熱處理定義：鋼的熱處理就是利用鋼在固態(tài)范圍內(nèi)的加熱、保溫和冷卻，以改變其內(nèi)部組織，從而獲得所需要的物理、化學(xué)、機(jī)械和工藝性能的一種操作。
熱處理目的：
1、提高金屬材料的力學(xué)性能，充分發(fā)揮材料的潛力，節(jié)約材料、延長零件使用壽命。
2、消除材料殘余應(yīng)力，改善金屬的切削加工性能。
加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻方式是熱處理最重要的三個(gè)基本工藝因素。
退火
1、定義：將組織偏離平衡狀態(tài)的金屬或合金加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻以達(dá)到接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。
2、目的：降低硬度，均勻化學(xué)成分、改善切削加工性能和冷塑性變形性能、消除或減少內(nèi)應(yīng)力、為零件最終熱處理準(zhǔn)備合適的內(nèi)部組織。
3、分類
球化退火：為使工件中的碳化物球狀化而進(jìn)行的退火。
去應(yīng)力退火：為去除工件塑性變形加工、切削加工或焊接造成的內(nèi)應(yīng)力及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力而進(jìn)行退火。
正火
1、定義：將鋼材或鋼件加熱到一定溫度，保溫適當(dāng)時(shí)間，使之完全奧氏體化，然后在空氣中冷卻，以得到珠光體組織的熱處理工藝。
2、目的：改善切削性能，消除毛坯內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化晶粒、提高硬度、獲得比較均勻的組織和性能。
退火和正火的區(qū)別
退火和正火屬于預(yù)備熱處理工藝，對(duì)于含碳量相同的工件，正火后的強(qiáng)度和硬度要高于的退火的。
例如：含碳量大于0.5%的碳鋼和合金鋼，為降低硬度便于切削加工采用退火處理；含碳量低于0.5%的低碳鋼和低合金鋼，為避免硬度過低切削時(shí)粘刀，而采用正火適當(dāng)提高硬度。
一般用于鍛件、鑄件和焊接件。退火一般安排在毛坯制造之后，粗加工之前進(jìn)行。
滲碳
1、定義：為提高工件表層的含碳量并在其中形成一定的碳含量梯度,在滲碳爐中將低碳鋼在滲碳介質(zhì)中加熱、保溫,使碳原子滲入工件表面，然后進(jìn)行淬火的化學(xué)熱處理工藝。
2、目的：使低碳鋼的表面層含碳量增加到0.85～1.10%，然后再經(jīng)淬火、低溫回火處理以消除應(yīng)力并穩(wěn)定組織，使鋼件表面層具有高硬度(HRc56～62)，增加耐磨性及疲勞強(qiáng)度等。而心部仍保持原有的塑性和韌性。
3、應(yīng)用：滲碳一般用于15Cr、20Cr等含碳量低的鋼種，滲碳層的深度是根據(jù)零件的要求不同，一般為0.2～2mm。
設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)工件尺寸和心部強(qiáng)度要求來選擇材料和滲碳層深度。
滲碳層深的選擇要根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，以節(jié)約成本。
層深的增加意味著滲碳時(shí)間的延長，齒輪一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來設(shè)計(jì)層深。
淬火
1、定義：將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一定時(shí)間使其奧氏體化，以大于臨界冷卻速度進(jìn)行冷卻的工藝。
2、淬火目的：
提高硬度和耐磨性：刀具、量具、磨具
提高強(qiáng)韌性：軸類、桿件、銷、受力件
提高彈性：各類彈簧
