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1、（中职）机械工程材料第三章 钢的热处理ppt课件机械工程材料第三章 钢的热处理教学目标教学目标教学目标教学目标：1、掌握钢的热处理的、掌握钢的热处理的含义、分类、作用和含义、分类、作用和工艺过程。工艺过程。2、了解钢在加热时的组织转变以及钢在冷却时的组织转变。、了解钢在加热时的组织转变以及钢在冷却时的组织转变。3、掌握主要的热处理方法的工艺过程及在生产中的应用。、掌握主要的热处理方法的工艺过程及在生产中的应用。4、明确退火、正火、淬火、回火、的概念应用等，淬透性、明确退火、正火、淬火、回火、的概念应用等，淬透性、淬硬性的含义。淬硬性的含义。5、了解感应加热淬火及渗碳等热处理工艺。、了解感应加热
2、淬火及渗碳等热处理工艺。一一、热处理概念热处理概念 把固态金属材料在一定介质中的加热、保温和冷却，以改把固态金属材料在一定介质中的加热、保温和冷却，以改变其组织和性能的一种工艺。变其组织和性能的一种工艺。热处理工艺都是由加热、保温和热处理工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段所组成的。冷却三个阶段所组成的。机械工程材料机械工程材料专题一专题一 钢的热处理钢的热处理 热处理工艺过程可热处理工艺过程可用用“温度温度时间时间”为坐标的曲线图来为坐标的曲线图来表示，如图表示，如图3-1所示，所示，称为热处理工艺曲称为热处理工艺曲线。线。图图3-1 热处理工艺曲线热处理工艺曲线温温 度度/0C时间时间t t
3、0保温保温临界温度临界温度线线（A1）加热加热冷却冷却机械工程材料二、钢的热处理种类二、钢的热处理种类 可可分分为为整整体体热热处处理理、表表面面热热处处理理、化化学学热热处处理理和和其其他他热热处理等四类。处理等四类。4、其他热处理包括：、其他热处理包括：1、整体热处理包括：整体热处理包括：退火、正火、淬火、退火、正火、淬火、回火回火火焰淬火、感应加热淬火、火焰淬火、感应加热淬火、2、表面热处理包括：、表面热处理包括：渗碳、渗氮、碳氮共渗等、渗碳、渗氮、碳氮共渗等、3、化学热处理包括：、化学热处理包括：真空、可控气氛、形变热处理真空、可控气氛、形变热处理机械工程材料三、钢在加热时的组织转变三
4、、钢在加热时的组织转变图图3-2 钢在加热和冷却时的临界温度钢在加热和冷却时的临界温度奥氏体奥氏体奥氏体奥氏体+渗碳体渗碳体奥氏体奥氏体+铁素体铁素体 珠光体珠光体珠光体珠光体+铁素体铁素体珠光体珠光体+渗碳体渗碳体Fe 0.77 2.11 C/%AccmAcmArcmAc3A3Ar3Ar1 A1 Ac1EP0CGS 平衡时：平衡时：A1、A3、Acm 加热时：加热时：Ac1、Ac3、Accm 冷却时：冷却时：Ar1、Ar3、Arcm1 1、临界温度、临界温度 各类钢在加热和冷却各类钢在加热和冷却时的临界温度如图时的临界温度如图3-2所所示。示。机械工程材料2、奥氏体的形成奥氏体的形成 Fe、
5、C原子扩散和晶格改变的过程。原子扩散和晶格改变的过程。共析钢加热到共析钢加热到Ac1 以上时，以上时，PA共析钢共析钢A化过程化过程 形核、形核、长大、长大、Fe3 C完全溶解、完全溶解、C的均匀化，转化示意图如图的均匀化，转化示意图如图3-3所示。所示。亚（过）析钢的亚（过）析钢的A化化 PA后，先共析后，先共析F 或或Fe3C溶解。溶解。图图3-3 共析钢奥氏体形成过程示意图共析钢奥氏体形成过程示意图机械工程材料3 3、细化奥氏体晶粒组织细化奥氏体晶粒组织 加加热热时时刚刚转转变变的的奥奥氏氏体体晶晶粒粒往往往往是是细细小小的的，如如果果继继续续升升温温和和延延长长保保温温时时间间，奥奥氏
