材料科学基础第7章补充内容第13节 钢的热处理

1、p改善钢的性能，主要有两条途径：改善钢的性能，主要有两条途径：合金化合金化，下几章研究的内容；，下几章研究的内容；热处理热处理，本章要研究的内容。，本章要研究的内容。 p热处理热处理: : 第第1 1节节 热处理的基本概念热处理的基本概念一、热处理的一、热处理的重要性重要性和和目的目的p经铸造、锻造等热加工以后，经铸造、锻造等热加工以后，工件中往往工件中往往存在残余应力存在残余应力，硬硬度偏高或偏低度偏高或偏低，组织粗大组织粗大，存，存在在成分偏析成分偏析等缺陷。等缺陷。p危害：危害： 1 1）力学性能差；力学性能差； 2 2）不利于切削加工不利于切削加工和和成型成型； 3 3）淬火淬火时也容

2、易造成时也容易造成变形变形和和 开裂开裂。 p 热处理的热处理的目的：目的：1 1、预备热处理（中间热处理）：、预备热处理（中间热处理）： 1 1）改善加工性能；）改善加工性能； 2 2）为最终热处理作准备。）为最终热处理作准备。 2 2、最终热处理：、最终热处理：获得使用性能。获得使用性能。 3 3、表面热处理：、表面热处理：改善表面性能。改善表面性能。p在机床制造中在机床制造中约约60-70%60-70%的零的零件要经过热处理。件要经过热处理。p在汽车、拖拉机制造业中在汽车、拖拉机制造业中热热处理的零件达处理的零件达70-80%70-80%。p热处理是一种重要的加工工艺，热处理是一种重要的

3、加工工艺，在制造业被广在制造业被广泛应用。泛应用。p模具、滚动轴承模具、滚动轴承100%100%需经需经过热处理。过热处理。p总之，重要零件总之，重要零件都需适当都需适当热处理后才能使用。热处理后才能使用。 二、热处理的基本要素二、热处理的基本要素 加热、保温加热、保温和和冷却。冷却。三、热处理工艺三、热处理工艺 根据热处理原理制定的根据热处理原理制定的温温度度、时间时间、介质介质等参数称热处等参数称热处理工艺。理工艺。(a)940淬火淬火+220回火（板条回火（板条M回回+A少）少）(b)(c)(d)940淬火淬火+820、780、750淬火（板条淬火（板条M+条状条状F+A少）少）(e)9

4、40淬火淬火+780淬火淬火+220回火（板条回火（板条M回回+条状条状F+A少）少）(f)780淬火淬火+220回火（板条回火（板条M回回+块状块状F） 20CrMnTi钢不同热处理工艺的显微组织钢不同热处理工艺的显微组织四、热处理的理论依据四、热处理的理论依据 原子扩散原子扩散和和固态相变。固态相变。五、热处理的特点五、热处理的特点p改变组织与性能；改变组织与性能；p而不改变形状与尺寸。而不改变形状与尺寸。六、热处理的分类六、热处理的分类1 1、普通热处理：、普通热处理： 退火、正火、淬火和回火。退火、正火、淬火和回火。2 2、表面热处理：、表面热处理：p表面淬火；表面淬火；p化学热处理。

5、化学热处理。 3 3、其它：、其它：p真空真空热处理；热处理；p可控气氛可控气氛热处理；热处理；p形变形变热处理等。热处理等。七、钢的临界转变温度七、钢的临界转变温度 A A1 1 AcAc1 1 AAr r1 1 A A3 3AcAc3 3AAr r3 3 A AcmcmAcAccmcmAAr rcmcm 第二节第二节 钢的热处理原理钢的热处理原理一、钢的加热转变一、钢的加热转变p目的目的：获得细小的奥氏体。：获得细小的奥氏体。（一）奥氏体的形成（一）奥氏体的形成（共析钢共析钢） 钢坯加热钢坯加热共析钢奥氏体化过程共析钢奥氏体化过程p亚共析钢和过共析钢的奥亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共

6、析钢基本氏体化过程与共析钢基本相同相同。但由于先共析。但由于先共析 或二或二次次FeFe3 3C C的存在，要获的存在，要获得全部奥氏体组织，必须得全部奥氏体组织，必须相应加热到相应加热到AcAc3 3或或AcAccmcm以上以上. .（二）奥氏体晶粒度（二）奥氏体晶粒度 1 1、奥氏体晶粒度的概念、奥氏体晶粒度的概念p用来度量奥氏体晶粒的大小的量。用来度量奥氏体晶粒的大小的量。p奥氏体晶粒度在奥氏体晶粒度在100100倍显微镜下，倍显微镜下，分为分为8 8级级，1 1级最粗级最粗，8 8级最细级最细。 （三）奥氏体晶粒度的影响因素（三）奥氏体晶粒度的影响因素加热温度和保温时间加热温度和保温时

