金属工艺学第四章分析上课讲义

1、金属工艺学第四章分析钢在加热时的转变钢在加热时的转变第一节第一节 热处理基本原理热处理基本原理钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变 热处理概述热处理概述一、热处理概述一、热处理概述钢的热处理的定义热处理工艺曲线 热处理的分类钢钢固态固态加热加热、保温保温、冷却冷却改善组织、性能改善组织、性能的工艺方法。的工艺方法。 性能性能变化变化组织、组织、结构变化结构变化决定决定改变改变钢的热处理钢的热处理1 定义：定义： 在机械制造中应用广泛：在机械制造中应用广泛： 机机 床：床：60607070的零件；的零件； 汽车、拖拉机：汽车、拖拉机：70708080的零件；的零件； 滚动轴承、工具、模具：滚动轴承、

2、工具、模具：100100的零件的零件热处理简介：热处理简介：2 钢的热处理工艺曲线示意图：钢的热处理工艺曲线示意图：3 钢的热处理分类：钢的热处理分类： 整体热处理：整体热处理：退火、退火、 正火、正火、 淬火、淬火、 回火回火. . 表面热处理表面热处理 ：表面淬火、：表面淬火、化学热处理化学热处理1 1）按照它在加工中的作用分：）按照它在加工中的作用分：预先热处理、最终热处理预先热处理、最终热处理2 2）按工艺方法不同分：）按工艺方法不同分：A的形成的形成二、钢在加热时的转变A A的长大的长大理论依据理论依据铁碳合金相图铁碳合金相图。1、A的形成的形成Fe-FeFe-Fe3 3C C相图各

3、临界点的移动位置：相图各临界点的移动位置：共析钢奥氏体的形成 重点内容（2 2）奥氏体晶核长大）奥氏体晶核长大（1 1）奥氏体晶核形成）奥氏体晶核形成 （3 3）残余）残余FeFe3 3C C的溶解的溶解（4 4）奥氏体成分均匀化）奥氏体成分均匀化共析钢奥氏体的形成示意亚共析钢：大于亚共析钢：大于Ac1 F+A Ac3以上以上 A晶粒晶粒过共析钢：大于过共析钢：大于Ac1 Fe3C +A Accm以上以上 亚（或过）共析钢的亚（或过）共析钢的A A化：化：2. 2. 奥氏体晶粒的长大（粗化）奥氏体晶粒的长大（粗化） 加热温度加热温度, ,保温时间保温时间，奥氏体晶粒奥氏体晶粒。 A A晶界上未

4、熔碳化物晶界上未熔碳化物，奥氏体晶粒奥氏体晶粒。 合金元素（合金元素（除除MnMn、P P外）外） ，奥氏体晶粒奥氏体晶粒。 冷却方式冷却方式 过冷过冷A的等温转变的等温转变 过冷过冷A的连续转变的连续转变 三、钢在冷却时的转变等温冷却：等温冷却： 快冷到快冷到A1以下以下保温保温（发生组织转变）发生组织转变）然后再冷却下来然后再冷却下来。1 1、冷却方式：、冷却方式：连续冷却连续冷却: : 在在连续连续冷却过程中发生冷却过程中发生组织转变组织转变。 水冷、油冷、炉冷、空冷。水冷、油冷、炉冷、空冷。 C C曲线的建立曲线的建立 影响过冷影响过冷A A等温转变的因素等温转变的因素 过冷过冷A A

5、等温转变产物组织和性能等温转变产物组织和性能 2、过冷、过冷A的等温转变曲线（的等温转变曲线（C曲线曲线 ）：）： 准备试样；准备试样； 将试样将试样A A化，并在不同温化，并在不同温度下恒温测定；度下恒温测定； 把组织转变开始与终止把组织转变开始与终止时间在时间、温度的坐时间在时间、温度的坐标系上分别连起来。标系上分别连起来。 1) C1) C曲线的建立曲线的建立 ( (以共析钢为例以共析钢为例) ) ：a) a) 建立建立C C曲线曲线两曲线两曲线：左左C线：左边是过冷线：左边是过冷A；右右C线：右边是转变产物区；线：右边是转变产物区；左右之间：过冷左右之间：过冷A与产物与产物 共存区共存

