机械工程材料新PPT教案

1、会计学1机械工程材料新机械工程材料新低温回火淬火碳氮共渗氮碳共渗（软氮化）渗氮处理低温回火淬火渗碳化学热处理自回火激光加热表面淬火低温回火火焰加热表面淬火低温回火感应加热表面淬火表面淬火表面热处理回火淬火正火退火普通热处理常用的热处理第1页/共51页 钢的加热的变化是钢的冷却变化的逆过程，需要有一定的过热度。钢的加热的变化是钢的冷却变化的逆过程，需要有一定的过热度。 加热转变温度分别用：加热转变温度分别用：AcAc1 1（PSKPSK）、）、AcAc3 3（GSGS）、）、AccmAccm（ESES）表示。）表示。1、奥氏体的形成过程、奥氏体的形成过程 基本过程基本过程 （奥氏体化）（奥氏体化

2、） 形核形核 长大长大 残余奥氏体溶解残余奥氏体溶解 奥氏体均匀化奥氏体均匀化亚共析钢亚共析钢 P+FA+FA过共析钢过共析钢 P+CmA+Cm A共析钢共析钢PA第2页/共51页 加热温度加热温度 等温温度越高，等温温度越高，“孕育孕育期期”越短，奥氏体化速度越短，奥氏体化速度越快。越快。 加热速度加热速度 连续加热时，加热速度连续加热时，加热速度越快，转变温度越高，奥越快，转变温度越高，奥氏体化速度越快。氏体化速度越快。 原始组织形态原始组织形态 细片细片P P粗片粗片P P球化球化P P 含碳量含碳量 含碳量含碳量越高，有利奥氏越高，有利奥氏体的形核和扩散，加速奥体的形核和扩散，加速奥氏

3、体的形成。氏体的形成。第3页/共51页 奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度l 晶粒度晶粒度表示晶粒大小的尺度。表示晶粒大小的尺度。l 起始晶粒度起始晶粒度奥氏体刚刚形成时的晶粒度。（此时晶粒细小）奥氏体刚刚形成时的晶粒度。（此时晶粒细小）l 实际晶粒度实际晶粒度在具体的热加工条件下，得到奥氏体晶粒度。（与热在具体的热加工条件下，得到奥氏体晶粒度。（与热 加工工艺参数有关，一般比起始晶粒度大）加工工艺参数有关，一般比起始晶粒度大） 14级为粗晶粒58级为细晶粒国家标准GB6394-86,金属平均晶粒度标准评级图第4页/共51页93010；保温38小时；缓慢冷却；放大100；与标准图比较。特定条件特定条件l

4、 本质晶粒度本质晶粒度在在特定的加热条件特定的加热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向下，奥氏体晶粒长大的倾向。1-1-本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢2-2-本质细晶粒钢本质细晶粒钢加热温度与奥氏体晶粒长大的关系加热温度与奥氏体晶粒长大的关系钢的晶粒度14级，为本质粗晶粒本质粗晶粒， 随温度升高，晶粒迅速长大。钢的晶粒度58级，为本质细晶粒本质细晶粒， 随温度升高长大倾向不明显。第5页/共51页 奥氏体晶粒长大及其影响因素奥氏体晶粒长大及其影响因素 成分成分 ，含碳量增加，扩散，含碳量增加，扩散速度增加，晶粒易长大。速度增加，晶粒易长大。 ，含碳量增加，网状，含碳量增加，网状渗碳体的阻碍，晶粒不易长大。渗碳

5、体的阻碍，晶粒不易长大。 MnMn、P P促进奥氏体晶粒的长大。促进奥氏体晶粒的长大。 温度温度 温度高，晶粒大。温度高，晶粒大。%2 .1c%2 . 1c 奥氏体晶粒大小对冷却后晶粒的影响奥氏体晶粒大小对冷却后晶粒的影响奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大， 降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。 l加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。键问题之一。第6页/共51页等温转变等温转变: :加热奥氏体化的钢加热奥氏体化的钢, ,快速冷快速冷却到却到ArAr1 1以下的某一温度以下

6、的某一温度, ,等温等温, ,使奥氏使奥氏体在该温度完成组织转变的过程。体在该温度完成组织转变的过程。实验方法实验方法:每组取若干试样，在不同的温度等温，作出转变量与时间的关系曲线，然后在温度时间坐标系中找出对应点。三、钢在冷却时的转变三、钢在冷却时的转变 冷却时的转变需要过冷，相变 温度低于平衡温度,分别为： Ar Ar1 1（PSKPSK）、）、ArAr3 3（GSGS）、）、ArcmArcm（ESES）。）。转变开始点的连线称转变开始点的连线称转变开始线转变开始线。转变终了点的连线称转变终了点的连线称转变终了线转变终了线。（1）建立曲线）建立曲线1.共析钢的等温转变曲线和分析共析钢的等温

