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  钢的整体热处理工艺  
[整体热处理]：对工件整体进行穿透加热的热处理。
[方法]：主要有退火、正火、淬火和回火等。
          预先热处理（退火、正火）、最终热处理（淬火、回火）
根据在一般零件的加工工艺路线中所处的位置和作用，热处理可分为预备热处理更长最后热处理。一般零件的工艺路线为：毛坯（铸造或锻造）→退火或正火→机械（粗）加工→淬火+回火（或表面热处理）→机械（精）加工。退火与正火常作为预备热处理，其目的是为消除毛坯的组织缺陷，或为以后的加工作准备；淬火和回火工艺配合可强化钢材，提高零件或工具的使用性能，可作为最终热处理。

45钢经不同热处理后的性能
热处理方法
力学性能
σb(MPa)
σs(MPa)
δ(%)
ψ(%)
Ak(J)
退火（随炉冷却）
600~700
300~350
15~20
40~50
32~48
正火（空气冷却）
700~800
350~450
15~20
45~55
40~64
淬火（水冷）、低温加回火
1500~1800
1350~1600
2~3
10~12
16~24
淬火（水冷）、高温回火
850~900
650~750
12~14
60~66
96~112

  一、退火
[退火]：是将工件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。  
[常用退火方法]：完全退火、球化退火、去应力退火等  
[目的]：根据不同情况，退火的作为可归纳为降低硬度，改善钢的成形和切削加工性能；均匀钢的化学成分和组织；消除内应力等。  

1、完全退火
——完全退火是将工件完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。
[工艺]：完全退火加热温度为Ac3以上20℃~30℃，保温时间依工件的大小和厚度而定，要使工件热透，保证全部得到均匀化的奥氏体，冷却方式可采用随炉缓慢冷却，实际生产时为提高生产率，退火冷却至600℃左右即可出炉空冷。
[应用]：完全退火主要用于ωc＞0.25%的亚共析钢，低碳钢和过共析成分的钢不宜采用完全退火。低碳钢完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。过共析成分的钢加热至ACcm以上完全奥氏体化后，则在随后缓冷时，将会有网状二次渗碳体析出，使钢的强度、塑性和冲击韧度显著降低。零件毛坯进行完全退火，可使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化；完全退火可降低硬度，改善切削加工性能，消除内应力。
工程材料及成形工艺基础

45钢完全退火后的组织（铁素体+珠光体）

45钢锻造后与完全退火后的力学性能比较
状态
σb/Mpa
σs/Mpa
δs/%
ψ/%
αk/kJ·m2
HB
锻造后
650~750
300~400
5~15
20~40
200~400
≤229
完全退火后
600~700  
300~350  
15~20
40~50  
400~600
≤207  
   2、球化退火
——为使工件中的碳化物球状化而进行的退火工艺。
    [工艺]：球化退火的加热温度为AC1以上20℃~30℃，保温后的冷却有两种方式：普通球化退火时采用随炉缓冷，至500℃~600℃后出炉空冷；等温球化退火则是先在Ar1以下20℃等温足够长时间，然后再随炉缓冷至500℃~600℃出炉空冷。
    [应用]：球化退火主要适用于共析和过共析成分的钢（高碳成分）。对于含碳量高的共析和过共析钢铸、锻、焊件，进行球化退火可得到硬度较低的球状珠光体，如T10钢经球化退火后，硬度由255～321HBS降到≤197HBS。从而改善切削加工性能；同时获得球状珠光体也是为淬火作组织准备，使淬火加热时奥氏体晶粒不易长大，并可减小冷却时变形和开裂的倾向。  
工程材料及成形工艺基础

球状退火后的组织（球状珠光体）
3、去应力退火
——去除工件塑性变形加工、切削加工或焊接造成的内应力及铸件内存在的残余内应力而进行的退火工艺。
[工艺及应用]：去应力退火加热温度较宽，但不超过AC1点，一般在500℃~650℃之间，铸铁件去应力退火温度一般为500℃~550℃；焊接工件的去应力退火温度一般为500℃~600℃。去应力退火的保温时间也要根据工件的截面尺寸和装炉量决定。去应力退火后的冷却应尽量缓慢，以免产生新的应力。  
二、正火
1、正火工艺及其目的
——是将工件加热奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺。
[工艺]：正火处理的加热温度通常在AC3或ACcm以上30℃~50℃。对于含有V、Ti、Nb等碳化物形成元素的合金钢，可采用更高的加热温度（AC3+100℃~150℃）。正火冷却方式最常用的是将钢件从加热炉中取出在空气中自然冷却。对于大件也可采用吹风、喷雾和调节钢件堆放距离等方法控制钢件的冷却速度，达到要求的组织和性能。
[特点]与退火相比，正火的冷却速度较快，转变温度较低。因此，相同钢材正火后获得的珠光体组织较细，钢的强度、硬度也较高。
[应用]：正火可以作为预备热处理，为机械加工提供适宜的硬度，又能细化晶粒、消除内应力，并为最终热处理提供合适的组织状态；正火也可作为最终热处理，为某些受力较小，性能要求不高的碳素钢结构零件提供合适的力学性能。正火还能消除过共析钢的网状碳化物，为球化退火作好组织准备。  

