金属工艺学课件3分解复习进程

金属工艺学课件3分解重点难点掌握金属材料与热处理的原理和主要内容；掌握钢的基本热处理工艺方法（退火、正火、淬火、回火）；主要内容第二节钢的退火与正火第一节钢的热处理及基本原理第四节钢的表面热处理第三节钢的淬火与回火第五节钢的热处理新工艺简介和缺陷分析第一节钢的热处理及基本原理

一、钢在加热时的组织转变；

二、钢在冷却时得组织转变；2.1.1钢在加热时的组织转变（一）奥氏体的形成（三）奥氏体晶粒长大及其控制（二）影响奥氏体转变的因素基本概念：

大多数机械零件的热处理都是需要加热到相变点以上温度，使其全部或部分得到均匀的奥氏体组织，以便采用适当的冷却方式，获的需要的组织结构。金属材料在加热或冷却过程中，发生相变的温度称为临界点（或相变点）。如图所示：（1）钢铁材料的理论临界点是A1、A3、Acm；（2）钢铁材料实际加热时的临界点标注是Ac1、Ac3、Accm；（3）钢铁材料实际冷却时的临界点标注是Ar1、Ar3、Arcm.（一）奥氏体的形成钢的奥氏体化：钢从室温缓慢加热，最后转变为奥氏体的过程，称为钢的奥氏体化。现已共析钢为例，将钢加热前原始组织为珠光体转变为奥氏体的全过程用以下四个步骤来描述。如图所示：①奥氏体晶核的形成；②奥氏体晶核的长大；③残余渗碳体的溶解；④奥氏体成分的均匀化。（二）影响奥氏体转变的因素1．加热温度和加热速度的影响；2．化学成分的影响；3．原始组织的影响。（三）奥氏体晶粒长大及其控制

1．作用：控制奥氏体晶粒大小，是改善钢的组织和提高钢的性能的重要途径。2．奥氏体晶粒大小：实际晶粒度：在实际的加热调价下获得的奥氏体晶粒大小称为“实际晶粒度”。通常实际晶粒度都大于其实晶粒度。GB6394-86≤金属平均晶粒度测定方法≥规定，晶粒度分为00、0、1、…10级，共12级；级数高，晶粒细小，10级为最细晶粒。3．奥氏体晶粒大小的控制：（1）合理选择加热温度和保温时间；（2）加入合金元素：例如：铬、钨、钼、钛等与碳结合力强的合金元素；（3）合理选择原始组织。2.1.2钢在冷却时的组织变化（一）过冷奥氏体的等温转变（二）过冷奥氏体的连续冷却转变（三）马氏体转变（一）过冷奥氏体的等温转变1．奥氏体等温转变图（C曲线）奥氏体等温转变图是表示过冷奥氏体在不同过冷度下的等温过程中，转变温度、转变时间与转变产物及产物量（转变开始及终了）的关系曲线图，又称为C曲线图。（1）A1线表示奥氏体与珠光体的平衡温度：左边的一条C曲线为转变开始线；右边一条C曲线为转变终了线；（2）Ms线表示奥氏体向马氏体转变的开始线。在A1线上部为奥氏体稳定区；转变开始想左边是过冷奥氏体区；转变开始想和转变终了线之间为奥氏体和转变产物的混合区；转变终了线右边为转变产物区。转变开始线与纵坐标之间的距离，表示过冷奥氏体转变所需的孕育期；

