项目3 钢的热处理课件教学

1、项目3 钢的热处理任务3.1 钢的整体热处理一、掌握钢的整体热处理方法，并能进行相关的实践操作。二、熟悉钢在加热与冷却过程中的组织转变。三、了解各种热处理的应用场合，并能进行相关选择。一、热处理概述改善钢性能的途径：合金化热处理1、热处理的概念：是将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。加热：获得高温组织保温：内外温度一致，组织完全转变冷却：控制冷却速度，获得不同的组织2、热处理特点：通过改变工件的组织结构来改变性能，不改变形状。3、热处理范围：只适用于在固态下发生相变的材料。一、热处理概述4、热处理分类： 根据加热、冷却及组织性能变化分为零件所生产过程：毛

2、坯生产-预备热处理-机械加工-最终热处理-机械精加工。根据零件生产中的位置和作用不同分为一、热处理概述5、临界转变温度与实际转变温度：钢在固态下进行加热、保温和冷却时将发生组织转变，转变临界点根据Fe-Fe3C相图确定。平衡状态下：当钢在缓慢加热或冷却时，其固态下的临界点分别用Fe-Fe3C相图中的平衡线A1(PSK线)、A3(GS线)、Acm(ES线)表示。实际加热和冷却时：发生组织转变的临界点都要偏离平衡临界点，并且加热和冷却速度越快，其偏离的程度越大。实际加热时临界点分别用Ac1、Ac3、Accm表示实际冷却时临界点分别用Ar1、Ar3、Arcm表示一、热处理概述钢热处理加热的目的是获得

3、部分或全部奥氏体，组织向奥氏体转变的过程称奥氏体化。加热至Ac1以上时：首先由珠光体转变成奥氏体（P A）；加热至Ac3以上时：亚共析钢中的铁素体将转变为奥体（F A）；加热至Accm以上时：过共析钢中的二次渗碳体将转变成奥氏体（Fe3CI A）加热是热处理的第一道工序，分两种：一种是在A1线以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称为奥氏体化。二、钢在加热时的组织转变1、奥氏体的形成过程：晶核形成和晶核长大。共析钢奥氏体化：热处理加热至Ac1以上时，将全部奥氏体化；亚共析钢奥氏体化：原始组织为F+P，加热至Ac1以上时，P先奥氏体化，组织部分奥氏体化；加热

4、至Ac3以上时，F奥氏体化，组织全部奥氏体化；过共析钢奥氏体化：原始组织为P+Fe3C，加热至Ac1以上时，P先奥氏体化，组织部分奥氏体化；加热至Acm以上时，Fe3C奥氏体化，组织全部奥氏体化。 二、钢在加热时的组织转变2、奥氏体晶粒长大及其影响因素奥氏体晶粒对性能的影响：奥氏体的晶粒越细小、均匀，冷却后的室温组织越细密，其强度、塑性和韧性比较高。奥氏体的晶粒度：奥氏体晶粒度：是指多晶体内晶粒的大小。分8个等级，1-4级为粗晶粒，5-8级为细晶粒。实际晶粒度：在给定温度下奥氏体的晶粒度。长大倾向大。本质晶粒度:加热时奥氏体晶粒的长大倾向。长大倾向小。影响奥氏体晶粒大小的主要因素：加热温度长保

5、温时间，加热温度亮，保温时间长，晶粒粗大。加热速度，加热速度越快，过热度越大，形核率越亮，晶粒越细。合金元素，阻碍奥氏体晶粒长大的元素主要有形成碳化物和氮化物的元素；促进奥氏体晶粒长大的元素有Mn、P、C、N。原始组织，平衡状态宾组织有利于获得细晶粒。三、钢在冷却时的组织转变冷却方式是决定热处理组织和性能的主要因素。热处理冷却方式分为等温冷却和连续冷却。1过冷奥氏体的等温转变奥氏体在A1线以上是稳定相，当冷却到A1线以下而又尚未转变的奥氏体称为过冷奥氏体。这是一种不稳定的过冷组织，只要经过一段时间的等温保持，它就可以等温转变为稳定的新相。这种转变就称为奥氏体的等温转变。等温冷却转变：钢经奥氏体

