第三章 钢的热处理和表面改性精选文档.ppt

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1、第三章 钢的热处理和表面改性本讲稿第一页，共四十页 3-1 钢钢在在热处热处理理时时的的组织转变组织转变 1 复习“钢在室温下的平衡平衡组织”：亚共析钢，共析钢，过共析钢的组织组成物。2以共析钢为例，了解钢在加热时（727C以上）组织的转变。（相图上组织和相的转变是可逆的。）3影响奥氏体晶粒大小的因素。Fe-Fe3C相图相图本讲稿第二页，共四十页一 钢在加热时组织的转变（以共析钢为例）1 共析钢加热到727C（A1)以上，珠光体转变成奥氏体。（四个阶段）转变步骤转变步骤奥氏体奥氏体形核形核奥氏体奥氏体核长大核长大残余渗碳残余渗碳体溶解体溶解奥氏体成奥氏体成分均匀化分均匀化(a)(b)(c)(d

2、)本讲稿第三页，共四十页2、奥氏体晶粒大小奥氏体晶粒大小（1 1）影响因素：加热温度和保温时间。影响因素：加热温度和保温时间。（2）钢加热时的缺陷：过热；氧化；脱碳）钢加热时的缺陷：过热；氧化；脱碳本讲稿第四页，共四十页二、钢在冷却时的组织转变（重点内容）二、钢在冷却时的组织转变（重点内容）知识要点知识要点n过冷奥氏体等温转变产物及其性能；过冷奥氏体等温转变产物及其性能；n影响影响c曲线的因素曲线的因素n应用等温转变图判断钢冷却至室温的组织应用等温转变图判断钢冷却至室温的组织本讲稿第五页，共四十页一）、过冷奥氏体一）、过冷奥氏体定义：把在定义：把在727 C以下尚未发生转变的不稳定奥氏体称为以

3、下尚未发生转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体。过冷奥氏体转变是在临界点以下某个恒温下某个恒温下发生，就称为过冷奥氏体的等温转变等温转变。转变在连续冷却连续冷却的过程中发生，称为过冷奥氏体的连续冷却转变连续冷却转变。二二过冷奥氏体等温转变图（共析钢）过冷奥氏体等温转变图（共析钢）1等温转变图的建立等温转变图的建立试验测定试验测定本讲稿第六页，共四十页2等温转变图等温转变图又称又称TTT图图或者或者C曲线曲线转变开始线本讲稿第七页，共四十页三）、过冷奥氏体等温转变类型及其产物三）、过冷奥氏体等温转变类型及其产物 1 1、珠光体转变（共析转变、珠光体转变（共析转变A P A P）发生温度：

4、发生温度：7277270 0C-560C-5600 0C C 产物：珠光体产物：珠光体7277270 0C-650C-6500 0C C：珠光体片层较粗，：珠光体片层较粗，P P（珠光体）（珠光体）6506500 0C-600C-6000 0C C：珠光体层片较细，：珠光体层片较细，S S（索氏体）（索氏体）6006000 0C-560C-5600 0C C：珠光体层片极细，珠光体层片极细，T(T(托氏体托氏体)层片变细，强度硬度增加，塑性韧性有所增加。层片变细，强度硬度增加，塑性韧性有所增加。珠光体的铁素体和渗碳体层片粗细与转变温度有关。温度越珠光体的铁素体和渗碳体层片粗细与转变温度有关。温

5、度越低，珠光体的层片越细。低，珠光体的层片越细。珠光珠光体形体形成成本讲稿第八页，共四十页本讲稿第九页，共四十页2、贝氏体转变 560-3500C:贝氏体呈羽毛状，称为上贝氏体，记为贝氏体呈羽毛状，称为上贝氏体，记为B上上.350-Ms 350-Ms（2302300 0C C）：贝氏体呈针叶状，称之为下贝氏体，记为）：贝氏体呈针叶状，称之为下贝氏体，记为B B下。下。（1）转变温度：）转变温度：560Ms（2300C）（2）产物：贝氏体）产物：贝氏体（3）贝氏体：由过饱和铁素体和渗碳体组成的混合物。）贝氏体：由过饱和铁素体和渗碳体组成的混合物。（4）贝氏体的形状和性能：（与等温温度有关）贝氏体

