關于金屬材料熱處理第1頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

公元前六世紀，鋼鐵兵器逐漸被采用，為了提高鋼的硬度，淬火工藝遂得到迅速發展。中國河北省易縣燕下都出土的兩把劍和一把戟，其顯微組織中都有馬氏體存在，說明是經過淬火的。第一節熱處理的發展史

早在公元前770～前222年，中國人在生產實踐中就已發現，銅鐵的性能會因溫度和加壓變形的影響而變化。白口鑄鐵的柔化處理就是制造農具的重要工藝。第2頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

隨著淬火技術的發展，人們逐漸發現淬冷劑對淬火質量的影響。三國蜀人蒲元曾在今陜西斜谷為諸葛亮打制3000把刀，相傳是派人到成都取水淬火的。這說明中國在古代就注意到不同水質的冷卻能力了，同時也注意了油和尿的冷卻能力。

中國出土的西漢(公元前206～公元24)中山靖王墓中的寶劍,心部含碳量為0.15～0.4%，而表面含碳量卻達0.6%以上，說明已應用了滲碳工藝。但當時作為個人“手藝”的秘密，不肯外傳，因而發展很慢。第3頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日1863年，英國金相學家和地質學家展示了鋼鐵在顯微鏡下的六種不同的金相組織，證明了鋼在加熱和冷卻時，內部會發生組織改變，鋼中高溫時的相在急冷時轉變為一種較硬的相。

法國人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構理論，以及英國人奧斯汀最早制定的鐵碳相圖，為現代熱處理工藝初步奠定了理論基礎。與此同時，人們還研究了在金屬熱處理的加熱過程中對金屬的保護方法，以避免加熱過程中金屬的氧化和脫碳等。第4頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

1850～1880年，對于應用各種氣體(諸如氫氣、煤氣、一氧化碳等)進行保護加熱曾有一系列專利。1889～1890年英國人萊克獲得多種金屬光亮熱處理的專利。1901～1925年，在工業生產中應用轉筒爐進行氣體滲碳；30年代出現露點電位差計,使爐內氣氛的碳勢達到可控，以后又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進一步控制爐內氣氛碳勢的方法；20世紀60年代以來，熱處理技術運用等離子場，發展了離子滲氮、滲碳工藝；激光、電子束技術的應用，又使金屬獲得了新的表面熱處理和化學熱處理方法。第5頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

在鑄造、壓力加工和焊接成形過程中，不可避免地存在組織缺陷。對金屬材料進行熱處理主要源于提高其綜合機械性能，符合材料在設計和制備過程中所遵循的“成分－組織－性能”的原則。第二節熱處理的理論基礎

熱處理是將金屬材料以一定的速度加熱到預定溫度并保持預定的時間，再以預定的冷卻速度進行冷卻的綜合工藝方法。第6頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

金屬材料的強化機制導致材料失效的最大應力結構材料陶瓷材料高分子材料金屬材料

強度

疲勞強度抗拉強度斷裂強度屈服強度材料強度的唯一性判據第7頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

通常研究的結構材料在室溫工作條件下，最需要考慮的是屈服強度和斷裂強度。斷裂強度屈服強度σb≥σk

σb≤σk脆性材料塑性材料脆性材料的強度通常以σk表示塑性材料的強度通常以σb表示

大部分金屬材料屬于塑性材料，其塑性變形是靠位錯的運動而發生的，因此，任何阻止位錯運動的因素都可以成為提高金屬材料強度的途徑。第8頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

固溶強化：

當合金由單相固溶體構成時，隨溶質原子含量的增加，其塑性變形抗力大大提高，表現為強度和硬度上升，塑性和韌性值下降。Cu－Ni固溶體的機械性能與成分的關系Al－Mg固溶體的應力－應變曲線σbδδ第9頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

固溶強化的實質：晶體結構中的彈性交互作用、電交互作用和化學交互作用。其中最主要的是：溶質原子與位錯的彈性交互作用阻礙了位錯的運動。不同溶質原子在位錯周圍的分布狀態Cotrell氣團模型：溶質原子與位錯彈性交互作用的結果，使溶質原子趨于聚集在位錯的周圍，以減小點陣畸變，降低體系的能量。（它對位錯有“釘扎”作用）第10頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

