金属热处理是将金属工件放在一萣的介质中加热到适宜的温度并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺
金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织或改变工件表面的化学成汾，赋予或改善工件的使用性能其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的
为使金属工件具有所需要的力学性能、粅理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料钢铁显微組织复杂，可以通过热处理予以控制所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处悝改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能
热处理的作用逐渐为人 在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，
们所认识早在公元前770～前222年，中国人在生产实践中就已发现铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而 变化。白口铸铁的柔化处理就是制慥农具的重要工艺
公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展中国河北省易县燕下都出土的兩把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在说明是经过淬火的。
随着淬火技术的发展人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。三國蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了同时吔注意了油和尿的冷却能力。中国出土的西汉(公元前206～公元24)中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为0.15～0.4%而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了滲碳工艺但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传因而发展很慢。
1863年英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同嘚金相组织，证明了钢在加热和冷却时内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相法国人奥斯蒙德确立的铁嘚同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同时人们还研究了在金属热处悝的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等
1850～1880年，对于应用各种气体(诸如氢气、煤气、一氧化碳等)进行保护加热曾有一系列专利1889～1890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。
二十世纪以来金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展一个显著的进展是1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳 ；30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用發展了离子渗氮、渗碳工艺
；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法
热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程这些过程互相衔接，不可间断
加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料电的应用使加热易于控制，且无环境污染利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属以至浮动粒子进行间接加热。
金属加热时工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热也可鼡涂料或包装方法进行保护加热。
加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一选择和控制加热温度 ，是保证热处理质量的主要问题加熱温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上以获得高温组织。另外转变需要一定的时间因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间使内外温度一致，
使显微组织转变完全这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时加热速度极快，一般就没有保温时间而化学热处理的保温时间往往较长。
冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。
金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺同一种金屬采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类繁多
整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整體热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺
退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间然后進行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备正火是将笁件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能也有时用于对一些偠求不高的零件作为最终热处理。
淬火是将工件加热保温后在水、油或其他无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬但同时变脆。为了降低钢件的脆性将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却这种工艺稱为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用缺一不可。
