碳钢的热处理ppt课件.ppt

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1、第五章 碳钢的热处理 Heat Treatment of Carbon Steel,前言,一、热处理的概念 通过对材料进行加热、保温、冷却的操作 方法使钢的组织结构发生变化，以获得所需性 能的一种工艺。,普通热处理：退火、正火、淬火、回火 热处理 表面淬火：火焰加热、感应加热、电接触加热、表面热处理 激光加热、等离子体加热 化学热处理：渗碳、氮化、渗V、渗B、渗Nb,二、热处理的分类,三、热处理在机械零件制造工艺中的位置,坯料 锻造热处理粗加工半精加工热处理精加工热处理（抛光）成品,热处理：称为改善材料切削加工性能热处理最佳切削硬度：HB170-230,（1）低碳钢 含有大量柔软的铁素体；切削

2、加工性能较差，易产生“粘刀”现象，影响加工面的表面质量（粗糙度），刀具寿命也受到影响，故加工前应进行正火热处理，以提高硬度，以改善加工性能。（2）高碳钢 含有较多的网状渗碳体，难以切削，应退火处理，再加工。,（3）冷加工硬化的坯料，应进行再结晶退火，以降低硬度，改善切削加工性能。热处理：改善零件机械性能热处理。正火，淬火回火，化学热处理 热处理：消除加工残余应力热处理。去应力退火、时效,四、热处理在机械制造业中的应用 汽车制造业：7080的零件需进行 热处理 机床创造业：6070的零件需进行 热处理 各种工具、轴承等：100的零件需进行 热处理,五、热处理的主要工艺参数 1、加热速度 2、加热

3、温度 3、保温时间 4、冷却速度,第一节钢在加热时的组织转变,一、奥氏体的形成,大多数热处理工艺的加热温度都高于钢的临界点（A1 或 A3），使钢具有奥氏体组织，然后以一定的冷却速度冷却，以获得所需的组织和性能。,铁碳合金缓慢加热时奥氏体的形成可以从Fe-Fe3C相图中反映出来，珠光体向奥氏体的转变属于扩散型相变。以共析钢为例，珠光体组织在A1（727）以下，组织保持不变（相中碳的溶解度及Fe3C的形状稍有变化）；当加热到A1点以上时，珠光体全部转 变为奥氏体。,奥氏体的形成过程可以分为四个步骤：奥氏体晶核的形成 奥氏体晶粒长大 残余渗碳体溶解 奥氏体成分均匀化,对于亚共析钢（过共析钢），当缓

4、慢 加热到A1以上时，除珠光体全部转化为奥 氏体外，还有少量先共析铁素体转变为奥 氏体（过共析钢二次渗碳体溶解）,随着 温度升高，先共析铁素体不断向奥氏体转 变，当温度高于A3时，组织为单相奥氏体。,二、奥氏体形成的热力学条件,钢加热时组织转变的动力是奥氏体与旧相之间的体积自由能之差Fv，而相变进行的条件是系统总的自由能降低。根据相变理论，奥氏体形成晶核时，系统总自由能变化F为：,F=-Fv+Fs+Fe 式中：Fs形成奥氏体时所增加的表面能 Fe形成奥氏体时所增加的应变能,由于奥氏体是在高温下形成的，其相变应变能Fe很小，可以忽略，故上式可写为：F=-Fv+Fs,显然，只有当Fv能克服因奥氏体

5、形成所增加的表面能Fs时，珠光体才能自发地形成奥氏体，因此奥氏体的形成必须有一定的过热度T。,体积自由能,温度,Fp,FA,A1,T1,Fv,奥氏体形成的热力学条件,三、影响珠光体向奥氏体转变的因素,1、温度的影响 提高温度，原子的扩散能力增大。特别 是碳原子在奥氏体中的扩散能力增大，奥氏 体的形成速率加快。,2、含碳量的影响 钢中含碳量增加，铁素体与渗碳体的相 界面总量增多，有利于加速奥氏体形成。,3、合金元素的影响 钢中加入合金元素，可影响奥氏体的 形成：强碳化物元素（减缓C的扩散，减 缓A的形成）；非碳化物形成元素加速A 形成。,4、钢组织中珠光体越细，奥氏体形成速度越 快（相界面积大）