（3）“鼻尖”：550℃左右，曲线上出现一个拐点,俗称C曲线的“鼻尖”此处的孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定，转变速度也最快，这是因为过冷奥氏体的转变也遵循结晶的基本规律；2．过冷奥氏体等温转变产物的组织形态及性能从C曲线图可知，随着过冷奥氏体等温转变温度的不同，等温转变分为高温等温转变和中温等温转变：（1）高温等温转变（珠光体转变）。高温等温转变温度范围在A1～550℃之间，由于转变温度较高，远在具有较强的扩散能力，其转变为扩散型转变，转变产物为铁素体薄层与渗碳体薄层交替重叠的层状组织，通常把这些层近距不同的珠光体组织分别称为珠光体（P）、索氏体（S）和托氏体（T）。珠光体层间距离越小，相界面越多，塑性变形抗力越大，强度硬度越高，同时塑性、韧性也有所提高。（2）中等温转变（贝氏体转变）中等温转变的温度范围在550℃～Ms之间。由于等温温度不同，贝氏体的形态也不同，分别称为上贝氏体和下贝氏体。上贝氏体形成温度范围在550℃～330℃之间，原子扩散能力弱，渗碳体微粒已很难集聚长大成片状，其典型形态称羽毛状，塑性和韧性较差。下贝氏体形成温度在550℃～Ms之间，原子扩散更困难，其典型形态为黑色针状，强度较高，塑性、韧性也较好，既具有较好的综合能力。3．亚共析钢、过共析钢的等温转变图亚共析钢、过共析钢的经奥氏体转变后，缓慢冷却时，首先有铁素体或渗碳体从奥氏体中析出，说明亚共析钢和过共析钢的过冷奥氏体的稳定性比共析钢差。4．影响过冷奥氏体等温转变的因素（1）碳的质量分数的影响（2）合金元素的影响（二）过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变图：表示钢奥氏体化后，在不同冷却速度的连续冷却条件下，过冷奥氏体转变开始及转变终了的时间与转变温度之间的关系曲线称为过冷奥氏体的连续冷却转变图，简称连续冷却转变图。如图所示：（1）连续冷却转变图的特征：在高温区，组织转变开始线和转变终了线都滞后，向右下移动；在中温区，没有贝氏体转变区，及共析钢在连续冷却时不发生贝氏体抓变；当冷却速度达到一定值时，奥氏体被过冷至低温发生马氏体转变。（2）在生产实际中，常利用同钢种的等温转变曲线来定性的分析过冷奥氏体连续冷却转变产物的祖师和性能。2．过冷奥氏体的连续冷却转产物的组织的性能以共析钢为例来说明：v1、v2、v3、v4、vk分别表示不同的冷却速度曲线，其中v1＜v2＜v3＜v4（1）v1相当于随炉温冷却的情况，与曲线相交于700℃～600℃左右，可判断出连续冷却转变产物的组织为珠光体，硬度为25～220HBS；（2）v2相当于空气中冷却的情况，与曲线相交于650℃～600℃，可判断出连续冷却转变产物的组织为索氏体，硬度为25～35HRC；（3）v3相当于油中冷却的情况，先于转变开始线相交，但没有与转变终了线相交，然后很快冷却与Ms线相交。判断出连续冷却转变产物的组织为托氏体和马氏体混合物，硬度为45～55HRC；（4）V4相当于水中冷却的情况，与曲线不相交，冷却很快，直接与Ms线相交，判断连续冷却转变产物的组织为马氏体和少量残余奥氏体，硬度为55～65HRC；（5）Vk与C曲线“鼻尖”部相切，它表示使过冷奥氏体在连续冷却过程中不分解，而全部冷至Ms以下转变为马氏体的最小冷却速度，即钢在淬火时为抑制非马氏体转变所需的最小冷却速度，称为该钢的马氏体临界冷却速度。

（三）马氏体转变马氏体转变：钢经奥氏体化后，当冷却速度大于Vk时，奥氏体很快被过冷到Ms温度，因温度较低，只有铁原子晶格的重建，过冷奥氏体中的碳原子已不能扩散，被迫保留到α-Fe中，以铁碳合金而言，这种碳在α-Fe中过饱和的固溶体称为马氏体，用符号“M”表示，是一种单项的亚稳组织，这一转变称为马氏体。1．马氏体转变的特点：（1）马氏体转变是非扩散型的转变；（2）转变是在一个温度范围内连续冷却过程中进行的；2．马氏体的组织形态和性能（1）马氏体是碳在α-Fe中德过饱和固溶体，马氏体晶格畸变则随碳过饱和度的增加而增加。当Wc＞0.25%时，马氏体晶格c/a＞1，即成了体心正方晶格。（2）根据组织形态的不同，马氏体通常可分为板条马氏体（低碳马氏体）和片状（针状）马氏体（高碳马氏体）两种：（1）板条马氏体有一束束平行的长条状晶体组成，其单个警惕的立方体形态为板条状，在光学显微镜下观察看到的是边缘不规则的块状，故称为块状马氏体。这种马氏体主要产生于低碳钢的淬火组织中。（2）片状（针状）马氏体游湖成一定角度的针状晶体组成，其单个晶体的立方形态呈双凸透镜状，因每个马氏体的厚度与径向尺寸相比很小，所以粗略地说是片状。（3）特点：低碳板条马氏体具有较高的硬度、较高强度与较好塑性和韧性相配合的综合力学性能。片状马氏体具有比板条马氏体更高的硬度，但塑性和韧性较差，脆性较大。第二节钢的退火与正火

