热处理常用基础理论知识

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铸造及热处理


   人类在新石器时代末期，已开始以锤击天然红铜来制造装饰品和小用品。中国约在公元前2000多年已应用冷锻工艺制造工具，如甘肃武威皇娘娘台齐家文化遗址出土的红铜器物，就有明显的锤击痕迹。商代中期用陨铁制造武器，采用了加热锻造工艺。春秋后期出现的块炼熟铁，就是经过反复加热锻造以挤出氧化物夹杂并成形的。

    最初，人们靠抡锤进行锻造，后来出现通过人拉绳索和滑车来提起重锤再自由落下的方法锻打坯料。14世纪以后出现了畜力和水力落锤锻造。

    1842年，英国的内史密斯制成第一台蒸汽锤，使锻造进入应用动力的时代。以后陆续出现锻造水压机、电机驱动的夹板锤、空气锻锤和机械压力机。夹板锤最早应用于美国内战(1861～1865)期间，用以模锻武器的零件，随后在欧洲出现了蒸汽模锻锤，模锻工艺逐渐推广。到19世纪末已形成近代锻压机械的基本门类。

    20世纪初期，随着汽车开始大量生产，热模锻迅速发展，成为锻造的主要工艺。20世纪中期，热模锻压力机、平锻机和无砧锻锤逐渐取代了普通锻锤，提高了生产率，减小了振动和噪声。随着锻坯少无氧化加热技术、高精度和高寿命模具、热挤压，成形轧制等新锻造工艺和锻造操作机、机械手以及自动锻造生产线的发展，锻造生产的效率和经济效果不断提高。

    冷锻的出现先于热锻。早期的红铜、金、银薄片和硬币都是冷锻的。冷锻在机械制造中的应用到20世纪方得到推广，冷镦、冷挤压、径向锻造、摆动辗压等相继发展，逐渐形成能生产不需切削加工的精密制件的高效锻造工艺。

    早期的冲压只利用铲、剪、冲头、手锤、砧座等简单工具，通过手工剪切、冲孔、铲凿、敲击使金属板材(主要是铜或铜合金板等)成形，从而制造锣、铙、钹等乐器和罐类器具。随着中、厚板材产量的增长和冲压液压机和机械压力机的发展，冲压加工也在19世纪中期开始机械化。

    1905年美国开始生产成卷的热连轧窄带钢，1926年开始生产宽带钢，以后又出现冷连轧带钢。同时，板、带材产量增加，质量提高，成本降低。结合船舶、铁路车辆、锅炉、容器、汽车、制罐等生产的发展，冲压已成为应用最广泛的成形工艺之一。

    锻压主要按成形方式和变形温度进行分类。按成形方式锻压可分为锻造和冲压两大类；按变形温度锻压可分为热锻压、冷锻压、温锻压和等温锻压等。

    热锻压是在金属再结晶温度以上进行的锻压。提高温度能改善金属的塑性，有利于提高工件的内在质量，使之不易开裂。高温度还能减小金属的变形抗力，降低所需锻压机械的吨位。但热锻压工序多，工件精度差，表面不光洁，锻件容易产生氧化、脱碳和烧损。

    冷锻压是在低于金属再结晶温度下进行的锻压，通常所说的冷锻压多专指在常温下的锻压，而将在高于常温、但又不超过再结晶温度下的锻压称为温锻压。温锻压的精度较高，表面较光洁而变形抗力不大。

    在常温下冷锻压成形的工件，其形状和尺寸精度高，表面光洁，加工工序少，便于自动化生产。许多冷锻、冷冲压件可以直接用作零件或制品，而不再需要切削加工。但冷锻时，因金属的塑性低，变形时易产生开裂，变形抗力大，需要大吨位的锻压机械。

    等温锻压是在整个成形过程中坯料温度保持恒定值。等温锻压是为了充分利用某些金属在等一温度下所具有的高塑性，或是为了获得特定的组织和性能。等温锻压需要将模具和坯料一起保持恒温，所需费用较高，仅用于特殊的锻压工艺，如超塑成形。

    锻压可以改变金属组织，提高金属性能。铸锭经过热锻压后，原来的铸态疏松、孔隙、微裂等被压实或焊合；原来的枝状结晶被打碎，使晶粒变细；同时改变原来的碳化物偏析和不均匀分布，使组织均匀，从而获得内部密实、均匀、细微、综合性能好、使用可靠的锻件。锻件经热锻变形后，金属是纤维组织；经冷锻变形后，金属晶体呈有序性。

    锻压是使金属进行塑性流动而制成所需形状的工件。金属受外力产生塑性流动后体积不变，而且金属总是向阻力最小的部分流动。生产中，常根据这些规律控制工件形状，实现镦粗拔长、扩孔、弯曲、拉深等变形。

    锻压出的工件尺寸精确、有利于组织批量生产。模锻、挤压、冲压等应用模具成形的尺寸精确、稳定。可采用高效锻压机械和自动锻压生产线，组织专业化大批量或大量生产。

    锻压的生产过程包括成形前的锻坯下料、锻坯加热和预处理；成形后工件的热处理、清理、校正和检验。常用的锻压机械有锻锤、液压机和机械压力机。锻锤具有较大的冲击速度，利于金属塑性流动，但会产生震动；液压机用静力锻造，有利于锻透金属和改善组织，工作平稳，但生产率低；机械压力机行程固定，易于实现机械化和自动化。

    未来锻压工艺将向提高锻压件的内在质量、发展精密锻造和精密冲压技术、研制生产率和自动化程度更高的锻压设备和锻压生产线、发展柔性锻压成形系统、发展新型锻压材料和锻压加工方法等方面发展。

    提高锻压件的内在质量，主要是提高它们的机械性能(强度、塑性、韧性、疲劳强度)和可靠度。这需要更好地应用金属塑性变形理论；应用内在质量更好的材料；正确进行锻前加热和锻造热处理；更严格和更广泛地对锻压件进行无损探伤。

    少、无切削加工是机械工业提高材料利用率、提高劳动生产率和降低能源消耗的最重要的措施和方向。锻坯少、无氧化加热，以及高硬、耐磨、长寿模具材料和表面处理方法的发展，将有利于精密锻造、精密冲压的扩大应用。锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。锻造和冲压同属塑性加工性质，统称锻压。

    锻造是机械制造中常用的成形方法。通过锻造能消除金属的铸态疏松、焊合孔洞，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。

