钢的淬火与回火 2.doc

热处理工艺及设备0第 3 章 钢的淬火与回火钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要、也是用途最广的工序淬火可以大幅度提高钢的强度与硬度淬火后，为了消除淬火钢的残余内应力，得到不同强度、硬度与韧性的配合，需要配以不同温度的回火所以，淬火与回火是不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺淬火与回火作为各种机器零件及工、模具的最终热处理，是赋予钢件最终性能的关键性工序，也是钢件热处理强化的重要手段之一3.1 钢的淬火与分类淬火是将钢加热至临界点（A c1 或 Ac3）以上，保温一定时间后快速冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的工艺方法图 3-1 是共析碳钢淬火冷却工艺曲线示意图v c、v c'分别为上临界冷却速度（即淬火临界冷却速度）和下临界冷却速度以 v>vc 的速度快速冷却（曲线 1） ，可得到马氏体组织；以 vc>v>vc'的速度冷却（曲线2） ，可得到马氏体＋珠光体混合组织；以曲线 3 冷却则得到下贝氏体组织钢淬火后的强度、硬度和耐磨性大大提高w c≈0.5％的淬火马氏体钢经中温回火后，可以具有很高的弹性极限中碳钢经淬火和高温回火（调质处理）后，可以有良好的强度、塑性、韧性的配合。

奥氏体高锰钢的水韧处理，奥氏体不锈钢、马氏体时效钢及铝合金的高温固溶处理，都是通过加热、保温和急冷而获得亚稳态的过饱和固溶体，虽然习惯上也称为淬火，但这是广义的淬火概念，它们的直接目的并不是强化合金，而是抑制第二相析出高锰钢的水韧处理是为了达到韧化的目的奥氏体不锈钢固溶处理是为了提高抗晶间腐蚀能力，铝合金和马氏体时效钢的固溶处理，则是时效硬化前的预处理过程本章讨论钢的一般淬火强化问题，其淬火工艺分类见表 3-1表 3-1 钢的淬火工艺分类序号 分类原则 淬火工艺方法I 按加热温度 完全淬火、不完全淬火II 按加热速度 普通淬火、快速加热淬火、超快速加热淬火III 按加热介质及热源条件光亮淬火、真空淬火、流态层加热淬火、火焰加热淬火、 （高、中、工频）感应加热淬火、高频脉冲冲击加热淬火、接触电加热淬火、电解液加热淬火、电子束加热淬火、激光加热淬火、锻热淬火IV 按淬火部位 整体淬火、局部淬火、表面淬火V 按冷却方式 直接淬火、预冷淬火（延迟淬火） 、双重淬火、双液淬火、断续淬火、喷雾淬火、喷液淬火、分级淬火、冷处理、等温淬火（贝氏体等温淬火、马氏体等温淬火） 、形变等温淬火（高温图 3-1 共析钢的淬火冷却工艺1形变等温淬火、中温形变等温淬火）3.2 钢的淬透性一、淬透性的基本概念1．淬硬层与淬透性由于淬火冷却速度很快，所以工件表面与心部的冷却速度不同，表层最快，中心最慢（见图 3-2a） 。

如果钢的淬火临界冷却速度 vc 较小，工件截面上各点的冷速都大于淬火临界冷却速度，工件从表层到心部就都能获得马氏体，称之为“淬透” 如果钢的淬火临界冷却速度较大，工件表层冷速大于淬火临界冷却速度，而从表层下某处开始冷速低于淬火临界冷却速度，则表层获得马氏体，心部不能得到全马氏体或根本得不到马氏体，此时工件的硬度便较低，称之为“未淬透” 通常，我们将未淬透的工件上具有高硬度马氏体组织的这一层称为“淬硬层” （图 3-2b） 可见，在工件尺寸和淬火规范一定时，因钢种不同，淬火临界冷却速度不同，就会得到不同的结果，有的淬硬层深，有的淬硬层浅，有的能淬透，有的不能淬透所谓钢的淬透性，就是指钢在淬火时获得马氏体的难易程度，是钢本身的固有属性，它取决于钢的淬火临界冷却速度的大小，也就是钢的过冷奥氏体的稳定性，而与冷却速度、工件尺寸大小等外部因素无关通常可以用标准试样在一定的条件下淬火能够淬硬的深度或能够全部淬透的最大直径来表示应当指出，钢的淬透性与工件的淬透深度之间虽有密切关系，但不能混为同一个概念例如有两个尺寸不同的工件，分别选用不同的钢种来制造，在淬火后可能出现这样的情况：尺寸小的工件，虽然选用的是淬透性低的钢，但却淬硬层较深或完全淬透；而尺寸大的工件，即使选用的是淬透性高的钢，但却淬硬层较浅。

