钢的热处理《工程材料》机械专业课件.ppt

第五章 钢的热处理,改善钢的性能，主要有两条途径：一是合金化，这是下几章研究的内容；二是热处理，这是本章要研究的内容。,第5章 钢的热处理,热处理(heat treatment)：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变整体或表面组织，从而获得所需材料性能的工艺过程。,为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度时间坐标绘出热处理工艺曲线。,5.1 概述什么是热处理？,在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-90%。,热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。,模具、滚动轴承100%需经过热处理。总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。,5.1 概述热处理的重要性,热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。,铸造,轧制,适用于固态下发生组织转变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理来强化。,5.1 概述热处理的特点及适用范围,热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律；热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数。,5.1 概述热处理的分类,根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：,普通热处理,表面热处理,热处理,退火正火淬火回火,表面淬火感应加热、火焰加热等,化学热处理渗碳、渗氮、碳氮共渗等,5.1 概述热处理的分类,预备热处理为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作准备的热处理。最终热处理赋予工件所要求的使用性能的热处理。,5.1 概述预备热处理与最终热处理,钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示；冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。,铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示；实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象。,5.1 概述临界温度与实际转变温度,加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。,钢坯加热,5.2 钢的加热转变,第一步奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核；第二步奥氏体晶核长大： 晶核通过碳原子的扩散向 和Fe3C方向长大；第三步剩余Fe3C溶解：铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失；残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失；第四步奥氏体均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。,奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现以共析钢为例说明：,5.2 钢的加热转变(1)奥氏体形成过程,亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析或二次Fe3C的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上。,5.2 钢的加热转变(1)奥氏体形成过程,珠光体向奥氏体转变完成时，奥氏体的晶粒很细小，称此为起始晶粒度；随着加热温度升高和保温时间延长，会出现晶粒长大现象，在给定温度下的奥氏体晶粒度称为实际晶粒度；,把钢加热到93010保温8h，冷却后测得的晶粒度定为本质晶粒度；有些钢其奥氏体晶粒随温度的升高迅速长大，这种钢称为本质粗晶粒钢；有些钢其奥氏体晶粒长大倾向较小，只有加热到较高温度(930-950以上)时，才显著长大本质细晶粒钢。,5.2 钢的加热转变,(2)奥氏体晶粒大小及其影响因素,奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响：,奥氏体晶粒均匀细小，热处理后钢的力学性能提高；粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。,5.2 钢的加热转变,(2)奥氏体晶粒大小及其影响因素,5.3 钢的冷却转变,稳定的奥氏体区,过冷奥氏体区,A向产物转变开始线,A向产物转变终止线,A +产 物 区,产物区,A1550高温转变区；P转变区。,550230中温转变区；贝氏体(B)转变区。,23050低温转变区；马氏体(M)转变区。