金属材料热处理基础与工序的安排

1、张清华 该培训资料针对机械加工和装配人员该培训资料针对机械加工和装配人员 黑色黑色 金属金属 有色有色 金属金属 金金 属属 材材 料料 铸铁铸铁 钢钢 工程构件用钢工程构件用钢 机器零件用钢机器零件用钢 工具钢工具钢 特殊性能用钢特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢不锈钢及耐热钢) 轻金属轻金属( (铝铝, ,镁镁, ,钛钛) ) 重金属重金属( (铜铜, ,锌锌, ,铅铅, ,镍镍) ) 贵重金属贵重金属( (金金, ,银银) ) 稀有金属稀有金属( (钨钼钒铌钴钨钼钒铌钴) ) 放射金属放射金属( (镭铀钍镭铀钍) ) 结构金属材料结构金属材料 功能金属材料功能金属材料 金属材料的分类金属材料的

2、分类 金金 属属 材材 料料 加加 工工 工工 艺艺 铸造铸造 塑性加工塑性加工 焊接焊接 粉末冶金粉末冶金 切削加工切削加工 熔焊熔焊 压焊压焊 钎焊钎焊 砂型铸造砂型铸造 熔模铸造熔模铸造 压力铸造压力铸造 金属型铸造金属型铸造 离心铸造离心铸造 锻造锻造 轧制轧制 拔制拔制 挤压挤压 板料冲压板料冲压 车削车削 铣削铣削 磨削磨削 刨削刨削 钻削钻削 镗削镗削 钳工钳工 特种处理特种处理 热处理热处理 表面处理表面处理 金属材料加工工艺金属材料加工工艺 金属材料的性能金属材料的性能 力力 学学 性性 能能 物物 理理 性性 能能 化化 学学 性性 能能 加加 工工 工工 艺艺 性性 能能

3、 使用使用性能性能 金属材料的性能金属材料的性能 密度密度 熔点熔点 导热性导热性 导电性导电性 热膨胀性热膨胀性 磁性磁性 耐蚀性耐蚀性 抗氧化性抗氧化性 化学稳定性化学稳定性 强度强度 塑性塑性 韧性韧性 疲劳强度疲劳强度 硬度硬度 铸造性能铸造性能 锻造性能锻造性能 金属切削金属切削 性能性能 焊接性能焊接性能 热处理性热处理性 能能 力学性能-指材料在外力作用下表现出来的特性，主要指材料在外力作用下表现出来的特性，主要 有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。 强度强度-金属材料在静载荷的作用下抵抗变形和断裂的能力， 常见的强度形式有抗拉强度

4、、抗压强度、抗弯强度、抗扭强度、 抗剪强度等。一般以抗拉强度作为判别金属强度指标。 塑性塑性-材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。 评定指标是断后伸长率和断面收缩率。 冲击韧度冲击韧度- -金属抵抗冲击载荷而不破坏的能力；常用一次摆 锤冲击弯曲实验来测定金属材料的韧度。 疲劳强度疲劳强度-材料在无数次交变载荷作用下而不破坏的最大应 力值。 金属材料的性能金属材料的性能 引言：引言： 1、定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是 衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。 2 2、硬度的测试方法硬度的测试方法 洛氏硬度HRC-用于测量淬火钢、硬质合金等材料 维氏硬度H

5、V-常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。 肖氏硬度HA、HC、HD-用于一般橡胶、塑料、多元脂、皮 革、蜡等。 布氏硬度HB-用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属 材料等。 金属材料的性能金属材料的性能 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能: :是指材料在加工成零件或构 件过程中材料应具备的适应加工的性能，包括铸造性能、锻 造性能、切削加工性能、焊接性能及热处理工艺性能。 铸造性能铸造性能- -金属材料铸造成形的能力，常用流动性、收缩 性和偏析来衡量。 锻造性能锻造性能-金属锻造成形的能力.它主要取决于金属的塑性 和变形抗力.塑性越好、变形抗力越小，金属的锻造性能越 好。例如，纯铜在

6、室温下就有良好的锻造性能，碳钢在加热 状态下锻造性能较好，铸铁则不能锻造。 金属材料的性能金属材料的性能 切削加工性能切削加工性能-金属切削的难易程度。一般用切削速度、加 工表面粗糙度和刀具使用寿命来衡量。影响切削加工性能的 因素有工件的化学成分、组织、硬度、热导率和形变硬化程 度等。一般认为材料具有适当硬度（170230HBS）和足够的 脆性时较易切削。所以灰铸铁比钢的切削加工性能好，碳钢 比高合金钢切削加工性好。改变钢的化学成分和进行适当的 热处理可改善钢的切削加工性。 焊接性能焊接性能-金属能焊接成具有一定使用性能的焊接接头的特 性。在机械工业中，焊接的主要对象是钢材，碳质量分数及 合金

7、元素含量是决定金属焊接性的主要因素，碳质量分数和 合金元素含量越高，焊接性能越差。例如，低碳钢具有良好 的焊接性，而高碳钢、铸铁的焊接性不好。 热处理性能热处理性能-金属经热处理可使性能顺利改善的性质。它与 材料的化学成分有关。常见的热处理方法有退火、正火、淬 火、回火及表面热处理（表面淬火及化学热处理）等。 金属材料的性能金属材料的性能 0.0218% 0.02182.11% 2.116.68% 0.77% 4.3% 钢的分类钢的分类-按含碳量分类按含碳量分类 碳素钢碳素钢 合金钢合金钢 化学成分化学成分 低碳钢（低碳钢（C%0.25%） 中碳钢（中碳钢（C%=0.25%0.60%） 高碳钢

