金属材料与热处理第五章

1、第五章第五章 钢的热处理钢的热处理热处理的概念 热处理是对金属材料在固态下，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织与性能的工艺。热处理的作用热处理工艺曲线 提高金属材料的使用性能充分发挥材料的性能潜力延长零件的使用寿命改善金属材料的工艺性能提高工件的加工质量减少刀具磨损钢的热处理分类 摘自GB/T 12603-2005金属热处理工艺分类及代号 热处理热处理淬火淬火回火回火正火正火退火退火表面热处理表面热处理第一节第一节 钢在加热、冷却时的组织转变钢在加热、冷却时的组织转变 第二节第二节 钢的退火与正火钢的退火与正火第三节第三节 钢的淬火与回火钢的淬火与回火 第四节第四节 钢的表

2、面热处理和化学热处理钢的表面热处理和化学热处理 第五节第五节 典型零件的热处理分析典型零件的热处理分析 第一节第一节 钢在加热、冷却时的组织转变钢在加热、冷却时的组织转变 一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变1钢的临界转变温度 钢在加热和冷却时的临界转变温度 加热时的各临界点：Ac1、Ac3、Accm冷却时的各临界点：Ar1、 Ar3 、Arcm2钢的奥氏体化 将钢加热到Ac3或Ac1点以上，以获得完全或部分奥氏体组织的操作称为奥氏体化。 共析钢中奥氏体形成过程示意图 (a)奥氏体形核 (b)奥氏体长大 (c)剩余Fe3C溶解 (d)奥氏体均匀化 共析钢 ： Ac1 以上亚共析钢：

3、Ac3以上奥氏体化的加热温度：奥氏体化的加热温度：过共析钢：Accm以上3影响奥氏体化的因素影响奥氏体化的因素 （1）加热温度 （2）加热速度 （3）合金元素 （4）原始组织4奥氏体晶粒的长大奥氏体晶粒的长大 当珠光体向奥氏体转变刚刚完成时，奥氏体晶粒比较细小 随着加热温度的升高，保温时间的延长，奥氏体晶粒会通过晶粒之间的相互吞并而长大5影响奥氏体晶粒长大的因素影响奥氏体晶粒长大的因素 （1）加热温度和保温时间 （2）钢的含碳量（3）合金元素奥氏体的晶粒度的三个概念起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体时的晶粒大小。 实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。 本质晶粒度:加热时奥氏体晶粒的长

4、大倾向称本质晶粒度。 7奥氏体晶粒大小的控制奥氏体晶粒大小的控制 （1）选择合理的加热温度和保温时间 （2）选择合理的加热速度 6奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响 奥氏体晶粒粗大奥氏体晶粒均匀细小热处理后钢的力学性能提高冷却后的组织粗大降低钢的常温力学性能，尤其是塑性二、钢在冷却时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变 2连续冷却 1等温冷却 将奥氏体化的钢从高温冷却到室温，让奥氏体在连续冷却条件下发生组织转变。 奥氏体化的钢迅速冷却到临界点A1以下某一温度并保温，使奥氏体在此温度下发生组织转变。等温冷却:连续冷却: 两种冷却方式示意图 1、奥氏体等温转变图及其

5、建立 共析钢奥氏体等温转变图的建立 奥氏体等温转变图 2、共析钢的奥氏体转变产物的组织和性能、共析钢的奥氏体转变产物的组织和性能 共析钢的过冷奥氏体等温转变珠光体型转变,又称高温转变 珠光体(P)索氏体(S)托氏体(T)贝氏体型转变,又称中温转变 A1 550 550Ms 共析钢的马氏体型转变MsMf 上贝氏体(B上 ) 下贝氏体(B下) A1650 650600 600550550350350 Ms 低碳马氏体 含碳量0.25% 高碳马氏体 含碳量1% 含碳量在0.251% 混合物 又称低温转变 一、在等温转变图上近似分析冷却转变的产物 共析钢等温转变C曲线 随炉冷却1转变产物为珠光体（P）

