钢的热处理讲解学习

1、主要内容：主要内容：热处理的基本概念热处理的基本概念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钢的退火与正火钢的退火与正火钢的淬火与回火钢的淬火与回火(hu hu)(hu hu)钢的表面热处理钢的表面热处理热处理原理(yunl)热处理工艺(gngy)第一页，共51页。钢铁材料是工程材料中最重要的材料之一，在机械制造业中的比例达到90%左右，在汽车制造业中的比例达到70%，在其他制造业中也是最重要的材料之一。改善钢铁材料性能的途径： 合金化（Alloying）通过在钢中加入合金元素，调整钢的化学成分，从而获得优良(yuling)的性能。 热处理（Heat Treatment

2、）将金属在固态下经加热、保温和冷却，以改变金属的内部组织和结构，从而获得优良(yuling)的性能。第二页，共51页。第一节热处理的基本概念一、热处理的定义热处理是指金属在固态下经加热、保温(bown)和冷却，以改变金属的内部组织和结构，从而获得所需性能的一种工艺过程。 加热保温(bown)冷 却临界温度(ln ji wn d) 钢的热处理热处理的基本概念时间热处理工艺曲线示意图温度第三页，共51页。二、热处理的基本要素和作用 热处理的三大要素加热（ Heating） 目的是获得均匀细小的奥氏体组织。保温（Holding） 目的是保证工件烧透，并防止(fngzh)脱碳和氧化等。冷却（Cooli

3、ng） 目的是使奥氏体转变为不同的组织。 热处理后的组织加热、保温后的奥氏体在随后的冷却过程中，根据冷却速度的不同将转变成不同的组织。不同的组织具有不同的性能。 钢的热处理热处理的基本概念第四页，共51页。l 热处理的特点l热处理不改变工件的形状，仅改变钢的内部组织和结构，从而(cng r)改变钢的性能。l 热处理的作用l改善钢（工件）的力学性能或工艺性能，充分发挥钢的性能潜力， 提高工件质量，延长工件寿命。l重要结论：l材料是否能够通过热处理而改善其性能，关键条件是材料在加热和冷却过程中是否发生组织和结构的变化。 钢的热处理热处理的基本概念第五页，共51页。普通(ptng)热处理(整体热处理

4、)退火(tu hu)表面淬火热处理工艺(gngy)化学热处理表面热处理其他热处理控制气氛热处理真空热处理形变热处理三、热处理的类型1.按加热、冷却方式及钢的组织、性能不同分类正火淬火回火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渗碳渗氮（氮化）碳氮共渗 钢的热处理-热处理的基本概念第六页，共51页。2.按热处理在工件生产(shngchn)过程中的位置和作用不同分类预备热处理：为随后的加工(ji gng)或热处理作准备热处理工艺(gngy)最终热处理：赋予工件所需的力学性能毛坯（锻件）预备热处理（退火、正火）机加工（车削）最终热处理（淬火、回火）精加工（磨削） 钢的热处理热处理的基本概念

5、 零件的典型加工工艺路线：第七页，共51页。A1A3AcmAc1Ar1Ac3Ar3ArcmAccm四、钢的临界转变(zhunbin)温度（Critical Temperature of Steels）wC（%）温度SPGEQFeFe3C相图的共析转变部分钢的临界转变温度是钢在热处理时制定加热、保温、冷却工艺的重要依据，由铁碳合金相图确定。重要结论：钢的实际临界转变温度总是滞后于理论(lln)临界转变温度,即加热时需要过热，冷却时需要过冷。钢的热处理热处理的基本概念第八页，共51页。第二节钢在加热时的转变(zhunbin)两种加热方式：钢的热处理钢在加热(ji r)时的转变 加热保温(bown)

