第5章 钢的热处理

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1、第五章 钢的热处理 本章主要任务本章主要任务 任务：热处理对于金属材料的改性 任务描述： 目的：改变钢的内部组织结构，改善钢的性能 1、热处理强化金属材料、充分挖掘材料潜能； 2、消除铸、锻、焊热加工工艺缺陷，均匀组织和性能； 3、改善加工工艺性能； 4、保证抗磨损、耐腐蚀等特殊性能。 任务分解任务分解 主要模块一：热处理加热和冷却组织转变： 1、结合铁碳相图，掌握材料的奥氏体化过程，以及加热之后的组织状态对于冷却最终组织的影响。 2、掌握C曲线和CCT曲线冷却转变中的作用，能据此判定冷却之后的组织状态；并能理解不同材料的热处理工艺参数。 主要模块二：热处理工艺： 钢的加热与冷却组织转变规律为

2、制定正确的热处理工艺提供了理论依据，热处理参数的确定必须使具体工件满足组织转变规律性 能掌握普通热处理和表面热处理工艺，并能解决具体的情景问题，理解和应用于热处理工程领域。 模块一模块一 热处理概念热处理概念 模块二模块二 钢材在加热时的组织转变钢材在加热时的组织转变 模块三模块三 钢材在冷却时的组织转变钢材在冷却时的组织转变 模块四模块四 退火与正火退火与正火 模块五模块五 淬火淬火 模块六模块六 回火回火 模块七模块七 表面热处理与化学热处理表面热处理与化学热处理 热处理：金属或合金在固态下于一定介质中加热到一定温度，保温一定时间，以一定速度冷却下来的一种综合工艺。TtT保温t保温V冷却V

3、加热作用：（1）显著提高材料的使用性能 （2）改善加工性能（切削、热处理）模块一模块一 热处理概念热处理概念什么是热处理 模块二模块二 钢材在加热时的组织转变钢材在加热时的组织转变1、复习“钢在室温下的组织”：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。 一 钢钢在加热时组织热时组织的转变转变（以共析钢为钢为例） 共析钢加热到727C（A1)以上，珠光体转变成奥氏体。（四个阶段）奥氏体形核奥氏体核长大残余渗碳体溶解奥氏体成分均匀化(a)(b)(c)(d) 一、奥氏体的形成 二

4、、奥氏体晶体的长大 三、残留碳化物的溶解四、奥氏体成分均匀化图1-4 珠光体向奥氏体等温转变过程示意图五、亚(或过)共析钢中奥氏体的形成 二二 奥氏体晶粒长大及其控制奥氏体晶粒长大及其控制一、奥氏体晶粒度 晶粒度是表示晶粒大小的一种尺度，在研究奥氏体晶粒时，首先要区分三种晶粒度的概念。 1. 初始晶粒度 2. 实际晶粒度 3. 本质晶粒度 奥氏体晶粒长大过程示意图本质粗晶粒钢与本质细晶粒钢奥氏体晶粒长大示意图 模块三 钢材在冷却时的组织转变 冷却过程热处理工艺的关键部分，对控制热处理以后的组织与性能起着极大作用，不同的冷却速度获不同的组织与性能。 过冷奥氏体等温转变图过冷奥氏体等温转变图一、过

5、冷奥氏体等温转变图的建立 将奥氏体迅速冷至临界温度以下的一定温度，并在此温度下进行等温，在等温过程中所发生的相变称为过冷奥氏体等温转变。 测定过冷奥氏体等温转变图的方法有金相-硬度法、膨胀法、磁性法、热分析法等。 图2-1 过冷奥氏体等温转变图作法示意图 图2-2 共析碳钢的C曲线 由图2-2可以看出： 1. 在各不同温度下过冷奥氏体等温分解需要一段准备时间，称为孕育期。 2. 通常把此处称为C曲线的鼻部或拐点 3. 对于碳钢，在其C曲线鼻部以上为过冷奥氏体高温转变区，生成珠光体；在鼻部以下至Ms点之间为中温转变区，生成贝氏体；在Ms点以下为低温转变区，生成马氏体。 二 过冷奥氏体等温转变类型

