材料科學(xué)與工程專業(yè)金屬熱處理原理及工藝課件第八章淬火與回火

第八章淬火與回火8.1淬火8.2回火現(xiàn)在是1頁\一共有64頁\編輯于星期一8.1淬火鋼的淬火——將鋼加熱到臨界溫度（A1

或A3）以上，保溫一定時間使其奧氏體化，以大于臨界冷卻速度進(jìn)行冷卻的工藝。淬火目的：提高硬度和耐磨性：刀具、量具、磨具提高強韌性：軸類、桿件、銷、受力件提高硬磁性：用高碳鋼、磁鋼制的永久磁鐵（馬氏體磁性）提高彈性：各類彈簧提高耐蝕和耐熱性：耐熱鋼和不銹鋼獲得M組織

現(xiàn)在是2頁\一共有64頁\編輯于星期一一、淬火方法及工藝

1.淬火方法淬火分類

按加熱溫度：完全淬火、不完全淬火、循環(huán)加熱淬火按加熱速度：普通淬火、快速加熱淬火、超快速加熱淬火按加熱介質(zhì)及熱源條件：光亮淬火、真空淬火、鉛浴加熱淬火、鹽浴加熱淬火、火焰加熱淬火、感應(yīng)加熱淬火、高頻脈沖淬火、接觸電加熱淬火、電解液加熱淬火、電子束加熱淬火、激光加熱淬火按淬火部位：整體淬火、局部淬火、表面淬火按冷卻方式：單液淬火、雙液淬火、分級淬火、等溫淬火、預(yù)冷淬火；馬氏體等溫淬火、貝氏體等溫淬火等現(xiàn)在是3頁\一共有64頁\編輯于星期一現(xiàn)在是4頁\一共有64頁\編輯于星期一2.淬火工藝①淬火加熱溫度亞共析鋼：Ac3+30～50℃;

共析和過共析鋼：Ac1+30～50℃為什么過共析鋼淬火加熱溫度在Ac1+30～50℃，而不是Accm+30～50℃？）1）細(xì)化晶粒2）保留滲碳體，提高耐磨性3）減少A含碳量，以降低M轉(zhuǎn)變時變形和開裂的傾向，并減少AR量（必須消除網(wǎng)狀滲碳體預(yù)備組織為P球）現(xiàn)在是5頁\一共有64頁\編輯于星期一現(xiàn)在是6頁\一共有64頁\編輯于星期一2.淬火工藝

②保溫時間保溫時間=升溫時間+心表溫度一致時間+組織轉(zhuǎn)變時間加熱介質(zhì)對保溫時間影響較大。τ=α

KD工件有效厚度(最快傳熱方向上的厚度)裝爐量有關(guān)系數(shù)一般K=1～1.5加熱系數(shù),與鋼種及加熱介質(zhì)有關(guān)現(xiàn)在是7頁\一共有64頁\編輯于星期一有效厚度D：板件和薄壁件以板厚或壁厚做D球體以球直徑的0.75倍作D形狀復(fù)雜工件以工作部分的截面厚度作D現(xiàn)在是8頁\一共有64頁\編輯于星期一③冷卻方式

冷卻方式最大限度減少工件應(yīng)力集中和變形，使工件均勻冷卻。冷卻介質(zhì)2.淬火工藝現(xiàn)在是9頁\一共有64頁\編輯于星期一單液淬火雙液淬火分級淬火等溫淬火時間溫度MsA1現(xiàn)在是10頁\一共有64頁\編輯于星期一二、淬火介質(zhì)理想淬火介質(zhì)具備：高溫慢冷；奧氏體鼻子溫度快冷；馬氏體轉(zhuǎn)變慢冷。時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf理想淬火冷卻介質(zhì)現(xiàn)在是11頁\一共有64頁\編輯于星期一1.無物態(tài)變化的淬火介質(zhì)冷卻機理：

輻射、傳導(dǎo)和對流將工件的熱量帶走，使工件冷卻常用的淬火介質(zhì)：

硝酸鹽和堿，使用溫度在150～550℃之間。二、淬火介質(zhì)現(xiàn)在是12頁\一共有64頁\編輯于星期一2.有物態(tài)變化的淬火介質(zhì)冷卻機理：

