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1、以45钢为例：因此，在零件设计时应该注意实际淬火效果，不能仅凭手册上简单的性能数据。因为手册上所保证的机械性能只是对一定尺寸大小以下的试棒而言。试棒直径（mm）淬火后表面硬度（HRC）58504112524第1页/共56页对调质处理工件，应该根据零件承载情况，对淬硬层深度提出具体要求，并根据淬硬层要求及工件截面尺寸，选择所用钢材。（a）对整个截面均匀承载零件，要求心部至少有50%马氏体。对重要的零件，例如柴油机连杆及连杆螺栓，甚至要求心部有95%以上的马氏体。此时宜选择高淬透性的钢种。（b）对于某些轴类零件，它们承受弯曲、扭转等复合应力的作用。在这类零件的截面上应力分布是不均匀的，最大应力发生
2、在轴的表层，而轴的中心受力很小。对这类零件心部没有必要得到100%马氏体，一般只要求自表面的3/4半径或1/2半径处淬硬就行。此时可选择淬透性低的钢种。第2页/共56页（c）对于尺寸较大的碳素钢和低合金钢调质件，由于尺寸超过该材料可淬硬的范围，因而淬火后甚至表层也得不到马氏体组织。对这类工件一般以正火加“高温回火”(目的主要是去应力)为宜。这样工艺简单，变形较少。如果由于淬透性不足，根本满足不了设计性能要求，应该改用淬透性较高的钢材。（d）对工、模具，一般均要求完全淬透，为了保证其热处理效果，必须考虑所选用材料淬透性是否合乎要求。（e）表面硬化处理零件，如高频淬火、渗碳、渗氮等，如何在表面造成
3、有利的残余压应力,这也和设计有关。这包括钢的淬透性、心部含碳量、硬化层深度与截面尺寸比等的选择。第3页/共56页（2）零件结构设计要符合热处理工艺性的要求零件结构的设计，直接影响热处理工艺的实现。如果零件结构设计不合理,有可能使有些要求淬硬的工作表面不能淬火；有些零件的热处理变形、开裂很难避免。因此设计工作者在进行零件结构设计时,应充分注意该种结构的热处理工艺性如何。从热处理工艺性考虑,在进行零件结构设计时,应注意下列几点：第4页/共56页在零件热处理加热和冷却时要便于装卡、吊挂。在不影响工件使用性能条件下，在工件上应开一些工艺孔。有利于热处理时均匀加热和冷却。第5页/共56页避免尖角、棱角。
4、零件的尖角和棱角部分是淬火应力集中的地方，往往成为淬火裂纹的起点；在高频加热表面淬火时，这些地方极易过热；在渗碳、渗氮时，棱角部分容易浓度过高，产生脆性。因此，在零件结构设计时应避免尖角、棱角。第6页/共56页采用封闭、对称结构。零件形状为开口的或不对称结构时，淬火时淬火应力分布不均，易引起变形。为了减少变形，应尽可能采用封闭对称结构。对形状复杂或截面尺寸变化较大的零件,尽可能采用组合结构或镶拼结构。第7页/共56页（二）热加工工艺对热处理的影响（1）锻造加热温度对热处理质量的影响：如果锻造加热温度过高而使锻造后带有过热缺陷，那么这种过热缺陷由于晶内织构作用,用一般正火的方法很难消除,因而在最
5、终热处理时往往出现淬火组织晶粒粗大,冲击韧性降低。化学热处理淬火后渗层中出现粗大马氏体针等缺陷。防止这种缺陷的产生,应该以严格限制锻造加热温度为主。一旦产生这种缺陷以后,应该采用高于普通正火温度的适当加热温度正火,使在这温度下发生奥氏体再结晶,破坏其晶内织构,而又不发生晶粒长大。也可以采用多次加热正火来消除。第8页/共56页（2）锻造比不足或锻打方法不当对热处理质量的影响高速工具钢、高铬模具钢等含有粗大共晶碳化物,由于锻造比不足或交叉反复锻打次数不够，使共晶碳化物呈严重带状、网络状或大块状存在。在碳化物集中处，热处理加热时容易过热，严重者甚至发生过烧。同时由于碳化物形成元素集中于碳化物中，而且
