工程材料钢的热处理.ppt

第五章 钢的热处理,改善钢的性能，主要有两条途径：合金化；热处理。,热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺.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。实质：在加热、保温和冷却过程中，钢的组织结构发生了变化，从而改变了其性能；目的：改善钢（工件）的力学性能或工艺性能；作用：充分发挥材料的性能潜力，提高零件质量，延长零件寿命；,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70-80%。,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。,热处理特点: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。,热处理适用范围：只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。,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：,铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。加热时的实际转变温度用Ac1、Ac3、Accm表示冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中的数据是以3050/h 的速度加热或冷却时测得的。,第二节 钢在加热时的转变,一、钢的奥氏体化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。奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。,钢坯加热,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 残余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 奥氏体成分均匀化：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。,共析钢奥氏体化过程,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.(完全奥氏体化与不完全奥氏体化),二、奥氏体晶粒长大及其控制 随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这是一个自发的过程。奥氏体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同。（一）奥氏体的晶粒度晶粒度晶粒度的重要性：奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。,晶粒大小的两种表达方法：晶粒尺寸晶粒号N：将放大100倍的金相组织与标准晶粒号图片进行比较。大小分为8级，1级最粗，8级最细。通常14级为粗晶粒度，58级为细晶粒度。,（二）奥氏体晶的长大倾向奥氏体长大倾向。起始晶粒度：奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度,此时晶粒细小均匀。实际晶粒度：某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度叫实际晶粒度，它决定钢的性能本质晶粒度：钢加热到93010、保温8小时、冷却后测得的晶粒度叫本质晶粒度。如果测得的晶粒细小，则该钢称为本质细晶粒钢，反之叫本质粗晶粒钢。,（三）奥氏体晶粒长大的影响因素及控制加热温度和保温时间：加热温度高、保温时间长,晶粒粗大。但随时间延长，晶粒的长大速度越来越慢。加热速度：加热速度越快,过热度越大,形核率越高,晶粒越细，生产中常快速加热，短时保温。合金元素：促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。,阻碍奥氏体晶粒长大的元素:Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。只有温度超过一定值时，奥氏体才突然长大。由于常用的奥氏体加热温度在800930，该类钢均可以得到细小的晶粒。,第二节 钢在冷却时的转变,冷却是热处理的最后一个工序，也是最关键的工序，它决定了钢热处理后的组织和性能。同一种钢，加热温度和保温时间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。这是因为过冷奥氏体在冷却过程中转变成了不同的产物。,冷却的方式连续冷却：使加热到奥氏体化的钢连续降温进行组织转变等温冷却：使加热到奥氏体化的钢以较快的冷却速度冷到Ar1以下某温度保温，在等温下发生组织转变。,一、过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体：处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。,过冷奥氏体的等温转变图，又称C 曲线、S 曲线或TTT曲线。,(Time-Temperature-Transformation diagram),1、C曲线的建立以共析钢为例：取一批小试样并进行奥氏体化。将试样分组淬入低于A1 点的不同温度的盐浴中,隔一定时间取一试样淬入水中。