机制工艺学(热处理)

机制工艺学主讲人：陈慧萍苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院一、课程性质

数控专业的专业课二、课程目标

学会编制一般产品零件的工艺规程三、考核方法

20%+10%+70%苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院需要学习的知识点：热处理方法与原理；机械加工工艺过程；机床知识（车床）；机床夹具的知识；切削原理（切削参数、刀具知识等）；工艺规程的概念、作用及其制定步骤等；加工阶段划分与工序的安排；加工余量、切削用量及时间定额等的确定。苏州工业园区职业技术学院第一部分

热处理知识一、金属材料的力学性能（一）静载时金属的力学性能

拉伸试验图

1低碳钢的应力

－

伸长率曲线单

位

长

度上的伸

长

量苏州工业园区职业技术学院1.弹性(

Oe

阶段）和刚度不产生永久变形的性能称为弹性，变形为弹性变形。刚度Oe

的斜率,为弹性模量，工程材料称为刚度（

金属材料最稳定的性能之一

）苏州工业园区职业技术学院3.强度任一时刻的力除以试样原始横截面积之商

——

应力，工程材料称强度（材料抵抗塑性变形和断裂的能力）⑴屈服强度

es段应力未增加，但变形仍在进行，这种现象称为“屈服”。不能恢复的残余变形叫

塑性变形金属材料在被拉断前所能承受的最大应力，称为抗拉强度

⑵抗拉强度。

强度为设计依据3.塑性金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力。

A、Z

数值越大，材料的塑性越好

。苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院（二）硬度

材料抵抗外物压入的能力称为硬度。

1.

布氏硬度

（

HB

）图布氏硬度的测定布氏硬度的测定F/S

d

，

载荷除以压痕的表面积布氏硬度法硬度值较稳定，但因压痕较大，不适于成品检验。

常用于

HB

值小于

450

的材料符号

HBS

表示钢球压头测得的硬度值，符号

HBW

表示硬质合金压头测得的硬度值。

苏州工业园区职业技术学院洛氏硬度的测定图洛氏硬度的测定

`2.

洛氏硬度（

HR

）

从刻度盘直接读取

洛氏硬度测试简单，且压痕小，可用于成品检验。但是重复性差。苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院

（二）动载荷时金属的力学性能一种是载荷以较高的速度作用于零件上，形成冲击，称为

冲击载荷

；另一种是载荷的大小或方向呈周期性或非周期性变化地作用于零件上，称为

循环载荷

。1.韧性

金属材料抵抗冲击载荷的能力称作韧性。常用金属材料断裂前所吸收的冲击功与断口横截面积的比值作为韧性的指标，称为

冲击韧度

。

冲击试验2.疲劳强度

当应力低于某一值时，材料可经无数次应力循环而不发生疲劳断裂，这个应力值称为材

料的疲劳极限或

疲劳强度

。

改善其结构形状、减小应力集中、进行表面强化以及控制材料的内部质量等措施苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院高温长时间应力下工作的金属材料，即使所加应力小于该温度下的屈服强度，也会产生明显的塑性变形直至发生断裂，这种现象称为金属材料的蠕变。（三）高温下金属材料的机械性能以上性能外，金属材料还具有一定的物理性能、较好的化学稳定性以及优良的工艺性能苏州工业园区职业技术学院

固态物质按其原子（或分子）的聚集状态不同分为晶体与非晶体。非晶体的原子是无规则杂乱地堆积的，没有固定的熔点，各向同性。晶体的原子是按一定的几何形状作有规律的排列，有固定的熔点，各向异性。钢和铸铁等固态金属一般都是晶体

。

2.

常见的金属晶格类型用于描述原子在晶体中规律排列方式的空间格子称为

晶格

。晶格中直线的交点称为

结点

。晶格中能代表原子排列规律的基本几何单元称为

晶胞

。纯铁的晶格类型

：

体心立方晶格

、

面心立方晶格

二、铁碳合金（一）纯铁的晶体结构

1.

晶体与非晶体苏州工业园区职业技术学院3.