可见工件的淬透深度除取决于钢的淬透性外，还与工件尺寸、所采用的冷却介质等外部因素有关2．淬硬性与淬透性淬硬性表示钢淬火时的硬化能力，是指钢在淬成马氏体时所能够达到的最高硬度，它主要取决于钢的碳含量，确切地说，取决于淬火加热时奥氏体中的碳含量，与合金元素关系不图 3-2 零件截面上各处的冷却速度与未淬透区示意图A1时间v 中心MsVcV 表面温度表面 表面中心淬硬层未淬硬区冷却速度vcba图 3-3 钢的淬火硬度与碳含量的关系7060504030200.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8wc(%)硬度HRC M%5084932.1马氏体量热处理工艺及设备70大奥氏体中固溶的碳含量越高，淬火后马氏体的硬度也越高，如图 3-3 所示可见，淬硬性与淬透性是不同的，淬硬性高的钢，淬透性第 3 章 钢的淬火与回火3不一定高，而淬硬性低的钢，淬透性不一定低二、淬透性的意义及影响因素1．淬透性的实际意义将淬透性不同的两种钢材制成相同直径的轴，经淬火与高温回火（即调质处理）后比较它们的力学性能由图 3-4 可见，淬透性高的钢，整个截面被淬透，高温回火后都是回火索氏体组织，故沿截面的力学性能分布均匀；而淬透性低的钢，心部未淬透，高温回火后仍保留片状索氏体，因此力学性能低，特别是冲击韧性更低。

可见，工件的淬透层越薄，调质处理的效果越差从工件的工作条件考虑，并非所有工件都要求淬透如承受拉、压的重要工件，由于内外层均匀受力，要求工件淬透；而承受弯曲和扭转的轴类零件，轴的外缘承受最大应力，轴心部分应力很小，淬透层深度为半径的 1/2~1/3 就可以了2．影响淬透性的因素钢的淬透性实际上是受珠光体或贝氏体转变的孕育期所控制，凡抑制珠光体或贝氏体等过冷奥氏体分解产物的诸因素均可提高钢的淬透性，其影响规律概述如下：(1) 合金元素的影响 除钴以外大多数合金元素溶入奥氏体后均使过冷奥氏体等温转变曲线右移，从而提高钢的淬透性2) 奥氏体化温度的影响 提高奥氏体化温度将使晶粒长大，奥氏体成分更加均匀，从而抑制珠光体或贝氏体的形核，降低了淬火临界冷却速度，可适当提高淬透性3) 未溶第二相的影响 钢中未溶入奥氏体的碳化物、氮化物及其他非金属夹杂物，由于促进珠光体、贝氏体等相变的形核，从而使淬透性下降4) 钢原始组织的影响 钢的原始组织中，由于珠光体的类型（片状或粒状）及弥散度的不同，在奥氏体化时将会影响到奥氏体的均匀性，从而影响钢的淬透性碳化物越细小，溶入奥氏体越迅速，越有利于提高钢的淬透性。

三、淬透性评定标准与方法1. 淬透性评定标准图 3-4 淬透性不同的钢淬火、高温回火处理后的力学性能a 淬透性高 b 淬透性低a bAK 0.2 bHRC表面 中心 表面 表面 中心AK 0.2 bHRC表面热处理工艺及设备4淬透性通常可以用标准试样，在一定的条件下冷却所得淬硬层的深度或能够全部淬透的最大直径来表示淬硬层深度如何确定？按理淬硬层应是全部淬成马氏体的区域但实际工件淬火后从表面至心部马氏体是逐渐减少的，从金相组织上看，淬透层与未淬透层并无明显界限，淬火组织中混入少量非马氏体组织，其硬度也无明显变化因此，金相检验和硬度测定都比较困难但淬火组织中马氏体和非马氏体组织各占一半，即处于所谓半马氏体区时，显微组织差别明显，硬度变化剧烈（图 3-5）；同时，该硬度范围又恰好是材料从明显的脆性断裂转化为韧性断裂的分界线，在宏观腐蚀时又是白亮淬硬层与未硬化层的分界处为评定方便，通常采用从淬火工件表面至半马氏体区（50％M）的距离作为淬硬层的深度半马氏体组织的硬度同样主要取决于钢的碳含量（图 9-3） 2．淬透性评定方法目前，国际上和我国通常采用 U 曲线法、临界直径法和末端淬火法来评定钢的淬透性。

