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1、金属材料及热处理金属材料及热处理北京科技大学材料学院材料学系北京科技大学材料学院材料学系_第一章第一章铁碳相图和铁碳合金缓冷后的组织铁碳相图和铁碳合金缓冷后的组织一、铁碳相图一、铁碳相图图图1.1Fe-Fe3C相图相图_二、铁碳合金的凝固过程二、铁碳合金的凝固过程通常按有无共晶转变将通常按有无共晶转变将Fe-C合金分为钢合金分为钢和铸铁两部分，即含和铸铁两部分，即含C量量2.11%的为铸铁。按组织分为工业的为铸铁。按组织分为工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁。口铸铁。_三、铁
2、碳合金中的碳化物三、铁碳合金中的碳化物1)渗碳体（渗碳体（Cementite）：）：Fe3C，是一种，是一种具有复杂晶体结构的化合物，属于正交晶具有复杂晶体结构的化合物，属于正交晶系。系。2)碳化物：碳化物：Fe2.4C，具有密集六角点阵结构，具有密集六角点阵结构，是亚稳相。是亚稳相。3)碳化物：又称碳化物：又称Hgg碳化物，碳化物，Fe2.2C或或Fe2C5，具有底心单斜点阵。，具有底心单斜点阵。_第二章第二章 钢的热处理原理和工艺钢的热处理原理和工艺 第一节第一节 概述概述 钢的热处理：通过加热、保温和冷却的方钢的热处理：通过加热、保温和冷却的方法，来改变钢内部组织结构，从而改善其法，来改
3、变钢内部组织结构，从而改善其性能的一种工艺。性能的一种工艺。热处理的工艺过程包括加热、保温和冷却热处理的工艺过程包括加热、保温和冷却三个阶段，它可用温度一时间坐标图形来三个阶段，它可用温度一时间坐标图形来表示，称为热处理工艺曲线。表示，称为热处理工艺曲线。_加热加热保温保温冷却冷却温度温度时间时间图图2.1热处理工艺曲线热处理工艺曲线_第二节第二节 钢加热时的组织转变钢加热时的组织转变图图2.2加热和冷却速度对临界温度的影响加热和冷却速度对临界温度的影响_一、奥氏体的形成过程一、奥氏体的形成过程(以共析钢为例以共析钢为例)+Fe3C0.0218%C6.69%C0.77%CA2正交正交A11.形
4、核形核2.长大长大3.残余渗碳体的溶解残余渗碳体的溶解4.奥氏体的均匀化奥氏体的均匀化_二、共析钢奥氏体的等温形成动力学二、共析钢奥氏体的等温形成动力学图图2.3共析钢奥氏体等温形成动力学曲线和共析钢奥氏体等温形成动力学曲线和等温形成图示意图等温形成图示意图_图图2.4共析钢奥氏体等温形成图共析钢奥氏体等温形成图_奥氏体等温形成动力学的影响因素：奥氏体等温形成动力学的影响因素：1.温度温度2.原始组织原始组织3.合金元素合金元素_三、奥氏体晶粒大小及其影响因素三、奥氏体晶粒大小及其影响因素 晶粒大小及其表示方法晶粒大小及其表示方法:采用与标准金相采用与标准金相图片相比较的方法，来确定晶粒度的级
5、别，晶图片相比较的方法，来确定晶粒度的级别，晶粒度的级别粒度的级别N N和放大和放大100100倍时每平方英寸倍时每平方英寸（6.45cm6.45cm2 2)视野中的平均晶粒数视野中的平均晶粒数n n的关系为：的关系为：_图图2.5奥氏体晶粒度示意图奥氏体晶粒度示意图_ 晶粒度：晶粒大小的尺度。晶粒度：晶粒大小的尺度。1 1 起始晶粒度起始晶粒度 2 2 实际晶粒度实际晶粒度 3 3 本质晶粒度本质晶粒度_图图2.6两类钢的平均晶粒直径随加热温度的变化两类钢的平均晶粒直径随加热温度的变化_ 晶粒大小的影响因素：晶粒大小的影响因素：1 1 加热温度和保温时间加热温度和保温时间 2 2 加热速度加
6、热速度 3 3 合金元素合金元素_过热：由于加热工艺不当过热：由于加热工艺不当(加热温度过高、保温时加热温度过高、保温时间过长等间过长等)而引起实际奥氏体晶粒粗大，在随后而引起实际奥氏体晶粒粗大，在随后的淬火或正火得到十分粗大的组织，从而使钢的的淬火或正火得到十分粗大的组织，从而使钢的机械性能严重恶化，此现象称为过热。机械性能严重恶化，此现象称为过热。通过正火、退火的重结晶可以消除过热组织通过正火、退火的重结晶可以消除过热组织(非平非平衡组织则难以消除衡组织则难以消除)。过烧：由于加热工艺不当过烧：由于加热工艺不当(加热温度过高、保温时加热温度过高、保温时间过长等间过长等)而引起奥氏体晶界熔化
