金屬材料與熱處理-第四章---鋼的熱處理

1、第四章 鋼的熱處理 41 熱處理的原理及分類(lèi) 42 鋼在加熱及冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 43 熱處理的基本方法 44 鋼的表面熱處理 45 零件的熱處理分析 *46 鋼的熱處理（實(shí)驗(yàn)） * 47 參觀熱處理車(chē)間 41 熱處理的原理及分類(lèi) 現(xiàn)象：現(xiàn)象：放在水中冷卻的一根鋼絲硬而脆，很容易折斷； 放在空氣中冷卻的一根較軟、有較好的塑性，可以卷成圓圈 而不斷裂。 鋼絲的水冷與空冷鋼絲的水冷與空冷 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：雖然鋼的成分相同，加熱的溫度也相同，但 采用不同的冷卻方法，卻得到了不同的力學(xué)性能。這主要是 因?yàn)樵诓煌鋮s速度的情況下，鋼的內(nèi)部組織發(fā)生了不同的 變化。 熱處理及工藝曲線熱處理及工藝曲線 熱處

2、理的分類(lèi)：熱處理的分類(lèi)： 42 鋼在加熱及冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 一、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 二、鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 一、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變一、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 1 1鋼在加熱和冷卻時(shí)的相變溫度鋼在加熱和冷卻時(shí)的相變溫度 在加熱時(shí)鋼的轉(zhuǎn)變溫 度要高于平衡狀態(tài)下的臨 界點(diǎn)；在冷卻時(shí)要低于平 衡狀態(tài)下的臨界點(diǎn)。 加熱時(shí)的各臨界點(diǎn)： Ac1、Ac3和Accm 冷卻時(shí)的各臨界點(diǎn)： Ar1、Ar3和Arcm 2 2奧氏體的形成奧氏體的形成 鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變，主要包括奧氏體的形成和晶粒 長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程。 形核 長(zhǎng)大 殘余滲碳體溶解 均勻化 3 3奧氏體晶粒的長(zhǎng)大奧氏體晶粒的長(zhǎng)大 晶粒的長(zhǎng)大是依靠較大晶粒

3、吞并較小晶粒和晶界遷移的 方式進(jìn)行。 二、鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變二、鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 兩種冷卻方式：兩種冷卻方式： 等溫處理等溫處理 連續(xù)冷卻連續(xù)冷卻 1 1奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 奧氏體在A1線以上是穩(wěn)定相，當(dāng)冷卻到A1線 以下而又尚未轉(zhuǎn)變的奧氏體稱(chēng)為過(guò)冷奧氏體過(guò)冷奧氏體。這 是一種不穩(wěn)定的過(guò)冷組織，只要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的 等溫保持，它就可以等溫轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的新相。這 種轉(zhuǎn)變就稱(chēng)為奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變。 共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線圖 （1 1）高溫等溫轉(zhuǎn)變：）高溫等溫轉(zhuǎn)變： 珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū) （2 2）中溫等溫轉(zhuǎn)變：）中溫等溫轉(zhuǎn)變： 貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū) （3 3）低溫連續(xù)轉(zhuǎn)變：）低溫連續(xù)

4、轉(zhuǎn)變： 馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū) 珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū)珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū) 貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū) （1 1）珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū)）珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū)高溫等溫轉(zhuǎn)變高溫等溫轉(zhuǎn)變 共析鋼的過(guò)冷奧氏體在A1550溫度范圍內(nèi)，過(guò)冷 奧氏體將發(fā)生奧氏體向珠光體型的轉(zhuǎn)變 ，即轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素 體和滲碳體。 珠光體 粗片層狀鐵素體 和滲碳體的混合 物，片層間距大 于0.4m一般在 500倍以下的光 學(xué)顯微鏡下即可 分辨 索氏體 索氏體為細(xì)片狀珠光體，為細(xì)片狀珠光體， 片層較薄間距在片層較薄間距在0.40.40.2m0.2m， 一般在8001000倍 的光學(xué)顯微鏡下才可 分辨 屈氏體 屈氏體是極細(xì) 片狀的珠光體，

