第三章钢的热处理课件

第三章第三章 钢的热处理钢的热处理主讲：闫洁主讲：闫洁本章主要内容：本章主要内容：q1.碳钢在加热时的组织转变q2.碳钢在冷却时的组织转变q3.钢的普通热处理q4.钢的表面热处理知识要点（1）过冷奥氏体的定义。（2）过冷奥氏体的等温转变曲线，等温转变产物及其性能；等温转变曲线的应用。（3）钢的普通热处理工艺及应用。（4）钢的表面热处理工艺及应用。(5)编写典型零件（如轴、齿轮）的工艺路线。引言q热处理是改善金属材料使用性能和工艺性能的一种非常重要的工艺方法，它是强化金属材料，提高产品质量和寿命的主要途径之一。q因此，绝大部分重要的机械零件在制造过程中都必须进行热处理。热处理的概念q热处理就是将钢在固态下通过热处理就是将钢在固态下通过加热加热、保温保温和不同的和不同的冷却冷却方式，改变金属内部组织结方式，改变金属内部组织结构，从而获得所需性能的操作工艺，其工构，从而获得所需性能的操作工艺，其工艺曲线如下图所示：艺曲线如下图所示：热处理的特点q铸造、压力加工、焊接和切削加工等不同，它不改变工件的形状和尺寸，只改变工件的性能，如提高材料的强度和硬度，增加耐磨性，或者改善材料的塑性、韧性和加工性等。q经过热处理的零件，可以使各种性能得到很大的改善和提高，充分发挥金属材料的潜力，延长机械的使用寿命和节约金属材料，如在机床、汽车、拖拉机制造中80%的零件要热处理。至于刀具、量具、模具和滚动轴承等则要100%进行热处理。q实例：1.弹簧的热处理.wmv 2.錾子的热处理.avi1.碳钢在加热时的组织转变复习“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。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。）影响奥氏体晶粒大小的因素。1.碳钢在加热时的组织转变1.1奥氏体的形成 共析钢在常温时具有珠光体组织，加热到共析钢在常温时具有珠光体组织，加热到727C Ac1以上温度时，珠光体开始转变为奥氏体。只有使钢呈奥以上温度时，珠光体开始转变为奥氏体。只有使钢呈奥氏体状态，才能通过不同的冷却方式转变为不同的组织，从氏体状态，才能通过不同的冷却方式转变为不同的组织，从而获得所需要的性能。碳钢在加热时的组织转变，主要包括而获得所需要的性能。碳钢在加热时的组织转变，主要包括奥氏体的形成和晶粒长大两个过程，如图所示奥氏体的形成和晶粒长大两个过程，如图所示。1.碳钢在加热时的组织转变1.2奥氏体晶粒度及其影响因素q当珠光体刚全部转变为奥氏体时，奥氏体晶粒还是很细小当珠光体刚全部转变为奥氏体时，奥氏体晶粒还是很细小的。此时将奥氏体冷却后得到的组织晶粒也细小。的。此时将奥氏体冷却后得到的组织晶粒也细小。q如果在形成奥氏体后继续升温或延长保温时间，都会使奥如果在形成奥氏体后继续升温或延长保温时间，都会使奥氏体晶粒逐渐长大。氏体晶粒逐渐长大。q晶粒的长大是依靠较大晶粒吞并较小晶粒和晶界迁移的方晶粒的长大是依靠较大晶粒吞并较小晶粒和晶界迁移的方式进行的。式进行的。q细晶粒奥氏体转变得到的珠光体晶粒细小，钢的强度、塑细晶粒奥氏体转变得到的珠光体晶粒细小，钢的强度、塑性和韧性比较好，反之则性能较差。性和韧性比较好，反之则性能较差。1.碳钢在加热时的组织转变q1.2奥氏体晶粒度及其影响因素起始晶粒度起始晶粒度：钢在临界温度以上奥氏体形成刚结束时，其晶：钢在临界温度以上奥氏体形成刚结束时，其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。实际晶粒度实际晶粒度：钢在某一具体热处理加热条件下所获得的奥氏：钢在某一具体热处理加热条件下所获得的奥氏体晶粒大小。体晶粒大小。本质晶粒度本质晶粒度：表示钢在一定条件下的奥氏体晶粒长大的倾向：表示钢在一定条件下的奥氏体晶粒长大的倾向性。并不表示实际晶粒的大小。将钢加热至性。并不表示实际晶粒的大小。将钢加热至930度保温度保温38h，冷却后制成样品进行比较，冷却后制成样品进行比较，14级定为本质粗晶粒钢，级定为本质粗晶粒钢，58级定为本质细晶粒钢。级定为本质细晶粒钢。奥氏体晶粒度分为8级影响晶粒长大的因素：影响晶粒长大的因素：（1）加热温度和保温时间 温度的影响最显著。在一定温度下，随保温时间延长，奥氏体晶粒长大。