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第一章 金属材料及热处理基础 1

第一节 钢的热处理基础知识 1

一、铁碳合金相图 1

（一）Fe-Fe3 C及Fe-C合金相图的结构 2

（二）Fe-Fe3 C及Fe-C合金相图中重要的点和线 2

二、合金元素在钢中的作用 5

（一）合金元素与铁和碳的作用及其在钢中的分布 5

（二）合金元素对Fe-Fe3 C相图的影响 7

（三）合金元素对钢的相变和热处理的影响 8

（四）合金元素对过冷奥氏体转变的影响 9

（五）合金元素对淬火钢回火转变的影响 9

（六）非调质机械结构钢中的微合金元素 10

三、钢的热处理原理 10

（一）钢在加热过程的组织转变 10

（二）钢的过冷奥氏体转变 10

四、钢铁的常规热处理工艺 12

（一）钢铁零件的退火 12

（二）钢铁零件的正火处理 16

（三）钢铁零件退火、正火常见缺陷 17

（四）钢的淬火 17

（五）钢在回火时的转变 24

（六）钢的冷处理 27

五、金属材料的性能与材料的选择 28

六、钢的生产加工过程对钢组织和性能的影响 31

（一）冶炼过程对钢组织和性能的影响 31

（二）铸造过程对钢组织和性能的影响 37

（三）压力加工过程对钢组织和性能的影响 39

（四）焊接对钢组织和性能的影响 43

（五）零件设计、机械加工对热处理的影响 43

第二节 碳钢、易切削钢、铸钢的牌号、临界点、性能与热处理工艺 48

一、碳钢的分类、性能及常用热处理方法 48

二、碳素结构钢的牌号、临界点、性能与热处理工艺 49

三、碳素工具钢的牌号、临界点、性能与热处理工艺 52

四、易切削结构钢的牌号、类型与两种状态下的纵向力学性能 52

五、工程用铸钢的牌号、性能与热处理工艺 54

第三节 合金结构钢的牌号、临界点、性能与热处理工艺 61

一、合金钢的分类 61

二、合金结构钢的牌号、临界点与热处理工艺 62

三、低合金高强度结构钢的牌号与性能 66

四、弹簧钢的牌号、临界点、性能与热处理工艺 68

五、轴承用钢的牌号、临界点、性能与热处理工艺 68

六、非调质机械结构钢的牌号与性能 71

第四节 合金工具钢的牌号、临界点、性能与热处理工艺 72

一、高速工具钢的牌号、临界点、性能与热处理工艺 72

二、冷作模具钢的牌号、临界点、性能与热处理工艺 72

三、热作模具钢的牌号、临界点、性能与热处理工艺 72

四、塑料模具钢的牌号、临界点、性能与热处理工艺 72

五、量具刃具用钢的牌号、临界点、性能与热处理工艺 72

六、耐冲击工具用钢的牌号、临界点、性能与热处理工艺 72

七、无磁模具钢的牌号、临界点、性能与热处理工艺 72

八、部分美国工具钢的淬火-回火参考工艺规范 72

九、部分美国高速钢的淬火-回火参考工艺规范 72

第五节 特殊性能钢的牌号、性能与热处理工艺 79

一、不锈钢的性能与热处理工艺 79

二、耐热钢的性能与热处理工艺 85

三、耐磨钢的水韧处理 87

四、核电装备用材料与热处理工艺 88

五、高温合金的牌号与热处理工艺 89

（一）高温合金牌号命名法 91

（二）铁基变形高温合金的热处理工艺 91

（三）镍基变形高温合金的热处理工艺 94

（四）铸造高温合金的热处理工艺 97

第六节 铸铁的牌号、性能与热处理工艺 99

一、灰铸铁 99

（一）灰铸铁的牌号与性能 99

（二）灰铸铁的热处理工艺 101

二、球墨铸铁 103

（一）球墨铸铁的牌号与性能 103

（二）球墨铸铁的热处理工艺 106

三、可锻铸铁 108

（一）可锻铸铁的牌号与性能 108

（二）可锻铸铁的热处理工艺 109

四、蠕墨铸铁 110

五、耐磨铸铁 110

六、抗磨铸铁 111

七、耐热铸铁 112

八、高硅耐蚀铸铁 112

第七节 有色金属的牌号、性能与热处理工艺 113

一、铝及铝合金 113

（一）铝的性能 113

（二）工业纯铝的牌号及化学成分 113

（三）变形铝合金 114