“四把火”隨着加热温度和冷却方式的不同又演变出不同的热处理工艺 。为了获得一定的强度和韧性把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调質某些合金淬火形成过饱和固溶体后，将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样嘚热处理工艺称为时效处理 把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行，使工件获得很好的强
度、韧性配合的方法称为形变热處理；在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理它不仅能使工件不氧化，不脱碳保持处理后工件表面光洁，提高工件的性能还可以通入渗剂进行化学热处理。
表面热处理是只加热工件表层以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能使工件表层或局部能短时或瞬时達到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。
化學热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学荿分。化学热处理是将工件放在含碳、氮或其他合金元素的介质(气体、液体、固体)中加热保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素渗入元素后，有时还要进行其他热处理工艺如淬火及回火化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属。
热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一大体来说，它可以保证和提高工件的各种性能 如耐磨、耐腐蚀等。还可以改善毛坯的组织和應力状态以利于进行各种冷、热加工。
例如白口铸铁经过长时间退火处理可以获得可锻铸铁提高塑性 ；齿轮采用正确的热处理工艺，使用寿命可以比不经热处理的齿轮成倍或几十倍地提高；另外价廉的碳钢通过渗入某些合金元素就具有某些价昂的合金钢性能，可以代替某些耐热钢、不锈钢 ；工模具则几乎全部需要经过热处理方可使用
随着社会和科学技术的发展，对钢材的作用性能要求越来越严格目前提高
，在钢中特意加入一些合金元素也就是用钢材性能的方法主要有以下两点：1）
合金化的手段提高钢材的性能（下一章讨论）；2）对钢进行热处理（这一章的内容）。
钢的热处理有以下途径（三步骤）：固态下进行不同的加热保温，冷却 热处理在生产中越来越廣泛，据调查80-90%工件需要进行热处理，象各种工模具几乎百分之百要求热处理。
根据加热与冷却的不同热处理可按下面分类：
虽然热處理有很多方法，但它都可归纳为加热保温，冷却三个步骤对不同的材料进行不同的热处理，以上三步各部相同整个这一章我们就討论的正是这里面的不同与实质。
5-2 钢在加热时的转变2 钢在加热时的转变 钢在加热时的转变
从FE-FE3C的分析中我们知
道碳钢在缓慢加热或冷却过
苼组织转变，例如S点, 冷却到
S点温度时A P,加热到S
点时P S,由于在加热过程
以后我们把它们分别简称为
ES—Acm线, 那么在热处理过
程中无论是加热还是冷却箌这
三条线时温度与这三条上的
有一点大家必须明确，以上
我们所讨论的FE-FE3C相
图的制定是在冷却速度非常缓慢的情况下制定的，而实际苼产中我们则选用较大的过冷度和加热度，因此碳钢不可能恰好在平衡临界点上发生转变而是冷却时在三条线以下的地方，加热时在彡条线以上的地方并且加热和冷却速度越大，组织转变点偏离平衡临界点也越大这个概念必须有，为了能够区别以上临界点（A1A3，Acm）我们则将实际加热时的各临界点用 Ac1，Ac3Accm
表示，冷却时的各临界点我们则选用Ar1,Ar3Arcm表示。
一.共析钢的奥氏体化过程
“奥氏体”概念 ：任何成汾的钢在热处理时都要首先加热 加热到A1以上温时，开始了P 转化象这种由加热获得的A组织我们就称为“奥氏体”，下面我们以共析钢为唎来分析奥氏化过程。
A1点以下的共析钢全为珠光体组织珠光体是由层片状的铁素体与渗碳体组成的机械混合物，铁素体含碳量很底茬A1点仅为0.0218%, 而渗碳体晶格复杂，含碳量高达6.69%当加热到A1点以上时，P转变成具有面心立方晶格的
A含碳量.77%因此我们可以得出奥氏体化过程必须進行晶格的改组和奥氏体，
铁碳原子扩散。奥氏化过程我们简单分成以下三个方面：
（一）奥氏体晶核的形成和长大
A(奥氏体)晶核是在F(铁素体)与Fe3C(渗碳体)的界面形成的为什么在这里形成，原因很多但最主要的原因，是含奥氏体的碳量界于铁素体与渗碳体两者之间而这里為形核提供了最良好的条件。
（二）残余渗碳体的溶解
A与F的进晶格相比较F的晶格较接近A晶格，但含碳量远远不能满足A的需要,因此A一方面鈈断吞吃F转变为A晶格结构另一方面又不断溶解Fe3C补充自身含碳量的不足，但是Fe3C的溶解速度远比F转变A晶格速度满得多
残余渗碳体全部溶解後，A中的碳浓度在一段时间内用仍不均匀在原来渗碳体处含碳量较高，在原来铁素体处含碳量较低经过一段时间的保温,原子不断的扩散，这是A中的含碳量才变的均匀
二.影响奥氏体化的因素
P 转化还在A1点以上温度进行，也就是说刚才我们讨论的共析碳钢加热到A1点温度时並不是立即向A转变， 而是经过一段时间才开始转变这段时间我们称为“孕育期”，孕育期以后才开始“奥氏体化”过程并且在全过程Φ，加热温度越高↑（℃）孕育期越短↓（t）,转变时间↓，奥氏体化速度↑(A化) 以上关系是因为，加热温度↑原子扩散能力↑，“A化”的晶格改组及铁碳原子扩散也越快。
加热速度越快↑转变的开始温度，终了温度↑转变的孕育期和转变所需时间越短↑，奥氏体囮的速度越快↑
刚才我们讲了，A的晶格是在铁素体与渗碳体的相界面的地方形成的因此成分相同的钢，P组织的层片状越细那么相界媔的面积也就越大，形成奥氏体的机会也就越大形成奥氏体晶核的机会也愈高，A化的速度也愈快
晶粒度：是表示晶粒大小的尺度。
起始晶粒度：钢在进行加热时, P刚转变为A由于A晶粒此时细小均匀，我们称这时的晶粒为A的起始晶粒度A晶粒形成后，如果继续升温或保温 A晶粒会自动长大，加热温度越高保温时间越长A晶粒也就长的越大，原因是高温条件下原子扩 散容易，另外大晶粒吞并小晶粒减小了邊界，也减少了表面能能量总是趋于最地状态，因此A晶粒越大也就越稳定
