Transcript 第四章钢的热处理 - 《材料及热加工工艺》精品课程

材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
《材料及热加工工艺》
第四章 钢的热处理
金工教研室
西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT
材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
概
述
1.热处理的定义:
将钢在固态下加热、保温、
冷却，以获得所需要的组织结构与性能的工艺。
保温
温
度
临界温度
热
加
冷
却
时间
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材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
2.热处理的主要目的:改变钢的性能
3.热处理的应用范围:整个制造业
4.热处理的分类：
普 通
热处理
退火;正火;
淬火;回火;
感应加
热淬火
表面淬火
火焰加
热淬火
表 面
热处理
化 学
热处理
渗碳; 渗氮;
碳氮共渗;
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热处理三阶段：加热、保温、 冷却
平衡临界点： A1 A3 Acm；
实际热处理中，
有滞后现象：
加热时:
Ac1 、Ac3 、Accm
冷却时 :
Ar1、Ar3 、Arcm
即：过冷与过热
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第一节 钢在加热时的转变
一、奥氏体的形成 （以共析钢为例）
C%0.77 0.0218
晶格
Bcc
6.69
0.77
复杂
Fcc
P
A ，是成分相差
悬殊，晶格截然不同的两
相混合物转变为单相固溶
体的过程，必然发生晶格
重构与原子扩散。
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材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
对亚共析钢:F+P
Ac1以上
F+A
Ac3以上
A
Ac1以上
Accm以上
对过共析钢:Fe3C+P
Fe3C +A
A
亚共析钢的奥氏体形成过程
过共析钢的奥氏体形成过程
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二、奥氏体晶粒长大及其影响因素
1、奥氏体晶粒长大
钢加热时，当珠
光体刚刚转变为
奥氏体时，奥氏
体晶粒大小叫起
始晶粒度。
随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒
将进一步长大，这是一个自发的过程。
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实际晶粒度:在每一个具体加热条件下所得到的
奥氏体晶粒大小，称为奥氏体的“实际晶粒度”。
930℃,8h
本质晶粒度:有的钢材
加热时A晶粒很容易
长大，而有的钢材就
不容易长大，这说明
不同的钢材的晶粒长
大倾向是不同的。
本质晶粒度是反映
钢材加热时A晶粒长
大倾向的一个指标。
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2、奥氏体晶粒度的标准:
晶粒度级别指数
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3、影响奥氏体晶粒长大的因素
钢料的化学成分和冶炼方法
a 随含碳量增加，
晶粒长大倾向先增
大后减小：形成的
碳化物阻碍奥氏体
晶粒的长大；
b 加入适量的形成
难熔化合物的合金
元素，强烈地阻碍
奥氏体晶粒长大。
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3、影响奥氏体晶粒长大的因素
加热温度、 速度、保温时间
A 奥氏体形成后随着加热温度升高和保温时间
延长，晶粒急剧长大；
B 加热速度越大，奥氏体转变时的过热度越大，
奥氏体的实际形成温度越高，则奥氏体的形核
率越高，起始晶粒越细。
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第二节 钢在冷却时的转变
奥氏体化后的钢只有通过适当的冷却，才能得到所
需要的组织和性能。冷却是热处理的关键工序。
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热处理中采用不同的冷却方式，过冷奥氏体将转
变为不同组织，性能具有很大的差异。
45钢经840℃加热在不同条件冷却后的力学性能
过冷奥氏体：冷却到相变温度以下且尚未转变的
奥氏体，处在不稳定的过冷状态。
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一、过冷奥氏体的等温转变
• 过冷奥氏体的等温转变图是表示奥氏体急速冷却
到临界点A1 以下在各不同温度下的保温过程中转
变产物与转变时间的关系曲线，又称C 曲线或
TTT曲线。
T --- time
T --- temperature
T --- transformation
1、 建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转
变曲线 ---- TTT曲线 ( C 曲线 )
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 ⑴取一批小试样(1.5mm)并进
行奥氏体化；
• ⑵将试样分组淬入低于A1 点
的不同温度的盐浴中，隔一
定时间取一试样淬入水中。
• ⑶测定每个试样的转变量，
确定各温度下转变量与转变
时间的关系。
• ⑷将各温度下转变开始时间
及终了时间标在温度—时间
坐标中，并分别连线。
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10s
5s
30s
650
550
2s
2s
40s
10s
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5s science and engineering of XAUT
温度
共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图
(℃)
800
700
A1
600
500
400
300
200
100
0
-100
0
1
10
102
103
104
时间(s)
温度
(℃)
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-100
0
2、共析碳钢 TTT 曲线的分析
稳定的奥氏体区
A1
A1-550℃;高温转变区;
过
A
冷
产 扩散型转变; P 转变区。
A向产物
+
奥
物
转变终止线
产
氏
区 550-230℃;中温转变
体
物
区; 半扩散型转变;
区 A向产
区
贝氏体( B ) 转变区;
Ms 物转变开始线
230- - 50℃; 低温转
变区; 非扩散型转变;
马氏体 ( M ) 转变区。
Mf
1
10
102
103
104
时间(s)
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孕育期 —— 由图可知，过冷A在各个温度等温时，
都要在该温度下经过一段时间才能发生转变。把金
属在一定过冷度条件下等温转变时，等温停留开始
至转变开始之间的时间称为孕育期。
A1 ~ 鼻温
随等温温度↓ △T↑,
孕育期变短，转变速
度 ↑;
鼻温
鼻温 ~ Ms
随等温温度↓ △T↑, 原
子扩散能力↓，孕育期
变长，转变速度↓。
孕育期
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3、过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能
1)珠光体类型组织与性能
• 过冷A在 A1到 550℃间将转
变为珠光体类型组织，它是
铁素体与渗碳体片层相间的
机械混合物，根据片层厚薄
不同，又细分为珠光体P、
索氏体S和托氏体T。
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在过冷度很小时(Al-650℃)，会形成层片较粗
大的组织，片间距为0.6-0.7μm，硬度10HRC20HRC；称为珠光体(P)，在低倍的金相显微镜下
就可观察清楚。
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在过冷度稍大时(650℃-600℃)，会得到层片较薄
的细珠光体组织(S-细珠光体)，片间距0.2-0.4μm,
硬度20-30HRC；称为“索氏体S” 。它在10001500倍的光学显微镜下，才能分辨清楚。
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在过冷度很大时(600℃-550℃)，得到层片极细的组
织(T-极细珠光体)，片间距＜0.2μm ( 电镜 ); 硬度3040HRC；它称为托氏体，用“T”示。它只有在
10000-15000倍的电镜下才能分辨出来。
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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。片间距越
小，钢的强度、硬度
越高，而塑性和韧性
略有改善。
15~25
25~35
35~42
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珠光体转变：是形核和长大的过程。
渗碳体晶核首先在A晶界上形成，在长大过程中，其
两侧A的含碳量下降，促进了F形核，两者相间形核
并长大，形成一个珠光体团。
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2)贝氏体类型组织与性能
550℃~ Ms 半扩散型转变
贝氏体B-----是含碳过
饱和的F 和渗碳体
（Fe3C）（或碳化物）
组成的两相混合物，转
变时必须进行碳的重新
分布和铁的晶格重构。
贝氏体分：
上贝氏体（B上）550~350 ℃ 羽毛状
下贝氏体（B下）350 ℃ ~Ms
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• ⑴ 上贝氏体
• 形成温度为550-
350℃。
• 在光镜下呈羽毛状.
• 在电镜下为不连续
光镜下
棒状的渗碳体分布
于自奥氏体晶界向
晶内平行生长的铁
素体条之间。
电镜下
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• ⑵下贝氏体
• 形成温度为350℃-Ms。
• 在光镜下呈竹叶状。
光镜下

