第三章 钢的热处理和表面改性

第三章钢的热处理和表面改性第1页，课件共40页，创作于2023年2月

§3-1钢在热处理时的组织转变

1复习“钢在室温下的平衡组织”：亚共析钢，共析钢，过共析钢的组织组成物。以共析钢为例，了解钢在加热时（727°C以上）组织的转变。（相图上组织和相的转变是可逆的。）影响奥氏体晶粒大小的因素。Fe-Fe3C相图第2页，课件共40页，创作于2023年2月一钢在加热时组织的转变（以共析钢为例）1共析钢加热到727°C（A1)以上，珠光体转变成奥氏体。（四个阶段）转变步骤奥氏体形核奥氏体核长大残余渗碳体溶解奥氏体成分均匀化(a)(b)(c)(d)第3页，课件共40页，创作于2023年2月2、奥氏体晶粒大小（1）影响因素：加热温度和保温时间。（2）钢加热时的缺陷：过热；氧化；脱碳第4页，课件共40页，创作于2023年2月二、钢在冷却时的组织转变（重点内容）

知识要点过冷奥氏体等温转变产物及其性能；影响c曲线的因素应用等温转变图判断钢冷却至室温的组织第5页，课件共40页，创作于2023年2月一）、过冷奥氏体定义：把在727°C以下尚未发生转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体转变是在临界点以下某个恒温下发生，就称为过冷奥氏体的等温转变。转变在连续冷却的过程中发生，称为过冷奥氏体的连续冷却转变。

过冷奥氏体等温转变图（共析钢）1等温转变图的建立试验测定第6页，课件共40页，创作于2023年2月2等温转变图又称TTT图或者C曲线转变开始线第7页，课件共40页，创作于2023年2月三）、过冷奥氏体等温转变类型及其产物

1、珠光体转变（共析转变A→P）发生温度：7270C---5600C

产物：珠光体7270C---6500C：珠光体片层较粗，P（珠光体）6500C---6000C：珠光体层片较细，S（索氏体）6000C--5600C：珠光体层片极细，T(托氏体)层片变细，强度硬度增加，塑性韧性有所增加。

珠光体的铁素体和渗碳体层片粗细与转变温度有关。温度越低，珠光体的层片越细。珠光体形成第8页，课件共40页，创作于2023年2月第9页，课件共40页，创作于2023年2月2、贝氏体转变

560--3500C:贝氏体呈羽毛状，称为上贝氏体，记为B上.350--Ms（2300C）：贝氏体呈针叶状，称之为下贝氏体，记为B下。（1）转变温度：560—Ms（2300C）（2）产物：贝氏体（3）贝氏体：由过饱和铁素体和渗碳体组成的混合物。（4）贝氏体的形状和性能：（与等温温度有关）上贝氏体形成过程与形貌下贝氏体形成过程与形貌特征第10页，课件共40页，创作于2023年2月上贝氏体的形成示意图上贝氏体的貌第11页，课件共40页，创作于2023年2月下贝氏体的形成示意图下贝氏体的形貌第12页，课件共40页，创作于2023年2月（5)性能：上贝氏体的硬度高，塑性、韧性差，不用。

下贝氏体高强度、硬度、塑性韧性较好，。工业中应用于中碳钢和中碳合金钢制造的零件中。3马氏体转变（1）转变温度：Ms（230°C）－Mf（2）产物：马氏体（3）马氏体：碳在a--Fe中形成的过饱和铁素体，具有体心正方结构。

马氏体形成示意图第13页，课件共40页，创作于2023年2月g第14页，课件共40页，创作于2023年2月（4）形貌：低碳马氏体：呈板条状高碳马氏体：呈透镜状，片状，中间有脊线。

马氏体形貌（5）性能特点：硬而脆，且随Wc的增加而增加。

必须经过回火才能使用。回火后：高碳马氏体具有高强度高硬度、高耐磨性。低碳马氏体具有好的综合性能。（6）应用高碳马氏体用于高硬度高耐磨性的零件，如车刀、铣刀等。低碳马氏体用于综合性能好的零件，如发动机连杆螺栓、缸盖螺栓，石油钻井的吊环、吊钳等。

