金属材料与热处理第五章

1、第一节 钢在加热、冷却时的组织转变第二节 钢的退火与正火第三节 钢的淬火与回火第四节 钢的表面热处理和化学热处理第五节 典型零件的热处理分析热处理工艺曲线钢的热处理分类 第一节第一节 钢在加热、冷却时的组织转变钢在加热、冷却时的组织转变热处理车间炉膛式电阻炉 热处理是机械零件生产过程中，为了改善材料的工艺性能或使用性能而进行的重要工序。一般机械生产企业都会有专门的热处理车间。 机械零件在加工过程中为什么要进行热处理？一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变1. 1. 钢的临界转变温度钢的临界转变温度钢在加热和冷却时的临界转变温度2. 2. 钢的奥氏体化钢的奥氏体化共析钢中奥氏体形成过程

2、示意图a）奥氏体形核b）奥氏体晶核长大c）残余Fe3C的溶解d）奥氏体均匀化3. 3. 影响奥氏体化的因素影响奥氏体化的因素（1）加热温度 加热温度越高，奥氏体形成速度越快。（2）加热速度 加热速度越快，过热度越大，奥氏体实际形成温度越高，可获得细小的起始晶粒。（3）合金元素 Ni、Mn 等合金元素降低临界点，而Cr、W、Mo、V、Ti 等合金元素提高临界点。Co 和Ni 元素加快奥氏体的形成速度；Cr、W、Mo、V、Ti 等元素降低奥氏体的形成速度。（4）原始组织的影响 Fe3C 越细，相界面越多，越有利于奥氏体的形成。4. 4. 奥氏体晶粒的长大奥氏体晶粒的长大 当珠光体向奥氏体的转变刚刚

3、完成时，奥氏体晶粒是比较细小的。这是由于珠光体内铁素体和渗碳体的相界面很多，有利于形成数目众多的奥氏体晶核。不论原来钢的晶粒粗或细，通过加热时的奥氏体化，都能得到细小晶粒的奥氏体。但是随着加热温度的升高，保温时间的延长，奥氏体晶粒会自发地长大。长大是通过晶粒之间的相互吞并来完成的。5. 5. 影响奥氏体晶粒长大的因素影响奥氏体晶粒长大的因素（1）加热温度和保温时间 奥氏体化温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。（2）钢的含碳量的影响 在碳钢中，共析钢的奥氏体晶粒最容易长大粗化。这是因为在亚共析钢中有先共析铁素体，在过共析钢中有先共析渗碳体，它们对奥氏体化过程及奥氏体晶粒的长大都有阻碍作用。

4、（3）合金元素的影响 合金元素Ti、Al等有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，有利于得到细晶粒钢。Mn和P等元素有促进奥氏体晶粒长大的作用。6. 6. 奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响 奥氏体晶粒均匀细小，热处理后钢的力学性能提高。 奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，会降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。7. 7. 奥氏体晶粒大小的控制奥氏体晶粒大小的控制（1）选择合理的加热温度和保温时间（2）选择合理的加热速度二、钢在冷却时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变两种冷却方式的工艺曲线1等温冷却2连续冷却热处理

5、工艺中，常采用等温冷却和连续冷却两种方式。1. 1. 奥氏体等温转变曲线奥氏体等温转变曲线共析钢奥氏体等温转变图的建立奥氏体等温转变图在临界点A1以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体。2. 2. 共析钢的奥氏体转变产物的组织和性能共析钢的奥氏体转变产物的组织和性能（1）共析钢的过冷奥氏体等温转变产物 1）珠光体型转变（又称高温转变）。在A1550温度范围内，过冷奥氏体转变为铁素体和渗碳体的片层混合物珠光体。珠光体型转变的组织及性能特点 2）贝氏体型转变（又称中温转变）。在550Ms温度范围内，过冷奥氏体转变为贝氏体。贝氏体型转变的组织及性能特点（2）共析钢的马氏体型转变（又称低温转变） 当钢从奥氏体