細晶強化：

合金的晶粒越細小，內部的晶粒和晶界的數目就越多。細晶強化利用晶界上原子排列的不規則性，原子能量高這一特點，對材料進行強化。

雙晶粒的拉伸試驗說明：晶界對形變有阻礙作用。雙晶粒拉伸示意圖低碳鋼的σs

與晶粒大小的關系第11頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

在右圖中，低碳鋼的σs

與晶粒直徑平方根的倒數呈線性關系，可用下式表示：

σs＝σ0+Kd－1/2

……Hall－Petch公式細晶強化理論的提出：（1）針對不同常規材料，探索抑制其晶粒長大的辦法。（2）在世界范圍掀起了研究納米材料的狂潮。可以實現在提高材料強度的同時，也改善材料的塑性和韌性，獲得最佳的強韌性配合。第12頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

加工硬化：

加工硬化是指金屬材料隨著塑性變形程度的增加，強度、硬度升高；塑性、韌性下降的現象。加工硬化（冷變形）是熱處理不能強化的金屬材料的主要強化方法。

曲線分為三階段1）易滑移階段（位錯少干擾）2）線性硬化階段（位錯塞積）3）拋物線硬化階段（螺旋位錯啟動，位錯密度下降）加工硬化曲線：第13頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日晶粒度對加工硬化曲線的影響加工硬化的實質：

是金屬塑性變形時內部產生滑移，使晶粒變形和細化亞組織，因而產生大量的位錯，晶格嚴重畸變，內部應力增加，其宏觀效應就是加工硬化。第14頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日晶體結構對加工硬化曲線的影響第15頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

時效強化：

時效強化是指獲得過飽和固溶體后，在一定溫度下保溫析出過渡相、第二相等而實現對材料強化的方法。第16頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

第二相強化（彌散強化）：

通過各種工藝手段使第二相質點彌散分布，可以阻礙合金內部的位錯運動，從而提高合金強度的方法。第二相一般指各種化合物質點。1）生產中可通過對馬氏體進行回火的方法獲得彌散分布的第二相；2）也可通過共晶化合物進行熱壓力加工獲得；3）還可通過共析反應獲得；4）另外還可通過粉末冶金方法獲得。獲得第二相的途徑：第17頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日第二相在基體中的形態及分布：

以鋼中Fe3C的形態與分布為例：

a：過共析鋼中，Fe3C呈連續網狀分布在α晶界上。塑性、強度下降。

b：珠光體中，Fe3C與鐵素體呈平行間隔分布。塑性、強度較高。（要求珠光體細小，片層間距小）

c：共析鋼或過共析鋼經球化退火后，Fe3C呈顆粒狀分布在α晶界上。強度下降，塑性上升，便于加工。第18頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日彌散型兩相合金強化的主要影響因素：

1）顆粒直徑

2）第二相含量（體積分數）

3）第二相的分布狀態第二相的強化機制：繞過機制切割機制第19頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

復合強化：

利用兩種或兩種以上的強化方法，來達到塑性金屬材料強化的目的。鋼的形變熱處理固溶強化加工硬化

回火索氏體

第二相強化細晶強化固溶強化第20頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

固態相變

塑性金屬材料的強化機制表明：通過熱處理中的加熱和冷卻過程使合金產生固態相變，從而合金組織發生變化，最終導致材料性能產生變化。

固態相變是指固態物質在溫度、壓力、電場、磁場改變時，從一種組織結構會轉變成另一種組織結構。

材料科學研究中的固態相變主要是指溫度改變而產生的相變。固態相變主要包括三種基本變化：1）晶體結構的變化；2）化學成分的變化；3）有序程度的變化。一種相變可同時包括一種、兩種或三種變化。第21頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

材料科學遇到的相變習慣上分為擴散型相變和無擴散型相變兩大類。

擴散型相變的特點是通過激活原子運動而產生，要求溫度高，原子活動能力強。純金屬的同素異構轉變、固溶體的多形性轉變、以及脫溶轉變等均屬于此類。

無擴散型相變的特點是相變中原子不發生擴散、原子作有規則的近程遷移，以使點陣改組；相變中相鄰原子的相互位置不變。在低溫下原子不能擴散時易發生這類轉變，如一些合金中的馬氏體相變，某些低溫進行的同素異構轉變（β-Co（hcp）與α-Co（fcc）。第22頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