7、的现象称为过而引起奥氏体晶界熔化的现象称为过烧。通过正火、退火的重结晶不能消除过烧组织。烧。通过正火、退火的重结晶不能消除过烧组织。_第三节第三节 过冷奥氏体转变图过冷奥氏体转变图过冷奥氏体：奥氏体冷却到临界温度以下，过冷奥氏体：奥氏体冷却到临界温度以下，处处于热力学不稳定状态，称为过冷奥氏体。于热力学不稳定状态，称为过冷奥氏体。过冷奥氏体的冷却方式：等温冷却和连续过冷奥氏体的冷却方式：等温冷却和连续冷却冷却_一、共析钢的过冷奥氏体等温转变图一、共析钢的过冷奥氏体等温转变图(TTT)(TTT)1 1、过冷奥氏体等温转变图的建立、过冷奥氏体等温转变图的建立图图2.6共析钢过冷奥氏体等温转变图共析
8、钢过冷奥氏体等温转变图_图图2.7亚共析钢过冷奥氏体等温亚共析钢过冷奥氏体等温转变图转变图图图2.8过共析钢过冷奥氏体等温过共析钢过冷奥氏体等温转变图转变图_2 2、影响过冷奥氏体等温转变图的因素、影响过冷奥氏体等温转变图的因素1)1)含含C C量量2)2)合金元素合金元素3)3)加热条件加热条件4)4)原始组织原始组织5)5)应力应力6)6)塑性变形塑性变形_3、过冷奥氏体等温转变图的应用、过冷奥氏体等温转变图的应用TTT图是制定等温热处理工艺的有效依图是制定等温热处理工艺的有效依据，例如：等温淬火、等温退火等。据，例如：等温淬火、等温退火等。_二、过冷奥氏体的连续冷却转变二、过冷奥氏体的连
9、续冷却转变1、过冷奥氏体连续冷却转变图、过冷奥氏体连续冷却转变图(CCT)的建立的建立图图2.9共析钢过冷奥氏体连续冷共析钢过冷奥氏体连续冷却转变图却转变图_图图2.10亚共析钢和过共析钢过冷亚共析钢和过共析钢过冷奥氏体连续冷却转变图奥氏体连续冷却转变图_2、过冷奥氏体连续冷却转变图、过冷奥氏体连续冷却转变图(CCT)的应用的应用CCT图是制定连续冷却热处理工艺的有图是制定连续冷却热处理工艺的有效依据：预测热处理后零件的组织和性能；效依据：预测热处理后零件的组织和性能；确定临界冷速；选择淬火介质。确定临界冷速；选择淬火介质。_3、共析钢、共析钢CCT曲线与曲线与TTT曲线的对比曲线的对比图图2
10、.11共析钢过冷奥氏体共析钢过冷奥氏体CCT曲曲线与线与TTT曲线的比较曲线的比较_第四节第四节 珠光体转变珠光体转变珠光体转变：共析钢奥氏体化后，过冷到珠光体转变：共析钢奥氏体化后，过冷到A1至至“鼻尖鼻尖”之间区域等温停留时，将发之间区域等温停留时，将发生共析转变，形成珠光体组织。生共析转变，形成珠光体组织。转变温度：转变温度：A1以下以下转变形式：转变形式：+Fe3C相变特点：扩散性相变相变特点：扩散性相变_一、珠光体形态和性能一、珠光体形态和性能 1.1.珠光体形态珠光体形态片状珠光体片状珠光体粒状珠光体粒状珠光体珠光体珠光体索氏体索氏体屈氏体屈氏体2.2.性能性能片状珠光体：片间距越
11、小，强度、硬度升高，范性变好。片状珠光体：片间距越小，强度、硬度升高，范性变好。粒状珠光体：与片状珠光体相比，硬度、强度较低，范性较高。粒状珠光体：与片状珠光体相比，硬度、强度较低，范性较高。_图图2.11片状珠光体的形成示意图片状珠光体的形成示意图二、片状珠光体的形成过程二、片状珠光体的形成过程1、分片形成机理、分片形成机理_图图2.11片状珠光体形成时片状珠光体形成时C原子的扩散示意图原子的扩散示意图_2、分支形成机理、分支形成机理与片状珠光体的形成机理相似，只是在分枝形与片状珠光体的形成机理相似，只是在分枝形成机理中珠光体区域的铁素体和渗碳体具有相同成机理中珠光体区域的铁素体和渗碳体具有
12、相同的取向，渗碳体的晶核形成后，向前长大过程中的取向，渗碳体的晶核形成后，向前长大过程中不断分枝，而铁素体协调的在渗碳体枝间形成，不断分枝，而铁素体协调的在渗碳体枝间形成，从而形成渗碳体和铁素体的两相混合组织。从而形成渗碳体和铁素体的两相混合组织。_三、粒状珠光体三、粒状珠光体 粒状珠光体是渗碳体以颗粒的形式分布粒状珠光体是渗碳体以颗粒的形式分布在铁素体基体上。在铁素体基体上。形成的先决条件是奥氏体化温度较低，形成的先决条件是奥氏体化温度较低，此时奥氏体中残存未溶渗碳体质点和高碳此时奥氏体中残存未溶渗碳体质点和高碳区，缓冷至区，缓冷至A1A1以下较小过冷度下，高碳区以下较小过冷度下，高碳区非自
