—热处理的基本方法课件

1、4-3 热处理的基本方法 退火和正火一般作为预先热处理，其作用是：消除前一工序所造成的某些组织缺陷及内应力，为随后的切削加工及热处理作好组织准备。 对于某些不太重要的工件，正火也可作为最终热处理工序。 机器零件和工具一般要经过的加工过程： 选原料锻造 预先热处理 （退火和正火） 机械加工最后热处理退火的定义 退火是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺。一、 退火、正火退火的目的1、降低硬度，提高塑性，以利于切削加工和冷变形加工。2、细化晶粒，均匀组织，为后续热处理做好组织准备。3、消除参与内应力，防止工件变形与开裂。退火的种类完全退火球化退火去应力退火 （

2、1）完全退火细化晶粒、降低硬度、改善切削性能以及消除内应力。 将钢件或钢材加热到Ac3以上3050，使之完全奥氏体化，然后缓慢冷却，获得接近于平衡组织的热处理工艺称为完全退火。定义目的 不宜过高，一般在Ac3以上3050，适用于0.30.6%C的中碳钢。退火温度： 完全退火不能用于过共析钢，因为加热到Accm以上再缓慢冷却时会析出网状渗碳体，使钢的机械性能变坏。 完全退火主要用于亚共析钢的铸件、锻件、热轧件，有时也用于焊件。 注意！（2） 球化退火 使钢中碳化物呈球状化，以降低硬度，改善切削加工性能，并为以后的淬火做好组织准备。 将过共析钢工件加热到Ac1以上（2030），保温后，以极慢的冷速

3、通过A1，使珠光体P中的渗碳体和二次渗碳体成为球状或粒状的热处理工艺称为球化退火。定义目的球化退火中的珠光体变化过共析钢的球化退火T12钢球化退火组织 F+Fe3C 为了便于球化过程的进行，对于网状严重的过共析钢，应在球化退火之前进行一次正火，以消除网状渗碳体。 注意：（1）低于Ac1点温度的球化退火。（2）往复球化退火周期退火，目的是加速球化过程。（3）一次球化退火 目前生产上最常用的球化退火工艺，是不完全退火。退火前的原始组织为细片状珠光体，不允许有渗碳体网存在。球化退火工艺球化退火工艺：（3） 去应力退火 将钢加热到略低于A1的温度（一般取500650）保温一定时间后缓慢冷却的工艺称为去

4、应力退火。定义退火温度 退火温度范围很宽。由于材料成分、加工方法、内应力大小及分布的不同，以及去除程度的不同，去应力退火的加热温度范围很宽。 钢500650；铸件500550；焊件500600。 去应力退火后，应缓慢冷却，以免产生新的应力。 一般在A1以下进行，组织并未发生变化，在缓慢冷却的过程中，工件各部分均匀冷却和收缩，消除了铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件等的残余内应力，避免在使用或随后的加工过程中产生变形或开裂名称目的工艺制度组织应用完全退火细化晶粒，消除铸造偏析，降低硬度，提高塑性加热到AC33050，炉冷至550 左右空冷 FP亚共析钢的铸、锻、轧件，焊接件球化退火降低硬度，改善

5、切削性能，提高塑性韧性，为淬火作组织准备加热到AC12030，然后缓冷片状珠光体和网状渗碳体组织转变为球状共析、过共析钢及合金钢的锻件、轧件等去应力退火消除残余应力，提高尺寸稳定性加热到500650 缓冷至200 空冷 无变化铸、锻、焊、冷压件及机加工件常用退火工艺制度小结正 火（1）作为预备热处理工艺，为下续热处理工艺 提供适宜的组织状态（2）作为最终热处理工艺，提供合适的机械性能2、 钢的正火 将钢加热到AC3或Accm以上3050,保温适当的时间后，在空气中冷却的工艺方法。 由于正火比退火加热温度略高，冷却速度大，故珠光体的分散度大，先共析铁素体的数量少，因而正火后强度、硬度较高。（3）

