汽车材料与金属加工第3章 钢的热处理课件.ppt
第3章 钢的热处理,3.1 钢在加热和冷却时的组织转变 3.2 钢的普通热处理 3.3 钢的表面热处理,第3章 钢的热处理,3.1 钢在加热和冷却时的组织转变,3.1.1 钢在加热时的组织转变 3.1.2 钢在冷却时的组织转变,第3章 钢的热处理,钢的热处理概述,定义：目的及重要性：提高和改善钢的性能；充分发挥钢的性能潜力；提高寿命；减低成本 分类：,普通热处理（四把火：退火、正火、淬火、回火）表面热处理（表面淬火、化学热处理）,加热,T(),蘸火,第3章 钢的热处理,转变温度,Fe-Fe3C相图上：PSK、GS、ES 平衡 临 界 点 为：A1、A3、Acm加热时临界点为：Ac1、Ac3、Accm冷却时临界点为：Ar1、Ar3、Arcm,3.1钢在加热和冷却时的组织转变,第3章 钢的热处理,钢热处理时首先要加热，其 目的是获得均匀而细小的奥 氏体组织。,经过A化以后的钢，再以不 同的方式冷却，即可得到不 同的组织，从而获得所需要 的性能。,热处理工艺曲线,3.1钢在加热和冷却时的组织转变,第3章 钢的热处理,3.1.1 钢在加热时的组织转变（以共析钢为例）：,共析钢在A1以下全部为P。P是F和Fe3C组成的机械混合物。当把共析钢加热到Ac1以上温度时，PA，这种转变可用下式表示。,P（F+Fe3C）A 0.0218%6.69%0.77%bcc 复杂斜方 fcc,珠光体,3.1钢在加热和冷却时的组织转变,第3章 钢的热处理,共析钢奥氏体形成过程可归纳为奥氏体晶核的形成：a)奥氏体晶核的长大:b)残余渗碳体的溶解:c)奥氏体成分均匀化:d),加热时，为了获得均匀而细小的奥氏体晶粒，必须选取合适的加热温度，并严格控制保温时间。,亚共析钢：F+P F+A A过共析钢：P+Fe3C A+Fe3C A,3.1.1钢在加热时的组织转变,奥氏体形成过程,第3章 钢的热处理,钢加热获得均匀而细小的A晶粒，是为随后的冷却做组织准备，冷却过程是热处理的关键工序，冷却方式不同，冷却后的组织和性能也不同。,热处理生产中的冷却方式,等温冷却,连续冷却,3.1.2钢在冷却时的组织转变,第3章 钢的热处理,1.过冷A等温转变曲线,过冷奥氏体：把在Ar1温度以下暂时存在的、不稳定的奥 氏体称为过冷奥氏体。,3.1.2钢在冷却时的组织转变,第3章 钢的热处理,A1PSKMsM转变开始线 MfM转变终了线 aa等温转变开始线 bb等温转变终了线,五线,A1 线以上：A稳定存在区MsMf：M转变区aa以左：过冷A区bb以右：转变产物区aabb：过冷A与转变产物共存区,五区,a,a,b,b,曲线分析,3.1.2钢在冷却时的组织转变,过冷A等温转变曲线,C 曲线,第3章 钢的热处理,共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能：,1)珠光体转变 Ar1550 A过P,2)贝氏体转变 550Ms A过B,3)马氏体转变 MsMf连续冷却 A过M,3.1.2钢在冷却时的组织转变,第3章 钢的热处理,1)珠光体转变,珠光体(P)3800,托氏体(T)8000,问题：P、S、T有何异同？,共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能,第3章 钢的热处理,2)贝氏体转变,温度：550Ms,产物：贝氏体含过饱和碳的铁素体和碳化物 组成的机械混合物，用“B”表示。,共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能,第3章 钢的热处理,3)马氏体转变,温度：MsMf,产 物：马氏体碳在-Fe中的过饱和固溶体，用“M”表示,混合M,隐晶M,共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能,第3章 钢的热处理,共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能,第3章 钢的热处理,Ps AP 开始线Pf AP 终止线KK P转变终止线k 上临界冷却速度k 下临界冷却速度 MS A M 开始温度 Mf A M 终止温度,3.1.2钢在冷却时的组织转变,过冷A连续转变曲线,第3章 钢的热处理,M+A,炉冷 P()空冷 S(k)油冷 T+M+A(k k)水冷 M+A(k),连续冷却 转变产物和冷却速度的关系,3.1.2钢在冷却时的组织转变,过冷A连续转变曲线,第3章 钢的热处理,3.2 钢的普通热处理(四把火),第3章 钢的热处理,退火：把钢加热到适当温度，保温一定时 间，然后缓慢冷却的热处理工艺。