8、（高碳钢（C%0.6%） 低合金钢（合金元素总量低合金钢（合金元素总量10%） 钢的分类钢的分类-按化学成分分类按化学成分分类 冶金质量冶金质量 分类分类 优质钢（优质钢（S%、P%0.040%） 普通钢（普通钢（S%0.055%，P%0.045%） 高级优质钢（高级优质钢（S%0.030%，P%0.035%） 冶炼时冶炼时 脱氧程度脱氧程度 沸腾钢（脱氧不完全）沸腾钢（脱氧不完全） 半镇静钢半镇静钢 镇静钢（脱氧较完全）镇静钢（脱氧较完全） 钢的分类钢的分类-冶金质量分类冶金质量分类、冶炼时脱氧程度冶炼时脱氧程度 按用按用 途分途分 类类 结构钢结构钢 工具钢工具钢 特殊钢特殊钢 工程构件用

9、钢工程构件用钢 机器零件用钢机器零件用钢 建筑工程用钢、桥梁工程用钢建筑工程用钢、桥梁工程用钢 船舶工程用钢、车辆工程用钢船舶工程用钢、车辆工程用钢 调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢渗碳调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢渗碳 和渗氮钢、耐磨钢和渗氮钢、耐磨钢 刃具钢刃具钢 量具钢量具钢 模具钢模具钢 不锈钢不锈钢 耐热钢耐热钢 一般属于高碳、高合金钢一般属于高碳、高合金钢 钢的分类钢的分类-按用途分类按用途分类 碳素结构钢碳素结构钢 (carbon structural steel) 普通碳素结构钢普通碳素结构钢 优质碳素结构钢优质碳素结构钢 碳素工具钢碳素工具钢 (carbon tool steel) 用

10、于制造各种工具。 一般为高碳钢。 (用于制造各种机械零件、工程构件。用于制造各种机械零件、工程构件。 一般为低、中碳钢。一般为低、中碳钢。) 钢的分类钢的分类-碳素钢分类碳素钢分类 Q 235 A F 沸腾钢沸腾钢 A等级等级 235 MPa 屈服强度屈服强度 Q195 、Q215 、Q235 、Q255 、Q275 应用：厂房、桥梁、船舶、铆钉、应用：厂房、桥梁、船舶、铆钉、 螺钉、螺母等。螺钉、螺母等。 钢的分类钢的分类-钢的牌号钢的牌号 优质碳素结构钢：优质碳素结构钢： 牌号：用两位数字表示钢中平均含碳量的十分之几。牌号：用两位数字表示钢中平均含碳量的十分之几。 分类：分类： 1 1）、

11、）、08250825钢，属于低碳钢钢，属于低碳钢 性能：强度、硬度较低、塑性、韧性及焊接性良好；性能：强度、硬度较低、塑性、韧性及焊接性良好； 用途：冲压件、焊接结构件及渗碳件用途：冲压件、焊接结构件及渗碳件 如：深冲器件、压力容器等。如：深冲器件、压力容器等。 2 2）、）、30553055钢钢 属于中碳钢属于中碳钢 性能：较高的强度和硬度，是塑性和韧性随含碳量的增加性能：较高的强度和硬度，是塑性和韧性随含碳量的增加 而逐步降低。而逐步降低。 用途：制作受力较大的机械零件。用途：制作受力较大的机械零件。 如：连杆、曲轴、齿轮等如：连杆、曲轴、齿轮等 3 3）、）、6060钢以上钢以上 属于高

12、碳钢。属于高碳钢。 性能：有较高的强度、硬度和弹性；性能：有较高的强度、硬度和弹性； 用途：制造较高强度、耐磨性和弹性的零件用途：制造较高强度、耐磨性和弹性的零件 如：气门弹簧、弹簧垫圈等如：气门弹簧、弹簧垫圈等 钢的分类钢的分类-钢的牌号钢的牌号 T 12 A 高级优质高级优质 Wc = 12%0 碳素工具钢碳素工具钢 T8T8、T10T10、T12T12、T13T13、T8AT8A、T10AT10A T7T8T7T8：钻头、模具等：钻头、模具等 T9T10T9T10：丝锥、板牙等：丝锥、板牙等 T11T13T11T13：锉刀、削刀等：锉刀、削刀等 钢的分类钢的分类-钢的牌号钢的牌号 ZG

13、200 - 400 b 400MPa s 200MPa 铸钢铸钢 ZG 200-400ZG 200-400、ZG 230-450ZG 230-450、ZG 270-500ZG 270-500、 ZG 310-570ZG 310-570、ZG340-640ZG340-640 应用：制造形状复杂力学性能要求较高的应用：制造形状复杂力学性能要求较高的 机械零件。机械零件。 钢的分类钢的分类-钢的牌号钢的牌号 碳钢的不足：碳钢的不足： 碳钢淬透性低，不适易形状复杂和尺寸大的工件。碳钢淬透性低，不适易形状复杂和尺寸大的工件。 只能水冷，易变形开裂，性能不均。只能水冷，易变形开裂，性能不均。 强度和屈强比

14、低强度和屈强比低 回火稳定性差。回火稳定性差。 耐热、耐蚀、抗氧化、耐磨、红硬性等。耐热、耐蚀、抗氧化、耐磨、红硬性等。 1、按合金元素质量分数总量分类、按合金元素质量分数总量分类 2按用途分类按用途分类 （1）低合金钢）低合金钢 总量低于总量低于5 （2）中合金钢）中合金钢 总量总量 510 （3）高合金钢）高合金钢 总量大于总量大于10 （1）合金结构钢）合金结构钢 （2）合金工具钢）合金工具钢 （3）特殊钢）特殊钢 （低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢 、滚动轴承钢、滚动轴承钢 ） （合金刃具钢、合金模具钢、合金

15、量具钢）（合金刃具钢、合金模具钢、合金量具钢） （不锈钢、耐热钢、耐磨钢）（不锈钢、耐热钢、耐磨钢） 铁素体铁素体- -碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，符号F。 奥氏体奥氏体- -碳溶解在Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，符号A。 珠光体珠光体- -是铁素体与碳光体的混合物，符号P 莱氏体莱氏体- -是含碳量为4.3%的液态铁碳合金在11480C时从液体上中间结晶出的奥氏体和渗碳体的混 合物,符号Ld。 渗碳体渗碳体- -铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物,用化学分子式“Fe3C”表示 铁碳合金相图铁碳合金相图 相图相区：1.单相区(4个+1个): L,A,F ,(+ Fe3C)