6、的形状和性能：（与等温温度有关）上贝氏体形成过程与形貌下贝氏体形成过程与形貌特征下贝氏体形成过程与形貌特征本讲稿第十页，共四十页上贝氏体的形成示意图上贝氏体的貌本讲稿第十一页，共四十页下贝氏体的形成示意图下贝氏体的形貌本讲稿第十二页，共四十页（5)5)性能：上贝氏体的性能：上贝氏体的硬度高，塑性、硬度高，塑性、韧韧性差，性差，不不用。用。下贝氏体高强度、硬度、塑性韧性较好，。下贝氏体高强度、硬度、塑性韧性较好，。工业中应用于中碳钢和中碳合金钢制造的零件中。工业中应用于中碳钢和中碳合金钢制造的零件中。3马氏体转变马氏体转变（1）转变温度：）转变温度：Ms（230C）Mf（2）产物：马氏体）产物：

7、马氏体（3）马氏体：）马氏体：碳在碳在a-a-FeFe中形成的过饱和铁素体，具有体心正方结构。中形成的过饱和铁素体，具有体心正方结构。马氏体形成示意图马氏体形成示意图本讲稿第十三页，共四十页g本讲稿第十四页，共四十页（4）形貌：）形貌：低碳马氏体：呈板条状低碳马氏体：呈板条状 高碳马氏体：呈透镜状，片状，中间有脊线。高碳马氏体：呈透镜状，片状，中间有脊线。马氏体形貌马氏体形貌（5）性能特点：硬而脆，且随性能特点：硬而脆，且随WcWc的增加而增加。的增加而增加。必须经过回火才能使用必须经过回火才能使用。回火后：高碳马氏体具有高强度高硬度、高耐磨性。回火后：高碳马氏体具有高强度高硬度、高耐磨性。低

8、碳马氏体具有好的综合性能。低碳马氏体具有好的综合性能。（6）应用）应用高碳马氏体用于高碳马氏体用于高硬度高耐磨性高硬度高耐磨性的零件，如车刀、铣刀等。的零件，如车刀、铣刀等。低碳马氏体用于综合性能好的零件，如发动机连杆螺栓、缸盖螺栓，低碳马氏体用于综合性能好的零件，如发动机连杆螺栓、缸盖螺栓，石油钻井的吊环、吊钳等。石油钻井的吊环、吊钳等。本讲稿第十五页，共四十页球墨铸铁淬火 G球+M+A15钢淬火组织 M低本讲稿第十六页，共四十页 四四）、影响）、影响C C曲线的主要因素曲线的主要因素 1 含碳量含碳量含碳量含碳量合金元素合金元素等温转变图等温转变图2合金元素合金元素除除CoCo（钴）（钴）

9、元素外，其它合金元素溶入奥氏体后使元素外，其它合金元素溶入奥氏体后使C C曲线右移。曲线右移。C曲线的形状曲线的形状C曲线距纵坐标的距离曲线距纵坐标的距离Ms、Mf的温度的温度影响影响本讲稿第十七页，共四十页五）五）过冷奥氏体连续冷却转变过冷奥氏体连续冷却转变连续冷却转变图：又称连续冷却转变图：又称CCT曲线曲线在连续冷却转变过程中，亚在连续冷却转变过程中，亚共析钢有贝氏体转变，共析钢有贝氏体转变，共析共析钢和过共析钢无贝氏体转变钢和过共析钢无贝氏体转变。CCT曲线测定比曲线测定比TTT曲线困难。曲线困难。CCT曲线曲线C曲线本讲稿第十八页，共四十页六）、c曲线的应用(用c曲线估计碳钢连续冷却