13、发形核或未熔碳化物直接长大成渗碳非自发形核或未熔碳化物直接长大成渗碳体颗粒，周围的低碳区变成铁素体，从而体颗粒，周围的低碳区变成铁素体，从而形成粒状珠光体。形成粒状珠光体。_四、亚四、亚(过过)共析钢的珠光体转变共析钢的珠光体转变 伪共析组织：非共析成分的合金在冷却伪共析组织：非共析成分的合金在冷却过程中却获得类似共析成分的组织。过程中却获得类似共析成分的组织。离异共析：共析组织中与先共析相相同离异共析：共析组织中与先共析相相同的相依附先共析相成长，另一相孤立的分的相依附先共析相成长，另一相孤立的分布在先共析相之间，失去共晶组织的特征。布在先共析相之间，失去共晶组织的特征。_图图2.12Fe-
14、Fe3C准平衡相图准平衡相图T1T2_第五节第五节 马氏体转变马氏体转变概念：将钢加热奥氏体化，以大于概念：将钢加热奥氏体化，以大于vk的冷却速度快的冷却速度快冷至冷至Ms点以下，将产生马氏体转变，习惯上将通点以下，将产生马氏体转变，习惯上将通过切变进行点阵重构，而无成分变化的非扩散性过切变进行点阵重构，而无成分变化的非扩散性相变，称为马氏体转变。相变，称为马氏体转变。相变温度范围：相变温度范围：Ms-Mf之间之间相变特点：切变、无扩散、非恒温转变相变特点：切变、无扩散、非恒温转变_一、马氏体的晶体结构一、马氏体的晶体结构晶体结构类型：体心立方和体心正方晶体结构类型：体心立方和体心正方马氏体正
15、方度：马氏体正方度：c轴与轴与a轴长度的比值，即轴长度的比值，即c/a，称为马氏体的正方度。当，称为马氏体的正方度。当c/a1时，时，称为正方马氏体，称为正方马氏体，c/a=1时称为立方马氏时称为立方马氏体。体。_二、马氏体的组织形态二、马氏体的组织形态 片状马氏体：内部由孪晶组成片状马氏体：内部由孪晶组成 板条马氏体：内部存在大量的位错板条马氏体：内部存在大量的位错图图2.13板条马氏体与片状马氏体板条马氏体与片状马氏体_图图2.14马氏体形态与马氏体形态与C含量之间的关系含量之间的关系_三、马氏体的性能三、马氏体的性能高强度、高硬度高强度、高硬度图图2.15马氏体硬度与马氏体硬度与C含量之
16、间的关系含量之间的关系_四、马氏体转变的特点四、马氏体转变的特点表面浮凸、共格相界面、非恒温转变表面浮凸、共格相界面、非恒温转变 _五、奥氏体的稳定化五、奥氏体的稳定化 热稳定化热稳定化 机械稳定化机械稳定化 化学稳定化化学稳定化_第六节第六节 贝氏体转变贝氏体转变定义：将奥氏体化的钢过冷到定义：将奥氏体化的钢过冷到Bs(约约550)至至Ms温度范围等温，将产生贝氏体转变，温度范围等温，将产生贝氏体转变，也称中温转变。也称中温转变。贝氏体的组成：铁素体贝氏体的组成：铁素体+碳化物碳化物形成温度：上贝氏体，形成温度：上贝氏体，350-400以上至以上至Bs下贝氏体，下贝氏体，350-400以下至
17、以下至Ms_一、贝氏体的组织形态一、贝氏体的组织形态上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体上贝氏体上贝氏体下贝氏体下贝氏体_二、贝氏体的形成过程二、贝氏体的形成过程上贝氏体上贝氏体下贝氏体下贝氏体粒状贝氏体粒状贝氏体_三、贝氏体性能三、贝氏体性能上贝氏体：强度较低、范性和韧性较差上贝氏体：强度较低、范性和韧性较差下贝氏体：相对于上贝氏体来说，强度下贝氏体：相对于上贝氏体来说，强度和韧性较好和韧性较好_第七节第七节 钢在回火时的转变钢在回火时的转变回火：淬火钢件加热到低于回火：淬火钢件加热到低于A1A1的某一温度，的某一温度，保温一段时间，然后冷却至室温的热保温一段时间，然
18、后冷却至室温的热 处理工艺，是淬火后必须进行的热处处理工艺，是淬火后必须进行的热处 理工艺。理工艺。_一、淬火钢在回火时的组织转变一、淬火钢在回火时的组织转变五个阶段：五个阶段：1)马氏体中碳原子的偏聚马氏体中碳原子的偏聚(100以下以下)2)马氏体分解马氏体分解(100-350)3)残余奥氏体分解残余奥氏体分解(200-300)4)碳化物的转变碳化物的转变(250-400)5)碳化物的聚集长大和碳化物的聚集长大和相回复相回复再结晶再结晶(400以上以上)_二、回火转变组织二、回火转变组织1)回火马氏体回火马氏体(150-250)2)回火屈氏体回火屈氏体(350-500)3)回火索氏体回火索氏
