机械制造基础 课件 1.3 钢的热处理

第1章金属材料及热处理1.3钢的热处理主要内容：

钢在加热时的转变钢冷却时转变产物的组织及性能钢的退火和正火钢的淬火和回火钢的表面热处理

热处理的定义及工艺过程工件固态加热保温冷却改善组织和性能保温t冷却

V冷t/minT/℃T加加热

V加

一、钢的热处理概述

目的

提高材料的使用性能，延长零件的使用寿命。改善材料的工艺性能，确保后续加工的顺利进行。应用：机床60%～70%零件，汽车70%～80%零件，工模具及滚动轴承100%进行热处理。

热处理工艺分类其他：控制气氛热处理、真空热处理形变热处理、激光热处理等普通热处理：退火、正火、淬火、回火表面热处理：表面淬火、化学热处理热处理1.根据加热和冷却方式，以及组织和性能特点的不同分类：2.按零件在生产过程中热处理的位置和作用不同分类：预备热处理：又称中间热处理目的：改善锻、铸件组织，消除应力，为后续的加工做好准备。最终热处理：赋予工件最终使用性能目的：使零件获得所需使用性能。

一、钢的热处理概述二、钢在加热时的转变（一）钢的临界温度（临界点）

在热处理生产中，实际相变温度偏离平衡状态图中的平衡临界温度。

加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温。平衡临界温度

A1、A3、Acm加热时，实际临界温度

Ac1、Ac3、Accm冷却时，实际临界温度

Ar1、Ar3、Arcm

AA＋FP＋FPP＋Fe3CⅡA＋Fe3CⅡGSEP加热和冷却对钢的临界温度的影响KAr3ArcmAr1Ac3AccmAc1A3AcmA1二、钢在加热时的转变（二）奥氏体化的概念奥氏体化：钢件加热到临界点以上，获得细小均匀奥氏体组织的过程。完全奥氏体化：钢件加热到Ac3或Accm以上，获得单一奥氏体组织的过程。不完全奥氏体化：钢件在Ac1~Ac3或Ac1～Accm两相区加热，获得（A＋F）或（A＋Fe3CⅡ）的过程。Ac1AccmAc3温度wCAGPSFPP＋FA＋FEP＋Fe3CⅡA＋Fe3CⅡFe

加热目的二、钢在加热时的转变（三）

奥氏体的形成及影响因素奥氏体的的形成同样包括形核和长大两个基本过程。共析钢加热时奥氏体的形成：PAAc1以上亚共析钢和过共析钢加热时A的形成亚共析钢：室温平衡组织不完全A化完全A化（P+F）Ac1～Ac3（A＋F）Ac3以上A（P+Fe3CⅡ）过共析钢：Ac1～Accm（A+Fe3CⅡ）Accm以上A二、钢在加热时的转变加热温度和保温时间：TA↑

tA↑，奥氏体晶粒↑

TA↑tA↓，奥氏体晶粒↓

热处理新工艺—

快速加热，短时保温碳：当有未溶碳化物存在时，阻碍奥氏体晶粒长大，晶粒↓合金元素：除Mn、P和过量Al外，均阻碍奥氏体晶粒长大Al、Ti、Zr、V、W、Mo、Cr、Si、Ni、Cu

强弱化学成分：同一种钢，A晶粒越细，室温组织越细，钢的力学性能越好。8三、钢在冷却时的转变过冷奥氏体转变产物有哪些？珠光体、贝氏体、马氏体的组织形态和性能特点是怎样的？

P、B、M相比，哪种组织的硬度最高？如何获得？冷却速度？问题引导：9

冷却转变的重要性：

冷却速度不同，工件热处理后的组织和性能不同：冷却方法

力学性能

Rm/MPaReL/MPa

A/%

Z/%硬度HRC炉冷（退火）

51.2

27.5

32

50

18空冷（正火）65.7~70.6

33

15~18

45~50

18~24水冷淬火

107.8

70.6

7~8

12~14

52~60不同冷却方式对45钢力学性能的影响建立“材料成份－加工工艺－组织结构－性能”关系不同方式冷却后的组织：退火→P+F；正火→索氏体+铁素体；淬火→马氏体10以共析钢的过冷奥氏体等温转变为例