7、间: : p加热温度高、保温时间长加热温度高、保温时间长, , 晶粒晶粒粗大。粗大。加热速度加热速度: :p加热速度越快加热速度越快, ,过热度越大过热度越大, , 形核形核率越高率越高, ,晶粒越细。晶粒越细。 合金元素：合金元素：l若钢中加入适量能形若钢中加入适量能形成难熔中间相的合金成难熔中间相的合金元素，如元素，如TiTi、ZrZr、V V、AlAl、NbNb等，等，能强烈阻能强烈阻碍奥氏体晶粒长大，碍奥氏体晶粒长大，达到细化晶粒的目的达到细化晶粒的目的。析出颗粒析出颗粒对黄铜晶对黄铜晶界的钉扎界的钉扎Nb/%奥氏体晶粒尺寸奥氏体晶粒尺寸/mNb、Ti对奥氏体晶粒的影响对奥氏体晶粒的影

8、响二、钢在冷却时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变（二）过冷奥氏体等温转变图（二）过冷奥氏体等温转变图 1 1、“C C曲线曲线”的建立（的建立（TTTTTT曲线曲线）5506502s10s5s2s5s10s30s40s时间时间温度温度A1MSMfA过冷过冷PBMAMABAP转变开始线转变开始线转变终了线转变终了线奥氏体奥氏体2 2、影响、影响C C曲线的主要因素曲线的主要因素1 1）碳含量对碳钢）碳含量对碳钢C C曲线的影响曲线的影响亚共析钢亚共析钢和和过共析钢过共析钢的的“C C曲线曲线”左移左移2 2）合金元素对）合金元素对C C曲线的影响曲线的影响 3 3、三种等温转变的组织和性能、三

9、种等温转变的组织和性能 1 1）珠光体类型组织与性能）珠光体类型组织与性能 （1 1）珠光体类转变）珠光体类转变l是是过冷过冷A A在临界温度在临界温度A A1 1以下比较以下比较高的温度范围内进行的转变。高的温度范围内进行的转变。l是典型的是典型的扩散型相变扩散型相变。 （2 2）珠光体型组织：）珠光体型组织：l是由是由铁素体铁素体和和渗碳体渗碳体两相组成的机两相组成的机械混合物，通常呈片层状。械混合物，通常呈片层状。（3 3）分类：）分类：l根据珠光体片间距的大小，可分为根据珠光体片间距的大小，可分为: : 珠光体珠光体、索氏体索氏体、屈氏体。屈氏体。珠光体珠光体索氏体索氏体托氏体托氏体l

10、珠光体、索氏体、屈氏体之珠光体、索氏体、屈氏体之间间无本质区别无本质区别，其形成温度，其形成温度也也无严格界线无严格界线，只是其片层，只是其片层厚薄和间距不同。厚薄和间距不同。（4 4）机械性能）机械性能l综合性能好综合性能好，可制作性能要求不，可制作性能要求不高的零件。高的零件。l主要取决于片层间距的大小：主要取决于片层间距的大小： 片层间距愈小，其强度、硬片层间距愈小，其强度、硬度愈高，同时塑性、韧性也有所度愈高，同时塑性、韧性也有所改善。改善。 2)2)马氏体类型组织与性能马氏体类型组织与性能 (1)(1)马氏体转变：马氏体转变：l是指钢从奥氏体状态快速冷却是指钢从奥氏体状态快速冷却(

11、(即淬火即淬火) )而发生的而发生的无扩散型相变无扩散型相变。l是是强化钢强化钢的重要途径之一。的重要途径之一。(2)(2)马氏体：马氏体：l是碳溶于是碳溶于-Fe-Fe中的中的过饱和过饱和间隙间隙式固溶体，记为式固溶体，记为M M。 l马氏体具有体心正方晶格（马氏体具有体心正方晶格（a=bca=bc）l轴比轴比c/a c/a 称马氏体的正方度。称马氏体的正方度。lC%C%越高，正方度越大，正方畸变越严重。越高，正方度越大，正方畸变越严重。l当当0.25%C0.25%C时，时，c/a=1c/a=1，此时马氏体为体心，此时马氏体为体心立方晶格。立方晶格。(3)(3)马氏体转变特点马氏体转变特点a

12、 a、无扩散性无扩散性: : l通过通过切变方式切变方式完成，完成，转变速度极快。转变速度极快。马氏体转变马氏体转变切变示意图切变示意图马氏体转变产生的表面浮凸马氏体转变产生的表面浮凸b b、降温转变、降温转变: : MfMsM(50%)M(90%)c c、转变不完全：、转变不完全：l室温时仍有部分未转变的奥氏体存室温时仍有部分未转变的奥氏体存在在，称之为，称之为残余奥氏体残余奥氏体，记为，记为ArAr。 l原因：原因：多数钢的多数钢的M Mf f在室温以下。在室温以下。（4 4）马氏体的形态主）马氏体的形态主要取决于其含碳量要取决于其含碳量lC%C%小于小于0.2%0.2%时，时，组织组织几

13、乎全部是几乎全部是板条马氏板条马氏体体。lC%C%大于大于1.0%C1.0%C时时几乎几乎全部是全部是针状马氏体针状马氏体。lC%C%在在0.20.21.0%1.0%之间之间为为板条与针状的混合组板条与针状的混合组织织。马氏体形态与含碳量的关系马氏体形态与含碳量的关系0.45%C0.2%C1.2%C（4 4）马氏体的组织形态）马氏体的组织形态 a.a.低碳钢：低碳钢：板条马氏体板条马氏体（位错（位错马氏体、低碳马氏体）。马氏体、低碳马氏体）。 光镜下光镜下电镜下电镜下b.b.高碳钢：高碳钢：片状马氏体片状马氏体（孪晶（孪晶马氏体、高碳马氏体）。马氏体、高碳马氏体）。 电镜下电镜下光镜下光镜下（

