第六章钢的热处理

第六章钢的热处理第1页，共71页，2023年，2月20日，星期二热处理工艺分类：热处理普通热处理退火正火淬火回火表面热处理化学热处理表面淬火渗碳氮化碳氮共渗火焰加热淬火感应加热淬火激光加热淬火第2页，共71页，2023年，2月20日，星期二第一节钢在加热时的转变一、奥氏体的形成第3页，共71页，2023年，2月20日，星期二1.奥氏体化的四个阶段：奥氏体形核：有效晶核大小取决于奥氏体化的过热度；奥氏体长大：取决于奥氏体化后的温度及保温时间；残余渗碳体的溶解：取决于奥氏体化后的保温时间；奥氏体成分的均匀化：取决于奥氏体化后的保温时间；第4页，共71页，2023年，2月20日，星期二2.钢在加热或冷却时的相变温度：第5页，共71页，2023年，2月20日，星期二二、奥氏体晶粒的长大晶粒度N：

n—1mm2表面中晶粒的个数。

1）起始晶粒度；

2）实际晶粒度；

3）本质晶粒度；晶粒大小与晶粒度的概念：第6页，共71页，2023年，2月20日，星期二奥氏体晶粒长大的倾向与温度的关系：第7页，共71页，2023年，2月20日，星期二影响奥氏体晶粒长大的因素：加热温度和保温时间；加热速度；含碳量；合金元素；1）在保证奥氏体成分均匀的情况下选择尽量低的奥氏体化温度；2）快速加热到较高的温度经短暂的保温使形成的奥氏体来不及长大而冷却得到细小的晶粒。第8页，共71页，2023年，2月20日，星期二三、钢的加热缺陷氧化：温度高于560℃时形成疏松的FeO；脱碳：含碳越高，脱碳越严重；过热：晶粒粗大或工件变形严重；过烧：部分晶界氧化甚至熔化的现象。第9页，共71页，2023年，2月20日，星期二第二节钢在冷却时的转变扩散型相变变温马氏体相变第10页，共71页，2023年，2月20日，星期二一、过冷奥氏体等温转变曲线：第11页，共71页，2023年，2月20日，星期二1.等温曲线的建立：第12页，共71页，2023年，2月20日，星期二2.共析钢TTT曲线的分析：特性线和区域：孕育期和“鼻尖”：C曲线分为三个转变区：P、B、M。转变开始线转变终止线第13页，共71页，2023年，2月20日，星期二3.亚共析钢和过共析钢的TTT曲线：第14页，共71页，2023年，2月20日，星期二二、过冷奥氏体等温转变的组织与性能：珠光体型转变；贝氏体型转变；马氏体型转变；第15页，共71页，2023年，2月20日，星期二1.珠光体转变：扩散型方式：第16页，共71页，2023年，2月20日，星期二组织形态（P、S、T）：1）P：A1~650℃，片层间距在150~450nm；2）S：600~650℃，片层间距在80~150nm；3）T：550~600℃，片层间距在30~80nm。第17页，共71页，2023年，2月20日，星期二力学性能：

珠光体的抗拉强度取决于片间距离的大小：1）P：~800MPa；2）S：~1100MPa；3）T：~1500MPa。

片间距离越小，强度、硬度越高，且塑性和韧性也有所改善。第18页，共71页，2023年，2月20日，星期二2.贝氏体转变：上贝氏体：铁素体板条间分布着粒状或短杆状的渗碳体；560--3500C:贝氏体呈羽毛状，称为上贝氏体，记为B上.第19页，共71页，2023年，2月20日，星期二上贝氏体的组织形态（TEM照片）：第20页，共71页，2023年，2月20日，星期二下贝氏体：针状铁素体内分布有细小的渗碳体，350--Ms（2300C）：贝氏体呈针叶状，称之为下贝氏体，记为B下。

