工程材料与机械制造基础CH4

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1、工程材料与机械制造工程材料与机械制造基础基础(CH4)三、热处理的目的三、热处理的目的改变金属材料的组织，从而提高合金的机械性能。四、热处理的依据和分类四、热处理的依据和分类纯铁的同素异晶转变，钢在固态下的共析反应，就是钢进行热处理的依据。分类：分类：普通热处理退火、正火、淬火、回火。表面热处理表面淬火、表面化学热处理。4-1 钢在加热时的组织转变（以共析钢为例）钢在加热时的组织转变（以共析钢为例）加热是热处理的第一步。目的是为了获得成分均匀，晶粒细小的奥氏体。一、奥氏体的形成一、奥氏体的形成P（F0.0218%+Fe3C6.69%)A0.07%转变时既有晶格的重构-Fe -Fe，又有Fe 原

2、子和C原子的扩散。奥氏体化过程分四个阶段：奥氏体化过程分四个阶段：奥氏体形核奥氏体形核（在F与Fe3C相界面上）奥氏体长大奥氏体长大（-Fe -Fe晶格重构，Fe3C溶解，C原子向A扩散)剩余剩余Fe3C溶解溶解 A成分均匀化成分均匀化亚共析钢奥氏体化除P A，还需加热到AC3，F A。过共析钢奥氏体化除P A，还需加热到ACCM，Fe3C A。二、二、奥氏体晶粒的长大奥氏体晶粒的长大珠光体向奥氏体转变刚完成时的晶粒度总是细小的，随着加热温度的提高或保温时间的延长A体晶粒要长大。一旦A体晶粒长大，不管用什么方法冷却，总是得到粗大的晶粒。加热温度过高:产生过热或过烧缺陷。过热或过烧缺陷。保温时间

3、过长易产生氧化和脱碳缺陷。保温时间不足，工件不能热透或奥氏体成分不均匀，淬火后出现软点。4-2 钢的非平衡冷却转变钢的非平衡冷却转变一、共析钢等温转变曲线（一、共析钢等温转变曲线（TTT曲线或曲线或C曲线）的测定曲线）的测定C曲线：表示A急速冷却到A1以下，在各不同温度的保温过程中，组织转变量与转变时间的关系曲线。二、二、C曲线分析曲线分析1、A1以上为稳定的A区。A1以下，转变开始线以左为过冷A区。A1以下，转变终了线以右，MS线以上为转变产物区。2、不同温度下过冷A转变总要有一段孕育期，孕育期越长，过冷A越稳定。为什么过冷为什么过冷A的稳定性会出现以上这种马鞍形？的稳定性会出现以上这种马鞍

4、形？三、过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能三、过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能（一）珠光体转变（扩散型转变、高温转变）（一）珠光体转变（扩散型转变、高温转变）（二）贝氏体转变（半扩散型转变、中温转变）（二）贝氏体转变（半扩散型转变、中温转变）四、亚共析或过共析钢的四、亚共析或过共析钢的C曲线曲线五、过冷奥氏体连续转变曲线图五、过冷奥氏体连续转变曲线图共析钢连续冷却转变的主要特点共析钢连续冷却转变的主要特点1、只有C曲线的上半部分，即无贝氏体转变。2、kk线是P体转变中途停止线。3、过冷A的转变是在一个温度区间进行，因开始转变温度高，所以晶粒内粗外细，且转变产物往往是几种组织的混合。4、VK是

5、过冷A转变为M的最小冷速，称临界冷速。5、过共析钢除多出一条先共析Fe3C线外，其它与共析钢相同。亚共析钢不同，出现了贝氏体转变区。六、马氏体转变六、马氏体转变（一）一）M的晶体结构的晶体结构-体心正方体心正方（二）（二）M的组织形态的组织形态有两种，一种是片状有两种，一种是片状M，另一种是板条状另一种是板条状M。（三）三）M的性能的性能（四）（四）M转变的特点转变的特点1、M转变是无扩散型转变。2、M转变速度极快，M量的增加不是靠已形成M体的长大，而是靠新M体片的不断形成。3、M转变是在一个温度区间形成。4、M转变是不完全的。4-3 钢的退火与回火钢的退火与回火一、退火一、退火将钢加热保温后