14、5 5）马氏体的）马氏体的性能特点性能特点 a. a. 显著特点：显著特点： 是具有是具有高硬度高硬度和和高强度高强度。 b. b. 塑性和韧性塑性和韧性: : 主要取决于马氏体的主要取决于马氏体的亚结构亚结构。l片状马氏体：片状马氏体：脆性较大。脆性较大。 原因是含碳量高、晶格畸原因是含碳量高、晶格畸变大，存在许多显微裂纹。变大，存在许多显微裂纹。l板条马氏体：板条马氏体： 有相当有有相当有一定的塑、韧性一定的塑、韧性。（6 6）马氏体的强化机制）马氏体的强化机制l固溶强化固溶强化 l相变强化相变强化 造成晶格缺陷密度很高的造成晶格缺陷密度很高的亚结构亚结构。l时效强化时效强化 碳和其它合金

15、元素的原子会向位碳和其它合金元素的原子会向位错线等缺陷处错线等缺陷处扩散偏聚扩散偏聚。l晶界强化晶界强化 3 3）贝氏体类型组织与性能）贝氏体类型组织与性能贝氏体（贝氏体（B B）= = 过饱和过饱和F + FeF + Fe3 3C C a a、贝氏体的组织形态：、贝氏体的组织形态： 上贝氏体转变过程上贝氏体转变过程下贝氏体转变下贝氏体转变b b、贝氏体的力学性能：、贝氏体的力学性能：l上贝氏体：上贝氏体： 强度和韧性较低。强度和韧性较低。l下贝氏体：下贝氏体： 不但强度高，而且韧性也好。不但强度高，而且韧性也好。 c c、应用、应用l上贝氏体：上贝氏体： 无应用价值，工艺上应避免。无应用价值

16、，工艺上应避免。l下贝氏体：下贝氏体： 综合性能好综合性能好； 在航空航天等领域得到应用；在航空航天等领域得到应用； 通过通过等温淬火等温淬火工艺获得。工艺获得。转变转变类型类型转变转变产物产物形成温度，形成温度， 转变转变机制机制显微组织特征显微组织特征HRCHRC获得获得工艺工艺珠珠光光体体P PA A1 1650650扩扩散散型型粗片状，粗片状，F F、FeFe3 3C C相间分布相间分布5-205-20退火退火S S650600650600细片状，细片状，F F、FeFe3 3C C相间分布相间分布20-3020-30正火正火T T600550600550极细片状，极细片状，F F、F

17、eFe3 3C C相间分布相间分布30-4030-40等温等温处理处理贝贝氏氏体体B B上上550350550350半扩半扩散型散型羽毛状，短棒状羽毛状，短棒状FeFe3 3C C分布于过分布于过饱和饱和F F条之间条之间40-5040-50等温等温处理处理B B下下350M350MS S竹叶状，细片状竹叶状，细片状FeFe3 3C C分布于过分布于过饱和饱和F F针上针上50-6050-60等温等温淬火淬火马马氏氏体体M M针针M MS SMMf f无扩无扩散型散型针状针状60-6560-65淬火淬火M M* *板条板条M MS SMMf f板条状板条状5050淬火淬火 4 4、“C C曲线

18、曲线”的应用的应用 1 1）临界冷却速度）临界冷却速度VK l临界冷却速度：临界冷却速度： 获得获得100%100%马氏体的最低冷却马氏体的最低冷却速度速度，即与，即与C C曲线鼻尖相切的冷曲线鼻尖相切的冷却速度却速度V Vk k。lC C曲线曲线越靠右边越靠右边，V Vk k越小越小，越容易越容易获得马氏体获得马氏体，即钢的，即钢的淬透性越好淬透性越好。2 2）C C曲线的应用曲线的应用l将将冷却曲线冷却曲线与与C C曲线叠加曲线叠加，可，可确定钢冷却后的组织与性能，确定钢冷却后的组织与性能，是制定热处理工艺的理论依据。是制定热处理工艺的理论依据。VkVk时间时间/s温度温度/共析钢的共析钢

19、的CCT图图共析温度共析温度连续冷却转连续冷却转变曲线变曲线完全退火完全退火正火正火等温转等温转变曲线变曲线油淬油淬水淬水淬M+AM+T+ASP200100P均匀均匀A细细AP退火退火(炉冷炉冷)正火正火(空冷空冷)S淬火淬火(油冷油冷)T+M+AM+A淬火淬火(水冷水冷)A1MSMf时间时间650600550用用TTT曲线定性说明共析钢连续冷却时曲线定性说明共析钢连续冷却时的组织转变的组织转变炉冷炉冷空冷空冷油油冷冷水水冷冷PST+M+AM+A( (三三) )碳钢过冷奥氏体碳钢过冷奥氏体连续冷却转连续冷却转 变图变图（ CCTCCT曲线）曲线）1 1、CCTCCT曲线在曲线在C C曲线的曲线