第21页，共71页，2023年，2月20日，星期二下贝氏体的组织形态：第22页，共71页，2023年，2月20日，星期二下贝氏体的组织形态（TEM照片）：第23页，共71页，2023年，2月20日，星期二贝氏体的力学性能：1）上贝氏体的强度、硬度高但韧性差，容易引起脆断，不用；2）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。思考题：上、下贝氏体为什么有这样大的力学性能差异？第24页，共71页，2023年，2月20日，星期二3.马氏体转变：定义：替换原子经无扩散切变位移并产生形状改变和表面浮突、呈不变平面应变特征的一级形核、长大的相变。马氏体转变的无扩散性；马氏体形成有共格关系；马氏体转变的不完全性；马氏体相变是一级形核、长大的相变。第25页，共71页，2023年，2月20日，星期二1）马氏体转变的基本特征：马氏体相变的无扩散性：（1）铁基马氏体的正方度：碳原子随机地处于面心立方八面体间隙；（2）Fe-C合金马氏体形成速度很高；~5×10-7s/片（3）Cu-Al合金马氏体相变中，有序母相转变为有序马氏体；只要冷却速度快到能避免扩散型的相变，所有金属及合金的高温相均可以发生马氏体相变。第26页，共71页，2023年，2月20日，星期二马氏体晶格示意图：第27页，共71页，2023年，2月20日，星期二马氏体形成有共格关系：（1）位移是以切变为主；a.不应变的惯习面证实马氏体相的产生是通过母相的切变而获得。b.马氏体内部呈现各种不同的亚结构，说明相变是不均匀切变的产物。原子移动方式有两种：均匀的点阵形变（点阵畸变）和原子的改组。第28页，共71页，2023年，2月20日，星期二马氏体与母相奥氏体间的共格关系：第29页，共71页，2023年，2月20日，星期二马氏体转变的不完全性：1)X-衍射实验；2）透射电子显微镜实验。第30页，共71页，2023年，2月20日，星期二马氏体相变是一级相变：膨胀仪测定的曲线上存在拐点，说明此温度体积的变化是不连续的；差热分析曲线上存在明显的吸热或放热峰。第31页，共71页，2023年，2月20日，星期二2）钢中马氏体的形态：板条状马氏体：第32页，共71页，2023年，2月20日，星期二片状马氏体：第33页，共71页，2023年，2月20日，星期二3）马氏体的性能：硬度HRC含碳量0.8%~63第34页，共71页，2023年，2月20日，星期二4）马氏体的应用：高碳马氏体用于高硬度高耐磨性的零件，如车刀、铣刀、钻头等。低碳马氏体用于综合性能好的零件，如发动机连杆螺栓、缸盖螺栓，石油钻井的吊环、吊钳等。第35页，共71页，2023年，2月20日，星期二4.影响C曲线的因素：影响C曲线的主要因素含碳量合金元素1）含碳量：C曲线的形状C曲线距纵坐标的距离Ms、Mf的温度影响2）合金元素：除Co（钴）元素外，其它合金元素溶入奥氏体后使C曲线右移第36页，共71页，2023年，2月20日，星期二5.过冷奥氏体连续冷却转变连续冷却转变图：又称CCT曲线在连续冷却转变过程中，亚共析钢有贝氏体转变，共析钢和过共析钢无贝氏体转变。CCT曲线测定比TTT曲线困难。CCT曲线C曲线CCT曲线第37页，共71页，2023年，2月20日，星期二6.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。①②③④⑤第38页，共71页，2023年，2月20日，星期二第三节钢的普通热处理知识要点“四把火”（退火、正火、淬火、回火）的工艺过程；“四把火”对零件加工和使用的影响和作用。第39页，共71页，2023年，2月20日，星期二一普通热处理的作用：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。退火和正火：退火：采用炉冷，冷却速度很低

球状珠光体完全退火球化退火去应力退火再结晶退火亚共析成分的碳钢和合金钢共析或过共析碳钢和合金钢分类第40页，共71页，2023年，2月20日，星期二

2正火（采用空冷，冷却速度较快）目的低碳钢：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。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）：提高切削加工性能性能成本第41页，共71页，2023年，2月20日，星期二三淬火和回火（最终热处理）淬火（采用水冷、油冷，冷却速度很大）目的：获得马氏体工艺：加热－保温－水冷（油冷）常用的淬火介质:水、盐水、油钢的淬透性（钢的一种性能）（1）定义：钢在淬火时获得马氏体的能力。（2）淬透性的测定：临界直径法，顶端淬火法（3）影响淬透性的因素：合金元素，碳含量（4）选材与淬透性理想淬火介质第42页，共71页，2023年，2月20日，星期二顶端淬火法：第43页，共71页，2023年，2月20日，星期二钢的理想淬火冷却曲线：第44页，共71页，2023年，2月20日，星期二各种淬火方法示意图：第45页，共71页，2023年，2月20日，星期二淬透性不同的钢调质后的力学性能：第46页，共71页，2023年，2月20日，星期二