7、转变曲线和分析第7页/共51页时间温度A1MSMfA过冷PBMAMABAP转变开始线转变终了线奥氏体第8页/共51页（2）C 曲线分析曲线分析第9页/共51页l 在在550Ar550Ar1 1温度之间，温度之间， 等温冷却与等温冷却与a-ba-b线相交，线相交， 钢发生钢发生珠光体珠光体转变。转变。l 在在550Ms550Ms温度之间，温度之间， 等温冷却与等温冷却与a-ba-b线相交，线相交， 钢发生钢发生贝氏体贝氏体转变。转变。 l 在在ArAr1 1MsMs温度间，温度间，b b曲线右曲线右, , 钢的转变钢的转变已结束已结束，冷却到室，冷却到室 温组织温组织不发生变化不发生变化。l 在

8、在MsMfMsMf温度之间，温度之间， 连续冷却不与连续冷却不与a-ba-b线相交，线相交， 钢发生钢发生马氏体马氏体转变。转变。 温度 C曲线与过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物曲线与过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物设曲线设曲线a为转变开始线，为转变开始线， 曲线曲线b为转变终了线为转变终了线第10页/共51页（1 1）珠光体型转变）珠光体型转变扩散型扩散型转变组织转变组织 组织共性：铁素体与渗碳体组成层片状混合物。组织共性：铁素体与渗碳体组成层片状混合物。 组织个性：层片间距随过冷度的增加而减小。组织个性：层片间距随过冷度的增加而减小。 400 5000 120002、过冷奥氏体的转

9、变产物及转变过程、过冷奥氏体的转变产物及转变过程l 珠光体（珠光体（P）：等温转变温度（）：等温转变温度（Ar1650）；）； HRC520l 索氏体（索氏体（S）：等温转变温度（）：等温转变温度（650600）；）； HRC2030l 屈氏体（屈氏体（T）：等温转变温度（）：等温转变温度（600550）；）； HRC3040l 片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。 第11页/共51页第12页/共51页第13页/共51页贝氏体：贝氏体：碳过饱和的铁素体与渗碳体（下贝氏体是碳化物）组成的碳过饱和的铁素体与渗碳体（下贝氏体是碳

10、化物）组成的 混合物。混合物。l 上贝氏体（上贝氏体（B上上）：）：等温转变温度（等温转变温度（550350）；组织形态：黑羽毛状。）；组织形态：黑羽毛状。 HRC4050 ；强度较低，塑性和韧性较差强度较低，塑性和韧性较差。l下贝氏体（下贝氏体（B下下）：）：等温转变温度（等温转变温度（350Ms）；组织形态：黑针状。）；组织形态：黑针状。 HRC5060；强度较高，塑性和韧性也较好，即具强度较高，塑性和韧性也较好，即具 有良好的综合力学性能有良好的综合力学性能。第14页/共51页上贝氏体转变过程l 上贝氏体的形成上贝氏体的形成第15页/共51页 转变温度较低（350- 230) 时，铁素体

11、在晶界或晶内某些晶面上长成针状，由于碳原子扩散能力低,其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。 下贝氏体转变l 下贝氏体的形成下贝氏体的形成第16页/共51页马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构 马氏体马氏体碳溶在碳溶在-Fe-Fe中形成的过饱和的固溶体。中形成的过饱和的固溶体。 马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。 马氏体的晶格为体心正方，马氏体的晶格为体心正方，acac，c ca a，c/ac/a为马氏体的正方度，正为马氏体的正方度，正方度随马氏体的含碳量的增加而增加，而且马氏体的比容也增加，体积方度随马氏体的含碳量的增加而增加，而且马氏体的比

12、容也增加，体积会增加，是造成钢淬火变形和开裂的主要原因。会增加，是造成钢淬火变形和开裂的主要原因。第17页/共51页l 片状（片状（针状针状）马氏体（马氏体（M M片）：连续冷却温度（片）：连续冷却温度（MsMfMsMf）；）；HRC6065HRC6065 组织形态：灰片状。组织形态：灰片状。C%1%C%1% 在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体孪晶马氏体。l 板条状马氏体（板条状马氏体（M M板条）：连续冷却温度（板条）：连续冷却温度（MsMfMsMf）；）；HRC3545HRC3545； 组织形态：灰板条状。组织形态：灰板条状。C%0.3%C%0.3%