20、的右下方右下方，且，且无贝氏体转变无贝氏体转变，即，即半个半个C C曲线曲线。2 2、等温冷却时的临界冷却速度、等温冷却时的临界冷却速度V Vk k比比连续冷却时的临界冷却速度连续冷却时的临界冷却速度V V、k k大大1.51.5倍。倍。l因此，因此，只要实际冷却速度只要实际冷却速度V V大于大于V Vk k，就能保证大于，就能保证大于V V、k k，在连续，在连续冷却时就能获得冷却时就能获得100%100%马氏体马氏体，达到淬火目的。达到淬火目的。p预备热处理与最终热处理预备热处理与最终热处理p预备热处理预备热处理为随后的加工（冷为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理拔、冲压、切削）

21、或进一步热处理作准备的热处理。作准备的热处理。p最终热处理最终热处理赋予工件所要求的赋予工件所要求的使用性能的热处理。使用性能的热处理。预备热处理预备热处理最终热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线钢热处理工艺曲线时间时间温度温度/p曲轴的加工工艺：曲轴的加工工艺： 下料下料 锻造锻造 正火正火 粗机粗机加工加工 调质处理调质处理 （淬火（淬火+ +高温回火）高温回火） 轴颈表面淬火轴颈表面淬火 + + 低温回火低温回火 精机加工精机加工成品成品第三节第三节 钢的退火与正火钢的退火与正火目的：目的：“四化四化”1 1）“软化软化”：p调整硬度改善调整硬度改善切削加切削加 工工和和压力加

22、工压力加工的性能；的性能；2 2）细化：）细化：p改善改善组织和性能组织和性能，淬火作准备；，淬火作准备；3 3）均匀化：）均匀化：p消除成分和组织偏析，为淬消除成分和组织偏析，为淬火作准备；火作准备；4 4）稳定化：）稳定化：p消除残余应力，减小变形，消除残余应力，减小变形，提高尺寸精度。提高尺寸精度。1 1、定义、定义p将钢加热到将钢加热到适当的温度适当的温度，保温一保温一段时间段时间后，后，缓慢地冷却缓慢地冷却（炉冷、（炉冷、在煤木灰和石绵材料中的冷却）在煤木灰和石绵材料中的冷却）到室温，到室温，获得平衡组织获得平衡组织的工艺。的工艺。真空退火炉真空退火炉2 2、目的及作用：、目的及作用

23、：l退火可降低硬度；退火可降低硬度；l消除内应力；消除内应力；l提高钢材冷变形后的塑性；提高钢材冷变形后的塑性；l细化晶粒，改善组织。细化晶粒，改善组织。 3 3、分类、分类 4 4、退火的应用退火的应用1 1）完全退火：）完全退火：l晶粒细化，均匀组织，消除应力，晶粒细化，均匀组织，消除应力，降低硬度，以利于切削加工。降低硬度，以利于切削加工。l主要用于主要用于亚共析钢亚共析钢的的铸件铸件、锻件锻件、热轧件热轧件，有时也用于，有时也用于焊件焊件。 2 2、球化退火：、球化退火：l使钢中碳化物呈球状使钢中碳化物呈球状化，以化，以降低硬度降低硬度，改善改善切削加工性能切削加工性能，并，并为以为以

24、后的淬火做好组织准备后的淬火做好组织准备。 l主要用于主要用于过共析钢过共析钢的的刃具刃具、滚动轴承滚动轴承和和冷作冷作模具模具等。等。球状珠光体球状珠光体3 3、扩散退火：、扩散退火：成分均匀化。成分均匀化。4 4、再结晶退火：、再结晶退火：消除加工硬化。消除加工硬化。5 5、应力退火：、应力退火：l消除残余内应力，消除残余内应力，避免避免工件在使用或工件在使用或随后的加工过程中产生随后的加工过程中产生变形变形或或开裂开裂。 l主要用于主要用于铸件铸件、锻件锻件、焊接件焊接件、热轧热轧件件、冷拉件冷拉件等。等。 1 1、定义、定义l是将钢件是将钢件加热到加热到A Ac3c3或或A Accmc

25、cm以上以上，保温保温一定一定时间后，在时间后，在空气中冷空气中冷却却得到得到细片状珠光体细片状珠光体组织组织的热处理工艺。的热处理工艺。 正火温度正火温度3 3、正火的特点：、正火的特点：l其冷却速度较退火快些，所其冷却速度较退火快些，所得到的得到的组织较细组织较细，机械性能，机械性能要好；要好；l在炉外冷却，不占用加热设在炉外冷却，不占用加热设备，生产周期比退火短，备，生产周期比退火短，生生产效率高产效率高，能量消耗少，工，能量消耗少，工艺简单。艺简单。 4 4、应用、应用（1 1）对于亚共析钢：）对于亚共析钢：l主要是细化晶粒，均匀组织，主要是细化晶粒，均匀组织，提高机械性能；提高机械性