6、碳化物粗大，淬火加热时很难溶解，固溶于奥氏体中的碳和合金元素量降低，从而降低了淬火回火后的硬度及红硬性。碳化物的不均匀分布，容易产生淬火时应力集中，导致淬火裂纹，并降低钢材热处理后的强度和韧性。共晶碳化物的不均匀分布，不能用热处理方法消除，只能用锻打的办法。第9页/共56页（3）锻造变形不均匀性对热处理的影响锻造成形时，零件各部分变形度不同，特别是在终锻温度较低时，将在同一零件内部造成组织不均匀性和应力分布的不均匀,如果不加以消除，在淬火时容易导致淬火变形和开裂。一般在淬火前应进行退火或正火以消除这种不均匀性。第10页/共56页（三）切削加工对热处理的影响热处理可以改善材料的切削加工性能，以提
7、高加工后的表面光洁度，提高刀具寿命。一般结构钢热处理后硬度为HB l87220的切削性能最好。切削加工对热处理质量也有重要影响。切削加工进刀量大引起工件产生切削应力，热处理后产生变形。切削加工光洁度差，特别是有较深尖锐的刀痕时，常在这些地方产生淬火裂纹。表面硬化处理(表面淬火或渗碳等)后的零件，磨削加工时，若进刀量过大会产生磨削裂纹。为了消除因切削应力而造成的变形，在淬火之前应附加一次或数次消除应力处理，同时对切削刀痕应严加控制。第11页/共56页（四）工艺路线对热处理的影响零件加工工艺路线安排得是否合理，也直接影响热处理的质量。图6-9为汽车上的拉条。原设计要求T8A钢，淬火HRC58-62
8、，不平行度为0.15mm,淬火部位如图所示。原采取全部加工成形淬火、回火，结果淬火后开口处张开。后改用先加工成如图轮廓线所示封闭结构，淬火、回火后再用砂轮片切割成形，减少了变形。第12页/共56页再如图6-l0齿轮，靠近齿根有6个35mm孔，原采取加工成形后高频淬火，结果发现高频淬火后靠近35孔处的节圆下凹。把6个孔安排在高频淬火以后进行加工，避免了这一现象。第13页/共56页二、典型零件的热处理（一）齿轮1.齿轮的工作条件 齿轮主要用于传递扭矩和调节速度，其工作时的受力情况为：（1）由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力 （2）换档、启动或齿合不均时，齿部承受一定冲击载荷；（3）齿面相互滚
9、动或滑动接触，承受很大的接触压应力及摩擦力的作用。第14页/共56页2.齿轮的失效形式 按照工作条件不同，齿轮失效形式主要有：（1）疲劳断裂：主要从根部发生，占齿轮失效总数的三分之一以上，居首位。（2）齿面磨损：齿面接触区摩擦，齿厚变小。（3）齿面接触疲劳破坏：在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，微裂纹发展，引起点状剥落，或称麻点。（4）过载断裂：主要是冲击载荷过大造成的断齿。总之是以断裂为主，表面损伤居次。第15页/共56页3.齿轮的性能要求 根据工作条件和失效形式的分析，可以对齿轮材料提出如下性能要求：（1）高的弯曲疲劳强度；（2）高的接触疲劳强度和耐磨性；（3）较高的强度和冲击韧性4.
