第3章 钢的热处理

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,3,章 钢的热处理,改善钢的性能，主要有两条途径：,一是合金化,，这是下几章研究的内容；,二是热处理,，这是本章要研究的内容。,3.1,钢在加热时的转变,3.2,钢在冷却时的转变,3.3,钢的退火与正火,3.4,钢的淬火,3.5,钢的回火,3.6,钢的表面热处理,概 述,1,、,热处理,:,是指将钢在固态下加热、保温和冷却,以改变钢的组织结构,获得所需要性能的一种工艺。,为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度,时间坐标绘出,热处理工艺曲线,。,热处理是一种重要的加工工艺，,在制造业被广泛应用。,在机床制造中,约,6070%,的零件要经过热处理。,在汽车、拖拉机制造业中,需热处理的零件达,7080 %,。,模具、滚动轴承,100%,需经过热处理。,总之，重要零件,都需适当热处理后才能使用,。,滚动轴承,2,、热处理特点,:,热处理,区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是,只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。,铸造,轧制,3,、热处理适用范围,:,只适用于固态下发生相变的材料,，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。,4,、热处理分类,热处理原理：,描述热处理时钢中组织转变的规律称,热处理原理,。,热处理工艺：,根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称,热处理工艺,。,(a)940,淬火,+220,回火（板条,M,回,+A,少）,(b)(c)(d)940,淬火,+820,、,780,、,750,淬火（板条,M+,条状,F+A,少）,(e)940,淬火,+780,淬火,+220,回火（板条,M,回,+,条状,F+A,少）,(f)780,淬火,+220,回火（板条,M,回,+,块状,F,）,20CrMnTi,钢,不同热处理工艺的显微组织,按照加热、冷却方式等不同，将,热处理工艺分类如下：,表面淬火,感应加热、火焰加热、,其他热处理,普通热处理,表面热处理,热处理,退火正火淬火回火,真空热处理形变热处理激光热处理,控制气氛热处理,电接触加热等,化学热处理,渗碳、氮化、碳氮,共渗、渗其他元素等,5,、预备热处理与最终热处理,预备热处理,为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作准备的热处理。,最终热处理,赋予工件所要求的使用性能的热处理。,预备热处理,最终热处理,W18Cr4V,钢热处理工艺曲线,时间,温度,/,冷却时的实际转变温度分别用,Ar,1,、,Ar,3,、,Ar,cm,表示。,因加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中的数据是以,30-50/h,的速度加热或冷却时测得的。,6,、,临界温度与实际转变温度,铁碳相图中,PSK,、,GS,、,ES,线分别用,A,1,、,A,3,、,A,cm,表示。,实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象，因此将,钢加热时的实际转变温度分别用,Ac,1,、,Ac,3,、,Ac,cm,表示；,3.1,钢在加热时的转变,加热是热处理的第一道工序。,加热分两种：一种,是在,A,1,以下加热，不发生相变；另一种是,在临界点以上加热，以获得均匀的奥氏体组织，称,奥氏体化,。,钢坯加热,一、,奥氏体的形成过程,奥氏体化也是形核和长大的过程，,分为四步。现以共析钢为例说明：,第一步 奥氏体晶核形成,:,首先在,与,Fe,3,C,相界形核,.,第二步 奥氏体晶核长大：,晶核通过碳原子的扩散向,和,Fe,3,C,方向长大。,第三步 残余,Fe,3,C,溶解：,铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。残余的,Fe,3,C,随保温时间延长继续溶解直至消失。,第四步 奥氏体成分均匀化,:,Fe,3,C,溶解后，其所在部位碳含量仍很高。通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。,共析钢奥氏体化过程,亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同,。但由于先共析,或二,次,Fe,3,C,的存在,要获得全部奥氏体组织,必须相应加热到,Ac,3,或,Ac,cm,以上,。