在电镜下为细片状碳
化物分布于铁素体针
内，并与铁素体针长
轴方向呈55-60º角。
电镜下
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• 上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。
• 下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也
较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常
用的强化组织之一。
上贝氏体
贝氏体组织的透射电镜形貌
下贝氏体
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过饱和α-Fe条状
羽毛状
Fe3C细条状
B上 =过饱和碳 α-Fe条状 + Fe3C细条状
过饱和 α-Fe针叶状
针叶状
Fe3C细片状
B下 =过饱和碳 α-Fe针叶状 + Fe3C细片状
上贝氏体（B上）
550℃~350℃ 呈羽毛
状 强度低、塑韧性
差，40~50HRC
避免出现
下贝氏体（B下）
350℃~ Ms （230℃）
针叶状 ∴强度、塑韧
性均高于B上。
50~60HRC 生产中用
“等温淬火”获得B下。
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3)马氏体类型组织和性能 （极大过冷度冷至Ms以下）
• 当奥氏体过冷到Ms以
下将转变为马氏体类
型组织。
• 马氏体转变是强化钢
的重要途径之一。
1、定义及晶体结构:
马氏体M是一种碳在α – Fe中的过饱和固溶体。
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• 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.
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2、马氏体的形态
• ⑴ 板条马氏体
• 立体形态为细长的扁
棒状
• 在光镜下板条马氏体
为一束束的细条组织。
光镜下
• 在电镜下，板条内的
亚结构主要是高密度
的位错，=1012/cm2,
又称位错马氏体。
电镜下
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• ⑵ 片状马氏体
• 立体形态为双凸透镜形的片
状。显微组织为针片状。
• 在电镜下，亚结构主要是孪
晶，又称孪晶马氏体。
光镜下
电镜下
电镜下
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马氏体形态与含碳量的关系
• ⑶ 马氏体的形态主
要取决于其含碳量
• 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
0.2%C
0.45%C
1..2%C
组织。
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• 3、马氏体的性能
• 高硬度是马氏体性
能的主要特点。
• 马氏体的硬度主要
取决于其含碳量。
• 含碳量增加，其硬
度增加。
C%
马氏体硬度、韧性与含碳量的关系

当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。

合金元素对马氏体硬度的影响不大，可提高强度。
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• 4、马氏体转变的特点
• 马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点是：
•

⑴无扩散性
铁和碳原子都不扩
散，因而马氏体的
含碳量与奥氏体的
含碳量相同。
片状马氏体的形成过程示意图
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（2） 降温形成
• 马氏体转变开始的温度称
上马氏体点，用Ms 表示.