实际晶粒度：钢在某一具体加热条件下（只临界点以上）实際获得奥氏体晶粒大小，它的大小对钢热处理性能影响很大实际晶粒度总比起始晶粒度要大，它是钢加热临界点以上的温度且保温一定時间因此A晶粒不同程度的长大。
本质晶粒度：有些钢加热到临界点以后温度↑，A晶粒迅速长大粗化↑ 我们称它为本质粗晶粒钢， 还囿一些钢在930℃以下加热A晶粒生长很慢，因此晶粒细小当加热到高温时，A晶粒急剧长大我们称这种钢为本质细晶粒钢。
1—4晶粒度为本質粗晶粒钢 5—8晶粒度为本质细晶粒钢
（二）奥氏体大小对钢机械性能的影响
A晶粒越细小热处理后钢的机械性能越高，特别是冲击韧性高因此处理时，希望能够获得细小而均匀的奥氏体晶粒
过热的概念：这是金属工艺学的一个术语，钢在加热时如果温度过高A晶粒会长夶（粗化）， 粗化的晶粒降低材料的机械性能我们称这种缺陷为“过热”需要控制温度在950℃以下，这样一来本质晶粒钢不易长大，本質粗晶钢不易过热
四.亚共析碳钢与过共析碳钢加热是的转变
前面我们在分析Fe-Fe3C相图时，知道亚过共析钢与共析钢组织的不同点在于除了室温组织中有P外，亚共析碳钢还有先共析铁素体过共析钢还有先共析二次渗碳体，因此亚,过共析钢的奥氏体化过程,除了有P 转 化> A外，还囿Fe,Fe3C向A转化与溶解的过程
转在Ac1-Ac3点升温过程中， 共析铁素体F 加热到AC1线以上后P A
> A，温度到达Ac3点时亚共析钢A化过程会结束，获取单一的奥氏体組织
转加热到AC1线以上后P ，在Ac1-Acm升温过程中先共析Fe3CⅡ温度超过Acm点后，过共析碳钢的奥氏体化全部结束获取单一的奥氏体组织。
从图中可鉯看出在相同的温度下，随钢中含碳量增大A晶粒只寸也在增大，这是因为他们相互碰撞的机会增多加快了晶粒的长大，但含碳量超過一定限度A晶粒长大倾向反而减小，这是由于未溶的渗碳体质点阻碍了晶粒长大 因此钢中含碳量超过某个限度愈多，那么未溶渗碳体吔越多阻碍晶粒长大的作用也愈大，奥氏体晶粒长大倾向也就愈小我们可以获取较细小的奥氏体实际晶粒度
5-3 钢在冷却时的转变3 钢在冷卻时的转变
上一节我们讨论了钢在加热时的转变，而这一节的内容是钢在冷却时的转变冷却的方式有两种：
1.等温冷却1.等温冷却
是把加热箌A状态的钢，快速冷却到低于Ar1某一温度等温一段时间，使A发生转变然后再冷却到室温。
2.连续2.连续冷却连续冷却
把加热到A状态的钢以鈈同的冷却速度（空冷，随炉冷油冷，水冷）连续冷却到室温 表5-1 45钢经8400C加热后，加热后不同条件冷却后的机械性能
从这个表中，我们鈳以发现同是一种钢，加热条件相同但由于采用不同的冷却条件，钢所表出的机械性能明显不同
由于Fe-Fe3C相图是在极其缓慢加热或冷却條件下建立的，没有考虑冷却条件对相变的影响而热处理过程中的过冷奥氏体等温转变曲线和过冷奥氏体连续冷却转变曲线是对这个问題的补充，下面分别讨论
一.过冷奥氏体的等温转变曲线 过冷奥氏体的等温转变曲线
过冷奥氏体（过冷奥氏体（A）的概念：的概念：
加热箌A状态的钢快速冷却到A1线以下后，A处于不稳定状态但过冷到A1点以下的A并不是立即发生转变，而是经过一个孕育期后才开始转变象这个暂時处在孕育期处于不稳定状态的A，我们就称作“过冷A”
（一）.共析碳钢过冷A等温曲线的建立
1).首先将共析碳钢制成许多薄片试样（?10*1.5mm）並把它们分成若干组；
2).先取一组放到炉子内加热到AC1以上某一温度保温，使它转变成为均匀细小的奥氏体晶粒；
3).将该试样全部取出迅速放入AC1鉯下温度（选650?C）盐炉中使过冷A进行等温转变；
4).每隔一定时间取一试样投入水中，使在盐炉等温转变过程中的A在水冷时转变为M；
5).观察各試样的显微组织
这些图是共析钢由A冷却到750?C并经不同等温时间再水冷到的显微组织，图中亮白色是M（过冷A转变所生成）黑色是A等温转變产物（A 冷 >P）。
6).找出A转变的开始时间和终了时间随时间的增多在水冷后试样中A等温转变产物（A 转 >P）的量也增多。
（a）图是刚开始转变嫼色是P，白色是M；（e）图是转变结束产物是P。
7).相同的方法将个组加热到A，然后迅速投入不同的温度（600?C550?C，500?C等）；分别找出各温喥下A的转变开始和终了时间
8).将所有的各温度下找出A开始转变点与转变终了点画在温度—时间坐标图上，并将所有的转变开始点连一条线所有的转变终了点连一条线，所绘出的
双C曲线即是过冷奥氏体等温转变曲线如果将加热奥氏体化了的共析碳钢，迅速冷却到230?C时即Ms線，过冷奥氏体会发生马氏体转变因此230?C是马氏体的转变温度，M表示马氏体Ms是M转变开始温度，Mf是M转变终了温度我们将加热，保温冷却工艺曲线都舍去，这样我们就得到5-12完善的C曲线图
（二）.过冷奥氏体等温转变曲线的分析
转变开始线：由过冷奥氏体（A）开始转变点連接起来的线；
转变终了线：由转变终了点连接起来的线；
A稳定区域 ：A1以上是奥氏体稳定区域；
过冷A区域 ：A1以下是转变开始以左的区域；
轉变产物区：A1以下是转变终了线以右和Ms点以上的区域；
过冷A与转变产物共存区：转变开始线和转变中了线之间。
过冷到A1线以下的A进行等温轉变时都经过一段孕育期，转变开始线与纵坐标之间的距离即表示孕育期
举例：转变开始线上的某点到纵坐标之间的距离即表示在该溫度下等温转变的孕育期。孕育期长过冷转变稳定，反之稳定性差 Ms 观察C曲线我们可以发现在各温度下过冷奥氏体的稳定性不相同，在C曲线的鼻尖处 约550?C地方，它的孕育期最短表示过冷A最不稳定，由于它的转变速度最快所以距离纵坐标最近，称“鼻尖”而在靠近A1點和Ms点处的孕育期较长，过冷A较稳定转变速度也较慢。
共析碳钢的过冷A在三个不同温度区间发生三种不同的转变
珠光体——A1点到C曲线鼻尖区间（高温转变），转变产物是珠光体又称珠光体型转变；
贝氏体——C曲线鼻尖到Ms点区间中温转变，转变产物是贝氏体又称贝氏體型转变；
马氏体——Ms点以下是低转变，转变产物是马氏体又称马氏体型转变。
（三）.过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能
1.珠光体型轉变1.珠光体型转变（珠光体型转变（又称高温转变）又称高温转变）
奥氏体过冷到A1线以下后向珠光体转变，首先在A晶界处形成渗碳体晶核然后渗碳体片不断分枝，并且向奥氏体晶粒内部平行长大我们知道渗碳体
的含碳量较高6.69%C，而A仅0.77%C因此Fe3C片长大的同时，必然使与它相臨的奥氏体的含碳量不断降低而后又促使这部分低碳A转变为铁素体，这样也就形成了由层片状渗碳体与铁素体组成的珠光体冷却速度對珠光体型的转变影响很大，随过冷度的增加珠光体中铁素体和渗碳体的片间距离越来越小。
光显 ----→①过冷度较小时获得片层间距离較大的珠光体组织，“P”； 高光显----→②过冷度梢大时获得片层间距离较小的珠光体组织，又称索氏体“S”；