,二、,奥氏体晶粒大小及其控制,1,、,奥氏体晶粒长大,奥氏体化刚结束时的晶粒度称,起始晶粒度，,此时晶粒细小均匀。,随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒,将进一步长大,，这也是一个自发的过程。,在给定温度下奥氏体的晶粒度称,实际晶粒度,。,2,、影响奥氏体晶粒长大的因素, 加热温度和保温时间,:,加热温度高、保温时间长,晶粒粗大。, 加热速度,:,速度越快,过热度越大,形核率越高,晶粒越细。,钢的化学成分：,碳含量：,在一定范围内，随着奥氏体中碳含量增加，晶粒长大倾向增大，但碳量超过一定值后，碳能以未溶碳化物状态存在，反使晶粒长大倾向减小,合金元素：,阻碍奥氏体晶粒长大的元素：,Ti,、,V,、,Nb,、,Ta,、,Zr,、,W,、,Mo,、,Cr,、,Al,等,碳化物和氮化物形成元素。,促进奥氏体晶粒长大的元素：,Mn,、,P,、,C,、,N,。,A,晶粒大小（实际晶粒度），直接影响冷却后所得的组织和性能。,奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。,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。,加热时常见的缺陷,过热：,晶粒粗大，可以,消除；,(,完,全,退火、等,温退火或,正火,),过烧：,晶界局部熔化，无法,消除；,氧化：,脱碳：,3.2,钢在冷却时的转变,冷却是热处理更重要的工序,。,处于临界点,A,1,以下的奥氏体称,过冷奥氏体。,过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。,过冷奥氏体的转变方式有,等温转变,和,连续冷却转变,两种。,等温冷却,：冷到,Ar,1,线以下保温一段时间后再冷却到室温。,连续冷却,：由加热温度连续冷到室温。,两种冷却方式示意图,1,等温处理,2,连续冷却,A,1,过冷奥氏体的等温转变图,是,表示奥氏体急速冷却到临界点,A,1,以下在各不同温度下的保温过程中转变量与转变时间的关系曲线，,又称,C,曲线、,S,曲线或,TTT,曲线。,一、过冷奥氏体的等温转变曲线,A,1,1,、,C,曲线的建立,（,以共析钢为例：）,取一批小试样并进行奥氏体化。,将试样分组淬入低于,A,1,点的不同温度的盐浴中，隔一定时间取一试样淬入水中。,测定每个试样的转变量，确定各温度下转变量与转变时间的关系。,将各温度下转变开始时间及终了时间标在温度,时间坐标中，并分别连线。,转变开始点的连线称,转变开始线,。,转变终了点的连线称,转变终了线,。,A,1,-,Ms,间及转变开始线以左的区域为,过冷奥氏体区。,转变终了线以右及,M,f,以下为,转变产物区。,两线之间,及,Ms,与,M,f,之间为,转变区,。,时间,温度,A,1,M,S,M,f,A,过冷,P,B,M,A,M,A,B,A,P,转变开始线,转变终了线,奥氏体,550,650,2s,10s,5s,2s,5s,10s,30s,40s,2,、,C,曲线的分析,转变开始线与纵坐标之间的距离为,孕育期,。,孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小。,孕育期最小,处称,C,曲线的,“鼻尖”,。,碳钢鼻尖处的温度为,550,。,在鼻尖以上,，温度较高，相变驱动力小；,在鼻尖以下,，温度较低，扩散困难，,从而使奥氏体稳定性增加。,C,曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物。,3,、过冷奥氏体的转变产物,随过冷度不同，过冷奥氏体将发生,珠光体转变,、,贝氏体转变,和,马氏体转变,三种类型转变。,现以共析钢为例说明：, 珠光体转变,过冷奥氏体在,A,1,到,550,间将转变为珠光体类型组织,，它是,铁素体与渗碳体片层相间的机,械混合物。,根据片层厚薄不同，又细分为,珠光体,、,索氏体,和,屈氏体。, 珠光体：,形成温度为,A,1,-650,，,片层较厚，,500,倍,光镜下可辨，用符号,P,表示。, 索氏体：,形成温度为,650 600,，片层较薄,.,800-1000,倍光镜下可辨，用符号,S,表示。, 屈氏体：,形成温度为,600-550,，片层极薄，电镜下可辨，用符号,T,表示。,珠光体、索氏体、屈氏体,三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。,片,间距,b,HRC,片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善,.,。, 贝氏体转变,1,、贝氏体的组织形态及性能,过冷奥氏体在,550- 230 (Ms),间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号,B,表示。