金屬工藝學(xué)第四章

第四章

鋼的熱處理本章(běnzhānɡ)重難點(diǎn)熱處理的基本原理整體熱處理的工藝(gōngyì)特點(diǎn)1共九十七頁(yè)

第一節(jié)熱處理基本原理本節(jié)重點(diǎn)：共析鋼加熱和冷卻(lěngquè)時(shí)的組織轉(zhuǎn)變本節(jié)難點(diǎn)：共析鋼C曲線(qūxiàn)的理解2共九十七頁(yè)鋼在加熱(jiārè)時(shí)的轉(zhuǎn)變第一節(jié)熱處理基本原理鋼在冷卻(lěngquè)時(shí)的轉(zhuǎn)變

熱處理概述3共九十七頁(yè)一、熱處理概述(ɡàishù)鋼的熱處理的定義熱處理工藝曲線(qūxiàn)

熱處理的分類4共九十七頁(yè)鋼－－固態(tài)－－加熱、保溫、冷卻－－改善(gǎishàn)組織、性能的工藝方法。

性能變化組織、結(jié)構(gòu)變化決定改變鋼的熱處理1定義(dìngyì)：

在機(jī)械制造中應(yīng)用廣泛：機(jī)床：60－70％的零件；汽車(chē)、拖拉機(jī)：70－80％的零件；滾動(dòng)軸承、工具、模具：100％的零件5共九十七頁(yè)熱處理簡(jiǎn)介(jiǎnjiè)：6共九十七頁(yè)2鋼的熱處理工藝(gōngyì)曲線示意圖：7共九十七頁(yè)3鋼的熱處理分類(fēnlèi)：

整體熱處理：退火、正火、淬火、回火(huíhuǒ).表面熱處理：表面淬火、化學(xué)熱處理1）按照它在加工中的作用分：預(yù)先熱處理、最終熱處理2）按工藝方法不同分：8共九十七頁(yè)A的形成(xíngchéng)二、鋼在加熱(jiārè)時(shí)的轉(zhuǎn)變A的長(zhǎng)大9共九十七頁(yè)理論依據(jù)－－鐵碳合金(héjīn)相圖。1、A的形成(xíngchéng)Fe-Fe3C相圖各臨界點(diǎn)的移動(dòng)位置：10共九十七頁(yè)共析鋼奧氏體的形成

重點(diǎn)(zhòngdiǎn)內(nèi)容（2）奧氏體晶核長(zhǎng)大(chánɡdà)（1）奧氏體晶核形成

（3）殘余Fe3C的溶解（4）奧氏體成分均勻化11共九十七頁(yè)共析鋼奧氏體的形成(xíngchéng)示意12共九十七頁(yè)亞共析鋼：大于Ac1→

F+A→Ac3以上(yǐshàng)

A晶粒過(guò)共析鋼：大于Ac1→

Fe3C+A→Accm以上

亞（或過(guò)）共析鋼的A化：13共九十七頁(yè)2.奧氏體晶粒的長(zhǎng)大(chánɡdà)（粗化）加熱(jiārè)溫度↑,保溫時(shí)間↑，奧氏體晶?！?。

A晶界上未熔碳化物↑，奧氏體晶粒↓。

合金元素（除Mn、P外）↑

，奧氏體晶?！?。14共九十七頁(yè)15共九十七頁(yè)

冷卻方式(fāngshì)

過(guò)冷A的等溫轉(zhuǎn)變

過(guò)冷A的連續(xù)轉(zhuǎn)變

三、鋼在冷卻(lěngquè)時(shí)的轉(zhuǎn)變16共九十七頁(yè)等溫冷卻：快冷到A1以下－－保溫（發(fā)生組織(zǔzhī)轉(zhuǎn)變）－－然后再冷卻下來(lái)。1、冷卻(lěngquè)方式：連續(xù)冷卻:在連續(xù)冷卻過(guò)程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。

