热处理复习专题培训市公开课金奖市赛课一等奖课件

复习与习题第1页第1页1热处理概述热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢组织结构，取得所需要性能一个工艺。为简明表示热处理基本工艺过程，通惯用温度-时间坐标绘出热处理工艺曲线。第2页第2页热处理特点:热处理区别于其它加工工艺如铸造、压力加工等特点是只通过改变工件组织来改变性能，而不改变其形状。热处理合用范围:只适合用于固态下发生相变材料，不发生固态相变材料不能用热处理强化。热处理分类

热处理原理：描述热处理时钢中组织转变规律称热处理原理。热处理工艺：依据热处理原理制定温度、时间、介质等参数称热处理工艺。第3页第3页依据加热、冷却方式及钢组织性能改变特点不同，将热处理工艺分类以下：其它热处理普通热处理表面热处理热处理退火正火淬火回火真空热处理形变热处理激光热处理控制气氛热处理表面淬火—感应加热、火焰加热、电接触加热等化学热处理—渗碳、氮化、碳氮共渗、渗其它元素等第4页第4页分别用Ac1、Ac3、Accm表示;冷却时实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此普通手册中数据是以30-50℃/h速度加热或冷却时测得。临界温度铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象，因此将钢加热时实际转变温度第5页第5页2钢在加热时转变加热是热处理第一道工序。加热分两种：一个是在A1下列加热，不发生相变；另一个是在临界点以上加热，目的是取得均匀奥氏体组织，称奥氏体化。2.1奥氏体形成过程奥氏体化也是形核和长大过程，分为四步。第一步奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核。第二步奥氏体晶核长大：晶核通过碳原子扩散向和Fe3C方向长大。第6页第6页第三步残余Fe3C溶解:铁素体成份、结构更靠近于奥氏体，因而先消失。残余Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。第四步奥氏体成份均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成份趋于均匀。第7页第7页亚共析钢和过共析钢奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析或二次Fe3C存在，要取得所有奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上。第8页第8页2.2奥氏体晶粒长大及其影响原因(1)奥氏体晶粒度奥氏体化刚结束时晶粒度称起始晶粒度,此时晶粒细小均匀。随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这也是一个自发过程。奥氏体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同。第9页第9页

温来判断。

晶粒度为1-4级是本质粗晶粒钢,5-8级是本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。

在给定温度下奥氏体晶粒度称实际晶粒度。加热时奥氏体晶粒长大倾向称本质晶粒度。通常将钢加热到94010℃奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒保留到室第10页第10页(2)影响奥氏体晶粒长大原因加热温度和保温时间:加热温度高、保温时间长,晶粒粗大.加热速度:加热速度越快,过热度越大,形核率越高,晶粒越细.合金元素：阻碍奥氏体晶粒长大元素:Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。增进奥氏体晶粒长大元素：Mn、P。原始组织:靠近平衡状态组织有助于取得细晶粒。第11页第11页3钢在冷却时转变3.1过冷奥氏体转变产物及转变过程处于临界点A1以下奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。现以共析钢为例说明：第12页第12页（1）珠光体转变过冷奥氏体在A1到550℃间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间机械混合物，依据片层厚薄不同,又细分为珠光体、索氏体和托氏体。第13页第13页珠光体：形成温度为A1-650℃，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示.光镜形貌电镜形貌第14页第14页索氏体形成温度为650-600℃,片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S表示。电镜形貌光镜形貌第15页第15页托氏体形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示。电镜形貌光镜形貌第16页第16页珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上粗细之分，因此其界线也是相正确。片间距越小，钢强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改进。片间距bHRC第17页第17页（2）贝氏体转变过冷奥氏体在550℃-230℃(Ms)间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。依据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下).第18页第18页上贝氏体形成温度为550-350℃。在光镜下呈羽毛状.在电镜下为不连续棒状渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长铁素体条之间。光镜下电镜下第19页第19页下贝氏体形成温度为350℃-Ms。在光镜下呈竹叶状。在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈55-60º角。上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。下贝氏体含有良好综合力学性能，是生产上惯用强化组织之一。