固態相變的熱力學條件：

固態相變的熱力學所涉及的問題主要是反應能不能進行，即新相能否形成，最根本的就是反應過程△G＜0是否成立。

與液態凝固時相比較，固態相變形核增加了一項應變能，即△G＝－V△GV＋Sσ＋V△Ge

式中：V為新相體積；S為新、舊相的界面積；△GV和△Ge分別表示形成單位體積新相時自由能和應變能；σ表示新、舊相界單位面積的界面能。第23頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

固態相變的動力力學條件：

固態相變的動力學主要討論相變進行的速率問題，固態相變的速率是形核率和長大速率的函數，即與相變溫度有關的函數。

動力學除了討論固態相變過程中的形核和晶粒長大的速率問題，還包括外界條件（溫度、壓力和磁場）和組分對相變過程的影響及控制相變產物的組成等內容。第24頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

固態相變的晶體學：

固態相變的晶體學主要描述晶體中原有相與新相之間的晶體學關系，如晶體結構、點陣常數等，分析新相形成的原子遷移過程。第25頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

鋼鐵材料熱處理是通過加熱、保溫和冷卻方式借以改變合金的組織與性能的一種工藝方法，其基本內容包括熱處理原理及熱處理工藝兩大方面。第三節鋼的熱處理

鋼鐵材料的強韌化重要有兩個途徑：一是對鋼鐵材料實施熱處理；二是通過調整鋼的化學成分，加入合金元素（亦即鋼的合金化原理），以改善鋼的性能。第26頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

鋼的熱處理原理鋼的熱處理相變溫度

鋼在加熱時，實際轉變溫度往往要偏離平衡的臨界溫度，冷卻時也是如此。隨著加熱和冷卻速度的增加，滯后現象將越加嚴重。通常把加熱時的臨界溫度標以字母“C”，如AC1、AC3、ACm等；把冷卻時的臨界溫度標以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arm等。第27頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

加熱時鋼的組織轉變1、奧氏體的形成過程鋼在加熱時奧氏體的形成過程又稱為奧氏體化。以共析鋼的奧氏體形成過程為例。

第28頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日3）殘留滲碳體的溶解：鐵素體全部消失以后，仍有部分剩余滲碳體未溶解，隨著時間的延長，這些剩余滲碳體不斷地溶入到奧氏體中去，直至全部消失。1）奧氏體形核：奧氏體的晶核優先在鐵素體與滲碳體的界面上形成。2）奧氏體晶核長大：奧氏體晶核形成以后，依靠鐵、碳原子的擴散，使鐵素體不斷向奧氏體轉變和滲碳體不斷溶入到奧氏體中去而進行的。第29頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日4）奧氏體均勻化：滲碳體全部溶解完畢時，奧氏體的成分是不均勻的，只有延長保溫時間，通過碳原子的擴散才能獲得均勻化的奧氏體。亞共析鋼的加熱過程：過共析鋼的加熱過程：

第30頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日2、奧氏體晶粒大小及其控制

1）晶粒大小的表示方法

晶粒大小廣泛采用的是與標準金相圖片（標準評級圖）相比較的方法來評定晶粒大小的級別。通常將晶粒大小分為8級，1級最粗，8級最細。通常1～4級為粗晶粒度，5～8級為細晶粒度。

2）奧氏體晶粒大小的控制加熱溫度與保溫時間

加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體晶粒越粗大，因為這與原子擴散密切相關。第31頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

合金元素Ti、Zr、V、Nb、Al等，當其形成彌散穩定的碳化物和氮化物時，由于分布在晶界上，因而阻礙晶界的遷移，阻止奧氏體晶粒長大，有利于得到細晶粒鋼。Mn和P是促進奧氏體晶粒長大的元素。

加熱速度

加熱速度越快，過熱度越大，奧氏體實際形成溫度越高，可獲得細小的起始晶粒。鋼的化學成分

碳全部溶于奧氏體時，隨奧氏體中含碳量的增加，晶粒長大傾向增大。第32頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

冷卻時鋼的組織轉變1、鋼的冷卻方式

熱處理時常用的冷卻方式有兩種：一是等溫冷卻（常用于理論研究）；二是連續冷卻（常用于生產）。

A12、過冷奧氏體等溫冷卻曲線的繪制

通常將處于A1以下溫度尚未發生轉變的奧氏體稱為過冷奧氏體。鋼在冷卻時的組織轉變實質上是過冷奧氏體的組織轉變。第33頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日1）等溫冷卻試驗：（a）

