第五、六章 鋼的熱處理(工程材料的表面熱處理)

第五章鋼的熱處理鋼在加熱時(shí)組織的轉(zhuǎn)變鋼在冷卻時(shí)組織的轉(zhuǎn)變鋼的普通熱處理工藝鋼的表面熱處理和化學(xué)熱處理工藝熱處理新技術(shù)簡(jiǎn)介熱處理工藝的應(yīng)用概述1、熱處理的定義:鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下以適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需組織和性能的工藝過(guò)程。時(shí)間溫度臨界溫度熱加保溫冷卻2.熱處理的主要目的:改變鋼的性能。3.熱處理的應(yīng)用范圍:整個(gè)制造業(yè)。4.按目的、加熱條件和特點(diǎn)不同熱處理分為熱處理普通熱處理表面熱處理退火;正火;淬火;回火;表面淬火

化學(xué)熱處理感應(yīng)加熱淬火火焰加熱淬火滲碳;滲氮;碳氮共滲;第一節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變溫度奧氏體的形成奧氏體晶粒度及對(duì)力學(xué)性能的影響一、轉(zhuǎn)變溫度圖5-1加熱和冷卻時(shí)Fe-Fe3C相圖上各相變點(diǎn)的位置在實(shí)際生產(chǎn)中，由于加熱和冷卻不是很緩慢，因此實(shí)際發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的溫度與相圖的A1、A3、Acm

有一定的偏離。通常加熱用Ac1、Ac3、Accm

表示，冷卻用Ar1、Ar3、Arcm表示。

二、奧氏體的形成過(guò)程1、奧氏體晶核的形成

奧氏體的晶核易于在F和Fe3C滲碳體相界面上形成。這是因?yàn)樵趦上嗟南嘟缟显优帕胁灰?guī)則，空位和位錯(cuò)密度高；成分不均與，處于F和Fe3C的中間值，為形核提供了良好的條件。FFe3CAA形核

2、奧氏體晶核的長(zhǎng)大奧氏體形核后逐漸長(zhǎng)大，晶核的長(zhǎng)大是依靠與其相鄰的F向A的轉(zhuǎn)變和Fe3C的不斷溶解來(lái)完成的。A向F和Fe3C兩個(gè)方向長(zhǎng)大。

未溶Fe3CAF向A轉(zhuǎn)變和Fe3C溶解

3、殘余滲碳體溶解

在奧氏體形成過(guò)程中，鐵素體比滲碳體先消失，因此奧氏體形成之后，還殘存未溶滲碳體。這部分未溶的殘余滲碳體將隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，繼續(xù)不斷地溶入奧氏體，直至全部消失。殘余Fe3CA殘余Fe3C溶解

4.奧氏體均勻化滲碳體完全溶解后，開(kāi)始時(shí)奧氏體中碳的濃度分布并不均勻,原先是滲碳體的地方碳濃度高，原先是鐵素體的地方碳濃度低。必須繼續(xù)保溫，通過(guò)碳的擴(kuò)散，使奧氏體成分均勻化。

AA均勻化

亞共析鋼和過(guò)共析鋼的A形成過(guò)程與共析鋼進(jìn)本相似，不同之處在于亞共析鋼和過(guò)共析鋼需加熱到Ac3或Accm以上，才能獲得單一的奧氏體組織，這個(gè)過(guò)程稱為完全奧氏體化。

