第五章-钢的热处理-工程材料学教学课件.ppt

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1、第五章钢的热处理第一节概述一、热处理加工的目的和条件1.热处理定义：将固态金属或合金采取适当方式进行加热、保温和冷却以改变其组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。2.热处理目的：通过适当的热处理工艺，来控制相变过程中组织转变的程度和转变产物的形态.3.热处理条件：有固相转变条件热处理普通热处理表面热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理火焰加热感应加热（高频、中频、工频）渗碳氮化碳氮共渗及其它第一节钢在加热时的组织转变1、奥氏体的形成a.基本过程：（1）形核，（2）长大，（3）剩余渗碳体溶解（4）奥氏体成分均匀化b.影响珠光体向奥氏体转变的因素（1）温度的影响（2）加热速度的影响（3）钢中含碳

2、量的影响（4）钢中加入合金元素的影响（5）组织中珠光体的影响2、奥氏体晶粒的长大及其影响因素（1）晶粒度的概念起始实际本质（2）影响晶粒长大的因素加热速度化学成分加热温度和保温时间奥氏体晶粒度及其影响因素：第二节钢在冷却时的组织转变一、过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能过冷奥氏体从铁-碳合金相图可知，当温度在A1以上时，奥氏体是稳定的，能长期存在。当温度降到A1以下后，奥氏体即处于过冷状态，是不稳定的，它会转变为其它的组织。注意：钢在冷却时的转变，实质上是过冷奥氏体的转变过冷奥氏体的转变产物珠光体、贝氏体、马氏体的组织形态和性能。钢中马氏体组织形态主要有两种基本类型（1）板条状马氏体，当奥氏体

3、含碳量小于0.30%的钢在淬火后，组织中马氏体形态几乎完全是板条状的；（2）片状马氏体，当奥氏体含碳量大于1.0%的钢时，淬火组织中马氏体形态几乎完全是板条状的。3、贝氏体类型组织与性能组织形态过冷奥氏体在550Ms温度范围内，将转变为贝氏体类型组织，贝氏体类型组织主要有上贝氏体和下贝氏体两种。上贝氏体（上B）过冷奥氏体在550350之间转变形成的产物；下贝氏体（下B）过冷奥氏体在350Ms之间转变形成的产物；机械性能：上贝氏体在较高温度形成，其铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；由于渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断，所以强度和韧性都较差；下贝氏体形成温度较低，其铁素体针细小，无方向性，碳的

4、过饱和度大，且碳化物分布均匀，所以硬度高，韧性好，具有良好的综合机械性能。第三节过冷奥氏体转变曲线图一、过冷奥氏体等温转变曲线图热处理工艺中，钢在过冷奥氏体转化后，接着冷却。冷却的方式通常有两种：（1）等温处理将钢迅速冷却到临界点以下的给定温度，进行保温，使其在该温度下恒温转变，如图。（2）连续冷却将钢以某种速度连续冷却，使其在临界点以下变温连续冷却，如图所示。1、过冷奥氏体的等温转变（1）共析钢过冷奥氏体的等温转变共析钢过冷奥氏体的等温转变过程和转变产物可用其等温转变曲线（TTT曲线）图来分析。（一）共析钢C曲线的建立（二）过冷奥氏体转变产物的形成过程1、珠光体的形成过程（属于扩散型转变）它

5、的形成伴随着两个过程同时进行：（1）铁和碳原子的扩散，生成高碳的渗碳体和低碳的铁素体；二、过冷奥氏体连续冷却转变曲线图(CCT图)如图5-18比较两曲线图。第四节钢的退火和正火一、退火和正火的目的（1）软化钢件以便进行切削加工；对重要的零部件，其制造工艺路线常采用：铸造（或锻造）退火（或正火）粗加工淬火回火精加工成品对一般的零部件，其制造工艺路线常采用：铸造（或锻造）退火（或正火）切削加工成品二、退火和正火操作及其应用（一）退火操作及其应用（2）消除残余应力，以防钢件的变形、开裂；（3）细化晶粒，改善组织以提高钢的机械性能；（4）为最终热处理（淬火、回火）作好组织上的准备。所谓退火退火是指将工