提高耐蝕和耐熱性：耐熱鋼和不銹鋼
3、淬火分類
按加熱溫度：完全淬火、不完全淬火、循環(huán)加熱淬火
按加熱介質(zhì)及熱源條件：鹽浴加熱淬火、火焰加熱淬火、感應(yīng)加熱淬火、高頻脈沖淬火、接觸電加熱淬火等
按淬火部位：整體淬火、局部淬火、表面淬火等
按冷卻方式：單液淬火、雙液淬火、分級(jí)淬火、等溫淬火、預(yù)冷淬火等
4、工藝過程：
冷卻速度是鋼在淬火過程中最主要的因素，它直接影響淬火產(chǎn)物和性能。
一方面冷卻速度要大于臨界冷卻速度，以保證全部得到馬氏體組織；另一方面冷卻應(yīng)盡量緩慢，以減少內(nèi)應(yīng)力，避免工件變形和開裂。
為了解決上述矛盾，可以采用不同的冷卻介質(zhì)和冷卻方法，使淬火工件在奧氏體最不穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)(650℃～550℃)快冷，超過臨界冷卻速度，以防珠光體類型轉(zhuǎn)變發(fā)生；而在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域范圍內(nèi)(300℃～100℃)，則冷卻減慢，以減少淬火工件產(chǎn)生的應(yīng)力。
5、不同淬火溫度下的內(nèi)部組織
在完全淬火時(shí)，鋼的淬火組織主要是由馬氏體組成
在不完全淬火時(shí)亞共析鋼得到馬氏體和鐵素體組成的組織
當(dāng)奧氏體中含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5%時(shí)，淬火組織為馬氏體和殘余奧氏體。
過共析鋼得到馬氏體和滲碳體的組織。
亞共析鋼用不完全淬火是不正常的，因?yàn)檫@樣不能達(dá)到最高硬度。而過共析鋼采用不完全淬火則是正常的，這樣可使鋼獲得最高的硬度和耐磨性。
在適宜的加熱溫度下，淬火后得到的馬氏體呈細(xì)小的針狀；若加熱溫度過高，其形成粗針狀馬氏體，使材料變脆甚至可能在鋼中出現(xiàn)裂紋。
6、一般淬火件的工藝路線：
下料—鍛造—正火（退火）—粗加工—調(diào)質(zhì)—半精加工—表面淬火—精加工
表面淬火
1、定義：是成本最低的表面硬化處理方法，工藝簡單而靈活，適合局部處理，特別適合于提高耐磨性的場(chǎng)合。由于只加熱表面層，心部強(qiáng)度保持著淬火前的狀態(tài)。
2、目的：提高材料的硬度、強(qiáng)度和耐磨性，而心部保持良好的塑性和韌性。表面淬火后零件表面將產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力，因而使材料的疲勞強(qiáng)度大大提高。但需要注意的是，表面淬火區(qū)域的起始點(diǎn)和終結(jié)點(diǎn)處于殘余拉應(yīng)力狀態(tài)下，此處的疲勞強(qiáng)度因此大大降低。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮殘余拉應(yīng)力不可留在齒根處、軸的過渡圓角處等零件應(yīng)力集中部位， 以免工作應(yīng)力與殘余拉應(yīng)力疊加造成零件裂紋或斷裂。
3、工藝過程：表面淬火一般工藝是高頻感應(yīng)加熱、中頻感應(yīng)加熱或火焰加熱， 噴水冷卻， 然后進(jìn)行低溫回火。
4、應(yīng)用：淬硬深度一般是：高頻淬火1～2mm；中頻淬火2～6mm。一般用于中碳以上結(jié)構(gòu)鋼和合金鋼主軸、齒輪等零件。當(dāng)工件淬火后，表面硬度高，除磨削外，一般不能進(jìn)行其它切削加工。因此工序應(yīng)盡量靠后，一般安排在半精加工之后，磨削加工之前。
回火
1、定義：回火是將淬火后的鋼件加熱到指定的回火溫度，經(jīng)過一定時(shí)間的保溫后，空冷到室溫的熱處理操作。回火時(shí)引起馬氏體和殘余奧氏體的分解。
2、目的：
⑴減少或消除淬火內(nèi)應(yīng)力, 防止變形或開裂。