輻射、傳導(dǎo)和對流將工件的熱量帶走，使工件冷卻汽化沸騰，使工件強烈散熱冷卻能力強

水基，油基二、淬火介質(zhì)現(xiàn)在是13頁\一共有64頁\編輯于星期一2.有物態(tài)變化的淬火介質(zhì)介質(zhì)冷卻特性的測試——試樣溫度與冷卻時間（速度）之間的關(guān)系）二、淬火介質(zhì)現(xiàn)在是14頁\一共有64頁\編輯于星期一冷卻機理第一階段（AB段）：蒸汽膜階段。冷卻速度慢第二階段（BC段）：沸騰階段。冷卻速度快第三階段（CD段）：對流階段。冷卻速度慢常用的冷卻介質(zhì)水、鹽水、堿水、油、合成淬火液等二、淬火介質(zhì)2.有物態(tài)變化的淬火介質(zhì)現(xiàn)在是15頁\一共有64頁\編輯于星期一常用的淬火冷卻介質(zhì)

名稱

最大冷卻速度時平均冷卻速度/(℃?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號機油430230606580℃10號機油430230705520℃3號錠子油50012010050現(xiàn)在是16頁\一共有64頁\編輯于星期一單液淬火雙液淬火分級淬火等溫淬火時間溫度MsA1現(xiàn)在是17頁\一共有64頁\編輯于星期一3淬火介質(zhì)的新發(fā)展環(huán)保、優(yōu)效（高溫快速、低溫慢速）、安全、經(jīng)濟為發(fā)展方向。植物油基生態(tài)淬火油（使蒸汽膜階段短、提高高溫階段冷速）聚合物水基淬火介質(zhì)（降低水的冷速、環(huán)保）固—氣流化介質(zhì)（固體細(xì)粒與壓縮空氣混合）現(xiàn)在是18頁\一共有64頁\編輯于星期一視頻（真空淬火）視頻（激光淬火）現(xiàn)在是19頁\一共有64頁\編輯于星期一三、鋼的淬透性網(wǎng)帶式淬火爐淬透性是鋼的主要熱處理性能。是選材和制訂熱處理工藝的重要依據(jù)之一?，F(xiàn)在是20頁\一共有64頁\編輯于星期一三、鋼的淬透性1.概念淬透性——鋼在淬火時能夠獲得馬氏體的能力。

其大小是用規(guī)定條件下淬硬層深度來表示。

工件淬硬層與冷卻速度的關(guān)系示意圖（a）零件截面的不同冷卻速度;（b）未淬透區(qū)的示意圖ab現(xiàn)在是21頁\一共有64頁\編輯于星期一M量和硬度隨深度的變化淬硬層深度——

由工件表面到半馬氏體區(qū)(50%M+50%P)的深度。如果工件中心在淬火后獲得了50％以上的M，則認(rèn)為工件已經(jīng)被淬透?，F(xiàn)在是22頁\一共有64頁\編輯于星期一淬透性的大小對鋼的熱處理后的力學(xué)性能的影響未淬透淬透HRCHRC現(xiàn)在是23頁\一共有64頁\編輯于星期一2、影響淬透性的因素決定因素:臨界冷卻速度;

取決于材料化學(xué)成分。

C曲線越靠右,淬火臨界冷卻速度越小,鋼的淬透性越好因此使C曲線右移的元素均使淬透性提高;一般而言，碳鋼的淬透性差，合金鋼的淬透性好，且合金元素含量越高，淬透性越好（除Co）現(xiàn)在是24頁\一共有64頁\編輯于星期一注意區(qū)別：鋼的淬透性

