热处理原理及工艺18-19-2014

1、热处理原理及工艺热处理原理及工艺（18-19）3-5 淬火缺陷与控制淬火缺陷与控制n 变形和开裂变形和开裂n 过热与过烧过热与过烧n 软点与硬度不足软点与硬度不足 n 氧化脱碳氧化脱碳 变形和开裂变形和开裂是热处理常见缺陷是热处理常见缺陷 由淬火应力引起由淬火应力引起 淬火应力淬火应力 材料材料s 工件畸变（变形）工件畸变（变形） 淬火应力淬火应力 材料材料b 淬火裂纹淬火裂纹 l以纯以纯Cu，加热加热800，上下喷水冷却为例。，上下喷水冷却为例。第一阶段：第一阶段： 外层受拉，心部受压应力外层受拉，心部受压应力。 一、淬火应力一、淬火应力1、热应力、热应力 冷却开始时：表层冷却开始时：表层T

2、低，心高，表面冷得快，收缩较大。低，心高，表面冷得快，收缩较大。 冷却后期，心冷却后期，心T高高低，表低，表T变化小，心部收缩的多。变化小，心部收缩的多。冷收缩不同时，产生应力冷收缩不同时，产生应力第二阶段：第二阶段：表压，心拉表压，心拉T T很低，很低，s s较高较高， 不不再引起塑变。再引起塑变。应力分布被保留下来成应力分布被保留下来成为为残余应力残余应力热应力：热应力：第一阶段：第一阶段：表拉，心压表拉，心压应力值应力值随随而而s s， 塑性变形塑性变形应力松弛应力松弛，应力值降低，应力值降低第一阶段第一阶段第二阶段第二阶段u 热应力型热应力型残余应力残余应力分布特点为：分布特点为：表层

3、压应力，心部拉应力表层压应力，心部拉应力u 热应力引起热应力引起变形变形在在初期初期：表拉、心压表拉、心压 零件零件心部受多向心部受多向压压应力应力作用失去原形，作用失去原形，形状向球状方向形状向球状方向发展发展，如圆柱体，高度减小，中部直径扩大，变成腰鼓形。，如圆柱体，高度减小，中部直径扩大，变成腰鼓形。零件沿最大尺寸方向收缩，最小尺寸方向伸长零件沿最大尺寸方向收缩，最小尺寸方向伸长2、组织应力（、组织应力（transformation stress） （相变应力）（相变应力） AM，VMVA 体积膨胀体积膨胀第一阶段第一阶段:第一阶段：第一阶段：表压、心拉表压、心拉， T高，高，s低，引起

4、低，引起塑变形塑变形， 松驰应力。松驰应力。第二阶段：第二阶段：表拉表拉，心压心压。 T低，低，s高，高， 不易引起不易引起塑性塑性变形变形，应力保留。，应力保留。组织应力引起的组织应力引起的残余应力状态残余应力状态为：为：表：拉应力，心：压应力表：拉应力，心：压应力。 零件沿最大尺寸方向伸长，最小尺寸方向收缩零件沿最大尺寸方向伸长，最小尺寸方向收缩 热处理的残余应力是热处理的残余应力是热应力热应力，组织应力组织应力和和附加应力附加应力在热在热处理过程中处理过程中综合作用综合作用的结果。的结果。 变形检验：简单检验法变形检验：简单检验法红汞涂试样红汞涂试样上，在平面上擦，上，在平面上擦，可看出

5、是凸、凹或不变形。可看出是凸、凹或不变形。 3. 3.附加应力附加应力其他原因其他原因 如如表表/ /心组织不均心组织不均 弹塑变形不一致弹塑变形不一致3、影响淬火应力的因素：、影响淬火应力的因素： （1）含）含C量量u V高高CMV低低CM C% 组织应力组织应力u C，MsA残残组织应力组织应力 综合效果综合效果：随：随C，热应力作用逐渐减弱，热应力作用逐渐减弱，组织应力作用组织应力作用强强表面压力值表面压力值，拉应力值，拉应力值，拉应力位置越来越靠近表，拉应力位置越来越靠近表面面淬裂倾向淬裂倾向（2）合金元素（）合金元素（Me）：）：l 钢中加入钢中加入Me后，热传导系数后，热传导系数热