,测定每个试样的转变量，确定各温度下转变量与转变时间的关系。将各温度下转变开始时间及终了时间标在温度时间坐标中，并分别连线。转变开始点的连线称转变开始线。转变终了点的连线称转变终了线。冷却到230以下将发生马氏体转变。,2、C 曲线的分析转变区域A1-Ms 间及转变开始线以左的区域为过冷奥氏体区。转变终了线以右及Mf以下为转变产物区。两线之间及Ms与Mf之间为转变区。,转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小.孕育期最小处称C 曲线的“鼻尖”。碳钢鼻尖处的温度为550。,在鼻尖以上,温度较高，相变驱动力小。在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而使奥氏体稳定性增加。三个温度区间：C曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物。,（二）过冷奥氏体的等温转变产物组织和性能1.高温转变（珠光体型转变）在A1550 之间,转变产物为珠光体型组织,此温区称珠光体转变区。,珠光体型组织是铁素体和渗碳体的机械混合物,渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，转变温度越低，层间距越小，可将珠光体型组织按层间距大小分为珠光体(P)、索氏体(S)和托氏体(T)。奥氏体向珠光体的转变为扩散型的形核、长大过程,是通过碳、铁的扩散和晶体结构的重构来实现的。,珠光体转变过程珠光体转变也是形核和长大的过程。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。（又称珠光体领域）珠光体转变是扩散型转变。,珠光体转变,珠光体的性能珠光体、索氏体、托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。A1680 珠光体（0.4m,HB170230）680600 索氏体（0.40.2m,HRC2535）600550 托氏体（0.2m,HRC3540）片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。,2.中温转变贝氏体转变转变温度550-230(Ms)贝氏体用符号B表示。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)。贝氏体是渗碳体分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物。奥氏体向贝氏体的转变属于半扩散型转变。,上贝氏体形成温度为550-350。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。,下贝氏体形成温度为350-Ms。在光镜下呈竹叶状。,在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈55-60角。,贝氏体转变过程贝氏体转变也是形核和长大的过程。发生贝氏体转变时,首先在奥氏体中的贫碳区形成铁素体晶核，其含碳量介于奥氏体与平衡铁素体之间，为过饱和铁素体。,当转变温度较高（550-350)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。,上贝氏体转变过程,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，晶格类型改变是通过切变实现的。,当转变温度较低（350-230)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。,下贝氏体转变,贝氏体的性能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。,（三）亚共析碳钢与过共析碳钢过冷奥氏体的等温转变1.C曲线的形状与位置相同点：都具有转变开始与终了线。不同点：先析出线随含碳量变化,2.先共析相的量与形态随着过冷度的增加，先析出相减少，达到一定程度时，形成伪共析体（极细的托氏体）形态与含碳量有关，先析出的铁素体可以呈块状和网状，而渗碳体多成网状。魏氏组织的形成和消除（降低力学性能，尤其是韧性，退火与正火来消除）在碳1.2时，如果奥氏体晶粒特别粗大，先析出相将以针状或片状在晶内析出，称为魏氏组织。魏氏组织常使力学性能降低，尤其是塑性，生产中用正火或退火来消除。,二、过冷奥氏体连续冷却转变图（一）共析钢的CCT曲线的建立过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT(Continuous-Cooling-Transformation diagram)曲线，是通过高速膨胀仪测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。,（二）共析钢的CCT曲线分析（1）共析钢的CCT曲线没有贝氏体转变区，在珠光体转变区之下多了一条转变中止线。（2）当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变中止，余下的奥氏体一直保持到Ms以下转变为马氏体。,（3）图中的VC 为CCT曲线的临界冷却速度，即获得全部马氏体组织时的最小冷却速度。（4）转变在一温度区间进行并随冷却速度变化（5）转变不均匀，可获得混合组织。,（三）等温TTT在连续转变中的应用CCT曲线位于TTT曲线右下方。CCT曲线获得困难，TTT曲线容易测得。可用TTT曲线定性说明连续冷却时的组织转变情况。