16、 。2.两相区(7 个):L + ,L + Fe3C,L + A, + A ,A + F ,A + Fe3C ,F + Fe3C。 共晶转变：在1148,4.3%C的液相发生共晶转变:Lc (AE+Fe3C)。 共析转变：在727,0.77%的奥氏体发生共析转变:AS (F+Fe3C),转变的产物称为珠光体。 相图中重要的点(14个) 1.组元的熔点: A (0, 1538) 铁的熔点;D (6.69, 1227) Fe3C的熔点 2.同素异构转变点:N(0, 1394)-Fe -Fe;G(0, 912)-Fe -Fe 3.碳在 铁中最大溶解度点: P(0.0218,727),碳在-Fe 中的

17、最大溶解度 E(2.11,1148),碳在-Fe 中的最大溶解度 H (0.09,1495),碳在-Fe中的最大溶解度 Q(0.0008,RT),室温下碳在-Fe 中的溶解度 三相共存点: S(共析点,0.77,727),(A+F +Fe3C) C(共晶点,4.3,1148),( A+L +Fe3C) J(包晶点,0.17,1495)( d+ A+L ) B(0.53,1495),发生包晶反应时液相的成分 F(6.69,1148 ) , 渗碳体 K (6.69,727 ) , 渗碳体 包晶线包晶线HJB LB+H J 共晶线共晶线ECF LECF LC C E E+Fe+Fe3 3C C 共析

18、线PSK S P+Fe3C 钢铁材料是工程材料中最重要的材料之一，在机械制造业钢铁材料是工程材料中最重要的材料之一，在机械制造业 中的比例达到中的比例达到90%90%左右，在汽车制造业中的比例达到左右，在汽车制造业中的比例达到70%70%，在，在 其他制造业中也是最重要的材料之一。其他制造业中也是最重要的材料之一。 改善钢铁材料性能的途径：改善钢铁材料性能的途径： l 合金化合金化（Alloying） 通过在钢中加入合金元素，调整钢的化学成分，从而获通过在钢中加入合金元素，调整钢的化学成分，从而获 得优良的性能。得优良的性能。 l 热处理热处理（Heat Treatment） 将金属在固态下经

19、加热、保温和冷却，以改变金属的内将金属在固态下经加热、保温和冷却，以改变金属的内 部组织和结构，从而获得优良的性能。部组织和结构，从而获得优良的性能。 钢的热处理钢的热处理1 1 热处理的基本概念热处理的基本概念 二、热处理的基本要素和作用二、热处理的基本要素和作用 l 热处理的三大要素热处理的三大要素 加热加热（Heating） 目的是获得均匀细小的奥氏体组织。目的是获得均匀细小的奥氏体组织。 保温保温（Holding） 目的是保证工件烧透，并防止脱碳和氧化等。目的是保证工件烧透，并防止脱碳和氧化等。 冷却冷却（Cooling） 目的是使奥氏体转变为不同的组织。目的是使奥氏体转变为不同的组织

20、。 l 热处理后的组织热处理后的组织 加热、保温后的奥氏体在随后的冷却过程中，根据冷却速度的不同加热、保温后的奥氏体在随后的冷却过程中，根据冷却速度的不同 将转变成不同的组织。不同的组织具有不同的性能。将转变成不同的组织。不同的组织具有不同的性能。 钢的热处理钢的热处理1 1 热处理的基本概念热处理的基本概念 l 热处理的特点热处理的特点 热处理不改变工件的形状，仅改变钢的内部组织和结构，从而改变钢热处理不改变工件的形状，仅改变钢的内部组织和结构，从而改变钢 的性能。的性能。 l 热处理的目的热处理的目的 提高零件的使用性能；提高零件的使用性能； 充分发挥钢材的潜力；充分发挥钢材的潜力； 延长

21、零件的使用寿面；延长零件的使用寿面； 改善工件的工艺性能，提高加工质量，减小刀具的磨损改善工件的工艺性能，提高加工质量，减小刀具的磨损。 材料是否能够通过热处理而改善其性能，关键条件是材料在加热和冷材料是否能够通过热处理而改善其性能，关键条件是材料在加热和冷 却过程中是否发生组织和结构的变化。却过程中是否发生组织和结构的变化。 钢的热处理钢的热处理1 1 热处理的基本概念热处理的基本概念 A1 A3 Acm Ac1 Ar1 Ac3 Ar3 Arcm Accm 三、钢的临界转变温度三、钢的临界转变温度 wC（%） 温度温度 SP G E Q FeFeFeFe3 3C C相图的共析转变部分相图的共

22、析转变部分 钢的临界转变温度是钢在钢的临界转变温度是钢在 热处理时制定加热、保温、热处理时制定加热、保温、 冷却工艺的重要依据，由铁冷却工艺的重要依据，由铁 碳合金相图确定。碳合金相图确定。 钢的实际临界转变温度总钢的实际临界转变温度总 是滞后于理论临界转变温度是滞后于理论临界转变温度, 即加热时需要过热，冷却时即加热时需要过热，冷却时 需要过冷。需要过冷。 钢的热处理钢的热处理1 1 热处理的基本概念热处理的基本概念 钢的奥氏体化钢的奥氏体化 奥氏体晶核的形成及长大；奥氏体晶核的形成及长大； 残余渗碳件的溶解；残余渗碳件的溶解； 奥氏体的均匀化；奥氏体的均匀化； 在热处理工艺中，钢保温的目的

23、是：在热处理工艺中，钢保温的目的是： 、为了使工件热透；、为了使工件热透； 、使组织转变完全；、使组织转变完全； 、使奥氏体成分均匀。、使奥氏体成分均匀。 奥氏体晶粒的长大：奥氏体晶粒的长大： 加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越大加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越大 钢的热处理钢的热处理1 1 热处理的基本概念热处理的基本概念 四、钢在加热时的组织转变四、钢在加热时的组织转变 五、钢在冷却时的转变五、钢在冷却时的转变 两种冷却方式：两种冷却方式： 等温冷却等温冷却 将将A A快速冷至临界温度以下某一温度，使快速冷至临界温度以下某一温度，使A A在该温度下转变成其他组在该温度下转变成