（四）铸造铝合金 127

（五）铝合金热处理常见缺陷及预防对策 131

二、铜及铜合金 131

（一）纯铜 131

（二）铜合金 132

三、镁及镁合金 143

四、钛及钛合金 148

（一）钛及钛合金的牌号及化学成分 149

（二）钛及钛合金的热处理 152

（三）钛合金的热氢处理 158

五、形状记忆合金 159

六、膨胀合金 161

第八节 铁基粉末冶金材料的牌号、性能与热处理工艺 163

一、铁基粉末冶金材料的牌号和特点 163

二、铁基粉末冶金材料的标记方法 164

三、铁基粉末冶金件的制造工艺流程 166

四、粉末冶金材料的热处理 166

第二章 真空热处理 167

第一节 真空获得技术、真空测量和真空检漏 167

一、真空基本知识 167

二、真空获得技术 168

（一）真空热处理炉常用的真空泵 168

（二）真空系统 169

（三）真空系统的主要附件 171

三、真空测量 172

四、真空检漏 173

第二节 真空热处理工艺 176

一、真空热处理工艺原理 176

二、真空热处理加热工艺参数的确定 178

三、真空热处理的冷却方法 181

（一）真空油淬 181

（二）真空气淬 183

（三）其他冷却方法 189

四、真空气淬热处理技术的发展动向 189

五、真空热处理工艺 192

（一）真空退火 192

（二）真空淬火、真空回火 195

六、真空渗碳 210

（一）常规的真空渗碳 210

（二）低压真空渗碳 212

（三）AvaC乙炔低压渗碳 215

（四）真空渗碳的发展 217

第三节 真空热处理炉 217

一、真空热处理炉的分类及功率确定 217

二、真空热处理炉的主要结构 219

（一）炉壳 219

（二）加热器 219

（三）隔热屏 222

（四）真空隔热闸门 224

三、常用真空热处理炉简介 225

（一）外热式真空热处理炉 225

（二）内热式真空热处理炉 225

（三）抽空炉 234

（四）真空回火炉 235

（五）真空退火炉 236

四、真空热处理炉的辅助设施 236

（一）真空热处理炉循环水冷却系统 236

（二）氮气供给系统 240

五、真空热处理炉的选用、保养及其他 240

（一）真空热处理炉的选用原则 240

（二）真空热处理炉的基本技术指标 241

（三）真空热处理炉的性能试验方法 241

（四）真空热处理炉的验收工作 242

（五）真空热处理炉的保养技术 243

第三章 表面改性热处理 245

第一节 表面加热淬火 245

一、火焰淬火 245

二、脉冲淬火 248

第二节 钢的渗碳 250

一、概述 250

二、固体渗碳 250

三、气体渗碳 251

四、渗碳后的热处理 260

五、渗碳工艺的发展 261

（一）高温渗碳 261

（二）深层渗碳 263

（三）高浓度渗碳（碳氮共渗） 263

（四）真空渗碳 264

六、渗碳件的常见缺陷、产生原因及防止措施 264

第三节 钢的渗氮 266

一、基本概念 267

二、常用渗氮钢及其预备热处理 269

三、气体渗氮 270

（一）工件渗氮前的准备工作 270

（二）气体渗氮工艺 271

（三）典型工件应用实例 272

四、离子渗氮 274

（一）工件渗氮前的准备工作 274

（二）离子渗氮工艺 274

（三）典型工件应用实例 276

五、渗氮工艺的发展 277

（一）活性屏离子渗氮 277

（二）不锈钢固溶渗氮（真空渗氮） 278

（三）不锈钢的低温渗氮和渗碳 280

六、渗氮件的常见缺陷、产生原因及防止措施 283

第四节 碳氮共渗与氮碳共渗 285

一、气体碳氮共渗 285

（一）气体碳氮共渗前的准备工作 285

（二）气体碳氮共渗工艺 285

（三）典型工件应用实例 287

（四）碳氮共渗用钢及共渗后的热处理 288

（五）碳氮共渗件的常见缺陷、产生原因及防止措施 288

二、气体氮碳共渗 289

（一）气体氮碳共渗前的准备工作 289

