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1、第三章 钢的热处理和表面改性第1页，本讲稿共40页 3-1 钢钢在在热处热处理理时时的的组织转变组织转变 1 复习“钢在室温下的平衡平衡组织”：亚共析钢，共析钢，过共析钢的组织组成物。2以共析钢为例，了解钢在加热时（727C以上）组织的转变。（相图上组织和相的转变是可逆的。）3影响奥氏体晶粒大小的因素。Fe-Fe3C相图第2页，本讲稿共40页一 钢在加热时组织的转变（以共析钢为例）1 共析钢加热到727C（A1)以上，珠光体转变成奥氏体。（四个阶段）转变步骤奥氏体形核奥氏体核长大残余渗碳体溶解奥氏体成分均匀化(a)(b)(c)(d)第3页，本讲稿共40页2、奥氏体晶粒大小奥氏体晶粒大小（1 1
2、）影响因素：加热温度和保温时间。影响因素：加热温度和保温时间。（2）钢加热时的缺陷：过热；氧化；脱碳第4页，本讲稿共40页二、钢在冷却时的组织转变（重点内容）二、钢在冷却时的组织转变（重点内容）知识要点知识要点n过冷奥氏体等温转变产物及其性能；过冷奥氏体等温转变产物及其性能；n影响影响c曲线的因素曲线的因素n应用等温转变图判断钢冷却至室温的组织应用等温转变图判断钢冷却至室温的组织第5页，本讲稿共40页一）、过冷奥氏体一）、过冷奥氏体定义：把在定义：把在727 C以下尚未发生转变的不稳定奥氏体称为过以下尚未发生转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体。冷奥氏体。过冷奥氏体转变是在临界点以下某个恒温下某个
3、恒温下发生，就称为过冷奥氏体的等温转变等温转变。转变在连续冷却连续冷却的过程中发生，称为过冷奥氏体的连续冷却转变连续冷却转变。二二过冷奥氏体等温转变图（共析钢）过冷奥氏体等温转变图（共析钢）1等温转变图的建立等温转变图的建立试验测定试验测定第6页，本讲稿共40页2 等温转变图又称TTT图或者C曲线转变开始线第7页，本讲稿共40页三）、过冷奥氏体等温转变类型及其产物三）、过冷奥氏体等温转变类型及其产物 1 1、珠光体转变（共析转变、珠光体转变（共析转变A P A P）发生温度：发生温度：7277270 0C-560C-5600 0C C 产物：珠光体产物：珠光体7277270 0C-650C-6
4、500 0C C：珠光体片层较粗，：珠光体片层较粗，P P（珠光体）（珠光体）6506500 0C-600C-6000 0C C：珠光体层片较细，：珠光体层片较细，S S（索氏体）（索氏体）6006000 0C-560C-5600 0C C：珠光体层片极细，珠光体层片极细，T(T(托氏体托氏体)层片变细，强度硬度增加，塑性韧性有所增加。层片变细，强度硬度增加，塑性韧性有所增加。珠光体的铁素体和渗碳体层片粗细与转变温度有关。温度珠光体的铁素体和渗碳体层片粗细与转变温度有关。温度越低，珠光体的层片越细。越低，珠光体的层片越细。珠光珠光体形体形成成第8页，本讲稿共40页第9页，本讲稿共40页2、贝氏
5、体转变 560-3500C:贝氏体呈羽毛状，称为上贝氏体，记为贝氏体呈羽毛状，称为上贝氏体，记为B上上.350-Ms 350-Ms（2302300 0C C）：贝氏体呈针叶状，称之为下贝氏体，记为）：贝氏体呈针叶状，称之为下贝氏体，记为B B下。下。（1）转变温度：）转变温度：560Ms（2300C）（2）产物：贝氏体）产物：贝氏体（3）贝氏体：由过饱和铁素体和渗碳体组成的混合物。）贝氏体：由过饱和铁素体和渗碳体组成的混合物。（4）贝氏体的形状和性能：（与等温温度有关）贝氏体的形状和性能：（与等温温度有关）上贝氏体形成过程与形貌下贝氏体形成过程与形貌特征下贝氏体形成过程与形貌特征第10页，本讲