过冷奥氏体的概念指在临界温度A1以下尚未发生组织转变的不稳定奥氏体。

过冷奥氏体转变曲线

描述转变产物与温度、时间之间的关系。11稳定A区过冷A区过冷A+

产物区转变产物区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMfA1～550℃，高温区珠光体转变P550～230℃(Ms)中温区贝氏体转变B过冷A转变终止线Ms～-50℃(Mf

)低温区马氏体转变M过冷A转变开始线共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线过冷A向M转变开始温度过冷A向M转变终了温度A过冷AA→P时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMfA1～550℃，高温区珠光体转变P550～230℃(Ms)中温区贝氏体转变BMS～-50℃(Mf

)低温区马氏体转变MA→BA→M共析碳钢的过冷奥氏体等温转变曲线13（一）珠光体转变产物及其性能转变温度：A1

～550℃转变过程：过冷A→P转变产物：珠光体（P），呈层片状，是F和Fe3C

的机械混合物。根据片层厚薄不同，片状珠光体分为三种:

珠光体(P)、索氏体(S)、屈氏体(T)

，见表。组织名称形成温度（℃）片层间距（µm）片层形态可见倍数（×）硬度（HBW）力学性能珠光体P（粗片P）A1～650＞0.4较厚、平直、连续500170～250强硬度较低塑韧性较好索氏体S650～6000.4～0.2800～1000250～300综合力学性能好屈/托氏体T600～550＜0.2极薄、断续、弯曲2000～5000300～450强硬度较高14

过冷A→P索氏体(S)8000×屈氏体(T)8000×珠光体(P)3800×P、S、T比较片间距(S0)：P＞S＞T

强度、硬度：T＞S＞P

片状珠光体的组织形态取决于形成温度。T↓S0↓15转变产物：贝氏体（B）是过饱和的F和Fe3C的机械混合物。

有两种组织形态：下贝氏体上贝氏体转变温度：550℃

～230℃(Ms)转变过程：过冷A→B（二）贝氏体转变产物及其性能16组织名称形成温度／℃显微组织特征硬度／HRC性能特点上贝氏体350~550

呈暗灰色羽毛状，不连续的棒状Fe3C分布于条状F之间。40~45

强度低，塑韧性差，很少用。下贝氏体230~350

呈针叶状，细片状Fe3C分布于针状F内。45~55

强韧性好，综合力学性能好，是生产上常用的强韧化组织之一。过冷A→B171.转变温度：Ms～Mf(230℃～－50℃)2.转变过程：过冷A→M3.转变产物：马氏体(M)，是碳固溶于α-Fe中形成的过饱和固溶体。有两种组织形态：（三）马氏体转变产物及其性能板条马氏体片状马氏体185.马氏体的组织形态和性能特点

片状M：针片状或竹叶状；含碳量高，强度和硬度高，塑性差。—

硬而脆4.马氏体的组织形态与含碳量有关wC（%）＜0.20.2～1.0＞1.0M形态板条M板条＋片状片状M

板条M：板条状，一束束细条；含碳量低，具有良好综合力学性能。—

强韧性好

19转变类型转变产物形成温度/℃显微组织特征硬度（HRC）获得工艺珠光体PA1~650

粗片状5-20退火S650~600

细片状20-30正火T600~550

极细片状30-40等温退火贝氏体B上550~350

羽毛状40-50等温淬火B下350~Ms

竹叶状50-60等温淬火马氏体M板条Ms~Mf板条状50淬火M针Ms~Mf针片状60-65淬火共析碳钢过冷奥氏体转变产物及其获得工艺20四、钢的退火和正火退火和正火的定义、目的及工艺过程？退火和正火工艺如何选择？主要问题：机械零件加工的一般工艺过程：

毛坯（铸件、锻件）→预备热处理→机加工→最终热处理→精加工

退火与正火工艺主要用于预备热处理，通常安排在毛坯生产之后，切削加工之前进行21

定义（一）钢的退火

，又称“焖火”工艺规范加热温度：临界温度以上或以下。冷却方式：炉冷。为提高生产率，可采用等温冷却或冷到500℃左右出炉空冷。保温时间：保证透烧，一般以1.0mm/min～1.5mm/min计算。钢件加热适当温度保温缓冷的热处理工艺室温组织：接近平衡组织，可根据Fe-Fe3C相图确定炉冷500℃出炉空冷T/℃t/min22常用退火、正火温度范围和工艺曲线临界点再结晶退火

