2.1 金属常规热处理
2.1.1实验一 普通钢的热处理
2.1.1.1实验目的
1．了解钢普通热处理(退火、正火、淬火、回火)的操作方法。分析钢在热处理时含碳量、加热温度、冷却速度及回火温度等主要因素对钢热处理后组织与性能的影响。
2、了解金属材料的硬度试验方法。 2.1.1.2实验概述
热处理是一种很重要的金属加工工艺方法，也是充分发挥金属材料性能潜力的重要手段。热处理的主要目的是改变金属材料的性能，其中包括使用性能及工艺性能。热处理之所以能使金属材料的性能发生显著变化，主要是由于金属材料的内部组织结构可以发生一系列的变化。采用不同的热处理工艺过程，将会使金属材料得到不同的组织结构，从而获得所需要的性能。钢的热处理工艺过程是:将钢加热到一定的温度，经一段时间的保温，然后以某种速度冷却下来。通过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变。 1．钢的热处理 （1）钢的退火
钢的退火通常是把钢加热到临界温度AC1或AC3线以上，保温一段时间，然后缓慢地随炉冷却。此时，奥氏体在高温区发生分解，从而得到比较接**衡状态的组织。一般中碳钢(如40、45钢)经退火后消除了残余应力，组织稳定，硬度较低(HB180～220)有利于下一步进行切削加工。
图2-1是以45钢为例的退火工艺曲线：
(a)普通退火工艺曲线 (b) 连续退火工艺曲线 (c)二段式退火工艺曲线 (d)等温退火工艺曲线
图2-1 以45钢为例的退火工艺曲线
保温时间的经验公式： τ = K D (2-1)
(单位为min,式中,K为加热系数,一般K =1.5∽2.0mm/min,若装炉量大，则可延长保温时间；D为工件有效厚度,单位为mm)。
操作步骤如下： 入炉→ 保温→ 出炉→ 炉冷
退火硬度要求： 45，≤197HB；42CrMo，≤227HB；T8，≤180HB；GCr15，179-207HB。 图2-2是45钢退火的金相组织。 （2）钢的正火
钢的正火通常是把钢加热到临界温度AC3或ACCM线以上，保温一段时间，然后进行空冷。由于冷却速度稍快，与退火组织相比，组织中的珠光体量相对较多，且片层较细密，故性能有所改善，细化了晶粒，改善了组织，消除了残余应力。对于低碳钢来说，正火后提高硬度，可改
图2-2 45钢退火的金相组织
（a）片状珠光体 (400╳)； (b)块状铁素体+片状珠光体(400╳)； （c）球状珠光体 (400╳)； (d)网状铁素体+片状珠光体 (400╳)
善切削加工性，提高零件表面光洁度；对于高碳钢，则正火可消除网状渗碳体，为下一步球化退火及淬火作好组织准备。
图2-3是以45钢为例的正火工艺曲线：
（a）普通正火工艺 (b) 连续冷却正火工艺 (c) 二段式冷却正火工艺曲线 (d) 连续式冷却正火工艺
图2-3 以45钢为例的正火工艺曲线
保温时间的经验公式参见式（2-1）。
操作步骤如下：入炉→ 保温→ 出炉→ 空冷
正火硬度分析：45，≤241HB；42CrMo，≤231HB；T8，241-302HB；GCr15，270-390HB。 图2-4是正火的金相组织：
图2-4 正火的金相组织
（a）块状铁素体+珠光体20钢(400╳) (b) 块状铁素体+珠光体 45钢 (400╳)
(3) 钢的淬火
钢的淬火通常是把钢加热到临界温度AC1或AC3线以上，保温一段时间，然后放入各种不同的冷却介质中快速冷却(V冷＞V临)，以获得具有高硬度、高耐磨性的马氏体组织。
图2-5是以45钢为例的淬火工艺曲线：
(a)普通淬火工艺 (b) 连续淬火工艺曲线 (c) 二段式淬火工艺曲线 (d) 等温淬火工艺曲线
图2-5 45钢的淬火工艺曲线
