鋼的熱處理工藝

1、1 1、從成分、結(jié)構(gòu)與相變機(jī)理以及性能方、從成分、結(jié)構(gòu)與相變機(jī)理以及性能方面，對(duì)珠光體、貝氏體與馬氏體進(jìn)行比面，對(duì)珠光體、貝氏體與馬氏體進(jìn)行比較。較。2 2、回火過程中，會(huì)產(chǎn)生什么變化？、回火過程中，會(huì)產(chǎn)生什么變化？思考題思考題: :第三章第三章 鋼的熱處理工藝鋼的熱處理工藝前言前言l 鋼的熱處理鋼的熱處理工藝工藝：通過加熱、保溫和冷卻的方法改變鋼內(nèi)部組織結(jié)內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)構(gòu)以獲得工件所要求性能的一種熱加工工藝。l 理論依據(jù)理論依據(jù)：鋼在加熱和冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律是制定正確的熱處理工藝的理論基礎(chǔ)；l為使鋼獲得設(shè)定的性能要求為使鋼獲得設(shè)定的性能要求：其熱處理工藝參數(shù)的確定必須使具體工件滿足鋼的組

2、織轉(zhuǎn)變規(guī)律；l 分類分類：根據(jù)加熱、冷卻和獲得的組織和性能的不同，鋼的熱處理工藝可分：1）普普通熱處理通熱處理（退火、正火、淬火和回火）; 2) 表面熱處理表面熱處理（表面淬火和化學(xué)熱處理）;3)形變熱形變熱處理處理。第一節(jié)第一節(jié) 鋼的退火和正火鋼的退火和正火1 1、鋼的退火、鋼的退火(annealing)l 定義定義：將鋼加熱到臨界點(diǎn)AcAc1 1以上或以下的一定溫度，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。l 目的目的：）消除鋼錠的成分偏析，使成分均勻化成分均勻化。異分合金系的非平衡凝固，即存在成分偏析；）組織均勻化組織均勻化：消除鑄、鍛件存在的魏氏組織或帶

3、狀組織；u魏氏組織魏氏組織：在實(shí)際生產(chǎn)中，含碳量碳量1.2%的過共析鋼在鑄造、熱軋、鍛造后的空冷，焊縫或熱影響區(qū)空冷，或者當(dāng)加熱溫度過高并以較快速度冷卻時(shí)，先共析鐵素體或先共析滲碳體從奧氏體晶界沿奧氏體一定晶面往晶內(nèi)生長(zhǎng)并呈針片狀。生成條件生成條件：一定含碳量、奧氏體晶粒度(過熱情況下)與冷卻速度 滲碳體魏氏體組織滲碳體魏氏體組織( (過共析鋼過共析鋼) ) 鐵素體魏氏體組織鐵素體魏氏體組織( (亞共析鋼亞共析鋼) ) 魏氏體組織魏氏體組織針狀鐵素體、魏氏組織針狀鐵素體、魏氏組織這種從晶界形核這種從晶界形核生長(zhǎng)的魏氏組織生長(zhǎng)的魏氏組織一般對(duì)韌性很有一般對(duì)韌性很有害害!u帶狀組織帶狀組織：l 合

4、金元素的原始帶狀偏析引起枝干和枝間的Ar3溫度不同所致;l 在Ar3溫度較高的地方先形成鐵素體，并促使碳原子向Ar3溫度較低因而仍保留為奧氏體的相鄰區(qū)域擴(kuò)散，在這些富集碳的地方，最后形成珠光體。 先共析鐵素體先共析鐵素體+ +珠光體組織珠光體組織正常組織正常組織先共析鐵先共析鐵素體與珠素體與珠光體比較光體比較均勻地分均勻地分布布! !先共析鐵素體先共析鐵素體+ +珠光體組織珠光體組織帶狀組織帶狀組織通常是由于合通常是由于合金元素金元素MnMn的偏的偏析引起的析引起的! !帶狀組織帶狀組織均勻組織均勻組織組織對(duì)比組織對(duì)比3)降低硬度，改善組織，以便于切削加工；4)消除內(nèi)應(yīng)力和加工硬化；5)改善高

5、碳鋼中碳化物形態(tài)和分布(球化退火)，為淬火作好組織準(zhǔn)備。2 2、退火的分類、退火的分類 根據(jù)加熱溫度范圍的不同，退火方法可分為以下幾種：1) 1) 完全退火完全退火l定義定義：將亞共析鋼加熱到Ac3以上20-30，保溫足夠時(shí)間奧氏體化后，隨爐緩冷，從而獲得接近平衡組織。l“完全完全”指的是退火時(shí)鋼的內(nèi)部組織發(fā)生完全變化。l應(yīng)用應(yīng)用：鍛軋終止溫度過高的熱鍛軋件，晶粒粗大，容易得魏氏組織，并存在內(nèi)應(yīng)力，可以應(yīng)用完全應(yīng)用完全退火。退火。l但它只適用亞共析鋼它只適用亞共析鋼，不適用于過共析鋼（滲碳（滲碳體網(wǎng)的形成）體網(wǎng)的形成）。2) 不完全退火不完全退火l 定義定義：亞共析鋼在Ac1Ac3之間或過共析