纯铁的晶格

⑴

体心立方晶格：

晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和立方体中心

各有一个原子。

⑵

面心立方晶格

：

晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面中心各有一个原子。苏州工业园区职业技术学院（二）纯铁的同素异晶转变

在固态下，随温度的变化，其晶格类型会发生转变，这种现象

称为金属的同素异晶转变。纯铁的同素异晶转变可用下式表示：苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院

金属的同素异晶转变是通过原子的重新排列来完成的，实质上是一个重结晶过程。有一定的转变温度；转变时需要过冷；有潜热释放；转变过程也是通过形核和晶核长大来完成的。苏州工业园区职业技术学院（三）铁碳合金的基本组织

合金

就是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素组成的具

有金属特性的物质。

合金中凡是结构、成分和性能相同并且与其它部分有界面分开的均匀组成部分称为

相

。

组织

是指用肉眼或借助显微镜能观察到的具有某种形态特征的合金组成物。其实质是一种或多种相按一定的方式相互结合所构成的整体的总称。它直接决定合金的性能。苏州工业园区职业技术学院

1

、铁素体（

F

或

α

）

铁素体是碳溶于

α-Fe

中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格。碳在

α-Fe

中的溶解度很小，

727

℃

时

0.0218%

；室温时为

0.0008%,

几乎为零。其强度和硬度很低，塑性、韧性好。显微组织是明亮的多边形晶粒。

2

、奥氏体（

A

或

γ

）

奥氏体是碳溶于

γ-Fe

中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格。碳在

γ-Fe

中的溶碳量较高，

1148

℃

时

2.11%

；

727

℃

时为0.77%

。其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好。其晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。苏州工业园区职业技术学院3

、渗碳体（

Fe

3

C

）

渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，碳含量是

6.69

％，具有复杂的晶体结构。其硬度很高，塑性和韧性很差，

δ

、Ak

接近于零，脆性很大。4

、珠光体（

P

）

珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。是奥氏体冷却时，在

727

℃

恒温下发生共析转变的产物。显微组织是铁素体与渗碳体片层状交替排列。性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。5

、莱氏体（

Ld

或

Ld'