24、其他组 织，然后再冷却至室温。织，然后再冷却至室温。 连续冷却连续冷却 A A在逐渐降温至室温的过程中转变成其他组织。在逐渐降温至室温的过程中转变成其他组织。 第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变 保温保温 连连 续续 冷冷 却却 临界温度临界温度 等等 温温 冷冷 却却 时间时间 温度温度 加加 热热 过冷奥氏体过冷奥氏体（Undercooling Austenite）： 被过冷至临界温度以下、在热力学上不稳定、即将发生分解（即奥被过冷至临界温度以下、在热力学上不稳定、即将发生分解（即奥 氏体转变为其他组织）的奥氏体，称为过冷奥氏体。氏体转变为其他组织）的奥氏体

25、，称为过冷奥氏体。 第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变 保温保温 A r1 时间时间 温度温度 加加 热热 (稳定的稳定的)奥氏体奥氏体 过冷奥氏体过冷奥氏体 过冷奥氏体转变产物：过冷奥氏体转变产物： 珠光体的转变珠光体的转变 符号：符号：P P 过冷奥氏体以缓慢的冷却速度冷却至室温，或过冷奥氏体在临界温过冷奥氏体以缓慢的冷却速度冷却至室温，或过冷奥氏体在临界温 度以下的高温范围内等温，将转变成珠光体。度以下的高温范围内等温，将转变成珠光体。 典型的冷却方式：典型的冷却方式：炉冷（退火）炉冷（退火） 珠光体相比马氏体和贝氏体，其强度和硬度较低。珠光体相比马氏体和

26、贝氏体，其强度和硬度较低。 Ar1 Ar1 550550 珠光体珠光体 Ar1 Ar1 650650 珠光体珠光体P P 25HRC25HRC 650 650 600600 索氏体索氏体S 25HRCS 25HRC 35HRC35HRC 600 600 550550 屈氏体屈氏体T 35HRCT 35HRC 40HRC40HRC 贝氏体的转变贝氏体的转变 符号：符号：B B 过冷奥氏体在临界温度以下的中温范围内等温，将转变成贝氏体。过冷奥氏体在临界温度以下的中温范围内等温，将转变成贝氏体。 贝氏体的强度和硬度介于珠光体和马氏体之间。贝氏体的强度和硬度介于珠光体和马氏体之间。 550 550 M

27、sMs贝氏体贝氏体B B 550 550 350350 上贝氏体上贝氏体B B上上 40HRC40HRC 45HRC45HRC 350 350 MsMs下贝氏体下贝氏体B B下下 45HRC45HRC 55HRC55HRC 钢的热处理钢的热处理1 1 热处理的基本概念热处理的基本概念 马氏体的转变马氏体的转变 符号：符号：M M 过冷奥氏体以极快的冷却速度冷却至室温，将转变成马氏体。过冷奥氏体以极快的冷却速度冷却至室温，将转变成马氏体。 典型的冷却方式：典型的冷却方式：水冷或油冷（淬火）水冷或油冷（淬火） 马氏体具有很高的强度和硬度。马氏体具有很高的强度和硬度。 l马氏体的性能马氏体的性能 马

28、氏体的性能主要取决于含碳量和组织形态。马氏体的性能主要取决于含碳量和组织形态。 （1 1）含碳量的影响）含碳量的影响 随随M的的wC%： M的硬度、强度的硬度、强度， M的塑性、韧性的塑性、韧性，M的脆性的脆性 。 2 2）组织形态的影响）组织形态的影响 针状马氏体硬度大，塑性和韧性差；板条马氏体韧性较好，并且具有足够针状马氏体硬度大，塑性和韧性差；板条马氏体韧性较好，并且具有足够 的强度。的强度。低碳板条马氏体低碳板条马氏体“强而韧强而韧”。 钢的热处理钢的热处理1 1 热处理的基本概念热处理的基本概念 MJ/m2 HRC HRC ak wC% 马氏体的硬度、韧性与含碳量的关马氏体的硬度、韧

29、性与含碳量的关 系系 过冷奥氏体转变曲线过冷奥氏体转变曲线 1.1.过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体等温转变曲线 又名又名TTTTTT曲线：曲线： T：Time(时间时间) T：Temperature(温度温度) T：Transformation(转化转化) 曲线形似英文字母曲线形似英文字母“C C”， 故又称故又称“C C曲线曲线”。 以下以共析钢以下以共析钢C C曲线为例。曲线为例。 共析钢过冷奥氏体等温转变曲线共析钢过冷奥氏体等温转变曲线 钢的热处理钢的热处理1 1 热处理的基本概念热处理的基本概念 l C C曲线分析曲线分析 A A1 1线以上为奥氏体区域。线以上为奥氏体区域。 两个两

30、个“C C”分别是过冷奥氏体转分别是过冷奥氏体转 变开始线和转变终了线。变开始线和转变终了线。 A A1 1线以下、线以下、M Ms s以上、转变开始线以上、转变开始线 以左的区域是过冷奥氏体区。以左的区域是过冷奥氏体区。 转变开始前需要一定的时间，转变开始前需要一定的时间， 称称孕育期孕育期（Incubation Period）。 C C曲线的曲线的“鼻尖鼻尖”处孕育期最短处孕育期最短, , 其温度大致是其温度大致是550550 C C。 A 过冷过冷A 钢的热处理钢的热处理1 1 热处理的基本概念热处理的基本概念 C C曲线分析（续）：曲线分析（续）： C C曲线由上至下分三个区域：曲线由

