材料力学第四章钢的热处理

材料力学第四章钢的热处理第1页，共102页，2023年，2月20日，星期五

本章提要2、课程内容（1）钢在加热时的组织转变（奥氏体的形成，奥氏体的晶粒度，晶粒大小及控制）；（2）钢在冷却时的组织转变（过冷奥氏体等温转变曲线，珠光体型转变，贝氏体型转变，马氏体型转变，过冷奥氏体连续转变曲线）；（3）钢的退火与正火（目的，工艺方法及应用）；第2页，共102页，2023年，2月20日，星期五

本章提要（4）钢的淬火（淬火的目的，淬火温度，淬火介质，淬火方法，淬透性）；（5）钢的回火（回火的目的，回火的组织与性能变化，回火的种类及应用）；（6）钢的表面淬火和化学热处理（表面淬火的基本原理及应用，感应加热淬火，火焰加热表面淬火，渗碳，氮化，氰化）；第3页，共102页，2023年，2月20日，星期五第一节钢在加热时的组织转变第二节钢在冷却时的组织转变第三节钢的退火和正火第四节钢的淬火第五节钢的回火第六节钢的表面热处理第4页，共102页，2023年，2月20日，星期五

钢的热处理是通过对钢件加热、保温和冷却的操作方法，来改变其内部组织结构，以获得所需性能的一种加工工艺。

热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。

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热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。热处理工艺曲线第6页，共102页，2023年，2月20日，星期五

钢的热处理在生产上应用的种类很多，按加热和冷却方式的不同，大致上可分为如下几种：整体热处理表面热处理化学热处理退火正火淬火回火火焰淬火感应淬火接触电阻加热表面淬火渗碳渗氮碳氮共渗渗金属第7页，共102页，2023年，2月20日，星期五第一节钢在加热时的组织转变一、钢的临界温度加热是热处理的第一道工序。在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。第8页，共102页，2023年，2月20日，星期五第一节钢在加热时的组织转变二、奥氏体的形成奥氏体形成的基本过程

第9页，共102页，2023年，2月20日，星期五第一节钢在加热时的组织转变三、奥氏体晶粒大小及控其制1.奥氏体晶粒度的概念起始晶粒度：珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。实际晶粒度：某一具体加热条件下所获得的奥氏体晶粒的大小。本质晶粒度：根据标准试验方法，在930+10℃,保温3-8h,缓冷,后测得的奥氏体晶粒大小。

第10页，共102页，2023年，2月20日，星期五第一节钢在加热时的组织转变三、奥氏体晶粒大小及控其制1.奥氏体晶粒度的概念第11页，共102页，2023年，2月20日，星期五第一节钢在加热时的组织转变三、奥氏体晶粒大小及控其制2.影响奥氏体晶粒大小的因素加热温度：加热温度愈高，晶粒长大速度越快，奥氏体晶粒也越粗大。保温时间：随保温时间的延长，晶粒不断长大，但随保温时间的延长，晶粒长大速度越来越慢，且不会无限制地长大下去。加热速度：加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细。钢的化学成分：阻碍奥氏体晶粒长大的元素有Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等，多为碳化物和氮化物形成元素；促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N等。

第12页，共102页，2023年，2月20日，星期五第二节钢在冷却时的组织转变钢在热处理时的冷却方式过冷奥氏体的转变方式有等温冷却转变和连续冷却转变两种。加热保温等温冷却连续冷却温度时间临界温度第13页，共102页，2023年，2月20日，星期五第二节钢在冷却时的组织转变一、过冷奥氏体的等温转变（奥氏体等转变图）C曲线的建立第14页，共102页，2023年，2月20日，星期五贝氏体转变