第15页，课件共40页，创作于2023年2月球墨铸铁淬火G球+M+Aˊ15钢淬火组织M低第16页，课件共40页，创作于2023年2月四）、影响C曲线的主要因素

1含碳量含碳量合金元素等温转变图合金元素除Co（钴）元素外，其它合金元素溶入奥氏体后使C曲线右移。

C曲线的形状C曲线距纵坐标的距离Ms、Mf的温度影响第17页，课件共40页，创作于2023年2月五）过冷奥氏体连续冷却转变连续冷却转变图：又称CCT曲线在连续冷却转变过程中，亚共析钢有贝氏体转变，共析钢和过共析钢无贝氏体转变。CCT曲线测定比TTT曲线困难。CCT曲线C曲线第18页，课件共40页，创作于2023年2月六）、c曲线的应用

(用c曲线估计碳钢连续冷却至室温得到的组织)A－PA

PA

BA

M第19页，课件共40页，创作于2023年2月§3-2钢的热处理工艺对组织和性能的影响

知识要点“四把火”（退火、正火、淬火、回火）的工艺过程；“四把火”对零件加工和使用的影响和作用。第20页，课件共40页，创作于2023年2月一普通热处理的作用改善材料的切削加工性能；提高材料的力学性能，保证零件安全运行。退火和正火退火：采用炉冷，冷却速度很低(球状珠光体)完全退火等温退火球化退火去应力退火再结晶退火亚共析成分的碳钢和合金钢(同上)共析或过共析碳钢和合金钢分类第21页，课件共40页，创作于2023年2月2正火（采用空冷，冷却速度较快）目的低碳钢：调整硬度（适当增加硬度），利于切削；过共析钢：消除网状二次渗碳体，利于珠光体球化。中碳钢：普通零件的最终热处理；

退火和正火的选择（从以下三个方面考虑）提高切削加工性能要求的力学性能处理成本第22页，课件共40页，创作于2023年2月三淬火和回火（最终热处理）淬火（采用水冷、油冷，冷却速度很大）目的：获得马氏体工艺：加热－保温－水冷（油冷）常用的淬火介质:水、盐水、油钢的淬透性（钢的一种性能）（1）定义：钢在淬火时获得马氏体的能力。（2）淬透性的测定：临界直径法，顶端淬火法（3）影响淬透性的因素：合金元素，碳含量（4）选材与淬透性理想淬火介质第23页，课件共40页，创作于2023年2月一般规律1）表面和心部力学性能一致的零件，即要求表面和心部组织一致；如螺栓、连杆、锻模、锤杆（承受拉压载荷）

选用淬透性高的钢；

2）表面心部力学性能不一致（表面强度硬度要求高一些，心部塑性韧性要求高），组织可以不一致。如轴类零件，冷镦模具、齿轮。

选用淬透性低的钢。3）焊接件：选用淬透性低的钢。

第24页，课件共40页，创作于2023年2月3回火（与淬火配合）（1）定义：将淬火钢重新加热至A1（727

C)温度以下的某个温度，保温一定时间后冷却至室温的工艺操作。（2）目的：降低马氏体的脆性，增加塑性韧性。稳定组织。降低内应力。调整钢的硬度。

（3）回火的类型:3种低温回火温度：150—2000C；得到的组织：M回（过饱和铁素体+e碳化物）

第25页，课件共40页，创作于2023年2月性能：高硬度、高耐磨性，内应力、脆性降低。应用：高碳钢、高碳合金钢制造的工具和模具、滚动轴承；渗碳和表面淬火零件.(Wc>0.6%)

中温回火温度：350—5000C；得到的组织：T回（针叶状铁素体+极细小颗粒渗碳体组成）性能：高强度、硬度，高的弹性极限及屈服强度；具有一定的塑性、韧性；应用：Wc=0.5—0.7%碳钢、合金钢制造的各种弹簧。

第26页，课件共40页，创作于2023年2月高温回火温度：500-6500C，组织：S回（由等轴状的铁素体和球状渗碳体组成）性能：具有适当的强度、硬度和足够的塑性、韧性（即良好综合性能）。应用：用于Wc为0.3—0.5%的中碳钢和合金钢制造的轴、连杆、螺栓等。生产上将淬火和高温回火称为“调质处理”。一般规律：随回火温度↑，强度、硬度↓，塑性韧性↑。回火温度与力学性能第27页，课件共40页，创作于2023年2月

