材料的強(qiáng)化原理

關(guān)于材料的強(qiáng)化原理2023/7/21第1頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-2鋼的熱處理——固態(tài)下，通過加熱、保溫、冷卻、改變組織得到所需性能的工藝方法。特點：在固態(tài)下，只改變工件的組織，不改變形狀和尺寸目的：改善材料的使用、工藝性能基本過程：加熱→保溫→冷卻分類：1

普通熱處理

退火、正火淬火、回火2

表面熱處理

表面淬火化學(xué)熱處理第2頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-3加熱和冷卻時的相變點Ac1A1Ar1Ac3A3Ar3AccmAcmArcmSPGQEFF+PPP+Fe3CⅡ

AF+AA+Fe3CⅡ

℃

C%第3頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-4鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變加熱工序的目的：得到奧氏體奧氏體形成過程：形核在F/Fe3C相界面上形核晶核長大

F→

A晶格重構(gòu)

Fe3C

溶解，C→

A中擴(kuò)散3殘余Fe3C溶解第4頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-5Ac1~AccmAccm以上Ac3以上影響奧氏體晶粒大小的因素奧氏體均勻化對亞共析鋼：P+F對過共析鋼：P+Fe3CⅡAc1~Ac3A+FAA+Fe3CⅡA保溫工序的目的：得到成分均勻的奧氏體，消除內(nèi)應(yīng)力，促進(jìn)擴(kuò)散影響奧氏體晶粒大小的因素：加熱溫度↑，保溫時間↑→A晶粒長大快加熱速度↑→A晶粒細(xì)含碳量↑→A晶粒細(xì)原始組織細(xì)→A晶粒細(xì)第5頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-6鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變A1℃

t等溫冷卻連續(xù)冷卻過冷奧氏體：在A1以下，未發(fā)生轉(zhuǎn)變的不穩(wěn)定奧氏體。按等溫冷卻方式測定，得到過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線：C曲線（TTT曲線）按連續(xù)冷卻方式測定，得到過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線：CCT曲線℃

tA1CCTC曲線Ms第6頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-7共析鋼C曲線分析孕育期——表示過冷A的穩(wěn)定程度四個區(qū)域：奧氏體穩(wěn)定區(qū)過冷奧氏體區(qū)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)轉(zhuǎn)變區(qū)C曲線形狀三種轉(zhuǎn)變類型高溫轉(zhuǎn)變區(qū)：P型轉(zhuǎn)變中溫轉(zhuǎn)變區(qū)：B型轉(zhuǎn)變低溫轉(zhuǎn)變區(qū)：M型轉(zhuǎn)變第7頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-8珠光體轉(zhuǎn)變1珠光體組成：F和Fe3C的機(jī)械混合物2形成特點：

在固態(tài)下形核、長大是擴(kuò)散型相變3形態(tài)：

片狀

A1~650℃：珠光體P

650~600℃：索氏體S

（細(xì)P）600~550℃：托氏體T

（極細(xì)P又稱屈氏體）

球狀

——Fe3C呈球狀第8頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-9珠光體性能珠光體片越細(xì)→

HB↑，σb↑

C%相同時，球狀P比片狀P

→HB↓，σb↓，δ↑第9頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-10貝氏體轉(zhuǎn)變1貝氏體組成：過飽和F和碳化物的機(jī)械混合物2形成特點：

在固態(tài)下形核、長大是半擴(kuò)散型相變3轉(zhuǎn)變溫度與形態(tài)：

550~350℃：上貝氏體B上

350℃~Ms：下貝氏體B下4性能：轉(zhuǎn)變℃↓→F片細(xì)，過飽和度↑

Fe3C細(xì)小，彌散度↑→HB↑，σb↑耐磨性↑，塑、韌性好B下的強(qiáng)韌性好B上無用第10頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-11馬氏體轉(zhuǎn)變1馬氏體組成：碳在α-Fe中的過飽和固溶體形成特點：