6、用来消除某些处理缺陷 用正火作为性能要求的一般结构件的最终热处理。 亚共析钢采用正火来调整硬度，改善切削加工性能。 过共析钢的正火可消除网状碳化物。 细化晶粒（双重正火）正火的应用：3、 退火、正火后钢的组织和性能各种退火和正火工艺示意图 退火、正火后钢的组织差别正火退火珠光体亚共析钢：先共析铁素体少，珠光体数量较多，珠光体片间距较小，珠光体团的尺寸较小过共析钢：珠光体片间距较小及团的尺寸较小，可以抑制先共析网状渗碳体的析出亚共析钢：先共析铁素体多，珠光体数量较少，珠光体片间距较大，珠光体团的尺寸较大过共析钢：珠光体片间距较大及团的尺寸较大，有网状渗碳体存在 由于退火（主要指完全退火）与正火在

7、组织上有着差异，因而性能也有所不同。 表4-1 正火与退火的40Cr钢的机械性能 状态机 械 性 能bs%akMN/m2Kg/m2Nm/cm2Kgm/cm2退火正火64373965.675.435744136.44502120.953.576.054.976.55.67.8正火与退火相比较，正火的强度与韧性较高，塑性基本相同。但对于过共析钢，完全退火的钢中因为有网状渗碳体的存在，其硬度、韧性均低于正火的。而球化退火的钢，因其所得组织是球状P，故其综合性能优于正火的。由表可得出结论：退火与正火的选用C 0.25%的低碳钢，正火代替退火；C=0.250.5%的中碳钢，也可正火代替退火；C=0. 5

8、0.75%的中高碳钢，用完全退火；C0.5%的高碳钢或工具钢，用球化退火。如有网状二次渗碳体，则应先正火消除。 生产上退火和正火工艺的选择应根据钢种、冷、热的使用热加工工艺、零件的使用性能及经济综合考虑。表4-2 为获得最佳切削加工性而选择的热处理工艺4、退火、正火缺陷 碳素/低合金工具钢在退火后虽硬度很低，但脆性却很大，断口呈灰黑色，故称“黑脆”。主要原因是退火温度过高，保温时间过长，冷却缓慢，珠光体转变按Fe-C进行即碳石墨化。 （发生黑脆的工具不能返修） 退火和正火若由于加热或冷却不当时会出现一些异常组织，造成缺陷，常见的如下：(1)过烧： 由于加热温度过高，晶界被氧化，甚至晶界局部溶解

9、，使工件报废。(2)黑脆：（3）粗大魏氏组织：主要是由于加热温度过高。魏氏组织不仅晶粒粗大，而且由于铁素体针片形成的脆面，使金属的韧性急剧下降。（4）反常组织：亚/过共析钢在Ar1附近冷却缓慢，结果在亚共析钢中形成非共析渗碳体，再过共析钢中形成游离的铁素体或渗碳体。（5）网状组织：由于加热温度过高，冷却速度过慢引起的。网状铁素体或渗碳体降低钢的机械性能，特别是网状渗碳体。一般重新正火可消除。（6）球化不均匀：由于退火前没有消除网状渗碳体，在球化退火时聚集而成。可通过正火和一次球化退火消除。（7）硬度过高：退火时加热温度过高，冷却速度过快，使硬度高于规定的范围，重新退火即可。二、淬火与回火1、

10、淬火2、 回火 当锉刀、铣刀完成机械粗加工后，为满足其使用性能，必须再提高它们的强度、硬度并保持一定的韧性，以承受工作时受到挤压、摩擦和冲击。为此，粗加工之后、精加工之前，还要对它们进行淬火和回火。1、淬火钢的淬火将钢加热到（Ac1 或Ac3）以上，经保温后快速冷却(冷却速度大于V临)，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火目的：提高硬度和耐磨性：刀具、量具、磨具提高强韧性：轴类、杆件、销、受力件提高弹性：各类弹簧提高耐蚀和耐热性：耐热钢和不锈钢获得M组织 一、淬火方法及工艺 1.淬火方法 淬火分类 按加热温度：完全淬火、不完全淬火、循环加热淬火、二次淬火 按加热速度：普通淬火、

11、快速加热淬火、超快速加热淬火 按加热介质及热源条件：光亮淬火、真空淬火、流态层加热淬火、铅浴加热淬火、盐浴加热淬火、火焰加热淬火、感应加热淬火、高频脉冲淬火、接触电加热淬火、电解液加热淬火、电子束加热淬火、激光加热淬火 按淬火部位：整体淬火、局部淬火、表面淬火 按冷却方式：有单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火、预冷淬火等直接淬火；马氏体等温淬火、贝氏体等温淬火、形变等温淬火、冷处理等2. 淬火工艺 淬火加热温度 亚共析钢：Ac3 +3050; 共析和过共析钢： Ac1 +3050为什么过共析钢淬火加热温度在Ac1 +3050 ，而不是Acm +3050？）2. 淬火工艺 加热时间加热时间=

