第四章、钢的热处理(DOC)

1、课时授课计划 课 程 金属工艺 授课班级 任课教师 屈道强 序号 1010 授课日期 编制日期 课 型 理论 节 次 教 具 课 题 第一节 钢在加热时的组织转变 第二节 钢在冷却时的组织转变 目 的 要 求 1.1. 掌握钢的热处理定义和分类； 2.2. 了解钢在加热与冷却时的组织转变。 重点 与 难点 重点：掌握加热和冷却时的组织转变； 难点：加热和冷却时的组织转变、球化退火原理。 课程 导入 设计 讲授教学法 教法 设计 1.1. 利用挂图等教具。 2.2. 列举生活中的现象，分析原理与应用，以点带 面。 作业 与 思考 P55P55 课 后 记 事 第四章钢的热处理 热处理是采用适当的

2、方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却以获得 预期的组织结构与性能的工艺。 热处理工艺方法较多，但其过程都是由加热、保温、冷却三个阶段组成， 如图 4 4-1 1 热处理的分类见表 4 4-1 1 。 第一节 钢在加热时的组织转变 大多数零件的热处理都是先加热到临界点以上某一温度区间，使其全部或 部分得到均匀的奥氏体组织，然后采用适当的冷却方法，获得所需要的其它组 织结构，如马氏体、贝氏体等。 金属或合金在加热或冷却过程中，发生相变的温度称为相变点或临界点， 如图 4 4 2 2。 在铁碳合金状态图中，A Al、A A3、A Acm是平衡条件下的临界点； 实际加热时的临界点标为 A Ac1、

3、A Ac3、A Accm； 冷却时的临界点标为 A Ar 1、A Ar3、A Arcmd 奧氏体的形成 以共析钢为例来分析共析钢奥氏体的形成过程。珠光体向奥氏体的转变， 是由化学成分和晶格都不相同的两相，转变为另一种化学成分和晶格的过程， 因此，在转变过程中必须进行碳原子的扩散和铁原子的晶格重构，即发生相变。 研究发现：奥氏体的形成是通过形核和核长大过程来实现的。珠光体向奥 氏体转变可以分为四个阶段：奥氏体晶核形成；奥氏体晶核长大；残余 渗碳体溶解；奥氏体化学成分的均匀化，如图 4 4 3 3。 钢在热处理时之所以需要一定的保温时间，不仅是为了把零件热透，而且 也是为了获得化学成分均匀的奥氏体

4、，以便在冷却时得到良好的组织和性能。 由铁碳合金状态图可以看出，亚共析钢需加热到 A Ac3以上，并保温适当时 间，才能得到化学成分均匀单一的奥氏体组织；过共析钢需加热到 A Accm以上， 并保温适当时间，才能得到化学成分均匀单一的奥氏体组织。 二、奥氏体品粒长大及其控制措施 钢中奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后的组织和性能。奥氏体晶粒细 小，则其转变产物的晶粒也较细小，其性能也较好；反之，转变产物的晶粒则 粗大，其性能则较差. 1 1.合理选择加热温度和保温时间 2.2.选川含冇合僉尤素的钢 第二节 钢在冷却时的组织转变 实践证明： 同一化学成分的钢， 加热到奥氏体状态后， 若采用不同的冷

5、却 方法和冷却速度进行冷却，将得到形态不同的各种组织，从而获得不同的性能。 ? ?在一定冷却速度下进行冷却时，奥氏体要过冷到 A Ai温度以下才能完成转 变。在共析温度以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体，也称亚稳奥氏体，它有较 强的和变趋势. 钢在冷却时，可以采取两种冷却转变方式：等温转变和连续冷却转变。 ? ?等温转变是指工件奥氏体化后，冷却到临界点以下的某一温度区间内等温 保持时，过冷奥氏体发生的相变。 ? ?连续冷却转变是指工件奥氏体化后以不同冷速连续冷却时过冷奥氏体发 生的相变。 采用等温转变可以获得单一的珠光体、索氏体、托氏体、上贝氏体、下贝 氏体和马氏体组织。而采用连续冷却转变时，由于

