工程材料与热加工基础

*主编：高美兰白树全978-7-111-49207-8Engineeringmaterialsandthermalprocessingbase机械工业出版社*第3章钢的热处理第3章钢的热处理3.1钢在加热时的组织转变3.2钢在冷却时的组织转变3.3钢的退火和正火3.4钢的淬火3.5钢的回火3.6钢的表面热处理*第3章钢的热处理钢的热处理概述定义：目的及重要性：提高和改善钢的性能；充分发挥钢的性能潜力；提高寿命；减低成本分类：普通热处理（四把火：退火、正火、淬火、回火）表面热处理（表面淬火、化学热处理）加热T(℃)t(h)冷却热处理工艺曲线保温把钢在固态下，通过加热冷却来改变钢内部的组织和性能保温蘸火*第3章钢的热处理转变温度Fe-Fe3C相图上：PSK、GS、ES平衡临界点为：A1、A3、Acm加热时临界点为：Ac1、Ac3、Accm冷却时临界点为：Ar1、Ar3、Arcm3.1钢在加热时的组织转变*第3章钢的热处理钢热处理时首先要加热，其目的是获得均匀而细小的奥氏体组织。经过A化以后的钢，再以不同的方式冷却，即可得到不同的组织，从而获得所需要的性能。热处理工艺曲线3.1钢在加热时的组织转变*第3章钢的热处理——（以共析钢为例）共析钢在A1以下全部为P。P是F和Fe3C组成的机械混合物。当把共析钢加热到Ac1以上温度时，P→A，这种转变可用下式表示。P（F+Fe3C）→A0.0218%6.69%0.77%bcc复杂斜方fcc珠光体3.1钢在加热时的组织转变*第3章钢的热处理共析钢奥氏体形成过程可归纳为奥氏体晶核的形成：a)奥氏体晶核的长大:b)残余渗碳体的溶解:c)奥氏体成分均匀化:d)加热时，为了获得均匀而细小的奥氏体晶粒，必须选取合适的加热温度，并严格控制保温时间。亚共析钢：F+P→F+A→A过共析钢：P+Fe3C→A+Fe3C→A3.1钢在加热时的组织转变——奥氏体形成过程*第3章钢的热处理钢加热获得均匀而细小的A晶粒，是为随后的冷却做组织准备，冷却过程是热处理的关键工序，冷却方式不同，冷却后的组织和性能也不同。热处理生产中的冷却方式等温冷却连续冷却3.2钢在冷却时的组织转变*第3章钢的热处理1.过冷A等温转变曲线过冷奥氏体：把在Ar1温度以下暂时存在的、不稳定的奥氏体称为过冷奥氏体。3.2钢在冷却时的组织转变*第3章钢的热处理A1——PSKMs——M转变开始线Mf——M转变终了线aa′——等温转变开始线bb′——等温转变终了线五线A1线以上：A稳定存在区Ms~Mf：M转变区aa′以左：过冷A区bb′以右：转变产物区aa′~bb′：过冷A与转变产物共存区五区aa′bb′曲线 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 共析钢的C曲线aa′bb′3.2钢在冷却时的组织转变——过冷A等温转变曲线C曲线*第3章钢的热处理共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能：1)珠光体转变Ar1~550℃A过→P2)贝氏体转变550℃~MsA过→B3)马氏体转变Ms~Mf连续冷却A过→M共析钢的C曲线3.2钢在冷却时的组织转变*第3章钢的热处理1）珠光体转变等温温度组织名称符号片层间距硬度HRCAr1~650℃珠光体P＞0.4μm10~20650~600℃索氏体S0.2~0.4μm20~30600~550℃托氏体T＜0.2μm30~40珠光体(P)3800×索氏体(S)8000×托氏体(T)8000×PTS问题：P、S、T有何异同？共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能*第3章钢的热处理2）贝氏体转变温度：550℃~Ms产物：贝氏体——含过饱和碳的铁素体和碳化物组成的机械混合物，用“B”表示。