12、升温时间 + 心表温度一致时间 + 保温时间 加热介质对保温时间影响较大。保温时间：达到热处理工艺规范要求的恒温保温时间。保温时间 ： = K D工 件 有 效 厚 度(尺寸最小部位)装炉量有关系数一般 K = 11.5加热系数,与钢种及加热介质有关冷却方式 冷却方式 最大限度减少工件应力集中和变形， 使工件冷却充分均匀。 冷却介质2. 淬火工艺单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火时间温度MsA1二、 淬火介质理想淬火介质具备：高温慢冷；奥氏体鼻子温度快冷；马氏体转变慢冷。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf理想淬火冷却

13、介质1 .有物态变化的淬火介质 介质冷却特性的测试二、 淬火介质冷却机理 第一阶段：蒸汽膜阶段。冷却速度慢 第二阶段：沸腾阶段。冷却速度快 第三阶段：对流阶段。冷却速度慢常用的冷却介质 水、盐水、碱水、油、合成淬火液等二、 淬火介质2.无物态变化的淬火介质 传热方式： 介质传导和对流将工件的热量带走，使工件获得淬火要求。 常用的淬火介质： 硝酸盐和碱，使用温度在150550之间。3 淬火介质的新发展环保、优效（高温快速、低温慢速）、安全、经济为发展方向。植物油基生态淬火油（使蒸汽膜阶段短、提高高温阶 段冷速） 聚合物水基淬火介质（降低水的冷速、环保）固气流化介质（固体细粒与压缩空气混合）常用的

14、淬火冷却介质 名 称 最大冷却速度时平均冷却速度/(s-1)所在温度/ 冷却速度 /( s-1)650550 300200 20静止水34077513545040静止水28554511041060静止水2202758018510%NaCl 溶液58020001900100010%NaOH 溶液560283027507752010号机油43023060658010号机油4302307055203号锭子油50012010050单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火时间温度MsA1三、 钢的淬透性淬透性是钢的主要热处理性能。是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。三、 钢的淬透性1. 概念 淬透性钢在淬火时

15、能够获得马氏体的能力。 其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。 工件淬硬层与冷却速度的关系示意图（a）零件截面的不同冷却速度; （b）未淬透区的示意图abM量和硬度随深度的变化淬硬层深度 由工件表面到半马氏体区(50%M + 50%P)的深度。如果工件中心在淬火后获得了50以上的M，则认为工件已经被淬透。淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响未淬透淬透HRCHRC2、影响淬透性的因素决定因素:临界冷却速度; 取决于A成分。因此使C曲线右移的元素均使淬透性提高;奥氏体化温度越高,保温时间越长,则晶粒越粗大,成分越均匀,过冷奥氏体越稳定,C曲线越向右移,淬火临界冷却速度越小,钢的淬透性越好注意

16、区别：钢的淬透性 钢材本身的固有属性，与外部因素无关工件的淬透深度 取决于钢材淬透性, 还与冷却介质、 工件尺寸等外部因素有关。同一材料的淬硬层深度与工件的尺寸、冷却介质有关。工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。它只用于不同材料之间的比较。是在尺寸、冷却介质相同时，用不同材料的淬硬层深度来进行比较的。 注意区别： 淬透性和淬硬性淬硬性: 钢在理想条件下淬火后所能 达到的最高硬度。影响因素: 主要取决于马氏体的含碳量。马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C% 淬硬性与淬透性: （两个完全不同的概念）淬透性淬硬性钢 种小低碳素结构钢 ( 20 )小高碳素工具钢( T12

17、A )大低低碳合金结构钢( 20Cr2Ni4A )大高高碳高合金工具钢( W18Cr4V )3.淬透性测量方法 (1)断口法：适用碳素工具钢。 将上述试样加热到760、800、840等温度加热1520分钟，淬入10-30 水中，打断观察淬硬层，即淬硬层（马氏体）和韧软层（珠光体或贝氏体），对照相应标准0-5级。(2)U型曲线法：将一组长度是直径46倍的圆柱形试样经完全奥氏体化后，在一定介质中冷却后，从试样中部切开，磨平后自表面向心部测量试样硬度，其硬度分布如右。h -淬硬区DH -未淬硬区淬透性表示：淬硬层深度h，或DH /D。hhDHD直观，准确，但繁琐用于结构钢(3)临界直径法：D0 ：钢

