金属工艺学第五章

第五章金属(jīnshǔ)热处理及表面改性教学目的和要求

1.掌握热处理的概念(gàiniàn)，熟悉热处理的分类，掌握钢在加热时的组织转变和钢在冷却时的组织转变2.掌握普通热处理的种类、概念和用途3.熟悉钢的表面热处理教学内容提纲

1.钢的热处理原理（重点）2.钢的普通热处理（重点）3.钢的表面热处理（熟悉）共九十一页

第一节钢的热处理原理(yuánlǐ)

(HeatTreatmentPrincipleofSteel)概述钢在加热时的转变(zhuǎnbiàn)钢在冷却时的转变共九十一页一、概述(ɡàishù)1热处理概念将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，从而获得所需要性能的一种(yīzhǒnɡ)热处理工艺。保温冷却加热温度/℃时间/s0临界温度共九十一页2.热处理特点、目的和应用范围

特点：只通过改变工件的组织来改变性能，不改变其形状。热处理只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化；

目的：改变钢的性能；

应用范围：整个制造业。3.热处理的分类根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点的不同，将热处理工艺(gōngyì)分类如下：

普通热处理：退火、正火、淬火和回火；

表面热处理：表面淬火、化学热处理；

其他热处理：真空热处理、形变热处理、控制气氛热处理、激光热处理等。共九十一页4.加热和冷却对临界转变(zhuǎnbiàn)温度的影响A3AC3Ar3ACcmACmArcmA1Ar1Ac1含碳量/%温度(wēndù)/℃0共九十一页二、钢在加热(jiārè)时的转变1.奥氏体的形成(xíngchéng)共析钢奥氏体的形成过程共九十一页2.奥氏体晶粒度及其影响奥氏体晶粒

尺寸的因素1）奥氏体晶粒度

起始晶粒度：珠光体向奥氏体转变刚刚完成(wánchéng)时的晶粒度；

实际晶粒度：钢在某一具体加热条件下的晶粒度；

本质晶粒度：度量钢本身晶粒在930℃以下，随温度升高,晶粒长大的程度，表示奥氏体长大倾向。共九十一页钢的本质(běnzhì)晶粒度示意图共九十一页2）影响奥氏体晶粒度的因素加热(jiārè)温度和保温时间；加热速度；合金元素；原始组织。共九十一页3）奥氏体晶粒度对钢力学性能的影响(yǐngxiǎng)奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。粗大(cūdà)的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。共九十一页三、钢在冷却(lěngquè)时的转变冷却(lěngquè)方式加热保温时间/S临界温度连续冷却等温冷却0温度/℃共九十一页过冷奥氏体的等温冷却(lěngquè)转变建立共析钢过冷奥氏体等温冷却(lěngquè)转变曲线----TTT曲线

(

C曲线

)T

---

timeT

---

temperatureT

---

transformation共九十一页

共析碳钢TTT曲线(qūxiàn)建立过程示意图时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1共九十一页共析碳钢TTT曲线(qūxiàn)的分析稳定(wěndìng)的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线

A+产物区产物区A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;P转变区。550～230℃;中温转变区;半扩散型转变;贝氏体(B)转变区;230～-50℃;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf共九十一页转变产物(chǎnwù)的组织与性能1.珠光体型(P，Pearlite)转变(zhuǎnbiàn)

(A1～550℃，扩散性转变）:A1～650℃:

P;5～25HRC;片间距为0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:细片状P---索氏体(S);片间距为0.2～0.4μm(1000×);25～36HRC。600～550℃:极细片状P---屈氏体(T);片间距为＜0.2μm(电镜);35～40HRC。共九十一页

珠光体形貌像光镜下形貌(xínɡmào)电镜下形貌(xínɡmào)共九十一页光镜形貌电镜形貌

索氏体形貌像共九十一页

屈氏体形貌像电镜形貌(xínɡmào)光镜形貌(xínɡmào)共九十一页珠光体转变(zhuǎnbiàn)示意图珠光体型转变(zhuǎnbiàn)示意图共九十一页珠光体P，3800×索氏体S8000×屈氏体T8000×层片间距(jiānjù)：P>S>T共九十一页2贝氏体（Bainite，半扩散性转变）

