第五章 钢的热处理及表面处理技术

第五章钢的热处理及表面处理技术2024/3/231第1页，课件共80页，创作于2023年2月本章重点：1.钢在加热和冷却时的组织转变2.C曲线及CCT曲线3.各种热处理工艺和应用2024/3/232第2页，课件共80页，创作于2023年2月第一节概述改善钢材性能的主要办法:1.合金化2.钢的热处理热处理分类：退火普通热处理正火淬火回火化学热处理渗C渗NC、N共渗表面热处理表面淬火感应加热火焰加热2024/3/233第3页，课件共80页，创作于2023年2月例：T8,在780℃保温，一个水冷62HRC,另一个炉冷200HB≈15HRC。水冷马氏体，炉冷珠光体。2024/3/234第4页，课件共80页，创作于2023年2月第二节钢在加热时的组织转变一、转变温度二、奥氏体的形成过程（以共析钢为例）三、奥氏体晶粒的长大及影响因素四、加热时常见的缺陷2024/3/235第5页，课件共80页，创作于2023年2月一、转变温度滞后现象原：A1、A3、Acm加热：Ac1、Ac3、Accm冷却：Ar1、Ar3、Arcm钢的相图2024/3/236第6页，课件共80页，创作于2023年2月Ac3AccmAc1Ar1Ar3Arcm2024/3/237第7页，课件共80页，创作于2023年2月二、奥氏体的形成过程（以共析钢为例）4.奥氏体成分的均匀化2.奥氏体长大3.残余渗碳体的溶解1.奥氏体形核亚共析钢奥氏体化过程过共析钢奥氏体化过程2024/3/238第8页，课件共80页，创作于2023年2月三、奥氏体晶粒的长大及影响因素1.奥氏体的晶粒度1）起始晶粒度2）实际晶粒度3）本质晶粒度2.影响奥氏体晶粒度的因素(1)加热温度和保温时间↑→晶粒尺寸↑(2)C%↑→晶粒尺寸↑合金碳化物↑→晶粒尺寸↓2024/3/239第9页，课件共80页，创作于2023年2月1.奥氏体晶粒度:

1)起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。2)实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。3)本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930℃以下,随温度升高,晶粒长大的程度。2024/3/2310第10页，课件共80页，创作于2023年2月四、加热时常见的缺陷过热：晶粒粗大，可以消除(完全退火或等温退火或正火)过烧：晶界局部熔化，无法消除氧化脱碳盐浴炉可控气氛保护真空热处理2024/3/2311第11页，课件共80页，创作于2023年2月第三节钢在冷却时的组织转变冷却方式一、共析钢过冷奥氏体等温冷却转变二、过冷奥氏体的连续冷却转变2024/3/2312第12页，课件共80页，创作于2023年2月一、共析钢过冷奥氏体等温冷却转变过冷A体：在临界温度（727℃）以下，230℃以上存在的A体2.过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）的分析3.碳钢C曲线对比4.过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能1.过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）的建立工程材料CAI2024/3/2313第13页，课件共80页，创作于2023年2月2024/3/2314第14页，课件共80页，创作于2023年2月01时T/℃M+ARA1100200300400500600700800-100100101010102345AMsMf过冷AA→MA→B下A→S转变开始转变结束A→B上A→TA→PMB下B上TSP5~25HRC25~35HRC35~40HRC40~50HRC50~60HRC60~65HRC2024/3/2315第15页，课件共80页，创作于2023年2月4.过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能1）珠光体转变扩散型转变：铁、碳原子扩散、晶格重组高温转变：A1～550℃珠光体：A1～650℃

