金屬材料與熱處理第五章

1、第五章第五章 鋼的熱處理鋼的熱處理熱處理的概念 熱處理是對金屬材料在固態(tài)下，采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織與性能的工藝。熱處理的作用熱處理工藝曲線 提高金屬材料的使用性能充分發(fā)揮材料的性能潛力延長零件的使用壽命改善金屬材料的工藝性能提高工件的加工質(zhì)量減少刀具磨損鋼的熱處理分類 摘自GB/T 12603-2005金屬熱處理工藝分類及代號 熱處理熱處理淬火淬火回火回火正火正火退火退火表面熱處理表面熱處理第一節(jié)第一節(jié) 鋼在加熱、冷卻時的組織轉(zhuǎn)變鋼在加熱、冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 第二節(jié)第二節(jié) 鋼的退火與正火鋼的退火與正火第三節(jié)第三節(jié) 鋼的淬火與回火鋼的淬火與回火 第四節(jié)第四節(jié) 鋼的表

2、面熱處理和化學(xué)熱處理鋼的表面熱處理和化學(xué)熱處理 第五節(jié)第五節(jié) 典型零件的熱處理分析典型零件的熱處理分析 第一節(jié)第一節(jié) 鋼在加熱、冷卻時的組織轉(zhuǎn)變鋼在加熱、冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 一、鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變一、鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變1鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度 鋼在加熱和冷卻時的臨界轉(zhuǎn)變溫度 加熱時的各臨界點：Ac1、Ac3、Accm冷卻時的各臨界點：Ar1、 Ar3 、Arcm2鋼的奧氏體化 將鋼加熱到Ac3或Ac1點以上，以獲得完全或部分奧氏體組織的操作稱為奧氏體化。 共析鋼中奧氏體形成過程示意圖 (a)奧氏體形核 (b)奧氏體長大 (c)剩余Fe3C溶解 (d)奧氏體均勻化 共析鋼 ： Ac1 以上亞共析鋼：

3、Ac3以上奧氏體化的加熱溫度：奧氏體化的加熱溫度：過共析鋼：Accm以上3影響奧氏體化的因素影響奧氏體化的因素 （1）加熱溫度 （2）加熱速度 （3）合金元素 （4）原始組織4奧氏體晶粒的長大奧氏體晶粒的長大 當(dāng)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變剛剛完成時，奧氏體晶粒比較細(xì)小 隨著加熱溫度的升高，保溫時間的延長，奧氏體晶粒會通過晶粒之間的相互吞并而長大5影響奧氏體晶粒長大的因素影響奧氏體晶粒長大的因素 （1）加熱溫度和保溫時間 （2）鋼的含碳量（3）合金元素奧氏體的晶粒度的三個概念起始晶粒度:珠光體剛剛轉(zhuǎn)變成奧氏體時的晶粒大小。 實際晶粒度:熱處理后所獲得的奧氏體晶粒的大小。 本質(zhì)晶粒度:加熱時奧氏體晶粒的長

4、大傾向稱本質(zhì)晶粒度。 7奧氏體晶粒大小的控制奧氏體晶粒大小的控制 （1）選擇合理的加熱溫度和保溫時間 （2）選擇合理的加熱速度 6奧氏體晶粒大小對鋼的力學(xué)性能的影響奧氏體晶粒大小對鋼的力學(xué)性能的影響 奧氏體晶粒粗大奧氏體晶粒均勻細(xì)小熱處理后鋼的力學(xué)性能提高冷卻后的組織粗大降低鋼的常溫力學(xué)性能，尤其是塑性二、鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變二、鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 2連續(xù)冷卻 1等溫冷卻 將奧氏體化的鋼從高溫冷卻到室溫，讓奧氏體在連續(xù)冷卻條件下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。 奧氏體化的鋼迅速冷卻到臨界點A1以下某一溫度并保溫，使奧氏體在此溫度下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。等溫冷卻:連續(xù)冷卻: 兩種冷卻方式示意圖 1、奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖及其