2、正火与退火的选用
从改善钢的切削加工性能方面考虑: 一般认为，钢的硬度在（170~230）HBS时具有良好的切削加工性能。 wc＜0.25％的碳素钢和低合金钢，退火后硬度偏低，切削加工时易于“粘刀”，如采用正火处理，则可适当提高硬度，改善钢的切削加工性能；wc＝0.25%～0.5％的中碳钢也可用正火代替退火，虽然接近上限碳量的中碳钢正火后硬度偏高，但尚能进行切削加工，而且正火成本低、生产率高；wc＝0.5%～0.75％的钢，因含碳量较高，正火后的硬度显著高于退火的情况，难以进行切削加工，故一般采用完全退火，降低硬度，改善切削加工性；wc＞0.75％以上的高碳钢或工具钢一般均采用球化退火作为预备热处理。如有网状二次渗碳体存在，则应先进行正火消除之。
从使用性能方面考虑:一些受力不大的工件，性能要求不高，可用正火作为最终热处理。
从经济性方面考虑:由于正火比退火生产周期短操作简便，工艺成本低。因此，在满足钢的使用性能和工艺性能的前提下，应尽可能用正火代替退火。  
工程材料及成形工艺基础

退火正火加热规范

预先热处理（退火、正火）、最终热处理（淬火、回火）
三、淬火
     ——淬火是将工件加热到AC3或AC1点以上某一温度保持一定时间。然后以适当速度快速冷却获得马氏体或（和）贝氏体组织的热处理工艺。
    目的：就是为了获得马氏体或下贝氏体组织，提高强度硬度，以便在随后不同温度回火后获得所需要的性能。  
1、淬火加热温度 淬火温度主要是根据Fe—Fe3C相图中钢的临界点确定。
亚共析钢的淬火加热温度：AC3以上30℃~50℃，使钢完全奥氏体化，淬火后获得全部马氏体组织。
共析钢、过共析钢的淬火加热温度：为AC1以上30℃~50℃，得到奥氏体和部分二次渗碳体，淬火后得到马氏体（共析钢）或马氏体加渗碳体（过共析钢）组织。  

2、淬火冷却
淬火冷却时，要保证获得马氏体组织，必须使奥氏体以大于马氏体临界冷却速度冷却，而快速冷却会产生很大淬火应力，导致钢件的变形与开裂。因此，淬火工艺中最重要的一个问题是既能获得马氏体组织，又要减小变形、防止开裂。
常用冷却介质：目前应用最广泛的淬火冷却介质是水和油。实际生产中，使用的冷却介质较多，到目前为止，尚未找到一种介质，能完全符合理想淬火冷却速度的要求。
水具有较强烈的冷却能力，用作奥氏体稳定性较小的碳钢的淬火，水冷却介质最为合适。
油的冷却能力比水小，因此，生产中用油作冷却介质，只适用于过冷奥氏体稳定性较大的合金钢淬火。
常用淬火方法 ：主要有单介质淬火、双介质淬火、马氏体等温淬火、贝氏体等温淬火。选择适当的淬火方法可以保证在获得所要求的淬火组织和性能条件下，尽量减小淬火应力，减少工件变形和开裂倾向。  
工程材料及成形工艺基础