6、鋼在Ac1-Accm之間兩相區(qū)加熱，保溫足夠時(shí)間，進(jìn)行緩慢冷卻的熱處理工藝。l “不完全不完全”：指兩相區(qū)加熱，只有部分組織發(fā)生變化。l 應(yīng)用應(yīng)用：）較廣，如果亞共析鋼的鍛軋終軋溫度適當(dāng)，并未引起晶粒粗化，鐵素體和珠光體分布正常；）可采用不完全退火，來(lái)細(xì)化晶粒，降低硬度和消除內(nèi)應(yīng)力。 3)3)等溫退火等溫退火l定義定義：等溫退火是將鋼件加熱到臨界溫度（Ac1或Ac3）以上奧氏體化，然后將鋼件移入另一溫度稍低于Ar1的爐中等溫停留；當(dāng)轉(zhuǎn)變完成后，出爐空冷至室溫。l等溫溫度確定等溫溫度確定：根據(jù)所要求的組織和性能，從該鋼的C曲線來(lái)確定。4)4)球化退火球化退火l定義：定義：球化退火是使鋼獲得粒狀珠

7、光體的熱處理工藝。l工藝如下圖：1 1、回火過程發(fā)生哪些變化？、回火過程發(fā)生哪些變化？2 2、脆性的概念？回火脆性？、脆性的概念？回火脆性？3 3、魏氏組織與帶狀組織的概念？、魏氏組織與帶狀組織的概念？復(fù)習(xí)題復(fù)習(xí)題一種球化退火工藝一種球化退火工藝l應(yīng)用：應(yīng)用：1)主要用于過共過共析鋼析鋼，如碳素工具鋼、低合金工具鋼等，為淬火作準(zhǔn)備。2)后面的課程講到工具鋼、軸承工具鋼、軸承鋼的熱處理鋼的熱處理，會(huì)具體談到。 過共析鋼中片狀滲碳體和網(wǎng)狀滲碳體的球化過程示意圖過共析鋼中片狀滲碳體和網(wǎng)狀滲碳體的球化過程示意圖過共析鋼中片過共析鋼中片狀滲碳體和網(wǎng)狀滲碳體和網(wǎng)狀滲碳體的球狀滲碳體的球化過程示意圖化過程示

8、意圖片狀珠光體片狀珠光體球狀珠光體球狀珠光體粒狀珠光體粒狀珠光體5)5) 擴(kuò)散退火擴(kuò)散退火l 定義定義：又稱均勻化退火，它是將鋼錠、鑄件或鍛坯加熱到略低于固相線固相線的溫度下長(zhǎng)時(shí)間保溫，然后緩慢冷卻以消除化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象的熱處理工藝。l 目的：目的：異分結(jié)晶，必然導(dǎo)致偏析。通過高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱，消除或減小鋼錠、鑄件在凝固過程中產(chǎn)生的枝晶偏析及區(qū)域偏析，使成分與組織均勻化。l 應(yīng)用：應(yīng)用：常用的擴(kuò)散退火溫度是1100-1200，保溫時(shí)間為1015小時(shí)。應(yīng)用于合金鋼鋼錠或鑄件。 鐵鐵- -碳碳相圖相圖擴(kuò)散退火溫?cái)U(kuò)散退火溫度的確定？度的確定？l注意：注意： 由于擴(kuò)散退火需要在高溫下長(zhǎng)時(shí)間加熱，因此奧

9、氏體晶粒十分粗大晶粒十分粗大，需要再進(jìn)行一次正常的完全退火或正火，以細(xì)化晶粒、消除過熱缺陷。 另外該工藝生產(chǎn)周期長(zhǎng)、能耗大、工件氧化、脫碳嚴(yán)重以及成本高，因此，一般尺寸不大的鑄件，因其偏析不嚴(yán)重，可用完全退火細(xì)化晶粒、消除鑄造應(yīng)力。 6) 低溫退火低溫退火定義定義：把鋼件加熱到低于AcAc1 1溫度退火，它包括軟化退軟化退火火和再結(jié)晶退火再結(jié)晶退火。u 軟化退火：軟化退火：又稱去應(yīng)力退火。l 鋼材在熱軋或鍛造后，在冷卻過程中因表面和心部冷卻速度不同造成內(nèi)外溫差會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這種應(yīng)力與后面的工藝應(yīng)力疊加，易使材料開裂；l 鑄件也有殘余應(yīng)力。l 具體工藝具體工藝：加熱溫度為650-720，保溫后

10、出爐空冷；主要是消除內(nèi)應(yīng)力和降低硬度（不會(huì)改變內(nèi)部組織，見前圖）。 u再結(jié)晶退火：再結(jié)晶退火：l 定義定義：將冷加工硬化的鋼材，加熱至T再Ac1之間進(jìn)行，通常為650-700。在這過程中，變形晶?；謴?fù)成等軸狀晶粒，從而消除加工硬化。l目的目的：鋼經(jīng)冷沖、冷軋或冷拉后產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，使鋼的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降，切削性能和成型性變差，經(jīng)過再結(jié)晶退火，鋼的機(jī)械性能恢復(fù)。 7)7)去氫退火去氫退火l 氫脆定義：氫脆定義：鋼件在熱鍛軋后冷卻過程中，氫在鋼中的溶解度不斷減少，氫原子來(lái)不及擴(kuò)散逸出，將聚集在鋼的顯微空隙和晶界處，結(jié)合成氫分子，造成很大的壓力，加上鋼中其他內(nèi)應(yīng)力，超過該處的斷裂強(qiáng)度