5、建立 共析鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的建立 奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖 2、共析鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能、共析鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能 共析鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變珠光體型轉(zhuǎn)變,又稱高溫轉(zhuǎn)變 珠光體(P)索氏體(S)托氏體(T)貝氏體型轉(zhuǎn)變,又稱中溫轉(zhuǎn)變 A1 550 550Ms 共析鋼的馬氏體型轉(zhuǎn)變MsMf 上貝氏體(B上 ) 下貝氏體(B下) A1650 650600 600550550350350 Ms 低碳馬氏體 含碳量0.25% 高碳馬氏體 含碳量1% 含碳量在0.251% 混合物 又稱低溫轉(zhuǎn)變 一、在等溫轉(zhuǎn)變圖上近似分析冷卻轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物 共析鋼等溫轉(zhuǎn)變C曲線 隨爐冷卻1轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體（P）

6、 2 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為索氏體（S） 空冷 3 油冷 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體和托氏體的混合組織 4 水冷 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體（M）和少量殘余奧氏體（A） 二、確定馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度二、確定馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度 k恰好與C曲線“鼻尖”相切，表示鋼中奧氏體在連續(xù)冷卻時不發(fā)生非馬氏體轉(zhuǎn)變所需的最小冷卻速度，稱為臨界冷卻速度 三、冷處理三、冷處理 冷處理是指零件淬火冷卻到室溫后，再放入其他冷卻介質(zhì)中繼續(xù)冷卻的熱處理工藝，在極冷介質(zhì)中冷卻（如液氮溫度可達(dá)-196）的冷處理又稱為深冷處理。 冷處理的主要目的：用途：精密量具、精密零件（如精密軸承）硬度要求較高的零件（如軸承套圈） 促使殘余奧氏體繼續(xù)向馬氏體轉(zhuǎn)變，

7、盡可能減少淬火零件中殘余奧氏體的數(shù)量 。第二節(jié)第二節(jié) 鋼的退火與正火鋼的退火與正火 一、退火一、退火 退火是指將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻（一般隨加熱爐冷卻）的熱處理方法。 1退火的目的 （1）降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工和冷變形加工。 （2）細(xì)化晶粒，均勻鋼的成分及組織，改善鋼的性能或為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。 （3）消除鋼中的殘余內(nèi)應(yīng)力，以防止變形和開裂。 2常用的退火方法 （1）完全退火 將鋼完全奧氏體化，隨之緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的工藝稱為完全退火。（2）球化退火為使鋼中碳化物球狀化而進(jìn)行的退火稱為球化退火。 （3）去應(yīng)力退火 為了去除工件因加工等原因

8、而造成的殘余應(yīng)力而進(jìn)行的退火，稱為去應(yīng)力退火。常用退火方法的工藝及應(yīng)用常用退火方法的工藝及應(yīng)用方法工藝組織性能應(yīng)用完全退火加熱溫度：Ac3以上3050（完全奧氏體化）冷卻方式：隨爐冷卻接近平衡組織：片狀珠光（體鐵素體）降低硬度，改善切削加工性能，消除內(nèi)應(yīng)力 主要用于亞共析鋼的鍛件、鑄件、熱軋型材和焊接件等球化退火加熱溫度：Ac1 以上2030冷卻方式：隨爐緩慢冷卻（冷卻速度小于50/h） 球狀珠光體，為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備降低硬度，改善切削加工性能，消除內(nèi)應(yīng)力 適用于共析鋼及過共析鋼，如碳素工具鋼、合金工具鋼、軸承鋼等去應(yīng)力退火加熱溫度：A1以下，一般取500650冷卻方式：隨爐冷卻組織不發(fā)

9、生改變性能不發(fā)生變化，僅消除內(nèi)應(yīng)力 用于鑄件、鍛件、焊接件等二、正火二、正火 將鋼加熱到Ac3或Accm以上3050，保溫適當(dāng)時間，在空氣中冷卻的工藝方法叫正火 退火和正火的加熱溫度范圍及熱處理工藝曲線 a) 加熱溫度范圍 b) 熱處理工藝曲線1完全退火 2球化退火 3去應(yīng)力退火 4正火正火的目的與退火基本相同比較細(xì)小的索氏體 正火鋼的組織正火與退火效果比較 正火鋼的強度、硬度比退火鋼高 消除鋼中殘余內(nèi)應(yīng)力，正火不如退火充分 退火與正火的應(yīng)用退火與正火的應(yīng)用 1作為預(yù)備熱處理應(yīng)用 作為預(yù)備熱處理時，具體選用退火還是正火，主要從以下三個方面考慮 （1）從切削加工性考慮 作為預(yù)備熱處理，低碳鋼應(yīng)選

