工程材料第3章熱處理工藝

1、第第 三三 章章 熱處理與表面工程技術(shù)熱處理與表面工程技術(shù)( (熱處理熱處理工工 藝藝 部部 分分）教學(xué)要求教學(xué)要求：本節(jié)是課程的重點(diǎn)，要求熟練掌握：本節(jié)是課程的重點(diǎn)，要求熟練掌握： 1.1.各種熱處理工藝方法的目的，工藝特點(diǎn)，組織各種熱處理工藝方法的目的，工藝特點(diǎn)，組織和性能特點(diǎn)及其應(yīng)用。和性能特點(diǎn)及其應(yīng)用。 2.2.能根據(jù)零件材料和性能要求選擇合適的熱處理能根據(jù)零件材料和性能要求選擇合適的熱處理方法。方法。 ReviewReview 金屬熱處理金屬熱處理是通過是通過加熱加熱、保溫保溫、冷卻冷卻， 以改善以改善材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能的工藝方法材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能的工藝方法。 根據(jù)工藝方法根據(jù)工藝方

2、法 熱處理可分為三大類：熱處理可分為三大類： 普通熱處理普通熱處理：退火、正火、淬火、回火：退火、正火、淬火、回火 表面熱處理表面熱處理：表面淬火和表面化學(xué)熱處理：表面淬火和表面化學(xué)熱處理 其它熱處理其它熱處理：形變熱處理，超細(xì)化熱處理：形變熱處理，超細(xì)化熱處理, , 真空熱處理等真空熱處理等 3.3 3.3 退火與正火退火與正火1 1、定義、定義 退火退火（AnnealingAnnealing） 將鋼加熱到預(yù)定溫度，保溫后將鋼加熱到預(yù)定溫度，保溫后緩慢冷卻緩慢冷卻（爐（爐冷）冷），獲得接近平衡組織的熱處理工藝。，獲得接近平衡組織的熱處理工藝。 正火正火（NormalizingNormaliz

3、ing） 將鋼加熱到奧氏體狀態(tài)將鋼加熱到奧氏體狀態(tài), ,保溫后在保溫后在空空氣中氣中冷冷卻卻的工藝。的工藝。 1.1.退火與正火退火與正火（1 1） 目的目的 例、齒輪加工工藝路線例、齒輪加工工藝路線 毛坯鍛造毛坯鍛造正火（退火）正火（退火）機(jī)加工機(jī)加工熱處熱處理理精加工精加工-1 1）消除應(yīng)力消除應(yīng)力 以減少鑄鍛焊和其它加工零件變形以減少鑄鍛焊和其它加工零件變形, ,開裂傾向；開裂傾向；2 2）細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒，消除組織缺陷為后續(xù)熱處理作準(zhǔn)備。，消除組織缺陷為后續(xù)熱處理作準(zhǔn)備。3 3）調(diào)整硬度，改善切削性能調(diào)整硬度，改善切削性能（退火可降低硬度，正火可適當(dāng)（退火可降低硬度，正火可適當(dāng)提高硬度

4、）；提高硬度）； 正火還可以消除網(wǎng)狀滲碳體，利于后續(xù)球化退火。正火還可以消除網(wǎng)狀滲碳體，利于后續(xù)球化退火。2 2、工藝、工藝13.3鋼鋼的的退火與正火退火與正火1 1）完全退火）完全退火 特點(diǎn)：特點(diǎn)：完全完全A A化化 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：周期很長，成：周期很長，成本高。本高。2 2）等溫退火）等溫退火 特點(diǎn)特點(diǎn)：完全：完全A A化化 周期短，成本低周期短，成本低3）球）球化化退火退火 適用適用：高碳鋼：高碳鋼 目的目的：降低硬度，改善切削性：降低硬度，改善切削性能。能。 加熱溫度加熱溫度：Ac1+30Ac1+305050平衡組織平衡組織球化組織球化組織含含1.4%C鋼的鋼的組織組織3 3 、選擇、選擇

5、1 1）考慮切削性能考慮切削性能（刀具最佳切削硬度刀具最佳切削硬度180220 HBS)180220 HBS) 表表 不同含碳量的鋼在正火和退火后的硬度不同含碳量的鋼在正火和退火后的硬度(HBS) (HBS) 含碳量（）含碳量（）0.250.250.250.250.650.650 . 6 50 . 6 50.80.8工具鋼工具鋼退火硬度退火硬度150150150150180180180180220220187217187217正火硬度正火硬度156156156156228228228228280280230340230340中低碳鋼采用正火，中低碳鋼采用正火，高碳鋼和工具鋼采用退火有利于切高碳