18、在某种介质中能够完全淬透的最大直径。 按U曲线法取不同直径试样在不同质淬火后，截面中心恰好含50%马氏体。Di：理想临界直径，试样能够淬透的最大直径（含50%马氏体）。 在相应介质中，绘出Di- D0 图。 临界直径D0 理想临界直径DiH值(4)端淬法：此方法是世界上通用方法。 即用 表示，J 表示末端淬透性，4、淬透性的表示方法 用淬透性曲线表示d 至水冷端距离 HRC该处硬度值。 用临界淬透直径表示临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被淬成半马氏体的最大直径，用D0表示。D0与介质有关，如45钢D0水=16mm，D0油=8mm。只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比较，如45

19、钢D0油=8mm，40Cr D0油=20mm。马氏体马氏体索氏体5、淬透性的实际意义 1、对于截面承载均匀的重要件，要全部淬透。如螺栓、连杆、模具等。 选用高淬透性钢2、对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透（淬硬层深度一般为半径的1/21/3），如轴类。低淬透性钢淬硬层深度与工件尺寸有关，设计时应注意尺寸效应。 高强螺栓柴油机连杆齿轮淬透性曲线应用求不同直径棒状工件截面上的硬度分布例：采用45Mn2制造50mm的轴，试求水淬后其截面上硬度分布曲线。淬透性曲线应用例：有一40号钢直径45mm的轴，要求淬火后在距表面3/4R处有80%马氏体，在1/2R处的硬度不低于HRC40，请问采用淬火介质为油还

20、是水？解：确定40钢淬火后80%马氏体组织的硬度（HRC45）； 淬油后硬度 3/4R处：HRC38， 1/2R处：HRC30 不满足要求； 淬水后硬度 3/4R处：HRC46， 1/2R处：HRC42 满足要求； 采用水淬静水中淬火静油中淬火四、淬火缺陷 1. 淬火内应力 淬火内应力是造成工件变形和开裂根本原因。 淬火内应力超过材料屈服强度-引起工件变形； 淬火内应力超过材料断裂强度-引起工件断裂。 淬火内应力分：热应力（温度应力） 组织应力（相变应力） （1）热应力：由于工件心部和表面冷却速度不一致，其冷却收缩不同而造成的内应力。 热应力产生过程： 冷却初期，表面冷速快，表面收缩，产生拉应

21、力； 心部冷速慢，不收缩，产生压应力； 冷却后期，表面冷速慢，表面不收缩，产生压应力； 心部冷速快，收缩，产生拉应力； 最终的淬火热应力：表面压应力、心部拉应力。（2）组织应力：由于工件表层和心部发生马氏体转变的不同时性而造成的内应力。组织应力产生过程： 冷却初期，表面发生马氏体相变，表面体积膨胀，产生压应力；心部冷速慢牵制表面膨胀，产生拉应力； 冷却后期，心部发生马氏体相变，表面体积膨胀，产生压应力；表面牵制心部膨胀，产生拉应力； 最终的淬火组织应力：表面拉应力、心部压应力。 在发生相变前主要内应力为热应力；当发生相变后主要内应力为组织应力，热应力为辅。2 .淬火变形 几何形状变化体积变化热

22、应力使工件沿着最大尺寸方向收缩。组织应力使工件沿着最大尺寸方向伸长。四、淬火缺陷淬火变形影响因素：淬透性：好，组织应力作用大；差，热应力作用大奥氏体化学成分， C%低，热应力作用大；C%高，组织应力作用大。淬火加热T高、内应力大、变形大；淬火冷速快、内应力大、变形大；工件形状不对称，厚薄不均匀，变形大。淬火变形的纠正-校正四、淬火缺陷3. 淬火裂纹重要性：淬火变形可以校正，淬火开裂则无法挽回，因此我们要研究淬火开裂原因，进行预防。淬火裂纹产生原因： 淬火内应力超过材料断裂强度 材料内部缺陷 + 一定的淬火应力淬火裂纹分类： 纵向裂纹 横向裂纹 网状裂纹 剥离裂纹 显微裂纹四、淬火缺陷减少淬火变

