钢的热处理工艺1

钢的热处理工艺目录

绪论

第一章钢的力学性能

1.1强度与塑性

1.1.1拉伸试验与力—伸长曲线 1.1.2强度指标 1.1.3塑性指标 1.2 硬 度

1.2.1布氏硬度 1.2.2洛氏硬度 1.2.3维氏硬度

1.3冲击吸收功

1.3.1夏比冲击试验 1.3.2多次冲击试验 1.4疲劳极限

1.4.1疲劳现象 1.4.2疲劳极限

第二章钢的热处理概况

2.1钢的热处理定义 2.2钢在加热和冷却时的转变

第三章钢的热处理工艺

3.1钢的整体热处理工艺

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3.1.1退火 3.1.2正火 3.1.3淬火

3.1.4回火

3.2钢的表面热处理工艺

3.2.1表面淬火 3.2.2物理气相沉积 3.2.3化学气相沉积

3.3钢的化学热处理工艺

3.3.1渗碳 3.3.2渗氮

3.3.3碳氮共渗

3.4热处理工艺的应用

3.4.1热处理零件结构的工艺性 3.4.2零件的热处理技术条件 3.4.3热处理工序位置的确定

3.5热处理新技术简介

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第一章钢的力学性能

第一节强度与塑性

一、拉伸试验与力的伸长曲线

1、拉伸试验简介

d0 l0 长试样：l0=10d0; 短试样：l0=5d0

拉伸试验机如下图

2、力—伸长曲线

液压式万能电子材料试验机

b s Fs Fb k e l

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二、强度指标

强度的定义：材料抵抗塑性变形和断裂的能力。强度的大小：用应力表示。 什么叫应力？材料单位截面积上的内力，用表示，单位为MPb。

1MPb=1MN/m2 =1N/mm2

常用强度指标：屈服点、规定残余伸长应力、抗拉强度。 1、屈服点与规定残余伸长应力

屈服点： s = Fs/S 0 有些材料在拉伸过程中没有屈服现象。

F0.2 s o 0.2%l0 l 规定残余伸长应力： r0.2 =Fr0.2/S 0

强度的物理意义是材料抵抗微量塑性变形的能力。工程意义是机械设计和选材的重要论据机械零件在工作中不允许产生明显的塑性变形。 2、抗拉强度 抗拉强度： b = Fb/S 0物理意义是材料在拉伸条件下断裂前能够随的最大应力。工程意义是是机械设计和选材的重要论据。 讨论1：s 、r0.2、 b都是机械设计和 选材的重要论据。实际使用时怎办？ 塑性材料： s 、r0.2 脆性材料： b

屈强比： s / b 屈强比 s / b值越大，材料强度的有效利用率越高，但零件的安全可靠性降低。所以在实际应用时要根据具体情况考虑。

三、塑性指标

塑性的定义：材料在静载荷作用下产生塑性变形的能力。常用指标：断后伸长率、断面收缩率。 1、断后伸长率

( l1- l0)

 = 100%

l0

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的大小与试样标距长度有关。同种材料5> 10

2、断面收缩率

( s1- s0)

= 100% s0

的大小不受尺寸影响，比较确切地反映了材料的塑性。但测量精度相对较差。

物理意义是反映了材料在拉伸条件下塑性变形的能力。工程意义是塑性好的材料不仅便于加工（轧、锻、冲等），而且零件的安全性较高。

拉伸试验不适用于生产现场对零件进行质量检验，多用于原材料质量检验和科研、试制过程中。因为它是破坏性试验。生产中需要其他力学性能试验方法。

第二节硬 度

硬度是衡量材料软硬程度的指标。常用硬度试验法：压入法：布氏、洛氏、维氏、里氏（刻划法）、肖氏（回跳法），工业上应用广泛的是静载荷压入法硬度试验。

一、布氏硬度

1、试验方法简介

用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。

F 压头 试样

h /2 d/2

2、试验原理概述：

布氏硬度值计算是用球面压痕单位面积上所承受的平均压力表示，符号为HBS（HBW）。计算公式： 2F HBS= 0.102 D(D-D2-d2)

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布氏硬度值越高，材料抵抗硬物压入的能力越强，材料的硬度越高。 布氏硬度试验规范，首先根据被测材料的硬度范围选择压头的材料。对布氏硬度值450的材料选用淬火钢球压头；对布氏硬度值450的材料选用硬质合金球压头。然后根据被测材料种类和厚度选定D、F和t。 例：测量厚度为30mm的低碳钢试样的布氏硬度。

