金属材料任务四 之活动3

1、2021-6-22 任务四任务四 钢的热处理钢的热处理 热处理的基本方法 建议：6课时 学习活动3 学习目的与要求学习目的与要求 学习重点与难点学习重点与难点 了解、熟悉并掌握热处理的基本方法及其种类 了解、熟悉并掌握热处理的各方法的目的、温度、组织 了解、熟悉并掌握热处理后金属材料的性能（与热处理 前有何不同） 热处理的基本方法及其种类、热处理的各方法的目的、 温度、组织、热处理后金属材料的性能（与热处理前有 何不同） 根据工艺类型、工艺名称和实现工艺的加热将热处理分为：根据工艺类型、工艺名称和实现工艺的加热将热处理分为： 概述： 1、整体热处理、整体热处理 退火、正火、淬火、回火退火、正火

2、、淬火、回火 2、表面热处理、表面热处理 表面淬火、气相沉积表面淬火、气相沉积 3 3、化学热处理、化学热处理 渗碳、氮化、碳氮共渗渗碳、氮化、碳氮共渗 1、概念：将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后在炉中 缓慢地冷却的热处理工艺。 2、退火的目的： (1)降低硬度，提高切削加工性能； (2)提高塑性，便于冷变形加工； (3)细化晶粒或消除组织缺陷，改善使用性能， (4)消除铸造偏析，均匀化学成分； (5)消除内应力，稳定工件尺寸，减小变形，防止开裂； (6)消除淬火过热影响，再进行重新淬火; (7)脱氢，防止白点。 2、退火的种类 1）完全退火 完全退火是将亚共析钢加热到Ac3线以上305

3、0C，保温一 定时间使之完全奥氏体化，随炉冷却至500C，然后缓慢冷 却。大部分钢的完全退火加热温度在780880C. 1-普通退火 2-等温退火 完全退火的目的： 消除组织应力、组织缺陷、过热缺陷；改善组织、细化 晶粒；降低硬度，便于机加工；提高塑性与韧性。 这种退火主要用于亚共析钢的铸造、锻造件。 2）不完全退火 是将钢加热到Ac1Ac3（亚共析钢）或Ac1 Accm（过共析钢），并在此温度停留一定时间， 然后缓慢冷却。 不完全退火主要用于过共析钢。进行不完全退 火时，加热至Ac1Accm，此时还保留一部分未溶 二次渗碳体，这些片状的二次渗碳体在长期保温 过程中，会自发球化，保温后缓慢冷却

4、，新的渗 碳体析出时，就以已经球化了的渗碳体为晶核。 3）球化退火 一般采用随炉加热值Ac1线以上2030C，保温一定时间 使钢中的碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。 主要用于共析钢、过共析钢和合金工具钢。目的是降低硬 度，均匀组织，改善切削加工性能，并为淬火组织做准备。 T7T12钢球化退火工艺 4）扩散退火 将钢加热到Ac3或Accm以上150300C，进行较长时间保 温，以使成分和组织均匀化，然后缓慢冷却。扩散退火因加 热温度过高保温时间长，故退火后晶粒粗大，因此扩散退火 后还要进行完全退火或正火处理，以细化晶粒、提高力学性 能。扩散退火用于铸钢件化学成分和组织不均匀。 5）再

5、结晶退火 将根据加热至最低结晶温度以上100200C.并适当 保温使金属发生在结晶。由于在结晶温度低于相变温度， 在冷却过程中不会再发生组织变化，所以冷却速度可比 一般退火快些；再结晶的目的消除加工硬化。其主要用 于经冷变形而产生较高硬化的材料或零件。 6）去内应力退火 定义：将工件加热到低于Ac1线的某一温度（一般 500600C）保温足够时间后，缓慢冷却。 目的：主要用于消除铸造件、锻件、焊接件及冷变 形零件的内应力、稳定尺寸，减少和防止使用过程中 变形，但不改变零件的内部组织。 适用范围：用于所有的钢。 二）钢的正火 1）将钢加热到上临界点(A3、Acm)以上适当温度， 保温特点时间，进

6、行完全奥氏体化，然后在空气中冷 却(有时吹风或喷雾冷却)的热处理过程称为正火。 2）正火与退火相比，冷却速度比较快，接近共析成 分的碳钢(含碳量为Wc=0.6%1.4)正火后得到珠光 体或索氏体的伪共析组织；中碳钢正火后的组织是少 量铁素体加伪共析组织；对于低碳钢，正火后的组织 中珠光体量多, 片细(与退火相比较)。 3）主要应用：）主要应用： （1）低碳钢和低碳合金钢，锻件或型材经正火后可提 高硬度（140190HBS），从而改善切削加工性能。 （2）用于中碳钢制造一般重要零件，可作为最终热处 理。主要是细化晶粒，提高力学性能。 （3）用于过共析钢，可抑制和消除二次渗碳体网的形 成，有利于强

