金属工艺学-课件

1、钢的热处理钢的热处理一、热处理意义二、热处理原理三、热处理工艺 将材料加热到相变温度以上发生相变，再施将材料加热到相变温度以上发生相变，再施以冷却发生相变的工艺过程。通过这个相变与再以冷却发生相变的工艺过程。通过这个相变与再相变，材料的内部组织发生了变化，因而性能产相变，材料的内部组织发生了变化，因而性能产生变化。生变化。材料加热到高温不发生相变则热处理达不到改善材料性能的作用返回目录一、热处理意义一、热处理意义2.1 热处理三大要素2.2 热处理基本原理二、热处理原理二、热处理原理返回目录2.1 热处理三大要素 加热：热处理第一个阶段。不同材料，加热工艺和加热温度不同。加热分为两种，一种是在

2、临界点A1以下的加热，此时不发生组织变化。另一种是在A1以上的加热，目的是为获得均匀奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。 保温：目的是要保证工件热透，防止脱碳、氧化等。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。 冷却： 热处理的最终阶段，也是热处理最重要的一个阶段。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。 钢在加热时的转变（第一节） 钢在冷却时的转变（第二节）2.2 热处理基本原理第一节第一节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 钢的临界转变温钢的临界转变温度度 根据铁碳相图，共析钢加热到超过A1时，全部转变为奥氏体；而亚共析钢和过共析钢加热到A

3、3和Acm以上才能获得单相奥氏体。在实际热处理加热条件下，相变是在不平衡条件下进行的，其相变点与相图中的相变温度有一些差异。由于过热和过冷现象的影响，这种现象称为滞后。图6-1表示加热和冷却速度对碳钢临界温度的影响。通常把加热时的实际临界温度标以字母“c”，如Ac1、Ac3、Accm；而把冷却时的实际临界温度标字母“r”，如Ar1、Ar3、Arcm。这些临界点，是正确选择钢在热处理时加热和冷却温度的主要依据 （含0.77%C）加热前为珠光体组织，一般为铁素体相与渗碳体相相间排列的层片状组织，加热过程中奥氏体转变过程可分为四步进行，如图6-2示。 奥氏体的形成过奥氏体的形成过程程第一节第一节 钢

4、在加热时的转变钢在加热时的转变具体解释由Fe-Fe3C状态图知：在A1温度铁素体含约0.0218%C，渗碳体6.69%C，奥氏体含0.77%C。在珠光体转变为奥氏体过程中，原铁素体由体心立方晶格改组为奥氏体的面心立方晶格，原渗碳体由复杂斜方晶格转变为面心立方晶格。所以，钢的加热转变既有碳原子的扩散，也有晶体结构的变化。基于能量与成分条件，奥氏体晶核在珠光体的铁素体与渗碳体两相交界处产生（见图6-2（a），这两相交界面越多，奥氏体晶核越多。第一节第一节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 奥氏体的形成过奥氏体的形成过程程第一阶段：奥氏体晶核的形成第一阶段：奥氏体晶核的形成形成晶核 其其晶核形成后，

5、它的一侧与渗碳体相接，另一侧与铁素体相接。随着铁素体的转变（铁素体区域的缩小），以及渗碳体的溶解（渗碳体区域缩小），奥氏体不断向其两侧的原铁素体区域及渗碳体区域扩展长大，直至铁素体完全消失，奥氏体彼此相遇，形成一个个的奥氏体晶粒。第一节第一节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 奥氏体的形成过奥氏体的形成过程程第二阶段：奥氏体的长大第二阶段：奥氏体的长大晶核长大了 由于铁素体转变为奥氏体速度远高于渗碳体的溶解速度，在铁素体完全转变之后尚有不少未溶解的“残余渗碳体”存在（见图6-2（C），还需一定时间保温，让渗碳体全部溶解。第一节第一节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 奥氏体的形成过奥氏体的形成

