金屬材料與熱處理第五章

金屬材料與熱處理第五章第一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二熱處理工藝曲線鋼的熱處理分類第二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二

第一節(jié)鋼在加熱、冷卻時的組織轉(zhuǎn)變熱處理車間爐膛式電阻爐熱處理是機械零件生產(chǎn)過程中，為了改善材料的工藝性能或使用性能而進行的重要工序。一般機械生產(chǎn)企業(yè)都會有專門的熱處理車間。機械零件在加工過程中為什么要進行熱處理？第三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二一、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)變溫度第四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二2.鋼的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）奧氏體晶核長大c）殘余Fe3C的溶解d）奧氏體均勻化第五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二3.影響奧氏體化的因素（1）加熱溫度加熱溫度越高，奧氏體形成速度越快。（2）加熱速度加熱速度越快，過熱度越大，奧氏體實際形成溫度越高，可獲得細小的起始晶粒。（3）合金元素Ni、Mn等合金元素降低臨界點，而Cr、W、Mo、V、Ti等合金元素提高臨界點。Co和Ni元素加快奧氏體的形成速度；Cr、W、Mo、V、Ti等元素降低奧氏體的形成速度。（4）原始組織的影響Fe3C越細，相界面越多，越有利于奧氏體的形成。第六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二4.奧氏體晶粒的長大當珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變剛剛完成時，奧氏體晶粒是比較細小的。這是由于珠光體內(nèi)鐵素體和滲碳體的相界面很多，有利于形成數(shù)目眾多的奧氏體晶核。不論原來鋼的晶粒粗或細，通過加熱時的奧氏體化，都能得到細小晶粒的奧氏體。但是隨著加熱溫度的升高，保溫時間的延長，奧氏體晶粒會自發(fā)地長大。長大是通過晶粒之間的相互吞并來完成的。第七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二5.影響奧氏體晶粒長大的因素（1）加熱溫度和保溫時間奧氏體化溫度越高，保溫時間越長，奧氏體晶粒越粗大。（2）鋼的含碳量的影響在碳鋼中，共析鋼的奧氏體晶粒最容易長大粗化。這是因為在亞共析鋼中有先共析鐵素體，在過共析鋼中有先共析滲碳體，它們對奧氏體化過程及奧氏體晶粒的長大都有阻礙作用。（3）合金元素的影響合金元素Ti、Al等有阻礙奧氏體晶粒長大的作用，有利于得到細晶粒鋼。Mn和P等元素有促進奧氏體晶粒長大的作用。第八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二6.奧氏體晶粒大小對鋼的力學性能的影響奧氏體晶粒均勻細小，熱處理后鋼的力學性能提高。奧氏體晶粒粗大，冷卻后的組織也粗大，會降低鋼的常溫力學性能，尤其是塑性。粗大的奧氏體晶粒在淬火時容易引起工件產(chǎn)生較大的變形甚至開裂。7.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第九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二二、鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變兩種冷卻方式的工藝曲線1—等溫冷卻2—連續(xù)冷卻熱處理工藝中，常采用等溫冷卻和連續(xù)冷卻兩種方式。第十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二1.奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線共析鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的建立奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖在臨界點A1以下存在的奧氏體稱為過冷奧氏體。第十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二2.共析鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能（1）共析鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物1）珠光體型轉(zhuǎn)變（又稱高溫轉(zhuǎn)變）。在A1~550℃溫度范圍內(nèi)，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和滲碳體的片層混合物——珠光體。珠光體型轉(zhuǎn)變的組織及性能特點第十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二2）貝氏體型轉(zhuǎn)變（又稱中溫轉(zhuǎn)變）。在550℃~Ms溫度范圍內(nèi)，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w。貝氏體型轉(zhuǎn)變的組織及性能特點第十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二（2）共析鋼的馬氏體型轉(zhuǎn)變（又稱低溫轉(zhuǎn)變）當鋼從奧氏體區(qū)急冷到Ms以下時，奧氏體立即開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。馬氏體型轉(zhuǎn)變的組織及性能特點第十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二

第二節(jié)鋼的退火與正火前面章節(jié)中介紹了幾種常用的加工和測量工具。它們均采用含碳量較高的鋼制造，以保證其具有較高的硬度和耐磨性。但高硬度勢必增加加工難度，在實際生產(chǎn)中，如何才能將這些高硬度材料加工成所需要的形狀和尺寸呢？第十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二一、退火退火是指將鋼加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理方法。1.退火的目的（1）降低鋼的硬度，提高塑性。（2）細化晶粒，均勻鋼的成分及組織。（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。第十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二（2）球化退火為使鋼中碳化物球狀化而進行的退火稱為球化退火。球狀珠光體顯微組織（400×）球化退火的工藝：將鋼加熱到Ac1以上20～30℃

，保溫一定時間，以小于50℃

/h的冷卻速度隨爐冷卻。第十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二（3）去應(yīng)力退火為了去除工件因加工等原因造成的殘余內(nèi)應(yīng)力而進行的退火，稱為去應(yīng)力退火。去應(yīng)力退火的工藝：將鋼加熱到Ac1以下（一般取600～650℃

），經(jīng)保溫后隨爐緩慢冷卻。常用退火方法的工藝及應(yīng)用第十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二二、正火將鋼加熱到Ac3或Accm以上30~50℃，保溫適當時間，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—正火第十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二