6、应力热应力，组织应力，组织应力 多数多数Me 使使Ms A残残组织应力组织应力 热应力作用热应力作用增强增强（3）工件尺寸的影响）工件尺寸的影响（a）完全淬透情况：）完全淬透情况：n尺寸越大尺寸越大，截面温差大，尤其高温区温差影响大，热应，截面温差大，尤其高温区温差影响大，热应力作用增强，力作用增强，热应力型（残余应力）热应力型（残余应力）n尺寸小尺寸小，温差较小，热应力作用较小，应力特征为，温差较小，热应力作用较小，应力特征为组织组织应力型应力型。 （b）不完全淬透情况：）不完全淬透情况： 上述热应力和组织上述热应力和组织应力附加应力应力附加应力 附加应力附加应力 表层表层M，未淬硬部位为非

7、，未淬硬部位为非M，表膨胀，表膨胀，表层受表层受压，心拉压，心拉，与，与热应力热应力相似。相似。工件尺寸越大，淬硬层越薄，热应力特征越明显工件尺寸越大，淬硬层越薄，热应力特征越明显 （4）原始组织）原始组织 同一同一T：VAVBVFVM， AB，组织应力较小，组织应力较小n 原始组织为原始组织为P+Cm，Cm均匀分布，可减小淬火组织应力均匀分布，可减小淬火组织应力（球化退火）（球化退火） 若若Cm呈网状分布，淬火后组织应力呈网状分布，淬火后组织应力。（5）热处理工艺）热处理工艺n淬火介质冷却特性淬火介质冷却特性-影响影响残余应力状态残余应力状态 中高温区快冷，中高温区快冷，Ms区缓冷可获区缓冷

8、可获热应力型热应力型分布分布 Ms点附近冷速大，淬透，主要点附近冷速大，淬透，主要组织应力型组织应力型为主为主n合理的入水方式合理的入水方式，零件与淬火介质之间相对运动，可使，零件与淬火介质之间相对运动，可使零件零件均匀冷却均匀冷却降低淬火应力。降低淬火应力。n回火回火可使淬火应力大幅度下降，甚至消除。可使淬火应力大幅度下降，甚至消除。 二、淬火变形二、淬火变形（一）变形的基本规律（一）变形的基本规律p热应力热应力作用作用 ，表拉心压引起，表拉心压引起变形变形p组织应力组织应力，表压心拉变形，表压心拉变形 1.1. 比容差比容差：工件各部分均匀胀大或缩小，如：工件各部分均匀胀大或缩小，如组织转

9、变同时组织转变同时 VA、VM不同。不同。 简单形状工件的热处理变形趋向简单形状工件的热处理变形趋向（二）变形的影响因素：（二）变形的影响因素：1 1、淬透性淬透性 高：变形复杂。两种应力协调变形高：变形复杂。两种应力协调变形 低：热应力型低：热应力型2 2、MsMs点点 高高 两应力可部分抵消两应力可部分抵消3 3、组织均匀性组织均匀性 C C化物化物 膨胀系数小，膨胀系数小， F F 膨胀系数大膨胀系数大4、加热速度加热速度 快，加热变形快，加热变形 5、淬火温度、淬火温度 加热加热T高，热应力引起变形大高，热应力引起变形大 6、冷速冷速 大，温差大，变形大大，温差大，变形大通过变形趋势分

10、析平板变形由何种应力引起通过变形趋势分析平板变形由何种应力引起？ (热应力热应力 or 组织应力？组织应力？)喷水方向喷水方向（三）减小变形的措施（三）减小变形的措施1、合理选材，正确设计结构合理选材，正确设计结构2、正正确锻造和进行预备热处理确锻造和进行预备热处理 3 3、采用合理的热处理工艺采用合理的热处理工艺( (温度、介质、方法温度、介质、方法) ) 1 1）避免尖角与棱角）避免尖角与棱角 热处理零件结构的工艺性热处理零件结构的工艺性 2 2）避免截面厚薄悬殊，合理安排孔洞和键槽）避免截面厚薄悬殊，合理安排孔洞和键槽 3 3）采用封闭、对称结构）采用封闭、对称结构 4 4）采用组合结构