6、区b）C曲线特征曲线特征两直线：两直线：上水平线上水平线A1：A存在稳定区；存在稳定区；下水平线下水平线Ms：M转变开始线。转变开始线。2 2）影响过冷）影响过冷A A等温转变的因素等温转变的因素A A成分的影响：成分的影响： 含碳量：共析钢的含碳量：共析钢的C C曲线最靠右；曲线最靠右； 合金元素：一般除合金元素：一般除CoCo和和AlAl外，外，C C曲线右移。曲线右移。A A化条件的影响：化条件的影响： 加热温度加热温度：C C曲线右移；曲线右移； 保温时间保温时间 ：C C曲线右移；曲线右移；3）过冷）过冷A等温转变产物（以共析钢为例）等温转变产物（以共析钢为例） 珠光体型转变 贝氏体

7、型转变 马氏体型转变重点内容重点内容分三类：分三类： 温度温度 组织组织 性能性能 727650 P 727650 P （片层粗大）（片层粗大） 强度强度 硬度硬度 650600 S 650600 S （片层较细）（片层较细） 600550 T 600550 T （片层极细）（片层极细） 提高o珠光体类型转变（高温转变产物）：珠光体类型转变（高温转变产物）： 温度温度：727550727550之间；之间； 特点特点：是扩散型转变。：是扩散型转变。 产物产物：P P型组织型组织(a)珠光体 (b) 索氏体(c)托氏体分两类：分两类： 温度温度 组织组织 性能性能 550350 B上上 强度低，强

8、度低， （ F粗粗+ Fe3C） 塑、韧性较差塑、韧性较差 350230 B下下 综合力学性能好综合力学性能好 （ F针片针片+细微的碳化物细微的碳化物） o贝氏体类型转变（中温转变产物贝氏体类型转变（中温转变产物 ）：）： 温度：温度：在550-230之间； 特点特点：贝氏体转变属半扩散型转变。 产物产物：贝氏体组织。 M M：C C在在-Fe-Fe中的过饱和固溶体。中的过饱和固溶体。 o马氏体型转变（低温转变产物）：马氏体型转变（低温转变产物）： 温度：温度：Ms以下；以下； 产物：产物： M 特点：特点： 非扩散型转变非扩散型转变原因原因：过饱和碳原子引起的晶格畸变即：过饱和碳原子引起的

9、晶格畸变即固溶强化固溶强化。 M硬度取决于硬度取决于c : c , HRcHRcM M特点特点：高强度、高硬度。：高强度、高硬度。M 形态形态（图图4-8） : 板条状马氏体板条状马氏体：(c)1.0%（高碳马氏体）。（高碳马氏体）。在在0.2% (c) 1.0%时，形成二者的混合组织。时，形成二者的混合组织。 钢在冷却时，过冷奥氏体的转变产物钢在冷却时，过冷奥氏体的转变产物根据其转根据其转变温度的高低变温度的高低可分为：可分为： 高温转变产物珠光体、索氏体、托氏体，高温转变产物珠光体、索氏体、托氏体， 中温转变产物上贝氏体、下贝氏体，中温转变产物上贝氏体、下贝氏体， 低温转变产物马氏体低温转

10、变产物马氏体 随着随着转变温度转变温度的降低，其转变的降低，其转变产物的硬度增高产物的硬度增高，而而韧性的变化则较为复杂韧性的变化则较为复杂。 小小 结结CCTCCT曲线曲线 3、过冷、过冷A的连续冷却转变曲线的连续冷却转变曲线（共析钢）CCTCCT曲线与曲线与C C曲线比较曲线比较1 1）CCTCCT曲线（共析钢）曲线（共析钢）直线直线A1A1，MsMs， K K，MfMf曲线曲线PsPs， PfPf 没有贝氏体转变区。没有贝氏体转变区。曲线特征：曲线特征： 冷速冷速临界冷速（临界冷速（vk），得到，得到M vk冷速冷速 vk时，时， 得到得到MP 冷速冷速 vk时，时， 得到得到P转变产物