保温时间的经验公式参见式（2-1）。
操作步骤如下：入炉→ 保温→ 出炉→ 油冷（或水冷） 淬火硬度分析如表（2-1）所示。
表（2-1）淬火硬度分析
材料 淬火温度 洛氏硬度（HRA）
45 840 约为57 42CrMo 850 约为 56 T8 780 62~63
GCr15 850 62~66
图2-6是45钢淬火的金相组织。
(a） 上贝氏体+下贝氏 (b)网状屈氏体+马氏体 (c) 网状屈氏体+马氏体 (d) 板条马氏体 (e) 下贝氏体
(400╳) 和残余(400╳) 和残余奥氏体(100╳) (400╳) (400╳)
图2-6 45钢淬火的金相组织
(4)钢的回火
钢的回火通常是把淬火钢重新加热至AC1线以下的一定温度，经过适当时间的保温后，冷却到室温的一种热处理工艺。由于钢经淬火后得到的马氏体组织硬而脆，并且工件内部存在很大的内应力，如果直接进行磨削加工则往往会出现龟裂，甚至开裂。一些精密的零件在使用过程中将会引起尺寸变化从而失去精度。因此，淬火钢必须进行回火处理。不同的回火工艺可以使钢获得各种不同的性能。
图2-7是以45钢为例的回火工艺曲线。
图2-7 45钢的回火工艺曲线
保温时间的经验公式参见式（2-1）。
操作步骤如下：入炉→ 保温→ 出炉→ 水冷（或空冷）。 回火硬度分析。
①650℃回火硬度值如表（2-2）所示。
表（2-2）650℃回火硬度值
材料 回火温度 性能
45 650℃ ≤300 HB 42CrMo 680℃ ≤217 HB T8 650℃ 23-25 HRC GCr15 650℃ 229-285 HB
②淬火后系列回火温度对应硬度值如表（2-3）所示。
2.碳钢的普通热处理工艺 (1)加热温度
碳钢普通热处理的加热温度，原则上取加热到临界温度AC1或AC3线以上30～50℃。但生产中应根据工件实际情况作适当调整。热处理加热温度不能过高，否则会使工件的晶粒粗大、氧化、脱碳、变形、开裂等倾向增加。但加热温度过低，也达不到要求。
(2) 加热时间
表（2-3）淬火后系列回火温度对应硬度值
材料 45 42CrMo T8 GrCr15
150℃ 64HRC 60HRC
200℃ 50-55HRC 55HRC 60HRC 61HRC 230℃ 50HRC 60HRC 320℃ 45-50HRC 48HRC 56HRC 360℃ 40-45HRC 53HRC
420℃ 35-40HRC 40HRC 42HRC 48HRC 480℃ 30-35HRC 36HRC 44HRC 550℃ 25-30HRC 28HRC 31HRC 38HRC 600℃ 20-25HRC 25HRC 27HRC
热处理的加热时间(包括升温与保温时间)与钢的成分、原始组织、工件的尺寸与形状、使用的加热设备与装炉方式及热处理方法等许多因素有关。因此，要确切计算加热时间是比较复杂的。在实验室中，一般按照经验公式加以估算。回火的保温时间，要保证工件热透并使组织充分转变。组织转变时间一般不大于0.5h，但热透时间则随回火温度、工件有效厚度、装炉量及加热方式而异。生产中，一般为1～3h。由于实验所用试样较小，故回火保温时间可为30min。
(3) 冷却方法
① 退火冷却方式：钢退火时，一般采用随炉冷却到600～550℃以下再出炉空冷。 ② 正火冷却方式：钢正火时，一般采用在空气中冷却。
③ 淬火冷却方式：钢淬火时，钢在过冷奥氏体最不稳定的范围内(650～550℃)的冷却速度应大于临界冷却速度，从而保证工件不转变为珠光体型组织；而在Ms点附近的冷却速度应尽可能低，从而降低淬火内应力，减少工件变形与开裂。因此，淬火时，除了要选用合适的淬火冷却介质外，还应改进淬火方法。对形状简单的工件，常采用简易的单液淬火法，如碳钢用水或盐水液作冷却介质，合金钢常用油作冷却介质。