索氏体：650～600℃托氏体：600～550℃转变产物2024/3/2316第16页，课件共80页，创作于2023年2月2024/3/2317第17页，课件共80页，创作于2023年2月P型组织——F+层片状Fe3C层片间距：P>S>T珠光体P，3800×索氏体S8000×托氏体T8000×2024/3/2318第18页，课件共80页，创作于2023年2月表1过冷奥氏体高温转变产物的形成温度和性能组织名称表示符号形成温度范围/℃硬度片间距/nm能分辨片层的放大倍数珠光体PA1～650＜25HRC150～450＜500×索氏体S650～60025～35HRC80～150＞1000×托氏体T600～55035～40HRC30～80＞2000×同一成分的钢，组织为片状珠光体时强度、硬度比粒状珠光体的高，但塑性、韧性低，为改善工具钢的切削性能，常用球化退火来得到粒状珠光体组织，降低钢的硬度。珠光体的片层间距越小，强度、硬度越高，塑性、韧性越好。2024/3/2319第19页，课件共80页，创作于2023年2月2）贝氏体转变中温转变：550℃～Ｍｓ点转变特点：半扩散型，铁原子不扩散，碳原子有一定的扩散能力转变产物：贝氏体，即Fe3C分布在含过饱和碳的铁素体上的两相混合物上贝氏体：550～350℃，呈羽毛状下贝氏体：350℃～Ｍｓ点，呈针状2024/3/2320第20页，课件共80页，创作于2023年2月光学显微照片1300×电子显微照片5000×45钢，B上+B下，×400

上贝氏体中的Fe3C分布于铁素体条之间，分割了基体的连续性，易脆断，故上贝氏体的强度和韧性较低

上贝氏体的形成过程2024/3/2321第21页，课件共80页，创作于2023年2月

下贝氏体形成温度较低，铁素体针细小、无方向性，且碳化物分布均匀，弥散度大，故下贝氏体有良好的强度和韧性配合，是一种有应用价值的组织贝氏体转变F针内定向分布着细小Fe2.4C颗粒电子显微照片12000×T8钢，B下，黑色针状光学显微照片×400

2024/3/2322第22页，课件共80页，创作于2023年2月3）马氏体转变

马氏体(Ｍ)：C在α－Fe中的过饱和固溶体。

转变特点

马氏体的组织类型

马氏体性能2024/3/2323第23页，课件共80页，创作于2023年2月Fe-1.8C，冷至-60℃M体转变特点：①无扩散型转变②降温形成:连续冷却完成③瞬时性④转变的不完全性冷处理：P42M形成时体积↑，造成很大内应力。Fe-1.8C，冷至-100℃2024/3/2324第24页，课件共80页，创作于2023年2月1)无扩散 Fe和C原子都不进行扩散，M是C过饱和的体心立方的F体，固溶强化显著。2024/3/2325第25页，课件共80页，创作于2023年2月2)降温形成

M的形成速度很快，只有温度↓才发生转变2024/3/2326第26页，课件共80页，创作于2023年2月3)瞬时性

M的形成速度很快，温度↓则转变量迅速↑2024/3/2327第27页，课件共80页，创作于2023年2月4)转变不彻底M转变总要残留少量A，称为残余A体，记为AR；过冷A中的C%↑则Ms、Mf

↓，AR含量↑2024/3/2328第28页，课件共80页，创作于2023年2月A体的C的质量分数对M体转变温度的影响

2024/3/2329第29页，课件共80页，创作于2023年2月2024/3/2330第30页，课件共80页，创作于2023年2月当奥氏体含碳量小于0.25％时得到全部板条马氏体组织，呈扁担状，亚结构以位错为主，有较高的强度和韧性，具有良好的综合机械性能。马氏体的组织类型

马氏体的组织形态主要取决于过冷奥氏体的含碳量

当奥氏体的含碳量大于1.0％时，得到全部片状马氏体，呈双凸透镜状，亚结构以挛晶为主，硬度和强度高，但塑性和韧性很低2024/3/2331第31页，课件共80页，创作于2023年2月马氏体的组织类型板条M,平行的细板条束组成片状M（凸透镜状）2024/3/2332第32页，课件共80页，创作于2023年2月C%↑→M硬度↑，片状M硬度高，塑韧性差。板条M强度高，塑韧性较好2024/3/2333第33页，课件共80页，创作于2023年2月二、共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变PST+MM+ART退火正火油淬水淬转变终止线共析碳钢连续冷却无B体2024/3/2334第34页，课件共80页，创作于2023年2月亚共析钢连续冷却转变炉冷→F+P空冷→F(少量)+S油冷→T+M+AR