,根据其组织形态不同，,贝氏体,又分为,上贝氏体,(,B,上,),和,下贝氏体,(,B,下,),。, 上贝氏体,形成温度为,550-350,，,在光镜下呈,羽毛状,。, 下贝氏体,形成温度为,350-230(Ms),，,在光镜下呈,竹叶状。,上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。,下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用强化组织之一。,上贝氏体,下贝氏体, 马氏体转变,当奥氏体过冷到,230,(Ms),以下将转变为马氏体类型组织。,马氏体转变是强化钢的重要途径之一。,1,、马氏体的晶体结构,碳在,-Fe,中的过饱和固溶体称,马氏体,，,用,M,表示。,马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。,马氏体具有体心正方晶格,（,a,=,b,c,）,马氏体组织,2,、马氏体的形态,马氏体的形态分,板条,和,针状,两类。, 板条马氏体：,细条组织。, 针状马氏体：,组织为针状。,马氏体的形态主要取决于其含碳量：,C%,小于,0.2%,时，,组织几乎全部是,板条马氏体,;,C%,大于,1.0%,时，,几乎全部是,针状马氏体,;,C%,在,0.21.0%,之间,为,板条与针状的混合组织,。,马氏体形态与含碳量的关系,0.45%C,0.2%C,1.2%C,板条马氏体量,C，%,体积，,%,3,、马氏体的性能,高硬度,是马氏体性能的主要特点。,马氏体的硬度主要取决于其含碳量。,含碳量增加，其硬度增加,;,当含碳量大于,0.6%,时,其硬度趋于平缓。,合金元素对马氏体硬度的影响不大。,马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。,此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。,马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构形式。,针状马氏体脆性大，,板条马氏体的塑性和韧性较好。,4,、马氏体转变的特点,(1),无扩散性,:,铁和碳原子都不扩散,，因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。,(2),降温形成,:,马氏体转变开始的温度称,上马氏体点,，用,Ms,表示。,马氏体转变终了的温度称,下马氏体点,，用,M,f,表示。,只要温度达到,Ms,以下即发生马氏体转变。,在,Ms,以下，随温度下降，转变量增加，冷却中断，转变停止。,Ms,、,M,f,与冷速无关，,主要取决于奥氏体中的合金元素含量（包括碳含量）,。,(3),高速长大,:,马氏体形成速度极快，易,产生裂纹和开裂。,(4),转变不完全,:,即使冷却到,Mf,点，也不可能获得,100%,的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称,残余奥氏体,，用,A,或,表示。,马氏体转变后，,A,量随含碳量的增加而增加,。,当含碳量达,0.5%,后，,A,量,才显著。,含碳量对马氏体转变温度的影响,含碳量对残余奥氏体量的影响,过冷奥氏体转变产物（共析钢,）,转变类型,转变产物,形成温度， ,显微组织特征,HRC,获得工艺,珠,光,体,P,A,1,650,粗片状，,F,、,Fe,3,C,相间分布,5-20,退火,S,650600,细片状，,F,、,Fe,3,C,相间分布,20-30,正火,T,600550,极细片状，,F,、,Fe,3,C,相间分布,30-40,等温处理,贝,氏,体,B,上,550350,羽毛状，短棒状,Fe,3,C,分布于过饱和,F,条之间,40-50,等温处理,B,下,350M,S,竹叶状，细片状,Fe,3,C,分布于过饱和,F,针上,50-60,等温淬火,马,氏,体,M,针,M,S,M,f,针状,60-65,淬火,M,*,板条,M,S,M,f,板条状,50,淬火,4,、影响,C,曲线的因素, 成分的影响,含碳量的影响,：,共析钢的过冷奥氏体最稳定，,C,曲线最靠右。,Ms,与,M,f,点随含碳量增加而下降。,与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢,C,曲线的上部,各,多一条先共析相的析出线。,合金元素的影响,除,Co,外,凡溶入奥氏体的合金元素都使,C,曲线,右移。,除,Co,和,Al,外，所有合金元素都使,Ms,与,M,f,点下降。,奥氏体化条件的影响,奥氏体化温度提高和保温时间延长，使奥氏体成分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加了过冷奥氏体的稳定性，,使,C,曲线右移。