（二）气体氮碳共渗工艺 290

（三）应用实例 291

（四）气体氮碳共渗件的常见缺陷、产生原因及防止措施 292

三、液体氮碳共渗 293

（一）液体氮碳共渗前的准备工作 293

（二）液体氮碳共渗工艺 293

（三）氮碳共渗用钢及共渗后的性能 295

（四）液体氮碳共渗的常见缺陷、产生原因及防止措施 296

第五节 激光热处理 296

一、激光发生器 297

二、激光加热金属的特点 300

三、激光淬火 301

（一）激光淬火的适用钢材和铸铁 301

（二）激光淬火前的准备工作 301

（三）激光淬火工艺 302

（四）应用实例 302

第六节 气相沉积表面改性 303

一、概述 303

二、物理气相沉积技术 304

（一）真空蒸发镀 305

（二）溅射镀 306

（三）离子镀 309

三、化学气相沉积 311

（一）CVD中的化学反应 312

（二）CVD常用的硬质涂层方法 314

（三）其他方法 316

四、气相沉积技术的应用和发展 317

（一）气相沉积硬质涂层 318

（二）CVD涂层工具钢的热处理 319

第四章 感应热处理 321

第一节 感应加热原理 321

一、电磁感应 321

二、表面效应（集肤效应） 321

三、邻近效应 322

四、圆环效应 322

五、导磁体槽口效应 322

六、尖角效应 322

第二节 感应热处理工艺 322

一、硬化层深度 322

二、电流频率 322

三、功率 324

四、加热方法和冷却方式 329

五、感应淬火温度 330

六、冷却方法和冷却介质 332

七、感应淬火件的回火 333

八、工件感应淬火硬化区域的合理分布 335

第三节 感应器的选用和设计制作 336

一、工频感应器设计 337

二、中高频感应器设计 338

三、常用中高频感应器举例 340

第四节 感应热处理设备 344

一、高频感应加热电源装置 344

二、中频感应加热电源装置 346

三、超音频感应加热电源装置 347

四、工频感应加热电源装置 348

五、感应淬火机床 348

（一）淬火机床的选择 348

（二）常用感应淬火机床规格 349

第五节 感应热处理件的常见缺陷及预防措施 351

第五章 控制（可控）气氛热处理 353

第一节 控制气氛基础知识 353

一、几个物理量及相关定律 353

二、气氛的主要组成 356

三、炉内气氛的气体反应 357

四、气氛的碳势 358

第二节 常用热处理气氛及其获得 361

一、常用热处理气氛 361

二、制备气氛的主要原料 362

三、常用气氛的制备 365

四、气氛的分析测量和仪器设备 369

第三节 控制气氛热处理炉 372

一、控制气氛热处理炉的特性和基本要求 372

二、常用控制气氛热处理炉 372

第四节 控制气氛热处理操作的安全 378

一、预防火灾和爆炸 378

二、预防窒息和中毒 379

三、车间安全生产指南 381

第六章 淬火冷却和冷却介质 382

第一节 钢的过冷奥氏体冷却转变 382

一、过冷奥氏体等温冷却转变 382

二、过冷奥氏体连续冷却转变 384

三、钢的过冷奥氏体冷却曲线 386

第二节 淬硬性和淬透性 401

一、淬硬性 401

二、淬透性 401

三、影响淬透性的因素 416

第三节 淬火冷却烈度和淬透层深度 418

一、淬火冷却烈度 418

二、淬透层深度（淬硬层厚度） 419

第四节 淬火冷却介质的选择与检测 420

一、淬火冷却介质的分类与选择原则 420

二、淬火冷却介质的性能和质量评判 421

三、淬火冷却介质的检测方法 422

第五节 油冷却介质 423

一、一般淬火油 424

二、专用淬火油 425

三、真空淬火油 428

四、淬火油的氧化/老化 429

第六节 水及水溶性淬火介质 430

一、水及无机物水溶性淬火介质 430

二、有机聚合物水溶液淬火介质 432

第七节 淬火介质的使用和维护 435

一、淬火油常见问题及解决对策 435

