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第四章 金属材料热处理,碳钢的问题: 1.强度较低,不能承受高载荷;,改善钢性能的途径： 合金化,3. 热硬性差,只能在200 c以下工作,2.淬透性差,不能做大件和复杂件,4.不能满足某些特殊性能要求,热处理,一般机械零件的加工路线是：,毛坯（铸、锻） 预备热处理 机加工 最终热处理,分类：,普通热处理：退火、正火、淬火、回火,表面热处理：,表面淬火：感应加热淬火 、火焰加热淬火,化学热处理：渗碳、渗氮、渗金属,亚共析钢： ac3 + 30 50 c, 组织：f + p 共析钢： ac1 + 30 50 c, 组织： p 过共析钢： ac1 + 30 50 c, 组织： p 球,4.1 退火与正火,4.1.1 退火(annealing ) 随炉冷却,退火的目的： 1. 降低硬度以便于切削加工 2. 消除残余内应力以防止钢件在淬火和使用 时发生变形和开裂 3. 细化晶粒，改善组织，提高力学性能 4. 为最终热处理做好组织准备,2.等温退火 可使工件在炉内的停留时间大大缩短。,1.完全退火 适于亚共析钢铸件、锻件及焊接件，使钢软化以便于切 削加工，并可消除内应力。,3.球化退火 适于共析钢和过共析钢，获得球状珠光体，以降硬度，改善切削加工性能，减小淬火的变形和开裂。,5.去应力退火 适 于：铸件、锻件、焊接件、冷拉伸件、切削加工件 目 的：消除残余应力，以提高尺寸稳定性，防止在切 削加工中和使用过程中的变形和裂纹倾向,4.扩散退火 适 于：合金钢大型铸、锻件 目 的：消除晶内偏析,6.再结晶退火 用于处理冷轧、冷拉、冷挤压等发生加工硬化的钢材,亚共析钢：f + s 共析钢： s 过共析钢： s + fe3c粒状,4.1.2 正火 (normalizing ) ：空中冷却,目 的：获得马氏体和下贝氏体组织， 提高硬度和耐磨性 （工具、模具、量具、滚动轴承）,4.2 钢的淬火（最重要，最广泛）(quenching),定 义；是将钢件加热到ac1或ac3以上保温一定时间后， 快速冷 却（通常大于临界冷却速度vc），以得到马氏体（下贝氏 体）组织的热处理工艺,亚共析钢：m + ar 共析钢、过共析钢： m + fe3c 粒状 + ar 合金钢： m + mxcy粒状 + ar,4.2.1 淬火加热温度和加热时间,原 则：得到均匀细小的奥氏体晶粒,4.2.2 淬火冷却介质 在c曲线鼻尖处冷却速度足够快， 其余各处不必太快,水 ：碳素钢 盐水：形状简单、变形 要求不严、截面较大 的碳钢零件 油：合金钢,4.2.3 淬火冷却方法 单介质淬火法 双介质淬火法 马氏体分级淬火法 贝氏体等温淬火法 冷处理 局部淬火,4.3 钢的淬透性( hardenability ),淬硬层深度：工件表面到半马氏体区的深度,4.3.1 钢的淬透性,淬 透 性：是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。,淬 硬 性：是指钢在淬火后所能达到的最高硬度,影响临界冷却速度的因素有： 1）钢的含碳量 2）合金元素：除co、al外的元素都提高淬透性 3）钢中未溶物质,淬透性是钢材本身所固有的属性,淬透性主要受临界冷却速度影响，临界冷却速度越小，钢的淬透性越大。,4.3.2 淬透性的测试方法 临界直径法：45钢 d（水） = 16mm 45钢 d（油）= 8mm,顶端淬火法：用于测定碳素结构钢和低、中合金结构钢的淬透性 表 示： 如： 45钢 40cr 钢,40cr钢 d（水）= 36mm 40cr钢 d（油）= 20mm,4.3.3 淬透性与选材的关系 1）连杆、螺栓、锻模、锤杆高淬透性（并要求全部淬透） 2）弹簧高淬透性 3）机床主轴、汽车半轴、齿轮低淬透性 （淬透层深度1/21/3 d） 4）工具类工件高淬透性 5）焊接件、表面淬火件低淬透性,4.4 淬火钢的回火 ( tempering ),4.4.1 回火的目的：,目 的：1）降低脆性，减少或消除内应力，防止工件 变形和开裂 2）提高塑性和韧性 3）稳定组织，从而稳定工件尺寸 4）代替软化退火组织,1. 