6、稿共40页上贝氏体的形成示意图上贝氏体的貌第11页，本讲稿共40页下贝氏体的形成示意图下贝氏体的形貌第12页，本讲稿共40页（5)5)性能：上贝氏体的性能：上贝氏体的硬度高，塑性、硬度高，塑性、韧韧性差，性差，不不用。用。下贝氏体高强度、硬度、塑性韧性较好，。下贝氏体高强度、硬度、塑性韧性较好，。工业中应用于中碳钢和中碳合金钢制造的零件中。工业中应用于中碳钢和中碳合金钢制造的零件中。3马氏体转变马氏体转变（1）转变温度：）转变温度：Ms（230C）Mf（2）产物：马氏体）产物：马氏体（3）马氏体：）马氏体：碳在碳在a-a-FeFe中形成的过饱和铁素体，具有体心正中形成的过饱和铁素体，具有体心正
7、方结构。方结构。马氏体形成示意图马氏体形成示意图第13页，本讲稿共40页g第14页，本讲稿共40页（4）形貌：）形貌：低碳马氏体：呈板条状低碳马氏体：呈板条状 高碳马氏体：呈透镜状，片状，中间有脊线。高碳马氏体：呈透镜状，片状，中间有脊线。马氏体形貌马氏体形貌（5）性能特点：硬而脆，且随性能特点：硬而脆，且随WcWc的增加而增加。的增加而增加。必须经过回火才能使用必须经过回火才能使用。回火后：高碳马氏体具有高强度高硬度、高耐磨性。回火后：高碳马氏体具有高强度高硬度、高耐磨性。低碳马氏体具有好的综合性能。低碳马氏体具有好的综合性能。（6）应用）应用高碳马氏体用于高碳马氏体用于高硬度高耐磨性高硬度
8、高耐磨性的零件，如车刀、铣刀等。的零件，如车刀、铣刀等。低碳马氏体用于综合性能好的零件，如发动机连杆螺栓、缸低碳马氏体用于综合性能好的零件，如发动机连杆螺栓、缸盖螺栓，石油钻井的吊环、吊钳等。盖螺栓，石油钻井的吊环、吊钳等。第15页，本讲稿共40页球墨铸铁淬火 G球+M+A15钢淬火组织 M低第16页，本讲稿共40页 四四）、影响）、影响C C曲线的主要因素曲线的主要因素 1 含碳量含碳量含碳量合金元素等温转变图等温转变图2合金元素合金元素除除CoCo（钴）（钴）元素外，其它合金元素溶入奥氏体后使元素外，其它合金元素溶入奥氏体后使C C曲线右移。曲线右移。C曲线的形状C曲线距纵坐标的距离Ms、
9、Mf的温度影响第17页，本讲稿共40页五）五）过冷奥氏体连续冷却转变过冷奥氏体连续冷却转变连续冷却转变图：又称连续冷却转变图：又称CCT曲线曲线在连续冷却转变过程中，在连续冷却转变过程中，亚共析钢有贝氏体转变，亚共析钢有贝氏体转变，共析钢和过共析钢无贝氏共析钢和过共析钢无贝氏体转变体转变。CCT曲线测定比曲线测定比TTT曲线曲线困难。困难。CCT曲线C曲线第18页，本讲稿共40页六）、c曲线的应用(用c曲线估计碳钢连续冷却至室温得到的组织)APA PA BAM第19页，本讲稿共40页3-2 钢钢的的热处热处理工理工艺对组织艺对组织和性能的影响和性能的影响 知识要点知识要点“四把火四把火”（退火
10、、正火、淬火、回火）的工艺过程；（退火、正火、淬火、回火）的工艺过程；“四把火四把火”对零件加工和使用的影响和作用。对零件加工和使用的影响和作用。第20页，本讲稿共40页一一 普通热处理的作用普通热处理的作用n改善材料的切削加工性能；改善材料的切削加工性能；n提高材料的力学性能，保证零件安全运行提高材料的力学性能，保证零件安全运行。二二退火和正火退火和正火1退火退火：采用炉冷，冷却速度很低：采用炉冷，冷却速度很低(球状珠光体球状珠光体)完全退火等温退火球化退火去应力退火再结晶退火亚共析成分的碳钢和合金钢(同上)共析或过共析碳钢和合金钢分类第21页，本讲稿共40页2正火（采用空冷，冷却速度较快）