二、水基淬火液常见问题及解决对策 436

第七章 典型零件热处理 438

第一节 机床零件热处理 438

一、机床导轨热处理 438

二、机床主轴热处理 439

三、机床丝杆热处理 441

第二节 汽车、拖拉机及动力机械零件热处理 441

一、汽车、拖拉机零件热处理 441

二、动力机械零件热处理 446

第三节 大件热处理 456

一、大型锻件热处理 456

（一）大型锻件的冶金特点 456

（二）大型锻件的锻后热处理 456

（三）大型锻件的最终热处理 458

二、轧辊热处理 467

（一）热轧锻钢工作辊热处理 467

（二）冷轧锻钢工作辊热处理 469

（三）冷硬铸铁轧辊热处理 470

三、大型重载齿轮渗碳淬火 472

（一）大型重载齿轮的服役条件与失效形式 472

（二）大型重载齿轮的热处理质量控制 472

（三）大型重载齿轮渗碳淬火工艺 472

四、汽轮机零件热处理 473

（一）汽轮机零件的常用热处理工艺 473

（二）部分汽轮机零件的热处理 474

第四节 量、刃具热处理 477

一、量具热处理 477

（一）游标卡尺尺身和尺框热处理 477

（二）标准硬度块热处理 478

二、刃具热处理 479

（一）锥柄麻花钻热处理 479

（二）机用丝锥热处理 481

（三）齿轮滚刀热处理 483

（四）高速切削滚刀热处理 484

（五）剃齿刀热处理 486

（六）拉刀热处理 486

第五节 模具热处理 489

一、模具的工作条件、性能要求及材料 489

二、常用模具钢的预备热处理 492

三、常用模具钢的热处理工艺 495

四、典型模具热处理实例 500

（一）塑料模具 500

（二）冷作模具 501

（三）热作模具 503

第六节 紧固件、滚动轴承零件热处理 506

一、紧固件热处理 506

二、滚动轴承零件热处理 509

（一）滚动轴承的结构、服役条件和失效形式 509

（二）轴承材料的基本要求 509

（三）滚动轴承零件热处理的特点 510

（四）相关标准 510

（五）滚动轴承钢的常规热处理 511

（六）轴承零件的表面热处理 515

（七）滚动轴承零件的渗碳淬硬处理 515

第八章 热处理件的质量检测及评定分析 517

第一节 常用力学性能试验 517

一、力学性能试验的取样及制作 517

二、金属拉伸试验 517

三、金属弯曲试验 522

四、金属冲击试验 524

五、其他力学性能试验 526

六、影响金属材料力学性能的因素 533

第二节 硬度试验 536

一、金属布氏硬度试验 536

二、金属洛氏及表面洛氏硬度试验 539

三、金属维氏硬度试验 541

四、金属肖氏硬度试验 543

五、金属里氏硬度试验 544

六、其他硬度试验（努氏、韦氏） 545

七、各种硬度值之间的换算及硬度与强度的换算 546

八、钢铁热处理件的硬度检验通则 546

第三节 无损探伤 547

一、磁粉探伤 547

二、超声探伤 549

三、渗透探伤 551

第四节 金相分析与评定 552

一、取样与制作 552

二、非金属夹杂物含量测定 555

三、金属材料晶粒度评定 557

四、带状组织（偏析）评定 558

五、魏氏组织评定 559

六、球粒状珠光体（球化体）评定 560

七、马氏体组织评定 562

八、残余奥氏体含量评定 568

九、碳化物级别评定 569

十、化学热处理件铁素体评定 571

十一、化学热处理渗层深度金相测定 573

十二、渗金属层检验 574

十三、过热、过烧组织评定（工具钢、铝合金） 574

十四、有效硬化层及硬化层深度的测定 575

第五节 金属材料化学分析方法 576

一、取样方法与规定 576

二、常用化学分析方法 577

三、微区成分分析方法 579

四、化学分析的允许偏差 579

第六节 钢的火花鉴别 584

一、火花鉴别的原理 584

二、火花鉴别的设备和方法 584

三、钢件火花的特征 585

四、钢种推定顺序 588

