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1、工程材料及成型技术工程材料及成型技术第第4章章 钢的热处理及表面处理钢的热处理及表面处理第一节第一节 钢的热处理原理钢的热处理原理热处理：将金属或合金在固态下进行加热、保温和冷却，改热处理：将金属或合金在固态下进行加热、保温和冷却，改变其组织（材料整体或表面），从而获得所需性能的一种热变其组织（材料整体或表面），从而获得所需性能的一种热加工工艺。加工工艺。热处理的目的热处理的目的1.提高钢的力学性能提高钢的力学性能2.改善钢的工艺性能改善钢的工艺性能热处理的理论依据：铁碳相图热处理的理论依据：铁碳相图热处理的特点热处理的特点1.在固态下进行在固态下进行2.只改变工件的组织，不改变形只改变工件的
2、组织，不改变形状和尺寸状和尺寸课前案例课前案例将将45号钢加热到号钢加热到840，然后采用不同的冷却条件下得到的，然后采用不同的冷却条件下得到的力学性能力学性能冷却方法冷却方法 抗拉强度抗拉强度 屈服强度屈服强度 延伸率延伸率 断面收缩率断面收缩率HRC随炉冷却51927232.54915-18空气冷却657-70633315-1845-5018-24油中冷却88260818-204840-50水中冷却10787067812-1452-60一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变 （一）奥氏体的形成过程（一）奥氏体的形成过程以以共析钢共析钢的奥氏体形成过程为例的奥氏体形成过程为例1、奥
3、氏体的形核奥氏体的形核2、奥氏体晶核的长大奥氏体晶核的长大3、残留渗碳体的溶解残留渗碳体的溶解4、奥氏体成分均匀化奥氏体成分均匀化钢在加热时奥氏体的形成过程又称为钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化奥氏体化，是，是晶格重晶格重组组和和铁、碳原子扩散铁、碳原子扩散的过程。的过程。奥氏体的形成奥氏体的形成FFe3C未溶未溶Fe3CA残留残留Fe3CAAAA 形核形核A 长大长大残留残留Fe3C溶解溶解A 均匀化均匀化过共析钢的加热过程：过共析钢的加热过程： AAFPFACAC31ACFeACFePcmACAC 331亚共析钢的加热过程：亚共析钢的加热过程： （二）奥氏体晶粒大小及其控制（二）奥
4、氏体晶粒大小及其控制 1.1.晶粒大小的表示方法晶粒大小的表示方法标准金相图片（标准评级图）评定晶粒大小的级别。标准金相图片（标准评级图）评定晶粒大小的级别。分为分为8 8级，级，1 1级最粗，级最粗，8 8级最细。级最细。粗晶粒度粗晶粒度细晶粒度细晶粒度1级级2级3级级4级级5级级6级级7级级8级级 2.2.奥氏体晶粒度的概念奥氏体晶粒度的概念实际晶粒度实际晶粒度: :实际条件得到的晶粒大小实际条件得到的晶粒大小本质晶粒度本质晶粒度: :用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度。用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度。标准试验方法标准试验方法: :加热加热到到9309301010，保温保温3 38h8
5、h后测定奥氏体晶后测定奥氏体晶粒大小，在粒大小，在1 14 4级，级，本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢；在；在5 58 8级，级，本质细晶粒本质细晶粒钢。钢。 3.3.影响奥氏体晶粒长大的因素影响奥氏体晶粒长大的因素 加热速度加热速度加热速度加热速度越快越快，过热度，过热度越大越大，形核率越高，形核率越高，d d细小细小钢的化学成分，钢的化学成分，阻碍阻碍奥氏体晶粒长大的元素：奥氏体晶粒长大的元素：TiTi、ZrZr、V V、NbNb、AlAl等会与等会与C C、N N形成强碳化物和氮化物，阻碍奥氏体晶粒长大；形成强碳化物和氮化物，阻碍奥氏体晶粒长大；促进促进奥氏体晶粒长大：奥氏体晶粒长大：MnMn、
6、P P、C C、N N加热温度（加热温度（最主要最主要）与保温时间）与保温时间 T T越高越高，t t越长越长，d d粗大粗大奥氏体晶粒粗大，冷却后得到的组织也粗大，降低钢的常温奥氏体晶粒粗大，冷却后得到的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，特别是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶力学性能，特别是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一！粒是热处理的关键问题之一！（一）（一）过冷奥氏体的转变及转变产物过冷奥氏体的转变及转变产物过冷奥氏体：在相变温度过冷奥氏体：在相变温度A1一下，未发生转变而处于一下，未发生转变而处于不稳定状态的奥氏体。它是非稳定组织，迟早要发生不稳定状态的
7、奥氏体。它是非稳定组织，迟早要发生转变。转变。 二、钢在冷却时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变加加热热保温保温时间温度A112加加热热保温保温时间温度A1550MsMf珠光体转变珠光体转变贝氏体转变贝氏体转变马氏体转变马氏体转变加加热热保温保温时间温度A1550AP1. 珠光体转变：过冷奥氏体在临界温度珠光体转变：过冷奥氏体在临界温度A1以下较高温度范围以下较高温度范围内内A A1 1550550发生的珠光体转变，又称为发生的珠光体转变，又称为高温转变高温转变。由于相变在较高温度下进行，由于相变在较高温度下进行，Fe、C原子都能进行扩散，所原子都能进行扩散，所以珠光体转变属于以珠光体转变属于