11、正火（采用空冷，冷却速度较快）目目 的的低碳钢：调整硬度（适当增加硬度），利于切削；低碳钢：调整硬度（适当增加硬度），利于切削；过共析钢：消除网状二次渗碳体，利于珠光体球化。过共析钢：消除网状二次渗碳体，利于珠光体球化。中碳钢：普通零件的最终热处理；中碳钢：普通零件的最终热处理；3退火和正火的选择（从以下三个方面考虑）提高切削加工性能要求的力学性能处理成本第22页，本讲稿共40页三三 淬火和回火（最终热处理）淬火和回火（最终热处理）1淬火（采用水冷、油冷，冷却速度很大）淬火（采用水冷、油冷，冷却速度很大）目的：获得马氏体目的：获得马氏体工艺：加热保温水冷（油冷）工艺：加热保温水冷（油冷）常用的
12、淬火介质常用的淬火介质:水、水、盐水、盐水、油油2钢的淬透性（钢的一种性能）钢的淬透性（钢的一种性能）（1）定义：钢在淬火时获得马氏体的能力。）定义：钢在淬火时获得马氏体的能力。（2）淬透性的测定：）淬透性的测定：临界直径法临界直径法，顶端淬火法顶端淬火法（3）影响淬透性的因素：合金元素，碳含量）影响淬透性的因素：合金元素，碳含量（4）选材与淬透性）选材与淬透性理想淬火介质理想淬火介质第23页，本讲稿共40页 一般规律1）表面和心部力学性能一致的零件，即要求表面和心部组织一致；如螺栓、连杆、锻模、锤杆（承受拉压载荷）选用淬透性高的钢；2）表面心部力学性能不一致（表面强度硬度要求高一些，心部塑性
13、韧性要求高），组织可以不一致。如轴类零件，冷镦模具、齿轮。选用淬透性低的钢。3）焊接件：选用淬透性低的钢。第24页，本讲稿共40页3 回火（与淬火配合回火（与淬火配合）（1）定义：将淬火钢重新加热至定义：将淬火钢重新加热至A1（727 C)温度以下的某个温温度以下的某个温度，保温一定时间后冷却至室温的工艺操作。度，保温一定时间后冷却至室温的工艺操作。（2）目的：）目的：降低马氏体的脆性，增加塑性韧性。降低马氏体的脆性，增加塑性韧性。稳定组织。稳定组织。降低内应力。降低内应力。调整钢的硬度。调整钢的硬度。（3）回火的类型）回火的类型:3种种低温回火低温回火温度：温度：1501502002000
14、0C C；得到的组织：得到的组织：M回回（过饱和铁素体（过饱和铁素体+e e碳化物）碳化物）第25页，本讲稿共40页性能：性能：高硬度、高耐磨性，内应力、脆性降低。高硬度、高耐磨性，内应力、脆性降低。应用：高碳钢、高碳合金钢制造的应用：高碳钢、高碳合金钢制造的工具和模具、滚动工具和模具、滚动轴承；轴承；渗碳和表面淬火零件渗碳和表面淬火零件.(.(Wc 0.6%)Wc 0.6%)中温回火中温回火温度：温度：3503505005000 0C C；得到的组织：得到的组织：T回回（针叶状铁素体（针叶状铁素体+极极细小颗粒渗细小颗粒渗碳体组成）碳体组成）性能：性能：高强度、硬度，高的高强度、硬度，高的弹
15、性极限及屈服强度弹性极限及屈服强度；具有一定的塑性、韧性；具有一定的塑性、韧性；应应用：用：Wc=0.5Wc=0.50.7%0.7%碳碳钢钢、合金合金钢钢制造的制造的各种各种弹弹簧簧。第26页，本讲稿共40页高温回火高温回火 温度：温度：500-650500-6500 0C C，组织：组织：S S回回（由等轴状的铁素体和球状渗碳体组成）（由等轴状的铁素体和球状渗碳体组成）性性能能：具具有有适适当当的的强强度度、硬硬度度和和足足够够的的塑塑性性、韧韧性性（即即良良好综合性能）。好综合性能）。应应用用：用用于于WcWc为为0.30.30.5%0.5%的的中中碳碳钢钢和和合合金金钢钢制制造造的的轴轴
16、、连连杆、螺栓杆、螺栓等。等。生产上将淬火和高温回火称为生产上将淬火和高温回火称为“调质处理调质处理”。一般规律：随回火温度一般规律：随回火温度，强度、硬度，强度、硬度，塑性韧性，塑性韧性。回火温度与力学性能回火温度与力学性能第27页，本讲稿共40页 3-3 钢钢的表面的表面处处理理强强化化 知识要点n表面热处理的目的、分类n常用的表面热处理工艺n了解表面热处理的典型零件第28页，本讲稿共40页一、基本概念n 将工件处理成表面与心部性能不同的方法。n目的：使零件具有“表硬心韧”的性能特点。表面组织转化表面组织转化-表面淬火表面淬火等等表面合金化表面合金化化学热处理化学热处理表面覆层表面覆层-电