26、能；l对力学性能要求不高的对力学性能要求不高的普通结普通结构零件构零件，可作为，可作为最终热处理。最终热处理。l改善中、低碳钢的切削性能改善中、低碳钢的切削性能； （2 2）过共析钢：）过共析钢：l球化退火前作一次正火，可球化退火前作一次正火，可消消除网状二次渗碳体除网状二次渗碳体，保证二次，保证二次渗碳体全部球粒化；渗碳体全部球粒化；l为淬火作组织准备为淬火作组织准备。（3）用于铸钢件：）用于铸钢件：l可以可以细化细化铸态组织，铸态组织，改善切削加改善切削加工性能工性能。（4）用于大型锻件：）用于大型锻件：l可作为可作为最后热处理最后热处理，从而避免淬，从而避免淬火时较大的开裂倾向。火时较大

27、的开裂倾向。 （5）用于球墨铸铁：）用于球墨铸铁：l提高硬度、强度、耐磨性。提高硬度、强度、耐磨性。l用于制造汽车、拖拉机、柴油用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件。机的曲轴、连杆等重要零件。一、一、淬火淬火l是将钢件是将钢件加热到加热到Ac1Ac1或或Ac3Ac3以上，以上，保温保温一定时间后，一定时间后，快速冷却快速冷却（通（通常大于临界冷却速度常大于临界冷却速度V Vk k），以），以得得到马氏体到马氏体（或下贝氏体）组织的（或下贝氏体）组织的热处理工艺。热处理工艺。l淬火是淬火是应用最广应用最广的热处理工艺之的热处理工艺之一。一。l淬火目的淬火目的是为获是为获得马氏体组织

28、，得马氏体组织，提高钢的性能。提高钢的性能。高强螺栓柴油机连杆齿轮二二、淬火工艺、淬火工艺1 1、淬火加热温度、淬火加热温度l原则原则：获得细小奥氏体。：获得细小奥氏体。 l亚共析钢亚共析钢：AcAc3 3+30+30 5050；l对共析钢和过共析钢对共析钢和过共析钢： AcAc1 1+30+30 5050。l亚共析钢淬火组织亚共析钢淬火组织：l 0.5%C0.5%C时为时为M M；l 0.5%C0.5%C时为时为M+AM+A。65MnV钢钢(0.65%C) 淬火组织淬火组织45钢钢(含含0.45%C)正常淬火组织正常淬火组织l共析钢淬火组织：共析钢淬火组织：M+AM+Al过共析钢淬火组织过共

29、析钢淬火组织: : lM + FeM + Fe3 3C C颗粒颗粒 + A+ Al预备组织为预备组织为P P球球T12钢（含钢（含1.2%C）正常淬火组织）正常淬火组织2 2、保温时间、保温时间t t l电炉加热电炉加热1-1.5min/mm1-1.5min/mm；l盐炉加热盐炉加热45s /mm45s /mm。 3 3、淬火冷却介质、淬火冷却介质理想淬火曲线示意图理想淬火曲线示意图MsMfl水水快用于碳钢，快用于碳钢，l熔盐熔盐的能力在水和油之间的能力在水和油之间, ,用于用于分级淬火分级淬火和和等温淬火等温淬火。l油油慢用于合金钢慢用于合金钢。1-1-单液淬火；单液淬火；2-2-双液淬火；

30、双液淬火；3-3-分级淬火；分级淬火；4-4-等温淬火。等温淬火。二、钢的淬透性和淬硬性二、钢的淬透性和淬硬性1 1、淬透性（、淬透性（J J）1 1）定义：）定义：l在规定条件下，获得马氏体在规定条件下，获得马氏体的能力。的能力。1 1、淬透性的测定常用、淬透性的测定常用末端淬火法末端淬火法2 2、淬透性的表示方法、淬透性的表示方法 用淬透性曲线表示用淬透性曲线表示l用用淬硬层深度淬硬层深度d d（半马氏体区深度）（半马氏体区深度）与硬度表示，与硬度表示，J (HRC/d)J (HRC/d)。 例例、4545钢：钢：J (42/3.3)J (42/3.3) 40Cr 40Cr：J (46/9

31、.4)J (46/9.4) 用临界淬透直径用临界淬透直径D D0 0表示表示l用中心被淬成半马氏体的最大用中心被淬成半马氏体的最大直径，用直径，用D D0 0表示。表示。l4545钢：钢：D D0 0水水=16mm=16mm，D D0 0油油=8mm=8mm；l40Cr40Cr：D D0 0油油=20mm=20mm。3 3）主要影响因素：）主要影响因素： 合金元素合金元素 使使C C曲线曲线右移右移 V Vk k降低降低 淬透性淬透性越好。越好。2 2、淬硬性、淬硬性l定义定义：钢在规定条件下进：钢在规定条件下进行淬火时能达到的行淬火时能达到的最高硬度最高硬度的能力。的能力。l主要影响因素：主

32、要影响因素：含碳量含碳量。3 3、钢的淬火变形与开裂、钢的淬火变形与开裂（1 1）造成的原因：）造成的原因：l热应力；热应力；l组织应力。组织应力。（2 2）减小变形的措施：）减小变形的措施：l选淬透性好的钢；选淬透性好的钢；l锻造和球化退火改善碳化物锻造和球化退火改善碳化物分布；分布；l结构设计合理结构设计合理：l总原则：总原则：厚薄均匀厚薄均匀和和对称对称，避免应力集中。避免应力集中。 避免尖角和截面突变。避免尖角和截面突变。 结构要对称，必要时可增结构要对称，必要时可增加工艺孔。加工艺孔。 孔孔的位置距边与尖角的距的位置距边与尖角的距离要适当，并应避免盲孔。离要适当，并应避免盲孔。 必要

