以提高其冷卻能力。②油高溫冷卻能力比水小，只適用于淬透性好、零件壁厚不大的零件；油的低溫冷卻能力低，淬火應力小，能夠避免零件淬火變形和開裂，可以作為形狀復雜零件的淬火介質(zhì)。③熔融狀態(tài)的鹽一般在加熱到100～150℃間使用，能夠減小淬火應力。淬火冷卻介質(zhì)淬火采用哪種冷卻方式，需根據(jù)零件使用要求、零件材料、零件形狀結構、車間熱處理設備來綜合選擇。3

常見淬火冷卻方法將奧氏體化后的零件，先淬入冷卻能力較強的水中，以避免發(fā)生珠光體轉變。當冷卻溫度至接近Ms點時，再將其取出淬入冷卻能力較差的油中，以減小零件的淬火應力。該工藝操作復雜，適合于各種各樣的零件。將奧氏體化后的零件直接淬入單一的冷卻介質(zhì)中進行組織轉變的淬火工藝。該工藝操作簡單，易于實現(xiàn)機械化和自動化。水淬時應力較大，變形和開裂傾向大，油淬的淬火能力差，但淬火應力較小。單液淬火雙液淬火分級淬火是將奧氏體化后的零件，先放入溫度略高于Ms點的鹽浴爐內(nèi)，進行短暫等溫(2-5min)，然后取出空冷以得到馬氏體的工藝。零件在等溫中消除了溫差，從而減小了熱應力，馬氏體轉變是在隨后的空冷中完成的，淬火應力較小，零件變形和開裂傾向大大減小。由于鹽浴爐容積有限，該法僅適合小零件的淬火。等溫淬火是將奧氏體化后的零件，放入鹽浴爐內(nèi)快速冷卻至下貝氏體轉變溫度（260～400℃）長時間等溫，得到下貝氏體的淬火工藝。等溫淬火時變形開裂傾向小，且下貝氏體既具有較高的強度和硬度，又具有良好的塑性、韌性。其主要用于形狀復雜、尺寸較小、精度要求高的重要受力件。分級淬火等溫淬火深冷處理在零件淬火后，繼續(xù)冷卻到室溫以下低于Mf的溫度（－80～―70℃），使A'全部轉化為Ｍ的淬火工藝。深冷處理可完全消除A'