6、过程程第三阶段：残余渗碳体的溶解第三阶段：残余渗碳体的溶解残余渗碳体溶解即使渗碳体全部溶解，奥氏体内的成分仍不均匀，在原铁素体区域形成的奥氏体含碳量偏低，在原渗碳体区域形成的奥氏体含碳量偏高，还需保温足够时间，让碳原子充分扩散，奥氏体成分才可能均匀。第一节第一节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 奥氏体的形成过奥氏体的形成过程程第四阶段：奥氏体成分的均匀化第四阶段：奥氏体成分的均匀化均匀溶解与否比较结论和注解第一节第一节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 奥氏体的形成过奥氏体的形成过程程奥氏体形成经历了以下四个过程：奥氏体晶核形成 晶核长大 剩余渗碳体溶解 奥氏体均匀化：亚共析钢和过共析钢的奥

7、氏体形成过程与共析钢基本相同，但其完全奥氏体化的过程有所不同。亚共析钢加热到Ac1以上时，还存在自由铁素体，这部分铁素体只有继续加热到Ac3以上时，才能全部转变为奥氏体；过共析钢则只有加热到Accm以上时，才能获得单一的奥氏体组织。其大小对冷却后钢的性能影响很大，热处理加热时，若获得细小、均匀的奥氏体，则冷却后钢的力学性能就好。生产上一般采用与标准晶粒度等级(图6-4)比较法来测定奥氏体晶粒度大小。晶粒度通常分为8级，14级为粗晶粒度；58级为细晶粒度；超过8级为超细晶粒度。见图63常用的三个晶粒度指标晶粒长大受以下因素影响第一节第一节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 奥氏体晶粒的长大及其控

8、制奥氏体晶粒的长大及其控制 奥氏体晶粒度级别奥氏体晶粒度级别返 回珠光体向奥氏体的转变刚刚完成时奥氏体晶粒的大小，一般细小而均匀。：指钢在某个具体的加热条件下实际获得的奥氏体晶粒的大小。表示某种钢在规定的加热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向，不是晶粒大小的实际度量。第一节第一节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 奥氏体晶粒大小的指标奥氏体晶粒大小的指标返 回钢的奥氏体晶粒长大倾向示意图在该温度后，本质细晶粒钢的长大倾向更大，晶粒更粗，力学性能更差返 回加热温度越高，保温时间越长，则晶粒越容易长大。加热速度越快，则得到的奥氏体起始晶粒度越细小。含碳量越高，长大倾向越大。能生产稳定碳化物的元素和能生产

9、氧化物和氮化物的元素都会阻止奥氏体晶粒的长大。第一节第一节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 奥氏体晶粒长大的控制因素奥氏体晶粒长大的控制因素返 回影响钢的组织和性能的决定性因素是钢加热转变为奥氏体后的冷却方式和冷却速度。奥氏体在相变点（Ar1）以上为稳定相，能够长期存在而不发生转变，但过冷到Ar1线以下的奥氏体并不立即转变，要经过一段孕育期才开始转变，这种在孕育期暂时存在的奥氏体称为过冷奥氏体。实际生产中采用的冷却方式主要有连续冷却（如炉冷、空冷、水冷等）和等温冷却（如等温淬火）。第二节第二节 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变两种冷却方式比较第二节第二节 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变将奥

10、氏体化的钢件迅速冷却到Ar1以下的某一温度并保温,使其在该温度下发生组织的转变，然后再冷却到室温。即恒温发生组织的转变。：将奥氏体化的钢连续冷却到室温，在冷却过程中一直伴随着组织的转变。第二节第二节 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变等温冷却它反映了奥氏体在快速冷却到临界点以下在各不同温度的保温过程中，温度、时间与转变组织、转变量的关系。第二节第二节 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变等温冷却 图中靠近纵坐标的第一条曲线，反映过冷奥氏体相应于一定温度开始转变为其它组织的时间，称为转变开始线；接着的第二条曲线，反映了过冷奥氏体相应于一定温度转变为其它组织的终了时间，称为转变终了线。在A1Ms之间及转