19、体(500-650)4)粒状珠光体粒状珠光体(650-A1)_三、淬火钢在回火时力学性能的变化三、淬火钢在回火时力学性能的变化随着回火温度的升高，淬火钢力学性能随着回火温度的升高，淬火钢力学性能总的变化趋势是：硬度和强度下降，而总的变化趋势是：硬度和强度下降，而塑性和韧性提高。塑性和韧性提高。_四、钢的回火脆性四、钢的回火脆性 1)1)低温回火脆性低温回火脆性(250-400(250-400)2)2)高温回火脆性高温回火脆性(450-650(450-650)五、淬火后回火产物与五、淬火后回火产物与A A直接分解产物性能直接分解产物性能 比较比较_第八节第八节 退火和正火退火和正火一、钢的退火一
20、、钢的退火1.概念：将钢加热到临界点概念：将钢加热到临界点Ac1以上或以下以上或以下一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态的组织。以获得接近平衡状态的组织。_2.2.目的：目的：1)1)消除铸锭的成分偏析，使成分均匀化；消除铸锭的成分偏析，使成分均匀化；2)2)消除铸锻件中的魏氏组织或带状组织，消除铸锻件中的魏氏组织或带状组织，细化晶粒和均匀组织；细化晶粒和均匀组织；3)3)降低硬度，提高塑性，以便于切削加降低硬度，提高塑性，以便于切削加 工；工；4)4)改善高碳钢中碳化物的形态和分布，为改善高碳钢中碳化物的形态和分布，为 淬火作组织准备
21、。淬火作组织准备。_3.退火的分类退火的分类扩散退火扩散退火完全退火完全退火普通退火普通退火不完全退火不完全退火再结晶退火再结晶退火软化退火软化退火去氢退火去氢退火等温退火等温退火_二、钢的正火(Normalization)1.概念：将钢加热到将钢加热到Ac3或或Accm以上以上30-50或者更高温度，保温足够的时间，然或者更高温度，保温足够的时间，然后在静止的空气中冷却的热处理工艺。后在静止的空气中冷却的热处理工艺。_2.正火后的组织正火后的组织根据钢中过冷奥氏体的稳定性和钢的截面根据钢中过冷奥氏体的稳定性和钢的截面大小，正火后可以获得不同的组织，如粗大小，正火后可以获得不同的组织，如粗细不
22、同的珠光体、贝氏体、马氏体或它们细不同的珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合组织。的混合组织。_3.目的目的1)对于大锻件、截面较大的钢材、铸对于大锻件、截面较大的钢材、铸件，用正火细化晶粒，均匀组织，件，用正火细化晶粒，均匀组织，为淬火作好组织准备，此时正火相为淬火作好组织准备，此时正火相当于退火的效果；当于退火的效果；2)应用于低碳钢提高硬度，改善切削应用于低碳钢提高硬度，改善切削加工性能；加工性能；3)作为普通结构零件的最终热处理；作为普通结构零件的最终热处理；4)用于过共析钢，消除网状渗碳体。用于过共析钢，消除网状渗碳体。_第九节第九节 钢的淬火与回火钢的淬火与回火一、钢的淬火一、钢的淬
23、火 概念：将钢加热到临界点概念：将钢加热到临界点Ac1Ac1或或Ac3Ac3以上一以上一定温度，保温一定时间，然后在水或油等定温度，保温一定时间，然后在水或油等冷却介质中快速冷却。冷却介质中快速冷却。目的：把奥氏体化的工件淬成马氏体，以目的：把奥氏体化的工件淬成马氏体，以便在适当温度回火时，获得所需要的力学便在适当温度回火时，获得所需要的力学性能。性能。强化钢材最重要的热处理方法。强化钢材最重要的热处理方法。_1.淬火工艺参数的选择淬火工艺参数的选择1)加热温度：加热温度：亚共析碳钢：亚共析碳钢：Ac3+3050共析碳钢以及过共析碳钢：共析碳钢以及过共析碳钢：Ac1+3050_2)保温时间：工
24、件的加热时间与钢的成分、保温时间：工件的加热时间与钢的成分、原始组织、工件形状和尺寸、加热介质、原始组织、工件形状和尺寸、加热介质、装炉方式、炉温等许多因素有关。装炉方式、炉温等许多因素有关。一般用经验公式来确定：一般用经验公式来确定：t=*Dt加热时间（加热时间（min）加热系数（加热系数（min/mm）D工件有效厚度（工件有效厚度（mm）保温的目的：使工件热透；获得所需成分保温的目的：使工件热透；获得所需成分的细晶奥氏体的细晶奥氏体_3)冷却介质：冷却介质：(1)理想淬火介质理想淬火介质(2)常用淬火冷却介质常用淬火冷却介质A水水：使使用用安安全全，无无燃燃烧烧、腐腐蚀蚀等等危危险险，仍是