10、至室温得到的组织)APAPABAM本讲稿第十九页，共四十页3-2 钢钢的的热处热处理工理工艺对组织艺对组织和性能的影响和性能的影响 知识要点知识要点“四把火四把火”（退火、正火、淬火、回火）的工艺过程；（退火、正火、淬火、回火）的工艺过程；“四把火四把火”对零件加工和使用的影响和作用。对零件加工和使用的影响和作用。本讲稿第二十页，共四十页一一 普通热处理的作用普通热处理的作用n改善材料的切削加工性能；改善材料的切削加工性能；n提高材料的力学性能，保证零件安全运行提高材料的力学性能，保证零件安全运行。二二退火和正火退火和正火1退火退火：采用炉冷，冷却速度很低：采用炉冷，冷却速度很低(球状珠光体球

11、状珠光体)完全退火完全退火等温退火等温退火球化退火球化退火去应力退火去应力退火再结晶退火再结晶退火亚共析成分的碳钢和合金钢亚共析成分的碳钢和合金钢(同上同上)共析或过共析碳钢和合金钢共析或过共析碳钢和合金钢分类分类本讲稿第二十一页，共四十页2正火（采用空冷，冷却速度较快）正火（采用空冷，冷却速度较快）目目 的的低碳钢：调整硬度（适当增加硬度），利于切削；低碳钢：调整硬度（适当增加硬度），利于切削；过共析钢：消除网状二次渗碳体，利于珠光体球化。过共析钢：消除网状二次渗碳体，利于珠光体球化。中碳钢：普通零件的最终热处理；中碳钢：普通零件的最终热处理；3退火和正火的选择（从以下三个方面考虑）退火和正

12、火的选择（从以下三个方面考虑）提高切削加工性能提高切削加工性能要求的力学性能要求的力学性能处理成本处理成本本讲稿第二十二页，共四十页三三 淬火和回火（最终热处理）淬火和回火（最终热处理）1淬火（采用水冷、油冷，冷却速度很大）淬火（采用水冷、油冷，冷却速度很大）目的：获得马氏体目的：获得马氏体工艺：加热保温水冷（油冷）工艺：加热保温水冷（油冷）常用的淬火介质常用的淬火介质:水、水、盐水、盐水、油油2钢的淬透性（钢的一种性能）钢的淬透性（钢的一种性能）（1）定义：钢在淬火时获得马氏体的能力。）定义：钢在淬火时获得马氏体的能力。（2）淬透性的测定：）淬透性的测定：临界直径法临界直径法，顶端淬火法顶端

13、淬火法（3）影响淬透性的因素：合金元素，碳含量）影响淬透性的因素：合金元素，碳含量（4）选材与淬透性）选材与淬透性理想淬火介质理想淬火介质本讲稿第二十三页，共四十页 一般规律一般规律1 1）表表面面和和心心部部力力学学性性能能一一致致的的零零件件，即即要要求求表表面面和和心心部部组组织织一一致致；如如螺螺栓、连杆、锻模、锤杆（承受拉压载荷）栓、连杆、锻模、锤杆（承受拉压载荷）选用淬透性选用淬透性高高的钢；的钢；2 2）表表面面心心部部力力学学性性能能不不一一致致（表表面面强强度度硬硬度度要要求求高高一一些些，心心部部塑塑性性韧性要求高），组织可以不一致。如轴类零件，冷镦模具、齿轮。韧性要求高）

14、，组织可以不一致。如轴类零件，冷镦模具、齿轮。选用淬透性选用淬透性低低的钢的钢。3 3）焊接件：）焊接件：选用淬透性选用淬透性低低的钢的钢。本讲稿第二十四页，共四十页3 回火（与淬火配合回火（与淬火配合）（1）定义：将淬火钢重新加热至定义：将淬火钢重新加热至A1（727 C)温度以下的某个温度，温度以下的某个温度，保温一定时间后冷却至室温的工艺操作。保温一定时间后冷却至室温的工艺操作。（2）目的：）目的：降低马氏体的脆性，增加塑性韧性。降低马氏体的脆性，增加塑性韧性。稳定组织。稳定组织。降低内应力。降低内应力。调整钢的硬度。调整钢的硬度。（3）回火的类型）回火的类型:3种种低温回火低温回火温度