④ 回火冷却方式：碳钢回火时，一般采用在空气中冷却。 3.碳钢含碳量对淬火后硬度的影响
在正常淬火条件下，钢的含碳量越高，淬火后的硬度也越高。低碳钢淬火后，硬度一般在40HRC左右；中碳钢淬火后，硬度可达50～62HRC；高碳钢淬火后，硬度高达62～65HRC。 4.不同的回火温度对碳钢硬度的影响
淬火钢在回火过程中发生了一系列的组织变化，这必然会使其机械性能发生相应的变化。淬火钢的回火，实质上是一个软化过程，性能变化的总趋势是，随着回火温度的升高，硬度、强度降低，而塑性、韧性提高。 2.1.1.3实验设备及材料
(1) 实验用的箱式电阻加热炉(附测温控温装置)。 (2) 洛氏硬度计。
(3) 冷却剂：水；10号机油(使用温度约20℃)。
(4) 实验试样：45钢(3块/组)；T10钢(3块/组)；20、45、T8、T10钢(各1块/组)。 2.1.1.4实验内容与步骤
学生分3个小组，按组领取实验试样，并打上钢号，以免混淆。 (1) 一组学生将3块45钢试样加热到820～840℃，保温15min然后分别进行空冷、油冷和水冷。其后，分别测定它们的硬度，并做好记录。
（2）一组学生将3块T10钢试样加热到770℃，保温15min后水冷，然后再分别放入200℃、400℃、600℃的电炉中回火30分钟。回火后一般可采用空冷。其后，分别测定回火后试样的硬度，并做好记录。
（3）一组学生将20、45、T8、T10钢分别按它们的正常淬火温度加热(900℃、840℃、770℃、770℃)，保温后取出在水中冷却，然后测定淬火后硬度，并做好记录。
3组学生互相交换数据，各自整理(如果有条件，以上试验每组都可做一遍)。
2.1.1.5注意事项
(1) 学生在实验中要有所分工，各负其责。
(2) 淬火冷却时，试样要用夹钳夹紧，动作要迅速，并要在冷却介质中不断搅动。夹钳不要夹在测定硬度的表面上，以免影响硬度值。
(3) 测定硬度前必须用砂纸将试样表面的氧化皮除去并磨光。对每个试样应在不同部位测定3次硬度，并计算其平均值。
(4) 热处理时应注意操作安全。
2.1.2实验二 钢的淬透性实验
2.1.2.1实验目的
1.学会用末端淬火法测定钢的淬透性曲线。 2.比较45、40Cr钢的淬透性高低。 3.了解淬透性曲线的应用 2.1.2.2实验说明
1．淬透性的含义
钢的淬透性是钢材的一种重要的热处理工艺性能，它表征钢件接受淬火的能力，即淬火时形成马氏体的能力，是钢材的一种固有属性。
2．钢的淬透性的测定
实验要点是将标准试样加热至奥氏体化后，迅速放入末端淬火实验机的试样架孔中，立即
对末端喷水冷却（见图2-8）。由于试样末端冷却最快，越往上冷却越慢，因此沿试样的长度方向磨一深度为0.2∽0.5mm的窄条平面,从喷水冷却的末端每隔1.5mm测一硬度点,即可得到长度方向上的硬度变化,此即为被试钢种的淬透性曲线（见图2-9）。
根据有关规定，钢的淬透性值用J(HRC)/d表示，其中：J为末端淬火的淬透性；d为距水冷端的距离；HRC为该处测得的硬度值。
图2-8末端淬火法示意图 图2-9 淬透性曲线的测定
3.淬透性的影响因素
钢的淬透性由（上）临界冷却速度（υkc）来确定。υkc越小，即奥氏体的稳定性越好,则钢的淬透性越好。因此，凡是影响奥氏体稳定性的因素，均影响钢的淬透性。
图2-10 钢材横截面上各点与末端淬火试样纵向距离的换算曲线
(1)化学成分。合金元素溶入量越多，影响越大。
(2)奥氏体化条件。奥氏体化温度越高、保温时间越长，则奥氏体晶粒越粗大，成分越均匀，冷却转变的形
