第四章、鋼的熱處理

1、課 時 授 課 計 劃課 程金屬工藝授課班級 任課教師屈道強序 號10授課日期編制日期課 型理論節(jié) 次教 具課 題第一節(jié) 鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變第二節(jié) 鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變目的要求1.掌握鋼的熱處理定義和分類；2.了解鋼在加熱與冷卻時的組織轉(zhuǎn)變。重點與難點重點：掌握加熱和冷卻時的組織轉(zhuǎn)變；難點：加熱和冷卻時的組織轉(zhuǎn)變、球化退火原理。課程導入設計 講授教學法教法設計1利用掛圖等教具。2列舉生活中的現(xiàn)象，分析原理與應用，以點帶面。作業(yè)與思考P55課后記事 第四章 鋼的熱處理 熱處理是采用適當?shù)姆绞綄饘俨牧匣蚬ぜM行加熱、保溫和冷卻以獲得預期的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。熱處理工藝方法較多，但其

2、過程都是由加熱、保溫、冷卻三個階段組成，如圖4-1熱處理的分類見表4-1。 第一節(jié) 鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變 大多數(shù)零件的熱處理都是先加熱到臨界點以上某一溫度區(qū)間，使其全部或部分得到均勻的奧氏體組織，然后采用適當?shù)睦鋮s方法，獲得所需要的其它組織結(jié)構(gòu)，如馬氏體、貝氏體等。金屬或合金在加熱或冷卻過程中，發(fā)生相變的溫度稱為相變點或臨界點，如圖42。在鐵碳合金狀態(tài)圖中，A1、A3、Acm是平衡條件下的臨界點；實際加熱時的臨界點標為Ac1、Ac3、Accm；冷卻時的臨界點標為Ar1、Ar3、Arcm。 一、奧氏體的形成 以共析鋼為例來分析共析鋼奧氏體的形成過程。珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，是由化學成分和

3、晶格都不相同的兩相，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N化學成分和晶格的過程，因此，在轉(zhuǎn)變過程中必須進行碳原子的擴散和鐵原子的晶格重構(gòu)，即發(fā)生相變。研究發(fā)現(xiàn)：奧氏體的形成是通過形核和核長大過程來實現(xiàn)的。珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變可以分為四個階段：奧氏體晶核形成；奧氏體晶核長大；殘余滲碳體溶解；奧氏體化學成分的均勻化，如圖43。 鋼在熱處理時之所以需要一定的保溫時間，不僅是為了把零件熱透，而且也是為了獲得化學成分均勻的奧氏體，以便在冷卻時得到良好的組織和性能。由鐵碳合金狀態(tài)圖可以看出，亞共析鋼需加熱到Ac3以上，并保溫適當時間，才能得到化學成分均勻單一的奧氏體組織；過共析鋼需加熱到Accm以上，并保溫適當時間，才能得到化學成分

4、均勻單一的奧氏體組織。 二、奧氏體晶粒長大及其控制措施 鋼中奧氏體晶粒的大小直接影響到冷卻后的組織和性能。奧氏體晶粒細小，則其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的晶粒也較細小，其性能也較好；反之，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的晶粒則粗大，其性能則較差。1合理選擇加熱溫度和保溫時間 2選用含有合金元素的鋼第二節(jié) 鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 實踐證明：同一化學成分的鋼，加熱到奧氏體狀態(tài)后，若采用不同的冷卻方法和冷卻速度進行冷卻，將得到形態(tài)不同的各種組織，從而獲得不同的性能。在一定冷卻速度下進行冷卻時，奧氏體要過冷到A1溫度以下才能完成轉(zhuǎn)變。在共析溫度以下存在的奧氏體稱為過冷奧氏體，也稱亞穩(wěn)奧氏體，它有較強的相變趨勢。鋼在冷卻時，可以采取兩種冷卻轉(zhuǎn)變