试验规范为：淬火钢球压头、D=10mm、F=29420N、t=10s

布氏硬度值的表示：常用试验规范（ D=10mm、F=29420N、t=10~15s）条件下测得的布氏硬度值275HBS 525HBW。其他条件下测得的布氏硬度值：120HBS10/1000/30 550HBW5/75。

布氏硬度试验的特点，测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。压痕面积较大，测量费时。常用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料的硬度。 不适于测量成品零件或薄件的硬度。

二、洛氏硬度

1、试验方法简介

0 1 h0 3 2 h 0 1 3 2 h1 2、试验原理概述 方法：用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。

试验过程：初试验力F1，压痕深度h0 主试验力F1，压痕深度h1 卸除主试验力，保留初试验力，残余压痕深度增量h 残余压痕深度增量的测量是非常困难的，实际测量时是从表盘上直接读出洛氏硬度值的。

计算公式H R=K-（ h/0.002)式中K=100（金刚石）或130（ 钢球) 洛氏硬度值的试验规范(标尺)

HRC 20~67 150kgf 金刚石 HRB 20~100 100kgf 淬火钢球 HRA 20~88 60kgf 金刚石

洛氏硬度值的表示：45HRC、65HRB、80HRA

洛氏硬度试验的特点：测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件，测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。是生产中应用最广泛的硬度试验方法，并可用于成品检验和薄件、表面硬度检验。不适于测量组织不均匀材料。

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三、维氏硬度

1、试验方法简介

与布氏硬度试验原理基本相同。只是压头改用了金刚石四棱锥体，试验力小但范围大（49.03N~980.7N)，测量精度高，适用范围广。 2、试验方法概述

方法：以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。 用压痕两对角线的平均长度（d）来计算，公式为H V=0 . 11F/d2 维氏硬度值的表示与布氏硬度基本相同，在后面要标注试验条件—试验力和保持时间（10~15S不标）。 例：580HV30表示用30kgf (294.2N)试验力保持10~15S测定的维氏硬度值为580 维氏硬度试验的特点适用范围广，从极软到极硬材料都可测量测量精度高，可比性强能测较薄工件，测量操作较麻烦，测量效率低，对试样表面质量要求高。广泛用于科研单位和高校，以及薄件、表面硬度检验，不适于大批生产和测量组织不均匀材料。

第三节冲击吸收功

冲击韧性是材料抵抗冲击力作用的能力，一般用冲击吸收功来表示。冲击吸收功是材料在冲击力作用下折断时所吸收的功。 冲击吸收功的测量

一、夏比冲击试验

1、试验原理简介

夏比冲击试验是将带有缺口的标准试样安放在试验机上的机架上，使试样的缺口位于两支座中间并背向摆锤的冲击方向，将一定质量m的摆锤提升到h1高度，此时摆锤具有位能mg h1；让摆锤自由落下冲断试样后升到h2高度，此时摆锤具有位能为mg h2。

显然，摆锤在冲断试样后损失的能量为： AKV（AKU）= mg h1- mg h2 （J）

mg h1 h2 mg

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2、冲击吸收功

AKV（AKU）就是试样在一次冲击试验作用下折断时所吸收的功，称为冲击吸收功。实际测量时，冲击试样必须按国家标准制造，有夏比V型和U型缺口试样两种。AKV（AKU）可从冲击试验机的刻度盘上直接读出。 冲击吸收功反映了材料抵抗冲击力而不破坏的能力，是评定材料力学性能的重要指标，是机械设计的参考指标。因测量结果受试样形状、表面形态、内部组织的影响大，测量数据重复性差。AKV只是设计的参考指标， 3、韧脆转变温度 实践表明，同种材料的冲击吸收功与试验温度有关用同种材料在一系列不同的温度下进行冲击试验，可得到冲击吸收功与试验温度的关系曲线，称为冲击吸收功-温度关系曲线。

AKV 过渡区 上平台区 下平台区 韧脆转O T

韧脆转变温度的工程意义反映了有些材料在室温时并不显示脆性，但低温时可能发生脆断。韧脆转变温度是衡量材料冷脆倾向的重要指标。

韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性越好，不容易发生低温脆断。

二、多次冲击试验

实际生产中，零件经一次冲击即断裂的情况是极少的。多数零件是在小能量冲击条件下经受许多次(>103)冲击后才断裂。这种冲击称为小能量多次冲击。要测量材料在小能量多次冲击作用下的抗力，可采用小能量多次冲击试验。 多冲试验方法

