第6单元 材料改性与强化处理

1、2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-1单元引出单元引出: : 要改变材料的性能，除了改变它们的化学成分外，可要改变材料的性能，除了改变它们的化学成分外，可以通过各类强化和处理手段，满足各种各样使用条件下对以通过各类强化和处理手段，满足各种各样使用条件下对材料的要求。这一单元就来介绍各种强化和处理手段材料的要求。这一单元就来介绍各种强化和处理手段. .第第6单元单元 材料的强化与处理材料的强化与处理2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-2 问题提出问题提出: 要改变材料的性能要改变材料的性能,可以通过哪些手段可以通过哪些手段?一一把含碳量为把含碳量为1.2%的高碳钢锉刀能不能不经过

2、的高碳钢锉刀能不能不经过处理就直接使用处理就直接使用2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-3基本要求：基本要求： 1 1、掌握钢铁材料的热处理特点；、掌握钢铁材料的热处理特点；2 2、简单了解热处理过程中的组织转变及转变产物的形态和、简单了解热处理过程中的组织转变及转变产物的形态和性能；性能； 3 3、了解热处理缺陷、产生原因及预防措施；、了解热处理缺陷、产生原因及预防措施； 4 4、初步具备正确选用常规热处理工艺、安排其工序位置并、初步具备正确选用常规热处理工艺、安排其工序位置并进行热处理操作的能力进行热处理操作的能力； 5 5、了解工程材料的其它主要强化方式、改性与表面处理技了解工程

3、材料的其它主要强化方式、改性与表面处理技术。术。 重点难点：重点难点： 1、钢铁材料的热处理特点；、钢铁材料的热处理特点；2、热处理过程中的组织转变及转变产物的形态与性能；、热处理过程中的组织转变及转变产物的形态与性能；教学方法：口授与多媒体相结合口授与多媒体相结合。2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-4钢的热处理是将钢在固态下以适当的方式进行加热、保钢的热处理是将钢在固态下以适当的方式进行加热、保温和冷却温和冷却, , 以获得所需组织和性能的工艺。以获得所需组织和性能的工艺。制订热处理工艺主要是制订热处理工艺主要是确定加热温度、保温时确定加热温度、保温时间和冷却速度三个基本间和冷却速

4、度三个基本参数参数 第一讲第一讲 金属材料的热处理金属材料的热处理2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-5加热温度的确定加热温度的确定 钢加热时的奥钢加热时的奥氏体化温度，一般氏体化温度，一般需根据需根据Fe-FeFe-Fe3 3C C相图相图来确定。但一般条来确定。但一般条件下固态相变时，件下固态相变时，都有不同程度的都有不同程度的过过热度热度或或过冷度过冷度。 加热是热处理的第一道工序，大多数热处理工艺首先要将加热是热处理的第一道工序，大多数热处理工艺首先要将钢加热到相变点以上钢加热到相变点以上, ,目的是获得奥氏体目的是获得奥氏体. .1、钢在加热时的转变、钢在加热时的转变2022

5、-3-20工程材料与材料成形工艺6-6 钢在加热到钢在加热到A A1 1点以上时，都要发生珠光体向奥氏体的转点以上时，都要发生珠光体向奥氏体的转变（即奥氏体化），下面以共析钢为例，分析奥氏体化过程变（即奥氏体化），下面以共析钢为例，分析奥氏体化过程: :共析钢加热到共析钢加热到AcAc1 1温度时，便发生奥氏体转变。转变过程遵温度时，便发生奥氏体转变。转变过程遵从结晶的普遍规律。即晶核形成和晶核长大，如图示。从结晶的普遍规律。即晶核形成和晶核长大，如图示。 奥氏体化过程奥氏体化过程a a）奥氏体晶核的形成）奥氏体晶核的形成b）奥氏体晶核的长大）奥氏体晶核的长大 c） 残余渗碳体的溶解残余渗碳体

6、的溶解d）奥氏体成分均匀化）奥氏体成分均匀化2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-7 实际生产中实际生产中,钢的热处理并非都要求达到完钢的热处理并非都要求达到完全奥氏体化全奥氏体化,而是根据热处理目的而是根据热处理目的,控制奥氏体形控制奥氏体形成的不同阶段成的不同阶段(以达到冷却后不同的组织和性能以达到冷却后不同的组织和性能)。控制奥氏体长大的措施:v(1)控制加热温度和保温时间。其中加热温度的影响更为显著。 (2) 合理选择钢的原始组织.(3) 选择含有一定量合金元素的钢材.2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-8 奥氏体化后，当采用不同的冷却条件时，将会获得不同的奥氏体化后，当