概念：含碳过饱和的铁素体与渗碳体或碳化物的混合物，转变温度为：550℃～Ms。根据(gēnjù)转变温度和组织形态分类：上贝氏体和下贝氏体。共九十一页550～350℃:

B上;40～45HRC;B上=过饱和碳

α-Fe条状+Fe3C小片状过饱和碳α-Fe条状Fe3C细条状羽毛状共九十一页B上，550～350℃产物(chǎnwù)——羽毛状，小片状Fe3C分布在F间；B上性能：强度(qiángdù)和韧性差。光学显微照片1300×电子显微照片5000×B上显微组织共九十一页350～230℃:

B下;50～60HRC;B下=过饱和碳

α-Fe针叶状+Fe3C细片状过饱和碳

α-Fe针叶状Fe3C细片状针叶状共九十一页F针内定向分布着细小Fe2.4C颗粒电子显微照片12000×T8钢，B下，黑色针状光学显微照片×400B下韧性(rènxìnɡ)高，综合机械性能好。

共九十一页3马氏体型转变（非扩散性转变）

1）马氏体（Martensite）概念(gàiniàn)：碳在α－Fe中的过饱和固溶体。用M表示。2）转变特点:在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度(sùdù)极快,即瞬间形核与长大;无扩散转变(Fe、C原子均不扩散)；

共格切变性；转变不完全性。共九十一页3）马氏体的分类(fēnlèi)、性能特点和组织形态按形态分类：板条状马氏体和针状马氏体C%<0.2%，形成板条状马氏体；C%>1.0%，形成针状马氏体；0.2<C%<1.0%，形成板条状马氏体和针状马氏体；性能特点板条状马氏体：强度高、硬度高、塑性(sùxìng)、韧性好；针状马氏体：强度和硬度高，塑性、韧性差。共九十一页马氏体的组织(zǔzhī)形态板条状(tiáozhuànɡ)马氏体针状马氏体共九十一页4）马氏体的晶体结构:由于碳的过饱和作用(zuòyòng),使α–Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。马氏体的晶体结构共九十一页90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.11.21.31.41.51.61.7Wc100残余奥氏体量

(%)5）奥氏体含碳量对残余(cányú)奥氏体数量的影响共九十一页马氏体的碳浓度Wc100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度(HRC)2000抗拉强度σb(Mpa)1800140010006002006)马氏体的性能(xìngnéng):主要特点：高硬度。主要取决于马氏体中的碳浓度。共九十一页一、过冷奥氏体的连续冷却(lěngquè)转变一)建立共析钢过冷奥氏体连续冷却(lěngquè)转变曲线—CCT曲线C—

continuousC

—

coolingT—transformation共九十一页Vk二）共析碳钢CCT曲线建立(jiànlì)过程示意图时间(lgτ)温度℃A1PZPsA+PKMsMf水冷油冷Vk1炉冷空冷共九十一页三)共析碳钢TTT曲线(qūxiàn)与CCT曲线(qūxiàn)的比较稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMfCCT曲线TTT曲线共九十一页稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf四)在连续(liánxù)冷却过程中TTT曲线的应用V1V2VkV3V4V1=5.5℃/s:炉冷;PV2=20℃/s:空冷;SV3=33℃/s:油冷;T+M+A残V4≥138℃/s:水冷;M+A残共九十一页二、钢的退火(tuìhuǒ)和正火毛坯(máopī)生产预备热处理机械加工最终热处理机械精加工预备热处理:退火;正火，目的--消除坯料、半成品中的某些缺陷，为后续冷加工，最终热处理作组织准备。

最终热处理:淬火;回火，目的--使工件获得所要求的性能。

一般零件生产的工艺路线:共九十一页一）钢的退火(tuìhuǒ)(Annealingofsteel)定义:把零件加热到临界温度以上(yǐshàng)或以下,保温一段时间,然后随炉冷却。目的:消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。共九十一页种类(zhǒnglèi)退火(tuìhuǒ)重结晶退火低温退火完全退火扩散退火球化退火再结晶退火去应力退火普通退火等温退火普通球化退火等温球化退火共九十一页工艺(gōngyì)参数温度(°C)名称Ac3