7、化退火的进行。正火与退火相比，操作 简便、生产周期短，能源消耗少、力学性能高，可在 任何条件下进行，应优先采用正火处理。 各种退火、正火的加热温度范围 二、钢的淬火 钢的淬火：是将钢加热到临界点3050C以上，保温一 定时间进行奥氏体化，然后在水或油中快速冷却，使奥氏 体冷却到Ms点以下发生马氏体转变的热处理工艺。钢的 淬火组织主要是马氏体，虽然马氏体不是热处理所要得到 的最终组织，但马氏体再经适当的回火，可以使钢获得需 要的组织和使用性能，最终达到热处理的目的。 1、淬火操作方法 将钢加热到Ac3或Ac1线以上，保温一段时间，然后在水、硝 盐、油或空气中快速冷却。 2、目的： 为了获得高硬度

8、的马氏体组织。有时对某些 高合金钢（如不锈钢、耐磨钢）淬火是，则 是为了得到单一均匀奥氏体组织，以提高耐 磨性和耐蚀性。 3、应用要点： 一般用于含碳量大于0.3%的碳钢和合金钢； 淬火能充分发挥钢的强度和耐磨性潜力，但会 造成很大的内应力，降低钢的塑性和冲击韧性， 故要进行回火，以得到较好的综合力学性能。 4、淬火加热温度： 淬火加热温度的确定应以获得晶粒细小成分均匀 的奥氏体为原则，以便得到细小的马氏体组织。 （1）亚共析钢淬火加热温度约为Ac3+(3050)C， 亚共析合金钢可以是Ac3+(3070)C。 （2）对于过共析钢，淬火前的组织应是粒状珠光体，淬火 加热温度为A1+(3050)

9、C。 5、淬火冷却 （1）理想的淬火冷却速度： 淬火时，工件的冷却速度必须大于临界冷却 速度，才能获得马氏体组织。 （2）冷却介质： 盐水 水 油（冷却速度） 淬火理想的冷却速度示意图 6、淬透性 1）淬透性定义：是钢的一种热处理工艺性能，表征钢 在淬火时所能得到的淬硬层深度。 一般将有50%分解产物加50%马氏体组织(又称半马氏 体组织)处的深度定义为淬硬层深度，从表面到半马氏 体处又称为淬透层。 同样形状和尺寸的工件，在同样条件下淬火，由于 所用的钢种不同，淬硬层的深度不同， 淬硬层深的钢淬透性好淬硬层深的钢淬透性好 2） 影响淬透性因素 淬透性的好坏取决于钢的过冷奥氏体的稳定性， 过冷奥

10、氏体稳定性越大，分解转变的孕育期越长， C曲线越向右移，临界冷却速度越小，越容易得 到马氏体，钢的淬透性越好。 亚共析钢：C增高，淬透性提高； 过共析钢：C增高，淬透性降低； 除Co以外，溶入奥氏体的合金元素，都增大奥 氏体的稳定性，使淬透性提高；A化温度越高淬 透性增大。 淬透性与冷却速度关系 3）淬透性的意义： 钢的淬透性在生产中有很重要的意义。在拉压或剪切载荷下 服役的工件，希望其整个截面上性能均匀一致，由于所用钢种 的淬透性差，淬硬层浅，只有表面很浅一层强度高，其他部位 性能低，不能充分发挥材料的潜力。所以对于截面较大的重要 工件，应选用淬透性好的钢种，便于工件在淬火时能够淬透， 使截

11、面获得均匀的组织和性能。对于形状比较复杂，或者变形 要求严格的工件，如果选用淬透性好的钢，可以在较缓和的淬 火剂中淬火，减少淬火应力和变形。淬透性很好的合金钢，甚 至可以在空气中冷却得到马氏体组织。 （1）单液淬火）单液淬火：将加热后的零件投入一种：将加热后的零件投入一种 冷却冷却 剂中冷却至室剂中冷却至室 温。温。 特点：操作简单，容易实现自动化。特点：操作简单，容易实现自动化。 （2）双液淬火）双液淬火：先水后油，或先油后空气。先水后油，或先油后空气。 特点：可防止变形与开裂。特点：可防止变形与开裂。 （3）分级淬火）分级淬火：先放入一定温度的盐浴或碱浴中，再空冷。先放入一定温度的盐浴或碱