只有C扩散B下B上B马氏体转变

非扩散切变M珠光体转变

Fe、C扩散＞0.4μm＜0.2μm0.4~0.2μmPSTP过冷奥氏体区0.5110102103104MsMf7006005004003002001000-100时间(s)温度(℃)Ar1第15页，共102页，2023年，2月20日，星期五第二节钢在冷却时的组织转变二、过冷奥氏体等温转变的组织和性能1.珠光体型转变铁素体与渗碳体片层相间，根据片层间距的不同分为：a)A1～650℃：P，5～25HRC，片间距为0.6～0.7μm，(500×)。b)650℃～600℃：细片状P---索氏体(S)，片间距为0.2～0.4μm，25～36HRC。c)600℃～550℃：极细片状P---托氏体(T)，片间距为＜0.2μm，35～40HRC。a)b)c)第16页，共102页，2023年，2月20日，星期五第二节钢在冷却时的组织转变二、过冷奥氏体等温转变的组织和性能2.贝氏体型转变半扩散相变（C）550℃～Ms，根据其组织形态不同，分为：a)550℃～350℃：上贝氏体，过饱和片状F＋渗碳体，性脆无实用价值b)350℃～Ms：下贝氏体，过饱和针状F＋弥散-Fe2.4C，综合性能好a)b)第17页，共102页，2023年，2月20日，星期五第二节钢在冷却时的组织转变二、过冷奥氏体等温转变的组织和性能3.马氏体型转变（1）马氏体的形成：非扩散相变，Ms以下,A→M第18页，共102页，2023年，2月20日，星期五第二节钢在冷却时的组织转变二、过冷奥氏体等温转变的组织和性能3.马氏体型转变（2）马氏体的组织形态：非扩散相变，Ms以下,A→Ma)低碳(<0.25%)马氏体：板条状__高的强韧性b)高碳(>1.0%)马氏体：针片状__硬而脆a)b)第19页，共102页，2023年，2月20日，星期五第二节钢在冷却时的组织转变二、过冷奥氏体等温转变的组织和性能3.马氏体型转变（3）马氏体转变的特点：a)非扩散型转变(Fe、C原子均不扩散)b)转变速度极快，即瞬间形核与长大c)转变不完全性，总要残留少量奥氏体d)在一个温度范围内连续冷却完成e)马氏体比体积较大，奥氏体转变为马氏体会引起体积膨胀，产生很大内应力。第20页，共102页，2023年，2月20日，星期五第二节钢在冷却时的组织转变二、过冷奥氏体等温转变的组织和性能4.马氏体的性能高硬度是马氏体性能的主要特点。马氏体的硬度主要取决于其含碳量。含碳量增加，其硬度增加。当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。合金元素对马氏体硬度的影响不大。马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性.第21页，共102页，2023年，2月20日，星期五第二节钢在冷却时的组织转变三、影响等温转变图的因素1.碳的质量分数a)影响C曲线的形状（产物）第22页，共102页，2023年，2月20日，星期五第二节钢在冷却时的组织转变三、影响等温转变图的因素1.碳的质量分数a)影响C曲线的位置（稳定性）过共析钢共析钢亚共析钢时间温度A1第23页，共102页，2023年，2月20日，星期五第二节钢在冷却时的组织转变三、影响等温转变图的因素2.合金元素除Co、Al(＞2.5%)外,所有合金元素溶入奥氏体中,都可增加过冷奥氏体的稳定性，使等温转变图右移。其中非碳化物形成元素或弱碳化物形成元素只改变等温转变图的位置，不改变形状，而碳化物形成元素不仅使等温转变图的位置发生变化，还改变等温转变图的形状。3.加热温度和保温时间加热温度越高，保温时间越长，TTT曲线向右移。第24页，共102页，2023年，2月20日，星期五第二节钢在冷却时的组织转变四、过冷奥氏体的连续冷却曲线1.过冷奥氏体的连续冷却转变图和等温转变图的比较与过冷奥氏体等温转变图相比a)孕育期不同b)过冷度不同c)转变产物不同第25页，共102页，2023年，2月20日，星期五第二节钢在冷却时的组织转变四、过冷奥氏体的连续冷却曲线2.过冷奥氏体的连续冷却转变图的应用第26页，共102页，2023年，2月20日，星期五过共析钢CCT曲线亚共析钢CCT曲线第二节钢在冷却时的组织转变四、过冷奥氏体的连续冷却曲线2.