5、方式：等溫轉(zhuǎn)變和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變。等溫轉(zhuǎn)變是指工件奧氏體化后，冷卻到臨界點以下的某一溫度區(qū)間內(nèi)等溫保持時，過冷奧氏體發(fā)生的相變。連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變是指工件奧氏體化后以不同冷速連續(xù)冷卻時過冷奧氏體發(fā)生的相變。采用等溫轉(zhuǎn)變可以獲得單一的珠光體、索氏體、托氏體、上貝氏體、下貝氏體和馬氏體組織。而采用連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時，由于連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變是在一個溫度范圍內(nèi)進行，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物往往不一定是單一的，根據(jù)冷卻速度的變化，有可能是PS、ST或TM等。 課 時 授 課 計 劃課 程金屬工藝授課班級 任課教師屈道強序 號11授課日期編制日期課 型理論節(jié) 次教 具課 題第三節(jié) 退火與正火目的要求1.掌握退火與正火對金屬性能的影響；2.

6、了解退火與正火原理及分類。重點與難點重點：掌握退火與正火對金屬性能的影響；難點：退火與正火原理課程導入設計 講授教學法教法設計1利用掛圖等教具。2列舉生活中的現(xiàn)象，分析原理與應用。作業(yè)與思考P55課后記事 第三節(jié) 退火與正火 鋼的退火與正火是常用的兩種基本熱處理工藝方法，主要用來處理工件毛坯，為以后切削加工和最終熱處理做組織準備，因此，退火與正火通常又稱為預備熱處理。對一般鑄件、焊接件以及性能要求不高的工件來講，退火和正火也可作為最終熱處理。 一、鋼的退火將工件加熱到適當溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝過程叫鋼的退火，其目的是消除鋼的內(nèi)應力；降低硬度，提高塑性；細化組織，均勻成分，

7、以利于后續(xù)加工，并為最終熱處理做好組織準備。根據(jù)鋼的化學成分和退火目的不同，退火常分為：完全退火、球化退火、去應力退火、擴散退火和再結(jié)晶退火等，如圖45，圖46. 1.完全退火完全退火是將工件完全奧氏體化后緩慢冷卻，獲得接近平衡組織的退火。完全退火后所得到的室溫組織為鐵素體和珠光體。完全退火主要用于亞共析鋼的鑄件、鍛件、焊接件等。 2.球化退火球化退火是使工件中碳化物球狀化而進行的退火。球化退火得到的室溫組織為鐵素體基體上均勻分布著球狀(粒狀)滲碳體，即球狀珠光體組織。球化退火主要用于過共析鋼和共析鋼制造的刃具、量具、模具等零件。 3.去應力退火去應力退火是為去除工件塑性形變加工、切削加工或焊

8、接造成的內(nèi)應力及鑄件內(nèi)存在的殘余應力而進行的退火。鋼件在去應力退火的加熱及冷卻過程中無相變發(fā)生。去應力退火主要用于消除鋼件在切削加工、鑄造、鍛造、熱處理、焊接等過程中產(chǎn)生的殘余應力并穩(wěn)定其尺寸。 二、鋼的正火指工件加熱到奧氏體化后在空氣中緩慢冷卻的熱處理工藝過程叫正火。正火的目的是細化晶粒，提高硬度，消除網(wǎng)狀滲碳體，并為淬火、切削加工等后續(xù)工序作組織準備。生產(chǎn)中正火主要應用于如下場合： （1）改善切削性能。低碳鋼和低合金鋼退火后鐵素體所占比例較大，硬度偏低，切削加工時有“粘刀”現(xiàn)象，而且表面粗糙度值較大。通過正火能適當提高硬度，改善切削加工性。（2）消除網(wǎng)狀碳化物，為球化退火作組織準備。（3）