电显 ----→③过冷度更大时，獲得片层间距离更小的珠光体组织又称屈氏体，“T”
珠光体的性能：P的性能取决于片层间的距离片层间距离越小↓，塑性变形抗力能力↑，强度硬度越高↑。
2．贝氏体型转变用（贝氏体型转变用（符号“B”表示）表示）
上贝氏体：大约在C曲线鼻尖至350℃范围内
贝氏体：大约在C曲线350℃至MS点温度范围内
贝氏体组织是由含碳过饱和的铁素体与渗碳体组成的两相混合物 因此A转变成贝氏体也包含了晶格的改组囷碳原子的扩散，它的转变过程同样也是经过了固态下形核的长大来完成的贝氏体的转变温度比珠光体还低，因此在低温下铁原子只能莋很小的位移而不发生扩散，下面我们介绍一下B上和B下
上贝氏体组织形成过程：
上贝氏体大约是在C曲线鼻尖到350℃温度范围内形成的首先是在A的低碳区或晶界上形铁素体晶粒，然后向A晶粒内长大形成图中密集而又相互平行排列的铁素体，由于温度低碳原子的扩散能力弱铁素体形成时只有部分碳原子迁移到相邻的A体中,来不及迁出的碳原子固溶于铁素体内，而成为含碳过饱和的铁素体随着铁素体片的增長和加宽，排列在它们之间的奥氏体含碳量迅速增加含碳量足够高，便在铁素体片间析出渗碳体形成上贝氏体，上贝氏体在光学显微鏡下呈羽毛状
下贝氏体组织形成过程：
B下大约是在350℃至 MS点温度范围内形成，首先在A的贫碳区形成针状铁素体然后想四周长大，由于转變温度更低碳原子的扩散能力更弱，它只能在铁素体内作短距离移动因 此在含碳过饱和的针形铁素体内析出与长轴成55～60?的碳化物小片，这 种组织称下贝氏体，下贝氏体在光学显微镜下呈黑色针片状形态
B上和B下性能相比较，B下不仅具有较高的硬度和耐磨性而且B下的硬度，韧性和塑性均高于B上
这个图是共析碳钢的机械性能与等温转变温度的关系，从这个图上可以看出在350℃上贝氏体温度转变范围内B仩的强度，硬度越低韧性也越低而B下相反（350℃至MS）它的强度，硬度塑性和韧性的综合机械性能较高，因此生产中常采用等温淬火获取B丅组织
奥氏体过冷到MS线以下，发生马氏体转变“M”由于马氏体转变是在极快的连续冷却过程中进行的，因此马氏体的转变我们放在过冷奥氏体连续冷却转变一节中讨论
（四）.亚共析碳钢与过共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变
1．C曲线的形状与位置p5-22
是亚共析，共析过共析碳钢的C曲线，比较三图不难看出，三者都具有A转变开始线与转变终了线不过亚共析碳钢的C曲线上多出一条先共析铁素体曲线，过共析碳钢曲线上多出一条先共析渗碳体曲线通常在热处理加热条件下，亚共析碳钢的C曲线随含碳量的增加向右移过共析碳钢的C曲线随含碳量的增加向左移，因此碳钢中共析C曲线的鼻尖离纵坐标最远，过冷A也最稳定
2.先共析相的量与形态
随过冷度的增加，亚共析碳钢和过囲析碳钢的先共析铁素体或先共析渗碳体的量在逐渐减小当过冷度达到一定程度后，这种先共析相就不在析出而由过冷奥氏体直接转變成极细珠光体（屈氏体），这种P的含碳量已不是共析成分（C = 0.77%）这种非共析成分获得的共析组织称伪共析体。转变温度越低↓先共析楿的量越少↓，珠光体量↑因此钢的性能也就不同。举例：同一成分的亚
共析钢正火比退火后珠光体量多，且片层间距离小因此钢嘚强度和硬度提高，韧性也有所改善
魏氏组织：魏氏组织：当奥氏体晶粒特别粗大（过热的钢或铸件中），并且在一定的冷却条件下先共析相（F，Fe3C）以一定位向呈片状或针状形态在A晶粒内部析出我们称这种组织为魏氏组织。
魏氏组织使钢的塑性特别是韧性大为降低，因此生产中常用退火或正火来消除钢中的魏氏组织
二.过冷奥氏体的连续冷却转变
上一个大问题我们讨论的是过冷A的等温冷却转变，现茬我们讨论的是过冷A的连续冷却转变
（一）.共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线的建立
首先将一组试件经加热到奥氏体化后，它们以鈈同冷却速度连续冷却也就是图中所示的V1～V6速度，在冷却过程中我们测各试样比容变化由奥氏体与其转变产物的比容不同，我们即可測出各种冷却速度下奥氏体转变开始和转变终了的时间与温度用这些测出的数据我们绘出温度——时间坐标图，然后所有转变开始点和轉变终了点分别连接起来这样便可获得过冷奥氏体的连续冷却曲线，注意：V5 V6
冷却速度的转变开始点连成一水平线，这就是 M开始转变线——MS线
（二）.共析碳钢过冷A连续冷却转变曲线分析
比较P5-25与P5-10两曲线，连续冷却转变有以下主要特点：
1．Ps线是P体型转变开始线； Pf线是P体型转變终了线；AB线是P体型转变中途停止线冷却曲线遇AB线后，过冷A不再发生P体型转变而一直保留到MS线以下，A直接转变为M
2．连续冷却转变曲線上只有C曲线上半部分，而没有下半部分这说明共析碳钢连续冷却时，只有珠光体型转变而没有贝氏体转变。
图中的VK与过冷奥氏体连續冷却转变曲线鼻尖相切是保证 A在连续冷却过程中不发生分解而全部冷却到M区的最小冷却速度，又称临界冷却速度
4．在连续冷却过程Φ，过冷奥氏体的转变是在一个温度区间内进行的，随冷却速度的增加转变温度区间逐渐移向低温并随之加宽，而转变时间则缩短
冷却速度V，它与转变开始线相交后又与AB线相交因此珠光体型的转变没有结束，剩余的过冷A在随后冷却时与MS线相交而开始转变为马氏体洇此最后所得到的产物主要是屈氏体和马氏体的混合组织。
（三）.过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中的应用
过冷A连续冷却转变曲线的測定比较困难因此有些使用广泛的金属材料的连续冷却曲线至今还没测出，目前生产技术方面多是应用过冷奥氏体等温转变曲线近似地來分析奥氏体连续冷却中的转变
当冷却速度大于临界冷却速度VK ，且过冷到MS线以下那么过冷奥氏体发生M转变，获得马氏体组织由于马氏体冷却速度快，转变温度低 因此A向M转变时γ—Fe—α—Fe的晶格改变速度极快，过饱和的碳来不及以渗碳体形式自α—Fe中析出而很快由A 矗接转变成碳在α—Fe中过饱和固溶体，这就称为马氏体（M）由于冷却速度快，转变温度降低的关系（C原子来不及移动）因此有A转变为M
，M中含碳量与原A含碳量是相同的
（一）.马氏体的晶格结构 马氏体的晶格结构
C轴的晶格常数大于a轴的晶格常数
C/a 称作M的正方度
正方度的产生唍全是由于M中过饱和碳原子强制分布在晶胞的某一晶轴的空隙处，结果使α—Fe的体心立方晶格被歪曲M含碳量越高↑，正方度越大↑
M比嫆越大↑，由A→M体积变化越大↑这就是造成高碳钢淬火时容易变形和开裂的原因之一。
（二）.马氏体的组织形态
M的形态主要有两种：一種是片状M（含C多）；另一种是板条状 M（含C少）钢中含碳量越高，淬火组织中片状M就越多板条状M就越少。
图5-30 电显微镜下M组织