⑵獲得所需要的力學(xué)性能。淬火鋼一般硬度高，脆性大，回火可調(diào)整硬度、韌性。
⑶穩(wěn)定尺寸。
⑷對(duì)于某些高淬透性的鋼，空冷即可淬火，如采用回火軟化既能降低硬度，又能縮短軟化周期。
3、分類：鋼淬火后都需要進(jìn)行回火處理，回火溫度取決于最終所要求的組織和性能（工廠常根據(jù)硬度的要求），通常按加熱溫度的高低，回火可分為以下三類。
(1)低溫回火：加熱溫度為150℃～250℃。低溫回火組織為回火馬氏體，馬氏體內(nèi)析出碳化物形成回火馬氏體，殘余奧氏體也轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體。回火馬氏體易受侵蝕，組織呈暗色針狀?；鼗瘃R氏體具有高的強(qiáng)度和硬度，而韌性和塑性較淬火馬氏體有明顯改善。
其目的主要是降低淬火鋼中的內(nèi)應(yīng)力，減少鋼的脆性，同時(shí)保持鋼的高硬度和耐磨性。常用于高碳鋼制的切削工具、量具和滾動(dòng)軸承件及滲碳處理后的零件等。
(2)中溫回火：加熱溫度為350℃～500℃。中溫回火組織為回火屈氏體，它是由鐵素體和粒狀滲碳體組成的極細(xì)密混合物。回火屈氏體有較好的強(qiáng)度，最高的彈性，較好的韌性。
其目的主要是獲得高的彈性極限，同時(shí)有高的韌性。主要用于各種彈簧熱處理。
(3)高溫回火：加熱溫度為500℃～650℃。高溫回火組織的回火索氏體，它是由粒狀滲碳體和等軸形鐵素體組成混合物。回火索氏體具有強(qiáng)度、韌性和塑性較好的綜合機(jī)械性能。
其目的主要是獲得既有一定的強(qiáng)度、硬度，又有良好的沖擊韌性的綜合機(jī)械性能。通常把淬火后加高溫回火的熱處理稱做調(diào)質(zhì)處理。主要用于處理中碳結(jié)構(gòu)鋼，即要求高強(qiáng)度和高韌性的機(jī)械零件，如軸、連桿、齒輪等。
調(diào)質(zhì)
1、定義：工件淬火并高溫回火的復(fù)合熱處理工藝,。
2、目的：使材料獲得較好的強(qiáng)度、塑性和韌性等方面的綜合機(jī)械性能，用于各種中碳結(jié)構(gòu)鋼和中碳合金鋼。調(diào)質(zhì)一般安排在粗加工之后，半精加工之前,并為以后熱處理作準(zhǔn)備。
大部分的零件都是通過調(diào)質(zhì)處理來提高材料的綜合機(jī)械性能，即提高拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率、延伸率、沖擊功。
3、應(yīng)用：調(diào)質(zhì)處理能大大提高材料的拉伸和屈服強(qiáng)度， 提高屈強(qiáng)比和沖擊功，使材料具有強(qiáng)度和塑韌性的良好配合。一般來講調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)該為中碳鋼( C = 0．3％～0．6％)；碳鋼中像30、35、40、45、50等鋼種則既可以調(diào)質(zhì)處理又可以正回火使用；而對(duì)高碳鋼和低碳鋼則不宜采用調(diào)質(zhì)工藝
4、工藝過程：首先需要將零件加熱到一定溫度，保溫一定時(shí)間，然后在油中或水中冷卻。冷卻后立即入爐進(jìn)行回火(500～650℃)，以降低淬火應(yīng)力、調(diào)整組織成份，進(jìn)而達(dá)到機(jī)械性能要求。
馬氏體：鋼中馬氏體的主要特性是高硬度和高強(qiáng)度。
鐵素體：鐵素體的塑性、韌性很好，但強(qiáng)度、硬度較低。其力學(xué)性能幾乎與純鐵相同。
奧氏體：奧氏體常存在于727℃以上，是鐵碳合金中重要的高溫相，強(qiáng)度和硬度不高，但塑性和韌性很好，易鍛壓成形。
滲碳體：滲碳體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%，熔點(diǎn)為1227℃，硬度很高，塑性和韌性極低，脆性大。滲碳體是鋼中的主要強(qiáng)化相，其數(shù)量、形狀、大小及分布狀況對(duì)鋼的性能影響很大。