,使用,C,曲线时应注意奥氏体化条件及晶粒度的影响。,二、过冷奥氏体连续冷却转变,过冷奥氏体连续冷却转变图又,称,CCT,(,C,ontinuous,-C,ooling,-T,ransformation,diagram,),曲线,，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。,共析钢,CCT,曲线,过共析钢,CCT,曲线,亚共析钢,CCT,曲线,1,、共析钢的,CCT,曲线,共析钢的,CCT,曲线没有贝氏体转变区,；,在珠光体转变区之下多了一条转变中止线。,当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变中止，余下的奥氏体一直保持,到,Ms,以下,转变为马氏体。,图中的,V,k,为,CCT,曲线的,临,界冷却速度,，,即获得全部马,氏体组织时的最小冷却速度,.,V,k,为,C,曲线的临界冷却速度。,V,k,1.5V,k,.,V,k,V,k,时间,/s,温度,/,共析钢的,CCT,图,共析温度,连续冷却转,变曲线,完全退火,正火,等温转,变曲线,油淬,水淬,M+A,M+T+A,S,P,200,100,CCT,曲线位于,C,曲线右下方。,CCT,曲线获得困难,C,曲线容易测得，,可用,C,曲线定性说明连续冷却时的组织转变情况。,方法是将连续冷却曲线,绘在,C,曲线上，依其,与,C,曲线交点的位置来说明最终转变产物。,P,均匀,A,细A,P,退火,(,炉冷,),正火,(,空冷,),S,淬火,(,油冷,),T+M+A,M+A,(,水冷,),淬火,A,1,M,S,M,f,时间,650,600,550,2,、,过共析钢,CCT,曲线也无贝氏体转变区,但比共析钢,CCT,曲线多一条,AFe,3,C,转变开始线。由于,Fe,3,C,的析出,奥氏体中含碳量下降,因而,Ms,线右端升高。,3,、亚共析钢,CCT,曲线有贝氏体转变区，,还多,AF,开始线,F,析出使,A,含碳量升高,因而,Ms,线右端下降。,过共析钢,CCT,曲线,亚共析钢,CCT,曲线,3.3,钢的退火与正火,机械零件的一般加工工艺为：,毛坯,(,铸、锻,) ,预,备热处理机加工最终热处理。,退火与正火主要用于预备热处理,，用来消除前一工序所带来的某些缺陷，为随后的工序做准备。,只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理。,一、退火,将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却,（炉冷）,的热处理工艺叫做,退火,。,1,、退火目的,调整硬度，便于切削加工。（,适合加工的硬度为,170-250HB,）,消除内应力，,防止加工中变形。,细化晶粒，为最终热处理作组织准备。,真空退火炉,2,、退火工艺,退火的种类很多，常用的有,完全退火,、,等温退火,、,球化退火,、,扩散退火,、,去应力退火,、,再结晶退火,。, 完全退火,工艺： 将工件加热到,Ac,3,+3050,保温后缓冷的退火工艺。,目的：,细化晶粒，消除应力，,均匀化组织，降低硬度，便,于切削加工。,适于钢种：,主要用于亚共析,钢；,低碳钢及过共析钢不宜。, 等温退火,亚共析钢加热,到,Ac,3,+3050,共析、过共析钢加热,到,Ac,1,+3050,，,保温后快冷到,Ar,1,以下的某一温度下停留，待相变完成后出炉空冷。,等温退火可缩短工件在炉内停留时间，更适合于孕育期长的合金钢,.,高速钢等温退火与普通退火的比较, 球化退火,球化退火,是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。,工艺：是将工件加热到,Ac,1,+ 3050,保温后缓冷，或,者加热后冷却到略低于,Ar1,的温度下保温，使珠光体中的渗碳体球化后出炉空冷。,目的：,消除网状渗碳体、降低硬度,改善切削性,为 淬火作好准备。（使,Fe3C,球化）,适用钢种：,主要用于共析钢、过共析钢。,球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体，称,球状珠光体,，,用,P,球,表示。,对于有网状二次渗碳体的过共析钢，,球化退火前应先进行正火，以消除网状,。,F,Fe,3,C,球状珠光体,（4）扩散退火,工艺：,加热至Ac3+（150300），长时间保温 ，然后炉冷。,目的：,消除,成分偏析，使成分、组织均匀。,适于,工件,：,合金钢铸件及锻坯,。,扩散退火后，奥氏体晶粒粗大，应进行,完全退火或正火,来,细化晶粒，消除过热缺陷。,（5）再结晶退火,工艺：,加,热,至再,结晶温度以上,150250，保温后空冷。,目的：,使,变形晶粒转变为均匀等轴新晶粒，从而消除加工硬化和残余内应力,。