10、用正火；中碳鋼則視其具體含碳量及合金元素含量，確定選用正火或完全退火；對于工具鋼、滾動軸承鋼等高碳鋼，必須選用球化退火作為預(yù)備熱處理，如課前部分提到的工具和量具，均選用球化退火作為預(yù)備熱處理。 零件形狀復(fù)雜或尺寸較大時，由于正火的冷卻速度較快，易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，有引起變形或開裂傾向，所以，以選用退火為宜。 （2）從零件的結(jié)構(gòu)形狀考慮2在其他方面的應(yīng)用 （1）退火可用于消除鑄鐵鑄件的白口組織 （2）正火用于消除網(wǎng)狀二次滲碳體 （3）正火有時可作為最終熱處理 正火比退火生產(chǎn)周期短，成本低，操作簡單，所以在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能選用正火。 （3）從經(jīng)濟性考慮第三節(jié)第三節(jié) 鋼的淬火與回火鋼的淬火與回火

11、一、淬火一、淬火 將鋼加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保溫一定時間，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理稱為淬火。 獲得馬氏體，以提高鋼的強度、硬度和耐磨性 淬火的主要目的1淬火的概念 2淬火加熱溫度 （1）亞共析鋼的淬火加熱溫度：（2）共析鋼和過共析鋼的淬火溫度：碳鋼淬火加熱溫度范圍 Ac3以上30-50CAc1以上30-50C 3淬火的冷卻介質(zhì) 淬火冷卻介質(zhì)冷卻能力應(yīng)用范圍淬火油較弱 形狀復(fù)雜的中、小型合金零件。如60Si2Mn 制作的彈簧 水較強 尺寸不大，外形較簡單，尺寸和形狀精度要求不高的碳鋼零件。 如T12A鋼制作的銼刀 鹽（堿）水強尺寸較大，外形簡單，硬度要

12、求較高，對形狀和尺寸精度要求不高的碳鋼零件。如45鋼制作的螺栓 鹽浴（堿?。┙橛谒c礦物油之間形狀復(fù)雜，對變形要求嚴(yán)格，截面尺寸較小的工具、量具等。如W18Cr4V制作的圓盤滾刀 4淬火方法 單介質(zhì)淬火 雙介質(zhì)淬火 馬氏體分級淬火 貝氏體等溫淬火 1表面 2心部 1表面 2心部 5鋼的淬透性和淬硬性 工件淬硬層與冷卻速度的關(guān)系 淬透性是指在規(guī)定的條件下，鋼在淬火后獲得淬硬層深度的能力。 淬透性淬硬性 淬硬性是指鋼在淬火后能達(dá)到的最高硬度的能力。 鋼的臨界冷卻速度越低，淬透性越好 鋼的淬硬性主要取決于鋼的含碳量。6常見淬火缺陷淬火畸變 淬火裂紋 氧化與脫碳 硬度不足 軟點 過熱與過燒 二、回火二

13、、回火 將淬火后的鋼再加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝叫回火 2回火的目的 1回火的概念 （1）消除內(nèi)應(yīng)力 （2）獲得所需要的力學(xué)性能 （3）穩(wěn)定組織和尺寸 3回火時鋼的組織與性能的變化 馬氏體的分解殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變滲碳體的形成滲碳體的聚集長大40鋼的力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系 80200200300300400400以上 從右圖可知，隨著回火溫度的升高，鋼的強度、硬度下降，塑性、韌性提高 4回火的方法和應(yīng)用 類型加熱溫度回火組織及性能應(yīng)用低溫回火150250回火馬氏體性能：具有較高的硬度（58-64HRC），高的耐磨性和一定的韌性主要用于高碳鋼、合金工具鋼制

