金屬工藝學第五章

1、第五章第五章 金屬熱處理及表面改性金屬熱處理及表面改性l教學目的和要求教學目的和要求 1.1.掌握熱處理的概念，熟悉熱處理的分類，掌握掌握熱處理的概念，熟悉熱處理的分類，掌握鋼在加熱時的組織轉變和鋼在冷卻時的組織轉變鋼在加熱時的組織轉變和鋼在冷卻時的組織轉變 2.2.掌握普通熱處理的種類、概念和用途掌握普通熱處理的種類、概念和用途 3.3.熟悉鋼的表面熱處理熟悉鋼的表面熱處理l教學內容提綱教學內容提綱 1.1.鋼的熱處理原理（重點）鋼的熱處理原理（重點） 2.2.鋼的普通熱處理（重點）鋼的普通熱處理（重點） 3.3.鋼的表面熱處理（熟悉）鋼的表面熱處理（熟悉） 第一節(jié)第一節(jié) 鋼的熱處理原理鋼的

2、熱處理原理(Heat Treatment Principle of Steel )(Heat Treatment Principle of Steel )概述概述鋼在加熱時的轉變鋼在加熱時的轉變鋼在冷卻時的轉變鋼在冷卻時的轉變一、概述一、概述1 1 熱處理概念熱處理概念 將鋼在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻，以將鋼在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的組織結構，從而獲得所需要性能改變鋼的組織結構，從而獲得所需要性能的一種熱處理工藝。的一種熱處理工藝。保溫保溫冷卻冷卻加熱加熱溫度溫度/時間時間/s0臨界溫度臨界溫度2.2.熱處理特點、目的和應用范圍熱處理特點、目的和應用范圍 特點特點：只通過改變工件的組織

3、來改變性能，不改變：只通過改變工件的組織來改變性能，不改變其形狀。熱處理只適用于固態(tài)下發(fā)生其形狀。熱處理只適用于固態(tài)下發(fā)生相變相變的材料，不發(fā)的材料，不發(fā)生固態(tài)相變的材料不能用熱處理強化；生固態(tài)相變的材料不能用熱處理強化； 目的目的：改變鋼的性能；：改變鋼的性能； 應用范圍應用范圍：整個制造業(yè)。：整個制造業(yè)。3.3.熱處理的分類熱處理的分類 根據(jù)加熱、冷卻方式及鋼組織性能變化特點根據(jù)加熱、冷卻方式及鋼組織性能變化特點的不同，將熱處理工藝分類如下：的不同，將熱處理工藝分類如下： 普通熱處理普通熱處理：退火、正火、淬火和回火；：退火、正火、淬火和回火； 表面熱處理表面熱處理：表面淬火、化學熱處理；

4、：表面淬火、化學熱處理； 其他熱處理其他熱處理：真空熱處理、形變熱處理、控：真空熱處理、形變熱處理、控制氣氛熱處理、激光熱處理等。制氣氛熱處理、激光熱處理等。4.4.加熱和冷卻對臨界轉變溫度的影響加熱和冷卻對臨界轉變溫度的影響A3AC3Ar3ACcmACmArcmA1Ar1Ac1含碳量含碳量/%溫度溫度/0二、鋼在加熱時的轉變二、鋼在加熱時的轉變1.1.奧氏體的形成奧氏體的形成共析鋼奧氏體的形成過程共析鋼奧氏體的形成過程2.奧氏體晶粒度及其影響奧氏體晶粒奧氏體晶粒度及其影響奧氏體晶粒 尺寸的因素尺寸的因素1 1）奧氏體晶粒度）奧氏體晶粒度 起始晶粒度起始晶粒度：珠光體向奧氏體轉變剛剛完成時的晶

5、：珠光體向奧氏體轉變剛剛完成時的晶 粒度；粒度； 實際晶粒度實際晶粒度：鋼在某一具體加熱條件下的晶粒度；：鋼在某一具體加熱條件下的晶粒度； 本質晶粒度本質晶粒度：度量鋼本身晶粒在度量鋼本身晶粒在930930以下，隨溫度以下，隨溫度 升高升高,晶粒長大的程度，晶粒長大的程度，表示奧氏體長大傾向。表示奧氏體長大傾向。 鋼鋼的本質晶粒度示意圖的本質晶粒度示意圖2 2）影響奧氏體晶粒度的因素）影響奧氏體晶粒度的因素 加熱溫度和保溫時間；加熱溫度和保溫時間； 加熱速度；加熱速度； 合金元素；合金元素； 原始組織。原始組織。3 3）奧氏體晶粒度對鋼力學性能的影響）奧氏體晶粒度對鋼力學性能的影響奧氏體晶粒均

