机械基础 第三版 课件 单元3 金属材料的热处理

机械基础模块二机械零件的材料

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单元一金属材料的性能金属材料及应用金属材料的热处理单元二单元三单元三

金属材料的热处理教学目标一、目标和要求（1）了解钢热处理的定义、分类及应用范围（2）掌握钢铁材料常用的热处理工艺方法（3）了解钢热处理的目的二、重点和难点（1）钢热处理的分类及特点（2）钢热处理的方法及目的第一节金属材料热处理概述第二节钢的整体热处理第三节钢的表面热处理

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案例导入历史故事相传，三国时诸葛亮带兵打仗，请当时的著名工匠蒲元为他的军队制造了3000把钢刀，蒲元运用了“清水淬其锋”的热处理工艺，使钢刀削铁如泥，从而打败敌军。从这些故事可知，淬火的主要目的是为了获得马氏体，提高钢的强度和硬度。第一节金属材料热处理概述第二节钢的整体热处理第三节钢的表面热处理

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金属材料热处理概述

把金属材料(可分为钢、铸铁和有色金属及合金等）加热到一定温度,在此温度保持一定时间,用合适的冷却介质冷却到室温的过程。通过热处理，可以改变材料的内部组织（金相组织）和结构，以获得我们所需要的性能（分物理性能和化学性能）。热处理概念：金属材料热处理概述

热处理分为加热、保温、冷却三个过程。对于不同的金属材料、不同的外形尺寸和不同的加热介质，为了不同的目的，最终加热温度的高低、加热速度、保温时间长短、冷却介质及冷却速度和方式各有不同。热处理工艺曲线热处理工艺曲线：金属材料热处理概述金属材料热处理概述热处理工艺分类：根据热处理的目的和工艺方法不同：整体热处理——退火、正火、淬火、回火等热处理

表面热处理表面淬火——火焰加热、感应加热化学热处理——渗碳、渗氮、碳氮共渗等热处理金属材料热处理概述最终热处理是在零件完成机械加工后进行的，目的在于获得零件所需的力学性能。热处理工艺分类：根据工序位置的不同：预备热处理预备热处理是在零件加工过程中进行的，目的在于改善铸造、锻造或焊接毛坯件的内部组织，消除内部应力，为后续机械加工或进一步的热处理作准备，最终热处理。第一节金属材料热处理概述第二节钢的整体热处理第三节钢的表面热处理

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钢的整体热处理整体热处理是对工件整体加热，然后以适当速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。整体热处理退火正火回火淬火退火1.概念

退火是将钢件加热到适当的温度，经过一定时间的保温后，缓慢冷却（一般为随炉冷却）以使内部组织均匀化，从而获得预期力学性能的热处理工艺。2.目的消除钢铁材料的内应力；降低钢铁材料的硬度，提高其塑性；细化钢铁材料的组织，均匀其化学成分，并为最终热处理做好组织准备。退火3.分类及应用

不同成分的钢件在退火时所需的加热温度和冷却方式各不相同，通常可将退火分为完全退火、等温退火、球化退火、均匀退火和去应力退火。（a）加热温度

（b）工艺曲线示意图几种退火方式的工艺曲线退火几种退火方式的处理方法、特点及应用范围类别处理方法特点应用范围完全退火

将工件加热到Ac3以上30～50℃，保温一段时间后，随炉冷却到500°C以下再出炉空冷

降低硬度，有利于切削；消除残余应力，稳定工件尺寸；细化晶粒，改善组织，提高力学和工艺性能适用于亚共析钢和合金钢的铸件、锻件和焊件等等温退火将工件加热到Ac3（或Ac1）温度，保持适当时间后，较快冷却到珠光体，并等温保持，使奥氏体转变为珠光体后出炉空冷细化组织和降低硬度，获得的组织比完全退火更均匀，可缩短退火时间适用于中碳合金钢和低合金钢球化退火将工件加热到Ac1以上20～30℃、保温一段时间后，随炉缓慢冷却

降低硬度，提高塑性，改善切削加工性能，为淬火做组织准备适用于亚共析钢和过共析钢，碳素工具钢、合金工具钢及轴承钢等，

均匀退火将工件加热到Ac3以上150～200℃，保温10～15h后缓慢冷却，随炉冷却到350

C以下再出炉空冷

消除钢件内部化学成分的偏析和组织的不均匀性适用于合金钢的大型铸件或锻件去应力退火

将工件加热到Ac1以下100～200℃左右，保温一段时间后，随炉冷却至250℃左右后取出空冷使组织均匀，消除上一步加工工序产生的残余应力，以减小变形、脆裂适用于锻造、铸造等毛坯去应力处理，为后续冷热加工作准备正火1.概念2.目的及应用（1）提高低碳钢、低碳合金钢的硬度，改善切削加工性能。（2）细化晶粒，消除组织缺陷，为后续热处理工艺做好组织准备。（3）提高强度、硬度和韧性，可作为对力学性能要求不高的机械零部件的最终热处理正火是将钢件加热到Ac3（对于亚共析钢）或Acm（对于过共析钢）以上30～50℃，经过一段时间保温后，在空气中冷却以得到珠光体组织的热处理工艺。由于正火比退火的加热温度略高，冷却速度也较快，故正火后钢件的强度和硬度较高。淬火1.概念2.淬火介质