11、）采用组合结构 （四）淬火变形的矫正（四）淬火变形的矫正 变形在不大可以校正，开裂变形在不大可以校正，开裂报废。报废。l热压矫正热压矫正- - 压力下冷却或接近压力下冷却或接近Ms时加压时加压 A-塑塑如：如：压淬压淬 l热点矫正中小轴热点矫正中小轴 l反击矫正反击矫正 轴、杆轴、杆l冷压矫正冷压矫正 - 冷态冷态 压力机上。压力机上。 适用于硬度不高或淬硬层较浅的工件适用于硬度不高或淬硬层较浅的工件l回火矫正回火矫正回火中加压回火中加压 薄片薄片 扁嘴钢锤压压淬淬校校直直三、淬火开裂三、淬火开裂（一）开裂原因：（一）开裂原因：拉拉b 受压不易裂，受压不易裂，b压压3b拉拉 残余应力以残余应力

12、以组织应力组织应力形式分布形式分布易裂。易裂。 热处理时应避免裂纹发生，提高成品率。热处理时应避免裂纹发生，提高成品率。（二）影响（二）影响淬火裂纹淬火裂纹形成的因素：形成的因素：n冶金因素（化学成份冶金因素（化学成份,原始组织，夹杂等）原始组织，夹杂等）n结构因素（截面大小，形状，有否台阶）结构因素（截面大小，形状，有否台阶）n工艺因素（加热规范，冷却，机加工质量，预先热处工艺因素（加热规范，冷却，机加工质量，预先热处理）。理）。1、冶金因素：、冶金因素：（1）冶金质量）冶金质量 气孔、疏松、砂眼、气孔、疏松、砂眼、偏析偏析、裂痕、裂痕、白点白点、夹杂夹杂等缺陷等缺陷裂纹源裂纹源 （2）化学

13、成分）化学成分含含C量量nC，板条，板条M孪晶孪晶M，淬火显微裂纹淬火显微裂纹淬火开裂倾向淬火开裂倾向nC，热应力作用，热应力作用，组织应力，组织应力，表拉，表拉，开裂倾向。开裂倾向。实践证明：实践证明：WcWc0.4%0.4%的钢，可以避免淬火裂纹的钢，可以避免淬火裂纹合金元素：作用复杂合金元素：作用复杂（3）原始组织）原始组织n球状球状P淬火前理想的组织状态淬火前理想的组织状态: Cm 阻碍晶粒长大阻碍晶粒长大n片状片状P，越细，淬裂倾向大，越细，淬裂倾向大(应力应力+Cm片割裂作用片割裂作用)nC化物分布均匀，化物分布均匀，淬裂淬裂n网状网状C化物，化物，淬裂不允许淬裂不允许重复淬火易开

14、裂重复淬火易开裂2、尺寸、结构（工件形状）、尺寸、结构（工件形状）n 过大过大( (淬不透淬不透) )或过小（温差小），不易淬裂或过小（温差小），不易淬裂。 n 存在危险尺寸，距表层一定尺寸处，易产生裂纹存在危险尺寸，距表层一定尺寸处，易产生裂纹如：如：wc=0.3 0.55%，水淬时，淬裂危险直径：，水淬时，淬裂危险直径：1015mm。 结构：结构：n截面有变化，易裂。截面有变化，易裂。n尖角、棱角、凹槽尖角、棱角、凹槽局部冷速急剧变化。薄部先局部冷速急剧变化。薄部先AM，厚部后厚部后AM，使薄区受拉，交界处产生应力集中，使薄区受拉，交界处产生应力集中易易产生裂纹产生裂纹 3、工艺因素、工艺