珠光體:存在于鋼的退火或正火組織中,粒狀珠光體：在鐵素體基體上分布著粒狀滲碳體的兩相機(jī)械混合物稱為粒狀珠光體。粒狀珠光體一般經(jīng)球化退火而得到，也可以通過淬火加回火處理得到。
各種組織的硬度性能指標(biāo)范圍如下：
珠光體10～20HRC
索氏體22～25HRC
屈氏體36～42HRC
馬氏體62～65HRC
回火馬氏體約60HRC
回火屈氏體40～48HRC
回火索氏體25～35HRC。
氮化處理
1、定義：滲氮是使氮原子滲入金屬表面獲得一層含氮化合物的處理方法。
2、目的：提高零件表面的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度和抗蝕性。
3、特點(diǎn)：氮化工藝最大的特點(diǎn)是熱處理變形小，硬化層淺，特別適用于與調(diào)質(zhì)工藝相結(jié)合提高零件的疲勞強(qiáng)度、表面耐磨性、耐蝕性和改善零件的摩擦狀態(tài)，防止膠合。適用于在周期載荷下工作的零件， 比如軸等。
4、應(yīng)用：原則上講任何鋼種都可以進(jìn)行氮化處理，但是最常用的氮化鋼是45(HV>300)、40Cr(HV>400)、42CrMo(HV>500)等，氮化后一般可不加工，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能采用整體氮化處理，因?yàn)榈瘜颖旧韺?duì)使用來說只有益處，沒必要加工處理掉。
5、工藝要求：氮化是在氮化爐中進(jìn)行，因此變形小，氮化硬度要根據(jù)材質(zhì)而定。。此外，氮化前必須進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以提高心部的機(jī)械性能，為氮化做組織準(zhǔn)備。
鋼的淬透性
1、淬透性：鋼在淬火時(shí)能夠獲得馬氏體的能力。其大小是用規(guī)定條件下淬硬層深度來表示。鋼材本身的固有屬性，與外部因素?zé)o關(guān)
2、淬硬層深度：由工件表面到半馬氏體區(qū)的深度。工件的淬透深度取決于鋼材淬透性, 還與冷卻介質(zhì)、工件尺寸等外部因素有關(guān)。
3、影響淬透性的因素：臨界冷卻速度，取決于材料化學(xué)成分。一般而言，碳鋼的淬透性差，合金鋼的淬透性好，且合金元素含量越高，淬透性越好
硬度
硬度是指金屬材料抵抗比它硬的物體壓入其表面的能力。
硬度越高，表明金屬抵抗塑性變形的能力越大。它是重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，它與強(qiáng)度、塑性指標(biāo)之間有著內(nèi)在的聯(lián)系。
常用的硬度試驗(yàn)方法有：
布氏硬度試驗(yàn)——主要用于黑色、有色金屬原材料檢驗(yàn)，也可用于退火、正火鋼鐵零件的硬度測(cè)定。所用設(shè)備為布氏硬度計(jì)。
洛氏硬度試驗(yàn)——主要用于金屬材料熱處理后的產(chǎn)品性能檢測(cè)。所用設(shè)備為洛氏硬度計(jì)。
維氏硬度試驗(yàn)——主要用于薄板材或金屬表層的硬度測(cè)定，以及較精確的硬度測(cè)定。所用設(shè)備為維氏硬度計(jì)。
顯微硬度試驗(yàn)——主要用于測(cè)定金屬材料的組織組成物或相的硬度。所用設(shè)備為顯微硬度計(jì)。
布氏硬度試驗(yàn)
用載荷為P的力,把直徑為D的淬火鋼球壓入金屬試件表面，并保持一定時(shí)間，而后卸除載荷，測(cè)量鋼球在試件表面上所壓出的壓痕直徑d，據(jù)此計(jì)算出壓痕球面積F，然后再計(jì)算出單位面積所受的力（P/F值），用此數(shù)字表示試件的硬度值，即為布氏硬度，用符號(hào) HB表示。
布氏硬度試驗(yàn)原理如圖3-11所示。
設(shè)壓痕深度為h則壓痕球面積為
試樣硬度值為：
式中
——施加的載荷，kg或N；
——壓頭（鋼球）直徑，mm；
