机械工程材料课件(西安交大)3

1、第三章 钢的热处理 知识要点（1）过冷奥氏体的定义。（2）过冷奥氏体的等温转变曲线，等温转变产物及其性能；等温转变曲线的应用。（3）钢的普通热处理工艺及应用。（4）钢的表面热处理工艺及应用。 (5) 编写典型零件（如轴、齿轮）的工艺路线。第一节 钢在加热时的转变（一般了解）1 复习“钢在室温下的组织”：亚共析钢，共析钢，过共析钢的组织组成物。以共析钢为例，了解钢在加热时（727C以上）组织的转变。（相图上组织和相的转变是可逆的。）2影响奥氏体晶粒大小的因素。Fe-Fe3C相图相图一 钢在加热时组织的转变（以共析钢为例）1 共析钢加热到727C（A1)以上，珠光体转变成奥氏体。（四个阶段）转变步

2、骤转变步骤奥氏体奥氏体形核形核奥氏体奥氏体核长大核长大残余渗碳残余渗碳体溶解体溶解奥氏体成奥氏体成分均匀化分均匀化(a)(b)(c)(d)二二 奥氏体晶粒大小奥氏体晶粒大小（1 1） 影响因素：加热温度和保温时间。影响因素：加热温度和保温时间。（2）钢加热时的缺陷：过热；氧化；脱碳）钢加热时的缺陷：过热；氧化；脱碳第二节第二节 过冷奥氏体转变图（重点内容）过冷奥氏体转变图（重点内容） 知识要点知识要点 过冷奥氏体等温转变产物及其性能；过冷奥氏体等温转变产物及其性能； 影响影响c曲线的因素曲线的因素 应用等温转变图判断钢冷却至室温的组织应用等温转变图判断钢冷却至室温的组织过冷奥氏体过冷奥氏体定义

3、：把在定义：把在727 C以下尚未发生转变的不稳定奥氏体以下尚未发生转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体。称为过冷奥氏体。过冷奥氏体转变是在临界点以下某个恒温下某个恒温下发生，就称为过冷奥氏体的等温转变等温转变。转变在连续冷却连续冷却的过程中发生，称为过冷奥氏体的连续冷却转变连续冷却转变。 过冷奥氏体等温转变图（共析钢）过冷奥氏体等温转变图（共析钢）1 等温转变图的建立等温转变图的建立试验测定试验测定2 等温转变图等温转变图又称又称TTT图图或者或者C曲线曲线转变开始线转变开始线转变终止线转变终止线三、过冷奥氏体等温转变类型及其产物三、过冷奥氏体等温转变类型及其产物 1 1、珠光体转变（共析转变、

4、珠光体转变（共析转变A P A P ） 发生温度：发生温度： 7277270 0C-560C-5600 0C C 产物：珠光体产物：珠光体7277270 0C-650C-6500 0C C：珠光体片层较粗，：珠光体片层较粗，P P（珠光体）（珠光体）6506500 0C-600C-6000 0C C：珠光体层片较细，：珠光体层片较细，S S （索氏体）（索氏体）6006000 0C-560C-5600 0C C： 珠光体层片极细，珠光体层片极细，T (T (托氏体托氏体) )层片变细，强度硬度增加，塑性韧性有所增加。层片变细，强度硬度增加，塑性韧性有所增加。 珠光体的铁素体和渗碳体层片粗细与转

5、变温度有关。温度珠光体的铁素体和渗碳体层片粗细与转变温度有关。温度越低，珠光体的层片越细。越低，珠光体的层片越细。珠光体形成珠光体形成2、贝氏体转变 560-3500C: 贝氏体呈羽毛状，称为上贝氏体，记为贝氏体呈羽毛状，称为上贝氏体，记为B上上 . 350- Ms 350- Ms（2302300 0C C）：贝氏体呈针叶状，称之为下贝氏体，记为）：贝氏体呈针叶状，称之为下贝氏体，记为B B下。下。（1）转变温度：）转变温度： 560Ms（2300C）（2）产物：贝氏体）产物：贝氏体（3）贝氏体：由过饱和铁素体和渗碳体组成的混合物。）贝氏体：由过饱和铁素体和渗碳体组成的混合物。（4）贝氏体的形