首先將若干薄圓片狀試樣放入錫熔爐中，在高于共析溫度的條件下進行奧氏體化；（b）將上述奧氏體化后的試樣迅速放入另一錫熔爐保溫，爐溫低于共析溫度；（c）依據試樣保溫時間的差異，分別從爐中取出試樣，置于水中快冷；（d）磨制金相試樣，并觀察顯微組織。第34頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

在不同溫度重復上述等溫轉變試驗，可根據試驗結果繪制出奧氏體鋼的等溫冷卻曲線。第35頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

曲線的左邊一條線為過冷奧氏體轉變開始線；右邊一條線為過冷奧氏體轉變終了線。該曲線下部還有兩條水平線，分別表示奧氏體向馬氏體轉變的開始溫度Ms線和轉變結束溫度Mf線。2）過冷奧氏體等溫冷卻曲線曲線分析

在C曲線中，在不同過冷奧氏體開始出現組織轉變的時間不同，這段時間稱為“孕育期”。其中，以C曲線最突出處（凸點）所對應的溫度孕育期最短。

過冷奧氏體等溫冷卻曲線形似“C”字，故俗稱C曲線，反應了“溫度－時間－轉變量”的關系，所以C曲線又稱為TTT圖（Temperature-Time－TransformationDiagram）。第36頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日板狀馬氏體①馬氏體變溫形成，與t保無關；②馬氏體轉變不完全性，鋼中常存在殘余A（性能下降）,常要求淬火T接近Mf“冷處理”.③馬氏體性能與含碳量有關非擴散型（Fe和C均不擴散）C在α-Fe中的過飽和固溶體（bcc）240～-50M片（針）狀馬氏體馬氏體板狀：低碳鋼中，F和Fe2.4C的復相組織。片狀：高碳鋼中，復相組織。F飽和+Fe2.4C350～240B下下貝氏體羽毛狀：在平行密排的過飽和F板條間，不均勻分布短桿（片狀）Fe3C,脆性大，工業上不應用半擴散型（只有C擴散）F飽和+Fe3C550～350B上上貝氏體貝氏體間距：0.03～0.08μm，2000×600～550T屈氏體間距：0.25~0.08μm，1000×650～600S索氏體片層間距：0.25～1.9μm，500×擴散型（Fe和C均擴散）F+Fe3CA1～650P珠光體珠光體

特征轉變類型相組成轉變溫度/℃符號組織名稱注：w（c）≥1.0％時形成片狀馬氏體，HRC：64～66；w（c）≤0.2％時形成板狀馬氏體，HRC：30～50。第37頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日3、非共析成分碳鋼的等溫轉變

非共析鋼的C曲線與共析鋼的C曲線不同。區別在于：亞共析鋼曲線左移，在其上方多了一條過冷奧氏體轉變為鐵素體的轉變開始線；

過共析鋼曲線右移，在其上方多了一條過冷奧氏體析出二次滲碳體的開始線。

亞共析鋼的等溫轉變圖第38頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日4、共析鋼的連續冷卻轉變C曲線（TTT圖）反應了過冷奧氏體等溫轉變的全貌，但在實際生產中，鋼的熱處理大多是采用連續冷卻，因此，測出奧氏體的連續冷卻曲線，即CCT圖（右圖陰影部分），有很大的現實意義。ContinuousCoolingTransformationDiagramVc第39頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日臨界冷卻速度：是指使奧氏體在冷卻過程中直接轉變成馬氏體而不發生其它轉變的最小冷卻速度，即臨界淬火速度。第40頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

鋼的普通熱處理

退火

將鋼加熱到一定溫度進行保溫，緩冷至600℃以下，再空冷至室溫的熱處理工藝。各種退火和正火的一般加熱范圍第41頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日名稱目的工藝制度組織應用完全退火細化晶粒，消除鑄造偏析，降低硬度，提高塑性加熱到AC3＋20～50℃，爐冷至550℃左右空冷

F＋P亞共析鋼的鑄、鍛、軋件，焊接件球化退火降低硬度，改善切削性能，提高塑性韌性，為淬火作組織準備加熱到AC1＋20～40℃，然后緩冷片狀珠光體和網狀滲碳體組織轉變為球狀共析、過共析鋼及合金鋼的鍛件、軋件等擴散退火改善或消除枝晶偏析，使成分均勻化加熱到Tm-100～200℃，先緩冷，后空冷粗大組織（組織嚴重過燒）合金鋼鑄錠及大型鑄鋼件或鑄件再結晶退火消除加工硬化，提高塑性加熱到再結晶溫度，再空冷變形晶粒變成細小的等軸晶冷變形加工的制品去應力退火消除殘余應力，提高尺寸穩定性加熱到500～650℃緩冷至200℃空冷