8、扩散型相变扩散型相变。珠光体形成示意图按片间距的大小可将其分为三类：按片间距的大小可将其分为三类：珠光体珠光体P索氏体索氏体S 托氏体（屈氏体）托氏体（屈氏体）TA1650650600 600550片层较粗片层较细片层极细HRC15-2727-3838-43片层间距越小，则强度和硬度越高，塑性和韧性也越好片层间距越小，则强度和硬度越高，塑性和韧性也越好! !三种组织没有本质区别，只是形态上有粗细之分三种组织没有本质区别，只是形态上有粗细之分2. 2. 马氏体转变：钢从高温奥氏体状态快速冷却，在温度马氏体转变：钢从高温奥氏体状态快速冷却，在温度低于低于MsMs点点以下转变为马氏体的相变，又称为以
9、下转变为马氏体的相变，又称为低温转变低温转变。因为转变温。因为转变温度很低，度很低，FeFe和和C C原子都不能进行扩散，所以是原子都不能进行扩散，所以是非扩散型相变非扩散型相变。马氏体（马氏体（M M）是碳在）是碳在-FeFe中的中的过饱和间隙过饱和间隙固溶体。固溶体。奥氏体与马氏体的成分奥氏体与马氏体的成分相同，因此马氏体转变相同，因此马氏体转变过程中只有晶格的改组过程中只有晶格的改组而没有成分的变化。而没有成分的变化。加加热热保温保温时间温度A1MsMf马氏体转变马氏体转变1 1）马氏体的组织形态）马氏体的组织形态板条马氏体板条马氏体（低碳马氏体）针状马氏体针状马氏体（高碳马氏体）Wc1
10、.0%亚结构为高密度的位错亚结构主要是孪晶位错马氏体孪晶马氏体马氏体板条马氏体板条原奥氏体晶界原奥氏体晶界晶区晶区板条束板条束马氏体片马氏体片双凸透双凸透镜状镜状 2 2）马氏体的力学性能）马氏体的力学性能- -主要取决于碳浓度主要取决于碳浓度WC/%高强度和高硬度是马氏高强度和高硬度是马氏体性能的主要特点。体性能的主要特点。其硬度随含碳量的增加其硬度随含碳量的增加而升高。而升高。板条马氏体板条马氏体- -含碳分数低含碳分数低- -存在低密度位错区存在低密度位错区- -良好的塑性和良好的塑性和韧性韧性；片状马氏体片状马氏体- -含碳分数高含碳分数高- -孪晶亚结构孪晶亚结构- -塑性和韧性很差
11、塑性和韧性很差。马氏体强化的主要原因固溶强化：过饱和碳引起的晶格畸变；相变强化：马氏体转变时在晶内造成缺陷密度很高的亚结构；时效强化：过饱和碳以弥散碳化物形式析出；细晶强化：形成细小的马氏体。 3 3）马氏体转变的主要特点）马氏体转变的主要特点马氏体转变也是形核和长大的过程，其主要特点有：马氏体转变也是形核和长大的过程，其主要特点有：无扩散性；无扩散性； FeFe和和C C原子不能发生扩散。原子不能发生扩散。C C在在-Fe-Fe形成过饱和固溶体，形成过饱和固溶体，造成很大的晶格畸变，产生很强的固溶强化，使马氏体具造成很大的晶格畸变，产生很强的固溶强化，使马氏体具有很高的强度和硬度。有很高的强
13、的； 随着温度下降，过冷奥氏体不断转变为马氏体，如随着温度下降，过冷奥氏体不断转变为马氏体，如果中途停止冷却，则奥氏体向马氏体的转变也停止。果中途停止冷却，则奥氏体向马氏体的转变也停止。 转变不完全，总要残留少量的奥氏体；转变不完全，总要残留少量的奥氏体； 奥氏体中含碳量越高，则奥氏体中含碳量越高，则MsMs和和MfMf越低，残余越低，残余A A含量越含量越高。高。只有在含碳量小于只有在含碳量小于0.6%0.6%时，残余时，残余A A才可以忽略。才可以忽略。残余残余A A的存在不仅降低钢的硬度和耐磨化，而且还会的存在不仅降低钢的硬度和耐磨化，而且还会在工件长期使用中继续转变为马氏体，使工件尺寸
15、由于转变温度低，。在中温转变区，由于转变温度低，过冷度大，只有过冷度大，只有C C原子有一定的扩散能力，而原子有一定的扩散能力，而FeFe原子不发原子不发生扩散，因此这种转变属于生扩散，因此这种转变属于半扩散型转变半扩散型转变。贝氏体（贝氏体（B B）是）是碳化物碳化物（渗碳体）（渗碳体）分布在分布在碳碳过饱和的铁素体过饱和的铁素体基体基体上的两相混合物上的两相混合物。根根据组织形态可以分为据组织形态可以分为上贝氏体和下贝氏体上贝氏体和下贝氏体。Ms加加热热保温保温时间温度A1550A贝氏体转变贝氏体转变350上上B下下B上贝氏体（上贝氏体（B上）上）550至至350组织形态呈组织形态呈羽毛状
16、羽毛状渗碳体渗碳体B上上 =过饱和碳过饱和碳 -Fe条状条状 + Fe3C细条状细条状过饱和碳过饱和碳-Fe条状条状 Fe3C细条状细条状羽毛状羽毛状 下贝氏体（下贝氏体（B B下下）350至至Ms呈黑色针状或竹呈黑色针状或竹叶状。叶状。渗碳体渗碳体B下下 =过饱和碳过饱和碳 -Fe针叶状针叶状 + Fe3C细片状细片状过饱和碳过饱和碳 -Fe针状针状Fe3C细片状细片状针叶状针叶状贝氏体的力学性能贝氏体的力学性能: :取决于其组织形态。取决于其组织形态。上贝氏体上贝氏体- -铁素体条粗大铁素体条粗大- -碳化物颗粒粗大碳化物颗粒粗大- -强度和韧性均强度和韧性均差，无实用价值差，无实用价值。