    锻造按坯料在加工时的温度可分为冷锻和热锻。冷锻一般是在室温下加工，热锻是在高于坯料金属的再结晶温度上加工。有时还将处于加热状态，但温度不超过再结晶温度时进行的锻造称为温锻。不过这种划分在生产中并不完全统一。

    钢的再结晶温度约为460℃，但普遍采用800℃作为划分线，高于800℃的是热锻；在300～800℃之间称为温锻或半热锻。

    锻造按成形方法则可分为自由锻、模锻、冷镦、径向锻造、挤压、成形轧制、辊锻、辗扩等。坯料在压力下产生的变形基本不受外部限制的称自由锻，也称开式锻造；其他锻造方法的坯料变形都受到模具的限制，称为闭模式锻造。成形轧制、辊锻、辗扩等的成形工具与坯料之间有相对的旋转运动，对坯料进行逐点、渐近的加压和成形，故又称为旋转锻造。

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锻造用料主要是各种成分的碳素钢和合金钢，其次是铝、镁、铜、钛等及其合金。材料的原始状态有棒料、铸锭、金属粉末和液态金属。

    一般的中小型锻件都用圆形或方形棒料作为坯料。棒料的晶粒组织和机械性能均匀、良好，形状和尺寸准确，表面质量好，便于组织批量生产。只要合理控制加热温度和变形条件，不需要大的锻造变形就能锻出性能优良的锻件。

    铸锭仅用于大型锻件。铸锭是铸态组织，有较大的柱状晶和疏松的中心。因此必须通过大的塑性变形，将柱状晶破碎为细晶粒，将疏松压实，才能获得优良的金属组织和机械性能。

    经压制和烧结成的粉末冶金预制坯，在热态下经无飞边模锻可制成粉末锻件。锻件粉末接近于一般模锻件的密度，具有良好的机械性能，并且精度高，可减少后续的切削加工。粉末锻件内部组织均匀，没有偏析，可用于制造小型齿轮等工件。但粉末的价格远高于一般棒材的价格，在生产中的应用受到一定限制。

    对浇注在模膛的液态金属施加静压力，使其在压力作用下凝固、结晶、流动、塑性变形和成形，就可获得所需形状和性能的模锻件。液态金属模锻是介于压铸和模锻间的成形方法，特别适用于一般模锻难于成形的复杂薄壁件。

    不同的锻造方法有不同的流程，其中以热模锻的工艺流程最长，一般顺序为：锻坯下料；锻坯加热；辊锻备坯；模锻成形；切边；中间检验，检验锻件的尺寸和表面缺陷；锻件热处理，用以消除锻造应力，改善金属切削性能；清理，主要是去除表面氧化皮；矫正；检查，一般锻件要经过外观和硬度检查，重要锻件还要经过化学成分分析、机械性能、残余应力等检验和无损探伤。

   对于铸造工程师以及机械结构设计工程师而言，热处理是一项非常有意义，而具甚高价值用以改进材料品质的方法，借热处理可以改变或影响铸铁的组织及性质，同时可以获得更高的强度、硬度，而改善其磨耗抵抗能力等等。

   由于目的不同，热处理的种类非常多，基本主要可分成两大类，第一类是组织构造不会经由热处理而发生变化或者也不应该发生改变的，第二则是基本的组织结构发生变化者。第一热处理程序，主要用於消除内应力，而此内应力係在铸造过程中由於冷却状况及条件不同而引起。组织、强度及其他机械性质等，不因热处理而发生明显变化。对於第二类热处理而言，基地组织发生了明显的改变，可大致分為五类：(1)软化退火：其目的主要在於分解碳化物，将其硬度降低，而提高加工性能，对於球状石磨铸铁而言，其目的在於获得具有甚高的肥力铁组织。(2)正常化处理：主要用改进或是使完全是波来铁组织的铸品获得均匀分布的机械性质。(3)淬火：主要為了获得更高的硬度或磨耗强度，同时的到甚高的表面耐磨特性。(4)表面硬化处理：主要为获得表面硬化层，同时得到甚高的表面耐磨特性。(5)析出硬化处理：主要是為获得高强度而伸长率并不因而发生激烈的改变。