6、及其产物 1、珠光体转变（共析转变A P ） 发生温度：7270C-5600C 7270C-6500C：珠光体片层较粗，P（珠光体）6500C-6000C：珠光体层片较细，S （索氏体）6000C-5600C： 珠光体层片极细，T (托氏体)珠光体的铁素体和渗碳体层片粗细与转变温度有关。温度越低，珠光体的层片越细。层片变细，强度硬度增加，塑性韧性有所增加。 T8 钢退火组织 P珠光体形貌 2、贝氏体转变（1）转变温度： 560Ms（2300C） 560-3500C: 贝氏体呈羽毛状，称为上贝氏体，记为B上 350- Ms（2300C）：贝氏体呈针叶状，称之为下贝氏体，记为B下。（2）产物：贝氏

7、体（3）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） 上贝氏体的形成示意图上贝氏体的貌 下贝氏体的形成示意图下贝氏体的形貌 （5) 性能： 上贝氏体的硬度高，塑性、韧性差，不用。 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。 3 马氏体转变 （4）形貌： 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。 （1）转变温度： Ms（230C）Mf（2）产物：马氏体（3）马氏体：碳在a-Fe中形成的过饱和铁素体，具有体心正 方结构。 （5）性能特点：硬而脆，且随Wc的增加而增加。 必须经过回火才能使用。（

8、6）应用高碳马氏体用于高硬度高耐磨性的零件，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，石油钻井的吊环、吊钳等。 球墨铸铁淬火 G球+M+A15钢淬火组织 M低高碳马氏体低碳马氏体 图2-3 亚共析钢(0.54%C)过冷奥氏体等温转变图 图2-4 过共析钢(1.13%C)过冷奥氏体等温转变图 四 影响C曲线的主要因素 1 含碳量含碳量合金元素2合金元素除Co（钴）元素外，其它合金元素溶入奥氏体后使C曲线右移。 C曲线的形状C曲线距纵坐标的距离Ms 、 Mf的温度影响 图2-6 共析碳钢连续冷却转变图过冷奥氏体连续冷却转变图 图中CC线为转变中止线；vc是使全部过

9、冷奥氏体都不发生分解，而被过冷到Ms点以下发生马氏体转变的最小冷却速度，称为上临界冷却速度，通常也叫临界冷却速度或临界淬火速度；vc是过冷奥氏体全部转变为珠光体的最大冷速，称为下临界冷却速度。 图2-7 冷却速度对共析碳钢奥氏体转变温度区域(a)及转变产物(b)的影响1-珠光体转变开始线；2-珠光体转变终了线；3-珠光体转变中止线；4-马氏体转变开始线；5-马氏体转变终了线 亚(或过)共析碳钢的连续冷却转变曲线图2-8 0.30%C钢连续冷却转变曲线奥氏体化温度：930；时间：30min 图2-9 0.90%C钢连续冷却转变曲线奥氏体化温度：930；时间：30min 案例分析一案例分析一 情景

10、： 将45钢和T12A钢加热至700，770，840淬火，说明淬火温度是否正确？为什么45钢在770淬火后的硬度较T12A钢为低。 目的：理解不同的加热温度，对加热相变和最终组织的影响 案例解析案例解析 700 770 840 45钢F+P（无相变）M+F M T12钢P球 M+ Fe3C+AR M粗+ AR 注： 45钢的正常淬火温度：840；T12钢的正常淬火温度：770。 45钢770淬火组织：M+F，而T12钢淬火组织：M+ Fe3C+AR，相比较T12钢固溶碳量高，其淬硬性高。 第二篇第二篇 钢的热处理工艺钢的热处理工艺020040060080005101520时间(小时)温度(oC

11、)图7-1 热处理工艺所谓热处理工艺，是指把钢加热到预定的温度，在此温度下保持一定时间，然后以预定的速度冷却下来的一种综合工艺。 金属材料加工过程： 冶炼铸造铸锭板棒型管焊接机加工冷轧冷拔深冲锻件铸件机加工零件或构件 工艺性能预备热处理 使用性能最终热处理热轧热锻 模块四模块四 退火与正火退火与正火一、钢的退火 将钢加热到临界点Ac1以上或以下的一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态的组织，这种热处理工艺称为退火。 退火可以达到以下目的： (1) 消除钢锭的成分偏析，使成分均匀化； (2) 消除铸、锻件中存在的魏氏组织或带状组织，细化晶粒和均匀组织； (3) 降低硬度，提高塑