17、镀电镀涂层涂层二、分类第29页，本讲稿共40页表33 表面处理强化的方法 第30页，本讲稿共40页三三表面淬火：表面淬火：表面与心部的成分一致表面与心部的成分一致，组织不一样。组织不一样。1 1 工艺：工艺：将工件表面将工件表面快速快速加热到加热到奥氏体区奥氏体区，在热量尚，在热量尚未达到心部时未达到心部时立即迅速冷却立即迅速冷却，使，使表面得到一定深表面得到一定深度的淬硬层，度的淬硬层，而而心部仍保持原始组织心部仍保持原始组织的一种局部的一种局部淬火方法。淬火方法。第31页，本讲稿共40页 2 分类 火焰加热表面淬火感应加热表面淬火激光加热表面淬火 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火3 3材料
18、及典型零件材料及典型零件中中碳碳钢钢（Wc Wc 0.40.40.5%0.5%）,如如40Cr40Cr、4545钢钢机机床床齿齿轮轮、轴轴等等零零件。件。常用的表面淬火方法常用的表面淬火方法淬硬层深度：淬硬层深度：2 26mm6mm优优点点：方方法法简简便便；无无需需特特殊殊设设备备；适适用用于于单单件件、小小批批量量生生产产零零件；件；缺点：需要操作熟练，否则造成质量不稳定缺点：需要操作熟练，否则造成质量不稳定第32页，本讲稿共40页应用：应用：轧钢机齿轮、轧辊；轧钢机齿轮、轧辊；矿山机械齿轮、轴；矿山机械齿轮、轴；机床导轨、齿轮；机床导轨、齿轮；感应加热表面淬火感应加热表面淬火 淬硬层与频
19、率有关：淬硬层与频率有关：0.2 0.22mm2mm，高频感应加热（，高频感应加热（1001001000KHZ1000KHZ）2-8mm 2-8mm，中频感应加热（，中频感应加热（0.50.510KHZ10KHZ）；）；101015mm15mm，工频感应加热（，工频感应加热（50HZ50HZ）特特点点：淬淬火火质质量量好好，表表层层组组织织细细、硬硬度度高高、脆脆性性小小、生生产产效效率高、便于自率高、便于自动动化，化，缺点缺点是是设备设备昂昂贵贵，劳动劳动条件差条件差。第33页，本讲稿共40页 激光加热表面淬火激光加热表面淬火 工工艺艺：将将高高功功率率密密度度的的激激光光束束照照射射到到工
20、工件件表表面面，使使表表面面快快速速加加热热到到奥奥氏氏体体区区，依依靠靠工工件件本本身身热热传传导导迅迅速速自自冷冷而而获得一定淬硬层的工艺操作。获得一定淬硬层的工艺操作。硬化层硬化层：1 12mm2mm 应应用用：汽汽车车、拖拖拉拉机机汽汽缸缸套套、汽汽缸缸、活活塞塞环环、凸凸轮轮轴轴等等零零件；件；特点特点：淬火质量好，组织超细化，硬度高、脆性极小、工件：淬火质量好，组织超细化，硬度高、脆性极小、工件变形小、不需要回火、节约能源、无污染、效率高、便于自变形小、不需要回火、节约能源、无污染、效率高、便于自动化，但是设备昂贵动化，但是设备昂贵。第34页，本讲稿共40页四、表面化学热处理（表层
21、与心部的成分、组织都不同）1 1 工艺工艺:将工件置于将工件置于某种化学介质中某种化学介质中，通过加热、，通过加热、保温和冷却使介质中的保温和冷却使介质中的某些元素渗入工件表层某些元素渗入工件表层以以改变工件表层的化学成分和组织，从而达到改变工件表层的化学成分和组织，从而达到“表表硬心韧硬心韧”的性能特点。的性能特点。2可渗的元素：可渗的元素：渗碳、氮、碳氮共渗（渗碳、氮、碳氮共渗（C C、N N、CNCN）渗硼渗硼 、铬、铬(B(B、Cr Cr ）渗铝、硅渗铝、硅 (Al (Al、Si)Si)渗硫渗硫(S)(S)第35页，本讲稿共40页 3 3 渗碳（渗碳（重点重点内容）内容）（1 1）常用