13、 在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错，又称在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错，又称位错马氏体。位错马氏体。正常加热条件下，冷却得到的马氏体组织非常细小，在光学显微镜下无法分辨，称“隐晶马氏体隐晶马氏体”。 T12过热 500 500T12正常 500马氏体的形态马氏体的形态第18页/共51页马氏体形态与含碳量的关系0.45%C0.2%C1.2%C第19页/共51页 l 无碳原子的扩散无碳原子的扩散l 转变速度极快转变速度极快l 转变的不完全性，转变的不完全性，有有残余奥氏体残余奥氏体存在存在 转变在转变在MsMfMsMf温度区间进行温度区间进行, , 冷却到室温转变未完全结束；

14、冷却到室温转变未完全结束； 高碳钢存在较多的高碳钢存在较多的残余残余奥氏体。奥氏体。 工业上常采用工业上常采用“冷处理冷处理”的方法。的方法。l 具有高的硬度和强度。l 硬度硬度主要取决于含碳量含碳量。l 塑性和韧性塑性和韧性主要取决于组织组织。 板条马氏体具有较高硬度、较高强度与较好塑性和韧性相配合的良好的综合力学性能。 针片状马氏体具有比板条马氏体更高的硬度，但脆性较大，塑性和韧性较差。 马氏体硬度与碳含量的关系马氏体转变特点马氏体转变特点 马氏体的力学性能马氏体的力学性能 第20页/共51页3.影响影响C曲线位置的因素曲线位置的因素与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢与共析钢相比，亚共析钢和

15、过共析钢C C曲线的上部各多一条曲线的上部各多一条先共析相的析出线。先共析相的析出线。(1)含碳量的影响含碳量的影响l 除除Co 外外, 凡溶入奥氏体的合金元素都使凡溶入奥氏体的合金元素都使C 曲线右移。曲线右移。l 除除Co和和Al 外外,所有合金元素都使所有合金元素都使Ms 与与Mf 点下降。点下降。 (2) 合金元素的影响合金元素的影响第21页/共51页 只有只有“C”C”曲线的上半部分，曲线的上半部分，没有贝氏体转变区没有贝氏体转变区 多了一条多了一条“K”K”线，即转变中止线；线，即转变中止线； 比比“C”C”曲线，右移。曲线，右移。“V Vk k”为为“CCT”CCT”曲线的临界冷

16、却速度。曲线的临界冷却速度。 临界冷却速度临界冷却速度钢获得完全马氏体的最钢获得完全马氏体的最 小冷却速度。小冷却速度。 VkVk，在“C”曲线讨论，能得到马氏体，实际上就一定能得马氏体。(1)(1)共析钢的共析钢的CCTCCT曲线曲线第22页/共51页P均匀A细AP退火(炉冷)正火(空冷)S淬火(油冷)T+M+AM+A淬火(水冷)A1MSMf时间650600550可用可用TTT曲线定性说明连续冷却时的组织转变曲线定性说明连续冷却时的组织转变第23页/共51页M+T转变中止线的含义转变中止线的含义 第24页/共51页过共析钢CCT曲线亚共析钢CCT曲线（2）过共析钢）过共析钢CCT曲线曲线（3

17、）亚共析钢）亚共析钢CCT曲线曲线第25页/共51页 l 退火与正火主要用于退火与正火主要用于预备热处理，只有当预备热处理，只有当工件性能要求不高时工件性能要求不高时才作为最终热处理。才作为最终热处理。 l 机械零件的一般加工工艺机械零件的一般加工工艺毛坯（铸、锻）毛坯（铸、锻）预备热处理预备热处理机加工机加工最终热处理最终热处理机加工机加工第26页/共51页l 调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB。l 消除内应力，防止加工中变形。l 细化晶粒，为最终热处理作组织准备。 真空退火炉（1）目的）目的第27页/共51页l 将工件加热到Ac3+3050,保温后缓冷的退火工艺。l

18、 主要用于亚共析钢。（2）退火工艺）退火工艺第28页/共51页高速钢等温退火与普通退火的比较高速钢连续冷却退火约24小时。等温冷却总共约8小时:开炉门冷到750，约4小时，等温时间34小时，然后空冷。 等温退火等温退火第29页/共51页球状珠光体l 对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先正火先正火，以消除网状。球化退火球化退火l 加热温度：Ac1+（3050）l 主要用于过共析钢（即工具钢）。主要用于过共析钢（即工具钢）。第30页/共51页正火温度2.正火正火冷却速度不同，先析相的量不同，同种钢冷却速度不同得到珠光体的量不同。伪共析组织-非共析成分得到的共析组织。第31页/共51页l