6、鋼和工具鋼采用退火有利于切削削。 2）考慮使用性能考慮使用性能正火比退火硬，正火優(yōu)先。正火比退火硬，正火優(yōu)先。3 3）考慮經(jīng)濟(jì)性考慮經(jīng)濟(jì)性 正火生產(chǎn)周期短，成本較低正火生產(chǎn)周期短，成本較低真空退火爐真空退火爐3.4 3.4 鋼的淬火鋼的淬火 淬火：淬火：Quenching激冷激冷 Hardening硬化硬化 把鋼把鋼加熱加熱 保溫保溫 快冷快冷使零件使零件硬化硬化的熱處理工的熱處理工藝藝。 淬火后獲得淬火后獲得馬氏體或貝氏體組織馬氏體或貝氏體組織。 3.4.1-13.4.1-1淬火加熱溫度的選擇淬火加熱溫度的選擇 碳鋼的淬火加熱溫度范圍碳鋼的淬火加熱溫度范圍1 1、亞共析鋼、亞共析鋼 ACAC

7、3 3(30(3050)50)2 2、過共析鋼、過共析鋼 AcAc1 1(30(3050)50)為什么亞共析鋼要進(jìn)行完全淬火為什么亞共析鋼要進(jìn)行完全淬火 完全淬火完全淬火得到得到完全馬氏體。完全馬氏體。 不完全淬火不完全淬火馬氏體組織中有鐵馬氏體組織中有鐵素體出現(xiàn)。素體出現(xiàn)。為什么過共析鋼只能進(jìn)行不完全淬火為什么過共析鋼只能進(jìn)行不完全淬火 完全淬火完全淬火：馬氏體：馬氏體含碳量過高，易開含碳量過高，易開裂和形成大量殘余裂和形成大量殘余奧氏體；奧氏體； 不完全淬火不完全淬火：有：有細(xì)小彌散滲碳體殘細(xì)小彌散滲碳體殘余，奧氏體含碳量余，奧氏體含碳量低，因而淬火時不低，因而淬火時不易開裂，且殘余滲易開

8、裂，且殘余滲碳體量少。碳體量少。為什么過共析鋼只能進(jìn)行不完全淬火為什么過共析鋼只能進(jìn)行不完全淬火1T12鋼正常淬火組織鋼正常淬火組織T12鋼過熱淬火組織鋼過熱淬火組織3.4.1-2淬火冷卻介質(zhì)的選擇淬火冷卻介質(zhì)的選擇 選用原則：為選用原則：為減少淬火應(yīng)力，減少淬火應(yīng)力，能獲得能獲得M M或或B B盡可能慢盡可能慢冷冷。 水水 適用于碳鋼，變形開裂適用于碳鋼，變形開裂傾向大。傾向大。 鹽水鹽水 1010的的NaClNaCl水溶液，水溶液，適用于低碳鋼，適用于低碳鋼， 油油 常用常用1010號機(jī)油，適用于號機(jī)油，適用于合金鋼，不能用于碳鋼冷卻。合金鋼，不能用于碳鋼冷卻。理想的淬火冷卻曲線圖理想的淬

9、火冷卻曲線圖3.4.2 3.4.2 常用淬火方法常用淬火方法1.1.單液淬火單液淬火優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，操作方便。操作方便。缺點(diǎn)：淬火應(yīng)力大，缺點(diǎn)：淬火應(yīng)力大，工件易變形。工件易變形。適用：形狀簡單的適用：形狀簡單的中、低碳鋼工件。中、低碳鋼工件。3.4.2 3.4.2 常用淬火方法常用淬火方法 -雙液淬火雙液淬火 優(yōu)點(diǎn)：大大減小工優(yōu)點(diǎn)：大大減小工件的淬火應(yīng)力和變件的淬火應(yīng)力和變形開裂傾向。形開裂傾向。 缺點(diǎn)：操作難度較缺點(diǎn)：操作難度較高。高。 適用：小批量適用：小批量3.4.2 3.4.2 常用淬火方法常用淬火方法 分級淬火分級淬火 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：操作簡單。：操作簡單?？捎行Х乐箲?yīng)力

10、和可有效防止應(yīng)力和開裂。開裂。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：需要鹽浴爐：需要鹽浴爐 適用適用：小工件大批：小工件大批量。量。3.4.2 3.4.2 常用淬火方法常用淬火方法 等溫淬火等溫淬火 目的目的：得到：得到B B下下 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)：同分級：同分級淬火，也需要鹽淬火，也需要鹽浴爐。浴爐。 適用適用：需要高強(qiáng)：需要高強(qiáng)韌性的小工件韌性的小工件。3.4.2 3.4.2 常用淬火方法常用淬火方法單液淬火單液淬火 操作方便，變形大操作方便，變形大雙液淬火雙液淬火 水淬水淬油冷或油淬油冷或油淬空冷空冷分級淬火分級淬火 加熱零件先在加熱零件先在MsMs點(diǎn)附近介質(zhì)點(diǎn)附近介質(zhì) 中冷卻中冷卻, ,再取出空冷，再取出空冷，等溫