6、化后，迅速冷至临界点(Ar1或Ar3)以下，等温保持时过冷奥氏体发生的转变。三、钢在冷却时的组织转变等温转变曲线：可综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下等温温度、保持时间与转变产物所占的百分数（转变开始及转变终止）的关系曲线，称“TTT图”，又称为“C曲线”。等温转变产物：用等温转变图可分析钢在A1线以下不同温度进行等温转变所获的产物。根据等温温度不同，其转变产物有珠光体（P）贝氏体（B）和马氏体（M）三种。三、钢在冷却时的组织转变高温转变：转变温度范围为A1550 ，获片状珠光体型（F+P）组织。依转变温度由高到低，转变产物分别为珠光体、索氏体、托氏体，片层间距由大到小。中温转变：转变温度范围为

7、550MS，此温度下转变获贝氏体型组织，贝氏体型组织是由过饱和的铁素体和碳化物组成的，分上贝氏体和下贝氏体。550350范围内形成的贝氏体称为上贝氏体，金相组织呈羽毛状；350MS范围内形成的贝氏体称为下贝氏体，金相组织呈黑色针状或片状，下贝氏体组织通常具有优良的综合力学性能，即强度和韧性都较高。低温转变：碳在-Fe中的过饱和固溶体称为马氏体，用符号“M”表示。在MS线以下过冷奥氏体发生的转变称马氏体转变，马氏体转变通常在连续冷却时进行，是一种低温转变。马氏体组织形貌：低碳马氏体组织通常呈板条状M；高碳马氏体组织通常呈针叶状M。马氏体性能：马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体的碳的质量分数。随着

8、马氏体含碳量的提高，其强度与硬度也随之提高。低碳马氏体具有良好的强度及一定的韧性；高碳马氏体硬度高、脆性大。三、钢在冷却时的组织转变马氏体转变特点：（1）马氏体转变是在一个温度范围内（MS Mf)连续冷却完成的。（2）马氏体转变具有不完全性。（3）马氏体转变的速度极快，属非扩散型相变，一般不需要孕育期。（4）马氏体转变会引起钢的体积膨胀。三、钢在冷却时的组织转变.过冷奥氏体的连续冷却转变连续冷却转变：过冷奥氏体在一个温度范围内，随温度下降发生组织转变，同样可用“连续冷却转变曲线”“CCT曲线分析组织转变过程和产物。共析钢的“CCT曲线”测量过程示意图如下图。图中V1（炉冷）、V2（空冷）、V3

9、（油冷）、V4（水冷）代表热处理中四种常用的连续冷却方式对应的冷却速度。三、钢在冷却时的组织转变（1）炉冷V1：比较缓慢，相当于随炉冷却（退火的冷却方式），它分别与C曲线的转变开始和转变终了线相交于1、2点，这两点位于C曲线上部珠光体转变区域，它的转变产物为珠光体，硬度为170220HBW。(2)空冷V2：相当于在空气中冷却（正火的冷却方式），它分别与C曲线的转变开始线和转变终了线相交于3、4点，位于C曲线珠光体转变区域中下部分，故可判断其转变产物为索氏体，硬度2535HRC。（）油冷V3：相当于在油中的冷却（在油中淬火的冷却方式），与C曲线的转变开始线交于5、6点，没有与转变终了线相交，所以

10、仅有一部分过冷奥氏体转变为托氏体，其余部分在冷却至Ms线以下转变为马氏体组织。因此，转变产物应是托氏体和马氏体的混合组织，硬度4555HRC。三、钢在冷却时的组织转变（）水冷V4：相当于在水中冷却（在水中淬火的冷却方式），它不与C曲线相交，过冷奥氏体将直接冷却至Ms以下进行马氏体转变。最后得到马氏体和残余奥氏体组织，硬度5565HRC。马氏体临界冷却速：图中冷却速度Vk与C曲线的开始转变线相切，这是过冷奥氏体不发生分解，全部过冷到MS线以下向马氏体转变所需要的最小冷却速度。等温转变“TTT曲线”在连续冷却转变中的应用： 由于连续冷却“CCT转变曲线”的测定较为困难，而连续冷却转变可以看作由许多