6、勻細小奧氏體晶粒均勻細小, ,熱處理后鋼的力熱處理后鋼的力 學性能提高。學性能提高。粗大的奧氏體晶粒在淬火時容易引起粗大的奧氏體晶粒在淬火時容易引起 工件產生較大的變形甚至開裂。工件產生較大的變形甚至開裂。三、鋼在冷卻時的轉變三、鋼在冷卻時的轉變冷卻方式冷卻方式加加 熱熱保溫保溫時間時間/S臨界溫度臨界溫度連續(xù)冷卻連續(xù)冷卻等溫冷卻等溫冷卻0溫度溫度/n過冷奧氏體的等溫冷卻轉變過冷奧氏體的等溫冷卻轉變 建立共析鋼過冷奧氏體等溫冷卻轉建立共析鋼過冷奧氏體等溫冷卻轉 變曲線變曲線 - TTT- TTT曲線曲線 ( ( C C 曲線曲線 ) )T - timeT - temperatureT - tr

7、ansformation 共析碳鋼共析碳鋼 TTT TTT 曲線建立過程示意圖曲線建立過程示意圖時間時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度溫度()0400A1共析碳鋼共析碳鋼 TTT TTT 曲線的分析曲線的分析穩(wěn)定的奧氏體區(qū)穩(wěn)定的奧氏體區(qū)過冷奧氏體區(qū)過冷奧氏體區(qū)A向產向產物轉變開始線物轉變開始線A向產物向產物轉變終止線轉變終止線 A +產產 物物 區(qū)區(qū)產物區(qū)產物區(qū)A1550;高溫轉變區(qū)高溫轉變區(qū);擴散型轉變擴散型轉變; P 轉變區(qū)。轉變區(qū)。550230;中溫轉變中溫轉變區(qū)區(qū); 半擴散型轉變半擴散型轉變; 貝氏體貝氏體( B ) 轉變區(qū)轉變區(qū)

8、;230 - 50; 低溫轉低溫轉變區(qū)變區(qū); 非擴散型轉變非擴散型轉變;馬氏體馬氏體 ( M ) 轉變區(qū)。轉變區(qū)。時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度()0400A1MsMfn 轉變產物的組織與性能轉變產物的組織與性能1.珠光體型珠光體型 ( P ，Pearlite) 轉變轉變 ( A1550，擴散性轉變），擴散性轉變）:A1650 : P ; 525HRC; 片間距為片間距為0.60.7m ( 500 )。650600 : 細片狀細片狀P-索氏體索氏體(S); 片間距為片間距為0.20.4m (1000); 2536HRC。600550:

9、極細片狀極細片狀P-屈氏體屈氏體(T); 片間距為片間距為0.2m ( 電鏡電鏡 ); 3540HRC。 珠珠 光光 體體 形形 貌貌 像像光鏡下形貌光鏡下形貌電鏡下形貌電鏡下形貌光鏡形貌電鏡形貌 索索 氏氏 體體 形形 貌貌 像像 屈屈 氏氏 體體 形形 貌貌 像像電鏡形貌光鏡形貌珠光體轉變示意圖珠光體轉變示意圖珠光體型轉變珠光體型轉變示意圖示意圖珠光體珠光體 P ，3800索氏體索氏體 S 8000屈氏體屈氏體 T 8000層片間距：層片間距：P S TP S T2 2 貝氏體貝氏體（Bainite，半擴散性轉變），半擴散性轉變） 概念：含碳過飽和的鐵素體與滲碳體或概念：含碳過飽和的鐵素體

10、與滲碳體或碳化物的混合物，轉變溫度為：碳化物的混合物，轉變溫度為：550550MsMs。 根據(jù)轉變溫度和組織形態(tài)分類：上貝氏體和根據(jù)轉變溫度和組織形態(tài)分類：上貝氏體和下貝氏體。下貝氏體。550350: B上上; 4045HRC;B上上 =過飽和碳過飽和碳 -Fe條狀條狀 + Fe3C小片狀小片狀過飽和碳過飽和碳-Fe條狀條狀 Fe3C細條狀細條狀羽毛狀羽毛狀 B B上上， 550550350350產物產物 羽毛狀，小片羽毛狀，小片狀狀FeFe3 3C C分布在分布在F F間；間； B B上上性能：性能： 強度和韌性差。強度和韌性差。光學顯微照片光學顯微照片 1300電子顯微照片電子顯微照片 5