11、：转变产物：连续冷却时：连续冷却时： 不是所有的合金都没有贝氏体转变不是所有的合金都没有贝氏体转变。 过共析钢过共析钢的无贝氏体转变区；的无贝氏体转变区； 亚共析钢亚共析钢可以产生贝氏体组织；可以产生贝氏体组织； 合金钢合金钢有时有贝氏体，有时无。有时有贝氏体，有时无。2) CCT CCT曲线与曲线与C C曲线的比较曲线的比较( (共析钢共析钢) )： CCTCCT曲线位于曲线位于C C曲线的右下方，转变的孕曲线的右下方，转变的孕育期长。育期长。 连续冷却转变产物往往不是单一均匀组连续冷却转变产物往往不是单一均匀组织，等温转变的产物是单一的均匀组织。织，等温转变的产物是单一的均匀组织。 A +

12、产产 物物 区区碳钢碳钢 w(C)0.77TTT 曲线的分析曲线的分析稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过冷奥氏体区过冷奥氏体区A转变开始线转变开始线A转变终止线转变终止线产物区产物区A1550;高温转变区高温转变区;P 转变区。转变区。550230;中温转变区中温转变区B 转变区转变区;230以下以下; 低温转变区低温转变区; M 转变区；转变区；时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf转变产物的组织与性能珠光体型珠光体型 ( P ) ( P ) 转变转变 ( A( A1 1550 ) :550 ) :A1650 : P ;

13、 525HRC; 片间距为片间距为0.60.7m ( 500 )。650600 : 细片状细片状P， 索氏体索氏体(S); 片间距为片间距为0.20.4m (1000); 2536HRC。600550:极细片状极细片状P， 托氏体托氏体(T); 片间距为片间距为0.2m ( 电镜电镜 ); 3540HRC。贝氏体型贝氏体型 ( B ) 转变转变 ( 550230 ) :550350: B上上; 4045HRC;350230: B下下; 5060HRC;韧性较差韧性较差.综合力学性能好综合力学性能好.马氏体型马氏体型 ( M ) 转变转变 ( 230以下以下 ) :马氏体是一种碳在马氏体是一种碳

14、在 Fe中的中的过饱和过饱和固溶体。固溶体。板条状板条状 - 低碳马氏体低碳马氏体(0.2%C ); 3050HRC ; = 917%。片状片状 - 高碳马氏体高碳马氏体(1%C); 66HRC左右左右 ; 1%。 第二节第二节 钢的整体热处理钢的整体热处理 本节重点：本节重点： 淬火回火工艺淬火回火工艺 本节难点：本节难点：不同工艺对钢组织和性能的影响不同工艺对钢组织和性能的影响第二节第二节 主要内容主要内容 退火退火正火正火淬火淬火回火回火 概念：概念：加热、保温加热、保温，缓慢冷却（缓慢冷却（随炉冷却）随炉冷却） 达到或接近平衡状态组织达到或接近平衡状态组织。 一、钢的退火一、钢的退火退

15、退 火火钢的退火钢的退火1、完全退火、完全退火 工艺：工艺： AcAc3 3+ +（303050)50)，保温，炉冷至，保温，炉冷至 500 500 下，空冷。下，空冷。 组织：组织：P+FP+F 目的：目的： 细化晶粒，均匀组织。细化晶粒，均匀组织。 降低硬度降低硬度切削性切削性。 消除内应力。消除内应力。 应用范围：应用范围：亚共析成分的碳钢或合金钢亚共析成分的碳钢或合金钢 的铸件、锻件和热轧型材。的铸件、锻件和热轧型材。45钢的完全退火钢的完全退火2、等温退火、等温退火 工艺：工艺：AcAc3 3(30-50)(30-50) 保温，快冷至珠光体转变区，等温转变保温，快冷至珠光体转变区，等