11、，就產(chǎn)生細(xì)小裂紋。l 鋼樣中的表現(xiàn)鋼樣中的表現(xiàn)：該裂紋表現(xiàn)在縱向斷口上呈橢圓形銀白色斑點(diǎn)，所以稱為白點(diǎn)。 高碳鋼白點(diǎn)在低倍試樣上表現(xiàn)的形貌 中、低碳鋼白點(diǎn)在金相試樣上表現(xiàn)的形貌 低倍酸浸試樣上的白點(diǎn)低倍酸浸試樣上的白點(diǎn)斷口上白點(diǎn)有閃閃發(fā)光斷口上白點(diǎn)有閃閃發(fā)光的特征的特征l防止氫脆措施：防止氫脆措施：u為了消除白點(diǎn)，首先應(yīng)從煉鋼原料及澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)上減少氫的來(lái)源。u通過熱處理，即去氫退火去氫退火。對(duì)于尺寸較大的鍛軋件，軋后空冷至低于Ac1溫度，約640-660，奧氏體變成珠光體，由于氫在鐵素體中擴(kuò)散速度大于奧氏體中，640-660等溫使氫較快逸出，防止白點(diǎn)產(chǎn)生。3 3、鋼的正火、鋼的正火(norm

12、alizing)(normalizing) 1)1)定義定義： 正火是將鋼加熱到Ac3、Accm以上約30-50，或更高溫度，保溫足夠時(shí)間，然后在靜止空氣靜止空氣中冷卻的熱處理工藝。（為什么能在Accm以上？）l 注意注意：對(duì)于含有強(qiáng)碳化物形成元素釩、鈦、鈮等合金鋼，加熱溫度應(yīng)提高，原則是既使碳化物溶解，又不引起奧氏體晶粒粗化。l 冷速特點(diǎn)冷速特點(diǎn)：與退火相比，正火的冷卻速度快一些，但比淬火小，介于兩者之間。正火溫度：正火溫度：Ac3、Accm2)2)組織特點(diǎn)組織特點(diǎn) 根據(jù)鋼的根據(jù)鋼的CCTCCT曲曲線線和工件的截面大工件的截面大小?。ɡ鋮s速度），正火后可獲得不同組織，如粗細(xì)不同的珠光體、貝氏

13、體珠光體、貝氏體、馬氏體或、馬氏體或它們的混合組織。3 3）正火的目的）正火的目的l 對(duì)于大鍛件、截面較大的鋼材、鑄件，用正火來(lái)細(xì)化晶粒，均勻組織如消除魏氏組織或帶狀組織。這相當(dāng)于退火的效果；l 低碳鋼退火后硬度太低（切削粘刀），改用正火，可提高硬度，改善切削加工性。l 作為某些鋼（如中碳非調(diào)質(zhì)鋼）的最終熱處理，以代替調(diào)質(zhì)處理（淬火+回火）。l 用于過共析鋼，可消除網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火。（為什么？）滲碳體網(wǎng)形成對(duì)力學(xué)性能不利滲碳體網(wǎng)形成對(duì)力學(xué)性能不利第六節(jié)第六節(jié) 鋼的淬火和回火鋼的淬火和回火1 1、淬火的定義、淬火的定義l 將鋼加熱到臨界點(diǎn)Ac1或Ac3以上的一定溫度，保溫一定時(shí)間，然后在

14、水或油等冷卻介質(zhì)中快速冷卻。（為什么對(duì)于過共析鋼不是Accm?）l 注意注意：快速冷卻。2 2、淬火的目的、淬火的目的：l 把奧氏體化工件淬成馬氏體，以便在適當(dāng)溫度回火后，獲得所需要的力學(xué)性能。 冷卻速度與鋼件內(nèi)部組織冷卻速度與鋼件內(nèi)部組織l注意：注意：由于1）過冷奧氏體的穩(wěn)定性；2）截面大?。ɡ鋮s速度），一般淬火工件不一定獲得全部馬氏體，可能還有貝氏體、珠光體的存在。 3 3、淬火加熱溫度的確定、淬火加熱溫度的確定對(duì)于亞共析鋼對(duì)于亞共析鋼：l 淬火加熱溫度為淬火加熱溫度為AcAc3 3+30-50+30-50，可得到細(xì)而均勻的奧氏體晶粒，淬火后獲得細(xì)小的馬氏體；l 如果溫度在 Ac1Ac3之

15、間兩相區(qū)加熱，馬氏體中有鐵素體，造成硬度不足，降低力學(xué)性能；1) 如果在Ac3以上過高溫度加熱，奧氏體晶粒粗化，馬氏體粗大，脆性增大，工件在淬火過程中容易變形。 2)2)對(duì)于過共析鋼對(duì)于過共析鋼：l 淬火加熱溫度淬火加熱溫度AcAc1 1+30-50+30-50。如原始組織為粒狀珠光體，加熱淬火后獲得馬氏體、顆粒狀滲碳體及少量殘余奧氏體，因而硬度高，耐磨性好，還有點(diǎn)韌性。l 如果加熱到Accm以上，先共析滲碳體全部溶入奧氏體，使奧氏體含碳量增加，馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)Ms和Mf降低，淬火后保留大量奧氏體，而且獲得粗片狀馬氏體，使鋼的硬度和耐磨性降低，脆性增加，并增加淬火開裂傾向。l 因此，過共析鋼不能在

16、Accm以上加熱淬火。 l 鋼中含有強(qiáng)碳化物形成元素釩、鈦、鈮等，加熱溫度可適當(dāng)提高。（為什么？)4 4、淬火冷卻介質(zhì)、淬火冷卻介質(zhì)定義：定義：鋼從奧氏體狀態(tài)過冷至Ms點(diǎn)以下所用的冷卻介質(zhì)，稱淬火冷卻介質(zhì)淬火冷卻介質(zhì)。l 淬火冷卻時(shí)為了得到馬氏體，必須使冷卻速度大于Vc(上臨界冷卻速度)，如下圖。l 介質(zhì)冷卻能力越大，鋼的冷卻速度越快，越易超過鋼的臨界淬火速度；l 工件越容易淬硬，淬硬層的深度越深。 時(shí)間時(shí)間CC CMM+PPC_等溫冷卻等溫冷卻_連續(xù)冷卻連續(xù)冷卻溫溫度度連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖-臨界淬火速度臨界淬火速度工件內(nèi)部工件內(nèi)部不同深度不同深度，冷卻速，冷卻速度是不一度是不一樣的，