过冷奥氏体的连续冷却转变图的应用第27页，共102页，2023年，2月20日，星期五本章练习11、将¢5mm的T8钢加热至760℃并保温足够时间，问采用什么样的冷却工艺可得到如下组织：珠光体，索氏体，屈氏体，上贝氏体，下贝氏体，屈氏体+马氏体，马氏体+少量残余奥氏体，托氏体+马氏体+下贝氏体+残留奥氏体；在C曲线上描出工艺曲线示意图。2、比较45钢经不同热处理后硬度值的高低，并说明原因（1）45钢加热到700℃后，投入水中快冷（2）45钢加热到750℃后，投入水中快冷（3）45钢加热到840℃后，投入水中快冷3、比较T12钢经不同热处理后硬度值的高低，并说明原因（1）T12钢加热到700℃后，投入水中快冷（2）T12钢加热到750℃后，投入水中快冷（3）T12钢加热到840℃后，投入水中快冷第28页，共102页，2023年，2月20日，星期五本章练习14、过共析钢的等温转变图（C曲线）如右图所示，试指出图中各点位置所对应的组织。第29页，共102页，2023年，2月20日，星期五本章练习15、两块碳的质量分数均为Wc=0.77％的钢片加热至727℃以上，分别以不同方式冷却，钢片的冷却曲线及该种钢材的奥氏体等温转变图如图所示。试问图中①、②、③、④点各是什么组织?定性地比较②、④点组织的硬度大小。第30页，共102页，2023年，2月20日，星期五本章练习16、有甲、乙两种钢，同时加热至1150℃，保温两小时，经金相显微组织检查，甲钢奥氏体晶粒度为3级，乙钢为6级。由此能否得出结论：甲钢是本质粗晶粒钢，而乙钢是本质细晶粒钢？第31页，共102页，2023年，2月20日，星期五本章练习17、分析冷却后的室温组织第32页，共102页，2023年，2月20日，星期五第33页，共102页，2023年，2月20日，星期五第34页，共102页，2023年，2月20日，星期五机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）→预备热处理→机加工→最终热处理。退火与正火主要用于预备热处理，只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理。第三节钢的退火和正火第35页，共102页，2023年，2月20日，星期五第三节钢的退火和正火一、钢的退火定义：把零件加温到某一温度,保温一段时间,然后随炉冷却。目的：消除应力；调整硬度；细化晶粒；均匀成分；为最终热处理作好组织准备。真空退火炉第36页，共102页，2023年，2月20日，星期五第三节钢的退火和正火一、钢的退火重结晶退火低温退火完全退火扩散退火球化退火再结晶退火去应力退火普通退火等温退火普通球化退火等温球化退火退火第37页，共102页，2023年，2月20日，星期五第三节钢的退火和正火一、钢的退火完全退火：Ac3+30～50℃，缓冷，得到F+P；主要适用于ωc=0.3～0.6%的中碳钢及中碳合金钢的铸件、锻件、轧制件及焊接件等温退火：亚共析钢，Ac3+30～50℃，共析、过共析钢，Ac1+20～40℃，保温后快冷到略低于Ar1的温度停留，待相变完成后出炉空冷；适用于高碳钢、中碳合金钢、经渗碳处理后的低碳合金钢的大型铸、锻件以及冲压件钢的退火加热温度范围第38页，共102页，2023年，2月20日，星期五第三节钢的退火和正火一、钢的退火等温退火高速钢等温退火与普通退火的比较第39页，共102页，2023年，2月20日，星期五第三节钢的退火和正火一、钢的退火球化退火：过共析钢，Ac1+10～20℃，使片状碳化物成为球状；适用于共析和过共析成分的碳钢和合金钢锻、轧件。钢的退火加热温度范围第40页，共102页，2023年，2月20日，星期五第三节钢的退火和正火一、钢的退火扩散退火（均匀化退火）铸锭或铸件在凝固过程中不可避免的要产生枝晶偏析等化学成分不均匀现象，为达到化学成分的均匀化，必须对其进行扩散退火。特点：加热温度高(一般在Ac3或Acm以上150~200℃)，保温时间长(10h以上)去应力退火用来消除因变形加工及铸造、焊接过程中引起的残余内应力，以提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂。特点：工件随炉缓慢加热至Ac1-(100～

