第三章 鋼的熱處理

1、第三章 鋼的熱處理 知識要點（1）過冷奧氏體的定義。（2）過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線，等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及其性能；等溫轉(zhuǎn)變曲線的應(yīng)用。（3）鋼的普通熱處理工藝及應(yīng)用。（4）鋼的表面熱處理工藝及應(yīng)用。 (5) 編寫典型零件（如軸、齒輪）的工藝路線。第一節(jié) 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變（一般了解）1 復(fù)習(xí)“鋼在室溫下的組織”：亞共析鋼，共析鋼，過共析鋼的組織組成物。以共析鋼為例，了解鋼在加熱時（727C以上）組織的轉(zhuǎn)變。（相圖上組織和相的轉(zhuǎn)變是可逆的。）2影響奧氏體晶粒大小的因素。Fe-Fe3C相圖相圖一 鋼在加熱時組織的轉(zhuǎn)變（以共析鋼為例）1 共析鋼加熱到727C（A1)以上，珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體。（四個階段）轉(zhuǎn)變步

2、驟轉(zhuǎn)變步驟奧氏體奧氏體形核形核奧氏體奧氏體核長大核長大殘余滲碳殘余滲碳體溶解體溶解奧氏體成奧氏體成分均勻化分均勻化(a)(b)(c)(d)二二 奧氏體晶粒大小奧氏體晶粒大?。? 1） 影響因素：加熱溫度和保溫時間。影響因素：加熱溫度和保溫時間。（2）鋼加熱時的缺陷：過熱；氧化；脫碳）鋼加熱時的缺陷：過熱；氧化；脫碳第二節(jié)第二節(jié) 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖（重點內(nèi)容）過冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖（重點內(nèi)容） 知識要點知識要點 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及其性能；過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及其性能； 影響影響c曲線的因素曲線的因素 應(yīng)用等溫轉(zhuǎn)變圖判斷鋼冷卻至室溫的組織應(yīng)用等溫轉(zhuǎn)變圖判斷鋼冷卻至室溫的組織過冷奧氏體過冷奧氏體定義

3、：把在定義：把在727 C以下尚未發(fā)生轉(zhuǎn)變的不穩(wěn)定奧氏體以下尚未發(fā)生轉(zhuǎn)變的不穩(wěn)定奧氏體稱為過冷奧氏體。稱為過冷奧氏體。過冷奧氏體轉(zhuǎn)變是在臨界點以下某個恒溫下某個恒溫下發(fā)生，就稱為過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變等溫轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變在連續(xù)冷卻連續(xù)冷卻的過程中發(fā)生，稱為過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變。 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖（共析鋼）過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖（共析鋼）1 等溫轉(zhuǎn)變圖的建立等溫轉(zhuǎn)變圖的建立試驗測定試驗測定2 等溫轉(zhuǎn)變圖等溫轉(zhuǎn)變圖又稱又稱TTT圖圖或者或者C曲線曲線轉(zhuǎn)變開始線轉(zhuǎn)變開始線轉(zhuǎn)變終止線轉(zhuǎn)變終止線三、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變類型及其產(chǎn)物三、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變類型及其產(chǎn)物 1 1、珠光體轉(zhuǎn)變（共析轉(zhuǎn)變、

4、珠光體轉(zhuǎn)變（共析轉(zhuǎn)變A P A P ） 發(fā)生溫度：發(fā)生溫度： 7277270 0C-560C-5600 0C C 產(chǎn)物：珠光體產(chǎn)物：珠光體7277270 0C-650C-6500 0C C：珠光體片層較粗，：珠光體片層較粗，P P（珠光體）（珠光體）6506500 0C-600C-6000 0C C：珠光體層片較細，：珠光體層片較細，S S （索氏體）（索氏體）6006000 0C-560C-5600 0C C： 珠光體層片極細，珠光體層片極細，T (T (托氏體托氏體) )層片變細，強度硬度增加，塑性韌性有所增加。層片變細，強度硬度增加，塑性韌性有所增加。 珠光體的鐵素體和滲碳體層片粗細與轉(zhuǎn)

5、變溫度有關(guān)。溫度珠光體的鐵素體和滲碳體層片粗細與轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)。溫度越低，珠光體的層片越細。越低，珠光體的層片越細。珠光體形成珠光體形成2、貝氏體轉(zhuǎn)變 560-3500C: 貝氏體呈羽毛狀，稱為上貝氏體，記為貝氏體呈羽毛狀，稱為上貝氏體，記為B上上 . 350- Ms 350- Ms（2302300 0C C）：貝氏體呈針葉狀，稱之為下貝氏體，記為）：貝氏體呈針葉狀，稱之為下貝氏體，記為B B下。下。（1）轉(zhuǎn)變溫度：）轉(zhuǎn)變溫度： 560Ms（2300C）（2）產(chǎn)物：貝氏體）產(chǎn)物：貝氏體（3）貝氏體：由過飽和鐵素體和滲碳體組成的混合物。）貝氏體：由過飽和鐵素體和滲碳體組成的混合物。（4）貝氏體的形