常用退火工艺（特点及应用范围见教材）231.完全退火

应用：亚共析成分碳钢或合金钢加热温度：Ac3+30℃~50℃室温组织：P＋F目的：消除锻件或铸件应力；细化晶粒，均匀组织；

降低硬度，改善切削加工性中碳钢：P＋FAc3+30℃～50℃炉冷AC3500℃空冷温度时间完全退火工艺曲线242.球化退火应用：共析、过共析成分碳钢或合金钢加热温度：Ac1＋20℃～30℃组织：P球（F基体上分布着颗粒状Fe3C）目的：使网状或片状Fe3C球化降低硬度，便于切削加工为淬火作组织准备

T12钢球化退火组织：P球加热温度范围P球比P片：塑性和韧性好，强度和硬度低。25（二）钢的正火，又称“常化”钢件加热临界温度以上保温空冷

定义

加热温度亚共析钢：Ac3+30℃～50℃

共析钢：Ac1+30℃～50℃

过共析钢：Accm+30℃～50℃

正火组织

wC<0.6%时，F+S

wC

0.6%时，S单相A区26

正火的目的细化均匀组织对低碳钢、低碳低合金钢，硬度切削加工性能对过共析钢，消除网状Fe3CⅡ，为后续球化退火、淬火作组织准备。消除铸件、锻件、焊件中的粗大组织。对力学性能要求不高的零件，可作为最终热处理。（二）钢的正火，又称“常化”271.组织和力学性能

同一种钢，正火比退火组织细密，强度硬度↑2.为改善切削加工性能低碳钢用正火；中碳钢用完全退火或正火；高碳钢用球化退火。3.热处理缺陷退火时，钢在炉中时间长，脱碳和氧化比正火要严重些。

4.经济成本方面：正火比退火成本低。（三）

退火与正火工艺的选择28五、钢的淬火和回火

生产中，淬火常与适当的回火工艺配合，获得零件所需的使用性能。问题引导：

什么是钢的淬火？淬火的目的是什么？碳钢淬火温度的确定常用淬火冷却介质及冷却方法什么是钢的淬透性？淬火钢件为什么必须回火？回火的种类、组织性能及应用。29加热快速冷却B区等温MB钢件Ac3或Ac1以上A化

定义

目的

获得马氏体和（或）贝氏体组织，提高钢硬度、强度、耐磨性，以满足零件的使用性能要求。淬火是发挥金属材料性能潜力的重要手段之一！（一）钢的淬火30亚共析钢：Ac3+30℃～50℃

完全A化，获得细小M组织

碳钢淬火加热温度确定共析钢、过共析钢：

Ac1+30℃～50℃获得细小M＋粒状Fe3C＋少量A残强度、硬度高，耐磨性好

合金钢淬火加热温度的确定

一般，Ac3

或Ac1+50℃～100℃。大多数合金元素，对奥氏体的形成和长大有阻碍作用，因而合金钢淬火温度比碳钢高。

高合金钢加热过程中，往往需要预热！31淬火介质水油盐浴或碱浴冷却能力

强较弱介于水油之间变形开裂倾向大较小小

适用范围形状简单的碳钢件合金钢、小而复杂的碳钢件尺寸小、形状复杂、精度要求高的工件

常用淬火介质生产中常用淬火介质的特点、适用范围

淬火后组织

0.5%C时：M

0.5%C时：M+A残亚共析钢共析钢：M＋A残过共析钢：M+粒状Fe3C+A残32

常用淬火方法及应用

采用不同的淬火方法，可弥补淬火介质的不足。①单介质淬火②双介质淬火③分级淬火④等温淬火33淬火方法比较方法淬火介质等温时间等温目的组织性能特点应用范围单介质水、油————M高的强度和硬度淬火应力较大形状简单、尺寸较小的工件

双介质油-空气水－油————M高的强度和硬度淬火应力降低中等尺寸、形状复杂的高碳钢、尺寸较大的合金钢工件

分级淬火盐浴碱浴较短减小工件表面与心部温差M

高的强度和硬度应力变形显著降低变形要求严格且尺寸不大的工件

等温淬火盐浴碱浴较长使A→B下获得B下组织B下良好的强韧性，综合力学性能好形状复杂、截面不大且要求精度高并具有良好强韧性的零件

34

钢的淬透性和淬硬性淬透的含义指淬火时，使工件从表面到心部都得到马氏体（M）组织。淬透性：指钢在淬火时获得M的能力，是钢的本质属性。淬硬性：指钢淬火后所能达到的最高硬度，取决于M中的wC，wC↑