15、因素n加热加热T：高：高 ，易开裂，易开裂n冷速：冷速： 650550，快冷快冷，抑，抑AP，热应力大，热应力大 Ms附近，附近，冷速小冷速小，减小温差，组织应力小，减小开，减小温差，组织应力小，减小开裂倾向。裂倾向。 如：高速钢，如：高速钢，“C”右，可油淬右，可油淬减小开裂倾向减小开裂倾向n等温淬火，分级淬火，双液淬火等温淬火，分级淬火，双液淬火减小组织应力减小组织应力n预冷淬火预冷淬火减小热应力，而抵消组织应力少减小热应力，而抵消组织应力少减少变形，减少变形，不减少开裂倾向。不减少开裂倾向。 工件加热和淬火时的放置方式工件加热和淬火时的放置方式（三）常见裂纹形式三）常见裂纹形式轴轴径径切

16、切1、纵向裂纹、纵向裂纹 零件表层附近，由零件表层附近，由 表面裂向心部表面裂向心部 的深度较大的裂纹，的深度较大的裂纹，平平行轴向行轴向。 组织应力引起组织应力引起。 表层表层切向切向拉拉大大易纵裂的几种原因：易纵裂的几种原因：完全淬透完全淬透工件易产生，组织应力大。工件易产生，组织应力大。 C%，纵裂倾向，纵裂倾向轴轴径径切切危险截面尺寸危险截面尺寸范围（范围（拉拉峰值），易纵裂。峰值），易纵裂。轧制钢材中，夹杂、碳化物沿变形方向分布，易纵裂。轧制钢材中，夹杂、碳化物沿变形方向分布，易纵裂。 在在MsMs点以下点以下尽量慢冷尽量慢冷可有效避免可有效避免2、横向裂纹、弧形裂纹。、横向裂纹、弧

17、形裂纹。 裂纹在裂纹在轴轴作用下产生。作用下产生。 在淬硬在淬硬未淬硬未淬硬 中间区域产生，中间区域产生， 由由内内外外断裂断裂。热应力热应力引起引起 内应力分布：表压，离表面一定距离处，拉应力较大，且内应力分布：表压，离表面一定距离处，拉应力较大，且轴轴切切。轴轴径径切切特点：特点：1）横裂）横裂轴向，由内轴向，由内外断裂外断裂 大型轴类大型轴类零件常发生。零件常发生。 一般在一般在未淬透情况未淬透情况下形成，属于下形成，属于热应力引起热应力引起。（2）弧裂，）弧裂，形状突变处以弧形分布形状突变处以弧形分布，热应力引起，热应力引起 主要产生于主要产生于工件内部或零件棱角、截面突变，尖角凹槽工

18、件内部或零件棱角、截面突变，尖角凹槽处处，应力集中引起。，应力集中引起。 一般也是在一般也是在未淬透情况未淬透情况下，在下，在淬硬淬硬- -未淬硬未淬硬 中间区域中间区域产产生，由内生，由内外断裂。外断裂。预防措施预防措施：（1）零件设计尽量减小截面厚薄悬殊，突变）零件设计尽量减小截面厚薄悬殊，突变设计合理；设计合理；（2）淬火）淬火T不要过高，合适介质淬火，增加工件淬硬层深度。不要过高，合适介质淬火，增加工件淬硬层深度。 3、网状裂纹（表面龟裂）、网状裂纹（表面龟裂）特征：表面裂纹，特征：表面裂纹， 深度较浅，深度较浅，0.011.5mm处。处。 裂纹任意方向，相互连接构成网状，裂纹任意方向

19、，相互连接构成网状， 表面受两向拉应力，表面受两向拉应力，轴轴、切切拉拉 高高C C钢钢表面脱表面脱C C易网裂易网裂。严格控制表面质量，尽量防止氧化脱严格控制表面质量，尽量防止氧化脱C。轴径切4、剥离裂纹、剥离裂纹 表层表层很窄区域内，很窄区域内， 表面表面 轴轴、切切压压，径径拉拉， 裂纹裂纹平行平行于零件于零件表面表面。如：合金渗如：合金渗C钢钢外层：极细外层：极细P+C化物化物次表层：次表层：M+A残残 心：细心：细P+极细极细P 次表层次表层M膨胀，使表膨胀，使表 轴、切向压，径向拉轴、切向压，径向拉轴径切5、显微裂纹、显微裂纹l第二类应力引起第二类应力引起l原原A晶界或晶界或M片交

