金属工艺学第五章

1、第五章第五章 金属热处理及表面改性金属热处理及表面改性l教学目的和要求教学目的和要求 1.1.掌握热处理的概念，熟悉热处理的分类，掌握掌握热处理的概念，熟悉热处理的分类，掌握钢在加热时的组织转变和钢在冷却时的组织转变钢在加热时的组织转变和钢在冷却时的组织转变 2.2.掌握普通热处理的种类、概念和用途掌握普通热处理的种类、概念和用途 3.3.熟悉钢的表面热处理熟悉钢的表面热处理l教学内容提纲教学内容提纲 1.1.钢的热处理原理（重点）钢的热处理原理（重点） 2.2.钢的普通热处理（重点）钢的普通热处理（重点） 3.3.钢的表面热处理（熟悉）钢的表面热处理（熟悉） 第一节第一节 钢的热处理原理钢的

2、热处理原理(Heat Treatment Principle of Steel )(Heat Treatment Principle of Steel )概述概述钢在加热时的转变钢在加热时的转变钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变一、概述一、概述1 1 热处理概念热处理概念 将钢在固态下加热、保温和冷却，以将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，从而获得所需要性能改变钢的组织结构，从而获得所需要性能的一种热处理工艺。的一种热处理工艺。保温保温冷却冷却加热加热温度温度/时间时间/s0临界温度临界温度2.2.热处理特点、目的和应用范围热处理特点、目的和应用范围 特点特点：只通过改变工件的组织

3、来改变性能，不改变：只通过改变工件的组织来改变性能，不改变其形状。热处理只适用于固态下发生其形状。热处理只适用于固态下发生相变相变的材料，不发的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化；生固态相变的材料不能用热处理强化； 目的目的：改变钢的性能；：改变钢的性能； 应用范围应用范围：整个制造业。：整个制造业。3.3.热处理的分类热处理的分类 根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点的不同，将热处理工艺分类如下：的不同，将热处理工艺分类如下： 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、化学热处理；

4、：表面淬火、化学热处理； 其他热处理其他热处理：真空热处理、形变热处理、控：真空热处理、形变热处理、控制气氛热处理、激光热处理等。制气氛热处理、激光热处理等。4.4.加热和冷却对临界转变温度的影响加热和冷却对临界转变温度的影响A3AC3Ar3ACcmACmArcmA1Ar1Ac1含碳量含碳量/%温度温度/0二、钢在加热时的转变二、钢在加热时的转变1.1.奥氏体的形成奥氏体的形成共析钢奥氏体的形成过程共析钢奥氏体的形成过程2.奥氏体晶粒度及其影响奥氏体晶粒奥氏体晶粒度及其影响奥氏体晶粒 尺寸的因素尺寸的因素1 1）奥氏体晶粒度）奥氏体晶粒度 起始晶粒度起始晶粒度：珠光体向奥氏体转变刚刚完成时的晶

5、：珠光体向奥氏体转变刚刚完成时的晶 粒度；粒度； 实际晶粒度实际晶粒度：钢在某一具体加热条件下的晶粒度；：钢在某一具体加热条件下的晶粒度； 本质晶粒度本质晶粒度：度量钢本身晶粒在度量钢本身晶粒在930930以下，随温度以下，随温度 升高升高,晶粒长大的程度，晶粒长大的程度，表示奥氏体长大倾向。表示奥氏体长大倾向。 钢的本质晶粒度示意图钢的本质晶粒度示意图2 2）影响奥氏体晶粒度的因素）影响奥氏体晶粒度的因素 加热温度和保温时间；加热温度和保温时间； 加热速度；加热速度； 合金元素；合金元素； 原始组织。原始组织。3 3）奥氏体晶粒度对钢力学性能的影响）奥氏体晶粒度对钢力学性能的影响奥氏体晶粒均

6、匀细小奥氏体晶粒均匀细小, ,热处理后钢的力热处理后钢的力 学性能提高。学性能提高。粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起 工件产生较大的变形甚至开裂。工件产生较大的变形甚至开裂。三、钢在冷却时的转变三、钢在冷却时的转变冷却方式冷却方式加加 热热保温保温时间时间/S临界温度临界温度连续冷却连续冷却等温冷却等温冷却0温度温度/n过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的等温冷却转变 建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转 变曲线变曲线 - TTT- TTT曲线曲线 ( ( C C 曲线曲线 ) )T - timeT - temperatureT - tr

7、ansformation 共析碳钢共析碳钢 TTT TTT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1共析碳钢共析碳钢 TTT TTT 曲线的分析曲线的分析稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过冷奥氏体区过冷奥氏体区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线 A +产产 物物 区区产物区产物区A1550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变; P 转变区。转变区。550230;中温转变中温转变区区; 半扩散型转变半扩散型转变; 贝氏体贝氏体( B ) 转变区转变区