6、状和性能：（与等温温度有关）贝氏体的形状和性能：（与等温温度有关）上贝氏体形成过程与形貌下贝氏体形成过程与形貌特征下贝氏体形成过程与形貌特征（5) 5) 性能：上贝氏体的性能：上贝氏体的硬度高，塑性、韧性差，硬度高，塑性、韧性差，不不用。用。 下贝氏体高强度、硬度、塑性韧性较好，。下贝氏体高强度、硬度、塑性韧性较好，。 工业中应用于中碳钢和中碳合金钢制造的零件中。工业中应用于中碳钢和中碳合金钢制造的零件中。3 马氏体转变马氏体转变（1）转变温度：）转变温度： Ms（230C）Mf（2）产物：马氏体）产物：马氏体（3）马氏体：）马氏体：碳在碳在a-a-FeFe中形成的过饱和铁素体，具有体心正中形

7、成的过饱和铁素体，具有体心正方结构。方结构。 马氏体形成示意图马氏体形成示意图（4）形貌：）形貌： 低碳马氏体：呈板条状低碳马氏体：呈板条状 高碳马氏体：呈透镜状，片状，中间有脊线。高碳马氏体：呈透镜状，片状，中间有脊线。 马氏体形貌马氏体形貌（5）性能特点：硬而脆，且随性能特点：硬而脆，且随WcWc的增加而增加。的增加而增加。 必须经过回火才能使用必须经过回火才能使用。 回火后：高碳马氏体具有高强度高硬度、高耐磨性。回火后：高碳马氏体具有高强度高硬度、高耐磨性。 低碳马氏体具有好的综合性能。低碳马氏体具有好的综合性能。（6）应用）应用高碳马氏体用于高碳马氏体用于高硬度高耐磨性高硬度高耐磨性的

8、零件，如车刀、铣刀等。的零件，如车刀、铣刀等。低碳马氏体用于综合性能好的零件，如发动机连杆螺栓、缸低碳马氏体用于综合性能好的零件，如发动机连杆螺栓、缸盖螺栓，石油钻井的吊环、吊钳等。盖螺栓，石油钻井的吊环、吊钳等。 四四 影响影响C C曲线的主要因素曲线的主要因素 1 含碳量含碳量含碳量含碳量合金元素合金元素等温转变图等温转变图合金元素合金元素除除CoCo（钴）（钴）元素外，其它合金元素溶入奥氏体后使元素外，其它合金元素溶入奥氏体后使C C曲线右曲线右移。移。 C曲线的形状曲线的形状C曲线距纵坐标的距离曲线距纵坐标的距离Ms 、 Mf的温度的温度影响影响五五 过冷奥氏体连续冷却转变过冷奥氏体连

9、续冷却转变连续冷却转变图：又称连续冷却转变图：又称CCT曲线曲线在连续冷却转变过程中，在连续冷却转变过程中，亚共析钢有贝氏体转变，亚共析钢有贝氏体转变，共析钢和过共析钢无贝氏共析钢和过共析钢无贝氏体转变体转变。CCT曲线测定比曲线测定比TTT曲线曲线困难。困难。CCT曲线曲线C曲线曲线CCT曲线曲线六 c曲线的应用(用c曲线估计碳钢连续冷却至室温得到的组织)APC曲线曲线冷却速度线冷却速度线A PA BAM第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理知识要点知识要点“四把火四把火”（退火、正火、淬火、回火）的工艺过（退火、正火、淬火、回火）的工艺过程；程；“四把火四把火”对零件加工和使用的影响和