一般规律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一致；如螺栓、连杆、锻模、锤杆（承受拉压载荷）

选用淬透性高的钢；

2）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，冷镦模具、齿轮。

选用淬透性低的钢。3）焊接件：选用淬透性低的钢。

第47页，共71页，2023年，2月20日，星期二3回火（与淬火配合）：（1）定义：将淬火钢重新加热至A1（727C)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。（2）目的：降低马氏体的脆性，增加塑性韧性。稳定组织。降低内应力。调整钢的硬度。第48页，共71页，2023年，2月20日，星期二（1）低温回火：性能：高硬度、高耐磨性，内应力、脆性降低。应用：高碳钢、高碳合金钢制造的工具和模具、滚动轴承；渗碳和表面淬火零件(Wc>0.6%)。

温度：150~300℃。组织：回火马氏体（M回）。第49页，共71页，2023年，2月20日，星期二（2）中温回火：温度：350—500℃；组织：T回（针叶状铁素体+极细小颗粒渗碳体组成）。性能：高强度、硬度，高的弹性极限及屈服强度；具有一定的塑性、韧性；应用：Wc=0.5—0.7%碳钢、合金钢制造的各种弹簧。第50页，共71页，2023年，2月20日，星期二（3）高温回火温度：500-650℃，组织：S回（由等轴状的铁素体和球状渗碳体组成）性能：具有适当的强度、硬度和足够的塑性、韧性（即良好综合性能）。应用：用于Wc为0.3—0.5%的中碳钢和合金钢制造的轴、连杆、螺栓等。生产上将淬火和高温回火称为“调质处理”。第51页，共71页，2023年，2月20日，星期二（4）回火温度与力学性能：一般规律：随回火温度上升，强度、硬度下降，塑性韧性上升。第52页，共71页，2023年，2月20日，星期二（5）回火脆性：第53页，共71页，2023年，2月20日，星期二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。第54页，共71页，2023年，2月20日，星期二一、基本概念目的：使零件具有“表硬心韧”的性能特点。二、分类表面淬火表面化学热处理第55页，共71页，2023年，2月20日，星期二表面淬火：表面与心部的成分一致，组织不一样。

1）工艺：将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未达到心部时立即迅速冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法。

2）分类

火焰加热表面淬火感应加热表面淬火激光加热表面淬火

材料及典型零件：中碳钢（Wc0.4—0.5%）,如40、45钢机床齿轮、轴等零件。第56页，共71页，2023年，2月20日，星期二火焰加热表面淬火：淬硬层深度：2—6mm；优点：方法简便；无需特殊设备；适用于单件、小批量生产零件；缺点：需要操作熟练，否则造成质量不稳定。应用：轧钢机齿轮、轧辊；矿山机械齿轮、轴；机床导轨、齿轮；第57页，共71页，2023年，2月20日，星期二感应加热表面淬火：

淬硬层与频率有关：

0.2—2mm，高频感应加热（100—1000KHZ）

2---8mm，中频感应加热（0.5—10KHZ）；

10—15mm，工频感应加热（50HZ）。特点：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，劳动条件差。第58页，共71页，2023年，2月20日，星期二感应加热淬火示意图：第59页，共71页，2023年，2月20日，星期二激光加热表面淬火：

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。

硬化层：1—2mm

应用：汽车、拖拉机汽缸套、汽缸、活塞环、凸轮轴等零件；特点：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，但是设备昂贵。第60页，共71页，2023年，2月20日，星期二表面化学热处理：（表层与心部的成分、组织都不同）。工艺:将工件置于某种化学介质中，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。可渗的元素：渗碳、氮、碳氮共渗（C、N、C\N）；渗硼、铬(B、Cr）；渗铝、硅(Al、Si)；渗硫(S)；第61页，共71页，2023年，2月20日，星期二渗碳（重点内容）：（1）常用的材料：低碳钢或者低碳合金钢，如，20，25，20CrMnTi等（用于汽车齿轮）；（2）介质：最常用的气体（煤油、苯、甲醇等高温分解的混合气体（CO,CH4C2H4等））具有活性碳原子；（3）过程：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。（4）温度：在奥氏体区，900—950℃，

时间：根据渗层深度而定，约10小时左右，第62页，共71页，2023年，2月20日，星期二渗碳的工艺曲线及组织：热处理：渗碳+淬火+低温回火；组织表层：高碳回火马氏体+碳化物+A’组织心部：F+P或者M回（低碳）+F+A’温度时间第63页，共71页，2023年，2月20日，星期二气体渗碳装置示意图第64页，共71页，2023年，2月20日，星期二典型零件工艺路线的制定：轴类零件（机床主轴）：（1）分析工作条件：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。（2）失效形式：疲劳断裂，轴颈处磨损（主要方式）；冲击过载