）

莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。是在1148

℃

恒温下发生共晶转变的产物，平均碳含量

4.3%

。苏州工业园区职业技术学院（四）铁碳合金状态图苏州工业园区职业技术学院

1

、主要特性点

1

）

A

点

纯铁的熔点，温度

1538

℃

,Wc=0

2

）

G

点

纯铁的同素异晶转变点，冷却到

912

℃

时

,

发生

γ

-F→α-Fe

3

）

Q

点

600

℃

时

,

碳在

α-Fe

中的溶解度

,Wc=0.0057%4

）

D

点渗碳体熔点

,

温度

1227

℃

,Wc=6.69%苏州工业园区职业技术学院5

）

C

点共晶点，温度

1148

℃

，

Wc=4.3%成分为

C

的液相，冷却到此温度时，发生共晶反应：

Lc→Ld

（

AE+Fe3C

）6

）

E

点碳在

γ-Fe

中的最大溶解度

,

温度

1148

℃

，

Wc=2.11%7

）

S

点共析点，温度

727

℃

，

Wc=0.77%成分为

S

点的奥氏体，冷却到此温度时，发生共析反应：

As→P

（

Fp+Fe3C

）8

）

P

点碳在

α-Fe

中的最大溶解度

,

温度

727

℃

，

Wc=0.0218%苏州工业园区职业技术学院

2

、特性线

1

）

ACD

线

液相线，由各成分合金开始结晶温度点所组成的线，铁碳

合金在此线以上处于液相。

2

）

AECF

线

固相线，由各成分合金结晶结束温度点所组成的线。在此

线以下，合金完成结晶，全部变为固体状态。

3

）

ECF

水平线

共晶线，

Wc

＞

2.11%

的铁碳合金，缓冷至该线（

1148

℃

）

时，均发生共晶转变，生成莱氏体。

4

）

ES

线

碳在奥氏体中的溶解度曲线，通常称为

Acm

线。碳在奥氏

体中最大溶解度是

E

点（

wC

＝

2.11

％），随着温度的降低，

碳在奥氏体中的溶解度减小，将由奥氏体中析出二次渗碳

体

Fe3C

Ⅱ

。5

）

GS

线奥氏体冷却时开始向铁素体转变的温度线，通常称为

A3

线。

6

）

PSK

水平线

共析线，通常称为

A1

线。奥氏体冷却到共析线温度

（

727

℃

）时，将发生共析转变生成珠光体（

P

），

w

C

＞

0.0218%

的铁碳合金均会发生共析转变。苏州工业园区职业技术学院7

）

GP

线0

＜

Wc

＜

0.0218%

的铁碳合金，缓冷时，由奥氏体中析出铁素体的终了线。8

）

PQ

线碳在铁素体中的溶解度曲线。在

727

℃

时，

Wc=0.0218%

，溶碳量最大，在

600

℃

时，

Wc=0.0057%

。

在

727

℃

缓冷时，铁素体随着温度降低，溶碳量减少，铁素体中多余的碳将以渗碳体（三次渗碳体

Fe3C

Ⅲ

）的形式析出。一般情况下，忽略

Fe3C

Ⅲ

的存在。

以上各特性线的含义，均是指合金缓慢冷却过程中的相变。若

是加热过程，则相反。苏州工业园区职业技术学院4

、铁碳合金的分类苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院（五）杂质元素的影响

1、锰的影响

改善钢的质量；

提高钢的强度和硬度；

减轻硫的危害；

是有益元素，一般WMn＝0.25%～0.80%。

2

、硅的影响

消除

FeO

对钢的不良影响；

产生固溶强化；

是钢中有益元素，一般

Wsi

＜

0.4%

。苏州工业园区职业技术学院

3、磷的影响

使钢的强度、硬度增加，但塑性和韧性显著降低；

使钢低温时脆性严重（冷脆）；

是有害元素，应严格控制磷含量。

4

、硫的影响与铁形成化合物FeS，使钢变脆（热脆）；是钢中有害元素，应严格控制硫含量。苏州工业园区职业技术学院

分为低碳钢(Wc＜0.25%)、中碳钢(0.25≤Wc≤0.60%)和高碳钢(Wc＞0.60%)。1、按含碳量分类2

、按质量分类1

）普通质量碳钢（

Ws

＞

0.045%

、

Wp

＞

0.045%

）不需要特别控制质量的钢种，包括一般碳素结构钢、碳素钢筋钢、铁道用一般碳素钢等。2

）优质碳钢需要特别严格控制质量的碳钢。主要包括：机械结构用优质碳钢、工程结构用优质碳钢、冲压薄板的低碳结构钢、锅炉和压力容器用碳钢、优质铸造碳钢等。（六）碳钢的分类苏州工业园区职业技术学院3、按用途分类1

）碳素结构钢主要用于制造各种工程构件和机器零件。一般属于低碳钢和中碳钢。2

）碳素工具钢主要用于制造各种刃具、量具、模具等。一般属于高碳钢。此外，钢按冶炼时脱氧方法不同，分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢等

牌号：

由代表屈服点的字母

Q

、屈服点数值、质量等级符号、

脱氧方法符号四部分顺序组成。

质量等级有：

A

表示

Ws≤0.050%

、

Wp≤0.045%

；

B

表示

Ws≤0.045%

、

Wp≤0.045%

；

C

表示

Ws≤0.040%

、

Wp≤0.040%

；

D

表示

Ws≤0.035%

、

Wp≤0.035%

。

脱氧方法

有

F

（沸腾钢）、

b

（半镇静钢）、

Z

（镇静钢）、

TZ

（特殊镇静钢）四种，通常

Z

和

TZ

可省略。

例：

Q235

－

AF

。苏州工业园区职业技术学院（七）碳钢的牌号和应用

1、碳素结构钢苏州工业园区职业技术学院

2、优质碳素结构钢牌号：

用两位数字表示钢平均含碳量的万分数。例：

45

钢。又分为

普通含锰量（

WMn≤0.7%

）和较高含锰量（

WMn=0.7%

～

1.2%

）两类。含锰量较高的钢在两位数字后面加“Mn”

字。例：

65Mn

钢。脱氧方法表示法同碳素结构钢。高级优质钢，加

“A”

；特级优质钢，加

“E”

。苏州工业园区职业技术学院3、碳素工具钢牌号：

用

“

碳

”

的汉语拼音字首

“T”

加数字（钢的平均

Wc的千分数）表示。例：

T12

。碳素工具钢含碳量高，硫、磷杂质含量较少，一般经淬火，低温回火后硬度比较高，耐磨性好，但塑性较低。主要用于要求不很高的刃具、量具和模具。4、铸钢

牌号：

用

“ZG”

表示。

牌号有两种表示方法：

以强度表示时

,

在

“ZG”

后面有两组数字，第一组数字表示

该牌号屈服点的最低值，第二组数字表示其抗拉强度的最低

值，两组数字间用

“

－

”

隔开。

例

：

ZG230

－

450

。

以化学成分表示铸钢牌号时，在

“ZG”

后面的数字表示

铸钢平均碳含量的万分数。平均碳含量＞

1

％时不标出

,

平均

碳含量＜

0.1

％时

,

其第一位数字为

“0”