11、变开始线以左的区域为过冷奥氏体区；转变终了线以右，Mf以下为转变产物区；而转变开始线与转变终了线之间为转变过渡区。第二节第二节 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变等温冷却转变产物随着转变时温度的不同，分别有以下产物：1珠光体转变高温转变（A1550）在过冷度较小时（Ar1650），片间距较大，称为珠光体（P）在650600范围内，片间距较小，称为索氏体（S）在600550范围内，过冷度较大，片间距很小，该组织称为托氏体（T）珠光体组织中的片间距愈小，相界面愈多，塑性变形抗力愈大，强度和硬度愈高；同时由于渗碳体变簿，使得塑性和韧性也有所改善。第二节第二节 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变等温冷却转

12、变产物2、贝氏体转变中温转变贝氏体组织分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）两种。上贝氏体形成温度范围为550350。下贝氏体形成温度范围为350Ms。贝氏体的性能与其形态有关。由于上贝氏体中碳化物分布在铁素体片层间，脆性大，易引起脆断，因此，基本无实用价值。下贝氏体中，铁素体片细小且无方向性，碳的过饱和度大，碳化物分布均匀，弥散度大，因而，它具有较高的强度和硬度、塑性和韧性。在实际生产中常采用等温淬火来获得下贝氏体，以提高材料的强韧性。第二节第二节 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变等温冷却转变产物3马氏体转变低温转变（Ms以下）马氏体实质上就是碳溶于-Fe中的过饱和间隙固溶体（固溶体）。马氏

13、体的强度和硬度主要取决于马氏体的碳含量，如图所示。 当碳含量低于02%时，可获得呈一束束尺寸大体相同的平行条状马氏体，称为板条状马氏体。当钢的组织为板条状马氏体时，具有较高的硬度和强度，较好的塑性和韧性。 当马氏体中碳含量大于060%时，得到针片状马氏体。片状马氏体具有很高的硬度，但塑性和韧性很差，脆性大。 当碳含量在02%06%之间时，低温转变得到板条状马氏体与针片状马氏体混合组织。随着碳含量的增加，板条状马氏体量减少而针片状马氏体量增加。疑问：亚共析钢和过共析钢疑问：亚共析钢和过共析钢的转变产物又是什么呢的转变产物又是什么呢？ 亚共析钢 第二节第二节 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变等温冷

14、却转变产物多了一条先析铁素体析出线 过共析钢多出一条初生奥氏体析出线为什么？1、含碳量 随着奥氏体中含碳量的增加，奥氏体的稳定性增大，C曲线的位置向右移，这是一般规律。 在正常加热条件下，亚共析钢的C曲线随含碳量的增加而向右移，过共析钢的C曲线则随含碳量的增加而向左移。这是因为过共析钢的含碳量增加，未溶解渗碳体的量增多，它们能作为结晶核心促进奥氏体分解，故在碳钢中，共析钢的过冷奥氏体最稳定。 此外，奥氏体中含碳量越高，Ms点越低。例如，亚共析钢的Ms点的温度一般在300以上，而共析钢的Ms点已降低到200以下。第二节第二节 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变等温冷却影响因素2、合金元素 除Co以

15、外的几乎所有合金元素溶入奥氏体后，都增加奥氏体的稳定，使C曲线不同程度的右移。某些合金元素当达到一定含量时，还改变C曲线的形状。绝大多数合金元素均使Ms温度降低。第二节第二节 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变等温冷却影响因素3、加热温度和保温时间 随加热温度提高和保温时间延长，奥氏体晶粒长大，晶界面积减少，奥氏体成分更加均匀。这些都不利于过冷奥氏体的转变，从而提高了奥氏体的稳定性，使C曲线右移。 第二节第二节 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变等温冷却影响因素 大多数热处理工艺都是在连续冷却过程中完成的，所以，钢的连续冷却转变曲线更具有实际意义。图为共析钢CCT曲线。第二节第二节 钢在冷却时的转

16、变钢在冷却时的转变连续冷却 由图可知，共析钢以大于vk的速度冷却时，由于遇不到珠光体转变线，可得到的组织为马氏体和残余奥氏体。冷却速度冷却速度小于vk时，将全部转变为珠光体，即：临界冷却速度越小，奥氏体越稳定，因而即使在较慢的冷却速度下也会得到马氏体。这对淬火工艺操作具有十分重要的意义。1、同一成分的CCT在C的右下方，即要获得相同的组织，连续冷却的转变温度要低些，孕育期长些。2、连续冷却的产物可能是混合物；而且共析钢的连续冷却没有贝氏体生成。3、两者本质上一样，C曲线可以近似代替CCT曲线。第二节第二节 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变等温冷却和连续冷却的比较和应用返 回3.1 整体热处理（