6、。,5、加热速度越快，奥氏体形成温度升高，形 成速度越快。,四、奥氏体晶粒度及其影响因素,1、奥氏体晶粒度的概念,a、起始晶粒度：指珠光体刚刚全部转变为奥 氏体时的晶粒度。,b、实际晶粒度：指钢在具体的热处理或热加 工条件下实际获得的奥氏体 晶粒度。,c、本质晶粒度：不是指具体的晶粒大小，只 表示钢的奥氏体晶粒长大的 倾向性（易长大，还是不易 长大）。,一般将钢的奥氏体晶粒长大倾向分为两类：,如图：,2,1,930,加热温度,4级,晶粒度级别,Ac1,曲线1：随加热温度的升高，奥氏体晶粒一直长大，逐 渐粗化。,曲线2：一定温度下（Ac1）加热，奥氏体晶粒长大缓 慢，保持细小晶粒，超过一定温度（

7、930后），奥氏体晶粒急剧长大，突然粗化。,凡是符合曲线1的钢本质粗晶粒钢,凡是符合曲线2的钢本质细晶粒钢,一般钢的奥氏体晶粒度分为8级，1级最粗，8级最细。晶粒度1-4级的钢，称为本质粗晶粒钢晶粒度5-8级的钢，称为本质细晶粒钢。镇静钢为本质细晶粒钢，沸腾钢为本质粗晶粒钢。,需经热处理强化的零件一般都采用本质细晶粒钢-镇静钢制作。,2、影响奥氏体晶粒度的因素,高温下，奥氏体晶粒长大，晶界总面积减少，系统自由能降低，是自发过程。,a、奥氏体转化温度越高，晶粒越容易长大；保温时间越长，晶粒越容易长大。,b、奥氏体含碳量越高，晶粒长大的倾向 越大。,c、在钢中加入合金元素 绝大多数合金元素都阻碍奥

8、氏体晶粒长 大，而锰、磷则会加速奥氏体晶粒长大。,第二节钢在冷却时的组织转变,通过加热使钢转变为均匀的奥氏体组织后，仅完成了热处理的加热准备工作，将高温奥氏体以不同的冷却速度冷却，获得所需的组织与性能，才是热处理的最终目的。,高温奥氏体组织是稳定的，如冷却到 A1 以下，奥氏体就处于不稳定状态（过冷态），称为过冷奥氏体。,不同的过冷度，奥氏体发生转变的过程不同：转变开始与转变终了的时间不同 转变后产物的组织与性能不同,一、珠光体型转变高温转变（A1550）,1、转变过程及特点,过冷奥氏体在A1550温度范围内，将分解为珠光体类组织。,当奥氏体被过冷至A1以下温度时，在奥氏体晶界处（含碳量高）优

9、先产生渗碳体的核心，然后依靠奥氏体不断供应碳原子（随着冷却，奥氏体溶解碳的能力下降，碳从奥氏体内向晶界扩散），渗碳体沿一定方向逐渐长大，而随着渗碳体的长大，又使其周围的奥氏体碳浓度下降，这就促使贫碳的奥氏体局部区域转变成铁素体（即渗碳体两侧出现铁素体晶核），在渗碳体长大的同时，铁素体也不断长大，而随着铁素体的长大，必然将多余的碳排挤出去，这就有利于形成新的渗碳体晶核。最终形成了相互交替的层片状渗碳体和铁素体珠光体。,珠光体,转变特点：过冷奥氏体转变为珠光体是扩散型相变。,2、分类,在高温转变区形成的珠光体类组织，虽然都是渗碳体与铁素体的混合物，但由于过冷度大小不同，其片层距差别很大：,A165

10、0,形成的组织层间距较大，在400-500倍的金相显微镜下即可分辨，称为珠光体P。,650600，形成的组织分散度较大，层间距较小，在800-1000倍的金相显微镜下才能分辨，称为索氏体S。,600550，形成的组织，层间距很小，只有在电子显微镜下放大几千倍才能分辨，称为屈氏体或托氏体T。,索氏体,屈氏体,二、贝氏体型转变中温转变（550Ms）,1、转变过程及特点,过冷奥氏体在550Ms（共析钢的Ms约230）温度范围内，转变为贝氏体类组织。,由于过冷度增大，铁原子的扩散很困难，碳原子的扩散能力也显著减弱，扩散不充分，形成渗碳体所需的时间增长。,过冷奥氏体在这一温度范围内的转变产物仍是铁素体和