。在含碳量后面排

列各主要合金元素符号

,

每个元素符号后面用整数标出含量

的百分数。

例

：

ZG15Cr1MolV

。苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院（八）钢的热处理

钢的热处理是采用适当的方式对固态钢进行加热、保温和冷却，使钢的

内部组织改变，以获得所需性能的工艺方法。

热处理的目的是改变金属材料的组织和性能，而不是改变形状和尺寸。

退火

就是将工件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火主要用于铸、锻、焊毛坯或半成品零件。

退火的目的：

降低钢的硬度，提高塑性，改善其切削加工性能；均匀钢的成分，细化晶粒，改善组织与性能；消除工件的内应力，防止变形与开裂；为最终热处理作准备。苏州工业园区职业技术学院1、完全退火

将钢完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。目的：

降低钢的硬度、以利于切削加工；消除应力，稳定工件的尺寸，防止变形和开裂；细化晶粒，改善组织，为最终热处理作组织准备。加热温度：

Ac3以上20～40℃。应用范围：

亚共析碳钢和合金钢的铸件、锻件、焊接件及热轧型材等。过共析钢不宜采用完全退火。苏州工业园区职业技术学院

2、等温退火

将钢加热到Ac3或Ac1以上20～40℃，保温适当时间后，较快地冷却到珠光体温度区间的某一温度，等温一定时间，使奥氏体转变为珠光体组织，然后空冷至室温的退火工艺。目的：

与完全退火相同，但所用时间比完全退火缩短约1/3，并能得到均匀的组织和性能。加热温度：

Ac3(Ac1)以上20～40℃。应用范围：

亚共析、过共析碳钢，合金钢的铸件、锻件等。苏州工业园区职业技术学院3、球化退火

使钢中的碳化物球状化而进行的退火工艺。目的：

使网状Fe3CⅡ或片状

滲

碳体转变为球状

滲

碳体，降低硬度，便于切削加工，为淬火作好组织准备。加热温度：

Ac1以上20～40℃。应用范围：

过共析钢和合金工具钢、轴承钢等。对网状Fe3CⅡ比较严重的钢，在球化退火前先进行一次正火处理。苏州工业园区职业技术学院

4、去应力退火

将钢加热到Ac1以下，保温一定时间，然后随炉冷却的退火工艺。目的：

消除工件的内应力，稳定工件尺寸，减少变形。加热温度：

Ac1以下温度，一般500～650℃。应用范围：

铸件、锻压件、焊件、切削加工件等。去应力退火因加热温度低于A1，故不发生组织转变，只消除内应力。苏州工业园区职业技术学院

5、均匀化退火

将工件加热到高温，并长时间保温，然后缓慢冷却的退火工艺。目的：

减少化学成分偏析和组织不均匀性。加热温度：

1050～1150℃高温。应用范围：

质量要求高的合金钢铸锭和铸件等。均匀化退火后，钢件晶粒粗大，应进行完全退火或正火。苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院6、钢的正火1、淬火加热钢的淬火1

）加热温度

钢的含碳量是决定其淬火加热温度的主要因素。2

）加热时间

加热时间包括升温时间和保温时间两部分。加热时间长短与加热介质、加热速度、钢的种类、工件形状和尺寸、装炉方式及装炉量有关。具体加热时间可通过经验公式计算，再用实际经验修正后决定。苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院2、淬火冷却

1

）冷却介质

钢淬火的目的是为了获得马氏体，但又要减少工件变形和防止工件开裂。由C曲线可知，冷却介质的理想淬火冷却速度如右图所示。生产上常用的冷却介质有水、矿物油、盐水、碱水等。苏州工业园区职业技术学院2

）淬火方法1

）单介质淬火2

）双介质淬火3

）马氏体分级淬火4

）贝氏体等温淬火苏州工业园区职业技术学院3、钢的淬透性和淬硬性1

）钢的淬透性钢的淬透性是以在规定条件下钢试样淬硬深度和硬度分布的特性。淬硬深度是从淬硬的工件表面到规定硬度值（一般为

550HV

）处的垂直距离。淬硬深度越深，淬透性越好。2

）钢的淬硬性

钢的淬硬性是指钢试样在规定条件下淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。其含义是钢试样在规定条件下淬火时马氏体组织所能达到的硬度。钢的淬硬性主要取决于钢中含碳量。钢中含碳量越高，淬硬性越好。苏州工业园区职业技术学院