20、界片交界l高碳工具钢或渗碳淬火件过热时易出现高碳工具钢或渗碳淬火件过热时易出现 四、其它淬火缺陷四、其它淬火缺陷1、氧化、脱、氧化、脱C2、过热、过烧。、过热、过烧。 过热：温度过高，过热：温度过高，晶粒粗大晶粒粗大性能显著性能显著。 过烧：加热过烧：加热T接近固相线附近，接近固相线附近，晶界氧化晶界氧化和开始和开始部分熔化部分熔化现象。现象。 过烧组织包括过烧组织包括晶界局部熔化晶界局部熔化，显微空洞显微空洞，高速钢过烧出高速钢过烧出现鱼骨状共晶莱氏体现鱼骨状共晶莱氏体等。等。 3、软点与硬度不足、软点与硬度不足（1）加热）加热T偏低，保温偏低，保温t不足，不足， 原始原始P未完全未完全A。

21、 A成份不均匀，不完全成份不均匀，不完全M+A残残软点软点（2）淬火介质搅动不充分，或浸入方向不对，延迟工件）淬火介质搅动不充分，或浸入方向不对，延迟工件某些部位蒸气膜破裂，该处冷速低，出现某些部位蒸气膜破裂，该处冷速低，出现P软点。软点。 水蒸气膜比盐水稳定，易产生软点。水蒸气膜比盐水稳定，易产生软点。 工件表面不清洁，如铁锈，工件表面不清洁，如铁锈，C黑等，软点。黑等，软点。一、回火的定义与目的：一、回火的定义与目的： 1、 定义定义 最后工序最后工序 组织变化组织变化淬火淬火回火回火3-6 回火回火温温度度时间时间回火时组织变化回火时组织变化马氏体马氏体回火马氏体回火马氏体碳化物的析出碳

22、化物的析出残余奥氏体的分解残余奥氏体的分解铁素体的回复和再结晶铁素体的回复和再结晶回火索氏体回火索氏体回火托氏回火托氏体体2、目的：、目的：（1）消除消除大部分淬火时产生的大部分淬火时产生的残余内应力残余内应力，改善材料的，改善材料的塑性、韧性。塑性、韧性。（2）获得良好的）获得良好的综合力学性能综合力学性能。 （3）稳定组织稳定组织。（4）M时效钢，高时效钢，高C高合金钢回火的目的可获得高合金钢回火的目的可获得弥散硬化弥散硬化效应效应（时效硬化，二次硬化）。（时效硬化，二次硬化）。 l回火时力学性能变化回火时力学性能变化 随回火温度升高随回火温度升高硬度下降硬度下降塑性、韧性上升。塑性、韧性

23、上升。屈服强度先升后降，最高值在屈服强度先升后降，最高值在200200左右出现；左右出现；弹性极限先升后降，最高值在弹性极限先升后降，最高值在350350左右出现；左右出现；回火抗力回火抗力二、回火温度的确定（温度的选择与应用）二、回火温度的确定（温度的选择与应用） （1 1）低温回火）低温回火（150150250250）回火组织：回火组织：回火马氏体回火马氏体, ,碳过饱和度降低的马氏体碳过饱和度降低的马氏体 + + 析出碳化物析出碳化物力学性能：力学性能：残余应力消除残余应力消除高硬度、高强度高硬度、高强度较低塑性和韧性较低塑性和韧性低温回火低温回火主要适用范围主要适用范围n高碳钢制造的各