钢在回火时的组织转变过程：,4.4.2 回火组织转变及性能变化,渗碳体聚集长大,马氏体的分解-,残余奥氏体分解-,渗碳体的形成 -,2. 回火后的组织和性能,3）回火索氏体 （500 650 ）,2）回火托氏体 （350 450 ）,1）回火马氏体 （250 以下）,*4.4.3 回火工艺及应用,2）中温回火(350500) t回 ，35 45 hrc 特 点：内应力基本消除，具有极高的弹性极限和良好的韧性。 用 于：各种弹簧零件及热锻模具的处理。,1）低温回火(150250 ) m 回，55 64 hrc 特 点：降低钢中残余应力和脆性，而保持高强度、硬度和耐磨性 用 于：工具、量具、滚动轴承、渗碳工件以及表面淬火工件等。,3）高温回火(500650) s回 ，25 35 hrc 淬火 + 高温回火调质处理 特 点：具有较高综合机械性能 用 于：中碳成分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、齿轮以及轴类等，还可作为 某些精密零件（如精密量具、模具）的预先热处理,快冷可避免 对大件可加mo、w、nb,4.4.4 回火脆性,1.第一类回火脆性（低温回火脆性）：250 350c回火时出现， 无法消除，所以避开。,2.第二类回火脆性（高温回火脆性）：500 650c回火时出现， 主要发生在含cr、 si 、ni 、m n等合金元素的结构钢中，当 在此温度内长时间保温或缓冷时出现,表面： m 回 表面淬火+低温回火后的组织： s回 心部： f + s,表面淬火是通过快速加热使钢件表面达到临界温度以上，不等热量传到工件内层就迅速予以冷却，只使表面被淬硬为马氏体，而内层仍为塑、韧性良好的组织。,4.5 钢的表面淬火,用于承受弯曲、扭转、摩擦或冲击的零件。,材 料 ：含碳量0.40% 0.50%,预先热处理：正火或调质,4.5.1感应加热表面淬火,1.基本原理 = ，800 1000c 1）高频感应加热：100 500khz ， = 0.5 2.0 mm 中小模数的齿轮及中小尺寸的轴 2）中频感应加热：500 10000hz ， = 2 10 mm 较大尺寸的轴和大中模数的齿轮 3）工频感应加热： 50hz ， = 10 15 mm 直径300以上的轧辊、火车车轮,2. 感应加热表面淬火 + 低温回火,4.5.2 火焰加热表面淬火 利用乙炔火焰将工件表面快速加热到淬火温度，然后立即用水喷射冷却，此法适于单件或小批量零件的表面淬火。,4.7.1. 钢的渗碳,4.7 钢的化学热处理,是利用物理、化学反应来改变工件表面的成分与组织，从而使工件表面获得与心部不同的力学或物理、化学性能的工艺方法,渗碳材料：低碳钢和低碳合金钢 （20，20crmnti）,方 法：气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳,工 艺：渗碳 + 淬火 + 低温回火,目 的：表面具有高硬度和高的耐磨性，而心部仍保持良好 的塑、韧性(如汽车、拖拉机上的变速齿轮）,气 体 渗 碳,渗碳后淬火+低温回火：表层为：m回 + mxcy （c=0.851.05%） 心部为：p + f 不需渗碳的部位：可镀铜 或 留加工余量,4.7.2 渗氮 方 法：使用氨气形成颗粒细小、分布均匀、硬度很高并且十分稳 定的各种氮化物，如aln、crn、mon、tin、vn等， 适 于：有35crmo、18crniw和38crmoala等。而碳钢由于渗氮 后不形成特殊氮化物，固不用作氮化用钢,特 点： 氮化后表面硬度高（hv100 1200)； 氮化温度低，且不需要后续热处理，变形小； 耐蚀性高； 氮化层薄，周期长，成本高。,补充：热处理工序的安排,a.预先热处理：退火、正火-切削加工之前； 调质（以提高机械性能为主要目的）-粗加工之后，精加工之前,b.时效处理：为消除残余内应力 大而复杂的铸件或精度很高的非铸铁类工件-粗加工之前和之后各安排一次； 一般铸件-粗加工之前（可减少