16、温转变 成成P P，空冷。，空冷。 目的：目的： 与完全退火相同与完全退火相同 显著缩短生产周期显著缩短生产周期3、球化退火、球化退火 工艺：工艺：AcAc1 1+(2030)，保温后，快冷，保温后，快冷Ar1Ar1以下以下2020 等温一定时间（球化渗碳体），随炉冷至等温一定时间（球化渗碳体），随炉冷至 600600下，出炉空冷下，出炉空冷等温球化退火等温球化退火 组织：组织：球状球状P P（F+F+球状）球状） 目的：目的： 硬度硬度，切削性切削性 为淬火作准备。为淬火作准备。 应用范围：应用范围： 过共析或共析成分过共析或共析成分的碳钢和合金钢的碳钢和合金钢T10钢球化退火钢球化退火4、

17、扩散（或均匀化）退火、扩散（或均匀化）退火 工艺：工艺： AcAc3 3或或AcAccmcm（150150300300） 保温（保温（10-20h10-20h）, ,缓冷至室温。缓冷至室温。 目的：目的：消除铸件、铸锭的枝晶偏析等化学成消除铸件、铸锭的枝晶偏析等化学成分不均匀等现象。分不均匀等现象。 应用范围：应用范围：铸件、铸锭。铸件、铸锭。注：因可能导致晶粒长大，均匀化退火后，注：因可能导致晶粒长大，均匀化退火后， 一般要一般要完全退火完全退火细化晶粒，消除过热组织。细化晶粒，消除过热组织。5、去应力退火 工艺：工艺：Ac1以下某一温度（以下某一温度（500650 ） 保温，缓冷至室温。保

18、温，缓冷至室温。 目的：目的：消除残余内应力，稳定工件尺寸。消除残余内应力，稳定工件尺寸。 应用范围：应用范围：铸件、锻件、焊接件。铸件、锻件、焊接件。 说明：说明：属低温退火，过程中无组织变化。属低温退火，过程中无组织变化。6、再结晶退火工艺：工艺：T T再再（150150250250） 保温，缓冷。保温，缓冷。目的：目的：消除加工硬化，提高塑性。消除加工硬化，提高塑性。应用范围：应用范围：经过冷变形加工的钢件。经过冷变形加工的钢件。二、钢的正火二、钢的正火 工艺：工艺： AcAc3 3或或AcAccmcm（30305050），保温，出炉。保温，出炉。 是退火的特例。是退火的特例。组织：组织

19、：S S正火正火目的：目的：与钢的种类有关，与钢的种类有关， 1 1）低碳钢：低碳钢：调整硬度，改善切削加工性。调整硬度，改善切削加工性。 2 2）高碳钢：高碳钢：消除网状消除网状FeFe3 3C C，为球化退火作准备。为球化退火作准备。 3 3）对性能）对性能要求不高要求不高的零件，可作最终热处理。的零件，可作最终热处理。应用范围：应用范围：碳素钢、低中合金钢。碳素钢、低中合金钢。三、钢的淬火三、钢的淬火淬火温度淬火温度淬火介质淬火介质淬火方法淬火方法 钢的淬火钢的淬火钢轨的淬火钢轨的淬火锻模的淬火锻模的淬火1、淬火温度、淬火温度工艺：工艺：Ac3 或或 Ac1（30-50） ，保温，冷速，