17、第三节）3.2 表面热处理（第四节）3.3 化学热处理（第四节） 3.4 热处理工艺应用（第五节）三、热处理工艺三、热处理工艺返回目录第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理 退退 火火 正正 火火 淬淬 火火 回回 火火 将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却(通常为随炉冷却)至500以下空冷，从而获得接近平衡状态组织接近平衡状态组织的热处理工艺称做退火。第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理 退火退火1调整硬度以便进行切削加工。工件经铸造或锻造等热加工后，硬度偏高 或偏低，且不均匀，严重影响切削加工。适当退火或正火后可使工件的 硬度调整到HB170250且比较均匀，从而改善了

18、切削加工性能。2消除残余内应力，以防止钢件在淬火时产生变形或开裂。3细化晶粒，改善组织，提高力学性能。4为最终热处理(淬火+回火)作好组织上的准备。思考：思考：退火冷却速度和C曲线如何对应？完全退火是将钢件或钢材加热到Ac3以上2030，经完全奥氏体化后进行随炉缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理 退火的常见类型：退火的常见类型：用于亚共析钢的铸锻件、也用于焊接结构。过共析钢不用该方法。图 示钢随炉升温加热到Ac1以上Accm以下的双相区，较长时间保温，并缓慢冷却的工艺。这种工艺主要适用于共析或过共析的工模具钢，目的是让其中的碳化物球化（粒化）和

19、消除网状的二次渗碳体，因此叫做球化退火。第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理 退火的常见类型：退火的常见类型：用于过共析钢，使FeC3球化。若在退火前组织有严重的二次渗碳体网则用正火消除，保证退火效果。炉冷通过Ar1时冷却速度应该足够缓慢。图 示一些铸铁件、焊接件和变形加工件会残存很大的内应力，为了消除由于变形加工以及铸造、焊接过程引起的残余内应力而进行的退火称为去应力退火。第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理 一些经过冷变形的材料在加热到再结晶温度以上时，由于冷变形产生的缺陷基本消失，重新生成等轴均匀的晶粒，消除乐形变强化引起效应和残余应力的热处理工艺。消除铸、锻件、焊件和冷冲压

20、件的残余应力。用于经过冷变形的钢件。图 示去应力退火不产生组织的转变退火的常见类型：退火的常见类型：扩散退火是将工件加热到略低于固相线的温度（亚共析钢通常为10501150），长时间（一般1020小时）保温，然后随炉缓慢冷却到室温。扩散退火的主要目的是均匀钢内部的化学成分。第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理 主要适用于铸造后的高合金钢。图 示退火的常见类型：退火的常见类型： 将钢加热到Ac3或Accm上3050，保温适当时间，出炉后在空气中冷却的热处理工艺。 亚共析钢的正火加热温度为Ac33050；而过共析钢的正火加热温度则为Accm3050。第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理

21、 正火正火在于冷却速度不同，正火冷却速度较大，得到更细的的珠光体组织，因而强度和硬度也较高。当碳钢中含碳量小于06%时，正火的组织为铁素体和索氏体，含碳量大于06%，正火后组织为索氏体。图 示1.消除或减少过共析钢的网状先共析渗碳体组织，为球化退火作组织准备。2改善亚共析钢的切削性能。亚共析钢退火后，先共析铁素体数量多，珠光体分散度小，硬度偏低，切削时易产生“粘刀”现象。正火可以增加珠光体的数量和分散度，提高硬度，从而改善切削加工性能。3正火可作为一般结构件的最终热处理。由于正火组织较细，所以比退火状态有较好的综合力学性能，而且工艺过程较为简单，所以，对于某些要求不很高的结构件和大型件可用之。