马氏体转变终了温度称
下马氏体点，用Mf 表示.

Ms
M(50%)
M(90%)
Mf
只要温度达到Ms以下即
发生马氏体转变。

在Ms以下，随温度下降,
转变量增加，冷却中断,
转变停止。
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• （3）高速长大
• 马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。
• 当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的
马氏体产生裂纹。
• （4）转变不完全

即使冷却到Mf 点，
也不可能获得100%
的马氏体，总有部
’
分奥氏体未能转变
而残留下来，称残余奥氏体，用A’ 或’ 表示。
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过冷奥氏体转变产物（共析钢）
转变
类型
珠
光
体
贝
氏
体
马
氏
体
转变产 形成温度， 转变
℃
物
机制
HRC
获得
工艺
粗片状，F、Fe3C相间分布
5-20
退火
细片状，F、Fe3C相间分布
20-30
正火
显微组织特征
P
A1~650
S
650~600
T
600~550
极细片状，F、Fe3C相间分布
30-40
等温
处理
B上
550~350
羽毛状，短棒状Fe3C分布于过
饱和F条之间
40-50
等温
处理
竹叶状，细片状Fe3C分布于过
饱和F针上
50-60
等温
淬火
针状
60-65
淬火
50
淬火
B下
350~MS
M针
MS~Mf
M*板条
MS~Mf
扩
散
型
半扩
散型
无扩
散型
板条状
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亚共析钢的TTT曲线
温度
(℃)
800
700
A3
A1
F
P+F
S+F
T
A
600
500
B
400
300 Ms
200
100
0 Mf
-100
0
M + A残
1
10
102
103
104
时间(s)
西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT
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过共析钢的TTT曲线
温度
(℃)
800
700
ACM
A1
P + Fe3CⅡ
S + Fe3CⅡ
T
Fe3CⅡ
A
600
500
B
400
300 Ms
200
100
Mf
0
-100
0
M + A残
1
10
102
103
104
时间(s)
西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT
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4、 影响奥氏体等温转变的因素
1）奥氏体中含碳量的影响:
亚共析碳钢：C曲线随着含碳量的增加向右移，
过共析碳钢：C曲线随着含碳量的增加向左移。
∴碳钢中共析碳钢C曲线的鼻尖离纵坐标最远，其
过冷奥氏体也最稳定。
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• 2) 合金元素的影响
• 除Co 、Al外, 凡溶入奥氏体的合金元素都使C 曲线
右移，增大过冷奥氏体的稳定性。Mo、W、Mn、
Ni、Cr等
除Co和
Al 外，所
有合金元
素都使Ms
与Mf 点下
降。
3)加热温度和保温时间的影响
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三、过冷奥氏体的连续冷却转变
1、 建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转
变曲线 ---- CCT 曲线
通过测定不同冷速下
过冷奥氏体的转变量
获得的。
C --- continuous
C --- cooling
T --- transformation
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共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图
温
度
A1
℃
A+P
Pf
Ps
炉冷
空冷
K
Ms
Mf
水冷
Vk
油冷
Vk1
时间( lg τ )
温度
(℃)
800
700
2、共析碳钢 TTT 曲线与CCT曲线的比较
稳定的奥氏体区
A1
CCT曲线
600
500
400
300 Ms
200
100
0 Mf
-100
0
TTT曲线
1
10
102
103
104
时间(s)
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• CCT曲线位于TTT曲线右
下方。CCT曲线获得困难，
炉冷
空冷
TTT曲线容易测得。
P
水 油
冷 冷
S
• 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
M+A’
T+M+A’
用TTT曲线定性说明共析钢连续冷却时
的组织转变
线交点的位置来说明最终
转变产物。
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• 共析钢的CCT曲线没
有贝氏体转变区，在
炉冷
空冷
珠光体转变区之下多
P
水 油
冷 冷
S
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
M+A’
T+M+A’
用TTT曲线定性说明共析钢连续冷却时
的组织转变
奥氏体一直保持到Ms
以下转变为马氏体。
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3、过冷奥氏体等温转变图在连续冷却转变
中的应用（共析钢）
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亚共析钢过冷A等温转变图在连续冷却转变中的应用
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过共析钢过冷A等温转变图在连续冷却转变中的应用
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材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
第三、四节 钢的普通热处理工艺
一般零件生产的工艺路线:
毛坯生产
工
预备热处理
最终热处理
机械加
机械精加工
预备热处理 : 退火 ; 正火
最终热处理 : 淬火 ; 回火
退火与正火主要用于预备热处理，只有当工件
性能要求不高时才作为最终热处理。
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一、退火
• 将钢加热至适当温
度保温，然后缓慢
冷却 (炉冷) 的热处
理工艺叫做退火。
• 1、退火目的