试验时将多冲试样安放在试验机支座上，用小能量进行多次冲击，直到试样断裂，得出材料在一定冲击能量下，开始出现裂纹和最后断裂的冲击次数，以此作为多冲抗力。 研究表明：材料的冲击抗力是取决于强度和塑性的综合性能指标。大能量一次冲击时，冲击抗力主要取决于塑性。小能量多次冲击时，冲击抗力主要取决于强度。

第四节 疲劳极限

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一、疲劳现象

零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。循环应力是大小或方向随时间发生周期性变化应力（载荷），也称交变应力 。

疲劳断裂都是突然发生的，断裂前没有明显的塑性变形，具有极大的危险性。机械零件的断裂中，80%因疲劳引起，每年造成巨大损失。疲劳断裂的过程——裂纹源—扩散（截面逐步减小）—最后突然脆断。所以设计选材时需要一个能反映材料抵抗循环应力的力学性能指标。

二、疲劳极限

1定义

材料在循环应力作用下，经受无限次循环而不断裂的最大应力值称为疲劳极限。 2疲劳极限

用疲劳试验测量，通常在放置对称弯曲疲劳试验机上进行。通过试验得出疲劳曲线。用一批试样在不同的循环应力下进行疲劳试验，直到试样断裂。记录下每个试样循环应力与试样断裂前循环次数N，最后绘出- N关系曲线，称为疲劳曲线。

3、疲劳极限

由疲劳曲线可见，循环应力越低，则材料在断裂前循环次数N越大。

当降低到某一定值 -1后 ，疲劳曲线与横坐标平行。表明当<  -1时，材料经受无限有次循环也不会断裂。-1就称为 疲劳极限。实际疲劳试验时是不可能进行无限次重复试验，因此，我们工程上定义：对钢铁材料，取N=107作为无限次；对非铁金属材料，取N=108作为无限次。

实际生产中零件的疲劳极限受诸多因素影响：结构设计、表面粗糙度、表面应力状态等。因此，设计时应正确选材并避免容易产生应力集中的结构；生产中降低零件表面粗糙度并进行表面热处理。

第二章钢的热处理概括

第一节热处理定义

钢的热处理是将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组

织结构与性能的工艺。是改善钢材性能的重要工艺措施，

在机械制造中应用广泛。 热处理工艺分类：

整体热处理：退火、正火、淬火、 回火等

表面热处理：表面淬火、物理气相沉积、化学气相沉积等 化学热处理：渗碳、渗氮、 碳氮共渗等 热处理的工艺要素：温度、时间

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热处理工艺曲线：

加热 保温 温度 冷却 时间

第二节刚在加热和冷却时的转变

一、 钢在加热时的转变

1、奥氏体的形成(PA) 钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化。以共析钢的奥氏体形成过程为例。

⑴奥氏体形核与晶核长大

奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上形成。

奥氏体晶核形成以后，依靠铁、碳原子的扩散，使铁素体不断向奥氏

体转变和渗碳体不断溶入到奥氏体中去而进行的。

⑵ 残留渗碳体的溶解 铁素体全部消失以后，仍有部分剩余渗碳体未溶解，随着

时间的延长，这些剩余渗碳体不断地溶入到奥氏体中去，直至全部消

失。

⑶ 奥氏体均匀化 渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的成分是不均匀的，只有

延长保温时间，通过碳原子的扩散才能获得均匀化的奥氏体。

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AC3AC1 亚共析钢的加热过程： PFFAAACcmAC1 过共析钢的加热过程：  Fe3CⅡPAFe3CⅡA

2、奥氏体晶粒的长大 奥氏体晶粒度的概念

晶粒度：表示晶粒大小的尺度。

钢进行加热时，当珠光体刚刚全部转变为奥氏体时，在一般情况下，奥氏体晶粒是比较细小而均匀的，此时的晶粒大小称为奥氏体的起始晶粒度。

在某一具体的加热条件下所得到的奥氏体晶粒大小称为实际晶粒度。 用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度称为本质晶粒度。

通常采用标准试验方法，即将钢加热到930±10℃，保温3～8h后测定奥氏体晶粒大小，如晶粒大小级别在1～4级，称为本质粗晶粒钢；如晶粒大小在5～8级，则称为本质细晶粒钢。