钢件进行淬火时所使用的冷却介质称为淬火介质。按照冷却能力从高到低的顺序，常用的淬火介质包括水及水溶液、各种矿物油、硝盐浴、碱浴及空气等。通常情况下，对钢件进行淬火，在较高温度区间内，需要快速冷却以获得较高的硬度。

淬火是将钢件加热到加热到Ac3（对于亚共析钢）或Ac1（对于过共析钢）以上30～50℃，经过一定时间的保温后，在某种介质中快速冷却，以大幅提高材料硬度的热处理工艺淬火3.常用淬火方法根据冷却方式的不同，淬火可分为单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火等。1—单介质淬火法；2—双介质淬火法；3—分级淬火法；4—等温淬火法各种淬火方法的冷却曲线示意图淬火各种淬火方法的工艺特点及应用范围类别处理方法工艺特点应用范围单介质淬火

单介质淬火是将工件加热奥氏体化后浸入某一种冷却介质中冷却的淬火工艺。一般形状简单的碳钢件在水中淬火，合金钢件和尺寸较小的碳钢件在油中淬火。

操作简单、易于实现机械化；但在水中冷却时，容易造成钢件变形和开裂；在油中冷却时，难以达到所要求的硬度或硬度分布不均匀

适用于形状简单、尺寸较小的低碳或中碳钢工件双介质淬火

双介质淬火是将工件加热奥氏体化后先浸人冷却能力强的介质，在组织即将发生马氏体转变时立即转入冷却能力弱的介质中冷却的淬火工艺。如先水淬后油冷、先水淬后空冷等。

能综合两种淬火介质的优点，高温时快速冷却可以获得较高的组织硬度，低温时缓慢冷却可以减少钢件的变形和开裂；但钢件在第一种介质中的冷却时间难以掌握，操作技术要求较高适用于形状复杂的高碳钢件或尺寸较大的合金钢工件分级淬火

分级淬火是将工件加热奥氏体化后浸如温度稍高或稍低于Ms的碱浴或盐浴中保持适当时间，在工件整体达到介质温度后取出空冷以获得马氏体的淬火工艺。

能够减小钢件热应力，防止工件变形和开裂适用于尺寸小、形状复杂的高碳钢或合金钢工具或模具等温淬火等温淬火是将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。

能够防止开裂和变形，工件具有较好的韧性、塑性、硬度和耐磨性；但生产周期长，效率低

适用于各种形状复杂、尺寸精度要求高、韧性要求高的中、高碳钢及合金钢制作的模具、刃具等回火1.概念2.目的及应用回火具有以下方面的目的：①提高组织稳定性，避免钢件在使用过程中发生组织转变，从而造成开裂和变形。②消除内部应力，以稳定钢件几何尺寸并改善切削加工性能。③适当降低钢件硬度和强度，提高韧性和塑性，以获得良好的综合力学性能。

回火是将淬火后的钢件重新加热到A1（相变温度）以下某个温度，保温一定时间后冷却至室温的热处理工艺。回火通常作为钢件的最终热处理工艺，在工业生产中应用十分广泛。

钢件经淬火后，内部存在着马氏体、贝氏体及残余奥氏体等不稳定组织，随着时间的推移很容易发生组织转变，因此一般需要马上进行回火。回火3.回火方法的分类回火的温度越高，获得的钢件硬度、强度越低，塑性和韧性越高。三类回火方法工艺特点及应用范围类别保温温度工艺特点应用范围低温回火150～250℃

获得的组织为回火马氏体，硬度为58～64HRC；能够减小淬火时产生的内应力，降低钢件脆性，获得较高的硬度和耐磨性，并保持一定的韧性适用于处理各种要求高硬度、高耐磨性的工件，如各种刀具、量具、模具、滚动轴承等中温回火250～500℃

获得的组织为回火托氏体，硬度为35～50HRC；钢件具有较高的弹性和一定的韧性适用于处理各种弹性零件和热锻模具，如弹簧等高温回火500～650℃

获得的组织为回火索氏体，硬度为25～35HRC；能够使钢件具有较高的强度、良好的塑性和韧性，提高钢件的综合力学性能

适用于各种重要的受力零部件，如传动轴、连杆、齿轮、丝杠等调质处理

先对钢件进行淬火，再进行高温回火，这种复合热处理工艺称为调质处理，简称为调质。调质处理可使钢件获得良好的综合力学性能，在具有较高强度和硬度的同时保持一定的韧性和塑性，通常用于丝杠、连杆、主轴、轴承等受力复杂的重要机械零部件。（a）丝杠