12、性，以便于切削加工； (4) 改善高碳钢中碳化物的形态和分布，为淬火作好组织准备。 将亚共析钢加热至Ac3以上2030，保温足够时间奥氏体化后，随炉缓慢冷却，从而获得接近平衡状态的组织，这种热处理工艺称为完全退火。1. 完全退火 完全退火的目的为： (1) 消除铸、锻件中存在的魏氏组织或带状组织，细化晶粒和均匀组织； (2) 消除铸、锻件中存在的内应力，降低硬度，便于切削加工。 完全退火只适用于亚共析钢，不适用于过共析钢。适用范围亚共析钢、合金钢的铸、锻、热轧、焊件的预备热处理(切削加工前或热处理前的预备热处理) 45钢锻造后与完全退火后机械性能状态b(Mpa)s(Mpa)(%)(%)k (k

13、J.m-2)HB锻造6507503004005152040200400230完全退火60070030035015204050400600200.完全退火后强硬度有所下降，而塑韧性较大幅度提高主要目的：改善组织与加工性能 图7-4 热锻轧钢材完全退火工艺曲线 将亚共析钢在Ac1Ac3之间或过共析钢在Ac1Accm之间两相区加热，保温足够时间后缓慢冷却的热处理工艺，称为不完全退火。 不完全退火的目的是：改善珠光体组织，消除内应力，降低硬度以便切削加工。 亚共析钢不完全退火的温度一般为740780，其优点是加热温度低，操作条件好，节省燃料和时间。2. 不完全退火 3. 球化退火 球化退火是一种将钢中

14、渗碳体或碳化物由片状变为粒状，均匀分布在铁素体基体上的热处理工艺。主要用于过共析钢，是一种不完全退火。 球化退火的目的是：消除钢中的片状珠光体，代之以粒状珠光体。球化退火的加热温度范围一般为：Ac1+2030 图7-5 GCr15轴承钢球化退火工艺曲线 4. 扩散退火 扩散退火是通过高温长时间加热，使合金元素扩散均匀，以消除或减弱枝晶偏析的热处理工艺。主要用于合金钢锭或铸件。 扩散退火温度通常为11001200，保温时间为1015小时。5. 软化退火 软化退火是消除钢锭或合金结构钢锻轧钢材内应力，降低其硬度的热处理工艺。 软化退火温度通常为650720，保温后出炉空冷。 6. 再结晶退火 再结

15、晶退火是将冷加工后的钢材加热至T再Ac1之间，通常为650700，使变形晶粒恢复成等轴状晶粒，从而消除加工硬化的热处理工艺。 图7-6 防止白点的热处理工艺曲线(a) 碳钢及低合金钢；(b) 中合金钢7. 去氢退火 正火是将钢加热到Ac3或Accm以上约3050，或者更高温度，保温足够时间，然后在静止空气中冷却的热处理工艺。 根据钢中过冷奥氏体的稳定性和钢的截面大小，正火后可获得不同的组织，如粗细不同的珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合组织。二、钢的正火二、钢的正火钢的正火 (1) 对于大锻件、截面较大的钢材、铸件，用正火来细化晶粒，均匀组织(如消除魏氏组织或带状组织)，为淬火处理作好组织准备

16、，此时正火相当于退火的效果。 (2) 低碳钢退火后硬度太低，切削加工中易粘刀，光洁度较差。改用正火，可提高硬度，改善切削加工性。 (3) 可以作为某些中碳钢或中碳低合金钢工件的最终热处理，以代替调质处理，具有一定的综合力学性能。 (4) 用于过共析纲，可消除网状二次碳化物，为球化退火作好组织上的准备。 正火的目的： 模块五模块五 淬火淬火一、钢的淬火 将钢加热到临界点Ac1或Ac3以上的一定温度，保温一定时间，然后在水或油等冷却介质中快速冷却，这种热处理工艺称为淬火。 淬火的主要目的是：把奥氏体化工件淬成马氏体，以便在适当温度回火后，获得所需要的力学性能。钢的淬火 (1) 加热温度亚共析钢的淬

17、火加热温度为：Ac3+3050过共析钢的淬火加热温度为：Ac1+3050(2) 保温。保温的目的是： 使工件透热，即工件整个截面都达到规定的淬火加热温度； 完成加热时的转变过程，获得所需成分的细晶粒奥氏体。(3) 冷却介质及冷却方法1. 淬火工艺参数的选择 单液淬火 将奥氏体化后的高温工件迅速投入到一种淬火冷却介质中，连续冷却到室温，这种淬火冷却方式称为单液淬火。 双液淬火 将奥氏体化后的高温工件迅速投入水中急冷，防止工件发生珠光体和贝氏体转变，待工件表面温度接近Ms点时，立即从水中取出，投入油中冷却，在油冷过程中发生马氏体转变，这种淬火冷却方式称为双液淬火。 常用的淬火冷却方法有以下几种：