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压力容器的热处理


一、压力容器在制造过程中，将带来以下问题：由于过量的冷卷、冷矫形等冷加工引起的冷作硬化。由于焊接引起的焊缝区组织和性能的变化。由于焊接产生残余应力以及由此而导致的应力腐蚀裂纹的产生和发展。     压力容器焊接时，当母材相邻区域产生一温差大于100度的急剧温度梯度时，在铁素体钢或相当的其他材料中引起不均匀的塑性应变，而在随后的冷却过程中，将产生一个峰值应力达到屈服点的残余应力场。     另外，由于压力容器制造中的不均匀塑性应变导致在弹性-塑性材料中产生残余应变，而残余应变可以是来自机械的（主要是冷卷、冷矫形等冷加工）热力的（主要是焊接过程产生的），或者两者兼有的原因，也就是热机械的原因。     因此，在压力容器加工完成的最终产品中将留下残余弹性应变场，并承受相应的弹性残余应力。残余应力的存在，将影响压力容器的使用性能。为了消除焊接区峰值应变，达到内应变均匀分布这一目的，可以采取多种方法，如机械震动法、焊后加热法等。然而，由于压力容器中许多潜在的问题主要来自焊缝区的冶金损伤，所以，采用机械方法以降低内应变的手段已经不足以预防日后运行过程中可能出现的诸多问题。另外，金属的氢脆现象已经比较为人们所关注。氢进入钢以后，机械性能会发生明显的变坏。强度和塑性明显降低，溶解于金属晶格中的氢，使钢在缓慢变形时发生脆性破坏。金属材料中的氢可以是在金属材料生产工艺过程中吸收的，如金属在焊接时液态金属吸收的氢保留在焊缝中，也可能是材料在氢环境中服役吸收的氢。对于焊缝中吸收的氢，比较有效的消除方法就是进行焊后热处理，它既可以达到松弛和缓和焊接残余应力，改善因焊接而被硬化及脆化的焊接热影响区，提高焊缝金属的延性和断裂韧性，也可以使焊接区及附近的氢等有害气体扩散逸出。     压力容器采用的热处理方法有两类：一类为改善机械性能的热处理，一类为焊后热处理（PWHT）。     广义地说，焊后热处理就是在工件焊完之后对焊接区域或焊接构件进行的热处理。起内容包括消除应力退火、完全退火、固熔、正火、正火加回火、回火、低温消除应力、析出热处理等。狭义地说，焊后热处理仅指消除应力退火，即为了改善焊接区的性能和消除焊接残余应力等有害影响，从而对焊接区及有关部位在金属相变2温度点以下均匀而有充分地加热，然后又均匀冷却的过程。许多情况下所讨论的焊后热处理实质上就是焊后消除应力热处理。     
二、焊后热处理（简称PWHT）的目的：     1.松弛焊接参与应力     2.稳定结构的形状和尺寸，减少畸变。     3.改善母材、焊接区的性能，包括a.提高焊缝金属的塑性。b.降低热影响区硬度。c.提高断裂韧性。d.改善疲劳强度。e.恢复或提高冷成型中降低的屈服强度。     4.提高抗应力腐蚀的能力。     5.进一步释放焊缝金属中的有害气体，尤其是氢，防止延迟裂纹的发生。     
三、PWHT必要性的判断：     压力容器有无焊后热处理的必要，在设计上应加以明确规定，现行的压力容器设计规范对此有要求。     焊制的压力容器，焊接区存在着较大的残余应力，而残余应力的不利影响，在一定的条件下才表现出来。当残余应力与焊缝中的氢相结合时，将促使热影响区硬化，导致冷裂纹和延迟裂纹的产生。残存在焊缝中的静应力或负载运行中的动载应力与介质的腐蚀作用相结合时，将有可能引起裂纹状腐蚀，即所谓应力腐蚀。焊接残余应力及由焊接引起的母材淬硬是产生应力腐蚀裂纹的重要因素。研究结果表明，变形和残余应力对金属材料的主要影响，在于使金属从均匀腐蚀转变为局部腐蚀，即转变为晶间或穿晶腐蚀。当然，金属的腐蚀破裂和晶间腐蚀均出现在对该种金属具有一定特性的介质中。     在残余应力存在的情况下，根据侵蚀性介质的成分、浓度和温度的不同，以及母材与焊接区的成分、组织、表面状态、应力状态等存在的差异而有所不同，从而，使腐蚀破坏的性质可能改变。     焊接的压力容器是否需要做焊后热处理，应从容器的用途、尺寸（特边是壁板厚度），所用材料的性能以及工作条件等方面综合考虑决定。有下列情况之一的，应考虑焊后热处理：    1.使用条件苛刻，如在低温下工作有发生脆性断裂危险的厚壁容器，承受较大载荷和交变载荷的容器。     2.厚度超过一定限度的焊制压力容器。包括锅炉、石油化工压力容器等有专门规程、规范的。     3.对尺寸稳定性较高的压力容器。     4.由淬硬倾向大的钢材制造的容器。     5.有应力腐蚀开裂危险的压力容器。     6.其他有专门规程、规范以及图样予以规定的压力容器。     在钢制焊接压力容器中，在靠近焊缝的区域内形成达到屈服点的残余应力。这种应力的产生与拌有奥氏体的组织转变有关。许多研究者指出，为了消除焊后的残余应力，650度的回火对钢制焊接压力容器能产生良好的影响。同时认为，如果在焊后不进行适当的热处理，就始终不能得到耐腐蚀的焊接接头。     一般认为，消除应力热处理属于焊接工件被加热到500-650度而后再缓慢冷却的过程。应力的降低起因于高温下的蠕变，在碳钢中从450度开始出现；在含钼的钢中，从550度开始出现。温度越高，应力越易于消除。但是一旦超过钢材的原始回火温度，钢的强度便要降低。所以消除应力的热处理一定要掌握好温度和时间两个要素，缺一不可。     然而在焊件内应力中，总是伴生着拉伸应力与压缩应力，应力与弹性变形同时存在。当钢材的温度升高，屈服强度下降，原有的弹性形变会变成塑性形变，从而是应力松弛。加热温度越高，内应力消除越充分。但温度过高时将使钢材表面严重氧化。另外，对于调质钢的PWHT温度，应以不超过钢材原回火温度为原则，一般比钢材原回火温温度低30度左右，否则材料就会失去调质效果，强度和断裂韧性就会降低。这一点对于热处理工作者来说，应予以特边关注。     消除内应力的焊后热处理温度越高，钢材软化程度越大，通常加热到钢材的再结晶温度，内应力就可消除，再结晶温度与熔化温度有密切关系。一般地，再结晶温度K=0.4X熔化温度（K）。热处理温度越接近再结晶温度，消除残余应力越有效。     
四、PWHT综合效果的考虑     焊后热处理并非是绝对有利的。一般情况下，焊后热处理有利于缓和残余应力，并对应力腐蚀有严格要求的情况下才进行。但是，试件的冲击韧性试验表明，焊后热处理对熔敷金属和焊接热影响区的韧性提高不利，有时在焊接热影响区的晶粒粗化范围内还可能发生晶间开裂。再则，PWHT是依靠在高温下材料强度的降低来实现消除应力的，因此，在PWHT时，结构有可能失去刚性，对于采取整体或局部PWHT 的结构，热处理前，必须考虑焊件在高温下的支承能力。所以，在考虑是否进行焊后热处理时，应将热处理的有利和不利两个方面综合比较。从结构性能上来看，有使性能提高的一面，也有使性能降低的一面，应在综合考虑两方面的基础工作上做出合理的判断。

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光亮热处理的窍门

道理很简单，就是把放置工件密闭容器中的氧烧掉形成稳定固态化合物，使金属制品在无氧和低真空条件下加热。
    具体的方祛是把金属制品（单件或成批）放在铁（低碳钢）制容器中，同时往容器中放入一小块金属纳或锂，然后盖上盖把缝焊死。将密封好的容器放在空气炉中加热。当容器被加热到低温，钠或锂燃烧和容器中的氧（占容器体积的21％）结合成稳定的固态化合物，反应如下：
    4Na+O2→2Na2O
    4Li+O2→2Li2O。
    进一步的加热就在低于大气压的纯氮中进行，加热保持后在炉中或自炉中取出冷却。即可使金属达到光亮退火或正火的目的。处理完后用气割法取出工件。
    容器中放入的纳或锂的量（XNa,Xli）可按容器的容积（V．以L计）大小计算出，
    XNa=0.86V,g
    XLi=0.26V,g。
    就是说1L容积的容器只需放人0.86gNa或0.26gLi就行了。但实际应用肘，应按计算数值稍许过量，譬如加入105％。
    应用该方法进行热处理应注意：
    1.封闭容器焊接时应采取器壁的冷却措施，以免钠、锂提前燃烧。
    2.金属钠和锂极易在空气中氧化，平时不用时必须放在汽油，煤油或惰性气体中保存。