無變化鑄、鍛、焊、冷壓件及機加工件常用退火工藝制度小結第42頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

正火

正火將鋼加熱到AC3以上溫度并保溫，出爐空冷至室溫的熱處理工藝。由于正火比退火加熱溫度略高，冷卻速度大，故珠光體的分散度大，先共析鐵素體的數量少，因而正火后強度、硬度較高。正火的應用：①

用正火作為性能要求的一般結構件的最終熱處理。②

亞共析鋼采用正火來調整硬度，改切削加工性能。③

過共析鋼的正火可消除網狀碳化物。第43頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

淬火1、定義：淬火是將鋼加熱到AC1或AC3以上溫度并保溫，出爐快速冷卻，使奧氏體轉變成為馬氏體的熱處理工藝。2、淬火的必要性

經過退火或正火的工件只能獲得一般的強度和硬度，對于許多需要高強度、高耐磨條件下工作的零件則必須淬火與回火處理。3、鋼在淬火時的組織和性能變化1）獲得馬氏體的條件（a）通過加熱使鋼具有奧氏體組織；第44頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日（b）冷卻速度超過臨界冷卻速度；（c）在Ms～Mf溫度范圍使過冷奧氏體發生馬氏體轉變。2）馬氏體的形成過程（a）當奧氏體過冷到MS點時，首先在晶粒內的某些晶面上生成馬氏體晶核，并迅速長大；（b）馬氏體轉變不依靠已形成馬氏體晶體的長大，而且依靠出現新的馬氏體晶核，即馬氏體形成與t保無關。（c）奧氏體常常不能完全轉變成馬氏體主要源于生產上冷卻溫度沒有真正達到Mf點。第45頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日馬氏體形成過程示意圖3）馬氏體的組織形態

馬氏體有兩種基本形態：板條馬氏體和片狀馬氏體。

W（C）≤0.20%時：基本上形成板條狀馬氏體（也稱低碳馬氏體），板條馬氏體內有高密度的位錯纏結的亞結構，又稱為位錯馬氏體。

第46頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

板條馬氏體

片狀馬氏體W（C）≥0.60%時：形成片狀馬氏體（針狀馬氏體），片狀馬氏體內部的亞結構主要是孿晶。因此，片狀馬氏體又稱為孿晶馬氏體。

0.20%≤W（C）≤0.60%時：形成上述兩種馬氏體的混合組織，含碳量越高，條狀馬氏體量越少而片狀馬氏體量越多。

第47頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日4）馬氏體的力學性能

馬氏體的塑性和韌性主要取決于它的亞結構。在相同屈服強度條件下，板條（位錯）型馬氏體比片狀（孿晶）型馬氏體的韌性好得多。

馬氏體的硬度主要取決于馬氏體的含碳量，通常情況是隨含碳量的增加而升高。5）小結

馬氏體轉變是典型的無擴散性相變。馬氏體是碳在α—Fe中的過飽和固溶體，具有非常高的強度和硬度所以，馬氏體轉變是強化金屬的重要途徑之一。

第48頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

將鋼加熱到Ac1或Ac3以上，保溫一定時間，然后快速冷卻以獲得馬氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。

1）淬火加熱溫度

淬火加熱溫度的選擇應以得到細而均勻的奧氏體晶粒為原則，以便冷卻后獲得細小的馬氏體組織。亞共析鋼的淬火加熱溫度通常為Ac3以上30～50℃；過共析鋼的淬火加熱溫度通常為Ac1以上30～50℃。

4、鋼的淬火工藝第49頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日2）淬火保溫時間

淬火保溫時間主要根據鋼的成分特點、加熱介質和零件尺寸來確定。

（a）含碳量越高，含合金元素越多，導熱性越差，則保溫時間就越長；（b）零件尺寸越大，保溫時間越長；（c）生產中常根據經驗確定保溫時間；第50頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日3）淬火冷卻速度淬火冷卻介質選擇的原則：（a）為保證獲得馬氏體組織，要求V冷卻≥V臨界；（b）為保證零件不因淬火應力而開裂，要求V冷卻不應太大，應該選擇合適的冷卻介質。水：