18、分级淬火 将奥氏体化后的高温工件迅速投入温度略高于Ms点的盐浴或碱浴中，等温停留一段时间(以不发生贝氏体转变为准)，使工件内外温度均匀，然后取出空冷，这种淬火冷却方式称为分级淬火。 等温淬火 将奥氏体化后的高温工件迅速投入温度略高于Ms点的盐浴中，停留足够时间，使过冷奥氏体等温转变为下贝氏体，然后取出空冷，这种淬火冷却方式称为等温淬火。 图7-9 各种淬火方法的冷却曲线示意图(a) 单液淬火 (b) 双液淬火 (c) 分级淬火 (d) 等温淬火 图7-8 钢的理想淬火冷却曲线图7-7 碳钢的淬火加热温度范围 2. 钢的淬透性淬透性是指奥氏体化后的钢接受淬火的能力。其大小通常用一定条件下淬火后钢

19、的淬透层深度来表示，它主要取决于钢的临界冷却速度的大小。 淬透层深度：由工件表面半马氏体点(50%M)的深度。 淬硬性：钢淬火时的硬化能力，用淬成马氏体可能得到的最高硬度表示。取决于马氏体中的 C% 。 V表V心VCV表V心淬透层深度VC 3 淬透性测定方法顶端淬火法 25100 ， 回火：是将淬火钢件加热到低于A1的某一温度，保温一段时间，然后以适当方式冷却至室温的热处理工艺。模块六模块六 回火回火钢的回火 回火的主要目的为： (1) 获得所需组织以改善性能；(2) 稳定组织与尺寸；(3) 消除内应力。 按回火温度的不同，可将回火分为以下三类： 1. 低温回火 在150250之间进行，回火后

20、组织为回火马氏体。 目的是在保持高强度、高硬度的前提下，降低钢的淬火内应力，减小其脆性。 主要用来处理刀具、量具、冷作模具、滚动轴承和渗碳件等。 2. 中温回火 在350500之间进行，回火后组织为回火屈氏体。 中温回火后具有最高的弹性极限和足够的韧性。 主要用来处理各种弹簧，也可用于处理要求高强度的工件，如刀杆、轴套等。 3. 高温回火 在500650之间进行，回火后组织为回火索氏体。 淬火加高温回火的热处理工艺称为调质处理。 调质处理后工件既具有较高的强度，又具有良好的塑性和韧性，即具有高的综合力学性能。 调质处理广泛用于要求高强度并受冲击或交变负荷的重要工件，如连杆、轴等。 回火温度:内

21、应力；强硬度；塑韧性。 模块七模块七 表面热处理与化学热处理表面热处理与化学热处理 表面淬火是一种强化工件表面层的热处理工艺。 一、感应加热基本原理 将工件放在通有交变电流的感应圈内，感应圈周围的交变磁场会使工件产生感应电流，这个电流在工件内自成回路，称为涡流。 工件上产生的感应电流在工件截面上的分布是不均匀的，在工件表面电流密度最大，心部几乎没有电流通过，这种现象称为集肤效应。 图7-16 感应加热表面淬火示意图 二、感应加热表面淬火的特点1. 感应加热是靠工件表面层感应电流直接加热，因而加热效率高，加热速度快(可达1000/秒)，无保温过程。2. 虽然感应加热表面淬火的加热温度高，但由于加

22、热速度快，无保温过程，故能获得细晶粒奥氏体，淬火后得隐晶马氏体，工件表面硬度高(比普通淬火高23HRC)，氧化、脱碳少。3. 感应加热表面淬火后，淬硬的表面层中存在很大的残余压应力，有效地提高了工件的疲劳强度。由于不是整体加热，淬火冷却时，工件的变形小。4. 感应加热表面淬火生产效率高，便于实现机械化、自动化。 三、感应加热表面淬火工艺参数的选择1. 感应加热的频率及功率 根据电流频率的不同，感应加热表面淬火可分为以下三类： (1) 高频感应加热淬火 采用电子管式高频设备，工作频率通常为200250kHz，可获得12mm厚的硬化层，一般用于处理中小模数齿轮和小轴。 (2) 中频感应加热淬火 生