。提高鋼的硬度和尺寸穩(wěn)定性。局部淬火4鋼的淬透性某鋼的CCT曲線如右圖，那么大小兩個已經(jīng)奧氏體化的零件能否淬火成M體呢？當冷卻時間達τc時，從該時刻零件上的溫度分布如曲線，可知：小壁厚零件的中心和外表面均低于tc℃，能夠完全淬透；大壁厚零件的表層溫度低于tc能淬上火，零件中心區(qū)域溫度高于tc℃，不能淬上火。零件上能淬火與不能淬火的分界在溫度等于tc℃的那個位置。該冷卻方式下臨界冷卻速度vc過（τc,tc）點。如果鋼冷卻時間達到τc秒時，零件上溫度處于tc℃以上的部分，都會發(fā)生珠光體轉變，而使合金淬不上火。淬透性表示鋼淬火時獲得馬氏體的能力，通常用規(guī)定條件下的淬透層深度來表示。淬透性高的鋼，其淬透層深度大，厚大的零件也能淬透。為了便于測量，規(guī)定從淬火零件表面至半馬氏體區(qū)（M體積分數(shù)為50%）的距離為淬透層深度。淬透性是材料本身的性能，只與材料成分有關，與具體的熱處理工藝無關。C曲線或CCT曲線越靠右，淬透性越高。鋼的淬透性主要決定于合金元素的含量。除Co之外的合金元素，均能提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而減小其臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。如果有一種鋼的CCT曲線比前述鋼的右移了一些。在同樣冷卻條件下，此鋼可淬火的時間就延長為τc1。零件冷卻時就可多冷卻一段時間，使得鋼的溫度分布均比前者低，就有可能使零件的內(nèi)外均低于τc1，從而使零件淬透。末端淬火法①將鋼材制作成φ25×100的標準試樣；②將該試樣加熱至奧氏體化溫度，保溫規(guī)定時間；③放在專門的末端淬火裝置上，對試樣末端進行噴水冷卻；④測量與水冷端不同部位的硬度。從試樣末端到試樣中部，其冷卻速度逐漸減小，因而淬火后馬氏體含量逐漸遞減，硬度逐漸降低。末端淬火法所測得的淬透性用J（HRC/d）來表示。J表示末端淬透性，d表示該點至末端的距離，HRC表示該處的洛氏硬度值。臨界直徑法通過測定鋼在淬火介質(zhì)中心部能完全被淬透的最大直徑（D0）來表示該鋼的淬透性。顯然鋼的淬透性越好，其臨界直徑越大。常用鋼的臨界直徑D0鋼號臨界直徑/mm鋼號臨界直徑/mm水淬油淬水淬油淬4513～16.55～9.535CrMo36～4220～286011～176～1260Si2Mn55～6232～46T1010～15<850CrVA55～6232～4065Mn25～3017～2538CrMoA1A1008020Cr12～196～1220CrMnTi22～3515～2440Cr30～3819～2830CrMnSi40～5032～4035SiMn40～4625～3440MnB50～5528～40〖例3〗直徑分別為Φ15mm、Φ25mm、Φ40mm的圓柱零件，要想淬透，請選取合適的材料和淬火介質(zhì)。解：根據(jù)表，直徑為Φ15mm的零件，選取60水冷；直徑為Φ25mm的零件，選取65Mn水冷、直徑為Φ40mm的零件，選取60Si2Mn水冷或油冷。馬氏體的強度、硬度和耐磨性能都極好，為得到馬氏體，進行淬火處理。它是鋼材強化的重要方法。鋼的淬透性是制訂淬火工藝規(guī)程的重要依據(jù)。淬透性好的鋼，能夠生產(chǎn)較大尺寸的高強度零件；淬透性差的鋼，只能生產(chǎn)小尺寸的高強度零件。淬火組織的不足之處：①零件塑性、韌性很低，不具有良好的綜合力學性能；②零件內(nèi)部存在很大的淬火殘余應力，影響使用性能；③馬氏體和殘余奧氏體都是不穩(wěn)定組織，在使用過程中會緩慢分解為穩(wěn)定組織，從而使零件變形。為了消除淬火應力，提高塑性、韌性，穩(wěn)定零件尺寸，將淬火后的鋼加熱至Ac1以下的某個溫度進行保溫，然后出爐空冷，此工藝稱為回火。在回火保溫過程中，馬氏體和殘余奧氏體逐漸分解，轉變?yōu)榉€(wěn)定的合金相，即鐵素體和滲碳體。5.2.3回火1回火的作用淬火組織、應力隨回火溫度升高的變化情況鋼淬火后獲得馬氏體加少量殘余奧氏體的組織，其強度、硬度有了大幅度的提高。淬火后組織一般為M+A′或M+A′+Fe3C。隨著溫度升高，高碳馬氏體在不同溫度下回火的組織轉變?nèi)缦隆?）M開始分解（100～200℃）

淬火鋼在200℃以下回火時，馬氏體內(nèi)部析出極細小的ε-碳化物（分子式約為Fe2.4C），馬氏體的含碳量和正方度有所降低。這種混合組織稱為回火馬氏體，用M回表示。2）A′分解（200～300℃）

從200℃起殘余奧氏體開始轉變?yōu)轳R氏體，至300℃基本轉變完畢，但殘余奧氏體數(shù)量有限，因此仍把鋼的組織稱為回火馬氏體M回。2淬火鋼回火時的組織轉變M回仍具有馬氏體針狀特征。僅比淬火馬氏體易受侵蝕而變暗。M回仍保留著淬火馬氏體的高硬度，但其淬火應力和脆性均大幅度降低，而且在轉變過程中體積縮小?；鼗瘃R氏體500X3）回火屈氏體的形成（300～500℃）隨著碳原子擴散能力增強，從過飽和的鐵素體中不斷析出滲碳體，使基體含碳量降低，變?yōu)殍F素體。ε－碳化物（Fe2.4C）轉變?yōu)榧毩顫B碳體。使鋼內(nèi)應力消除，硬度下降，彈性極限提高?；鼗鹎象wT回

500X回火索氏體S回

500X4）回火索氏體的形成（500～650℃）隨著原子擴散能力進一步增強，滲碳體聚集長大成尺寸較大的顆粒；片狀或板條狀鐵素體通過再結晶轉變?yōu)榈容S狀鐵素體。使鋼強度、硬度下降，但塑性、韌性明顯升高。鐵素體基本上彌散分布著大量細粒狀滲碳體的組織，稱為回火屈氏體，用T回表示。多邊形等軸晶鐵素體基體上分布著顆粒狀滲碳體的組織，稱為回火索氏體，用S回表示。低溫回火（150～250℃）低溫回火消除了大部分淬火應力，基體含碳量有所降低。低溫回火馬氏體仍具有很高的硬度和強度，M回硬度為58～64HRC，具有良好的耐磨性。低溫回火主要用于各種高碳工具鋼、滾動軸承鋼、滲碳鋼，以及低碳合金鋼。低碳馬氏體由于自回火，一般不需要低溫回火。分為：低溫回火，（150～250℃）中溫回火，（350～500℃）高溫回火，（500～650℃）3回火分類及作用中溫回火（350～500℃）它使淬火應力全部消除，強度和硬度有所下降，硬度為35～45HRC；同時合金的塑性韌性得到提高。中碳鋼中溫回火后，彈性極限保持最高的水平。中溫回火主要用于彈簧鋼、鍛造模具鋼的熱處理。高溫回火（500～650℃）