6、 2 转变产物为索氏体（S） 空冷 3 油冷 转变产物为马氏体和托氏体的混合组织 4 水冷 转变产物为马氏体（M）和少量残余奥氏体（A） 二、确定马氏体转变的临界冷却速度二、确定马氏体转变的临界冷却速度 k恰好与C曲线“鼻尖”相切，表示钢中奥氏体在连续冷却时不发生非马氏体转变所需的最小冷却速度，称为临界冷却速度 三、冷处理三、冷处理 冷处理是指零件淬火冷却到室温后，再放入其他冷却介质中继续冷却的热处理工艺，在极冷介质中冷却（如液氮温度可达-196）的冷处理又称为深冷处理。 冷处理的主要目的：用途：精密量具、精密零件（如精密轴承）硬度要求较高的零件（如轴承套圈） 促使残余奥氏体继续向马氏体转变，

7、尽可能减少淬火零件中残余奥氏体的数量 。第二节第二节 钢的退火与正火钢的退火与正火 一、退火一、退火 退火是指将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般随加热炉冷却）的热处理方法。 1退火的目的 （1）降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工和冷变形加工。 （2）细化晶粒，均匀钢的成分及组织，改善钢的性能或为最终热处理做好组织准备。 （3）消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。 2常用的退火方法 （1）完全退火 将钢完全奥氏体化，随之缓慢冷却，以获得接近平衡组织的工艺称为完全退火。（2）球化退火为使钢中碳化物球状化而进行的退火称为球化退火。 （3）去应力退火 为了去除工件因加工等原因

8、而造成的残余应力而进行的退火，称为去应力退火。常用退火方法的工艺及应用常用退火方法的工艺及应用方法工艺组织性能应用完全退火加热温度：Ac3以上3050（完全奥氏体化）冷却方式：随炉冷却接近平衡组织：片状珠光（体铁素体）降低硬度，改善切削加工性能，消除内应力 主要用于亚共析钢的锻件、铸件、热轧型材和焊接件等球化退火加热温度：Ac1 以上2030冷却方式：随炉缓慢冷却（冷却速度小于50/h） 球状珠光体，为最终热处理做好组织准备降低硬度，改善切削加工性能，消除内应力 适用于共析钢及过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等去应力退火加热温度：A1以下，一般取500650冷却方式：随炉冷却组织不发

9、生改变性能不发生变化，仅消除内应力 用于铸件、锻件、焊接件等二、正火二、正火 将钢加热到Ac3或Accm以上3050，保温适当时间，在空气中冷却的工艺方法叫正火 退火和正火的加热温度范围及热处理工艺曲线 a) 加热温度范围 b) 热处理工艺曲线1完全退火 2球化退火 3去应力退火 4正火正火的目的与退火基本相同比较细小的索氏体 正火钢的组织正火与退火效果比较 正火钢的强度、硬度比退火钢高 消除钢中残余内应力，正火不如退火充分 退火与正火的应用退火与正火的应用 1作为预备热处理应用 作为预备热处理时，具体选用退火还是正火，主要从以下三个方面考虑 （1）从切削加工性考虑 作为预备热处理，低碳钢应选

10、用正火；中碳钢则视其具体含碳量及合金元素含量，确定选用正火或完全退火；对于工具钢、滚动轴承钢等高碳钢，必须选用球化退火作为预备热处理，如课前部分提到的工具和量具，均选用球化退火作为预备热处理。 零件形状复杂或尺寸较大时，由于正火的冷却速度较快，易产生内应力，有引起变形或开裂倾向，所以，以选用退火为宜。 （2）从零件的结构形状考虑2在其他方面的应用 （1）退火可用于消除铸铁铸件的白口组织 （2）正火用于消除网状二次渗碳体 （3）正火有时可作为最终热处理 正火比退火生产周期短，成本低，操作简单，所以在条件允许的情况下，应尽可能选用正火。 （3）从经济性考虑第三节第三节 钢的淬火与回火钢的淬火与回火

11、一、淬火一、淬火 将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温一定时间，然后以适当的速度冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理称为淬火。 获得马氏体，以提高钢的强度、硬度和耐磨性 淬火的主要目的1淬火的概念 2淬火加热温度 （1）亚共析钢的淬火加热温度：（2）共析钢和过共析钢的淬火温度：碳钢淬火加热温度范围 Ac3以上30-50CAc1以上30-50C 3淬火的冷却介质 淬火冷却介质冷却能力应用范围淬火油较弱 形状复杂的中、小型合金零件。如60Si2Mn 制作的弹簧 水较强 尺寸不大，外形较简单，尺寸和形状精度要求不高的碳钢零件。 如T12A钢制作的锉刀 盐（碱）水强尺寸较大，外形简单，硬度要