真空退火炉
⑴调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为
170-250HB。

⑵ 消除内应力，防止加工中变形。

⑶ 细化晶粒，为最终热处理作组织准备。
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• 2、退火工艺
• 退火的种类很多，常用
的有完全退火、等温退
火、球化退火、扩散退
火、去应力退火、 再
结晶退火。
⑴ 完全退火

将工件加热到Ac3+30~50℃保温后缓冷的退火
工艺，主要用于亚共析钢 。
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• ⑵ 等温退火
• 亚共析钢加热到Ac3+30~50℃, 共析、过共析钢加热
到Ac1+30~50℃，保温后快冷到Ar1以下的某一温度
下停留，待相变完成后出炉空冷。等温退火可缩短
工件在炉内停留时间，更适合于孕育期长的合金钢.
高速钢等温退火与普通退火
的比较
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材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
• ⑶ 球化退火
• 球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。
它是将工件加热到
Ac1+ 30-50℃ 保温后缓
冷，或者加热后冷却到
略低于 Ar1 的温度下保
温，使二次渗碳体及珠
光体中的渗碳体球状化。
主要用于共析钢和过共
析钢。
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平
衡
组
织
含1.4%C钢的组织
对于网状渗碳体较严重
的钢件，可在球化退火之
前先进行一次正火处理，以消除网状渗碳体。
球
化
组
织
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材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
（4）、去应力退火
加热 500~650℃ 保温 缓冷（炉冷）（≤100℃/h）至
200~300℃出炉加热温度 <A1 ，属低温退火 。
（5）、 均匀化退火
（扩散退火）
加热 Ac3 +150~250℃
保温10~15 h 缓冷（炉
冷）至室温，再进行一
次完全退火或正火，消
除过热缺陷，细化晶粒。
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• 二、正火
• 正火是将亚共析钢加热到Ac3+30~ 50℃，共析钢加
热到Ac1+30~50℃，过共析钢加热到Accm+30~ 50℃保
温后空冷的工艺。
正火比退火冷却速度大。
1、正火后的组织：
● <0.6%C时，组织为F+S；
● 0.6%C时，组织为S 。
● 1.0%C时，组织为S+Fe3C 。
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• 2、正火的目的
• ⑴ 对于低、中碳钢(≤0.6C%)，目的与退火的相同。
• ⑵ 对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球
化退火作组织准备。

⑶ 普通件最终热处理

要改善切削性能，低碳
钢用正火，中碳钢用退
火或正火,高碳钢用球
化退火.
热处理与硬度关系
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3、正火工艺确定原则
(30~
50) ℃
(30~
50) ℃
(30~
50) ℃
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4、退火、正火后钢的组织和性能
退火和正火所得到的均是铁素体和渗碳体的机械混合物。
正火的珠光体是在较大的过冷度下得到的，珠光体片间距
较小。转变温度较低，珠光体团的尺寸较小。
对过共析钢来说，正火还可以抑制先共析网状渗碳体的析
出，而完全退火的则有网状渗碳体存在。
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材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
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三、钢的淬火与回火
• 淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk速
度冷却，使奥氏体转变
为马氏体的热处理工艺。

淬火目的是为获得M组织，
提高钢的性能。
淬火后的钢加热到Ac1
真空淬火炉
线以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室
温的热处理工艺，称为回火。淬火钢一般不直接
使用，必须进行回火。
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1、淬火加热工艺
1）加热温度
a. 亚共析钢
淬火温度为Ac3+30-50℃。
淬火组织：M+A’（少量）。
20钢正常淬火组织
45钢正常淬火组织
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• 在Ac1~ Ac3之间的加热
淬火称亚温淬火。