10、作用。对零件加工和使用的影响和作用。一一 普通热处理的作用普通热处理的作用 改善材料的切削加工性能；改善材料的切削加工性能； 提高材料的力学性能，保证零件安全运行提高材料的力学性能，保证零件安全运行。退火和正火退火和正火退火退火 ：采用炉冷，冷却速度很低：采用炉冷，冷却速度很低 球状珠光体球状珠光体完全退火完全退火球化退火球化退火去应力退火去应力退火再结晶退火再结晶退火亚共析成分的碳钢和合金钢亚共析成分的碳钢和合金钢共析或过共析碳钢和合金钢共析或过共析碳钢和合金钢分类分类2 正火（采用空冷，冷却速度较快）正火（采用空冷，冷却速度较快）目目 的的低碳钢：调整硬度（适当增加硬度），利于切削；低碳钢

11、：调整硬度（适当增加硬度），利于切削；过共析钢：消除网状二次渗碳体，利于珠光体球化。过共析钢：消除网状二次渗碳体，利于珠光体球化。中碳钢：普通零件的最终热处理；中碳钢：普通零件的最终热处理； 退火和正火的选择（从以下三个方面考虑）退火和正火的选择（从以下三个方面考虑）提高切削加工性能提高切削加工性能性能性能成本成本三三 淬火和回火（最终热处理）淬火和回火（最终热处理）淬火（采用水冷、油冷，冷却速度很大）淬火（采用水冷、油冷，冷却速度很大） 目的：获得马氏体目的：获得马氏体 工艺：加热保温水冷（油冷）工艺：加热保温水冷（油冷）常用的淬火介质常用的淬火介质 : 水、水、 盐水、盐水、 油油 钢的淬

12、透性（钢的一种性能）钢的淬透性（钢的一种性能）（1）定义：钢在淬火时获得马氏体的能力。）定义：钢在淬火时获得马氏体的能力。（2）淬透性的测定：）淬透性的测定：临界直径法临界直径法，顶端淬火法顶端淬火法（3）影响淬透性的因素：合金元素，碳含量）影响淬透性的因素：合金元素，碳含量（4）选材与淬透性）选材与淬透性理想淬火介质理想淬火介质 一般规律一般规律1 1）表面和心部力学性能一致的零件，即要求表面和心部组织）表面和心部力学性能一致的零件，即要求表面和心部组织一致；如一致；如螺栓、连杆、锻模、锤杆（承受拉压载荷）螺栓、连杆、锻模、锤杆（承受拉压载荷） 选用淬透性选用淬透性高高的钢；的钢； 2 2）

13、表面心部力学性能不一致（表面强度硬度要求高一些，心表面心部力学性能不一致（表面强度硬度要求高一些，心部塑性韧性要求高），组织可以不一致。如轴类零件，冷镦模部塑性韧性要求高），组织可以不一致。如轴类零件，冷镦模具、齿轮。具、齿轮。 选用淬透性选用淬透性低低的钢的钢。3 3）焊接件：）焊接件：选用淬透性选用淬透性低低的钢的钢。 3 回火（与淬火配合回火（与淬火配合）（1） 定义：将淬火钢重新加热至定义：将淬火钢重新加热至A1（727 C)温度以下的某温度以下的某个温度，保温一定时间后冷却至室温的工艺操作。个温度，保温一定时间后冷却至室温的工艺操作。（2）目的：）目的：降低马氏体的脆性，增加塑性韧性

14、。降低马氏体的脆性，增加塑性韧性。 稳定组织。稳定组织。 降低内应力。降低内应力。 调整钢的硬度。调整钢的硬度。 （3）回火的类型）回火的类型低温回火低温回火温度：温度：1502001502000 0C C ；得到的组织：得到的组织：M回回（过饱和铁素体（过饱和铁素体 + + e e碳化物）碳化物） 性能：性能：高硬度、高耐磨性，内应力、脆性降低。高硬度、高耐磨性，内应力、脆性降低。 应用：高碳钢、高碳合金钢制造的应用：高碳钢、高碳合金钢制造的工具和模具、滚动轴承；工具和模具、滚动轴承；渗碳和表面淬火零件渗碳和表面淬火零件.(.(Wc 0.6%)Wc 0.6%) 中温回火中温回火温度：温度：3