Al脱氧(本质细) Al脱氧(本质细) Si/Mn脱氧(本质粗)

3.影响奥氏体晶粒长大的因素 (1).加热温度

加热温度愈高，晶粒长大速度越快，奥氏体晶粒也越粗大，热处理时必须规定合适的加热温度范围。 (2).保温时间

随保温时间的延长，晶粒不断长大，但随保温时间的延长，晶粒长大速度越来越慢，且不会无地长大下去。 (3).加热速度

加热速度越快，奥氏体化的实际温度愈高，奥氏体的形核率大于长大速度，获得细小的起始晶粒。生产中常用快速加热和短时保温的方法来细化晶粒。 (4).冶炼和脱氧条件

冶炼时用铝脱氧，或加入Nb、Zr、V、Ti等强碳化物形成元素，形成难溶的碳化物颗粒,阻止奥氏体晶粒长大，在一定温度下晶粒不易长大。 (5).含碳量的影响(有临界值)

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随着奥氏体含碳量的增加，Fe、C原子的扩散速度增大，奥氏体晶粒长大的倾向增加。

当超过奥氏体饱和碳浓度以后，由于出现了残余渗碳体，产生机械阻碍作用，使晶粒长大倾向减小。

二、 钢在冷却时的转变

过冷奥氏体的两种冷却方式

1、过冷奥氏体的等温转变

共析钢的 等温转变图

珠光体转变：扩散相变

(A1～550℃, A→P（F+Fe3C）)

1）在A1～650℃形成的珠光体 ，因为过冷度小，片间距较大(0.4m)，在500×以上的光学显微镜下，能分辨其片层状形态；即为粗珠光体，习惯上称为珠光体（P）。 2）在650～600℃形成片间距较小的珠光体(0.2~0.4m)，在光学显微镜800~1500×能分辨出其为铁素体薄层和碳化物（渗碳体）薄层交替重叠的复相组织称为细珠光体或索氏体，用字母S表示（以英国冶金学家H•C•Sorby的名字命名）。 3）在600～550℃形成片层间距极小的珠光体( 0.2m) ，在光学显微镜下高倍放大已无法分辨出其内部构造，在电子显微镜下可观测到很薄的铁素体层和碳化物（渗碳体）层交替重叠的复相组织，称为极细珠光体或托氏体，用字母T表示（以法国金相学家L•Troost的名字命名）。

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2、过冷奥氏体的连续冷却转变

➢只有P、M转变

➢vk

为临界冷却

速度

过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中的应用

v1---炉冷A→P

v2---空冷A→S

v3---油冷A→T+M

v水冷

A

第三章钢的热处理工艺

第一节 钢的整体热处理工艺

一钢的退火

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14 3 1 400 1010 1 0 800 -100 100 200 500 600 700 (℃)