,Ms,Mf,共析钢C曲线,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,过冷奥氏体在A1到 550间将转变为珠光体类型组织；铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物；转变温度越低，层间距越小；根据片层厚薄不同,又细分为珠光体(P)、索氏体(S)和屈氏体(T)。,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,珠光体转变,形成温度为A1650，片层较厚，500倍光镜下可辨；用符号P表示。,光镜下形貌,电镜下形貌,三维珠光体如同放在水中的包心菜,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,珠光体转变珠光体,形成温度为650600,片层较薄，8001000倍光镜下可辨；,电镜形貌,光镜形貌,用符号S 表示。,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,珠光体转变索氏体,形成温度为600550，片层极薄，电镜下可辨；用符号T表示。,电镜形貌,光镜形貌,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,珠光体转变屈氏体（托氏体）,珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。,片间距越小，钢的强度、硬度越高，塑性和韧性略有改善。,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,珠光体转变,扩散型的形核、长大过程，通过碳、铁原子的扩散和晶体结构的重构来实现；渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,珠光体转变,转变过程：,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,珠光体转变,转变过程：,贝氏体转变也是形核和长大的过程；贝氏体转变属半扩散型转变，即只有碳原子扩散而铁原子不扩散；根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下)。,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,贝氏体转变,上贝氏体转变过程,当转变温度较高（550350) 时，条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长；随铁素体条伸长和变宽，其碳原子向条间奥氏体富集；最后在铁素体条间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成B上。,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,贝氏体转变上贝氏体,B上在光镜下呈羽毛状；在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,贝氏体转变上贝氏体,下贝氏体转变,当转变温度较低（350230) 时，铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状；由于碳原子扩散能力低，其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,贝氏体转变下贝氏体,光镜下,电镜下,在光镜下，B下呈针状；在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内。,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,贝氏体转变下贝氏体,上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值；下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,贝氏体的机械性能,强化钢的重要途径之一；非扩散型转变。,马氏体组织,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,马氏体转变,当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织；碳在-Fe中的过饱和固溶体；马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中；铁原子微调整，使原来奥氏体的面心立方晶格改组成体心立方晶格。,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,马氏体转变马氏体的形成,板条状、针状；形态取决于奥氏体的含碳量：,1.0%时，针状马氏体。,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,马氏体转变马氏体的形态,板条马氏体：,立体形态为细长的扁棒状；在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织；每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列，一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束。