8、;230 - 50; 低温转低温转变区变区; 非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体 ( M ) 转变区。转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMfn 转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能1.珠光体型珠光体型 ( P ，Pearlite) 转变转变 ( A1550，扩散性转变），扩散性转变）:A1650 : P ; 525HRC; 片间距为片间距为0.60.7m ( 500 )。650600 : 细片状细片状P-索氏体索氏体(S); 片间距为片间距为0.20.4m (1000); 2536HRC。600550:

9、极细片状极细片状P-屈氏体屈氏体(T); 片间距为片间距为0.2m ( 电镜电镜 ); 3540HRC。 珠珠 光光 体体 形形 貌貌 像像光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌 索索 氏氏 体体 形形 貌貌 像像 屈屈 氏氏 体体 形形 貌貌 像像电镜形貌光镜形貌珠光体转变示意图珠光体转变示意图珠光体型转变珠光体型转变示意图示意图珠光体珠光体 P ，3800索氏体索氏体 S 8000屈氏体屈氏体 T 8000层片间距：层片间距：P S TP S T2 2 贝氏体贝氏体（Bainite，半扩散性转变），半扩散性转变） 概念：含碳过饱和的铁素体与渗碳体或概念：含碳过饱和的铁素体

10、与渗碳体或碳化物的混合物，转变温度为：碳化物的混合物，转变温度为：550550MsMs。 根据转变温度和组织形态分类：上贝氏体和根据转变温度和组织形态分类：上贝氏体和下贝氏体。下贝氏体。550350: B上上; 4045HRC;B上上 =过饱和碳过饱和碳 -Fe条状条状 + Fe3C小片状小片状过饱和碳过饱和碳-Fe条状条状 Fe3C细条状细条状羽毛状羽毛状 B B上上， 550550350350产物产物 羽毛状，小片羽毛状，小片状状FeFe3 3C C分布在分布在F F间；间； B B上上性能：性能： 强度和韧性差。强度和韧性差。光学显微照片光学显微照片 1300电子显微照片电子显微照片 5

11、000B B上上显微组织显微组织350230: B下下; 5060HRC;B下下 =过饱和碳过饱和碳 -Fe针叶状针叶状 + Fe3C细片状细片状过饱和碳过饱和碳 -Fe针叶状针叶状Fe3C细片状细片状针叶状针叶状F 针内定向分布着细小针内定向分布着细小Fe2.4C颗粒颗粒电子显微照片电子显微照片 12000T8钢，钢，B下下，黑色针状黑色针状光学显微照片光学显微照片 400 B下下韧性高，综合机械性能好。韧性高，综合机械性能好。 3 3 马氏体型转变（非扩散性转变）马氏体型转变（非扩散性转变） 1 1）马氏体）马氏体（Martensite）概念：概念：碳在碳在FeFe中的过饱和固溶体。用中的

12、过饱和固溶体。用M M表示。表示。2 2）转变特点）转变特点: :在一个温度范围内在一个温度范围内连续冷却完成连续冷却完成;转变速度极快转变速度极快,即即瞬间形核与长大瞬间形核与长大;无扩散转变无扩散转变( Fe、C原子均不扩散原子均不扩散 )； 共格切变性；共格切变性；转变不完全性转变不完全性。3 3）马氏体的分类、性能特点和组织形态）马氏体的分类、性能特点和组织形态n按形态分类：板条状马氏体和针状马氏体按形态分类：板条状马氏体和针状马氏体 C%0.2%C%1.0%C%1.0%，形成针状马氏体；，形成针状马氏体； 0.2C%1.0%0.2C%400400）。）。耐磨件耐磨件M回回=0.3%C

13、+150250低温回火低温回火弹簧等弹簧等T回回=F针针+Fe3C粒粒350500中温回火中温回火调质件调质件S回回=F多多+Fe3C粒粒500650高温回火高温回火高合金钢高合金钢P回回=F多多+Fe3C粒粒650A1高温软化高温软化n 回火的分类及其应用回火的分类及其应用注：淬火注：淬火 + + 高温回火高温回火 = = 调质处理调质处理用途用途组组 织织温度温度()名名 称称 回火索氏体组织金相图回火索氏体组织金相图 回火屈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回火马氏体组织金相图n 回火脆性回火脆性低温回火脆性低温回火脆性（250400250400），又叫不可逆回火脆