淬火冷却方法
（1）单介质淬火 是采用一种淬火介质中一直冷却到室温的淬火方法。这种淬火方法的优点是操作简便，适用于形状简单的碳钢和合金钢工件。形状简单、尺寸较大的碳钢工件多采用水淬，小尺寸碳钢件和合金钢件一般用油淬。缺点对大尺寸和或形状复杂的工件，采用水淬变形开裂倾向大，而油淬冷却速度小，淬不硬。
（2）双介质淬火 是将工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质，在组织即将发生马氏体转变时，立即转入冷却能力弱的介质中冷却。常用的有“水——油”、“水——空”双介质淬火。这种方法能有效地减少热应力和相变应力，降低工件变形和开裂的倾向，所以可用于形状复杂和截面不均匀的工件的淬火。但操作时应严格控制工件在水中的停留时间，要求操作工人必须具备丰富的经验和熟练的技术。
（3）马氏体分级淬火  是将工件加热奥氏体化后浸入温度稍高于或稍低于Ms点的碱浴或盐浴中保持适当时间，在工件整体达到介质温度后取出空冷以获得马氏体的淬火。这种淬火方法由于工件内外温度均匀并在缓慢冷却条件下完成马氏体转变，大大减小了淬火内应力(比双介质淬火小)，因而有效地减小或防止了工件淬火变形和开裂。同时还克服了双介质淬火出水入油时间难以控制的缺点。但对大截面零件难以达到其临界淬火速度。分级淬火只适用于尺寸较小的工件，如刀具、量具和要求变形很小的精密工件。 若取略低于Ms点的温度，此时由于温度较低，冷却速度较快，等温以后已有相当一部分奥氏体转变为马氏体，当工件取出空冷时，剩余奥氏体发生马氏体转变。这种淬火方法适用于较大工件的分级淬火。
（4）贝氏体等温淬火 它是将奥氏体化后的工件淬入稍高于Ms点温度的盐浴中等温保持足够长时间，使奥氏体全部转变为下贝氏体组织，尔后于空气中冷却的淬火方法，获得综合力学性能。等温淬火可以显著减小工件变形和开裂倾向，适宜处理形状复杂、尺寸精度要求较高的工具和重要的机器零件，如模具、刀具、齿轮等。同分级淬火一样，等温淬火也只能适用于尺寸较小的工件。  
除了上述几种典型的淬火方法外，近年来还发展了许多提高钢的强韧性的新的淬火工艺，如高温淬火、循环快速加热淬火和亚共析钢的亚温淬火等。  

四、回火
——回火是将工件淬硬后加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。回火使工件获得所需的使用性能。  
1、回火目的
钢在淬火后一般很少直接使用，因为淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体，并且有内应力产生，马氏体虽然强度、硬度高，但塑性差，脆性大，在内应力作用下容易产生变形和开裂；此外，淬火后组织是不稳定的，在室温下就能缓慢分解，产生体积变化而导致工件变形。因此，淬火后的零件必须进行回火才能使用。回火的目的是：（1）减少或消除淬火内应力；（2）稳定组织，稳定尺寸；（3）降低脆性、获得所需要的力学性能。  
2、回火时组织与性能的变化
淬火钢的组织转变可分为四个阶段：马氏体的分解（200℃以下）→残余奥氏体分解（200～300℃）→渗碳体的形成（250～400℃→渗碳体聚集长大（400℃以上）。随着回火温度升高，淬火内应力不断下降或消除，硬度逐渐下降，塑性、韧性逐渐升高。
工程材料及成形工艺基础

淬火40Cr钢回火时力学性能的变化
3、常用回火方法
[低温回火]（<250℃） 低温回火后得到回火马氏体组织。其目的是降低钢的淬火应力和脆性，回火马氏体具有高的硬度（一般为58~64HRC）、强度和良好耐磨性。因此，低温回火特别适用于刀具、量具、滚动轴承、渗碳件及高频表面淬火等工求高硬度和耐磨性的工件。
[中温回火]（250℃~500℃） 中温回火后得到回火托氏体组织。使钢具有高的弹性极限，较高的强度和硬度一般为35~50HRC），良好的塑性和韧性。中温回火主要用于各种弹性元件及热作模具。
[高温回火]（>500℃） 高温回火后得到回火索氏体组织。工件淬火并高温回火的复合热处理工艺称为调质。调质后，钢具有优良的综合力学性能（一般硬度为220~230HBS）。高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢制作的曲轴、连杆、螺栓、汽车半轴、机床主轴及齿轮等重要的机器零件。  
回火方法
回火温度/℃
回火组织
回火后硬度
适用范围
低温回火
<250
M回
58~64HRC
要求高硬度和耐磨的工具和零件。如切削刀具、冷冲模具、量具、滚动轴承、渗碳件等
中温回火
250~500
T回
35~50HRC
要求高屈服强度和一定韧性的弹性元件，热作模具等
高温回火
>500
S回
200~350HBS
要求综合力学性能的重要受力零件，如轴、齿轮、连杆、螺栓

工程材料及成形工艺基础

回火组织