11、温度相差很小的等温转变过程所组成的，所以连续冷却转变得到的组织可认为是不同温度下等温转变产物的混合物。故生产中常用TTT曲线（C曲线）近似地分析连续冷却过程。四、钢的整体热处理整体热处理：是对工件整体进行穿透加热的热处理工艺，包括退火、正火、淬火和回火等。退火与正火主要用于预备热处理。1.退火：将钢加热至适当温度，并保持一定时间，然后缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺。目的：调整硬度，便于切削加工；消除内应力，防止工件在加工过程中变形这；细化晶粒，为最终热处理作组织准备。方法：类别主要目的工艺特点应用范围扩散退火成分均匀化加热至 长时间保温后缓慢冷却铸钢件及具有成分偏析的锻轧件完全退火细化晶粒降低硬

12、度加热至 保温后缓慢冷却铸、焊件及中碳钢，中碳合金钢锻轧件不完全退火细化组织降低硬度加热至 保温后缓慢冷却中、高碳钢和低合金钢锻轧件（组织细化程度低于完全退火等温退火细化组织降低硬度，防止产生白点加热至 （亚共析钢） 或 （共析钢和过共析钢），保持一定时间，随炉冷却至稍低于 进行等温转变，然后空冷中碳合金钢和某些高合金钢的重型铸锻件及冷冲压件（组织比完全退火更均匀球化退火碳化物球状化降低硬度提高塑性加热至 或 保温后等温冷却或直接缓慢冷却工具、模具、轴承钢件、结构钢冷挤压件再结晶退火消除加工硬化加热至 ，保温后空冷冷变形钢材和钢件去应力退火消除内应力加热至 ，保温后空冷或炉冷于200300，再

13、出炉空冷铸钢件、焊接件及锻轧件四、钢的整体热处理四、钢的整体热处理四、钢的整体热处理四、钢的整体热处理四、钢的整体热处理（2）淬火介质生产中常用的冷却介质是水、油、碱或盐类水溶液。水是最常用的冷却介质，它有较强的冷却能力，且成本低，只适用于形状简单的碳素钢件。油在低温区冷却能力较好，高温区冷却能力太弱，适用于合金钢和小尺寸的碳素钢。盐浴的冷却能力介于水和油之间，适用于形状复杂的分级淬火和等温淬火。四、钢的整体热处理（3）淬火方法类别工艺过程特点应用范围单液淬火法工件加热到淬火温度后，浸入一种淬火介质中，直到工件冷却至室温操作简便，但易使工件产生较大的内应力，发生变形，甚至开裂适用于形状简单，尺

14、寸较小的工件双液淬火法加热后的工件先放在水中淬火，冷却至温度接近Ms线时，从水中取出立即转到油中冷却利用冷却速度不同的两种介质，先快冷躲过奥氏体最不稳定的温度时间，至接近发生，马氏体转变时再缓冷，以减小内力和变形开裂倾向主要适用于碳素钢制成的中型零件和合金钢制成的大型零件分级淬火法工件加热到淬火温度，保温一定时间后，取出置于温度略高于Ms线的淬火介质（盐或碱浴）中停留一定时间，待工件内、外温度基本一致时，再取出置于空气中冷却减小工件内、外温差，降低了热应力。马氏体转变主要在空气中进行，降低了组织应力，工件的变形与开裂倾向小。便于热较直。比双液淬火法容易操作。多用于形状复杂，小尺寸的碳素钢和合金

15、钢工件，如各种刀具等温淬火法工件加热到淬火温度后，浸入一种温度稍高于Ms线的盐浴或碱浴中保温足够的时间，使其发生下贝氏体转变后在空气中冷却淬火后得到了下贝氏体组织，在相同硬度情况下强度和冲击韧度高。一般工件等温淬火后，可以不经回火直接使用，所以无回火脆性问题，对于要求性能较高的工件，仍需回火适用于处理精密的结构零件，如冷冲模、轴承、精密齿轮等受等温槽冷却速度限制，工件尺寸不能过大四、钢的整体热处理（4）淬透性和淬硬性淬透性：钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区的深度。同一材料，工件尺寸小，介质冷却能力强，淬硬层深度大。淬硬性：钢淬火后所能达到的最高硬度。四、钢的