9、用于普通結(jié)構(gòu)零件或某些大型非合金鋼工件的最終熱處理，以代替調(diào)質(zhì)處理，如鐵道車輛的車軸。（4）用于淬火返修件，消除應力，細化組織，防止重新淬火時產(chǎn)生變形與開裂。小結(jié)與作業(yè)課 時 授 課 計 劃課 程金屬工藝授課班級 任課教師屈道強序 號12授課日期編制日期課 型理論節(jié) 次教 具課 題第四節(jié) 淬火目的要求1.掌握鋼的熱處理定義和分類；2.了解鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變。重點與難點重點：掌握淬火的有關概念難點：淬透性和淬硬性課程導入設計 講授教學法教法設計1利用掛圖等教具。2舉生活中應用淬火的現(xiàn)象，分析原理。作業(yè)與思考P55課后記事 第四節(jié) 淬火把工件加熱奧氏體化后以適當方式冷卻獲得馬氏體或(和)貝氏體組

10、織的熱處理工藝過程叫鋼的淬火。馬氏體是碳或合金元素在-Fe中的過飽和固溶體，是單相亞穩(wěn)組織，硬度較高，用符號M表示。馬氏體的硬度主要取決于馬氏體中碳的質(zhì)量分數(shù)。馬氏體中由于溶入過多的碳原子，從而使-Fe晶格發(fā)生畸變，增加其塑性變形抗力，故馬氏體中碳的質(zhì)量分數(shù)越高，其硬度也越高。一、淬火(一)淬火的目的淬火的目的主要是使鋼件得到馬氏體(和貝氏體)組織，提高鋼的硬度和強度，與適當?shù)幕鼗鸸に囅嗯浜?，更好地發(fā)揮鋼材的性能潛力。 (二)淬火工藝1淬火加熱溫度的確定 亞共析鋼淬火加熱溫度為Ac3以上3050。 共析鋼和過共析鋼淬火加熱溫度為Ac1以上3050。 2淬火介質(zhì) 常用的淬火冷卻介質(zhì)有油、水、鹽水

11、、硝鹽浴和空氣等。 3淬火方法(1)單液淬火。將已奧氏體化的鋼件在一種淬火介質(zhì)中冷卻的方法。例如，低碳鋼和中碳鋼在水中淬火，合金鋼在油中淬火等。單液淬火方法主要應用于形狀簡單的鋼件。(2)雙液淬火。將工件加熱奧氏體化后先浸入冷卻能力強的介質(zhì)中，在組織即將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時立即轉(zhuǎn)入冷卻能力弱的介質(zhì)中冷卻的方法，稱為雙液淬火。例如，先在水中冷卻后在油中冷卻的雙液淬火。雙液淬火主要適用于中等復雜形狀的高碳鋼工件和較大尺寸的合金鋼工件。(3)馬氏體分級淬火工件加熱奧氏體化浸入溫度稍高于或稍低于Ms點的鹽浴或堿浴中，保持適當時間，在工件整體達到冷卻介質(zhì)溫度后取出空冷以獲得馬氏體組織的淬火方法，稱為馬氏體分

12、級淬火。馬氏體分級淬火能夠減小工件中的熱應力，并緩和相變過程中產(chǎn)生的組織應力，減少淬火變形。馬氏體分級淬火適用于尺寸比較小、形狀復雜的工件的淬火。(4)貝氏體等溫淬火工件加熱奧氏體化后快冷到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間等溫保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w的淬火。貝氏體等溫淬火的特點是工件在淬火后，工件的淬火應力與變形較小，工件具有較高的韌性、塑性、硬度和耐磨性。貝氏體等溫淬火可用來處理各種中碳鋼、高碳鋼和合金鋼制造的小型復雜工件。4冷處理冷處理是指鋼件淬火冷卻到室溫后，繼續(xù)在一般致冷設備或低溫介質(zhì)中冷卻的工藝。主要目的是消除和減少殘余奧氏體，穩(wěn)定鋼件尺寸，獲得更多的馬氏體，如量具、精密軸承、精密絲杠、精密刀具