25、碳钢最常用的淬火冷却介质。仍是碳钢最常用的淬火冷却介质。B食盐水溶液：食盐水溶液：冷却能力远高于水。冷却能力远高于水。C苛性钠水溶液苛性钠水溶液D油油：目目前前生生产产中中用用作作淬淬火火冷冷却却介介质质的的有有各各种种矿矿物物油油（机机油油、锭锭子子油油、变变压压器器油油、柴油等）。柴油等）。_理想冷却介质的冷却曲线理想冷却介质的冷却曲线_4.冷却方法冷却方法_5.淬火内应力淬火内应力由于钢件不同部位存在着温度差别而导致由于钢件不同部位存在着温度差别而导致热胀冷缩不一致所引起的应力称为热应力。热胀冷缩不一致所引起的应力称为热应力。由由于于工工件件各各部部位位相相转转变变的的不不同同时时性性所
26、所引引起起的内应力，称为相变应力。的内应力，称为相变应力。_6.常用钢的淬火工艺以及组织转变常用钢的淬火工艺以及组织转变1)20钢钢_ _2)T12_2)钢的淬透性钢的淬透性(hardenability)淬透性：奥氏体化后的钢接受淬火的能力，淬透性：奥氏体化后的钢接受淬火的能力，其大小通常用一定条件下淬火后港、钢的其大小通常用一定条件下淬火后港、钢的淬透层深度来表示，主要取决于钢的临界淬透层深度来表示，主要取决于钢的临界冷却速度的大小。冷却速度的大小。淬硬性：钢在淬火后能够达到的最高硬度，淬硬性：钢在淬火后能够达到的最高硬度，主要和碳含量相关。主要和碳含量相关。_淬淬透透层层深深度度：从从钢钢
27、件件表表面面到到半半马马氏氏体体区区（即即50%马马氏氏体体和和50%非非马马氏氏体体组组织织）的的垂直距离。垂直距离。_淬透性对钢热处理后力学性能的影响淬透性对钢热处理后力学性能的影响_影响淬透性及淬硬深度的因素影响淬透性及淬硬深度的因素 a a 影响淬透性的因素：影响淬透性的因素：(1)(1)奥奥氏氏体体化化学学成成分分：除除CoCo以以外外的的合合金金元元素素，当当其其溶溶入入A A后，使后，使C C曲线右移，提高钢的淬透性。曲线右移，提高钢的淬透性。(2)(2)奥奥氏氏体体化化条条件件：A A化化温温度度越越高高，保保温温时时间间越越长长，成成分分愈愈均均匀匀，使使过过冷冷A A越越稳
28、稳定定，C C曲曲线线越越右右移移，钢钢的的淬淬透透性性越好。越好。b b影响淬硬深度的因素：影响淬硬深度的因素：(1)(1)钢的淬透性钢的淬透性 (2)(2)零件的形状与尺寸零件的形状与尺寸 (3)(3)淬火介质的冷却能力淬火介质的冷却能力_淬透性的测定方法：淬透性的测定方法：a.断口评级法断口评级法b.顶端淬火法顶端淬火法_ 由由GB225-63GB225-63采采用用末末端端淬淬火火法法测测定定。用用这这种种方方法法测定的淬透性表示方法：测定的淬透性表示方法：J J：末末端端淬淬透透性性；HRCHRC：该该处处测测得得的的硬硬度度；d d：至末端的距离。至末端的距离。临界淬透直径临界淬透
29、直径DcDc DcDc是是钢钢在在某某种种淬淬火火冷冷却却介介质质中中冷冷却却后后心心部部能能得得到到半半马马氏氏体体组组织织的的最最大大直直径径。同同一一冷冷却却介介质中质中DcDc越大，则其淬透性越好。越大，则其淬透性越好。_二、钢的回火二、钢的回火1.1.概念：概念：将淬火钢重新加热到将淬火钢重新加热到A A1 1以下某一温度，保以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。2.2.目的：获得所需要的组织以改善性能；稳定工件目的：获得所需要的组织以改善性能；稳定工件尺寸；消除内应力。尺寸；消除内应力。_3.回火的种类及应用回火的种类及应用
30、1)低温回火（低温回火（150250）主主要要用用于于各各种种高高碳碳的的切切削削刃刃具具、量量具具、冷冷冲冲模模具具、滚滚动动轴轴承以及渗碳件等，回火后硬度一般为承以及渗碳件等，回火后硬度一般为5864HRC。2)中温回火（中温回火（350500）主主要要用用于于各各种种弹弹簧簧和和模模具具的的处处理理，回回火火后后硬硬度度一一般般为为3550HRC。3)高温回火（高温回火（500650）调调质质处处理理，其其目目的的是是获获得得强强度度、硬硬度度和和塑塑性性、韧韧性性都都较较好好的综合力学性能，广泛用于汽车、拖拉机、机床等的零件。的综合力学性能，广泛用于汽车、拖拉机、机床等的零件。_第十节