6、狀和性能：（與等溫溫度有關(guān)）貝氏體的形狀和性能：（與等溫溫度有關(guān)）上貝氏體形成過程與形貌下貝氏體形成過程與形貌特征下貝氏體形成過程與形貌特征（5) 5) 性能：上貝氏體的性能：上貝氏體的硬度高，塑性、韌性差，硬度高，塑性、韌性差，不不用。用。 下貝氏體高強度、硬度、塑性韌性較好，。下貝氏體高強度、硬度、塑性韌性較好，。 工業(yè)中應(yīng)用于中碳鋼和中碳合金鋼制造的零件中。工業(yè)中應(yīng)用于中碳鋼和中碳合金鋼制造的零件中。3 馬氏體轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變（1）轉(zhuǎn)變溫度：）轉(zhuǎn)變溫度： Ms（230C）Mf（2）產(chǎn)物：馬氏體）產(chǎn)物：馬氏體（3）馬氏體：）馬氏體：碳在碳在a-a-FeFe中形成的過飽和鐵素體，具有體心正中形

7、成的過飽和鐵素體，具有體心正方結(jié)構(gòu)。方結(jié)構(gòu)。 馬氏體形成示意圖馬氏體形成示意圖（4）形貌：）形貌： 低碳馬氏體：呈板條狀低碳馬氏體：呈板條狀 高碳馬氏體：呈透鏡狀，片狀，中間有脊線。高碳馬氏體：呈透鏡狀，片狀，中間有脊線。 馬氏體形貌馬氏體形貌（5）性能特點：硬而脆，且隨性能特點：硬而脆，且隨WcWc的增加而增加。的增加而增加。 必須經(jīng)過回火才能使用必須經(jīng)過回火才能使用。 回火后：高碳馬氏體具有高強度高硬度、高耐磨性?；鼗鸷螅焊咛捡R氏體具有高強度高硬度、高耐磨性。 低碳馬氏體具有好的綜合性能。低碳馬氏體具有好的綜合性能。（6）應(yīng)用）應(yīng)用高碳馬氏體用于高碳馬氏體用于高硬度高耐磨性高硬度高耐磨性的

8、零件，如車刀、銑刀等。的零件，如車刀、銑刀等。低碳馬氏體用于綜合性能好的零件，如發(fā)動機連桿螺栓、缸低碳馬氏體用于綜合性能好的零件，如發(fā)動機連桿螺栓、缸蓋螺栓，石油鉆井的吊環(huán)、吊鉗等。蓋螺栓，石油鉆井的吊環(huán)、吊鉗等。 四四 影響影響C C曲線的主要因素曲線的主要因素 1 含碳量含碳量含碳量含碳量合金元素合金元素等溫轉(zhuǎn)變圖等溫轉(zhuǎn)變圖合金元素合金元素除除CoCo（鈷）（鈷）元素外，其它合金元素溶入奧氏體后使元素外，其它合金元素溶入奧氏體后使C C曲線右曲線右移。移。 C曲線的形狀曲線的形狀C曲線距縱坐標的距離曲線距縱坐標的距離Ms 、 Mf的溫度的溫度影響影響五五 過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過冷奧氏體連

9、續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖：又稱連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖：又稱CCT曲線曲線在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程中，在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程中，亞共析鋼有貝氏體轉(zhuǎn)變，亞共析鋼有貝氏體轉(zhuǎn)變，共析鋼和過共析鋼無貝氏共析鋼和過共析鋼無貝氏體轉(zhuǎn)變體轉(zhuǎn)變。CCT曲線測定比曲線測定比TTT曲線曲線困難。困難。CCT曲線曲線C曲線曲線CCT曲線曲線六 c曲線的應(yīng)用(用c曲線估計碳鋼連續(xù)冷卻至室溫得到的組織)APC曲線曲線冷卻速度線冷卻速度線A PA BAM第三節(jié)第三節(jié) 鋼的普通熱處理鋼的普通熱處理知識要點知識要點“四把火四把火”（退火、正火、淬火、回火）的工藝過（退火、正火、淬火、回火）的工藝過程；程；“四把火四把火”對零件加工和使用的影響和