17、下贝氏体下贝氏体- -铁素体针细小、分布均匀铁素体针细小、分布均匀- -碳化物碳化物细小且呈弥散分布细小且呈弥散分布- -强度高强度高，韧性也好，韧性也好，较较好的综合力学性能好的综合力学性能- -是生产上常用的强化组是生产上常用的强化组织之一。织之一。(二二)钢在热处理时的冷却方式钢在热处理时的冷却方式 热热加加保温保温时间温度临界温度临界温度连续冷却连续冷却等温冷却等温冷却连续冷却：钢从高温奥氏体状态连续冷却：钢从高温奥氏体状态一直连续冷却到室温一直连续冷却到室温等温冷却：将奥氏体状态的钢等温冷却：将奥氏体状态的钢迅速迅速冷却到临冷却到临界点以下某一温度保温，让其发生恒温转变界点以下某一温
18、度保温，让其发生恒温转变，然后在继续冷却到室温，然后在继续冷却到室温(三三) 过冷奥氏体的等温冷却转变曲线过冷奥氏体的等温冷却转变曲线建立建立共析钢共析钢过冷奥氏体等温冷却过冷奥氏体等温冷却转变曲线转变曲线-TTT曲线曲线 ( C 曲线曲线 )它表示过冷奥氏体急速冷却到临界点它表示过冷奥氏体急速冷却到临界点A1以下在各以下在各不同温度下的保温过程中转变产物与转变时间不同温度下的保温过程中转变产物与转变时间的关系曲线。的关系曲线。T - timeT - temperatureT - transformation 共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间时间(s)3001
19、021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1二二) 共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线的分析曲线的分析稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过冷奥氏体区过冷奥氏体区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线 A +产产 物物 区区产物区产物区A1550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变; P 转变区。转变区。550230;中温转变中温转变区区; 半扩散型转变半扩散型转变;贝氏体贝氏体( B ) 转变区转变区;230 - 50; 低温转低温转变区变区; 非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体 ( M ) 转变区。转变区。时间(
20、s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf 2. 2.亚共析钢的亚共析钢的TTT曲线曲线 FAP + FS + FTBM + A残残A3时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1MsMf 3. 3.过共析钢的过共析钢的TTT曲线曲线P + Fe3CS + Fe3CTBM + A残残 Fe3CAACM时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1MsMf (四四) 影响影响 TTT 曲线形状与
21、位置的因素曲线形状与位置的因素1.奥氏体中含碳量的影响奥氏体中含碳量的影响:亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢2.奥氏体中含合金元素的影响奥氏体中含合金元素的影响: 除除Co、Al (2.5% ) 外外,所有合金元素溶入奥所有合金元素溶入奥氏体中氏体中,会引起曲线右移，会引起曲线右移，Ms和和Mf下降下降:向右移向右移向下移向下移MsA1A1Ms含含Cr合金钢合金钢合金元素的影响合金元素的影响3.奥氏体状态的影响奥氏体状态的影响1）奥氏体晶粒越细，越有利形核和扩散，有利转变。）奥氏体晶粒越细，越有利形核和扩散，有利转变。2）加热温度越高）加热温度越高, 保温时间越长，碳化物溶解充分保
22、温时间越长，碳化物溶解充分, 奥氏体成分均匀，提高了过冷奥氏体的稳定性，从奥氏体成分均匀，提高了过冷奥氏体的稳定性，从而使而使 TTT曲线向右移，越稳定。曲线向右移，越稳定。（五）过冷奥氏体的连续冷却转变（五）过冷奥氏体的连续冷却转变建立共析钢建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变过冷奥氏体连续冷却转变曲线曲线-CCT 曲曲线线它表示钢经奥氏体化后在不同冷却速度的连续冷却它表示钢经奥氏体化后在不同冷却速度的连续冷却条件下，过冷奥氏体转变为亚稳定产物时，转变条件下，过冷奥氏体转变为亚稳定产物时，转变开始及转变终了的时间与转变温度之间的关系曲开始及转变终了的时间与转变温度之间的关系曲线图线图。C - c
23、ontinuousC - coolingT - transformationVcVc 1、 共析碳钢共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间( lg )温度A1PfPsA+PKMsMf水冷水冷油冷油冷炉冷炉冷空冷空冷中止线中止线无贝氏体转变区无贝氏体转变区Vc上临界冷却速度上临界冷却速度V下临界冷却速度下临界冷却速度c珠光体珠光体转变区转变区马氏体转变区马氏体转变区稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf2 共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线与曲线与CCT曲线的比较曲线的比较CC