,光镜下,电镜下,在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错，=1012/cm2，又称位错马氏体。,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,马氏体转变马氏体的形态,在光镜下，针状、竹叶状、凸透镜状；在电镜下，亚结构主要是孪晶；高碳针状马氏体又称孪晶马氏体。,电镜下,光镜下,针状马氏体：,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,马氏体转变马氏体的形态,马氏体的硬度主要取决于其含碳量；含碳量增加，其硬度增加；当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓；合金元素对马氏体硬度的影响不大。,高硬度！,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,马氏体转变马氏体的性能,主要原因是过饱和碳引起的晶格畸变，即固溶强化；转变过程中的大量晶体缺陷和引起的组织细化；过饱和的碳以弥散碳化物的形式析出。,塑韧性比较：高针状马氏体的塑性和韧性均很差；低碳板条马氏体的塑性和韧性好。,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,马氏体转变马氏体的性能,a.非扩散型铁和碳原子都不扩散，转变形成碳在铁中的过饱和固溶体；因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,马氏体转变马氏体转变的特点,b.共格切变性由于无扩散，晶格转变是以切变机制进行的；使切变部分的形状和体积发生变化，引起相邻奥氏体随之变形；在预先抛光的表面上产生浮凸现象。,马氏体转变切变示意图,马氏体转变产生的表面浮凸,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,马氏体转变马氏体转变的特点,c.降温形成,马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用Ms表示；马氏体转变终了温度称下马氏体点，用Mf表示；只要温度达到Ms以下即发生马氏体转变；在Ms以下，随温度下降,转变量增加，冷却中断,转变停止。,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,马氏体转变马氏体转变的特点,d.形成速度极快马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的马氏体产生裂纹。,e.转变不彻底即使冷却到Mf点，也不可能获得100%的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称残余奥氏体，用A或表示。,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,马氏体转变马氏体转变的特点,材料大师徐祖耀,1921年出生于浙江宁波；上海交通大学教授，1995年当选为中国科学院院士，2000年获何梁何利奖；材料相变，率先在我国开展纳米材料相变的研究；,我国研究开发形状记忆材料的先驱者，材料热力学研究和教材建设的倡导人和执行者；金属学原理培育了建国后第一代材料工作者；马氏体相变与马氏体、材料热力学、材料科学导论和相变原理等著作培养了我国几代材料科学家。,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变产物的组织和特性,马氏体转变,a.含碳量,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,影响过冷奥氏体等温转变的因素,共析钢中奥氏体最稳定，C曲线最靠右边，亚共析钢和过共析钢的C曲线相对共析钢C曲线全部左移。,a.含碳量,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,影响过冷奥氏体等温转变的因素,除钴以外，所有合金元素使C曲线右移；非碳化物形成元素：硅、镍、铜，右移，不改变形状；强碳化物形成元素：铬、钼、钨、钒、钛，右移，改变形状。,b.合金元素,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,影响过冷奥氏体等温转变的因素,加热温度越高，保温时间越长，使C曲线右移。,推杆式电阻炉,c.加热温度和时间,5.3 钢的冷却转变(1)过冷奥氏体的等温转变,影响过冷奥氏体等温转变的因素,CCT曲线-continuous-cooling-transformation,Pf,Ps,A+P,K,Ms,Mf,K,5.3 钢的冷却转变(2)过冷奥氏体的连续冷却转变,机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）预备热处理机加工最终热处理。,退火与正火主要用于预备热处理，只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理。,5.4 钢的退火与正火,改善钢的铸造、锻造、焊接后粗大而不均匀的组织，从而改善机械性能；降低硬度，提高塑性，从而改善切削加工和冷加工等的工艺性；改善组织，消除成分不均匀性，消除内应力，为零件的后续热处理作准备；,将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度保温，然后缓慢冷却 (炉冷)，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。