方法是将连续冷却曲线绘在C 曲线上，依其与C 曲线交点的位置来说明最终转变产物.,P,均匀A,细A,P,退火,(炉冷),正火,(空冷),S,淬火,(油冷),T+M+A,M+A,淬火,(水冷),P,均匀A,细A,退火,(炉冷),正火,(空冷),淬火,(油冷),淬火,(水冷),45钢850油冷组织,过共析钢CCT曲线也无贝氏体转变区,但比共析钢CCT曲线多一条AFe3C转变开始线。由于Fe3C的析出,奥氏体中含碳量下降,因而Ms 线右端升高。亚共析钢CCT 曲线有贝氏体转变区，还多AF开始线,F析出使A含碳量升高,因而Ms 线右端下降。,三、马氏体转变当奥氏体冷却速度大于临界冷却速度，并过冷到到Ms以下将转变为马氏体类型组织。转变无扩散。单相亚稳组织。,（一）马氏体的晶体结构碳在-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。马氏体具有体心正方晶格（a=bc）轴比c/a 称马氏体的正方度，C%越高，正方度越大，正方畸变越严重。当0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格。,（二）马氏体的形态马氏体的形态分板条和片状两类。板条马氏体（低碳M）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。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。,片状（针状）马氏体（高碳M）立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。,先形成的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒，但不能穿过晶界和孪晶界。后形成的马氏体片不能穿过先形成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小。原始奥氏体晶粒细，转变后的马氏体片也细。当最大马氏体片细到光镜下无法分辨时，该马氏体称隐晶马氏体。,马氏体的形态主要取决于其含碳量C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体。C%大于1.0%C时几乎全部是；片状马氏体.C%在0.21.0%之间为板条与片状的混合组织。,（三）马氏体的性能高硬度是马氏体性能的主要特点。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。,马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性。马氏体的比容比奥氏体大。当奥氏体转变为马氏体时，体积会膨胀。故内应力也大。马氏体是铁磁相，而奥氏体为顺磁相。马氏体晶格畸变严重，因此电阻率高。,（四）马氏体转变的特点马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点是：无扩散性铁和碳原子都不扩散，因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。,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。,高速长大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。转变不完全：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。,马氏体转变发生在一定温度范围只要温度达到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。Ms、Mf 与冷速无关，主要取决于奥氏体中的合金元素含量（包括碳含量）。,马氏体转变后，A 量随含碳量的增加而增加，当含碳量达0.5%后，A 量才显著。,残留奥氏体不仅降低了淬火钢的硬度和耐磨性，由于残留奥氏体会发生转变，使工件的尺寸发生变化，降低工件的尺寸精度。为了最大限度的消除奥氏体，达到增加硬度、耐磨性与稳定尺寸的目的，可以采用冷处理的方法。,过冷奥氏体转变产物（共析钢）,第三节 钢的退火和正火,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。,推杆式电阻炉,预备热处理的作用是消除铸造、锻造的缺陷，如晶粒粗大、内应力、缺陷组织等；同时调整硬度，为后续的切削做准备；均匀成分、细化晶粒；为最终热处理做组织准备。最终热处理的作用是使材料具有使用状态下的性能，如强度、硬度等。,一、退火,工艺：将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却(炉冷)的热处理工艺叫做退火。退火目的调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为160-230HB。消除内应力，防止加工中变形。细化晶粒，为最终热处理作组织准备。退火种类：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、再结晶退火。,（一）完全退火工艺：将工件加热到Ac3+3050保温后随炉缓冷到600 以下，再出炉空冷的退火工艺。,应用：亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸、锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构。