31、上至下分三个区域： A A1 1550550 C C：珠光体转变区珠光体转变区 550550 C CM Ms s：贝氏体转变区贝氏体转变区 M Ms sM Mf f：马氏体转变区马氏体转变区 以恰好与以恰好与“鼻尖鼻尖”相切的冷却相切的冷却 速度将钢冷却下来时速度将钢冷却下来时, ,过冷过冷A A将将 不发生不发生P P和和B B转变，钢冷却后的转变，钢冷却后的 组织为组织为M M。这一冷却速度。这一冷却速度vk k称为称为 钢的钢的临界冷却速度临界冷却速度（Critical Cooling Rate）。 M P B vk 钢的热处理钢的热处理1 1 热处理的基本概念热处理的基本概念 2. 2

32、.过冷奥氏体连续转变曲线过冷奥氏体连续转变曲线 又称又称CCTCCT曲线：曲线： C：Continuous(连续连续) C：Cooling(冷却冷却) T：Transformation(转变转变) 共析钢共析钢CCTCCT曲线分析：曲线分析： CCTCCT曲线中只有曲线中只有P P和和M M转变，没有转变，没有 B B转变。转变。 CCTCCT曲线中除曲线中除APAP转变开始和终转变开始和终 了线外，还有一条中止线。了线外，还有一条中止线。 中止线的意义：中止线的意义： 当冷却曲线碰到中止线时当冷却曲线碰到中止线时,AP,AP 转变终止，随后，未转变的转变终止，随后，未转变的A A在冷在冷 至

33、至M Ms s点以下将转变为点以下将转变为M M。共析钢过冷奥氏体连续转变曲线共析钢过冷奥氏体连续转变曲线 钢的热处理钢的热处理1 1 热处理的基本概念热处理的基本概念 共析钢共析钢CCTCCT曲线分析曲线分析（续）（续）： vk称为称为CCTCCT曲线的临界冷却速度，曲线的临界冷却速度， 它是获得全部它是获得全部M M组织组织( (实际上还实际上还 含有少量的含有少量的A A ) )的最小冷却速度。的最小冷却速度。 冷却速度大于冷却速度大于vk时，转变得到时，转变得到M M； 冷却速度小于冷却速度小于vk 时，转变得到时，转变得到P P； 冷却速度大于冷却速度大于vk 而小于而小于vk时，转

34、时，转 变得到变得到P PM M。 临界冷却速度越小，奥氏体越稳临界冷却速度越小，奥氏体越稳 定，越容易获得定，越容易获得M M组织。这对淬火组织。这对淬火 工艺操作具有十分重要的意义。工艺操作具有十分重要的意义。 共析钢过冷奥氏体连续转变曲线共析钢过冷奥氏体连续转变曲线 钢的热处理钢的热处理1 1 热处理的基本概念热处理的基本概念 共析钢过冷奥氏体等温转变曲线共析钢过冷奥氏体等温转变曲线 P M S T B上 上 B下 下 钢的热处理钢的热处理1 1 热处理的基本概念热处理的基本概念 普通热处理普通热处理 ( (整体热处理整体热处理) ) 退火退火 表面淬火表面淬火 热处理工艺热处理工艺 化

35、学热处理化学热处理 表面热处理表面热处理 其他热处理其他热处理 控制气氛热处理控制气氛热处理 真空热处理真空热处理 形变热处理形变热处理 六、热处理的类型六、热处理的类型 1.1.按加热、冷却方式及钢的组织、性能不同分类按加热、冷却方式及钢的组织、性能不同分类 正火正火 淬火淬火 回火回火 感应加热表面淬火感应加热表面淬火 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 电接触加热表面淬火电接触加热表面淬火 渗碳渗碳 渗氮（氮化）渗氮（氮化） 碳氮共渗碳氮共渗 钢的热处理钢的热处理1 1 热处理的基本概念热处理的基本概念 2.2.按热处理在工件生产过程中的位置和作用不同分类按热处理在工件生产过程中的位置和作

36、用不同分类 预备热处理：预备热处理：为随后的加工或热处理作准备为随后的加工或热处理作准备 热处理工艺热处理工艺 最终热处理：最终热处理：赋予工件所需的力学性能赋予工件所需的力学性能 毛坯毛坯 （锻件）（锻件） 预备热处理预备热处理 （退火、正火）（退火、正火） 机加工机加工 （车削）（车削） 最终热处理最终热处理 （淬火、回火）（淬火、回火） 精加工精加工 （磨削）（磨削） 零件的典型加工工艺路线：零件的典型加工工艺路线： 钢的热处理钢的热处理1 1 热处理的基本概念热处理的基本概念 第二节钢的退火与正火第二节钢的退火与正火 一、退火一、退火（Annealing） 1.1.退火的定义退火的定义

37、 退火是将钢加热至临界点退火是将钢加热至临界点A Ac1 c1以上或以下温度，保温后缓慢冷却下来 以上或以下温度，保温后缓慢冷却下来 以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。 2.2.退火的目的退火的目的 调整硬度以便切削加工调整硬度以便切削加工 适于机加工的硬度：适于机加工的硬度：HB170HB170230230。 消除残余内应力消除残余内应力 防止工件淬火时变形或开裂。防止工件淬火时变形或开裂。 细化晶粒，改善组织细化晶粒，改善组织 为最终热处理（淬火和回火）作组织准备为最终热处理（淬火和回火）作组织准备 获得粒（球）状珠光体。获得粒（球）状珠光体。 通常是

38、随炉冷却通常是随炉冷却 钢的热处理钢的热处理 2 2 钢的退火与正火钢的退火与正火 3.3.退火的种类退火的种类 a a、完全退火：、完全退火： 完全退火是将钢加热到完全奥氏体（完全退火是将钢加热到完全奥氏体（Ac3Ac3以上以上3030 C C5050 C C ），随之缓），随之缓 慢冷却，以获得接近平衡状态组织的工艺方法。慢冷却，以获得接近平衡状态组织的工艺方法。 应用：中碳钢及低、中碳合金结构钢的锻件、铸件、热轧型材等。应用：中碳钢及低、中碳合金结构钢的锻件、铸件、热轧型材等。 b b、球化退火：、球化退火： 球化退火是将钢加热到球化退火是将钢加热到AC1AC1以上以上3030 C C5