6、冷 却Ac1时 间加热钢的两种方式温 度细小的奥氏体组织。该过程又称为钢的奥氏体化（Austenitizing）。第种加热方式发生在临界温度Ac1以上，一定有组织转变，是一种相变过程。第种加热方式发生在临界温度Ac1以下，不一定有组织转变。加热的目的：本节介绍第种加热过程，目的是使钢从室温组织（如珠光体）转变为奥氏体，即获得均匀相变（Phase Transformation）：材料中的一种相在一定条件下转变为另一种相的过程。 加热保温冷 却第九页，共51页。第四节钢的退火与正火一、退火（Annealing）1.退火的定义退火是将钢加热至临界点Ac1以上或以下温度，保温后缓慢冷却下来以获得近于平

7、衡状态组织的热处理工艺。2.退火的目的调整硬度以便切削加工适于机加工的硬度：HB170230。消除残余内应力防止工件淬火时变形或开裂(ki li)。细化晶粒，改善组织为最终热处理（淬火和回火）作组织准备获得粒（球）状珠光体。钢的热处理钢的退火(tu hu)与正火通常(tngchng)是随炉冷却第十页，共51页。3.退火的种类 第一类退火：目的和作用：不以组织转变为目的，使钢的不平衡状态过渡到平衡状态。种类：扩散退火、再结晶退火、去应力退火。 第二类退火：目的和作用：以改变组织和性能为目的，获得以珠光体为主的组织，并使钢中的珠光体、铁素体和碳化物等组织形态(xngti)及分布达到要求。种类：完全

8、退火、不完全退火、等温退火、球化退火。钢的热处理钢的退火(tu hu)与正火第十一页，共51页。钢的热处理钢的退火(tu hu)与正火l 完全退火（Complete Annealing）l工艺(gngy)规范：l加热温度：Ac3 + 30C50C。l适用范围：亚共析成分的钢。保温(bown)时间温度 加热Ac3600C空随却炉冷30C50C冷第十二页，共51页。钢的热处理钢的退火(tu hu)与正火l 等温退火（Isothermal Annealing）l工艺规范：l加热(ji r)温度：对亚共析成分的钢，Ac3 + 30C50C；l对过共析成分的钢，Ac1 + 30C50C。l适用范围：l亚

9、共析钢、（尤其是）合金钢。保温(bown)时间温度 加热Ac3或Ac1AP转变温度区等温30C50C空冷特点：大大缩短工件在炉内的时间。临界温度第十三页，共51页。l 球化退火（Spheriodizing Annealing）l工艺规范：l加热温度：Ac1附近。l目的：l使钢中的渗碳体或碳化物球状化，以获得粒（球）状珠光体。l适用范围：l共析成分(chng fn)和过共析成分(chng fn)的钢。l 扩散退火（Diffusing Annealing）l又称为均匀化退火（Homogenizing Annealing）。l工艺规范：l加热温度：略低于相图上的固相线。l目的：l消除偏析。钢的热处理

10、钢的退火(tu hu)与正火第十四页，共51页。二、正火（Normalizing）1.正火的定义正火是将钢加热至Ac3或Accm+ 30C50C，保温后空冷以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。 与退火相比，正火冷却速度快，得到较细的P，强度和硬度(yngd)也较高。2.正火的目的正火的目的与退火基本相同。3.正火的应用消除网状二次渗碳体。作为要求不高的零件的最终热处理。作为低、中碳结构钢的预备热处理，改善切削加工性能。钢的热处理钢的退火(tu hu)与正火第十五页，共51页。三、退火和正火的选用wC%0.25%的低碳钢宜采用(ciyng)正火代替退火作为预备热处理。0.25%wC%0.50%的

11、中碳钢，可采用(ciyng)退火或正火作为预备热处理。0.50%wC%0.75%的中、高碳钢，采用(ciyng)完全退火。wC%0.75%的高碳钢，首先用正火消除网状Fe3C，再进行球化退火。 退火和正火通常属于预备热处理。钢的热处理钢的退火(tu hu)与正火第十六页，共51页。钢的热处理钢的退火(tu hu)与正火常用退火及正火的加热范围AFAAFe3CPFe3CFPP第十七页，共51页。第五节钢的淬火与回火 淬火和回火通常属于最终热处理。一、淬火（Quenching）1.淬火的定义淬火是将钢加热至Ac3或Ac1以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度vk冷却下来，以获得马氏体的热处理工艺。