淬火+高溫回火又稱為調(diào)質(zhì)處理消除淬火應力，強度和硬度明顯下降，但塑性、韌性大大提高，回火后硬度為200～330HBS，具有優(yōu)良的綜合力學性能?；鼗鹚魇象w具有高的強度、塑性和韌性。調(diào)質(zhì)處理主要用于受力復雜，需要綜合機械性能高的零件。用于連桿、螺栓、齒輪、軸類等重要機器零件。250～350℃發(fā)生第一類回火脆性500～650℃發(fā)生第二類回火脆性，出現(xiàn)在某些合金鋼中?？梢酝ㄟ^在鋼中加入Mo、W，或是回火后快冷等措施來消除。4回火脆性在某溫度下回火時αk明顯降低的現(xiàn)象，稱為回火脆性。鋼回火溫度與性能的關系（WC＝0.41%，WMn=0.72%）

回火脆性產(chǎn)生的溫度化學熱處理是將零件放入化學介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入零件表層，從而改變零件表層化學成分和組織，使零件表層和心部性能不同的熱處理工藝。化學熱處理不僅改變表層的組織，也改變表層化學成分?；瘜W熱處理可提高零件表面的淬硬性、耐磨性、耐腐蝕性以及抗疲勞性能?；瘜W熱處理包括如下四個基本工藝過程：①加熱——將零件加熱到有利于吸收滲入元素原子的溫度；②分解——進入爐內(nèi)的化合物（又稱為滲劑）在一定條件下分解，釋放出需要滲入零件表面的活性原子；③吸收——吸附在零件表面上的活性原子被零件表面所吸收；④擴散——活性原子由表層向零件內(nèi)部擴散形成具有一定厚度的擴散層。5.3鋼的表面熱處理及化學熱處理固體滲碳原理滲碳是將低碳鋼零件放入滲碳介質(zhì)中，加熱至900～950℃保溫，使?jié)B碳劑分解釋放出活性碳原子，滲入零件表面，提高零件表層的含碳量，從而增加零件表面淬硬性的一種熱處理工藝。滲碳的主要目的是在保持零件心部良好韌性的同時，提高其表面的硬度、耐磨性和疲勞強度。滲碳主要用于那些對表面耐磨性要求較高，并承受較大沖擊載荷的零件。5.3.1鋼的滲碳1活性碳的產(chǎn)生

固體滲碳實際上是通過氣體介質(zhì)進行的。固體滲碳時零件表面含碳量主要受奧氏體飽和溶解度限制。固體滲碳箱1）固體滲碳氣體滲碳是將零件放入密封的滲碳爐內(nèi)，在高溫（一般為900～950℃）氣體介質(zhì)中的滲碳。滲碳氣體的主要組成物是CO、H2、CO2、CH4、H2O、O2等。CO和CH4起滲碳作用，其余的起脫碳作用。當氣氛中的CO和CH4增加時，反應將向右進行，分解出來的活性碳原子增多；活性碳原子吸附在工件表面，并向鋼的內(nèi)部擴散。2）氣體滲碳氣體滲碳2滲碳件的熱處理與組織鋼件滲碳后，從表面到心部形成了一個碳濃度梯度層。滲碳后緩冷，由表面向內(nèi)依次為過共析區(qū)、共析區(qū)、亞共析區(qū)，直至原始組織。這種組織不能完全滿足零件外硬里韌的使用要求。因此，滲碳后須進行淬火和回火。在淬透情況下，淬火后表層金相組織為M高碳＋A′+Fe3CII，心部為M低碳。低溫回火后，表層為：M回高碳＋A′+Fe3CII，硬度為58～62HRC，心部為回火低碳馬氏體。

20CrMnTi滲碳后緩冷組織直接淬火工藝示意圖180-200℃滲碳900-930℃回火溫度/℃時間淬火A1滲碳件的強韌性能取決于滲碳層深度和滲碳層的碳含量。低碳鋼零件滲碳處理后，表層強度高于心部強度。研究表明：①表層含碳量為0.8～1.05％較合適，此時碳濃度梯度較平緩；②如滲層碳化物的數(shù)量過多，疲勞強度、沖擊韌性、斷裂韌性等變差；③心部組織強度、硬度偏低時，容易使?jié)B層脫落；硬度過高時，沖擊韌性和疲勞壽命降低。