200℃)，经一段时间保温后随炉缓慢冷却至300～

200℃以下出炉。第41页，共102页，2023年，2月20日，星期五第三节钢的退火和正火一、钢的退火再结晶退火

冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒。目的：消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及成形性能。特点：加热温度通常比理论再结晶温度高100～

150℃，通常在去应力退火温度之上。第42页，共102页，2023年，2月20日，星期五第三节钢的退火和正火二、钢的正火正火是将亚共析钢加热到Ac3+30～80℃，共析钢加热Ac1+30～80℃，过共析钢加热到Accm+30～80℃，保温后空冷的工艺。

与退火相比，冷却的速度稍快，得到的组织较细小，所以强度、硬度比退火的高。

45钢退火、正火状态的力学性能比较第43页，共102页，2023年，2月20日，星期五第三节钢的退火和正火二、钢的正火正火的目的(1)改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性；(2)作为普通结构零件或大型及形状复杂零件的最终热处理；(3)作为中碳和低合金结构钢重要零件的预备热处理；(4)消除过共析钢中的网状二次渗碳体正火后的组织S(Wc=0.6～1.4%)，S+F(Wc＜0.6%)

热处理与硬度关系合适切削加工硬度第44页，共102页，2023年，2月20日，星期五第三节钢的退火和正火二、钢的正火正火与退火的选择（1）从切削加工性考虑：作为预备热处理，低碳钢正火优于退火，而高碳钢正火后硬度太高，必须采用退火（2）从使用性能考虑：对于亚共析钢工件来说，正火比退火具有较好的力学性能。如果零件的性能要求不高，则可用正火作为最终热处理。但当零件形状复杂时，由于正火冷却速度快，有引起开裂的危险，则以采用退火为宜（3）从经济上考虑：正火比退火的生产周期短、耗能少、成本低，且操作方便，故在可能的情况条件下优先采用正火。第45页，共102页，2023年，2月20日，星期五第三节钢的退火和正火二、钢的正火退火和正火的工艺比较

第46页，共102页，2023年，2月20日，星期五第四节钢的淬火

钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。

“淬火”在专业文献上，人们写的是“淬火”，而读起来又称“蘸火”。“蘸火”已成为专业口头交流的习用词，但文献中又看不到它的存在。也就是说，淬火是标准词，人们不读它，“蘸火”是常用词，人们却不写它，这是我国文字中不多见的现象。

第47页，共102页，2023年，2月20日，星期五第四节钢的淬火一、淬火的目的淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。也可以通过淬火满足某些特种钢材的的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。

真空淬火炉第48页，共102页，2023年，2月20日，星期五第四节钢的淬火二、淬火加热温度加热温度以钢的相变临界点为依据，一般原则是：亚共析钢为Ac3温度以上30～50℃，共析钢和过共析钢为Ac1温度以上30～50℃。

第49页，共102页，2023年，2月20日，星期五M+Fe3C+A残Ac1+30～50过共析钢M+A残Ac1+30～50

共析钢M+A残Ac3+30～50亚共析钢Wc＞0.5%MAc3+30～50亚共析钢Wc≤0.5%

最终组织淬火温度(℃)