主要用于形狀簡單、截面較大的碳鋼零件的淬火。油：一般用作合金鋼和某些小型復雜碳素鋼件的淬火。鹽浴：為了減少零件淬火時的變形，鹽浴也常用作淬火介質，主要用于分級淬火和等溫淬火。第51頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

采用有機物和無機物等配制而成的水溶性聚合物淬火介質，和淬火油改性添加劑，由于冷卻能力可調整，使用中介質濃度可簡便測定，有減少變形、防止淬裂，不銹蝕、免清洗、

無味、無煙霧、不著火，使用溫度高，環保、少無污染，正常消耗是傳統油淬火的40%等特點，因而在國外已普及推廣應用。但我國仍普遍采用通用的礦物油，一定比例的氯化鈉水溶液、堿溶液及硝鹽溶液為冷卻介質。因而造成嚴重的污染。

第52頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日5、常用淬火冷卻方法

為了保證獲得所需淬火組織，又要防止變形和開裂，必須采用已有的淬火介質再配以各種冷卻方法才能解決。通常的淬火方法包括單液淬火、雙液淬火、分級淬火和等溫淬火等，如圖所示。。第53頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日6、鋼的淬透性和淬硬性

鋼的淬透性是指鋼在淬火時獲得馬氏體的能力。其大小通常用規定條件下淬火獲得淬透層的深度（又稱有效淬硬深度）的距離作為淬透層深度。

生產中也常用臨界淬火直徑表示鋼的淬透性。所謂臨界淬火直徑，是指圓棒試樣在某介質中淬火時所能得到的最大淬透直徑（即心部被淬成半馬氏體的最大直徑），用Do表示。在相同冷卻條件下，Do越大，鋼的淬透性越好。第54頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日淬透性的應用：（1）淬透性大的工件易淬透，組織和性能均勻一致；（2）淬火性大的工件在淬火時，可選用冷卻能力較小的淬火介質以減小淬火應力。（3）對受力大而復雜的工件，為確保組織性能均勻一致，可選用淬透性大的鋼。（4）當要求工件表面硬度高，而心部韌性好時，可選用低淬透性鋼。鋼的淬硬性是指淬火后馬氏體所能達到的最高硬度，淬硬性主要決定于馬氏體的碳含量。

第55頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

回火1、定義：回火是把淬火后的鋼件，重新加熱到A1以下某一溫度，經保溫后空冷至室溫的熱處理工藝。2、目的：淬火鋼件經回火可以減少或消除淬火應力，穩定組織，提高鋼的塑性和韌性，從而使鋼的強度、硬度和塑性、韌性得到適當配合，以滿足不同工件的性能要求。3、回火過程的組織變化：第一階段（室溫～250℃）：馬氏體中的過飽和碳原子析出，形成碳化物FexC，得到回火馬氏體組織。第56頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日第二階段（230～280℃）：馬氏體繼續分解，同時殘余奧氏體轉變為過飽和固溶體與碳化物，得到回火馬氏體組織。第三階段（260～360℃）：馬氏體繼續分解，碳原子繼續析出使過飽和α固溶體轉變為鐵素體；回火馬氏體中的FexC轉變為穩定的粒狀滲碳體，得到鐵素體和極細滲碳體的機械混合物，即回火屈氏體。第四階段（400℃以上）：碳化物聚集長大，溫度越高碳化物越大，得到粒狀碳化物與鐵素體的機械混合物，即回火索氏體。第57頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

回火的目的是降低應力和脆性，獲得回火馬氏體組織，使鋼具有高的硬度、強度和耐磨性。低溫回火一般用來處理要求高硬度和高耐磨性的工件，如刀具、量具、滾動軸承和滲碳件等。（HRC≥60）4、回火的種類：1）低溫回火（150～250℃）2）中溫回火（350～500℃）

回火的目的是獲得回火屈氏體，具備高的彈性極限和韌性，并保持一定的硬度，主要用于各種彈簧，鍛模、壓鑄模等模具。（35≤HRC≤45）第58頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日3）高溫回火（500～650℃）

回火的目的是具備良好的綜合機械性能（較高的強度、塑性、韌性），得到回火索氏體組織。一般把淬火加高溫回火的熱處理稱為“調質處理”。適用于中碳結構鋼制作的曲軸、連桿、連桿螺栓、汽車拖拉機半軸、機床主軸及齒輪等重要機器零件。（28≤HRC≤33）第59頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