定义：将钢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。

目的：1、降低硬度，提高塑性；为以后的加工做准备。 2、细化晶粒，消除组织缺陷；为以后淬火做组织准备。 3、消除内应力，提高塑性；稳定尺寸，防止变形开裂。

工艺分类：完全退火 球化退火 去应力退火 扩散退火

1）完全退火

定义： 将钢件加热完全A化后保持一定时间，然后缓慢冷却，获得

接**衡的热处理工艺。

工艺：1、加热温度：Ac3+30~50℃ 2、保温时间：按钢件有效厚度计算。 3、冷却；炉冷至500~600 ℃后出炉空冷。

工艺曲线

炉冷 温度Ac3 Ac1 500~600 ℃ 空冷 时间

应用：主要用于中碳钢和中碳合金钢的铸、焊、锻件和轧制件。

注意：对于过共析钢，因缓冷时沿晶界析出网状二次渗碳体，会显著降低钢的塑性和韧性，并给以后的切削加工和淬 火带来不利影响。因此，过共析钢不宜采用完全退火。

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二）球化退火

定义：使钢中碳化物球状化的退火工艺称为球化退火。 工艺：1、加热温度：Ac1+20~30℃

2、保温时间Ac1+20~30℃

3、冷却－－普通球化退火：炉冷至500~600 ℃后出炉空冷。

等温球化退火：在Ar1以下20 ℃等温足够时间后，炉

冷至500~600 ℃后出炉空冷。

工艺曲线

炉冷 温度

500~600 ℃ 空冷 普通球化退火 时间

Ac3 Ac1 炉冷 等温球化退火 讨论：为什么球化退火能使钢中碳化物球状化？

1、片状球化能减少表面能量，使系统更稳定； 2、球化退火冷却条件为碳化物球化提供了外界条件 为什么要使钢中碳化物球状化？

与层片状珠光体相比，球状珠光体硬度低、塑性好，有利于切削加工（如图4-13，P55）；并在以后的淬火过程中，A晶粒不容易长大，冷却时产生变形和裂纹的倾向也较小。

应用：主要用于共析钢和过共析钢的锻轧件。

注意：如果原始组织中存在较多的渗碳体网，应先进行正火消除渗碳体网后，再进行球化退火。亚共析钢球化退火后硬度太低，所以不宜球化退火。 三）去应力退火 定义：为去除因塑性变形、焊接等而造成的应力热处理工艺。 工艺：1加热温度：500~600℃

2冷却：炉冷至室温

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讨论：去应力退火过程中是否有相变发生？ 没有。因为加热温度在A1以下。

应用：广泛应用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以及机加工件中的残余应力。

目的：稳定钢件尺寸，减少变形，防止开裂。

二钢的正火

定义：将钢件加热到Ac3(或Accm)温度以上30~50 ℃，保持一定时间，然后在静止空气中冷却的热处理工艺。 目的：1、细化晶粒； 2、均匀组织； 3、调整硬度。

工艺曲线

Ac3 Accm Ac1 温度

空冷 时间

应用：1、消除过共析钢的碳化物网，为球化退火做好组织准备；

2、对低、中碳钢和低合金结构钢，作为消除应力，细化组织，改善切削加工性能和为淬火做组织准备的预备热处理；

3、用于某些碳钢、低合金钢工件在淬火返修时，消除应力，细化组织，以防止重新淬火时产生变形和开裂。

4、对于某些力学性能要求不是很高的普通结构件，正火也可取代调质处理

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作为最终热处理使用。

各种退火、正火工艺曲线：

Ac3+150~200 ℃ Ac3+30~50 ℃ Ac1+20~30 ℃ 温度

Ac3 Ac1 扩散退火 完全退火 500~600 ℃ 正火 去应力退火 时间

球化退火

讨论：在实际生产中，退火和正火怎么选用？ 1、从切削加工性考虑

最宜切削加工的硬度：170~260HBS

因此 对Wc<0.50%的结构钢：预备热处理宜采用正火。 对Wc>0.50%的结构钢：预备热处理宜采用完全退火。 对高碳工具钢：备热处理宜预采用球化退火。 2、从零件的结构形状考虑

对形状复杂或尺寸较大的零件：预备热处理宜采用完全退火而不用正火，以减少应力和变形。 3、从经济性考虑

正火生产周期短，成本低，操作简单。因此，在可能条件下尽量采用正火，以降低生产成本。

三钢的淬火与回火

一）钢的淬火

淬火定义：将钢件加热到Ac3或Ac1以上温度保持一定时间，然后以适当速度冷却，获得M或B下的热处理工艺。 淬火回火工艺通常配合在一起使用，是强化钢材、发挥钢材性能潜力、提

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高机械零件使用寿命的重要手段。通过淬火与一定温度的回火相配合，可以获得各种不同的组织和性能，满足各类零件和工具对使用性能的不同要求。

钢的淬火工艺碳钢：根据Fe-Fe3C确定： 淬火加热温度亚共析钢：A c3+30~50℃ 共析钢过共析钢：Ac1+30~70℃ 合金钢：根据相变临界点确定 可适当提高。