12、2.淬火的目的获得马氏体（有时也可以(ky)是下贝氏体），提高钢的硬度和耐磨性。淬火是钢的最重要的热处理工艺。钢的热处理钢的淬火(cu hu)与回火第十八页，共51页。3.淬火工艺参数(cnsh) 淬火温度淬火温度，或称淬火加热温度，即是钢的奥氏体化温度。确定淬火温度的原则：获得均匀细小的奥氏体。确定淬火温度的依据：Fe-Fe3C相图。钢的热处理钢的淬火(cu hu)与回火wC / %碳钢的淬火温度范围温度 / CAc1FAAFe3CPFe3CFPPAc3AccmA第十九页，共51页。 各类钢淬火温度(wnd)的确定：亚共析钢： Ac3 + 30C50C共析钢和过共析钢： Ac1 + 30C5

13、0C合金钢： 临界温度(wnd)以上50C100C钢的热处理钢的淬火(cu hu)与回火wC / %碳钢的淬火温度范围温度 / CAc1FAAFe3CPFe3CFPPAc3AccmA第二十页，共51页。l 加热时间l加热时间由升温时间和保温时间组成。l确定加热时间的原则：l保证工件内外温度(wnd)一致，奥氏体化过程充分，奥氏体均匀细小。l确定加热时间的依据：l通常根据经验公式估算或通过实验确定。l 淬火介质l 两个方面的问题：l 冷却速度大，容易获得马氏体。l 冷却速度大，内应力大，工件变形和开裂的倾向大。钢的热处理钢的淬火(cu hu)与回火第二十一页，共51页。理想淬火介质的冷却曲线时间

14、 / sMsA1温度 / C理想淬火介质的冷却(lngqu)特性： 当冷却(lngqu)至“鼻尖”温度前冷却(lngqu)较慢，以充分降低热应力。 在“鼻尖”温度附近具有较大的冷却(lngqu)能力，避免产生非马氏体组织。 在 Ms 点附近冷却(lngqu)尽量缓慢，以减少马氏体转变时产生的组织应力。 钢的热处理钢的淬火(cu hu)与回火第二十二页，共51页。常用淬火(cu hu)介质：水特点：经济，冷却能力较强，但在Ms点附近冷速过快。适用范围：碳钢。盐水：盐或碱的水溶液，高温冷却能力比水强，适用于碳钢。油特点：低温区（Ms点附近）冷速缓慢，可有效降低变形和开裂倾向，但高温区冷却能力较低。

15、适用范围：合金钢。种类：锭子油、机油、柴油。钢的热处理钢的淬火(cu hu)与回火第二十三页，共51页。（1）单液淬火（Simple Quenching）操作简单，易实现机械化。用于尺寸不大、形状简单的工件。淬火后组织：M（2）双液淬火（Double Quenching）操作复杂，不易(b y)掌握。用于形状复杂的高碳钢及尺寸较大的合金钢工件。淬火后组织：M（3）分级淬火（Broken Quenching）工艺较复杂。用于尺寸较大、形状复杂的合金钢工件。淬火后组织：M（4）等温淬火（Isothermal Quenching）用于形状复杂和要求较高的小工件。淬火后组织：B下4.淬火(cu hu)