10、作用。對零件加工和使用的影響和作用。一一 普通熱處理的作用普通熱處理的作用 改善材料的切削加工性能；改善材料的切削加工性能； 提高材料的力學(xué)性能，保證零件安全運行提高材料的力學(xué)性能，保證零件安全運行。退火和正火退火和正火退火退火 ：采用爐冷，冷卻速度很低：采用爐冷，冷卻速度很低 球狀珠光體球狀珠光體完全退火完全退火球化退火球化退火去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火再結(jié)晶退火再結(jié)晶退火亞共析成分的碳鋼和合金鋼亞共析成分的碳鋼和合金鋼共析或過共析碳鋼和合金鋼共析或過共析碳鋼和合金鋼分類分類2 正火（采用空冷，冷卻速度較快）正火（采用空冷，冷卻速度較快）目目 的的低碳鋼：調(diào)整硬度（適當(dāng)增加硬度），利于切削；低碳鋼

11、：調(diào)整硬度（適當(dāng)增加硬度），利于切削；過共析鋼：消除網(wǎng)狀二次滲碳體，利于珠光體球化。過共析鋼：消除網(wǎng)狀二次滲碳體，利于珠光體球化。中碳鋼：普通零件的最終熱處理；中碳鋼：普通零件的最終熱處理； 退火和正火的選擇（從以下三個方面考慮）退火和正火的選擇（從以下三個方面考慮）提高切削加工性能提高切削加工性能性能性能成本成本三三 淬火和回火（最終熱處理）淬火和回火（最終熱處理）淬火（采用水冷、油冷，冷卻速度很大）淬火（采用水冷、油冷，冷卻速度很大） 目的：獲得馬氏體目的：獲得馬氏體 工藝：加熱保溫水冷（油冷）工藝：加熱保溫水冷（油冷）常用的淬火介質(zhì)常用的淬火介質(zhì) : 水、水、 鹽水、鹽水、 油油 鋼的淬

12、透性（鋼的一種性能）鋼的淬透性（鋼的一種性能）（1）定義：鋼在淬火時獲得馬氏體的能力。）定義：鋼在淬火時獲得馬氏體的能力。（2）淬透性的測定：）淬透性的測定：臨界直徑法臨界直徑法，頂端淬火法，頂端淬火法（3）影響淬透性的因素：合金元素，碳含量）影響淬透性的因素：合金元素，碳含量（4）選材與淬透性）選材與淬透性理想淬火介質(zhì)理想淬火介質(zhì) 一般規(guī)律一般規(guī)律1 1）表面和心部力學(xué)性能一致的零件，即要求表面和心部組織）表面和心部力學(xué)性能一致的零件，即要求表面和心部組織一致；如一致；如螺栓、連桿、鍛模、錘桿（承受拉壓載荷）螺栓、連桿、鍛模、錘桿（承受拉壓載荷） 選用淬透性選用淬透性高高的鋼；的鋼； 2 2

13、）表面心部力學(xué)性能不一致（表面強度硬度要求高一些，心表面心部力學(xué)性能不一致（表面強度硬度要求高一些，心部塑性韌性要求高），組織可以不一致。如軸類零件，冷鐓模部塑性韌性要求高），組織可以不一致。如軸類零件，冷鐓模具、齒輪。具、齒輪。 選用淬透性選用淬透性低低的鋼的鋼。3 3）焊接件：）焊接件：選用淬透性選用淬透性低低的鋼的鋼。 3 回火（與淬火配合回火（與淬火配合）（1） 定義：將淬火鋼重新加熱至定義：將淬火鋼重新加熱至A1（727 C)溫度以下的某溫度以下的某個溫度，保溫一定時間后冷卻至室溫的工藝操作。個溫度，保溫一定時間后冷卻至室溫的工藝操作。（2）目的：）目的：降低馬氏體的脆性，增加塑性韌

14、性。降低馬氏體的脆性，增加塑性韌性。 穩(wěn)定組織。穩(wěn)定組織。 降低內(nèi)應(yīng)力。降低內(nèi)應(yīng)力。 調(diào)整鋼的硬度。調(diào)整鋼的硬度。 （3）回火的類型）回火的類型低溫回火低溫回火溫度：溫度：1502001502000 0C C ；得到的組織：得到的組織：M回回（過飽和鐵素體（過飽和鐵素體 + + e e碳化物）碳化物） 性能：性能：高硬度、高耐磨性，內(nèi)應(yīng)力、脆性降低。高硬度、高耐磨性，內(nèi)應(yīng)力、脆性降低。 應(yīng)用：高碳鋼、高碳合金鋼制造的應(yīng)用：高碳鋼、高碳合金鋼制造的工具和模具、滾動軸承；工具和模具、滾動軸承；滲碳和表面淬火零件滲碳和表面淬火零件.(.(Wc 0.6%)Wc 0.6%) 中溫回火中溫回火溫度：溫度：