淬火保温时间  =K D

K——装炉系数（1~1.5） ——加热系数

D——钢件有效厚度

A1 温度 MS Mf

淬火冷却介质 质钢件淬火时理想的冷却曲线（上图所示） 对淬火介质的要求：

1、具有足够的冷却能力、良好的冷却性能和较宽的使用范围；

2、使用安全可靠，不易燃、不易老化、不腐蚀、易清洗、无公害； 3、资源丰富，经济性较好。

钢的淬透性在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。 用临界直径Dc表示。

Dc：钢材在某种介质中淬火后，心部得到全部Ｍ或50%Ｍ的最大直径。 淬透性对钢经热处理后的性能有很大影响：

淬透性好，淬火时被淬透，经回火后整个截面性能均匀一致。 淬透性不好，淬火时不能淬透，经回火后表里性能不一。

因此，淬透性是重要的热处理工艺性能，对于。合理选材和正确制定热处理工艺具有重要意义。 影响淬透性的因素

钢的淬透性主要取决于过冷Ａ的稳定性（即Ｃ曲线的位置）：

钢的化学成分：碳钢中Wc越接近共析成分，钢的淬透性越好；合金钢中绝大多数合金元素溶于A后能有效提高钢的淬透性。

A化温度及保温时间：适当提高A化温度或延长保温时间,可使A成分更均匀，有利于提高淬透性。

钢的淬硬性：钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度。

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时 间

淬透性好的钢不一定淬硬性好。是两个不同的概念。 常见的淬火缺陷

1、淬火工件的过热与过烧 2、变形与开裂 3、氧化与脱碳

4、硬度不足与软点

二）钢的回火

回火定义：钢件淬火后，再加热到A1以下某一温度保持一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。

经淬火后，钢的组织和性能

淬火淬火Ｍ虽然具有高的强度和硬度，但脆性较大，并存在较大内应力。 Ｍ和ＡＲ都是亚稳定组织。迟早要发生转变，尺寸不稳定。 因此淬火钢必须经回火后才能使用。

回火的目的：１、稳定组织，消除内应力——防止工件在加工和使用过程中产生变形和开裂。 ２、减少脆性，调整硬度——以满足各种工件对性能的不同要求。

回火的方法：低温回火：150—250℃ 中温回火：350—500℃ 高温回火：500—650℃

低温回火回火后的组织：Ｍ回 回火后的性能：高的硬度和耐磨性，但塑性和韧性较差 应用：主要用于刃具、量具、冷作模具、滚动轴承、渗碳淬火件、表面淬火件等。

中温回火回火后的组织：Ｔ回 回火后的性能：较高的弹性极限和强度，较好的韧性 应用主要用于弹性零件、热锻模具等。

高温回火回火后的组织：Ｓ回 回火后的性能：良好的综合力学性能。 应用：广泛用于各种重要的结构零件，如螺栓、连杆、齿轮、轴等。

钢回火组织变化的规律见下图

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Ｍ溶碳量 残余Ａ量 应 力 Fe3C尺0 200 400 600 回火温度/℃

强度 硬度 塑性 韧性 b HBS   AKU 0 200 300 400 500 600 回火温度/℃ 钢回火性能变化规律见上图

注意：没有250—350℃的淬火，因为淬火件在此温度回火后会出现回火脆性，使塑性韧性显著下降。 没有250—350℃的回火，因为多数机械零件或结构都需要良好的综合力学性能。 拓展，回火脆性：淬火钢在某些温度回火或从回火温度冷却通过该温度区间时的脆化现象。回火脆性又分为低温不可逆和高温可逆

第二节 钢的表面热处理工艺

表面热处理是指仅对工件表面进行热处理，以改变其表面组织和性能的热处理工

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艺。

一 钢的表面淬火

定义：是指把工件表面快速加热到淬火温度进行淬火的工艺。 表面淬火的方法有感应加热表面淬火，火焰加热表面淬火，高能粒子束加热表面淬火应用最广的是感应加热表面淬火

感应加热表面淬火的原理是电磁感应原理，其特点

1）加热速度快，加热时间短，晶粒细小，硬度高，且脆性小。 2）表面存在残余压应力，显著提高疲劳强度。 3）加热时间短，工件氧化、脱碳少，变形小。

4）淬硬层深度容易控制，可满足各种工件对淬硬层深度的不同要求。 5）生产效率高，便于机械化、自动化生产，适于大批量生产。 存在的不足设备投资较大，形状复杂零件的感应器制造困难——不适于单件小批生产。

感应加热表面淬火的分类与应用 分类 电源频率 淬硬层深度 应用范围 高频 感应加热 200~300 KHz 2500~8000 KHz 0.5~2 mm 2~8 mm 要求耐磨的小型齿轮、小轴 中频 感应加热 承受扭曲、压力载荷的曲轴、大齿轮、主轴等 工频 感应加热 50 Hz 10~15 mm 承受扭曲、压力的大型零件，如冷轧辊、火车车轮等 应用：感应淬火主要用于中碳钢和中碳合金结构钢制造的齿轮和轴类零件。 这类零件在表面淬火之前，需经正火或调质处理（预先热处理），以保证其心部具有良好的综合力学性能。