三、影響奧氏體轉(zhuǎn)變的因素

1.加熱溫度和加熱速度的影響提高加熱T，將加速A的形成。隨著加熱速度的增加,奧氏體形成溫度升高（Ac1越高），形成所需的時(shí)間縮短。

2.化學(xué)成分的影響隨著鋼中含碳量增加，鐵素體和滲碳體相界面總量增多，有利于奧氏體的形成。

3.原始組織的影響由于奧氏體的晶核是在鐵素體和滲碳體的相界面上形成，所以原始組織越細(xì)，相界面越多，形成奧氏體晶核的“基地”越多，奧氏體轉(zhuǎn)變就越快。三.奧氏體晶粒的長(zhǎng)大及其影響因素1、晶粒大小的表示方法金屬組織中晶粒的大小通常用晶粒度級(jí)別指數(shù)來(lái)表示晶粒度的測(cè)定方法：比較法、面積法、截點(diǎn)法；晶粒度的數(shù)值表示方法：晶粒度級(jí)別指數(shù)、單位體積晶粒數(shù)、晶粒公稱直徑等8種GB6394-86《金屬平均晶粒度測(cè)定法》2、奧氏體晶粒度的概念:起始晶粒度：實(shí)際晶粒度：本質(zhì)晶粒度：珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變剛剛完成時(shí)奧氏體晶粒的大小。一般比較細(xì)小而均勻熱處理后所獲得的奧氏體晶粒的大小。一般比起始晶粒度大某種鋼在規(guī)定的加熱條件下，奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向，不是晶粒大小的實(shí)際度量。加熱溫度與奧氏體晶粒長(zhǎng)大的關(guān)系不同成分的鋼在加熱時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向不同。3、奧氏體晶粒大小對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響1）奧氏體晶粒均勻細(xì)小，熱處理后鋼的力學(xué)性能提高。2）粗大的奧氏體晶粒在淬火時(shí)容易引起工件產(chǎn)生較大的變形甚至開(kāi)裂。1）合理選擇并嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時(shí)間隨著溫度升高晶粒度將隨之長(zhǎng)大。溫度愈高，晶粒長(zhǎng)大愈明顯。在一定溫度下，保溫時(shí)間愈長(zhǎng)，奧氏體晶粒也越粗大。3）合理選擇原始組織隨著鋼中奧氏體含碳量的增加，奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向也增大。當(dāng)wc>1.2%時(shí)，奧氏體晶界上存在未溶的滲碳體能阻礙晶粒的長(zhǎng)大，故奧氏體實(shí)際晶粒度較小。2）加入一定量的合金元素若碳以未溶的碳化物形式存在，則它有阻礙晶粒長(zhǎng)大的作用。錳和磷是促進(jìn)奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向的元素。

4、奧氏體晶粒大小的控制第二節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變鋼在熱處理時(shí)的冷卻方式過(guò)冷奧氏體的等溫冷卻轉(zhuǎn)變過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變一、鋼在熱處理時(shí)的冷卻方式在熱處理生產(chǎn)中，常用的冷卻方式：等溫冷卻和連續(xù)冷卻。等溫冷卻轉(zhuǎn)變使加熱到奧氏體化的鋼以較快的冷卻速度冷到A1

以下某溫度保溫，在等溫下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變使加熱到奧氏體化的鋼連續(xù)降溫進(jìn)行組織轉(zhuǎn)變熱加保溫時(shí)間溫度臨界溫度A1連續(xù)冷卻等溫冷卻二、過(guò)冷奧氏體的等溫冷卻轉(zhuǎn)變（一）

建立共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線----TTT曲線(C曲線)T---timeT---temperatureT---transformation過(guò)冷奧氏體在相變溫度A1以下，未發(fā)生轉(zhuǎn)變而處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體。鋼在連續(xù)冷卻或等溫冷卻條件下，其組織轉(zhuǎn)變不能用Fe-Fe3C相圖分析。為了研究奧氏體在不同冷卻條件下組織轉(zhuǎn)變規(guī)律，測(cè)定并繪制了過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖。（過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變的規(guī)律）共析鋼C曲線建立過(guò)程示意圖時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1（二）共析碳鋼C曲線的分析穩(wěn)定的奧氏體區(qū)過(guò)冷奧氏體區(qū)A向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變開(kāi)始線A向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變終止線

A+產(chǎn)物區(qū)產(chǎn)物區(qū)A1～550℃;高溫轉(zhuǎn)變區(qū);擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變;P轉(zhuǎn)變區(qū)。550～230℃;中溫轉(zhuǎn)變區(qū);半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變;

貝氏體(B)轉(zhuǎn)變區(qū);230～-50℃;低溫轉(zhuǎn)變區(qū);非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變;馬氏體(M)轉(zhuǎn)變區(qū)。時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf

（三）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能A1~650℃片層珠光體<25HRC1、珠光體型轉(zhuǎn)變—高溫轉(zhuǎn)變（A1~550℃）650℃~600℃細(xì)片狀珠光體（索氏體S）

25HRC~30HRC600℃~550℃極細(xì)片狀珠光體（托氏體T）

35HRC~40HRC珠光體形貌像光鏡下形貌電鏡下形貌光鏡形貌電鏡形貌

索氏體形貌像托氏體形貌像電鏡形貌光鏡形貌2.貝氏體型(B)轉(zhuǎn)變—中溫轉(zhuǎn)變(550℃～MS)在550℃～MS

溫度范圍內(nèi)，因轉(zhuǎn)變溫度較低，原子的活動(dòng)能力較弱，過(guò)冷奧氏體雖然仍分解成滲碳體和鐵素體的混合物，但鐵素體中溶解的碳已超過(guò)正常的溶解度，轉(zhuǎn)變后得到的組織為含碳量具有一定過(guò)飽和度的鐵素體和分散的滲碳體的混合物，稱為貝氏體（B）根據(jù)組織形態(tài)和轉(zhuǎn)變溫度不同，貝氏體一般可分為上貝氏體和下貝氏體兩種550~350℃羽毛狀上貝氏體（B上）40~50HRC條狀F