目的：主要在于细化铸态下或锻造后的粗大晶粒；降低硬度，便于切削加工；消除内应力。完全退火一般常作为一些不重要工件的最终热处理，或作为某些重要工件的预先热处理。特点：退火工艺时间很长，尤其是对于某些奥氏体比较稳定的合金钢，往往需要数十小时，甚至数天的时间。(注意事项：加热速度与工艺制定),（二）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以下的某一温度下（珠光体转变区）停留，待相变完成后出炉空冷。目的和应用：与完全退火相同，等温退火可缩短工件在炉内停留时间，此外，工件内外都处于同一温度，易获得均匀的组织，更适合于孕育期长的合金钢。,高速钢等温退火与普通退火的比较,（三）球化退火工艺：球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。它是将工件加热到Ac1+1020 保温后缓冷至600一下再出炉空冷，主要用于共析、过共析钢。,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。目的：获取球状珠光体，降低这些高碳钢的硬度，以利于切削。所有的高碳钢在切削之前一般都要进行球化退火；为淬火做准备。对于有严重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。,球状珠光体,（四）扩散退火工艺：将工件加热到略低于固相线温度，保温后缓慢冷却的热处理工艺称为扩散退火。合金元素多，加热温度也高，时间也长，组织严重过热，需要一次完全退火或正火来消除过热组织。用于质量要求高的优质铸件。目的：消除成份偏析。,（五）去应力退火工艺：将工件加热到 Ac1以下某一温度，保温后随炉冷却的 热处理工艺称为去应力退火。目的：消除铸、锻、焊、机械加工的内应力。,二、正火（一）工艺：正火是将钢加热到Ac3+3080，保温后空冷的工艺。,正火温度,（二）正火后的组织与性能：冷却速度比退火稍快，组织较细，强度、硬度、塑性、韧性稍有提高。wc0.6%C时，组织为F+S；wc0.6%C时，组织为S 或p(伪共析体)。,（三）正火的应用(1)普通件最终热处理。(3)要改善切削性能，低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火,高碳钢用球化退火。(3)中碳结构钢重要件的预备热处理,(4)对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。(5)特定情况下，代替淬火加回火。主要是对大型的或形状复杂的零件,第五节 钢的淬火,淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vc速,度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺.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。淬火必须进行回火。,真空淬火炉,一、淬火工艺参数加热温度加热时间冷却介质,（一）淬火加热温度亚共析钢淬火温度为Ac3+30-70以进行完全奥氏体化。,共析钢淬火温度为Ac1+30-70；淬火组织为M+A。,过共析钢（预先进行球化退火）淬火温度:Ac1+3070.温度高于Accm，则奥氏体晶粒粗大、含碳量高,淬火后马氏体晶粒粗大、A量增多。使钢硬度、耐磨性下降，脆性、变形开裂倾向增加。淬火组织:M+Fe3C颗粒+A。(预备组织为P球),T12钢（含1.2%C）正常淬火组织,合金钢由于多数合金元素(Mn、P除外)对奥氏体晶粒长大有阻碍作用，因而合金钢淬火温度比碳钢高。亚共析钢淬火加热温度为Ac3+50100。共析钢、过共析钢淬火加热温度为Ac1+50100。,钢坯加热,（二）加热时间一般将升温时间和保温时间加在一起，称为加热时间。加热时间的确定应考虑二个问题，一个是材料的均温，一个是组织转变的时间。淬火加热时间与零件的尺寸和加热设备有关，可按下列经验公式确定；=D；是系数，与成分、尺寸、介质有关。一般取11.5；D是零件的有效厚度（见表）。,（三）淬火介质对冷却能力的要求淬火冷却速度应大于Vc，在保证大于Vc的前提下应尽量缓慢，避免出现大的应力，引起变形或开裂。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。,常用淬火介质是水、油及盐和碱的水溶液水：在650 500 时冷却能力很小，但低温却能力太大，只使用于形状简单截面较大的碳钢件。盐水溶液：高温工件浸入该冷却介质后，在蒸汽膜阶段析出盐和碱的晶体并立即爆裂，将蒸汽膜破坏，工件表面的氧化皮也被炸碎，这样可以提高介质在650 500 的冷却能力，获得高而均匀的硬度。但在300200 时冷却能力过大，增大工件的相变应力。,苛性钠水溶液：在650 500 的冷却能力比盐水溶液大，获得高而均匀的硬度。而在300200 时冷却能力却稍低，其缺点是介质的腐蚀性大。一般情况下，盐水的浓度为10，苛性钠水溶液的浓度为1015。可用作碳钢及低合金结构钢工件的淬火介质，使用温度不应超过60，淬火后应及时清洗并进行防锈处理。,油：低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。熔盐：作为淬火介质称盐浴，高温区冷却能力在水和油之间,用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质。,三、淬火方法采用不同的淬火方法可弥补介质的不足。