——

鋼材本身的固有屬性，與外部因素?zé)o關(guān)工件的淬透深度——

取決于鋼材淬透性,還與冷卻介質(zhì)、工件尺寸等外部因素有關(guān)。同一材料的淬硬層深度與工件的尺寸、冷卻介質(zhì)有關(guān)。工件尺寸小、介質(zhì)冷卻能力強，淬硬層深。淬透性與工件尺寸、冷卻介質(zhì)無關(guān)。它只用于不同材料之間的比較。是在尺寸、冷卻介質(zhì)相同時，用不同材料的淬硬層深度來進(jìn)行比較的?，F(xiàn)在是25頁\一共有64頁\編輯于星期一注意區(qū)別：淬透性和淬硬性淬硬性:

鋼在理想條件下淬火后所能達(dá)到的最高硬度。影響因素:

主要取決于馬氏體的含碳量。馬氏體硬度、韌性與含碳量的關(guān)系C%現(xiàn)在是26頁\一共有64頁\編輯于星期一

淬硬性與淬透性:

（兩個完全不同的概念）淬透性淬硬性鋼種差低碳素結(jié)構(gòu)鋼(20)差高碳素工具鋼(T12A)好低低碳合金結(jié)構(gòu)鋼(20Cr2Ni4A)好高高碳高合金工具鋼(W18Cr4V)現(xiàn)在是27頁\一共有64頁\編輯于星期一單液淬火雙液淬火分級淬火等溫淬火時間溫度MsA1現(xiàn)在是28頁\一共有64頁\編輯于星期一淬火后硬度以磨損為主的工具、量具、模具M(jìn)中含碳量淬硬性合金元素冷卻介質(zhì)工件尺寸淬透層深度規(guī)定條件下，50％馬氏體組織的深度形狀復(fù)雜、尺寸精度高，大截面并要求淬透的零件合金元素淬透性表示方法應(yīng)用范圍影響因素實際條件下，50％馬氏體組織的深度現(xiàn)在是29頁\一共有64頁\編輯于星期一3.淬透性測量方法

(1)斷口法：適用碳素工具鋼。將上述試樣加熱到760、800、840℃等溫度加熱15—20分鐘，淬入10--30℃水中，打斷觀察淬硬層，即淬硬層（馬氏體）和韌軟層（珠光體或貝氏體），對照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)0----5級?，F(xiàn)在是30頁\一共有64頁\編輯于星期一(2)U型曲線法：將一組長度是直徑4—6倍的圓柱形試樣經(jīng)完全奧氏體化后，在一定介質(zhì)中冷卻后，從試樣中部切開，磨平后自表面向心部測量試樣硬度，其硬度分布如右。h----淬硬區(qū)DH

----未淬硬區(qū)淬透性表示：淬硬層深度h，或DH

/D。hhDHD直觀，準(zhǔn)確，但繁瑣用于結(jié)構(gòu)鋼現(xiàn)在是31頁\一共有64頁\編輯于星期一(3)臨界直徑法：D0

：鋼在某種介質(zhì)中能夠完全淬透的最大直徑。

大小取決于成分及淬火條件Di：理想臨界直徑，理想條件試樣能夠淬透的最大直徑。

反映了鋼的固有淬透性

臨界直徑D0

理想臨界直徑DiH值現(xiàn)在是32頁\一共有64頁\編輯于星期一現(xiàn)在是33頁\一共有64頁\編輯于星期一現(xiàn)在是34頁\一共有64頁\編輯于星期一(4)端淬法：此方法是世界上通用方法。