31、第十节 钢的形变热处理钢的形变热处理 形变热处理是形变强化和相变强化的一种形变热处理是形变强化和相变强化的一种热处理工艺。热处理工艺。优点：可以获得优异的力学性能；节约能优点：可以获得优异的力学性能；节约能源；减少氧化、脱碳、扭曲等热处理缺陷。源；减少氧化、脱碳、扭曲等热处理缺陷。_形变强化的原因：形变强化的原因：1)1)马氏体继承了形变奥氏体的高位错密度和细化马氏体继承了形变奥氏体的高位错密度和细化晶粒；晶粒；2)2)奥氏体形变时在位错周围析出许多超显微合金奥氏体形变时在位错周围析出许多超显微合金化合物，对位错起钉扎作用；化合物，对位错起钉扎作用；3)3)由于碳化物的析出，降低了奥氏体含碳量
32、和合由于碳化物的析出，降低了奥氏体含碳量和合金元素含量，使金元素含量，使MsMs点升高，淬火时增加板条马点升高，淬火时增加板条马氏体量，提高了韧性；氏体量，提高了韧性；4)4)高位错密度和微细碳化物的存在，使回火析出高位错密度和微细碳化物的存在，使回火析出的碳化物更弥散均匀。的碳化物更弥散均匀。_一、高温形变热处理一、高温形变热处理在接近在接近A3温度以上进行形变，形变后立即温度以上进行形变，形变后立即淬火，并回火至所需的硬度。淬火，并回火至所需的硬度。根据形变方式分为：控轧淬火、锻热淬火根据形变方式分为：控轧淬火、锻热淬火等。等。_二、低温形变热处理二、低温形变热处理 将加热至奥氏体化的钢迅
33、速冷却至将加热至奥氏体化的钢迅速冷却至C C曲线曲线的奥氏体亚稳定区域进行形变，然后淬火，的奥氏体亚稳定区域进行形变，然后淬火，获得马氏体，并回火至所需的硬度。获得马氏体，并回火至所需的硬度。多用于含有强碳化物形成元素的合金钢。多用于含有强碳化物形成元素的合金钢。_第十一节第十一节 钢的表面淬火钢的表面淬火概念：是淬火的一种，与普通淬火的区别概念：是淬火的一种，与普通淬火的区别是在表面淬火中，只有工件的表面层奥氏是在表面淬火中，只有工件的表面层奥氏体化，随后快速冷却，表面淬成马氏体，体化，随后快速冷却，表面淬成马氏体，具有高的强度和硬度，心部保持原始组织，具有高的强度和硬度，心部保持原始组织，
34、具有良好的塑性和韧性。具有良好的塑性和韧性。加热方法：感应加热、火焰加热、电解液加热方法：感应加热、火焰加热、电解液加热、电接触加热等等。加热、电接触加热等等。_一、感应加热的基本原理一、感应加热的基本原理 集肤效应：工件上产生的感应电流在工件截面上分布是不集肤效应：工件上产生的感应电流在工件截面上分布是不均匀的，在工件表面电流密度最大，心部几乎没有电流通均匀的，在工件表面电流密度最大，心部几乎没有电流通过。过。通通入入感感应应器器的的电电流流频频率率越越高高，感感应应涡涡流流的的集集肤肤效效应应就就越越强强烈，加热深度就越薄，可有如下关系：烈，加热深度就越薄，可有如下关系：_二、感应加热表面
35、淬火的特点二、感应加热表面淬火的特点1感应加热速度极快。感应加热速度极快。2由由于于感感应应加加热热速速度度快快，时时间间短短，淬淬火火后后可在表层获得极细马氏体或隐针马氏体。可在表层获得极细马氏体或隐针马氏体。3由由于于工工件件表表层层存存在在残残余余压压应应力力，它它能能部部分分抵抵消消在在变变动动载载荷荷作作用用下下产产生生的的拉拉应应力力，从而提高了疲劳极限。从而提高了疲劳极限。4工工件件表表面面不不易易氧氧化化和和脱脱碳碳，耐耐磨磨性性好好，而且工作变形也小。而且工作变形也小。5.生生产产率率高高，适适用用于于大大批批量量生生产产，而而且且易易实现机械化和自动化操作。实现机械化和自动
36、化操作。_三、感应加热淬火加热方式三、感应加热淬火加热方式1.同时加热淬火法同时加热淬火法2.连续加热淬火法连续加热淬火法四、冷却方式四、冷却方式1.喷射冷却喷射冷却2.浸液冷却浸液冷却_五、回火方式五、回火方式1.炉内回火炉内回火2.自行回火自行回火3.感应回火感应回火_六、感应加热表面淬火设备及应用六、感应加热表面淬火设备及应用(1)高频感应加热表面淬火高频感应加热表面淬火200300KHz=0.52mm淬硬层较薄淬硬层较薄的中心零件。的中心零件。(2)中频感应加热表面淬火中频感应加热表面淬火50010000Hz=210mm(3)工频感应加热表面淬火工频感应加热表面淬火50Hz=1015m
