工程材料学：第五章 钢的热处理2

1、工程材料,第五章 钢的热处理,影响 C 曲线的因素,1.奥氏体中含碳量的影响,2.奥氏体中含合金元素的影响: 除Co、Al (2.5% ) 外,所有合金元素溶入奥氏体中,会引起,3.加热温度和保温时间的影响: 加热温度越高, 保温时间越长, 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, 从而使 C曲线向右移,钢的整体热处理,根据加热、冷却方式及获得的组织和性能的不同，钢的热处理工艺可分为： 普通热处理（退火、正火、淬火、回火） 表面热处理（表面淬火、化学热处理,第三节 钢的退火与正火,退火和正火是生产上应用很广泛的预备热处理工艺。 零件及工、模具的毛坯经退火或正火后，可以消除

2、铸件、锻件及焊接件的内应力及成分与组织的不均匀性，改善和调整钢的机械性能和工艺性能，为下道工序作好组织性能准备。 对于一些受力不大、性能要求不高的机械零件，退火和正火可作为最终热处理。 最终对于铸件，退火和正火通常就是热处理,一.钢的退火(Annealing of steel,一)定义: 将钢加热至临界点Ac1以上或以下温度，保温以后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。 二）目的 ：均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，消除内应力和加工硬化，改善钢的成形及切削加工性能，并为淬火做好组织准备,1. 完全退火,是把钢加热至Ac3以上2030, 保温一定时间后缓慢冷却(随炉冷却或埋

3、入石灰和砂中冷却), 以获得接近平衡组织的热处理工艺。 完全退火一般用于亚共析钢（Wc0.30.6），其目的在于均匀组织、细化晶粒，降低硬度，改善切削加工性能。由于冷却速度缓慢，还可消除内应力。 低碳钢和过共析钢不宜采用完全退火。 低碳钢完全退火后硬度降低，不利于切削加工； 过共析钢加热至Accm以上奥氏体状态缓冷退火时，有网状二次渗碳体析出，使钢的强度、韧性和冲击韧性显著降低,2. 等温退火,是将钢件加热到高于Ac3 (或Ac1 ) 的温度, 保温适当时间后, 较快地冷却到珠光体区的某一温度, 并等温保持, 使奥氏体等温转变，然后缓慢冷却的热处理工艺。 等温退火适用于高碳钢、合金工具钢和高合

4、金钢，不但可以达到和完全退火相同的目的, 而且有利于钢件获得均匀的组织和性能， 对于奥氏体较稳定的合金钢, 可大大缩短退火时间。 但是对于大截面钢件和大批量炉料，却难以保证工件内外达到等温温度，故不宜采用等温退火,3. 球化退火,球化退火为使钢中碳化物球状化的热处理工艺。 目的是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后的淬火作组织准备。球化退火主要用于共析钢、过共析钢和合金工具钢。 过共析钢若为层片珠光体和网状渗碳体，不仅硬度高，难以切削加工，而且增大钢的脆性，容易产生淬火变形及开裂；球化退火后得到粒状珠光体。球化退火的加热温度

5、略高于Ac1。球化退火需要较长的保温时间来保证二次渗碳体的自发球化。保温后随炉冷却,4. 扩散退火,为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线（固相线以下100200）的温度，长时间保温（10h15h），并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为扩散退火或均匀化退火。 由于扩散退火需要在高温下长时间加热，因此奥氏体晶粒很粗大，因此一般再进行完全退火或正火处理，以细化晶粒、消除过热缺陷,5. 去应力退火,为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退火，称为去应力退火。 去应力退火是将钢件加热至低于Ac1的某一温度(一般为500650)，

6、保温后随炉冷却, 这种处理可以消除约50%80%的内应力, 不引起组织变化,碳钢各种退火和正火工艺规范示意图,二.钢的正火( Normalizing of steel,钢材或钢件加热到Ac3(对于亚共析钢)和Accm(对于过共析钢)以上3050, 保温适当时间后, 在自由流动的空气中均匀冷却的热处理称为正火。 正火后的组织：亚共析钢为F+S, 共析钢为S, 过共析钢为S+Fe3CII,正火的目的是使钢的组织正常化，亦称常化处理，一般应用于以下方面,作为最终热处理 正火可以细化晶粒，使组织均匀化，减少亚共析钢中铁素体含量，使珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。 作为预先热处理 截