16、整体热处理4、回火：是指将淬火钢加热到A1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。刚淬火后应立即回火。回火目的:减小或消除淬火内应力，防止变形或开裂；获得所需要的力学性能，淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整其硬度，韧性；稳定尺寸，淬火马氏体和奥氏体都是非平衡组织，有自发向平衡组织转变的倾向，回火可使马氏体与奥氏体转变为平衡组织或接近平衡的组织，防止使用时变形；对于某些高淬透性钢，空冷即可淬火，如采用回火软化，既能降低硬度，又能缩短软化周期。四、钢的整体热处理回火方法：根据钢在回火时的加热温度不同，可分为：种类回火温度特点应用范围低温回火回火温度为150250回火后获得回火马

17、氏体组织，但内应力消除不彻底，故应适当延长保温时间，目的是降低内应力和脆性，而保持钢在淬火后的高硬度和耐磨性主要用于各种工具、模具、滚动轴承和渗碳或表面淬火的零件中温回火回火温度为350450回火后获得托氏体组织，在这一温度范围内回火必须快冷，以避免第二类回火脆性，目的在于保持一定韧性的前提下提高弹性和屈服强度主要用于各种弹簧、锻模、冲击工具及某些要求高强度的零件，如刀杆高温回火回火温度为500680，回火后获得索氏体组织。淬火+高温回火称为调质处理可获得强度、塑性，韧性都较好的综合力学性能，并可使某些具有二次硬化作用的合金钢二次硬化。缺点是工艺较复杂，在提高塑性韧性的同时，强度硬度有所降低广

18、泛用于各种较为重要的结构零件，特别是在交变负荷下工作的连杆螺栓，齿轮及轴，不但可作为的重要零件的最终热处理，还可作为某些精密零件的预先热处理，以减小最终热处理中的变形，并为获得较好的最终热处理提供组织基础四、钢的整体热处理5、时效：指合金工件经过冷加工、热加工及固溶处理后，在室温下放置或适当升温加热时发生力学性能和物理性能随时间而变化的热处理工艺。人工时效处理：将工件加热到较高温度，并在较短的时间内进行失效处理。自然时效处理：将工件在室温或自然条件下长时间存放而发生的时效现象。振动时效处理：给工件施加一定频率的振动，使其内应力得到释放，达到实效的目的。时效处理的目的是消除工件的内应力，稳定组织

19、和尺寸，改善力学性能。任务3.2 钢的表面热处理与化学热处理一、掌握表面热处理与化学热处理的种类，工艺过程及应用。二、了解典型零件的表面热处理与化学热处理工艺。项目3 钢的热处理 一、表面淬火一、表面淬火表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火，以强化零件表面的热处理方法。1.表面淬火目的：使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限。使心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性，即表硬里韧。表面淬火适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。2.表面淬火适用材料：表面淬火适用于 的中碳钢和铸铁。3.表面淬火的预备热处理：结构钢，调质或正火。4

20、.表面淬火后的回火：采用温度不高于200的低温回火。一、表面淬火5.表面淬火的加热方法：（1）感应加热：利用交变电流在工件表面感应生成巨大的涡流，使工件表面迅速加热的方法。分为高频感应加热适用于中、小型轴、销、套等圆柱形零件及小模数齿轮。中频感应加热适用于尺寸较大的轴类零件及大、中模数齿轮。低频感应加热适用大型零件，如轧辊、火车车轮的表面淬火、棒料的穿透加热等。（3）火焰加热：利用氧-乙炔或其他可燃气体燃烧的火焰对工件表层加热的方法。特点：设备简单，成本低；加热温度、淬火质量不易控制；适用大型零件，或单件、小批量生产的零件。二、化学热处理化学热处理是将工件置于特定的介质中加热和保温，使介质中的