16、方法钢的热处理钢的淬火(cu hu)与回火各种淬火方法示意图时间 / sMsA1温度 / C第二十四页，共51页。5.钢的淬透性 淬透性（Hardenability）的概念(ginin) 钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得淬透层深度的能力。简单地讲，淬透性就是钢淬火时获得马氏体的能力。钢的热处理钢的淬火(cu hu)与回火100750255002510075503040706050距表面距离 /mm2468马氏体量 /100非马氏体量 /100硬度 / HRC马氏体或非马氏体量硬度淬火工件截面上马氏体量与硬度的关系（wC=0.8%）淬透性的量度：淬透性的大小用规定条件下钢淬火后获得(hu

17、d)的淬硬层的深度表示。淬硬层深度：由工件表面到半马氏体区域的深度。第二十五页，共51页。l 影响淬透性的因素(yn s)l淬透性的高低取决于钢的过冷奥氏体的稳定性。l过冷奥氏体的稳定性越高，淬透性越好，反之，淬透性越差。l 什么因素(yn s)影响过冷奥氏体的稳定性？l C曲线的位置。l C曲线右移，淬火临界冷却速度减小，淬透性提高。l重要结论：l 凡是使钢的C曲线向右移的因素(yn s)，均提高钢的淬透性。l最主要因素(yn s)：化学成分l 除Co外，所有溶入奥氏体中的合金元素均提高淬透性。l 含碳量愈接近共析成分的碳钢，其C曲线愈靠右，淬透性越高。钢的热处理钢的淬火(cu hu)与回火

18、第二十六页，共51页。 淬透性与淬硬性（Hardening Capacity）的区别： 淬透性表示钢淬火后获得(hud)淬透层深度的能力，取决于钢本身。 淬硬性表示钢淬火后所能达到的最高硬度，取决于钢的含碳量。钢的热处理钢的淬火(cu hu)与回火钢种牌 号含碳量/%淬透性淬硬性碳素结构钢 200.2小低碳素工具钢 T121.2小高合金结构钢 20Cr2Ni40.2大低合金工具钢W18Cr4V0.8大高几种(j zhn)典型钢种淬透性与淬硬性的比较第二十七页，共51页。l 淬透性的测定及其表示(biosh)方法l （1）末端淬火试验（End-quench Hardenability test）

19、法l 通过端淬试验测定淬透性，淬透性的数值为 。l （2）临界淬透直径（Critical Quench Diameter）法l 用钢在某种淬火介质中能够完全淬透的最大直径D0表示(biosh)。d dHRCHRCJ J钢的热处理钢的淬火(cu hu)与回火末端淬火试验法测定钢的淬透性标准试样，末端喷水测试硬度淬透性曲线第二十八页，共51页。二、回火（Tempering）回火是紧接淬火之后的一种最终热处理工艺。淬火钢为什么要回火？ 钢淬火后的组织是什么？ 马氏体残余奥氏体，均为亚稳定的组织，在一定条件下要转变。 马氏体的性能怎样？ 马氏体硬度高、脆性大（尤其是高碳针状马氏体），性能不能满 足工件

20、(gngjin)的使用要求。 马氏体转变有什么特点？ 马氏体转变速度极快，工件(gngjin)淬火后内部有残余内应力，会导致工 件的变形或开裂。 结论： 淬火后的工件(gngjin)不能直接使用！钢的热处理钢的淬火(cu hu)与回火第二十九页，共51页。1.回火的定义回火是将淬火钢加热到Ac1以下某一温度，保温后再冷却到室温(sh wn)的一种热处理工艺。2.回火的目的降低或消除残余内应力防止工件变形或开裂。减少或消除残余奥氏体稳定组织，稳定工件的尺寸。消除淬火钢的脆性调整工件的组织和性能，满足工件的使用要求。特别提示： 钢淬火后应及时回火。 钢的热处理钢的淬火(cu hu)与回火第三十页，