,适于工件：,冷扎、冷拉、冷冲等冷加工件。,（6）去应力退火,工艺：,加热至Ac1以下100200,(500 600,),，保温，炉冷至200以下空冷。,目的：,消除,内,应力,，,稳定尺寸，减小变形及开裂。,适于工件：,铸、锻、焊接件及冷加工件。,二、正火,正火,是将,亚共析钢,加热到,Ac,3,+30 50,，（,共析钢,加热,到,Ac,1,+3050,，,过共析钢,加热到,Ac,cm,+30 50,）,保温后,空冷,的工艺。,正火比退火冷却速度大。,1,、正火后的组织：,0.6%C,时，组织,为,F+S;,0.6%C,时，组织,为,S,。,50,钢正火组织,T12,钢正火组织,正火温度,正火,2,、正火的目的,作为低、中碳钢,(0.6C%),，的预备热处理，可以调整硬度、改善切削加工性，为淬火做组织准备。,对于过共析钢，用,于消除网,状二次渗碳体，为球化退火作组,织准备,。,普通件最终热处理。,要改善切削性能，,低碳,钢用正火，,中碳钢用退火或正火,高碳钢用球化退火。,热处理与硬度关系,合适切削加工硬度范围,C,%,硬度,HV,HRC,淬火,正火,完全退火,球化退火,3.4,钢的淬火,淬火,是将钢加热到临界点以上，保温后以大于,V,k,速,度冷却，使奥氏体转变为马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺。,淬火是应用最广的热处理工艺之一。,淬火目的是为获得马氏体（或下贝氏体）组织，,然后配合不同温度的回火，获得所需的力学性,能。,真空淬火炉,一、,淬火温度,1,、碳钢, 亚共析钢,淬火温度为,Ac,3,+3050,。,预备热处理组织为,退火或正火组织,。,淬火组织：,0.5%C,时为,M,0.5%C,时为,M+A,。,在,Ac,1, Ac,3,之间的加热淬火称,亚温淬火,。,亚温淬火组织为,F+M,；,强度、硬度低，但塑韧性好,。,35,钢,(,含,0.35%C),亚温淬火组织, 共析钢,淬火温度,为,Ac,1,+3050,；,淬火组织为,M+A,。, 过共析钢,淬火温度,:,Ac,1,+3050,.,温度高于,Ac,cm,，,则奥氏体晶粒粗大、含碳量高，淬火后马氏体晶粒粗大、,A,量增多，使钢硬度、耐磨性下降，脆性、变形开裂倾向增加。,淬火组织,:,M+Fe,3,C,颗粒,+A,。,(,预备组织为,P,球,),T12,钢（含,1.2%C,）,正常淬火组织,2,、合金钢,由于多数合金元素,(,Mn,、,P,除外,),对奥氏体晶粒长大有阻碍作用，因而,合金钢淬火温度比碳钢高,。,亚共析钢,淬火温度为,Ac,3,+ 50100,。,共析钢、过共析钢,淬火温度,为,Ac,1,+50100,。,钢坯加热,二、淬火介质,理想的冷却曲线应只,在,C,曲线鼻尖处快冷，而在,Ms,附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小,内应力的目的。但目前还没有找到理想的淬火介质。,理想淬火曲线示意图,Ms,M,f,常用淬火介质是水和油,.,水的冷却能力强，但低温却能力太大，只使用于形状简单的碳钢件。,油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太太小，使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。,熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间，用于形状 复杂件的分级淬火和等温淬火。,三、淬火方法,1,、单液淬火法,加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。,操作简单，易实现自动化。,2,、双液淬火法,工件先在一种冷却能力强强的介质中冷，却躲过鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。,如水淬油冷，油淬空冷。,各种淬火方法示意图,1,单液淬火法,2,双液淬火法,3,分级淬火法,4,等温淬火法,优点是冷却理想；缺点是不易掌握，用于形状复杂的碳钢件及大型合金钢件。,3,、分级淬火法,在,Ms,附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后再取出缓冷。,可减少内应力，用于小尺寸工件。,4,、等温淬火法,将工件在稍高于,Ms,的盐浴或,碱浴中保温足够长时间，从而获,得下贝氏体组织的,淬火方法。,经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，淬火应力小。,适用于形状复杂及要求较高的小型件。,各种淬火方法示意图,1,单液淬火法,2,双液淬火法,3,分级淬火法,4,等温淬火法,淬火方法,四、钢的淬透性,网带式淬火炉,淬透性是钢的主要热处理性能。