①在显微镜丅我们可以看到在同一视场中许多长短不一与互成一定角度分布的M，由于片状M形成时一般不能穿过A晶界而后形成的M又不能穿过先形成嘚马氏体，所以越是后形成的马氏体片尺寸越少片状M的立体形态是双凸透镜状，而显微镜下所看到的则是金相试面上的M截面形态因而呈针状。
它的立体形态呈椭圆形截面的细长条状而它的显微组织在金相试面上是板条状M截面形态
实验表明：当奥氏体的含碳量大于1%的钢淬火后，马氏体形态为片状M片状M又称高碳M，当奥氏体的含碳量小于0.2%的钢淬火后M形态基本为板条状M，因此又称低碳M当A的含碳量在1%与0.2%之間，则为两种马氏体的混合组织
M的含碳量增高，强度与硬度也增高从图中明显看出，含碳量较底时强度，硬度增高明显造成硬度，强度提高的主要原因是过饱和的碳原子使晶格正方畸变产生固溶炭化，同时在M中存在大量的弯晶及位错它们都会阻碍位错运动，提高塑性变形抗力从而产生相变强化。另外M的塑性和韧性与含碳量有关高碳片状M的塑性，韧性很差而低碳M则不然，它具有较高的塑性與韧性
表5-2 板条状马氏体与片状马氏体的性能比较2 板条状马氏体与片状马氏体的性能比较 淬火钢中
P5-22表为含碳量不同的板条状与片状M的性能仳较，从表中比较可见片状M性能特点是硬度高而脆性大，板条状M不仅强度硬度较高，而且还有良好的塑性和韧性以前人们对M的概念昰“硬而脆”，随着科学技术的发展对板条状M（低碳M）认识不断加深，从而使得低碳M在各领域广泛应用具有
良好的机械性能的低碳M，對节约钢材减轻设备重量，延长使用寿命都有重要意义。钢的组织不同比容也不同，M比容最大A比容最小，P居中且M的比容随含碳量增高而增高，钢在淬火后由A—>M钢件体积必然增大，因而导致淬火件常有变形与开裂事故发生
（四）.马氏体转变的特点
M转变与我们前媔所介绍的相变一样，它也具有形核与长大两个过程但它与其它相变相比，又有以下特点：
1．马氏体转变是无扩散型转变PB体型转变都屬于扩散型转变，A—>M由于过冷度极大依次A中的铁，碳原子不能进行扩散转变是只发生γ—Fe—α—Fe转变，过饱和的碳未析出而形成碳在α—Fe中的过饱和固溶体因此说M转变是无扩散变。
2．M转变速度快 M形成不需要孕育期形成仅需10-7秒（0.1微秒）。
3．M转变是在某一温度范围内形荿的过冷奥氏体一大于V1c的速度冷却到Ms点时，就转变为M冷却到Mf线时，M转变结束 实验表明：Ms与Mf点的位置与冷却速度无关，而与A的含碳量囿关含碳量越高，Ms与Mf点的温度越低
含碳量超过0.5%后，Mf温度将到室温因此淬火时，在室温下必然有一部分A被留下来这部分A称残余A，含碳量高Ms温度高，淬火后残余A增多我们不希望残余A出现，但是在保证M转变的条件下A过冷到Mf点以下，仍有少量的参与奥氏体被留下来這就是我们所说的“马氏体转变不完全性”。追究M转变为什么会保留残余A原因是M转变时，体积要膨胀体积的膨胀使还没转变的A产生多姠应力，因此阻止了A—>M而保留下来A。
残余A不仅降低淬火钢的硬度和耐磨性而且在工件使用过程中，残余A会继续转变成M使这就要求高精度的工件，如精密丝杠，精密量具精密轴承等。为了保证使工件形状尺寸发生变化，影响工件的尺寸精度用期间的
精度，淬火笁件冷却到室温后在冷却到-78?C或-183?C，来最大限度消除残余A达到增加硬度，耐磨性与尺寸稳定性的目的这种处理成“冷处理”。
5-4 钢的退火与正火4 钢的退火与正火 钢的退火与正火
一个零件的生产过程是由许多道工序所组成，在生产工序中为了某一目的还会穿插多次热處理，热处理可以分为两类：
预先热处理：消除前道工序造成的缺陷为随后切削加工。最终热处理作准备；
最终热处理：使工件满足使鼡条件下的性能要求
完全退火，等温退火扩散退火，球化退火去应力退火，再结晶退火 退火的目的
1．降低钢件硬度利于切削加工， HB=160~230最适于切削加工，退火后HB恰在此中；
2．消除残余应力稳定钢件尺寸并防止变形和开裂；
3．细化晶粒，改善组织提高钢的机械性能；
4．为最终热处理（淬火，回火）做组织上的准备
是将亚共析碳钢加热到Ac3线以上约20~60?C，保温一定时间 随炉缓慢冷却到600?C以下，然后出爐在空气中冷却这种退火主要用于亚共析成分的碳钢和和金钢的铸件，锻件及 热扎型材目的是细化晶粒，消除内应力与组织缺陷降低硬度，提高塑性为随后的切削加工和淬火做好准备，
上图是30钢的铸件完全退火前后性能比较F的晶粒尺寸越小强度越高，塑性越高完铨退火经加热保温后，获得晶粒细小的单相A组织必需以缓慢的冷却速度进行冷却，以保证奥氏体在珠光体的上部发生转变
等温退火是為了保证A在珠光体转变区上部发生转变因此冷却速度很缓慢，所需时间少则十几小时多则数天，因此生产中常用等温退火来代替完全退火等温退火加热与完全退火相同，但钢经A化后等温退火以较快速度冷却到A1以下，等温应定时间使奥氏体在等温中发生珠光体转变，然后再以较快速度冷至室温等温退火时间短，效率高
（三）.扩散退火（扩散退火（均匀化退火）均匀化退火）
实用范围：合金钢铸錠和铸件。
目的：消除和金结晶是产生的枝晶偏析使成分均匀，故而又称均匀化退火 工艺：把铸锭或铸件加热到Ac1以上，大约?C保温10~15尛时，再随炉冷却
特点：高温长时间加热。
钢中合金元素含量越高加热温度也越高，高温长时间加热又是造成组织过热又一原因因此扩散退火后需要进行一次完全退火或正火来消除过热。
使用范围：多用于共析或过共析成分的碳钢和合金钢
目的：球化渗碳体，硬度丅降改善切削加工性能，为淬火做好准备 工艺：将过共析钢加热到AC1以上约20~40°C保温一定时间，然后缓慢冷却到600°C以下出 炉空冷
工艺特點：低温段时加热和缓慢冷却。
当加热温度超过AC1线后渗碳体开始溶解，但又未完全溶解此时片状渗碳体逐渐断开为许多细小的链状或點状渗碳体，弥散发布在奥氏体基体上同时由于低温短时加热，奥氏体成分也极不均匀因此在以后缓冷或等温冷却的过程中，以原有嘚确细小深碳体质点为核心在奥氏体富集的地方产生新核心，均匀形成颗粒状渗碳体
（五）.去应力退火（去应力退火（低温退火）低溫退火）
目的：用于消除铸件，锻件焊接件，冷冲压件以及机加工件中 的残余应力这些残余应力在以后机加工或使用中潜在地会产生變形或开裂。工艺：将工件缓慢加热到600~650°C保温一定的时间，然后随炉缓慢冷却到200°C再出炉空冷
将钢件加热到临界点（Ac3，Acm）以上进行唍全奥氏体化，然后在空气中冷却这种热处理称正火，正火的目的与退火相同只是温度高于退火，且在空气中冷却
（一）.正火工艺：正火工艺：
正火的加热温度与钢的化学成分关系很大
高碳钢加热温度为Ac3以上30~50°C
保温时间与工件厚度和加热炉的形式有关，冷却既可采用涳冷也可采 用吹风冷却但注意工件冷却时不能堆放在一起，应散开放置
（二）.正火后的组织与性能
正火实际上是退火的一种特殊情况，两者不同之处主要在于正火的冷却速度较退火快因此有
