第2章 钢的热处理

为了提高钢的某些机械性能指标，保证机器零件和工具的工作可靠性及其使用寿命，为了对钢件顺利地进行机械加工，在生产实践中，通常要对钢进行热处理。

对于用普通钢材、其他金属材料制造的零件，往往要求其表面有耐腐蚀性、耐疲劳性，耐磨性，或者具有光亮、美观性；或者具有绝缘性、良好的导电性等。为了满足这些预定的性能要求，可采用金属表面处理工艺。

热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却，以获得预期的组织结构与性能的工艺。热处理工艺方法较多，但其过程都是由加热、保温、冷却三个阶段组成的。热处理工艺曲线示意图如图2-1所示。

热处理是机械零件及工具制造过程中的重要工序。它可改善工件的组织和性能，充分发挥材料潜力，从而提高工件使用寿命。就目前机械工业生产状况而言，各类机床中要经过热处理的工件约占总质量的60%～70%；汽车、拖拉机中占70%～80%；轴承、各种工模具等几乎都需要热处理。因此，热处理在机械制造工业中占有十分重要的地位。

根据热处理的目的、加热和冷却方法的不同，热处理大致分类见表2-1。

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热处理

退火 正火 淬火 回火

整体热处理

调质

稳定化处理 固溶热处理

固溶热处理和时效处理 表面淬火和回火 物理气相沉积

表面热处理

化学气相沉积

等离子化学气相沉积 渗碳

碳氮共渗 渗氮

氮碳共渗

化学热处理

渗其他非金属 渗金属 多元共渗 溶渗

表2-1 热处理的分类

２.1 钢在加热时的组织转变

大多数零件的热处理都是先加热到临界点以上某一温度区间，使其全部或部分得到均匀的奥氏体组织，然后采用适当的冷却方法，获得所需要的组织结构。

金属或合金在加热或冷却过程中，发生相变的温度称为相变点或临界点。在Fe－Fe3C状态图中，A1、A3、Acm是不同成分的钢在平衡条件下的临界点。Fe－Fe3C状态图中的临界点是在极其缓慢的加热或冷却条件下测得的，而实际生产中的加热和冷却并不是极其缓慢的，所以实际发生组织转变的温度与Fe－Fe3C状态图所示的理论临界点A1、A3、Acm之间有一定的偏离，如图2-2所示。随着加热和冷却速度的增加，相变点的偏离将逐渐增大。为了区别钢在实际加热和冷却时的相变点，加热时在“A”后加注

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“c”；冷却时加注“r”。因此，实际加热时的临界点标为Ac1、Ac3、Accm；冷却时标为Ar1、Ar3、Arcm。 2.1.1 奥氏体的形成

共析钢的室温组织是珠光体，即铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物。铁素体具有体心立方晶格，在A1点时碳的质量分数为0.021 8%；渗碳体具有复杂斜方晶格，碳的质量分数为6.69%。加热到临界点A1以上，珠光体转变为奥氏体，具有面心立方晶格，碳的质量分数为0.77%。由此可见，珠光体向奥氏体的转变，是由化学成分和晶格都不相同的两相，转变为另一种化学成分和晶格的过程，因此，在转变过程中必须进行碳原子的扩散和铁原子的晶格重构，即发生相变。

奥氏体的形成是通过形核和核长大过程来实现的。珠光体向奥氏体转变可以分为四个阶段：①奥错体晶核的形成；②奥氏体晶核的长大及渗碳体的溶解；③残余渗央体的完全溶解；④奥氏体化学成分的均匀化。图2-3为共析钢奥氏体形成过程示意图。

钢热处理时之所以需要一定的保温时间，不仅是为了把零件热透，而且也是为获得化学成分均匀的奥氏体，以便在冷却时得到良好的组织和性能。

由Fe－Fe3C状态图可以看出，

亚共析钢需加热到Ac3以上，并保温适当时间，才能得到化学成分均匀单一的奥氏体；过共析钢需加热到Accm以上，才能得到化学成分均匀的单一的奥氏体组织。

2.1.2 奥氏体晶粒长大及其控制措施

钢中奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后的组织和性能。奥氏体晶粒细小，则其转变产物的晶粒也较细小，其性能也较好；反之，转变产物的晶粒粗大，其性能则较差。将钢加热到临界点以上时，刚形成的奥氏体晶粒都很细小，此时称为起始晶粒。如果继续升温或保温，便会引起奥氏体晶粒长大。

若使钢在加热时获得细小均匀的奥氏体晶粒，可在生产中采用以下措施

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来控制奥氏体晶粒的长大：

1、合理选择加热温度和保温时间

奥氏体形成后，随着加热温度的升高和保温时间的延长，奥氏体晶粒将会逐渐长大。特别是加热温度对其影响则更大。这是由于晶粒长大是通过原子扩散进行的，而扩散速度随加热温度的升高而急剧加快。

2、选用含有合金元素的钢

碳与一种或数种金属元素所构成的化合物，称为碳化物。大多数合金元素如铬、钨、钼、钒、钛等，在钢中均可以形成难溶于奥氏体的碳化物并分布在晶粒边界上，阻碍奥氏体晶粒长大。

2.2 钢在冷却时的组织转变

实践证明：同一化学成分的钢在加热到奥氏体状态后，若采用不同的冷却方法和冷却速度进行冷却，将得到形态不同的各种组织，从而获得不同的性能（见表2-2）。这种现象已不能用Fe－Fe3C状态图来解释了。因为Fe－Fe3C状态图只能说明平衡状态的相变规律，冷却速度提高则脱离了平衡状态。因此研究钢在冷却时的相变规律，对制定热处理工艺有着重要的意义。

表2-2 wc＝0.45%的钢加热到840℃，以不同方法冷却后的力学性能

HBS (HRC) 160～200 170～240 52～58HRC 冷却方法 炉内缓冷 空气冷却 水 冷 却 ób/MPa 530 670～720 1 000 ós/MPa 280 340 720 δ/% 32.5 15～18 7～8 /% 49.3 45～50 12～14 在一定冷却速度下进行冷却时，奥氏体要过冷到A1温度以下才能完成转变。在共析温度以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体，也称亚稳奥氏体，它有较强的相变趋势。

钢在冷却时，可以采取两种冷却转变方式：等温转变和连续冷却转变，见图2-4。

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