21、共51页。3.淬火钢在回火时的转变(zhunbin) 回火时的组织转变(zhunbin)钢的热处理钢的淬火(cu hu)与回火第一阶段：马氏体的分解温度(wnd)范围：100C200C，组织：回火马氏体。第二阶段：残余奥氏体的分解温度范围：200C300C ，组织：回火马氏体。第三阶段：碳化物类型的转变温度范围：250C400C ，组织：回火托氏体。第四阶段：渗碳体的聚集长大和 相的再结晶温度范围：400C，组织：回火索氏体。回火的四个阶段第三十一页，共51页。6.5钢的淬火(cu hu)与回火4.回火工艺(gngy) 低温回火（Low Tempering）目的：降低淬火应力，改善工件韧性，获

22、得高硬度和高耐磨性。温度：150C250C 。组织：M回。性能：硬度：HRC5864。高的硬度和高的耐磨性。应用：工具、模具、轴承、渗碳工件、表面淬火工件等。钢的热处理钢的淬火(cu hu)与回火第三十二页，共51页。6.5钢的淬火(cu hu)与回火 中温回火（Medium Tempering）目的：提高工件韧性，获得高的弹性极限和屈服强度。温度：350C500C 。组织(zzh)：T回。性能：硬度：HRC3545。高的弹性，高的屈服强度和屈强比，足够的韧性。应用：各种弹簧。钢的热处理钢的淬火(cu hu)与回火第三十三页，共51页。6.5钢的淬火(cu hu)与回火 高温回火（High T

23、empering）目的：获得高的韧性，足够的强度和硬度。温度：500C600C 。组织：S回。性能(xngnng)：硬度：HRC2535。良好的综合力学性能(xngnng)。应用：轴、齿轮、连杆等。调质处理（Thermal Refining） ：淬火加高温回火称为调质处理，简称调质。钢经调质处理后，具有良好的综合性能(xngnng)，应用广泛。钢的热处理钢的淬火(cu hu)与回火第三十四页，共51页。5.回火脆性（Temper Brittleness）淬火钢在某些温度回火时，其冲击韧性显著下降的现象称为回火脆性。 第一类回火脆性出现的温度范围：250C350C。特点：淬火钢一旦在这一温度范围

24、回火，就极可能产生这类回火脆性，且无法消除(xioch)。解决办法：避免将淬火钢在该温度范围内回火。第一类回火脆性又称为低温回火脆性、不可逆回火脆性。钢的冲击韧性与回火温度的关系钢的热处理钢的淬火(cu hu)与回火第三十五页，共51页。l 第二类回火脆性l出现的温度范围：500650C。l特点：淬火钢在这一温度范围内回火后，如果缓冷则会出现回火脆性，如果快冷则不产生回火脆性。l解决办法：产生第二类回火脆性的钢可重新回火后进行快速(kui s)冷却。l第二类回火脆性又称为高温回火脆性、可逆回火脆性。钢的热处理钢的淬火(cu hu)与回火钢的冲击韧性与回火温度的关系第三十六页，共51页。第六节钢

25、的表面(biomin)热处理很多零件要求表面(biomin)和心部具有不同的性能。 举例：齿轮。钢的热处理钢的表面(biomin)热处理受力分析： 啮合的齿表面受到很大的接触应力和磨擦力，只有表面具有很高的硬度，才能满足要求。 啮合的齿表面受到交变应力，只有表面具有很高的接触疲劳强度(qingd)，才能满足要求。 啮合的齿受到弯曲应力和时有的冲击载荷，只有齿心部具有高的韧性和足够的强度(qingd)，才能保证不断齿，满足要求。第三十七页，共51页。齿轮的性能要求：表面：要求具有高的硬度、高的耐磨性和高的接触(jich)疲劳强度。心部：要求具有良好的塑性、韧性和足够的强度。 即赋予齿轮“表硬内韧