钢种第50页，共102页，2023年，2月20日，星期五第四节钢的淬火二、淬火加热温度

淬火后的组织

T12钢（含1.2%C）正常淬火组织45钢(含0.45%C)正常淬火组织第51页，共102页，2023年，2月20日，星期五第四节钢的淬火三、淬火冷却介质理想冷却介质

理想淬火曲线示意图MsMf第52页，共102页，2023年，2月20日，星期五第四节钢的淬火三、淬火冷却介质常用冷却介质

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)650～550℃300～200℃20℃静止水34077513545040℃静止水28554511041060℃静止水2202758018510%NaCl溶液58020001900100010%NaOH溶液5602830275077520℃10号机油430230606580℃10号机油430230705520℃3号锭子油50012010050第53页，共102页，2023年，2月20日，星期五第四节钢的淬火四、常用淬火方法a)单液淬火：直冷，简单易操作b)双液淬火：先快后慢，降低应力c)分级淬火：降-恒-降，应力极低d)等温淬火：得到B下〔工模具、弹簧〕

第54页，共102页，2023年，2月20日，星期五第四节钢的淬火五、钢的淬透性与淬硬性淬透性：淬透性是指在规定条件下，钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力。影响淬透性的因素是钢的临界冷却速度。

第55页，共102页，2023年，2月20日，星期五第四节钢的淬火五、钢的淬透性与淬硬性淬透性的测定方法

末端淬火法示意图第56页，共102页，2023年，2月20日，星期五第四节钢的淬火五、钢的淬透性与淬硬性淬透性的实际意义（1）要根据零件不同的工作条件合理确定钢的淬透性要求：并不是所有的场合都要求淬透，或者淬透都是有益的。（2）尺寸效应：零件尺寸越大，其热容量越大，淬火时零件冷却速度越慢，因些，淬透层越薄，性能越差。（3）合理的加工工序：淬透层浅的大尺寸工件应考虑在淬火前先切削加工

第57页，共102页，2023年，2月20日，星期五第四节钢的淬火五、钢的淬透性与淬硬性淬硬性：淬硬性是指钢在理想条件下进行淬火所能达到最高硬度的能力。淬硬性的影响因素是钢中碳的质量分数，碳的质量分数越大，淬硬性越高，反之，淬硬性越低。

碳素结构钢(20)淬透性淬硬性钢种小低小高碳素工具钢(T12A)大低低碳合金结构钢(20Cr2Ni4A)大高高碳高合金工具钢(W18Cr4V)第58页，共102页，2023年，2月20日，星期五第四节钢的回火淬火后具有以下特点：①得到了马氏体、贝氏体、残余奥氏体等不平衡（即不稳定）组织。②存在较大内应力。③力学性能不能满足要求。因此，钢铁工件淬火后一般都要经过回火。回火又称配火。是将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度，保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理。或将淬火后的合金工件加热到适当温度，保温若干时间，然后缓慢或快速冷却。一般用以减低或消除淬火钢件中的内应力，或降低其硬度和强度，以提高其延性或韧性。根据不同的要求可采用低温回火、中温回火或高温回火。通常随着回火温度的升高，硬度和强度降低，延性或韧性逐渐增高。

第59页，共102页，2023年，2月20日，星期五井式回火炉第四节钢的回火一、回火的目的1）减小或消除淬火应力2）满足使用性能要求3）稳定组织和尺寸二、淬火钢在回火时的组织和性能变化1）马氏体分解（80～200℃）2）残余奥氏体的分解（200～300℃）3）碳化物的转变（300～400℃）4）渗碳体的聚集长大和α相再结晶（>400℃）

