4-1 钢的热处理

1、材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407金工内容定位系统金工内容定位系统n材料材料制坯制坯加工加工零件零件制作零件的制作零件的先后逻辑关系先后逻辑关系n 1 1）电子部分）电子部分n 机噐：机噐： 热处理热处理 铸造铸造n 2 2）机械部分）机械部分= =零件零件 毛坯毛坯 塑性成形塑性成形 金属材料金属材料= = 其性能其性能n 切削加工切削加工 焊接焊接 历史工艺工艺30t金工体系金工体系知识体系知识体系2人生发展人生发展方方向向的的重重要要性性一一门门课课人人单单位位社社会会定定位位系系统统材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407n

2、二二.金属材料的性能金属材料的性能n1、力学性能：强度、刚度、塑性、硬度、力学性能：强度、刚度、塑性、硬度、n冲击韧性、疲劳强度。冲击韧性、疲劳强度。n2、物理、化学性能、物理、化学性能n铸造性能：铸造性能：n3、工艺性能、工艺性能可锻性：可锻性：n焊接性：焊接性：n切削加工性；切削加工性；材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 201104071.纯金属的结构与结晶纯金属的结构与结晶n回顾回顾n1 1原子原子结点结点晶格晶格晶胞晶胞n2. 2. 晶格类型晶格类型: : 体心立方晶格体心立方晶格; ;n 面心立方晶格面心立方晶格; ;n 密排六方晶格密排六方晶格材料学院金工教研室材

3、料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407n二、碳合金相图二、碳合金相图n1、体心立方晶格、体心立方晶格n1原子原子结点结点晶格晶格晶胞晶胞晶格类型晶格类型2、面心立方晶格、面心立方晶格=单晶体单晶体=多晶体多晶体n3、密排六方晶格、密排六方晶格n不断形核不断形核实际结晶温度实际结晶温度n1、纯金属的结晶、纯金属的结晶冷却曲线冷却曲线过冷度过冷度n形核不断长大形核不断长大理论结晶温度理论结晶温度n1化学成分化学成分n1组元组元n2、二元合金、二元合金2稳定化合物稳定化合物n2相；液相、纯金属、固溶体、金属化合物相；液相、纯金属、固溶体、金属化合物nn3、二元匀晶相图：成分变化规律和杠杆定

4、律、二元匀晶相图：成分变化规律和杠杆定律n1、F1、纯铁、纯铁n2、An4、铁碳合金相图、铁碳合金相图3、Fe3C=2、钢、钢n4、Pn5、Ld3、生铁、生铁材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 201104073.铁碳合金相图铁碳合金相图n 1、F1、纯铁、纯铁n2、An铁碳合金相图铁碳合金相图3、Fe3C=2、钢、钢n4、Pn5、Ld3、生铁、生铁材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 201104071、工业纯铁（、工业纯铁（Wc0.0218%）性能特点：塑性韧性好，硬度强度低。性能特点：塑性韧性好，硬度强度低。2、钢（、钢（0.0218%Wc2.11%）共析钢

5、：共析钢：Wc=0.77%，室温组织为，室温组织为P。亚共析钢：亚共析钢：0.0218%Wc0.77%，室温组织为，室温组织为F+P。过共析钢：过共析钢：0.77%Wc2.11%，室温组织为，室温组织为P+Fe3C3、生铁（、生铁（2.11%Wc6.69%）共晶生铁：共晶生铁：Wc=4.3%，室温组织为，室温组织为Ld亚共晶生铁：亚共晶生铁：2.11%Wc4.3%，室温组织为，室温组织为P+FeP+Fe3 3C C+Ld+Ld。 过共晶生铁：过共晶生铁： 4.3%Wc6.69%，室温组织为，室温组织为Ld+Fe3C钢铁的应用价值对我们的启示钢铁的应用价值对我们的启示材料学院金工教研室材料学院金

6、工教研室 李志勇李志勇 20110407力学性能力学性能金金属属材材料料都都有有此此性性能能身身体体精精神神都都有有此此性性能能材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407晶胞类型晶胞类型材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 201104071.纯金属冷却曲线：纯金属冷却曲线：平平衡衡状状态态材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 201104072合金的结构及二元合金相图合金的结构及二元合金相图材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407材料学院金工教

7、研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407第四章第四章 钢的热处理钢的热处理生活中的例子生活中的例子温度与物质温度与物质材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407把钢在固态下加热到一定温度，进把钢在固态下加热到一定温度，进行必要的保温，并以适当的速度冷却到行必要的保温，并以适当的速度冷却到室温，以改变钢的内部组织，从而得到室温，以改变钢的内部组织，从而得到所需性能的工艺方法。所需性能的工艺方法。钢的性能钢的性能变化变化钢的组织、钢的组织、结构变化结构变化决定决定改变改变钢的热处理钢的热处理1 定义：定义： 在机械制造中应用广泛：在机械制造中应用广泛： 机机