核率减小,υkc减小，淬透性增强。 2.1.2.3实验内容
1.利用末端淬火法，测定45钢和40Cr钢的淬透性曲线。
2.利用所测定的淬透性曲线及图2-10确定45钢和40Cr钢的临界淬火直径。 3.利用所测定的淬透性曲线确定Φ60的45钢和40Cr钢截面上的硬度分布。 2.1.2.4实验报告内容 1、简述实验目的。
2、简述你所了解的末端淬火法实验原理。 3、讨论钢材淬透性的影响因素。
4、画出端淬试样（延棒长度方向）金相组织示意图。 5、根据末端淬火法实验分析： （1）淬透性曲线有何应用意义？
（2）钢中含碳量不同时，淬透性曲线有何变化？ （3）钢中合金元素对淬透性曲线有何影响？
2.1.3实验三 综合实验
2.1.3.1实验目的
1、了解热处理设备及温度控制方式。
2、掌握热处理操作过程及钢的热处理工艺。
3、加深对不同的热处理工艺将获得不同的金相组织及硬度的理解。
4、观察不同热处理后的组织形态，并说明各种金相组织对应的热处理工艺。 2.1.3.2实验步骤
1、分组：3∽4人/组（每组30min）。
2、参观热处理设备及温度控制方式、冷却介质。
3、选定材料的热处理工艺，并进行热处理工艺操作（加热→保温→冷却→硬度→回火→硬度）。 4、测定钢淬火后的硬度。
000
5、淬火硬度测定后进行600C、400C、240C回火。 6、实验材料、工艺及实验内容如表（2-4）所示。
表（2-4）实验材料、工艺及实验内容
材料 用途 热处理工艺 测定硬度/HRC(或HB） 热处理后的金相组织
1 2 3 平均
00
45 轴、齿轮 840C+650C回火
0
840C 淬火
00
840C+200C回火
0
60Si2Mn 弹簧 860C油冷
00
840C+420C
0
T8 铣刀、小模具、螺丝刀 790C淬火
00
790C+200C
7、金相组织分析
① 高碳淬火马氏体+残余奥氏体（T8淬火金相组织）。
② 淬火马氏体+网状屈氏体+少量残余奥氏体（45钢油冷后的金相组织）。 ③ 低碳马氏体（20钢淬火后的金相组织）。
④ 淬火+高温回火获得的回火索氏体（45钢调质金相）。 8、回火硬度测定。
9、数据整理交实验老师签名。 2.1.3.3实验报告内容 1.简述实验目的。
2.简述你了解的处理设备名称及用途。 3.讨论热处理工艺及硬度。
4.画出金相组织分析的金相组织图，并指出你的热处理工艺对应那种类似组织。 5.综合实验分析：
（1）常用的淬火冷却方式有哪些？说明各自的特点及应用范围？ （2）钢中含碳量不同时，热处理工艺及性能有何影响？
（3）分析45钢淬火后应获得什么组织及出现网状屈氏体+M+A残的原因。 （4）热处理冷却时，搅拌速度会影响组织及性能吗？为什么？ （5）你所了解的平衡组织有哪些？非平衡组织有哪些？其性能有何差异？用哪种热处理工艺可
获得该组织？
2.2 钢的化学热处理
2.2.1实验一、钢的化学热处理
2.2.1.1实验目的
1.认识钢的化学热处理原理。
2.了解钢在化学热处理中组织和性能的变化。 3.掌握渗碳、渗氮化学热处理工艺。 2.2.1.2实验概述
化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入钢件表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理工艺。
1.常用的化学热处理有：
（1）提高工件表层硬度、耐磨性与疲劳强度的渗碳、渗氮、液体碳氮共渗； （2）提高工件表层耐蚀的渗氮、渗铬、渗硅等； （3）提高工件表面高温抗氧化性的渗铝等。 2.化学热处理的依据与条件
(1)钢必须有吸收渗入元素的能力，即对这些元素有一定的溶解度，或能与之化合，生成化合物；或几有一定的溶解度，又能与之形成化合物。