39、050 C C ，保温一定得时间，以不，保温一定得时间，以不 大于大于5050 C C /H/H得冷却速度随炉冷却，使钢终碳化物呈球状得工艺方法。得冷却速度随炉冷却，使钢终碳化物呈球状得工艺方法。 应用：适用于共析钢及过共析钢。如碳素工具钢，合金工具钢、轴承应用：适用于共析钢及过共析钢。如碳素工具钢，合金工具钢、轴承 钢等。钢等。 c c、去应力退火：、去应力退火： 去应力退火是将钢加热到略低于去应力退火是将钢加热到略低于A1A1得温度，保温一定时间后缓慢冷却得温度，保温一定时间后缓慢冷却 得工艺方法。得工艺方法。 应用：消除塑性变形、焊接、切削加工、铸造等形成的残余内应力。应用：消除塑性变形

40、、焊接、切削加工、铸造等形成的残余内应力。 钢的热处理钢的热处理 2 2 钢的退火与正火钢的退火与正火 二、正火二、正火（Normalizing） 1.1.正火的定义正火的定义 正火是将钢加热至正火是将钢加热至A Ac3 c3或 或A Accm ccm+ 30 + 30 C C5050 C C，保温后空冷以获得近于，保温后空冷以获得近于 平衡状态组织的热处理工艺。平衡状态组织的热处理工艺。 与退火相比，正火冷却速度快，得到较细的与退火相比，正火冷却速度快，得到较细的P P，强度和硬度也较高。，强度和硬度也较高。 2.2.正火的目的正火的目的 正火的目的与退火基本相同。正火的目的与退火基本相同。

41、 3.3.正火的应用正火的应用 消除网状二次渗碳体。消除网状二次渗碳体。 作为要求不高的零件的最终热处理。作为要求不高的零件的最终热处理。 作为低、中碳结构钢的预备热处理，改善切削加工性能。作为低、中碳结构钢的预备热处理，改善切削加工性能。 钢的热处理钢的热处理 2 2 钢的退火与正火钢的退火与正火 三、退火和正火的选用三、退火和正火的选用 wC%0.25%0.25%的低碳钢宜采用正火代替退火作为预备热处理。的低碳钢宜采用正火代替退火作为预备热处理。 0.25%0.25%wC%0.50%0.50%的中碳钢，可采用退火或正火作为预备热处理。的中碳钢，可采用退火或正火作为预备热处理。 0.50%0

42、.50%wC%0.75%0.75%的中、高碳钢，采用完全退火。的中、高碳钢，采用完全退火。 wC%0.75%0.75%的高碳钢，首先用正火消除网状的高碳钢，首先用正火消除网状FeFe3 3C C，再进行球化退火。，再进行球化退火。 退火和正火通常属于预备热处理。退火和正火通常属于预备热处理。 钢的热处理钢的热处理 2 2 钢的退火与正火钢的退火与正火 常用退火及正火的加热范围常用退火及正火的加热范围 A FA AFe3C PFe3C FPP 钢的热处理钢的热处理 2 2 钢的退火与正火钢的退火与正火 第节钢的淬火与回火第节钢的淬火与回火 淬火和回火通常属于最终热处理。淬火和回火通常属于最终热处

43、理。 一、淬火一、淬火（Quenching） 1.1.淬火的定义淬火的定义 淬火是将钢加热至淬火是将钢加热至A Ac3 c3或 或A Ac1 c1以上一定温度，保温后以大于临界冷却速 以上一定温度，保温后以大于临界冷却速 度度vk k冷却下来，以获得马氏体的热处理工艺。冷却下来，以获得马氏体的热处理工艺。 2.2.淬火的目的淬火的目的 获得马氏体（有时也可以是下贝氏体），提高钢的硬度和耐磨性。获得马氏体（有时也可以是下贝氏体），提高钢的硬度和耐磨性。 淬火是钢的最重要的热处理工艺。淬火是钢的最重要的热处理工艺。 钢的热处理钢的热处理3 3 钢的淬火与回火钢的淬火与回火 3. 3.淬火工艺淬火工

44、艺 a a、淬火加热温度：、淬火加热温度： 亚共析钢的淬火加热：亚共析钢的淬火加热：Ac3Ac3以上以上 3030 C C5050 C C 过共析钢的淬火加热：过共析钢的淬火加热：Ac1Ac1以上以上 3030 C C5050 C C b b、淬火冷却介质：油、水、盐水、淬火冷却介质：油、水、盐水、 碱水等。碱水等。 4 4、淬火方法：、淬火方法： 单液淬火法：碳钢一般用水作单液淬火法：碳钢一般用水作 冷却介质；合金钢用油作冷却冷却介质；合金钢用油作冷却 介质。介质。 双介质淬火：如，先水后油；双介质淬火：如，先水后油； 先水后空气。先水后空气。 马氏体分液淬火；马氏体分液淬火； 贝氏体等温淬

45、火。贝氏体等温淬火。 wC / % 碳钢的淬火温度范围碳钢的淬火温度范围 温度温度 / C Ac1 FA AFe3C PFe3C FPP Ac3 Accm A 钢的热处理钢的热处理3 3 钢的淬火与回火钢的淬火与回火 5.5.钢的淬透性钢的淬透性 l 淬透性淬透性（Hardenability）的概念的概念 钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得淬透层深度的能力。钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得淬透层深度的能力。 简单地讲，淬透性就是钢淬火时获得马氏体的能力。简单地讲，淬透性就是钢淬火时获得马氏体的能力。 10 0 75 0 25 50 0 25 100 75 50 30 40 70