亚温淬火组织为
F+M，强度硬度
低，但塑韧性好。
35钢亚温淬火组织
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b. 共析钢
Ac1+30~50℃ M+ A‘
c. 过共析钢
Ac1+30~50℃ 均匀细小M+
Fe3C粒状+A‘（少量）
T12钢正常淬火组织
T12钢过热淬火组织
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2、 淬火冷却工艺 （冷却剂=淬火剂）
欲得M, V冷>VK ;但↑应力,变形、开裂…
选则淬火介质和冷却方法十分重要。
温度
(℃)
800
700
600 慢
500
快
400
300 Ms
200
100
0 Mf
-100
0
1
关键因素
1）理想淬火冷却速度
A1
慢
10
102
103
104 时间(s)
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2）常用淬火冷却介质
水 水的冷却能力强，但低温却能力太大，只适用
于形状简单的碳钢件。水温越高冷却能力越
小。加入少量的盐或碱，可提高冷却能力。
油 冷却能力较水低，工件不易产生裂纹和变形，
但难以使M转变充分，高温区冷却能力太小，
一般合金钢件适用。
盐浴 熔化的NaNO3 ，冷却能力介于水和油之
间，常用于处理形状复杂、尺寸较小和
变形 严格的工件。
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水玻璃-碱（盐）水溶液、氯化锌-碱水溶液、过饱
和硝盐水溶液聚乙烯醇等也是工业常用的淬火介质。
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（3) 常用的淬火方法
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局部淬火法：仅对钢件需要硬化的局部进行加热
淬火的方法。即可保证钢件局部的高硬度，又避
免其它部分产生变形或开裂。
T10A制造的直径为60mm以上的较大卡
规的淬火方法。
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（ 4 ）冷处理
目的:尽量减少钢中残余奥氏体以获得最大数量的
马氏体,提高钢的硬度和耐磨性,稳定钢件的尺寸。
方法:将淬冷至室温的钢继续冷却至-70~-80℃（或
更低），保温。可在干冰和酒精的混合剂中冷却。
温
度
820～840℃
～650℃
CrWMn钢制造块规（精
密量具）的热处理工艺
油冷
140～160℃
3h
3h
时效处理
110～120℃
3h
36h
精磨
时间
研磨
-70～-80℃
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3、热处理工件结构设计
一）零件应尽量避免尖角、棱角
零件的尖、棱角处容易产生过热、应力集中，导致裂
纹产生，在设计零件时应将其设计为圆角或倒角 。
二）零件截面厚度
应力求均匀。零件
截面尺寸差别较大
时，容易造成冷却
速度和组织转变不
一致，产生很大的
应力，导致较大的
变形或开裂。
避免尖角设计
避免厚薄悬殊
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（三）零件的形状应尽量对称和封闭
零件的几何形状不对称易造成淬火时冷却速度不
同，应力分布不均匀而产生变形。
(四)零件各部分可
槽口
淬火回火
采用组合结构。
后切开
对一些形状复杂或
各部分性能要求不
同而采取不同热处
理的零件，可分别
设计成几个零件，
单独加工热处理后
再组装。
采用对称结构
弹簧卡头
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• 不同冷却条件下的转变产物（T8钢）
细A
均匀A
A1
温
度
等温退火
退火
正火
(空冷)
(炉冷)
？ 淬火
(油冷)
淬火
MS
P
Mf
？
分级淬火
等温淬火
(水冷)
M+A’
P P
？
M+A’ T+M+A’
S
B下
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of XAUT
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四、钢的回火
定义：把淬火后的零件重新加温到 A1线以下
某个温度，保温一段时间，然后冷却到室温。
1、回火的目的:

获得所需要的组织与性能。淬火钢一般硬度
高，脆性大；回火可转变组织，调整性能。

稳定尺寸。淬火M和A’都是非平衡组织，有自
发向平衡组织转变的倾向。回火可使M与A’转
变为平衡或接近平衡的组织。

减少或消除淬火内应力， 防止变形或开裂。
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四、钢的回火
2、回火转变与组织
 淬火M和A’都是不稳定组织，在回火过程中都
会向稳定的铁素体和渗碳体（或碳化物）的两
相组织进行转变，称为回火转变。
 淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶段。
随加热温度升高，淬火钢组织发生四阶段变化。
300
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1）马氏体的分解
• 100℃回火时，钢
的组织无变化。
• 100-200℃加热时，
马氏体将发生分解,
从马氏体中析出-
透射电镜下的回火马氏体形貌
碳化物(- Fe2.4C)，使马氏体过饱和度降低。析出
的碳化物以细片状分布在马氏体基体上，这种组织
称回火马氏体，用M回表示。
硬度不降低，但内应力减小，韧性有所提高。
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2）残余奥氏体分解
200-300℃时，残余奥氏体转变为：B下或M回；
使硬度升高；
M继续分解，过饱和度降低，使硬度降低。
回火第二阶段：
硬度不显著下
降，淬火应内
力进一步减小。
回火马氏体
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
3）-碳化物转变为Fe3C

发生于300-400℃，
碳原子继续析出，
同时转变为Fe3C，
M转变为铁素体。
钢的组织为铁素体
基体内分布着极细
回火托氏体
小颗粒渗碳体。
组织称为回火托氏体，用T回表示。铁素体仍保
持原来M的板条状或片状形态。
内应力基本消除，强硬度下降，塑韧性提高。
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• 4）Fe3C聚集长大和α相的再结晶（F多边形化）
回火索氏
体