10、齿轮零件的选材 疲劳强度和耐磨性主要取决于表面硬度，所以要求表面硬度要高。防止冲击断裂要求齿心有足够的强度和韧性。从这两方面考虑，选用低、中碳钢或其合金钢，其表面经强化处理后有较高的强度和硬度，心部有足够的强度和韧性。第16页/共56页5.机床齿轮机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向的任务。转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击。一般可选用中碳钢制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢。工艺路线为：下料锻造正火粗加工调质精加工轮齿表面高频感应淬火及回火精磨.正火处理对锻造齿轮毛坯是必须的热处理工序，它可消除锻造应力，均匀组织，使同批材料具有相同的硬度，便于切削加工，改善轮齿表面加工质
11、量。对于一般齿轮，正火也可作为高频淬火前的最后热处理工序。第17页/共56页调质处理可使齿轮具有较高的综合力学性能，心部具有足够的强度和韧性，能承受较大的交变弯曲应力和冲击载荷,并可减少齿轮的淬火变形。齿面高频淬火及低温回火是决定齿轮表面性能的关键工序。通过高频淬火，轮齿表面硬度可达52HRC以上，提高了耐磨性，并使轮齿表面有残余压应力存在，从而提高了抗疲劳破坏的能力。为了消除淬火应力，高频淬火后进行低温回火。下表为机床齿轮用材及热处理概况。第18页/共56页第19页/共56页第20页/共56页6.汽车齿轮汽车齿轮受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等，均要求比机床齿
12、轮高。采用调质钢高频淬火不能保证要求，所以，要用低碳钢进行渗碳处理来作重要齿轮。我国应用最多的是合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi，并经渗碳、淬火和低温回火。渗碳后表面碳含量大大提高，保证淬火后得到高硬度，提高耐磨性和接触疲劳抗力。由于合金元素提高淬透性，淬火、回火后可使心部获得较高的强度和足够的冲击韧性。为了进一步提高齿轮的耐用性，渗碳、淬火、回火后，还可采用喷丸处理，增大表层压应力，有利于提高疲劳强度，并清除氧化皮。渗碳齿轮的工艺路线为：下料锻造正火切削加工渗碳、淬火及低温回火喷丸磨削加工。第21页/共56页（二）轴类零件轴是机器上的最重要零件之一，一切回转运动的零件，如齿轮、凸轮等都装
13、在轴上。所以，轴主要起传递运动和转矩的作用。1.轴类零件的工作条件（1）轴类零件工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用；（2）轴与轴上零件有相对运动，相互间存在摩擦和磨损；（3）轴在高速运转过程中会产生振动，使轴承受冲击载荷；（4）多数轴会承受一定的过载载荷。第22页/共56页2.轴类零件的失效方式轴类零件的一般失效方式有长期交变载荷下的疲劳断裂（包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂），大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形甚至断裂，与其他零件相对运动时产生的表面过度磨损等。3.轴类零件的性能要求根据轴类材料的工作条件和失效方式，对其可有以下性能要求：（1）良好的综合机械性能：足够的强度、塑性和一定的韧性
14、，以防止过载断裂、冲击断裂；（2）高的疲劳强度,对应力集中敏感性低,以防疲劳断裂；（3）足够的淬透性，热处理后表面要有高硬度、高耐磨性，以防磨损失效；（4）良好的切削加工性能，价格便宜。第23页/共56页4.轴类零件材料及选材方法轴类零件选材时主要考虑强度，同时也要考虑材料的冲击韧性和表面耐磨性。强度设计一方面可保证轴的承载能力，防止变形失效，另一方面由于疲劳强度与拉伸强度大致成正比关系，也可保证轴的耐疲劳性能，并且还对耐磨性有利。为了兼顾强度和韧性，同时考虑疲劳抗力，轴一般用经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造。由于碳钢比合金钢便宜，并且有一定的综合机械性能、对应力集中敏感性较小，所以一般轴