光镜下电镜下第20页第20页(3)马氏体转变当奥氏体过冷到Ms下列将转变为马氏体类型组织。马氏体转变是强化钢主要路径之一。a.马氏体晶体结构碳在-Fe中过饱和固溶体称马氏体，用M表示。马氏体转变时，奥氏体中碳所有保留到马氏体中。第21页第21页马氏体含有体心正方晶格（a=b≠c）轴比c/a称马氏体正方度。C%越高，正方度越大，正方畸变越严重。当＜0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格。第22页第22页b.马氏体形态马氏体形态分板条和针状两类。板条马氏体立体形态为细长扁棒状在光镜下板条马氏体为一束束细条组织。在电镜下，板条内亚结构主要是高密度位错，=1012/cm2,又称位错马氏体。光镜下电镜下第23页第23页针状马氏体立体形态为双凸透镜形片状。显微组织为针状。在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。电镜下光镜下第24页第24页马氏体形态主要取决于其含碳量C%小于0.2%时，组织几乎所有是板条马氏体。C%不小于1.0%C时几乎所有是针状马氏体.C%在0.2-1.0%之间为板条与针状混合组织。马氏体形态与含碳量关系0.45%C0.2%C1..2%C第25页第25页(3)马氏体性能高硬度是马氏体性能主要特点。马氏体硬度主要取决于其含碳量。含碳量增长，其硬度增长。当含碳量不小于0.6%时，其硬度趋于平缓。合金元素对马氏体硬度影响不大。马氏体硬度、韧性与含碳量关系C%第26页第26页马氏体强化主要原因是过饱和碳引起固溶强化。另外，马氏体转变产生组织细化也有强化作用。马氏体塑性和韧性主要取决于其亚结构形式。针状马氏体脆性大，板条马氏体含有较好塑性和韧性。第27页第27页(4)马氏体转变特点马氏体转变也是形核和长大过程。其主要特点是：无扩散性铁和碳原子都不扩散，因而马氏体含碳量与奥氏体含碳量相同。共格切变性由于无扩散，晶格转变是以切变机制进行。使切变部分形状和体积发生改变，引起相邻奥氏体随之变形，在预先抛光表面上产生浮凸现象。第28页第28页降温形成马氏体转变开始温度称上马氏体点，用Ms表示。马氏体转变终了温度称下马氏体点，用Mf表示。只要温度达到Ms下列即发生马氏体转变。在Ms下列，随温度下降,转变量增长，冷却中断,转变停止。第29页第29页高速长大马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。当一片马氏体形成时，也许因撞击作用使已形成马氏体产生裂纹。⑸转变不完全即使冷却到Mf点，也不也许取得100%马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称残余奥氏体，用A’或’表示。第30页第30页Ms、Mf与冷速无关，主要取决于奥氏体中合金元素含量（包括碳含量）。马氏体转变后，A’量随含碳量增长而增长，当含碳量达0.5%后，A’量才明显。含碳量对马氏体转变温度影响含碳量对残余奥氏体量影响第31页第31页4过冷奥氏体转变图过冷奥氏体转变方式有等温转变和连续冷却转变两种。两种冷却方式示意图1——等温冷却2——连续冷却第32页第32页过冷奥氏体等温转变图是表示奥氏体急速冷却到临界点A1以下在各不同温度下保温过程中转变量与转变时间关系曲线。又称C曲线、或TTT曲线。4.1过冷奥氏体等温转变图第33页第33页（1）C曲线分析A1-Ms间及转变开始线以左区域为过冷奥氏体区。转变终了线以右及Mf下列为转变产物区。两线之间及Ms与Mf之间为转变区。时间温度A1MSMfA过冷PBMA→MA→BA→P转变开始线转变终了线奥氏体第34页第34页⑴转变开始线与纵坐标之间距离为孕育期。孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小。孕育期最小处称C曲线“鼻尖”。碳钢鼻尖处温度为550℃。第35页第35页在鼻尖以上,温度较高，相变驱动力小.在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而使奥氏体稳定性增加。⑵C曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下等温转变产物。第36页第36页（2）影响C曲线原因成份影响