17、因樣的，因此，組織此，組織也是不一也是不一樣！樣！ 馬氏體組織馬氏體組織-淬透區(qū)淬透區(qū)貝氏體、鐵素體貝氏體、鐵素體+ +珠珠光體光體-未淬透區(qū)未淬透區(qū)鋼工件鋼工件 l 但是快冷將產(chǎn)生巨大的組織應(yīng)力組織應(yīng)力和熱應(yīng)力熱應(yīng)力，使工件變形； l 選擇和革新淬火介質(zhì)的依據(jù)選擇和革新淬火介質(zhì)的依據(jù) 為了解決上述矛盾，根據(jù)CCT曲線，理想冷卻曲線是：650以上緩冷以減小熱應(yīng)力；650-400區(qū)間快冷，以避免過冷奧氏體分解；400緩冷，通過馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域，以降低馬氏體轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的組織應(yīng)力。l 具有這種冷卻特性的冷卻介質(zhì)可以保證在獲得馬氏體組織條件下，減少淬火應(yīng)力、避免工件產(chǎn)生變形或開裂。 選擇淬火介質(zhì)的選擇淬

18、火介質(zhì)的理想冷卻曲線理想冷卻曲線 名稱名稱最大冷卻速度時(shí)最大冷卻速度時(shí)平均冷卻速度平均冷卻速度/s/s-1-1所在溫度所在溫度/冷卻速度冷卻速度/S/S-1-16506505505503003002002001 1、靜止自來(lái)、靜止自來(lái)水，水，20202 2、靜止自來(lái)、靜止自來(lái)水，水，40403 3、1010NaClNaCl水溶液，水溶液，20204 4、1010號(hào)機(jī)油，號(hào)機(jī)油，202034034028528558058043043077577554554520002000230230135135110110190019006060450450410410100010006565常用淬火介質(zhì)的冷

19、卻特性常用淬火介質(zhì)的冷卻特性 l 水的冷卻特性很不理想，在需要快冷的650400區(qū)間，不超過200/s；而在需要慢冷的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，其冷卻速度太快；l 適合于尺寸不大、形狀簡(jiǎn)單的碳鋼工件。l 濃度為10%NaCl水溶液高溫區(qū)、低溫區(qū)的冷卻速度都很強(qiáng)；l 油的優(yōu)點(diǎn)油的優(yōu)點(diǎn)：低溫區(qū)的冷卻速度比水小得多，可大大降低淬火工件得組織應(yīng)力；缺點(diǎn)缺點(diǎn)：高溫區(qū)冷卻能力低；l 油比較適合過冷奧氏體穩(wěn)定的合金鋼合金鋼淬火；l 實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)鋼種的特點(diǎn)，碳鋼的臨界冷卻速度大，用水淬火；而合金鋼的冷卻速度小，可用油來(lái)淬火。 l 接近于理想淬火介質(zhì)接近于理想淬火介質(zhì)：國(guó)內(nèi)外，研究和開發(fā)了一些新的淬火介質(zhì)，高溫區(qū)冷卻

20、能力接近于水，低溫區(qū)接近于油；主要是有機(jī)水溶液。例如：u 美國(guó)發(fā)明美國(guó)發(fā)明：15%聚乙烯醇、0.4%抗粘附劑、0.1%防泡劑的淬火介質(zhì)；u 國(guó)內(nèi)發(fā)明國(guó)內(nèi)發(fā)明：水玻璃-堿水溶液、過飽和硝鹽水溶液、氧化鋅-堿水溶液、合成淬火劑等；這些淬火劑的共同特點(diǎn)為冷卻能力介于水與油之間，接近于理想淬火介質(zhì)。合成淬火劑：合成淬火劑：聚乙烯醇加少量防腐劑和消泡劑，可以調(diào)整比例來(lái)改變冷卻能力。5 5、淬火方法、淬火方法 選擇適當(dāng)?shù)拇慊鸱椒ㄍx用淬火介質(zhì)一樣，可以保證在獲得所要求的淬火組織和性能條件下，盡量減少淬火應(yīng)力、工件變形和開裂傾向。1）單一淬火法單一淬火法：l 定義：它是將奧氏體狀態(tài)的工件放入一種淬火介質(zhì)中一

21、直冷卻到室溫的淬火方法。l 應(yīng)用：形狀簡(jiǎn)單的碳鋼、合金鋼工件。各種淬火方法冷卻曲線示意圖1-單一淬火法2-雙液淬火法3-分級(jí)淬火法4-等溫淬火法2)2)雙液淬火法雙液淬火法l定義定義：它是先將奧氏體狀態(tài)的工件在冷卻能力強(qiáng)的淬火介質(zhì)中冷卻至接近Ms點(diǎn)溫度時(shí)，再立即轉(zhuǎn)入冷卻能力較弱的淬火介質(zhì)中冷卻，直至完成馬氏體轉(zhuǎn)變。l應(yīng)用：（快冷介質(zhì)）水水+（慢冷介質(zhì)）油油 （快冷介質(zhì)）水水+（慢冷介質(zhì)）空氣空氣有什么優(yōu)點(diǎn)？有什么優(yōu)點(diǎn)？3)3)分級(jí)淬火法分級(jí)淬火法l 定義：定義：它是將奧氏體狀態(tài)的工件首先淬入略高于鋼的 Ms點(diǎn)的鹽浴或堿浴爐中保溫，當(dāng)工件內(nèi)外溫度均勻后，再?gòu)脑t中取出空冷至室溫，完成馬氏體轉(zhuǎn)變。