水冷、油冷、爐冷、空冷。17共九十七頁(yè)

C曲線的建立影響過(guò)冷A等溫轉(zhuǎn)變的因素(yīnsù)

過(guò)冷A等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物組織和性能

2、過(guò)冷A的等溫轉(zhuǎn)變(zhuǎnbiàn)曲線（C曲線）：18共九十七頁(yè)準(zhǔn)備試樣；將試樣A化，并在不同(bùtónɡ)溫度下恒溫測(cè)定；把組織轉(zhuǎn)變開(kāi)始與終止時(shí)間在時(shí)間、溫度的坐標(biāo)系上分別連起來(lái)。1)C曲線(qūxiàn)的建立(以共析鋼為例)：a)建立C曲線19共九十七頁(yè)兩曲線：左C線：左邊(zuǒbian)是過(guò)冷A；右C線：右邊是轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)；左右之間：過(guò)冷A與產(chǎn)物共存區(qū)b）C曲線(qūxiàn)特征兩直線：上水平線A1：A存在穩(wěn)定區(qū)；下水平線Ms：M轉(zhuǎn)變開(kāi)始線。20共九十七頁(yè)2）影響過(guò)冷A等溫轉(zhuǎn)變(zhuǎnbiàn)的因素A成分的影響：含碳量：共析鋼的C曲線最靠右；合金(héjīn)元素：一般除Co和Al外，C曲線右移。A化條件的影響：加熱溫度↑：C曲線右移；保溫時(shí)間↑：C曲線右移；21共九十七頁(yè)3）過(guò)冷A等溫轉(zhuǎn)變(zhuǎnbiàn)產(chǎn)物（以共析鋼為例）

珠光體型轉(zhuǎn)變(zhuǎnbiàn)

貝氏體型轉(zhuǎn)變馬氏體型轉(zhuǎn)變重點(diǎn)內(nèi)容22共九十七頁(yè)分三類：

溫度組織(zǔzhī)性能727℃—650℃P（片層粗大）強(qiáng)度硬度650℃—600℃S（片層較細(xì)）

600℃—550℃T（片層極細(xì)）

提高珠光體類型(lèixíng)轉(zhuǎn)變（高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物）：溫度：727℃—550℃之間；

特點(diǎn)：是擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。

產(chǎn)物：P型組織23共九十七頁(yè)(a)珠光體

(b)索氏體(c)托氏體24共九十七頁(yè)分兩類：溫度組織性能

550—350℃B上強(qiáng)度低，

（F粗+Fe3C）

塑、韌性較差

350—230℃B下綜合(zōnghé)力學(xué)性能好

（F針片+細(xì)微的碳化物）

貝氏體類型(lèixíng)轉(zhuǎn)變（中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物）：溫度：在550℃--230℃之間；

特點(diǎn)：貝氏體轉(zhuǎn)變屬半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。產(chǎn)物：貝氏體組織。25共九十七頁(yè)

M：C在α-Fe中的過(guò)飽和固溶體。馬氏體型轉(zhuǎn)變（低溫(dīwēn)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物）：溫度：Ms以下(yǐxià)；

產(chǎn)物：M

特點(diǎn)：非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變?cè)颍哼^(guò)飽和碳原子引起的晶格畸變即固溶強(qiáng)化。

M硬度取決于ωc:ωc↑,HRc↑M特點(diǎn)：高強(qiáng)度、高硬度。26共九十七頁(yè)M形態(tài)(xíngtài)（圖4-8）:

板條狀馬氏體：ω(c)<0.2%（低碳馬氏體）。

片狀馬氏體：ω(c)

>1.0%（高碳馬氏體）。在0.2%<ω(c)<1.0%時(shí)，形成(xíngchéng)二者的混合組織。27共九十七頁(yè)鋼在冷卻(lěngquè)時(shí)，過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物根據(jù)其轉(zhuǎn)變溫度的高低可分為：