,真空退火炉,5.4 钢的退火与正火(1)退火,退火工艺：退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火。,完全退火将工件加热到Ac3+3050保温后缓冷的退火工艺，主要用于亚共析钢。,5.4 钢的退火与正火(1)退火,等温退火亚共析钢加热到Ac3+3050，共析、过共析钢加热到Ac1+3050，保温后快冷到Ar1以下某一温度并等温保持，待相变完成后出炉空冷；等温退火可缩短工件在炉内停留时间，一般作为冷变形加工中间工序。,高速钢等温退火与普通退火的比较,退火工艺：,5.4 钢的退火与正火(1)退火,球化退火球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺，使片状渗碳体球化，以降低硬度，改善切削性能。,将工件加热到Ac1+2030，较长时间保温后随炉冷却。主要用于共析、过共析钢。,退火工艺：,5.4 钢的退火与正火(1)退火,球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织，称球状珠光体，用P球表示。,球状珠光体,对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先进行正火，以消除网状。,球化退火,退火工艺：,5.4 钢的退火与正火(1)退火,完全退火：得到接近平衡状态的组织，降低硬度，改善切削加工性能，消除内应力；等温退火：与完全退火相比，转变较易控制，缩短退火时间；球化退火：淬火前的预备热处理，使片状渗碳体球化，降低硬度，改善切削性能；扩散退火：减少成分偏析和组织的不均匀性；去应力退火：消除内应力。,退火工艺：,5.4 钢的退火与正火(1)退火,正火是将亚共析钢加热到Ac3+3050，共析钢加热到Ac1+3050，过共析钢加热到Accm+3050，保温适当时间后，在空气中冷却，得到珠光体类组织(一般为索氏体)的热处理工艺。,正火温度,与完全退火相比：正火冷却速度快，得到的组织较细；能获得更高的强度和硬度；生产周期较短，成本较低。,5.4 钢的退火与正火(2)正火,正火的目的：作为最终热处理，提高钢的强度、硬度和韧性，对于普通结构钢零件，机械性能要求不高时，可以正火作为最终热处理；,作为预先热处理，对过共析钢可减少二次渗碳体量，并使其不形成连续网状，为球化退火作组织准备；改善切削加工性能，正火可提高低碳钢、低碳合金钢退火后的硬度，以便于切削。,5.4 钢的退火与正火(2)正火,淬火是将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺。,真空淬火炉,淬火是应用最广的热处理工艺之一。淬火目的是为获得马氏体组织，提高钢的性能。,5.5 钢的淬火与回火,(1)淬火工艺,淬火加热温度和加热时间,对于合金钢，淬火加热温度比碳钢高，使合金元素在奥氏体中充分溶解和均匀化，以获得较好的淬火效果；淬火加热时间包括升温时间和保温时间两个阶段。,亚共析碳钢：Ac3以上3050；共析和过共析碳钢：Ac1以上3050。亚共析钢淬火加热温度在Ac1以下时，淬火组织中会保留自由铁素体，使钢的硬度降低；,5.5 钢的淬火与回火(1)淬火工艺,理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在Ms附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小内应力的目的。但目前还没有找到理想的淬火介质。,常用淬火介质是水、油和无机盐水溶液等。,淬火介质,5.5 钢的淬火与回火(1)淬火工艺,水：缺点650550冷却能力不强，300 200冷却能力又很大，主要用于形状简单，截面较大的碳钢零件；矿物油：优点300200冷却能力低，有利于减少工件的变形，缺点是在650550范围冷却能力低，不利于钢的淬硬，一般用作合金钢的淬火介质。盐浴：冷却能力介于水和油之间，用于形状复杂、尺寸较小、变形要求严格的工具等。,淬火介质,5.5 钢的淬火与回火(1)淬火工艺,采用不同的淬火方法可弥补介质的不足。单介质淬火：加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法；操作简单，易实现自动化，用于简单形状零件。,淬火方法,5.5 钢的淬火与回火(1)淬火工艺,双介质淬火:工件先在一种冷却能力强的介质中冷却，躲过鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。如水淬油冷，油淬空冷；优点是冷却理想，缺点是不易掌握。用于形状复杂的碳钢件及大型合金钢件。,淬火方法,5.5 钢的淬火与回火(1)淬火工艺,分级淬火:在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后再取出空冷；可减少内应力，用于小尺寸零件，刀具淬火。,盐浴炉,淬火方法,5.5 钢的淬火与回火(1)淬火工艺,等温淬火:将工件在稍高于Ms的盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法；经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，淬火应力小；适用于形状复杂及要求较高的小型件。