钢件在热处理中产生的应力有第一、第二、第三类内应力，即钢件各部位之间的宏观内应力（第一类内应力）和晶粒范围内的应力（第二类应力），以及晶格内部应力（第三类应力）。仅仅第一类内应力就足以引起工件的扭曲和产生裂纹。本章讨论的是指第一类内应力。工件在加热和冷却过程中，将发生热胀冷缩的体积变化，以及因组织转变时新旧相比容差而发生的体积改变。由于热传导过程，工件表面比心部先加热或先冷却，在截面上各部分之间产生温差，导致钢件表层和心部不能在同一时刻发生上述体积变化。各部位体积变化的相互牵制便形成内应力。加热或冷却速度越大，工件

淬火处理一般采用平衡或接近平衡的铁素体-珠光体类为原始组织，而不采用非平衡组织，像淬火马氏体、回火马氏体、贝氏体、魏氏组织等。因为这些非平衡组织在加热淬火时，可能发生组织“遗传”，即旧相（奥氏体）晶粒粗大，新形成的奥氏体晶粒也会是粗大的，这不仅不能矫正过热组织，反而会更加倾向于过热。高速钢重复淬火会形成萘状组织。高碳高合金钢的马氏体，性能较脆，导热性较差，加热时容易开裂。因此，一般将非平衡组织进行退火或正火，切断“遗传”，再加热淬火，以防止淬火裂纹。但是，在某些条件下

①各向异性纤维组织的形成和形变织构的出现，均使金属的性能产生各向异性，这对塑性成形加工是不利的。用有织构的板材冲压筒形件时，因在不同方向上塑性差别很大，工件的边缘出现高低不平（俗称“制耳”现象），且壁厚和硬度也不均匀。为了避免织构带来的这类缺陷，变形量较大的工件往往经多次变形完成，并进行中间退火过程。②冷变形强化随着塑性变形程度的增加，金属的强度和硬度显著提高，而塑性明显下降，这一现象称为冷变形强化，也称加工硬化。变形过程中位错密度的增加和晶粒的碎化是产生冷变形强化的主要原因。由于位错之间的

所谓碳化物不均匀性，主要指碳化物液析、碳化物带状、碳化物网状及碳化物颗粒的大小和分布不均匀等，它们可能成为断裂源。人们普遍认为不均匀碳化物增加钢的淬裂倾向。这在高碳高合金的Cr12型钢及高速钢中表现最为突出。这类钢冶炼浇注时产生严重的偏析，大量的莱氏体共晶碳化物堆集于奥氏体晶粒周围，有时呈网状分布。这些碳化物在锻、轧成形过程中虽然可被破碎，但在不同程度上仍保留着各种形式的不均匀性。在淬火加热条件下，具有粗大网络状和密集条带状的碳化物难以充分溶解，造成钢材各向异性，尤其是横向性能显著降低。碳化物不均匀程度愈大，其抗弯

许多工件的淬火裂纹不是在淬火介质中产生的，而是淬火后放置一些时间才开裂的，此称“时效裂纹”，实质上也是淬火裂纹。众所周知，淬火介质温度一般高于室温，工件冷却到淬火介质温度时，尚有一部分奥氏体未转变为马氏体，工件从淬火剂中取出后在室温下放置，实际上是继续冷却淬火，尤其是放在冰冷的地面上或使工件过夜。夜间车间里温度不断降低，工件内残留奥氏体继续向马氏体转变，组织应力不断增加。这样在室温放置过程中，淬火件可能开裂。另一方面，钢件中的淬火内应力，经放置一段时间会重新分布，也可能引起开裂。还有，淬火钢

断续淬火法是将工件淬入淬火介质中数秒后提出来，在空气中冷却一定时间，然后再淬火冷却的方法。这种操作可依情况反复多次。若选择停留时间正确并经反复多次操作，可以使工件表面和中心达到所要求的硬度。这种淬火法有利于防止淬火开裂。这是由于在工件被提出介质时，表层急冷而转变的马氏体因工件内部热量而被回火，减小了内应力的缘故。但要注意，工件在空气中停留时，其内部的奥氏体不能发生分解，以便在随后的淬入介质急冷时继续转变为马氏体。45号钢制成的大型压模，设计要求采用整体淬火，硬度要求HRC38~43。由于工件形状复杂，多孔、多槽及厚