19、要改善切削性能，低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火,高碳钢用球化退火。合适切削加工硬度（2）正火的目的）正火的目的 普通件最终热处理，代调质。普通件最终热处理，代调质。热处理与硬度关系问题不同成分的碳钢如何选择退火和正火？第32页/共51页淬火淬火: :将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后以大于临界冷却速度将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后以大于临界冷却速度 的快速冷却的快速冷却, ,获得马氏体组织的热处理工艺。获得马氏体组织的热处理工艺。1 1、淬火温度的选择、淬火温度的选择 亚共析钢：Ac3+（3050）, 过共析钢：Ac1+（3050）l 水：水：适用碳素钢 优点：价廉、安全、无腐蚀

20、。 缺点：淬火硬度不均匀易出现软点，质量较差，易变形、开裂。 五、钢的淬火五、钢的淬火2、淬火介质、淬火介质l 油（机油或专用淬火油）：油（机油或专用淬火油）：适用于大多数合金钢 优点：变形小，不易开裂。 缺点：价格贵、易燃不安全、有油污。l 盐水或碱水（盐水或碱水（5 515%15%）：）：适用碳素钢 优点：价廉、安全、冷却能力和均匀性优于水。 缺点：易变形、开裂，比水淬小，工件易腐蚀，产生水气损害健康。淬火介质的冷却速度必须大于临界冷却速度淬火介质的冷却速度必须大于临界冷却速度第33页/共51页3 3、淬火方法、淬火方法 单液淬火单液淬火 在一种淬火介质中连续冷却到室温。在一种淬火介质中连

21、续冷却到室温。 预冷淬火预冷淬火 空气中停留片刻空气中停留片刻, ,再在一种淬火介质中连续冷却到室温。再在一种淬火介质中连续冷却到室温。 双液淬火双液淬火 在二种淬火介质中分段连续冷却到室温。在二种淬火介质中分段连续冷却到室温。 第34页/共51页 等温淬火等温淬火 钢件在盐浴（稍高于钢件在盐浴（稍高于MsMs温度）停留较长，温度）停留较长， 完成完成下贝氏体下贝氏体转变后，再空冷。转变后，再空冷。局部淬火局部淬火 对局部硬度有要求，其他部位精度对局部硬度有要求，其他部位精度 高的钢件，局部加热淬火。高的钢件，局部加热淬火。 分级淬火分级淬火 钢件在盐浴（钢件在盐浴（Ms温度附近）中停留温度附

22、近）中停留25 分钟（减小钢件内外温差），然后空冷。分钟（减小钢件内外温差），然后空冷。第35页/共51页盐浴炉各种淬火方法示意图各种淬火方法示意图第36页/共51页1 1、淬透性的概念、淬透性的概念 淬透性：淬透性： 钢在淬火时获得马氏体组钢在淬火时获得马氏体组 织的能力，织的能力，用用规定条件规定条件下淬下淬 硬层深度表示。硬层深度表示。 淬硬层深度淬硬层深度: :从表面到半马氏体组 织区的距离。 淬硬性：淬硬性：钢在淬火后获得马氏体组钢在淬火后获得马氏体组 织所能达到最大硬度。织所能达到最大硬度。六、钢的淬透性六、钢的淬透性钢件淬硬深度、硬度分布与冷却速度的关系钢件淬硬深度、硬度分布与冷

23、却速度的关系2、淬透性与淬硬层深度的关系淬透性与淬硬层深度的关系 l 同一材料同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质有关。的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质有关。 工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。l 淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。 它只用于不同它只用于不同材料之间的比较，是通过尺寸、冷却介材料之间的比较，是通过尺寸、冷却介 质相同时的淬硬层深度来确定的。质相同时的淬硬层深度来确定的。 第37页/共51页 奥氏体化温度高、保温时间奥氏体化温度高、保温时间 长也使钢的淬透性提高。长也使钢的淬透性提高。V Vk k取决于取

24、决于C C曲线的位置，曲线的位置，C C 曲线越靠右，曲线越靠右，V Vk k越小。越小。问题1.1.生产现场中，为什么常将高速钢生产现场中，为什么常将高速钢 W18Cr4V W18Cr4V称为称为“锋钢锋钢”或或“风钢风钢”？2.2.在在40,40Cr,9SiCr, W18Cr4V40,40Cr,9SiCr, W18Cr4V中，哪中，哪 个个淬透性高？淬透性高？C C曲线位置曲线位置第38页/共51页 淬透性好，机械性能均匀。淬透性好，机械性能均匀。 淬透性好，材料的屈强比高（淬透性好，材料的屈强比高（s/bs/b），材料的利用率高。），材料的利用率高。 淬透性好，材料的疲劳极限（淬透性好，