12、求较高，对形状和尺寸精度要求不高的碳钢零件。如45钢制作的螺栓 盐浴（碱浴）介于水与矿物油之间形状复杂，对变形要求严格，截面尺寸较小的工具、量具等。如W18Cr4V制作的圆盘滚刀 4淬火方法 单介质淬火 双介质淬火 马氏体分级淬火 贝氏体等温淬火 1表面 2心部 1表面 2心部 5钢的淬透性和淬硬性 工件淬硬层与冷却速度的关系 淬透性是指在规定的条件下，钢在淬火后获得淬硬层深度的能力。 淬透性淬硬性 淬硬性是指钢在淬火后能达到的最高硬度的能力。 钢的临界冷却速度越低，淬透性越好 钢的淬硬性主要取决于钢的含碳量。6常见淬火缺陷淬火畸变 淬火裂纹 氧化与脱碳 硬度不足 软点 过热与过烧 二、回火二

13、、回火 将淬火后的钢再加热到Ac1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叫回火 2回火的目的 1回火的概念 （1）消除内应力 （2）获得所需要的力学性能 （3）稳定组织和尺寸 3回火时钢的组织与性能的变化 马氏体的分解残余奥氏体的转变渗碳体的形成渗碳体的聚集长大40钢的力学性能与回火温度的关系 80200200300300400400以上 从右图可知，随着回火温度的升高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高 4回火的方法和应用 类型加热温度回火组织及性能应用低温回火150250回火马氏体性能：具有较高的硬度（58-64HRC），高的耐磨性和一定的韧性主要用于高碳钢、合金工具钢制

14、造的刀具、量具、冷冲模具、轴承零件及其他要求硬而耐磨的零件。如T12钢制作的锉刀中温回火350500回火托氏体性能：具有高的弹性极限、屈服强度和适当的韧性，硬度可达35-50HRC弹性零件及热作模具等。如60Si2Mn制作的机车弹簧 高温回火500650回火索氏体 性能：具有良好的综合力学性，强度、硬度、塑性和韧性具有良好的配合，硬度达到200-330HBW广泛用于连杆、曲轴、齿轮及车床主轴等承受交变载荷或冲击的重要零件。如用45钢制作的车床主轴生产中常把淬火及高温回火的复合热处理工艺称为调质。 调质调质 调质钢与正火钢相比，不仅强度较高，而且塑性、韧性远高于正火钢。重要零件均采用调质处理 。

15、 45钢正火或调质后力学性能比较热处理状态Rm（MPa）A(%)K(J/cm2)HBW正火70080015205080162220调质750850202580120210250淬火与回火的应用淬火与回火的应用 硬度和耐磨性要求较高的零件，如工具、量具、冷作模具和在摩擦条件下工作的机械零件（如滚动轴承）等，此类零件一般选用高碳钢制作，可采用淬火和低温回火处理。 强度要求较高的弹性零件（如弹簧）和部分热作模具等，此类零件一般选用中、高碳钢制造，为了获得较高的弹性和必要的韧性，可采用淬火和中温回火处理。 综合力学性能要求较高，强度、塑性和韧性需有良好配合的零件，如轴类零件、齿轮、连接件、结构件等，此

16、类零件一般选用中碳结构钢制造，为了获得所要求的力学性能，可采用淬火和高温回火处理，即调质处理 。第四节第四节 钢的表面热处理和化学热处理钢的表面热处理和化学热处理 表面热处理和化学热处理是对工件表面进行硬化的热处理方法，其主要目的是改变工件表面的成份或组织，提高表面的硬度和耐磨性，而心部仍保持良好的强度、塑性和韧性。一、表面热处理一、表面热处理表面热处理表面淬火和回火物理气相沉积化学气相沉积表面淬火 火焰加热表面淬火 感应加热表面淬火 用氧乙炔（或其他可燃气体）火焰对零件表面进行快速加热，随之快速冷却的工艺称为火焰加热表面淬火 利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面局部加热，然后快速冷

17、却的淬火工艺，称为感应加热表面淬火 二、化学热处理二、化学热处理 将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入工件表层，以改变表层中的化学成分和组织，从而改善工件表面性能的热处理工艺，称为化学热处理 。化学热处理分类 渗碳渗氮碳氮共渗渗硼渗金属化学热处理三个基本过程分解 吸收 扩散 最常用1钢的渗碳 将工件置于渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺称为渗碳 。渗碳用钢 低碳钢或低碳合金钢，常用渗碳用钢有15、20、20Cr、20CrMnTi、20SiMnVB等 渗碳分类 气体渗碳固体渗碳液体渗碳渗碳件的一般工艺路线 锻造正火机械加工渗碳淬火低温回火精加工 渗碳后