,淬火方法,5.5 钢的淬火与回火(1)淬火工艺,淬火缺陷及其预防措施,5.5 钢的淬火与回火(1)淬火工艺,氧化和脱碳：,在空气炉中加热时可用保护涂料将零件加以保护；零件在熔融的盐浴中加热时，氧化和脱碳程度有明显减轻；要求更高时可用保护气氛炉或真空炉来加热零件。,淬火后硬度不足或出现软点：,亚共析钢加热温度低或保温时间不充分，淬火组织中残留有铁素体；加热时钢件表面发生氧化、脱碳，淬火后局部生成非马氏体组织；淬火时冷速不足或冷却不均匀，未全部得到马氏体组织；淬火介质不清洁，工件表面不干净，影响了工件的冷却速度，致使未能完全淬硬。,淬火缺陷及其预防措施,5.5 钢的淬火与回火(1)淬火工艺,淬火应力引起变形和开裂：,正确选材和合理设计。对于形状复杂、截面变化大的零件，应选用淬透性好的钢种，以便采用油冷淬火。在零件结构设计中，必须考虑热处理的要求，如尽量减少不对称性，避免尖角等。淬火前进行退火或正火，以细化晶粒并使组织均匀化，减少淬火产生的内应力。淬火加热时严格控制加热温度防止过热使奥氏体晶粒粗化，同时也可减少淬火时的热应力。采用适当的冷却方法，如采用双介质淬火、分级淬火或等温淬火等。淬火时尽可能使零件冷却均匀。厚薄不均的零件，应先将厚的部分淬人介质中。薄件、细长件和复杂件，可采用夹具或专用淬火压床进行冷却。淬火后及时回火，以消除应力，提高工件的韧性。,网带式淬火炉,淬透性是钢的主要热处理性能。是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。,5.5 钢的淬火与回火(2)钢的淬透性,淬透性的概念,淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。,淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区(50%M + 50%P)的深度。,5.5 钢的淬火与回火(2)钢的淬透性,同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质有关。工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。,淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。它只用于不同材料之间的比较，是通过尺寸、冷却介质相同时的淬硬层深度来确定的。,淬透性与淬硬层深度的关系,5.5 钢的淬火与回火(2)钢的淬透性,钢的淬透性取决于临界冷却速度Vk， Vk越小，淬透性越高。Vk取决于C曲线的位置，C 曲线越靠右，Vk越小。,因而凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素。即除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高；奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性提高。,影响淬透性的因素,5.5 钢的淬火与回火(2)钢的淬透性,淬透性的测定常用末端淬火法,淬透性的测定及其表示方法,5.5 钢的淬火与回火(2)钢的淬透性,示，J表示末端淬透性，d表示距水冷端的距离，HRC为该处的硬度。,用淬透性曲线表示,即用 表,淬透性的测定及其表示方法,5.5 钢的淬火与回火(2)钢的淬透性,临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被淬成半马氏体的最大直径，用D0表示。D0与介质有关，如45钢D0水=16mm，D0油=8mm。只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比较，如45钢D0油=8mm，40Cr D0油=20mm。,用临界淬透直径表示,淬透性的测定及其表示方法,5.5 钢的淬火与回火(2)钢的淬透性,利用淬透性曲线及圆棒冷速与端淬距离的关系曲线可以预测零件淬火后的硬度分布。下图为预测50mm直径40MnB钢轴淬火后断面的硬度分布。,淬透性的应用,5.5 钢的淬火与回火(2)钢的淬透性,利用淬透性曲线进行选材。如要求厚60mm汽车转向节淬火后表面硬度超过HRC50，1/4半径处为HRC45。可按下图箭头所示程序进行选材分析。,淬透性的应用,5.5 钢的淬火与回火(2)钢的淬透性,利用淬透性可控制淬硬层深度对于截面承载均匀的重要件,要全部淬透。如螺栓、连杆、模具等。对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透(淬硬层深度一般为半径的1/21/3)，如轴类、齿轮等。淬硬层深度与工件尺寸有关，设计时应注意尺寸效应。,淬透性的应用,5.5 钢的淬火与回火(2)钢的淬透性,不同冷却条件下的转变产物：,P,S,T+M+A,B下,M+A,M+A,P,5.5 钢的淬火与回火,减少或消除淬火内应力, 防止变形或开裂；获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性；稳定尺寸。淬火M和A都是非平衡组织，有自发向平衡组织转变的倾向。回火可使M与A转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。对于某些高淬透性的钢，空冷即可淬火，如采用回火软化既能降低硬度，又能缩短软化周期。