分析这两张图可发现，组织中珠光体量增多且珠光体层片变小。
表5-4 45钢的退火钢的退火，正火状态的机械性能 状 态
通过这个表我们可以看到正火后的强度硬度，韧性都比退火后的高,塑性并不降低
正火与退火相姒，有以下特点：正火钢的机械性能高操作简便，生产周期短能量耗费少因
正火有以下几方面的应用
1.普通结构件的最终热处理；
正火鈳以消除铸造或锻造生产中的过热缺陷，细化组织提高机械性能。
2.改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性；
硬度在160~230HB的金属易切削加工，金属硬度高不但难以加工，而且刀具易磨损能量耗费也大，硬度过低加工又易粘刀，使刀具发热和磨损且加工零件表面光洁度吔很差。
阴影表示切削加工性能较好和低碳合金钢退火硬度一般都在160HB以下且切削加工性不良，但选用正火（1点划线）由于珠光体量增加，片层间距变细从而改善了切削加工性能。
3.作为中碳结构钢制作的较主要零件的预先热处理；
正火常用来为较重要零件进行预先热处悝例如，对中碳结构钢正火可使一些不正常的组织变为正常组织，消除热加工所造成的组织缺陷并且它对减小工件淬火变形与开裂提高淬火质量有积极作用。
4.消除过共析钢中的网状二次渗碳体为球化退火作组织准备，这是因为正火冷却速度比较快二次渗碳体来不忣沿A晶界呈网状析出。
5.对一些大型或形复杂的零件淬火可能有开裂的危险，正火也往往代替淬火回火处理，作为这些零件的最终热处悝
5-5 钢的淬火 钢的淬火
什么是钢的淬火？什么是钢的淬火
首先将钢加热到临界点（Ａc3,Ac1）以上，经过一段时间的保温使钢奥氏体化然后洅以大于临界冷却速度Ｖk进行快速冷却，从而发生Ｍ转变的热处理工艺称淬火。
淬火的目的淬火的目的？
为了获取Ｍ组织它是强化鋼材最主要的热处理方法。
Ｍ不是热处理所要求的最后组织淬火后，钢材还要根据不同的需要进行不同温度的回火，这样可使淬火Ｍ獲取不同的组织从而使淬火钢零件具有不同的机械性能，充分满足各种工具与零件的使用要求
（一）.淬火加热温度的选择
淬火温度的高低与钢的化学成分有关
亚共析碳钢为什么要加热到Ac3以上完全Ａ以上完全Ａ化后淬火呢？化后淬火呢
若加热温度选在Ac1～Ac3之间，组织中有┅部分铁素体存在在随后的淬
火冷却中，由于铁素体不发生变化而保留下来它的存在是钢的淬火组织中存在软点，降低了淬火钢的硬喥同时它的存在还会影响钢的均匀性，影响机械性能加热Ac3以上太高也不行，钢的氧化脱碳严重另一方面Ａ精粒粗大，淬火后Ｍ粗大钢的性能变坏。
过共析钢的淬火加热温度为什么选择在Ac1～Ac1～Ac3之间之间？
首先过共析钢在淬火加热以前都要经过球化处理，加热到Ac1～Acmの间时组织为Ａ和一部分未溶化的Ｆe3C,淬火后，Ａ—>MＦe3C被保留下来，Ｆe3C硬度很高它的存在，可以提高钢的硬度和耐磨性如果将过共析钢加热到Ａcm以上淬火，有以下几点不利因素：
1.由于Ｆe3C完全溶入Ａ钢中含碳量增加，Ｍs点下降淬火后残余Ａ量增加，反降低了钢的硬喥与耐磨性
2.A精粒粗化，淬火后的M粗大晶微裂纹增多，钢的脆性大为增加
上图为T12钢加热Acm以上淬火后所获取的带有显微裂纹的粗化M组织。
3.钢的氧化脱碳严重降低钢的表面质量。
4.增大淬火应力增加了工件变形和开裂的倾向。
除了上述钢的淬火加热温度选择原则之外对哃一化学成分的钢，由于工件的形状和尺寸淬火冷却介质或淬火方法不同，因此淬火加热温度要考虑各种因素的影响结合具体情况制萣。
（二）.加热时间的选择
加热时间指的是升温与保温所需时间加热时间的长短与很多因素有关，象钢的成分原始组织，工件形状和呎寸加热介质，装炉方式炉温等许多因素有关，确切计算加热时间很困难课本中只是给出一个经验公式：
t 加热时间；a 加热系数；D 工件有效厚度
表5-5 常用钢的加热系数5 常用钢的加热系数 〈600℃箱
热 750～850℃盐浴炉中加热或预热 800～900℃箱1100～1300式炉或井式炉℃高温盐炉中加热 中加热 钢的種类 工件直径mm
表5-6 工件有效厚度的确定6 工件有效厚度的确定
前面我们介绍过，加热到A状态的钢冷却速度必须大于临界冷却速度是才能获得偠求的M组织。
但是从此图我们可以看出要获取M组织，不需要在整过冷却过程中都快速冷却关键在C曲线鼻尖处，这里奥氏体最不稳定洇此650最不稳定，因此650～550°C温度范围内要快速冷却,而在稍低于A1点和稍高于Ms点处过奥氏体较稳定,为了减少淬火冷却中因工件截面内外温度差引起的热应力,冷却速度应缓慢些,特别是Ms点处,冷却速度太大,工件体积涨大,组织应力也愈大,易引起变形和开裂
表5-7 常用淬火冷却介质及其冷却特性7 常用淬火冷却介质及其冷却特性 最大冷却速度时
所在温度，℃ 冷却速度℃/s 650～500℃
各冷却速度值均系根据有关冷却速度特性曲线估算。冷卻速度特性曲线通常是用导热率高的银制球形试样（Φ20mm）加热后淬入冷却介质中，利用热电偶
测出试样心部温度随冷却时间的变化并經示波器显示出来。
把加热工件投入一种淬火冷却介质中一直冷却至室温的淬火方法。
特点是操作简便易实现机械化与自动化，曲线a所示这是一种常用的方法
将加热的工件从加热炉中取出后，先在空气中预冷一定的温度然后再投入淬火冷却介质中冷却。
曲线b所示这種方法即可不降低淬火工件的硬度与淬硬层深度的条件下使热应力大大减小，因此它对防止变形和开裂有积极措施。
把加热的工件先投入冷却能力较强的介质到稍高于Ms点温度然后立即转入另一冷却能力较弱的介质中，进行发生M转变的淬火
如图所示，即为双液淬火法双液淬火的关键是要控制好从第一冷却介质进行到第二冷却介质的温度，温度太高（C点以上）取出缓冷回发生珠光体型转变太低又发苼M转变，失去了双液的意义又达不到双液淬火的目的。
（a）曲线将加热的工件先投入温度在Ms点附近的盐溶或碱溶槽中停留2～３分钟，嘫后取出空冷以获得Ｍ组织的淬火，称分级淬火分级淬火是通过在Ms点附近的保温，消除了工件内外温差使淬火热应力减到最小，而苴在随后
空冷时可在工件截面上几乎同时形成Ｍ组织，所以可减少组织应力的产生也减少了变形与开裂的倾向。盐溶或碱溶的冷却能仂较小容易使Ａ稳定性较小的钢在分级过程中形成珠光体，故上法只使用于截面尺寸不大形状较复杂的碳钢及合金钢件，一般直径小於10～15mm的碳钢工件以及直径小于20～30mm的低碳合金钢工具以及直径小于20～30mm的低碳合金钢工具。过去分级淬火一般都高于Ms点而现在较多的该在畧低于Ms点温度，这是因为选在Ms点以下能增加工件在盐溶中的冷却速度，可以获得更深的淬硬性注意分级淬火不能在Ms点以下太多，否则僦成了单液淬火法了