在每一个温度下，都有一个加速长大期。（2）加热速度 实际生产中经常采用快速加热，短时保温的办法来获得细小晶粒。因为加热速度越大，奥氏体转变时的过热度越大，奥氏体的形核率越高，起始晶粒越细，加之在高温下保温时间短，奥氏体晶粒来不及长大。影响晶粒长大的因素：影响晶粒长大的因素：（3）钢的化学成分 例如，钢中随着含碳量的增加，奥氏体晶粒长大倾向增大，但是，当含碳量超过某一限度时，奥氏体晶粒长大倾向又减小。这是因为随着含碳量的增加，碳在钢中的扩散速度以及铁的自扩散速度均增加，故加大了奥氏体晶粒的长大倾向。但碳含量超过一定限度后，钢中出现二次渗碳体，对奥氏体晶界的移动有阻碍作用，故奥氏体晶粒反而细小。若钢中加入适量能形成难熔中间相的合金元素，如Ti、Zr、V、Al、Nb等，能强烈阻碍奥氏体晶粒长大，达到细化晶粒的目的。2.碳钢在冷却时的组织转变q钢经加热、保温形成的奥氏体，在冷却时分解或转变。如钢经加热、保温形成的奥氏体，在冷却时分解或转变。如果冷却非常缓慢，奥氏体转变按照铁碳合金相图进行，即果冷却非常缓慢，奥氏体转变按照铁碳合金相图进行，即奥氏体在低温时将转变成珠光体。当冷却方式和速度不同奥氏体在低温时将转变成珠光体。当冷却方式和速度不同时，所得到的组织和性能就大不一样。时，所得到的组织和性能就大不一样。2.碳钢在冷却时的组织转变q等温冷却：等温冷却：将加热到奥氏体的钢迅速冷却到临界将加热到奥氏体的钢迅速冷却到临界温度以下的某一温度保温，进行等温转变，然后温度以下的某一温度保温，进行等温转变，然后再冷到室温，如等温退火、等温淬火等。再冷到室温，如等温退火、等温淬火等。q连续冷却：连续冷却：将加热到奥氏体的钢，在温度连续下将加热到奥氏体的钢，在温度连续下降过程中发生组织转变，如水冷、空冷、炉冷等。降过程中发生组织转变，如水冷、空冷、炉冷等。q把冷至把冷至A A1 1温度以下的奥氏体称为过冷奥氏体，温度以下的奥氏体称为过冷奥氏体，A A1 1与奥氏体实际转变温度之差就是与奥氏体实际转变温度之差就是过冷度过冷度。2.碳钢在冷却时的组织转变q以共析钢为例分析奥氏体在等温冷却以共析钢为例分析奥氏体在等温冷却时的转变。时的转变。q(一一)过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体等温转变曲线 q把用共析钢制的同样尺寸把用共析钢制的同样尺寸(1.5mm的圆的圆片片)的试样分成若干组，使其奥氏体化的试样分成若干组，使其奥氏体化后，然后把各组试样分别投入后，然后把各组试样分别投入Ar1点以点以下不同温度下不同温度,如如650，600，500，350，230 的等温盐浴炉中进行等的等温盐浴炉中进行等温转变。测定奥氏体在各个温度下组温转变。测定奥氏体在各个温度下组织转变开始与终了时间，最终的组织织转变开始与终了时间，最终的组织和性能。将测定结果绘在温度时间和性能。将测定结果绘在温度时间坐标图中，把各试样转变开始点联结坐标图中，把各试样转变开始点联结起来，形成起来，形成转变开始线转变开始线；把各试样转；把各试样转变终了点联结起来，形成变终了点联结起来，形成转变终了线转变终了线。就得到就得到过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体等温转变曲线，如，如图所示。图所示。2.碳钢在冷却时的组织转变2.碳钢在冷却时的组织转变q因为曲线形状像英文字母因为曲线形状像英文字母“C”所以也叫所以也叫C曲线曲线。因为过冷。因为过冷奥氏体等温转变曲线是反映时间温度组织转变关系的奥氏体等温转变曲线是反映时间温度组织转变关系的曲线，又叫曲线，又叫“TTT”曲线。这个曲线由于过冷奥氏体在不曲线。这个曲线由于过冷奥氏体在不同过冷度下转变经历的时间相差很大，从不足同过冷度下转变经历的时间相差很大，从不足1秒至长达秒至长达几天，在等温转变开始线的左边为几天，在等温转变开始线的左边为过冷奥氏体区过冷奥氏体区，处于尚，处于尚未转变而准备转变阶段，这段时间称为未转变而准备转变阶段，这段时间称为“孕育期孕育期”。2.碳钢在冷却时的组织转变q在不同等温温度下，孕育期的长短不同。对共析钢来讲，在不同等温温度下，孕育期的长短不同。对共析钢来讲，过冷奥氏体在等温转变的过冷奥氏体在等温转变的“鼻尖鼻尖”(约约550)附近等温时，附近等温时，孕育期最短，孕育期最短，即说明过冷奥氏体最不稳定，易分解，转即说明过冷奥氏体最不稳定，易分解，转变速度最快。