Fe3C上貝氏體組織金相圖350~Ms黑色針葉狀下貝氏體（B下）45~55HRC針葉狀鐵素體Fe3C與B上比較，B下具有良好的綜合力學(xué)性能，在生產(chǎn)中常用等溫淬火來(lái)獲得B下組織下貝氏體組織金相圖3、馬氏體型(M)轉(zhuǎn)變(Ms～Mf)當(dāng)奧氏體快速過(guò)冷至馬氏體點(diǎn)（Ms）以下時(shí)則發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。與前兩種轉(zhuǎn)變不同，馬氏體轉(zhuǎn)變是在一定溫度范圍內(nèi)（Ms～Mf之間）連續(xù)冷卻時(shí)完成的。（四）

影響TTT曲線的因素1、奧氏體中含碳量的影響:1）亞共析鋼過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變

亞共析鋼的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線與共析鋼C曲線不同的是：在其上方多了一條過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的轉(zhuǎn)變開(kāi)始線。亞共析鋼隨著含碳量的減少，C曲線位置往右移，同時(shí)Ms、Mf線住上移。

亞共析鋼的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變過(guò)程與共析鋼類似，只是在高溫轉(zhuǎn)變區(qū)過(guò)冷奧氏體將先有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，剩余的過(guò)冷奧氏體再轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織。

亞共析鋼的TTT曲線

FAP+FS+FTBM+A殘A3時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf2）過(guò)共析鋼過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變

過(guò)共析鋼過(guò)冷奧氏體的C曲線的上部為過(guò)冷奧氏體中析出二次滲碳體(Fe3CII)開(kāi)始線。當(dāng)加熱溫度為AC1以上30～50℃時(shí)，過(guò)共析鋼隨著含碳量的增加，C曲線位置向左移，同時(shí)Ms、Mf線往下移。

過(guò)共析鋼的過(guò)冷奧氏體在高溫轉(zhuǎn)變區(qū)，將先析出Fe3CII，其余的過(guò)冷奧氏體再轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織。過(guò)共析鋼的TTT曲線P+Fe3CⅡS+Fe3CⅡTBM+A殘

Fe3CⅡAACM時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf2、合金元素的影響

除Co、Al(＞2.5%)外，所有合金元素溶入奧氏體中，會(huì)引起：向右移向下移MsA1A1Ms含Cr合金鋼3、加熱溫度和保溫時(shí)間的影響

加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，碳化物溶解充分,奧氏體成分均勻；同時(shí)晶粒也越大，晶界面積則減少。這樣，會(huì)降低過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變的形核率，提高了過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性,從而使C曲線向右移。三、過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（一）

建立共析鋼過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線----CCT曲線C---continuousC---coolingT---transformationVc（M臨界冷卻速度）共析碳鋼CCT曲線建立過(guò)程示意圖時(shí)間t溫度℃A1Pf（P轉(zhuǎn)變終了線）Ps（P轉(zhuǎn)變開(kāi)始線）A+PK（P轉(zhuǎn)變中止線）MsMf水冷油冷Vc`（下臨界冷卻速度）爐冷空冷（二）馬氏體型轉(zhuǎn)變(230～-50℃):馬氏體轉(zhuǎn)變?cè)诘蜏兀∕s點(diǎn)以下）進(jìn)行，由于過(guò)冷度很大，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)難以進(jìn)行鐵、碳原子的擴(kuò)展，只發(fā)生了γ-Fe向α-Fe的晶格轉(zhuǎn)變。固溶在奧氏體中的碳全部保留在α-Fe晶格中，形成碳在α-Fe中的過(guò)飽和固溶體，稱其為馬氏體（M）1、馬氏體轉(zhuǎn)變特點(diǎn)