为了给淬火作好组织准备，锻造后的毛坯，需要进行适当的预先热处理，如正火、退火、调质处理和球化退火等，以满足机械加工的需要并为最终热处理作组织准备。对于某些形状复杂、精度要求较高的零件，在粗加工与精加工之间或在淬火之前，还要进行消除应力退火。例如45号钢制成的摇臂轴，要求硬度HRC50~55。由于原材料在切削后残存有严重的内应力，故经淬火后，摇臂轴在边角处产生裂纹并剥落。若改进工艺，事先进行550~600℃、3h去除应力退火，可消除淬火裂纹。对于具有尖角、截面变化大且淬火前又有较大残余内应力的钢件，淬火前进行高温回火

1、氧化与脱碳  钢在加热时，钢表面形成一层松脆的氧化铁皮的现象称为氧化；脱碳是指钢件表面含碳量降低的现象。氧化和脱碳会降低钢件表层的硬度和疲劳强度，而且还影响零件的尺寸。为了防止氧化和脱碳，通常在盐浴炉内加热。要求更高时，可在工件表面涂覆保护剂或在保护气氛及真空中加热。2、过热和过烧  钢在淬火加热时，由于加热温度较高或加热时间过长，而发生的奥氏体晶粒显著粗化的现象，称为过热。若加热温度过高，而出现晶界氧化并开始部分熔化的现象称为过烧。工件过热后，不仅降低钢的力学性能（尤其

钢材若存在某些冶金缺陷（如偏析、疏松、夹杂和发纹等），便容易在淬火时产生裂纹。一些结构钢中的带状组织及高碳合金钢中的碳化物偏析，也是淬火裂纹的诱因。因此，为了降低淬火裂纹倾向，提高成品率及改善零件使用性能，应将钢材进行良好的锻造。为了降低高速钢的碳化物不均匀性，可采用重新改锻的方法，即把冶金厂供货的较大尺寸的棒料切成小块（小于φ30mm时不必改锻），加热到1100~1150℃，镦粗、拔长，反复多次成形。在锻造加热时需要缓慢、均匀地进行，并要热透。始锻时轻捶慢打，逐渐增加压下量。过热会锻裂，低温锻打也会锻裂。锻后应砂

将淬火后的钢，重新加热到A1点以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。淬火后的钢件存在很大的内应力和脆性，如不及时通过回火消除，会引起工件的进一步变形，甚至开裂，所以淬火工件一般需经回火后才能使用。淬火工件经回火后可以达到以下三个目的：(1)消除内应力  通过回火可减少或消除工件在淬火时产生的内应力，防止工件在使用过程中的变形和开裂。(2)获得所需要的力学性能  通过回火提高钢的韧性，适当调整钢的强度和硬度，使工件达到所要求的力学性能，以满足各种工件

将工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它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺，称为化学热处理。与其他热处理相比，化学热处理不仅改变了钢的组织，而且表面层的化学成分也发生了变化，因而能更有效地改变表面层的性能。化学热处理是通过以下三个基本过程来完成的：(1)分解  介质在一定的温度下，发生化学分解，产生可渗入钢表面的活性原子。(2)吸收  活性原子被工件表面吸收。例如活性原子溶入铁的晶格中形成固溶体，或与铁化合形成金属化合物等。(3)扩散 

渗氮（又称为氮化）是向钢的表面渗入氮原子的化学热处理工艺。渗氮的目的是提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度。渗氮的方法很多，目前应用最多的渗氮方法为气体渗氮和离子渗氮。(1)气体渗氮  工件在气体介质中进行的渗氮称为气体渗氮。它是将工件放入密闭的炉内，加热到500~600℃，通入氨气(NH3)，氨气分解出活性氮原子被工件表面吸收，与钢中的合金元素铝、铬、钼形成氮化物，并向心部扩散，形成一定厚度的渗氮层，渗氮层一般深度为0.1~0.8mm。气体渗氮适用于含有铝、铬、钼等合金元素的钢，38C

在一定温度下，将碳、氮原子同时渗入工件表层奥氏体中，并以渗碳为主的化学热处理工艺称为碳氮共渗。以渗氮为主的称为氮碳共渗。(1)中温气体碳氮共渗  加热温度为820~870℃，以渗碳为主，共渗层表面w(C)为0.7%~1.0%，w(N)为0.15%~0.5%。碳氮共渗后一般直接进行淬火和低温回火，热处理后，表层组织为含碳、氮的马氏体及呈细小分布的碳氮化合物。碳氮共渗与渗碳相比，具有很多优点。它不仅加热温度低，零件变形小，生产周期短，而且渗层具有较高的硬度、耐磨性和疲劳强度。目前工厂里常用来处理汽车

碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。图为奥氏体的原子排列示意图，它仍保持γ-Fe的面心立方晶格。  图   奥氏体原子排列示意图由于γ-Fe是面心立方晶格，晶格的间隙较大，故奥氏体的溶碳能力较强。在727℃时碳在γ-Fe中的溶解度为0.77%。随着温度的上升，溶解度逐渐增大，在1148℃时其溶解度可达到2.11%。奥氏体的强度和硬度不高(Rm≈400MPa，120~220HBW)，但塑性很好（A≈40%~60%），所以钢材在进行

由前面的热处理演示可以看到：同一种钢，加热条件相同，采用不同的冷却速度或冷却方式，可以获得不同的组织和性能。为了弄清这些差别的原因，下面以共析钢为例分析奥氏体在冷却过程中的组织变化规律。在热处理工艺中常采用等温冷却转变和连续冷却转变两种冷却方式。等温冷却转变是将奥氏体化的钢迅速冷却到A1下某一温度，并在此温度下保温，使奥氏体在一定的过冷度下向稳定的组织结构转变，转变结束后，再空冷（即在空气中冷却）到室温。连续冷却转变是把已奥氏体化的钢以不同的冷却速度，如炉冷（随炉冷却）、空冷、油冷（在油中冷却）、水冷（在水中冷却）

莱氏体分高温莱氏体和低温莱氏体。高温莱氏体是奥氏体和渗碳体的混合物，用符号Ld来表示。它是w(C)为4.3%的液态铁碳合金在1148℃时，从液相中同时结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物。由于奥氏体在727℃时还将转变为珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，这种混合物叫低温莱氏体，用符号Ld′来表示。莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度很高(> 700HBW)，塑性很差。综上所述，上述五种基本组织中，铁素体、奥氏体和渗碳体都是单相组织，称为铁碳合金的基本相。珠光体、莱氏体则是由基本相混合组成的

碳素钢（简称碳钢）是指w(C)小于2.11%的铁碳合金。碳钢的价格低廉，冶炼方便，加工容易，具有良好的力学性能，一般在满足使用性能要求的前提下，选用钢材时首先考虑它，因而在机械制造中应用最为广泛。碳素钢并不是单纯的铁碳合金，还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质元素。这些元素是在冶炼过程中不可避免地由炼钢原料带入的，通常称为常存元素，它们的存在会对钢的性能带来一定的影响。(1)锰  锰在钢中是有益元素。锰主要是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的。在碳钢中锰大部分溶入铁素体，起到固溶强化的作用，提高了钢的强

由于硬质合金具有很高的热硬性和耐磨性，还有良好的热稳定性、抗氧化性和耐腐蚀性，因而可用于制造某些热作模具。钨钴类硬质合金（通常制成镶块）可用于热切边凹模、压铸模、工作温度较高的热挤压凸模或凹模等。典型举例1：气阀挺杆热镦挤模，原采用3Cr2W8V钢制作，热处理后的硬度为49~52HRC，使用寿命0.5万次。后在模具工作部分零件采用YG20硬质合金镶块，模具寿命提高到15万次。应用于热作模具的还有奥氏体不锈钢钢结硬质合金和高碳高铬合金钢钢结硬质合金等。例如ST60钢结合金制热挤压模在960℃左右挤压纯铜时，其使用寿命

铁碳合金相图是表示在平衡条件（缓慢冷却或缓慢加热）下，不同成分的铁碳合金在不同温度下具有的组织或状态的图形。它是研究铁碳合金的组织、性能变化规律的基本工具，是合理选用钢铁材料、制定热加工工艺（热处理、锻造、铸造）的依据。由于w(C)大于6.69%的铁碳合金脆性很大，在生产中没有使用价值，所以我们只研究w(C)小于6.69%的铁碳合金。故铁碳合金相图也可认为是Fe-Fe3C相图。为了便于分析，将Fe-Fe3C相图中实用意义不大的左上角和左下角部分进行了简化，简化后的铁碳合金相图如图所示。   &n

塑料模具中具有许多单纯为了组成模具结构的零件，如注射大规模的座板、垫块等，一般采用碳结构钢。(1) Q235A钢  该钢为廉价的钢，用于注射模的动模及定模座板、垫块，压缩模的盖板等。(2) 45钢  该钢为产量最大用途最广泛的钢，可用于注射模的推杆固定板、侧滑块导轨、侧滑块体等。也可以用于制造形状简单的凸模型芯和凹模型腔。但其有效寿命——指保证精度的寿命不过5万~8万次，而且抛旋光性不良，不能抛到Ra0.4。调质后硬度不足而且硬化层浅。(3) 55钢&