6、区急冷到Ms以下时，奥氏体立即开始转变为马氏体。马氏体型转变的组织及性能特点 第二节第二节 钢的退火与正火钢的退火与正火 前面章节中介绍了几种常用的加工和测量工具。它们均采用含碳量较高的钢制造，以保证其具有较高的硬度和耐磨性。但高硬度势必增加加工难度，在实际生产中，如何才能将这些高硬度材料加工成所需要的形状和尺寸呢？一、退火一、退火 退火是指将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理方法。1. 1. 退火的目的退火的目的（1）降低钢的硬度，提高塑性。（2）细化晶粒，均匀钢的成分及组织。（3）消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。2. 2. 常用的退火方法常用的退火

7、方法（1）完全退火 将钢完全奥氏体化，随之缓慢冷却，以获得接近平衡组织的工艺称为完全退火。（2）球化退火为使钢中碳化物球状化而进行的退火称为球化退火。球状珠光体显微组织（400） 球化退火的工艺： 将钢加热到Ac1以上2030 ，保温一定时间，以小于50 /h的冷却速度随炉冷却。（3）去应力退火 为了去除工件因加工等原因造成的残余内应力而进行的退火，称为去应力退火。 去应力退火的工艺： 将钢加热到Ac1以下（一般取600650 ），经保温后随炉缓慢冷却。常用退火方法的工艺及应用二、正火二、正火 将钢加热到Ac3或Accm以上3050，保温适当时间，在空气中冷却的工艺方法叫正火。退火和正火的加热

8、温度范围及热处理工艺曲线a）加热温度范围b）热处理工艺曲线1完全退火2球化退火3去应力退火4正火 第三节第三节 钢的淬火与回火钢的淬火与回火 采用高碳钢制作的工具和量具等，为了改善切削加工性能，需要通过退火降低钢的硬度。但加工完成之后，还必须采取一定的热处理工艺，恢复其高的硬度和耐磨性，那么什么样的方法才能达到这一要求呢？一、淬火一、淬火1. 1. 淬火的概念淬火的概念 将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温一定时间，然后以适当的速度冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理称为淬火。 淬火的主要目的是获得马氏体，以提高钢的强度、硬度和耐磨性。2. 2. 淬火加热温度淬火加热温度（1）亚共析

9、钢的淬火加热温度 亚共析钢的淬火加热温度为Ac3以上3050，淬火后获得细小的马氏体组织，从而获得较好的力学性能。 （2）共析钢和过共析钢的淬火加热温度 共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上3050。钢的淬火加热温度范围3. 3. 淬火的冷却介质淬火的冷却介质 常用淬火介质有水、盐水（或碱水）、淬火油、盐浴（或碱浴）等。钢的理想淬火冷却速度 常用冷却介质的冷却能力和应用范围4. 4. 淬火方法淬火方法常用淬火方法的特点及应用5. 5. 钢的淬透性和淬硬性钢的淬透性和淬硬性工件淬硬层与冷却速度的关系a）冷却速度b）淬硬层工件淬硬层与冷却速度的关系如下图所示。（1）淬透性 淬透性是指在规定的

10、条件下，钢在淬火后获得淬硬层深度的能力。获得的淬硬层越深，淬透性越好。临界冷却速度越低，淬透性越好。一切增加过冷奥氏体稳定性、降低临界冷却速度的因素都可以提高钢的淬透性。（2）淬硬性 淬硬性是指钢在淬火后能达到的最高硬度的能力。钢的淬硬性主要取决于钢的含碳量。钢的淬硬性好，其淬透性不一定就好。例如，高碳钢的淬硬性很高，但淬透性差。而低碳合金钢的淬透性相当好，但它的淬硬性却不高。6. 6. 淬火缺陷及防止与补救措施淬火缺陷及防止与补救措施淬火缺陷及防止与补救措施二、回火二、回火 1. 1. 回火的概念回火的概念 将淬火后的钢再加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺叫

11、回火。钢件淬火后，虽然具有高的硬度和耐磨性，但脆性较大，韧性较低，还存在着较大的淬火内应力。为了消除这些不利因素的影响，需及时进行回火处理。 2. 2. 回火的目的回火的目的 （1）消除内应力。 （2）获得所需要的力学性能。 （3）稳定组织和尺寸。3. 3. 回火时钢的组织与性能的变化回火时钢的组织与性能的变化 （1）第一阶段：马氏体的分解（80200）。 （2）第二阶段：残留奥氏体的转变（200300）。 （3）第三阶段：渗碳体的形成（300400）。 （4）第四阶段：渗碳体的聚集长大（400以上）。40钢的力学性能与回火温度的关系4. 4. 回火的方法和应用回火的方法和应用常用回火方法、回