+30～50完全退火Ac1+30～50球化退火500～600去应力退火Ac3

+150～250扩散退火共九十一页退火工艺温度(wēndù)范围共九十一页热处理后的组织(zǔzhī)（例如球化退火后的组织(zǔzhī)）共析钢球化退火组织（700

）共九十一页二）钢的正火(Normalizingofsteel)定义:把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然后

在空气(kōngqì)中冷却。目的:消除应力;调整硬度;细化晶粒;均匀成分(chéngfèn);为最终热处理作好组织准备。共九十一页工艺(gōngyì)参数:温度(°C)名称Ac3+30～50亚共析钢Ac1+30～50共析钢Accm+30～50过共析钢共九十一页正火加热(jiārè)范围Accm或共九十一页热处理后的组织(zǔzhī):

S+Fe3CⅡ(过共析钢)S+F(亚共析钢)S(共析钢)应用(yìngyòng)范围:

1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬度;消除过共析钢中的Fe3CⅡ；

2.最终热处理:用于力学性能要求较高的普通零件。共九十一页正火和退火(tuìhuǒ)的区别：1、正火的冷却速度比退火稍快，过冷度较大；

2、正火后所得到的组织比较(bǐjiào)细，强度和硬度比退火高一些。

共九十一页退火(tuìhuǒ)与正火的选择１、含碳量＜0.25％的低碳钢，通常采用正火代替退火。因为较快的冷却速度可以防止低碳钢沿晶界析出游离三次渗碳体，从而提高冲压件的冷变形性能；用正火可以提高钢的硬度、低碳钢的切削加工性能；在没有其它热处理工序时，用正火可以细化晶粒，提高低碳钢强度。

２、含碳量在0.25～0.5％之间的中碳钢也可用正火代替退火，虽然接近上限碳量的中碳钢正火后硬度偏高，但尚能进行切削加工，而且正火成本低、生产率高。

３、含碳量在0.5～0.75％之间的钢，因含碳量较高，正火后的硬度显著高于退火的情况，难以进行切削加工，故一般采用完全退火，降低硬度，改善切削加工性。

４、含碳量＞0.75％的高碳钢或工具钢一般均采用球化退火作为预备热处理，如有网状二次渗碳体存在，则应先进行正火消除。退火是将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后(ránhòu)缓慢冷却的热处理工艺。缓冷是退火的主要特点，退火件一般随炉冷却至550℃以下时出炉空冷。退火是应用非常广泛的热处理，在工模具或机械零件等的制造过程中，经常作为预备热处理安排在铸锻焊之后，切削（粗）加工之前，用以消除前一道工序所带来的某些缺陷，并为随后的工序做好准备。

共九十一页小结(xiǎojié)重点要求掌握钢的退火和正火的概念、目的，熟悉退火和正火的一般应用；一般要求了解(liǎojiě)过冷奥氏体的连续转变曲线。共九十一页例题(lìtí)用含碳量为1.0%钢的T10钢制造形状简单的车刀和用含碳量为0.45%的45钢制造重要的螺栓,工艺路线均为：锻造—热处理—机械加工—热处理—精加工,对两种工件(gōngjiàn)：说明预备热处理的工艺方法及其作用。共九十一页本次(běncì)课的内容

钢的淬火(cuìhuǒ)淬火温度淬火冷却淬火方法钢的淬透性和淬硬性

钢的回火回火时的组织转变回火的分类及其应用回火脆性

共九十一页一、钢的淬火(cuìhuǒ)(Quenchingofsteel)

定义:

把零件加温(jiāwēn)到临界点温度以上

30～50℃，保温一段时间，然后快速冷却(水冷)，以获得马氏体组织的一种热处理工艺。

目的:主要是为了获得马氏体组织提高钢的硬度和耐磨性。共九十一页淬火温度(wēndù)的选择温度(℃)名称Ac3

+30～50亚共析钢Ac1

+30～50共析钢Ac1

+30～50过共析钢共九十一页工艺参数(cānshù)(淬火温度）选择范围示意图共九十一页淬火(cuìhuǒ)后的组织M+Fe3C+A残Ac1+30～50过共析钢M+A残Ac1+30～50共析钢M+A残Ac3+30～50亚共析钢Wc＞0.5%MAc3+30～50亚共析钢Wc≤0.5%最终组织淬火温度(℃)钢种共九十一页淬火加热保温(bǎowēn)时间(τ)的选择:τ