等温温度组织名称符号形态硬度HRC550~350℃上贝氏体B上羽毛状40-45HRC塑性低、脆350~Ms下贝氏体B下黑色针状45-55HRC塑韧性好上贝氏体下贝氏体PTSB上B下共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能*第3章钢的热处理3）马氏体转变温度：Ms~Mf产物：马氏体——碳在α-Fe中的过饱和固溶体，用“M”表示Wc组织名称符号形态硬度HRCWC＜0.2%板条马氏体M板条板条状＞50HRC塑韧性好WC＞1.0%针状马氏体M针状针状65HRC塑韧性极差、脆板条马氏体针状马氏体PTSB上B下M混合M隐晶M共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能*第3章钢的热处理类型温度产物形态性能特点P转变Ar1-550℃Ar1-650℃珠光体(P)粗片＞0.4＜25HRC扩散型650-600℃索氏体(S)细片0.4-0.225-35HRC600-550℃屈氏体(T)极细＜0.235-40HRCB转变550℃-Ms550-350℃上贝氏体(B上)羽毛40-45HRC塑性低、脆半扩散型350℃-Ms下贝氏体(B下)针状45-55HRC塑韧性好M转变Ms-MfWc＜0.2%板条M板条＞50HRC塑韧性好非扩散型不完全性体积膨胀Wc＞1.0%片状M竹叶(铁饼)65HRC塑韧性差、脆PTSB上B下M共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能*第3章钢的热处理Ps——A→P开始线Pf——A→P终止线KK'——P转变终止线υk——上临界冷却速度υk′——下临界冷却速度MS——A→M开始温度Mf——A→M终止温度3.2钢在冷却时的组织转变——过冷A连续转变曲线*第3章钢的热处理PSTT+M+A′M+A′炉冷→P(υ≈０)空冷→S(υ≤υk′)油冷→T+M+A'(υk′～υk)水冷→M+A'(υ≥υk′)连续冷却转变产物和冷却速度的关系3.2钢在冷却时的组织转变——过冷A连续转变曲线*第3章钢的热处理退火：把钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。P600℃钢的退火缓慢冷却：随炉冷却、埋砂冷却或灰冷3.3钢的退火和正火——钢的退火*第3章钢的热处理退火分类：完全退火（等温退火）等温退火球化退火扩散退火（均匀化退火）去应力退火3.3钢的退火和正火——钢的退火*第3章钢的热处理适用范围：亚共析钢（WC=0.3~0.6%）（铸、锻、焊件）加热温度：AC3+30～50℃AC3+30～50℃完全退火AC3+30～50℃炉冷AC3600℃，空冷完全退火工艺曲线3.3钢的退火和正火——钢的退火*第3章钢的热处理退火后组织：P+F中碳钢：珠光体+铁素体完全退火目的：降低硬度，改善切削加工性能细化晶粒消除应力均匀成份、组织提高塑性AC3+30～50℃3.3钢的退火和正火——钢的退火*第3章钢的热处理适用范围：合金钢加热温度：AC3+30～50℃AC3（Ac1）+30～50℃②等温退火等温退火工艺曲线3.3钢的退火和正火——钢的退火*第3章钢的热处理等温退火——完全退火的特例优点:退火时间短，组织均匀，缩短生产周期高速钢的退火工艺曲线3.3钢的退火和正火——钢的退火*第3章钢的热处理适用范围：共析钢、过共析钢加热温度：目的：使片状Fe3CⅡ球化Ar1-20℃炉冷AC1500℃，空冷AC1+20～30℃AC1+20～30℃HB便于切削加工使塑性达到最佳为淬火、回火做准备③球化退火AC1+30～50℃3.3钢的退火和正火——钢的退火*第3章钢的热处理球状珠光体退火后组织：球状P——软③球化退火片状珠光体3.3钢的退火和正火——钢的退火*第3章钢的热处理加热温度：目的：消除工件残余应力，稳定工件的尺寸；扩散退火去应力退火T加热＜AC1T加热=AC3＋150～250℃④去应力退火⑤均匀化退火（扩散退火）加热温度：目的：消除偏析，均匀成份、组织。3.3钢的退火和正火——钢的退火*第3章钢的热处理S正火：将钢加热到Ac3（或Accm）以上30~50℃，保温一定时间，然后出炉在空气中冷却的热处理工艺。钢的正火空冷3.3钢的退火和正火——钢的正火*第3章钢的热处理S消除应力、细化晶粒、改善组织，提高钢的综合性能对于中低碳钢，可适当提高硬度，改善其切削加工性能；对于过共析钢，可消除网状Fe3CⅡ，为球化退火做准备；作为普通结构件的最终热处理。正火后组织：目的：3.3钢的退火和正火——钢的正火*第3章钢的热处理加热温度组织和性能对切削加工的影响正火——细化、硬化退火——软化生产周期——在满足使用性能要求的情况下，优选正火。