7、采用不同的冷却条件时，将会获得不同的组织和性能。所以，冷却过程是热处理的最关键环节。组织和性能。所以，冷却过程是热处理的最关键环节。 下表列出了下表列出了4545钢在同样奥氏体化条件下，采用不同冷却速钢在同样奥氏体化条件下，采用不同冷却速度冷却时的力学性能数据。度冷却时的力学性能数据。 冷却方法冷却方法b/ MPab/ MPas/ Mpas/ Mpa( %) ( %) ( %) ( %) HRCHRC随炉冷却随炉冷却51951927227232.532.5494915 15 1818空气冷却空气冷却657 657 70670633333315 15 181845 45 505018 18 24

8、24油中冷却油中冷却88288260860818 18 2 2212140 40 5050水中冷却水中冷却107810787067067 7 8 84 452 52 60604545钢经过钢经过840840C C加热后，不同条件冷却后的力学性能加热后，不同条件冷却后的力学性能2 2、钢在冷却时的转变、钢在冷却时的转变2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-9 当以极其缓慢的速度冷却时，奥氏体在当以极其缓慢的速度冷却时，奥氏体在A A1 1线发生转线发生转变；但冷却速度较快时，奥氏体常需过冷到变；但冷却速度较快时，奥氏体常需过冷到A A1 1线以下，线以下，才能发生转变，我们把在共析温度以下

9、存在的奥氏体称才能发生转变，我们把在共析温度以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体。为过冷奥氏体。2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-10（1） 高温珠光体型转变高温珠光体型转变 发生在发生在 A A1 1 550550之间，之间，铁和碳原子都进行扩散，属于铁和碳原子都进行扩散，属于扩散型转变，转变产物为层片扩散型转变，转变产物为层片状的珠光体组织。珠光体层间状的珠光体组织。珠光体层间距随过冷度的增大而减小距随过冷度的增大而减小. . 层片间距愈小，层片间距愈小，硬度就越高，硬度就越高，2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-11在在550 550 MsMs（230230）温度范围，过冷度

10、较大，温度范围，过冷度较大，铁原子难以扩散，属于半铁原子难以扩散，属于半扩散型转变，转变产物为扩散型转变，转变产物为贝氏体型组织（贝氏体型组织（B B），其基），其基本形态如图特征为羽毛状本形态如图特征为羽毛状或黑色针叶状。或黑色针叶状。 （2 2）中温贝氏体型转变）中温贝氏体型转变c)d)B下下B上上B下下B上上B下下综合力学性能好综合力学性能好B上上脆性大脆性大分上贝氏体分上贝氏体(550 (550 350 )350 )和下和下贝氏体贝氏体(350 (350 Ms)Ms)2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-12 当奥氏体被迅速过冷至当奥氏体被迅速过冷至MsMs以下时以下时, ,铁、

11、碳原子都已失去铁、碳原子都已失去了扩散的能力了扩散的能力, ,只发生晶格改组只发生晶格改组. .固溶在奥氏体中的碳全部固溶在奥氏体中的碳全部保留在晶格中保留在晶格中, ,形成碳在形成碳在-Fe-Fe中的过饱和固溶体中的过饱和固溶体, ,称为马氏称为马氏体体. .（3 3）低温马氏体型转变）低温马氏体型转变d)c)非扩散型转变产非扩散型转变产物马氏体（物马氏体（M M）2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-13马氏体转变的基本特点马氏体转变的基本特点马氏体的转变也是一个形核和长大的过程，但与一般的转变相马氏体的转变也是一个形核和长大的过程，但与一般的转变相比比, ,又有着许多独特之处。又有

12、着许多独特之处。1 1）马氏体转变是在一定温度范围内进行的）马氏体转变是在一定温度范围内进行的(MS (MS MfMf之间之间) )2 2）马氏体转变是一个非扩散型的转变）马氏体转变是一个非扩散型的转变3 3）马氏体的转变速度极快）马氏体的转变速度极快 4 4）马氏体的转变具有不完全性）马氏体的转变具有不完全性 马氏体转变不能完全进行到底，即使过冷到马氏体转变不能完全进行到底，即使过冷到MfMf点以下，点以下，仍有少量奥氏体存在，这部分奥氏体称为残余奥氏体。仍有少量奥氏体存在，这部分奥氏体称为残余奥氏体。2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-14由于奥氏体含碳量的不同, 有板条状和片状两