高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物－珠光體、索氏體、托氏體，中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物－上貝氏體、下貝氏體，低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物－馬氏體

隨著轉(zhuǎn)變溫度的降低，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的硬度增高，而韌性的變化則較為復(fù)雜。小結(jié)28共九十七頁(yè)CCT曲線(qūxiàn)

3、過(guò)冷A的連續(xù)冷卻(lěngquè)轉(zhuǎn)變曲線（共析鋼）CCT曲線與C曲線比較29共九十七頁(yè)1）CCT曲線(qūxiàn)（共析鋼）直線(zhíxiàn)－A1，Ms，K，Mf曲線－Ps，Pf

沒(méi)有貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。曲線特征：30共九十七頁(yè)冷速≥臨界(línjiè)冷速（vk），得到M

vk′＜冷速＜vk時(shí)，得到M＋P冷速≤vk′時(shí)，得到P轉(zhuǎn)變(zhuǎnbiàn)產(chǎn)物：連續(xù)冷卻時(shí)：

不是所有的合金都沒(méi)有貝氏體轉(zhuǎn)變。

過(guò)共析鋼的無(wú)貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)；

亞共析鋼可以產(chǎn)生貝氏體組織；

合金鋼有時(shí)有貝氏體，有時(shí)無(wú)。31共九十七頁(yè)2)CCT曲線(qūxiàn)與C曲線(qūxiàn)的比較(共析鋼)：CCT曲線位于C曲線的右下方，轉(zhuǎn)變的孕育期長(zhǎng)。連續(xù)冷卻(lěngquè)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物往往不是單一均勻組織，等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是單一的均勻組織。32共九十七頁(yè)

A+產(chǎn)物區(qū)碳鋼w(C)0.77％TTT曲線(qūxiàn)的分析穩(wěn)定(wěndìng)的奧氏體區(qū)過(guò)冷奧氏體區(qū)A轉(zhuǎn)變開(kāi)始線A轉(zhuǎn)變終止線產(chǎn)物區(qū)A1～550℃;高溫轉(zhuǎn)變區(qū);P轉(zhuǎn)變區(qū)。550～230℃;中溫轉(zhuǎn)變區(qū)B轉(zhuǎn)變區(qū);230℃以下;低溫轉(zhuǎn)變區(qū);

M轉(zhuǎn)變區(qū)；時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf33共九十七頁(yè)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(chǎnwù)的組織與性能珠光體型(P)轉(zhuǎn)變(zhuǎnbiàn)(A1～550℃):A1～650℃:P;5～25HRC;片間距為0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:細(xì)片狀P，索氏體(S);片間距為0.2～0.4μm(1000×);25～36HRC。600～550℃:極細(xì)片狀P，托氏體(T);片間距為＜0.2μm(電鏡);35～40HRC。34共九十七頁(yè)貝氏體型(B)轉(zhuǎn)變(zhuǎnbiàn)(550～230℃):550～350℃:

B上;40～45HRC;350～230℃:

B下;50～60HRC;韌性(rènxìnɡ)較差.綜合力學(xué)性能好.35共九十七頁(yè)馬氏體型(M)轉(zhuǎn)變(zhuǎnbiàn)(230℃以下):馬氏體是一種(yīzhǒnɡ)碳在α–Fe中的過(guò)飽和固溶體。板條狀---低碳馬氏體(＜0.2%C);30～50HRC;δ=9～17%。片狀---高碳馬氏體(＞1%C);66HRC左右;δ≈1%。36共九十七頁(yè)

第二節(jié)鋼的整體(zhěngtǐ)熱處理本節(jié)重點(diǎn)(zhòngdiǎn)：淬火＋回火工藝本節(jié)難點(diǎn)：不同工藝對(duì)鋼組織和性能的影響37共九十七頁(yè)第二節(jié)主要(zhǔyào)內(nèi)容退火(tuìhuǒ)