6、件加热到临界点（A1、A3、Acm）以上或在临界点以下某一温度保温一定时间后，以十分缓冷的冷却速度（炉冷、坑冷、灰冷）进行冷却的一种工艺操作。最常用的退火工艺有完全退火、球化退火和去应力退火。是将亚共析钢工件加热到Ac3以上30-50，保温一定时间后，随炉缓冷（或埋在沙中或石灰中冷却）至500以下在空气中冷却。去应力退火(低温退火)是将钢件随炉缓慢加热到500-650，经一段时间保温后，随炉缓冷至300-200以下出炉。注意：与退火前相比，去应力退火后的组织不发生明显变化，其性能也无明显变化，仅是残余应力得到松弛。残余应力主要是通过钢在500-600保温后的缓冷过程消除的。去应力退火主要用来消

7、除铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷轧件等的残余应力。用途：大型铸件如机床床身、内燃机气缸体、重要的焊接件如汽轮机隔板、冷成形件如冷卷弹簧等必须进行去应力退火。退火与正火的区别：1、从切削加工性考虑。低碳钢硬度低，切削加工时不宜断开而粘刀，刀刃容易损坏，加工后零件表面粗糙度大。通过正火可以适当提高硬度以利于切削加工，故低碳钢和低碳合金钢以正火作为预先热处理；高碳钢硬度高，难以切削加工，刀具易磨损，通过退火适当降低硬度，以利于切削加工，故高碳结构钢和工具钢及中碳以上多元合金钢均采用退火作为预先热处理；中碳钢和中低合金钢采用退火或正火作为预先热处理。2、从使用性能考虑。如果工件的性能要求不高，则以正火

8、为最终热处理，以提高力学性能。但如果工件形状复杂，则应采用退火作为最终热处理，以防止形成裂纹。3、从经济上考虑。正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，尽可能以正火代替退火。第五节钢的淬火所谓淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上30-50，保温后快速冷却，以获得马氏体（或下贝氏体）组织的一种操作。（一）目的：为了获得马氏体，提高钢的机械性能。（二）淬火温度的选择：为了防止奥氏体晶粒粗化，一般淬火温度不宜太高只允许超出临界点30-50。（三）淬火冷却介质最常用的淬火介质是水、盐水和油。此外还有硝盐浴、碱浴、聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液浴。4、等温淬火法将加热的工件放入稍高于Ms点的硝盐浴或碱浴中

9、，保温足够长的时间使其完成贝氏体转变，获得下贝氏体组织。此法适用于尺寸较小，形状复杂，要求变形小，具有高硬度和强韧性的工具、模具以及重要的结构件如飞机的结构件。5、局部淬火法6、冷处理把淬冷至室温的钢继续冷却到-7080，保持一段时间，使奥氏体在继续冷却过程中转变为马氏体。目的：为了尽量减少钢中残余奥氏体以获得最大数量的马氏体。以提高钢的硬度和耐磨性，并稳定钢件的尺寸。第六节钢的淬透性淬硬层深度（淬透层深度）由钢的表面至内部马氏体组织占50%处的距离。淬透性（可淬性）把钢在淬火后能获得淬硬层深度的一种性质，它取决于临界冷却速度（Vk）淬硬性（可硬性）钢在正常淬火条件下，以超过Vk的速度冷却所形