15、3505003505000 0C C ；得到的組織：得到的組織：T回回（針葉狀鐵素體（針葉狀鐵素體 + + 極極細小顆粒滲細小顆粒滲碳體組成）碳體組成）性能：性能：高強度、硬度，高的高強度、硬度，高的彈性極限及屈服強度彈性極限及屈服強度； 具有一定的塑性、韌性；具有一定的塑性、韌性；應(yīng)用：應(yīng)用：Wc = 0.50.7%Wc = 0.50.7%碳鋼碳鋼、合金鋼制造的合金鋼制造的各種彈簧各種彈簧。 高溫回火高溫回火溫度：溫度：500-650500-6500 0C C，組織：組織：S S回回（由等軸狀的鐵素體和球狀滲碳體組成）（由等軸狀的鐵素體和球狀滲碳體組成）性能：性能： 具有具有適當(dāng)?shù)膹姸?、硬?/p>

16、和足夠的塑性、韌性適當(dāng)?shù)膹姸取⒂捕群妥銐虻乃苄?、韌性（即良（即良好綜合性能）。好綜合性能）。應(yīng)用：用于應(yīng)用：用于WcWc為為0.30.5%0.30.5%的中碳鋼和合金鋼制造的的中碳鋼和合金鋼制造的軸、連軸、連桿、螺栓桿、螺栓等。等。 生產(chǎn)上將淬火和高溫回火稱為生產(chǎn)上將淬火和高溫回火稱為“調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)處理”。 一般規(guī)律：隨回火溫度一般規(guī)律：隨回火溫度，強度、硬度，強度、硬度，塑性韌性，塑性韌性?；鼗饻囟扰c力學(xué)性能回火溫度與力學(xué)性能第四節(jié) 鋼的表面熱處理 知識要點 表面熱處理的目的、分類 常用的表面熱處理工藝 了解表面熱處理的典型零件一、基本概念 目的：使零件具有“表硬心韌” 的性能特點。 二、分

17、類二、分類表面淬火表面淬火表面化學(xué)熱處理表面化學(xué)熱處理表面淬火：表面淬火：表面與心部的成分一致表面與心部的成分一致，組織不一樣。組織不一樣。 1 1 工藝：工藝： 將工件表面將工件表面快速快速加熱到加熱到奧氏體區(qū)奧氏體區(qū)，在熱，在熱量尚未達到心部時量尚未達到心部時立即迅速冷卻立即迅速冷卻，使，使表面得到一表面得到一定深度的淬硬層定深度的淬硬層，而，而心部仍保持原始組織心部仍保持原始組織的一種的一種局部淬火方法。局部淬火方法。 2 分類分類 火焰加熱火焰加熱表面淬火表面淬火感應(yīng)加熱感應(yīng)加熱表面淬火表面淬火激光加熱激光加熱表面淬火表面淬火 火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火 材料及典型零件材料及典型

18、零件中碳鋼（中碳鋼（Wc 0.40.5%Wc 0.40.5%）, , 如如4040、4545鋼機床齒輪、軸等零件。鋼機床齒輪、軸等零件。常用的表面淬火方法常用的表面淬火方法淬硬層深度：淬硬層深度：26mm26mm優(yōu)點：方法簡便；無需特殊設(shè)備；適用于單件、小批量生產(chǎn)零優(yōu)點：方法簡便；無需特殊設(shè)備；適用于單件、小批量生產(chǎn)零件；件；缺點：需要操作熟練，否則造成質(zhì)量不穩(wěn)定缺點：需要操作熟練，否則造成質(zhì)量不穩(wěn)定 應(yīng)用：應(yīng)用： 軋鋼機齒輪、軋輥；軋鋼機齒輪、軋輥； 礦山機械齒輪、軸；礦山機械齒輪、軸； 機床導(dǎo)軌、齒輪；機床導(dǎo)軌、齒輪； 感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火 淬硬層與頻率有關(guān)：淬硬層與頻率有關(guān)：