22、4对某些大型或形状复杂的零件，当淬火有开裂危险时，可用正火代替淬火、回火处理。第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理 返回目录 从改善切削加工性能的角度出发，低碳钢宜采用正火；中碳钢即可采用退火，也可采用正火；过共析钢用正火消除网状渗碳体后再进行球化退火。第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理 各类退火和正火的加热温度范围与工艺曲线，如图所示。 加热温度范围 工艺曲线返 回 将钢件加热到Ac1（或Ac3）以上3050，保温一定的时间，然后，以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。 第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理 影响材料淬火后组织和性能的因素主要表现为：材料的淬火加热温度淬火

23、的保温时间淬火的冷却方法和冷却速度亚共析碳钢：T= Ac3+（3050）共析、过共析碳钢：T= Ac1+（3050）第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理 亚共析钢必须加热到Ac3以上进行完全淬火。这是因为亚共析钢如果在Ac1 Ac3之间加热，必然淬火时有一部分铁素体保留在淬火组织中，粗大且较软的铁素体块分布在强硬的马氏体基体上，严重降低了钢的强度和韧性； 过共析钢都必须在Ac1 Accm之间加热，进行不完全淬火，使淬火组织中保留一定数量的细小弥散的碳化物颗粒，以提高耐磨性。加热温度高于Accm时，淬火会得到粗大马氏体和过量残余奥氏体，这反而降低硬度和耐磨性，增大脆性和淬火应力，使工件变形

24、甚至开裂。第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理 亚共析碳钢： T= Ac3+（3050）共析、过共析碳钢： T= Ac1+（3050）返 回 加热时间由组成。 由零件入炉温度升至淬火温度所需的时间为升温时间，并以此作为保温时间的开始。保温时间是指零件烧透及完成奥氏体化过程所需要的时间。加热时间通常根据经验公式估算或通过实验确定。生产中往往要通过实验确定合理的加热及保温时间，以保证工件质量。第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理 淬火过程是冷却非常快的过程。为了得到马氏体组织，淬火冷却速度必须大于临界冷却速度Vk。但是，冷却速度快必然产生很大的淬火内应力，这往往会引起工件变形。因此，淬

25、火的目的是得到马氏体组，同时又要避免产生变形和开裂。理想淬火冷却曲线如图示。第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理 只要在“鼻尖”温度附近快冷，使曲线躲过“鼻尖”，不碰上C曲线，就能得到马氏体。也就是说，在“鼻尖”温度以上，在保证不出现珠光体类型组织的前提下，可以尽量缓冷；在“鼻尖”温度附近则必须快冷，以躲开“鼻尖”，保证不产生非马氏体相变；而在Ms点附近又可以缓冷，以减轻马氏体转变时的相变应力。但是到目前为止，还找不到完全理想的淬火冷却介质。 常用的淬火冷却介质是水、盐或碱的水溶液和各种矿物油、植物油。如何解决呢？ 选择适当的淬火方法同选用淬火介质一样，可以保证在获得所要求的淬火组织和性

26、能条件下，尽量减小淬火应力，减少工件变形和开裂倾向。第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理 常见的淬火方法有：单液淬火：它是将奥氏体状态的工件放入一种淬火介质中一直冷却到室温的淬火方法（见图1曲线）双液淬火：它是先将奥氏体状态的工件在冷却能力强的淬火介质中冷却至接近Ms点温度时，再立即转入冷却能力较弱的淬火介质中冷却，直至完成马氏体转变（图2曲线）分级淬火：它是将奥氏体状态的工件首先淬入略高于钢的Ms点的盐浴或碱浴炉中保温，当工件内外温度均匀后，再从浴炉中取出空冷至室温，完成马氏体转变（见图3曲线）。等温淬火：它是将奥氏体化后的工件在稍高于Ms温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间，从而获得