15、：温度：1501502002000 0C C；得到的组织：得到的组织：M回回（过饱和铁素体（过饱和铁素体+e e碳化物）碳化物）本讲稿第二十五页，共四十页性能：性能：高硬度、高耐磨性，内应力、脆性降低。高硬度、高耐磨性，内应力、脆性降低。应用：高碳钢、高碳合金钢制造的应用：高碳钢、高碳合金钢制造的工具和模具、滚动轴承；工具和模具、滚动轴承；渗碳和表面淬火零件渗碳和表面淬火零件.(.(Wc 0.6%)Wc 0.6%)中温回火中温回火温度：温度：3503505005000 0C C；得到的组织：得到的组织：T回回（针叶状铁素体（针叶状铁素体+极极细小颗粒渗细小颗粒渗碳体组成）碳体组成）性能：性能：

16、高强度、硬度，高的高强度、硬度，高的弹性极限及屈服强度弹性极限及屈服强度；具有一定的塑性、韧性；具有一定的塑性、韧性；应应用：用：Wc=0.5Wc=0.50.7%0.7%碳碳钢钢、合金合金钢钢制造的制造的各种各种弹弹簧簧。本讲稿第二十六页，共四十页高温回火高温回火 温度：温度：500-650500-6500 0C C，组织：组织：S S回回（由等轴状的铁素体和球状渗碳体组成）（由等轴状的铁素体和球状渗碳体组成）性性能能：具具有有适适当当的的强强度度、硬硬度度和和足足够够的的塑塑性性、韧韧性性（即即良良好好综综合合性能）。性能）。应应用用：用用于于WcWc为为0.30.30.5%0.5%的的中中

17、碳碳钢钢和和合合金金钢钢制制造造的的轴轴、连连杆杆、螺栓螺栓等。等。生产上将淬火和高温回火称为生产上将淬火和高温回火称为“调质处理调质处理”。一般规律：随回火温度一般规律：随回火温度，强度、硬度，强度、硬度，塑性韧性，塑性韧性。回火温度与力学性能回火温度与力学性能本讲稿第二十七页，共四十页 3-3 钢钢的表面的表面处处理理强强化化 知识要点n表面热处理的目的、分类n常用的表面热处理工艺n了解表面热处理的典型零件本讲稿第二十八页，共四十页一、基本概念n 将工件处理成表面与心部性能不同的方法。n目的：使零件具有“表硬心韧”的性能特点。表面组织转化表面组织转化-表面淬火等表面淬火等表面合金化表面合金

18、化化学热处理化学热处理表面覆层表面覆层-电镀电镀涂层涂层二、分类二、分类本讲稿第二十九页，共四十页表33 表面处理强化的方法 本讲稿第三十页，共四十页三三表面淬火：表面淬火：表面与心部的成分一致表面与心部的成分一致，组织不一样。组织不一样。1 1 工艺：工艺：将工件表面将工件表面快速快速加热到加热到奥氏体区奥氏体区，在热量尚，在热量尚未达到心部时未达到心部时立即迅速冷却立即迅速冷却，使，使表面得到一定深表面得到一定深度的淬硬层，度的淬硬层，而而心部仍保持原始组织心部仍保持原始组织的一种局部的一种局部淬火方法。淬火方法。本讲稿第三十一页，共四十页2分类分类火焰加热火焰加热表面淬火表面淬火感应加热