400℃以上， Fe3C聚集长大。

450℃ 以上F发生多边形化，由
针片状变为多边形。

组织为：多边形铁素体基体上
分布着颗粒状Fe3C，称回火索
氏体S回。
2
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3、回火过程中力学性能的变化
（1）硬度： 温度↑ 硬度↓；
（2）强度： 温度↑ 强度↓；
（3）塑性： 温度↑ 塑性↑ 。
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4、回火脆性
• 淬火钢的韧性并不总是随温度升高而提高。
• 在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降
的现象，称回火脆性。
• 1）第一类回火脆性
• 又称不可逆回火脆性。是
指淬火钢在250-350℃回火
时出现的脆性。
• 原因：认为碳化物沿马氏
体的晶界分布；

防止办法：回火时应避开这一温度范围。
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• 2）第二类回火脆性
• 又称可逆回火脆性。是指淬火钢在500-650℃范
围内回火后缓冷时出现的脆性。 回火后快冷不
出现，是可逆的。
• 防止办法：
⑴ 回火后快冷。
⑵ 加入合金元素W (约
1%)、 Mo(约0.5%)。
该法更适用于大截面
的零部件。
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四、回火种类及应用
低温回火
中温回火
高温回火
回火温度
150-250℃
350-500℃
500-650℃
回火组织
M回
T回
S回
回火目的
应用
在保留高硬度、 提高 及 ，同 获得良好的综合力学性能，
e
s
高耐磨性的同时， 时使工件具有一 即在保持较高的强度同时，
具有良好的塑韧性。
降低应力。
定韧性 。
适用于各种高碳
钢、渗碳件及表
面淬火件。
适用于
弹簧热处理
广泛用于各种结构件如轴、
齿轮等热处理。也可作为
要求较高精密件、量具等
预备热处理。
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5、调质与时效
（1）调质处理-----钢件淬火及高温回火获得综
合力性的复合热处理工艺， S回 =F+ Fe3C粒
S回比正火S具有更高的σb、δ、ak。
∴重要件多用调质处理。
（2）时效处理（人工处理、稳定化处理）精密件
（量具、轴承…） 100~150℃（10~50h）保温。
目的：↓残余应力，稳定尺寸
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第五节 钢的淬透性与淬硬性
一、钢的淬透性
实际淬火中常出
现两种情况：
淬透与淬不透
1、 淬透性的定义
淬透性是指钢在淬
火时获得M的能力。
其大小是用规定条
 淬硬层深度是指由工件表
件下获得的淬硬层
面到半马氏体区(50%M +
深度来表示。
50%非马氏体)的深度。
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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，
在尺寸、冷却介质相同
时，通过比较淬硬层深
度来确定的。
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2、淬透性的测定及表示方法
（1）端淬试验法
表示 :J××—d
例 J 42—5 距水冷端5mm处
试样的硬度为 42HRC
（c）淬透性曲线
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• ⑵ 用临界淬透直径表示
• 临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被
淬成半马氏体的最大直径，用D0表示。
• D0与介质有关，如45钢D0水=16mm，D0油=8mm。
• 只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比
较，如45钢D0油=8mm，40Cr D0油=20mm。
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3、 影响淬透性的因素
• 钢的淬透性取决于临界冷
却速度Vk， Vk越小，淬
透性越高。
• Vk取决于C曲线的位置，
C 曲线越靠右，Vk越小。
凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素。