12、火组织、性能及应用45 钢正火或调质后力学性能比较 第四节第四节 钢的表面热处理和化学热处理钢的表面热处理和化学热处理 在机械设备中，有许多零件会同时承受冲击和摩擦两种载荷的作用，如汽车变速齿轮、传动齿轮轴等，此类零件不仅要求具有较高的硬度和耐磨性，而且还应具有足够的塑性和韧性。这一特殊性能要去是无法通过调节钢的含碳量或采用常规热处理方法解决的。 可否通过一些方法，让零件表面具有较高的硬度而心部具有较高的塑性和韧性呢？一、表面热处理一、表面热处理1. 1. 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 1烧嘴2喷水管3淬硬层 4工件5加热层 表面热处理和化学热处理是对工件表面进行硬化的热处

13、理方法。2. 2. 感应加热表面淬火感应加热表面淬火感应加热表面淬火的特点： （1）加热速度快。 （2）淬火质量好。 （3）淬硬层深度易于控制， 操作易实现机械化和自动化。感应加热表面淬火1工件2间隙3加热淬火层 4淬火喷水管5加热感应圈二、钢的化学热处理二、钢的化学热处理 根据渗入元素的不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属。 化学热处理都是通过三个基本过程来完成。 （1）分解 （2）吸收 （3）扩散1. 1. 钢的渗碳钢的渗碳 将工件置于渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺称为渗碳。渗碳后的工件需进行淬火及低温回火，使零件表面获得高硬度和耐磨性，而心

14、部仍保持一定强度及较高的塑性和韧性。920 渗碳时渗碳层厚度与渗碳时间的关系 渗碳的一般工艺路线为锻造正火机械粗加工渗碳淬火低温回火机械精加工。气体渗碳炉及原理示意图1风扇电动机2废气火焰3炉盖4砂封5电阻丝6耐热罐7工件8炉体低碳钢渗碳缓冷后的渗碳层显微组织（200） 工件渗碳后，表层含碳量最高，向内逐渐降低，中心则为钢的原含碳量。2. 2. 钢的渗氮钢的渗氮 在一定温度下，使活性氮原子渗入工件表面以形成高氮硬化层的化学热处理工艺称为渗氮，其目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度。渗氮的特点： （1）渗氮层具有很高的硬度和耐磨性。 （2）渗氮温度低，工件变形小。 （3）渗氮零件具

15、有很好的耐蚀性。 （4）渗氮工艺过程复杂，生产周期长，渗氮层薄而脆，不宜承受集中的重载荷。（1）气体渗氮渗氮层的显微组织a) 渗氮层及HV 测试压痕b) 渗氮层中致密的针状氮化物(白色)气体渗氮工件在气体介质中进行渗氮。（2）离子渗氮离子渗氮装置示意图1密封橡胶棒2阴极3工件4观察孔 5真空室外壳6阳极 离子渗氮在低于一个大气压的渗氮气氛中，利用工件（阴极）和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮。 离子渗氮具有速度快、生产周期短、渗氮质量高、工件变形小、对材料的适应性强等优点。3. 3. 碳氮共渗碳氮共渗 在一定温度下，将碳、氮原子同时渗入工件表层奥氏体中的化学热处理工艺称为碳氮共渗。（1）中温气体

16、碳氮共渗 在改进的气体渗碳炉中同时滴入煤油，通入氨气，在共渗温度（820870）下，这两种共渗剂产生活性碳原子、氮原子渗入工件表层，并向内部扩散形成碳氮共渗层。（2）低温气体碳氮共渗 又称气体软氮化，它以渗氮为主。渗剂采用尿素或甲酰胺，直接送入气体渗碳炉中，共渗温度是500 570。 第五节第五节 典型零件的热处理分析典型零件的热处理分析 前面介绍了几种机械工业中常用的热处理方法，它们是机械零件制造过程中，为了获得所需要的工艺性能和使用性能所采取的重要工序。针对某一具体零件，如何根据其制造材料和要求，正确选用热处理方法和确定技术条件，合理安排热处理在整个制造过程中的工序位置呢？一、热处理的技术条件一、热处理的技术条件 一般零件均以硬度作为热处