变速度最快。在高于或低于在高于或低于550时，孕育期由短变长，时，孕育期由短变长，即过冷奥氏体稳定性增加，转变速度较慢。即过冷奥氏体稳定性增加，转变速度较慢。q转变终了线右边为转变结束区，两条转变终了线右边为转变结束区，两条C曲线之间为曲线之间为转变过转变过渡区渡区。在在C曲线下面还有曲线下面还有两条水平线两条水平线：一条是马氏体开始：一条是马氏体开始转变线转变线Ms，一条是马氏体转变终了线一条是马氏体转变终了线Mf，在两条水平线，在两条水平线之间为马氏体转变区。之间为马氏体转变区。q(二二)过冷奥氏体等温转变产物的组织及性能过冷奥氏体等温转变产物的组织及性能 q根据共析钢过冷奥氏体在不同温度区域内转变产根据共析钢过冷奥氏体在不同温度区域内转变产物和性能的不同，可分为高温、中温及低温转变物和性能的不同，可分为高温、中温及低温转变区，即珠光体型、贝氏体型和马氏体型的转变。区，即珠光体型、贝氏体型和马氏体型的转变。700C600C560C450C350C转变开始线转变终了线2.碳钢在冷却时的组织转变q共析钢的过冷奥氏体在共析钢的过冷奥氏体在Ar1 550(鼻鼻温温)温度范围内，将发生奥氏体向珠光温度范围内，将发生奥氏体向珠光体转变体转变。分为以下三类：。分为以下三类：qAr1 650：转变产物为粗片状铁素转变产物为粗片状铁素体体+粗片状渗碳体，即粗片状渗碳体，即珠光体珠光体，硬度，硬度为为HRC1522。q650600：转变产物为层片较薄的转变产物为层片较薄的铁素体和渗碳体交替而成的珠光体。铁素体和渗碳体交替而成的珠光体。这种组织为细珠光体，称为这种组织为细珠光体，称为索氏体索氏体，用符号用符号S表示，硬度为表示，硬度为HRC2227。q 600550：转变产物为层片极薄的转变产物为层片极薄的铁素体和渗碳体交替而成的珠光体，铁素体和渗碳体交替而成的珠光体，也称为也称为屈氏体屈氏体，用符号，用符号T表示，硬度表示，硬度为为HRC2743。2.1高温等温转变区高温等温转变区珠光体型转变珠光体型转变2.1高温等温转变区高温等温转变区珠光体型转变珠光体型转变q珠光体、索氏体和屈氏体实际上都是铁素体和渗碳体的机珠光体、索氏体和屈氏体实际上都是铁素体和渗碳体的机械混合物，仅片层粗细不同，并无本质差异。它们的电子械混合物，仅片层粗细不同，并无本质差异。它们的电子显微组织如图所示。显微组织如图所示。2.2中温等温转变区中温等温转变区贝氏体型转变贝氏体型转变 q转变温度在转变温度在C曲线鼻尖至曲线鼻尖至Ms点之点之间，即间，即550230 的温度范围。的温度范围。转变转变产物产物由含碳量过饱和铁素体和微小的渗由含碳量过饱和铁素体和微小的渗碳体混合而成，这种组织称为碳体混合而成，这种组织称为贝氏体贝氏体，用符号用符号B表示。可分为上贝氏体和下贝表示。可分为上贝氏体和下贝氏体两种。氏体两种。q (1)(1)在在550550350350之间，转变产物之间，转变产物在光学显微镜下呈羽毛状，。铁素体形在光学显微镜下呈羽毛状，。铁素体形成许多密集而互相平行的扁片，其间断成许多密集而互相平行的扁片，其间断断续续分布着渗碳体颗粒，这种组织称断续续分布着渗碳体颗粒，这种组织称为为上贝氏体上贝氏体(B(B上上)硬度为硬度为HRC40HRC404545，但，但强度低，塑性差，脆性大，生产上很少强度低，塑性差，脆性大，生产上很少采用。采用。q (2)(2)在在350350M Ms s之间，转变产物之间，转变产物在光学显微镜下呈黑色竹叶状，如图所在光学显微镜下呈黑色竹叶状，如图所示。铁素体形成竹叶状，其内分布着极示。铁素体形成竹叶状，其内分布着极细小的渗碳体颗粒，这种组织为细小的渗碳体颗粒，这种组织为下贝氏下贝氏体体(B(B下下)，硬度为，硬度为HRC45HRC455555。贝氏体的碳化物不是连续分布，而是由许多细颗粒或薄片贝氏体的碳化物不是连续分布，而是由许多细颗粒或薄片呈断续分布，其次，贝氏体中的铁素体碳浓度高于珠光体，呈断续分布，其次，贝氏体中的铁素体碳浓度高于珠光体，呈过饱和固溶状态。呈过饱和固溶状态。与上贝氏体比较，与上贝氏体比较，下贝氏体下贝氏体有较高的硬度和强度，同时有较高的硬度和强度，同时塑性、韧性也较好，并有高的耐磨性。因此，生产中常采用塑性、韧性也较好，并有高的耐磨性。