需要指出，有些鋼在250～400℃和450～650℃的范圍內回火時，其沖擊韌性比在較低溫度回火時還顯著下降，這種脆化現象稱為回火脆性。在250～400℃回火時出現的脆性稱為低溫回火脆性，又叫第一類回火脆性；而在450～650℃溫度范圍內回火時出現的脆性稱為高溫回火脆性，也叫第二類回火脆性。

為防止低溫回火脆性，通常的辦法是避免在脆化溫度范圍內回火。防止高溫回火脆性的方法是加熱后快冷。

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鋼的表面熱處理鋼的表面淬火

表面淬火是將工件表面快速加熱到淬火溫度，然后迅速冷卻，僅使表面層獲得淬火組織，而心部仍保持淬火前組織的熱處理方法。1、火焰表面淬火：

火焰表面淬火是氧炔焰等高溫熱源將工件表面許速加熱到形變溫度以上，然后立即進行低溫回火，或利用工件內部余熱自身回火。這種方法可獲得2～6mm的淬透深度，設備簡單，成本低，適于單件或小批量生產。第61頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日2、感應表面淬火：感應加熱表面淬火的特點：①淬火溫度高于一般淬火溫度。②淬火后馬氏體晶粒細化，表層硬度比普通淬火高2～3HRC。③表層存在很大的殘余壓應力。④不易產生變形和氧化脫碳。⑤易于實現機械化與自動化。感應加熱淬火后，為了減小淬火應力和降低脆性，需進行170～200℃低溫回火。

感應加熱是利用電磁感應原理，表層感應電流密度大，溫度高；心部幾乎不受熱。第62頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

鋼的化學熱處理是指將工件放在一定溫度的活性介質中保溫，使介質中分解出的一種或幾種元素的活性原子被鋼件表面吸附并向表層擴散，從而改變其表層化學成分、組織和性能的一種熱處理工藝方法。

鋼的化學熱處理基本過程：

①鋼件加熱時，化學介質分解出滲入元素的活性原子；②活性原子被鋼件表面吸附和溶解；③原子由表面向內部擴散，形成一定的擴散層。

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將鋼放入滲碳的介質中加熱并保溫，使活性碳原子1、鋼的滲碳：滲入鋼的表層的工藝稱為滲碳。其目的是通過滲碳及隨后的淬火和低溫回火，使表面獲得高碳回火馬氏體，具有高硬度、耐磨性和抗疲勞性能；而心部為低碳回火馬氏體或索氏體，具有一定的強度和良好的韌性配合。氣體滲碳示意圖第64頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日1）滲碳方法

滲碳方法有氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。目前廣泛應用的是氣體滲碳法。2）滲碳后的組織

常用于滲碳的鋼為低碳鋼和低碳合金鋼，如15、20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3等。滲碳后緩冷組織自表面至心部依次為：過共析組織（珠光體+碳化物）、共析組織（珠光體）、亞共析組織（珠光體+鐵素體）的過渡區，直至心部的原始組織。

第65頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日3）滲碳后的熱處理滲碳后的熱處理方法有：直接淬火法、一次淬火法和二次淬火法。

滲碳后的淬火和低溫回火示意圖第66頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日2、鋼的滲氮：

滲氮俗稱氮化，是指在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面，在鋼件表面獲得一定深度的富氮硬化層的熱處理工藝。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、疲勞強度、熱硬性和耐蝕性等。

常用的滲氮方法有氣體滲氮、離子滲氮、氮碳共滲（軟氮化）等。生產中應用較多的是氣體滲氮。1）滲氮方法第67頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日2）滲氮后的組織

含有Al、Cr、Mo等元素的合金鋼C、N和Fe的化合物C、N溶于α-Fe的固溶體彌散合金氮化物（如AlN等）3）滲氮后的鋼件性能

①

氮化層HRC為69～73，在600～650℃有較高紅硬性；②一般，T滲氮＜T滲碳，無需進一步熱處理，滲氮層各性能均優于滲碳層，工件不易變形；③氮化層比碳化層薄且脆；且t滲氮＞t滲碳，生產效率低。④為提高工件心部強韌性，需在滲氮前進行調質處理。