6、氏体体晶晶粒粒将将会会自自发发长长大大。奥奥氏氏体体晶晶粒粒的的大大小小将将直直接接影影响响到到冷冷却却后后的的组组织织与与性性能能。奥奥氏氏体体晶晶粒粒越越细细，冷冷却却后后的的组组织织也也越越细细，不不仅仅强强度度、硬硬度度高高、而而且且塑塑性性、韧韧性性也也好好，因因此此控控制制奥氏体晶粒长大对钢的热处理显得尤为重要。奥氏体晶粒长大对钢的热处理显得尤为重要。四、钢在冷却时的转变四、钢在冷却时的转变 1 1、过过冷冷奥奥氏氏体体 奥奥氏氏体体在在临临界界点点A1以以上上是是稳稳定定相相，冷冷却却至至A1以以下下就就变变成成了了要要发发生生组组织织转转变变的的不不稳稳定定相相，这这样样把把在
7、在临临界界温温度度A1以下尚未发生组织转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体。以下尚未发生组织转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体。机械工程材料 2 2、等等温温转转变变 过过冷冷奥奥氏氏体体转转变变是是在在临临界界点点以以下下某某个个温温度度下下等等温过程中发生温过程中发生的，就称为过冷奥氏体的等温转变。的，就称为过冷奥氏体的等温转变。3 3、连连续续转转变变 转转变变在在连连续续冷冷却却的的过过程程中中发发生生的的就就称称为为过过冷冷奥奥氏体的连续冷却转氏体的连续冷却转图图3-4 过冷奥氏体冷却曲线过冷奥氏体冷却曲线变，图变，图3-4所示所示.钢钢中过冷奥氏体在冷中过冷奥氏体在冷却过程中的转变规却过
8、程中的转变规律常用过冷奥氏体律常用过冷奥氏体等温转变图来描述，等温转变图来描述，该图是表示转变产该图是表示转变产物与温度、时间之物与温度、时间之间的关系曲线。间的关系曲线。机械工程材料四、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线四、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线时间时间/S温度温度/0C图图3-5 共析钢等温转变图共析钢等温转变图MfMSA1 1MA11 10 102 103 104 105 106 7006005004003002001000-100APASAT AB上上 AB下下过过渡渡区区过过冷冷奥奥氏氏体体区区 转变转变产物区产物区 过过冷冷奥奥氏氏体体等等温温转转变变曲曲线线是是表表示示在在不不同
9、同温温度度下下过过冷冷奥奥氏氏体体转转变变量量与与转转变变时时间间关关系系的的曲曲线线，由由于于通通常常不不需需要要了了解解某某时时刻刻转转变变量量的的多多少少，而而比比较较注注重重转转变变的的开开始始和和结结束束时时间间，因因此此常常常常将将这这种种曲曲线线绘绘制制成成温温度度时时间间曲曲线线，简简称称“C”曲线，如图曲线，如图3-5所示。所示。机械工程材料(1)(1)高温转变（珠光体型转变），高温转变（珠光体型转变），A1 550 过冷过冷A P 型组织型组织 P 型组织型组织 F+层片状层片状 Fe3C (层片间距层片间距：P S T)(a)(a)珠光体珠光体 P 3800(b)(b)索
10、氏体索氏体 S 8000(c)(c)屈氏体屈氏体T 8000 图图3-6 珠光体型显微组织珠光体型显微组织珠光体珠光体P包括：包括：珠光体珠光体“P”如图如图3-6(a)(a)所示所示索氏体索氏体“P”如图如图3-6(b)所示所示屈氏体屈氏体“P”如图如图3-6(c)所示所示机械工程材料(2)(2)中温转变（贝氏体型转变），中温转变（贝氏体型转变），550 MS 过冷过冷A 贝氏体贝氏体贝氏体贝氏体B包括：包括：上贝氏体上贝氏体“B上上”如图如图3-7(a)(a)所示所示下贝氏体下贝氏体“B下下”如图如图3-7(b)所示所示(a)(a)上贝氏体显微组织上贝氏体显微组织 (b)下贝氏体显微组织下
11、贝氏体显微组织图图3-7 贝氏体显微组织贝氏体显微组织 机械工程材料 (a)(a)板条状马氏体显微组织板条状马氏体显微组织 (b)针状马氏体显微组织针状马氏体显微组织 图图3-8 马氏体显微组织马氏体显微组织马氏体马氏体(M)包括包括板条状马氏体板条状马氏体“M”如图如图3-8(a)(a)所示所示针状马氏体针状马氏体“M”如图如图3-8(b)所示所示(3)(3)低温转变低温转变(马氏体型转变马氏体型转变)，MS Mf 过冷过冷A 马氏体马氏体(M)五、共析钢过冷奥氏体转变温度与转变产物的组织和性能五、共析钢过冷奥氏体转变温度与转变产物的组织和性能机械工程材料转变温度范围转变温度范围过冷度过冷度