,P,600,钢的退火,缓慢冷却：随炉冷却、埋砂冷却或灰冷,3.2.1 钢的退火和正火,钢的退火,第3章 钢的热处理,退火分类：,完全退火（等温退火）等温退火球化退火扩散退火（均匀化退火）去应力退火,3.2.1 钢的退火和正火,钢的退火,第3章 钢的热处理,适用范围：亚共析钢（WC=0.30.6%）（铸、锻、焊件）加热温度：,AC3+30 50,AC3+30 50,完全退火,3.2.1 钢的退火和正火,钢的退火,第3章 钢的热处理,退火后组织：P+F,中碳钢：珠光体+铁素体,完全退火,目的：降低硬度，改善切削加工性能细化晶粒消除应力均匀成份、组织提高塑性,AC3+30 50,3.2.1 钢的退火和正火,钢的退火,第3章 钢的热处理,适用范围：合金钢加热温度：,AC3+30 50,AC3（Ac1）+30 50,等温退火,等温退火工艺曲线,3.2.1 钢的退火和正火,钢的退火,第3章 钢的热处理,等温退火,完全退火的特例,优点:退火时间短，组织均匀，缩短生产周期,高速钢的退火工艺曲线,3.2.1 钢的退火和正火,钢的退火,第3章 钢的热处理,适用范围：共析钢、过共析钢加热温度：目的：使片状 Fe3C 球化,AC1+20 30,球化退火,AC1+30 50,3.2.1 钢的退火和正火,钢的退火,第3章 钢的热处理,球状珠光体,退火后组织：球状P软,球化退火,片状珠光体,3.2.1 钢的退火和正火,钢的退火,第3章 钢的热处理,加热温度：目的：消除工件残余应力，稳定工件的尺寸；,扩散退火,去应力退火,T加热AC1,T加热=AC3150 250,去应力退火,均匀化退火（扩散退火）,加热温度：目的：消除偏析，均匀成份、组织。,3.2.1 钢的退火和正火,钢的退火,第3章 钢的热处理,S,正火：将钢加热到Ac3（或Accm）以上 3050，保温一定时间，然后 出炉在空气中冷却的热处理工艺。,钢的正火,空冷,3.2.1 钢的退火和正火,钢的正火,第3章 钢的热处理,S,消除应力、细化晶粒、改善组织，提高钢的综合性能对于中低碳钢，可适当提高硬度，改善其切削加工性能；对于过共析钢，可消除网状Fe3C，为球化退火做准备；作为普通结构件的最终热处理。,正火后组织：,目的：,3.2.1 钢的退火和正火,钢的正火,第3章 钢的热处理,加热温度组织和性能对切削加工的影响 正火细化、硬化 退火软化,生产周期在满足使用性能要求的情况下，优选正火。,3.2.1 钢的退火和正火,退火与正火比较,第3章 钢的热处理,表3-4 退火和正火的工艺特点及适用范围,3.2.1 钢的退火和正火,第3章 钢的热处理,3.2.1 钢的退火和正火,第3章 钢的热处理,淬火：将钢加热到Ac3（或Ac1）以上 3050，保温一定时间，然后 以大于k的速度快速冷却，以获 得马氏体或下贝氏体组织的热处 理工艺。目的：提高钢的硬度和耐磨性。是强化钢材最重要的工艺方法。,M+A,钢的淬火,钢的退火,钢的正火,冷却速度快，热应力和组织转变应力大，工件易变形和开裂；淬火（+回火）一般是最终热处理，是决定产品质量的关键工序。,3.2.2 钢的淬火,第3章 钢的热处理,（1）淬火加热温度,亚共析钢：Ac3+3050（过）共析钢：Ac1+3050,合金钢比相同含碳量的碳钢高,碳钢以铁碳相图为依据,3.2.2 钢的淬火,淬火工艺,（2）淬火保温时间：,用经验公式=KD估算,第3章 钢的热处理,常用冷却介质：水、油、盐或碱的水溶液,冷却速度：盐水 水 盐浴 油,理想的冷却介质：在保证淬后获得M的前提下，又不造成开裂，且变形最小。