27、下贝氏体组织的淬火方法。是指钢在淬火时获得马氏体层深度的能力。工程上规定淬透层的深度是从表面至半马氏体层（50%马氏体+50%托氏体）的深度，将其称为有效淬硬深度有效淬硬深度。由表面至半马氏体层的深度越大，则钢的淬透性越高。化学成分，除Co以外，所有溶于奥氏体中的合金元素都提高淬透性。另外，奥氏体的均匀性、晶粒大小及是否存在第二相等因素都会影响淬透性。 是合理选用钢材及制定热处理工艺的重要依据之一。淬透性大的钢在淬火冷却时可选用冷却能力较缓和的淬火介质，这对减小淬火应力、变形和开裂十分有利，尤其对形状复杂和截面尺寸变化大的工件更为重要。第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理 注意有效淬硬深

28、度和淬透性不是一个含义钢的淬硬性与淬透性1、钢的淬透性 钢的淬硬性表示钢能够淬硬的程度。由钢在正常淬火条件下能达到的最高硬度表示。淬硬性主要取决于钢中马氏体的含碳量，含碳量越高，淬火后马氏体中碳的过饱和程度越大，晶格畸变越严重，淬硬性越大。第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理 钢的淬硬性与淬透性2、钢的淬硬性例如：低碳合金钢的淬透性很好，而淬后硬度却不是很高。注意淬透性和淬硬性不是一个含义返回目录 回火一般是紧接淬火以后的热处理工艺，回火是淬火后再将工件加热到Ac1温度以下某一温度，保温后再冷却到室温的一种热处理工艺。第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理 尽管回火温度低于相图的相变

29、温度，但仍然发生组织的转变，请和去应力退火区分淬火后的钢铁工件处于高的内应力状态，不能直接使用，必须即时回火，否则会有工件断裂的危险。淬火后回火目的在于降低或消除内应力，以防止工件开裂和变形；减少或消除残余奥氏体，以稳定工件尺寸；调整工件的内部组织和性能，以满足工件的使用要求。共析钢在淬火后，得到的马氏体和残余奥氏体组织是不稳定的，存在稳定组织转变的自发倾向。回火加热可加速这种自发转变过程。根据转变发生的过程和形成的组织，回火可分为四个阶段：第一阶段（200以下）：马氏体分解。第二阶段（200300）：残余奥氏体分解。第三阶段（250400）：碳化物的转变。第四阶段（400以上）：渗碳体的聚集

30、长大与相的再结晶。第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理 钢在回火时的转变按照回火后性能要求，淬火以后的回火有低温回火，中温回火、高温回火。如下表：第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理 低温回火中温回火高温回火注意：通常，将淬火和高温回火称为一般情况下，随着回火温度的升高，钢的冲击韧性不断升高；但是，有些钢在某些温度范围内，冲击韧度反而比在较低温度时低些，这种脆化现象称为回火脆性。第三节第三节 钢的普通热处理钢的普通热处理 从图中我们可以看出：在250350和500650钢的冲击韧性明显下降。第一类回火脆性：250350解决方法：避免在这个温度范围加热。第二类回火脆性：500650解

31、决办法：在这个温度范围内快速冷却。返回目录 为了满足零件心部要求良好韧性和塑性，表层要求很高的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限的要求而进行的改变表层组织和性能的热处理工艺。第四节第四节 钢的表面和化学热处理钢的表面和化学热处理 常见的表面处理方法为：含义：对钢的表面快速加热到淬火温度，立即以大于Vc的速度冷却，使表层强化的热处理方法特点：不改变表层的化学成分，仅改变其组织 ；而心部的组织和成分都没有发生变化。常见的表面淬火方法有：感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。感应加热的基本原理：将工件置于通有交变电流的感应线圈内，在交变磁场的作用下，工作内部产生感应电流，由于感应电流的热效应而使工件的温度升

32、高。交变频率愈高，则加热层愈薄。当感应电流足够大时，工件表面由于达到了相变温度，从而发生奥氏体转变。在随后快速冷却中，过冷奥氏体转变成为马氏体。第四节第四节 钢的表面和化学热处理钢的表面和化学热处理 强调：感应加热后要采用回火消除淬火的负面影响根据电流频率的不同，可将感应加热表面淬火分为三类：第一类是高频感应加热淬火常用电流频率范围为200300千赫兹，一般淬硬层深度为0.52.0mm。适用于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件等。第二类是中频感应加热淬火常用电流频率范围为2500800赫兹，一般淬硬层深度为210mm。适用于较大尺寸的轴和大中模数的齿轮等。第三类是工频感应加热淬火电流频率为50