46、60 50 距表面距离距表面距离 /mm 2468 马氏体量马氏体量 /100 非马氏体量非马氏体量 /100 硬度硬度 / HRC 马氏体或非马氏体量马氏体或非马氏体量 硬度硬度 淬火工件截面上马氏体量与硬度的关系淬火工件截面上马氏体量与硬度的关系 （wC=0.8%） 淬透性的量度：淬透性的量度： 淬透性的大小用规定条件淬透性的大小用规定条件 下钢淬火后获得的淬硬层的下钢淬火后获得的淬硬层的 深度表示。深度表示。 淬硬层深度：淬硬层深度：由工件表面由工件表面 到半马氏体区域的深度。到半马氏体区域的深度。 钢的热处理钢的热处理3 3 钢的淬火与回火钢的淬火与回火 l 影响淬透性的因素影响淬透性

47、的因素 淬透性的高低取决于钢的过冷奥氏体的稳定性。淬透性的高低取决于钢的过冷奥氏体的稳定性。 过冷奥氏体的稳定性越高，淬透性越好，反之，淬透性越差。过冷奥氏体的稳定性越高，淬透性越好，反之，淬透性越差。 什么因素影响过冷奥氏体的稳定性？什么因素影响过冷奥氏体的稳定性？ C C曲线的位置。曲线的位置。 C C曲线右移，淬火临界冷却速度减小，淬透性提高。曲线右移，淬火临界冷却速度减小，淬透性提高。 凡是使钢的凡是使钢的C C曲线向右移的因素，均提高钢的淬透性。曲线向右移的因素，均提高钢的淬透性。 最主要因素：最主要因素：化学成分化学成分 除除CoCo外，所有溶入奥氏体中的合金元素均提高淬透性。外，

48、所有溶入奥氏体中的合金元素均提高淬透性。 含碳量愈接近共析成分的碳钢，其含碳量愈接近共析成分的碳钢，其C C曲线愈靠右，淬透性越高。曲线愈靠右，淬透性越高。 钢的热处理钢的热处理3 3 钢的淬火与回火钢的淬火与回火 淬透性与淬硬性淬透性与淬硬性（Hardening Capacity）的区别：的区别： 淬透性表示钢淬火后获得淬透层深度的能力，取决于钢本身。淬透性表示钢淬火后获得淬透层深度的能力，取决于钢本身。 淬硬性表示钢淬火后所能达到的最高硬度，取决于钢的含碳量。淬硬性表示钢淬火后所能达到的最高硬度，取决于钢的含碳量。 钢种钢种牌牌 号号含碳量含碳量/%淬透性淬透性淬硬性淬硬性 碳素结构钢碳素

49、结构钢 200.2小小低低 碳素工具钢碳素工具钢 T121.2小小高高 合金结构钢合金结构钢 20Cr2Ni40.2大大低低 合金工具钢合金工具钢W18Cr4V0.8大大高高 几种典型钢种淬透性与淬硬性的比较几种典型钢种淬透性与淬硬性的比较 钢的热处理钢的热处理3 3 钢的淬火与回火钢的淬火与回火 l 淬透性的测定及其表示方法淬透性的测定及其表示方法 （1 1）末端淬火试验）末端淬火试验（End-quench Hardenability test）法法 通过端淬试验测定淬透性，淬透性的数值为通过端淬试验测定淬透性，淬透性的数值为 。 （2 2）临界淬透直径）临界淬透直径（Critical Qu

50、ench Diameter）法法 用钢在某种淬火介质中能够完全淬透的最大直径用钢在某种淬火介质中能够完全淬透的最大直径D D0 0表示。表示。 d d HRCHRC J J 末端淬火试验法测定钢的淬透性末端淬火试验法测定钢的淬透性 标准试样，末端喷水标准试样，末端喷水测试硬度测试硬度淬透性曲线淬透性曲线 钢的热处理钢的热处理3 3 钢的淬火与回火钢的淬火与回火 二、回火二、回火（Tempering） 1.1.回火的定义回火的定义 回火是将淬火钢加热到回火是将淬火钢加热到A Ac1 c1以下某一温度，保温后再冷却到室温的一 以下某一温度，保温后再冷却到室温的一 种热处理工艺。种热处理工艺。 2.

51、2.回火的目的回火的目的 降低或消除残余内应力降低或消除残余内应力 防止工件变形或开裂。防止工件变形或开裂。 减少或消除残余奥氏体减少或消除残余奥氏体 稳定组织，稳定工件的尺寸。稳定组织，稳定工件的尺寸。 消除淬火钢的脆性消除淬火钢的脆性 调整工件的组织和性能，满足工件的使用要求。调整工件的组织和性能，满足工件的使用要求。 钢淬火后应及时回火。钢淬火后应及时回火。 钢的热处理钢的热处理3 3 钢的淬火与回火钢的淬火与回火 3.3.回火工艺回火工艺 l 低温回火低温回火（Low Tempering） 目的：目的：降低淬火应力，改善工件韧性，获得高硬度和高耐磨性。降低淬火应力，改善工件韧性，获得高

52、硬度和高耐磨性。 温度：温度：150 C250 C 。 组织：组织：M M回 回。 。 性能：性能：硬度：硬度：HRC5864。 高的硬度和高的耐磨性高的硬度和高的耐磨性。 应用：应用：工具、模具、轴承、渗碳工件、表面淬火工件等。工具、模具、轴承、渗碳工件、表面淬火工件等。 钢的热处理钢的热处理3 3 钢的淬火与回火钢的淬火与回火 l 中温回火中温回火（Medium Tempering） 目的：目的：提高工件韧性，获得高的弹性极限和屈服强度。提高工件韧性，获得高的弹性极限和屈服强度。 温度：温度：350 C500 C 。 组织：组织：T T回 回。 。 性能：性能：硬度：硬度：HRC3545。

53、 高的弹性，高的屈服强度和屈强比，足够的韧性。高的弹性，高的屈服强度和屈强比，足够的韧性。 应用：应用：各种弹簧。各种弹簧。 钢的热处理钢的热处理3 3 钢的淬火与回火钢的淬火与回火 l 高温回火高温回火（High Tempering） 目的：目的：获得高的韧性，足够的强度和硬度。获得高的韧性，足够的强度和硬度。 温度：温度：500 C600 C 。 组织：组织：S S回 回。 。 性能：性能：硬度：硬度：HRC2535。 良好的综合力学性能。良好的综合力学性能。 应用：应用：轴、齿轮、连杆等。轴、齿轮、连杆等。 调质处理调质处理（Thermal Refining） ： 淬火加高温回火称为调质