13、、槍桿等，均應在淬火之后進行冷處理，以消除殘余奧氏體，穩(wěn)定鋼件尺寸。 二、鋼的淬透性與淬硬性淬透性是指以規(guī)定條件下鋼試樣淬硬深度和硬度分布表征的材料特性。換句話說，淬透性是鋼材的一種屬性，是指鋼淬火時獲得馬氏體的能力。鋼在理想條件下淬火所能達到的最高硬度來表征的材料特性稱為淬硬性。淬硬性主要與鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)有關，與合金元素含量沒有多達關系。奧氏體中碳的質(zhì)量分數(shù)越高，鋼的淬硬性越高，淬火后硬度值也越高。 淬硬性和淬透性是兩個不同的概念：淬火后硬度高的鋼，不一定淬透性就高，淬火后硬度低的鋼，不一定淬透性就低。 三、淬火缺陷 1過熱與過燒 工件加熱溫度偏高，而使晶粒過度長大，以致力學性能顯著降低的

14、現(xiàn)象稱為過熱。鋼件過熱后，形成的粗大奧氏體晶粒可以通過正火和退火來消除。 工件加熱溫度過高，致使晶界氧化和部分熔化的現(xiàn)象稱為過燒。過燒鋼件淬火后強度低，脆性很大，并且無法補救，只能報廢。 2氧化與脫碳工件加熱時，介質(zhì)中的氧、二氧化碳、水蒸汽等與之反應生成氧化物的過程稱為氧化。工件加熱時介質(zhì)與工件中的碳發(fā)生反應，使表層碳的質(zhì)量分數(shù)降低的現(xiàn)象稱為脫碳。氧化使鋼件表面燒損，增大表面粗糙度值，減小鋼件尺寸，甚至使鋼件報廢。脫碳使鋼件表面碳的質(zhì)量分數(shù)降低，使其力學性能下降，容易引起鋼件早期失效。 3.硬度不足和軟點鋼件淬火后較大區(qū)域內(nèi)硬度達不到技術要求，稱為硬度不足。鋼件淬火硬化后，其表面局部區(qū)域存在硬

15、度偏低的現(xiàn)象稱為軟點。 4變形和開裂 變形是淬火時鋼件產(chǎn)生形狀或尺寸偏差的現(xiàn)象。開裂是淬火時鋼件表層或內(nèi)部產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象。鋼件產(chǎn)生變形與開裂的主要原因是由于鋼件在熱處理過程中其內(nèi)部產(chǎn)生了較大的內(nèi)應力。熱應力是指鋼件加熱和(或)冷卻時，由于不同部位出現(xiàn)溫差而導致熱脹和(或)冷縮不均所產(chǎn)生的內(nèi)應力。相變應力是熱處理過程中，因鋼件不同部位組織轉(zhuǎn)變不同步而產(chǎn)生的內(nèi)應力。鋼件在淬火時，熱應力和相變應力同時存在，這兩種應力總稱為淬火應力。當淬火應力大于鋼的屈服點時，鋼件就發(fā)生變形；當淬火應力大于鋼件的抗拉強度時，鋼件就產(chǎn)生開裂。 課 時 授 課 計 劃課 程金屬工藝授課班級 任課教師屈道強序 號

16、13授課日期編制日期課 型理論節(jié) 次教 具課 題第五節(jié) 回火目的要求1.掌握回火的方法；2.了解鋼在回火時的組織轉(zhuǎn)變。重點與難點重點：掌握回火的有關概念難點：回火時組織的變化課程導入設計 講授教學法教法設計1利用掛圖等教具。2舉生活中應用回火的現(xiàn)象，分析原理。作業(yè)與思考P55課后記事 第五節(jié) 回火回火是指工件淬硬后，加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。回火的目的是消除和減小內(nèi)應力，穩(wěn)定組織，調(diào)整性能以獲得較好的強度和韌性配合。 一、鋼在回火時組織和性能的變化 隨著回火溫度的升高，淬火組織將發(fā)生一系列變化，根據(jù)組織轉(zhuǎn)變情況，回火與一般分為四個階段：馬氏體分解、殘