,3.2.2 钢的淬火,淬火工艺,（3）淬火冷却介质,第3章 钢的热处理,单介质淬火：碳钢水；合金钢油,优点：操作简单、成本低；缺点：淬火件质量较低、热应力大,双介质淬火：水油；水空气,优点：能保证淬火件的质量要求缺点：操作难度大、热应力大,分级淬火：转变产物 M；,优点：热应力小，工件不易变形；缺点：操作难度大,等温淬火：转变产物 B下；,优点：综合性能及尺寸精度高、不需回火；缺点：工艺复杂、成本高,3.2.2 钢的淬火,常用淬火方法,第3章 钢的热处理,淬透性：是指钢淬火时获得淬硬层深度的能力。通常以在规定条件下获得淬硬层深度来衡量。淬硬（透）层越深，表明淬透性越好。决定于K，K越小，A越稳定，淬透性越好。,淬硬性：是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。决定于马氏体的含碳量。含碳量越高，淬硬性越好。,淬透性淬硬性,3.2.2 钢的淬火,钢的淬透性,第3章 钢的热处理,淬透性值的表示：,半M区到水冷端距离,半M区硬度,如:,淬透性曲线的测定末端淬火法（端淬试验）,3.2.2 钢的淬火,钢的淬透性,第3章 钢的热处理,定义：,目的：,减少或消除淬火应力，防止工件变形与开裂稳定工件组织及尺寸；获得所需的力学性能。,马氏体的分解残余奥氏体的分解碳化物的析出和变化相（F）的回复和再结晶,回火时的组织转变及性能变化,3.2.3 钢的回火,第3章 钢的热处理,回火时的组织转变及性能变化,Fe3C,Ar B下或M回,马氏体分解,H 不变或略、ak 略,含C过饱和(针)+(点)M回,马氏体分解残余奥氏体分解,(略),、H(略)脆性,M回,1,马氏体分解碳化物聚集长大,相（F）的回复和再结晶,消失,H、ak M回、H 较高弹性 最佳s 最佳,针状 F+颗粒状Fe3C T回,、H、ak综合性能 最佳,等轴 F+颗粒状Fe3C S回,第3章 钢的热处理,回火的种类和应用,调质处理 淬火 高温回火,3.2.3 钢的回火,第3章 钢的热处理,第3章 钢的热处理,回火后的性能：,影响回火后性能的关键因素：回火温度,3.2.3 钢的回火,第3章 钢的热处理,回火脆性的概念 第一类回火脆性 250350（低温、不可逆）产生范围：所有钢 防止措施：避免在该脆性区回火；钢中加少量 Si；第二类回火脆性 500650（高温、可逆）产生范围：部分合金结构钢（含Cr、Ni、Si、Mn）防止措施：回火后快冷 加少量 Mo、W 减少钢中杂质 改变热处理工艺,回火脆性,3.2.3 钢的回火,第3章 钢的热处理,3.3 钢的表面热处理,3.3.1 钢的表面淬火,3.3.2 钢的化学热处理,第3章 钢的热处理,定义：不改变钢的化学成分和心部组织的情况下，利用快 速加热，将表层加热到A化温度后进行淬火的热处 理工艺。,目的：提高表面硬度和耐磨性，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。,3.3.1 钢的表面淬火,第3章 钢的热处理,所用钢种：中碳成分的优质碳素结构钢、合金结构钢,应用：,承受弯曲、扭转、摩擦和冲击载荷的零件：齿轮、凸轮、曲轴、轧辊等只需表面淬硬的工件；机床导轨等大型、复杂工件只能表面淬硬的工件。,分类：感应加热淬火、火焰加热淬火、激光加热淬火,3.3.1 钢的表面淬火,第3章 钢的热处理,感应加热表面淬火,分类高频感应加热：f=200300kHZ，=0.52.0m中频感应加热 f=25008000HZ，=2.010mm工频感应加热 f=50HZ=1015mm,原理：利用工件在交变磁场中产生的感应电流，将工件表面迅速加热到淬火温度，然后快 速冷却的工艺。,淬硬层深度,淬后要低温(180200)回火。,3.3.1 钢的表面淬火,第3章 钢的热处理,表3-4 感应加热淬火的种类及应用范围,高频淬火,超音频淬火设备,长轴高频淬火,内齿圈高频淬火,3.3.1 钢的表面淬火,感应加热表面淬火,第3章 钢的热处理,加热速度快：高频只需几秒-几十秒，不需保温，生产率高 加热温度高：AC3+100-200 淬火质量好：组织为极细M，比普通淬火高2-3HRC，且塑韧性好。但感应加热设备较贵，维修调整较困难，形状复杂的零件不易制作感应器，不适于单件生产。