,是选材和制订热处理工艺的重要依据之一,。,1,、淬透性,淬透性,是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力，其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。,淬硬层深度,是指由工件表面到半马氏体区,(,50%M + 50%P,),的深度。,同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质有关。,工件尺,寸,小、,介质冷却能力,强，淬硬层深。,淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。,它只用于不同材料之间,的比较，是通过尺寸、冷却介质相同时的淬硬层深度来确定的。,淬硬性,是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力，主要取决于马氏体的含碳量。,2,、影响淬透性的因素,钢的淬透性取决于临界冷却速度,V,k,。,V,k,越,小，淬透性越高。,V,k,取决于,C,曲线的位置,，,C,曲线,越靠右，,V,k,越小。,因而凡是影响,C,曲线的因素都是影响淬透性的因素。即,除,Co,外，凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高；奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性提高。,3,、,淬透性的测定及其表示方法,（,1,）、淬透性的测定常用,末端淬火法,即用 表,示，,J,表示末端淬透性，,d,表示半马氏体区到水冷端的距离，,HRC,为半马氏体区的硬度。,（,2,）、淬透性的表示方法,a,用淬透性曲线表示,b,用临界淬透直径表示,临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被淬成半马氏体的最大直径，用,D,0,表示。,D,0,与介质有关，如,45,钢,D,0,水,=16mm,，,D,0,油,=8mm,；,只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比较，如,45,钢,D,0,油,=8mm,，,40Cr,D,0,油,=20mm,。,4,、,淬透性的应用,a,、利用淬透性曲线及圆棒冷速与端淬距离的关系曲线可以预测零件淬火后的硬度分布。,下图为预测,50mm,直径,40MnB,钢,轴淬火后断面的硬度分布。,b,、利用淬透性曲线进行选材。,如要求厚,60mm,汽车转向节淬火后表面硬度超过,HRC50,，,3/4,半径处,为,HRC45,。,可按下图箭头所示程序进行选材分析。,c,、利用淬透性可控制淬硬层深度。,对于截面承载均匀的重要件，要全部淬透。如螺栓、连杆、模具等。,对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透（淬硬层深度一般为半径的,1/21/3,），如轴类、齿轮等。,淬硬层深度与工件尺寸有关，设计时应注意尺寸效应,。,高强螺栓,柴油机连杆,齿轮,不同冷却条件下的转变产物,等温退火,P,退火,(,炉冷,),正火,(,空冷,),S,(,油冷,),T+M+A,等温淬火,B,下,M+A,分级淬火,M+A,淬火,(,水冷,),A,1,M,S,M,f,时间,温度,淬火,P,P,均匀,A,细A,？,？,？,3.5,钢的回火,回火,是指将淬火钢加热到,A,1,以下的某温度保温后冷却的工艺。,一、回火的目的,1,、减少或消除淬火内应力,防止变形或开裂。,2,、获得所需要的力学性能。,淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。,3,、稳定尺寸。,淬火,M,和,A,都是非平衡组织，有自发向平衡组织转变的倾向。回火可使,M,与,A,转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。,未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置使用过程中易变形或开裂。,钢经淬火后应立即进行回火,。,二、,钢在回火时的转变,淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶段。,随加热温度升高，淬火钢的组织发生四个阶段变化,。,网带式回火电炉,回火时组织转变,1,、马氏体的分解,100,回火时,，钢的组织无变化。,100-200,加热时,，马氏体将发生分解,从马氏体中析出,-,碳化物,(,-,FeXC,),，,使马氏体过饱和度降低。