17、余奧氏體分解、碳化物轉(zhuǎn)變、碳化物的聚集長大與鐵素體的再結(jié)晶。 1回火第一階段(200)馬氏體分解 在這一階段中，由于回火溫度較低，馬氏體中僅析出了一部分過飽和的碳原子，它仍是碳在-Fe中的過飽和固溶體。析出的極細微碳化物，均勻分布在馬氏體基體上。這種過飽和度較低的馬氏體和極細微碳化物的混合組織稱為回火馬氏體。 2回火第二階段(200300)殘余奧氏體分解 當溫度升至200300范圍時，馬氏體分解繼續(xù)進行，但占主導地位的轉(zhuǎn)變已是殘余奧氏體分解過程了。殘余奧氏體分解是通過碳原子的擴散先形成偏聚區(qū)，進而分解為相和碳化物的混合組織，即形成下貝氏體。此階段鋼的硬度沒有明顯降低。 3.回火第三階段(250

18、400)碳化物轉(zhuǎn)變在此溫度范圍，由于溫度較高，碳原子的擴散能力較強，鐵原子也恢復了擴散能力，馬氏體分解和殘余奧氏體分解析出的過渡碳化物將轉(zhuǎn)變?yōu)檩^穩(wěn)定的滲碳體。得到鐵素體基體內(nèi)分布著細小粒狀(或片狀)滲碳體組織，該組織稱為回火托氏體。此階段淬火應力基本消除，硬度有所下降，塑性、韌性得到提高。 4.回火第四階段(>400)碳化物的聚集長大與鐵素體的再結(jié)晶由于回火溫度已經(jīng)很高，碳原子和鐵原子均具有較強的擴散能力，第三階段形成的滲碳體薄片，將不斷球化并長大,該組織稱為回火索氏體，回火索氏體具有良好的綜合力學性能。此階段內(nèi)應力和晶格畸變完全消除。二、回火方法及其應用回火是最終熱處理，根據(jù)鋼在回火后

19、組織和性能的不同，按回火溫度范圍可將回火分為三種：低溫回火、中溫回火和高溫回火。 1.低溫回火低溫回火溫度范圍是250以下。經(jīng)低溫回火后組織為回火馬氏體，保持了淬火組織的高硬度和耐磨性，降低了淬火應力，減小了鋼的脆性。低溫回火后硬度一般為5862HRC。主要用于高碳鋼、合金工具鋼制造的刃具、量具、冷作模具、滾動軸承及滲碳件、表面淬火件等。 2.中溫回火中溫回火溫度范圍是250450。淬火鋼經(jīng)中溫回火后組織為回火托氏體，降低了淬火應力，使工件獲得高的彈性極限和屈服強度，并具有一定的韌性。中溫回火后硬度一般為3550HRC。主要用于處理彈性元件，如各種卷簧、板簧、彈簧鋼絲等。有些受小能量多次沖擊載

20、荷的結(jié)構(gòu)件，為了提高強度，增加小能量多沖抗力，也采用中溫回火。 3.高溫回火高溫回火溫度范圍是500以上。淬火鋼經(jīng)高溫回火后組織為回火索氏體，淬火應力可完全消除，強度較高，有良好的塑性和韌性，即具有良好的綜合力學性能。回火后硬度一般為200330HBW。另外，鋼件淬火加高溫回火的復合熱處理工藝又稱為調(diào)質(zhì)處理主要用于處理軸類、連桿、螺栓、齒輪等工件。同時，鋼件經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，不僅具有較高的強度和硬度，而且塑性和韌性也顯著比經(jīng)正火處理后高。小結(jié)與作業(yè)課 時 授 課 計 劃課 程金屬工藝授課班級 任課教師屈道強序 號14授課日期編制日期課 型理論節(jié) 次教 具課 題第六節(jié) 鋼的表面熱處理與化學熱處理目