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加热缺陷及控制


一、过热现象
  我们知道热处理过程中加热过热最易导致奥氏体晶粒的粗大，使零件的机械性能下降。
1.一般过热：加热温度过高或在高温下保温时间过长，引起奥氏体晶粒粗化称为过热。粗大的奥氏体晶粒会导致钢的强韧性降低，脆性转变温度升高，增加淬火时的变形开裂倾向。而导致过热的原因是炉温仪表失控或混料（常为不懂工艺发生的）。过热组织可经退火、正火或多次高温回火后，在正常情况下重新奥氏化使晶粒细化。
2.断口遗传：有过热组织的钢材，重新加热淬火后，虽能使奥氏体晶粒细化，但有时仍出现粗大颗粒状断口。产生断口遗传的理论争议较多，一般认为曾因加热温度过高而使MnS之类的杂物溶入奥氏体并富集于晶界面，而冷却时这些夹杂物又会沿晶界面析出，受冲击时易沿粗大奧氏体晶界断裂。
3.粗大组织的遗传：有粗大马氏体、贝氏体、魏氏体组织的钢件重新奥氏化时，以慢速加热到常规的淬火温度，甚至再低一些，其奥氏体晶粒仍然是粗大的，这种现象称为组织遗传性。要消除粗大组织的遗传性，可采用中间退火或多次高温回火处理。
二、过烧现象
  加热温度过高，不仅引起奥氏体晶粒粗大，而且晶界局部出现氧化或熔化，导致晶界弱化，称为过烧。钢过烧后性能严重恶化，淬火时形成龟裂。过烧组织无法恢复，只能报废。因此在工作中要避免过烧的发生。
三、脱碳和氧化
  钢在加热时，表层的碳与介质（或气氛）中的氧、氢、二氧化碳及水蒸气等发生反应，降低了表层碳浓度称为脱碳，脱碳钢淬火后表面硬度、疲劳强度及耐磨性降低，而且表面形成残余拉应力易形成表面网状裂纹。
加热时，钢表层的铁及合金与元素与介质（或气氛）中的氧、二氧化碳、水蒸气等发生反应生成氧化物膜的现象称为氧化。高温（一般570度以上）工件氧化后尺寸精度和表面光亮度恶化，具有氧化膜的淬透性差的钢件易出现淬火软点。
为了防止氧化和减少脱碳的措施有：工件表面涂料，用不锈钢箔包装密封加热、采用盐浴炉加热、采用保护气氛加热（如净化后的惰性气体、控制炉内碳势）、火焰燃烧炉（使炉气呈还原性）
四、氢脆现象
  高强度钢在富氢气氛中加热时出现塑性和韧性降低的现象称为氢脆。出现氢脆的工件通过除氢处理（如回火、时效等）也能消除氢脆，采用真空、低氢气氛或惰性气氛加热可避免氢脆。
当然，实际工作中有人利用此现象来为人服务（如合金的粉碎处理等）

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弹簧热处理２

2．各种弹簧用材料特点及用途

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钢的热处理综合（二）

§5-7 钢的化学热处理
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它的表面，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过程。
一.渗碳
（1）工艺 为了增加表层的碳含量和获得一定碳浓度梯度, 钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面的工艺称为渗碳。将工件装在密封的渗碳炉中，加热到900℃～950℃，向炉内滴入煤油、苯、甲醇等有机液体，或直接通入煤气、石油液化气等气体，通过化学反应产生活性碳原子，使钢件表面渗碳。渗碳使低碳(0.15～0.30%)钢件表面获得高碳浓度（约1.0%）。
（2）渗碳后的热处理
① 直接淬火 渗碳后直接淬火，由于渗碳温度高, 奥氏体晶粒长大, 淬火后马氏体较粗, 残余奥氏体也较多, 所以耐磨性较低, 变形较大。为了减少淬火时的变形, 渗碳后常将工件预冷到830℃～850℃后淬火。
② 一次淬火 是在渗碳缓慢冷却之后, 重新加热到临界温度以上保温后淬火，心部组织要求高时 一次淬火的加热温度略高于Ac3。对于受载不大但表面性能要求较高的零件, 淬火温度应选用Ac1以上30℃～50℃, 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 对于机械性能要求很高或本质粗晶粒钢, 应采用二次淬火。第一次淬火是为了改善心部组织, 加热温度为Ac3以上30℃～50℃。第二次淬火是为细化表层组织, 获得细马氏体和均匀分布的粒状二次渗碳体, 加热温度为Ac1以上30℃～50℃。
④渗碳、淬火后进行低温(150℃～200℃)回火, 以消除淬火应力和提高韧性。
（3）钢渗碳、淬火、回火后的性能：
　　① 表面硬度高，达58HRC～64HRC以上, 耐磨性较好;。心部韧性较好, 硬度较低，可达30～45HRC。
　　② 疲劳强度高。表层体积膨胀大，心部体积膨胀小，结果在表层中造成压应力，使零件的疲劳强度提高。
二.氮化
氮化就是向钢件表面渗入氮的工艺。氮化的目的在于更大地提高钢件表面的硬度和耐磨性，提高疲劳强度和抗蚀性。常用的氮化钢有35CrAlA, 38CrMoAlA, 38CrWVAlA等。
（1）工艺
目前广泛应用的是气体氮化。氨被加热分解出活性氮原子（2NH3→3H2+2[N]), 氮原子被钢吸收并溶入表面, 在保温过程中向内扩散, 形成渗氮层。
① 氮化温度 一般为500℃～600℃。氮化时间长，一般为20h～50h，
②氮化前零件须经调质处理 目的是改善机加工性能和获得均匀的回火索氏体组织, 保证较高的强度和韧性。对于形状复杂或精度要求高的零件，在氮化前精加工后还要进行消除内应力的退火，以减少氮化时的变形。
（2）组织和性能：
① 钢件氮化后具有很高的硬度(1000HV～1100HV), 且在600℃～650℃下保持不下降, 所以具有很高的耐磨性和热硬性。氮化后，工件的最外层为一白色ε或γ相的氮化物薄层，很脆。常用精磨磨去；中间是暗黑色含氮共析体（α＋γ′）层；心部为原始回火索氏体组织。
②钢氮化后, 渗层体积增大, 造成表面压应力, 使疲劳强度大大提高。
③氮化温度低, 零件变形小。
④氮化后表面形成致密的化学稳定性较高的ε相层, 所以耐蚀性好, 在水中、过热蒸气和碱性溶液中均很稳定。
三.碳氮共渗
碳氮共渗就是同时向零件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺，也称氰化。一般采用高温或低温两种气体碳氮共渗。低温碳氮共渗以氮为主，实质为软氮化。
1.高温碳氮共渗工艺
　　将工件放入密封炉内，加热到共渗温度830℃～850℃，，向炉内滴入煤油，同时通以氨气，经保温1h～2h后，共渗层可达0.2mm～0.5mm。高温碳氮共渗主要是渗碳，但氮的渗入使碳浓度很快提高，从而使共渗温度降低和时间缩短。碳氮共渗后淬火, 再低温回火。
2.碳氮共渗后的机械性能
(1)共渗及淬火后, 得到的是含氮马氏体, 耐磨性比渗碳更好。
(2)共渗层具有比渗碳层更高的压应力, 因而疲劳强度更高, 耐蚀性也较好。
　 §5-8 钢的热处理新技术
为了提高零件机械性能和表面质量, 节约能源，降低成本，提高经济效益, 以及减少或防止环境污染等, 发展了许多热处理新技术、新工艺。
一.可控气氛热处理
在炉气成分可控制的炉内进行的热处理称为可控气氛热处理。
把 燃料气（天然气、城市煤气、丙烷）按一定比例空气混合后，通入发生器进行加热，或者靠自身的燃烧反应而制成的气体。也可用液体有机化合物（如甲醇、乙醇、丙酮等）滴入热处理炉内所得到气氛，用于渗碳、碳氮共渗、软氮化、保护气氛淬火和退火等。
二.真空热处理
在真空中进行的热处理称为真空热处理。它包括真空淬火、真空退火、真空回火和真空化学热处理等。真空热处理具有如下优点：
(1)可以减少变形 在真空中加热，升温速度很慢，工件变形小。
(2)可以净化表面 在高真空中, 表面的氧化物、油污发生分解, 工件可得光亮的表面, 提高耐磨性、疲劳强度。防止工件表面氧化。
(3)脱气作用 有利于改善钢的韧性， 提高工件的使用寿命。
三.离子渗扩热处理