第60页，共102页，2023年，2月20日，星期五第四节钢的回火回火后的组织

回火索氏体回火屈氏体回火马氏体第61页，共102页，2023年，2月20日，星期五第四节钢的回火三、回火的分类和应用

广泛用于各种结构件如轴、齿轮等热处理。也可作为要求较高精密件、量具等预备热处理。适用于各种高碳钢、渗碳件及表面淬火件。应用获得良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑韧性。提高e及s，同时使工件具有一定韧性。在保留高硬度、高耐磨性的同时，降低内应力。回火目的S回

T回

M回

回火组织500-650℃350-500℃150-250℃回火温度高温回火中温回火低温回火适用于弹簧热处理第62页，共102页，2023年，2月20日，星期五第63页，共102页，2023年，2月20日，星期五第64页，共102页，2023年，2月20日，星期五第65页，共102页，2023年，2月20日，星期五第66页，共102页，2023年，2月20日，星期五第67页，共102页，2023年，2月20日，星期五第68页，共102页，2023年，2月20日，星期五第四节钢的回火回火脆性淬火钢的韧性并不总是随温度升高而提高。在某些温度范围内回火时出现的冲击韧性下降的现象，称回火脆性。回火脆性可分为可逆回火脆性和不可逆回火脆性不可逆回火脆性又称第一类回火脆性。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。回火时应避开这一温度范围。

第69页，共102页，2023年，2月20日，星期五第四节钢的回火回火脆性可逆回火脆性又称第二类回火脆性。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。主要发生在含Cr,Ni,Si,Mn的结构钢中。防止办法：⑴回火后快冷。⑵加入合金元素W(约1%)、Mo(约0.5%)。该法更适用于大截面的零部件。

第70页，共102页，2023年，2月20日，星期五本章练习21、低碳钢板硬度低，可否用淬火方法提高硬度？用什么办法能显著提高硬度？2、亚共析钢热处理时快速加热可显著地提高屈服强度和冲击韧性，是何道理？3、热轧空冷的45钢钢材在重新加热到超过临界点后再空冷下来时，组织为什么能细化？4、确定下列钢件的退火方法，并指出退火目的及退火后的组织：1）经冷轧后的15钢钢板，要求降低硬度；2）ZG35的铸造齿轮3）锻造过热后的60钢锻坯；4）具有片状渗碳体的T12钢坯；第71页，共102页，2023年，2月20日，星期五本章练习25、指出下列零件的锻造毛坯进行正火的主要目的及正火后的显微组织：（1）20钢齿轮（2）45钢小轴（3）T12钢锉刀6、一批45钢试样（尺寸Φ15*10mm），因其组织、晶粒大小不均匀，需采用退火处理。拟采用以下几种退火工艺；（1）缓慢加热至700℃，保温足够时间，随炉冷却至室温；（2）缓慢加热至840℃，保温足够时间，随炉冷却至室温；（3）缓慢加热至1100℃，保温足够时间，随炉冷却至室温；问上述三种工艺各得到何种组织？若要得到大小均匀的细小晶粒，选何种工艺最合适？第72页，共102页，2023年，2月20日，星期五本章练习27、有两个含碳量为1.2%的碳钢薄试样，分别加热到780℃和860℃并保温相同时间，使之达到平衡状态，然后以大于VK的冷却速度至室温。试问：（1）哪个温度加热淬火后马氏体晶粒较粗大？（2）哪个温度加热淬火后马氏体含碳量较多？（3）哪个温度加热淬火后残余奥氏体较多？（4）哪个温度加热淬火后未溶碳化物较少？（5）你认为哪个温度加热淬火后合适？为什么？8、拟用T10制造形状简单的刀具，工艺路线为：锻造—热处理—机加工—热处理—磨加工试写出各热处理工序的名称并指出各热处理工序的作用；指出最终热处理后的显微组织及大致硬度；制定最终热处理工艺规定（温度、冷却介质）第73页，共102页，2023年，2月20日，星期五第六节钢的表面热处理表面热处理是对工件表面进行强化的金属热处理工艺。它不改变零件心部的组织和性能。广泛用于既要求表层具有高的耐磨性、抗疲劳强度和较大的冲击载荷，又要求整体具有良好的塑性和韧性的零件，如曲轴、凸轮轴、传动齿轮等。表面热处理分为表面淬火和化学热处理两大类。