33、时可将整体件改成必要时可将整体件改成组组装件装件。第五节第五节 回火回火1 1）定义：）定义：l是将是将淬火后的钢淬火后的钢加热到加热到AcAc1 1以下以下某某一温度，保温后一温度，保温后冷却下来的一种冷却下来的一种热处理工艺。热处理工艺。 螺杆表面螺杆表面的淬火裂的淬火裂纹纹2 2）回火目的：）回火目的： (1)(1)是是减小减小或或消除淬火应力消除淬火应力，稳定组织稳定组织; ;（2 2）提高钢的塑性和韧性提高钢的塑性和韧性; ;（3 3）使钢的）使钢的强度、硬度强度、硬度和和塑塑性性、韧性韧性得到得到适当配合适当配合，以，以满足不同工件的性能要求。满足不同工件的性能要求。（4 4）高合

34、金钢高合金钢常用回火常用回火改善改善切削性能切削性能。 3 3）回火时）回火时组织组织的变化的变化 l 200以下以下，由于马氏体中，由于马氏体中碳化物的弥散析出，碳化物的弥散析出，钢的钢的硬度并不下降硬度并不下降，高碳钢硬度甚至，高碳钢硬度甚至略有提高略有提高。l200-300200-300，由于高，由于高碳钢中碳钢中AA转变为转变为M M回回, , 硬度再次升高硬度再次升高。l大于大于300,300,由于由于FeFe3 3C C粗化粗化，马氏体马氏体转变为铁素体转变为铁素体, ,硬度硬度直线下降直线下降。 按温度范围，回火可分为：按温度范围，回火可分为：l低温回火低温回火l中温回火中温回火

35、l高温回火高温回火 低温回火低温回火 (150-250)(150-250)l 主要组织主要组织：回火马氏体：回火马氏体 M M回回 =（FeFe2.42.4C C）+ F+ F过饱和过饱和l性能：性能：降低降低残余应力残余应力和和脆性脆性；保持保持高强度高强度、硬度硬度和和耐磨性耐磨性。 l应用：应用：工具、滚动轴承、渗工具、滚动轴承、渗碳工件、表面淬火工件等。碳工件、表面淬火工件等。 中温回火中温回火(350-500)(350-500)l组织：组织：回火屈氏体回火屈氏体T T回回。l性能：性能：内应力基本消除；内应力基本消除；具有具有极高的弹性极限极高的弹性极限和和良良好的韧性好的韧性。l应

36、用：应用：主要用于主要用于各种弹簧各种弹簧零件及热锻模具的处理。零件及热锻模具的处理。 高温回火高温回火(500-650)(500-650)l调质处理：调质处理：淬火淬火+ +高温回火高温回火l组织：组织：回火索氏体回火索氏体S S回回l性能：性能： 具有具有较高综合机械性能较高综合机械性能。l应用：应用： 重要零件，如重要零件，如轴类、连轴类、连杆、高强螺栓杆、高强螺栓。 三、钢的表面热处理三、钢的表面热处理 1 1、分类、分类 1 1）表面淬火：）表面淬火：l感应加热、火焰加热、激光加感应加热、火焰加热、激光加热、电子束加热等。热、电子束加热等。 感应加热感应加热2 2）化学热处理：）化学

37、热处理：l渗碳、渗氮和碳氮共渗等。渗碳、渗氮和碳氮共渗等。2 2、表面淬火、表面淬火1 1）工艺）工艺 l通过通过快速加热方法快速加热方法，使钢件表，使钢件表面达到临界温度（面达到临界温度（AcAc1 1或或AcAc3 3）以上，不等热量传到工件内层以上，不等热量传到工件内层就迅速予以冷却，只使就迅速予以冷却，只使表面被表面被淬硬为马氏体淬硬为马氏体，而，而内层仍为塑内层仍为塑韧性良好组织韧性良好组织的工艺。的工艺。 2 2）方法：）方法： 感应加热感应加热、火焰加热火焰加热、激、激光加热、电子光加热、电子束加热等。束加热等。l感应加热分为：感应加热分为： 高频感应加热高频感应加热l频率为频率

38、为250-300KHz250-300KHz；l淬硬层深度淬硬层深度0.5-2mm0.5-2mm。传动轴连续淬传动轴连续淬火感应器火感应器感应加热表面淬火齿轮的截面图感应加热表面淬火齿轮的截面图 中频感应加热中频感应加热l频率为频率为2500-8000Hz2500-8000Hz；l淬硬层深度淬硬层深度2-10mm2-10mm。各种感应器各种感应器中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴 工频感应加热工频感应加热l频率为频率为50Hz50Hz；l淬硬层深度淬硬层深度10-15 10-15 mmmm。各种感应器各种感应器感应穿透加热感应穿透加热l火焰加热火焰加热: : 利用乙