11、000B B上上顯微組織顯微組織350230: B下下; 5060HRC;B下下 =過飽和碳過飽和碳 -Fe針葉狀針葉狀 + Fe3C細片狀細片狀過飽和碳過飽和碳 -Fe針葉狀針葉狀Fe3C細片狀細片狀針葉狀針葉狀F 針內定向分布著細小針內定向分布著細小Fe2.4C顆粒顆粒電子顯微照片電子顯微照片 12000T8鋼，鋼，B下下，黑色針狀黑色針狀光學顯微照片光學顯微照片 400 B下下韌性高，綜合機械性能好。韌性高，綜合機械性能好。 3 3 馬氏體型轉變（非擴散性轉變）馬氏體型轉變（非擴散性轉變） 1 1）馬氏體）馬氏體（Martensite）概念：概念：碳在碳在FeFe中的過飽和固溶體。用中的

12、過飽和固溶體。用M M表示。表示。2 2）轉變特點）轉變特點: :在一個溫度范圍內在一個溫度范圍內連續(xù)冷卻完成連續(xù)冷卻完成;轉變速度極快轉變速度極快,即即瞬間形核與長大瞬間形核與長大;無擴散轉變無擴散轉變( Fe、C原子均不擴散原子均不擴散 )； 共格切變性；共格切變性；轉變不完全性轉變不完全性。3 3）馬氏體的分類、性能特點和組織形態(tài)）馬氏體的分類、性能特點和組織形態(tài)n按形態(tài)分類：板條狀馬氏體和針狀馬氏體按形態(tài)分類：板條狀馬氏體和針狀馬氏體 C%C%0.2%1.0%C%1.0%，形成針狀馬氏體；，形成針狀馬氏體； 0.2C%1.0%0.2C%400400）。）。耐磨件耐磨件M回回=0.3%C

13、+150250低溫回火低溫回火彈簧等彈簧等T回回=F針針+Fe3C粒粒350500中溫回火中溫回火調質件調質件S回回=F多多+Fe3C粒粒500650高溫回火高溫回火高合金鋼高合金鋼P回回=F多多+Fe3C粒粒650A1高溫軟化高溫軟化n 回火的分類及其應用回火的分類及其應用注：淬火注：淬火 + + 高溫回火高溫回火 = = 調質處理調質處理用途用途組組 織織溫度溫度()名名 稱稱 回火索氏體組織金相圖回火索氏體組織金相圖 回火屈氏體組織金相圖回火屈氏體組織金相圖 回火馬氏體組織金相圖回火馬氏體組織金相圖n 回火脆性回火脆性低溫回火脆性低溫回火脆性（250400250400），又叫不可逆回火脆

14、性或第一類回），又叫不可逆回火脆性或第一類回 火脆性；火脆性； 產生原因：薄片狀的滲碳體沿奧氏體晶界析出。產生原因：薄片狀的滲碳體沿奧氏體晶界析出。 防止辦法：避免在該溫度區(qū)間回火；加硅；等溫淬火。防止辦法：避免在該溫度區(qū)間回火；加硅；等溫淬火。高溫回火脆性高溫回火脆性（500650500650），又叫可逆回火脆性或第二類回火），又叫可逆回火脆性或第二類回火 脆性。脆性。 產生原因：產生原因：SbSb、SnSn、P P等在晶界偏聚。等在晶界偏聚。 防止辦法：快冷；加防止辦法：快冷；加MoMo、W W等合金元素。等合金元素。 概念：鋼在某些溫度范圍內回火時，會出現(xiàn)沖擊概念：鋼在某些溫度范圍內回火

15、時，會出現(xiàn)沖擊韌性下降的現(xiàn)象，稱為韌性下降的現(xiàn)象，稱為“回火脆性回火脆性”。小結小結重點要求重點要求 鋼淬火和回火的概念、目的和一般應用；淬火溫鋼淬火和回火的概念、目的和一般應用；淬火溫度的選擇理由；淬透性和淬硬性的區(qū)別，影響淬透性度的選擇理由；淬透性和淬硬性的區(qū)別，影響淬透性的因素，回火的分類和一般應用；回火脆性的概念和的因素，回火的分類和一般應用；回火脆性的概念和分類和防止。分類和防止。一般要求一般要求 淬火冷卻介質；淬火方法；回火時的組織轉變。淬火冷卻介質；淬火方法；回火時的組織轉變。實驗一實驗一 鐵碳合金平衡組織觀察鐵碳合金平衡組織觀察 觀察純鐵（觀察純鐵（1#1#）、亞共析鋼（）、亞