钢的回火

回火

是将淬硬后的工件加热到

Ac1

点以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。是紧接淬火之后的热处理工序。

目的：

获得工件所需要的力学性能；消除或减少内应力，降低钢的脆性，防止工件变形和开裂；稳定工件组织和尺寸，保证精度。苏州工业园区职业技术学院

1、回火方法

1

）低温回火

加热温度在

250

℃

以下进行的回火。目的：

保持淬火工件高硬度和高耐磨性，降低淬火残留应力和脆性。回火后组织：

回火马氏体。力学性能：

58

～

64HRC

，高的硬度和耐磨性。应用范围：

各种刃具、模具、滚动轴承、渗碳及表面淬火等要求硬而耐磨的零件。苏州工业园区职业技术学院

2）中温回火

加热温度在350～500℃之间进行的回火。目的：

使工件获得较高的弹性和强度，适当的韧性和硬度。回火后组织：

回火托氏体。力学性能：

35～50HRC，较高的弹性极限、屈服点和一定的韧性。应用范围：

各种弹性元件及热锻模等。苏州工业园区职业技术学院

3）高温回火

加热温度在

500

℃

以上进行的回火。目的：

使工件获得强度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。回火后组织：

回火索氏体。力学性能：

200

～

350HBS

，较好的综合力学性能。应用范围：

各种较重要的受力结构件。苏州工业园区职业技术学院2、回火脆性

淬火钢在某些温度区间或回火后缓冷通过该温度区间时，出现脆化的现象称回火脆性。回火脆性分两种：

在

250

℃

～

350

℃

范围内出现的回火脆性称第一类回火脆性，又称

“

低温回火脆性

”

或

“

不可逆回火脆性

”

。不管是碳素钢还是合金钢，都应避免这种回火脆性。

含铬、镍、锰等元素的合金钢淬火后，在

450

℃

～650

℃

范围内回火，缓冷易产生第二类回火脆性，又称“

高温回火脆性

”

或

“

可逆回火脆性

”

。为防止第二类回火脆性的出现，小零件可采用回火时快冷；大零件可选用含钨或钼的合金钢。苏州工业园区职业技术学院钢的表面热处理与化学热处理1、钢的表面热处理

表面热处理是只对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的热处理工艺。常用的方法是表面淬火。

表面淬火是仅对工件表层进行淬火的热处理工艺。

表面淬火不改变零件表层的化学成分，只改变表层的组织，并且心部仍保留原来退火、正火或调质状态的组织。目的是使工件表层具有高硬度、耐磨性，而心部具有足够的强度和韧性。工业上常用的表面淬火方法有火焰淬火和感应淬火。苏州工业园区职业技术学院1）感应淬火

感应淬火是指利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表层、局部或整体加热，并快速冷却的淬火工艺。

特点：

加热速度快；工件表

面质量高，淬火变形小；易

实现机械化和自动化及大批

量生产，劳动生产率高；设

备昂贵，维修调整较难。

主要用于

中碳钢或中碳低合

金钢，也可用于工具钢，不

宜用于形状复杂的零件及单

件生产。苏州工业园区职业技术学院2、钢的化学热处理简介

化学热处理是将工件放入一定温度的活性介质中加热并保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。常用的化学热处理是渗碳和渗氮。

1）钢的渗碳

渗碳是将工件放入富碳的介质中加热到高温，使碳

原子渗入工件表层的化学热处理工艺。

2）钢的渗氮（氮化）

渗氮是在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的

化学热处理工艺。钢的表面热处理与化学热处理2）火焰表面淬火

火焰表面淬火是应用氧－乙炔（或其它可燃气体）火焰，

对零件表面加热，然后快速冷却的淬火，淬硬层深度一般为

2

～

6mm

。

特点：

淬火设备简单，成本

低，使用方便灵活。但生产

效率低，淬火质量较难控制。

适用于

单件、小批量生产或

用于中碳钢、中碳低合金钢

制造的大型工件，如大齿轮、

轴等零件的表面淬火。苏州工业园区职业技术学院1、热处理技术条件的标注

设计者根据零件的性能要求，提出热处理技术条件，

并标注在零件图上。其内容包括最终热处理方法及热处理

后应达到的力学性能，供热处理生产及检验时用。

热处理技术条件可用国家标准规定的热处理代号来标注，

也可用简单的文字和数字来说明。

一般零件只标出硬度值。

标定的硬度值允许有一定的波动范围，布氏硬度值一

般为

30

～

40

个单位左右，洛氏硬度值为

5

个单位左右。

热处理技术条件一般标注在零件图标题栏的上方（技术要

求中），所标的内容应合理，不需规定具体的热处理工艺，

热处理工作者可根据材料成分及技术要求等，结合实际情

况和操作水平等因素决定。苏州工业园区职业技术学院

热处理工艺的应用2、热处理工艺位置1）预先热处理（

1

）退火、正火的工序位置

退火和正火作为预先热处理通常安排在毛坯生产之后，粗加工之前。其作用是消除毛坯的内应力，细化晶粒，均匀组织，改善切削加工性，为最终热处理作好组织准备。退火（或正火）工艺路线一般为：毛坯生产

→