火焰加热表面淬火应用氧—乙炔（或其它可燃气体）火焰对工件表面进行加热，随之淬火冷却的热处理工艺。火焰淬火淬硬层深度一般为2—6mm。

特点：设备简单，操作灵活，淬火成本低。但加热温度和淬硬层深度不易控制，质量不稳定。

应用：只用于单件、小批生产以及大型工件（如大模数齿轮、大轴轴颈）的表面淬火。

二 气相沉积

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气相沉积就是用物理或化学的方法，使气相中的纯金属或化合物沉积于工件表面形成涂层，以提高工件的耐磨性、耐蚀性，或获得某些特殊的物理化学性能的一种表面涂覆新技术。

物理气相沉积是在真空加热的条件下利用蒸发辉光放电弧光放电溅射等物理方法提供原子离子，使之在工件表面形成薄膜的工艺，通常称为PVD法，其中包括蒸渡 溅射沉积 磁控溅射以及各种粒子束沉积方法等。

PVD法作为装饰镀以在轻工部门赢得声誉，将来有可能在大部分领域取代传统的电镀。PVD硬质镀层已经挤入磨具表面强化处理的行列。尽管设备昂贵，但以其惊人的强化效果和经济效益，发展前景是非常宽广的。

PVD法不足之处是设备昂贵在家高，操作和维护的技术要求高，沉积层与工作的结合力以及厚度的均匀性都不如CVD法。

化学气相沉积是利用气态物质在一定的温度下于固体表面上进行化学反应，并在其上面生成固态沉积膜的工艺方法，通常叫做CVD法。

CVD法是通过高温气相反应而生成其化合物的一种气相镀覆。涂层材料可以是氧化物碳化物氮化物硼化物，也可以是多元化合物。通过对基材 涂层材料会工艺的选择，可以得到特殊结构和特殊功能的涂层，在微电子技术，半导体光电技术 太阳能利用，光纤通信，超导技术，复合材料，装饰和防护涂层（耐磨，耐热，耐腐蚀）等新技术领域得到越来越多的应用 。

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第三节钢的化学热处理

定义：化学热处理是将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入工件表层，以改变其表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。 方法：渗碳，渗氮，渗流，碳氮共渗，渗錋，渗金属，多元共渗

过程：分解 ：化学介质在一定温度条件下分解，产生渗入元素的活性原子。 吸收：活性原子进入工件表面，溶入铁的晶格形成固溶体或化合物。 扩散：渗入的活性原子由表面向内部扩散，形成一定厚度的渗层。

一 渗碳

定义：为增加钢件表层碳含量和形成一定的碳浓度梯度，将钢件置于富碳介质中加热保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。 目的：提高工件表面的硬度和耐磨性。

渗碳用的钢必须是Wc=0.10-0.25%的低碳钢和低碳合金钢。是因为为保证工件渗碳+淬火回火后，表面具有高的硬度和耐磨性，而心部具有足够的强度和韧性。 渗碳的方法根据渗碳剂不同，分固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳。其中气体渗碳生产率高，渗碳过程容易控制，因而在生产应用最广泛。

气体渗碳设备为井式气体渗碳炉渗碳的温度为900—950℃渗碳剂有煤油、丙酮等。

工件渗碳后的成分工件经渗碳后，Wc从表面到心部逐步减少，表面Wc可达0.80-1.05%，而心部仍为低碳成分。渗碳后的组织工件经渗碳后，如果缓冷至室温，人表面到到心部组织依次为：过共析层、共析层、亚共析层。

工件渗碳后通常需要进行热处理。渗碳后的热处理通常为淬火+低温回火。根据工件材料和性能要求的不同，渗碳后的淬火可采用：直接淬火——合金渗碳钢一次淬火——碳素渗碳钢

900~950 温度 820~860 160~200 上图所示为渗碳后直接淬火+低温回火

900~950 温度 820~860 时间 160~200 时间

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上图所示为渗碳后+一次淬火+低温回火

渗碳淬火+低温回火后的组织与性能 组织 性能

表层 Ｍ回＋细粒状碳化物 高硬度(58-HRC)高耐磨性

心部 低碳Ｍ回或Ｓ组织 较高的强度，良好的塑性与韧性

渗碳工艺的特点与应用

特点：渗层深度容易控制，渗层仿形性好，渗碳后表面存在残余压应力，能提高疲劳强度，生产成本较低。但渗碳温度较高，渗碳淬火容易导致变形、开裂。 应用：渗碳淬火+低温回火是应用最广泛的化学热处理工艺。特别适用于重载、磨损、冲击条件下工伯的零件。如汽车齿轮、汽车轴等。