正火

淬火

回火38共九十七頁(yè)

概念(gàiniàn)：加熱、保溫，緩慢冷卻（隨爐冷卻）－－達(dá)到或接近平衡狀態(tài)組織。

一、鋼的退火(tuìhuǒ)退火39共九十七頁(yè)鋼的退火(tuìhuǒ)40共九十七頁(yè)1、完全(wánquán)退火工藝(gōngyì)：

Ac3+（30~50)℃，保溫，爐冷至500℃下，空冷。組織：P+F目的：

①細(xì)化晶粒，均勻組織。②降低硬度→切削性↑。③消除內(nèi)應(yīng)力。應(yīng)用范圍：亞共析成分的碳鋼或合金鋼的鑄件、鍛件和熱軋型材。41共九十七頁(yè)45鋼的完全(wánquán)退火42共九十七頁(yè)2、等溫退火工藝：Ac3＋(30-50)℃保溫(bǎowēn)，快冷至珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)，等溫轉(zhuǎn)變成P，空冷。目的：①與完全(wánquán)退火相同②顯著縮短生產(chǎn)周期43共九十七頁(yè)3、球化退火(tuìhuǒ)工藝：Ac1+(20~30)℃，保溫后，快冷Ar1以下20℃等溫一定時(shí)間（球化滲碳體），隨爐冷至600℃下，出爐(chūlú)空冷－－等溫球化退火組織：球狀P（F+球狀）目的：①硬度↓，→切削性↑②為淬火作準(zhǔn)備。應(yīng)用范圍：過(guò)共析或共析成分的碳鋼和合金鋼44共九十七頁(yè)T10鋼球化退火(tuìhuǒ)45共九十七頁(yè)4、擴(kuò)散(kuòsàn)（或均勻化）退火工藝(gōngyì)：

Ac3或Accm＋（150~300）℃保溫（10-20h）,緩冷至室溫。目的：消除鑄件、鑄錠的枝晶偏析等化學(xué)成分不均勻等現(xiàn)象。應(yīng)用范圍：鑄件、鑄錠。注：因可能導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大，均勻化退火后，一般要完全退火細(xì)化晶粒，消除過(guò)熱組織。46共九十七頁(yè)47共九十七頁(yè)5、去應(yīng)力(yìnglì)退火工藝：Ac1以下某一溫度(wēndù)（500~650）℃保溫，緩冷至室溫。目的：消除殘余內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定工件尺寸。應(yīng)用范圍：鑄件、鍛件、焊接件。說(shuō)明：屬低溫退火，過(guò)程中無(wú)組織變化。48共九十七頁(yè)49共九十七頁(yè)6、再結(jié)晶退火(tuìhuǒ)工藝(gōngyì)：T再＋（150－250）℃保溫，緩冷。目的：消除加工硬化，提高塑性。應(yīng)用范圍：經(jīng)過(guò)冷變形加工的鋼件。50共九十七頁(yè)51共九十七頁(yè)二、鋼的正火

工藝：

Ac3或Accm＋（30－50）℃，保溫(bǎowēn)，出爐。是退火的特例。組織(zǔzhī)：S52共九十七頁(yè)正火53共九十七頁(yè)目的：與鋼的種類(zhǒnglèi)有關(guān)，1）低碳鋼：調(diào)整硬度，改善切削加工性。2）高碳鋼：消除網(wǎng)狀Fe3CⅡ，為球化退火作準(zhǔn)備。3）對(duì)性能要求不高的零件，可作最終熱處理。應(yīng)用(yìngyòng)范圍：碳素鋼、低中合金鋼。54共九十七頁(yè)三、鋼的淬火(cuìhuǒ)淬火溫度(wēndù)淬火介質(zhì)淬火方法55共九十七頁(yè)鋼的淬火(cuìhuǒ)56共九十七頁(yè)鋼軌(gāngguǐ)的淬火57共九十七頁(yè)鍛模(duànmó)的淬火58共九十七頁(yè)1、淬火(cuìhuǒ)溫度工藝(gōngyì)：Ac3或Ac1＋（30-50）℃，保溫，冷速＞Vk