15、505003505000 0C C ；得到的组织：得到的组织：T回回（针叶状铁素体（针叶状铁素体 + + 极极细小颗粒渗细小颗粒渗碳体组成）碳体组成）性能：性能：高强度、硬度，高的高强度、硬度，高的弹性极限及屈服强度弹性极限及屈服强度； 具有一定的塑性、韧性；具有一定的塑性、韧性；应用：应用：Wc = 0.50.7%Wc = 0.50.7%碳钢碳钢、合金钢制造的合金钢制造的各种弹簧各种弹簧。 高温回火高温回火温度：温度：500-650500-6500 0C C，组织：组织：S S回回（由等轴状的铁素体和球状渗碳体组成）（由等轴状的铁素体和球状渗碳体组成）性能：性能： 具有具有适当的强度、硬度和

16、足够的塑性、韧性适当的强度、硬度和足够的塑性、韧性（即良（即良好综合性能）。好综合性能）。应用：用于应用：用于WcWc为为0.30.5%0.30.5%的中碳钢和合金钢制造的的中碳钢和合金钢制造的轴、连轴、连杆、螺栓杆、螺栓等。等。 生产上将淬火和高温回火称为生产上将淬火和高温回火称为“调质处理调质处理”。 一般规律：随回火温度一般规律：随回火温度，强度、硬度，强度、硬度，塑性韧性，塑性韧性。回火温度与力学性能回火温度与力学性能第四节 钢的表面热处理 知识要点 表面热处理的目的、分类 常用的表面热处理工艺 了解表面热处理的典型零件一、基本概念 目的：使零件具有“表硬心韧” 的性能特点。 二、分类

17、二、分类表面淬火表面淬火表面化学热处理表面化学热处理表面淬火：表面淬火：表面与心部的成分一致表面与心部的成分一致，组织不一样。组织不一样。 1 1 工艺：工艺： 将工件表面将工件表面快速快速加热到加热到奥氏体区奥氏体区，在热，在热量尚未达到心部时量尚未达到心部时立即迅速冷却立即迅速冷却，使，使表面得到一表面得到一定深度的淬硬层定深度的淬硬层，而，而心部仍保持原始组织心部仍保持原始组织的一种的一种局部淬火方法。局部淬火方法。 2 分类分类 火焰加热火焰加热表面淬火表面淬火感应加热感应加热表面淬火表面淬火激光加热激光加热表面淬火表面淬火 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 材料及典型零件材料及典型零

18、件中碳钢（中碳钢（Wc 0.40.5%Wc 0.40.5%）, , 如如4040、4545钢机床齿轮、轴等零件。钢机床齿轮、轴等零件。常用的表面淬火方法常用的表面淬火方法淬硬层深度：淬硬层深度：26mm26mm优点：方法简便；无需特殊设备；适用于单件、小批量生产零优点：方法简便；无需特殊设备；适用于单件、小批量生产零件；件；缺点：需要操作熟练，否则造成质量不稳定缺点：需要操作熟练，否则造成质量不稳定 应用：应用： 轧钢机齿轮、轧辊；轧钢机齿轮、轧辊； 矿山机械齿轮、轴；矿山机械齿轮、轴； 机床导轨、齿轮；机床导轨、齿轮； 感应加热表面淬火感应加热表面淬火 淬硬层与频率有关：淬硬层与频率有关：