12、转变产物转变产物符号符号组织形态组织形态层片间距层片间距硬度硬度（HRC）A1650小小珠光体珠光体P粗片状粗片状约约0.3m55表表3-1共析钢过冷奥氏体转变温度与转变产物的组织和性能共析钢过冷奥氏体转变温度与转变产物的组织和性能共析钢过冷奥氏体转变温度、转变产物、组织形态如表共析钢过冷奥氏体转变温度、转变产物、组织形态如表3-1所示。所示。一、钢的退火一、钢的退火 机械工程材料专题二专题二 普通热处理普通热处理 退退火火是是将将工工件件加加热热到到适适当当温温度度，保保持持一一定定时时间间，然然后后缓缓慢慢冷冷却却（一一般般是是随随炉炉冷冷却却）而而获获得得接接近近平平衡衡组组织织的的热热
13、处处理理工工艺艺。退退火火后的组织一般为珠光体组织。后的组织一般为珠光体组织。1、退火的目的、退火的目的 （1）降低硬度，提高塑性，改善切削加工性和压力加工性能。降低硬度，提高塑性，改善切削加工性和压力加工性能。（2）细细化化晶晶粒粒，均均匀匀钢钢的的内内部部组组织织及及成成分分，改改善善钢钢的的性性能能或或为以后的热处理作准备。为以后的热处理作准备。（3）消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。根根据据钢钢的的成成分分和和退退火火目目的的的的不不同同，退退火火可可分分为为完完全全退退火火、等等温温退退火、球化退火、均匀化退火和去应力退火等。火、球化退火
14、、均匀化退火和去应力退火等。机械工程材料退火分类退火分类加热温度加热温度冷却方式冷却方式主要目的主要目的适用范围适用范围完全退火完全退火A3线以上线以上300500C缓慢冷却缓慢冷却消除粗晶和消除粗晶和不均匀组织不均匀组织亚共析钢亚共析钢球化退火球化退火A1线以上线以上200400C缓冷至缓冷至600C空冷空冷将片状将片状P P变为变为球状球状P P过共析钢过共析钢等温退火等温退火A3线以上线以上300500C快冷至快冷至A1线线下保温下保温获得均匀组织获得均匀组织合金钢合金钢高合金钢高合金钢扩散退火扩散退火A3线以上线以上15002500C缓慢冷却缓慢冷却消除偏析消除偏析合金钢、铸合金钢、铸
15、锭铸件锭铸件去应力退火去应力退火A1线以上线以上60006500C缓慢冷却缓慢冷却消除残余应力消除残余应力铸、锻、焊铸、锻、焊件件2、退火的分类、退火的分类 如表如表3-2所示。所示。表表3-2 退火的分类、温度、冷却方式、目的、适用范围退火的分类、温度、冷却方式、目的、适用范围机械工程材料3、退火的温度范围、退火的温度范围机械工程材料 二、钢的正火二、钢的正火淬火作用（空淬）淬火作用（空淬）高合金钢高合金钢消除网状二次渗碳体、为球化退火和淬火做准备消除网状二次渗碳体、为球化退火和淬火做准备过共析钢过共析钢消除组织缺陷、保持硬度、为调质做准备消除组织缺陷、保持硬度、为调质做准备中碳钢中碳钢消除
16、过热组织、细化晶粒、改善切削性消除过热组织、细化晶粒、改善切削性低碳钢、低合金钢低碳钢、低合金钢正正 火火 主主 要要 目目 的的钢钢 的的 种种 类类 正正火火是是将将工工件件加加热热到到AC3或或ACCm以以上上300500C，奥奥氏氏体体化化后保温适当的时间，在空气中冷却的热处理工艺。后保温适当的时间，在空气中冷却的热处理工艺。1、正火的目的、正火的目的 如表如表3-3所示。所示。表表3-3 正火的主要目的正火的主要目的机械工程材料2、正火的温度范围、正火的温度范围机械工程材料三、钢的淬火三、钢的淬火 淬火是将工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或淬火是将工件加热奥氏体化后以适当方