一、钢的退火；

二、钢的正火；三、退火与正火的选择。1定义：将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。2目的：降低硬度，便于切削加工（适宜的加工硬度为170HB~230HB）；细化晶粒，均匀钢的组织和成分，改善钢的力学性能；消除内应力，以防止变形和开裂；为最终热处理做好组织准备。3种类：完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火和扩散退火等多种。2.2.1钢的退火

软化℃温度时间（h）加热保温冷却1定义：将钢加加热到Ac3或Accm以上30℃～50℃，保温适当时间后在空气中冷却的热处理工艺。2目的：①细化晶粒、调整硬度；②消除碳化物网，为后续加工及球化退火、淬火等做好组织准备。3优点：操作简便、生产效率高，成本低。2.2.2钢的正火硬化2.2.3退火与正火的选则

在选择退火或正火时应考虑以下几点：（1）切削加工性能：低碳钢、低碳合金钢应选正火作为预备热处理，中碳钢也可选用正火；而Wc＞0.5%的碳钢、中碳以上的合金钢应选用退火作为预备热处理；

（2）零件形状：对于形状复杂的零件或大型铸件、正火有可能因为内应力太大而引起开裂，则应选择退火；

（3）经济性：

正火比退火操作简便，生产周期短，成本低，在满足要求的情况下，应尽量选用正火，以降低生产成本。第三节钢的淬火与回火

一、淬火；

二、回火；

2.3.1淬火定义：淬火时将钢件加热到相变点Ac3或Ac1以上某一温度，保温后以适当速度冷却，获得马氏体或下贝氏体的热处理工艺。

（一）淬火的目的；（二）淬火工艺；（三）淬火方法及其应用；（四）淬透性与淬硬性。（一）淬火的目的：（1）主要是使钢件得到马氏体（或下贝氏体）组织，然后与适当的回火相配合，以获得机械零件所需的使用性能。（2）淬火与回火是强化钢材、提高机械零件使用寿命的重要手段，它们通常作为钢件的最终热处理。（二）淬火工艺1、淬火加热（1）淬火加热温度的确定亚共析钢：Ac3+（30℃～50℃）；共析钢和过共析钢：Ac1+（30℃～50℃）。（2）淬火加热保温时间的确定目前生产中常采用下列经验公式估算加热时间：t=αKD2．淬火冷却为了获得良好的淬火效果，应采用合理的冷却速度进行冷却。淬火介质：钢件淬火冷却所使用的介质称为淬火介质。常用的淬火介质有水、水溶液、油、硝盐浴、碱浴、空气等（三）淬火方法及其应用1．水冷（或油冷）淬火：水冷（或油冷）淬火是将钢加热到相变点以上某一温度，保温适当时间后，随之在水（或油）中急冷的淬火工艺。2．双液淬火（双介质淬火）：将钢奥氏体化后，先侵入一种冷却能力强的介质中，在钢还未达到该淬火介质温度之前取出，马上侵入另一种冷却能力弱的介质中冷却的淬火工艺。。3．马氏体分级淬火（分级淬火）：马氏体分级淬火是将钢件奥氏体化后，随之侵入温度稍高或稍低于Ms的盐浴或碱浴中，保持适当时间，待钢件内外层温度都达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺。4．贝氏体等温淬火（等温淬火）：贝氏体等温淬火：是指工件加热奥氏体化后快冷到贝氏体转变温度区间等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺。（四）淬透性与淬硬性1．淬透性的概念：指在规定条件下钢试样淬硬深度和硬度分布特征的材料特性。2．影响淬透性的因素：（1）钢的化学成分；（2）奥氏体化温度及保温时间。3．淬透性的应用：钢的淬透性是选材和制定热处理工艺规程时的主要依据，它对钢经热处理后的力学性能有很大影响。完全淬透的工件，经回火后整个截面上的力学性能均匀一致；未经淬透的工件，经回火后未淬透部分的屈服点（σs）和在冲击吸收功（Ak）均较低.4．淬硬性的概念钢在理想条件下淬火所能达到的最高硬度的能力称为钢淬硬性。2.3.2回火