現(xiàn)在是35頁\一共有64頁\編輯于星期一即用表示，4、淬透性的表示方法⑴用淬透性曲線表示J

表示末端淬透性，d——至水冷端距離

HRC——該處硬度值。現(xiàn)在是36頁\一共有64頁\編輯于星期一⑵用臨界淬透直徑表示臨界淬透直徑是指圓形鋼棒在介質(zhì)中冷卻，中心被淬成半馬氏體的最大直徑，用D0表示。D0與介質(zhì)有關(guān)，如45鋼D0水=16mm，D0油=8mm。只有冷卻條件相同時，才能進(jìn)行不同材料淬透性比較，如45鋼D0油=8mm，40CrD0油=20mm。馬氏體馬氏體索氏體現(xiàn)在是37頁\一共有64頁\編輯于星期一現(xiàn)在是38頁\一共有64頁\編輯于星期一5、淬透性的實際意義1、對于截面承載均勻的重要件，要全部淬透。如螺栓、連桿、模具等?！x用高淬透性鋼2、對于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)的零件可不必淬透（淬硬層深度一般為半徑的1/2~1/3），如軸、凸輪?！痛阃感凿摳呔芰慵瑥?fù)雜零件，如復(fù)雜冷沖模?！x用高淬透性鋼。淬硬層深度與工件尺寸有關(guān)，設(shè)計時應(yīng)注意尺寸效應(yīng)。高強螺栓柴油機連桿齒輪現(xiàn)在是39頁\一共有64頁\編輯于星期一鋼號臨界淬透直徑（油）應(yīng)用范圍20CrMnTi半馬氏體，20～30mm汽車、拖拉機的主齒輪、活塞銷等20CrNi3半馬氏體、50～70mm重載荷下工作的齒輪、軸、蝸桿、螺釘?shù)?7CrNi3完全馬氏體、150mm重載荷、沖擊載荷、截面較大的零件等。40CrNiMoA半馬氏體，≥75mm>250mm的汽輪機軸、葉片、傳動件等4Cr13不銹鋼、空淬鋼食品、醫(yī)藥、化工等設(shè)備的配件Cr5Mo1V美國引進(jìn)鋼種，具有良好的空淬性能5CrMnMo我國資助研制的高淬透性鋼現(xiàn)在是40頁\一共有64頁\編輯于星期一淬透性曲線應(yīng)用——求不同直徑棒狀工件截面上的硬度分布例：采用45Mn2制造Φ50mm的軸，試求水淬后其截面上硬度分布曲線?，F(xiàn)在是41頁\一共有64頁\編輯于星期一靜水中淬火靜油中淬火沿末端淬火試樣的長度、圓棒直徑、圓棒內(nèi)不同位置與冷卻速度之間的關(guān)系現(xiàn)在是42頁\一共有64頁\編輯于星期一φ50現(xiàn)在是43頁\一共有64頁\編輯于星期一淬透性曲線應(yīng)用——根據(jù)性能要求選擇材料及工藝?yán)河幸?0號鋼直徑45mm的軸，要求淬火后在距表面3/4R處有80%馬氏體，在1/2R處的硬度不低于HRC40，請問采用淬火介質(zhì)為油還是水？解：①確定40鋼淬火后80%馬氏體組織的硬度（HRC45）；②淬油后硬度

3/4R處：HRC38，

1/2R處：HRC30

不滿足要求；③淬水后硬度

3/4R處：HRC46，

1/2R處：HRC42

滿足要求；采用水淬現(xiàn)在是44頁\一共有64頁\編輯于星期一現(xiàn)在是45頁\一共有64頁\編輯于星期一現(xiàn)在是46頁\一共有64頁\編輯于星期一現(xiàn)在是47頁\一共有64頁\編輯于星期一四、淬火缺陷

1.淬火內(nèi)應(yīng)力

淬火內(nèi)應(yīng)力是造成工件變形和開裂根本原因。淬火內(nèi)應(yīng)力超過材料屈服強度----引起工件變形；淬火內(nèi)應(yīng)力超過材料斷裂強度----引起工件斷裂。淬火內(nèi)應(yīng)力分：熱應(yīng)力（溫度應(yīng)力）組織應(yīng)力（相變應(yīng)力）現(xiàn)在是48頁\一共有64頁\編輯于星期一

（1）熱應(yīng)力：由于工件心部和表面冷卻速度不一致，其冷卻收縮不同而造成的內(nèi)應(yīng)力。熱應(yīng)力產(chǎn)生過程：冷卻初期，表面冷速快，表面收縮，產(chǎn)生拉應(yīng)力；心部冷速慢，不收縮，產(chǎn)生壓應(yīng)力；冷卻后期，表面冷速慢，表面不收縮，產(chǎn)生壓應(yīng)力；心部冷速快，收縮，產(chǎn)生拉應(yīng)力；