6、连续冷却转变是在一个温度 范围内进行，其转变产物往往不一定是单一的，根据冷却速度的变化，有可能 是 P P+ S S、S S+ T T 或 T T + M M 等。 课时授课计划 课 程 金属工艺 授课班级 任课教师 屈道强 序号 1111 授课日期 编制日期 课 型 理论 节 次 教 具 课 题 第三节退火与正火 目 的 要 求 1.1. 掌握退火与正火对金属性能的影响； 2.2. 了解退火与正火原理及分类。 重点 与 难点 重点：掌握退火与正火对金属性能的影响； 难点：退火与正火原理 课程 导入 设计 讲授教学法 教法 设计 1 1.利用挂图等教具。 2 2 .列举生活中的现象，分析原理与

7、应用。 作业 与 思考 P55P55 课 后 记 事 第三节退火与正火 钢的退火与正火是常用的两种基本热处理工艺方法，主要用来处理工件毛 坯，为以后切削加工和最终热处理做组织准备，因此，退火与正火通常又称为 预备热处理。对一般铸件、焊 接件以及性能要求不高的工件来讲，退火和正火 也可作为最终热处理。 一、 钢的退火 将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺过程 叫钢的退火，其目的是消除钢的内应力；降低硬度，提高塑性；细化组织，均 匀成分，以利于后续加工，并为最终热处理做好组织准备。 根据钢的化学成分和退火目的不同，退火常分为：完全退火、球化退火、 去应力退火、扩散退火和再结

8、晶退火等，如图 4 4 5 5，图 4 4 6.6. 1 1. . ? ?完全退火是将工件完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火。 完全退火后所得到的室温组织为铁素体和珠光体。 完全退火主耍用:亚共析钢的铸件、锻件、焊接件等。 2.2. 球化退火是使工件中碳化物球状化而进行的退火。 球化退火得到的室温组织为铁素体基体上均匀分布着球状（粒状）渗碳 体，即球状珠光体组织。 球化退火主要用于过共析钢和共析钢制造的刃具、量具、模具等零件。 3.3. 去应力退火是为去除工件塑性形变加工、 切削加工或焊接造成的内应力 及铸件内存在的残余应力而进行的退火。 钢件在去应力退火的加热及冷却过程中无相变发

9、生。 去应力退火主要用于消除钢件在切削加工、铸造、锻造、热处理、焊接 等过程中产牛的残余应力并稳定其尺寸。 二、 钢的止火 指工件加热到奥氏体化后在空气中缓慢冷却的热处理工艺过程叫正火。 正火的目的是细化晶粒，提高硬度，消除网状渗碳体，并为淬火、切削加 工等后续工序作组织准备。 牛产屮止火芈要应用：如下场合： （1 1）改善切削性能。低碳钢和低合金钢退火后铁素体所占比例较大，硬 度偏低，切削加工时有“粘刀”现象，而且表面粗糙度值较大。通过正火能适 当提髙硬度，攻粹切削加丄性. (2) 消除网状碳化物，为球化退火作组织准备。 (3 3 )用于普通结构零件或某些大型非合金钢工件的最终热处理，以代替

10、调 质处理，如铁道车辆的车轴。 (4 4)用于淬火返修件，消除应力，细化组织，防止重新淬火时产生变形与 开裂。 小结与作业 课时授课计划 课 程 金属工艺 授课班级 任课教师 屈道强 序号 1212 授课日期 编制日期 课 型 理论 节 次 教 具 课 题 第四节 淬火 目 的 要 求 1.1. 掌握钢的热处理定义和分类； 2.2. 了解钢在加热时的组织转变。 重点 与 难点 重点：掌握淬火的有关概念 难点：淬透性和淬硬性 课程 导入 设计 讲授教学法 教法 设计 1.1. 利用挂图等教具。 2.2. 举生活中应用淬火的现象，分析原理。 作业 与 思考 P55P55 课 后 记 事 第四节 淬

11、火 把工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或（和）贝氏体组织的 热处理工艺过程叫钢的淬火。 马氏体是碳或合金元素在a- -FeFe 中的过饱和固溶体，是单相亚稳组织，硬 度较高，用符号 M M表示。 马氏体的硬度主要取决于马氏体中碳的质量分数。马氏体中由于溶入过多 的碳原子，从而使a - -FeFe 晶格发生畸变，增加其塑性变形抗力，故马氏体中碳 的质量分数越高，其硬度也越高。 一、淬火 （一） 淬火的廿的 淬火的目的主要是使钢件得到马氏体（和贝氏体）组织，提高钢的硬度和强 度，与适当的冋火丄艺和配合，更好地发挥钢材的性能潜力 （二） 淬火工艺 1 1 亚共析钢淬火加热温度为 ACAC3