,特点,3.3.1 钢的表面淬火,感应加热表面淬火,第3章 钢的热处理,锻造 退火或正火 粗加工 调质或正火 精加工 感应加热表面淬火 低温回火 粗磨 时效处理 精磨,消除锻造应力；调整硬度，便于机加工,细化晶粒，提高心部综合性能，为淬火做准备,强化表面，获得M,降低淬火应力稳定表面组织T加：160200,进一步降低应力，稳定组织，防止工件变形开裂,工艺路线：,3.3.1 钢的表面淬火,感应加热表面淬火,第3章 钢的热处理,原理：利用氧乙炔（煤气）的混合 气体燃烧的火焰，将工件表层 快速加热到淬火温度，然后立 即喷水冷却的热处理工艺。淬硬层深度:=28mm,特点：设备简单成本低；但质量不易控制。,应用：批量小、形状复杂、大件。,3.3.1 钢的表面淬火,火焰加热表面淬火,第3章 钢的热处理,将工件置于一定温度的活性介质中，使一种或几种元素渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。,渗碳、渗氮和碳氮共渗等。,3.3.2 钢的化学热处理,定义：,种类,第3章 钢的热处理,钢的渗碳,定义：将工件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗 入工件表层的化学热处理工艺。,用途：用于在较大冲击载荷和在严重磨损条件下工作的零件。如汽车变速齿轮、活塞销、摩擦片、套筒等。,渗碳用钢：低碳钢和低碳合金钢。,渗碳的目的：提高工件表层碳的质量分数，经淬火和低温回火后，使工件表面获得高硬度和耐磨性，而心部仍然保持 良好的塑性和韧性。,3.3.2 钢的化学热处理,方法：固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳,第3章 钢的热处理,气体渗碳示意图,原理：将工件置于密封的井式气体渗碳炉中，加热到930左右，滴入煤油、甲醇、苯等，使渗碳介质在高温下分解出活性 碳原子，并被工件表面吸收，被吸收的 活性碳原子由表面逐渐向工件内部扩散，形成具有一定深度的渗碳层。,深层深度：渗碳后=0.52.5 mm表层含碳量：WC=0.85%1.05%,气体渗碳,渗碳后热处理：淬火+低温回火渗后硬度：表面硬度：5864HRC，心部硬度：3045HRC。,钢的渗碳,3.3.2 钢的化学热处理,第3章 钢的热处理,渗后组织,表面0.851.05%,心部0.150.30%,wc,P+网状Fe3C,P,P+F,渗碳工艺 锻造 正火 切削加工 渗碳 淬火+低温回火 精加工,钢的渗碳,3.3.2 钢的化学热处理,第3章 钢的热处理,经渗碳的机车从动齿轮,钢的渗碳,3.3.2 钢的化学热处理,第3章 钢的热处理,定义：将工件在渗氮介质中加热并保温，使氮原子渗入工 件表层的化学热处理工艺,目的：提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和耐腐蚀性。,特点：氮化温度低：(500600)时间长：（2050h）硬度更高：10001200HV（6972HRC）渗层薄：（0.10.4）氮化前调质处理、氮化后无须淬火。,用于：耐磨、耐高温、耐腐蚀的精密零件，如精密齿轮、精密机床主轴、汽轮机阀门及阀杆、发动机气缸和排气阀等。,钢的渗氮（氮化）,3.3.2 钢的化学热处理,第3章 钢的热处理,渗碳和渗氮的比较,3.3.2 钢的化学热处理,第3章 钢的热处理,1.热处理是将钢在固态下加热、保温、冷却以获得所需组织和性能的工艺。目的是提高或改善金属材料的性能，充分挖掘金属材料的性能潜力。2.退火和正火作为预先热处理常安排在铸造、锻造和焊接之后或粗加工之 前，用以消除前一工序所造成的某些组织缺陷及内应力，为随后的切削加 工及热处理做组织准备，也可用于性能要求不高的零件的最终热处理。3.淬火和回火作为最终热处理，淬火必须与回火工艺相配合，才能使钢具有 不同的力学性能，以满足各类零件或工模具的使用要求。4.表面热处理是指仅对工件表层进行的热处理工艺，用于要求表面有较高强 度、硬度和耐磨性，而心部要求有足够塑性和韧性的零件。,本章小结,第3章 钢的热处理,1P5253 2.某钢的等温转变曲线如图，说明该钢快速冷却到，并在300 经不同时间等温后，按（a）、(b)、(c)线冷却后得到的组织。,综合训练题,第3章 钢的热处理,The End,第3章 钢的热处理,
