第3章 热处理与表面工程技术

工程材料与机械制造基础第3章热处理与表面工程技术本章目录01钢在加热与冷却时的组织转变主要学习奥氏体化的过程及过冷奥氏体在不同冷却条件下的组织转变规律，是理解热处理原理的基础。02钢的热处理工艺系统讲解退火、正火、淬火和回火四种最基本的热处理工艺，以及它们对钢材性能的具体影响。03表面工程技术介绍为改善材料表面性能而采用的特殊技术，如表面淬火、化学热处理和热喷涂技术等。CONTENTS3.1钢在加热时的组织转变(奥氏体化)什么是奥氏体化？将钢加热到临界点（A1,A3,Acm）以上，使珠光体转变为单一、均匀的面心立方晶格组织，即获得单相奥氏体的过程。奥氏体形成的四个阶段01.形核|在铁素体与渗碳体相界面处生成晶核02.长大|依靠碳原子扩散，晶核向两侧逐渐长大03.溶解|铁素体先转变完成，残余渗碳体继续溶解04.均匀化|长时间保温，使成分均匀分布奥氏体晶粒越细，性能越好细小的奥氏体晶粒经热处理后，可获得更细的组织，从而显著提高钢的综合力学性能（强度、硬度、韧性）。3.1钢在冷却时的组织转变(TTT曲线)高温转变区(珠光体型转变)温度：A1以下~550°C|产物：珠光体(P)、索氏体(S)、托氏体(T)特点：转变产物片层越细，硬度与强度越高。中温转变区(贝氏体型转变)温度：550°C~Ms点|产物：上贝氏体(B上)、下贝氏体(B下)特点：下贝氏体具有优良的综合力学性能（高强韧）。低温转变区(马氏体型转变)温度：Ms点以下|产物：马氏体(M)特点：硬度极高，但塑性、韧性差，脆性大。TTT曲线（Time-Temperature-Transformation），即过冷奥氏体等温转变曲线。它精确描述了在不同等温温度下，奥氏体转变的开始/结束时间及最终产物类型。3.2钢的热处理工艺：退火与正火01/退火(Annealing)▌核心目的消除铸、锻、焊等加工造成的组织缺陷，细化晶粒，消除残余内应力，降低钢材硬度，显著改善切削加工性能，为后续淬火做好组织准备。▌典型工艺：球化退火通过控制加热温度和冷却方式，使钢中的二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球化，获得球状珠光体组织。这能有效降低硬度，极大改善切削加工性，同时减少最终热处理时的变形开裂倾向。02/正火(Normalizing)▌工艺要点将钢材加热到临界点Ac₃(亚共析钢)或Accm(过共析钢)以上30-50℃，保温足够时间使组织完全奥氏体化，随后在静止的空气中自然冷却。▌性能特点(vs退火)由于冷却速度比退火快，正火后获得的组织晶粒更细小、更均匀。因此，正火处理后的钢材具有更高的强度、硬度和韧性，且内应力消除得更彻底。对于低碳钢，正火常作为最终热处理。3.2钢的热处理工艺：淬火淬火目的快速冷却以获得马氏体或下贝氏体组织，为后续回火工序奠定基础，是决定工件最终强度和硬度的关键步骤。单介质淬火工件在单一冷却介质中冷却到底。操作简单、易实现机械化，但对复杂零件易引起较大的变形或开裂。双介质淬火先水淬后油冷。利用水的快冷避免珠光体型转变，再利用油的慢冷减小组织应力，有效减少变形开裂。分级淬火在Ms点稍上的盐浴中短时保温，内外温度均匀后取出空冷。显著减小热应力和组织应力，适合处理形状复杂的小零件。等温淬火在贝氏体转变区等温停留，直至转变完成。获得强韧性优异的下贝氏体组织，内应力极低，变形很小。什么是淬透性？淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力，是钢材本身固有的属性。它主要取决于钢的临界冷却速度Vc的大小。淬透性好的钢材，其淬硬层深，可使零件整体获得均匀的力学性能，能更好地发挥材料的潜力。3.2钢的热处理工艺：回火回火的核心目的消除淬火内应力，显著降低脆性，稳定组织与工件尺寸，并按需调整力学性能。淬火钢不经过回火处理严禁直接使用。低温回火温度<250°C保持钢的高硬度与高耐磨性，同时消除部分内应力。应用：刃具、量具、滚动轴承等。中温回火250°C~500°C获得优良的弹性极限和屈服强度，并具有一定的韧性。应用：各类弹簧、热锻模具等。高温回火温度>500°C兼具高强度与高韧性，即获得良好的综合力学性能。应用：齿轮、轴类等重要结构件。重点概念：调质处理指“淬火+高温回火”的组合工艺。这是机械制造中应用最广泛的热处理工艺之一，能使钢材兼具良好的强度和韧性。3.3表面工程技术仅对工件表层进行淬火，利用快速加热和冷却，使零件表层获得高硬度和高耐磨性，而心部仍保持足够的塑性和韧性，以承受冲击载荷。典型应用：感应加热表面淬火化学热处理将工件置于特定活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入工件表层，改变其化学成分与组织，从而获得所需性能的热处理工艺。●渗碳：显著提高表面硬度、耐磨性及疲劳强度，常用于齿轮、轴类零件。●渗氮(氮化)：形成高硬度表层，兼具优异的耐蚀性和抗咬合性，适合高精度零件。热喷涂技术利用某种热源（如电弧、等离子弧、火焰等）将粉末状或丝状的