因此，生产中常采用等温淬火的方法来获得下贝氏体组织。等温淬火的方法来获得下贝氏体组织。q转变温度转变温度在在Ms及及Mf之间。过冷度之间。过冷度极大，转变温度很低，碳原子和极大，转变温度很低，碳原子和铁原子的动能很小，都不能扩散。铁原子的动能很小，都不能扩散。用符号用符号M表示。表示。q共析钢奥氏体过冷到共析钢奥氏体过冷到230(Ms)时，时，开始转变为马氏体，开始转变为马氏体，随着温度下随着温度下降，马氏体逐渐增多，过冷奥氏降，马氏体逐渐增多，过冷奥氏体不断减少，直至体不断减少，直至-50(Mf)时，时，过冷奥氏体才全部转变成马氏体。过冷奥氏体才全部转变成马氏体。所以所以Ms与与Mf 之间的组织为马氏体之间的组织为马氏体和残余奥氏体。和残余奥氏体。2.3低温转变区低温转变区马氏体型转变马氏体型转变 马氏体的形态q钢中马氏体的形态很多，其中板条马氏体和片状马氏体最为常见。q.板条马氏体:低碳钢中的马氏体组织是由许多成群的、相互平行排列的板条所组成，故称为板条马氏体。板条马氏体的亚结构主要为高密度的位错，故又称为位错马氏体。q.片状马氏体:在高碳钢中形成的马氏体完全是片状马氏体。在显微镜下观察时呈针状或竹叶状。片状马氏体内部的亚结构主要是孪晶。因此，片状马氏体又称为孪晶马氏体。2.4 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C曲线的形状曲线的形状C曲线距纵坐曲线距纵坐标的距离标的距离Ms、Mf的温的温度度影影响响2.4 影响影响C C曲线的主要因素曲线的主要因素（2）合金元素）合金元素除除CoCo（钴）（钴）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。2.5过冷奥氏体连续冷却转变过冷奥氏体连续冷却转变图（图（CCT曲线）曲线）在连续冷却转变过程中，在连续冷却转变过程中，亚共析钢有贝氏体转变，亚共析钢有贝氏体转变，共析钢和过共析钢无贝共析钢和过共析钢无贝氏体转变。氏体转变。CCT曲线曲线C曲线曲线CCT曲线曲线2.6 c曲线的应用(用c曲线估计碳钢连续冷却至室温得到的组织)APC曲线曲线冷却速度线冷却速度线A PA BAM2.6 c曲线的应用(用c曲线估计碳钢连续冷却至室温得到的组织)3.钢的普通热处理钢的热处理工艺钢的热处理工艺是指根据钢在加热和冷却过程中的是指根据钢在加热和冷却过程中的组织转变规律制定的具体加热、保温和冷却的工艺参数。组织转变规律制定的具体加热、保温和冷却的工艺参数。热处理工艺种类很多，根据加热、冷却方式及获得热处理工艺种类很多，根据加热、冷却方式及获得组织和性能的不同，钢的热处理可分为：组织和性能的不同，钢的热处理可分为：普通热处理普通热处理（退火、正火、淬火和回火）、（退火、正火、淬火和回火）、表面热处理表面热处理（表面淬火（表面淬火和化学热处理等）。和化学热处理等）。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。3.1 普通热处理的作用普通热处理的作用q改善材料的切削加工性能；改善材料的切削加工性能；q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。3.2退火和正火退火和正火 球状珠光体球状珠光体完全退火完全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根据加热温度可分为两大类：一类是在临界温度（Ac1或Ac3）以上的退火，又称为相变重结晶退火，包括完全退火、不完全退火、球化退火和扩散退火等；另一类是在临界温度以下的退火，包括再结晶退火及去应力退火等。3.2退火和正火退火和正火q退火：将材料加热到适当温度后保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。（采用炉冷，冷却速度很低）采用炉冷，冷却速度很低）q常用的退火种类如下所示：q完全退火q是将亚共析钢加热到Ac3以上，保温一定时间，使组织完全奥氏体化后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。q不完全退火q是将钢加热到Ac1Ac3(亚共析钢)或Ac1Accm(过共析钢)之间，保温后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。q球化退火q是不完全退火的一种，通常的加热温度是Ac1以上2030,使片状渗碳体转变为球状或粒状。主要用于过共析的碳钢及合金工具钢。q扩散退火q是指将钢加热到Ac3或Accm以上150300，长时间保温，然后随炉缓慢冷却的热处理工艺。实质是使钢中的各元素在奥氏体中进行充分扩散，达到成分均匀化。q再结晶退火q是指将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保温适当时间后，使变形晶粒转变为无应变的等轴新晶粒，从而消除加工硬化和残余内应力的热处理工艺。q去应力退火q又称为回复退火，其加热温度范围很宽，通常是在再结晶温度以下。q在机器零件或工模具等工件的加工制造过程中，退火和正火经常作为预备热处理工序，即安排在铸造、锻造之后，切削加工之前，用以消除前一工序所带来的某些缺陷，为随后的工序作准备。q例如，经铸造、锻造等热加工以后，工件中往往存在残余应力，硬度偏高或偏低，组织粗大，存在成分偏析等缺陷，这样的工件其力学性能低劣，不利于切削加工成型，淬火时也容易造成变形和开裂。q经过适当的退火或正火处理可使工件的内应力消除，调整硬度以改善切削加工性能，组织细化，成分均匀，从而改善工件的力学性能并为随后的淬火作准备。3.2退火和正火退火和正火q正火：是将钢加热到Ac3或Accm以上3050完全奥氏体化后从炉中取出空冷得到细片状珠光体组织的热处理工艺。（采用空冷，冷却速度较快）（采用空冷，冷却速度较快）目的：目的：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；退火和正火的选择（从以下三个方面考虑）：退火和正火的选择（从以下三个方面考虑）：（1）提高切削加工性能）提高切削加工性能（2）性能）性能（3）成本）成本3.3 淬火和回火（最终热处理）淬火和回火（最终热处理）q淬火是将钢件加热到Ac1或Ac3以上保温一定时间后，快速冷却（通常大于临界冷却速度Vc），以得到马氏体（或下贝氏体）组织的热处理工艺。3.3 淬火和回火（最终热处理）淬火和回火（最终热处理）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 淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以便淬火后得到细小的马氏体组织。晶粒为原则，以便淬火后得到细小的马氏体组织。对于亚共析钢通常加热到对于亚共析钢通常加热到Ac3以上以上3050对于共析钢和过共析钢通常加热到对于共析钢和过共析钢通常加热到Ac1以上以上3050。常用的淬火方法q（1）单液淬火q（2）双液淬火q（3）分级淬火q（4）等温淬火钢的淬透性（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：临界直径法，顶端淬火法）淬透性的测定：临界直径法，顶端淬火法（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，碳含量它是钢的固有属性，也是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。淬透性主要取决于钢的临界冷却速度，取决于过冷奥氏体的稳定性。淬透性的大小用钢在一定条件下淬火所获得的淬透层深度来表示。45钢的淬透性小，钢的淬透性小，40Cr的淬透性大的淬透性大（4）选材与淬透性的一般规律：）选材与淬透性的一般规律：1 1）表面和心部力学性能一致的零件，即要求表面和）表面和心部力学性能一致的零件，即要求表面和心部组织一致；如心部组织一致；如螺栓、连杆、锻模、锤杆（承螺栓、连杆、锻模、锤杆（承受拉压载荷），受拉压载荷），选用淬透性选用淬透性高高的钢；的钢；2 2）表面心部力学性能不一致（表面强度硬度要求高）表面心部力学性能不一致（表面强度硬度要求高一些，心部塑性韧性要求高），组织可以不一致。一些，心部塑性韧性要求高），组织可以不一致。如轴类零件，冷镦模具、齿轮。如轴类零件，冷镦模具、齿轮。选用淬透性选用淬透性低低的的钢钢。3 3）焊接件：）焊接件：选用淬透性选用淬透性低低的钢的钢。淬透层的深度q淬透层的深度定义为由表面至半马氏体区的深度。