22、l應(yīng)用應(yīng)用：小尺寸工件；（由于等溫溫度較高，時(shí)間有限制）l優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：減小熱應(yīng)力、組織應(yīng)力；4) 等溫淬火等溫淬火l 定義定義：它是將奧氏體化后的工件淬入 Ms點(diǎn)以上某溫度鹽浴中等溫保持足夠長(zhǎng)時(shí)間，使之轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w組織，然后在空氣中冷卻的淬火方法；l 它是分級(jí)淬火的進(jìn)一步發(fā)展；l 等溫淬火所獲得的組織為下貝氏體組織。下貝氏體組織的強(qiáng)度、硬度較高，韌性較好；l 等溫溫度與時(shí)間由 C曲線來(lái)確定。6 6、鋼的淬透性、鋼的淬透性(Hardenability)(Hardenability) 淬透性是鋼的重要工藝性能之一，合理地選用鋼種，正確制定熱處理工藝規(guī)范的依據(jù)之一。1）淬透性的定義 指奧氏體化后的

23、鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體馬氏體的能力。其大小用鋼在一定條件下淬火時(shí)獲得淬透層淬透層深度來(lái)深度來(lái)表示。2）淬透性（淬透層深度）的影響因素l主要決定于臨界冷卻速度的大?。▋?nèi)因）； l Vc Vc為臨為臨界冷卻速度界冷卻速度：它的大小與該鋼種的連續(xù)冷卻曲線的位置有關(guān)。l 該位置主要與鋼種的化學(xué)成分有關(guān)。l工件的截面尺寸和淬火介質(zhì)的冷卻能力（外因） 工件從表面到內(nèi)部各點(diǎn)的冷卻速度取決于工件的截面工件的截面尺寸和淬火介尺寸和淬火介質(zhì)質(zhì)的冷卻能力這兩個(gè)方面。l 如果鋼的臨界冷卻速度如果鋼的臨界冷卻速度VcVc愈小，工件的愈小，工件的淬透層就愈厚，表明淬透性愈大。淬透層就愈厚，表明淬透性愈大。l 當(dāng)工件的冷卻速

24、度越大，淬透層越厚；當(dāng)工件的冷卻速度越大，淬透層越厚；中心的冷卻速度大于臨界冷卻速度，則工中心的冷卻速度大于臨界冷卻速度，則工件被淬透。件被淬透。3) 3) 淬透層深度的測(cè)定淬透層深度的測(cè)定 l 為了測(cè)試方便，通常采用由表面至半馬氏體區(qū)（即50%馬氏體和50%非馬氏體組成）的距離作為淬透層的深度。l 這是因?yàn)榘腭R氏體區(qū)的硬度下降明顯，容易測(cè)定；從組織觀測(cè)上也容易認(rèn)定。4) 4) 淬透性和淬硬性淬透性和淬硬性l 它們是兩個(gè)不同概念；l 淬硬性是指鋼在淬火后能夠達(dá)到的最高硬度，它主要與鋼的含碳量有關(guān)。如高碳工具鋼的淬硬性高，但淬透性很低；l 而低碳合金結(jié)構(gòu)鋼的淬硬性不高，但淬透性較高。合金元素使得

25、CCT曲線往右移動(dòng)，因而使臨界淬火速度變小，淬透性增大。5) 5) 淬透性的測(cè)定淬透性的測(cè)定l 測(cè)定方法很多，但頂端淬火法頂端淬火法是世界上應(yīng)用最廣泛的淬透性試驗(yàn)方法；l 適用于碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼；l 按照我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB225-63的規(guī)定 試樣尺寸為：25100mm； 試驗(yàn)時(shí)將試樣加熱奧氏體化后，放到標(biāo)準(zhǔn)的淬火裝置中，噴水冷卻；頂端淬火裝置頂端淬火裝置l 水溫為2030;l 水柱自由高度調(diào)整為655mm;l 頂端淬火試樣冷卻后，沿長(zhǎng)度方向磨去0.20.3mm深度，獲得一窄條平面；l 然后從試樣頂端起每隔1.5mm測(cè)量一次硬度，得到沿試樣軸線方向的硬度變化曲線，該曲線稱為淬透性曲線；l

26、由淬透性曲線可見，水冷端冷卻速度最大，隨著至水冷端距離增加，冷卻速度減少，硬度也減少；l 由于同一種鋼種的化學(xué)成分波動(dòng)、晶粒度差別以及組織上的差異，其頂端淬火試樣上各點(diǎn)硬度在一定范圍內(nèi)變化，由此繪出一條淬透性帶；齒輪鋼；淬透性曲線淬透性曲線l 按規(guī)定，鋼的淬透性應(yīng)以J HRC/d表示, d為至水冷端距離；HRC為該處的硬度值。 如：J42/5表示距離水冷端5mm處，硬度值為HRC42。l 生產(chǎn)中常用臨界淬透直徑來(lái)衡量鋼的淬透性，具有更大的實(shí)用意義：n 它是在某種淬火介質(zhì)中，圓柱體試樣中心剛好為半馬氏體時(shí)的最大直徑，可由淬透性曲線推算；n 具體步驟（以以4545鋼為例鋼為例）： 1）在淬透性曲線