含碳量影响：共析钢过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。Ms与Mf点随含碳量增长而下降。与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C曲线上部各多一条先共析相析出线。第37页第37页合金元素影响除Co外,凡溶入奥氏体合金元素都使C曲线右移。除Co和Al外,所有合金元素都使Ms与Mf点下降。奥氏体化条件影响奥氏体化温度提升和保温时间延长，使奥氏体成份均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增长了过冷奥氏体稳定性，使C曲线右移。使用C曲线时应注意奥氏体化条件及晶粒度影响。

第38页第38页4.2过冷奥氏体连续冷却转变图过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT(Continuous-Cooling-Transformationdiagram)曲线，是经过测定不同冷速下过冷奥氏体转变量取得。共析钢CCT曲线过共析钢CCT曲线亚共析钢CCT曲线第39页第39页共析钢CCT曲线共析钢CCT曲线没有贝氏体转变区，在珠光体转变区之下多了一条转变中断线。当连续冷却曲线碰到转变中断线时，珠光体转变中断，余下奥氏体始终保持到Ms下列转变为马氏体。Vk’Vk共析钢CCT曲线第40页第40页图中Vk为CCT曲线临界冷却速度，即取得所有马氏体组织时最小冷却速度.Vk’为TTT曲线临界冷却速度.Vk’1.5Vk。第41页第41页CCT曲线位于TTT曲线右下方。CCT曲线取得困难，TTT曲线容易测得。可用TTT曲线定性阐明连续冷却时组织转变情况。办法是将连续冷却曲线绘在C曲线上，依其与C曲线交点位置来阐明最后转变产物。用TTT曲线定性阐明共析钢连续冷却时组织转变炉冷空冷油冷水冷PST+M+A’M+A’第42页第42页过共析钢CCT曲线也无贝氏体转变区,但比共析钢CCT曲线多一条A→Fe3C转变开始线。由于Fe3C析出,奥氏体中含碳量下降,因而Ms线右端升高。亚共析钢CCT曲线有贝氏体转变区，还多A→F开始线,F析出使A含碳量升高,因而Ms线右端下降。过共析钢CCT曲线亚共析钢CCT曲线第43页第43页5钢退火与正火

机械零件普通加工工艺为：毛坯（铸、锻）→预备热处理→机加工→最后热处理。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后热处理。第44页第44页5.1退火将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却(炉冷)热处理工艺叫做退火。(1)退火目的调整硬度，便于切削加工。适合加工硬度为170-250HB。消除内应力，预防加工中变形。细化晶粒，为最后热处理作组织准备。第45页第45页(2)退火工艺退火种类诸多，惯用有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火。完全退火将工件加热到Ac3+30-50℃保温后缓冷退火工艺，主要用于亚共析钢。第46页第46页等温退火亚共析钢加热到Ac3+30-50℃,共析、过共析钢加热到Ac1+30-50℃，保温后快冷到Ar1下列某一温度下停留，待相变完毕后出炉空冷。等温退火可缩短工件在炉内停留时间，更适合于孕育期长合金钢。高速钢等温退火与普通退火比较第47页第47页球化退火球化退火是将钢中渗碳体球状化退火工艺。它是将工件加热到Ac1+30-50℃保温后缓冷，或者加热后冷却到略低于Ar1温度下保温，使珠光体中渗碳体球化后出炉空冷。主要用于共析、过共析钢。第48页第48页球化退火组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体组织，称球状珠光体,用P球表示。对于有网状二次渗碳体过共析钢，球化退火前应先进行正火，以消除网状。球状珠光体第49页第49页5.2正火正火是将亚共析钢加热到Ac3+30-50℃，共析钢加热到Ac1+30-50℃，过共析钢加热到Accm+30-50℃保温后空冷工艺。正火比退火冷却速度大。(1)正火后组织