（b）连杆

（c）机床主轴

（d）轴承经调质处理的零部件时效处理人工时效

指将钢件重新加热到100～150℃，在较短时间内（5～20h）进行的时效处理自然时效时效处理时效时是否加热指不经过加热，将钢件直接存放在室温条件下，长时间放置而进行的时效处理。振动时效

指常温时使钢件以一定的频率进行振动，以使其内部应力均匀化，稳定钢件的形状和尺寸的处理工艺。

经塑性变形、铸造、锻造加工后的钢件，在粗加工之后、精加工之前，被放置在较高的温度或室温环境中，存放一段时间，以使钢件的性能、形状、尺寸等发生缓慢变化直至稳定状态，这种热处理工艺称为时效处理，简称为时效。第一节金属材料热处理概述第二节钢的整体热处理第三节钢的表面热处理

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钢的表面热处理表面热处理是指仅对钢件的表面进行热处理，以改变表层组织结构和力学性能的热处理工艺。工业技术的飞速发展，对机械零件提出了各种各样的要求。发动机中的轴和齿轮，一方面要求轴面和齿轮硬度高、耐磨性好，另一方面要求能够承受很大的冲击载荷和传递很大的扭距。这类零件表面和心部的要求不同，仅采用一种材料且经过一种的处理是很难实现的。表面热处理可以很好的满足这种零件“表里不一”的性能要求。（a）曲轴

（b）

传动齿轮

表面热处理的零件钢的表面热处理根据工艺方法和原理的不同，表面热处理可分为表面淬火和化学处理两大类。表面淬火主要通过钢件表面进行快速加热和冷却，使钢件表面获得马氏体组织，提高表面硬度和耐磨性；化学的热处理通过改变钢件表层的化学成分，从而改变表层组织并提高其力学性能。表面淬火

仅对钢件表面进行淬火而不改变其组成成分的热处理工艺称为表面淬火。表面淬火需要对钢件表面进行快速加热，并在表层热量未传到心部之前进行快速冷却，从而使表层获得很高的硬度和耐磨性，同时心部保持良好的韧性和塑性。表面淬火加热方式感应表面加热淬火火焰加热表面淬火电接触加热表面淬火激光热处理表面淬火感应加热原理示意图

右图为感应表面加热淬火的原理示意图。将钢件置于加热线圈中，当加热线圈内通入交流电时，所产生的交变磁场会在钢件内部产生巨大的感应电流。其中，钢件表面的电流密度最大，心部的电流密度最小，几乎为零。感应电流的这种分布现象称为“集肤效应”。由于钢件具有电阻，因此钢件表面迅速加热升温，在几秒钟内即可达到800～1000℃，而心部温度变化较小。加热后迅速向钢件表面喷水冷却即可完成表面淬火。1.感应加热表面淬火

感应加热表面淬火时，钢件表层无氧化及变形现象，淬火质量好，且淬硬层深度可控，同时加热速度快、时间短，易于实现机械化和自动化；但加热设备结构复杂、成本高昂，故适用于中碳钢、低合金钢制造的中小型工件的大批量处理。

根据所通交变电流频率的范围，感应加热可分为高频感应加热（10～500kHz）、中频感应加热（500～10000Hz）和工频感应加热（50Hz）。钢件淬硬层的深度与交流电的频率有直接关系，加热电流的频率越高，感应电流越集中在钢件表面，淬火后钢件的淬硬层越薄。1.感应加热表面淬火2.火焰加热感应加热表面淬火原理示意图

火焰加热表面淬火是利用乙炔等可燃气体剧烈燃烧时产生的热量加热钢件表面，然后使其快速冷却的热处理工艺。

右图为火焰加热表面淬火的原理示意图，其主要依靠改变火焰喷嘴与钢件间的距离来控制淬硬层深度，容易造成钢件表面加热不均，影响淬火质量，同时由于加热时间难以把握，获得的淬硬层深度难以统一，但加热设备简单，容易操作，成本低廉，故适用于单件、小批量工件的处理。化学热处理

将钢件置于一定的介质中，通过加热、保温和冷却使介质中的一种或几种元素渗入钢件表面，以改变表层的化学成分和组织，从而使钢件表层和心部具有不同的性能，这种热处理工艺称为化学热处理。化学热处理是通过改变钢件的化学组成成分来改变其组织和性能的。

化学热处理的过程包括介质分解成活性原子、工件表面吸收活性原子和活性原子在内部扩散三个基本阶段。化学热处理化学成分渗碳渗氮碳氮共渗化学热处理1.渗碳

钢的渗碳是指向低碳钢或低合金钢工件表面渗入碳原子，以提高表层含碳量，使钢件表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持良好韧性的表面热处理工艺。渗碳渗碳剂气体渗碳固体渗碳液体渗碳化学热处理1.渗碳

上图为气体渗碳的原理示意图，将气体渗碳原理示意图待渗碳工件放入密封的加热炉中，加热到临界温度（通常为900～930℃），按一定流量滴入液体渗碳剂（如煤油、苯、甲醛、丙酮等），渗碳剂在高温下发生分解反应，提供大量活性碳原子，吸附在工件表面并逐步向工件内部扩散，