19、 0.22mm0.22mm，高頻感應(yīng)加熱（，高頻感應(yīng)加熱（1001000KHZ1001000KHZ） 2-8mm2-8mm，中頻感應(yīng)加熱（，中頻感應(yīng)加熱（0.510KHZ0.510KHZ）；）； 1015mm1015mm，工頻感應(yīng)加熱（，工頻感應(yīng)加熱（50HZ50HZ） 特點特點：淬火質(zhì)量好，表層組織細、硬度高、脆性小、生產(chǎn)效：淬火質(zhì)量好，表層組織細、硬度高、脆性小、生產(chǎn)效率高、便于自動化，缺點是設(shè)備昂貴率高、便于自動化，缺點是設(shè)備昂貴，勞動條件差勞動條件差。 激光加熱表面淬火激光加熱表面淬火工藝工藝： 將高功率密度的激光束照射到工件表面，使表面快速加將高功率密度的激光束照射到工件表面，使表面

20、快速加熱到奧氏體區(qū)，依靠工件本身熱傳導(dǎo)迅速自冷而獲得一定淬硬層熱到奧氏體區(qū)，依靠工件本身熱傳導(dǎo)迅速自冷而獲得一定淬硬層的工藝操作。的工藝操作。 硬化層硬化層：12mm12mm 應(yīng)用應(yīng)用：汽車、拖拉機汽缸套、汽缸、活塞環(huán)、凸輪軸等零件；：汽車、拖拉機汽缸套、汽缸、活塞環(huán)、凸輪軸等零件；特點特點：淬火質(zhì)量好，組織超細化，硬度高、脆性極小、工件變形：淬火質(zhì)量好，組織超細化，硬度高、脆性極小、工件變形小、不需要回火、節(jié)約能源、無污染、效率高、便于自動化，但小、不需要回火、節(jié)約能源、無污染、效率高、便于自動化，但是設(shè)備昂貴是設(shè)備昂貴 。四、表面化學(xué)熱處理（表層與心部的成分、組織都不同）1 工藝: 將工件

21、置于某種化學(xué)介質(zhì)中，通過加熱、保溫和冷卻使介質(zhì)中的某些元素滲入工件表層以改變工件表層的化學(xué)成分和組織，從而達到“表硬心韌”的性能特點。 2 可滲的元素：可滲的元素： 滲碳、氮、碳氮共滲（滲碳、氮、碳氮共滲（C C、N N、CNCN） 滲硼滲硼 、鉻、鉻 (B(B、Cr Cr ） 滲鋁、硅滲鋁、硅 (Al (Al 、Si)Si) 滲硫滲硫(S)(S) 3 3 滲碳（重點內(nèi)容）滲碳（重點內(nèi)容） （1 1）常用的材料：低碳鋼或者低碳合金鋼，如，）常用的材料：低碳鋼或者低碳合金鋼，如，2020，2525， （20CrMnTi20CrMnTi） （用于（用于汽車齒輪汽車齒輪）（2）介質(zhì)：最常用的氣體（）

22、介質(zhì)：最常用的氣體（煤油、苯、甲醇等高溫分解煤油、苯、甲醇等高溫分解的混合氣體（的混合氣體（CO,CHCO,CH4 4 C C2 2H H4 4等）等） 具有活性碳原子具有活性碳原子 （3）過程：過程：吸附：活性碳原子吸附至工件表面吸附：活性碳原子吸附至工件表面擴散：碳原子向工件里層擴散。擴散：碳原子向工件里層擴散。（4）溫度：在奧氏體區(qū)，）溫度：在奧氏體區(qū)，9009500C 時間：根據(jù)滲層深度而定，約時間：根據(jù)滲層深度而定，約10小時左右，小時左右， （5）熱處理：滲碳）熱處理：滲碳 + 淬火淬火 + 低溫回火低溫回火 組織表層：高碳回火馬氏體組織表層：高碳回火馬氏體 + 碳化物碳化物 +

23、A 組織心部：組織心部：F + P 或者或者M回（低碳）回（低碳）+ F +A 典型零件工藝路線的制定典型零件工藝路線的制定1 軸類零件（機床主軸）軸類零件（機床主軸）（1）分析工作條件：）分析工作條件：承受中等交變扭矩載荷、交變彎曲載荷承受中等交變扭矩載荷、交變彎曲載荷或者是拉壓載荷；局部（軸頸、花鍵）承受摩擦和磨損?；蛘呤抢瓑狠d荷；局部（軸頸、花鍵）承受摩擦和磨損。（2）失效形式：疲勞斷裂，軸頸處磨損（主要方式）；失效形式：疲勞斷裂，軸頸處磨損（主要方式）；沖擊沖擊過載斷裂等過載斷裂等（偶爾發(fā)生）（偶爾發(fā)生）（3 3）性能要求：高的疲勞強度；良好的綜合性能；）性能要求：高的疲勞強度；良好的綜合性能； 局部高硬度；局部