21、活性原子渗入到工件表层，从而改变工件表层的化学成分和组织，进而改变其性能的热处理工艺。过程：介质分解-工件表面吸收活性原子-活性原子向内扩散根据渗入元素的不同分为：1.渗碳：向钢的表面渗入碳原子的过程。渗碳目的：提高工件表面的硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。渗碳用钢：低碳钢二、化学热处理渗碳方法：气体渗碳法：将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳，介质为气体（煤气、液化气）或有机液体（煤油、甲醇）。优点是渗碳质量好，效率高；缺点是渗碳层成分与深度不易控制。固体渗碳法：将工件埋入渗碳介质中，装箱密封后在高温下加热渗碳，渗碳介质为木炭。优点是操作简单；缺点是渗速慢，劳动条件差。真

22、空渗碳法：将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入渗碳气体加热渗碳。优点是表面质量好，渗碳速度快。渗碳工艺：渗碳温度，900950，渗碳层厚度，由表面到过渡层一半处厚度一般为0.52mm;渗碳层表面碳的质量分数0.85%1.05%最好；渗碳缓冷后组织，表层为珠光体加网状二次渗碳体，心部为铁素体加珠光体，中间为过渡层；渗碳后的热处理，淬火+低温回火，回火温度160180.二、化学热处理2.渗氮：向钢的表面渗入氮原子的过程。渗氮用钢：中碳合金钢，常用38CrMoAl。渗氮方法：气体渗氮法和离子渗氮法。渗氮工艺：温度，500570；渗氮层厚度，不超过0.60.7mm；渗氮件性能，表面硬度高，耐磨性高，疲

23、劳强度高，工件变形小，化学稳定性高。渗氮特点：渗氮层的硬度和耐磨性高；渗氮层具有很高的抗疲劳性和耐腐蚀性；渗氮后不需要进行热 处理，可避免热处理带来的变形的其他缺陷；渗氮温度低，需要较长的工艺时间才能达到要求的渗氮层；缺点是工艺复杂、成本高，渗氮层薄；渗氮适用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐腐蚀件。二、化学热处理3.碳氮共渗碳氮共渗又称氰化，是向钢件表面同时渗入碳原子和氮原子，形成碳氮共渗层，以提高工件的耐磨性和疲劳强度。高温碳氮共渗：温度为820920，以渗碳为主，气氛中含有一定的氮时，碳的渗入速度要快，厚度要深。低温碳氮共渗：温度为520580，以渗氮为主，共渗后表面形成白亮层，提高工

24、件的耐磨性和抗咬卡、抗擦伤的性能。思考与练习一、选择题1.合金元素对奥氏体晶粒长大的影响是（ ）A.强烈阻止奥氏体晶粒长大 B.强烈促进奥氏体晶粒长大C无影响 D.上述说法都不全面2.适用制造渗碳零件的钢有（ ）A.16Mn、15、20Cr、12Cr13、12Cr2Ni4AB.45、40Cr、65Mn、T12C15、20Cr、18Cr2Ni4WA、20CrMnTi3.要制造直径为16mm的螺栓，要求整个截面具有良好的综合力学性能，应选用的材料是（ ），应选择的热处理工艺是（ ）A.45钢 正火处理 B.60Si2Mn钢 淬火+中温回火C40Cr钢 调质处理思考与练习4.制造手工锯条应选用的材料

25、是（ ），应选择的热处理工艺是（ ）A.T12钢 淬火+低温回火 B.Cr12Mo 淬火+低温回火C65钢 淬火+中温回火5.高速钢的红硬性取决于（ ）A.马氏体的多少 B.淬火加热时溶入奥氏体中合金元素的量C钢中碳的质量分数6.汽车、拖拉机的齿轮要求表面具有高的耐磨性，中心具有良好的强韧性，应选用的材料是（ ），应选择的热处理工艺是（ ）A.60钢 渗碳+淬火+低温回火B.40Cr钢 淬火+高温回火C20CrMnTi钢 渗碳+淬火+低温回火思考与练习7、65、65Mn、50CrV等属于（ ）其适宜的热处理方法是（ ）A.工具钢 淬火+低温回火B.轴承钢 渗碳+淬火+低温回火C弹簧钢 淬火+中温回火8.纯铁在850时为（ ）A.体心立方 B.面心立方 C密排六方9.具有匀晶相图的合金在固态时的相结构属于（ ）A.化合物 B.固溶体 C以上都不是10.弹簧及一些要求具有较高弹性的热作模具等，常采用的热处理工艺是（