1-真空容器; 2-直流电源; 3-测温装置系统;
4-真空泵; 5-渗剂气体调节装置; 6-待处理工件
离子渗扩示意图
1. 离子氮化
离子氮化所用介质一般为氨气, 压强保持在1.3×102～1.3×103Pa, 温度为500℃～560℃, 渗层为Fe2N、Fe4N等氮化物,具有很高的耐磨性、耐蚀性和耐疲劳性。
离子氮化的优点：渗速是气体渗氮的3～4倍。渗层具有一定的韧性。处理后变形小, 表面银白色, 质量好。能量消耗低, 渗剂消耗少, 对环境几乎无污染。
　　离子渗氮可用于轻载、高速条件下工作的需要耐磨耐蚀的零件及精度要求较高的细长杆类零件， 如镗床主轴，精密机床丝杠、阀杆、阀门等。
2. 离子氮碳共渗+离子渗硫复合处理
先进行离子氮碳共渗, 介质为氨气+丙酮蒸汽, 共渗温度为530℃～580℃, 后再进行离子渗硫。W18Cr4V钢经复合处理后, 次表层为Fe2-3(N,C)化合物层, 表层主要由FeS、Fe3S4组成。由于硫化物具有自润滑性能, 因此降低了摩擦系数, 同时表面硫化物的存在还提高了工件的抗咬合性能。

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钢的热处理综合（一）
1、 热处理的定义：主要有三点要注意，一是热处理是在固态范围内进行的，二是有三个过程（加热、保温和冷却），三是热处理是通过改变钢的组织结构来改善其性能的；
2、 热处理的实质
3、 热处理的目的：不改变材料的形状的尺寸，改善其性能，包括使用性能和工艺性能，可以充分发挥材料的潜力，提高零件的内在质量；
4、 热处理的应用：十分广泛；
5、 热处理的分类：普通热处理
表面热处理
化学热处理
6、 热处理的三要素：加热温度、保温时间、冷却速度；
第一节 钢在加热时的转变
第一步，目的是使原始组织转变为奥氏体，所以也称奥氏体化过程。然后以奥氏体为母相进行转变。
一、 钢的奥氏体化过程
2、 要使原始组织变为奥氏体，应将钢加热到A1（727℃）温度以上；具体的，亚共析钢应加热到Ac3线以上；共析钢加热到Ac1线以上；过共析钢如果进行完全奥氏体化应加热到Accm线以上。
3、 转变过程：
1） 奥氏体的形核和长大；
2） 残余渗碳体的溶解；
3） 奥氏体成分的均匀化；
一、 奥氏体晶粒度及其控制
1、 奥氏体晶粒大小对热处理的影响
细小的组织力学性能高（塑性变形和再结晶一章中已学过）；另外，如果奥氏体的晶粒细小，那么由其转变的产物也就细小；否则转变产物就比较粗大，或出现缺陷组织，还容易引起变形和开裂，所以要对奥氏体的晶粒大小进行控制。
2、 奥氏体晶粒大小的表示方法
1） 用晶粒的直径d表示；
2） 用单位面积内的晶粒数目n表示；
3） 用晶粒度等级G表示，一共分10级，其中一级最粗，10级最细；
3、 奥氏体晶粒度的控制
1） 正确制订和执行加热规范；
2） 选用长大倾向小的钢种，如用Al脱氧的钢，以及含Nb、TI、V等元素的钢；
第二节 钢在冷却时的转变
冷却是热处理的最后一个工序，也是最关键的工序，它决定了钢热处理后的组织和性能。同一种钢，加热温度和保温时间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。这是因为过冷奥氏体在冷却过程中转变成了不同的产物。那么奥氏体在冷却时转变成什么产物？有什么规律呢？这就是本次课的主要内容。
碳钢热处理时的冷却速度一般较大，大多都偏离了平衡状态（除退火外），所以热处理后的组织为非平衡组织。碳钢非平衡组织和按铁碳相图结晶得到的平衡组织相比差别很大。所以不能再用铁碳相图加以分析，而应使用C曲线来确定。
一、 共析钢等温转变C曲线
先介绍几个概念。
等温冷却和连续冷却；
过冷奥氏体：处于A1以下热力学不稳定的奥氏体，而奥氏体在A1以上是稳定的，不会发生转变。所以等温转变C曲线讲的就是过冷奥氏体在等温冷却条件下的转变规律。