水冷→M+AR过共析钢连续冷却转变炉冷→P+Fe3CⅡ空冷→S+Fe3C

（少量）油冷→T+M+AR水冷→M+AR+Fe3C2024/3/2335第35页，课件共80页，创作于2023年2月第四节钢的热处理一、钢的退火与正火二、钢的淬火三、钢的淬透性四、钢的回火2024/3/2336第36页，课件共80页，创作于2023年2月一、钢的退火与正火冷却方式冷却速度组织退火：炉冷慢平衡组织正火：空冷快非平衡组织强度、硬度塑性、韧性退火低高正火高更高2024/3/2337第37页，课件共80页，创作于2023年2月降低或提高硬度，便于进行切削加工消除残余应力细化晶粒，改善组织以提高钢的力学性能为最终热处理作好组织准备退火与正火的目的球化退火工程材料CAI确定下列钢件退火方法，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)ZG270一500的铸造齿轮；(3)锻造过热的60钢锻坯；(4)具有片状渗碳体的T12钢坯。2024/3/2338第38页，课件共80页，创作于2023年2月指出下列钢件进行正火的主要目的和正火后的组织(1)20钢齿轮；(2)综合力学性能要求不高的45钢小轴(3)T12钢手工锉刀毛坯。

2024/3/2339第39页，课件共80页，创作于2023年2月二、钢的淬火三、钢的淬透性见教材P132（一）钢的淬透性与淬硬性的概念（二）影响淬透性的因素(三）淬透性的测定工程材料CAI淬火种类冷却方式淬火种类比较2024/3/2340第40页，课件共80页，创作于2023年2月（一）钢的淬透性与淬硬性的概念淬透性：钢在淬火时能够获得M体的能力，它是钢材本身固有的属性，主要取决于M体的临界冷却速度通常用淬透层深度来表示（在相同的加热条件下）淬透层深度：从工件表面到半M体区的深度淬硬性：钢在淬火后能够达到的最高硬度，它取决于M体的含碳量。淬透性好的钢其淬硬性不一定高。2024/3/2341第41页，课件共80页，创作于2023年2月淬硬性与淬透性之间的关系:淬透性淬硬性钢种小低碳素结构钢(20)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)2024/3/2342第42页，课件共80页，创作于2023年2月2024/3/2343第43页，课件共80页，创作于2023年2月淬火方法冷却方式特点和应用单液淬火将A化后的工件放入一种淬火冷却介质中一直冷却到室温。操作简单，已实现机械化与自动化，适用于形状简单的工件双液淬火将A化后的工件在水中冷却到接近Ms点时，立即取出放入油中冷却防止低温M转变时工件发生裂纹，常用于形状复杂的合金钢分级淬火将A化后的工件放入温度稍高于Ms点的盐浴中，使工件各部分与盐浴的温度一致后，取出空冷完成M转变大大减小热应力、变形和开裂，但盐浴的冷却能力较小，故只适用于截面尺寸小于10mm的工件。如刀具、量具等等温淬火将A化的工件放入温度稍高于Ms点的盐浴中等温保温，使过冷A转变为B下组织后，取出空冷它常用来处理形状复杂、尺寸要求精确、强韧性高的工具、模具和弹簧等局部淬火对工件局部要求硬化的部位进行加热淬火冷处理将淬火冷却到室温的钢继续冷却到-70­～-80℃，使残余A转变为M，然后低温回火，消除应力，稳定新生M组织提高硬度、耐磨性、稳定尺寸，适用于一些高精度的工件，如精密量具、精密丝杠、精密轴承2024/3/2344第44页，课件共80页，创作于2023年2月（二）影响淬透性(C曲线)的因素（P114）1.含碳量(奥氏体的含碳量)亚共析钢，随着含碳量↑，奥氏体的稳定性增大，则Ｃ曲线→，淬透性↑过共析钢，随着含碳量增加，奥氏体的稳定性降低，Ｃ曲线左移，淬透性降低共析钢的过冷奥氏体最稳定2.合金元素除Co外，绝大多数合金元素溶入奥氏体后，都使Ｃ曲线→，形状也可能会发生改变，使淬透性↑2024/3/2345第45页，课件共80页，创作于2023年2月3.加热温度和保温时间

T↑和t↑，则Ｃ曲线→，钢的淬透性↑4.钢中未溶第二相未溶第二相越多，则C曲线←，淬透性↓总结：A体晶粒越粗大，则晶界越少，形核几率越小，则A体越稳定，C曲线右移。淬透性越好2024/3/2346第46页，课件共80页，创作于2023年2月三、钢的淬透性（三）淬透性的测定2024/3/2347第47页，课件共80页，创作于2023年2月2024/3/2348第48页，课件共80页，创作于2023年2月2024/3/2349第49页，课件共80页，创作于2023年2月四、钢的回火（P127）1．概念(Conception)