3.3钢的退火和正火——退火与正火比较*第3章钢的热处理退火分类加热温度冷却方式目的适用范围完全退火Ac3+30~50℃随炉冷却到600℃以下，出炉空冷细化、均匀化，软化、稳定化亚共析钢（WC=0.3~0.6%）的铸、锻、焊接件过共析钢不宜完全退火等温退火Ac3（Ac1）+30~50℃快速冷却到Ar1以下某一温度，等温一定时间，出炉空冷与完全退火相同。可缩短生产周期，提高生产效率（1/3）A较稳定的合金钢工件球化退火Ac1+30~50℃经充分保温后，随炉冷却到600℃出炉空冷软化（P球）具有共析或过共析成分的碳钢或合金钢扩散退火固相线以下100~200℃长时间（10-15h）保温后，随炉冷却均匀化质量要求高的合金钢铸锭或铸件去应力退火Ac1以下（一般为500~650℃）随炉冷却到200~300℃出炉空冷稳定化所有钢件正火AC3（Accm）+30-50℃保温适当时间，出炉空冷细化晶粒、提高硬度，消除网状Fe3C普通件：提高力性低碳钢：提高硬度过共析钢：细化晶粒表3-3退火和正火的工艺特点及适用范围3.3钢的退火和正火*第3章钢的热处理3.3钢的退火和正火*第3章钢的热处理淬火：将钢加热到Ac3（或Ac1）以上30~50℃，保温一定时间，然后以大于υk的速度快速冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。目的：提高钢的硬度和耐磨性。是强化钢材最重要的工艺方法。M+A′钢的淬火钢的退火钢的正火蘸火冷却速度快，热应力和组织转变应力大，工件易变形和开裂；淬火（+回火）一般是最终热处理，是 决定 郑伟家庭教育讲座全集个人独资股东决定成立安全领导小组关于成立临时党支部关于注销分公司决定 产品质量的关键工序。3.4钢的淬火*第3章钢的热处理（1）淬火加热温度亚共析钢：Ac3+30～50℃（过）共析钢：Ac1+30～50℃合金钢——比相同含碳量的碳钢高碳钢——以铁碳相图为依据钢号Ac3/℃T/℃4578083040Cr7828503.4钢的淬火——淬火工艺（2）淬火保温时间：用经验公式τ=αKD估算*第3章钢的热处理常用冷却介质：水、油、盐或碱的水溶液　冷却速度：盐水＞水＞盐浴＞油理想的冷却介质：在保证淬后获得M的前提下，又不造成开裂，且变形最小。3.4钢的淬火——淬火工艺（3）淬火冷却介质*第3章钢的热处理①②④③①单介质淬火：碳钢→水；合金钢→油优点：操作简单、成本低；缺点：淬火件质量较低、热应力大②双介质淬火：水—油；水—空气优点：能保证淬火件的质量要求缺点：操作难度大、热应力大③分级淬火：转变产物→M；优点：热应力小，工件不易变形；缺点：操作难度大④等温淬火：转变产物→B下；优点：综合性能及尺寸精度高、不需回火；缺点：工艺复杂、成本高3.4钢的淬火——常用淬火方法*第3章钢的热处理淬透性：是指钢淬火时获得淬硬层深度的能力。通常以在规定条件下获得淬硬层深度来衡量。淬硬（透）层越深，表明淬透性越好。决定于υK，υK越小，A越稳定，淬透性越好。淬硬性：是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。决定于马氏体的含碳量。含碳量越高，淬硬性越好。淬透性≠淬硬性3.4钢的淬火——钢的淬透性*第3章钢的热处理淬透性值的表示：半M区到水冷端距离半M区硬度如:淬透性曲线的测定——末端淬火法（端淬试验）3.4钢的淬火——钢的淬透性*第3章钢的热处理加热淬火钢Ac1以下保温冷却室温定义：目的：减少或消除淬火应力，防止工件变形与开裂稳定工件组织及尺寸；获得所需的力学性能。马氏体的分解残余奥氏体的分解碳化物的析出和变化α相（F）的回复和再结晶回火时的组织转变及性能变化3.5钢的回火*第3章钢的热处理回火时的组织转变及性能变化回火阶段组织变化内应力体积性能回火后组织（一）＜200℃（二）200～300℃（三）300～400℃（四）＞400℃c/a»1c/a＞1c/a＞1c/a＝1εFe3CArB下或M回马氏体分解MH不变或略δ、ψ、ak略含C过饱和α(针)+ε(点)M回马氏体分解残余奥氏体分解(略)σ、H(略)脆性M回1马氏体分解碳化物聚集长大α相（F）的回复和再结晶消失Hδ、ak＞M回σ、H较高弹性最佳σs最佳针状F+颗粒状Fe3CT回σ、Hδ、ψ、ak综合性能最佳等轴F+颗粒状Fe3CS回*第3章钢的热处理——回火的种类和应用回火工艺回火温度/℃回火组织及硬度特点用途低温回火100~250回火马氏体58~64HRC保持了淬火M的高硬度和高耐磨性，韧性提高，内应力和脆性有所降低用于工模量具、滚动轴承及表面处理件中温回火350~500回火托氏体38~50HRC具有较高的弹性和一定的韧性用于各种弹性零件，如汽车弹簧和热作模具高温回火500~650回火索氏体25~35HRC具有较好的综合力学性能广泛用于汽车、拖拉机轴类零件、齿轮和高强度螺栓、连杆等※调质处理＝淬火＋高温回火3.5钢的回火*第3章钢的热处理*第3章钢的热处理——回火后的性能：影响回火后性能的关键因素：回火温度3.5钢的回火*第3章钢的热处理回火脆性的概念第一类回火脆性250～350℃（低温、不可逆）产生范围：所有钢防止措施：避免在该脆性区回火；钢中加少量Si；第二类回火脆性500～650℃（高温、可逆）产生范围：部分合金结构钢（含Cr、Ni、Si、Mn）防止措施：回火后快冷加少量Mo、W减少钢中杂质改变热处理工艺——回火脆性3.5钢的回火*第3章钢的热处理定义：不改变钢的化学成分和心部组织的情况下，利用快速加热，将表层加热到A化温度后进行淬火的热处理工艺。目的：提高表面硬度和耐磨性，心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。3.6钢的表面淬火*第3章钢的热处理所用钢种：中碳成分的优质碳素结构钢、合金结构钢应用：承受弯曲、扭转、摩擦和冲击载荷的零件：齿轮、凸轮、曲轴、轧辊等——只需表面淬硬的工件；机床导轨等大型、复杂工件——只能表面淬硬的工件。分类：感应加热淬火、火焰加热淬火、激光加热淬火……3.6钢的表面淬火*第3章钢的热处理——感应加热表面淬火分类①高频感应加热：f=200～300kHZ，δ=0.5~2.0m②中频感应加热f=2500～8000HZ，δ=2.0~10mm③工频感应加热f=50HZδ=10~15mm原理：利用工件在交变磁场中产生的感应电流，将工件表面迅速加热到淬火温度，然后快速冷却的工艺。淬硬层深度淬后要低温(180℃~200℃)回火。3.6.1钢的表面淬火*第3章钢的热处理表3-5感应加热淬火的种类及应用范围种类常用频率/kHz淬硬深度/㎜应用范围高频感应加热200~3000.5~2淬硬层要求较薄的中小模数齿轮和中小尺寸的轴类零件中频感应加热2.5~82~10大、中模数齿轮和较大直径的轴类零件工频感应加热50Hz10~20大直径零件如轧辊、火车车轮等高频淬火超音频淬火设备长轴高频淬火内齿圈高频淬火3.6.1钢的表面淬火——感应加热表面淬火*第3章钢的热处理加热速度快：高频只需几秒-几十秒，不需保温，生产率高加热温度高：AC3+100-200℃淬火质量好：组织为极细M，比普通淬火高2-3HRC，且塑韧性好。但感应加热设备较贵，维修调整较困难，形状复杂的零件不易制作感应器，不适于单件生产。特点3.6.1钢的表面淬火——感应加热表面淬火*第3章钢的热处理锻造→退火或正火→粗加工→调质或正火→精加工→感应加热表面淬火→低温回火→粗磨→时效处理→精磨消除锻造应力；调整硬度，便于机加工细化晶粒，提高心部综合性能，为淬火做准备强化表面，获得M降低淬火应力稳定表面组织T加：160～200℃进一步降低应力，稳定组织，防止工件变形开裂工艺路线：3.6.1钢的表面淬火——感应加热表面淬火*第3章钢的热处理原理：利用氧—乙炔（煤气）的混合气体燃烧的火焰，将工件表层快速加热到淬火温度，然后立即喷水冷却的热处理工艺。淬硬层深度:δ=2～8mm特点：设备简单成本低；但质量不易控制。应用：批量小、形状复杂、大件。3.6.1钢的表面淬火——火焰加热表面淬火*第3章钢的热处理将工件置于一定温度的活性介质中，使一种或几种元素渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。渗碳、渗氮和碳氮共渗等。3.6.2钢的化学热处理定义：种类*第3章钢的热处理——钢的渗碳定义：将工件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。