13、种.含碳量较低的钢淬火时得到板条状马氏体,含碳量较高的钢得到片状马氏体,含碳量介于中间的钢是两种马氏体的混合物. 马氏体的组织形态马氏体的组织形态马氏体的力学性能马氏体的力学性能 具有高的硬度和强度，是马氏体的主要性能特点。具有高的硬度和强度，是马氏体的主要性能特点。马氏体的硬度主要取决于含碳量马氏体的硬度主要取决于含碳量. .2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-153 3、钢的普通热处理、钢的普通热处理热处理工艺：热处理工艺：加热、冷却速度，及温度、时间等参数。加热、冷却速度，及温度、时间等参数。普通热处理：普通热处理：退火、正火、淬火、退火、正火、淬火、回火。回火。表面热处理：表面

14、热处理：表面淬火、化学热处理。表面淬火、化学热处理。2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-16（1 1）钢的退火）钢的退火将钢加热、保温后，缓冷将钢加热、保温后，缓冷( (炉冷炉冷) )至室温。至室温。完全退火（亚共析钢）完全退火（亚共析钢）加热温度加热温度 AcAc3 3 + + 303050 50 缓冷缓冷 F + PF + P目的：细化晶粒，均匀化组织降低硬度目的：细化晶粒，均匀化组织降低硬度 切削性切削性 等温退火：等温退火：A A化后快冷至化后快冷至Ar1Ar1以下等温转变为以下等温转变为 P P，再空冷。，再空冷。目的：缩短退火时间。目的：缩短退火时间。常用正火、常用正火、退

15、火的奥氏退火的奥氏体化温度范体化温度范围及工艺曲围及工艺曲线线 2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-17球化退火球化退火（过共析钢）（过共析钢）在在AcAc1 1+ 20+ 203030等温，等温， 使使FeFe3 3C C球化，球化，再缓冷再缓冷 球状球状P P（F +F +球状球状FeFe3 3C C ）目的：目的：硬度硬度, ,切削性切削性, ,韧性韧性去应力退火去应力退火 加热温度加热温度 AcAc1 1 ，一般为一般为 500500650650目的：目的：消除冷热加工后的内应力消除冷热加工后的内应力常用正火、常用正火、退火的奥氏退火的奥氏体化温度范体化温度范围及工艺曲围及工艺

16、曲线线 2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-18(2) (2) 钢的正火钢的正火应用：应用： 1) 1) 最终热处理最终热处理 细化晶粒，细化晶粒，P P量量 力学性能力学性能 2) 2) 淬火、球化退火前改善组织。淬火、球化退火前改善组织。 3) 3) 低低C C钢的切削性能。钢的切削性能。加热温度加热温度 AcAc3 3 ( Ac( Accmcm ) ) + 30+ 305050，空冷空冷 S S2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-19(3) (3) 钢的淬火钢的淬火A A化后，快冷化后，快冷 M M 。淬火温度淬火温度1) 1) 亚共析钢亚共析钢 AcAc3 3 + 30

17、+ 3050 50 2) 2) 过共析钢过共析钢 AcAc1 1 + 30+ 3050 50 ， 细细M + M + 粒状粒状FeFe3 3C CIIII ，硬度大。，硬度大。 冷却速度：冷却速度： 盐水盐水 水水 盐浴油盐浴油 冷却介质冷却介质淬火方法淬火方法单介质淬火：水、油冷单介质淬火：水、油冷 双介质淬火：水冷双介质淬火：水冷 + + 油冷油冷分级淬火：分级淬火： MsMs盐浴中保温空冷盐浴中保温空冷等温淬火（等温淬火（ 在盐、碱浴中）在盐、碱浴中） 下下B B 2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-20(4) (4) 钢的回火钢的回火淬火后，加热到淬火后，加热到Ac1以下，保温

18、，冷却。以下，保温，冷却。目的：消除淬火应力，稳定组织，调整性能。目的：消除淬火应力，稳定组织，调整性能。低温回火（低温回火（150150250250） 回火回火M (M ( 过饱和过饱和F +薄片状薄片状Fe2.4C ) 淬火应力淬火应力 ，韧性，韧性 ，保持淬火后的高硬度。，保持淬火后的高硬度。用于高用于高C工具钢等。工具钢等。回火回火M M 400 400 M M低倍低倍 2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-21中温回火（中温回火（350350500500） 回火回火T (F +T (F +细粒状细粒状FeFe3 3C ) C ) 弹性极限和屈服强度弹性极限和屈服强度，韧性和硬度