(2)碳、氮等渗入元素的原子必须是具有化学活性的原子，即它是从某种化合物分解出 来的，或由原子转变而成的新生态原子，同时这些原子应具有较大的扩散力。
3.化学热处理的基本过程（以渗碳和渗氮为例）
（1）工件加热到必要的温度，使碳原子或氮原子在钢中溶解度较大。
（2）加热时介质解离出活性原子并吸附在工件表面。Fe是CO与NH3解离的良好催化剂，其化学作用如下：
渗碳 2CO→CO2+[C] 渗氮 2NH3→3H2+2[N]
（3）在渗入的温度下，活性原子溶入工件表层；渗碳时，碳溶入奥氏体，渗氮时氮原子溶入铁素体，形成氮的化合物；
（4）被渗入的原子由钢件表层向内层扩散，形成渗层。
综合起来，化学热处理的基本过程主要由介质分解→表层吸收→扩散三个基本步骤组成。
4.渗碳化学热处理
渗碳的目的及应用
渗碳是将钢件置于渗碳介质中，加热到单相奥氏体区，保温一定时间使碳原子渗入钢件表
面层的热处理工艺。经过渗碳处理的钢件在经过适当的淬火和回火处理后，可提高表面的硬度、耐磨性及疲劳强度，而使心部仍保持一定的强度和良好的塑性、韧性，主要用于受严重磨损和较大冲击载荷的零件。
渗碳适用的钢种
适合渗碳处理的材料一般为低碳钢和低碳合金钢，只有这样才能在渗碳及后续热处理后保证在表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳强度的同时，心部具有高的韧性。
渗碳方法
按照渗碳介质的状态，可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳三种。 渗碳后淬火回火工艺与组织、性能的关系 （1）渗碳后淬火回火工艺如图2-11所示。
①直接淬火：渗碳后直接淬火，工艺简单，生产效率高，成本低，脱碳倾向小。但由于渗碳温度较高。奥氏体晶粒长大，淬火后马氏体较粗，参与奥氏体也较多，所以耐磨性较低，变形也较大，只适用于本质细晶粒钢或耐磨性要求低的钢。
②一次淬火：在渗碳件冷却之后，重新加热到临界温度以上保温后淬火。对于心部组织要求高的合金渗碳钢，一次淬火的加热温度略高于心部的AC3,使其晶粒细化，并得到低碳马氏体组织；对于受载不大但表面要求高的钢件，淬火温度应选在AC1以上，使表层晶粒细化，而心部组织无大的改善，性能略差一些。
③二次淬火： 对于力学性能要求很高或本质粗晶粒钢，应采用二次淬火。一次淬火是为了改善心部组织，同时消除表面的网状渗碳体，加热温度为AC3以上。第二次淬火是为细化表层组织，获得马氏体和均匀分布的粒状二次渗碳体，加热温度为Ac1以上。二次淬火工艺复杂，生产效率低，成本高，变形大，所以只用于要求表面耐磨性高和心部韧性高的零件。
图2-11 渗碳后淬火回火工艺（a、b 直接淬火；c 一次淬火；d 二次淬火）
（2）渗碳后的显微组织如图2-12所示。
图2-12 20钢渗碳空冷后的显微组织 左图：从左至右组织为过共析区、共析区、
过渡层、心部 (80×)； 右图：过共析区 (500×)
（3）钢渗碳、淬火、回火后的性能。
① 表面硬度高，耐磨性好，心部韧性好，硬度低。
② 疲劳强度高。
（4）渗碳零件的加工工艺路线：锻造→正火→切削加工→渗碳→淬火→低温回火→喷丸→磨削 5.渗氮化学热处理
渗氮是在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学处理工艺，其目的在于提高材料的
表面硬度、疲劳强度、耐磨性、抗蚀性等。
渗氮的原理
目前广泛应用的是气体渗氮，利用氨气加热分解出活性氮原子，即 2NH3→3H2+2[N]
活性氮原子[N]被钢件表面吸收并在其表面形成饱和氮的α固溶体和氮化物，随着渗氮时