1）無(wú)擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變鐵、碳原子都不能進(jìn)行擴(kuò)散。鐵原子沿奧氏體一定晶面，集體地（不改變相互位置關(guān)系）作一定距離的移動(dòng)（不超過(guò)一個(gè)原子間距），使面心立方晶格改組為體心立方晶格，碳原子原地不動(dòng)，過(guò)飽和地留在新組成的晶胞中，過(guò)飽和碳使α-Fe的晶格發(fā)生很大畸變，產(chǎn)生很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化。2）轉(zhuǎn)變時(shí)體積發(fā)生膨脹馬氏體的比容比奧氏體的比容大，轉(zhuǎn)變時(shí)體積要膨脹，引起淬火工件產(chǎn)生相變內(nèi)應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致工件變形和開(kāi)裂。

3）M形成速度很快，瞬間完成形核、長(zhǎng)大

奧氏體冷卻到Ms點(diǎn)以下后，無(wú)孕育期，瞬時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。高碳馬氏體的長(zhǎng)大速度約為（1～1.5）×105cm/s，每個(gè)馬氏體片形成的時(shí)間極短，大約只需10-7s。4）轉(zhuǎn)變是在一定溫度范圍內(nèi)（Ms～Mf）連續(xù)冷卻過(guò)程中進(jìn)行的隨著溫度下降，過(guò)冷奧氏體不斷轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，如果冷卻在中途中停止，則奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變也停止。5）馬氏體轉(zhuǎn)變是不徹底的總要?dú)埩羯倭繆W氏體。殘余奧氏體的含量與Ms、Mf的位置有關(guān)。奧氏體中的碳含量越高，則Ms、Mf越低，殘余A含量越高。只在碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)少于0.6%時(shí)，殘余奧氏體可忽略。

A殘的存在不僅降低淬火鋼的硬度和耐磨化，而且在工件長(zhǎng)期使用過(guò)程中，由于A殘會(huì)繼續(xù)變成M，使工件尺寸發(fā)生變化。奧氏體含碳量對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響6007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00溫度℃Wc100MsMf90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.11.21.31.41.51.61.7Wc100殘余奧氏體量(%)奧氏體含碳量對(duì)殘余奧氏體數(shù)量的影響3、馬氏體的組織形態(tài)（板條狀和片狀）1）板條狀馬氏體組織---低碳馬氏體(＜0.2%C)

30～50HRCδ=9～17%低碳板條狀馬氏體組織金相圖2）片狀馬氏體組織---高碳馬氏體(＞1%C)

66HRC左右δ≈1%高碳片狀馬氏體組織金相圖馬氏體的碳濃度Wc100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度(HRC)

2000抗拉強(qiáng)度σb(Mpa)

1800

1400

1000

600

2004、馬氏體的性能——主要取決于馬氏體中的碳濃度。低碳板條狀M不僅具有較好的強(qiáng)度和硬度，而且還具有較好的塑形和韌性。高碳片狀M的強(qiáng)度很高，但塑形和韌性很差。

（三）亞共析鋼過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變

亞共析鋼過(guò)冷A在高溫時(shí)有一部分將轉(zhuǎn)變?yōu)镕，在中溫轉(zhuǎn)變區(qū)會(huì)有少量B上產(chǎn)生。如油冷的產(chǎn)物為F+T+B上

+M，但F和B上量很少，有時(shí)可忽略。（四）

過(guò)共析鋼過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變

過(guò)共析鋼過(guò)冷A在高溫區(qū)，將首先析出Fe3CⅡ，而后轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌M織。由于A中碳含量高，所以油冷、水冷后的組織中應(yīng)包括A殘。與共析鋼一樣，其冷卻過(guò)程中無(wú)B轉(zhuǎn)變。四、共析碳鋼TTT曲線與CCT曲線的比較穩(wěn)定的奧氏體區(qū)時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMfCCT曲線TTT曲線1、同一成分的鋼的CCT曲線位于C曲線右下方。要獲得同樣的組織，連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變比等溫轉(zhuǎn)變的溫度要低些，孕育期要長(zhǎng)些。2、連續(xù)冷卻時(shí)，轉(zhuǎn)變時(shí)在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的類型可能不只一種，有時(shí)是幾種類型組織的混合。3、連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時(shí)，共析鋼不發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。第四節(jié)鋼的普通熱處理工藝毛坯生產(chǎn)預(yù)備熱處理機(jī)械加工最終熱處理機(jī)械精加工預(yù)備熱處理:

退火;正火最終熱處理:

淬火;回火一般零件生產(chǎn)的工藝路線:1、退火：將鋼加熱到適當(dāng)溫度（臨界溫度以上30～50℃

），保溫一定時(shí)間，然后在爐中緩慢地冷卻的熱處理工藝。2、目的——為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備