,回火是钢件淬火后，为了获得所要求的组织和性能并消除内应力，将其加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。,5.5 钢的淬火与回火(3)钢的回火,目的：,未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置使用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行回火。,螺杆表面的淬火裂纹,5.5 钢的淬火与回火(3)钢的回火,5.5 钢的淬火与回火(3)钢的回火,钢回火时的组织转变,马氏体分解100200，碳以碳化物(FexC)的形式析出，过饱和度降低，碳化物以极细小的片状分布在基体上，M回表示；残余奥氏体的转变200300，由于马氏体的分解，正方度下降，残余奥氏体分解为碳化物和过饱和，其组织同样是M回；碳化物转变为Fe3C250400，亚稳定的碳化物溶人相中，同时从相中析出渗碳体，到350左右，马氏体中的碳含量降到铁素体的平衡成分，内应力大量消除，回火马氏体转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布细粒状渗碳体的组织，T回。渗碳体的聚集长大及相再结晶在400以上，渗碳体通过聚集长大形成较大颗粒的渗碳体，在450以上，铁素体开始发生再结晶，由针片状转变为多边形，这种由颗粒状渗碳体与多边形铁素体组成的组织，S回。,5.5 钢的淬火与回火(3)钢的回火,钢回火时的性能变化,硬度变化在200以下回火时，硬度变化不大；200300回火后，由于马氏体分解造成的硬度降低已由残余奥氏体转变为下贝氏体带来的硬度升高所补偿，所以硬度的降低不大。对于高碳钢，因为淬火后残余奥氏体量较多，回火后有时还可使硬度略有提高。回火温度继续升高，钢的硬度很快下降。,强度与塑性的变化强度随回火温度升高而降低，塑性随回火温度升高而升高，但超过650时反而降低。这是由于回火温度增高，马氏体中的碳不断析出，位错密度下降，内应力减小以及粒状渗碳体粗化等原因。,低温回火150250 回火马氏体 保持钢淬火后的高硬度和高耐磨性的同时，降低了内应力，提高了工件韧性；主要用于高碳钢、合金工具钢制造的刀具、量具和模具，轴承零件，高强度钢制造的结构件，以及渗碳和表面淬火的零件；中温回火350500 回火托氏体 具有高的弹性极限和屈服强度，并具有一定的韧性，硬度一般为HRC3545；各类弹簧以及其他结构钢制造的有相应硬度要求的工装夹具等；高温回火500650 回火索氏体 强度、塑性和韧性都比较好；通常把“淬火+高温回火”称为调质处理，连杆、轴、齿轮等，精密工件量具、模具等的预先热处理。,5.5 钢的淬火与回火(3)钢的回火,回火的分类和应用,淬火钢的韧性并不总是随温度升高而提高。在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降的现象，称回火脆性。,5.5 钢的淬火与回火(3)钢的回火,回火脆性,第一类回火脆性又称不可逆回火脆性。是指淬火钢在250 350回火时出现的脆性。,这种回火脆性是不可逆的，只要在此温度范围内回火就会出现脆性，目前尚无有效消除办法。回火时应避开这一温度范围。,5.5 钢的淬火与回火(3)钢的回火,回火脆性,又称可逆回火脆性。是指淬火钢在500650范围内回火后缓冷时出现的脆性；回火后快冷不出现。防止办法：a、回火后快冷。b、加入合金元素W(约1%)、 Mo(约0.5%)。该法更适用于大截面的零部件。,第二类回火脆性,5.5 钢的淬火与回火(3)钢的回火,回火脆性,工艺的核心：使零件具有“表硬里韧”的力学性能。,表面淬火化学热处理,5.6 钢的表面热处理,定义：case hardening 将工件表层规定深度快速加热到淬火温度，迅速冷却，得到规定淬硬层的淬火工艺。工艺特征：通过快速加热使钢的表层奥氏体化,然后急冷，使表层形成马氏体组织，而心部仍保持不变。,5.6 钢的表面热处理(1)钢的表面淬火,表面淬火目的： 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限； 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。, 0.40.5%C的中碳钢 含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降； 含碳量过高，心部韧性下降。 铸铁 提高其表面耐磨性。,5.6 钢的表面热处理(1)钢的表面淬火,表面淬火用材料,工艺： 对于结构钢为调质或正火，前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高的普通件。目的: 为表面淬火作组织准备； 获得最终心部组织。,5.6 钢的表面热处理(1)钢的表面淬火,预备热处理,采用低温回火，温度不高于200。回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。,5.6 钢的表面热处理(1)钢的表面淬火,表面淬火后的回火,表层组织为M回；心部组织为S回(调质)或F+S(正火)。,表面淬火+低温回火后的组织,感应加热表面淬火示意图,感应加热：利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热的方法。,5.6 钢的表面热处理(1)钢的表面淬火,表面淬火常用加热方法,火焰加热: 利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。