（一）单液淬火法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。（二）预冷淬火将奥氏体化的工件在空气中预冷后放入淬火液。减小淬火变形和裂纹。,单液淬火和预冷淬火工艺,（三）双液淬火法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。如碳钢的水淬油冷，合金钢的油淬空冷.优缺点：冷却理想，不易掌握。应用：复杂的碳钢件及大型合金钢件。,（四）分级淬火法工艺：在Ms附近的盐浴或碱浴中停留适当时间，待内外温度均匀后再取出缓冷获得马氏体。优点：可减少内应力，应用：用于小尺寸工件。,（五）等温淬火法工艺：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。优缺点：经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，淬火应力小，但盐浴冷却能力较小。适用于形状复杂及要求较高的小型件。,（六）局部淬火法有些零件只需要局部硬度高、耐磨性好，因此可进行局部淬火，以避免其它部位产生变形或开裂。局部淬火法包括：局部加热淬火法 局部冷却淬火法,第五节 钢的回火,问题的提出：钢件在淬火之后，硬度高、脆性大；马氏体和残余奥氏体都不稳定，他们的分解和转变会影响性能和尺寸的稳定性，此外还存在较大的内应力，会引起变形和开裂。,回火：将淬火后的钢重新加热到A1点以下的某一温度，保温一段时间，然后冷却到室温的热处理工艺。目的：通过回火，使马氏体发生转变，并控制转变程度获得不同的回火组织，使钢具有所需要的性能；使淬火组织稳定化，避免工件在使用过程中发生尺寸和形状的变化。降低或消除淬火应力，减小变形，防止开裂,二、钢在回火时的转变淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶段。随加热温度升高，淬火钢的组织发生四个阶段变化。,网带式回火电炉,（一）马氏体的分解（200 C)回火M(低过饱和-Fe2C)共格与弥散分布（二）残余奥氏体的转变（200300 C）B下（三）碳化物的转变（250450 C）-Fe2C转变为Fe3C（四）渗碳体的球化、长大（450700 C）成为粒状Fe3C。此时，铁素体仍保留着马氏体的形态，只有当温度超过600后，铁素体发生再结晶，才有原来的板条状或片状称为多边形晶粒。,三、回火的种类及应用（一）低温回火（150200）组织为M回，（过饱和的铁素体和与其共格的-Fe2C 组成）具有高硬度和高耐磨性，内应力和脆性低。主要用于高碳钢和高碳合金钢制造的工模具和滚动轴承，以及经渗碳和表面淬火的零件，回火后的硬度一般为5864HRC。,（二）中温回火（350500）组织为T回，尚未发生再结晶的铁素体和弥散分布的极细小的片状或粒状渗碳体组成。应用：主要用于含碳量在0.50.7%的碳钢和合金钢制造的各类弹簧。其硬度为3545HRC，具有一定的韧性和高的弹性极限和屈服强度。,（三）高温回火（500650）组织为S回（已经再结晶的铁素体和均匀分布的细粒状渗碳体组成）应用：含碳量在0.30.5%的碳钢和合金钢制造的各类连接和传动的结构零件，如轴、齿轮、连杆以及螺栓等等。其硬度为2535HRC，具有适当的强度与足够的塑性和韧性，即良好的综合力学性能。淬火后高温回火也称为调质处理。比较S回和S正,(a)wC0.82的钢(b)wC0.2的钢,四、其它回火：某些高合金钢在640680进行回火软化。某些精密零件（如量具），为了保持淬火后的高硬度，又要保持尺寸稳定性，仅在100150进行长时间回火（10-50h），称为“尺寸稳定处理”或“时效处理”。,五、回火脆性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。,第一类回火脆性又称不可逆回火脆性。是指淬火钢在250350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。一般认为，由于沿着马氏体界面析出硬脆的薄片碳化物所致。,第二类回火脆性（某些合金钢）又称可逆回火脆性。是指淬火钢在450650范围内回火后缓冷时出现的脆性。回火后快冷不出现，是可逆的。防止办法：回火后快冷。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。,第六节 钢的淬透性,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。,问题的提出钢在淬火过程中，沿工件截面各处的实际冷却速度是不同的，表层的实际冷却速度总大于内部，而中心部的冷却速度最低。如果表层的冷却速度大于临界冷却速度Vc，而心部的冷却速度低于临界冷却速度，则表层获得马氏体表层与心部之间依次为马氏体、托氏体、索氏体、珠光体，也即钢仅被淬火到一定深度。如果心部的冷却速度也大于临界冷却速度Vc，则沿工件截面均获得马氏体组织，即钢被淬透。,M量和硬度随深度的变化,一、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。它是钢材本身固有的性质。在相同的淬火条件下，淬透性好的钢材其淬硬深度大，反之则小。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。淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力。主要取决于含碳量。而淬透性好的材料其淬硬性不一定高，如低碳钢。