－－M59共九十七頁(yè)淬火(cuìhuǒ)：一般，過(guò)共析鋼淬火(cuìhuǒ)前需要正火或球化退火，消除網(wǎng)狀滲碳體，否則降低韌性，增大開(kāi)裂傾向。目的：提高鋼的硬度和耐磨性，與回火配合，獲得所需要的力學(xué)性能。60共九十七頁(yè)2、淬火(cuìhuǒ)介質(zhì)：水：冷卻(lěngquè)速度大－－用于碳鋼件。油：冷卻能力較?。糜诤辖痄?。

鹽水：較大的碳鋼件。

61共九十七頁(yè)3、淬火(cuìhuǒ)方法淬火(cuìhuǒ)方法示意圖62共九十七頁(yè)1）單液淬火：

特點(diǎn)：

操作簡(jiǎn)便－－自動(dòng)化

注：?jiǎn)为?dú)水冷：易開(kāi)裂變形；單獨(dú)油冷：產(chǎn)生硬度不足(bùzú)

和不均勻。63共九十七頁(yè)

特點(diǎn)：應(yīng)力(yìnglì)小，避免開(kāi)裂和變形。只適用于形狀復(fù)雜，尺寸小的零件2）雙液淬火(cuìhuǒ)：特點(diǎn)：既可淬硬又可避免開(kāi)裂和變形，但難以掌握。3）分級(jí)淬火：高于Ms的鹽浴槽停留2－5分鐘，再空冷。水冷卻到（300－200）℃，再油冷。64共九十七頁(yè)4）等溫淬火（不同于普通(pǔtōng)意義的淬火）鹽浴槽中保溫(bǎowēn)，得B下，空冷。特點(diǎn)：B下硬度較高，韌性較好，變形小。適于形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的件。65共九十七頁(yè)

特點(diǎn)：提高硬度和耐磨性，穩(wěn)定尺寸，設(shè)備成本高。適用于精密零件和工具(gōngjù)的處理。5）冷處理：

淬火件冷卻(lěngquè)到Mf點(diǎn)以下，冷處理。66共九十七頁(yè)四、鋼的回火(huíhuǒ)工藝：已淬火鋼－－加熱到Ac1以下某溫度－－保溫－－冷卻（一般(yībān)空冷)至室溫。目的：消除淬火的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定工件尺寸，降低脆性，改善切削加工性能。67共九十七頁(yè)鋼的回火(huíhuǒ)68共九十七頁(yè)回火種類(zhǒnglèi)：重點(diǎn)內(nèi)容低溫(dīwēn)回火

中溫回火

高溫回火69共九十七頁(yè)1）低溫(dīwēn)回火：MM回用途：用于制作量具(liángjù)、刀具和滾動(dòng)軸承等，如鋸條（ω(c)＝1.0%）銼刀（ω(c)＝1.2%）(150--250)℃，保溫后空冷.目的：減少內(nèi)應(yīng)力和脆性，提高塑韌性，有較高的硬度和耐磨性。70共九十七頁(yè)2）中溫回火(huíhuǒ)：T回用途：用于彈簧、鍛模(duànmó)的處理等。(350—500)℃,保溫后空冷.M分解目的：內(nèi)應(yīng)力降低，具有較高的彈性極限和屈服強(qiáng)度，中等硬度。71共九十七頁(yè)彈簧(tánhuáng)的中溫回火：72共九十七頁(yè)3）高溫(gāowēn)回火：目的：消除內(nèi)應(yīng)力，有良好的綜合(zōnghé)力學(xué)性能。用途：用于齒輪、曲軸等受力復(fù)雜件的熱處理。淬火＋高溫回火－－調(diào)質(zhì)處理。S回(500—650)℃,保溫后空冷.M分解73共九十七頁(yè)高溫(gāowēn)回火：74共九十七頁(yè)75共九十七頁(yè)第三節(jié)