20、保温，冷速 Vk M淬火：淬火：一般，过共析钢淬火前需要正火或球化退火，一般，过共析钢淬火前需要正火或球化退火，消除网状渗碳体，否则降低韧性，增大开裂倾向。消除网状渗碳体，否则降低韧性，增大开裂倾向。 目的：目的：提高钢的硬度和耐磨性，提高钢的硬度和耐磨性， 与回火配合，获得所需要的力学性能。与回火配合，获得所需要的力学性能。2、淬火介质：水：水：冷却速度大用于碳钢件。冷却速度大用于碳钢件。油：油：冷却能力较小用于合金钢。冷却能力较小用于合金钢。 盐水盐水：较大的碳钢件。：较大的碳钢件。 3、淬火方法淬火方法示意图1）单液淬火： 特点： 操作简便自动化 注： 单独水冷：易开裂变形； 单独油冷：

21、产生硬度不足 和不均匀。 特点：特点：应力小，避免开裂和变形。应力小，避免开裂和变形。 只适用于形状复杂，尺寸小的零件只适用于形状复杂，尺寸小的零件2 2）双液淬火：）双液淬火：特点：特点：既可淬硬又可避免开裂和变形，但既可淬硬又可避免开裂和变形，但 难以掌握。难以掌握。3 3）分级淬火：）分级淬火：高于高于MsMs的盐浴槽停留的盐浴槽停留2 25 5分钟，再空冷。分钟，再空冷。水冷却到（水冷却到（300300200200），再油冷。，再油冷。4 4）等温淬火）等温淬火（不同于普通意义的淬火不同于普通意义的淬火） 盐浴槽中保温，得盐浴槽中保温，得B B下下 ，空冷。，空冷。 特点：特点： B

22、B下下 硬度较高，韧性较好，变形小。硬度较高，韧性较好，变形小。 适于形状复杂、尺寸精度要求高的件。适于形状复杂、尺寸精度要求高的件。 特点：特点：提高硬度和耐磨性，稳定尺寸，设备成本高。提高硬度和耐磨性，稳定尺寸，设备成本高。 适用于精密零件和工具的处理。适用于精密零件和工具的处理。5 5） 冷处理：冷处理： 淬火件冷却到淬火件冷却到M Mf f点以下，冷处理。点以下，冷处理。 四、钢的回火四、钢的回火工艺：工艺：已淬火钢加热到已淬火钢加热到AcAc1 1以下某温度以下某温度 保温冷却（一般空冷保温冷却（一般空冷) )至室温。至室温。目的目的：消除淬火的内应力，稳定工件尺寸，降低消除淬火的内

23、应力，稳定工件尺寸，降低 脆性，改善切削加工性能。脆性，改善切削加工性能。 钢的回火钢的回火回火种类：回火种类： 重点内容重点内容低温回火低温回火 中温回火中温回火 高温回火高温回火1）低温回火：）低温回火：MM回回用途用途：用于制作量具、刀具和滚动轴承等，：用于制作量具、刀具和滚动轴承等， 如锯条（如锯条（(c) (c) 1.0%1.0%） 锉刀（锉刀（ (c) (c) 1.2%1.2%）(150-250)(150-250)，保温后空冷，保温后空冷. .目的目的：减少内应力和脆性，提高塑韧性，有较：减少内应力和脆性，提高塑韧性，有较 高的硬度和耐磨性。高的硬度和耐磨性。2）中温回火：）中温回

24、火：T回回用途：用途：用于弹簧、锻模的处理等。用于弹簧、锻模的处理等。(350500)(350500),保温后空冷保温后空冷. .M M分解分解目的：目的：内应力降低，具有较高的弹性极限和内应力降低，具有较高的弹性极限和 屈服强度，中等硬度。屈服强度，中等硬度。弹簧的中温回火：弹簧的中温回火：3）高温回火：）高温回火： 目的目的：消除内应力，有良好的综合力学性能。：消除内应力，有良好的综合力学性能。 用途用途：用于齿轮、曲轴等受力复杂件的热处理。：用于齿轮、曲轴等受力复杂件的热处理。 淬火高温回火淬火高温回火调质处理调质处理。S回(500650)(500650),保温后空冷保温后空冷. .M