24、T曲线曲线TTT曲线曲线共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线与曲线与CCT曲线的比较曲线的比较CCT曲线在曲线在TTT曲线的右下方，表明连续冷却时过冷曲线的右下方，表明连续冷却时过冷奥氏体更稳定，孕育期更长；奥氏体更稳定，孕育期更长；CCT曲线中没有贝氏体转变；曲线中没有贝氏体转变；连续冷却过程中，过冷奥氏体的转变是在一个温度区连续冷却过程中，过冷奥氏体的转变是在一个温度区间内进行的，随着冷却速度的增大，转变温度区间逐间内进行的，随着冷却速度的增大，转变温度区间逐渐移向低温，而转变时间则缩短；渐移向低温，而转变时间则缩短；等温冷却条件下得到的组织产物基本为单一产物和残等温冷却条件下得到的组织产物基本
25、为单一产物和残余奥氏体，但是连续冷却条件下先后经过几个转变区余奥氏体，但是连续冷却条件下先后经过几个转变区，转变产物经常是几种组织的混合物，且由于转变开，转变产物经常是几种组织的混合物，且由于转变开始温度较高，使先转变的组织晶粒粗大，后转变的组始温度较高，使先转变的组织晶粒粗大，后转变的组织晶粒相对细小。织晶粒相对细小。VcV4水冷水冷V3油冷油冷Vc 3、CCT曲线在连续冷却过程中的应用曲线在连续冷却过程中的应用时间( lg )温度A1PfPsA+PKMsMfV1炉冷炉冷V2空冷空冷V1 = 5.5/s :炉冷炉冷 ; PV2 = 20/s :空冷空冷 ; SV3 = 33/s :油冷油冷;
26、T+M+A残残V4 138/s :水冷水冷 ; M+A残残稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf连续冷却过程中连续冷却过程中 TTT 曲线的应用曲线的应用V1V2VkV3V4V1 = 5.5/s :炉冷炉冷 ; PV2 = 20/s :空冷空冷 ; SV3 = 33/s :油冷油冷;T+M+A残残V4 138/s :水冷水冷 ; M+A残残 第二节第二节 钢的普通热处理工艺钢的普通热处理工艺毛坯生产毛坯生产 预备热处理预备热处理 机械加工机械加工 最终热处理最终热处理 机械精加工机械精加工预
27、备热处理预备热处理 : 为了消除上一道加工工艺中造成的某些为了消除上一道加工工艺中造成的某些缺陷，并为随后的加工和最终热处理做准备。包括缺陷，并为随后的加工和最终热处理做准备。包括退火退火和和正火正火。最终热处理最终热处理 : 为了使零件满足使用性能要求。包括为了使零件满足使用性能要求。包括淬淬火火和和回火回火。一般零件生产的工艺路线一般零件生产的工艺路线:回火回火保温保温保温保温温度温度时间时间加热加热临界温度临界温度随炉冷却随炉冷却退火退火缓慢加热缓慢加热正火正火空气冷却空气冷却空气冷却空气冷却水冷或油冷水冷或油冷淬火淬火一、钢的退火一、钢的退火 一一)定义定义: 把零件加温到一定温度，保
28、温一段时间把零件加温到一定温度，保温一段时间,然后然后缓慢缓慢（随炉）（随炉）冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。 二二)目的目的: 1、消除应力、消除应力; 2、降低硬度以改善切削加工性能、降低硬度以改善切削加工性能; 3、细化晶粒、细化晶粒; 4、均匀成分、均匀成分; 5、为最终热处理作好组织准备。、为最终热处理作好组织准备。 三三) 种类种类退火退火相变重结晶相变重结晶退火退火低温退火低温退火完全退火完全退火扩散退火扩散退火球化退火球化退火再结晶退火再结晶退火去应力退火去应力退火普通退火普通退火等温退火等温退火普通球化普通球化 退退 火火等
29、温球化等温球化 退退 火火四四) 工艺参数工艺参数:500600Ac1 + 3050Ac3 + 3050Ac3 + 150250t再再+150250再结晶退火再结晶退火热处热处理理完全退火完全退火等温退火等温退火球化退火球化退火扩散退火扩散退火 去应力去应力退火退火再结晶退火再结晶退火温度Ac3+3050Ac3（Ac1）以上Ac1+2030Ac3+150300Ac1-100200t再+150250（T再=T熔 0.4）冷却保温后缓冷保温后快冷到Ar1下保温再空冷保温后冷却到Ar1后再缓冷长时间保温后炉冷保温后炉冷保温后空冷目的细化晶粒，均匀组织，消除内应力细化，软化、省时得到球状 Fe3C，软
30、化均匀成分去内应力，稳定组织降低硬度，提高塑性使用材料亚共析钢的铸、锻件，热轧型材，焊接件中、高合金钢共析钢，过共析钢铸钢件冷加工件，热加工件冷变形工件组织F + PF + P 或 Fe3C+ P球状 P粗大A不变等轴晶粒二、钢的正火二、钢的正火一一)定义定义: 把零件加温到临界温度把零件加温到临界温度Ac3或或Accm以上以上3050，保温一段时间，然后在，保温一段时间，然后在空气中冷却空气中冷却。 二二)目的目的: 消除应力；调整硬度；细化晶粒；均匀成消除应力；调整硬度；细化晶粒；均匀成分；为最终热处理作好组织准备。分；为最终热处理作好组织准备。 三）适用于：三）适用于： 低碳钢低碳钢 改