§3-3钢的表面处理强化

知识要点表面热处理的目的、分类常用的表面热处理工艺了解表面热处理的典型零件第28页，课件共40页，创作于2023年2月一、基本概念将工件处理成表面与心部性能不同的方法。目的：使零件具有“表硬心韧”的性能特点。

表面组织转化-----表面淬火等表面合金化—化学热处理表面覆层----电镀\涂层二、分类第29页，课件共40页，创作于2023年2月表3－3表面处理强化的方法

第30页，课件共40页，创作于2023年2月表面淬火：表面与心部的成分一致，组织不一样。

1工艺：将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未达到心部时立即迅速冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法。

第31页，课件共40页，创作于2023年2月2分类火焰加热表面淬火感应加热表面淬火激光加热表面淬火

火焰加热表面淬火

材料及典型零件中碳钢（Wc0.4—0.5%）,如40Cr、45钢机床齿轮、轴等零件。常用的表面淬火方法淬硬层深度：2—6mm优点：方法简便；无需特殊设备；适用于单件、小批量生产零件；缺点：需要操作熟练，否则造成质量不稳定

第32页，课件共40页，创作于2023年2月应用：轧钢机齿轮、轧辊；矿山机械齿轮、轴；机床导轨、齿轮；

感应加热表面淬火淬硬层与频率有关：0.2—2mm，高频感应加热（100—1000KHZ）2---8mm，中频感应加热（0.5—10KHZ）；〉10—15mm，工频感应加热（50HZ）

特点：淬火质量好，表层组织细、硬度高、脆性小、生产效率高、便于自动化，缺点是设备昂贵，劳动条件差。

第33页，课件共40页，创作于2023年2月激光加热表面淬火工艺：将高功率密度的激光束照射到工件表面，使表面快速加热到奥氏体区，依靠工件本身热传导迅速自冷而获得一定淬硬层的工艺操作。

硬化层：1—2mm

应用：汽车、拖拉机汽缸套、汽缸、活塞环、凸轮轴等零件；特点：淬火质量好，组织超细化，硬度高、脆性极小、工件变形小、不需要回火、节约能源、无污染、效率高、便于自动化，但是设备昂贵。第34页，课件共40页，创作于2023年2月四、表面化学热处理（表层与心部的成分、组织都不同）

1工艺:将工件置于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却使介质中的某些元素渗入工件表层以改变工件表层的化学成分和组织，从而达到“表硬心韧”的性能特点。

2

可渗的元素：渗碳、氮、碳氮共渗（C、N、C\N）渗硼、铬(B、Cr）渗铝、硅(Al、Si)渗硫(S)第35页，课件共40页，创作于2023年2月3渗碳（重点内容）（1）常用的材料：低碳钢或者低碳合金钢，如，20，25，（20CrMnTi）（用于汽车齿轮）（2）介质：最常用的气体（煤油、苯、甲醇等高温分解的混合气体（CO,CH4，C2H4等））具有活性碳原子

（3）过程：被吸收、溶解并扩散，形成0.5～2mm的渗碳层吸附：活性碳原子吸附至工件表面、溶解、渗入散扩：碳原子向工件里层扩散。（4）温度：在奥氏体区，900—9500C时间：根据渗层深度而定，约10小时左右，第36页，课件共40页，创作于2023年2月（5）热处理：渗碳+淬火+低温回火组织表层：高碳回火马氏体+碳化物+A’组织心部：F+P或者M回（低碳）+F+A’

典型零件工艺路线的制定1轴类零件（传动轴）（1）分析工作条件：承受中等交变扭矩载荷、交变弯曲载荷或者是拉压载荷；局部（轴颈、花键）承受摩擦和磨损。（2）失效形式：疲劳断裂，轴颈处磨损（主要方式）；冲击过载断裂等（偶尔发生）第37页，课件共40页，创作于2023年2月（3）性能要求：高的疲劳强度；良好的综合性能；