8、 床：床：60607070的零件；的零件； 汽车、拖拉机：汽车、拖拉机：70708080的零件；的零件； 滚动轴承、工具、模具：滚动轴承、工具、模具：100100的零件的零件材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407二、钢的热处理过程：二、钢的热处理过程： 一般可分为加热、保温、和冷却三个步骤。一般可分为加热、保温、和冷却三个步骤。 三、钢的热处理工艺曲线示意图：三、钢的热处理工艺曲线示意图： 材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407四、钢的热处理目的：四、钢的热处理目的：1、消除毛坯中的缺陷，改善工艺性能，为、消除毛坯中的缺陷，改善工艺性

9、能，为切削加工或热处理做组织和性能上的准备切削加工或热处理做组织和性能上的准备叫预先叫预先热处理。热处理。2、提高金属材料的力学性能，充分发挥材料、提高金属材料的力学性能，充分发挥材料的潜力，节约材料延长零件使用寿命。的潜力，节约材料延长零件使用寿命。叫最终叫最终热处理。热处理。 材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407五、热处理的方法（按工艺方法不同分）五、热处理的方法（按工艺方法不同分） 材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407第一节第一节热处理基本原理热处理基本原理n热处理：加热和冷却，钢的组织性能热处理：加热和冷却，钢的组织性能一

10、、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变 大多数热处理工艺需要将钢加热到临大多数热处理工艺需要将钢加热到临界温度以上（界温度以上（A区域）才能进行，所以加区域）才能进行，所以加热转变主要包括热转变主要包括A的形成和晶粒长大两个的形成和晶粒长大两个过程。过程。 材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407Fe-FeFe-Fe3 3C C相图各临界点的移动位置相图各临界点的移动位置n组织实际转变温度平衡临界温度。n加热的临界点加 “c”：Ac1、Ac3、Accmn冷却的临界点加 “r”：Ar1、Ar3、Arcm材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 201

11、104071、奥氏体的形成、奥氏体的形成n以共析钢为例（以共析钢为例（c=0.77%）（1）奥氏体形核）奥氏体形核（2）奥氏体晶核长大）奥氏体晶核长大（3）残余渗碳体的溶解）残余渗碳体的溶解（4）奥氏体成分均匀化）奥氏体成分均匀化 亚共析钢、过共析钢亚共析钢、过共析钢材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407影响奥氏体形成的因素：影响奥氏体形成的因素：n温度温度：温度梯度越大，原子扩散能力越：温度梯度越大，原子扩散能力越大，加速奥氏体形成。大，加速奥氏体形成。n原始组织：原始组织：原始组织越细，相界面

12、越多，原始组织越细，相界面越多，提供的奥氏体晶核就愈多，碳原子的扩提供的奥氏体晶核就愈多，碳原子的扩散距离也越短，加速奥氏体形成。散距离也越短，加速奥氏体形成。材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 201104072、奥氏体晶粒的长大（粗化）n随着温度的升高，奥氏体晶粒会逐渐长大。随着温度的升高，奥氏体晶粒会逐渐长大。n晶粒度：表示晶粒大小的尺度。晶粒度：表示晶粒大小的尺度。n分为十个等级。一级最粗，十级最细。分为十个等级。一级最粗，十级最细。n粗大的粗大的A晶粒晶粒冷却后得到粗大的晶粒组冷却后得到粗大的晶粒组织织力学性能和工艺性能差力学性能和工艺性能差合理选择加合理选择加热温度

13、和保温时间。热温度和保温时间。材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407二、钢在冷却时的转变二、钢在冷却时的转变n室温时钢的机械性能，不仅与经过加热、保温后获得室温时钢的机械性能，不仅与经过加热、保温后获得的的A晶粒大小有关，而且决定于晶粒大小有关，而且决定于A经冷却转变后所获得经冷却转变后所获得的组织。而的组织。而冷却方式冷却方式、冷却速度冷却速度对对A组织的转变有直组织的转变有直接影响。所以，钢的热处理工艺里，接影响。所以，钢的热处理工艺里，A的钢冷却至室的钢冷却至室温有温有2种方式：种方式：连续冷却连续冷却:就是使加热到就是使加热到A的钢，在温度连续下降的过的钢