21、的要求1.了解表面熱處理對工件表面的影響； 2.掌握常用表面淬火方法。重點與難點重點：掌握常用表面淬火方法； 難點：對鋼的化學熱處理課程導入設計 講授教學法教法設計1利用掛圖等教具。2列舉生活與生產(chǎn)中應用表面淬火與化學熱處理、滲碳與滲氮工藝的實例，分析原理與應用。作業(yè)與思考P55課后記事  第六節(jié) 鋼的表面熱處理與化學熱處理 一、鋼的表面熱處理表面熱處理是為改變工件表面的組織和性能，僅對其表面進行熱處理的工藝。表面淬火是指僅對工件表層進行淬火的工藝，其目的是使工件表面獲得高硬度和耐磨性，而心部保持較好的塑性和韌性。依加熱方法的不同，表面淬火方法主要有：感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬

22、火、電接觸加熱表面淬火及電解液加熱表面淬火等。(一)感應加熱表面淬火 利用感應電流通過工件所產(chǎn)生的熱效應，使工件表面、局部或整體加熱并進行快速冷卻的淬火工藝稱為感應加熱淬火。 1.感應加熱基本原理依靠感應電流的熱效應，使工件表層在幾秒鐘內(nèi)快速加熱到淬火溫度，然后迅速冷卻，淬硬工件表面層，這就是感應加熱表面淬火的基本原理。 2.感應加熱表面淬火的特點 (1)加熱時間短，工件基本無氧化、脫碳，且變形小。奧氏體晶粒細小，淬火后獲得細小馬氏體組織，使工件表層比一般淬火硬度高23HRC，且脆性較低。工件表面淬火后，在淬硬的表面層中存在較大的殘余壓應力，因此，提高了工件的疲勞強度。 (2)加熱速度快，熱效

23、率高，生產(chǎn)率高，易實現(xiàn)機械化、自動化，適于大批量生產(chǎn)。 (3)感應加熱設備投資大，維修調(diào)試比較困難。 3感應加熱表面淬火的應用感應加熱表面淬火主要用于中碳鋼和中碳合金鋼制造的工件，如40鋼、45鋼、40Cr、40MnB等。生產(chǎn)上通過選擇不同的電流頻率來達到滿足不同要求的淬硬層深度。根據(jù)電流頻率不同，感應加熱淬火分為三類：高頻感應加熱表面淬火、中頻感應加熱表面淬火和工頻感應加熱表面淬火。感應加熱表面淬火后，需要進行低溫回火。感應加熱表面淬火零件的工藝路線一般如下：毛坯鍛造（或軋材下料）退火或正火粗加工調(diào)質(zhì)精加工感應加熱表面淬火低溫回火磨削加工。(二)火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火是利用乙炔一氧

24、或其它可燃氣燃燒的火焰對工件表層加熱，隨之快速冷卻的淬火工藝。 火焰加熱表面淬火的淬硬層深度一般為2mm6mm，若淬硬層過深，往往會引起工件表面產(chǎn)生過熱，甚至產(chǎn)生變形與裂紋。 火焰加熱表面淬火操作簡便，不需要特殊設備，成本低。但生產(chǎn)率低，工件表面容易過熱，質(zhì)量難以控制，因此，使用受到一定限制?；鹧婕訜岜砻娲慊鹬饕糜趩渭蛐∨可a(chǎn)的各種齒輪、軸、軋輥等。二、鋼的化學熱處理鋼的化學熱處理是將工件置于適當?shù)幕钚越橘|(zhì)中加熱、保溫，使一種或幾種元素滲入到它的表層，以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝。其特點是表層不僅有組織的變化，而且有成分的變化。化學熱處理方法很多，通常以滲入元素來命名，如滲碳