,析出的碳化物以细片状分布在马氏体基体上，这种组织称,回火马氏体,，,用,M,回表示。,在光镜下,M,回,为黑色，,A,为白色,。,2,、残余奥氏体分解,200-300,时,由于马氏体分解，奥氏体所受的压力下降,，,Ms,上升，,A,分解为,-,碳化物,和过饱和铁素体，即,M,回,。,回火马氏体,3,、,-,碳化物转变为,Fe,3,C,发生于,250-400,，此时，,-,碳化物溶解于,F,中，并从铁素体中析出,Fe,3,C,。,到,350,，马氏体含碳量降到铁素体平衡成分，内,应力大量消除，,M,回,转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状,Fe3C,组织，称,回火屈氏体,，用,T,回,表示。,4,、,Fe3C,聚集长大和铁素体多边形化,400,以上，,Fe3C,开始聚集长大。,450,以上铁素体发生多边形化，由针片状变为多边形。,这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状,Fe3C,的组织称,回火索氏体,，用,S,回,表示。,回火屈氏体,淬火钢硬度随回火温度的变化,40,钢力学性能与回火温度的关系, 回火时的性能变化,回火时力学性能变化总的趋势：随回火温度提高，,钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高,。,200,以下，由于马氏体中碳化物的弥散析出，钢的硬度并不下降，高,碳钢硬度甚至略有提高。,200-300,，由于高碳钢中,A,转变为,M,回，硬度再次升高。,大于,300,，由于,Fe3C,粗化，马氏体转变为铁素体，硬度直线下降。,三、回火脆性,淬火钢的韧性并不总是随温度升高而提高。,在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降的现象，称,回火脆性,。,1,、第一类回火脆性（,不可逆回火脆性,）,是指淬火钢在,250-350,回火时出现的脆性。,这种回火脆性是不可逆的，只要在此温度范围内回火就会出现脆性，目前尚无有效消除办法。,回火时应避开这一温度范围。,2,、第二类回火脆性（,可逆回火脆性,）,指淬火钢在,500-650,范围内回火后缓冷时出现的脆性。,回火后快冷不出现，是可逆的。,防止办法：, 回火后快冷。, 加入合金元素,W (,约,1%),、,Mo(,约,0.5%),。,该法更适用于大截面的零部件。,四、回火种类,根据钢的回火温度范围，可将回火分为,三类。,淬火加高温回火的热处理称作,调质处理,，简称,调质,。,广泛用于,各种结构件如轴、齿轮,等热处理。也可作为要求较高精密件、量具等预备热处理。,适用于各种,高碳钢,、,渗碳件,及,表面淬火件,。,应 用,获得良好的综合力学性能，,即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。,提高,e,及,s,，,同时使工件具有一定韧性 。,在保留高硬度、高耐磨性的同时，降低内应力,。,回火目的,S,回,T,回,M,回,回火组织,500-650,350-500,150-250,回火温度,高温回火,中温回火,低温回火,适用于,弹簧,热处理,心部：硬度低，韧性高,在生产中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性能，一般是表面硬度高，有较高的耐磨性和疲劳强度；而心部要求有较好的塑性和韧性。,表面：硬度高，耐磨,3.6,钢的表面热处理,在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热处理方法，都不能满足其要求。,低碳钢 ：可满足心部要求，,表,面要求不能满足；,高碳钢： 可满足表面要求，,心,部要求不能满足；,解决这一问题的方法是表面热处理和化学热处理,一、表面淬火,表面淬火,是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。,表面淬火目的：,使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限,;,心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即,表硬里韧,。,适用于,承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。,轴的,感应加热表面淬火,1,、表面淬火用材料,0.4-0.5%C,的中碳钢；,含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降,；,含碳量过高,心部韧性下降,;,铸铁 ；,提高其表面耐磨性。