11、渗碳体的混合物，但它与珠光体有本质的区别：贝氏体转变由于冷却速度快，渗碳体已不能呈片状析出。碳的扩散速度受到很大限制，部分碳来不及析出，固溶在铁素体中形成过饱和的铁素体。,上贝氏体(Upper Bainite),下贝氏体(Lower Bainite),因此，贝氏体型转变产物是:过饱和的铁素体与渗碳体的混合物。,转变特点：过冷奥氏体向贝氏体转变是一种半扩散型相变。,2、分类,贝氏体组织形态比较复杂，根据其中铁素体与渗碳体的分布形态的不同，分为上贝氏体 B上和下贝氏体B下。,上贝氏体B上：是过冷奥氏体在550350范围内的转变产物，其中过饱和铁素体形成密集而相互平行的羽毛状扁片，一排一排地由晶界伸

12、向晶内，渗碳体呈短杆状断断续续地分布在铁素体扁片之间。,上贝氏体由于转变温度较高，渗碳体长得较大,上贝氏体的组织形态决定了其强度较低，塑性、韧性较差。,下贝氏体B下：是过冷奥氏体在350Ms范围 内的转变产物。,其中过饱和的铁素体呈针片状，比较散乱地成角度分布，而极细小的渗碳体质点呈弥散状分布在过饱和铁素体内。在金相显微镜下下贝氏体呈竹叶状特征。,下贝氏体由于转变温度较低，渗碳体来不及长大，而呈质点状,下贝氏体组织具有较高的强度、硬度，良好的塑性、韧性，即具有良好的综合机械性能。,生产上常用等温淬火法来获得下贝氏体组织。,三、马氏体型转变低温转变（MsMz）,1、转变过程,当过冷度很大，奥氏体

13、被快速冷却至Ms时，由于碳原子已无法扩散，上述珠光体或贝氏体等扩散型相变已不可能进行，奥氏体只能进行非扩散型的晶格转变。碳原子来不及扩散，被完全固溶于铁素体内，形成过饱和的铁素体，这种过饱和的铁素体就是马氏体M。,所以：马氏体的含碳量与相应的奥氏体含碳量相同,室温下铁素体的含碳量仅为0.0008%,而马氏体的含碳量与奥氏体相同，故马氏体的过饱和程度很大，此时过饱和的铁素体的某些棱边被撑长，形成了体心正方晶格。,由于碳原子过饱和造成的晶格畸变严重，故马氏体具有很高的硬度，而塑性、韧性较低。,马氏体的高硬度决定了它是钢中的重要强化组织，也是淬火钢的基本组织，凡是要求高硬度、高耐磨性的零件，都需要经

14、过淬火获得马氏体组织。,硬度HRC,含碳量%,合金元素含量,合金元素,碳,马氏体的硬度主要与含碳量有关，与其他合金元素关系不大。因为合金元素在马氏体晶格中，不是处于间隙位置，而是置换了某些铁原子的位置，它对马氏体晶格歪扭和畸变的作用远不及碳的作用大。,2、分类,马氏体按组织形态分为：,a、板条状马氏体 每一马氏体的晶体呈细长的薄板条晶 片平行成束地分布，在金相显微镜下呈板 条状。,板条状马氏体,b、针状马氏体 每一马氏体晶体呈中间厚、两端薄的透 镜式晶片，在金相显微镜下呈针片状或竹叶 状。板条状马氏体主要存在于低碳钢的淬火组织中 针状马氏体主要存在于中、高碳钢的淬火组织中,片针状马氏体,3、转

15、变特点,a、马氏体转变是非扩散型相变 由于过冷度很大，原子来不及扩散。马氏体的晶粒度完全取决于原来奥氏体的晶粒度。,b、马氏体转变是变温转变,马氏体转变是从转变开始点Ms到转变终了点Mz 的一个温度范围内进行的，在某一温度下，只能形成一定数量的马氏体，保温时间的延长并不增加马氏体的数量，要使马氏体的数量增加，只能继续降温。Ms、Mz 与含碳量有关，而与冷却速度无关。,含碳量%,T,Ms,Mz,c、马氏体转变的不完全性 由于马氏体的转变终了温度Mz一般在零下几十度，所以室温下进行马氏体转变不可能获得完全的马氏体 组织，必有一定量的奥氏体组织没有转变这部分 奥氏体组织称为残余奥氏体A，即马氏体转变