33、赫兹，不需要变频设备，淬硬层深度可达1015mm。适用于较大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊、火车车轮等的表面淬火。第四节第四节 钢的表面和化学热处理钢的表面和化学热处理 第四节第四节 钢的表面和化学热处理钢的表面和化学热处理 表面淬火一般适用于，如45、40MnB等。这些钢经预先热处理（正火或调质处理）后再表面淬火，心部有较高综合性能，表面也有较高的硬度和耐磨性。另外，铸铁也是适合于表面淬火的材料。 与普通淬火相比，感应加热表面淬火具有以下主要特点：一、加热温度高，升温快。二、工件表层易得到细小马氏体，硬度比普通淬火高23HRC，且脆性较低。三、工件表层存在残余压应力，因而疲劳强度较高。

34、四、工件表面质量好。加热速度快，没有保温时间，工件不易氧化和脱碳，由于内部未被加热，淬火变形小。五、生产效率高，便于实现机械自动化。淬硬层深度易于控制。火焰加热表面淬火是用乙炔-氧或煤-气氧的混合气体燃烧的高温火焰（约3000以上），将工件表面迅速加热到淬火温度，然后立即喷水冷却，如图所示。第四节第四节 钢的表面和化学热处理钢的表面和化学热处理 特点和应用： 火焰加热淬火的淬硬层深度一般为（26mm）。它具有设备简单,淬火速度快，变形小等优点，适用于单件或小批量生产的大型零件和需要局部淬火的工具或零件，如大型轴、齿轮、轨道、车轮等；但是质量不稳定。化学热处理是将工件置于一定介质中加热并保温一定

35、时间，使介质中一种或几种活性原子渗入工件表层，以改变其化学成分和组织，从而使工件表面具有特殊性能的一种热处理工艺。第四节第四节 钢的表面和化学热处理钢的表面和化学热处理 特点：表层的化学成分、组织都发生改变；心部的组织和成分都没有发生变化。化学热处理过程包括分解、吸收、扩散三个基本过程。目前生产中最常用的化学热处理工艺是渗碳、氮化和氰化。 提高工件表层含碳量。经过渗碳及随后的淬火和低温回火，提高工件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部仍保持良好的塑性和韧性。工业中一般选用质量分数为015%025%等含碳量较低的钢，以保证心部具有足够的韧性和强度，主要牌号有15、20、20Cr、20CrMnTi

36、等。根据渗剂不同，渗碳方法可分为固体渗碳、气体渗碳和液体渗碳。第四节第四节 钢的表面和化学热处理钢的表面和化学热处理 将工件置于富碳介质中，加热（900950）并保温，使该介质分解出活性碳原子渗入工件表面，这种化学热处理工艺称为渗碳。渗碳后缓冷至室温的组织接近于铁碳合金相图的平衡组织。渗层由表及里依次为过共析层、共析层、亚共析层，最后是心部的原始组织。由此可见，才能有效地发挥渗碳层的作用，表面获得高硬度和耐磨性，而心部具有良好韧性。具体方法如下：第四节第四节 钢的表面和化学热处理钢的表面和化学热处理 a 直接淬火法b 一次淬火法c 两次淬火法与渗碳相比，氮化温度大大低于渗碳温度，工件变形小；氮

37、化层的硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性及热硬性均高于渗碳层，但氮化层比渗碳层薄而脆；氮化处理时间比渗碳长得多，生产效率低。氮化处理广泛用于磨床主轴等要求高精度、高表面硬度、高耐磨性的精密零件。第四节第四节 钢的表面和化学热处理钢的表面和化学热处理 在一定温度下（一般在Ac1温度下）使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺称为渗氮（或氮化）。 目的在于提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、腐蚀性及热硬性。 氮化处理有气体氮化、软氮化及离子氮化等，其中气体氮化应用最广。碳氮共渗是同时向零件渗入C、N两种元素的化学热处理工艺，也称为氰化处理。氰化主要有液体氰化和气体氰化两种。碳氮共渗后，进行淬火加低温