54、处理，简称调质。钢经调质处理后，具有淬火加高温回火称为调质处理，简称调质。钢经调质处理后，具有 良好的综合性能，应用广泛。良好的综合性能，应用广泛。 钢的热处理钢的热处理3 3 钢的淬火与回火钢的淬火与回火 4.4.回火脆性回火脆性（Temper Brittleness） 淬火钢在某些温度回火时，其冲击淬火钢在某些温度回火时，其冲击 韧性显著下降的现象称为韧性显著下降的现象称为回火脆性回火脆性。 l 第一类回火脆性第一类回火脆性 出现的温度范围：出现的温度范围：250 C350 C。 特点：特点：淬火钢一旦在这一温度范围淬火钢一旦在这一温度范围 回火，就极可能产生这类回火脆性，回火，就极可能产

55、生这类回火脆性， 且无法消除。且无法消除。 解决办法：解决办法：避免将淬火钢在该温度避免将淬火钢在该温度 范围内回火。范围内回火。 第一类回火脆性又称为低温回火脆第一类回火脆性又称为低温回火脆 性、不可逆回火脆性。性、不可逆回火脆性。 钢的冲击韧性与回火温度的关系钢的冲击韧性与回火温度的关系 钢的热处理钢的热处理3 3 钢的淬火与回火钢的淬火与回火 l 第二类回火脆性第二类回火脆性 出现的温度范围：出现的温度范围：500500650650 C C。 特点：特点：淬火钢在这一温度范围内淬火钢在这一温度范围内 回火后，如果缓冷则会出现回火脆回火后，如果缓冷则会出现回火脆 性，如果快冷则不产生回火脆

56、性。性，如果快冷则不产生回火脆性。 解决办法：解决办法：产生第二类回火脆性产生第二类回火脆性 的钢可重新回火后进行快速冷却。的钢可重新回火后进行快速冷却。 第二类回火脆性又称为高温回火第二类回火脆性又称为高温回火 脆性、可逆回火脆性。脆性、可逆回火脆性。 钢的冲击韧性与回火温度的关系钢的冲击韧性与回火温度的关系 钢的热处理钢的热处理3 3 钢的淬火与回火钢的淬火与回火 第四节钢的表面热处理第四节钢的表面热处理 很多零件要求表面和心部具有不同很多零件要求表面和心部具有不同 的性能。的性能。 齿轮。齿轮。 受力分析：受力分析： 啮合的齿表面受到很大的接触应力和磨擦力，只有表面具有很啮合的齿表面受到

57、很大的接触应力和磨擦力，只有表面具有很 高的硬度，才能满足要求。高的硬度，才能满足要求。 啮合的齿表面受到交变应力，只有表面具有很高的接触疲劳强啮合的齿表面受到交变应力，只有表面具有很高的接触疲劳强 度，才能满足要求。度，才能满足要求。 啮合的齿受到弯曲应力和时有的冲击载荷，只有齿心部具有高啮合的齿受到弯曲应力和时有的冲击载荷，只有齿心部具有高 的韧性和足够的强度，才能保证不断齿，满足要求。的韧性和足够的强度，才能保证不断齿，满足要求。 钢的热处理钢的热处理4 4 钢的表面热处理钢的表面热处理 一、钢的表面淬火一、钢的表面淬火（Surface Quenching of Steels） 1.1.

58、表面淬火的定义表面淬火的定义 表面淬火是在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速表面淬火是在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速 加热将表面层奥氏体化后进行淬火，以强化工件表面的热处理工艺。加热将表面层奥氏体化后进行淬火，以强化工件表面的热处理工艺。 2.2.表面淬火用材料及表面淬火后的组织表面淬火用材料及表面淬火后的组织 l 表面淬火用材料表面淬火用材料 典型材料：典型材料：中碳钢和中碳合金钢。中碳钢和中碳合金钢。45,40Cr45,40Cr等等 l 预备热处理预备热处理 典型工艺：典型工艺：调质处理。调质处理。如果心部性能要求不高，可采用正火。如果心部性能要求不高，可采用

59、正火。 l 表面淬火后的组织表面淬火后的组织 预备热处理为调质：预备热处理为调质：表面表面M M回 回，心部 ，心部S S回 回。 。 预备热处理为正火：预备热处理为正火：表面表面M M回 回，心部 ，心部F FS S。 钢的热处理钢的热处理4 4 钢的表面热处理钢的表面热处理 3.3.感应加热表面淬火感应加热表面淬火 l 感应加热表面淬火的基本原理感应加热表面淬火的基本原理 集肤效应：集肤效应： 当感应线圈中的交变电流在工件表面当感应线圈中的交变电流在工件表面 感生出感应电流时，该感应电流绝大部感生出感应电流时，该感应电流绝大部 分分布在工件表面，而工件内部几乎没分分布在工件表面，而工件内部

60、几乎没 有电流通过，这种现象称为有电流通过，这种现象称为集肤效应集肤效应。 感应加热表面淬火原理：感应加热表面淬火原理： 基于集肤效应，工件表面被迅速加热基于集肤效应，工件表面被迅速加热 到奥氏体化温度（几秒钟即升至到奥氏体化温度（几秒钟即升至800800 10001000 C C），而工件内部几乎未被加热，），而工件内部几乎未被加热， 随后喷水冷却，实现表面淬火。随后喷水冷却，实现表面淬火。 感应加热表面淬火示意图感应加热表面淬火示意图 钢的热处理钢的热处理4 4 钢的表面热处理钢的表面热处理 感应电流透入工件表面层的深度：感应电流透入工件表面层的深度： 取决于交变电流的频率。取决于交变电流