19、中等。，韧性和硬度中等。用于弹簧等。用于弹簧等。回火回火T 7500T T 1000 1000 2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-22高温回火（高温回火（500500650650） 回火回火S (S (等轴状等轴状F +F +粒状粒状FeFe3 3C ) C ) 综合机械性能最好综合机械性能最好, , 即强度、塑性和韧性都较好。即强度、塑性和韧性都较好。用于重要零件。用于重要零件。调质处理调质处理 淬火淬火 + + 高温回火高温回火回火回火S S 7500 7500S S 1000 1000 2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-23回火产物的组织形态比较回火产物的组织形态比较

20、 回火回火M M 400 400 回火回火T T 7500 7500回火回火S S 7500 75002022-3-20工程材料与材料成形工艺6-24(5) (5) 钢的淬透性钢的淬透性淬火时得到淬火时得到M M的能力，的能力，取决于临界冷却速度取决于临界冷却速度V VK K 。淬硬性：淬硬性：淬火后获得的最高硬度，淬火后获得的最高硬度，w wC C淬硬性淬硬性影响淬透性的因素影响淬透性的因素除除CoCo外，合金使外，合金使V Vk k , , 淬透性淬透性(a)(a)完全淬透完全淬透 (b)(b)淬透较大厚度淬透较大厚度 (c)(c)淬透较淬透较小厚度小厚度 淬透性不同的钢调质后机械性能的比

21、较淬透性不同的钢调质后机械性能的比较2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-25淬透性的应用淬透性的应用按负载，选择不同淬透性的材料。按负载，选择不同淬透性的材料。螺栓、连杆、模具等，截面承载均匀，螺栓、连杆、模具等，截面承载均匀，要全部淬透。要全部淬透。高强螺栓高强螺栓柴油机连杆柴油机连杆齿轮齿轮轴类、齿轮等，承受弯曲、扭转载荷，轴类、齿轮等，承受弯曲、扭转载荷，不必淬透。不必淬透。2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-264、钢的表面热处理、钢的表面热处理（1 1）钢的表面淬火）钢的表面淬火 将钢的表层快速加热将钢的表层快速加热A A化后进行化后进行淬火，得到淬火，得到M M组织

22、。组织。目的目的 ： 提高表面强、硬度，提高表面强、硬度，保持心部良好的塑、韧性。保持心部良好的塑、韧性。感应加热表面淬火感应加热表面淬火材料：中材料：中C C钢、中钢、中C C低合金钢。低合金钢。预备热处理：正火或调质预备热处理：正火或调质最终热处理：表面淬火最终热处理：表面淬火+ +低温回火低温回火火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火（乙炔氧等火焰）（乙炔氧等火焰）2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-27（2 2） 化学热处理化学热处理钢在一定介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入钢在一定介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入钢的表层，以改变表层的化学成分、组织和性能。钢的表层，以

23、改变表层的化学成分、组织和性能。分类分类 渗渗 C C、N N，C NC N共渗等。共渗等。2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-28低低C C钢在高钢在高C C介质中加热到介质中加热到900900950950、保温、保温 高高C C表层（约表层（约1.0%1.0%）渗渗C C后的热处理后的热处理: :淬火淬火+ +低温回火低温回火2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-295 5、热处理新技术简介、热处理新技术简介 在炉气成分可控制在预定范围内的热处理炉中进行的热处理成为可控气氛热处理.其目的是为了有效地控制渗碳时的表面碳浓度,或防止工件在加热时的氧化和脱碳.（1 1）可控气氛热处

24、理）可控气氛热处理（2 2）真空热处理）真空热处理 在真空中进行的热处理成为真空热处理.真空热处理可以减少工件变形,使钢脱碳、脱氢和净化表面.（3 3）形变热处理）形变热处理 形变热处理是将塑性变形同热处理结合在一起,获得形变强化和相变强化综合效果的工艺方法.这种工艺方法不仅可提高钢的强韧性,还可以大大简化金属材料或工件的生产流程. 激光热处理是利用专门的激光器发出能量密度极高的激光，以极快的速度加热工件表面，自冷淬火后使工件表面强化的热处理。 电子束淬火是利用电子枪发射成束电子，轰击工件表面使之急速加热，自冷淬火后使工件表面强化的热处理。其能量利用率大大高于激光热处理，可达80%。 （4 4）激光热处理与电子束表面淬火）激光热处理与电子束表面淬火2022-3-20工程材料与材料成形工艺6-30 设计者应根据零件的工作条件，所选用的材料及性能要求提出热处理技术条件，并标注在零件图上。其内容包括热处理的方法及热处理后应达到的力学性能数据。一般零件需标出硬度值，重要的零件还应标出强度、塑性、韧性指标或金相组织要求。对于化学热处理零件，还应标注渗层部位和渗层的深度。 6 6、