滲碳層厚度δ一般為0.5-2mm，厚度δ與滲碳時間τ的關系如下。

一般滲碳件的加工工藝路線為：鍛造→正火→機加工→滲碳→淬火→低溫回火→精磨3

滲碳后性能

滲碳后零件表里性能分布5.3.2鋼的滲氮滲氮是在A1以下溫度（520～600℃）將活性氮原子[N]滲入鋼件表面，以提高其硬度、耐磨性、疲勞強度和耐腐蝕性能的一種化學熱處理工藝。在溫度大于380℃時，氨氣熱分解而獲得活性氮原子，即活性氮原子滲入零件表面并在擴散作用下，使零件表面獲得一定厚度的滲氮層。滲氮后隨爐冷卻到200℃以下出爐。滲氮后，零件表層由連續(xù)分布、致密的氮化物構成，而其心部組織與預備熱處理相同。目前滲氮鋼多數(shù)是wc＝0.15～0.45％的合金結構鋼。此外，一些冷作模具鋼、熱作模具鋼及高速鋼等也適于滲氮處理。

滲氮熱處理工藝向鋼表層同時滲入碳和氮的化學熱處理，稱為碳氮共滲。根據(jù)滲入溫度可將碳氮共滲分為高溫（790～920℃）碳氮共滲和低溫（520～580℃）碳氮共滲。高溫碳氮共滲以滲碳為主，低溫碳氮共滲是以滲氮為主。碳氮共滲兼有兩者的優(yōu)點：①氮使A1溫度降低，共滲溫度較低，零件不易過熱，滲后直接淬火，變形較??；②滲入速度較快，可縮短工藝周期；③表層硬度較高，滲層較深，硬度、耐磨性與疲勞強度較高，且承載能力比滲氮時大大提高。④氮提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，故滲層淬透性較高。用碳氮共滲取代薄層滲碳（層深<0.75mm），應用越來越廣。5.3.3碳氮共滲電阻爐是靠電阻發(fā)熱加熱的爐子，分箱式爐、井式爐和臺車式三種。1）箱式電阻爐

該種爐子通用性強，可進行多種熱處理，缺點是爐溫不均勻，易氧化脫碳。按其工作溫度，可分為高溫、中溫及低溫三種。1－加熱元件2－工件3－耐熱鋼爐底板1電阻爐5.4.1常用熱處理設備5.4熱處理工藝及其應用

2）臺車式電阻爐它是箱式電阻爐的改進型，主要用于大工件的正火、退火及淬火加熱。1－工件2－加熱元件3－爐底板4－臺車架3）井式電阻爐電阻加熱井式爐分為高溫、中溫、低溫電阻爐和井式氣體滲碳爐四種。（1）低溫井式電阻爐——爐溫均勻、裝卸料方便，適用于淬火工件的回火處理或有色金屬的熱處理。（2）中溫井式電阻爐——常用作淬火、退火、正火等工序的加熱。（3）井式氣體滲碳爐——爐膛密封性好，風扇機構使爐內(nèi)氣氛加熱加速循環(huán)，爐內(nèi)溫度均勻?？捎糜跉怏w滲碳，氣體氮化、淬火加熱等熱處理。是利用熔鹽作為加熱介質(zhì)的熱處理設備，其結構簡單、爐溫均勻、加熱速度快，不易氧化脫碳，多用于淬火加熱。按熱源方式的不同，鹽浴爐分為外熱式和內(nèi)熱式兩種。2鹽浴爐1－爐體；2－爐底空隙；3－耐熱磚及絕緣磚層；4－電熱元件；5－坩堝；6－爐蓋；7－吸風管；8－鐘罩；9－熱點偶；10－接線罩；11－接線柱外熱式鹽浴爐的熱源采用外部加熱。電極鹽浴爐，在井狀爐膛內(nèi)插入或在爐墻中埋入電極，通以低電壓大電流的交流電，借助熔鹽的電阻發(fā)出熱能，使熔鹽達到要求的溫度，并使鹽中的工件加熱。

埋入式鹽浴爐電阻坩堝鹽浴爐1－絕熱層；2－耐熱層；3－爐膛；4－啟動電阻；5－插入式電極5.4.2熱處理技術條件和工序位置熱處理技術條件須根據(jù)材料成分及性能要求確定，將其標注在零件圖上。它包括：熱處理方法；處理后應達到的性能。一般零件以硬度值作為熱處理技術條