25、M分解分解高温回火：高温回火：第三节第三节钢的表面热处理钢的表面热处理了解钢的表面热处理工艺了解钢的表面热处理工艺第三节第三节 主要内容主要内容表面淬火表面淬火 表面化学热处理表面化学热处理 工艺工艺：一、表面淬火一、表面淬火立即冷却立即冷却 用途：用途：既受冲击，又要求耐磨的零件，既受冲击，又要求耐磨的零件， 如曲轴轴颈、齿轮齿面、机床导轨等。如曲轴轴颈、齿轮齿面、机床导轨等。表面表面淬火淬火温度温度心部室温心部室温表面表面马氏体马氏体心部不变心部不变目的：目的：保持心部高韧性，表层的高硬度、耐磨性、保持心部高韧性，表层的高硬度、耐磨性、 高疲劳强度。高疲劳强度。工件1. 感应加热表面淬火：

26、感应加热表面淬火：根据交流电频率：根据交流电频率： 高频淬火高频淬火(100kHz):2.5mm中小型件中小型件 中频淬火中频淬火(0.5-10kHz)：2-10mm大中型件大中型件 低频淬火低频淬火(50Hz) ：10-20mm大型零件大型零件表面淬火表面淬火表面：表面：(800-1000)心部：室温心部：室温喷水喷水特点特点： 加热速度快，高硬、韧性较高。加热速度快，高硬、韧性较高。 硬度比普通淬火高硬度比普通淬火高2-3HRC 氧化脱碳小，工件变形小。氧化脱碳小，工件变形小。 淬硬层深度易控制。淬硬层深度易控制。 淬火后必须进行低温回火。淬火后必须进行低温回火。 适于中碳钢和中碳合金钢。

27、适于中碳钢和中碳合金钢。 形状简单件的大批量生产。形状简单件的大批量生产。2. 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 用氧炔（煤气）焰加热工件表面; 特点： 设备简单，使用方便，可进行局部淬火，但淬硬层深度不易控制，生产率低。二、表面化学热处理二、表面化学热处理 工艺：零件工艺：零件活性介质活性介质加热、保温加热、保温 零件表层成分、组织和性能。零件表层成分、组织和性能。 渗碳渗碳 渗氮渗氮 碳氮共渗碳氮共渗分类分类1、渗碳工艺、渗碳工艺 活性碳原子-零件表层。 渗碳件 淬火低温回火 根据渗碳介质的不同，根据渗碳介质的不同，分为分为固体渗碳、气体渗碳和液体渗碳（使用较少）固体渗碳、气体渗碳和液体渗

28、碳（使用较少）三种。三种。零件零件渗碳剂渗碳剂试棒试棒盖盖泥封泥封渗碳箱渗碳箱钢的气体渗碳钢的气体渗碳生产率高劳动条件好渗碳层质量较好生产率低劳动条件差质量不易控制钢的固体渗碳气体渗碳工艺气体渗碳工艺渗碳工艺渗碳工艺2、渗氮：、渗氮： 即氮化，氨气-渗入氮原子渗入氮原子。 渗氮后不进行热处理; 3、碳氮共渗、碳氮共渗： 碳、氮原子钢件表层，又称为碳、氮原子钢件表层，又称为氰化氰化。 高温下渗碳为主。高温下渗碳为主。 低温下渗氮为主。低温下渗氮为主。 第四节 热处理 新技术简介（了解）激光热处理激光热处理电子束热处理电子束热处理真空热处理真空热处理复合热处理复合热处理1 1、激光淬火：、激光淬火： 激光工件表面升温激光工件表面升温A 移开激光束自冷淬火。移开激光束自冷淬火。2 2、激光熔凝：、激光熔凝： 即激光熔化淬火，激光工件表面即激光熔化淬火，激光工件表面 熔化一定深度自冷使熔层凝固熔化一定深度自冷使熔层凝固 细小均匀的组织和良好的力学性能。细