成本低，但质量不易控制。,5.6 钢的表面热处理(1)钢的表面淬火,表面淬火常用加热方法,激光热处理: 利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。效率高，质量好。,化学热处理是将钢件放在一定的活性介质中加热和保温，使一种或几种活性原子渗入其表面，改变表面的化学成分和组织，从而改善表面性能的热处理工艺。,5.6 钢的表面热处理(2)钢的化学热处理,基本过程：分解：化学介质在高温下释放出待渗的活性原子；吸收：活性原子被零件表面吸收和溶解；扩散：活性原子由零件表面向内部扩散，形成一定的扩散层。,进行的条件：渗入元素的原子必须是活性原子，而且具有较大的扩散能力；零件本身具有吸收渗入原子的能力，即对渗入原子有一定的溶解度或能与之化合，形成化合物。,与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。根据渗入的元素不同，化学热处理可分为： 渗碳、氮化、碳氮共渗。,5.6 钢的表面热处理(2)钢的化学热处理,是指向钢的表面渗入碳原子的过程。,渗碳目的提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。渗碳用钢为含0.10.25%C的低碳钢，碳高则心部韧性降低。,经渗碳的机车从动齿轮,5.6 钢的表面热处理(2)钢的化学热处理,渗碳,气体渗碳法示意图,(a)气体渗碳法将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳；渗剂为气体 (煤气、液化气等)或有机液体(煤油、甲醇等)；优点: 质量好, 效率高；缺点: 渗层成分与深度不易控制。,5.6 钢的表面热处理(2)钢的化学热处理,渗碳,渗碳方法,渗碳方法,(c)真空渗碳法将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入渗碳气体加热渗碳；优点: 表面质量好, 渗碳速度快。,真空渗碳炉,5.6 钢的表面热处理(2)钢的化学热处理,渗碳,(b)固体渗碳法将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳；渗剂为木炭；优点：操作简单；缺点：渗速慢，劳动条件差。,渗碳温度：为900950。 每保温1小时，厚度增加0.20.3mm； 渗碳层厚度（由表面到过度层一半处的厚度）：一般为0.52.5mm。,低碳钢渗碳缓冷后的组织,渗碳层表面含碳量：以0.851.05为最好。渗碳缓冷后组织：表层为P+Fe3C； 心部为F+P；中间为过渡区。,5.6 钢的表面热处理(2)钢的化学热处理,渗碳,渗碳后的热处理目的：为了充分发挥渗碳层的作用，使零件表面获得高硬度和高耐磨性，心部保持足够的强度和韧性。,5.6 钢的表面热处理(2)钢的化学热处理,渗碳,淬火方法：预冷淬火法：渗碳后预冷到略高于Ar1温度(830850)直接淬火；一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热(略高于Ac3或Ac1)淬火；二次淬火法：即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac3+3050，细化心部；第二次加热为Ac1+3050，细化表层。,5.6 钢的表面热处理(2)钢的化学热处理,渗碳,渗碳后的热处理示意图,氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。,井式气体氮化炉,为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢；氮化工艺 500600 2050h 0.30.5mm,5.6 钢的表面热处理(2)钢的化学热处理,氮化,氮化用钢,常用氮化方法气体氮化法：与气体渗碳法类似，渗剂为氨；离子氮化法：是在电场作用下，使电离的氮离子高速冲击作为阴极的工件。与气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆性小。,离子氮化炉,5.6 钢的表面热处理(2)钢的化学热处理,氮化,氮化的特点及应用氮化件表面硬度高（HV10001100），耐磨性和热硬性高；由于表面存在压应力，疲劳强度高；氮化温度低，氮化后不需进行热处理，工件变形小；表层形成的氮化物化学稳定性高，耐蚀性好。,5.6 钢的表面热处理(2)钢的化学热处理,氮化,氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄；用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件，如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。,氮化的特点及应用,5.6 钢的表面热处理(2)钢的化学热处理,氮化,定义：是同时向零件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺，也称氰化；主要为气体碳氮共渗。,高温碳氮共渗83085012h0.20.5mm渗碳为主淬火+低温回火低碳钢、中碳钢和合金结构钢零件,低温碳氮共渗50060014h0.20.5mm渗氮为主不需要合金工具钢,5.6 钢的表面热处理(2)钢的化学热处理,碳氮共渗,作业,The End,