,二、淬透性对钢热处理后力学性能的影响淬透性高的钢，其力学性能沿截面均匀分布淬透性低的钢，其截面心部的力学性能低关于选材：根据工件的具体工作条件。,三、影响淬透性及淬硬深度的因素（一）影响淬透性的因素钢的淬透性取决于临界冷却速度Vc，Vc越小，淬透性越高。Vc取决于C曲线的位置，C 曲线越靠右，Vc越小。因而凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素。,奥氏体化学成分1、含碳量的影响亚共析钢，C%C曲线右移Vc淬透性过共析钢，C%C曲线左移Vc 淬透性碳钢中以共析钢的淬透性最好。2、合金元素的影响除Co以外，其它合金元素都使C曲线右移，Vc，淬透性提高，故合金钢的淬透性大大高于碳钢。3、奥氏体化条件 提高温度或延长保温时间，可使 C曲线右移，淬透性提高，但作用有限，因为奥氏体晶粒会长大。,（二）淬透性与淬硬层深度的关系淬透性与淬硬层深度有着密切的关系，但两者并不完全相同在相同的奥氏体化条件下，钢的淬透性是相同的，但淬硬深度却与工件尺寸、冷却介质有关。,四、淬透性的测定及其表示方法（一）末端淬火法将25100mm 的标准试样加热后对末端进行喷水冷却（水压恒定），试样末端相当于淬火零件的表面，距末端的距离越远，冷却速度越低，相当于淬火零件的内部。,J 表示末端淬透性，d 表示半马氏体区到水冷端的距离，HRC 为半马氏体区的硬度。,淬透性的表示方法用淬透性值表示,JHRC-dJ35-15,（二）临界淬透直径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DC表示。DC与介质有关，如45钢DC水=16mm，DC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DC油=8mm，40Cr DC油=20mm。,五、机械零件设计中对钢淬透性的考虑（选材）重要零件，要求表面与心部机械性能一致，应选用淬透性好的钢材。对心部机械性能要求不高的零件，可选用淬透性低的钢材（便宜）。焊接件，不能采用淬透性高的钢材。防止焊缝出现淬火组织脆、裂纹。,小尺寸试样的性能数据，不能用于大尺寸工件的强度计算。淬透性低的大尺寸零件，淬火应安排在切削加工之后进行。碳钢的淬透性很低，设计大尺寸零件时，应采用正火工艺代替调质处理，以防止淬不透。二者的性能相差不大，但成本相差很大,不同冷却条件下的转变产物,等温退火,P,退火,(炉冷),正火,(空冷),S,(油冷),T+M+A,等温淬火,B下,M+A,分级淬火,M+A,淬火,(水冷),淬火,P,P,均匀A,细A,？,？,？,第七节 钢的表面淬火,问题的提出在生产中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性能，一般是表面硬度高，有较高的耐磨性和疲劳强度；而心部要求有较好的塑性和韧性。,表面：硬度高，耐磨,心部：硬度低，韧性高,问题的解决：低碳钢：可满足心部要求，表面要求不能满高碳钢：可满足表面要求，心部要求不能满足表面热处理和化学热处理,表面淬火工艺：是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。,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（齿轮、曲轴、凸轮、活塞销等）。,轴的感应加热表面淬火,一、感应加热的基本原理感应线圈中通以交流电时，即在其内部和周围产生一与电流相同频率的交变磁场。若把工件置于磁场中，则在工件内部产生感应电流，并由于电阻的作用而被加热。由于交流电的集肤效应，靠近工件表面的电流密度大，而中心几乎为零。工件表面温度快速升高到相变点以上，而心部温度仍在相变点以下。,二、感应加热表面淬火用钢及其应用（一）感应加热表面淬火用钢（1）0.40.5%C的中碳钢和中碳低合金钢。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；（2）铸铁 提高其表面耐磨性。,（3）预备热处理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。对于铸铁件应该是珠光体基体加上细小的石墨。目的:为表面淬火作组织准备(以细小的组织为好)；获得最终心部组织。,（4）表面淬火后的回火采用低温回火，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。表面淬火+低温回火后的组织表层组织为M回；心部组织为S回(调质)或F+S(正火)。,（二）感应加热表淬的应用 高频感应加热频率为250300KHz，淬硬层深度0.52mm适用于中、小型零件，如小模数齿轮、轴类等。,中频感应加热频率为25008000Hz，淬硬层深度210mm。适用于直径较大的轴类和大、中模数齿轮以及钢轨、机床导轨等。,工频感应加热频率为50Hz,淬硬层深度1015 mm适用于淬硬层深度为（1020）mm以上的大型工件或用于穿透加热。如火车车轮等的表面淬火。,各种感应器,感应穿透加热,三、感应加热表面淬火的特点加热速度极大，使珠光体转变为奥氏体的转变温度升高，转变时间极短（不需保温），转变速度极快。淬火后，可使零件表层获得极细的“隐晶马氏体”组织，零件表层具有比普通淬火稍高的硬度（高2-3HRC），较低的脆性。较高的疲劳强度。零件不易氧化、脱碳，且变形小。零件淬硬层深度易于控制，操作易实现自动化，生产率高。缺点：设备贵、维修难、复杂件感应器不易制造。,第八节 钢的化学热处理,化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能的热处理工艺。