38、回火。共渗淬火后，得到含氮马氏体，耐磨性比渗碳更好。共渗层比渗碳层有较高的压应力，因而有更高的疲劳强度，耐蚀性也较好。碳氮共渗工艺与渗碳工艺相比，具有时间短、生产效率高、表面硬度高、变形小等优点，但共渗层较薄，主要用于形状复杂、要求变形小的小型耐磨零件。第四节第四节 钢的表面和化学热处理钢的表面和化学热处理 第四节第四节 钢的表面和化学热处理钢的表面和化学热处理 热处理方法适 用 范 围备 注渗碳渗碳淬火低温回火低碳非合金钢、低碳合金钢加热温度高、保温时间长、渗碳层深氮渗渗 氮加热温度低；表面硬度更高，变形较小，不需要进行其他热处理；高耐蚀性碳氮共渗共渗淬火低温回火得到含氮的马氏体，耐磨性更好

39、，更好的压应力，疲劳强度和耐蚀性返回目录1硬度不足或出现软点原因：（1）亚共析钢加热温度低或保温时间不充分，淬火组织中有残留铁素体；（2）加热过程中钢件表面发生氧化、脱碳，淬火后局部生成非马氏体组织；（3）淬火时，冷却速度不足或冷却不均匀，未全部得到马氏体组织；（4）淬火介质不清洁，工作表面不干净，影响了工件的冷却速度，致使未能全部淬硬。防止方法：如果材质及零件截面尺寸正常情况下，为防止淬火后零件硬度偏低最重要的是防止加热时零件表面脱碳。其中最有效的办法是采用盐浴或可控气氛或真空加热。若在一般空气电阻炉中加热，在确保零件烧透及组织转变的前提下力求尽量缩短加热时间。第六节第六节 热处理工艺的应用

40、热处理工艺的应用2、零件变形与开裂原因：在淬火加热时零件由于热应力以及高温时材料强度降低延性增加会导致变形。对合金钢而言，由于其导热性较差，若加热速度太快，不仅零件变形大，甚至有开裂的危险。防止措施：a）正确选材和合理设计。形状复杂、截面变化大的零件，应选淬透性好的钢材，以便用较缓和的淬火冷却方式。在零件结构设计中，应注意热处理结构工艺性。b）淬火前进行相应的退火或正火，以细化晶粒使组织均匀，减少内应力。c）严格控制淬火加热温度，防止过热，同时也可减少淬火时的热应力。d）采用适当冷却方法。尽可能使零件均匀冷却，对厚薄不均零件，应先将厚大部分淬入介质中。薄件、细长杆和复杂件，可采用专用淬火压床控

41、制淬火时的变形。e）淬火后应立即回火，以消除应力，降低工件的脆性。第六节第六节 热处理工艺的应用热处理工艺的应用尽量避免尖角、棱角、减少台阶零件的尖角和棱角处易产生应力集中，常引起淬火开裂。一般应设计成圆角或倒角，如图所示。第六节第六节 热处理工艺的应用热处理工艺的应用设计成圆角或倒角零件外形应尽量简单，避免厚薄悬殊的截面截面厚薄悬殊的零件，在热处理时由于冷却不均匀，易产生变形和开裂。为使壁厚尽量均匀，并使截面均匀过渡，可采取开工艺孔，加厚零件截面过薄处，合理安排空洞和槽的位置，变盲孔为通孔等措施，如图所示。第六节第六节 热处理工艺的应用热处理工艺的应用 避免厚薄悬殊的截面尽量采用对称结构若零件形状不对称，会使应力分布不均匀，易产生变形。下图为镗杆对称截面，镗杆要求渗氮后变形极小，原设计在镗杆一侧开槽，热处理后弯曲变形很大，改在两侧开槽（所开槽应不影响镗杆使用性能），使镗杆对称结构，可显著减少热处理变形。第六节第六节 热处理工艺的应用热处理工艺的应用镗杆对称截面尽量采用封闭结构图为减小热处理变形，头部槽口处应留有工艺筋，使