15、类零件使用较多。常用的优质碳结构钢有：35、40、45、50钢等，其中45钢最常用。为改善其性能，这类钢一般要经正火、调质或表面淬火热处理。第24页/共56页合金钢比碳钢具有更好的力学性能和热处理性能，但对应力集中敏感性较高，价格也较贵，所以当载荷较大并要求限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性等要求高时采用合金钢。常用的合金钢有20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、40MnB等。采用合金钢必须采取相应的热处理才能充分发挥其作用。除了上述碳钢和合金钢外，还可以采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作为轴的材料，特别是曲轴的材料。第25页/共56页5.机床主轴以C620车床主轴为例进行选材。
16、该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即可满足要求。但大端的轴颈、锥孔与卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。根据以上分析，车床主轴可选用45钢。热处理工艺为调质处理，硬度要求为220HB250HB；轴颈和锥孔进行表面淬火，硬度要求为52HRC。它的工艺路线如下：锻造正火粗加工调质精加工表面淬火及低温回火磨削加工。其他机床主轴的工作条件，选材及热处理见下表。第26页/共56页第27页/共56页第28页/共56页3.5 形变热处理单纯的热处理强化必须依靠相变，而且相变时间长，成本高。钢材热锻轧后还有较高的温度，而普通热处
17、理还要再次加热，如果实现成型加工与热处理相结合，那么可省去热处理的加热，显著节约能源。并且经过形变的组织，相变转变快，晶粒得到细化，强度和韧性都获得提高。因此，形变热处理是目前钢材生产技术的主要发展方向。例如，控轧控冷技术(TMCP)是目前钢材生产的主流生产方式。第29页/共56页形变热处理是将压力加工与热处理操作相结合，对金属材料施行形变强化和相变强化的一种综合强化工艺。采用形变热处理不仅可获得由单一的强化方法难以达到良好的强韧化效果，而且还可大大简化工艺流程，使生产连续化，从而带来较大的经济效益。因此，多年来已在冶金和机械制造等工业中得到广泛应用，并也由此而推动了形变热处理理论研究的深入和
18、发展。第30页/共56页热机械控制处理（TMCPTMCP）热机械控制处理（TMCPTMCP）工艺，也称控轧控冷工艺，在日本被译为加工热处理，是将“控轧”（CRCR，轧制温度比普通轧制低）技术与随后的“加速冷却”（ACCACC，快于空冷）结合起来,在尽量减少合金元素添加的情况下,依靠细化晶粒能得到正火或淬火+回火等热处理不可能得到的强度和低温韧性,实现了非调质高强钢的开发。足立吉隆概括了实现细化晶粒的几个关键点相变驱动力的增加；晶界迁移度的抑制；形核核心的增加。TMCPTMCP工艺巧妙地结合了上述3 3点。第31页/共56页钢的轧制工艺可分为：奥氏体再结晶区轧制(一般热轧）；奥氏体非再结晶区轧制
19、（奥氏体的加工硬化对晶粒的微细化最为有效）；两相区轧制。控轧的目的是细化晶粒，即通过降低加热温度使轧前奥氏体晶粒减小；经奥氏体区的加工,利用反复再结晶细化奥氏体晶粒；更主要是通过增大奥氏体未再结晶区（加工硬化区）的累积压下量,以增加奥氏体每单位体积内的晶界面积和变形带面积来提高形核率。第32页/共56页2020世纪7070年代，人们经反复实验发现，仅仅靠传统的控轧使相变组织微细化还远远不够,还需要通过冷却来控制相变本身。控制冷却是从A Ar3r3以上的温度开始水冷,在相变终了温度附近(550500)结束,然后进行空冷。控制冷却将过去普通空冷工艺生成的珠光体变成微细分散的贝氏体,这样控轧后进行控
20、冷的组织是细晶铁素体+微细弥散型贝氏体的混合组织,铁素体晶粒的细化与贝氏体比率的增加可在提高强度的同时改善延伸性。第33页/共56页控冷能获得细化效果的具体原因在于控轧后引入加速冷却控制,可降低奥氏体的相变温度,过冷度增大,增大了相变驱动力,使从更多的形核点生成(进一步提高有效形核率),同时抑制晶粒的长大。由于冷却速度增加,阻止或延迟了碳、氮化物在冷却过程中的过早析出,因而易于生成更加弥散的析出物；进一步提高微合金化钢冷却速度,可形成贝氏体或针状铁素体,进一步改善钢的强韧性。第34页/共56页简言之,TMCP首先调整奥氏体状态(获得细小的加工硬化奥氏体,其内含有不均匀的变形带)，再对其相变进行