18、的工件需进行淬火及低温回火，使零件表面获得高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度及较高的塑性和韧性 2钢的渗氮 在一定温度下，使活性氮原子渗入工件表面以形成高氮硬化层的化学热处理工艺称为渗氮 。提高工件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度 渗氮目的 渗氮用钢 最常用的是38CrMoAl，其次是35CrMo、18CrNiW等 常用渗氮方法 气体渗氮 离子渗氮 渗氮件的一般工艺路线锻造退火机械粗加工调质机械精加工去应力退火粗磨渗氮精磨或研磨3碳氮共渗 在一定温度下，将碳、氮原子同时渗入工件表层奥氏体中的化学热处理称为碳氮共渗。 按使用介质分类 按共渗温度分类 固体碳氮共渗液体碳氮共渗气体碳氮共渗高温

19、碳氮共渗中温碳氮共渗低温碳氮共渗常用方法中温气体碳氮共渗低温气体碳氮共渗表面热处理和化学热处理的应用表面热处理和化学热处理的应用一、表面淬火 火焰加热表面淬火 感应加热表面淬火 大尺寸零件的局部淬火 单件或小批量生产高频感应加热 中频感应加热 工频感应加热 适用于在摩擦条件下工作的零件，如中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件等 适用于承受扭曲、压力载荷的零件，如较大尺寸的轴类零件和大模数齿轮等 适用于承受扭曲、压力载荷的大型零件的表面淬火，如轧辊、火车车轮等 二化学热处理 渗碳 渗氮 碳氮共渗 适用于承受较大摩擦和冲击载荷作用零件的表面强化处理，如各种齿轮、轴、活塞销、套筒等 多用于精度要求较高

20、的耐磨零件的表面强化处理，如高精度机床丝杠，镗床、磨床的主轴等 中温碳氮共渗 低温碳氮共渗 常用来处理汽车和机床上的齿轮、涡轮蜗杆和轴类零件等 常用于处理模具、量具、高速钢刀具等 第五节第五节 典型零件的热处理分析典型零件的热处理分析 热处理分析的任务热处理分析的任务 根据零件的工作特点和技术要求，分析热处理的目的和作用，选择合适的热处理方法，并合理安排热处理的工序位置 一、热处理的技术条件一、热处理的技术条件 需要热处理的零件，对其热处理后应当达到的组织、力学性能、工艺性能和精度等方面的要求，统称为热处理技术条件 2最终热处理的工序位置 最终热处理包括淬火、回火、表面热处理及化学热处理等，有

21、些零件性能要求不高，退火、正火和调质也可作为最终热处理。 最终热处理的工序位置一般均安排在半精加工之后，其后一般为磨削等精加工。 二、热处理的工序位置二、热处理的工序位置 1预备热处理的工序位置 预备热处理 退火、正火 一般安排在毛坯生产（如锻造）之后、切削加工之前 一般安排在粗加工之后、精加工或半精加工之前 调质一、车床主轴的热处理分析一、车床主轴的热处理分析 1热处理技术条件 整体调质后硬度为220250HBW，轴颈、内锥孔硬度为52HRC 2热处理方法的选用和工序位置安排热处理方法的选用和工序位置安排主轴的加工工艺路线为：主轴的加工工艺路线为： 锻造锻造正火正火机械粗加工机械粗加工调质调

22、质机械半精加工机械半精加工轴颈、内锥孔轴颈、内锥孔局部表面淬火及低温回火局部表面淬火及低温回火磨削磨削 正火正火属于预备热处理，其主要目的是改善切削加工性，并为最属于预备热处理，其主要目的是改善切削加工性，并为最终热处理做好组织准备，应安排在粗加工之前终热处理做好组织准备，应安排在粗加工之前。 调质调质属于最终热处理，零件图中属于最终热处理，零件图中“调质调质220250HBW”的热处的热处理技术条件，已经明确了整体调质的方法和要求，其主要目的是为了理技术条件，已经明确了整体调质的方法和要求，其主要目的是为了保证其使用性能。整体调质应安排在粗加工之后，半精加工之前，以保证其使用性能。整体调质应安排在粗加工之后