●<0.6%C时，组织为F+S；●0.6%C时，组织为S。

正火温度第50页第50页(2)正火目的对于低、中碳钢(≤0.6C%)，目的与退火相同。对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。普通件最后热处理。要改进切削性能，低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火,高碳钢用球化退火。第51页第51页6钢淬火淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以不小于Vk速度冷却，使奥氏体转变为马氏体热处理工艺。淬火是应用最广热处理工艺之一。淬火目的是为取得马氏体组织，提升钢性能。第52页第52页（1）淬火温度碳钢亚共析钢淬火温度为Ac3+30-50℃。亚共析钢淬火组织：0.5%C时为M0.5%C时为M+A’。第53页第53页共析钢淬火温度为Ac1+30-50℃；淬火组织为M+A’。过共析钢淬火温度:Ac1+30-50℃。温度高于Accm，则奥氏体晶粒粗大、含碳量高,淬火后马氏体晶粒粗大、A’量增多。使钢硬度、耐磨性下降，脆性、变形开裂倾向增长。淬火组织:M+Fe3C颗粒+A’。(预备组织为P球)第54页第54页合金钢由于多数合金元素(Mn、P除外)对奥氏体晶粒长大有阻碍作用，因而合金钢淬火温度比碳钢高。亚共析钢淬火温度为Ac3+50-100℃。共析钢、过共析钢淬火温度为Ac1+50-100℃。第55页第55页（2）淬火介质抱负冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在Ms附近尽也许缓冷，以达到既取得马氏体组织，又减小抱负淬火曲线示意图MsMf

内应力目的。但当前还没有找到抱负淬火介质。惯用淬火介质是水和油.水冷却能力强，但低温却能力太大，只使用于形状简朴碳钢件。第56页第56页（3）淬火办法单液淬火法加热工件在一个介质中连续冷却到室温淬火办法。双液淬火法工件先在一个冷却能力强介质中冷，却躲过鼻尖后，再在另一个冷却能力较弱介质中发生马氏体转变办法。如水淬油冷，油淬空冷。长处是冷却抱负，缺点是不易掌握。用于形状复杂碳钢件及大型合金钢件。各种淬火办法示意图1—单液淬火法2—双液淬火法3—分级淬火法4—等温淬火法第57页第57页分级淬火法在Ms附近盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后再取出缓冷。可减少内应力，用于小尺寸工件。等温淬火法将工件在稍高于Ms盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而取得下贝氏体组织淬火办法。经等温淬火零件含有良好综合力学性能，淬火应力小。适合用于形状复杂及要求较高小型件。第58页第58页(4)钢淬透性钢淬火时形成马氏体能力叫做钢淬透性，其大小是用要求条件下淬硬层深度来表示。淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区(50%M+50%P)深度。淬硬性是指钢淬火后所能达到最高硬度，即硬化能力。在同样淬火条件下,淬透层深度越大,则反应钢淬透性越好。第59页第59页a、影响淬透性原因(1)碳含量

对于碳钢：亚共析钢随碳含量增长，C曲线右移，淬透性提升；过共析钢随碳含量增长，C曲线左移，淬透性减少；共析钢临界冷速最小，淬透性最好。(2)合金元素

除Co外，凡溶入奥氏体合金元素都使钢淬透性提升；(3)奥氏体化温度

奥氏体化温度高、保温时间长也使钢淬透性提升。(4)钢中未溶第二相

钢中未溶入奥氏体中碳化物、氮化物及其它非金属夹杂物，可成为奥氏体分解非自发关键，使临界冷却速度增大，减少淬透性。第60页第60页b、淬透性应用（1）比较不同钢种淬透性淬透性是钢材选取主要依据之一。用半马氏体硬度曲线和淬透性曲线，找出钢半马氏体区所对应距水冷端距离。该距离越大，则淬透性越好。40Cr钢淬透性比45钢要好。第61页第61页（2）利用淬透性曲线进行选材。截面较大、形状复杂以及受力较苛刻螺栓、拉杆、锻模、锤杆等工件，要求截面机械性能均匀，应选取淬透性好钢。承受弯曲或扭转载荷轴类零件、外层受力较大，心部受力较小，可选取淬透性较低钢种。第62页第62页（3）利用淬透性可控制淬硬层深度。对于截面承载均匀主要件,要所有淬透。如螺栓、连杆、模具等。对于承受弯曲、扭转零件可不必淬透(淬硬层深度普通为半径1/2-1/3)，如轴类、齿轮等。淬硬层深度与工件尺寸相关,设计时应注意尺寸效应。