第三節(jié)鋼的淬火與回火采用高碳鋼制作的工具和量具等，為了改善切削加工性能，需要通過退火降低鋼的硬度。但加工完成之后，還必須采取一定的熱處理工藝，恢復(fù)其高的硬度和耐磨性，那么什么樣的方法才能達到這一要求呢？第二十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二一、淬火1.淬火的概念將鋼加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保溫一定時間，然后以適當?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。淬火的主要目的是獲得馬氏體，以提高鋼的強度、硬度和耐磨性。第二十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二2.淬火加熱溫度（1）亞共析鋼的淬火加熱溫度亞共析鋼的淬火加熱溫度為Ac3以上30~50℃，淬火后獲得細小的馬氏體組織，從而獲得較好的力學性能。（2）共析鋼和過共析鋼的淬火加熱溫度共析鋼和過共析鋼的淬火加熱溫度為Ac1以上30~50℃。鋼的淬火加熱溫度范圍第二十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二3.淬火的冷卻介質(zhì)常用淬火介質(zhì)有水、鹽水（或堿水）、淬火油、鹽?。ɑ驂A?。┑?。鋼的理想淬火冷卻速度

常用冷卻介質(zhì)的冷卻能力和應(yīng)用范圍第二十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二4.淬火方法常用淬火方法的特點及應(yīng)用第二十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二5.鋼的淬透性和淬硬性工件淬硬層與冷卻速度的關(guān)系a）冷卻速度b）淬硬層工件淬硬層與冷卻速度的關(guān)系如下圖所示。第二十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二（1）淬透性淬透性是指在規(guī)定的條件下，鋼在淬火后獲得淬硬層深度的能力。獲得的淬硬層越深，淬透性越好。臨界冷卻速度越低，淬透性越好。一切增加過冷奧氏體穩(wěn)定性、降低臨界冷卻速度的因素都可以提高鋼的淬透性。（2）淬硬性淬硬性是指鋼在淬火后能達到的最高硬度的能力。鋼的淬硬性主要取決于鋼的含碳量。鋼的淬硬性好，其淬透性不一定就好。例如，高碳鋼的淬硬性很高，但淬透性差。而低碳合金鋼的淬透性相當好，但它的淬硬性卻不高。第二十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二6.淬火缺陷及防止與補救措施淬火缺陷及防止與補救措施第二十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二二、回火1.回火的概念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。鋼件淬火后，雖然具有高的硬度和耐磨性，但脆性較大，韌性較低，還存在著較大的淬火內(nèi)應(yīng)力。為了消除這些不利因素的影響，需及時進行回火處理。2.回火的目的（1）消除內(nèi)應(yīng)力。（2）獲得所需要的力學性能。（3）穩(wěn)定組織和尺寸。第二十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二3.回火時鋼的組織與性能的變化（1）第一階段：馬氏體的分解（80~200℃）。（2）第二階段：殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變（200~300℃）。（3）第三階段：滲碳體的形成（300~400℃）。（4）第四階段：滲碳體的聚集長大（400℃以上）。40鋼的力學性能與回火溫度的關(guān)系第二十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二4.回火的方法和應(yīng)用常用回火方法、回火組織、性能及應(yīng)用45鋼正火或調(diào)質(zhì)后力學性能比較第三十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二

第四節(jié)鋼的表面熱處理和化學熱處理在機械設(shè)備中，有許多零件會同時承受沖擊和摩擦兩種載荷的作用，如汽車變速齒輪、傳動齒輪軸等，此類零件不僅要求具有較高的硬度和耐磨性，而且還應(yīng)具有足夠的塑性和韌性。這一特殊性能要去是無法通過調(diào)節(jié)鋼的含碳量或采用常規(guī)熱處理方法解決的?？煞裢ㄟ^一些方法，讓零件表面具有較高的硬度而心部具有較高的塑性和韌性呢？第三十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二一、表面熱處理1.火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火1—燒嘴2—噴水管3—淬硬層4—工件5—加熱層表面熱處理和化學熱處理是對工件表面進行硬化的熱處理方法。第三十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二2.感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火的特點：（1）加熱速度快。（2）淬火質(zhì)量好。（3）淬硬層深度易于控制，

操作易實現(xiàn)機械化和自動化。感應(yīng)加熱表面淬火1—工件2—間隙3—加熱淬火層4—淬火噴水管5—加熱感應(yīng)圈第三十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二二、鋼的化學熱處理根據(jù)滲入元素的不同，化學熱處理可分為滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲金屬?；瘜W熱處理都是通過三個基本過程來完成。（1）分解（2）吸收（3）擴散第三十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二1.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熱處理工藝稱為滲碳。滲碳后的工件需進行淬火及低溫回火，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。920℃滲碳時滲碳層厚度與滲碳時間的關(guān)系滲碳的一般工藝路線為鍛造→正火→機械粗加工→滲碳→淬火→低溫回火→機械精加工。第三十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二氣體滲碳爐及原理示意圖1—風扇電動機2—廢氣火焰3—爐蓋4—砂封5—電阻絲6—耐熱罐7—工件8—爐體第三十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二低碳鋼滲碳緩冷后的滲碳層顯微組織（200×）工件滲碳后，表層含碳量最高，向內(nèi)逐漸降低，中心則為鋼的原含碳量。第三十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期二2.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熱處理工藝稱為滲氮，其目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、耐蝕性及疲勞強度。滲氮的特點：（1）滲氮層具有很高的硬度和耐磨性。（2）滲氮溫度低，工件變形小。（3）滲氮零件具有很好的耐蝕性。（4）滲氮工藝過程復(fù)雜，生產(chǎn)