39、炔火焰直接加利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。热工件表面的方法。成本低成本低，但，但质量不易控制。质量不易控制。火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火l激光热处理激光热处理: : 利用高能量密度的激光对工件利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。表面进行加热的方法。 效率高效率高，质量好质量好。激光表面热处理激光表面热处理3 3）用钢）用钢l中碳钢和中碳合金钢中碳钢和中碳合金钢。l例如：例如：4545、40Cr40Cr、35CrMo35CrMol铸铁铸铁。机床导轨机床导轨表面淬火齿轮表面淬火齿轮4 4）热处理工艺）热处理工艺l调质处理（或正火）调质

40、处理（或正火）+ +表面淬火表面淬火 + + 低温回火低温回火 5 5）热处理后组织）热处理后组织l表层：表层：M M回回；l心部：心部：S S回回 或或 F+S F+S 。回火索氏体回火索氏体索氏体索氏体6 6）性能）性能l表层：表层：55HRC，耐磨性好；，耐磨性好；l心部：心部：2535HRC，综合性能综合性能 很好很好；或；或1020HRC，塑韧。塑韧。感应加热表面淬火感应加热表面淬火7 7）其它特点）其它特点l生产周期短，几秒至几分钟生产周期短，几秒至几分钟l表层深度：表层深度：0.50.57 mm7 mm；l耐磨性较好耐磨性较好；l变形较小变形较小；l抗疲劳性能好。抗疲劳性能好。

41、7 7）应用）应用l耐磨性要求较高耐磨性要求较高、变形要变形要求小求小、形状简单形状简单、尺寸不、尺寸不大的零件；大的零件；l如齿轮、轴、连杆等。如齿轮、轴、连杆等。 3 3、渗碳、渗碳1 1）工艺）工艺l在含碳介质中，将钢加热到在含碳介质中，将钢加热到900900950950，保温，保温3 39 9小时小时，向，向低碳钢制造的工件表面渗入碳低碳钢制造的工件表面渗入碳原子，使工件表面达到高碳钢原子，使工件表面达到高碳钢的的含碳量（含碳量（1.0%1.0%）。）。 l渗碳目的渗碳目的l提高工件提高工件表面表面硬度、耐磨性硬度、耐磨性及疲劳强度，及疲劳强度，同时保持同时保持心部心部良好的韧性良好的

42、韧性。经渗碳的机车从动齿轮经渗碳的机车从动齿轮真空渗碳炉真空渗碳炉低碳钢渗碳缓冷后的组织低碳钢渗碳缓冷后的组织l渗碳缓冷后组织：渗碳缓冷后组织： 表层为表层为P+P+网状网状FeFe3 3C C; ; 心部为心部为F+PF+P; ; 中间为中间为过渡区过渡区。3 3）用钢）用钢l低碳钢和低碳合金钢。低碳钢和低碳合金钢。l例：例：2020、20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi4 4）热处理工艺）热处理工艺 渗碳渗碳 + + 淬火淬火 + + 低温回火低温回火 5 5）热处理后组织）热处理后组织l碳钢：碳钢： 表层：表层：M M回回 + + 碳化物；碳化物； 心部：心部：F+ PF+

43、 P；l合金钢：合金钢： 表层：表层：M M回回 + + 合金碳化物：合金碳化物： 心部：低碳心部：低碳M M回回； 6 6）性能）性能l碳碳 钢钢 表层：表层：585862HRC62HRC，耐磨性高；，耐磨性高； 心部：心部：101020HRC20HRC，塑韧。，塑韧。l合金钢合金钢 表层表层606067HRC67HRC，耐磨性很高；，耐磨性很高； 心部：心部：50HRC50HRC，强韧强韧。 6 6）其它特点）其它特点l生产周期较长，生产周期较长，3 39 9小时；小时；l表层深度：表层深度：0.50.52mm2mm；l耐磨性很好耐磨性很好；l变形较大变形较大；l抗疲劳性能一般。抗疲劳性能

44、一般。 7 7）应用）应用l耐磨性要求耐磨性要求很高很高、形状复形状复 杂杂的零件，如齿轮、轴等。的零件，如齿轮、轴等。 4 4、氮化、氮化1 1）工艺）工艺l在含氮介质中，将钢加热到在含氮介质中，将钢加热到500500左右左右，保温，保温几十小时几十小时，向钢的表面层渗入氮原子，在向钢的表面层渗入氮原子，在其表面其表面形成氮化物层形成氮化物层的过程。的过程。 井式气体氮井式气体氮化炉化炉2 2）方法：）方法：l最常用的是最常用的是气体氮化法气体氮化法。3 3）用钢：）用钢：38CrMoAl 38CrMoAl 。4 4）热处理：）热处理：l调质处理调质处理 + + 渗氮。渗氮。5 5）组织：）

45、组织：l表层：表层：氮化物，如氮化物，如AlNAlN、CrNCrN、MoNMoN、TiNTiN、VNVN等；等；l心部：心部：S S回回。6 6）性能：）性能：l表层：表层：656570HRC70HRC，很硬。，很硬。l心部：心部： 252535HRC35HRC，综合性能很好。，综合性能很好。 7 7）特点：）特点：l时间很长，时间很长，30305050小时。小时。l厚度：厚度：0.20.20.5mm0.5mm。l耐磨性最好。耐磨性最好。l抗疲劳性能最好。抗疲劳性能最好。l耐蚀性能最好。耐蚀性能最好。l变形最小。变形最小。l时间最长。时间最长。 8 8）应用：）应用：l高速传动的精密齿轮、精密