17、式冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。贝氏体组织的热处理工艺。1、淬火目的淬火目的 目的是得到马氏体或贝氏体组织，目的是得到马氏体或贝氏体组织，提高钢的硬度和强度提高钢的硬度和强度。马马氏体是一种硬度极高的组织，下贝氏体性能特点是硬度高，韧性氏体是一种硬度极高的组织，下贝氏体性能特点是硬度高，韧性好，具有优良的综合力学性能。所以淬火的目的是为了强化金属，好，具有优良的综合力学性能。所以淬火的目的是为了强化金属，提高钢的强度、硬度和耐磨性。提高钢的强度、硬度和耐磨性。淬淬火火加加热热温温度度根根据据钢钢的的成成分分、组组织织和和不不同同的的性性能能要要求求来来确确定定。一一般般加加热热到到相
18、相变变点点以以上上3050，要要根根据据加加热热时时的的铁铁碳碳相相图图来来进进行确定。行确定。2、淬火加热温度的依据、淬火加热温度的依据 机械工程材料 3、淬火的温度范围、淬火的温度范围机械工程材料 4 4、冷却介质、冷却介质盐水、盐水、水、水、盐浴、盐浴、油油 5、冷却速度冷却速度 盐水盐水 水水 盐浴盐浴 油油 6 6、淬火方法、淬火方法 单介质淬火：水、油冷单介质淬火：水、油冷 双介质淬火：水冷双介质淬火：水冷+油冷油冷 分级淬火：分级淬火：Ms盐浴中均温空冷盐浴中均温空冷 等温淬火（等温淬火（在盐、碱浴中）在盐、碱浴中）B下下 7 7、淬火缺陷、淬火缺陷 （1）过热与过烧）过热与过烧
19、 （2）氧化与脱碳）氧化与脱碳 （3）硬度不足和软点）硬度不足和软点 （4）变形和开裂）变形和开裂机械工程材料 8、淬透性与淬硬性淬透性与淬硬性 （1）淬淬透透性性 淬淬透透性性是是指指材材料料获获得得淬淬硬硬层层深深度度的的能能力力，淬淬透透性性越越好好，淬淬硬硬层层越越厚厚。一一般般规规定定从从工工件件表表层层深深入入到到半半马马氏氏体体区区(马马氏氏体体与与非非马马氏氏体体组组织织各各占占一一半半的的地地方方易易测测定定硬硬度度)的的深深度度为为淬淬硬硬层层深深度度。淬淬硬硬层层越越深深，就就表表明明钢钢的的淬淬透透性性越越好好，如如果果淬淬硬硬层层深深度度达到心部，则表明该钢全部淬透。
20、达到心部，则表明该钢全部淬透。淬透性主要取决于钢的化学成分和淬火冷却方式。淬透性主要取决于钢的化学成分和淬火冷却方式。（2）淬淬硬硬性性 淬淬硬硬性性是是指指钢钢经经淬淬火火后后能能获获得得的的最最高高硬硬度度，主主要要取取决决于于钢钢中中的的碳碳含含量量，碳碳含含量量越越高高，获获得得的的硬硬度度越越高高。淬淬透透性性好好的的钢钢，它它的的淬淬硬硬性性不不一一定定高高。如如高高碳碳工工具具钢钢与与低低碳碳合合金金钢钢相相比比，前者淬硬性高但淬透性低，后者淬硬性低但淬透性高。前者淬硬性高但淬透性低，后者淬硬性低但淬透性高。机械工程材料四、钢的回火四、钢的回火 回回火火是是将将淬淬火火钢钢重重新
21、新加加热热到到低低于于7270C的的某某一一温温度度，保保温温一定时间，然后空冷到室温的热处理工艺。一定时间，然后空冷到室温的热处理工艺。1 1、回火的目的、回火的目的 （1）消除残余应力，防止变形和开裂；）消除残余应力，防止变形和开裂；（2）调整工件硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；）调整工件硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；（3）稳定组织与尺寸，保证精度；）稳定组织与尺寸，保证精度；（4）改善和提高加工性能。）改善和提高加工性能。2、回火的种类、回火的种类回火回火分为三种低温回火、中温回火、高温回火分为三种低温回火、中温回火、高温回火 如表如表3-4所示。所示。机械工程材料
22、回火种类回火种类加热温度加热温度硬硬 度度应用范围应用范围低温回火低温回火150-200CHRC60刃具、模具刃具、模具中温回火中温回火350-500CHRC35-50弹簧弹簧高温回火高温回火500-650CHRC20重要结构件重要结构件表表3-4 回火种类、加热温度、硬度及应用范围回火种类、加热温度、硬度及应用范围 一般来说，随回火温度的升高，其强度、硬度下降，塑性、韧性一般来说，随回火温度的升高，其强度、硬度下降，塑性、韧性提高，但在提高，但在250 350之间其韧性会下降的现象，称之间其韧性会下降的现象，称“回火脆性回火脆性”。碳化物沿着马氏体周围析出，形成脆性薄壳，受力易裂纹。碳化物沿