19、感应加热表面淬火表面淬火激光加热激光加热表面淬火表面淬火火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火3 3材料及典型零件材料及典型零件中碳钢（中碳钢（Wc 0.4Wc 0.40.5%0.5%）,如如40Cr40Cr、4545钢机床齿轮、轴等零件。钢机床齿轮、轴等零件。常用的表面淬火方法常用的表面淬火方法淬硬层深度：淬硬层深度：2 26mm6mm优点：方法简便；无需特殊设备；适用于单件、小批量生产零件；优点：方法简便；无需特殊设备；适用于单件、小批量生产零件；缺点：需要操作熟练，否则造成质量不稳定缺点：需要操作熟练，否则造成质量不稳定本讲稿第三十二页，共四十页应用：应用：轧钢机齿轮、轧辊；轧钢机齿轮、轧辊；

20、矿山机械齿轮、轴；矿山机械齿轮、轴；机床导轨、齿轮；机床导轨、齿轮；感应加热表面淬火感应加热表面淬火 淬硬层与频率有关：淬硬层与频率有关：0.2 0.22mm2mm，高频感应加热（，高频感应加热（1001001000KHZ1000KHZ）2-8mm 2-8mm，中频感应加热（，中频感应加热（0.50.510KHZ10KHZ）；）；101015mm15mm，工频感应加热（，工频感应加热（50HZ50HZ）特特点点：淬淬火火质质量量好好，表表层层组组织织细细、硬硬度度高高、脆脆性性小小、生生产产效效率率高高、便便于于自自动动化，化，缺点缺点是是设备设备昂昂贵贵，劳动劳动条件差条件差。本讲稿第三十三

21、页，共四十页 激光加热表面淬火激光加热表面淬火 工工艺艺：将将高高功功率率密密度度的的激激光光束束照照射射到到工工件件表表面面，使使表表面面快快速速加加热热到到奥奥氏氏体体区区，依依靠靠工工件件本本身身热热传传导导迅迅速速自自冷冷而而获获得得一一定淬硬层的工艺操作。定淬硬层的工艺操作。硬化层硬化层：1 12mm2mm 应用应用：汽车、拖拉机汽缸套、汽缸、活塞环、凸轮轴等零件；：汽车、拖拉机汽缸套、汽缸、活塞环、凸轮轴等零件；特点特点：淬火质量好，组织超细化，硬度高、脆性极小、工件变：淬火质量好，组织超细化，硬度高、脆性极小、工件变形小、不需要回火、节约能源、无污染、效率高、便于自动化，形小、不

22、需要回火、节约能源、无污染、效率高、便于自动化，但是设备昂贵但是设备昂贵。本讲稿第三十四页，共四十页四、表面化学热处理（表层与心部的成分、组织都不同）1 1 工艺工艺:将工件置于将工件置于某种化学介质中某种化学介质中，通过加，通过加热、保温和冷却使介质中的热、保温和冷却使介质中的某些元素渗入工件表层某些元素渗入工件表层以改变工件表层的化学成分和组织，从而达到以改变工件表层的化学成分和组织，从而达到“表硬心韧表硬心韧”的性能特点。的性能特点。2可渗的元素：可渗的元素：渗碳、氮、碳氮共渗（渗碳、氮、碳氮共渗（C C、N N、CNCN）渗硼渗硼 、铬、铬(B(B、Cr Cr ）渗铝、硅渗铝、硅 (A

23、l (Al、Si)Si)渗硫渗硫(S)(S)本讲稿第三十五页，共四十页 3 3 渗碳（渗碳（重点重点内容）内容）（1 1）常用的材料：低碳钢或者低碳合金钢，如，）常用的材料：低碳钢或者低碳合金钢，如，2020，2525，（20CrMnTi20CrMnTi）（用于（用于汽车齿轮汽车齿轮）（2）介质：最常用的气体（）介质：最常用的气体（煤油、苯、甲醇等高温分解的混煤油、苯、甲醇等高温分解的混合气体（合气体（CO,CHCO,CH4 4，C C2 2H H4 4等）等）具有具有活性碳活性碳原子原子（3）过程：过程：被吸收、溶解并扩散，形成被吸收、溶解并扩散，形成0.52mm的渗碳的渗碳层层吸附吸附：活