27、上確定45鋼半馬氏體區(qū)距頂端 距離約為3mm； 2）在下圖橫坐標(biāo)上對(duì)應(yīng)3mm處作一垂線，與上圖中“中心”曲線相交； 3）通過交點(diǎn)，作一水平線與縱坐標(biāo)相交于18mm處； 4）則45鋼水淬臨界淬透直徑即為18mm； 5）可以理解為：直徑為18mm棒材的中心與頂端淬火試樣距水冷端3mm處的冷卻速度相同，即700時(shí)冷卻速度都為169/s；水中淬火水中淬火油中淬火油中淬火6）故組織均為半馬氏體。7 7、鋼的回火、鋼的回火(Tempering)(Tempering)(1)鋼回火的定義： 將淬火后的鋼在A1溫度以下加熱，使之轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的回火組織的工藝過程。(2)回火的目的：l保證組織轉(zhuǎn)變（亞穩(wěn)組織）；l消除

28、內(nèi)應(yīng)力；l達(dá)到一定的性能要求；l 其中回火溫度是決定回火后組織和性能的最重要因素。l 但要避免在低溫回火脆性和高溫回火脆性區(qū)進(jìn)行回火處理。(3) (3) 回火的種類回火的種類 在生產(chǎn)實(shí)際中采用的方法有三種（按溫度來(lái)分類）： 低溫回火低溫回火l 在150-250之間進(jìn)行，回火后組織為回火馬氏體;l 其目的是降低淬火內(nèi)應(yīng)力，使其具有一定韌性，并保持高的硬度;l 它一般用來(lái)處理要求高硬度和高耐磨性工件，如刀具、量具、軸承、滲碳件和表面淬火工件等。 l這類低溫回火鋼大部分是淬火高碳鋼與高碳合金鋼；l經(jīng)淬火并低溫回火后得到隱晶回火馬氏體和均勻細(xì)粒碳化物顆粒組織，具有很高的硬度和耐磨性，同時(shí)顯著降低了鋼的

29、淬火應(yīng)力和脆性；l對(duì)于淬火獲得低碳馬氏體的鋼，低溫回火后主要是可以減少內(nèi)應(yīng)力，并進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度和塑性；2 2）中溫回火）中溫回火l在350-500之間，回火后組織為回火屈氏體。l對(duì)于一般碳鋼和低合金鋼，此溫度范圍內(nèi)回火（第三階段），碳化物開始聚集和長(zhǎng)大，基體開始回復(fù)，淬火應(yīng)力基本消失；l中溫回火后的鋼具有高的彈性極限，較高的強(qiáng)度和硬度，并有良好的塑性和韌性。l它主要用來(lái)處理各種彈簧零件和熱鍛模具。3) 3) 高溫回火高溫回火l 在500-650之間進(jìn)行，回火后組織為回火索氏體。l 淬火淬火+ +高溫回火稱為調(diào)質(zhì)處理；高溫回火稱為調(diào)質(zhì)處理；l 調(diào)質(zhì)處理后的工件具有高的塑性、韌性和強(qiáng)度的配合；

30、l 高溫回火主要適用于中碳結(jié)構(gòu)鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼，用來(lái)制作曲軸、連桿、連桿螺栓、機(jī)床主軸等重要零件。這些機(jī)械零件在使用中要求較高的強(qiáng)度并能承受沖擊和交變負(fù)荷的作用。 思考題1、何謂鋼的淬透性？主要的影響因素？與淬硬性有何區(qū)別？2、有哪三種回火工藝？一般如何選擇？8、 淬火加熱缺陷與防止淬火加熱缺陷與防止1 1）淬火工件的過熱與過燒）淬火工件的過熱與過燒l 過熱：過熱：工件在淬火加熱時(shí)，由于溫度過高或者時(shí)間過長(zhǎng)造成奧氏體晶粒粗大的缺陷；l 由于過熱不僅在淬火后得到粗大馬氏體組織，而且易于引起淬火裂紋，降低強(qiáng)度與韌性，引起脆斷。l 輕微過熱，可延長(zhǎng)回火時(shí)間；嚴(yán)重過熱，則需進(jìn)行一次細(xì)化晶粒退火，然后重

31、新淬火；l 過燒：過燒：淬火加熱溫度太高，使奧氏體晶界出現(xiàn)局部熔化或者發(fā)生氧化的現(xiàn)象；l 過燒是嚴(yán)重的加熱缺陷，工件一旦過燒就無(wú)法補(bǔ)救，只能報(bào)廢；l 過燒的原因主要是設(shè)備失靈或操作不當(dāng)造成的，火焰爐加熱局部溫度過高也容易造成過燒；高速鋼淬火溫度高，容易造成過燒。2 2）淬火加熱時(shí)的氧化和脫碳）淬火加熱時(shí)的氧化和脫碳l 淬火加熱時(shí)，鋼件與周圍加熱介質(zhì)相互作用鋼件與周圍加熱介質(zhì)相互作用往往會(huì)產(chǎn)生氧化和脫碳等缺陷；l 氧化：氧化：是鋼件在加熱時(shí)與爐氣中的O2、H2O、CO2等氧化性氣體發(fā)生的化學(xué)作用；l 在570以下的溫度加熱，鋼中的Fe元素與O2、H2O及CO2等氣體發(fā)生氧化反應(yīng)，主要形成Fe3O