1）降低硬度，提高塑性，改善加工性能；

2）細(xì)化晶粒，消除組織缺陷；

3）消除內(nèi)應(yīng)力。一、鋼的退火3、分類退火重結(jié)晶退火低溫退火完全退火擴(kuò)散退火球化退火再結(jié)晶退火去應(yīng)力退火根據(jù)鋼的成分和處理目的的不同，可分為1）完全退火定義：將鋼加熱Ac3以上30~50oC,完全奧氏體后，保溫一定時(shí)間隨之緩慢冷卻到600oC以下，出爐空冷。組織：細(xì)小而均勻的平衡組織（鐵素體+珠光體）目的：細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，以利于切削加工。適用范圍：亞共析鋼型材。2）球化退火定義：將鋼加熱到Ac1以上20~30oC，保溫后隨爐緩冷至600oC，出爐空冷，使鋼中碳化物呈球狀的工藝方法。組織：球狀珠光體（滲碳體呈球形的細(xì)小顆粒，彌散分布在鐵素體基體中）目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能。適用范圍：主要用于過(guò)共析鋼、合金工具鋼。3）均勻化退火（擴(kuò)散退火）定義：將鋼加熱到Ac3以上150~300oC，長(zhǎng)時(shí)間保溫后隨爐緩冷。目的：使鋼中的化學(xué)成分和組織均勻化適用范圍：主要用于質(zhì)量要求高的合金鋼鑄錠、鑄件、鍛坯。4）去應(yīng)力退火定義：將鋼加熱到Ac1以下（一般約為500—600oC），保溫后隨爐緩冷至200--300oC出爐空冷，又稱低溫退火。目的：消除鑄件、鍛件和焊接件的內(nèi)應(yīng)力。（沒(méi)有發(fā)生組織變化）適用范圍：用于所有的鋼。5）再結(jié)晶退火主要用于經(jīng)冷變形的鋼二、鋼的正火1、正火：將鋼件加熱到Ac3或Accm線以上30～50oC

，保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間后，在空氣中冷卻。2、正火與退火的區(qū)別：正火與退火的目的基本相同，但正火的冷卻速度比退火稍快，正火后得到的珠光體組織比較細(xì)，強(qiáng)度、硬度比退火鋼高。碳鋼的各種退火、正火加熱溫度范圍、工藝曲線正火與退火的區(qū)別：正火的冷卻速度較快，得到的組織比較細(xì)小，強(qiáng)度和硬度也稍高一些。3、目的及應(yīng)用：1）對(duì)力學(xué)性能要求不高的結(jié)構(gòu)、零件，可用正火最為最終熱處理，以提高其強(qiáng)度、硬度和韌性。2）對(duì)低、中碳鋼（S+F），可用正火作為預(yù)備熱處理，可提高硬度和強(qiáng)度，改善切削加工性；3）對(duì)高碳鋼（S），正火可抑制滲碳體網(wǎng)的形成，可為球化退火作準(zhǔn)備。

正火比退火生產(chǎn)周期短，成本低，操作方便，故在可能的條件下應(yīng)優(yōu)先采用正火。但在零件形狀較復(fù)雜時(shí)，由于正火的冷卻速度較快，又引起開(kāi)裂的危險(xiǎn)，則采用退火為宜。三鋼的淬火2、目的：為了獲得馬氏體（或貝氏體）組織，提高鋼的硬度、強(qiáng)度和耐磨性，并保持足夠的韌性1、淬火：將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保持一定時(shí)間后，快速冷卻的熱處理工藝。3、工藝參數(shù):淬火加熱后組織

M+Fe3C+A殘

Ac1+30～50過(guò)共析鋼

M+A殘

Ac1+30～50共析鋼

M+A殘

Ac3+30～50亞共析鋼Wc＞0.5%

M

Ac3+30～50亞共析鋼Wc≤0.5%最終組織淬火溫度(℃)鋼種4、常用淬火冷卻方法1）理想淬火冷卻介質(zhì)時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf2）常用的淬火冷卻介質(zhì)名稱最大冷卻速度時(shí)平均冷卻速度/(℃?s-1)所在溫度/℃冷卻速度/(℃?s-1)650～550℃300～200℃20℃靜止水34077513545040℃靜止水28554511041060℃靜止水2202758018510%NaCl

溶液58020001900100010%NaOH溶液5602830275077520℃10號(hào)機(jī)油430230606580℃10號(hào)機(jī)油430230705520℃3號(hào)錠子油500120100503）淬火方法:為了保證獲得所需淬火組織，又要防止變形和開(kāi)裂，必須采用已有的淬火介質(zhì)再配以各種冷卻方法才能解決。