12、以上 30 30 C50 50 C .C . 共析钢和过共析钢淬火加热温度为 AcAci以上 30 30 C50 50 C C 0 0 2.2. 淬火介质 常用的淬火冷却介质冇油、水、盐水、硝盐浴和空气等。 3 3- -淬火方法 （1 1）单液淬火。 将已奥氏体化的钢件在一种淬火介质中冷却的方法。例如，低碳钢和中碳 钢在水中淬火，合金钢在油中淬火等。 单液淬火方法工耍应用丁形状简单的钢件。 双液淬火。 将工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质中，在组织即将发生马氏 体转变时立即转入冷却能力弱的介质中冷却的方法，称为双液淬火。例如，先 在水中冷却后在油中冷却的双液淬火。 双液淬火主要适用于中等

13、复杂形状的高碳钢工件和较大尺寸的合金钢工 件. （3 3）马氏体分级淬火 工件加热奥氏体化浸入温度稍高于或稍低于 MsMs 点的盐浴或碱浴中，保持 适当时间，在工件整体达到冷却介质温度后取出空冷以获得马氏体组织的淬火 方法，称为马氏体分级淬火。马氏体分级淬火能够减小工件中的热应力，并缓 和相变过程中产生的组织应力，减少淬火变形。 马氏体分级淬火适用PRPR寸比较小、形状复朵的丄件的淬火。 贝氏体等温淬火 工件加热奥氏体化后快冷到贝氏体转变温度区间等温保持，使奥氏体转变 为贝氏体的淬火。贝氏体等温淬火的特点是工件在淬火后， 工件的淬火应力与 变形较小， 工件具有较高的韧性、 塑性、硬度和耐磨性。

14、 贝氏体等温淬火可用来处理各种中碳钢、高碳钢和合金钢制造的小型复杂 工件。 4 4.冷处理 冷处理是指钢件淬火冷却到室温后，继续在一般致冷设备或低温介质中冷 却的工艺。 主要目的是消除和减少残余奥氏体，稳定钢件尺寸，获得更多的马氏体， 如量具、精密轴承、精密丝杠、精密刀具、枪杆等，均应在淬火之后进行冷处 理，以消除残余奧氏体，稳定钢件尺寸 二、 钢的淬透性与淬硬性 淬透性是指以规定条件下钢试样淬硬深度和硬度分布表征的材料特性。换 句话说，淬透性是钢材的一种属性，是指钢淬火时获得马氏体的能力。 钢在理想条件下淬火所能达到的最高硬度来表征的材料特性称为淬硬性。 淬硬性主要与钢中碳的质量分数有关，与

15、合金元素含量没有多达关系。奥氏体 中碳的质量分数越高，钢的淬硬性越高，淬火后硬度值也越髙。 淬硬性和淬透性是两个不同的概念：淬火后硬度高的钢，不一定淬透性就 髙，淬火后硬度低的钢.不一定淬透性就低。 三、 淬火缺陷 1 1 . .过热与过烧 工件加热温度偏高，而使晶粒过度长大，以致力学性能显著降低的现象 称为过热。钢件过热后，形成的粗大奥氏体晶粒可以通过正火和退火来消除。 工件加热温度过高，致使晶界氧化和部分熔化的现象称为过烧。过烧钢 件淬火片强度低，脆性很大，并H H无法补救，只能报废。 2 2 . . 工件加热时，介质中的氧、二氧化碳、水蒸汽等与之反应生成氧化物的过 程称为氧化。 工件加热

16、时介质与工件中的碳发生反应，使表层碳的质量分数降低的现象 称为脱碳。 氧化使钢件表面烧损，增大表面粗糙度值，减小钢件尺寸，甚至使钢件报 废。脱碳使钢件表面碳的质量分数降低，使其力学性能下降，容易引起钢件早 期失效。 3.3. 硬度不足和软点 钢件淬火后较大区域内硬度达不到技术要求，称为硬度不足。 钢件淬火硬化后，其表面局部区域存在硬度偏低的现象称为软点。 4 4 变丿 变形是淬火时钢件产生形状或尺寸偏差的现象。开裂是淬火时钢件表层或 内部产生裂纹的现象。钢件产生变形与开裂的主要原因是由于钢件在热处理过 程中其内部产牛了较大的内应力。 热应力是指钢件加热和（或）冷却时，由于不同部位出现温差而导致