16、不完全。,残余奥氏体的存在会显著降低零件的强度、硬度以及耐磨性，此外残余奥氏体是一种不稳定组织，会逐渐分解，引起零件尺寸变化，这对精密零件是不允许的。为了减少残余奥氏体的含量，可将淬火零件继续冷却到零下几十度冷处理，使残余奥氏体转变为马氏体。,残余奥氏体,d、奥氏体转变为马氏体，体积增大 奥氏体比容 珠光体比容 马氏体比容 比容：单位重量的体积值 这个特点，使马氏体内部存在较大的 内应力，易导致零件淬火变形、开裂。,第三节过冷奥氏体转变曲线图,在过冷奥氏体的转变过程中，冷却速度（过冷度）对转变有很大影响。由于冷却速度较高，因此这种相变就不再符合Fe-Fe3C相图所反映的规律。,为了弄清澳实体在

17、冷却过程中组织变化的全过程，找出转变温度、转变时间与奥氏体转变过程及其产物之间的相互关系和转变规律，通常采用两种方法：,一是在不同过冷度下等温测定奥氏体的转变过程，绘出过冷奥氏体等温转变曲线图,二是在不同冷却速度的连续冷却过程中测定奥氏体的转变过程，绘出过冷奥氏体连续转变曲线图,一、过冷奥氏体等温转变曲线图（TTT图）,过冷奥氏体等温转变曲线图是分析过冷奥氏体的转变温度、转变时间、转变产物之间关系的曲线图，即TTT图（Temperature,Time,Transformation），又称C曲线。,1、TTT图的建立（以共析钢为例）,等温转变曲线图是用实验方法建立的。选取一组共析钢试样加热到稍高

18、于A1温度，使其全部转变成均匀的奥氏体，然后分别快速投入不同温度的等温槽中，保持不同的时间，并观察共析钢奥氏体在不同温度下组织的变化。把转变开始与终了的时间记录下来，然后描绘在以温度为纵坐标，一时间为横坐标的图面上，把开始点与终了点分别连接起来，即可得到共析钢奥氏体等温转变曲线。,2、TTT图分析,在共析钢的TTT 曲线中，高于临界点A1的区域为稳定状态的奥氏体区；左边曲线为过冷奥氏体开始转变曲线，右边曲线为过冷奥氏体转变终了线；开始线与纵坐标表之间的区域为过冷奥氏体区。终了线以右区域为转变产物区，两曲线之间为过冷奥氏体转变区（即过冷奥氏体与转变产物共存区）。,从纵坐标到转变开始点的距离（转变

19、开始前的准备时间），叫做“孕育期”，其长短表示某一温度下过冷奥氏体的稳定程度，如550部位孕育期最短（共析钢约1秒左右）；而在700左右，孕育期大于1000 秒，故时间坐标采用对数坐标。不同钢种具有不同形状的过冷奥氏体等温转变曲线。,时间s,温度,Ms,A1,550,转变起始线,转变终了线,共析钢的TTT曲线,3、影响TTT图的因素,a、含碳量的影响,亚共析钢的C曲线随含碳量的增加而右移，即过冷奥氏体的稳定性提高；过共析钢的C曲线随含碳量的增加而左移，即过冷奥氏体的稳定性降低；因此在碳钢中，以共析钢的过冷奥氏体最为稳定，C曲线处于最右端。,亚共析钢C曲线拐点上部区域多一条先共析铁素体转变曲线；

20、过共析钢C曲线拐点上部区域多一条先共析渗碳体转变曲线。,b、合金元素的影响 除钴元素以外，其他所有合金元素溶入奥氏体后，都增加了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。,非碳化物形成元素（Ni,Si,Cu等）不改变C曲线的形状；而碳化物形成元素（Cr,W,V,Mo,Ti等）使C曲线的形状也发生改变。,C、加热温度、保温时间的影响 随着加热温度的提高或保温时间的延长，奥氏体的成分更加均匀，晶粒随之长大，晶界相对减少，未溶质点（碳化物、氮化物等）也显著减少，这些因素都使奥氏体转变时形核困难，提高了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。,V1,V2,V3,Vk,V4,时间,温度,4、C曲线的应用,实际生产中，