14、造的刀具、量具、冷沖模具、軸承零件及其他要求硬而耐磨的零件。如T12鋼制作的銼刀中溫回火350500回火托氏體性能：具有高的彈性極限、屈服強度和適當(dāng)?shù)捻g性，硬度可達(dá)35-50HRC彈性零件及熱作模具等。如60Si2Mn制作的機車彈簧 高溫回火500650回火索氏體 性能：具有良好的綜合力學(xué)性，強度、硬度、塑性和韌性具有良好的配合，硬度達(dá)到200-330HBW廣泛用于連桿、曲軸、齒輪及車床主軸等承受交變載荷或沖擊的重要零件。如用45鋼制作的車床主軸生產(chǎn)中常把淬火及高溫回火的復(fù)合熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)。 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì) 調(diào)質(zhì)鋼與正火鋼相比，不僅強度較高，而且塑性、韌性遠(yuǎn)高于正火鋼。重要零件均采用調(diào)質(zhì)處理 。

15、 45鋼正火或調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能比較熱處理狀態(tài)Rm（MPa）A(%)K(J/cm2)HBW正火70080015205080162220調(diào)質(zhì)750850202580120210250淬火與回火的應(yīng)用淬火與回火的應(yīng)用 硬度和耐磨性要求較高的零件，如工具、量具、冷作模具和在摩擦條件下工作的機械零件（如滾動軸承）等，此類零件一般選用高碳鋼制作，可采用淬火和低溫回火處理。 強度要求較高的彈性零件（如彈簧）和部分熱作模具等，此類零件一般選用中、高碳鋼制造，為了獲得較高的彈性和必要的韌性，可采用淬火和中溫回火處理。 綜合力學(xué)性能要求較高，強度、塑性和韌性需有良好配合的零件，如軸類零件、齒輪、連接件、結(jié)構(gòu)件等，此

16、類零件一般選用中碳結(jié)構(gòu)鋼制造，為了獲得所要求的力學(xué)性能，可采用淬火和高溫回火處理，即調(diào)質(zhì)處理 。第四節(jié)第四節(jié) 鋼的表面熱處理和化學(xué)熱處理鋼的表面熱處理和化學(xué)熱處理 表面熱處理和化學(xué)熱處理是對工件表面進(jìn)行硬化的熱處理方法，其主要目的是改變工件表面的成份或組織，提高表面的硬度和耐磨性，而心部仍保持良好的強度、塑性和韌性。一、表面熱處理一、表面熱處理表面熱處理表面淬火和回火物理氣相沉積化學(xué)氣相沉積表面淬火 火焰加熱表面淬火 感應(yīng)加熱表面淬火 用氧乙炔（或其他可燃?xì)怏w）火焰對零件表面進(jìn)行快速加熱，隨之快速冷卻的工藝稱為火焰加熱表面淬火 利用感應(yīng)電流通過工件所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使工件表面局部加熱，然后快速冷

17、卻的淬火工藝，稱為感應(yīng)加熱表面淬火 二、化學(xué)熱處理二、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工件表層，以改變表層中的化學(xué)成分和組織，從而改善工件表面性能的熱處理工藝，稱為化學(xué)熱處理 ?；瘜W(xué)熱處理分類 滲碳滲氮碳氮共滲滲硼滲金屬化學(xué)熱處理三個基本過程分解 吸收 擴散 最常用1鋼的滲碳 將工件置于滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝稱為滲碳 。滲碳用鋼 低碳鋼或低碳合金鋼，常用滲碳用鋼有15、20、20Cr、20CrMnTi、20SiMnVB等 滲碳分類 氣體滲碳固體滲碳液體滲碳滲碳件的一般工藝路線 鍛造正火機械加工滲碳淬火低溫回火精加工 滲碳后

18、的工件需進(jìn)行淬火及低溫回火，使零件表面獲得高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定強度及較高的塑性和韌性 2鋼的滲氮 在一定溫度下，使活性氮原子滲入工件表面以形成高氮硬化層的化學(xué)熱處理工藝稱為滲氮 。提高工件表面的硬度、耐磨性、耐蝕性及疲勞強度 滲氮目的 滲氮用鋼 最常用的是38CrMoAl，其次是35CrMo、18CrNiW等 常用滲氮方法 氣體滲氮 離子滲氮 滲氮件的一般工藝路線鍛造退火機械粗加工調(diào)質(zhì)機械精加工去應(yīng)力退火粗磨滲氮精磨或研磨3碳氮共滲 在一定溫度下，將碳、氮原子同時滲入工件表層奧氏體中的化學(xué)熱處理稱為碳氮共滲。 按使用介質(zhì)分類 按共滲溫度分類 固體碳氮共滲液體碳氮共滲氣體碳氮共滲高溫