6、，随炉缓慢冷却的热处理工艺。主要用于铸、锻、焊件毛坯的热处理。预先热处理，安排在毛坯生产之后，切削加工之前。1、退火的目的、退火的目的1）降低钢件硬度，便于切削加工。2）消除工件内应力，稳定尺寸。3）细化晶粒，改善组织，提高钢的机械性能。4）为最终热处理做好组织准备。2、退火的种类、工艺过程与应用、退火的种类、工艺过程与应用分类分类 工艺过程工艺过程 适用范围适用范围 目的目的 最后组织最后组织完全退火 Ac3+3050C炉冷 亚共析钢 2、3 F+P 扩散退火Ac3+150200C炉冷 合金钢 2、均匀成分 F+P球化退火 Ac1+3050C炉冷 共（过）析钢 1、2 F+Fe3C粒去应力退

7、火 A1以下 炉冷 铸、锻、焊件 2 无变化再结晶退火 A1以下 空冷 冷变形件 2消除加工硬化 等轴晶二、正火二、正火将钢加热到完全奥氏体化，保温后在空气中冷却的热处理工艺。正火的目的与退火相似，只是正火冷却较快，P体较多，强度较高。对于低碳钢，可适当提高硬度，便于切削加工。对于过共析钢，可减少或消除二次渗碳体网，为球化退火做组织准备。对于不重要的件或形状复杂的件可作为最终热处理。4-4 钢的淬火钢的淬火将钢加热到Ac3（亚共析）或Ac1（共析、过共析）以上3050C，保温后在油中或水中快速冷却的热处理。一、淬火的目的一、淬火的目的获得M或下贝氏体，提高钢的硬度和耐磨性。二、淬火工艺二、淬火

8、工艺1、加热温度的选择、加热温度的选择亚共析钢淬火温度为Ac3以上3050C。共析、过共析钢为Ac1以上3050C。2、保温时间保温时间一般根据工件的有效厚度选择t=D，t：保温时间(min)：加热系数（=1.01.5min/mm），D：工件厚度mm3、淬淬火冷却介质火冷却介质理想的冷却介质是既能获得M，又不使零件造成大的内应力。常用的冷却介质有水、盐水、矿物油。三、淬火方法三、淬火方法1、单液淬火2、双液淬火3、分级淬火4、等温淬火5、冷处理、冷处理将淬火后的钢件，在零度以下继续冷却，使残余A转变为M体的工艺。冷处理主要用于提高零件的表面硬度和耐磨性，提高工具的使用寿命，提高精密量具的尺寸稳

9、定性等。四、钢的淬透性与应用四、钢的淬透性与应用1、淬透性的概念、淬透性的概念淬透性是钢淬火时奥氏体转变成淬透性是钢淬火时奥氏体转变成M体而不转变成其它体而不转变成其它组织的能力。组织的能力。淬透性的大小用一定条件下淬透层的深度表示。淬透性的大小用一定条件下淬透层的深度表示。规定：从钢表面到内部规定：从钢表面到内部M占占50%处的距离为淬透层深处的距离为淬透层深度。度。淬硬性与淬透性的概念不同。钢的淬硬性是指钢淬火淬硬性与淬透性的概念不同。钢的淬硬性是指钢淬火后能达到的最高硬度。主要决定于后能达到的最高硬度。主要决定于M体的含碳量。而淬体的含碳量。而淬透性的好坏主要取决于奥氏体的稳定性。透性的

10、好坏主要取决于奥氏体的稳定性。2、影响淬透性的因素、影响淬透性的因素 凡是增加凡是增加A体稳定性的因素，或凡是使体稳定性的因素，或凡是使C曲线右移，曲线右移，减小临界冷却速度的因素，都提高钢的淬透性减小临界冷却速度的因素，都提高钢的淬透性。1）化学成分）化学成分 2）奥氏体化条件）奥氏体化条件注意：在相同奥氏体化条件下，同一种钢的淬透性是注意：在相同奥氏体化条件下，同一种钢的淬透性是相同的，但它的淬硬层深度却随工件形状和尺寸及冷却相同的，但它的淬硬层深度却随工件形状和尺寸及冷却介质冷却能力的不同而变化。如同一种钢在相同的奥氏介质冷却能力的不同而变化。如同一种钢在相同的奥氏体化条件下，水淬比油淬

11、、小件比大件的淬硬层深，这体化条件下，水淬比油淬、小件比大件的淬硬层深，这决不能说同一种钢水淬比油淬、小件比大件的淬透性好。决不能说同一种钢水淬比油淬、小件比大件的淬透性好。只有在一切条件相同时，才可根据淬硬层深度判定钢的只有在一切条件相同时，才可根据淬硬层深度判定钢的淬透性的好坏。淬透性的好坏。3、零件设计与淬透性、零件设计与淬透性1）对于整个截面均匀受力或受大的冲击载荷的零件，）对于整个截面均匀受力或受大的冲击载荷的零件，应选用淬透性好的材料，使整个截面淬透。应选用淬透性好的材料，使整个截面淬透。2）对于受弯曲、扭转的实心轴类零件，表面要求耐磨）对于受弯曲、扭转的实心轴类零件，表面要求耐磨