21、控制。通常粒径在10100m,目前晶粒细化所能达到的奥氏体晶粒为40m,相变后得到的铁素体晶粒为5m。TMCP所获得的粒径被限制于5m是由于受初期奥氏体粒径、加工温度、加工率、加工硬件的制约,难以找出各方面均理想的条件。第35页/共56页 形变热处理在钢材生产中的应用一、普通结构钢的生产1.GB700-1988碳素结构钢本标准适用于一般结构钢和工程用热轧钢板、钢带、型钢、棒钢。该产品可供焊接、铆接、栓接构件用，一般在供应状态下使用。钢材一般以热轧（包括控轧）状态交货。根据需方要求，经双方协议，也可以正火处理状态交货（A级钢材除外）。第36页/共56页第37页/共56页第38页/共56页2.GB
22、/T 1591-94低合金高强度结构钢本标准适用于热轧、控轧、正火，正火加回火及淬火加回火状态供应的工程用钢和一般结构用厚度不小于3 mm的钢板、钢带及型钢、钢棒，一般在供应状态下使用。除各牌号A,B级钢外，表1中的细化晶粒元素（V,Nb,Ti,Al)，钢中应至少含有其中的一种；如这些元素同时使用则至少应有一种元素的含量不低于规定的最小值。为改善钢的性能，Q 390,Q 420,Q 460级钢可加入少量Mo元素。钢一般应以热轧、控轧、正火及正火加回火状态交货。Q 420,Q 460的C,D,E级钢也可按淬火加回火状态交货。第39页/共56页第40页/共56页第41页/共56页3.GB/T 16
23、270-1996高强度结构钢热处理和控轧钢板、钢带本标准适用于以淬火加回火、正火加回火、正火、控轧状态供应的屈服强度为420MPa-690MPa的高屈服强度结构用厚度不大于100 mm的厚钢板和钢带。表中的V,Nb,Ti等细化晶粒元素至少应加一种或加Al，而且最低含量应为0.015%表1中的Cr,Ni,Mo,B等合金元素，生产厂可根据钢板厚度和具体条件，有选择的加入一种或几种。但必须提供钢的合金含量。对于不进行调质处理的Q460,Q550的Ni含量上限可分别到1.00%,1.20%,Q500,Q550的Mo含量上限可到0.60%各牌号的钢板和钢带按如下规定状态交货：Q420,Q460,Q500
24、,Q550 淬火回火、正火回火、正火、控轧Q620,Q690 淬火回火或其他的热处理方式根据要求，生产厂应通告使用者所采用的热处理制度。第42页/共56页第43页/共56页第44页/共56页4.GB/T 15712一1995非调质机械结构钢非调质机械结构钢:是在中碳钢中添加微量合金元素(V,Ti,Nb和N等)，通过控温轧制(锻制)控温冷却（TMCP)、在铁素体和珠光体中弥散析出碳(氮)化合物为强化相，使之在轧制(锻制)后不经调质处理即可获得碳素结构钢或合金结构钢经调质处理后所达到的力学性能的钢种。钢材以热轧(锻制)状态交货。第45页/共56页第46页/共56页第47页/共56页第48页/共56
25、页5、GB/T 3077-1999合金结构钢本标准规定了热轧和锻制的合金结构钢尺寸、外形、重量及允许偏差、技术要求、试验方法、检验规则、包装、标志和质量证明书等。钢材通常以热轧或热锻状态交货。如需方要求（并在合同中注明），也可以热处理（退火、正火或高温回火）状态交货。第49页/共56页第50页/共56页第51页/共56页第52页/共56页第53页/共56页第54页/共56页普通钢强度低，使用量大，导致环境问题：据统计,目前钢铁业对环境污染高达总量的14%。合金钢强度虽高，但价格也高，使用中不易焊接和加工。回收也不方便。因此，为保护环境,节约能源和原材料(包括铁矿石)起见,除积极采取“绿色钢铁生产”,推进循环经济外,发展超高强度钢、减轻器械重量,降低钢产量当是重要和紧迫的措施。如将珠光体+铁素体钢的抗拉强度从400MPa 提高至接近2000MPa 或超过2000MPa,将钢产量降低至1 亿t 左右(或以下)的话,对节能、节材和环保将大有裨益。目前开发重点：超级钢和超高强度钢。第55页/共56页感谢您的观看！第56页/共56页