最終的淬火熱應(yīng)力：表面壓應(yīng)力、心部拉應(yīng)力?，F(xiàn)在是49頁\一共有64頁\編輯于星期一現(xiàn)在是50頁\一共有64頁\編輯于星期一（2）組織應(yīng)力：由于工件表層和心部發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的不同時性而造成的內(nèi)應(yīng)力。組織應(yīng)力產(chǎn)生過程：冷卻初期，表面發(fā)生馬氏體相變，表面體積膨脹，產(chǎn)生壓應(yīng)力；心部冷速慢牽制表面膨脹，產(chǎn)生拉應(yīng)力；冷卻后期，心部發(fā)生馬氏體相變，表面體積膨脹，產(chǎn)生壓應(yīng)力；表面牽制心部膨脹，產(chǎn)生拉應(yīng)力；

最終的淬火組織應(yīng)力：表面拉應(yīng)力、心部壓應(yīng)力。

發(fā)生相變前主要內(nèi)應(yīng)力為熱應(yīng)力；發(fā)生相變后主要內(nèi)應(yīng)力為組織應(yīng)力，熱應(yīng)力為輔。但由于組織應(yīng)力發(fā)生在塑性較低的低溫階段，因此是使零件開裂的主要原因?，F(xiàn)在是51頁\一共有64頁\編輯于星期一2.淬火變形幾何形狀變化＋體積變化熱應(yīng)力使工件沿著最大尺寸方向收縮沿著最小尺寸方向脹大。組織應(yīng)力使工件沿著最大尺寸方向伸長沿著最小尺寸方向收縮。四、淬火缺陷變圓變尖現(xiàn)在是52頁\一共有64頁\編輯于星期一現(xiàn)在是53頁\一共有64頁\編輯于星期一淬火變形影響因素：淬透性：好，組織應(yīng)力作用大；差，熱應(yīng)力作用大奧氏體化學(xué)成分，

C%低，熱應(yīng)力作用大；C%高，組織應(yīng)力作用大。淬火加熱T高、內(nèi)應(yīng)力大、變形大；淬火冷速快、內(nèi)應(yīng)力大、變形大；工件形狀不對稱，厚薄不均勻，變形大。淬火變形的預(yù)防----制定合理的淬火工藝淬火變形的糾正----矯直四、淬火缺陷現(xiàn)在是54頁\一共有64頁\編輯于星期一3.淬火裂紋重要性：淬火變形可以校正，淬火開裂則無法挽回，因此我們要研究淬火開裂原因，進(jìn)行預(yù)防。淬火裂紋產(chǎn)生原因：淬火內(nèi)應(yīng)力超過材料斷裂強度材料內(nèi)部缺陷+一定的淬火應(yīng)力淬火裂紋分類：縱向裂紋橫向裂紋網(wǎng)狀裂紋剝離裂紋顯微裂紋四、淬火缺陷現(xiàn)在是55頁\一共有64頁\編輯于星期一現(xiàn)在是56頁\一共有64頁\編輯于星期一減少淬火變形和防止淬火開裂的措施1）正確選材如選擇淬透性好的材料2）合理設(shè)計工件形狀如避免截面形狀懸殊的零件3）合理消除材料缺陷如淬火前鍛造和預(yù)備熱處理4）合理制定熱處理工藝如加熱溫度、冷卻速度、回火、操作方法等現(xiàn)在是57頁\一共有64頁\編輯于星期一45鋼汽車撥叉，熱處理工藝為正火＋淬火＋中溫回火，實際生產(chǎn)中廢品率達(dá)到40％以上，主要是淬火裂紋。工作條件：沖擊＋磨損技術(shù)要求：45～50HRC

均勻回火屈氏體現(xiàn)在是58頁\一共有64頁\編輯于星期一零件宏觀結(jié)構(gòu)裂紋形態(tài)斷口分析：裂紋弧形，沿軸向分布擴展，由工件表面裂向心部，裂紋兩側(cè)耦合，是典型淬火裂紋?，F(xiàn)在是59頁\一共有64頁\編輯于星期一低倍下觀察裂紋走向裂紋局部形態(tài)組織為混合馬氏體，組