（一）、等温C曲线的测定（略）
（二）、等温C曲线的结构
坐标轴、线、区的含义；
孕育期的问题，引出C曲线的“NOSE”，共析钢过冷奥氏体最不稳定的温度是550℃，也就是说其“NOSE”出现在550℃。C曲线的“NOSE”对钢的热处理影响很大，应注意。
（三）、转变产物
按照不同的冷却条件，过冷奥氏体在不同的温度范围内等温时将转变成不同的产物。

1、 珠光体类型转变
在A1--550℃之间等温时，过冷奥氏体转变成珠光体类型组织（即都是由F和Fe3C组成 ），而且等温温度越低，组织中F和Fe3C的层片间距越小，组织越细，力学性能越高。这些组织分别称为珠光体、索氏体和屈氏体，用符号P、S、T表示。其中S只有在1000倍的显微镜下才能分辨出其层片状形态；而T则只有在更高倍的电子显微镜下才能分辨出其层片状形态。
这个转变是一个扩散型相变，需要完成铁的晶格改组和碳原子的重新分布。
2、 贝氏体转变
在550℃--Ms之间等温时，过冷奥氏体发生贝氏体转变。贝氏体是过饱和F和碳化物组成的机械混合物，用符号B表示。在550℃--350℃之间 等温时，过冷奥氏体转变成上贝氏体（B上），呈黑色羽毛状，其中断续的碳化物分布在F片之间 ，这种上贝氏体力学性能较差，一般不用。在350℃--Ms之间等温时，过冷奥氏体转变成下贝氏体（B下），呈黑色针状或竹叶状，其中颗粒状碳化物分布在F片之上，这种下贝氏体具有较好的力学性能，应用广泛。

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3、 马氏体转变
1）定义
当等温温度低于Ms线时，过冷奥氏体将转变成马氏体。马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，用符号M表示。
2）形态
马氏体按形态不同分为板条状马氏体和片状马氏体两种。板条状马氏体又称为低碳马氏体，在显微镜下呈一束束的板条状；片状马氏体又称为高碳马氏体，在显微镜下呈黑色针状，其立体形状为双凸透镜状。介于二者之间的为混合马氏体，如45钢淬火后的马氏体组织。
3）晶体结构
由于马氏体中固溶了过饱合的碳，所以其晶体结构由体心立方晶格变体心正方晶格，即高度C比宽度a大，C/a称为正方度，马氏体中的含碳量越多，正方度越大，组织转变应力越大，变形或开裂的危险也就越大。
另一个要注意的问题是，在钢的相和组织中马氏体的比容最大，而奥氏体的比容最小，所以当奥氏体转变成马氏体时，钢的体积增大。这也是造成应力的主要原因。
4） 性能
马氏体是钢中最硬的组织，马氏体的硬度主要取决于其中的含碳量，与其它因素关系不大。但当含碳量增大到0.6%时,马氏体的硬度不再继续升高,大约为60-64HRC.
马氏体的高硬度主要是由于固溶强化造成的,另外还有位错和孪晶的影响,奥氏体向马氏体转变造成的组织细化也是一个因素。
原来认为马氏体是一个脆性相，但近年的研究发现，低碳板条马氏体有较好的塑性和韧性，因此常用低碳钢直接淬火得到以马氏体代替渗碳淬火。
高碳马氏体仍然是脆性较大的相。
5） 转变特点
这里主要注意两个问题。
首先，马氏体是在一个温度范围（Ms---Mf）内进行的，需要连续冷却，也就是说它不是一个等温转变。
其次，马氏体转变具有不完全性，最后总有一部分奥氏体残留下来。原因是部分钢的Mf低于室温，所以残余奥氏体的数量与Ms、Mf有关，而Ms、Mf又与钢的成分有关，含碳量和合金元素量越多，Ms、Mf越低，残余奥氏体量越多。
复习等温C曲线，然后做一个练习。
转变温度 组织名称 符号 组织特征 力学性能
727-650℃ 珠光体 P 较粗 低
650-600℃ 索氏体 S 较细 较高
600-550℃ 屈氏体 T 极细 很高
550-350℃ 上贝氏体 B上 黑色羽毛状 劣
350-230℃ 下贝氏体 B下 黑色针状 强韧性好
230℃以下 马氏体 M 板条状或片状 硬度高
将T8钢加热到800℃，充分奥氏体化。问如何冷却才能得到下列组织：P、S、T、B、M；
二、亚共析钢和过共析钢的等温C曲线
首先，这两种的等温C曲线与共析钢相比，多一条先共析转变线。亚共析钢是铁素体转变线，过共析钢是渗碳体转变线。
其次，这两种钢的等温C曲线的位置比共析钢靠左，也就是说过冷奥氏体的稳定性较差。
最后，先共析产物的数量与等温温度有关系，等温温度越低，先共析产物越少，有可能出现伪共析组织。
1、 连续冷却转变C曲线
热处理生产多为连续冷却，所以研究连续冷却C曲线的实际意义更大。
（一）、共析钢连续冷却C曲线
这个曲线最明显的特点是只有半个C，也就是没有贝氏体转变，过共析钢也是如此。这是由于贝氏体相变被大大推迟了。

图中Ps是珠光体转变开始线，Pf是珠光体转变结束线，K线是转变中止线，当冷却到这条线时过冷奥氏体要“休息一会儿”，直到冷却到Ms线时再继续转变。
钢在连续冷却转变时并不会出现新的转变，所有转变都以等温C曲线为基础。它相当于是许多时间很短的等温转变，其转变温度是在不断下降的，转变产物也在不断变化，所以连续冷却转变的产物多是混合组织。
上图冷却后，V1是珠光体；V2是S+T+M；V3是M。
VK是一个临界冷却速度，它是保证过冷奥氏体全部冷却到MS线以下转变成马氏体的最小冷却速度，称上临界冷却速度，也称淬火临界冷却速度，因为淬火时冷却速度必须大于它。
一般地，钢连续冷却转变C曲线的位置在等温C曲线的右下方，即钢在连续冷却时比在等温冷却时稳定。
2、C曲线的应用
确定等温热处理的工艺参数；
确定淬火工艺参数和淬火后组织性能；
在等温C曲线估计连续冷却时的产物。