23、产上采用机械式中频发电机组或可控硅变频器，可提供频率为1000、2500或8000Hz的电流，能获得35mm厚的硬化层，主要用于大模数齿轮、较大尺寸的轴、钢轨轨端及轨面全长淬火。 (3) 工频感应加热淬火 工频感应加热是采用工业上常用的50Hz工频电流，因而只需降压变压器。能获得1015mm厚的硬化层，主要用于深层和穿透加热，如大工件的表面淬火、锻件的穿透加热等。 3. 冷却方式 感应加热表面淬火的冷却方式主要有以下两种： (1) 喷射冷却：通过感应器或喷水圈内壁的小孔将淬火冷却介质喷射到工件的红热表面，使工件表面急冷。 (2) 浸液冷却：将工件需淬硬的表面同时加热到淬火温度，然后立即整体浸入

24、淬火槽或转入喷水圈中急冷。 合金钢制工件采用浸液法冷却(油冷)，其它大多数工件采用喷射法冷却。 钢的化学热处理钢的化学热处理 钢的化学热处理是将钢件放在一定温度的化学活性介质中，使一种或几种元素的原子渗入钢件表面，以改变钢件表面层的化学成分，从而获得预期的组织和性能的热处理过程。 与表面淬火相比，化学热处理的主要优点是：(1) 表面强化效果极为显著；(2) 可获得某些特殊的性能，如抗蚀性、抗高温氧化性以及极高的耐磨性。 化学热处理的种类很多，都以渗入钢中的元素命名，如渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等。 一、渗碳 将低碳钢件放入增碳活性介质中，在900950加热保温，使活性碳原子渗入钢的表面以

25、达到高碳，这种热处理工艺称为渗碳。 过程：吸附：活性碳原子吸附至工件表面；扩散：碳原子向工件里层扩散。 根据渗碳介质状态的不同，渗碳工艺有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳三种。其中应用最广泛的是气体渗碳。 1、 渗碳工艺(1) 渗碳温度 由于碳在铁素体中的溶解度极低，故渗碳处理均在单相奥氏体区进行，渗碳温度必须在Ac3以上，通常为920950。(2) 渗碳时间 渗碳时间主要根据所要求的渗碳层深度、渗碳温度以及钢的成分来确定。在介质的渗碳能力一定的条件下，渗碳层深度是温度和时间的函数。在渗碳温度固定的情况下，渗碳层深度与时间呈抛物线关系。 2、热处理：渗碳 + 淬火 + 低温回火 组织表层：高碳回火

26、马氏体 + 碳化物 + A 组织心部：F + P 或者M回（低碳）+ F +A 案例讨论二案例讨论二 轴和齿轮，是常见的机械零部件，应用非常广泛； 请思考： 1、轴和齿轮制造的加工工艺过程； 2、热处理在制造过程中所起的作用和地位 典型零件工艺路线的分析典型零件工艺路线的分析1 轴类零件（机床主轴）（1）分析工作条件：承受中等交变扭矩载荷、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。（2）失效形式：疲劳断裂，轴颈处磨损（主要方式）；冲击过载断裂等（偶尔发生） （3）性能要求：高的疲劳强度；良好的综合性能； 局部高硬度；（4）中碳钢或者中碳合金钢： 45 （40Cr） （5）工

27、艺路线：下料 锻造 正火 粗加工 调质(淬火+ 高温回火) 局部表面淬火+ 低温回火 精磨 成品； （6）组织：表面：回火马氏体；心部：回火索氏体 2、齿轮（低碳钢、表面渗碳）(1)工作条件: 齿轮根部承受交变弯曲应力；（传递扭矩时）;齿啮合时齿面承受较大的接触压应力并受强烈的摩擦和磨损； 换挡、气动、制动时齿轮承受一定的冲击。 (2) 失效形式：齿的折断（疲劳断裂和冲击过载断裂）；齿表面磨损。 （3）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。（4）选材：低碳钢（20，25）（5）工艺路线：下料 锻造 正火 机加工渗碳+淬火 + 低温回火 喷丸精磨 成品；（6）微观组织：表面：M回（高碳） + A（少量） “表硬” 心部：F（多） + P “心韧” 课后习题 1、试比较共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线与连续转变曲线的异同点。 2、将T8钢小试样加热到760经保温后，采用什么样的冷却方式才能得到下列组织： 珠光体；索氏体； 屈氏体；上贝氏体；下贝氏体；屈氏体+马氏体；马氏体十残余奥氏体(少量)；下贝氏体+马氏体+少量残余奥氏体。在C曲线上描出工艺曲线示意图。 3、钢经淬火后为什么一定要回火?回火存在哪些过程？回火温度与钢的性能关系怎样? 4、生产热轧低碳钢板，有时因W(C)偏低强度不够而不合标准，为了提高强度，可在热轧后采用吹风甚至喷雾冷却。试解释其原因。