21、过冷奥氏体的转变大多数是在连续冷却过程中进行的，但仍可以利用C曲线估计过冷奥氏体转变情况。如图：V1V2V3Vk V4分别表示不同冷却速度的冷却曲线。,V1相当于炉冷，冷却速度约为10/min，V1与C曲线相交于710-650范围内，过冷奥氏体转变产物为100%珠光体，HRC=12V2相当于空冷，冷却速度约为10/S，V2与C曲线相割于650-600范围内，过冷奥氏体转变产物为索氏体组织，HRC=26,V3相当于油冷，冷却速度约为150/S，V3只与C曲线的转变起始线相交，表明一部分过冷奥氏体转变为屈氏体，而剩余部分过冷奥氏体随后冷却到Ms以下，转变为马氏体，从而获得屈氏体与马氏体混合组织，其

22、HRC=45-55,V4相当于水冷，冷却速度600/S，它与C曲线不相交，而直接与Ms相交，过冷奥氏体转变为马氏体（还有小部分残余奥氏体），HRC=60-64,Vk与C曲线相切，称为临界冷却速度。它表示过冷奥氏体不转变为珠光体类产物，而直接转变为马氏体组织的最小冷却速度。Vk 取决于C曲线的位置，C曲线右移，Vk降低，容易获得马氏体组织，即易淬火。,Ps,Pz,K,时间,温度,二、过冷奥氏体连续转变曲线图（CCT图）实际生产中，大多数转变是在连续冷却过程中进行的，定量研究需要测定CCT图。（Continuous Cooling Transformation）方法：金相法，膨胀法，磁性法等。如图

23、：Ps线表示过冷奥氏体转变为珠光体的起始线 Pz 线表示过冷奥氏体转变为珠光体的终了线 K线表示过冷奥氏体转变为珠光体终止线,第四节 钢的退火与正火,一、退火和正火的目的 1、改善钢件的硬度，以便于进行切削加工（最佳切削硬度范围HB170-230）。2、消除残余应力，防止零件变形、开裂。3、细化晶粒，改善组织以提高零件的机械性能。4、为最终热处理（淬火、回火）做好组织上的 准备。,二、退火和正火工艺及应用 1、退火 包括：完全退火，等温退火，球化退火，扩散 退火，去应力退火。,a、完全退火（重结晶退火，退火）应用：亚共析碳钢和合金钢的铸件、锻件、热 轧型材、焊接结构目的：细化晶粒，改善组织，消

24、除残余应力，降低 硬度，提高塑性，便于切削加工。工艺：将亚共析钢加热到Ac3+30-50，保温一定 时间后，随炉缓慢冷却（或埋入沙或石灰中）到500以下，空冷。,b、等温退火 等温退火的目的与完全退火相同。由于完 全退火所需要的时间很长，尤其对于某些奥氏 体比较稳定的合金钢，往往需要数十小时甚至 数天的时间，采用等温退火可明显缩短退火时 间。,等温退火：对应于钢的C曲线上珠光体形成温度进行奥氏体的等温转变处理，而在其前后可以快速冷却。,工艺：加热过程与完全退火相同，Ac3+30-50，保温一定时间后，开炉门较快速冷却到稍 低于A1的某一温度（550-700），在该温 度下保温到奥氏体完全转变为

25、珠光体，然 后空冷。,优点：（）缩短了退火时间（）可以较好地控制组织与硬度（通过选择保温温度）（）工件氧化、脱碳倾向较小,c、球化退火（不完全退火）应用：过共析碳钢和合金钢的刀具、模具、量具、轴承等零件。目的：降低硬度，改善切削加工性，为最终 淬火作准备。,过共析组织为珠光体和网状的二次渗碳体。由于网状二次渗碳体的存在，增加了钢的硬度和脆性，不仅给切削加工带来困难，而且会引起淬火时工件产生变形和开裂。,球化退火工艺：将过共析钢加热到Ac1+30-50，保温后，缓 慢冷却。,由于加热到Ac1+30-50，此时未溶的渗碳体小质点可作为冷却时渗碳体析出的核心，使渗碳体发生球化，变成球状或粒状渗碳体长