19、碳氮共滲中溫碳氮共滲低溫碳氮共滲常用方法中溫氣體碳氮共滲低溫氣體碳氮共滲表面熱處理和化學(xué)熱處理的應(yīng)用表面熱處理和化學(xué)熱處理的應(yīng)用一、表面淬火 火焰加熱表面淬火 感應(yīng)加熱表面淬火 大尺寸零件的局部淬火 單件或小批量生產(chǎn)高頻感應(yīng)加熱 中頻感應(yīng)加熱 工頻感應(yīng)加熱 適用于在摩擦條件下工作的零件，如中小模數(shù)的齒輪及中小尺寸的軸類零件等 適用于承受扭曲、壓力載荷的零件，如較大尺寸的軸類零件和大模數(shù)齒輪等 適用于承受扭曲、壓力載荷的大型零件的表面淬火，如軋輥、火車車輪等 二化學(xué)熱處理 滲碳 滲氮 碳氮共滲 適用于承受較大摩擦和沖擊載荷作用零件的表面強化處理，如各種齒輪、軸、活塞銷、套筒等 多用于精度要求較高

20、的耐磨零件的表面強化處理，如高精度機床絲杠，鏜床、磨床的主軸等 中溫碳氮共滲 低溫碳氮共滲 常用來處理汽車和機床上的齒輪、渦輪蝸桿和軸類零件等 常用于處理模具、量具、高速鋼刀具等 第五節(jié)第五節(jié) 典型零件的熱處理分析典型零件的熱處理分析 熱處理分析的任務(wù)熱處理分析的任務(wù) 根據(jù)零件的工作特點和技術(shù)要求，分析熱處理的目的和作用，選擇合適的熱處理方法，并合理安排熱處理的工序位置 一、熱處理的技術(shù)條件一、熱處理的技術(shù)條件 需要熱處理的零件，對其熱處理后應(yīng)當(dāng)達(dá)到的組織、力學(xué)性能、工藝性能和精度等方面的要求，統(tǒng)稱為熱處理技術(shù)條件 2最終熱處理的工序位置 最終熱處理包括淬火、回火、表面熱處理及化學(xué)熱處理等，有

21、些零件性能要求不高，退火、正火和調(diào)質(zhì)也可作為最終熱處理。 最終熱處理的工序位置一般均安排在半精加工之后，其后一般為磨削等精加工。 二、熱處理的工序位置二、熱處理的工序位置 1預(yù)備熱處理的工序位置 預(yù)備熱處理 退火、正火 一般安排在毛坯生產(chǎn)（如鍛造）之后、切削加工之前 一般安排在粗加工之后、精加工或半精加工之前 調(diào)質(zhì)一、車床主軸的熱處理分析一、車床主軸的熱處理分析 1熱處理技術(shù)條件 整體調(diào)質(zhì)后硬度為220250HBW，軸頸、內(nèi)錐孔硬度為52HRC 2熱處理方法的選用和工序位置安排熱處理方法的選用和工序位置安排主軸的加工工藝路線為：主軸的加工工藝路線為： 鍛造鍛造正火正火機械粗加工機械粗加工調(diào)質(zhì)調(diào)

22、質(zhì)機械半精加工機械半精加工軸頸、內(nèi)錐孔軸頸、內(nèi)錐孔局部表面淬火及低溫回火局部表面淬火及低溫回火磨削磨削 正火正火屬于預(yù)備熱處理，其主要目的是改善切削加工性，并為最屬于預(yù)備熱處理，其主要目的是改善切削加工性，并為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備，應(yīng)安排在粗加工之前終熱處理做好組織準(zhǔn)備，應(yīng)安排在粗加工之前。 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)屬于最終熱處理，零件圖中屬于最終熱處理，零件圖中“調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)220250HBW”的熱處的熱處理技術(shù)條件，已經(jīng)明確了整體調(diào)質(zhì)的方法和要求，其主要目的是為了理技術(shù)條件，已經(jīng)明確了整體調(diào)質(zhì)的方法和要求，其主要目的是為了保證其使用性能。整體調(diào)質(zhì)應(yīng)安排在粗加工之后，半精加工之前，以保證其使用性能。整體調(diào)質(zhì)應(yīng)安排在粗加工之后