通常的淬火方法包括

單液淬火、雙液淬火、馬氏體分級(jí)淬火、貝氏體等溫淬火、局部淬火等。單液淬火將加熱后的零件投入一種冷卻劑中冷卻至室溫。優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化缺點(diǎn)：易產(chǎn)生淬火缺陷，水中淬火易產(chǎn)生變形和裂紋，油中淬火易產(chǎn)生硬度不足或硬度不均勻等現(xiàn)象。應(yīng)用：碳鋼一般用水作冷卻介質(zhì)，合金鋼可用油作冷卻介質(zhì)。雙液淬火將加熱的工件先投入一種冷卻能力強(qiáng)的介質(zhì)中冷卻，然后在接近Ms點(diǎn)溫度（鋼的組織還未開(kāi)始轉(zhuǎn)變時(shí)迅速取出），馬上浸入另一種冷卻能力弱的介質(zhì)中使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的淬火，稱為雙介質(zhì)淬火。優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)應(yīng)力小，變形及開(kāi)裂小。缺點(diǎn)：操作困難，不易掌握應(yīng)用：由碳素工具鋼制造的易開(kāi)裂工件，如絲錐。馬氏體分級(jí)淬火：定義：將加熱的工件先放入溫度為Ms點(diǎn)附近的鹽或堿浴

中，稍加停留，等工件整體溫度趨于均勻時(shí)，再取出空冷以獲得馬氏體。優(yōu)點(diǎn)：有效減小內(nèi)應(yīng)力，防止變形與開(kāi)裂缺點(diǎn)：對(duì)于碳鋼零件，淬火后會(huì)出現(xiàn)非馬氏體組織應(yīng)用：

尺寸小，形狀復(fù)雜工件貝氏體等溫淬火：定義：將加熱的工件先放入稍高于Ms點(diǎn)溫度的鹽或堿浴

中，保溫足夠時(shí)間，使其發(fā)生下貝氏轉(zhuǎn)變后出爐空冷。優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)應(yīng)力小，工件不易變形與開(kāi)裂，具有良好的綜合力學(xué)性能。應(yīng)用：用于處理形狀復(fù)雜，尺寸要求精確，并且硬度和韌性都要求較高的工件如：各種冷、熱沖模，成型刃具，彈簧等5、鋼的淬透性1）淬透性:指在規(guī)定條件下，鋼在淬火冷卻時(shí)獲得馬氏體組織深度的能力。2）影響淬透性的因素:

鋼的臨界冷卻速度，Vc越低，鋼的淬透性越好鋼的化學(xué)成分（增加過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性，降低Vc，鋼的淬透性越好）3）淬透性的應(yīng)用:淬透性好的鋼，經(jīng)淬火回火后，截面上組織均勻一致，綜合力學(xué)性能好。因此，鋼的淬透性對(duì)提高大截面零件的力學(xué)性能，發(fā)揮材料潛力，具有重要的意義。淬透性好的鋼，在淬火冷卻時(shí)可采用比較緩和的淬火介質(zhì)，減小工件淬火的變形及開(kāi)裂傾向。淬透性的大小對(duì)鋼的熱處理后的力學(xué)性能的影響未淬透鋼淬透鋼4）鋼的淬硬性淬硬性：是指鋼在理想條件下淬火成馬氏體后所能達(dá)到的最高硬度。影響鋼的淬硬性的因素主要取決于鋼含碳量。低碳鋼淬火的最高硬度值低，淬硬性差；高碳鋼淬火的最高硬度值高，淬硬性好。5）淬硬性與淬透性之間的關(guān)系:淬透性淬硬性鋼種小低碳素結(jié)構(gòu)鋼(20)小高碳素工具鋼(T10A)大低低碳合金結(jié)構(gòu)鋼(18Cr2Ni4WA)大高高碳高合金工具鋼(Cr12MoV)6）淬硬性與淬透性之間的區(qū)別:淬透性與實(shí)際工件有效淬硬深度的區(qū)別同一鋼種對(duì)不同截面的工件在同樣奧氏體化條件下淬火，其淬透性是相同的，但是其有效淬硬深度卻因工件的形狀、尺寸和冷卻介質(zhì)的不同而異。淬透性是鋼本身所固有的的屬性，對(duì)以一種鋼，它是確定的，可用于不同鋼種之間的比較。實(shí)際工件的有效淬硬深度，除了取決于鋼的淬透性，還與工件的形狀、尺寸及采用的冷卻介質(zhì)等外界因素有關(guān)。兩個(gè)不同的概念淬硬性是指鋼淬火后能達(dá)到的最高硬度，主要取決于馬氏體的含碳量，淬透性好的鋼其淬硬性不一定高。6、淬火缺陷1）氧化與脫氧鋼加熱時(shí)，爐內(nèi)氧化氣氛于鋼材料表面的鐵或碳相互作用，引起氧化和脫氧。氧化，是指鐵的氧化，即在工件表面形成一層松脆的氧化鐵皮。氧化不僅造成金屬的損耗，還影響工件的承載能力和表面質(zhì)量等。脫碳，是指氣體介質(zhì)和鋼表面的碳起作用而逸出，使材料表面含碳量降低。脫碳會(huì)降低工件表層的強(qiáng)度、硬度和疲勞強(qiáng)度，對(duì)于彈簧、軸承和各種工具、模具等，脫碳是嚴(yán)重的缺陷。為了防止氧化和脫碳，對(duì)重要受力零件和精密零件，通常應(yīng)在鹽浴爐內(nèi)加熱。2、過(guò)熱和過(guò)燒鋼在淬火加熱時(shí)，由于加熱溫度過(guò)高或高溫下停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而發(fā)生奧氏體晶粒顯著粗化的現(xiàn)象，稱為過(guò)熱。加熱溫度達(dá)到固相線附近，使晶界氧化并部分熔化的現(xiàn)象稱為過(guò)燒。工件過(guò)熱后，晶粒粗大，不僅降低鋼的力學(xué)性能（尤其是韌性），也容易引起變形和開(kāi)裂。過(guò)熱可以用正火處理予以糾正，而過(guò)燒后的工件只能報(bào)廢。為了防止工件的過(guò)熱和過(guò)燒，必須嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時(shí)間3、變形與開(kāi)裂淬火內(nèi)應(yīng)力是造成工件變形和開(kāi)裂的原因。對(duì)于變形量小的工件可采取某些措施予以糾正，而變形量太大或開(kāi)裂的工件只能報(bào)廢。為了防止變形和開(kāi)裂的產(chǎn)生，可采用不同的淬火方法（如分級(jí)淬火或等溫淬火等）或在設(shè)計(jì)上采取一些措施（如結(jié)構(gòu)對(duì)稱、截面均勻、避免尖角等）。4、硬度不足由于加熱溫度過(guò)低、保溫時(shí)間不足、冷卻速度過(guò)低或表面脫碳等原因造成的。一般情況下，可采用重新淬火消除，但淬火前要進(jìn)行一次退火或正火處理。四、鋼的回火1、定義：將淬火后鋼件再加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時(shí)間后，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。2、目的：消除淬火應(yīng)力，降低脆性；穩(wěn)定工件尺寸；調(diào)整淬火零件的力學(xué)性能。3、回火的種類按回火溫度的不同，回火可分以下三種：低溫回火：150oC~250oC中溫回火：350oC~500oC高溫回火：500oC~650oC1、低溫回火（150~

250）oC

組織：

M回=α0.3%C+ε

目的：保持淬火鋼的高硬度和高耐磨性，降低淬火應(yīng)力，減少鋼的脆性。硬度為58--64HRC。應(yīng)用：刃具、量具、模具、滾動(dòng)軸承、滲碳淬火件和表面淬火件2、中溫回火（350~

500）oC

組織：T回=F針+Fe3C粒目的：獲得高的彈性極限、屈服點(diǎn)和較好的韌性。又稱彈性處理。硬度為35--45HRC.應(yīng)用：彈性零件及熱鍛模具等。3、高溫回火（500~

650）oC

組織：S回=F塊+Fe3C球目的：獲得良好的綜合力學(xué)性能。硬度為25--35HRC.應(yīng)用：各種重要結(jié)構(gòu)零件如螺栓、齒輪及軸承。淬火+高溫回火=調(diào)質(zhì)處理回火馬氏體組織金相圖第四節(jié)鋼的表面熱處理和化學(xué)熱處理表面淬火化學(xué)熱處理工藝的核心:使零件具有“表硬里韌”的力學(xué)性能。一、表面淬火1、定義：是一種不改變鋼表層化學(xué)成分，但改變表層組織，且信步組織不發(fā)生變化的局部熱處理工藝。2、工藝特征：通過(guò)快速加熱至淬火溫度，使鋼的表層奧氏體化，然后急冷以大于Vc的速度冷卻，使表層形成馬氏體組織，而心部仍保持不變。3、表面淬火應(yīng)用:選用中碳或中碳低合金鋼。40、45、40Cr、40MnB等。4、表面淬火加工的方法:

感應(yīng)加熱(高、中、工頻)、火焰加熱、電接觸加熱法等。（一）感應(yīng)加熱表面淬火1、感應(yīng)加熱的基本原理感應(yīng)加熱表面淬火示意圖集膚效應(yīng)示意圖2、工藝要求*表面淬火前,必須對(duì)零件進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理,以保證零件有良好的基體。*表面淬火后,必須對(duì)零件進(jìn)行低溫回火處理,以降低淬火應(yīng)力和脆性。3、生產(chǎn)特點(diǎn):

淬火件的質(zhì)量好;工件變形小;不易氧化及脫碳;淬火層容易控制;生產(chǎn)率高。設(shè)備投資大,不適于復(fù)雜形狀零件和小批量生產(chǎn)。（二）火焰加熱表面淬火1、火焰加熱表面淬火的基本方法2、火焰加熱表面淬火的特點(diǎn):*設(shè)備簡(jiǎn)單,操作方便,成本低。*淬火質(zhì)量不穩(wěn)定。*適于單件、小批量及大型零件的生產(chǎn)。二、化學(xué)熱處理

(ChemicalHeatTreatment)1、定義：將零件置于一定的化學(xué)介質(zhì)中,通過(guò)加熱、保溫，使介質(zhì)中一種或幾種元素原子滲入工件表層，以改變鋼表層的化學(xué)成分和組織的熱處理工藝。2、化學(xué)熱處理的基本過(guò)程:吸收:活性原子被零件表面吸收和溶解。擴(kuò)散:活性原子由零件表面向內(nèi)部擴(kuò)散,形成一定的擴(kuò)散層。分解:化學(xué)介質(zhì)在高溫下釋放出待滲的活性原子。

2COCO2+〔C〕3、化學(xué)熱處理進(jìn)行的條件:1）滲入元素的原子必須是活性原子,而且具有較大的擴(kuò)散能力。2）零件本身具有吸收滲入原子的能力,

即對(duì)滲入原子有一定的溶解度或能與之化合,

形成化合物。4、化學(xué)熱處理的種類:

滲碳;滲氮;碳氮共滲;滲硼;滲鋁;滲硫;滲硅;滲鉻等。（一）鋼的滲碳(Carburizeofsteel)1、定義:

向鋼的表面滲入碳原子的過(guò)程。2、目的:

獲得具有表硬里韌性能的零件。3、用鋼:低碳鋼和低碳合金鋼。4、方法:

固體、氣體、液體滲碳。固體滲碳法示意圖零件滲碳劑試棒蓋泥封滲碳箱氣體滲碳法示意圖5、工藝:加熱溫度為900～950℃;滲碳時(shí)間一般為3～9小時(shí);6、滲碳后的組織:

1%CP+Fe3CⅡ0.2%C

F+P少表面中心零件PP+F20鋼滲碳緩冷組織(化染)580表層珠光體+網(wǎng)狀滲碳體;中層珠光體;內(nèi)層鐵素體+珠光體7、滲碳后的熱處理工藝時(shí)間溫度930℃850℃方案1方案2滲碳淬火加熱8、熱處理后的組織低碳M回+FM回+Cm+A殘低碳合金鋼F+PM回+Fe3C+A殘低碳鋼心部組織表層組織鋼種9、常用的鋼種:15、20、20Cr、20Mn2、

20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。二、鋼的滲氮1、定義:向鋼的表面滲入氮原子的過(guò)程。2、目的:獲得具有表硬里韌及抗蝕性能的零件。3、用鋼:中碳合金鋼。4、方法:氣體滲氮。5、工藝：加熱溫度500～600℃;

保溫時(shí)間0.3～0.5mm/20～50h。6、熱處理特點(diǎn)：滲氮前需調(diào)質(zhì)處理;

滲氮后不需熱處理。7、滲氮處理后的組織

表層：Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、

MoN、TiN、VN。

心部：S回。8、常用的鋼種：35CrMo、18CrNiW、

38CrMoAlA(氮化王牌鋼)等。滲碳與滲氮的工藝特點(diǎn)處理后是否需要熱處理處理時(shí)間(h)處理溫度(℃)名稱需要3～9900～950滲碳不需要20～50500～