间的延长，氮原子逐渐向内部扩散，并形成一定深度的渗氮层。简言之，渗氮包括了分解→吸收→扩散三个基本过程。 渗氮的特点
（1）渗氮的温度低，工件变形小。 （2）渗氮的速度慢，氮化的时间长。
（3）渗氮前工件需要进行调质处理。
（4）渗氮使表层具有高的硬度和耐磨性，因此渗氮后不需要淬火处理。
（5）渗氮层耐蚀性较高，热硬性和疲劳抗力好，缺点是薄而脆，不能耐冲击载荷。
渗氮适用的钢种
一般碳钢的渗氮层硬度并不高，为了提高渗氮层硬度，应选用含Al、Cr 、Mn、Mo、V等合
金元素的专用钢，以形成高度弥散、硬度极高而且非常稳定的弥散分布的合金氮化物。
渗氮的工艺-组织-性能关系 （1）工艺
常用的渗氮工艺有两种，即等温氮化、二段氮化。 渗氮钢零件的加工工艺路线通常为：
锻造→退火→粗加工→调质→精加工→（去应力退火）→粗磨→渗氮→精磨或研磨 （2）渗氮层组织
38CrMoAl钢经525℃渗氮后，随渗氮时间的延长，渗氮层增厚，由其室温显微组织可见最外层为白亮色的ε相，其内层为 ε+γ相,中间为暗黑色含氮的共析体 α+γ相；正常情况下，心部为回火索氏体，这里试样观察的组织为回火马氏体。 （3）渗氮零件的性能
①渗氮层深一般为0.1～0.6mm，其表层硬度可达1000～1200HV，具有很好的耐磨性，硬度很高，即使在600∽650℃也不降低，即具有热硬性。
②渗氮层形成时体积膨胀，工件产生巨大的残余压应力。
③由于表面形成致密的、化学稳定性高的氮化物ε相和γ′相，故其抗蚀性好。在水、过热的蒸汽和碱性溶液中均有较高的化学稳定性。 ④心部为调质组织，有较高的韧性。 6.液体碳氮共渗化学热处理
液体碳氮共渗化学热处理就是同时向零件表面渗入碳、氮的化学热处理工艺。 （1）高温液体碳氮共渗工艺
与渗碳一样，将工件放入密封的炉内，加热到共渗温度，向炉内滴入煤油，同时通以氨气，经保温后工件表面获得一定深度的共渗层。高温液体碳氮共渗主要是渗碳。 （2）液体碳氮共渗后的力学性能
①液体共渗及淬火后得到的是含氮马氏体，耐磨性比渗碳得到的性能好。
②液体共渗层比渗碳层具有较高的压应力，因而有更高的疲劳强度，耐腐蚀性也较好。共渗工艺与渗碳相比较，具有时间短、生产效率高、表面硬度高，变形小等优点，但液体碳氮共渗层较薄、主要用于形状复杂、要求变形小的耐磨零件。 2.2.1.3实验设备及材料
1、实验用的盐熔渗加热炉(附测温控温装置)。
2、表面维氏硬度计。
3、冷却剂：水；10号机油(使用温度约20℃)。
4、实验试样：20钢(3块/组)、20钢(3块/组)、38CrMoAl钢(3块/组)。 2.2.1.4实验内容与步骤
1、学生分3个小组，按组领取实验试样，并打上钢号，以免混淆。
2、一组学生将38CrMoAl钢试样进行渗氮→淬火调质处理，并测定它们的硬度，作好记录。 3、一组学生将20钢试样进行渗碳处理，然后分别进行直接淬火、一次淬火、二次淬火，统一进行180℃回火，分别测定回火后试样的硬度，并做好记录。
4、一组学生将20钢进行液体碳氮共渗并回火，然后测定硬度，并作好记录。 5、三组学生互相交换数据，各自整理(如果有条件，以上实验每组都可做一遍)。 2.2.1.5注意事项
1、 生在实验中要有所分工，各负其责。
2、 火冷却时，试样要用夹钳夹紧，动作要迅速，并要在冷却介质中不断搅动。夹钳不要夹在测
定硬度的表面上，以免影响硬度值。 3、 定硬度前，必须用砂纸将试样表面的氧化皮除去并磨光，应在每个试样不同部位测定3次硬
度，并计算其平均值。 4、 热处理时应注意操作安全。
2.2.2
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