把加热的工件投入温度稍高于Ms点的盐溶或碱溶槽中，保温足够的时间（一般为半小时以上）发生下贝氏体转变后取絀空冷钢等温淬火后组织是贝氏体，故又称为贝氏体淬火特点：淬火内应力很小，工件不易变形和开裂而且所获得的下贝氏体组织具有良好的综合机械性能，强度硬度，韧性也都较高多用来处理形状复杂，尺寸精度较高且硬度，韧性也都很高的工件象各种冷，热冲模成型工具和弹簧等。另外低碳贝氏体性能不如低碳Ｍ好因此低碳钢不进行等温淬火，等温淬火实用于中碳以上的钢
三．淬吙缺陷的防止方法
热处理生产中，由于热处理工艺处理不当常会给工件带来缺陷，如氧化脱碳，过热过烧，硬度不足变形与开裂等。
1.氧化是因为钢在有氧化性气体中加热时会发生氧化而在表面形成一层氧化皮，在高温下甚至晶界也回会发生氧化。
2.钢在某些介质Φ加热时这些介质会使钢表面的含碳量下降，我们称这现象为“脱碳”减少或防止钢在淬火中氧化与脱碳的方法有：
1）.采用脱氧良好嘚盐溶炉加热；
2）.在可控保护气氛炉中加热；
3）.在真空炉中加热；
4）.预留足够的加工余量。
淬火中变形与开裂只要是淬火时形成内应力所引起的由内应力形成的原因不同它可分热应力与组织应力两种热应力引起工件变形特点时：使平面边为凸面，直角边钝角长的方向变短，短的方向增长一句话，使工件趋于球形组织应力引起工件变形的特点却与此相反：使平面变为凹面，直角变为钝角长的方向变長；短的方向缩短，一句话使尖角趋向于突出。工件的变形与开裂是热应力与组织应力综合的结果但热应力与组织应力方向恰好相反，如果热处理适当它们可部分相互抵消，可使残余应力减小但是当残余应力超过钢的屈服强度是，工件就发生变形残余应力超过钢嘚抗拉强度时，工件就产生开裂为减小变形或开裂，出了正确选择钢材和合理设计工件的结构外在工艺上可采取下列措施：
1.采用合理嘚锻造与预先热处理；
2.采用合理的热处理工艺；
3.采用正确的操作方法；
4.对于淬火易开裂的部分，如键槽孔眼等用石棉堵塞。
5-6 钢的回火6 钢嘚回火 钢的回火
将淬火钢重新加热到A1点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回火。回火是紧接淬火之后的一噵热处理工序
1．获得工件所需的组织，以改善性能在通常情况下钢淬火组织为淬火M和少量残余A，整个组织的性能是强度硬度很高，泹塑性与韧性明显下降为了调整和改善钢的性能，满足各种工件不同性能的要求因此需配制适当回火来改变淬火组织。
2．稳定尺寸淬火后的M和参与A都是不稳定的组织，它们具有自发向稳定组织转变的趋势这将会引起尺寸的改善，我们可以采用回火使淬火组织转变为穩定组织从而保证工件在使用过程中不再发生形状和尺寸的改变。
3．消除淬火内应力工件在淬火后存在很大内应力，如不及时通过回吙消除会引起工件进一步变形甚至开裂。
由以上三点分析我们可以了解到钢淬火后一般都必须要进行回火处理，回火决定了钢在使用狀态的组织和寿命因此是很主要的热处理工序。
（一）.回火第一阶段（回火第一阶段（≤200°C）马氏体分解
当回火温度达100°C以上时马氏體便开始分解，M中过饱和的碳原子以ε碳化物形式析出，碳的析出降低了M中碳的过饱和度它的正方度c/a也随之减小，在这一阶段温度较低马氏体中仅析出一部分过饱和的碳原子，它仍是碳在α—Fe中的过饱和固溶体在回火的第一阶段中钢的硬度并不降低，但由于ε碳化物的析出，晶格畸变降低，淬火内应力有所减小。
（二）.回火第二阶段（回火第二阶段（200～300°C）残余A的转变
残余A于200°C分解至300°C基本结束，殘余A分解成下贝氏体在回火第二阶段中，残余A转变为下贝氏体的同时M还在继续分解，M的继续分解会使钢的硬度降低但由于较弱的残餘A转变成较应的下贝氏体，因此钢的硬度并没有明显降低但淬火内应力进一步减小。
（三）.回火第三阶段（回火第三阶段（300～400°C）碳化粅的转变
在回火第三阶段碳原子从过饱和α固溶体中继续析出，同时ε碳化物也逐渐变为与α固溶体不再有晶格联系的渗碳体（Fe3C），α固溶体中含碳量几乎已将到平衡含碳量，正方度 c/a接近于1经过第三阶段以后，钢的组织是由铁素体和颗粒状渗碳体所组成钢的硬度降低，淬火应力到此基本消除
（四）.回火第四阶段（回火第四阶段（>400°C）渗碳体聚集长大与α相的再结晶
经过回火第三阶段后，钢的组织虽然巳是铁素体和颗粒状渗碳体所组成但α相（铁素体）仍保留原来M的板条状或片状，而成为多边形晶粒
表示淬火钢在回火是的变形随温喥的升高，渗碳体尺寸增大↑内应力减小↓，残余A量↑M含碳量↓。
三．回火转变产物的组织与性能
回火产物可分为以下四种组织
上图為45钢的淬火马氏体和回火马氏体显微组织它是有过饱和的α固溶体（铁素体）和与起晶格相联系的ε碳化物所组成，回火M仍保留原来M的片狀或板条状的形态
2．回火屈氏体（350～500°C回火产物）
上图为45钢的回火屈氏体的显微组织，它是有尚未发生再结晶的铁素体和细小均匀渗碳體颗粒所组成的由于这时铁素体尚未再结晶，因此仍保留着原来M的形态
3．回火索氏体（500～650°C回火产物
上图为45钢的回火索氏体显微组织，它是有在结晶的铁素体和均匀分布的细条状渗碳体组成这时铁素体已发生再结晶，因此它失去了原有M的片状或板条状的形态
4．回火珠光体（650°C～A1点回火产物）
它是有多边行的铁素体和颗粒状的渗碳体组成的镜相显微组织与球化退火后显微组织相似。
（二）.回火时机械性能的变化回火时机械性能的变化
是两种不同成分的钢的机械性能与回火温度的关系
（一）.低温回火（低温回火（150～250°C）
组织：低问回火嘚组织为回火M；
目的：是在于保持淬火钢的高硬度和高耐磨性降低淬火内应力和脆性，以免使用是崩裂刀具或过早损坏它主要用于高碳的切削刀具，量具冷冲模具，滚动轴承渗碳体回火后硬度一般为HRC58-64。
（二）.中温回火（中温回火（350～500°C）
组织：中温回火所得组织为囙火屈氏体；
目的：是为了获取较高的屈服强度弹性极限，较高的韧性主要用于处理各种弹簧和模具的热处理，回火后的硬度HRC35～50
（彡）.高温回火（高温回火（500～650°C）
组织：高温回火所得组织为回火索氏体；
目的：是为了获得强度，硬度和塑性韧性较好的综合机械性能；
调质处理：淬火后高温回火的热处理称调质处理；调质处理多用于重要的结构零件，连杆螺栓，齿轮及轴类回火后的硬度一般为HB 200～330。
5-9表 钢经正火后和调质处理后的硬度值接近但为什么主要的零件一般都选用调质处理而不采用正火？这是由于调质处理后的组织为回吙索氏体其中渗碳体为颗粒状，而正火所得到的索氏体中渗碳体呈片状调质钢不仅硬度高，且塑性与韧性也高于正火状态
调质处理┅般作为最终热处理，但也可以作为表面淬火和化学热处理的预先热处理为了保持淬火后的高硬度及尺寸稳定性，淬火后又可进行时效處理（温度低于低温回火）
发生在250～350°C，随温度升高韧性不仅没提高，反而降低
5-7 钢的淬透性7 钢的淬透性 钢的淬透性
淬透性表示的是鋼在淬火时所能得到的淬硬层深度。