23、着马氏体周围析出，形成脆性薄壳，受力易裂纹。3、回火脆性、回火脆性机械工程材料专题三专题三 钢的表面热处理与化学热处理钢的表面热处理与化学热处理图图3-9 感应加热炉感应加热炉 表表面面淬淬火火是是仅仅对对工工件件表表面面层层进进行行的的淬淬火火。其其目目的的是是使使工工件件表表面面具具有有高高硬硬度度、耐耐磨磨性性而而心心部部具具有有足足够够的的强强度度和和韧韧性性。表面淬火一般包括感应淬火和火焰淬火等。表面淬火一般包括感应淬火和火焰淬火等。一、表面淬火一、表面淬火 1、感应淬火感应淬火 感应淬火感应淬火是利用感应电流通过工件所是利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面产生的热效应，使
24、工件表面受到局部加热，并进行快速受到局部加热，并进行快速冷却的淬火工艺，感应加热冷却的淬火工艺，感应加热炉如图炉如图3-9所示。感应加热表所示。感应加热表面淬火如图面淬火如图3-10 所示。所示。机械工程材料图图3-10 感应加热表面淬火感应加热表面淬火示意图示意图高频加热：高频加热：200KHZ300KHZ；0.32.5mm,小件；轴；齿轮小件；轴；齿轮中频加热：中频加热：1KHZ10KHZ；210mm；较大件，凸轮，曲轴较大件，凸轮，曲轴工频加热：工频加热：50HZ；硬度层；硬度层 1020mm；应用大件应用大件机械工程材料图图3-11 火焰淬火示意图火焰淬火示意图表层加热并快速冷却的淬火
25、表层加热并快速冷却的淬火工艺。火焰淬火示意图，如工艺。火焰淬火示意图，如图图3-11所示。所示。2、火焰淬火、火焰淬火 火焰淬火是利用氧气一乙炔火焰使工件的火焰淬火是利用氧气一乙炔火焰使工件的 特点特点：生产率高，加热速度快；淬火后晶粒细、硬度高；生产率高，加热速度快；淬火后晶粒细、硬度高；加热不氧化、不脱碳、不变形；有较高疲劳强度；缺点是设备加热不氧化、不脱碳、不变形；有较高疲劳强度；缺点是设备投资大。应用大批量生产小件，齿轮等。投资大。应用大批量生产小件，齿轮等。特点：操作简单，效特点：操作简单，效率低；表面层率低；表面层26mm，工作表面严重氧化，质量工作表面严重氧化，质量难以控制。应用
26、难以控制。应用 单件、小单件、小批生产。批生产。机械工程材料最常用的方法有：最常用的方法有：1、渗碳、渗碳 是把低碳钢工件放在渗碳介质中，加热到一定温度，是把低碳钢工件放在渗碳介质中，加热到一定温度，保温足够长的时间，使表面层碳保温足够长的时间，使表面层碳浓度升高的一种热处理工艺。浓度升高的一种热处理工艺。根据根据渗碳介质不同，渗碳介质不同，可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳，可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳，2、渗氮、渗氮(氮化氮化)渗氮是在一定温度下于一定介质中使氮原子渗渗氮是在一定温度下于一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。入工件表层的化学热处理工艺。目前应用最广的是气体渗氮。氮目前应用最广的是气体渗氮。氮化以后工件硬度高，耐磨性高，氧化变形小并能耐热、耐腐蚀和化以后工件硬度高，耐磨性高，氧化变形小并能耐热、耐腐蚀和耐疲劳等。耐疲劳等。二、二、钢的化学热处理钢的化学热处理 钢的化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温，钢的化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入到它的表层，以改变其化学成分、组织和使一种或几种元素渗入到它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。性能的热处理工艺。