17、热胀和 （或）冷缩不均所产生的内应力。 相变应力是热处理过程中，因钢件不同部位组织转变不同步而产生的内应 力。 钢件在淬火时，热应力和相变应力同时存在，这两种应力总称为淬火应力。 当淬火应力大于钢的屈服点时，钢件就发生变形；当淬火应力大于钢件的抗拉 强度时，钢件就产生开裂。 课时授课计划 课 程 金属工艺 授课班级 任课教师 屈道强 序号 1313 授课日期 编制日期 课 型 理论 节 次 教 具 课 题 第五节 回火 目 的 要 求 1.1. 掌握回火的方法； 2.2. 了解钢在回火时的组织转变。 重点 与 难点 重点：掌握回火的有关概念 难点：回火时组织的变化 课程 导入 设计 讲授教学法

18、 教法 设计 1.1. 利用挂图等教具。 2.2. 举生活中应用回火的现象，分析原理。 作业 与 思考 P55P55 课 后 记 事 第五节回火 回火是指工件淬硬后，加热到 AcAci以下的某一温度，保温一定时间，然后 冷却到室温的热处理工艺。 回火的目的是消除和减小内应力，稳定组织，调整性能以获得较好的强度 和韧性配合. 一、钢在冋火时组织和性能的变化 随着回火温度的升高，淬火组织将发生一系列变化，根据组织转变情况， 回火与一般分为四个阶段：马氏体分解、残余奥氏体分解、碳化物转变、碳化 物的聚集长大与铁素体的再结品。 1 1.回火第一阶段（ 200 200 C ） 勺氏体分解 在这一阶段中，

19、由于回火温度较低，马氏体中仅析出了一部分过饱和的碳 原子，它仍是碳在a - -FeFe 中的过饱和固溶体。析出的极细微碳化物，均匀分布 在马氏体基体上。这种过饱和度较低的马氏体和极细微碳化物的混合组织称为 回火马氏体。 2 2 .回火第二阶段（200 200 C300 300 C ） - 残余奥氏体分解 当温度升至 200 200 C300 300 C范围时，马氏体分解继续进行，但占主导地位 的转变已是残余奥氏体分解过程了。残余奥氏体分解是通过碳原子的扩散先形 成偏聚区，进而分解为a相和碳化物的混合组织，即形成下贝氏体。此阶段钢 的硬度没冇明显降低. 3.3. 回火第三阶段（250 250 C

20、400 400 C ） - 碳化物转变 在此温度范围，由于温度较高，碳原子的扩散能力较强，铁原子也恢复了 扩散能力，马氏体分解和残余奥氏体分解析出的过渡碳化物将转变为较稳定的 渗碳体。得到铁素体基体内分布着细小粒状（或片状）渗碳体组织，该组织称为 回火托氏体。此阶段淬火应力基本消除，硬度有所下降，塑性、韧性得到提高。 4.4. 回火第四阶段（400 400 C ）- - 由于回火温度已经很高，碳原子和铁原子均具有较强的扩散能力，第三阶 段形成的渗碳体薄片，将不断球化并长大，该组织称为回火索氏体，回火索氏 体具冇良好的综合力学性能。此阶段内应力和品格畸变完全消除。 二、回火方法及其应用 回火是最

21、终热处理， 根据钢在回火后组织和性能的不同， 按回火温度范围 可将冋火分为三种：低温冋火、中温冋火和高温冋火。 1.1.低温I I川火低温回火温度范围是 250 250 C以下。经低温回火后组织为回火马氏体，保持了 淬火组织的高硬度和耐磨性，降低了淬火应力，减小了钢的脆性。低温回火后 硬度一般为 585862HRC62HRC。 主要用于高碳钢、合金工具钢制造的刃具、量具、冷作模具、滚动轴承及 渗碳件、表面淬火件等。 2.2. 屮温同火 中温回火温度范围是 250 250 C450 450 C。淬火钢经中温回火后组织为回火托氏 体，降低了淬火应力， 使工件获得高的弹性极限和屈服强度， 并具有一定