五、常用钢火花参考图 589

第七节 热处理工艺质量检验 591

一、正火与退火工件的质量检验 591

二、淬火与回火工件的质量检验 592

三、渗碳及碳氮共渗工件的质量检验 592

四、渗氮及氮碳共渗工件的质量检验 594

五、感应加热淬火件的质量检验 596

第八节 热处理件相关失效分析方法 598

一、失效和失效类型 598

二、失效分析基本思路 599

三、失效分析基本程序 600

四、热处理件常见缺陷及对失效行为的一般影响 600

五、裂纹的基本分析 601

六、宏观断口的基本识别 604

七、微观断口的基本识别 607

八、热处理件的畸变及基本测量 609

第九章 热处理通用设备 610

第一节 加热设备 610

一、电阻炉设备编号 610

二、电阻炉的主要类型 610

（一）箱式电阻炉 610

（二）井式电阻炉 612

（三）台车式电阻炉 614

（四）井式渗碳炉 616

（五）盐浴炉 617

（六）流态粒子炉 623

（七）离子渗氮设备 625

三、燃料炉 627

第二节 冷却设备 637

一、淬火槽 637

（一）淬火冷却水槽 637

（二）淬火冷却油槽 638

（三）淬火冷却浴槽 639

（四）淬火槽的主要附加装置 640

二、喷雾冷却和喷液冷却装置 641

三、循环冷却系统 641

（一）循环冷却系统的类型 641

（二）循环冷却系统的组成 642

四、冷处理设备 647

第三节 辅助设施 649

一、工装夹具 649

（一）工装夹具的设计原则 649

（二）常用的工装夹具 649

二、起重运输机械 653

三、喷砂机 653

第四节 热工仪表 653

一、传感器（温度测量元件）与温度计 654

二、温度显示与调节仪表 663

三、温度控制系统的应用 669

四、热处理炉内的气氛控制系统 672

五、无纸记录仪 675

六、流量计 676

七、压力测量仪表 677

第五节 筑炉材料 678

一、耐火材料 678

二、保温材料 685

三、耐热构件用金属材料 687

四、电热材料与电热元件 688

第十章 热处理安全、卫生、环保要求及节能 702

第一节 热处理生产的安全、卫生要求 702

一、热处理生产中危险因素及有害因素 702

二、热处理生产中危险或有害的生产物料和剩余物料 703

三、热处理生产厂房及作业环境的安全及卫生要求 703

（一）厂房建设要求 703

（二）热处理作业环境要求 704

四、热处理工作场所空气中有害物质的限值（GB/T27946—2011） 704

（一）现行热处理工作场所空气中的有害物质 704

（二）热处理工作场所空气中有害物质的容许浓度 705

（三）热处理工作场所空气中有害物质的检测 706

（四）热处理工作场所空气中有害物质的处理及排放 706

五、热处理生产装置的安全、卫生要求 706

（一）电阻炉 706

（二）燃料炉 706

（三）感应加热装置（GB5959.3—2008） 706

（四）真空热处理设备 707

（五）气体发生装置 707

（六）淬火、回火油槽 707

（七）盐浴炉 708

（八）等离子体热处理设备 708

（九）激光热处理设备 708

（十）冷处理设备 708

（十一）清洗设备 708

（十二）喷砂、喷丸设备 708

（十三）校正装置 708

（十四）夹具、工装及辅助设施 708

六、热处理工艺作业的安全、卫生要求 708

（一）整体热处理 708

（二）表面热处理 709

（三）化学热处理 709

（四）真空热处理 709

（五）盐浴热处理 710

七、热处理生产中的消防及防爆 710

（一）消防 710

（二）防爆 712

八、热处理安全、卫生防护技术措施及管理措施 712

（一）热处理安全、卫生防护技术措施 712

（二）热处理安全、卫生管理措施 713

第二节 热处理的环境保护技术要求及环保治理 714

一、热处理环境污染的分类和来源 714

二、大气污染物的排放与治理 715