将淬火后的钢加热到Ac1以下某一温度，保温后冷却下来的一种热处理工艺。

2.目的(purpose)（1）稳定工件组织、性能和尺寸（2）减小或消除残余应力，防止工件的变形和开裂（3）降低工件的强度、硬度，提高其塑性和韧性，以满足不同工件的性能要求2024/3/2350第50页，课件共80页，创作于2023年2月3．淬火钢在回火时的组织转变（1）马氏体分解(100～200℃)

这一阶段转变完成后,钢的组织由有一定过饱和度的Ｆ体固溶体和与其有共格关系的ε碳化物所组成，这种组织称为回火马氏体（M回）。如图a所示。

A残

M回

2024/3/2351第51页，课件共80页，创作于2023年2月（3）马氏体分解完成和碳化物的转变（300～400℃）

这一阶段转变完成后,钢的组织由饱和的针状F体和极细小粒状的渗碳体组成，这种组织称为回火托氏体（T回），如图b所示。（2）残余奥氏体转变在200～300℃之间,钢中的残余奥氏体部分发生分解，转变为下贝氏体，而此时钢中的主要组织仍然是回火马氏体。2024/3/2352第52页，课件共80页，创作于2023年2月回火托氏体

2024/3/2353第53页，课件共80页，创作于2023年2月2024/3/2354第54页，课件共80页，创作于2023年2月（4）F体的回复、再结晶和碳化物的聚集长大（＞400℃）

这一阶段转变完成后,钢的组织由等轴的F体和细小的粒状渗碳体组成，称为回火索氏体（S回），如图c所示。

2024/3/2355第55页，课件共80页，创作于2023年2月2024/3/2356第56页，课件共80页，创作于2023年2月2024/3/2357第57页，课件共80页，创作于2023年2月4、淬火钢在回火时的性能变化碳钢的硬度与回火温度的关系2024/3/2358第58页，课件共80页，创作于2023年2月钢的冲击韧度与回火温度的关系2024/3/2359第59页，课件共80页，创作于2023年2月2024/3/2360第60页，课件共80页，创作于2023年2月5．回火种类、组织、性能及应用（1）低温回火(150～250℃)组织：M回+AR性能特点：部分降低了钢中残余应力和脆性，而保持钢在淬火后所得到的高强度、硬度和耐磨性，58～65HRC应用：要求硬度高耐磨性好的工具、量具、滚动轴承、渗碳工件以及表面淬火工件等。

2024/3/2361第61页，课件共80页，创作于2023年2月（2）中温回火(350～500℃)组织：T回性能特点：内应力基本消除，具有极高的弹性极限和良好的韧性。应用：要求弹性极好的弹簧零件、发条及热锻模具，35～45HRC弹簧热处理对比2024/3/2362第62页，课件共80页，创作于2023年2月（3）高温回火(500～650℃)调质处理：淬火与高温回火相结合的工艺组织：S回性能特点：内应力基本消除，强度和硬度降低，塑性和韧性提高，具有较高的综合力学性能，25～35HRC应用：要求综合力学性能好的中碳结构钢和低合金结构钢制造的各种重要的结构零件，特别是在交变载荷下工作的连杆、螺栓以及轴类等。6.自身淬火回火法2024/3/2363第63页，课件共80页，创作于2023年2月7.回火脆性概念：淬火钢在某些温度范围内回火时脆性显著增大的现象低温回火脆性：250～350℃，第一类，不可逆高温回火脆性：450～650℃，第二类，可逆W、Mo消除高回脆2024/3/2364第64页，课件共80页，创作于2023年2月例题锉刀要求硬度为60～63HRC，通常采用T12钢制造，试制订正确的热处理工艺，并注明工艺名称、加热温度、冷却方式以及热处理各阶段所获得的组织。（Ac1=730℃,Accm=830℃）分析方法：1.材料特点2.工件性能要求3.制订热处理工艺2024/3/2365第65页，课件共80页，创作于2023年2月热处理工艺如下：