12、浴中，再空冷。 特点：有效减小内应力，防止变形与开裂；特点：有效减小内应力，防止变形与开裂； 但只适于小尺但只适于小尺 寸工件。寸工件。 4）淬火方法： 为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，必须为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，必须 采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。如下页图采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。如下页图 所示。所示。 （4）等温淬火）等温淬火 将奥氏体化的工件先置于温度约高于Ms点的盐 浴或碱浴中冷却，待工件内外温度一致后，再 取出在油中或空气中冷却，如图中的曲线4所示。 （5）局部淬火）局部淬火 （6）冷处理）冷处理 5）淬火介质

13、三、钢的回火 淬火状态的钢是不稳定的；过饱和碳的马氏体要发生脱 溶分解；残余奥氏体是高温相处于过冷状态，也要发生转 变；淬火应力要逐渐松弛。 钢的回火是将淬火钢加热至A1以下的某一温度，保温，然 后冷却到室温的一种热处理工艺。 回火可以减少或消除应力，可以根据加热温度调整回火后 所得到的组织和性能，稳定尺寸，使工件达到服役状态的要 求。 100C M未分解,组织：M+残A； 100200C M开始分解，正方度降低，碳脱熔析出渗碳体 （Fe2.4C）,组织：过饱和 的固溶体+ 渗碳体+残A回火M； 200300C 残余A分解为M或下B，硬度和强度并不下降 （Why？）； 300400C M分解为

14、F()+Fe3C，渗碳体转变为Fe3C； 400C 固溶体回复再结晶，c/a下降到1变为体心立方结构， 亚结构明显减少或消失。 一）淬火钢在回火时的组织转变 钢在回火时的组织、内应力变化 1、回火操作方法：将淬火工件重新加热到Ac1线以下某一温度， 经保温后，与空气、油、热水、水中冷却。 2、目的：降低或消除淬火后的内应力，减少工件的变形和开 裂；调整硬度、提高塑性韧性，获得工作需要的力学性能； 稳定工件尺寸。 3、回火种类 1）低温回火（150250C） 组织：回火M-极细碳化物和过饱和相 目的：降低内应力、降低脆性、保持高硬度和耐磨性58 64HRC。 适应：工具、量具、模具、滚动轴承、渗

15、碳钢、表面淬火件 2）中温回火（350500C） 组织：回火T-针状F+极细Fe3C 目的：获得较高弹性和韧性，3050HRC 适应：弹簧 3）高温回火（500650C） 组织：回火S-块状F+粒状Fe3C 目的：获得良好的综合机械性能，2535HRC 适应：轴、齿轮、螺栓等重要结构件-中碳钢 淬淬火后高温回火称为调质。其操作方法是：将钢淬火，然后火后高温回火称为调质。其操作方法是：将钢淬火，然后 在较高温度下回火。在较高温度下回火。 调质的目的调质的目的：改善切削加工性能，提高加工表面质量；减少淬 火时的变形和开裂；获得良好的综合力学性能 调质应用调质应用：善于淬透性较高的合金结构钢、合金工

16、具钢、高速 钢；不仅可以作为各种较重要结构的最后热处理，还可以作为 某些紧密连接的预先热处理，以减少变形。 4、回火组织金相 5、 回火脆性回火脆性：淬火钢在回火时，随回火温度升高，硬度降 低，韧性升高，但许多钢的回火温度与冲击韧性的关系曲线 出现了低谷。 1）第一类回火脆性不可逆回火脆性，低温回火脆性，发 生温度为250400C； 特征：具有不可逆性；与回火后的冷却速度无关；端口为晶 脆性断裂。 防治方法：无法消除，不在这一温度回火；没有抑制回火脆 性的合金元素，通过一下方法减弱回火脆性的影响-降低钢 中杂质元素含量；用Al脱氧或加入Nb、V、Ti等合金元素细化 奥氏体晶粒；加入Nb、W可减轻回火脆性；加热Cr、Si调整温 度范围（推向高温）；采用等温淬火代替淬火回火工艺。 2）第二类回火脆性可逆回火脆性，发生温度为400 650C 特征特征：具有可逆性；与回火后的冷却速度有关，保温后缓 慢冷却出现，块冷却不出现，出现脆性后可重新加热后快冷 消除；与制造状态无关，但马氏体催化倾向大，在催化去内 回火，回火后与冷却速度无关；断口为沿晶脆性断裂。 防治方法防治方法：提高钢材的纯度，尽量减少杂质；加入适量的 Mo、W等合金元素；对尺寸、形状简单的零件，采用回火后 快冷却方法；采用亚温淬火、细化晶粒；采用高温热变形处 理，使晶粒超细化，晶界面积增大。 总 结