32、4；l 由于這種處于工件表面的氧化物結(jié)構(gòu)致密，與基體結(jié)合牢固，氧原子難于繼續(xù)滲入，故氧化速度很慢；l 鋼在570以下的溫度加熱，氧化不是主要問題；l 但是鋼在加熱溫度高于570時(shí)，表面氧化膜主要是FeO組成；l 由于FeO結(jié)構(gòu)松散，與基體結(jié)合不牢，容易脫落，因此氧原子很容易透過已形成的氧化膜繼續(xù)向里與里與鐵原子發(fā)生作用；l 一旦氧化膜中出現(xiàn) FeO，鋼被氧化的速度大大加快。l 氧化造成的缺點(diǎn)氧化造成的缺點(diǎn)：工件尺寸減?。槐砻婀鉂嵍冉档?；嚴(yán)重時(shí)影響淬火冷卻速度，進(jìn)而工件出現(xiàn)軟點(diǎn)或硬度不足等新缺陷；l 防止措施防止措施：加熱溫度越高，原子擴(kuò)散速度越大，鋼的氧化速度越大，因此在保證組織轉(zhuǎn)變情況下，盡

33、可能降低加熱溫度與時(shí)間；用脫氧良好的鹽浴加熱或控制氣份加熱。l 脫碳：脫碳：鋼件在加熱過程中不僅表面發(fā)生氧化，形成氧化鐵層，而且鋼中的碳也與氣氛中的 O2、H2O、CO2及H2等發(fā)生反應(yīng)，形成含碳?xì)怏w逸出鋼件表面，使鋼表面的含碳量降低。l 主要反應(yīng)如下： C-Fe+O2=CO2 C-Fe+CO2=2CO C-Fe+H2O=CO+H2 C-Fe+H2=CH4l 由上述反應(yīng)式可知，爐氣介質(zhì)中的O2、CO2、H2O和H2都是脫碳性氣氛；l 工件表面脫碳以后，其表面與內(nèi)部產(chǎn)生碳濃度差，內(nèi)部的碳原子則向表面擴(kuò)散，新擴(kuò)散到表面的碳原子又被繼續(xù)氧化，從而使脫碳層逐步加深；l 脫碳過程進(jìn)行的速度，取決于表面化

34、學(xué)反應(yīng)速度和碳原子的擴(kuò)散速度：加熱溫度越高，加熱時(shí)間越長(zhǎng)，脫碳層越深；l 但上述反應(yīng)是一對(duì)脫碳和滲碳的可逆反應(yīng)，CO2、CO和CH4是滲碳性氣氛。（取決于碳勢(shì)碳勢(shì)和鋼中的碳含量碳含量）第七節(jié)第七節(jié) 鋼的形變熱處理鋼的形變熱處理1 1、前言、前言l 形變熱處理的定義：形變強(qiáng)化和相變強(qiáng)化相結(jié)合的一種熱處理；l 它可以獲得單一的強(qiáng)化方法難于達(dá)到的綜合力學(xué)性能；l 分類：種類較多，分相變前形變、相變中形變和相變后形變?nèi)N類型。l 就二種加以說(shuō)明： 2 2、高溫形變熱處理、高溫形變熱處理l它是在接近A3溫度以上進(jìn)行形變；l形變后立即淬火；l并回火至所需要的硬度。l在這個(gè)工藝過程中，形變溫度形變溫度和形變

35、后至淬火前的形變后至淬火前的間歇時(shí)間間歇時(shí)間，對(duì)高溫形變熱處理后鋼材的力學(xué)性能影響很大。l該工藝強(qiáng)化原因：由于高溫形變過程位錯(cuò)密度及其他晶體缺陷大大提高，形變后如能及時(shí)淬火，馬氏體繼承了奧氏體的晶體缺陷，并使馬氏體細(xì)化，從而獲得強(qiáng)韌化的效果。高溫形變熱處理工藝過程高溫形變熱處理工藝過程 2 2、低溫形變熱處理工藝、低溫形變熱處理工藝 l定義：將加熱至奧氏體化的鋼迅速冷卻至C曲線的亞穩(wěn)定區(qū)進(jìn)行形變，如圖，然后淬火獲得馬氏體，并回火至所需的硬度；l這種處理只適合于含有較多強(qiáng)碳化物形成元素，在550400范圍內(nèi)存在過冷奧氏體的亞穩(wěn)區(qū)；l低溫形變熱處理可應(yīng)用于結(jié)構(gòu)鋼、彈簧鋼、軸承鋼和工具鋼； 如結(jié)構(gòu)鋼

36、：經(jīng)這種處理后，它的強(qiáng)度極限可高達(dá)低溫形變熱處理工藝低溫形變熱處理工藝25003200MPa，沖擊韌性保持在3040J/cm2； 而一般淬火和回火后，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度極限為18002200MPa，沖擊韌性為2040J/cm2；l 由上可見，經(jīng)低溫形變熱處理后力學(xué)性能要高得多。l 強(qiáng)化的原因：1）馬氏體繼承了形變奧氏體的高密度位錯(cuò)和細(xì)化的晶粒；2）一些碳化物的析出，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高了強(qiáng)度；3）高密度位錯(cuò)和微細(xì)碳化物存在，使回火析出的碳化物更彌散均勻；4）上述綜合結(jié)果，既提高了強(qiáng)度，又改善了韌性。l 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 由于低溫形變熱處理的形變溫度低，鋼材的形變抗力大，要求形變?cè)O(shè)備的功率遠(yuǎn)超過一般