5、 片層極薄間距小 于0.2m，只有 在電子顯微鏡下 （5000倍）才能 分辨出它們呈片 狀 （2 2）貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)）貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)中溫等溫轉(zhuǎn)變中溫等溫轉(zhuǎn)變 在550Ms 溫度范圍內(nèi)，因轉(zhuǎn)變溫度較低，原子的 活動(dòng)能力較弱，轉(zhuǎn)變后得到的組織為含碳量具有一定過(guò)飽 和程度的鐵素體和分散的滲碳體（或碳化物）所組成的混 合物，稱(chēng)為貝氏體，用符號(hào)B表示。 貝氏體有上貝氏體（B上）和下貝氏體（B下）之分。 上貝氏體 上貝氏體中滲碳體呈較粗的 片狀，平行分布于平行排列 的鐵素體片層之間，它在顯 微鏡下呈羽毛狀的組織 下貝氏體 下貝氏體中的碳化物呈細(xì)小 顆粒狀或短桿狀均勻分布在 鐵素體內(nèi)，在顯微鏡下呈黑 色針葉

6、狀的組織 （3 3）馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)）馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)低溫連續(xù)轉(zhuǎn)變低溫連續(xù)轉(zhuǎn)變 當(dāng)鋼從奧氏體區(qū)急冷到MS 以下時(shí)，奧氏體便開(kāi)始轉(zhuǎn)變 為馬氏體。由于轉(zhuǎn)變溫度低，原子擴(kuò)散能力小，在馬氏體 轉(zhuǎn)變過(guò)程中，只有Fe向Fe的晶格改變，而不發(fā)生碳 原子的擴(kuò)散。因此，溶解在奧氏體中的碳，轉(zhuǎn)變后原封不 動(dòng)地保留在鐵的晶格中，形成碳在Fe中的過(guò)飽和固溶體， 稱(chēng)為馬氏體，用符號(hào)M表示。 低碳馬氏體 低碳馬氏體其形狀為 一束一束相互平行的細(xì)條 狀，故也稱(chēng)板條狀馬氏體 高碳馬氏體 高碳馬氏體其斷面 呈針葉狀，故也稱(chēng)針狀 馬氏體 2 2奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 v1：隨爐冷卻（退火） v2：空冷（正火） v3

7、：油冷（油冷淬火） v4：水冷（水冷淬火） 43 熱處理的基本方法 一、退火與正火 二、淬火與回火 一、退火與正火一、退火與正火 機(jī)械零件一般的加工工藝順序：機(jī)械零件一般的加工工藝順序： 作用：作用：消除前一工序所造成的某些組織缺陷及內(nèi)應(yīng)力， 可以改善材料的切削性能，為隨后的切削加工及熱處理（淬 火回火）做好組織準(zhǔn)備。 1 1退火退火 退火退火將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后 緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理工藝。 常用退火方法：常用退火方法： l完全退火完全退火 l球化退火球化退火 l去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火 退火目的：退火目的： l 降低硬度，提高塑性，以利于切 削加工和冷變形加工 l

8、細(xì)化晶粒，均勻組織，為后續(xù)熱 處理作好組織上的準(zhǔn)備 l 消除殘余內(nèi)應(yīng)力，防止工件的變 形與開(kāi)裂 2 2正火正火 正火正火將鋼加熱到c3或ccm以上3050，保溫 適當(dāng)?shù)臅r(shí)間后，在空氣中冷卻的工藝方法。 亞共析鋼：亞共析鋼：正火目的是細(xì)化晶粒，均勻組織，提高機(jī) 械性能。 力學(xué)性能要求不高的普通結(jié)構(gòu)零件：力學(xué)性能要求不高的普通結(jié)構(gòu)零件：正火可作為最終 熱處理。 低、中碳結(jié)構(gòu)鋼：低、中碳結(jié)構(gòu)鋼：調(diào)整硬度，改善切削加工性能。 高碳過(guò)共析鋼：高碳過(guò)共析鋼：正火的目的是消除網(wǎng)狀滲碳體，有利 于球化退火，為淬火做好組織準(zhǔn)備。 加熱溫度范圍 熱處理工藝曲線 11完全退火完全退火 22球化退火球化退火 33去應(yīng)