14、性或第一类回），又叫不可逆回火脆性或第一类回 火脆性；火脆性； 产生原因：薄片状的渗碳体沿奥氏体晶界析出。产生原因：薄片状的渗碳体沿奥氏体晶界析出。 防止办法：避免在该温度区间回火；加硅；等温淬火。防止办法：避免在该温度区间回火；加硅；等温淬火。高温回火脆性高温回火脆性（500650500650），又叫可逆回火脆性或第二类回火），又叫可逆回火脆性或第二类回火 脆性。脆性。 产生原因：产生原因：SbSb、SnSn、P P等在晶界偏聚。等在晶界偏聚。 防止办法：快冷；加防止办法：快冷；加MoMo、W W等合金元素。等合金元素。 概念：钢在某些温度范围内回火时，会出现冲击概念：钢在某些温度范围内回火

15、时，会出现冲击韧性下降的现象，称为韧性下降的现象，称为“回火脆性回火脆性”。小结小结重点要求重点要求 钢淬火和回火的概念、目的和一般应用；淬火温钢淬火和回火的概念、目的和一般应用；淬火温度的选择理由；淬透性和淬硬性的区别，影响淬透性度的选择理由；淬透性和淬硬性的区别，影响淬透性的因素，回火的分类和一般应用；回火脆性的概念和的因素，回火的分类和一般应用；回火脆性的概念和分类和防止。分类和防止。一般要求一般要求 淬火冷却介质；淬火方法；回火时的组织转变。淬火冷却介质；淬火方法；回火时的组织转变。实验一实验一 铁碳合金平衡组织观察铁碳合金平衡组织观察 观察纯铁（观察纯铁（1#1#）、亚共析钢（）、亚

16、共析钢（2 2、3 3、4#4#）、共析钢（）、共析钢（5#5#）、）、过共析钢（过共析钢（6#6#）；亚共晶白口铸铁（）；亚共晶白口铸铁（7#7#）、共晶白口铸铁（）、共晶白口铸铁（8#8#）和过共晶白口铸铁（和过共晶白口铸铁（9#9#），要求画出纯铁、亚共析钢（只画出其），要求画出纯铁、亚共析钢（只画出其中一个）、共析钢、过共析钢的组织示意图。中一个）、共析钢、过共析钢的组织示意图。n实验班级：实验班级：1班（分为两组）、班（分为两组）、2班（分为两组）、班（分为两组）、 3班（分为两组）、班（分为两组）、n实验时间：下周一下午实验时间：下周一下午24，下周三，下周三4.156.15，n实

17、验地点：思学楼实验地点：思学楼D212n分组：分组： 周一下午周一下午23点（点（1班第一组：班第一组：104123）、下午）、下午34点（点（1班第二班第二组剩余同学）；组剩余同学）； 周三下午周三下午4.155.15（2班第一组：班第一组：201217，222，224，226）、）、下午下午5.156.15（2班第二组剩余同学）班第二组剩余同学） 。 周三下午第周三下午第8节（节（3班第一组：班第一组：301321）、下午第九节（）、下午第九节（3班第班第二组：剩余同学）二组：剩余同学） 。重点回顾重点回顾 钢淬火和回火的概念、目的和一般钢淬火和回火的概念、目的和一般应用；淬火温度的选择理

18、由；淬透性和应用；淬火温度的选择理由；淬透性和淬硬性的区别，影响淬透性和淬硬性的淬硬性的区别，影响淬透性和淬硬性的因素，回火的分类和一般应用；回火脆因素，回火的分类和一般应用；回火脆性的概念和分类和防止。性的概念和分类和防止。本次课的内容本次课的内容n钢的表面热处理钢的表面热处理n常见热处理缺陷及防止常见热处理缺陷及防止n小结小结一、钢的表面热处理一、钢的表面热处理n概念：指仅对工件表层进行热处理以改变其组概念：指仅对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺；织和性能的工艺；n分类：表面淬火和化学热处理；分类：表面淬火和化学热处理；n应用范围：主要是某些在冲击载荷、交变载荷应用范围：主要是某

19、些在冲击载荷、交变载荷及摩擦条件下工作的机械零件，如曲轴、凸轮及摩擦条件下工作的机械零件，如曲轴、凸轮轴、齿轮等；轴、齿轮等；n工艺的核心工艺的核心: :使零件具有使零件具有“表硬里韧表硬里韧”的力学的力学性能。性能。n 表面淬火表面淬火1. 1. 定义定义: :是一种不改变钢表层化学成分是一种不改变钢表层化学成分, ,但改变但改变表层组织的局部热处理工艺，即通过快速加热表层组织的局部热处理工艺，即通过快速加热使钢的表层奥氏体化使钢的表层奥氏体化, ,然后急冷然后急冷, ,使表层形成马使表层形成马氏体组织氏体组织, ,而心部仍保持不变。而心部仍保持不变。2. 2. 目的目的: :获得高硬度的表