12、性并受冲击的一些模具，可选用淬透性较低的钢。性并受冲击的一些模具，可选用淬透性较低的钢。3）对于焊接件，不选用淬透性高的钢。）对于焊接件，不选用淬透性高的钢。4）当工件尺寸很大，钢的淬透性又较差时，粗加工应）当工件尺寸很大，钢的淬透性又较差时，粗加工应安排在淬火前进行。安排在淬火前进行。5）零件的尺寸大，钢的淬透性很差时，应选用正火代）零件的尺寸大，钢的淬透性很差时，应选用正火代替淬火。替淬火。4-5 钢的回火钢的回火将淬火钢重新加热到A1以下某一温度，保温后冷却到室温的热处理工艺称回火。一、回火的目的一、回火的目的1、降低淬火钢的脆性，消除或减少淬火钢的内应力。2、获得所要求的性能。3、稳定

13、工件尺寸，降低硬度，便于切削加工。二、回火转变（以共析钢为例）二、回火转变（以共析钢为例）1、在、在100200C回火，回火，M体分解。体分解。M2、在、在200300C回火，残余回火，残余A转变转变(B下下）。）。M3、在、在300400C回火，碳化物转变（回火，碳化物转变（FeXC Fe3C）T4、在、在400C以上回火，以上回火，Fe3C聚集长大，聚集长大，相再结晶。相再结晶。S随回火温度的提高，强度、硬度下降，塑性韧性升高。而弹性极限随回火温度的升高而升高，在300400 C时达最大值，所以要求弹性极限高的弹簧类零件采用中温回火。二、回火的种类与应用二、回火的种类与应用1、低温回火、低

14、温回火150250C，得到回火M，HRC5864，主要为了保持淬火钢的高硬度和耐磨性，而降低淬火钢的内应力和脆性。用于工具钢、滚动轴承钢及渗碳件。2、中温回火、中温回火350500C，得到回火T，HRC3550，主要是获得高的弹性极限和屈服强度，并具有一定的硬度和韧性。用于各类弹簧件。3、高温回火、高温回火500650C，得到回火S，HRC2535，使钢获得高的综合机械性能。主要用于中碳钢，合金调质钢的重要零件的处理。淬火淬火+高温回火又叫调质。高温回火又叫调质。回火回火T、回火回火S与奥氏体直接转变的与奥氏体直接转变的T、S相比的异同点相比的异同点？三、淬火与回火工序的安排三、淬火与回火工序

15、的安排淬火与回火作为最终热处理安排在半精加工之后，磨削加工之前。4-6 钢的表面热处理钢的表面热处理一、表面热处理的分类一、表面热处理的分类1、只改变表层组织，不改变表层化学成分的热处理表面淬火。2、同时改变表层组织和化学成分的热处理表面化学热处理（渗碳、渗氮等）。二、表面淬火二、表面淬火通过快速加热使工件表面迅速达到淬火温度，未等热量传到心部就立即冷却淬火，只是表面获得M体，而心部组织未变的热处理工艺叫表面淬火。感应加热表面淬火感应加热表面淬火1、工艺、工艺交流电的“集肤效应”，=C/f1/2（：加热深度mm，f：交流电的频率Hz）。2、感应加热表面淬火的特点、感应加热表面淬火的特点1）加热

16、速度快，组织转变温度高，A体晶粒不易长大，淬火后M体细小，钢件表面硬度高，脆性低。2）由于只是表层获得M，心部组织未变，M的比容大，使零件表层产生残留压应力，提高了零件的抗疲劳极限。3）加热速度快，氧化与脱碳减小，且工件的变形小。4）淬硬层深度易控制，生产率高。但设备费用高，特殊形状的感应圈不易制造。3、应用、应用主要用于中碳钢和调质钢。因为含碳量太高，表层的脆性增加，心部的塑性韧性降低，增加淬火开裂倾向。含碳过低，表面淬硬层硬度低，耐磨性差。感应加热淬火后，一般要进行低温回火。工艺路线：工艺路线：锻造退火或正火粗加工调质半精加工感应加热表面淬火低温回火磨削加工三、渗碳三、渗碳渗碳是把钢置于渗