高强螺栓柴油机连杆齿轮第63页第63页7钢回火回火是指将淬火钢加热到A1下列某温度保温后冷却工艺。(1)回火目的减少或消除淬火内应力,预防变形或开裂.取得工艺所要求力学性能。稳定尺寸。对于一些高淬透性钢，空冷即可淬火，如采用回火软化既能减少硬度，又能缩短软化周期。第64页第64页（2）回火种类低温回火

回火温度：150℃～250℃。

低温回火时，淬火马氏体内部会析出碳化物薄片（Fe2.4C),马氏体过饱和度减小。第65页第65页低温回火后组织：●亚共析钢淬火、低温回火后组织回火马氏体(回火M)●过共析钢淬火、低温回火后组织回火马氏体＋碳化物＋残余奥氏体目的：减少淬火应力，提升工件韧性，确保淬火后高硬度(58HRC～64HRC)和高耐磨性。应用：锉刀、锯条等工具。第66页第66页中温回火

回火温度：350℃～500℃组织：回火屈氏体(回火T)。铁素体基体与弥散分布细粒状渗碳体混合组织。铁素体仍保留马氏体形态，碳化物比回火马氏体中碳化物粗。含有高弹性极限和屈服强度、一定韧性，硬度普通为35HRC～45HRC。应用：弹簧第67页第67页高温回火

回火索氏体

回火索氏体综合机械性能最好,即强度、塑性和韧性都比较好，硬度普通为25HRC～35HRC。淬火加高温回火称为调质处理。应用：螺栓、连杆回火温度：500℃～650℃组织：回火索氏体(回火S)：粒状渗碳体和铁素体基体混和组织。第68页第68页（3）回火脆性淬火钢韧性并不总是随温度升高而提升。在一些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降现象，称回火脆性。第69页第69页第一类回火脆性又称不可逆回火脆性。是指淬火钢在250-350℃回火时出现脆性。这种回火脆性是不可逆，只要在此温度范围内回火就会出现脆性，当前尚无有效消除办法。回火时应避开这一温度范围。第70页第70页第二类回火脆性又称可逆回火脆性。是指淬火钢在500-650℃范围内回火后缓冷时出现脆性。回火后快冷不出现，是可逆。预防办法：⑴回火后快冷。⑵加入合金元素W(约1%)、Mo(约0.5%)。该法更适合用于大截面零部件。

第71页第71页8钢化学热处理化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活性原子渗透工件表层从而改变工件表层化学成份和组织,进而改变其性能热处理工艺。与表面淬火相比，化学热处理不但改变钢表层组织，还改变其化学成份。依据渗透元素不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、多元共渗、渗其它元素等。第72页第72页（1）化学热处理基本过程渗剂分解:分解同时释放出活性原子。如：渗碳CH4→2H2+[C]氮化2NH3→3H2+2[N]工件表面吸取:活性原子向固溶体溶解或与钢中一些元素形成化合物。原子向内部扩散。第73页第73页（2）钢渗碳

是指向钢表面渗入碳原子过程。

渗碳目的

提升工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好韧性。

渗碳用钢

为含0.1-0.25%C低碳钢。碳高则心部韧性减少。第74页第74页气体渗碳法示意图渗碳办法⑴气体渗碳法将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。渗剂为气体(煤气、液化气等)或有机液体(煤油、甲醇等)。长处:质量好,效率高；缺点:渗层成份与深度不易控制。第75页第75页⑵固体渗碳法将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。渗剂为木炭。长处：操作简朴；缺点：渗速慢，劳动条件差。⑶真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。长处:表面质量好,渗碳速度快。第76页第76页渗碳温度：为900-950℃。渗碳层厚度（由表面到过度层二分之一处厚度）普通为0.5-2mm。渗碳层表面含碳量：以0.85-1.05为最好。渗碳缓冷后组织：表层为P+网状Fe3CⅡ;心部为F+P;中间为过渡区。第77页第77页渗碳后热处理淬火+低温回火,回火温度为160-180℃。淬火办法有：⑴预冷淬火法渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。渗碳后热处理示意图第78页第78页⑵一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。⑶二次淬火法：即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac3+30-50℃，细化心部；第二次加热为Ac1+30-50℃，细化表层。惯用办法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50℃淬火+低温回火。此时组织为：表层