25、材料的疲劳极限（-1-1）高。）高。 淬透性好，材料的冲击韧性高。淬透性好，材料的冲击韧性高。4、淬透性对钢力学性能的影响、淬透性对钢力学性能的影响未淬透钢未淬透钢淬透钢淬透钢淬透性不同的钢调质后机械性能第39页/共51页5 5、淬透性的测定及表示、淬透性的测定及表示标准尺寸的试棒加热到完全奥氏体化后放在支架上，对其一端进行喷水冷却，再在试棒表面上从端面起依次测定硬度，得到硬度与距端面距离之间的关系曲线。末端淬火法末端淬火法淬透性的淬透性的表示：表示：dHRCJJ - 末端淬透性，d - 半马氏体区到水冷端的距离HRC - 半马氏体区的硬度如：545J第40页/共51页6 6、淬透性的应用、淬

26、透性的应用要求要求零件的表面和心部力学性能一致，应选能全部淬透的高淬透性的钢。 如螺栓如螺栓、连杆连杆、模具等模具等大截面的零件或在动载荷下工作的的许多重要零件。心部力学性能对使用条件影响不大的零件可选用淬透性低的钢(承受弯曲、承受弯曲、 扭转的零件，淬硬层深度一般为半径的扭转的零件，淬硬层深度一般为半径的1/21/3)1/21/3)。如轴类、齿轮等。如轴类、齿轮等。高强螺栓柴油机连杆齿轮（1）合理选择淬硬层深度）合理选择淬硬层深度第41页/共51页 焊接件焊接件可选用淬透性低的钢可选用淬透性低的钢。 淬硬层深度与工件尺寸有关淬硬层深度与工件尺寸有关, ,设计时应注意尺寸效应。设计时应注意尺寸

27、效应。 在设计中不可根据从手册里查到的小尺寸试样性能数据用于大尺在设计中不可根据从手册里查到的小尺寸试样性能数据用于大尺 寸工件的强度计算。寸工件的强度计算。 淬透性低的大尺寸工件，淬硬层很浅，应考虑淬火之前切削加工。淬透性低的大尺寸工件，淬硬层很浅，应考虑淬火之前切削加工。 用碳钢设计大尺寸工件时，调质处理不如正火更经济。用碳钢设计大尺寸工件时，调质处理不如正火更经济。 如：设计尺寸为如：设计尺寸为100mm100mm时，用时，用4545钢调质钢调质b b=610MPa=610MPa， 而正火而正火b b=600MPa=600MPa。第42页/共51页第43页/共51页第44页/共51页七、

28、钢的回火七、钢的回火 回火回火将淬火钢加热到将淬火钢加热到Ac1Ac1以下某温度保温，然后冷却到室温的以下某温度保温，然后冷却到室温的 热处理工艺。热处理工艺。1、回火的目的、回火的目的 降低脆性，减少或消除内应力，稳定组织，提高尺寸的稳定性，降低脆性，减少或消除内应力，稳定组织，提高尺寸的稳定性， 减小工件的变形，防止工件的开裂。减小工件的变形，防止工件的开裂。 提高钢的弹性极限或屈强比。提高钢的弹性极限或屈强比。 提高钢的塑性和韧性，适当的降低硬度和强度，获得零件设计所提高钢的塑性和韧性，适当的降低硬度和强度，获得零件设计所 要求的性能。要求的性能。 可以作为高淬透性钢的软化的处理方法。可

29、以作为高淬透性钢的软化的处理方法。 第45页/共51页2 2、回火的种类及应用、回火的种类及应用 低温回火（低温回火（150150250250）, , 得到回火马氏体（得到回火马氏体（M M回），回），HRC58HRC586464l 用途：用途：工具钢工具钢制造制造的工具淬火后的回火处理；的工具淬火后的回火处理； 结构钢中结构钢中低碳钢低碳钢的渗碳的渗碳+ +淬火后的回火处理；淬火后的回火处理； 结构钢中结构钢中中碳钢中碳钢的表面淬火后的回火处理。的表面淬火后的回火处理。回火马氏体回火马氏体（回火马氏体（M回）：回）：淬火马氏体析出碳化物，并以极细小的片状分布在马氏体的基体上。l 目的目的:保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，降低淬火应力，减少保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，降低淬火应力，减少 钢的脆性。钢的脆性。第46页/共51页 中温回火（中温回火（350350500500），得到回火