半马氏体区的组织是由50%马氏体和50%分解产物所组成。之所以这样规定是因为半马氏体区的硬度变化非常显著，同时在经浸蚀的断面上能观察到明显的分界线，较容易测试。q应当注意，钢的淬透性与淬硬性是两个不同的概念，淬硬性是指钢淬火后形成的淬火态组织（由马氏体和残余奥氏体相组成）所能达到的硬度，显然，它取决于马氏体的含碳量和残余奥氏体的数量。q临界淬透直径是指圆柱状钢试样在规定的淬火介质中能全部淬透的最大直径。在实际生产中，通常在同一种淬火介质中比较各种钢临界淬透直径的大小来评价钢的淬透性。当冷却介质一定时，D愈大，淬透性愈好。q测定钢淬透性淬透性最常用的方法是末端淬火法末端淬火法，简称为端淬法。试验时将25100mm的标准试样加热至奥氏体区保温一段时间后，从加热炉中取出并迅速置于试验装置上，对末端喷水冷却，试样上距末端越远，冷却速度越小，因此，硬度值越低。试样经喷水冷却后沿其轴线方向相对的两侧各磨去0.20.5 mm，在此平面上从试样末端开始，每隔1.5 mm测定一点硬度，绘出硬度与至末端距离的关系曲线，称为端淬曲线(图6-15)。钢的淬透性值通常用J HRC/d表示。例如,J 35/5表示距末端5mm处的硬度值为HRC35。回火（与淬火配合）回火（与淬火配合）q通常淬火后钢的组织由马氏体和残余奥氏体所组成，它们都是不稳定的，有自发转变为铁素体和渗碳体平衡组织的倾向。q淬火钢随后的加热处理将促进这种转变，把这种转变称为回火转变。回火工艺（与淬火配合）回火工艺（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)温度以温度以下的某个温度，保温一定时间后冷却至室温的工艺下的某个温度，保温一定时间后冷却至室温的工艺操作。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。低温回火低温回火高温回火高温回火（3）回火的类型）回火的类型中温回火中温回火性能：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、滚工具和模具、滚动轴承；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%)低温回火低温回火温度：温度：1502001502000 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）中温回火中温回火温度：温度：3505003505000 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：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；应用：应用：Wc=0.50.7%Wc=0.50.7%碳钢碳钢、合金钢制造的合金钢制造的各种弹各种弹簧簧。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）性能：性能：具有具有适当的强度、硬度和足够的塑性、韧适当的强度、硬度和足够的塑性、韧性性（即良好综合性能）。（即良好综合性能）。应用：用于应用：用于WcWc为为0.30.5%0.30.5%的中碳钢和合金钢制造的中碳钢和合金钢制造的的轴、连杆、螺栓轴、连杆、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。低碳钢、中碳钢和高碳钢均显示硬度随回火温度升高而降低的趋势。中碳钢（35钢）强度硬度随回火温度升高而降低，塑性韧性随回火温度升高而增加。4.钢的表面热处理知识要点q表面热处理的目的、分类。q常用的表面热处理工艺。q了解表面热处理的典型零件。4.钢的表面热处理q表面热处理目的：使零件具有“表硬心韧”的性能特点。分类分类表面淬火表面淬火表面化学热处理表面化学热处理4.1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。q表面淬火是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，在热量尚未达到心部时热量尚未达到心部时立即迅速冷却立即迅速冷却，使，使表面得到表面得到一定深度的淬硬层一定深度的淬硬层，而，而心部仍保持原始组织心部仍保持原始组织的一的一种局部淬火方法。