表面淬火化学热处理第74页，共102页，2023年，2月20日，星期五第六节钢的表面热处理

第75页，共102页，2023年，2月20日，星期五第六节钢的表面热处理

上节回顾整体热处理退火预备热处理最终热处理正火淬火回火第76页，共102页，2023年，2月20日，星期五第77页，共102页，2023年，2月20日，星期五第78页，共102页，2023年，2月20日，星期五第六节钢的表面热处理一、表面淬火表面淬火是一种不改变钢表层化学成分，但改变表层组织的局部热处理工艺。通过快速加热使钢的表层奥氏体化，然后急冷，使表层形成马氏体组织，而心部仍保持不变。表面淬火加工的方法有感应加热、火焰加热、电接触加热法等。等。

火焰加热感应加热第79页，共102页，2023年，2月20日，星期五第六节钢的表面热处理一、表面淬火1.感应加热表面淬火（1）感应加热表面淬火的原理利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热的方法。电磁感应集肤效应邻近效应热传导第80页，共102页，2023年，2月20日，星期五第六节钢的表面热处理一、表面淬火1.感应加热表面淬火（1）感应加热表面淬火的原理电磁感应

放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。此电动势称为感应电动势或感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流。第81页，共102页，2023年，2月20日，星期五第六节钢的表面热处理一、表面淬火1.感应加热表面淬火（1）感应加热表面淬火的原理集肤效应当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过，这种现象叫集肤效应。是电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时，会聚集于总导体表层，而非平均分布于整个导体的截面积中。

第82页，共102页，2023年，2月20日，星期五第六节钢的表面热处理一、表面淬火1.感应加热表面淬火（1）感应加热表面淬火的原理邻近效应当高频电流在两导体中彼此反向流动或在一个往复导体中流动时，电流会集中于导体邻近侧流动的一种特殊的物理现象。

第83页，共102页，2023年，2月20日，星期五第六节钢的表面热处理一、表面淬火1.感应加热表面淬火（1）感应加热表面淬火的原理热传导热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现象叫热传导。

第84页，共102页，2023年，2月20日，星期五第六节钢的表面热处理一、表面淬火1.感应加热表面淬火（2）感应加热表面淬火的分类（δ=（500-600)f1/2)高频：70～1000KHz，常用200～300KHz，淬硬深度为0.5～2mm。中小模数齿轮、轴类零件等。中频：500～10000Hz，常用2500～8000Hz，淬硬深度2～10mm，直径较大的轴类和较大模数的齿轮等。工频：50Hz，淬硬深度达10～15mm。直径大于300mm的轧辊及轴类零件等。超音频：20-40kHz，稍高于音频（<20kHz）。第85页，共102页，2023年，2月20日，星期五第六节钢的表面热处理一、表面淬火1.感应加热表面淬火（3）感应加热表面淬火的特点工件表面硬度高、脆性低：表层淬火硬度比普通淬火高出2-3HRC；疲劳强度高：表面马氏体转变形成残余压应力；工件表面质量好、变形小：加热速度快、保温时间短工艺过程易于控制：生产率高，易实现机械化和自动化操作；设备较贵：不适用于单件生产第86页，共102页，2023年，2月20日，星期五第六节钢的表面热处理一、表面淬火1.感应加热表面淬火（4）感应加热表面淬火的技术要求材料的选用：ωc=0.4-0.5%；淬硬层深度：一般有效淬硬度深度为1/10R，对于直径10-20mm的小件可选1/5R，对于较大直径可取小于1/10R；预备热处理：调质或正火淬火后的回火：低温回火或自回火常用工艺路线：锻造-退火或正火——粗机械加工——调质或正火——精机械加工——感应加热淬火——低温回火——磨削。第87页，共102页，2023年，2月20日，星期五第六节钢的表面热处理一、表面淬火2.火焰加热表面淬火（1）基本方法（2）特点及应用a)设备简单,操作方便,成本低。b)淬火质量不稳定。c)适于单件、小批量及大型零件的生产。d)淬硬深度一般为2～6mm。主要适用于单件或小批量生产的大型零件和需要局部淬火的工具及零件等。火焰表面淬火示意图第88页，共102页，2023年，2月20日，星期五第六节钢的表面热处理二、化学热处理将零件置于一定的化学介质中，通过加热、保温,使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层，以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。