在固態(tài)下形核、長大是無擴(kuò)散型相變變溫形成，高速長大轉(zhuǎn)變不完全

（在含碳>0.5%的鋼中總有殘余A）3形態(tài)：

板條M——低碳M（位錯M）（<0.2%C)片狀M——高碳M（孿晶M）(>1.0%C)0.2~1.0%C之間的鋼得到混合M第11頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-12馬氏體性能1高硬度C%↑→HB↑，馬氏體的硬度主要取決于馬氏體的含碳量即母相奧氏體的含碳量2塑韌性低碳M塑韌性好高碳M塑韌性差

因此，低碳M強(qiáng)韌性好

高碳M必須回火3比容大→（高碳）M易變形、開裂第12頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-13影響C曲線的因素（即：影響奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的因素，影響過冷奧氏體穩(wěn)定性的因素）1含碳量↑→對亞共析鋼→

C曲線右移過共析鋼→

C曲線左移℃

tA1Cr,Mo,W,VCr,Mo,W,VCo先析出相2合金元素（溶入A后）3加熱條件加熱溫度↑，加熱時間↑→

→C曲線右移第13頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-14鋼的退火典型零件的制造過程：鑄/鍛→預(yù)備熱處理→粗加工→最終熱處理→精加工預(yù)備熱處理目的：消除前道工序的缺陷為后續(xù)工序作組織準(zhǔn)備最終熱處理目的：滿足使用性能要求退火：加熱、保溫、慢冷得到P類組織退火的目的：軟化、穩(wěn)定化、細(xì)化、均勻化第14頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-15完全退火和等溫退火——加熱到Ac3+30~50℃，保溫后爐冷指加熱到完全奧氏體化目的：細(xì)化，軟化適用于：亞共析鋼的鑄、鍛件，熱軋型材，焊接件組織：F+P——加熱到Ac3（Ac1）+20~50℃，保溫后在Ar1以下等溫后空冷目的：細(xì)化，軟化、省時適用于：中、高合金鋼組織：F+P或Fe3C+Pt℃

過共析鋼亞共析鋼完全退火等溫退火第15頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-16球化退火和擴(kuò)散退火——加熱到Ac1+20~40℃，保溫后爐冷目的：得到球狀Fe3C，軟化適用于：共析鋼，過共析鋼組織：球狀P——加熱到Ac3+150~300℃，長時間保溫后慢冷目的：均勻成分適用于：鑄鋼件組織：晶粒粗大思考：過共析鋼怎樣退火？能用于亞共析鋼嗎？擴(kuò)散退火后應(yīng)完全退火或正火細(xì)化擴(kuò)散退火均勻化退火球化退火第16頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-17去應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火——加熱到Ac1-100~200℃，保溫后爐冷目的：去內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織適用于：冷加工件，熱加工件組織：不變——加熱到t再+150~250℃，保溫后空冷目的：降低硬度，提高塑性適用于：冷變形工件組織：等軸晶粒再結(jié)晶溫度：T再=T熔×0.4（絕對溫度）低溫退火低溫退火再結(jié)晶退火去應(yīng)力退火第17頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-18正火——加熱到Ac3(Accm)+30~50℃，保溫后空冷目的：細(xì)化晶粒，改善性能組織：S適用于：低碳鋼→改善切削加工性過共析鋼→消除網(wǎng)狀Fe3CⅡ要求不高的結(jié)構(gòu)件→↑機(jī)械性能正火第18頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-19正火與退火比較1硬度和強(qiáng)度：隨C%↑→

正火與退火的差別越大中、高碳鋼正火后硬度偏高，不利于切削加工2退火強(qiáng)調(diào)軟化，正火強(qiáng)調(diào)高效率第19頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-20鋼的淬火目的：得到馬氏體組織，

（貝氏體）提高硬度和耐磨性——加熱、保溫、快冷，提高硬度和耐磨性第20頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-21淬火冷卻條件理想冷卻速度：慢—快—慢冷卻介質(zhì)：純水，鹽水，油，堿水，鹽浴，堿浴淬火方法：單液淬火，雙液淬火，分級淬火，等溫淬火局部淬火，預(yù)冷淬火，冷處理第21頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-22冷處理和局部淬火分級淬火：在Ms附近稍保溫，使內(nèi)外均溫，最后得M等溫淬火：在Ms上等溫，最后得到B下等溫淬火的內(nèi)應(yīng)力最小，工件不易變形開裂，