种局部淬火方法。q工件经表面淬火后，表层得到马氏体组织，具有高的硬度和耐磨性，而心部仍为淬火前经调质或退火后的珠光体型组织，具有足够的强度和韧性。q根据加热方法不同，常用的表面淬火方法有感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火等，其中以感应加热表面淬火应用最广泛。材料及典型零件：材料及典型零件：中碳钢（中碳钢（Wc 0.40.5%Wc 0.40.5%）,如如4040、4545钢机床齿轮、轴等零件钢机床齿轮、轴等零件。4.1表面淬火（一）火焰加热表面淬火其工艺方法是利用可燃气体（如乙炔）的火焰将工件表面快速加热到淬火温度，然后立即用水喷射冷却，通过控制火焰喷嘴的移动速度可获得不同厚度的淬硬层。此法适于单件或小批量零件的表面淬火。火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火淬硬层深度：淬硬层深度：26mm26mm优点：方法简便；无需特殊设备；适用于单件、小优点：方法简便；无需特殊设备；适用于单件、小批量生产零件；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 4.1表面淬火（二）感应加热表面淬火感应加热表面淬火的基本原理:q将工件放入用空心紫铜管绕成的感应器内，给感应器通入一定频率的交流电，周围便产生同频率的交变磁场，于是在工件内部就产生了同频率的感应电流（涡流）。q由于感应电流的集肤效应（电流集中分布在工件表面）和热效应，使工件表层迅速加热到淬火温度，而心部则仍处于相变点温度以下，随即快速冷却，从而达到表面淬火的目的。感应加热表面淬火的的特点:q1）加热速度快，加热时间短q2）工件表面淬火得到马氏体后，由于体积膨胀在表层造成较大的残余压应力，显著提高了工件的疲劳强度（一般小尺寸零件可提高23倍，大尺寸零件可提高20%30%）。q3）加热时间短，工件表面氧化脱碳少；因工件只是表面被加热，内部并未加热，所以淬火变形也比较小。q4）淬硬层深度易于控制，可满足各种工件对淬硬层深度的不同要求。q5）生产率高。感应加热表面淬火的应用q感应加热表面淬火主要用于中碳钢和中碳合金结构钢制造的齿轮和轴类零件。q先经正火或调质（预先热处理）后再进行感应加热表面淬火，心部具有良好的综合力学性能，而表面具有较高的硬度（50HRC）和耐磨性。q用高碳钢制造的、承受较小冲击或交变载荷的工具和量具，也可采用表面淬火。感应加热表面淬火零件的一般工艺路线为：q轧材下料q 锻造退火或正火切削（粗）加工调质切削（半精）加工感应淬火低温回火磨削加工（三）激光加热表面淬火激光加热表面淬火激光加热表面淬火工艺工艺：将高功率密度的激光束照射到工件表面，使表：将高功率密度的激光束照射到工件表面，使表面快速加热到奥氏体区，依靠工件本身热传导迅速面快速加热到奥氏体区，依靠工件本身热传导迅速自冷而获得一定淬硬层的工艺操作。自冷而获得一定淬硬层的工艺操作。硬化层硬化层：12mm12mm应用应用：汽车、拖拉机汽缸套、汽缸、活塞环、凸轮轴：汽车、拖拉机汽缸套、汽缸、活塞环、凸轮轴等零件；等零件；特点特点：淬火质量好，组织超细化，硬度高、脆性极小、：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，但是设备昂贵率高、便于自动化，但是设备昂贵。（三）激光加热表面淬火激光加热表面淬火加热速度极度快（105106s），因此过热度大，相变驱动力大，奥氏体形核数目剧增，扩散均匀化来不及进行，奥氏体内碳及合金浓度不均匀性增大，奥氏体中碳含量相似的微观区域变小，随后的快冷（104s）中不同微观区域内马氏体形成温度有很大差异，产生细小马氏体组织。由于快速加热，珠光体组织通过无扩散转化为奥氏体组织；由于快速冷却，奥氏体组织通过无扩散转化为马氏体组织，同时残余奥氏体量增加，碳来不及扩散，使过冷奥氏体碳含量增加，马氏体中碳含量增加，硬度提高。4.2表面化学热处理工艺:将工件置于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却使介质中的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“表硬心韧”的性能特点。