46、高速传动的精密齿轮、精密机床的主轴，如机床的主轴，如镗床镗床和和磨床磨床。 5 5、离子氮化离子氮化 6 6、渗铝渗铝 7 7、其它表面处理方法、其它表面处理方法 1 1）热喷涂；）热喷涂；2 2）气相沉积；）气相沉积； 3 3）离子注入；）离子注入；4 4）化学镀。）化学镀。四、热处理新技术四、热处理新技术1 1、可控气氛可控气氛热处理；热处理；2 2、真空真空热处理；热处理；3 3、形变形变热处理；热处理；4 4、热处理生产线。热处理生产线。l近年来，金属材料表面处理新技术得到了迅速发展，开发出许多新的工艺方法，这里只介绍主要的几种。 全方位离子注入与沉积设备全方位离子注入与沉积设备一、热

47、喷涂技术 l将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为热喷涂。l利用热喷涂技术可改善利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘性等。耐热性及绝缘性等。l广泛用于包括航空航天、广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技原子能、电子等尖端技术在内的几乎所有领域。术在内的几乎所有领域。等离子热喷涂等离子热喷涂l1、涂层的结构l热喷涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起的层状结构，粒子之间存在着孔隙和氧化物夹杂缺陷。l喷涂层与基体之间以及喷涂层中颗粒之间主要热喷涂层组织热喷涂层组织 是通过镶嵌、咬合、填塞等机械形式

48、连接的，其次是是通过镶嵌、咬合、填塞等机械形式连接的，其次是微区冶金结合及化学键结合。微区冶金结合及化学键结合。l2、热喷涂方法l常用的热喷涂方法有：l 火焰喷涂: 多用氧 -乙炔火焰作为热源。l 电弧喷涂: 丝状喷涂材料作为自耗电极、电弧作为热源的喷涂方法l 等离子喷涂: 是一种利用等离子弧作为热源进行喷涂的方法。 火焰热喷涂火焰热喷涂电弧热喷涂电弧热喷涂等离子喷涂等离子喷涂l3、热喷涂的特点及应用工艺灵活：热喷涂的对象小到10mm的内孔, 大到铁塔、桥梁,可整体喷涂，也可局部喷涂。基体及喷涂材料广泛：基体可以是金属和非金属，涂层材料可以是金属、合金及塑料、陶瓷等。涂层可控涂层可控: : 从

49、几十从几十 m m到几到几mmmm生产效率高生产效率高工件变形小：工件变形小：基体材料温度不超过基体材料温度不超过250250( (冷工艺冷工艺) )涡轮叶片的热障涂层涡轮叶片的热障涂层( (热喷涂层热喷涂层) )由于涂层材料的种类很多，所获得的涂层性能差异很大，可应用于各种材料的表面保护、强化及修复并满足特殊功能的需要。热喷涂热喷涂二、气相沉积技术 l气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。l根据沉积过程的原理根据沉积过程的原理不同，气相沉积技术不同，气相沉积技术可分为可分为物理气相沉积物理气相沉积(PVD) (PVD) 和和化

50、学气相沉化学气相沉积积(CVD)(CVD)两大类。两大类。l1、物理气相沉积（PVD）l物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法， 使材料汽化成原子、使材料汽化成原子、分子或电离成离子，分子或电离成离子，并通过气相过程，在并通过气相过程，在材料表面沉积一层薄材料表面沉积一层薄膜的技术。膜的技术。l物理沉积技术主要包物理沉积技术主要包括括真空蒸镀真空蒸镀、溅射镀溅射镀、离子镀离子镀三种基本方法。三种基本方法。磁控溅射镀膜设备磁控溅射镀膜设备l真空蒸镀是蒸发成膜材料使其汽化或升华沉积到工件表面形成薄膜的方法。真空蒸镀真空蒸镀TiNTiN活塞环活塞环真空蒸镀真空蒸镀AlAl膜的塑料制品膜的塑料制品

51、l溅射镀是在真空下通过辉光放电来电离氩气，氩离子在电场作用下加速轰击阴极，溅射下来的粒子沉积到工件表面成膜的方法。溅射镀示意图溅射镀示意图磁控溅射镀膜机磁控溅射镀膜机磁控溅射镀磁控溅射镀AlAl的塑料制品的塑料制品l离子镀是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原子部分电离成离子，与同时产生的大量高能中性粒子一起沉积到工件表面成膜的方法。多弧离子镀膜机多弧离子镀膜机l物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；工艺简单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。l广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜。 离子镀产品离子镀产品l2、化学气相沉积(CVD)l化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基体CVDCVD设备设备表面相互作用而在基表面相互作用而在基体表面形成金属或化体表面形成金属或化合物薄膜的方法。合物薄膜的方法。例如，气态的例如，气态的TiClTiCl4 4与与N N2 2和和H H2 2在受热钢的在受热钢的表面反应生成表面