三、废水控制与治理 716

四、固体废物及其无害化处理 717

第三节 节能及热处理能耗 718

一、热处理的节能途径 718

二、热处理的工艺电耗与综合工艺电耗的计算 719

三、热处理电炉节能监测 721

四、热处理电热设备的节能减排管理 722

五、热处理能耗限额 723

新技术展望 725

展望一 用于超高强度钢的淬火-碳分配-回火（沉淀）（Q-P-T）工艺&徐祖耀 725

一、Q-P工艺和Q-P-T工艺 725

二、Q-P-T钢的显微组织、性能、成分和热处理设计 725

三、Q-P-T工艺的典型应用 726

展望二 计算机模拟在热处理中的应用&潘健生 顾剑锋 727

一、导言 727

二、回顾 727

三、热处理计算机模拟的应用实例 728

四、计算机模拟在热处理上应用的前景 747

展望三 淬火-分配-回火工艺的发展及其在工程中的应用&戎咏华 749

一、Q-P-T工艺及其优点 750

二、高强塑性Q-P-T钢及其增塑机制 751

三、Q-P-T工艺的发展 754

四、MQ-P-T工艺用于工件处理的基础和应用实例 756

五、MQ-P-T工艺工程应用实例 759

附录 764

附录一 热处理专业名词解释 764

一、总类 764

二、退火、正火类 766

三、淬火类 767

四、回火类 769

五、固溶热处理类 770

六、渗碳类 770

七、渗氮类 771

八、渗其他非金属类及渗金属类 772

九、共渗类 772

十、表面处理及复合热处理类 773

十一、沉积及激光类 773

十二、组织类 774

十三、缺陷及失效类 776

十四、热处理设备类 777

附录二 标准代号及常用计量单位 779

一、标准代号 779

二、热处理常用计量单位 779

附录三 常用结构钢、工模具钢、不锈耐热钢和铸铁的化学成分及中外牌号对照 780

一、常用结构钢的化学成分和中外钢号对照 780

二、常用工模具钢的化学成分和中外钢号对照 784

三、常用不锈钢、耐热钢的化学成分和中外钢号对照 786

四、常用铸铁的化学成分和中外牌号对照 787

附录四 国内外部分高速钢、粉末冶金高速钢的牌号、淬火温度与硬度 789

一、国内外部分高速钢的牌号、淬火温度与硬度 789

二、粉末冶金高速钢的牌号、淬火温度与硬度 790

附录五 不锈钢、耐热钢新旧牌号对照 791

附录六 铸造形变铝、铜、钛、镁合金中外牌号对照 793

一、铸造铝合金的中外牌号对照 793

二、变形铝及铝合金的中外牌号对照 794

三、铜合金的中外牌号对照 795

四、镁合金的中外牌号对照 796

五、钛合金的中外牌号对照 796

附录七 洛氏、表面洛氏、肖氏与布氏、维氏硬度换算对照 797

一、洛氏硬度HRC与其他硬度的换算对照 797

二、黑色金属各种硬度之间的换算 798

三、肖氏硬度与洛氏、布氏、维氏硬度的换算 800

附录八 里氏硬度计检定规程 801

附录九 调质、轴类、套类及不同钢材套类零件热处理时需预留的加工余量 802

一、调质件的加工余量 802

二、轴类零件热处理时外圆预留的磨削余量 803

三、套类零件热处理时预留的磨削余量 803

四、不同钢材套类零件的预留余量 804

附录十 常用钢材水、油、分级、等温淬火及按表面至半马氏体组织深度所确定的临界淬火直径 805

一、常用钢材淬火后表面硬度HRC与截面厚度或直径的关系 805

二、常用钢材在不同介质中淬火及分级淬火时的临界尺寸 806

三、常用钢材等温淬火的最高硬度和最大有效厚度 806

四、按表面至半马氏体组织的深度作为淬透性的判断标准的淬火临界直径 806

附录十一 钢的热处理工艺经验公式 808

一、热处理相变点的计算 808

二、钢的临界冷却速度的计算 809

三、钢预冷淬火时空气预冷时间ty（s）和Ms点以上分级冷却时间tf（s）的计算 809

四、钢的淬火硬度计算 809

五、钢回火后的硬度计算 810

附录十二 化学元素周期表 811

参考文献 812