10、成的马氏体组织所能达到的最高硬度，而不是指淬成马氏体组织的深度，它主要取决于马氏体的含碳量。含碳量越高，淬硬性也越高。一、概念：二、影响淬透性的主要因素：临界冷却速度（Vk）凡影响奥氏体等温转变图的因素都影响钢的淬透性，最重要的是合金元素，其次是钢的含碳量。（2）亚共析钢C%淬硬性；过共析钢C%淬硬性（1）除Co%以外，C曲线右移，淬透性淬透性最好的碳钢是共析钢三、淬透性的测定及表示法测定钢的淬透性最常用的方法是末端淬火法（又称顶端淬火法，简称端淬法）。钢的淬透性用 表示，其中d表示淬透性曲线上测试点至水冷端的距离（mm）,HRC为该处的硬度值。例如：四、淬透性与淬硬层深度的关系钢的淬硬层深度

11、也叫淬透层深度。在其他条件均相同的情况下，钢的淬透性越高，淬硬层深度就越大。五、如何在选材中考虑钢的淬透性1.机械制造中许多大截面零件和动载荷下工作的重要的零件，以及承受拉力和压力的许多重要的零件，如螺栓、拉杆、锻模、锤杆等常常要求表面和心部力学性能一致，此时应选用淬透性高的钢；2.当某些工件的心部机械性能对于使用条件没有什么影响的情况下，则可考虑选用淬透性较低的、淬硬层较浅的钢。3.有些工件不可选用淬透性高的钢，例如焊接件；承受强力冲击和复杂应力的冷镦凸模，其工作部分常因全部淬硬三、淬火钢在回火时的转变1、回火第一阶段（100200）马氏体开始分解，析出碳化物，钢的体积发生收缩2、回火第二阶

12、段（200300）残余奥氏体分解，钢的体积发生膨胀4、回火第四阶段（400）3、回火第三阶段（300400）钢的体积又发生收缩，过饱和碳从固溶体内继续析出，同时碳化物也逐渐转变为Fe3C。Fe3C质点发生聚合，而得到较粗的组织淬火钢在回火时的转变，大致包括马氏体的分解、残余奥氏体转变、碳化物聚集长大以及固溶体的回复与再结晶等四个阶段。（1）回火马氏体 150-250回火极细的 碳化物和低过饱和度 a 固溶体，形态基本不变 马氏体+细粒状 Fe3C（2）回火屈氏体 350-500（3）回火索氏体500-6000C索氏体+粗粒状Fe3C四回火工艺组织一性能关系五、回火的种类根据钢件的性能要求，按其

13、回火温度范围，可将回火分为以下几种：1、低温回火（150-250）低温回火的温度范围在150250之间。回火的目的是降低应力和脆性，获得回火马氏体组织，使钢具有高的硬度、时效处理（尺寸稳定处理）低温长时间的回火。对某些量具等精密工件，为了保持淬火后的高硬度及尺寸稳定性，有时需在100150进行长时间的加热。第八节钢的表面淬火表面淬火表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷 却，仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持淬 火前组织的热处理方法.根据加热方法不同，表面淬火法主要有感应加热（高频、中频、工频）表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火，以及电解液加热表面淬火等。一、概述二、

14、感应加热表面淬火（利用电磁感应原理）1、原理：交变磁场感应电流工件电阻加热，集肤效应表面加热a.高频200-300KHz，淬硬深度0.5-2mm 小工件4.感应加热表面淬火的技术条件包括：表面硬度、淬硬层深度、淬硬区分布、预先热处理以及变形要求。1、表面硬度2、淬硬层深度3、淬硬区分布4、预先热处理5、变形要求b.中频2500-8000Hz 淬硬深度2-5mm 尺寸较大的工件c.工频50Hz 淬硬深度10-15mm 大型工件三、火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火用乙炔氧的混合气体燃烧的火焰，喷射在零件表面上，使它快速加热，当达到淬火温度时立即喷水冷却，从而获得预期的硬度和淬硬层深度的一种表面淬火