→適合形狀復(fù)雜零件冷處理

——淬火后繼續(xù)在0℃以下冷卻，使殘A→M

目的：穩(wěn)定組織，↑HRC

用于：量具（模具）局部淬火：局部加熱淬火整體加熱，局部冷卻第22頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-23鋼的淬透性淬透性——鋼淬火時獲得M的能力淬硬層深度：表面到半M組織的距離淬硬層深：→淬透性淬硬層淺：→淬透性用規(guī)定條件下淬硬層深度表示淬透性的大小怎樣表示淬透性大??？↑↓第23頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-24淬硬性與淬透性淬硬性

——鋼淬火時的硬化能力怎樣表示淬硬性大??？用正常淬火條件下能達(dá)到的最高硬度表示概念區(qū)別：淬透性是鋼本身的固有屬性

2實際淬硬層深度與工件形狀、大小、冷卻介質(zhì)、淬透性有關(guān)3淬硬性主要取決于M的含碳量第24頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-25鋼的回火回火——淬火后在A1以下加熱、保溫、冷卻目的：消除內(nèi)應(yīng)力，降低脆性穩(wěn)定組織和尺寸獲得所需性能回火時的組織變化：M分解過飽和α相C析出F塊狀Fε碳化物細(xì)Fe3C粒狀Fe3C回火M回火T回火S第25頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-26回火時的性能變化隨回火溫度↑

→σb↓，σS↓，HRC↓，δ↑，αK↑，σe↗↘

高碳回火M：σb↑

，HRC↑，δ↓，αK

↓低碳回火M：強(qiáng)韌性好有時第26頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-27回火種類低溫回火（150~250℃）組織：回火M——極細(xì)ε碳化物+過飽和α相目的：↓內(nèi)應(yīng)力，↓脆性，保持高硬度和耐磨性適用：工具，量具，軸承——高碳鋼滲碳件，表面淬火件HRC58~62

2中溫回火（350~500℃）組織：回火T——針狀F+極細(xì)Fe3C目的：獲得高σs，σe

HRC35~45適用：彈簧，扳手，模具——中高碳鋼

第27頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-28高溫回火和調(diào)質(zhì)3高溫回火（500~650℃）組織：回火S——塊狀F+粒狀Fe3C目的：獲得良好的綜合機(jī)械性能

HRC25~35適用：軸，齒輪，螺栓等重要結(jié)構(gòu)件——中碳鋼淬火+高溫回火=調(diào)質(zhì)第28頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-29回火硬度與回火溫度回火硬度主要取決于回火溫度和回火時間第29頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-30第一類回火脆性：250~400℃

每種鋼都有，難以避免——回火溫度禁區(qū)回火脆性韌性隨回火溫度升高而升高？300600℃

αk

回火脆性：在某溫度區(qū)間回火時，

αk顯著降低第二類回火脆性：500~600℃

①含Cr、Mn、Ni的鋼明顯②可以消除：

鋼中加Mo、W

回火后快冷第30頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-31化學(xué)熱處理表面淬火鋼的表面熱處理對軸、齒輪、凸輪的機(jī)械性能要求表面：硬，耐磨，耐疲勞M心部：塑，韌，耐沖擊F，P解決思路：選材低淬透性材料工藝只改變表層組織同時改變表層組織、成分表面熱處理第31頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-32感應(yīng)加熱表面淬火交流電頻率↑集膚效應(yīng)明顯加熱層薄淬硬層薄交流電頻率↑↑渦流全部集中在最表層第32頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2023/7/2工程材料與材料成型基礎(chǔ)13-33感應(yīng)加熱淬火的特點分類：高頻（200~300KHz），超音頻（20~40KHz）中頻（2.5~8KHz），工頻（50Hz）特點：

①加熱速度快，時間短表