7、面较大的合金结构钢件，在淬火或调质处理（淬火加高温回火）前常进行正火， 以消除魏氏组织和带状组织，并获得细小而均匀的组织。对于过共析钢可减少二次渗碳体量，并使其不形成连续网状，为球化退火作组织准备。 改善切削加工性能,第四节.钢的淬火( Quenching of steel,将钢加热到相变温度以上（亚共析钢为Ac3以上3050；共析钢和过共析钢为Ac1以上3050），保温一定时间后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺,钢的淬火温度范围,常用的冷却介质是水和油。为了减少零件淬火时的变形，可用盐浴作介质,常用的淬火方法有单介质淬火，双介质淬火，分级淬火和等温淬火等,1. 钢的淬透性,钢接受淬火时形

8、成马氏体的能力叫做钢的淬透性。 影响淬透性的因素： 碳含量 在碳钢中，共析钢的临界冷速最小，淬透性最好；亚共析钢随碳含量减少，临界冷速增加，淬透性降低；过共析钢随碳含量增加，临界冷速增加，淬透性降低。 合金元素 除钴以外，其余合金元素溶于奥氏体后，降低临界冷却速度，使C曲线右移，提高钢的淬透性，因此合金钢往往比碳钢的淬透性要好,影响淬透性的因素： 奥氏体化温度 提高奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大、成分均匀，可减少珠光体的生核率，降低钢的临界冷却速度，增加其淬透性。 钢中未溶第二相 钢中未溶入奥氏体中的碳化物、氮化物及其它非金属夹杂物，可成为奥氏体分解的非自发核心，使临界冷却速度增大，降低淬透

9、性,钢材经调质处理后, 淬透性好的钢棒整个截面都是回火索氏体, 机械性能均匀, 强度高, 韧性好，而淬透性差的钢心部为片状索氏体+铁素体, 只表层为回火索氏体, 心部强韧性差,a)完全淬透; (b)淬透较大厚度; (c)淬透较小厚度,淬透性不同的钢调质后机械性能的比较,第五节.钢的回火( Tempering of steel,钢件淬火后, 为了消除内应力并获得所要求的组织和性能, 将其加热到Ac1以下某一温度, 保温一定时间, 然后冷却到室温的热处理工艺 。 主要目的是减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高钢的韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足各种用途工件的性能要求

10、。 对于一般碳钢和低合金钢，根据工件的组织和性能要求，回火有低温回火、中温回火和高温回火几种,1. 低温回火,回火温度为150250。在低温回火时，从淬火马氏体内部会析出碳化物薄片（Fe2.4C), 马氏体的过饱和度减小。部分残余奥氏体转变为下贝氏体, 但量不多。所以低温回火后组织为回火马氏体残余奥氏体。下贝氏体可忽略。 低温回火的目的是降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度(一般为58HRC64HRC)和高耐磨性。 使用于刀具、量具、滚动轴承、渗碳件及高频表面淬火工件,2. 中温回火,回火温度为350500，得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，叫做回火屈氏体(回火T

11、)。铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。 回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35HRC45HRC。 主要用于各种弹簧零件及热锻模具,3. 高温回火,回火温度为500650, 得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织, 称回火索氏体。 回火索氏体(回火S)综合机械性能最好, 即强度、塑性和韧性都比较好，硬度一般为25HRC35HRC。通常把淬火加高温回火称为调质处理。 钢在回火时会产生回火脆性现象, 即在250400（第一类回火脆性，不可逆回火脆性，几乎所有钢都存在这类回火脆性，应避免在该温度区间回火）和450650（第二类回火脆性，可通过高

12、于脆化温度的再次回火后经快速冷却予以消除）两个温度区间回火后, 钢的冲击韧性明显下降,高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢，用于制作曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车半轴、机床主轴及齿轮等重要的机器零件。这些机器零件在使用中要求较高的强度并能承受冲击和交变负荷的作用。 除了上述三种回火工艺外，某些不能通过退火来软化的高合金钢，可以在600680进行软化回火,钢回火时性能的变化,钢的硬度随回火温度的变化,40钢机械性能与回火温度的关系,淬火钢中马氏体的碳含量、残余奥氏体量、 内应力及碳化物粒子大小与回火温度的关系,工艺参数,淬火 + 高温回火 = 调质处理,淬火 + 高温回火 = 调质处理,回火索