24、性碳原子吸附至工件表面：活性碳原子吸附至工件表面、溶解、溶解、渗入渗入散扩散扩：碳原子向工件里层扩散。：碳原子向工件里层扩散。（4）温度：在奥氏体区，）温度：在奥氏体区，9009500C时间：根据渗层深度而定，约时间：根据渗层深度而定，约10小时左右，小时左右，本讲稿第三十六页，共四十页（5）热处理：渗碳）热处理：渗碳+淬火淬火+低温回火低温回火组织表层：高碳回火马氏体组织表层：高碳回火马氏体+碳化物碳化物+A组织心部：组织心部：F+P或者或者M回（低碳）回（低碳）+F+A五五典型零件工艺路线的制定典型零件工艺路线的制定1轴类零件（传动轴）轴类零件（传动轴）（1）分析工作条件：）分析工作条件：

25、承受中等承受中等交变扭矩交变扭矩载荷、交变弯曲载荷或者载荷、交变弯曲载荷或者是拉压载荷；局部（轴颈、花键）承受摩擦和磨损。是拉压载荷；局部（轴颈、花键）承受摩擦和磨损。（2）失效形式：失效形式：疲劳断裂疲劳断裂，轴颈处磨损（主要方式）；，轴颈处磨损（主要方式）；冲冲击过载击过载断裂等断裂等（偶尔发生）（偶尔发生）本讲稿第三十七页，共四十页（3 3）性性 能能 要要 求求：高高 的的 疲疲 劳劳 强强 度度；良良 好好 的的 综综 合合 性性 能能；局部高硬度；局部高硬度；（4 4）中碳中碳钢钢或者中碳合金钢或者中碳合金钢：45 45 （40Cr40Cr）（5 5）工艺路线：）工艺路线：下下料料

26、 锻锻造造 正正火火 粗粗加加工工 调调质质(淬淬火火+高高温温回回火火)局局部部表面淬火表面淬火+低温回火低温回火 精磨精磨 成品；成品；（6）组织：表面：回火马氏体）组织：表面：回火马氏体心部：回火索氏体心部：回火索氏体本讲稿第三十八页，共四十页2 2、齿轮（低碳钢、表面渗碳）、齿轮（低碳钢、表面渗碳）(1)(1)工工作作条条件件:齿齿轮轮根根部部承承受受交交变变弯弯曲曲应应力力；（传传递递扭扭矩矩时时）;齿齿啮啮合合时时齿齿面面承承受受较较大大的的接接触触压压应应力力并并受受强强烈烈的的摩摩擦擦和和磨磨损损；换换挡挡、气气动动、制动时齿轮承受一定的制动时齿轮承受一定的冲击冲击。(2)(2

27、)失效形式失效形式：齿的折断（疲劳断裂和冲击过载断裂）；齿表面磨损。：齿的折断（疲劳断裂和冲击过载断裂）；齿表面磨损。（3 3）性能要求）性能要求：高的疲劳强度和表面硬度，心部具有足够的塑性韧性。：高的疲劳强度和表面硬度，心部具有足够的塑性韧性。（4 4）选材）选材：低碳钢（：低碳钢（2020，25,25,20CrMnTi）（5 5）工工艺艺路路线线：下下料料 锻锻造造 正正火火 机机加加工工渗渗碳碳+淬淬火火+低低温温回火回火 喷丸喷丸精磨精磨 成品；成品；本讲稿第三十九页，共四十页（6 6）微观组织：表面：）微观组织：表面：M M回回（高碳）（高碳）+A+A（少量）（少量）“表硬表硬”心部：心部：F F（多）（多）+P +P “心韧心韧”作业作业（第三章）新版教材（第三章）新版教材p471、5、7本讲稿第四十页，共四十页