26、大，故称为球化退火。,由于加热温度在Ac1+30-50，钢组织没有全部奥氏体化，故称为不完全退火。,经过球化退火的过共析钢，可获得铁素体与球状渗碳体的混合组织，叫做“球化体”，HB163。有的钢种一次球化退火难以达到球化目的，可采用循环退火法（或称周期退火法）进行球化。,Ac1,T,T,Ac1,球化退火,循环退火,s,d、去应力退火去应力退火又叫消除内应力退火，低温退火。目的：主要用于消除铸件、锻件及焊接件、热轧件的内应力。否则，会引起钢件 在一定时间后产生变形，降低耐蚀性。,去应力退火工艺：将钢件随炉缓慢加热（100-150/小时），到500-600（A1），经过一段时间保温后，随炉缓慢冷却

27、（冷速50-100/小时）到300-200以下出炉。,e、扩散退火 目的：是利用高温下原子具有较强的扩散 能力，来减轻或消除钢中化学成分 不均匀现象。由于加热温度高，晶 粒也会因此长大，所以扩散退火后，往往要经过一次完全退火来细化晶 粒。,扩散退火工艺：把钢加热到高于Ac3或Accm 的温度(约1050-1250)，保温较长时间（约10-20小时），然后缓冷。扩散退火主要用于合金钢，尤其是高合金钢的钢锭及铸件。,三、正火工艺及应用,1、定义 所谓正火是指把钢加热到Ac3（亚共析 碳钢）或Accm（过共析碳钢）以上30-50，保温一定时间，随后在空气中冷却。,2、目的 对于亚共析钢，正火的目的与

28、退火相同，主要是 细化晶粒，由于正火冷却速度较快，得到的珠光体组 织较细，且与退火相比，铁素体数量较少（冷速快，铁素体析出少），故碳钢正火处理后强度、硬度均高 于退火处理。对于过共析钢，正火用于消除网状渗碳体。由于 冷速较快，析出的二次渗碳体较小（冷速快，渗碳体 来不及长大），且不易形成连续的网络。,3、正火工艺的主要应用范围：a、用于普通零件作为最终热处理b、用于中、低碳结构钢，作为预先热处理，便 于切削加工c、用于过共析钢，可抑制或消除网状二次渗碳 体的形成，以便在进一步的球化退火中获得 良好的球化体，为淬火做好组织上的准备。,正火比退火生产周期短，耗能低，操作简便，故一般尽可能用正火代替

29、退火，常用中低碳钢的钢材都以正火状态交货。,第五节 钢的淬火 将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上30-50，经保温后，快速冷却获得马氏体的热处理操作称为淬火。,一、淬火的目的1、提高钢的硬度及耐磨性（如工具、轴承等要求 高耐磨性的零件）2、获得良好的综合机械性能（中碳钢经淬火+高温 回火可获得强、韧兼备组织；各种弹簧都要求 强度高、弹性好，一般用高碳钢制作，经淬火+中温回火后，弹性大大提高）3、获得特殊物理、化学性能（许多不锈钢、耐热 钢零件，淬火后可使耐腐蚀、耐热性能提高）。,二、淬火温度的确定 1、亚共析钢 合适的淬火温度为：Ac3+30-50 淬火组织为：马氏体 温度太

30、低（低于Ac3）则淬火后组织中出现 铁素体，导致硬度、耐磨性下降 温度太高，则获得粗大的马氏体组织，钢的 性能恶化，同时引起钢件严重变形。,2、过共析钢 合适的淬火温度为：Ac1+30-50 淬火组织为：马氏体+粒状二次渗碳体 由于渗碳体的硬度高与马氏体，所以当二次渗 碳体以粒状弥散分布于马氏体基体之上时，可 以提高组织的硬度和耐磨性弥散强化,马氏体球状渗碳体,淬火加热温度过高，不仅会得到粗大的马氏体组织，还会引起零件严重的变形甚至开裂，而且由于二次渗碳体随着加热温度的升高会大量溶入奥氏体中，使得Ms、Mz 降低，从而增加了组织中残余奥氏体的含量，影响淬火硬度和耐磨性。淬火温度过低，Ac1则得