14、，在温度连续下降的过程中发生组织转变。水中、油冷、炉冷、空冷。程中发生组织转变。水中、油冷、炉冷、空冷。等温冷却：等温冷却：将将A的钢迅速冷却到的钢迅速冷却到A1以下某一温度，恒以下某一温度，恒温停留一段时间，在这段保温时间内发生组织转变，温停留一段时间，在这段保温时间内发生组织转变，然后再冷却下来。然后再冷却下来。材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 201104071、过冷、过冷A的等温转变的等温转变n以共析钢为例：以共析钢为例：n过冷过冷A的等温转变曲线：的等温转变曲线：由于过冷温度和由于过冷温度和等温时间不同，过冷等温时间不同，过冷A的等温转变过程及的等温转变过程及转变产

15、物也不相同，表示过冷转变产物也不相同，表示过冷A不同的等不同的等温冷却温度、等温时间与转变过程及产温冷却温度、等温时间与转变过程及产物之间关系的曲线物之间关系的曲线C曲线曲线：材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407（1）建立）建立C曲线曲线：n共析钢共析钢A的等温转变曲线的建立的等温转变曲线的建立通过等温冷却实验建立的通过等温冷却实验建立的60个试样个试样10*6盐浴炉盐浴炉t水冷水冷通过实验测出：不同过冷通过实验测出：不同过冷A在恒温下开在恒温下开始转变和转变终了的时间，画到温度始转变和转变终了的时间，画到温度时间坐标系中，然后把开始时间和转变终时间坐标系中，然

16、后把开始时间和转变终了时间分别连接起来，即得共析钢了时间分别连接起来，即得共析钢C曲线。曲线。材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407（2 2）共析钢过冷）共析钢过冷A A等温转变产物组织和性能等温转变产物组织和性能 1.1.珠光体类型（珠光体类型（高温转变产物）：高温转变产物）： 共析钢共析钢A A过冷到过冷到723723550550之间之间A A等温转变产物属于等温转变产物属于P P型组织。型组织。 分类如下：分类如下：材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407材料学院

17、金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407 珠光体 索氏体托氏体材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 201104072.2.贝氏体形转变（贝氏体形转变（中温转变产物中温转变产物 ）：）： A A在在550-230550-230保温转变为贝氏体型保温转变为贝氏体型转变，其组织类型为贝氏体组织。转变，其组织类型为贝氏体组织。它它是由含碳过饱和的是由含碳过饱和的F+F+3 3组成的两相混组成的两相混合物。合物。材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407n550-350550-350等温转变得等温转变得B B上上，羽毛状，羽毛状针状针状P P

18、3939图图3-83-8（a a）图如下所示：图如下所示：材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407n组织性能：塑韧性低、脆性大。组织性能：塑韧性低、脆性大。-不是理想组织。不是理想组织。 材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407350-230350-230等温转变得等温转变得B B下下，针状，针状P P3939图图3-83-8（b b）图如下所示：图如下所示： 材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407组织性能：强度硬度高、塑韧性较好。是理想组织

19、。组织性能：强度硬度高、塑韧性较好。是理想组织。 材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 201104073.马氏体型转变（低温转变产物）马氏体型转变（低温转变产物）马氏体是碳在马氏体是碳在-中的过饱和固溶体中的过饱和固溶体230-60保温转变为马氏体保温转变为马氏体型转变，其组织类型为马氏体组织。型转变，其组织类型为马氏体组织。分为板状和片状马氏体，分为板状和片状马氏体，图如下：图如下：材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407Wc1%片状马氏体片状马氏体材料学院金工教研室材料学院金工教

20、研室 李志勇李志勇 201104072、过冷、过冷A的连续冷却转变的连续冷却转变材料学院金工教研室材料学院金工教研室 李志勇李志勇 20110407n与等温冷却曲线相比，连续冷却曲线都处于右与等温冷却曲线相比，连续冷却曲线都处于右下方，说明转变温度低，下方，说明转变温度低，孕育期长孕育期长。n共析钢连续冷却时，只有珠光体转变而无贝氏共析钢连续冷却时，只有珠光体转变而无贝氏体转变。亚共析钢可以产生贝氏体组织。合金体转变。亚共析钢可以产生贝氏体组织。合金钢可以有珠光体及贝氏体转变，有珠光体无贝钢可以有珠光体及贝氏体转变，有珠光体无贝氏体。或有贝氏体而无珠光体转变等多种情况。氏体。或有贝氏体而无珠光体转变等多种情况。n当连续冷却速度达到某一值时，冷却曲线与当连续冷却速度达到某一值时，冷却曲线与C曲线相切，不发生珠光体转变，而在低温区发曲线相切，不发生珠光体转变，而在低温区发生马氏体转变，通常称为生马氏体转变，通常称为临界冷却速度临界冷