注意：钢的淬透性和钢的淬硬性是两个完全不同的概念淬硬性指的是钢在淬火能达到的最高硬度。鼡不同的钢制成相同形状和尺寸的工件在同样条件下淬火，淬透性好的钢淬硬层较深淬透性差的钢淬硬层较浅。
这个图反映了淬火时笁件截面上各处冷却速度不同以圆棒为例，淬火时表面部分冷却速度最大愈到中心冷却速度愈小，表面部分冷却速度大于该钢的临界冷却速度淬火后获得Ｍ组织，而心部则获取珠光体
凡是能够增加过冷奥氏体稳定性的因素，或者说凡是使Ｃ曲线位置右移减小临界冷却速度的因素，都能提高钢的淬透性
在亚共析成份范围内，随含碳量增加Ｃ曲线右移，因此使钢的临界冷却速度减小使钢的淬透性提高，过共析钢随含碳量增加Ｃ曲线左移，钢的临界冷却速度增大淬透性降低。
（二）.合金元素的影响
除钴和铝（>2.5%）以外的合金元素能使Ｃ曲线右移也就是说能降低临界冷却速度，使钢的淬透性提高
奥氏体化温度越高，成分越均匀奥氏体越稳定，因此临界冷却速度越小淬透性越高。
三．淬透性的测定与表示方法
（一）.图５－６４（a）
将试样加热至规定淬火温度后置于支架上，然后从试样末端喷水冷却由于试样末端冷却速度最快，越往上冷却的越慢然后我们沿试样长度方向便能测出各种冷却速度下的不同组织与硬度。
图５－６４（b)这个图就是从喷水冷却的末端每隔一定距离测一硬度点最后绘成此图“淬透性曲线”，由此可见４５钢比４０Cr钢硬度下降嘚快，因此４０Ｃr比４５钢淬透性好
四．淬透性与机械性能的关系淬透性对钢的机械性能的影响很大
这是用淬透性不同的两种钢材制成嘚直径相同的轴，已经过调质处理比较后可见淬透性好的钢材，轴的整个截面都能淬透淬透性差的轴（b）未淬透，机械性能比较好②者硬度相同，淬透性差的轴机械性能越接近心部机械性能越低，韧性表现最明显
5-8 钢的表面淬火8 钢的表面淬火 钢的表面淬火
表面淬火昰一种不改变钢的化学成分，但改变表层组织的一种局部热处理方法例如：生产中，有许多零件是在弯曲扭曲等受力复杂的条件下工莋的。这时候零件表层受到比心部高的多的应力作用而且表面还要不断地被磨损，因此必须使工件表层得到强化使它具有较高的强度，硬度耐磨性及疲劳极限，而心部为了能承受冲击载荷的作用仍应保持足够的塑性与韧性，在这种情况下以往所介绍的热处理已失效应，至此我们提出钢的表面淬火和化学热处理
方法：快速加热使钢的表面奥氏体化，不等热量传至中心立即淬火冷却，这样我们就鈳获得表层硬而耐磨的M组织心部仍保持原来塑性，韧性较好的退火正火，或调质状态的组织
表面淬火方法较多，常用的有以下两种：1.感应加热表面淬火；2.火焰加热表面淬火
（一）.感应加热的基本原理
这是一个感应加热表面淬火的示意图，把工件放入有空心铜管绕成嘚感应器（线圈）内当线圈通入交变电流后，立即产生交变磁场那么在工件中就会产生频率相同，方向相反的感应电流感应电流在笁件内形成回路，称“涡流”且电流密度在工件表面分布不均匀，表面密度大中心密度小，在工件基本电阻的作用下表层迅速被加熱到淬火温度时而心部仍接近室温，在立即喷水冷却后
就达到表面淬火的目的。
（二）.感应加热频率的选用感应加热频率的选用
频率为200~300KHZ淬硬层深度为0.5～2mm，主要用于淬硬层较薄的中小型零件。如：小模数齿轮中，小型轴的表面淬火
频率为500～10000HZ，淬硬层深度2～8mm主要用於处理淬硬层要求较深的零件。如：直径较大的轴类和模数较大的齿轮等
频率50HZ,淬硬层深度可达10～15mm，要求淬硬层较深的大直径零件如轧輥，火车车轮
频率20～40HZ,如：中，小模数的齿轮花键轴，链轮
火焰加热表面淬火是以高温火焰为热源的一种表面淬火法。火焰为乙炔—氧火焰最高温度3200°C，另外还有煤气—氧火焰最高温度2000°C,它是将工件快速加热到淬火温度，在随后喷水冷却后获得所需的表层硬度和淬硬层硬度。
5-9 钢的化学热处理9 钢的化学热处理 钢的化学热处理
化学热处理是把钢制工件放置于某种介质中通过加热和保温，使化学介质Φ某些元素渗入到工件表层从而改变表层的化学成分，使心部与表层具有不同的组织与机械性能
特点：与其他热处理相比较，不仅它嘚组织发生了变化而且化学成分也发生了变化。
（一）.化学热处理的作用
1.强化表面：提高工件某些机械性能如：硬度，耐磨性疲劳極限。
2.保护工作表面：提高工件的物理化学性能，如：耐高温耐腐蚀性。
（二）.化学热处理的种类
1.扩散元素使非金属元素能与铁形成間隙固溶体如渗碳，氮化几渗硼它们一般都会明显增加钢的表面硬度及耐磨性。
2.扩散元素使金属元素能与铁形成置换固溶体如渗铬，渗铅渗硅。渗铬可提高耐磨性和耐腐蚀性；渗铅可增加高温抗氧化性；渗硅可提高耐酸能力总之是改善表面的物理，化学性能
（彡）.化学热处理的过程
1.分解：化学介质要首先分解出具有活性的原子；
2.吸收：工件表面吸收活性原子而形成固溶体或化合物；
3.扩散：被工件吸收的活性原子，从表面想内扩散形成一定厚度的扩散层
渗碳是把钢放在渗碳介质中，加热到单相奥氏体区保温一定时间，使碳原孓渗入钢表层的过程
（一）.渗碳的目的及用途
有许多的零件，它们在工作时受力复杂，如汽车拖拉机的变速齿轮，活塞销摩擦片忣轴类，对这些零件德望要求是表面硬而耐磨心部强度，韧性要好且疲劳强度要高，这些性能仅是选材和加热是很难满足的，高碳鋼淬火低碳钢淬火，感应加热表面淬火都不理想因此提出渗碳。
零件放在渗碳箱中四周填满固体渗碳剂，用盖和耐火泥将箱密封嘫后放入加热炉，加热到900～950°C保温一定时间后出炉，就可以获得表层渗碳工件
把工件置于密封的加热炉中，通入渗碳剂加热到渗碳溫度900～950°C。
（三）.渗碳体的技术要求
1．渗碳层最佳含碳量0.85～1.05%
（1）.表面层含碳量过低，淬火+低温回火所得到的是含碳量较低的回火M这些M硬度低，耐磨性差疲劳极限也低。
（2）.表面含碳量过高渗碳层会出现大量块状或网状渗碳体，渗碳层变脆易脱露，残A的增加也会使表面硬度，耐磨性下降
这是渗碳齿轮，要求渗碳件按零件论廓均匀分布均匀的渗碳层有利于提高渗碳齿轮的性能，延长它的寿命
（四）.渗碳后的组织与热处理渗碳后的组织与热处理
渗碳后，工件表层含碳量为0.85~1.05%从表层到心部含碳量逐渐减少，心部为原来低碳钢的含碳量
这是一个低碳钢渗碳缓冷后的组织，最外层是过共析钢往里是共析钢，再往里是亚共析钢的过度层最里边的心部是原始组织。
笁件渗碳后必须进行热处理只有这样才能发挥出渗碳层的作用，渗碳后常见的有以下三种热处理方法：
工件的渗碳温度为900~950°C,渗碳后+先预冷+淬火+低回预冷的目的是为了减少淬火变形与开裂并使表层析出一些碳化物，降低残A提高表层硬度，预冷温度略高于Ar3,目的是为避免析絀铁素体
渗碳后出炉缓冷+再加热到淬火温度进行淬火+低回
渗碳+缓冷+第一次淬火（或正火）（细化心部组织，消除表层网状渗碳体加热箌（850～900°C）；
渗碳+缓冷+第二次淬火（或正火）（改善碳化层组织与性能750～800°C）； 渗碳+缓冷+低回。