22、的韧 性。 中温回火后硬度一般为 353550HRC50HRC。 主要用于处理弹性元件，如各种卷簧、板簧、弹簧钢丝等。有些受小能量 多次冲击载荷的结构件，为了提高强度，增加小能量多冲抗力，也采用中温回 火。 3.3. |用温|川火 高温回火温度范围是 500 500 C以上。淬火钢经高温回火后组织为回火索氏体， 淬火应力可完全消除，强度较高，有良好的塑性和韧性，即具有良好的综合力 学性能。回火后硬度一般为 200200330HBW330HBW。另外，钢件淬火加高温回火的复合 热处理工艺又称为调质处理 主要用于处理轴类、连杆、螺栓、齿轮等工件。同时，钢件经过调质处理 后，不仅具有较高的强度和硬度

23、，而且塑性和韧性也显著比经正火处理后高。 小结与作业 课时授课计划 课 程 金属工艺 授课班级 任课教师 屈道强 序号 1414 授课日期 编制日期 课 型 理论 节 次 教 具 课 题 第六节 钢的表面热处理与化学热处理 目 的 要 求 1.1. 了解表面热处理对工件表面的影响； 2.2. 掌握常用表面淬火方法。 重点 与 难点 重点：掌握常用表面淬火方法； 难点：对钢的化学热处理 课程 导入 设计 讲授教学法 教法 设计 1 1.利用挂图等教具。 2 2 .列举生活与生产中应用表面淬火与化学热处理、 渗碳 与渗氮工艺的实例，分析原理与应用。 作业 与 思考 P55P55 课 后 记 事 第

24、六节 钢的表面热处理与化学热处理 一、钢的表面热处理 表面热处理是为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工 -f-p 乙。 表面淬火是指仅对工件表层进行淬火的工艺，其目的是使工件表面获得高 硬度和耐磨性，而心部保持较好的塑性和韧性。 依加热方法的不同，表面淬火方法主要有：感应加热表面淬火、火焰加热 表面淬火、电接触加热表面淬火及电解液加热表面淬火等。 ( (一一) ) 感应加热表面淬火 利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面、局部或整体加热并 进行快速冷却的淬火工艺称为感应加热淬火。 1.1. 感应加热泉恭原理 依靠感应电流的热效应，使工件表层在几秒钟内快速加热到淬火温度，

25、然 后迅速冷却，淬硬丄件表面层，这就是感应加热表面淬火的基本原理。 2.2. 感应加热表面淬火的特点 (1)(1) 加热时间短，工件基本无氧化、脱碳，且变形小。奥氏体晶粒细小， 淬火后获得细小马氏体组织，使工件表层比一般淬火硬度高 2 23HRC,3HRC,且脆性 较低。工件表面淬火后，在淬硬的表面层中存在较大的残余压应力，因此，提 高了工件的疲劳强度. (2)(2) 加热速度快，热效率高，生产率高，易实现机械化、自动化，适于大 批量牛产. (3)(3) 感应加热设备投资大，维修调试比较困难. 3 3 感应加热表面淬火主要用于中碳钢和中碳合金钢制造的工件，如 4040 钢、 45 45 钢、4

26、0Cr40Cr、40MnB 40MnB 等。 生产上通过选择不同的电流频率来达到满足不同要求的淬硬层深度。 根据电流频率不同，感应加热淬火分为三类：高频感应加热表面淬火、中 频感应加热表面淬火和丄频感应加热表面淬火. 感应加热表面淬火后，需要进行低温回火。 感应加热表面淬火零件的工艺路线一般如下： 毛坯锻造(或轧材下料)f退火或正火f粗加工f调质f精加工f感应加 热表面淬火低温回火f磨削加工。 ( (二二) ) 火焰加热表面淬火 火焰加热表面淬火是利用乙炔一氧或其它可燃气燃烧的火焰对工件表层 加热，随Z Z快速冷却的淬火丄艺 火焰加热表面淬火的淬硬层深度一般为 2mm2mm- - 6mm6mm,若淬硬层过深，往往 会引起工件表面产牛i i 火焰加热表面淬火操作简便，不需要特殊设备，成本低。但生产率低，工 件表面容易过热，质量难以控制，因此，使用受到一定限制。火焰加热表面淬 火主耍用丁-单件或小批量牛产的各种齿轮、轴、轧想等。 二、钢的化学热处理 钢的化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几 种元素渗入到它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。 其特点是表层不仅冇组织的变化，而比冇成分的变化， 化学热处理方法很多，通常以渗入元素来命名，如渗碳、渗氮、碳氮共渗、 渗硼、渗硅