24、类工模具、机械零件高碳钢制造的各类工模具、机械零件如锉刀如锉刀 T12 160 T12 160180180回火，回火， 64HRC64HRC 稳定性要求很高的工件可稳定性要求很高的工件可8 810h10h保温保温代替深冷处理代替深冷处理n渗渗C C及及CNCN共渗淬火后的零件共渗淬火后的零件 n低合金超高强度钢低合金超高强度钢 30CrMn 30CrMnSiSiNi2A 250Ni2A 250300 300 量量 具具刃刃 具具模模 具具（2 2）中温回火（）中温回火（350350500500）回火组织回火组织：回火托氏体：铁素体：回火托氏体：铁素体 + + 极细粒极细粒状渗碳体状渗碳体力学性

25、能力学性能：较高的屈服强度：较高的屈服强度, ,高的弹性极限，高的弹性极限，较好的塑性和韧性。较好的塑性和韧性。适用适用：wc=0.6wc=0.60.9%0.9%碳素弹簧钢碳素弹簧钢( (T T取下限取下限) )和和wc=0.45wc=0.450.75%0.75%的合的合金弹簧钢金弹簧钢( (T T取上限取上限) )回火托氏体回火托氏体汽车板簧汽车板簧大型热卷弹簧大型热卷弹簧热卷大弹簧热卷大弹簧弹簧丝弹簧丝（3 3）高温回火（）高温回火（500500650650）回火组织：回火索氏体：铁素体回火组织：回火索氏体：铁素体+ +细粒状细粒状渗碳体渗碳体力学性能力学性能: :高的塑性、韧性高的塑性、

26、韧性, ,较低屈服强度和硬度较低屈服强度和硬度回回火火索索氏氏体体适用：适用： 主要用于主要用于中碳碳素结构钢或低合金结构钢中碳碳素结构钢或低合金结构钢制造的制造的各种机械结构零部件各种机械结构零部件 结构钢结构钢淬火淬火+ +高温回火高温回火，以获得，以获得综合机械性能综合机械性能为目的，称为目的，称为为调质处理调质处理, ,如发动机曲轴、连杆、螺栓，机床主轴等要如发动机曲轴、连杆、螺栓，机床主轴等要求求综合机械性能综合机械性能零件。零件。 40Cr 40Cr40Cr钢制造钢制造连杆连杆螺栓热处理工艺螺栓热处理工艺圆锥齿轮圆锥齿轮柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴高高C C高合金钢（如高合金钢（如高速

27、钢高速钢、高、高铬钢）的回火铬钢）的回火T T的高达的高达500500600600，在这个，在这个T T区间里将发生区间里将发生二次硬化二次硬化作用。作用。 M M回回HRCT/ 560车刀车刀铣刀铣刀钻头钻头 高合金渗高合金渗C钢钢18Cr2Ni4WA，20Cr2Ni4A等等渗渗C后后淬火淬火前前也进行也进行600680的高温回火的高温回火 原因：原因： 1. A残残多多 2. 使渗使渗C层中层中C化物部分析出并球化，降低硬度，便化物部分析出并球化，降低硬度，便于切削加工，于切削加工，三、回火时间的确定三、回火时间的确定 t回回=t透烧透烧+t组织转变及消应力组织转变及消应力 消应力消应力t

28、至少至少30min ，一般，一般 t回回 1小时小时 t根据工件截面厚度而定，一般根据工件截面厚度而定，一般每每25mm厚保温厚保温12h，回火回火T高时，可适当缩短。高时，可适当缩短。四、冷却：四、冷却： 回火冷却方式一般为回火冷却方式一般为空冷空冷。 但对回火脆性敏感的钢，在高温回火后需要油冷或水冷。但对回火脆性敏感的钢，在高温回火后需要油冷或水冷。 五、回火注意事项五、回火注意事项（1）淬火硬化的工件）淬火硬化的工件都都必须进行回火；必须进行回火；（2）淬火后，工件冷到用手可以触模时就可以进行）淬火后，工件冷到用手可以触模时就可以进行回火；回火；（3）淬火后的工件当天回火）淬火后的工件当天回火;（4）高）高C高合金钢应冷透后再回火，以高合金钢应冷透后再回火，以A残残。（5）避免回火脆性区范围内回火）避免回火脆性区范围内回火. .六、回火缺陷六、回火缺陷1、硬度不合格、