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 (Al(Al、Si)Si)渗硫渗硫(S)(S)气体渗碳炉气体渗碳炉渗碳（重点内容）渗碳（重点内容）（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、甲醇等高温煤油、苯、甲醇等高温分解的混合气体（分解的混合气体（CO,CHCO,CH4 4 C C2 2H H4 4等）等）具有活性碳原子具有活性碳原子（3）过程：过程：吸附：活性碳原子吸附至工件表面吸附：活性碳原子吸附至工件表面扩散：碳原子向工件里层扩散。扩散：碳原子向工件里层扩散。渗碳（重点内容）渗碳（重点内容）（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，（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 典型零件工艺路线的制定典型零件工艺路线的制定轴类零件（机床主轴）轴类零件（机床主轴）（1 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）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。载荷；局部（轴颈、花键）承受摩擦和磨损。（2 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）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）（偶尔发生）（3 3）性能要求：高的疲劳强度；良好的综合性能；局部高硬度；）性能要求：高的疲劳强度；良好的综合性能；局部高硬度；（4 4）中碳钢或者中碳合金钢：）中碳钢或者中碳合金钢：45 45 （40Cr40Cr）（5 5）工艺路线：）工艺路线：下料下料 锻造锻造 正火正火 粗加工粗加工 调质调质(淬火淬火+高温回火高温回火)局部局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；典型零件工艺路线的制定典型零件工艺路线的制定齿轮（低碳钢、表面渗碳）齿轮（低碳钢、表面渗碳）(1)(1)工作条件工作条件:齿轮根部承受交变弯曲应力；（传递扭矩时）齿轮根部承受交变弯曲应力；（传递扭矩时）;齿啮合时齿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；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、制动换挡、气动、制动时齿轮承受一定的冲击。时齿轮承受一定的冲击。(2)(2)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（2020，2525）（5 5）工艺路线）工艺路线：下料：下料 锻造锻造 正火正火 机加工机加工渗碳渗碳+淬火淬火+低温回火低温回火 喷丸喷丸精磨精磨 成品；成品；学习要求q1.理解重要的术语和基本概念，包括奥氏体、晶粒度、起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度、珠光体、索氏体、屈氏体、马氏体、贝氏体、回火马氏体、回火屈氏体、回火索氏体、退火、正火、淬火、回火、淬透性等。q2.能描述碳钢在加热、冷却以及回火时的组织转变。q3.定性的了解碳钢显微组织变化（包括马氏体相变及马氏体回火）对其力学性能的影响规律。q4.对碳钢的普通热处理能制订工艺参数。习题q1 当把铅铸锭在室温下经过多次轧制成薄铅板时，需要进行中间退火吗？为什么？q2 何谓加工硬化？产生原因及其消除方法是什么？q3钢经过淬火后为什么一定要回火？回火有哪些类型？回火温度与钢的性能关系怎样？q4.为什么喷丸处理轧辊表面能显著提高其疲劳寿命？小结q材料中可能存在多种类型的固态相变，如扩散型相变与非扩散型相变等。而通过适当的热处理（退火、正火、淬火、回火）来控制这些相变就可以获得不同的组织形态。q马氏体相变是钢中最重要的固态相变之一。马氏体是奥氏体向铁素体和渗碳体转变时的一个过渡相，这种坚硬相对钢的强化有重要意义。