二渗氮

定义：在一定温度下（一般在Ac1以下)使活性氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。

目的：提高工件表面的硬度、耐磨性，以及疲劳强度和耐腐蚀性。

渗氮用钢：对以提高耐蚀性为主的渗氮：优质碳素结构钢：20、30、40钢 对以提高疲劳强度为主的渗氮：合金结构钢：40Cr、42CrMo 对以提高耐磨性为主的渗氮：渗氮专用钢：38CrMoAlA

三碳氮共渗

第四节热处理工艺的应用

热处理在机械制造中应用十分广泛。热处理工艺应用是否正确直接关系到零件的使用性能，寿命和成本。因此在进行零件设计和制订加工工艺时必须正确设计零件的结构形状、热处理技术条件和热处理工艺的工序位置。 ，

一热处理零件的结构工艺性

什么是零件结构的工艺性，是指所设计的零件结构在满足使用要求的前提下，实

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施制造的可行性和经济性（也即制造零件的难易程度。零件结构的工艺性是评定零件结构优劣的主要指标之一。 什么是热处理零件结构的工艺性，是指所设计的零件结构在满足使用要求的前提下，进行热处理的可行性和经济性（也即热处理的难易程度）。

零件的结构形状对热处理质量影响很大。因此在设计需要热处理的零件时，必须考虑热处理工艺对零件结构的要求——以确保零件热处理质量。 进行热处理零件的结构设计时应注意

1、避免截面厚薄相差悬殊，合理安排也洞与键槽； 2、避免尖角和棱角；

3、尽量采用封闭和对称结构； 4、合理采用组合结构。

二零件的热处理技术条件

当零件有热处理要求时，设计者应根据零件的工作条件、材料及性能要求提出适当的热处理技术条件并标注在零件图上；热处理技术条件的内容包括热处理方法及应达到的力学性能。 热处理技术条件的内容

对于一般零件：热处理技术条件只标注硬度值。

对于重要零件：除标注硬度值外，还应标注强度、塑性、韧性，有时还标注金相组织要求。

对于表面处理或化学热处理零件：除分别标注表面和心部硬度值外，还应标注表面处理层深度或渗层部位和渗层深度要求。 零件热处理技术条件的标注

通常用文字在图样标题栏上方作扼要说明：按GB/T126603-90《金属热处理工艺分类及代号》，并标出相应的力学性能指标及其它要求。如下图：

M12 12 62 三 热处理工序位置的确定

热处理工序在零件加工过程中是穿插进行的，其位置对于零件的加工工艺性，使用性能和成本影响很大。因此在确定热处理工序位置时，必须认真分析冷、热加工各工序间的关系，合理安排加工工艺路线，以优化工艺过程——在保证使用性能的前提下，使工艺性好、成本低、安全和生产周期短。 确定热处理工序位置的一般原则

热处理工序一般安排在铸造、锻压、焊接等热加工和切削加工（冷加工）的各工序之间。因热处理目的的不同，预备热处理和最终热处理的工序位置也不同。

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预备热处理的工序位置

预备热处理包括退火、正火，重要零件还常采用调质作为预备热处理。其工序位置一般安排在毛坯生产之后，切削加工之前；或粗加工之后，精加工之前。 最终热处理的工序位置

最终热处理包括淬火+回火、化学热处理等。其工序位置一般安排在半精加工之后，精加工（磨削加工）。 热处理工序位置确定实例 机床主轴制造工艺过程 材料：45钢

热处理技术条件：5151，220~250HBS；轴颈及锥孔5212，50~52HRC。 5151：主轴整体调质处理，硬度要求220~250HBS； 5212：轴颈及锥孔，硬度要求50~52HRC。

锻造→ 预备热处理→ 机加工（粗加工）→ 最终 热处理1→ 机加工（半精加工）→最终 热处理2→ 磨削加工（精加工）

因为45钢是亚共析钢所以预备热处理是正火 由于机床主轴整体要求具有良好的综合力学性能。所以最终 热处理1是整体调质处理 由于机床主轴轴颈要求具有良好的耐磨性，需要高的硬度。所以最终热处理2是轴颈处局部感应加热表面淬火。

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