31、善切削加工性改善切削加工性 要求不高的结构件要求不高的结构件 机械性能机械性能四四)组织：组织：S（wc=0.6-1.4%） S+F（Wc0.6%） 。 500600Ac1 + 3050Ac3 + 3050Ac3 + 150250正火正火正火与退火的区别：正火与退火的区别：1. 正火的冷却速度比较快，得到的组织比较细小，强度和硬正火的冷却速度比较快，得到的组织比较细小，强度和硬度也稍高一些。度也稍高一些。2. 如果对钢件性能的要求不高，可采用正火作为最终热处理如果对钢件性能的要求不高，可采用正火作为最终热处理。如果零件尺寸较大或形状复杂，则正火会使零件内产生较。如果零件尺寸较大或形状复杂，则正
32、火会使零件内产生较大残余应力，这时应选择退火；大残余应力，这时应选择退火；3. 从减少变形和开裂的倾向性来说，淬火和回火前的预备热从减少变形和开裂的倾向性来说，淬火和回火前的预备热处理应选择退火；处理应选择退火；4. 正火的生产周期短，操作简单，故在可能条件下，特别是正火的生产周期短，操作简单，故在可能条件下，特别是在大批量生产时应优先考虑正火。在大批量生产时应优先考虑正火。5. 低中碳钢适合选用正火作为预备热处理，高碳钢则适合退低中碳钢适合选用正火作为预备热处理，高碳钢则适合退火特别是球化退火作为预备热处理较为合适。火特别是球化退火作为预备热处理较为合适。三、钢的淬火三、钢的淬火一、定义一、
33、定义: 把零件加温到临界温度把零件加温到临界温度Ac1或或Ac3以上以上30 50，保温一段时间，然后快速冷却，保温一段时间，然后快速冷却 ( 水冷水冷 )。 二、目的二、目的: 为了获得马氏体组织，提高钢的硬度和为了获得马氏体组织，提高钢的硬度和耐磨性。耐磨性。 淬火后必须有回火工艺！淬火后必须有回火工艺！三、热处理后的组织三、热处理后的组织 钢种钢种淬火温度淬火温度()最终组织最终组织亚共析钢Wc0.5%Ac3+3050M亚共析钢Wc0.5%Ac3+3050M + A残共析钢Ac1+3050M + A残过共析钢Ac1+3050M+Fe3C+A残四、淬火加热时间四、淬火加热时间 ( ) 的选
34、择的选择 = K D工工 件件 有有 效效 厚厚 度度(尺寸最小部位尺寸最小部位)装炉量有关系数装炉量有关系数一般一般 K = 11.5加热系数加热系数,与钢种与钢种及加热介质有关及加热介质有关淬火时间不当，会产生过热、过烧或表面氧化、脱碳等缺陷。淬火时间不当，会产生过热、过烧或表面氧化、脱碳等缺陷。五、淬火冷却介质五、淬火冷却介质1.淬火应力淬火应力1.1 热应力热应力 内外温差内外温差 热胀冷缩热胀冷缩 热应力热应力1.2 组织应力组织应力 内外温差内外温差 转变产物转变产物 比体积比体积 组织组织 应力应力比体积：奥氏体比体积：奥氏体珠光体珠光体贝氏体贝氏体马氏体马氏体工件冷却时热应力变
35、化示意图工件冷却时热应力变化示意图时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf2.常用的淬火冷却介质常用的淬火冷却介质 名名 称称 最大冷却速度时最大冷却速度时 平均冷却速度平均冷却速度/(s-1)所在温所在温度度/ 冷却速度冷却速度 /( s-1)650550 300200 20静止水静止水34077513545040静止水静止水28554511041060静止水静止水2202758018510%NaCl 溶液溶液58020001900100010%NaOH 溶液溶液560283027507752010号机油号机油4302
36、3060658010号机油号机油4302307055203号号锭子油锭子油50012010050六、六、 常用的淬火方法常用的淬火方法单液淬火单液淬火双液淬火双液淬火分级淬火分级淬火等温淬火等温淬火时间时间温度MsA1盐浴盐浴单液淬火法单液淬火法双液淬火法双液淬火法分级淬火法分级淬火法等温淬火法等温淬火法深冷处理深冷处理原理将工件放入一种介质中冷却至室温工件先在冷却能力强的介质中冷却，300以下在冷却能力弱的介质中冷却将工件放入温度略高于Ms点的盐浴中适当时间保温后空冷将工件放入温度略高于Ms点的盐浴中足够长时间保温后空冷将工件冷却到-80或更低的温度，保持一段时间后使残留奥氏体全部转变为马氏
37、体特点操作简单，易于机械化，应用较广，但水淬工件变形开裂倾向大，油淬冷却能力低，大件淬不硬淬火应力小，减少了变形和开裂的倾向，但工艺较难控制，操作难度大可较好的弥补单/双液淬火法的不足，但只试用于尺寸较小，形状复杂或截面不均匀的零件转变组织为下贝氏体，可以极大降低工件淬火应力和变形，适用于复杂、精密零件，但生产周期长，生产效率低可提高钢的硬度和耐磨性，并稳定工件尺寸，适用于量具、滚动轴承等精密零件七七 、钢的淬硬性、钢的淬硬性1.定义定义:是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。2.影响钢的淬硬性的因素影响钢的淬硬性的因素:主要取决于马氏体的含碳量。主要取决于马氏体
38、的含碳量。WC/%八、钢的淬透性八、钢的淬透性 1.定义定义:是指钢在淬火时所能获得到的马氏体的能力。是指钢在淬火时所能获得到的马氏体的能力。2.淬透层的深度：淬透层的深度：从表面至半马氏体（马氏体组织从表面至半马氏体（马氏体组织占占50%）处的距离。）处的距离。3.影响钢的淬透性的因素影响钢的淬透性的因素:主要是临界淬火冷却速度主要是临界淬火冷却速度Vc的大小的大小, Vc越大越大,钢的淬透性越小。钢的淬透性越小。（1）碳的质量分数：）碳的质量分数： 亚共析钢：亚共析钢：Wc 淬透性淬透性 过共析钢：过共析钢：Wc 淬透性淬透性（2）合金元素：）合金元素：合金元素合金元素 淬透性（除淬透性（