1.预备热处理：球化退火

加热温度：750～770℃

冷却方式：炉冷至550℃以下出炉空冷

组织：球状P体+球状Fe3C

2.最终热处理：淬火+低温回火

淬火加热温度：760～780℃

冷却方式：水冷

组织：Ｍ淬+Fe3C粒状+AR（少量）

回火温度：180±10℃

组织：Ｍ回+Fe3C粒状+AR（少量）2024/3/2366第66页，课件共80页，创作于2023年2月

第七、八节钢的表面热处理

一、

钢的表面淬火表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持淬火前组织的热处理方法。感应加热表面淬火火焰表面淬火激光表面淬火工艺特点及应用一、钢的表面淬火二、钢的化学热处理2024/3/2367第67页，课件共80页，创作于2023年2月

二、钢的化学热处理化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或几种元素原子渗入工件表面，以改变钢件表层化学成分和组织，进而达到改进表面性能，满足技术要求的热处理工艺。

基本过程：①化学介质的分解；②活性原子被钢件表面吸收和溶解；③原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。1.渗碳2.渗氮（俗称氮化）3.碳氮共渗（俗称为氰化）2024/3/2368第68页，课件共80页，创作于2023年2月

1．钢的渗碳

将钢件放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。目的：通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使表面具有高的硬度、耐磨性和抗疲劳性能，而心部具有一定的强度和良好的韧性配合。

（1）渗碳方法渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。目前广泛应用的是气体渗碳法。工艺特点及应用2024/3/2369第69页，课件共80页，创作于2023年2月

2．钢的渗氮（俗称氮化）在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的热处理工艺称为渗氮。目的：提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。常用的渗氮方法有：（1）气体渗氮（氮化）、离子渗氮（2）氮碳共渗（软氮化，低温氰化）（3）碳氮共渗（中温氰化）等。生产中应用较多的是气体渗氮。2024/3/2370第70页，课件共80页，创作于2023年2月工艺特点及应用渗氮

与渗碳相比，渗氮温度低且渗氮后不再进行热处理，所以工件变形小。试确定下列零件的热处理方法，(均用锻件，且钢材淬透性足够)。

(1)某机器变速箱齿轮(模数m＝4)要求齿面耐磨，心部强度和韧性要求不高，材料选用45钢；(2)某发动机上的活塞销，心部要求良好的韧性，表面要求高的耐磨性，材料选用20钢；(3)某机床主轴，要求有良好的综合力学性能，轴颈部分要求耐磨(50-55HRC)，材料选用45钢；(4)镗床镗杆，在重载下工作。精度要求极高，并在滑动轴承中运转，要求镗杆表面有极高的硬度，心部有较高的综合力学性能，材料选用38CrMoAlA钢。2024/3/2371第71页，课件共80页，创作于2023年2月1.完全退火是将工件加热到Accm以上30～50℃，保温一定的时间后，随炉缓慢冷却的一种热处理工艺。2.马氏体转变温度区的位置主要与钢的化学成分有关，而与冷却速度无关。3.临界冷却速度是指过冷奥氏体向马氏体转变的最快的冷却速度。4.低碳钢和某些低碳合金钢，经正火后能适当提高硬度，改善切削加工。5.去应力退火是将工件加热到Ac3线以上，保温后缓慢地冷却下来地热处理工艺。6.淬透层深的钢淬透性好。7.除钴之外，其它合金元素溶入奥氏体后，均能增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线左移。2024/3/2372第72页，课件共80页，创作于2023年2月1.同一种钢材在相同的加热条件下，其淬透性为（）A.水淬比油淬的淬透性好；B.小件比大件的淬透性好；C.同种材料淬透性相同。2.

下列材料中，淬硬性高的是（）A.9SiCrB.45C.12Cr2Ni4WA8.马氏体硬度主要取决于马氏体中的合金含量。9.钢的热处理后的最终性能，主要取决于该钢的化学成分。10.钢的热处理是通过加热，保温和冷却，以改变钢的形状，尺寸，从而改善钢的性能的一种工艺方法。11.过共析钢完全退火后能消除网状渗碳体。12.马氏体转变的Ms和Mf温度线，随奥氏体含碳量增加而上升。2024/3/2373第73页，课件共80页，创作于2023年2月1、直径为10ｍｍ的45钢和T12钢试样在不同热处理条件下得到的硬度如表所示，请分析说明：（1）不同热处理条件下的显微组织（填入表1的显微组织栏中）；（2）冷却速