定义：回火是指工件淬硬后，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。（一）回火的目的；（二）淬火钢在回火时组织和性能的变化；（三）回火方法及其应用。

（一）回火的目的：①减少内应力，稳定组织，使工件形状、尺寸稳定；②调整组织，消除脆性，以获得工件所需的的使用性能。（二）淬火钢在回火时组织和性能的变化第一阶段（≤200℃）——马氏体分解，淬火组织经过回火，转变为回火马氏体组织；第二阶段（200～300℃）——残余奥氏体分解，淬火组织经过回火，转变为回火马氏体组织；第三阶段（250～400℃）——碳化物转变，淬火组织经过回火，形成回火托氏体组织；第四阶段（＞400℃）——碳化物聚集长大与铁素体的再结晶，淬火组织经过回火，最终形成回火索氏体组织。（三）回火方法及其应用1.低温回火(150℃～250℃)淬火钢经低温回火后，获得的组织为回火马氏体。淬火钢经低温回火后，钢的硬度一般为58～62HRC。低温回火主要用于由高碳钢、合金工具钢制造的刃具、量具、冷作模具、滚动轴承及渗碳件、表面淬火件等。2.中温回火（250℃～450℃）淬火钢经中温回火后，获得的组织为回火托氏体。淬火钢经中温回火降低了淬火应力，钢的硬度一般为35～50HRC。中温回火主要用于处理钢制弹性元件，如各种卷簧、板簧、弹簧钢丝等。3.高温回火（＞500℃）淬火钢经高温回火后，获得的组织为回火索氏体。淬火钢经高温回火后，钢的硬度一般为200～330HBW。高温回火主要用于处理轴类、连杆、螺栓、齿轮等工件。第四节钢的表面热处理

一、钢的表面淬火；

二、钢的化学热处理；

2.4.1

钢的表面淬火（一）感应加热表面淬火（感应淬火）；（二）火焰淬火；钢的表面淬火的基本概念：表面淬火：是指仅对工件表层进行淬火的工艺。表面热处理：为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺称为表面热处理。表面淬火目的：可使工件表层获得马氏体组织，具有高硬度、高耐磨性；内部仍保持淬火前的组织、具有足够的强度和韧性。分类：按加热方法的不同，表面淬火方法主要有：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等。（一）感应加热表面淬火（感应淬火）利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面、局部或整体加热并进行快速冷却的淬火工艺称为感应加热表面淬火（1）感应加热基本原理。如图所示：（2）感应淬火的特点。感应加热表面淬火具有工件加热速度快、时间短，变形小，具有较好的耐磨性和较低的脆性，基本无氧化和无脱碳特点；淬硬层深度容易控制；能耗低，生产效率高，易实现机械化和制动化，适宜大批量生产。感应加热设备较复杂，要经常维护，对与复杂工件的感应圈不易制作。（3）感应淬火的应用。感应加热表面淬火主要用于中碳钢和中碳合金钢制造的工件，如40钢、45钢、40Cr钢、40MnB钢等（二）火焰淬火(1)火焰淬火：是利用乙炔一氧或其它可燃气体燃烧的火焰对工件表层进行加热，随之快速冷却的淬火工艺。(2)火焰淬火的优缺点：优点：操作简便，不需要特殊设备，生产成本低，淬硬层深度一般为2～6mm。主要用于单件或小批量生产的各种齿轮、轴、轧辊等。缺点：因火焰温度高，若操作不当工件表面容易过热或加热不均，造成硬度不均匀，淬火质量难以保证。2.4.2钢的化学热处理（一）渗碳（二）渗氮（氮化）（三）碳氮共渗（一）渗碳定义：所谓渗碳是将工件放入渗碳气氛中，并在900℃～950℃的温度下加热、保温，以提高工件表层渗碳的质量分数并在其中形成一定碳的质量分数梯度的化学热处理工艺。（1）渗碳的方法①固体渗碳：将工件置于四周填满固体渗碳剂的箱中，用盖和耐火泥浆将箱密封后，送入炉中加热至渗碳温度，保持一定时间使工件表面增碳。常用的固体渗碳剂是碳粉和碳酸盐等混合物。②气体渗碳：将工件置于密封的井式渗碳炉中，滴入易热分解和气化的液体（如煤油、甲醇等）或直接通入渗碳气体（如煤气、石油液化气等），加热到渗碳温度，上述液体或气体在高温下分解形成渗碳气氛（由CO、CO2、H2、CH4等组成）的过程称为气体渗碳。