,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、多元共渗、渗其他元素等。,（一）化学热处理的作用提高工件表层的某些力学性能，如表层硬度、耐磨性、疲劳极限等。保护工件表面，提高工件表层的物理、化学性能，如耐高温、耐腐蚀等。（二）种类扩散元素是非金属扩散元素是金属,二、钢的渗碳钢件在渗碳介质中加热到奥氏体区保温一段时间，使碳原子渗入到钢表层的化学热处理工艺叫渗碳。是向钢的表面渗入碳原子的过程。（一）渗碳目的及用钢目的：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，如：15、20、20Cr、20CrMnTi。碳高则心部韧性降低。,（二）渗碳方法渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳。目前广泛应用的是气体渗碳法。（1）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)。,滴注式原理2COCO2+ClCH42H2+CCO+H2H2O+C活性C溶入高温奥氏体（面心立方），然后向内部扩散。优点：质量好,效率高；缺点：渗层成分与深度不易控制。,（2）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。（3）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,（三）渗碳的技术要求渗碳层表面含碳量：以0.851.05为最好。渗碳温度：900950。保温时间：保温时间主要取决于所需要的渗碳层厚度，不过时间愈长，厚度增加速度会逐渐减慢 渗碳层厚度（由表面到过度层一半处的厚度）：一般为0.52mm。应该根据零件的具体尺寸和工作条件确定。若渗碳工件上有不允许高硬度的部位，应在设计图样中注明，以便采取相应措施。,（四）渗碳后的组织和热处理渗碳缓冷后组织：表层为P+网状Fe3C；心部为F+P；中间为过渡区且奥氏体晶粒有得粗大。,渗碳后的热处理淬火+低温回火,回火温度为160180。淬火方法有：预冷（直接）淬火法：渗碳后预冷到略高于Ar3温度直接淬火。（目的：减小变形与开裂，减小奥氏体残留量，提高表层硬度）必须保证不过热,一次淬火法：即渗碳出炉空冷后重新加热淬火，其淬火温度应兼顾心部和表层的性能要求。一般应选取略高于心部的Ac3。对心部要求不高、表面性能要求较高时，淬火温度应在Ac3和Ac1之间。,二次淬火法：即渗碳缓冷后第一次加热为细化心部（淬火或正火），加热温度在850900，第二次加热为细化表层，760800。,渗碳并淬火后的组织和性能：表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量)心部：M回+F（淬透时）表面硬度高：5864HRC以上,耐磨性较好；心部韧性较好,硬度较低，可达3045HRC。此外表层中造成压应力，使零件的疲劳强度提高。,但二次渗碳工件严重变形，渗碳层易脱落和氧化，生产周期长，成本高故较少使用。渗碳零件的加工工艺路线 坯料锻造正火机械加工渗碳淬火低温回火精加工成品。,三、钢的氮化工艺：渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面，在钢件表面获得一定深度的富氮硬化层的热处理工艺。目的：是提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。方法：气体渗氮、离子渗氮、氮碳共渗（软氮化）等。生产中应用较多的是气体渗氮。,（一）气体渗氮（1）渗氮原理及用钢原理：在专门的渗氮炉中进行，利用氨在500600的温度下分解，产生活性氮原子，分解反应如下：分解出的活性氮原子被工件表面吸收并向内层扩散，形成一定深度的渗氮层。当达到要求的渗氮层深度后，工件随炉降温到200停止供氮，即可出炉空冷。,2NH33H2+2N,氮化用钢为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢；最典型的：38CrMoAl，35CrMo，18CrNiW。氮化组织：钢件表面形成一层陶瓷层 AlN、MoN、VN、TiN。为保证工件心部的力学性能，渗氮前工件应进行调质处理。,（2）渗氮的特点及应用特点：零件氮化后，无需进行淬火，表层便具有很高的硬度和耐磨性。因为表层形成一层坚硬的氮化物（氮化物颗粒很细、均匀分布）。氮化层产生了较大的残余压应力，可显著降低疲劳载荷下产生的拉应力水平。氮化处理温度低，零件变形小。氮化后零件具有良好的耐腐蚀性，因为表层形成了一层致密的氮化物（陶瓷）,应用表面高硬度，耐磨、耐蚀、耐高温的精密零件，如精密机床主轴、丝杆、镗杆、阀门等。,（二）离子氮化（1）原理在真空容器中，抽真空到13.331.33Pa），慢慢通入氨或氮、氢混合气体，以容器的壳壁为阳极，以被处理工件为阴极，通入几百伏上千伏的可控直流电，产生等离子体；电子移向阳极，正离子移向阴极；N+以极高的速度轰击零件，动能转化为热能加热工件，部分N+被工件表面吸收，并向内层扩散。eNH4=N+2H2+2e,（2）离子渗氮的特点速度快质量高变形小对材料适用性强（三）氮化零件的加工工艺路线 坯料锻造退火粗加工调质精加除 应力退火粗磨氮化精磨或研磨成品,四、钢的碳氮共渗碳氮共渗是同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学热处理工艺，也俗称为氰化。碳氮共渗零件的性能介于渗碳与渗氮零件之间。原理：NH3+COHCN+H2ONH3+CH4HCN