26、”的性能组合。问题： 选择何种钢，采用何种热处理可以满足“表硬内韧”呢？ 选择高碳钢，采用普通（整体）热处理，行吗？ 选择中碳钢，采用普通（整体）热处理，行吗？ 选择低碳钢，采用普通（整体）热处理，行吗？答案： NO!钢的热处理钢的表面(biomin)热处理第三十八页，共51页。怎么办？ 选择合适的钢，采用(ciyng)表面热处理！钢的热处理钢的表面(biomin)热处理?表面淬火或化学(huxu)热处理第三十九页，共51页。一、钢的表面(biomin)淬火（Surface Quenching of Steels）1.表面(biomin)淬火的定义表面(biomin)淬火是在不改变钢的化学成分

27、及心部组织的情况下，利用快速加热将表面(biomin)层奥氏体化后进行淬火，以强化工件表面(biomin)的热处理工艺。2.表面(biomin)淬火用材料及表面(biomin)淬火后的组织表面(biomin)淬火用材料典型材料：中碳钢和中碳合金钢。预备热处理典型工艺：调质处理。如果心部性能要求不高，可采用正火。 表面(biomin)淬火后的组织预备热处理为调质：表面(biomin)M回，心部S回。预备热处理为正火：表面(biomin)M回，心部FS。钢的热处理钢的表面(biomin)热处理第四十页，共51页。3.感应加热表面淬火 感应加热表面淬火的基本原理集肤效应：当感应线圈中的交变电流在工件

28、表面感生出感应电流时，该感应电流绝大部分分布在工件表面，而工件内部几乎没有电流通过，这种现象称为集肤效应。感应加热表面淬火原理：基于集肤效应，工件表面被迅速(xn s)加热到奥氏体化温度（几秒钟即升至8001000C），而工件内部几乎未被加热，随后喷水冷却，实现表面淬火。钢的热处理钢的表面(biomin)热处理感应加热表面淬火示意图第四十一页，共51页。感应电流(gnyng din li)透入工件表面层的深度：取决于交变电流的频率。 ：感应电流(gnyng din li)的透入深度（mm）； ：工件的电阻率（mm2/m）； ：工件的磁导率（H/m）； f：交变电流的频率（Hz）。f503钢的热

29、处理钢的表面(biomin)热处理第四十二页，共51页。l 感应加热表面淬火的种类l（1）高频感应加热l 电流频率：250300kHz。l 淬硬层深度：0.52.0mm。l 应用：中、小模数齿轮(chln)及中、小尺寸的轴件。l（2）中频感应加热l 电流频率：25008000kHz。l 淬硬层深度：210mm。l 应用：较大尺寸的轴和大、中模数齿轮(chln)。l（3）工频感应加热l 电流频率：50Hz。l 淬硬层深度：1015mm。l 应用：要求淬硬层很深的工件。钢的热处理钢的表面(biomin)热处理第四十三页，共51页。l 感应加热表面淬火的特点l加热温度高，加热时间短，升温快。l可实现

30、“短时快速加热”。l工件表层奥氏体晶粒细小。l淬火后，表层多为隐晶马氏体，硬度l比普通淬火高HRC23。l工件表面质量好。l加热时间短，不易氧化和脱碳，同时l淬火变形小。l工件疲劳强度高。l表面层M相变产生压应力(yngl)。l工作效率高。l适用于大批量生产。 钢的热处理钢的表面(biomin)热处理感应加热表面淬火生产实景第四十四页，共51页。二、钢的化学热处理（Chemical Heat Treatment of Steels）1.化学热处理的定义化学热处理是将钢工件放在一定的活性介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，从而改变(gibin)工件表面化学成分和组织，进而改变(gibin)其性能的热处理工艺。2.化学热处理的基本过程 分解加热时，活性介质分解出活性原子。 吸收活性原子被钢件表面吸附并向钢的固溶体中溶解。 扩散钢件表面吸收并溶解的活性原子向内部迁移。钢的热处理钢的表面(biomin)热处理第四十五页，共51页。3.化学(huxu)热处理的分类钢的热处理钢的表面(biomin)热处理化学(huxu)热处理渗碳渗氮（氮化）碳氮共渗渗硼渗铬渗钒渗铝渗入非金属元素渗入