=α

K

D工件有效厚度(尺寸最小部位)装炉量有关系数一般K=1～1.5加热系数,与钢种及加热介质有关共九十一页淬火冷却(lěngquè)介质1.理想(lǐxiǎng)淬火冷却介质时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf共九十一页2.常用(chánɡyònɡ)的淬火冷却介质名称平均冷却速度/(℃•s-1)650～550℃300～200℃18℃静止水60027010%NaCl溶液（18℃）110030010%NaOH溶液（18℃）120030010%Na2CO3（18℃）6065矿物机油15030菜籽油20035共九十一页常用的淬火(cuìhuǒ)方法单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火时间温度MsA1共九十一页钢的淬硬性(yìngxìng)(Hardeningofsteel)定义:是指钢在淬火(cuìhuǒ)后所能达到的最高硬度——硬化能力。评价参数：最高硬度。影响钢的淬硬性的因素:主要取决于马氏体的含碳量。共九十一页钢的淬透性(Hardenabilityofsteel)定义:是指钢在淬火时所能得到的淬硬层(马氏体组织占50%处)的深度，或者说钢得到马氏体的能力。评价(píngjià)参数：淬硬层的深度。影响钢的淬透性的因素:主要(zhǔyào)是临界淬火冷却速度VK

的大小,

VK

越大,钢的淬透性越小，影响冷却速度VK最根本的是化学成分和奥氏体化条件。。共九十一页注意(zhùyì)以下两点区别：淬透性与实际工件淬硬层深度的区别：同一钢种不同截面的工件在同样奥氏体化条件下淬火，其淬透性是相同的。但是其淬硬层深度却因工件的形状、尺寸和淬火冷却介质的不同而异。淬透性是钢本身所固有的属性，而实际工件的淬硬层深度除了取决于钢的淬透性外，还与工件的形状、尺寸及采用的淬火介质等外界因素有关。钢的淬透性与淬硬性(yìngxìng)的区别：概念和影响因素不同。共九十一页淬硬性(yìngxìng)与淬透性之间的关系:淬透性淬硬性钢种小低碳素结构钢(20)小高碳素工具钢(T12A)大低低碳合金结构钢(20Cr2Ni4A)大高高碳高合金工具钢(W18Cr4V)共九十一页二、钢的回火(huíhuǒ)(Temperingofsteel)定义:

把淬火(cuìhuǒ)后的零件重新加温到A1线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到室温。目的:

消除淬火应力,降低脆性;稳定工件尺寸;调整淬火零件的力学性能。共九十一页回火(huíhuǒ)时的组织转变马氏体的分解（80~200℃）；残余奥氏体的转变（200~300℃）；回火屈氏体的形成(xíngchéng)（300~400℃）；渗碳体的聚集长大和铁素体再结晶（>400℃）。共九十一页耐磨件M回=α0.3%C+ε150～250低温回火弹簧等T回=F针+Fe3C粒350～500中温回火调质件S回=F多+Fe3C粒500～650高温回火高合金钢P回=F多+Fe3C粒650～A1高温软化回火(huíhuǒ)的分类及其应用注：淬火+高温回火=调质(diàozhì)处理用途组织温度(℃)名称共九十一页回火(huíhuǒ)索氏体组织金相图共九十一页回火屈氏体组织(zǔzhī)金相图共九十一页回火马氏体组织(zǔzhī)金相图共九十一页回火(huíhuǒ)脆性低温回火脆性（250~400℃），又叫不可逆回火脆性或第一类回火脆性；产生原因：薄片状的渗碳体沿奥氏体晶界析出。防止办法：避免在该温度区间回火；加硅；等温淬火(cuìhuǒ)。高温回火脆性（500~650℃），又叫可逆回火脆性或第二类回火脆性。产生原因：Sb、Sn、P等在晶界偏聚。防止办法：快冷；加Mo、W等合金元素。概念：钢在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降的现象，称为“回火脆性”。共九十一页小结(xiǎojié)重点要求钢淬火和回火的概念、目的和一般(yībān)应用；淬火温度的选择理由；淬透性和淬硬性的区别，影响淬透性的因素，回火的分类和一般(yībān)应用；回火脆性的概念和分类和防止。一般要求淬火冷却介质；淬火方法；回火时的组织转变。共九十一页实验(shíyàn)一铁碳合金平衡组织观察