根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。化学热处理的主要特点是表层不仅有组织的变化，而且有成分的变化，故性能改变的幅度大。其主要作用是强化和保护金属表面。各种化学热处理都是依靠介质元素的原子向零件内部扩散来进行的，在零件加热到一定温度后，都要进行分解、吸收、扩散三个过程。第89页，共102页，2023年，2月20日，星期五第六节钢的表面热处理二、化学热处理1.钢的渗碳定义：将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。目的：使低碳(wc=0.10-0.25%)钢件表面得到高碳(wc=1.0-1.2%)，经适当的热处理(淬火+低温回火)后获得表面高硬度、高耐磨性；而心部仍保持一定强度及较高的塑性、韧性。应用：适用于同时受磨损和较大冲击载荷的低碳、低合金钢零件，如齿轮、活塞销、套筒及要求很高的喷油嘴偶件等。用钢：低碳钢和低碳合金钢。20、20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA、12CrNi3、12Cr2Ni4等。第90页，共102页，2023年，2月20日，星期五第六节钢的表面热处理二、化学热处理1.钢的渗碳方法：固体、气体、液体渗碳。零件渗碳剂试棒盖泥封渗碳箱固体渗碳法示意图气体渗碳法示意图第91页，共102页，2023年，2月20日，星期五第六节钢的表面热处理二、化学热处理1.钢的渗碳渗碳后的热处理：渗碳后必须进行淬火、低温回火的热处理。常用的淬火方法有直接淬火、一次淬火、二次淬火。

直接淬火一次淬火二次淬火渗碳工件的一般工艺路线为：锻造——正火——机加工——渗碳——淬火+低温回火——精加工第92页，共102页，2023年，2月20日，星期五第六节钢的表面热处理二、化学热处理1.钢的渗碳防止渗碳方法：

(1)加大余量法---在不需要渗碳的部位预先留出一定的加工余量,其留量比渗碳层深度大一倍以上。渗碳后先车去渗碳层再转淬火。

(2)镀铜法---在不需渗碳的部位电镀一层0.02--0.04mm的铜,铜层要致密,不得暴露原金属。

(3)涂料法---在不需渗碳的部位涂上防渗涂料。

(4)工装法----自制专用工装,把不需渗碳的部位封闭密封。注意事项：

(1)不得用镀锌的方法防渗碳。

(2)渗碳后需进行机械加工的工件,硬度不应高于30HRC。

第93页，共102页，2023年，2月20日，星期五第六节钢的表面热处理二、化学热处理1.钢的氮化定义：渗氮一般在Ac1温度以下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理艺。目的：提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳性质、耐蚀性及热硬性。用钢：一般采用碳的质量分数为0.15%～0.45%的合金结构钢。38CrMoAlA特点：渗氮层具有很高的硬度（65～72HRC）和耐磨性，且可维持到560～600℃；渗氮温度低，渗氮后无需进行其他热处理，工件变形小；渗氮后具有良好的耐蚀性。方法：气体渗氮、离子渗氮。渗氮零件的一般工艺路线：锻造——正火或退火——粗加工——调质——精加工——去应力——粗磨——氮化——精磨或研磨第