③真空渗碳：将零件放入特制的真空渗碳炉中，并使之达到一定的真空度，然后将炉温升至渗碳温度，再通入一定量的渗碳气体保护进行渗碳的过程称为真空渗碳。（2）渗碳用钢、渗碳后组织及热处理①渗碳用钢为低碳钢和低碳合金钢，碳的质量分数一般为0.1%～0.25%（如15钢、20钢、20Cr钢、20CrMnTi钢等）。碳的质量分数提高，将降低工件心部的韧性。②渗碳后的组织，工件渗碳后其表层碳的质量分数通常为0.85%～1.05%.渗碳缓冷后表层组织为过共析组织，与其相邻的为共析组织，再向里为亚共析组织，心部为原低碳钢组织。③渗碳后的热处理，渗碳后常用的热处理工艺有三种：直接淬火法：先将渗碳件自渗碳温度预冷至某一温度（850℃～880℃），立即淬入水或油中，然后再进行低温回火。一次淬火法：工件渗碳后出炉缓冷至室温，然后再重新加热进行淬火。二次淬火法;第一次淬火是为了改善心部组织和消除表面网状二次渗碳体，加热温度为AC3以上30℃～50℃；第二次淬火是为细化工件表层，获得细马氏体和均匀分布的粒状二次渗碳体，加热温度为AC1以上30℃～50℃。（二）渗氮（氮化）1.渗氮的定义：在一定温度下(一般在AC1以下)于一定渗氮介质中，使活性氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺称为渗氮。2.渗氮的目的：为了提高工件表层的硬度、耐磨性、热硬性、耐腐蚀性和疲劳强度。3.常用的渗氮方法有气体渗氮和离子渗氮：（1）气体渗氮：利用氨气在加热时分解产生的活性氮原子渗入到工件表面形成渗氮层，同时向心部扩散的热处理工艺。应用最广泛的渗氮用钢是：38CrMoAl、35CrMo、18CrNiW等钢。适用场合：主要用于耐磨性和精度要求很高的精密零件或承受交变载荷的重要零件，以及要求耐热、耐腐蚀的零件。

（2）离子渗氮：是一种较先进的工艺，是指在低真空的容器内，保持氮气的压强为133.32～1333.32Pa，在400～700V的直流电压作用下，迫使电离后的氮离子高速冲击工件（阴极），被工件表面吸收，并逐渐向内部扩散形成渗氮层。●特点：速度快、时间短（仅为气体渗氮的1/5～1/2），渗氮层质量好，对材料的实用性强，已广泛应用于机床零件、汽车发动机零件及成型刀磨具等。

（三）碳氮共渗在奥氏体状态下同时将碳、氮原子渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺称为碳氮共渗。其主要目的是提高工件表面的硬度和耐