37、m轧辊、火车车轮的轧辊、火车车轮的表面淬火表面淬火(4)超音频感应加热表面淬火超音频感应加热表面淬火2040KHz模数模数36的齿轮，链轮、花键的齿轮，链轮、花键轴、凸轮等轴、凸轮等_第十二节第十二节 钢的化学热处理钢的化学热处理 定义：将钢件放在一定温度的化学活性介定义：将钢件放在一定温度的化学活性介质中，使一种或几种元素的原子溶入钢件质中，使一种或几种元素的原子溶入钢件表面，以改变钢件表面层的化学成分，从表面，以改变钢件表面层的化学成分，从而获得预期的组织和性能的热处理工艺。而获得预期的组织和性能的热处理工艺。与表面淬火的区别：表面的化学成分有所与表面淬火的区别：表面的化学成分有所改变改变
38、优点：优点：_化学热处理由五个基本过程组成：化学热处理由五个基本过程组成：1.气氛的形成气氛的形成2.吸附吸附3.分解反应分解反应4.吸收吸收5.扩散扩散_一、钢的渗碳一、钢的渗碳 1 1渗碳的目的及其用钢：渗碳的目的及其用钢：渗渗碳碳把把钢钢置置于于渗渗C C介介质质中中，加加热热到到单单相相区区，将将C C原原子子 渗入碳钢表面的过程。渗入碳钢表面的过程。（1 1）渗碳目的及其用钢渗碳目的及其用钢 a a目目的的：满满足足提提高高重重要要零零件件表表面面具具有有高高的的硬硬度度，耐耐磨磨性及疲劳极限，而心部具有较高的强度和韧性的要求。性及疲劳极限，而心部具有较高的强度和韧性的要求。b b用
39、钢：用钢：Wc=0.1Wc=0.10.25%0.25%的碳钢或低合金钢。的碳钢或低合金钢。_2渗碳件的技术要求渗碳件的技术要求（1）表面含碳量表面含碳量WC=0.85%1.05%（2）渗碳层深度，一般渗碳层深度，一般0.52mm轴类：轴类：=（0.10.2）R齿轮：齿轮：=（0.20.3）m薄件工件：薄件工件：=（0.20.3）t式式中中R半半径径（mm）m模模数数（mm）t厚厚度度（mm）_3.渗碳方法渗碳方法固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳等三种。固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳等三种。4.渗碳工艺渗碳工艺1)温度：温度：9009502)渗碳时间：根据所要求的渗碳层厚度，渗碳时间：根据所要求的渗碳
40、层厚度，渗碳温度以及钢的成分来确定。渗碳温度以及钢的成分来确定。_5.渗碳后的组织渗碳后的组织 渗碳后的组织：低碳钢渗碳后缓冷到室渗碳后的组织：低碳钢渗碳后缓冷到室温，其组织是：温，其组织是：过共析钢过共析钢共析钢共析钢亚共亚共析钢析钢心部组织心部组织_（2 2）渗碳后的热处理渗碳后的热处理 a a直直接接淬淬火火法法：工工件件渗渗碳碳完完毕毕，出出炉炉经经预预冷冷后后，直直接接淬淬火和低温回火。表面火和低温回火。表面M M回回+A+AR R少少 ，心部低碳，心部低碳M M回回。b b一一次次淬淬火火法法：渗渗碳碳件件出出炉炉空空冷冷后后，再再加加热热到到淬淬火火温温度度进行淬火和低温回火。进
41、行淬火和低温回火。表表层层M M回回+A+AR R 585862HRC 62HRC，心心部部 低低碳碳M M回回+F(P+F)+F(P+F)，303045HRC45HRC c c二次淬火法：二次淬火法：第第一一次次淬淬火火（或或正正火火）是是为为了了细细化化心心部部组组织织和和消消除除表表层层渗渗碳碳体体网网，加加热热温温度度850850900900。第第二二次次淬淬火火是是为为了了改改善善渗渗碳层的组织和性能。碳层的组织和性能。表层组织表层组织 M M回回+柱状柱状FeFe3 3C+AC+AR R心部心部 低碳低碳M M回回+F+F_二、钢的渗氮二、钢的渗氮 1.1.渗氮原理及渗氮用钢渗氮原