1）含碳量的影响，随C% ，淬透性先 后 ；

2）合金元素的影响，除Co、Al外，均提高淬透性；

3）奥氏体化条件的影响，A越稳定，淬透性越好。
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4、淬透性的实际意义
淬透性不同的钢调质后机械性能的比较
淬透性好的钢
材经调质处理后，
整个截面都是S
回，力学性能均
匀，强度高，韧
性好；而淬透性
差的钢表层为S
回，心部为片状
S+F，心部强韧
性差。
钢的淬透性是进行选材的重要依据。
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二、钢的淬硬性
钢淬火后能够达到的最高硬度叫钢的淬硬性，又
叫可硬性。它主要决定于马氏体的含碳量，奥氏体
中固溶的碳越多，淬火后马氏体的硬度也就越高。
淬透性和淬硬性的含义是不同的：
淬硬性高的钢，其淬透性不一定高。
钢
种
淬硬性
淬透性
碳素工具钢( T10A )
高
小
低碳合金结构钢
( 18Cr2Ni4WA )
高碳高合金工具钢
( Cr12MoV )
低
大
高
大
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第六节 钢的表面热处理
工艺的核心:使零件具有“表硬里韧”
的力学性能。
表硬心韧：
表层：高硬度耐磨损的细针状M。
心部：仍保持塑韧性较好的原始组织（正
火、退火或调质组织）。
表面淬火
化学热处理
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一、钢的表面淬火
• 表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组
织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进
行淬火以强化零件表面的热处理方法。
表面淬火加工的方法:
感应 ( 高、中、工频 )、火焰、电接触加热等。
火焰加热
感应加热表面淬火
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• 1、表面淬火用材料
• ⑴ 0.4-0.5%C的中碳钢。
• 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 提高其表面耐磨性。
机床导轨
表面淬火齿轮
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• 2、预备热处理
• ⑴工艺：
• 对于结构钢为调质或正火。
• 前者性能高，用于要求高的
重要件，后者用于要求不高
回火索氏体
的普通件。
• ⑵目的:
• ①为表面淬火作组织准备；
• ② 获得最终心部组织。
索氏体
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• 3、表面淬火后的回火
• 采用低温回火，温度不高于200℃。
• 回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。
4、表面淬火+低温回火后的组织
• 表层组织为M回；心部为S回(调质)或F+S(正火)。
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• 5、表面淬火常用加热方法
• ⑴ 感应加热表面淬火:
原理：利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，
使工件表面迅速加热的方法。
淬硬层深度(δ)与电流频率
( f )的关系:
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感应加热的频率选用
1、高频感应加热淬火 （最常用）
电流频率范围200-300KHZ， δ =0.5-2.5mm。适用
于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件等。
2、中频感应加热淬火
电流频率范围为2500-8000HZ， δ = 2-8mm。适
用于较大尺寸的轴和大中模数的齿轮等。
3、工频感应加热淬火
电流频率为50HZ，δ = 10-15mm。适用于较大
直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊、火车
车轮等的表面淬火。
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感应加热表面淬火齿轮的截面图
感应穿透加热
中频感应加热表面
淬火的机车凸轮轴
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感应加热表面淬火的特点
a.加热速度极快，温度高于一般淬火温度；
b.奥氏体晶粒不易长大，工件表层易得到细小的
隐晶马氏体；
c.工件表层存在残余压应力，疲劳强度较高；
d.工件表面质量好；不易氧化、脱碳、心部无变
化，变形小。
e.生产效率高，便于实现机械化、自动化。淬硬
层深度也易于控制。
但设备贵，维修调整困难，不适用单件生产。
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一般感应加热淬火零件的加工工艺路线为：
下料→锻造→退火或正火→粗加工→调质→精加
工→表面淬火→低温回火→(粗磨→时效→精磨)。
例：某机床主轴选用40Cr钢制造，制作工艺如下：
下料 → 锻造成毛坯 → 退火或正火 → 粗加工 → 调
质 → 精加工 → 高频感应加热淬火 → 低温回火 →
研磨 → 入库
热处理工序的作用：
退火或正火：消除锻造应力，调整硬度；
调质：综合力学性能，为感应加热淬火作组织准备；
感应加热淬火并低温回火，属于最终热处理，赋予主轴轴
颈部位(表层)的抗摩擦、 磨损性能和高的接触疲劳强度。
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2、火焰加热表面淬火
特点：
*设备简单, 操作方便, 成本
低；*淬火质量不稳定；*
适于单件、小批量及大型
零件的生产。
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二、化学热处理
( Chemical Heat Treatment )
• 化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使
介质中活性原子
渗入工件表层从
而改变工件表层
化学成分和组织,
进而改变其性能
的热处理工艺。
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• 与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组
织，还改变其化学成分。
• 化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。
• 根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮
化、多元共渗、渗其他元素等。
渗
碳
回
火
炉
可控气氛渗碳炉
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一、化学热处理的基本过程
• 1、介质(渗剂)的分解: 分解
的同时释放出活性原子。
• 如：渗碳 CH4→2H2+[C]
氮化 2NH3→3H2+2[N]
• 2、工件表面的吸收: 活性
原子向固溶体溶解或与钢
中某些元素形成化合物。
• 3、原子向内部扩散。
氮化扩散层
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化学热处理进行的条件:
1. 渗入元素的原子必须是活性原子, 而
且具有较大的扩散能力。
2. 零件本身具有吸收渗入原子的能力,
即对渗入原子有一定的溶解度或能
与之化合, 形成化合物。
化学热处理的种类: 渗碳; 渗氮; 碳氮
共渗; 渗硼; 渗铝; 渗硫; 渗硅; 渗铬等。
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二、钢的渗碳
是指向钢的表面渗入碳原子的过程。
• 1、渗碳目的
• 提高工件表面硬度、
耐磨性及疲劳强度，
同时保持心部良好
的韧性。
经
渗
碳
的
机
车
从
动
齿
轮
• 2、渗碳用钢