鋼的表面(biǎomiàn)熱處理了解(liǎojiě)鋼的表面熱處理工藝76共九十七頁(yè)第三節(jié)主要(zhǔyào)內(nèi)容表面淬火

表面(biǎomiàn)化學(xué)熱處理77共九十七頁(yè)工藝(gōngyì)：一、表面淬火立即(lìjí)冷卻用途：既受沖擊，又要求耐磨的零件，如曲軸軸頸、齒輪齒面、機(jī)床導(dǎo)軌等。表面－－淬火溫度心部－－室溫表面－－馬氏體心部－－不變目的：保持心部高韌性，表層的高硬度、耐磨性、高疲勞強(qiáng)度。78共九十七頁(yè)工件(gōngjiàn)1.感應(yīng)(gǎnyìng)加熱表面淬火：根據(jù)交流電頻率：

高頻淬火(100kHz):＜2.5mm中小型件

中頻淬火(0.5-10kHz)：2-10mm大中型件

低頻淬火(50Hz)：10-20mm大型零件表面淬火表面：(800-1000)℃心部：室溫噴水79共九十七頁(yè)80共九十七頁(yè)特點(diǎn)(tèdiǎn)：加熱速度快，高硬、韌性較高。硬度比普通淬火(cuìhuǒ)高2--3HRC氧化脫碳小，工件變形小。淬硬層深度易控制。淬火后必須進(jìn)行低溫回火。適于中碳鋼和中碳合金鋼。形狀簡(jiǎn)單件的大批量生產(chǎn)。81共九十七頁(yè)2.火焰(huǒyàn)加熱表面淬火

用氧－炔（煤氣）焰加熱工件表面;特點(diǎn)：

設(shè)備簡(jiǎn)單，使用方便，可進(jìn)行局部(júbù)淬火，但淬硬層深度不易控制，生產(chǎn)率低。82共九十七頁(yè)83共九十七頁(yè)二、表面(biǎomiàn)化學(xué)熱處理工藝：零件＋活性介質(zhì)－－加熱、保溫－－零件表層成分、組織(zǔzhī)和性能。

滲碳滲氮碳氮共滲分類84共九十七頁(yè)1、滲碳(shèntàn)工藝活性碳原子----零件(línɡjiàn)表層。滲碳件→→淬火＋低溫回火

根據(jù)滲碳介質(zhì)的不同，分為固體滲碳、氣體滲碳和液體滲碳（使用較少）三種。85共九十七頁(yè)零件滲碳劑試棒蓋泥封滲碳箱鋼的氣體(qìtǐ)滲碳生產(chǎn)率高勞動(dòng)條件(tiáojiàn)好滲碳層質(zhì)量較好生產(chǎn)率低勞動(dòng)條件差質(zhì)量不易控制鋼的固體滲碳86共九十七頁(yè)氣體滲碳(shèntàn)工藝87共九十七頁(yè)滲碳(shèntàn)工藝88共九十七頁(yè)2、滲氮：即氮化，氨氣----滲入(shènrù)氮原子。滲氮后不進(jìn)行熱處理;

89共九十七頁(yè)3、碳氮共滲：碳、氮原子－－鋼件表層(biǎocéng)，又稱為氰化。高溫下－－滲碳為主。低溫下－－滲氮為主。

90共九十七頁(yè)第四節(jié)熱處理

新技術(shù)簡(jiǎn)介(jiǎnjiè)（了解）激光(jīguāng)熱處理電子束熱處理真空熱處理復(fù)合熱處理91共九十七頁(yè)1、激光淬火：激光－－工件表面