39、除CoCo）；（3）奥氏体化温度：奥氏体化温度）奥氏体化温度：奥氏体化温度 淬透性淬透性 ；（4）钢中未溶第二相：夹杂物）钢中未溶第二相：夹杂物 淬透性淬透性工件淬硬层与冷却速度的关系工件淬硬层与冷却速度的关系心部冷速心部冷速表面冷速表面冷速马氏体区马氏体区非马氏体区非马氏体区心部心部表面表面MsMf淬硬性淬硬性表示钢淬火发生马氏体转变后所能得到的最高表示钢淬火发生马氏体转变后所能得到的最高硬度。主要取决于马氏体中的含碳量。马氏体中含碳硬度。主要取决于马氏体中的含碳量。马氏体中含碳量越高，钢的淬硬性越高。量越高，钢的淬硬性越高。淬透性淬透性是指钢淬火后获得马氏体的能力。主要取决于是指钢淬火后获
40、得马氏体的能力。主要取决于钢的临界冷去速度。临界冷却速度越小，钢的淬透性钢的临界冷去速度。临界冷却速度越小，钢的淬透性越好。越好。两者没有必然联系！两者没有必然联系！淬硬性与淬透性的区别淬硬性与淬透性的区别：钢钢 种种淬硬性淬硬性淬透性淬透性碳素结构钢( 20 )低小碳素工具钢( T10A )高小低碳合金结构钢 ( 18Cr2Ni4WA )低大高碳高合金工具钢 ( Cr12MoV )高大 4.4.钢的淬透性的测量钢的淬透性的测量 1)“末端淬火法末端淬火法”测定。测定。 2)2)临界淬火直径：临界淬火直径：dHRCJ最大淬透直径最大淬透直径D Do oD Do o越大，钢的淬透性越好越大，钢的
41、淬透性越好5 . 344:45 J1244:40JCr5、淬透性的应用淬透性是机械零件设计时选材和指定热处理工艺的重要依据。 根据端淬曲线合理选用钢材，以满足心部硬度的要求； 预测工件淬火后硬度分布； 根据端淬曲线选择淬火介质，制订热处理工艺。四、钢的回火四、钢的回火一、定义一、定义:把淬火后的零件重新加温到把淬火后的零件重新加温到A1线以下某个线以下某个温度，保温一段时间，然后冷却到窒温。温度，保温一段时间，然后冷却到窒温。二、目的：二、目的：降低淬火钢的脆性，提高韧性，调整硬降低淬火钢的脆性，提高韧性，调整硬度，消除内应力，稳定工件尺寸，获得所需要的力度，消除内应力，稳定工件尺寸，获得所需
42、要的力学性能。学性能。淬火钢不经回火处理，一般不能直接使用；钢经淬火后应立即回火，否则在放置过程中就会变形和开裂。淬火钢的回火转变：马氏体分解和残余奥氏体的分解。 1.1.马氏体分解（马氏体分解（100100200200）100100以上，以上，M M分解，固溶于分解，固溶于M M中的过饱和中的过饱和C C以以-Fe-Fe2.42.4C C碳化物碳化物析出，由析出，由M M和以细片状分布在和以细片状分布在M M基体上的碳化物称为回火马氏基体上的碳化物称为回火马氏体体(M(M回回) )。这个阶段中内应力有所减小，但力学性能变化不大。这个阶段中内应力有所减小，但力学性能变化不大。根据转变的过程和形
43、成的组织，一般把回火转变分为四个阶段：M M回回A三、回火时的组织变化：三、回火时的组织变化： 3.3.碳化物的转变（碳化物的转变（300300400400）由于此温度区间内由于此温度区间内C C原子扩散能力增加，原子扩散能力增加，M M内过饱和的内过饱和的C C原子原子几乎全部脱溶，转变为铁素体，同时亚稳定的几乎全部脱溶，转变为铁素体，同时亚稳定的碳化物也转碳化物也转变为更稳定的渗碳体。这种针状的铁素体和细粒状的渗碳体变为更稳定的渗碳体。这种针状的铁素体和细粒状的渗碳体组成的机械混合物称为回火屈氏体组成的机械混合物称为回火屈氏体T T回回。这个阶段中，淬火应力大部分消除，钢的硬度、强度下降，
44、这个阶段中，淬火应力大部分消除，钢的硬度、强度下降，塑性、韧性提高。塑性、韧性提高。回火温度高于回火温度高于400400时渗碳体开始聚集长大。时渗碳体开始聚集长大。F F明显回复，但明显回复，但仍保持原有的板条状或针状，仍保持原有的板条状或针状，450450 时时F发生发生多边形化，这多边形化，这种多边形种多边形F F和粗大粒状渗碳体的混合物称为回火索氏体和粗大粒状渗碳体的混合物称为回火索氏体S S回回。这个阶段中，钢的硬度和强度进一步下降，塑性、韧性进一这个阶段中，钢的硬度和强度进一步下降，塑性、韧性进一步提高。步提高。 4.4.渗碳体的聚集长大和渗碳体的聚集长大和相的再结晶（相的再结晶（4
45、00400以上）以上）低温回火（低温回火（150250 ） 组织：回火组织：回火M 极细极细碳化物碳化物 + 过饱和过饱和相相 目的：目的：内应力，内应力，脆性，保持高硬度和耐磨性脆性，保持高硬度和耐磨性 适用：工具，量具，轴承适用：工具，量具，轴承 高碳钢高碳钢 渗碳件，表面淬火件渗碳件，表面淬火件 HRC5862 2 中温回火（中温回火（350500 ） 组织：回火组织：回火T 针状针状 F + 极细极细 Fe3C 目的：获得高目的：获得高s ，e HRC3545 适用：弹簧，扳手，模具适用：弹簧，扳手，模具 中高碳钢中高碳钢 3 高温回火（高温回火（500650 ） 组织：回火组织：回火
46、S 块状块状 F + 粒状粒状 Fe3C 目的：获得良好的综合机械性能目的：获得良好的综合机械性能 HRC2535 适用：轴，齿轮，螺栓等重要结构件适用：轴，齿轮，螺栓等重要结构件 中碳钢中碳钢淬火淬火 + 高温回火高温回火 = 调质调质耐磨件耐磨件M回回=0.3%C+150250低温回火低温回火弹簧等弹簧等T回回=F针针+Fe3C粒粒350500中温回火中温回火调质件调质件S回回=F多多+Fe3C球球500650高温回火高温回火高合金钢高合金钢P回回=F多多+Fe3C粒粒650A1高温软化高温软化用途用途组组 织织温度温度()名名 称称淬火淬火 + 高温回火高温回火 = 调质处理调质处理五、