9、力退火去應(yīng)力退火 44正火正火 二、淬火與回火二、淬火與回火 1 1鋼的淬火鋼的淬火 淬火淬火將鋼件加熱到Ac3或Ac1 以上的適當(dāng)溫度，經(jīng) 保溫后快速冷卻（冷卻速度大于v臨），以獲得馬氏體或下 貝氏體組織的熱處理工藝。 目的：目的：獲得馬氏體組織，提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨 性。 （1 1）淬火加熱溫度的選擇）淬火加熱溫度的選擇 碳鋼淬火溫度范圍 亞共析鋼：亞共析鋼： Ac3以上3050 （過(guò)）共析鋼（過(guò)）共析鋼 ： Ac1以上3050 （2 2）淬火冷卻介質(zhì)的選擇）淬火冷卻介質(zhì)的選擇 淬火的冷卻速度必須大 于該鋼種的臨界冷卻速度。 冷卻中要避免引起鋼件 的變形和開(kāi)裂。 冷卻介質(zhì)對(duì)鋼的理想淬

10、火冷卻速度應(yīng)是“慢快 慢” 。 （3 3）常用的淬火方法）常用的淬火方法 l 單液淬火法 l 雙介質(zhì)淬火 l 馬氏體分級(jí)淬火 l 貝氏體等溫淬火 （4 4）鋼的淬透性與淬硬性）鋼的淬透性與淬硬性 淬透性淬透性規(guī)定條件下，鋼在淬火冷卻時(shí)獲得馬氏體 組織深度的能力。 淬硬性淬硬性鋼在理想的淬火條件下，獲得馬氏體后所 能達(dá)到的最高硬度。 取決于鋼的臨界冷卻速度，臨界冷卻速度越低，則鋼 的淬透性越好。鋼的臨界冷卻速度又主要取決于其化學(xué)成 份。 取決于含碳量的高低。低碳鋼淬火的最高硬度低，淬 硬性差；高碳鋼淬火的最高硬度高，則淬硬性好。 （5 5）鋼的淬火缺陷）鋼的淬火缺陷 l 氧化與脫碳 l 過(guò)熱和過(guò)

11、燒 l 變形與開(kāi)裂 l 硬度不足 l 軟點(diǎn) 2 2鋼的回火鋼的回火 回火回火將淬火后的鋼重新加熱到Ac1點(diǎn)以下的某一 溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。 l 降低淬火鋼的脆性和內(nèi)應(yīng)力，防止變形或開(kāi)裂。 l 調(diào)整和穩(wěn)定淬火鋼的結(jié)晶組織以保證工件不再發(fā) 生形狀和尺寸的改變。 l 獲得不同需要的機(jī)械性能。 目的：目的： （1 1）回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變）回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 鋼（45鋼）的回火組織 回火馬氏體回火馬氏體 回火屈氏體回火屈氏體 回火索氏體回火索氏體 40鋼的力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系 隨著加熱溫度的升高， 鋼的強(qiáng)度、硬度下降，而 塑性、韌性提高。 回火鋼的性能只與加 熱溫度有關(guān)，而與

12、冷卻速 度無(wú)關(guān)。 （2 2）回火的分類(lèi)及應(yīng)用）回火的分類(lèi)及應(yīng)用 l 低溫回火 l 中溫回火 l 高溫回火 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)生產(chǎn)中淬火及高溫回火相結(jié)合的熱處理工藝。 44 鋼的表面熱處理 一、表面淬火 二、化學(xué)熱處理 汽車(chē)變速齒輪 傳動(dòng)齒輪軸 一、表面淬火一、表面淬火 表面淬火表面淬火僅對(duì)工件表層進(jìn)行淬火的熱處理工藝。 原理：原理：通過(guò)快速加熱，使鋼的表層奧氏體化，在熱量 尚未充分傳到零件中心時(shí)就立即予以冷卻淬火。 適用：適用：中碳鋼、中碳合金鋼。 方法：方法：火焰加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬、電接觸 加熱表面淬火、激光加熱表面淬火。 1 1火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火 應(yīng)用氧乙炔（或其他可燃?xì)怏w）