——壓痕直徑，mm；
——壓痕面積，mm2。
布氏硬度值的大小就是壓痕單位面積上所承受的壓力。單位為kg/mm2或N/mm2，但一般不標(biāo)出。
硬度值越高，表示材料越硬。實(shí)驗(yàn)室只要測(cè)出壓痕直徑d（毫米）,通過計(jì)算或查表即可得出HB值。
布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)：硬度值代表性全面，由于壓痕面積較大，能反映較大范圍內(nèi)材料的平均性能。試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)重復(fù)性強(qiáng)。
缺點(diǎn)：采用的壓頭是淬火鋼球，由于鋼球本身的變形和硬度問題，致使不能測(cè)試太硬的材料。一般在450HB以上就不能使用。由于壓痕較大，不適宜成品檢驗(yàn)。
布氏硬度試驗(yàn)常用于測(cè)定鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼等的原材料以及結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)后的硬度。
洛氏硬度試驗(yàn)
洛氏硬度試驗(yàn)是目前應(yīng)用最廣的試驗(yàn)方法，和布氏硬度一樣，也是一種壓入硬度試驗(yàn)，但它不是測(cè)定壓痕的面積，而是測(cè)量壓痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。
洛氏硬度試驗(yàn)的壓頭采用錐角為120o的金剛石圓錐頭或直徑為1.588毫米（1/16英寸）的鋼球。載荷先后兩次施加，先加預(yù)載荷P0，然后加主載荷P1，在總載荷的作用下，將壓頭壓入金屬材料表面來進(jìn)行的硬度測(cè)定。其總載荷為P（P=P0+P1）。
金屬越硬，壓痕深度越??；金屬越軟，壓痕深度越大。為了適應(yīng)人們習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的概念，人為的規(guī)定，用一常數(shù)K減去壓痕深度h的值作為洛氏硬度的指標(biāo)，并規(guī)定每0.002毫米為一個(gè)洛氏硬度單位。用符號(hào)HR表示，則洛氏硬度值為：HR =（K－h(huán)）/0.002
此值為一無名數(shù)。并可從硬度計(jì)的表盤指示器上直接讀出。
使用金剛石壓頭時(shí)，常數(shù)K為0.2毫米，黑色表盤刻度所示；
使用鋼球壓頭時(shí)，常數(shù)K為0.26毫米，紅色表盤刻度所示。
為了可以用一種硬度計(jì)測(cè)定出從軟到硬的金屬材料硬度，采用了不同的壓頭和總載荷，組合成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)度，每一種標(biāo)度用一個(gè)字母在硬度符號(hào)HR后加以注明，常用的是HRA、HRB、HRC三種。
各種洛氏硬度值之間不能直接進(jìn)行比較，但可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定的換算表（略）進(jìn)行相對(duì)比較。
各種洛氏硬度之間，洛氏硬度和布氏硬度值間都有一定的換算關(guān)系。對(duì)于鋼鐵材料，大致有下列關(guān)系式：
HRC = 2HRA－104
HB = 10HRC （HRC = 40～60范圍）
HB = 2HRB
洛氏硬度試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)：操作迅速簡便，壓痕較小，可在工件表面進(jìn)行試驗(yàn)，可以各種金屬材料的硬度，也可以測(cè)量較薄工件或表面薄層的硬度。
缺點(diǎn)：壓痕較小，代表性差，由于材料中有偏析及組織不均勻等情況，使所測(cè)硬度值的重復(fù)性差，分散度較大。