16、共析鋼（2 2、3 3、4#4#）、共析鋼（）、共析鋼（5#5#）、）、過共析鋼（過共析鋼（6#6#）；亞共晶白口鑄鐵（）；亞共晶白口鑄鐵（7#7#）、共晶白口鑄鐵（）、共晶白口鑄鐵（8#8#）和過共晶白口鑄鐵（和過共晶白口鑄鐵（9#9#），要求畫出純鐵、亞共析鋼（只畫出其），要求畫出純鐵、亞共析鋼（只畫出其中一個）、共析鋼、過共析鋼的組織示意圖。中一個）、共析鋼、過共析鋼的組織示意圖。n實驗班級：實驗班級：1班（分為兩組）、班（分為兩組）、2班（分為兩組）、班（分為兩組）、 3班（分為兩組）、班（分為兩組）、n實驗時間：下周一下午實驗時間：下周一下午24，下周三，下周三4.156.15，n實

17、驗地點：思學樓實驗地點：思學樓D212n分組：分組： 周一下午周一下午23點（點（1班第一組：班第一組：104123）、下午）、下午34點（點（1班第二班第二組剩余同學）；組剩余同學）； 周三下午周三下午4.155.15（2班第一組：班第一組：201217，222，224，226）、）、下午下午5.156.15（2班第二組剩余同學）班第二組剩余同學） 。 周三下午第周三下午第8節(jié)（節(jié)（3班第一組：班第一組：301321）、下午第九節(jié)（）、下午第九節(jié)（3班第班第二組：剩余同學）二組：剩余同學） 。重點回顧重點回顧 鋼淬火和回火的概念、目的和一般鋼淬火和回火的概念、目的和一般應用；淬火溫度的選擇理

18、由；淬透性和應用；淬火溫度的選擇理由；淬透性和淬硬性的區(qū)別，影響淬透性和淬硬性的淬硬性的區(qū)別，影響淬透性和淬硬性的因素，回火的分類和一般應用；回火脆因素，回火的分類和一般應用；回火脆性的概念和分類和防止。性的概念和分類和防止。本次課的內容本次課的內容n鋼的表面熱處理鋼的表面熱處理n常見熱處理缺陷及防止常見熱處理缺陷及防止n小結小結一、鋼的表面熱處理一、鋼的表面熱處理n概念：指僅對工件表層進行熱處理以改變其組概念：指僅對工件表層進行熱處理以改變其組織和性能的工藝；織和性能的工藝；n分類：表面淬火和化學熱處理；分類：表面淬火和化學熱處理；n應用范圍：主要是某些在沖擊載荷、交變載荷應用范圍：主要是某

19、些在沖擊載荷、交變載荷及摩擦條件下工作的機械零件，如曲軸、凸輪及摩擦條件下工作的機械零件，如曲軸、凸輪軸、齒輪等；軸、齒輪等；n工藝的核心工藝的核心: :使零件具有使零件具有“表硬里韌表硬里韌”的力學的力學性能。性能。n 表面淬火表面淬火1. 1. 定義定義: :是一種不改變鋼表層化學成分是一種不改變鋼表層化學成分, ,但改變但改變表層組織的局部熱處理工藝，即通過快速加熱表層組織的局部熱處理工藝，即通過快速加熱使鋼的表層奧氏體化使鋼的表層奧氏體化, ,然后急冷然后急冷, ,使表層形成馬使表層形成馬氏體組織氏體組織, ,而心部仍保持不變。而心部仍保持不變。2. 2. 目的目的: :獲得高硬度的表

20、面層，以提高工件的獲得高硬度的表面層，以提高工件的耐磨性和疲勞強度。耐磨性和疲勞強度。3.3.表面淬火用鋼表面淬火用鋼: : 選用選用中碳中碳或或中碳低合金鋼中碳低合金鋼。4040、4545、40Cr40Cr、40MnB40MnB等。等。4.4.表面淬火加熱的方法表面淬火加熱的方法: : 感應加熱感應加熱( ( 高、中、工頻高、中、工頻 ) )、火焰加熱火焰加熱、激光加熱等。激光加熱等。n 感應加熱表面淬火感應加熱表面淬火1)1)感應加熱的基本原理感應加熱的基本原理: :* 感應電流感應電流 - 渦流渦流* 集膚效應集膚效應*淬火層深度淬火層深度()與電流頻率與電流頻率( f )的關系的關系:

21、 = 500 / f （mm） 感應加熱表面淬火示意圖感應加熱表面淬火示意圖集膚效應示意圖集膚效應示意圖n 火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火1) 1) 火焰加熱表面淬火的基本方法火焰加熱表面淬火的基本方法2 2）火焰加熱表面淬火的特點）火焰加熱表面淬火的特點: :* * 設備簡單設備簡單, , 操作方便操作方便, , 成本低；成本低；* * 淬火質量不穩(wěn)定；淬火質量不穩(wěn)定；* * 適于單件、小批量及大型零件的生產。適于單件、小批量及大型零件的生產。二二. .化學熱處理化學熱處理 ( Chemical Heat Treatment )( Chemical Heat Treatment )一一)

22、)定義定義: :將零件置于一定的化學介質中將零件置于一定的化學介質中 , , 通過加熱、保溫通過加熱、保溫, ,使介質中一種或幾種元素使介質中一種或幾種元素原子滲入工件表層原子滲入工件表層, ,以改變鋼表層的化學成以改變鋼表層的化學成分和組織的熱處理工藝。分和組織的熱處理工藝。 二二) ) 化學熱處理的基本過程化學熱處理的基本過程: :2.2.吸收吸收: : 活性原子被活性原子被零件表面吸收和溶解。零件表面吸收和溶解。3.3.擴散擴散: : 活性原子由零件表面向內部擴散活性原子由零件表面向內部擴散, , 形成一定的擴散層形成一定的擴散層。1.1.分解分解: : 化學介質在高溫下釋放出待滲的化學

23、介質在高溫下釋放出待滲的活性原子活性原子。 2CO CO2CO CO2 2 + +C C三三) ) 化學熱處理進行的條件化學熱處理進行的條件: :1. 1. 滲入元素的原子滲入元素的原子必須是活性原子必須是活性原子, , 而而 且且具有較大的擴散能力具有較大的擴散能力。2. 2. 零件本身具有零件本身具有吸收滲入原子的能力吸收滲入原子的能力, , 即對滲入原子有一定的即對滲入原子有一定的溶解度溶解度或能或能 與之化合與之化合, , 形成化合物形成化合物。四四) ) 化學熱處理的種類化學熱處理的種類: : 滲碳滲碳; ; 滲氮滲氮; ; 碳氮共滲碳氮共滲; ; 滲硼滲硼; ; 滲鋁滲鋁; ; 滲

24、滲 硫硫; ; 滲鉻等。滲鉻等。二、常見熱處理缺陷及其防止二、常見熱處理缺陷及其防止n加熱時出現(xiàn)的缺陷加熱時出現(xiàn)的缺陷：欠熱（退火和正火矯正）、：欠熱（退火和正火矯正）、過熱（不嚴重的可以用退火和正火矯正）、過過熱（不嚴重的可以用退火和正火矯正）、過燒、氧化和脫碳（鹽浴中加熱或保護氣氛或真燒、氧化和脫碳（鹽浴中加熱或保護氣氛或真空加熱或表面涂層空加熱或表面涂層) )。n在冷卻（淬火）時出現(xiàn)的缺陷在冷卻（淬火）時出現(xiàn)的缺陷：淬火變形、淬：淬火變形、淬火裂紋。防止辦法：正確選材、合理進行零件火裂紋。防止辦法：正確選材、合理進行零件的結構設計、選擇或制定合理的淬火工藝。的結構設計、選擇或制定合理的淬火工藝。小結小結n重點要求重點要求 鋼的表面熱處理的分類；表面淬火的概念、鋼的表面熱處理的分類；表面淬火的概念、目的；常見熱處理缺陷。目的；常見熱處理缺陷。n一般要求一般要求 化學熱處理；常見熱處理缺陷的防止措施?；瘜W熱處理；常見熱處理缺陷的防止措施。鐵碳合金平衡組織的觀察鐵碳合金平衡組織的觀察實驗報告要求實驗報告要求n 實驗內容：實驗內容：n 實驗目的：實驗目的：n 實驗設備和樣品：實驗設備和樣品：n 實驗結果：實驗結果：n 思考題：思考題： 1 1）2#2#、3#3#、4#4#試樣組織的異同點？試樣組織的異同點？ 2 2）根據(jù)所觀察的組織，說明含碳量對鐵碳合金）根據(jù)所觀察的組織，說明含