15、方法。淬硬层深度一般为2-6毫米火焰表面淬火零件的材料常用中碳钢如35、45钢以及中碳合金结构钢。1、概念：2、深度要求：3、适用的材料4、特点：此淬火方法简单，无需特殊设备，可使用单件或小批生产的大型零件和需要局部淬火的工具或零件，如大型轴类、大模数齿轮、锤子等，但此方法不容易控制，加热表面易过热，加热不均匀，质量不稳定，因此在机械制造工业中应用不太广泛。是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或几种元素原子渗入工件表面，以改变钢件表层化学成分和组织，进而达到改进表面性能，满足技术要求的热处理工艺。特点：表面层不仅有组织的变化，而且有成分的变化。特点：表面层不仅有组织的变化，而且

16、有成分的变化。具备的条件：1、钢本身必须具有吸入这些渗入元素活性原子的能力；2、渗入元素的原子必须是具有化学活性的活性原子，并 且这些原子应具有较大的扩散能力。1、将工件加热到一定温度，使有利于吸收渗入元素活性 原子；2、由化合物分解或离子转变而得到渗入元素的活性原子；3、活性原子被吸附，并溶入工件表面，形成固溶体，在 活性原子浓度很高时，还可形成化合物；4、渗入原子在一定温度下，由表层向内扩散，形成一定 的扩散层。常用的化学热处理工艺有渗碳、氮化和气体碳氮共渗等。1钢的渗碳将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。其目的是通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使表面具

17、有高的硬度、耐磨性和抗疲劳性能，而心部具有一定的强度以及较高的韧性和塑性。根据渗碳剂不同，渗碳可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳三种。（一）气体渗碳法（目前广泛应用）（2）渗碳后的组织 常用于渗碳的钢为低碳钢和低碳合金 钢，如20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3等。渗碳后缓冷组织自表面至心部依次为：过共析组织（珠光体+二次渗碳体）、共析组织（珠光体）、心部为亚共析组织（珠光体+铁素体），中间为过渡区。（1）渗碳目的：提高表面硬度，耐磨性，而使心部仍保 持一定的强度和良好的塑性和韧性。（3）渗碳时最主要的工艺因素是加热温度和保温时间。（4）渗碳后的热处理常采用淬火+低温回火淬火可采用

18、直接淬火（自渗碳温度直接淬火）、一次淬火（渗碳后出炉空冷，再重新加热进行淬火）或二次淬火法（渗碳后出炉空冷，现根据工件心部成分重新加热进行淬火，再根据工件表面成分加热进行淬火）。（二）固体渗碳法将工件置于四周填满固体渗碳剂的箱中，用盖和耐火泥将箱密封后，送入炉中，加热至渗碳温度（900-950），保温一定时间后出炉，取出渗碳零件，进行淬火+低温回火热处理.2、钢的氮化（气体氮化）（5）一般渗碳零件的工艺路线如下：锻造 正火 机械加工 渗碳 淬火+低温回火 精加工去碳机械加工 淬火+低温回火渗氮是向钢件表层渗入氮原子的过程。目的：提高工件表面硬度和耐磨性疲劳强度和耐蚀性以及 热硬性。特点：（1）

19、氮化一般是工件加工工艺路线中最后一道工序，氮 化后的工件至多再进行精加工或研磨。为了提高渗碳工件的心部强韧性，需要在渗氮前对工件进行调质处理。（2）氮化后无需进行淬火便具有很高的表面硬度及耐磨 性。（3）氮化后显著提高钢的疲劳强度。（4）氮化后的钢具有很高的抗腐蚀能力。（5）氮化处理温度低，故工件变形很小。渗氮工艺制造的零件常用的工艺路线如下：渗氮工艺制造的零件常用的工艺路线如下：锻造 退火 粗加工 调质 精加工 去应力退火 粗磨 氮化 精磨或研磨 成品。3、钢的碳氮共渗碳氮共渗是同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学热处理工艺，也俗称为氰化。碳氮共渗零件的性能介于渗碳与渗氮零件之间。中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度、耐磨性和疲劳强度；低温气体碳氮共渗以渗氮为主，其主要目的是提高的耐磨性和抗咬合性。