17、碳剂中，加热到A体区，保温一定时间，碳原子渗入钢件表层的过程。1、渗碳的目的及用钢、渗碳的目的及用钢使工件得到表面高硬度高耐磨性，心部有好的强度和韧性的要求。含碳0.10.25%的低碳钢。渗碳淬火+低温回火2、渗碳方法、渗碳方法1）气体渗碳（煤油、苯、甲醇+丙酮）渗碳介质的分解吸收扩散三个基本过程。主要控制好加热温度（930 C）和保温时间。温度越高，渗速越大，扩散层越厚，但晶粒越大，使钢变脆。保温时间取决于渗层厚度，但时间越长，扩散速度减慢。钢件渗碳几小时到几十小时，可得到0.52mm的渗碳层深度。3、渗碳后的组织与热处理、渗碳后的组织与热处理1）表层含碳0.851.05%，从表层到心部含碳

18、量逐渐降低，心部为原始低碳钢的组织。2）渗碳后热处理淬火+低温回火。渗碳件的工艺路线：渗碳件的工艺路线：锻造正火粗加工渗碳淬火+低温回火精加工五、氮化五、氮化1、氮化的分类及用钢、氮化的分类及用钢根据氮化的目的不同，氮化方法分为抗磨氮化和抗蚀氮化两类。抗磨氮化抗磨氮化是为了获得表面高硬度高耐磨性和高的疲劳强度，氮化温度一般为560 C。而且要用含铝、铬、钼等合金元素的合金钢，因为这些合金元素能与N原子形成高度弥散硬度极高而且稳定的氮化物。氮化层深度为0.15 0.75mm，氮化时间为10100小时。抗蚀氮化抗蚀氮化是使工件表面形成一层薄而致密的耐蚀层，以提高工件的耐蚀性。氮化温度一般为590

19、C，最高达720 C。氮化时间为0.5 3 小时。耐蚀层为0.015 0.06mm。此方法适于碳钢、低合金钢及铸铁等。2、氮化方法、氮化方法1）气气体氮化体氮化 2NH33H2+2N特点：不需要特殊设备，易于操作。但是氮化速度慢。2）离子氮化）离子氮化特点：氮化速度为气体氮化的1/21/4。氮化质量也高。3、氮化前的准备、氮化前的准备1）一般要先进行调质，使工件获得好的综合机械性能。2）为防止氮化变形，对形状复杂的零件，机加工后应进行消除应力的高温回火。3）氮化后不再机加工或热处理，最多进行精磨，氮化前放磨量不应过大。4）不需氮化部位应镀铜或锡保护或留出适当的磨削量。4、氮化的特点、氮化的特点

20、1）工件表面形成一层极硬的合金氮化物，具有很高的硬度和耐磨性，且能保持到650C而不明显下降。2）疲劳极限可提高1535%。3）表面有很好的抗蚀性，而且工件变形小。5、氮化件的工艺路线安排、氮化件的工艺路线安排锻造正火粗加工调质精加工去应力退火粗磨氮化精磨六、表面热处理方法比较与选用六、表面热处理方法比较与选用高频淬火、渗碳与氮化共同的目的是提高工件表面硬度和耐磨性及疲劳强度，但是它们之间也有一定差别。渗碳法可获得较厚的硬化层（3mm）及高的表面硬度（HV800）但是渗碳后需淬火，变形量大。用于易发生点蚀的重载齿轮或形状复杂零件较合适。高频淬火可在短时间内获得厚的硬化层（10mm），变形小，生

21、产率高。但硬度少低（HV700），耐磨性不如渗碳件。形状复杂、批量小不宜采用。氮化法表面硬度最高（HV1100），硬化层最薄0.5mm硬度梯度最陡。适合于转速快、压力小、不受冲击的件。但氮化工艺时间长，效率最低七、热处理工序位置安排七、热处理工序位置安排1、退火、正火（预先热处理）安排在毛坯生产之后，切削加工之前。铸造、锻压退火（正火）机加工2、调质：淬透性好的钢或截面小的零件可安排在机加工前，其它安排在粗加工后，精加工前。锻造正火（退火）粗加工调质精加工3、淬火+中低温回火：安排在精加工之后，磨削之前锻造正火（退火）粗加工、精加工淬火+中低温回火磨削4、渗碳：全部渗碳件，安排在精加工后，磨削之前局部渗碳件，安排在精加工前，渗碳后，去掉不需要渗碳的部位，再进行淬火和回火。锻造正火（退火）粗加工渗碳精加工淬火、低温回火磨削5、氮化：安排在粗磨后，对不能磨削加工的零件（如伞齿轮）安排在精加工后。锻造正火（退火）粗加工调质精加工去应力退火粗磨氮化精磨6、时效（去应力）：中温时效安排在粗加工后，低温时效安排在精加工后。