13、氏体组织金相图,回火屈氏体组织金相图,回火马氏体组织金相图,第七节 材料表面处理技术,表面淬火 化学热处理,工艺的核心:使零件具有“表硬里韧” 的力学性能,一.表面淬火( Surface Hardening,一) 定义:是一种不改变钢表层化学成 分,但改变表层组织的局部热 处理工艺,二) 工艺特征: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 持不变,三)表面淬火用钢,选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等,四)表面淬火加工的方法: 感应加热( 高、中、工频 )、火 焰加热、电接触加热法等,1.感应加热表面淬火,1)感应加热的基本原理,感应

14、电流 - 涡流,集肤效应,2)工艺要求: * 表面淬火前,必须对零件进行正火 或调质处理,以保证零件有良好的 基体。 * 表面淬火后,必须对零件进行低温 回火处理,以降低淬火应力和脆性,3)生产特点: 淬火件的质量好; 工件变 形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易 控制;生产率高。设备投资大,不适 于复杂形状零件和小批量生产,2.火焰加热表面淬火,1)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,设备简单, 操作方便, 成本低。 *淬火质量不稳定。 *适于单件、小批量及大型零件的生产,二.化学热处理 ( Chemical Heat Treatment,一)定义:将零件置于一定的化学介质

15、中 , 通过加热、保温,使介质 中一种或几种元素原子渗入 工件表层,以改变钢表层的化 学成分和组织的热处理工艺,二) 化学热处理的基本过程,2.吸收: 活性原子被零件表面吸收和溶 解,3.扩散: 活性原子由零件表面向内部扩 散, 形成一定的扩散层,三) 化学热处理进行的条件,1. 渗入元素的原子必须是活性原子, 而 且具有较大的扩散能力,2. 零件本身具有吸收渗入原子的能力, 即对渗入原子有一定的溶解度或能 与之化合, 形成化合物,四) 化学热处理的种类: 渗碳; 渗氮; 碳氮 共渗; 渗硼; 渗铝; 渗硫; 渗硅; 渗铬等,1.钢的渗碳 ( Carburize of steel,1)定义:

16、向钢的表面渗入碳原子的过程,2)目的: 获得具有表硬里韧性能的零件,3)用钢,低碳钢和低碳合金钢,4)方法: 固体、气体、液体渗碳,固体渗碳法示意图,气体渗碳法示意图,5)工艺: 加热温度为900950; 渗碳时间一般为39小时,6)渗碳后的组织,20钢渗碳缓冷组织 ( 化染 ) 580 表层珠光体 + 网状渗碳体; 中层珠光体; 内层铁素体 + 珠光体,7) 渗碳后的热处理工艺,淬火,7) 渗碳后的热处理工艺,8) 热处理后的组织,低碳M回+F,M回+Cm+A残,低碳 合金钢,F+P,M回+Fe3C+A残,低碳钢,9)常用的钢种: 15、20、20Cr、20Mn2、 20CrMnTi、18C

17、r2Ni4WA等,20CrMnTi 钢渗碳层组织 ( 化染 ) 320 渗碳体( 白色块状 ) + 高碳M( 兰色针状 ) + 残余A( 棕黄色,2.钢的渗氮 ( Nitridation of steel,1)定义:向钢的表面渗入氮原子的过程,2)目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能 的零件,3)用钢,中碳合金钢,4)方法:气体渗氮,5)工艺:加热温度500600; 保温时间0.30.5mm/2050h,6)热处理特点: 渗氮前需调质处理; 渗氮后不需热处理,7)渗氮处理后的组织 表层 : Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、 MoN、TiN、VN。 心部 : S回,8)常用的钢种 : 35 CrMo、18CrNiW、 38 CrMoAlA ( 氮化王牌钢 ) 等,38 CrMoAl 气体渗氮层组织 ( 化染 ) 650 黄色区 : ( Fe2-3N ) + ( Fe4N ) ; 红色区 : ( Fe4N ) ; 蓝绿色区:含氮索氏体 + 脉状氮化物; 绿黄色区:索氏体基体,越王勾践剑,春秋晚期越国青铜兵器, 出土于湖北江陵楚墓。 长55.7厘米， 剑锷锋芒犀利，锋能割断头发,渗碳与渗氮的工艺特点,渗碳与渗氮的工艺特点,渗碳与渗氮的工艺特点,3.钢的碳氮共渗-氰