23、形和防止淬火开裂的措施1）正确选材 如选择淬透性好的材料2）合理设计工件形状 如避免截面形状悬殊的零件3）合理消除材料缺陷 如淬火前锻造和预备热处理4）合理制定热处理工艺 如加热温度、冷却速度、 回火、操作方法等4. 其它淬火缺陷 淬火硬度不足 氧化和脱碳 软点2、 回火回火在A1线以下很宽温度范围内进行，是使淬火组织的亚稳定进一步向稳定状态转变过程，获得稳定的组织和性能，减少或消除淬火内应力。回火目的：1、降低淬火钢的脆性和内应力，防止变形或开裂。 2、调整和稳定淬火钢的结晶 组织，以保证工件不再发生形状和尺寸的改变。 3、获得不同需要的机械性能，通过适当的回火来获得所要求的强度、硬度和韧性

24、，以满足各种工件的不同使用要求。淬火钢经回火后，其硬度随回火温度的升高而降低，回火一般也是热处理的最后一道工序。 一、回火时钢的组织转变 随温度升高，淬火组织将发生五个阶段变化： 马氏体中碳原子偏聚（80100）马氏体的分解（80250） 产物：M回 残余奥氏体的转变（200300） 产物：M回（主要）+ B下（微量） 碳化物析出和转变（250400） 产物：T回 相状态变化及碳化物聚集长大（400 ) 产物： S回一、回火时组织转变 按回火温度划分如下阶段，但各阶段也不是单独发生，而是相互重叠的。 1.碳原子偏聚（时效阶段） (80100以下) 由于淬火马氏体为过饱和固溶体，晶格中有大量微观

25、缺陷的亚稳态。对位错马氏体，低温下C、N原子短程扩散到位错线附近对孪晶马氏体，低温下C 、N原子短程扩散聚集到某一晶面2.马氏体分解（80-250 ）高碳马氏体发生分解，马氏体中过饱和碳不断以碳化物形式析出，使马氏体碳含量降低。低碳马氏体，低于150无碳化物析出，只有C偏聚 高于200，马氏体中可析出稳定碳化物； 产物：回火马氏体。 性能：保留淬火后高硬度3.残余奥氏体分解（200-300 ） 淬火后的残余奥氏体是不稳定组织，在本阶段，残余奥氏体分解为低碳马氏体和碳化物，此组织为回火马氏体。回火屈氏体4.碳化物的转变（250-400 ）亚稳碳化物将转变成为更加稳定的碳化物形式存在。高碳钢： +

26、 + + + + + + + + （稳定的回火屈氏体）中碳钢： + + （稳定的回火屈氏体）低碳钢： + （稳定的回火屈氏体）5.相状态变化和碳化物聚集长大（400-700 ）铁素体发生回复和再结晶为等轴状、碳化物球化粗化 回火索体。主要发生如下变化：内应力消除： 宏观区域性内应力（工件内外），550 全部消除； 微观区域性内应力（晶粒之间）， 500 基本消除； 晶格弹性畸变应力（碳过饱和）， 转变完即消除。回复与再结晶：回火使亚结构（位错、孪晶）消失；板条和片状马氏体特征保留（回复）、消失（再结晶）。碳化物聚集长大：原棒状、片状、粒状渗碳体消失、溶解，并逐渐球化长大，越来越粗大。回火索氏体

27、二、回火组织机械性能 回火组织机械性能取决于回火组织（请同学们自己根据上述内容进行总结）硬度强度三、合金元素对回火的影响提高钢的回火抗力引起二次硬化四、回火脆性 在某些温度区间回火时，钢的韧性显著下降的现象。 第一类（低温）回火脆性:是指淬火钢在250-350回火时出现的脆性。这种回火脆性是不可逆的，只要在此温度范围内回火就会出现脆性，目前尚无有效消除办法。除弹簧钢之外，其它零件淬火后应避免在250350回火。第二类（高温）回火脆性：（500650） 是指淬火钢在500-650范围内回火后缓冷时出现的脆性。 回火后快冷不出现。多发生在含Cr、Ni、Mn、Si等元素的合金钢中， 是一种可逆性的回火脆性。 预