47、回火种类五、回火种类四、回火时的性能变化四、回火时的性能变化随回火温度随回火温度 b，S，HRC，K， e K第一类回火脆性：第一类回火脆性：250400 每种钢都有，难以避免每种钢都有，难以避免 回火温度禁区（一般不在回火温度禁区（一般不在此温度范围内回火）此温度范围内回火）六、回火脆性六、回火脆性韧性随回火温度升高而升高？韧性随回火温度升高而升高？300 600 300 600 回火脆性：回火脆性：在某温度区间回火时，在某温度区间回火时， k 显著降低显著降低第二类回火脆性：第二类回火脆性：500600 含含CrCr、MnMn、NiNi的钢明显的钢明显 可以消除：可以消除： 钢中加钢中加
48、MoMo、W W 回火后快冷回火后快冷化学热处理化学热处理表面淬火表面淬火第五节第五节 钢的表面热处理钢的表面热处理对轴、齿轮、凸轮对轴、齿轮、凸轮的机械性能要求的机械性能要求表面：硬，耐磨，耐疲劳表面：硬，耐磨，耐疲劳M心部：塑，韧，耐冲击心部：塑，韧，耐冲击F，P解决思路：解决思路：选材选材低淬透性材料低淬透性材料工艺工艺只改变表层组织只改变表层组织同时改变表层同时改变表层组织、成分组织、成分表面热处理表面热处理工艺的核心工艺的核心:使零件具有使零件具有“表硬里韧表硬里韧”一、表面淬火一、表面淬火一一) 定义定义: 将工件的表面层淬硬到一定深度，而心将工件的表面层淬硬到一定深度，而心部仍保
49、持未淬火状态的一种局部淬火法。部仍保持未淬火状态的一种局部淬火法。二二) 工艺特征工艺特征:通过快速加热使钢的表层奥氏体化，通过快速加热使钢的表层奥氏体化，然后急冷，使表层形成马氏体组织，而心部仍保持然后急冷，使表层形成马氏体组织，而心部仍保持不变。不变。 三三)表面淬火用钢表面淬火用钢:选用中碳或中碳低合金钢。选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。等。 四四)表面淬火加工的方法表面淬火加工的方法: 感应加热感应加热( 高、中、工频高、中、工频 )、火焰加热、激光加热等。火焰加热、激光加热等。集肤效应示意图集肤效应示意图1.感应加热表面淬火感应加热表面淬火1)感应加热的基
50、本感应加热的基本原理原理:* 感应电流感应电流 - 涡流涡流* 集肤效应集肤效应淬火层深度淬火层深度()电流频率电流频率( f )(500mmf分类：分类：高频（高频（200300 KHz），）， 中频（中频（2.58 KHz），工），工频（频（50 Hz），厚度分别为），厚度分别为0.5-2，3-6，10-15mm特点：特点： 加热速度快，时间短加热速度快，时间短 表层为极细的隐晶表层为极细的隐晶M 硬度高硬度高 脆性低脆性低 23HRC 体积膨胀形成压应力体积膨胀形成压应力,-1 变形小，不易氧化脱碳变形小，不易氧化脱碳 易机械化、自动化易机械化、自动化 设备价贵，维修调整困难设备价贵，维
51、修调整困难适用于：需淬硬层薄的中、小零件适用于：需淬硬层薄的中、小零件多用于：中碳钢、中碳合金钢多用于：中碳钢、中碳合金钢2)工艺要求工艺要求: * 表面淬火前表面淬火前,必须对零件进行正火或调质必须对零件进行正火或调质处理处理,以保证零件有良好的基体。以保证零件有良好的基体。 * 表面淬火后表面淬火后,必须对零件进行低温回火处必须对零件进行低温回火处理理,以降低淬火应力和脆性。以降低淬火应力和脆性。2.火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火1)火焰加热表面淬火的基本方法火焰加热表面淬火的基本方法2)火焰加热表面淬火的特点火焰加热表面淬火的特点:*设备简单设备简单, 操作方便操作方便, 成本低。成本
52、低。*淬火质量不稳定。淬火质量不稳定。*适于单件、小批量及大型零件的生产。适于单件、小批量及大型零件的生产。淬硬层淬硬层2-6mm（三）激光加热表面淬火（三）激光加热表面淬火无需冷却介质无需冷却介质,加热加热:高功率密度高功率密度:103105W/cm2淬硬层：淬硬层：0.1-0.8mm硬度高、耐磨性好硬度高、耐磨性好(50%)复杂件的拐角、沟槽、深孔等复杂件的拐角、沟槽、深孔等二、化学热处理二、化学热处理一一)定义定义:将零件置于一定的将零件置于一定的化学介质化学介质中中 , 通过加热、通过加热、保温保温,使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层,以以改变
53、钢表层的化学成分改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。和组织的热处理工艺。 二二) 化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程:3.吸收吸收: 活性原子被零件表面吸收和溶解。活性原子被零件表面吸收和溶解。4.扩散扩散: 活性原子由零件表面向内部扩散活性原子由零件表面向内部扩散, 形成一定的形成一定的扩散层。扩散层。2.分解分解: 化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。 2CO CO2 +C1.加热加热: 工件加热到合适的温度使之有利于吸收渗入工件加热到合适的温度使之有利于吸收渗入元素元素.三三) 化学热处理进行的条件化学热处理进行的条件:1. 渗入元素的原