第68頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

碳氮共滲新介質的研制是金屬熱處理研究的一個重要領域。早期使用的NaCN等氰鹽均有劇毒，現已禁用。新一代碳氮共滲介質往往同時考慮工藝性能和環保兩方面的因素。常用的介質是煤氣和氨氣的混合物。3、鋼的碳氮共滲（氰化）：

碳氮共滲是同時向鋼件表面滲入碳和氮原子的化學熱處理工藝，也俗稱為氰化。碳氮共滲零件的性能介于滲碳與滲氮零件之間。

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鋼的熱處理新工藝介紹無氧化加熱

利用可控氣氛，即通過精確計量和微機控制技術對爐內的氣體組分加以控制。如含碳液體或氣體的分解和裂解的碳濃度的控制。1、保護氣氛加熱：2、采用保護涂料：

目前鋼和鈦合金已在熱處理中大量利用保護涂料來避免工件氧化。涂料由Al2O3、SiO2、SiC和其他金屬氧化物以及液態粘結劑配置而成。第70頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

在真空爐中受真空氣氛保護，可防止工件氧化、減小變形；但容易引起元素揮發。適于中小型零件的處理。3、真空熱處理：

目前，實際生產中還采用以下先進工藝：利用高能量密度對零件作超高速加熱，然后自激淬火，具有不氧化、不脫碳、變形小、表面光潔，提高硬度、耐磨性和疲勞強度等的高頻和超高頻脈沖熱處理和激光熱處理以及電子束熱處理。

超高速加熱第71頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

強韌化處理是指同時提高鋼件強度和韌性的熱處理。

強韌化處理1、獲得板狀馬氏體：1）提高淬火加熱溫度

促進奧氏體中碳的均勻化，以保證淬火后獲得板狀馬氏體（低碳馬氏體）。

2）快速短時低溫加熱淬火

減少碳化物在奧氏體中的溶解，使高碳鋼中的奧氏體處于亞共析成分（低碳）。3）鍛造余熱淬火

將高溫鍛件直接淬火可得到細晶粒板狀馬氏體。第72頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日2、超細化處理：

超細化處理是指將鋼在一定的溫度條件下，通過數次快速加熱和冷卻等方法以獲得極細組織，從而達到強韌化的目的。

3、獲得復合組織的淬火：

復合組織主要是指淬火馬氏體和少量鐵素體或下貝氏體（或殘余奧氏體）的機械混合物。復合組織可通過調整熱處理工藝獲得，它的硬度稍低，但韌性大幅提高。

第73頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

化學熱處理新工藝：離子轟擊熱處理：在真空氣氛下，將含C、N、S等離子束高速轟擊到工件表面，工件迅速受熱升溫至碳化或氮化溫度，同時原子進入工件表面形成滲碳層或滲氮層等。

離子轟擊熱處理示意圖如右圖所示第74頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

鋼的形變熱處理：

形變熱處理是指將變形強化和熱處理強化結合起來的工藝方法。

形變熱處理工藝示意圖第75頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日第四節固溶與時效處理

固溶時效處理是有色金屬材料如鋁合金、鈦合金、高溫合金，以及少量鋼鐵材料如不銹鋼以及耐熱鋼等的最重要的強化處理手段。待處理的有色金屬鑄件第76頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

固溶時效強化的基本原理及步驟

單獨靠固溶作用對合金的強化作用是很有限的，另一種更為有效的強化方式就是合金的固溶（淬火）處理+時效熱處理。固溶時效強化示意圖第77頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日

固溶時效處理的一般步驟1、固溶處理：

將合金通過加熱到固溶線以上、固相線以下溫度保溫，獲得成分均勻的固溶體組織。2、淬火：

將固溶處理好的工件快冷到較低溫度，得到過飽和單相固溶體。（與鋼淬火組織不同）3、時效：

使過飽和固溶體析出細小彌散沉淀相的過程。自然時效：室溫下時效；人工時效：在高于室溫（固溶溫度與室溫之差的15％到25％）進行時效。第78頁，共86頁，2023年，2月20日，星期日（1）沉淀強化相是硬度高的質點；（2）加入鋁中的合金元素應有較高的極限固溶度，且其隨溫度降低而顯著減小；（3）淬火后形成的過飽和固溶體在時效過程中能析出均勻，彌散的共格或半共格的亞穩相，基體中能形成強烈的應變場。

沉淀強化的基本條件第79頁，