,2,、预备热处理,工艺：调质,或,正火,；,前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高的普通件。,目的,:,为表面淬火作组织准备；,获得最终心部组织。,3,、表面淬火后的回火：低温回火,回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。,4,、表面淬火,+,低温回火后的组织,表层组织为,M,回,； 心部组织为,S,回,(,调质,),或,F+S,(,正火,),。,二、 钢的化学热处理,化学热处理,是将工件置于特定介质中加热保温，使,介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能的热处理工艺。,化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。,化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。,根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。,（一）、,化学热处理的基本过程,1,、介质,(,渗剂,),的分解,:,分解的同时释放出活性原子。,如：,渗碳,CH,4,2H,2,+C,氮化,2NH,3,3H,2,+2N,2,、,工件表面的吸收,:,活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物。,3,、原子向内部扩散。,（二）、,钢的渗碳：,指向钢的表面渗入碳原子的过程。,1,、渗碳目的,提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。,2,、渗碳用钢,为含,0.1-0.25%C,的低碳钢。,碳高则心部韧性降低。,经,渗碳的机车从动齿轮,气体渗碳法示意图,3,、渗碳方法, 气体渗碳法,将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。,渗剂为气体,(,煤气、液化气等,),或有机液体,(,煤油、甲醇等,),。,优点,:,质量好,效率高；,缺点,:,渗层成分与深度不易控制。, 固体渗碳法,将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳,.,渗剂为木炭。,优点：操作简单；,缺点：渗速慢，劳动条件差。, 真空渗碳法,将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入渗碳气体加热渗碳。,优点,:,表面质量好,渗碳速度快。,真空渗碳炉,4,、,渗碳温度,：,为,900-950,。,渗碳层厚度,：,一般为,0.5-2mm,。,渗碳层表面含碳量：,以,0.85-1. 05,为最好。,渗碳缓冷后组织：,表层为,P+,网状,Fe3C;,心部为,F+P;,中间为过渡区。,5,、渗碳后的热处理：,淬火,+,低温回火,常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到,Ac,1,+30-50,淬火,+,低温回火。,此时组织为：,表层：,M,回,+,颗粒状碳化物,+A(,少量,),心部：,M,回,+F,（淬透时）,渗碳淬火后的表层组织,M+F,（三）、,钢的氮化,氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。,1,、氮化用钢,井式气体氮化炉,为含,Cr,、,Mo,、,Al,、,Ti,、,V,的中碳钢。,常用钢号为,38CrMoAl,。,2,、,氮化温度,：,500-570,氮化层厚度：,不超过,0.6-0.7mm,。,3,、常用氮化方法：,气体氮化法与离子氮化法,4,、氮化的特点及应用,氮化件表面硬度高,(HV1000-2000),，耐磨性高。,疲劳强度高,.,由于表面存在压应力。,离子氮化炉,工件变形小,.,因氮化温度低，氮化后不需热处理。,耐蚀性好,.,因表层形成的氮化物化学稳定性高。,氮化的缺点：,工艺复杂，成本高，氮化层薄。,用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。,缝纫机用氮化件,经,氮化的机车曲轴,现需要制造一汽车、拖拉机传动齿轮，要求表面具有高的硬度、耐磨性和高的接触疲劳强度，心部具有良好的韧性，,应采用如下哪种材料及热处理工,艺,：,T10,钢经淬火,+,低温回火；,45,钢经调质处,理；,低碳合金钢,20CrMnTi,经渗碳,+,淬火,+,低温回,火。,说,明其理由。,用45钢制车床主轴，要求轴颈部位硬度为5658HRC，其余地方为2024HRC，其加工工艺路线为：,锻造,预备热处理,机械加工,最终热处理,磨削加工。,请说明以下问题：,各热处理工艺种类和目的；,使用状态下,的,组织,。,