第三节 退火和正火
前二节学习的内容是热处理的原理，从这一节开始学习热处理工艺，也就是具体的热处理实现方法。
在一个零件的加工路线中，热处理起着很重要的作用，一般有两种情况，如一个齿轮：
下料------锻造------预备热处理（退火或正火）------铣齿-------最终热处理（淬火回火）------精加工（磨削）；
其中预备热处理的作用是消除锻造的缺陷，如晶粒粗大、内应力、缺陷组织等，同时调整硬度，为后续的切削做准备。最终热处理的作用是使材料具有使用状态下的性能，如强度、硬度等。
一、 钢的退火
1、 定义
2、 特点：缓冷，一般用随炉冷却。过冷奥氏体在C曲线的上部进行转变，热处理后的组织接近于平衡组织，以珠光体为主。亚共析钢为F+P，共析、过共析钢为球状珠光体。
3、 用途：降低硬度，以利于切削（比较适合的切削硬度为160---260HBS）；消除内应力，稳定尺寸，防止变形或开裂；消除偏析，均匀成分；
4、 分类：
1） 完全退火：适用于亚共析钢的铸件、锻件、焊接件，（目的同上）。工艺参数为：加热到Ac3+30--50℃，保温，随炉冷却到600℃出炉空冷。
2） 等温退火：原理与完全退火相同，主要是为了缩短工艺周期，特别是对一些大型合金钢件的退火。
3） 球化退火：适用于共析及过共析钢，目的是为了获取球状珠光体，降低这些高碳钢的硬度，以利于切削。所有的高碳钢在切削之前一般都要进行球化退火。工艺参数为：加热到Ac1+30--50℃，保温，随炉冷却或等温冷却；
4） 均匀化退火：一般用于铸件，消除偏析，使成分均匀；通常是将钢加热到固相线以下100--200℃长时间保温，使原子充分扩散。
5） 去应力退火：属于低温热处理，加热温度一般在A1线以下，对于钢来说，大约为600℃。
二、 正火
将钢加热到Ac或Accm线以上完全A化，然后在空气中冷却的一种热处理工艺。它的主要特点是空冷，对于大型零件或在炎热地区，也可用风冷或喷雾冷却。
正火和退火的区别主要有以下几点：
1、 正火的加热温度较高；
2、 正火的冷却速度比退火快，热处理后的组织比退火细，先共析相数量也较少，所以正火后的性能比在退火时高；
3、 正火的用途也和退火有所不同：
1） 正火能提高硬度，一般用于低碳钢的预备热处理；
2） 正火可以消除魏氏组织、粗大组织、网状组织等；如过共析钢在球化退火之前，应先用正火消除网状的Fe3CⅡ；
3） 对于一些大件，正火可代替调质作为最终热处理使用；

第四节 钢的淬火
将钢加热到Ac1或Ac3以上30--50℃，适当保温，然后快速冷却，获取马氏体或下贝氏体的一种热处理工艺。
淬火是一种很早就应用的热处理工艺，它的目的是获得马氏体或下贝氏体，但主要是马氏体。从性能上看，它是为了强化材料，提高材料的强度或硬度。
一、 淬火工艺
为了获得好的淬火效果，就必须制定正确的淬火工艺参数。
1、 加热温度
根据钢的成分确定，亚共析钢加热到Ac3+30--70℃，共析、过共析钢加热到Ac1+30--70℃；
根据铁碳相图进行解释。

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例如，45钢的Ac3=780℃，其淬火温度为840--860℃；
T8、T12钢的Ac1=730℃，其淬火温度为760--780℃；
合金钢由于合金元素的影响，加热温度比碳钢高，具体情况可以查阅热处理手册。
2、 加热时间
一般将升温时间和保温时间加在一起，称为加热时间。加热时间的确定应考虑二个问题，一个是材料的均温，一个是组织转变的时间。淬火加热时间与零件的尺寸和加热设备有关，可按下列经验公式确定；
τ=α×D；
其中α是系数，一般取1—1.5；D是零件的有效厚度。
3、 淬火冷却介质
淬火冷却速度应大于VK，但不是越快越好，在保证大于VK的前提下应尽量缓慢，这主要是为了避免出现大的应力，引起变形或开裂。
1） 理想淬火冷却介质
“NOSE”处要快，以避开它，保证获得全部的马氏体组织；而在“NOSE”下面，特别是在Ms线以下要慢，以避免变形和开裂。
但是实际使用的淬火介质都不满足这个条件，（介绍常用的淬火介质）水、油、盐水、碱水等。
二、 淬火方法
1、 单液淬火
碳钢在水中淬火、合金钢在油中淬火，
它的优点是操作方便，容易实现机械化
和自动化。缺点是在水中淬火容易变形
和开裂；在油中容易出现软点。
2、 双液淬火
克服单淬火的缺点，主要有水---油、油---空气等。要熟练操作需要一定的经验。
3、 分级淬火
主要是为了最大限度的减小内应力。常用的是在Ms线附近进行分级，适用于截面较小的合金钢件。
4、 等温淬火
为了获得下贝氏体，等温温度选取在稍高于Ms温度，保温足够时间，使钢发生贝氏体转变。等温淬火的好处是内应力小，组织性能高，淬火后不需要回火，如T7做的螺丝刀。
5、 局部淬火
有些工件只要局部较高的硬度，如菜刀、凿子、卡规等，因此淬火时只将需要硬化的部位进行加热淬火。
三、 钢的淬透性
工件淬火时，特别是大件淬火时表面和心部的冷却速度是不一致的，如果表面和心部的冷却速度都大于V，那么工件同表及里都得到了马氏体，就是工件被淬透了；如果仅表面一定厚度的冷却速度大于V，而心部的冷却速度小于V，那么仅表面一层得到了马氏体，而心部得到了非马氏体组织，就是说工件没有被淬透；如图。淬透性就是表示材料接受淬火的能力。
1、淬透性：钢在淬火条件下得到M组织或淬透层深度的能力，是钢的固有属性。取决于VK（上临界冷却速度）。
在实际生产中, 往往要测定淬火工件的淬透层深度, 所谓淬透层深度即是从试样表面至半马氏体区(马氏体和非马氏体组织各占一半)的距离。在同样淬火条件下, 淬透层深度越大, 则反映钢的淬透性越好。
2．淬硬性，钢在淬火后获得硬度的能力，取决于M中C%，
C%↑→淬硬性↑
3．影响淬透性的因素——VK，C曲线