淬硬性↑淬透性好的钢，淬硬性不一定好。

影响淬透性的主要因素

合金元素：除Co外，均使钢的淬透性↑

含碳量：对亚共析钢，wC↑，淬透性↑

对过共析钢，wC

↑，淬透性↓钢中合金元素的主要作用之一，即是提高钢的淬透性，以提高其强韧性。35

定义

目的减少或消除淬火应力稳定组织获得所需力学性能（二）淬火钢的回火加热淬火钢

Ac1以下保温空气中冷却到室温提示未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火，在放置或使用过程中易变形或开裂。淬火后的钢件应立即进行回火。脆性工件的变形、开裂倾向回火的分类、组织及应用回火类型回火温度/℃

回火后组织回火后硬度HRC性能特点用途低温回火150～250

M回58～64硬度高，耐磨性好，脆性、内应力降低。工具钢、滚动轴承渗碳件、表面淬火件中温回火250～500T回35～50良好弹性，屈强比高，一定的韧性和抗疲劳性弹簧钢，如弹簧等弹性元件。高温回火500～600S回25～35强韧性好，即具有良好的综合力学性能。重要结构件和零件，如连杆、轴、齿轮

调质处理＝淬火＋高温回火柴油机连杆汽车板簧滚动轴承锉刀37六、钢的表面热处理重点介绍：钢的表面淬火—感应加热表面淬火钢的化学热处理—渗碳、渗氮38（一）钢的表面淬火应用：适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件，例如：齿轮、凸轮、曲轴、轧辊等——只需表面淬硬的工件机床导轨等大型复杂工件——只能表面淬硬的工件表面淬火用钢：多用中碳碳钢、中碳的合金钢。

常用方法：感应加热、火焰加热、激光加热表面淬火、等。工艺特点：①工件表面化学成分不变，只改变表面组织和性能；

②表面与心部的成分一致，但组织不同。工艺：表面有一定深度的淬硬层工件表面快速加热A化热量未达到心部时迅速冷却心部保持原组织目的：

①表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限；

②心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性、韧性。

表硬里韧391.感应加热表面淬火工作原理：

淬硬层深度（mm）f↑

δ↓分类高频感应加热；中频感应加热工频感应加热特点（与普通淬火比较）加热速度快，温度高，生产效率高A晶粒细小，强度硬度脆性表面产生压应力，疲劳强度氧化脱碳表面质量耐磨性心部无相变，变形精度应用：大批量生产感应加热表面淬火齿轮的截面图402.火焰加热表面淬火

工作原理淬硬层深度：δ=2～8mm

特点简单、方便、成本低，但质量不易控制。应用：单件、小批量生产火焰加热表面淬火示意图41（二）化学热处理

定义：

分类：按渗入元素种类分为渗C、N、C－N、B、S、Cr、Al、Cr－Al、等。

目的：强化表面，并使工件表面具有某种特殊性能。如耐磨、耐腐蚀等。

生产周期长，工艺复杂，成本高。钢件活性介质加热保温活性原子渗入工件表层表层的化学成分、组织、性能改变42定义：钢件A化

碳原子渗入钢件表层的过程。目的：表面wC

硬度、耐磨性、疲劳强度

心部具有一定的强度以及较高的塑韧性用途：表面受严重磨损，并承受较大冲击载荷的零件。要求表面硬度、耐磨性、疲劳强度高，心部良好的塑性、韧性渗碳用钢：低碳成分的普通碳素钢、优质碳素结构钢、合金结构钢，如15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnVB

（一般0.15～0.30%C，渗碳后的表面达0.8～1.05％C）渗碳方法：气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳、电解液渗碳、离子渗碳等。1.钢的渗碳加热在富C介质中保温淬火＋回火表硬里韧43

气体渗碳

工艺参数的选择

渗碳温度：

900～930℃（Ac3＋50～80℃）渗碳时间：

取决于渗碳层的深度。渗层表面含碳量：

wc＝

0.8%～1.05%

井式渗碳炉）

CH4→[

C]+2H