用途：用于在较大冲击载荷和在严重磨损条件下工作的零件。如汽车变速齿轮、活塞销、摩擦片、套筒等。渗碳用钢：低碳钢和低碳合金钢。渗碳的目的：提高工件表层碳的质量分数，经淬火和低温回火后，使工件表面获得高硬度和耐磨性，而心部仍然保持良好的塑性和韧性。3.6.2钢的化学热处理方法：固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳*第3章钢的热处理气体渗碳示意图原理：将工件置于密封的井式气体渗碳炉中，加热到930℃左右，滴入煤油、甲醇、苯等，使渗碳介质在高温下分解出活性碳原子，并被工件表面吸收，被吸收的活性碳原子由表面逐渐向工件内部扩散，形成具有一定深度的渗碳层。深层深度：渗碳后δ=0.5～2.5mm表层含碳量：WC=0.85%~1.05%气体渗碳渗碳后热处理：淬火+低温回火渗后硬度：表面硬度：58~64HRC，心部硬度：30~45HRC。——钢的渗碳3.6.2钢的化学热处理*第3章钢的热处理渗后组织表面0.85～1.05%心部0.15～0.30%wcP+网状Fe3CⅡPP+F渗碳工艺锻造→正火→切削加工→渗碳→淬火+低温回火→精加工——钢的渗碳3.6.2钢的化学热处理*第3章钢的热处理经渗碳的机车从动齿轮——钢的渗碳3.6.2钢的化学热处理*第3章钢的热处理定义：将工件在渗氮介质中加热并保温，使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺目的：提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和耐腐蚀性。特点：氮化温度低：(500～600℃)时间长：（20～50h）硬度更高：1000~1200HV（69~72HRC）渗层薄：（0.1~0.4㎜）　　氮化前调质处理、氮化后无须淬火。用于：耐磨、耐高温、耐腐蚀的精密零件，如精密齿轮、精密机床主轴、汽轮机阀门及阀杆、发动机气缸和排气阀等。——钢的渗氮（氮化）3.6.2钢的化学热处理*第3章钢的热处理1.热处理是将钢在固态下加热、保温、冷却以获得所需组织和性能的工艺。目的是提高或改善金属材料的性能，充分挖掘金属材料的性能潜力。2.退火和正火作为预先热处理常安排在铸造、锻造和焊接之后或粗加工之前，用以消除前一工序所造成的某些组织缺陷及内应力，为随后的切削加工及热处理做组织准备，也可用于性能要求不高的零件的最终热处理。3.淬火和回火作为最终热处理，淬火必须与回火工艺相配合，才能使钢具有不同的力学性能，以满足各类零件或工模具的使用要求。4.表面热处理是指仅对工件表层进行的热处理工艺，用于要求表面有较高强度、硬度和耐磨性，而心部要求有足够塑性和韧性的零件。本章小结*第3章钢的热处理综合训练题二、填空题1.热处理工艺过程都是由、和三个阶段组成。2.奥氏体形成过程可归纳为、、和四个阶段。3.普通热处理又称整体热处理，主要包括、、和。4.常用的淬火方法有淬火、淬火、淬火和淬火等。5.常用的淬火冷却介质有、和。6.按回火温度范围可将回火分为回火、回火和回火三类，淬火后进行高温回火，称为。7.化学热处理的基本过程一般分为、和三个阶段。8.目前最常用的化学热处理方法有、和。三、选择题1.过冷奥氏体是在（）温度下暂存的、不稳定的、尚未转变的奥氏体。A．MSB．MfC．Ar12.亚共析钢的淬火加热温度应选择在（），过共析钢应选择在（）。A．Ac1+30~50℃B．Ac3+30~50℃C．Acm以上3.调质处理就是（）的热处理。A．淬火+低温回火B．淬火+中温回火C．淬火+高温回火4.汽车变速齿轮渗碳后，一般需经（）处理，才能达到表面高硬度和高耐磨性的目的。A．淬火+低温回火B．正火C．调质5.为了保证气门弹簧的性能要求，65Mn钢制的气门弹簧最终要进行（）处理。A．淬火和低温回火B．淬火和中温回火C．淬火和高温回火四、判断题1.过冷奥氏体的冷却速度越快，钢冷却后的硬度越高。（）2.淬火后的钢，随回火温度的增高，其强度和硬度也增高。（）3.调质处理是指淬火后再进行低温回火的热处理工艺。（）4.钢中合金元素含量越多，则淬火后硬度越高。（）5.共析钢经奥氏体化后，冷却所形成的组织主要取决于钢的加热温度。（）6.淬透性好的钢，其淬硬性不一定高。（）*第3章钢的热处理