C% 亚共析钢 C%↑→淬透性↑，过共析钢C%↑→淬透性↓
奥氏体化温度 T↑t↑→淬透性↑
合金元素 除Co%以外，C曲线右移，↑淬透性
未溶第二相 ↓淬透性

4.钢的淬透性测定

用末端淬火法测定钢的淬透性
淬透性可用“末端淬火法”来测定(见GB225-63)。将标准试样(Φ25×100mm)加热奥氏体化后, 迅速放入末端淬火试验机的冷却孔中, 喷水冷却。规定喷水管内径12.5mm, 水柱自由高度65±5mm, 水温20-30℃。图2-84(a)为末端淬火法示意图。显然, 喷水端冷却速度最大, 距末端沿轴向距离增大, 冷却速度逐渐减小, 其组织及硬度亦逐渐变化。在试样测面沿长度方向磨一深度0.2-0.5mm的窄条平面, 然后从末端开始,每隔一定距离测量一个硬度值, 即可测得试样沿长度方向上的硬度变化, 所得曲线称为淬透性曲线。
实验测出的各种钢的淬透性曲线均收集在有关手册中。同一牌号的钢, 由于化学成分和晶粒度的差异, 淬透性曲线实际上为有一定波动范围的淬透性带。
根据GB225-63规定, 钢的淬透性值用 表示。其中J表示末端淬火的淬透性, d表示距水冷端的距离, HRC为该处的硬度。例如, 淬透性值 , 即表示距水冷端5mm试样硬度为42HRC。

淬火试样断面上马氏体量和硬度的变化
4．淬透性的应用
（1）根据服役条件，确定对钢淬透性的要求——选材的依据
（2）热处理工艺制定的依据
（3）尺寸效应

利用淬透性曲线, 可比较不同钢种的淬透性。淬透性是钢材选用的重要依据之一。 利用半马氏体硬度曲线和淬透性曲线，找出钢的半马氏体区所对应的距水冷端距离。该距离越大，则淬透性越好。图中可知40Cr钢的淬透性比45钢要好。
淬透性不同的钢材经调质处理后, 沿截面的组织和机械性能差别很大。图中40CrNiMo钢棒整个截面都是回火索氏体, 机械性能均匀, 强度高, 韧性好。而40Cr、40钢的都为片状索氏体+铁素体, 表层为回火索氏体, 心部强韧性差。截面较大、形状复杂以及受力较苛刻的螺栓、拉杆、锻模、锤杆等工件，要求截面机械性能均匀，应选用淬透性好的钢。而承受弯曲或扭转载荷的轴类零件、外层受力较大，心部受力较小，可选用淬透性较低的钢种。

§5-5回火
工件淬火后不能直接使用，主要原因有三：
1、 马氏体是不稳定组织；另外还有一定数量的残余奥氏体；
2、 淬火后的性能不能满足工件的使用要求，如脆性太大；
3、 淬火后工件内部有内应力，会导致工件的变形或开裂；
因此工件淬火后还应进行回火，（例子）。
钢件淬火后, 为了消除内应力并获得所要求的组织和性能, 将其加热到Ac1以下某一温度, 保温一定时间, 然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。
一、回火时钢组织和性能的变化
1、 钢组织的变化
非常复杂。一般是马氏体由过饱和状态向非饱和状态转变，也就是碳以一定的形式析出；残余奥氏体也发生变化 ，它们的最后转变产物是铁素体和渗碳体。
2、 钢性能的变化
随回火温度升高，马氏体中的碳不断析出，所以钢的强度、硬度不断下降，而塑性、韧性不断升高。
二、回火的分类和应用
1．低温回火
回火温度为150℃～250℃。在低温回火时，从淬火马氏体内部会析出碳化物薄片（Fe2.4C）, 马氏体的过饱和度减小。部分残余奥氏体转变为下贝氏体, 但量不多。所以低温回火后组织为回火马氏体＋残余奥氏体。下贝氏体可忽略。
低温回火的目的是降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度(一般为58HRC～64HRC)和高耐磨性。适用于工具、模具和表面处理件。
2．中温回火
回火温度为350℃～500℃，得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，叫做回火屈氏体(回火T)。铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。
回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35HRC～45HRC。适用于弹簧等弹性元件。
3. 高温回火
回火温度为500℃～650℃, 得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织, 称回火索氏体。
在生产中将淬火后高温回火的复合热处理工艺称为调质，调质后得到的回火索氏体具有良好的综合力学性能，广泛用于轴类、齿轮、连杆等受力复杂的零件，回火后硬度大约为200~330HBS。
§5-6 钢的表面热处理
在生产中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性能，一般是表面硬度高，有较高的耐磨性和疲劳强度；而心部要求有较好的塑性和韧性。在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热处理方法，都有不能满足其要求。解决这一问题的方法是表面热处理和化学热处理。
仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理, 也叫表面淬火。
一.感应加热表面热处理
1.感应加热的基本原理
感应线圈中通以交流电时，即在其内部和周围产生一与电流相同频率的交变磁场。若把工件置于磁场中，则在工件内部产生感应电流，并由于电阻的作用而被加热。由于交流电的集肤效应，靠近工件表面的电流密度大，而中心几乎为零。工件表面温度快速升高到相变点以上，而心部温度仍在相变点以下。感应加热后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶液喷射淬火，淬火后进行180-200℃低温回火，以降低淬火应力，并保持高硬度和高耐磨性。
表面淬火一般用于中碳钢和中碳低合金钢,如45、40Cr、40MnB钢等。用于齿轮、轴类零件的表面硬化，提高耐磨性。
2.感应加热表面热处理的特点：
(1) 高频感应加热时，钢的奥氏体化是在较大的过热度（Ac3以上80℃～150℃)进行的, 因此晶核多, 且不易长大。
(2) 表面层淬得马氏体后, 由于体积膨胀在工件表面层造成较大的残余压应力, 显著提高工件的疲劳强度。
(3) 因加热速度快，没有保温时间，工件的氧化脱碳少。另外，由于内部未加热，工件的淬火变形也小。
(4) 加热温度和淬硬层厚度（从表面到半马氏体区的距离）容易控制，便于实现机械化和自动化。

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二.火焰加热表面淬火
火焰加热表面淬火是用乙炔－氧或煤气－氧等火焰加热工件表面，进行淬火。
火焰加热表面淬火和高频感应加热表面淬火相比，具有设备简单，成本低等优点。但生产率低，零件表面存在不同程度的过热，质量控制也比较困难。因此主要适用于单件、小批量生产及大型零件（如大型齿轮、轴、轧辊等）的表面淬火。