13、火焰對(duì)零件表面 進(jìn)行快速加熱并隨之快速冷卻的工藝。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：加熱溫度及 淬硬層深度不易控制， 易產(chǎn)生過(guò)熱和加熱不均 勻，淬火質(zhì)量不穩(wěn)定。 不需要特殊設(shè)備，適用 于單件或小批量生產(chǎn)。 2 2感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火 利用感應(yīng)電流通過(guò)工件所產(chǎn)生的熱 效應(yīng)，使工件表面受到局部加熱，并進(jìn) 行快速冷卻的淬火工藝。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： （1）加熱速度快。 （2）淬火質(zhì)量好。 （3）淬硬層深度易于控制，易 實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，適用于大批 量生產(chǎn)。 二、化學(xué)熱處理二、化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中 保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學(xué) 成分、組織和性能的熱處理

14、工藝。 不僅改變了鋼的組織，而且表面層的化學(xué)成分也發(fā) 生了變化，因而能更有效地改變零件表層的性能。 根據(jù)滲入元素分：滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、 滲金屬等。 1 1化學(xué)熱處理的過(guò)程化學(xué)熱處理的過(guò)程 分解 吸收 擴(kuò)散 2 2鋼的滲碳鋼的滲碳 鋼的滲碳鋼的滲碳將鋼件置于滲碳介質(zhì)中加熱并保溫， 使碳原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。 目的：目的：提高鋼件表層的含碳量。 滲碳后處理：滲碳后處理：淬火及低溫回火。 工藝路線：工藝路線： 鍛造正火機(jī)械加工滲碳淬火+低溫回火 分類(lèi)：分類(lèi)：固體滲碳、鹽浴滲碳、氣體滲碳 氣體滲碳?xì)怏w滲碳將工件置于氣體滲碳劑中進(jìn)行滲 碳的工藝。 低碳鋼滲碳后緩冷的滲碳層顯微組織

15、由表面向中心：由表面向中心： 過(guò)共析組織、共析 組織、亞共析組織（過(guò) 渡層），中心仍為原來(lái) 的亞共析組織。 3 3鋼的滲氮鋼的滲氮 滲氮滲氮在一定溫度下， 使活性氮原子滲入工件表 面的化學(xué)熱處理工藝。 目的：目的：提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蝕性及疲勞強(qiáng) 度。 （1 1）滲氮與滲碳相比具有以下特點(diǎn)：）滲氮與滲碳相比具有以下特點(diǎn)： l 滲氮層具有很高的硬度和耐磨性 l 滲氮層具有滲碳層所沒(méi)有的耐蝕性 l 滲氮比滲碳溫度低，工件變形小 滲氮工件的工藝路線：滲氮工件的工藝路線： （2 2）滲氮方法）滲氮方法 l 氣體滲氮 工件在氣體介質(zhì)中進(jìn)行滲氮。它將工件放入密閉的爐 內(nèi)，加熱到500600，通入

16、氨氣（NH3），氨氣分解出 活性氮原子。 l 離子滲氮 在低于一個(gè)大氣壓的滲氮?dú)夥罩?，利用工件（陰極） 和陽(yáng)極之間產(chǎn)生的輝光放電現(xiàn)象進(jìn)行滲氮的工藝。 滲氮層及HV測(cè)痕 滲氮層中致密的針狀氮化 物（白色） 4 4碳氮共滲碳氮共滲 碳氮共滲碳氮共滲在一定溫度下，將碳、氮原子同時(shí)滲入 工件表層奧氏體中，并以滲碳為主的化學(xué)熱處理工藝。 45 零件的熱處理分析 一、熱處理的技術(shù)條件 二、熱處理的工序位置 三、典型零件熱處理分析 一、熱處理的技術(shù)條件一、熱處理的技術(shù)條件 工件在熱處理后組織、應(yīng)當(dāng)達(dá)到的力學(xué)性能、 精度和工藝性能等要求，統(tǒng)稱(chēng)為熱處理技術(shù)條件熱處理技術(shù)條件。 二、熱處理的工序位置二、熱處理的工序位置 1 1預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理 包括退火、正火、調(diào)質(zhì)等。 2 2最終熱處理最終熱處理 包括淬火、回火及表面熱處理等。 三、典型零件熱處理分析三、典型零件熱處理分析 1 1銼刀銼刀 2 2汽車(chē)變速齒輪汽車(chē)變速齒輪 3 3汽車(chē)傳動(dòng)齒輪軸汽車(chē)傳動(dòng)齒輪軸