42、理及渗氮用钢 a a、原理：、原理：2NH2NH3 3 3H3H2 2+2N+2N 活活性性氮氮原原子子被被钢钢的的表表面面吸吸收收，形形成成固固溶溶体体和和氮氮化化物物，随随着着渗渗氮氮时时间间的的增增长长，氮氮原原子子逐逐渐渐往往里里扩散，而获得一定深度的渗氮层。扩散，而获得一定深度的渗氮层。温温度度：550550570 570 时时间间:40:4070h 70h （0.40.40.6mm0.6mm）b b、渗渗氮氮用用钢钢，含含有有AlAl、Cr Cr、Mo Mo 等等合合金金元元素素的钢的钢38CrMoAlA38CrMoAlA、32Cr32Cr2 2MoVMoV。_（2 2）渗氮特点及
43、应用渗氮特点及应用 a a钢钢经经渗渗碳碳后后表表面面形形成成一一层层极极硬硬的的合合金金氮氮化化物物 9509501200HV1200HV。b b渗氮后钢的疲劳极限可提高渗氮后钢的疲劳极限可提高151535%35%。c c渗氮后的钢具有很高的抗腐蚀能力。渗氮后的钢具有很高的抗腐蚀能力。d d渗氮处理后，工件的变形很小渗氮处理后，工件的变形很小。_三、碳氮共渗三、碳氮共渗1低温气体氮碳共渗低温气体氮碳共渗（1）低温气体氮碳共渗的工艺低温气体氮碳共渗的工艺共渗介质：氨加醇类液体：甲醇以及尿素、甲酰胺共渗介质：氨加醇类液体：甲醇以及尿素、甲酰胺温度：温度：560570时间：时间：23h热处理：油冷
44、或水冷热处理：油冷或水冷（2）低温气体氮碳共渗的特点）低温气体氮碳共渗的特点a处理温度低，时间短，工件变形小。处理温度低，时间短，工件变形小。b不受钢种限制。不受钢种限制。c能显著地提高工件的疲劳极限，耐磨性和耐蚀性。能显著地提高工件的疲劳极限，耐磨性和耐蚀性。d共渗层硬而具有一定的韧性，不容易剥落。共渗层硬而具有一定的韧性，不容易剥落。_2 2中温气体碳氮共渗中温气体碳氮共渗（1 1）气体碳氮共渗的工艺气体碳氮共渗的工艺 共渗介质：气体渗碳炉中滴入煤油共渗介质：气体渗碳炉中滴入煤油+氨气氨气 CH CH4 4+NH+NH3 3HCN+3HHCN+3H2 2 CO+NH CO+NH3 3HCN
45、+HHCN+H2 2O O 2HCNH 2HCNH2 2+2C+2N+2C+2N 温度：温度：820820860860 时间：时间：2 23h 3h（0.40.4o.5mmo.5mm）_（2 2）气体碳氮共渗后的热处理与组织气体碳氮共渗后的热处理与组织 共渗表层：共渗表层：W WC C=0.7=0.70.9%W0.9%WN N=0.25=0.250.4%0.4%热处理：淬火热处理：淬火+低温回火低温回火 表层组织：表层组织：M MC.NC.N+碳氮化物碳氮化物+A+AR.N.CR.N.C 心部组织：低碳心部组织：低碳M M或中碳或中碳M M（淬透）（淬透）P+F P+F （未淬透）（未淬透）（
46、3 3）特点特点 a a共渗层的力学性能兼有渗碳层和渗氮层的优点。共渗层的力学性能兼有渗碳层和渗氮层的优点。b b碳氮共渗使共渗层的奥氏体转变温度降低。碳氮共渗使共渗层的奥氏体转变温度降低。c c氮氮的的渗渗入入使使共共渗渗层层的的奥奥氏氏体体的的稳稳定定性性提提高高，C C曲曲线线右右移。移。d d气气体体碳碳氮氮共共渗渗的的速速度度显显著著大大于于单单独独渗渗碳碳或或渗渗氮氮的的速速度，因而可缩短生产周期。度，因而可缩短生产周期。_1.1.将退火态将退火态4545号钢制成的小试样若干块，分号钢制成的小试样若干块，分别在温度为别在温度为900900、850850、800800、750750、
47、700700、650650、600600、550550、500500加热炉充分保温后加热炉充分保温后放入水中快速冷却，然后分别测量各样品放入水中快速冷却，然后分别测量各样品HRCHRC硬度值，示意画出加热温度（硬度值，示意画出加热温度（X X轴）轴）样品硬度（样品硬度（Y Y轴）的关系图，并说明图中轴）的关系图，并说明图中各部分所对应的温度范围和组织状态；若各部分所对应的温度范围和组织状态；若改用改用T8T8钢制成样品进行相同试验，示意画钢制成样品进行相同试验，示意画出实验结果关系图，并进行简要说明。出实验结果关系图，并进行简要说明。（提示（提示:T8:T8钢在工业上认为是共析钢）。钢在工业上认为是共析钢）。_2.2.用用T10T10钢制造形状简单的车刀，其工艺路钢制造形状简单的车刀，其工艺路线为：锻造线为：锻造热处理热处理机械加工机械加工热处理热处理磨削，试说明采取何种热处理工艺，作用磨削，试说明采取何种热处理工艺，作用如何？指出热处理后的显微组织。如何？指出热处理后的显微组织。_