19、0.22mm0.22mm，高频感应加热（，高频感应加热（1001000KHZ1001000KHZ） 2-8mm2-8mm，中频感应加热（，中频感应加热（0.510KHZ0.510KHZ）；）； 1015mm1015mm，工频感应加热（，工频感应加热（50HZ50HZ） 特点特点：淬火质量好，表层组织细、硬度高、脆性小、生产效：淬火质量好，表层组织细、硬度高、脆性小、生产效率高、便于自动化，缺点是设备昂贵率高、便于自动化，缺点是设备昂贵，劳动条件差劳动条件差。 激光加热表面淬火激光加热表面淬火工艺工艺： 将高功率密度的激光束照射到工件表面，使表面快速加将高功率密度的激光束照射到工件表面，使表面快

20、速加热到奥氏体区，依靠工件本身热传导迅速自冷而获得一定淬硬层热到奥氏体区，依靠工件本身热传导迅速自冷而获得一定淬硬层的工艺操作。的工艺操作。 硬化层硬化层：12mm12mm 应用应用：汽车、拖拉机汽缸套、汽缸、活塞环、凸轮轴等零件；：汽车、拖拉机汽缸套、汽缸、活塞环、凸轮轴等零件；特点特点：淬火质量好，组织超细化，硬度高、脆性极小、工件变形：淬火质量好，组织超细化，硬度高、脆性极小、工件变形小、不需要回火、节约能源、无污染、效率高、便于自动化，但小、不需要回火、节约能源、无污染、效率高、便于自动化，但是设备昂贵是设备昂贵 。四、表面化学热处理（表层与心部的成分、组织都不同）1 工艺: 将工件置

21、于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却使介质中的某些元素渗入工件表层以改变工件表层的化学成分和组织，从而达到“表硬心韧”的性能特点。 2 可渗的元素：可渗的元素： 渗碳、氮、碳氮共渗（渗碳、氮、碳氮共渗（C C、N N、CNCN） 渗硼渗硼 、铬、铬 (B(B、Cr Cr ） 渗铝、硅渗铝、硅 (Al (Al 、Si)Si) 渗硫渗硫(S)(S) 3 3 渗碳（重点内容）渗碳（重点内容） （1 1）常用的材料：低碳钢或者低碳合金钢，如，）常用的材料：低碳钢或者低碳合金钢，如，2020，2525， （20CrMnTi20CrMnTi） （用于（用于汽车齿轮汽车齿轮）（2）介质：最常用的气体（）介

22、质：最常用的气体（煤油、苯、甲醇等高温分解煤油、苯、甲醇等高温分解的混合气体（的混合气体（CO,CHCO,CH4 4 C C2 2H H4 4等）等） 具有活性碳原子具有活性碳原子 （3）过程：过程：吸附：活性碳原子吸附至工件表面吸附：活性碳原子吸附至工件表面扩散：碳原子向工件里层扩散。扩散：碳原子向工件里层扩散。（4）温度：在奥氏体区，）温度：在奥氏体区，9009500C 时间：根据渗层深度而定，约时间：根据渗层深度而定，约10小时左右，小时左右， （5）热处理：渗碳）热处理：渗碳 + 淬火淬火 + 低温回火低温回火 组织表层：高碳回火马氏体组织表层：高碳回火马氏体 + 碳化物碳化物 + A

23、 组织心部：组织心部：F + P 或者或者M回（低碳）回（低碳）+ F +A 典型零件工艺路线的制定典型零件工艺路线的制定1 轴类零件（机床主轴）轴类零件（机床主轴）（1）分析工作条件：）分析工作条件：承受中等交变扭矩载荷、交变弯曲载荷承受中等交变扭矩载荷、交变弯曲载荷或者是拉压载荷；局部（轴颈、花键）承受摩擦和磨损。或者是拉压载荷；局部（轴颈、花键）承受摩擦和磨损。（2）失效形式：疲劳断裂，轴颈处磨损（主要方式）；失效形式：疲劳断裂，轴颈处磨损（主要方式）；冲击冲击过载断裂等过载断裂等（偶尔发生）（偶尔发生）（3 3）性能要求：高的疲劳强度；良好的综合性能；）性能要求：高的疲劳强度；良好的综合性能； 局部高硬度；局部