11、淬火等溫淬火 在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的介質(zhì)中在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的介質(zhì)中冷卻，得到冷卻，得到貝氏體貝氏體組織組織 常用淬火方法示意圖常用淬火方法示意圖 3.4.3鋼的淬透性鋼的淬透性1定義定義 淬透性淬透性（HardenabilityHardenability） 直譯：鋼可淬火硬化的能力直譯：鋼可淬火硬化的能力, , 鋼淬火時獲得馬氏體的難易程度鋼淬火時獲得馬氏體的難易程度。 它主要取決于鋼中合金元素，它主要取決于鋼中合金元素，合金元素的種類和含量越高，合金元素的種類和含量越高，鋼的淬透性越高。鋼的淬透性越高。鋼的淬透性對零件淬硬層深度的影響鋼的淬透性對零件淬硬層深度的影響a) b)圖圖3.28 3.28

12、淬火時零件截面上的冷速變化及結(jié)果淬火時零件截面上的冷速變化及結(jié)果a a）未淬透）未淬透 b b）淬透）淬透 2 2、測定、測定 -末端淬火法（末端淬火法（GB 225GB 2258888） 圖 3.29.末端淬示意圖 鋼的淬透性值以鋼的淬透性值以 J J 表示，表示， J J表示末端淬火法，表示末端淬火法，d d（mmmm）為至水冷端距離，為至水冷端距離，HRCHRC為相應(yīng)距離的硬度值。如：為相應(yīng)距離的硬度值。如：J J ，J J ，J JdHRC54217744103530 （c c）淬透性曲線淬透性曲線淬透性好的鋼淬透性好的鋼材經(jīng)材經(jīng)調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)處理后，整個截面后，整個截面都是回火都是回火

13、S S，力，力學(xué)性能均勻，學(xué)性能均勻，強(qiáng)韌性高；強(qiáng)韌性高； 而淬透性差而淬透性差的鋼表層為回的鋼表層為回火火S S，心部為片，心部為片狀狀S+FS+F，心部強(qiáng)，心部強(qiáng)韌性差。韌性差。4 4、應(yīng)用、應(yīng)用 1 1）選擇材料）選擇材料 2 2）選擇淬火冷卻介質(zhì)）選擇淬火冷卻介質(zhì) 40Cr40Cr鋼的淬透性曲線帶鋼的淬透性曲線帶3.5. 3.5. 淬火鋼的回火淬火鋼的回火 回火回火 ( (TemperingTempering, , 韌化韌化) )： 淬火鋼在淬火鋼在A A1 1溫度以下溫度以下 加熱、保溫、冷卻的工藝。加熱、保溫、冷卻的工藝。（1 1）回火的目的）回火的目的 1 1）消除應(yīng)力消除應(yīng)力，

14、降低脆性，減少變形和開裂；，降低脆性，減少變形和開裂； 2 2）穩(wěn)定組織穩(wěn)定組織，使，使A AR R（Retained AusteniteRetained Austenite）分解轉(zhuǎn)變；分解轉(zhuǎn)變； 3 3）調(diào)整和改善性能調(diào)整和改善性能，通過不同回火工藝提高鋼的強(qiáng)韌，通過不同回火工藝提高鋼的強(qiáng)韌性。性。（2 2）回火的組織與性能變化）回火的組織與性能變化 1 1） 組織變化組織變化 100100300 200300 200300300 馬氏體的分解馬氏體的分解 M M 碳化物碳化物 （回火馬氏體回火馬氏體） 殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變 A AR R B B 或或 M M 滲碳體聚集長大、滲

15、碳體聚集長大、鐵素體回復(fù)和再結(jié)晶鐵素體回復(fù)和再結(jié)晶 500500 組織：塊狀組織：塊狀F F 粒狀粒狀FeFe3 3C C （回火索氏體回火索氏體 500500） 碳化物的形成碳化物的形成 碳化物碳化物FeFe3 3C C 針狀針狀 F F 組織組織：針狀針狀F + F + 細(xì)粒狀細(xì)粒狀 FeFe3 3C C ( ( 回火托氏體回火托氏體（350350500500） ) ) 400以上以上300-400300-4002 2） 性能變化性能變化 圖. 40鋼在不同回火溫度的性能變化 隨著回火溫度隨著回火溫度升高升高, ,淬火鋼的強(qiáng)度淬火鋼的強(qiáng)度, ,硬度硬度下降下降, ,塑性塑性升高升高, ,韌

16、性呈升高趨勢韌性呈升高趨勢, ,但中間出現(xiàn)兩次下降（回火脆性）但中間出現(xiàn)兩次下降（回火脆性） 。 回火脆性回火脆性第一類回火脆性第一類回火脆性 發(fā)生在發(fā)生在300300左右，是左右，是 一種不可避免的脆性，一種不可避免的脆性， 亦稱不可逆回火脆性。亦稱不可逆回火脆性。第二類回火脆性第二類回火脆性 發(fā)生在發(fā)生在570570左右，但左右，但回火以后較快冷卻可以回火以后較快冷卻可以避免。避免。 圖 淬火鋼的韌性與回火溫度的關(guān)系 回火回火名稱名稱回火溫度回火溫度回火后回火后組組 織織性能特點(diǎn)及主要應(yīng)用性能特點(diǎn)及主要應(yīng)用低溫低溫回火回火150150250250回回 火火馬氏體馬氏體高硬度，高耐磨性高硬度，高耐磨性。適用