为含0.1-0.25%C的低碳钢或低碳和近钢。
碳高则心部韧性降低。
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3、渗碳方法
泥封
试棒
盖
渗碳箱
零件
渗碳剂
固体渗碳法示意图
将工件和固体渗碳剂装入渗碳箱中，用盖子和耐火
泥封好，然后放在炉中加热至900℃-950℃，保温足
够长时间，得到一定厚度的渗碳层。
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材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
固体渗碳剂通常是一定粒度的木炭与15%～20%的
碳酸盐（BaCO3或Na2CO3）的混合物，反应如下：
BaCO3
BaO+ CO2
CO2 + C（木炭）
2CO
2CO
CO2 + [C]（渗入钢中）
CO2 + BaO
BaCO3
木炭提供渗碳所需要的活性炭原子，碳酸盐
起催化作用。
渗碳层厚度取决于保温时间，0.1~0.15mm/h
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材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
将工件置于密封的气体渗碳
炉内，通入渗碳剂并加热到
900℃ ~950℃，使钢在气体渗
碳剂中进行渗碳。
常用的渗碳剂有含碳气体
（如煤气、天然气等）和碳氢
化合物的有机液体（如煤油、
苯、等）。
CH4
2H2 +[C]
2CO
CO2 +[C]
CO +H2
气体渗碳法示意图
H2O +[C]
速度：0.20~0.25mm/h
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材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
4、渗碳层的含碳量和渗碳层深度
渗碳层的含碳量在0.85~1.05%范围内；
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材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
5、 渗碳后的热处理工艺
1）直接（预冷）淬火法：操作简单，成本低；
2）一次淬火法：心部组织可细化，较重要件；
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材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
3）二次淬火法：
第一次淬火加热温度一般为心部的Ac3以上，目
的是细化心部组织，同时消除表层的网状碳化物。
二次淬火加热温度一般为Ac1以上，使渗层获得细
小粒状碳化物和隐晶马氏体，以保证获得高强度和
高耐磨性。
该工艺复杂、成本高、
效率低、变形大，仅用
于要求表面高耐磨性和
心部高韧性的重要零件。
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材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
钢种
低碳钢
低碳
合金钢
6、 热处理后的组织
表层组织
心部组织
M回+Fe3C+A残
F+P
58-64HRC
<20HRC
M回+Cm+A残
低碳M回+F
58-64HRC
30-45HRC
M+F
渗碳淬火后的表层组织
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材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
一般渗碳零件的加工工艺路线为：
例：某汽车变速箱齿轮采用20CrMnTi钢制造：
下料 →锻造 →正火 →粗车并铣齿成型 →精铣齿
轮 →渗碳淬火+低温回火 →研磨→入库。
热处理工序的作用：
锻造后正火是中间热处理，目的是降低锻造应力、细化晶
粒、均匀化学成分、改善切削加工性能。
渗碳淬火并低温回火是最终热处理，目的是提高齿轮的抗
磨损性能和抗接触疲劳性能。
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材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
三、钢的渗氮 ( Nitridation of steel )
1)定义: 在一定温度下使活性氮原子渗入
工件表面的化学热处理工艺 。
2)目的: 提高零件表层含氮量以增强表面硬度
和耐磨性、提高疲劳强度和抗蚀性。
3)工艺:气体氮化、离子氮化
2NH3→3H2+2[N]
活性氮原子[N]被工件表面吸收，并向内部扩散
形成渗氮层。
加热温度500-600℃;
保温时间0.3-0.5mm/20-50h。
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材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
4)常用的钢种 :38 CrMoAl
5)渗氮处理后的组织
表层 : Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、 MoN、TiN、VN。
心部 : S回
38 CrMoAl 气体渗氮层组织 ( 化染 )
650 
黄色区 : ε ( Fe2-3N ) + γ’ ( Fe4N ) ; 红色区 : γ’ ( Fe4N ) ;
蓝绿色区:含氮索氏体 + 脉状氮化物; 绿黄色区:索氏体基体。
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材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
氮化的特点及应用
• ⑴ 氮化件表面硬度高（HV1000-2000），耐磨性高。
• ⑵ 疲劳强度高。由于表面存在压应力。
•⑶工件变形小。原因是氮化温
度低，氮化后不需进行热处理。
•⑷ 耐蚀性好。因为表
层形成的氮化物化学稳
缝纫机用氮化件
定性高。
•氮化的缺点：工艺复杂，
成本高，氮化层薄。
经氮化的机车曲轴
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材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
4、钢的碳氮共渗---氰化处理
( Carbonitriding of steel )
1)定义:向钢的表面同时渗入碳和氮原
子的过程。
2)目的:获得具有表硬里韧性能的零件。
固体碳氮共渗
高温
3)方法:
气体碳氮共渗
液体碳氮共渗
中温
低温
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材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
4)工艺:
名称
低温气体氮碳
共渗
温度(℃)
时间(h)
作用
渗层
热处理
性能
材料
500-600
1-6
以渗氮为主
0.1-0.4mm
不需要
HRC54-63
合金工具钢
中温气体碳氮共
渗
820-860
1-8
以渗碳为主
0.5-0.8mm
淬火+低温回火
HRC53-60
合金结构钢
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材料及热加工工艺—第四章 钢的热处理
钢的表面热处理
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