20、面层，以提高工件的获得高硬度的表面层，以提高工件的耐磨性和疲劳强度。耐磨性和疲劳强度。3.3.表面淬火用钢表面淬火用钢: : 选用选用中碳中碳或或中碳低合金钢中碳低合金钢。4040、4545、40Cr40Cr、40MnB40MnB等。等。4.4.表面淬火加热的方法表面淬火加热的方法: : 感应加热感应加热( ( 高、中、工频高、中、工频 ) )、火焰加热火焰加热、激光加热等。激光加热等。n 感应加热表面淬火感应加热表面淬火1)1)感应加热的基本原理感应加热的基本原理: :* 感应电流感应电流 - 涡流涡流* 集肤效应集肤效应*淬火层深度淬火层深度()与电流频率与电流频率( f )的关系的关系:

21、 = 500 / f （mm） 感应加热表面淬火示意图感应加热表面淬火示意图集肤效应示意图集肤效应示意图n 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火1) 1) 火焰加热表面淬火的基本方法火焰加热表面淬火的基本方法2 2）火焰加热表面淬火的特点）火焰加热表面淬火的特点: :* * 设备简单设备简单, , 操作方便操作方便, , 成本低；成本低；* * 淬火质量不稳定；淬火质量不稳定；* * 适于单件、小批量及大型零件的生产。适于单件、小批量及大型零件的生产。二二. .化学热处理化学热处理 ( Chemical Heat Treatment )( Chemical Heat Treatment )一一)

22、)定义定义: :将零件置于一定的化学介质中将零件置于一定的化学介质中 , , 通过加热、保温通过加热、保温, ,使介质中一种或几种元素使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层原子渗入工件表层, ,以改变钢表层的化学成以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。分和组织的热处理工艺。 二二) ) 化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程: :2.2.吸收吸收: : 活性原子被活性原子被零件表面吸收和溶解。零件表面吸收和溶解。3.3.扩散扩散: : 活性原子由零件表面向内部扩散活性原子由零件表面向内部扩散, , 形成一定的扩散层形成一定的扩散层。1.1.分解分解: : 化学介质在高温下释放出待渗的化学

23、介质在高温下释放出待渗的活性原子活性原子。 2CO CO2CO CO2 2 + +C C三三) ) 化学热处理进行的条件化学热处理进行的条件: :1. 1. 渗入元素的原子渗入元素的原子必须是活性原子必须是活性原子, , 而而 且且具有较大的扩散能力具有较大的扩散能力。2. 2. 零件本身具有零件本身具有吸收渗入原子的能力吸收渗入原子的能力, , 即对渗入原子有一定的即对渗入原子有一定的溶解度溶解度或能或能 与之化合与之化合, , 形成化合物形成化合物。四四) ) 化学热处理的种类化学热处理的种类: : 渗碳渗碳; ; 渗氮渗氮; ; 碳氮共渗碳氮共渗; ; 渗硼渗硼; ; 渗铝渗铝; ; 渗

24、渗 硫硫; ; 渗铬等。渗铬等。二、常见热处理缺陷及其防止二、常见热处理缺陷及其防止n加热时出现的缺陷加热时出现的缺陷：欠热（退火和正火矫正）、：欠热（退火和正火矫正）、过热（不严重的可以用退火和正火矫正）、过过热（不严重的可以用退火和正火矫正）、过烧、氧化和脱碳（盐浴中加热或保护气氛或真烧、氧化和脱碳（盐浴中加热或保护气氛或真空加热或表面涂层空加热或表面涂层) )。n在冷却（淬火）时出现的缺陷在冷却（淬火）时出现的缺陷：淬火变形、淬：淬火变形、淬火裂纹。防止办法：正确选材、合理进行零件火裂纹。防止办法：正确选材、合理进行零件的结构设计、选择或制定合理的淬火工艺。的结构设计、选择或制定合理的淬火工艺。小结小结n重点要求重点要求 钢的表面热处理的分类；表面淬火的概念、钢的表面热处理的分类；表面淬火的概念、目的；常见热处理缺陷。目的；常见热处理缺陷。n一般要求一般要求 化学热处理；常见热处理缺陷的防止措施。化学热处理；常见热处理缺陷的防止措施。铁碳合金平衡组织的观察铁碳合金平衡组织的观察实验报告要求实验报告要求n实验内容：实验内容：n实验目的：实验目的：n实验设备和样品：实验设备和样品：n实验结果：实验结果：n思考题：思考题： 1 1）2#2#、3#3#、4#4#试样组织的异同点？试样组织的异同点？ 2 2）根据所观察的组织，说明含碳量对铁碳合金）根据所观察的组织，说明含碳