观察纯铁（1#）、亚共析钢（2、3、4#）、共析钢（5#）、过共析钢（6#）；亚共晶白口铸铁（7#）、共晶白口铸铁（8#）和过共晶白口铸铁（9#），要求画出纯铁、亚共析钢（只画出其中一个）、共析钢、过共析钢的组织示意图。实验班级：1班（分为两组）、2班（分为两组）、3班（分为两组）、实验时间(shíjiān)：下周一下午2~4，下周三4.15~6.15，实验地点：思学楼D212分组：周一下午2~3点（1班第一组：104~123）、下午3~4点（1班第二组剩余同学）；周三下午4.15~5.15（2班第一组：201~217，222，224，226）、下午5.15~6.15（2班第二组剩余同学）。

周三下午第8节（3班第一组：301~321）、下午第九节（3班第二组：剩余同学）。共九十一页重点(zhòngdiǎn)回顾钢淬火和回火的概念、目的和一般应用；淬火温度的选择理由；淬透性和淬硬性的区别，影响(yǐngxiǎng)淬透性和淬硬性的因素，回火的分类和一般应用；回火脆性的概念和分类和防止。共九十一页本次(běncì)课的内容钢的表面(biǎomiàn)热处理常见热处理缺陷及防止小结共九十一页一、钢的表面(biǎomiàn)热处理概念：指仅对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺；分类：表面淬火和化学热处理；应用范围：主要是某些在冲击(chōngjī)载荷、交变载荷及摩擦条件下工作的机械零件，如曲轴、凸轮轴、齿轮等；工艺的核心:使零件具有“表硬里韧”的力学性能。共九十一页表面淬火1.定义:是一种不改变钢表层化学成分,但改变表层组织的局部热处理工艺，即通过快速加热(jiārè)使钢的表层奥氏体化,然后急冷,使表层形成马氏体组织,而心部仍保持不变。2.目的(mùdì):获得高硬度的表面层，以提高工件的耐磨性和疲劳强度。共九十一页3.表面淬火用钢:选用(xuǎnyòng)中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。4.表面淬火加热的方法:

感应加热(高、中、工频)、火焰(huǒyàn)加热、激光加热等。共九十一页感应(gǎnyìng)加热表面淬火1)感应(gǎnyìng)加热的基本原理:*

感应电流---涡流*

集肤效应*淬火层深度(δ)与电流频率(f)的关系:δ=500/√f（mm）

共九十一页感应(gǎnyìng)加热表面淬火示意图集肤效应(xiàoyìng)示意图共九十一页火焰(huǒyàn)加热表面淬火1)火焰(huǒyàn)加热表面淬火的基本方法共九十一页2）火焰(huǒyàn)加热表面淬火的特点:*设备简单,操作(cāozuò)方便,成本低；*淬火质量不稳定；*适于单件、小批量及大型零件的生产。共九十一页二.化学(huàxué)热处理

(ChemicalHeatTreatment)一)定义:将零件置于一定的化学介质中,通过加热、保温,使介质中一种或几种元素(yuánsù)原子渗入工件表层,以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。共九十一页二)化学热处理的基本(jīběn)过程:2.吸收:

活性原子(yuánzǐ)被零件表面吸收和溶解。3.扩散:

活性原子由零件表面向内部扩散,形成一定的扩散层。1.分解:

化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。

2COCO2+〔C〕共九十一页三)化学(huàxué)热处理进行的条件:1.渗入元素的原子(yuánzǐ)必须是活性原子,而且具有较大的扩散能力。2.零件本身具有吸收渗入原子的能力,

即对渗入原子有一定的溶解度或能与之化合,形成化合物。四)化学热处理的种类:

渗碳;