22、的材料：低碳钢或者低碳合金钢，如，）常用的材料：低碳钢或者低碳合金钢，如，2020，2525，（20CrMnTi20CrMnTi）（用于（用于汽车齿轮汽车齿轮）（2）介质：最常用的气体（）介质：最常用的气体（煤油、苯、甲醇等高温煤油、苯、甲醇等高温分解的混合气体（分解的混合气体（CO,CHCO,CH4 4，C C2 2H H4 4等）等）具有具有活性碳活性碳原子原子（3）过程：过程：被吸收、溶解并扩散，形成被吸收、溶解并扩散，形成0.52mm的渗碳层的渗碳层吸附吸附：活性碳原子吸附至工件表面：活性碳原子吸附至工件表面、溶解、渗入、溶解、渗入散扩散扩：碳原子向工件里层扩散。：碳原子向工件里层扩散
23、。（4）温度：在奥氏体区，）温度：在奥氏体区，9009500C时间：根据渗层深度而定，约时间：根据渗层深度而定，约10小时左右，小时左右，第36页，本讲稿共40页（5）热处理：渗碳）热处理：渗碳+淬火淬火+低温回火低温回火组织表层：高碳回火马氏体组织表层：高碳回火马氏体+碳化物碳化物+A组织心部：组织心部：F+P或者或者M回（低碳）回（低碳）+F+A五五典型零件工艺路线的制定典型零件工艺路线的制定1轴类零件（传动轴）轴类零件（传动轴）（1）分析工作条件：）分析工作条件：承受中等承受中等交变扭矩交变扭矩载荷、交变弯曲载荷载荷、交变弯曲载荷或者是拉压载荷；局部（轴颈、花键）承受摩擦和磨损。或者是拉
24、压载荷；局部（轴颈、花键）承受摩擦和磨损。（2）失效形式：失效形式：疲劳断裂疲劳断裂，轴颈处磨损（主要方式）；，轴颈处磨损（主要方式）；冲冲击击过载过载断裂等断裂等（偶尔发生）（偶尔发生）第37页，本讲稿共40页（3 3）性性 能能 要要 求求：高高 的的 疲疲 劳劳 强强 度度；良良 好好 的的 综综 合合 性性 能能；局部高硬度；局部高硬度；（4 4）中碳中碳钢钢或者中碳合金钢或者中碳合金钢：45 45 （40Cr40Cr）（5 5）工艺路线：）工艺路线：下下料料 锻锻造造 正正火火 粗粗加加工工 调调质质(淬淬火火+高高温温回回火火)局部表面淬火局部表面淬火+低温回火低温回火 精磨精磨
25、成品；成品；（6）组织：表面：回火马氏体）组织：表面：回火马氏体心部：回火索氏体心部：回火索氏体第38页，本讲稿共40页2 2、齿轮（低碳钢、表面渗碳）、齿轮（低碳钢、表面渗碳）(1)(1)工工作作条条件件:齿齿轮轮根根部部承承受受交交变变弯弯曲曲应应力力；（传传递递扭扭矩矩时时）;齿齿啮啮合合时时齿齿面面承承受受较较大大的的接接触触压压应应力力并并受受强强烈烈的的摩摩擦擦和和磨磨损损；换挡、气动、制动时齿轮承受一定的换挡、气动、制动时齿轮承受一定的冲击冲击。(2)(2)失失效效形形式式：齿齿的的折折断断（疲疲劳劳断断裂裂和和冲冲击击过过载载断断裂裂）；齿齿表面磨损。表面磨损。（3 3）性能要求）性能要求：高的疲劳强度和表面硬度，心部具有足够的塑：高的疲劳强度和表面硬度，心部具有足够的塑性韧性。性韧性。（4 4）选材）选材：低碳钢（：低碳钢（2020，25,25,20CrMnTi）（5 5）工工艺艺路路线线：下下料料 锻锻造造 正正火火 机机加加工工渗渗碳碳+淬淬火火+低温回火低温回火 喷丸喷丸精磨精磨 成品；成品；第39页，本讲稿共40页（6 6）微观组织：表面：）微观组织：表面：M M回回（高碳）（高碳）+A+A（少量）（少量）“表硬表硬”心部：心部：F F（多）（多）+P +P “心韧心韧”作业作业（第三章）新版教材（第三章）新版教材p471、5、7第40页，本讲稿共40页