37、設(shè)備的加工能力。第第8 8節(jié)節(jié) 鋼的表面淬火鋼的表面淬火1 1、背景、背景l(fā) 工業(yè)實(shí)踐中，一些零件的服役條件：齒輪、凸輪、曲軸及各種軸類等零件在扭轉(zhuǎn)、彎曲等交變載荷下工作，并承受摩擦和沖擊，其表面要比心部承受更高的應(yīng)力；l 要求零件表面具有高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，要求心部具有一定的強(qiáng)度、足夠的塑性和韌性；l 采用表面淬火工藝可以達(dá)到這種表硬心韌的性能要求；l 根據(jù)工件表面加熱熱源的不同，鋼的表面淬火工藝有多種，例如：感應(yīng)加熱、激光加熱、火焰加熱、電接觸加熱等。2 2、鋼的感應(yīng)加熱、鋼的感應(yīng)加熱 感應(yīng)加熱原理感應(yīng)加熱原理l 如下圖所示感應(yīng)加熱表面淬火示意圖；l 當(dāng)感應(yīng)圈中通過一定頻率交流電時(shí)，在

38、其內(nèi)外將產(chǎn)生與電流變化頻率相同的交變磁場(chǎng)；l 將工件放在感應(yīng)圈內(nèi)，在交變磁場(chǎng)的作用下，工件內(nèi)就產(chǎn)生與感應(yīng)圈頻率相同而方向相反的感應(yīng)電流；感應(yīng)加熱線圈感應(yīng)加熱線圈l 渦流渦流：這種感應(yīng)電流沿工件表面形成封閉回路；它將電能轉(zhuǎn)變成熱能，使工件加熱；l 集膚效應(yīng)集膚效應(yīng)：渦流在被加熱工件中的分布由表面到心部呈指數(shù)規(guī)律衰減，因此渦流主要分布在工件表面；熱=（800900范圍內(nèi)的電流透入深度與頻率的關(guān)系） 可見，感應(yīng)電流頻率越高，電流透入深度越低，工件加熱層越?。籰 感應(yīng)加熱：感應(yīng)加熱：利用集膚效應(yīng)，依靠電流熱效應(yīng)把工件表面迅速加熱到淬火溫度的；f/500l當(dāng)工件表面在感應(yīng)圈內(nèi)加熱到相變溫度時(shí)，立即噴水或

39、浸水冷卻，實(shí)現(xiàn)表面淬火工藝；l生產(chǎn)上根據(jù)零件尺寸及硬化層深度的要求選擇不同的電流頻率；根據(jù)不同的電流頻率，可將感應(yīng)加熱表面淬火分為三類：1)高頻感應(yīng)加熱表面淬火：常用電流頻率為801000kHz，可得表面硬化層深度為0.5 2mm，主要用于小模數(shù)齒輪和小軸的表面淬火；2)中頻感應(yīng)加熱表面淬火：常用電流頻率為2500 8000Hz，可獲得 mm深度的硬化層；主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，大模數(shù)齒輪和鋼軌等；3)工頻感應(yīng)加熱表面淬火：常用電流頻率為50Hz，可獲得mm的硬化層，適用于大直徑鋼材的穿透加熱和要求硬化層深度深的大工件表面淬火。第第9 9節(jié)節(jié) 化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理1 1、背景、背景l(fā) 一些鋼件（如

40、齒輪）表面與內(nèi)部受力情況不同，因此需要具有與內(nèi)部不同的性能，如表面的耐磨性能、疲勞強(qiáng)度、耐腐蝕性能與抗氧化性能；l 材料的性能取決于成分、工藝與組織；l 因此，可以通過改變鋼件表面的化學(xué)成分等，來(lái)改變表面性能。 2 2、鋼的化學(xué)熱處理定義、鋼的化學(xué)熱處理定義 將鋼件放在一定溫度的化學(xué)活性介質(zhì)中，使一種或幾種元素的原子滲入到鋼件表面，以改變鋼件表面層的化學(xué)成分，從而獲得預(yù)期的組織和性能的熱處理過程。3 3、化學(xué)熱處理的分類、化學(xué)熱處理的分類 根據(jù)滲入鋼中的元素，化學(xué)熱處理可以分為：l滲碳；l滲氮；l碳氮共滲；l滲硼；l滲鋁。 通過這些化學(xué)熱處理能有效地提高鋼件的這種表面性能（耐磨性、耐蝕性和抗氧

41、化性等），從而提高鋼件的使用壽命。因此，這種工藝在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。3、化學(xué)熱處理的一般過程 化學(xué)熱處理的一般過程通常是由分解、吸附和擴(kuò)散三個(gè)基本過程組成的。（1）分解 分解是在一定溫度下從滲劑中分解出含有被滲元素“活性原子”的過程。 例如：滲碳過程就是滲劑中的CO或CH4等分解出活性碳原子C的過程： 2CO=CO2+C CH4=2H2+ C CO+H2=H2O+C 反應(yīng)產(chǎn)生的活性碳原子活性碳原子就是鋼滲碳時(shí)表面碳原子的來(lái)源。 例如：滲氮過程，通入氨氣與鋼件表面產(chǎn)生如下反應(yīng)： 2NH3=3H2+2N 這個(gè)活性氮原子活性氮原子就是鋼滲氮時(shí)表面氮原子的來(lái)源。注意：l 不是所有含有被滲元素的物質(zhì)都可以作為滲劑；它必須要具有活性，即在相界面反應(yīng)中易于分解出被滲元素原子的能力。 例如，氮?dú)猓∟2)在普通溫度下不能分解出活性氮原子，因此不能用N2作為滲氮的滲劑。l 為了加速被滲物質(zhì)的分解，或直接產(chǎn)生被滲物質(zhì)的活性原子，通常要添加一些催滲劑。例如固體滲碳時(shí)，加催化劑碳酸鈉和碳酸鋇就是這個(gè)目的。在滲碳溫度下，催化劑發(fā)生如下分解： Na2CO3=