54、子必须是渗入元素的原子必须是活性原子活性原子, 而且具有较大而且具有较大的的扩散扩散能力。能力。2. 零件本身具有零件本身具有吸收吸收渗入原子的能力渗入原子的能力,即对渗入原即对渗入原子有一定的溶解度或能与之化合子有一定的溶解度或能与之化合, 形成化合物。形成化合物。四四) 化学热处理的种类化学热处理的种类: 渗碳渗碳; 渗氮渗氮; 碳氮共渗碳氮共渗; 渗硼渗硼; 渗铝渗铝; 渗硫渗硫; 渗硅渗硅; 渗铬等。渗铬等。1.钢的渗碳钢的渗碳1)定义定义: 把钢置于含有活性炭的介质中，加热、保把钢置于含有活性炭的介质中，加热、保温，使温，使活性活性碳原子碳原子渗入钢的表面的热处理工艺。渗入钢的表面的
55、热处理工艺。2)目的目的: 获得具有表硬里韧性能的零件。获得具有表硬里韧性能的零件。3)用钢用钢:低碳钢和低碳合金钢。低碳钢和低碳合金钢。4)方法方法: 固体、气体、液体渗碳。固体、气体、液体渗碳。 固体渗碳法示意图固体渗碳法示意图 设备简单 操作方便 生产率低 质量不易控制 劳动条件差 单件、小批量零件零件渗碳剂渗碳剂试棒试棒盖盖泥封泥封渗碳箱渗碳箱222222CCOCOCOCOCCOOC 气体渗碳法示意图气体渗碳法示意图 煤油、甲醇等 生产率高 渗碳层质量好 劳动条件好2222224COHHCOCCOCOCHCH液体渗碳法液体渗碳法 工件放入熔融的液体中工件放入熔融的液体中 设备简单设备简
56、单 质量容易控制质量容易控制 操作方便操作方便 渗入速度快渗入速度快 盐浴配方大多含有氰盐盐浴配方大多含有氰盐 单件，小批量单件，小批量5)工艺工艺: 加热温度为加热温度为900950; 渗碳时间一般为渗碳时间一般为39小时小时;渗碳层厚渗碳层厚0.5-2mm,Wc%1.0%6)渗碳后的组织渗碳后的组织: 1%CP+Fe3C0.2%C F + P少少表面表面中心中心零零 件件PP+F渗渗碳碳层层的的组组织织过共析组织过共析组织(P+Fe3C) 共析组织共析组织(P) 过渡区亚共析组织过渡区亚共析组织(P+F) 原始亚共析组织原始亚共析组织(F+P) 7) 渗碳后的热处理工艺渗碳后的热处理工艺8
57、) 热处理后的组织热处理后的组织低碳低碳M回回+FM回回+Cm+A残残低碳低碳合金钢合金钢F+PM回回+Fe3C+A残残低碳钢低碳钢心部组织心部组织表层组织表层组织钢种钢种9)常用的钢种常用的钢种: 15、20、20Cr、20Mn2、 20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。等。2.钢的渗氮钢的渗氮1)定义定义:把钢置于含有活性氮原子的介质中，加热、把钢置于含有活性氮原子的介质中，加热、保温，使活性保温，使活性氮原子氮原子渗入钢的表面的热处理工艺。渗入钢的表面的热处理工艺。2)目的目的:获得具有获得具有表硬里韧表硬里韧及及抗蚀性能抗蚀性能 的零件。的零件。3)用钢用钢:中碳合金钢。中碳合金钢
58、。4)方法方法:气体渗氮、离子渗氮。气体渗氮、离子渗氮。5)工艺工艺:加热温度加热温度500600; 保温时间保温时间2050h （0.30.5mm）。）。6)热处理特点热处理特点: 渗氮前需调质处理渗氮前需调质处理; 渗氮后不需热处理。渗氮后不需热处理。7)渗氮处理后的组织渗氮处理后的组织 表层表层 : Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、 MoN、TiN、VN。 心部心部 : S回回。8)常用的钢种常用的钢种 : 35 CrMo、38CrNiW、 38 CrMoAlA 等。等。渗氮件的性能：渗氮件的性能：表面强化和表面保护表面强化和表面保护1)高硬度、高耐磨性高硬度、高耐磨性合金氮化物层，
59、合金氮化物层，100010001100HV1100HV，而且在，而且在600600650650下保持不下降；下保持不下降；2)疲劳极限高疲劳极限高渗氮层的体积增大产生残余压应力，疲劳极限提高达渗氮层的体积增大产生残余压应力，疲劳极限提高达15%15%35%35%；3)高的耐蚀性能高的耐蚀性能致密的耐蚀的氮化物，使工件在水、过热的蒸气和碱性溶液中都致密的耐蚀的氮化物，使工件在水、过热的蒸气和碱性溶液中都很稳定很稳定4)变形很小变形很小渗氮温度低。渗氮温度低。工艺路线：工艺路线：锻造锻造正火正火粗加工粗加工调质调质精加工精加工去应力去应力粗磨粗磨氮化氮化精磨或研磨精磨或研磨1 1、气体渗氮、气体渗
60、氮气体渗氮：气体渗氮： 在气体介质中进行渗氮的工艺称为气体渗氮。在气体介质中进行渗氮的工艺称为气体渗氮。工艺过程工艺过程 ：在渗氮炉内通入氨气，在：在渗氮炉内通入氨气，在380380以上氨分解出活以上氨分解出活性氮原子性氮原子:2NH:2NH3 33H3H2 2+2N+2N活性氮原子被工件表面吸收并溶入表面，活性氮原子被工件表面吸收并溶入表面，在保温过程中向里扩散，形成渗氮层。在保温过程中向里扩散，形成渗氮层。工艺特点：工艺特点：温度低：温度低：500500600600550550570570氮在铁素体中有一定的溶解能力。氮在铁素体中有一定的溶解能力。时间长：时间长：404070h70h，氮化
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