1) U 曲线法 用长度为直径的 4-6 倍的一组直径不同的圆棒试样，按规定条件淬火，然后从试样中间截断，磨平后沿中心十字线测硬度，并将测定结果绘成硬度分布曲线（图 3-6） 淬透性大小可用淬透层深度 h 或用未淬透心部的直径 DH 与试样直径 D 的比值 DH/D 来表示U 曲线法大多用于结构钢，优点是直观、准确，与实际工件淬火情况接近；缺点是繁琐、费时，对大批量的生产检验来说不适用2) 临界直径法 如果试样中心硬度高于（等于）半马氏体区硬度，就可以认为试样被淬透则用上述 U 曲线法评定时，总可以找到在一定的淬火介质中冷却时能够淬透（达到半马氏体区硬度）的临界直径小于此直径时全部可以淬透，而大于此直径时就不能淬透这个临界直径用 D0 表示相同淬火介质中的 D0 值，就可以表示不同钢种的淬透性显然，钢种及淬火介质不同，D 0 也不同为了排除冷却条件的影响，根据传热方程的解，建立了理想临界直径 D0 的概念假设淬火介质的淬冷烈度 H 为无穷大，即试样淬入冷却介质时其表面温度可立即冷却到淬火介质的温度，此时所能淬透（形成 50％马氏体）的最大直径称为理想临界直径 Di Di 取决于钢的成分，而与试图 3-5 共析碳钢淬火工件横截面上马氏体量与硬度的关系距表面距离/mm2表面 4 6 840305060702505075100马氏体量硬度马氏体量(%) 硬度(HRC)图 3-6 U 曲线法示意图表面 中心 表面DHhh50%M 的硬度硬度HRCD第 3 章 钢的淬火与回火5样尺寸及冷却介质无关，它是反映钢淬透性的基本判据。

该数值在工程应用时作为基本换算量，从而使各种淬透性评定方法之间，以及不同淬火介质中淬火后的临界直径之间建立起一定的关系图 3-7 是理想临界直径 Di 与一定淬火介质中淬火时的临界直径 D0 之间的换算图表例如，已知某种钢的理想临界直径 Di 为 50mm，如换算成在油淬（淬冷烈度 H＝0.4 ）时的临界直径 D0，可从 H＝0.4 时所对应的坐标上查出 D0 为 20 mm3) 末端淬火法 简称端淬试验，是目前国内外应用最广泛的淬透性评定方法，其主要特点是方法简便、应用范围广，可用于测定碳素钢、合金结构钢、弹簧钢、轴承钢、合金工具钢等的淬透性端淬试验所用试样为 25×100 mm 的圆柱形试样，将试样加热奥氏体化后放到端淬试验台上对其下端喷水冷却（图 3-8a） 喷水柱自由高度为 65 mm，喷水管口距试样末端为 12.5 mm，水温为 10-30C待试样全部冷透后，将试样沿轴线方向在相对 180的两边各磨去 0.2~0.5 mm 的深度，获得两个互相平行的平面，然后从距水冷端 1.5 mm 处沿轴线测定洛氏硬度值，当硬度下降缓慢时可以每隔 3 mm 测一次硬度将测定结果绘成硬度分布曲线，即钢的淬透性曲线（图 3-8b） 。

钢的淬透性以 J 来表示，d 为至水冷端的距离，HRC 为在该处测HR图 3-8 端淬试验与淬透性曲线a)试样与装置 b)淬透性曲线图 3-7 临界直径 D0 与理想临界直径 Di 的关系0 1.61.20.80.4 2.0 2.4 2.81.61.20.80.42.0临界直径 D0/in临界直径 D0/cm41235/in1 5432 6 /cm理想临界直径 Di0.100.200.400.800.01H值H 值  10.05.0 2.0 1.0热处理工艺及设备6定的硬度值如 J ，表示距水冷端 6 mm 处试样的硬度值为 40 HRC由于钢中成640分波动，所以每一种钢的淬透性曲线上都有一个波动范围，称为淬透性带钢的顶端淬火淬透性曲线并不能直接表示出可以淬透的工件直径，还需借助其他图表进行换算四、淬透性曲线的应用钢的淬透性及淬透性曲线，在合理选择材料、预测材料的组织与性能以及制定热处理工艺等方面都具有重要的实用价值这里简要介绍淬透性曲线的几个主要用途1．根据淬透性曲线求圆棒工件截面上的硬度分布例如，。