31、不到马氏体组织。,对于合金钢，由于奥氏体晶粒长大倾向受到合金碳化物等的抑制，故可适当提高淬火温度。（TC曲线右移）,三、加热、保温时间的确定原则：既要保证工件表面和心部都达到指定的加 热温度，又要保证组织转变充分进行和化 学成分扩散均匀，同时不能使A 晶粒长大。适当的保温时间，对于保证钢的淬火质量，提高劳动生产率很重要。,四、淬火冷却介质,淬火时，通过快速冷却，使奥氏体转变为马氏体，这一过程体积膨胀，内应力很大，所以要使零件在不淬裂、变形小的前提下淬成马氏体，并不是一件容易的事。,根据C曲线，淬火时，要求在650-400范围内快速冷却，以避过C曲线拐点部位，使奥氏体不发生高温、中温组织转变；而

32、冷却到300以下、Ms附近时，则希望冷速慢一些，以免产生太大的内应力导致零件变形、开裂。,最常用的淬火冷却介质是水、油、硝盐浴或碱浴。,水：高温区冷却速度很大，但低温区冷却速度 也大，能淬硬，但易淬裂。油：高温区冷速较低，低温区冷速较合适，淬 不裂，但可能淬不硬且价格高、易燃。碱浴：高温区冷速比水弱，比油强，低温区比 油弱。盐浴：高温区冷速比水弱，比油略弱，低温区 比油弱。,五、常用淬火方法 由于实际冷却介质不能满足淬火要求，所以必须从淬火方法上加以弥补。,1、单液淬火法（普通淬火法）将加热后的钢件放入一种淬火冷却介质中 冷却。单液淬火法操作简单，易实现自动化操作，但存在明显缺点：水淬易变形、

33、开裂；油淬硬 度不足，只适用于形状简单的工件。,2、双液淬火法（水淬油冷法）对于形状复杂的高碳钢零件，为了防止淬火后产生过大的变形或开裂，可在水中淬火至Ms附近，然后立即放入油中（或空气）继续冷却，故双液淬火法又称水淬油冷法。用这种方法既能淬硬，又能防止淬裂。缺点：对操作技术要求较高。适用于高碳钢形状复杂的零件。,3、分级淬火法 不管是单液淬火法，还是双液淬火法，都 存在零件表面与心部温差较大，易产生较大的 热应力导致零件变形、开裂的问题，分级淬火 法能很好地解决这个问题。,所谓分级淬火法就是：先将加热好的零件淬 入温度稍高于 Ms 的盐浴或碱浴中，保持一定时 间，使零件表面与心部的温度均匀并

34、与热浴一致，然后取出空冷，在热浴中停留的时间以不发生奥 氏体中温转变为宜。缺点：冷却能力较低，只适用于小尺寸零件。,4、等温淬火法 将加热好的零件淬入温度稍高于 Ms 的盐 浴或碱浴中，保温足够的时间，使奥氏体等温 转变为下贝氏体组织，然后空冷至室温。等温淬火法可获得强、韧兼备的组织，且 零件的内应力可减低到最小程度，不易变形。缺点：生产周期长，仅适用于形状复杂的小零件。,5、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,6、冷处理 高碳钢、合金钢的Mz都在零下几十度，为了减少残余奥氏体的数量

35、，可在淬火后进 行冷处理，即加热零件淬火至室温后，再放 入低温槽中继续冷却，使残余奥氏体转变为 马氏体。冷处理介质：干冰（-80）、液化乙烯（-107）、液氮（-192）冷处理的目的：稳定尺寸，提高硬度。,第六节 钢的淬透性一、什么叫淬透性 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Vk，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、屈氏体、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Vk，则沿工件截面均获得马氏体组织，即钢

36、被淬透。,屈氏体马氏体,所谓钢的淬透性是指:钢在淬火冷却时，获得淬透层深度的能力（获得马氏体层厚度的能力）。,如何定义淬透层深度：从表层马氏体到半马氏体（50%马氏体）处的深度。获得马氏体层的厚度越大，即淬透层深度越大，钢的淬透性越好。,注意：钢的淬透性与淬硬性是两个不同的概念。淬硬性是指钢在淬火后所能获得的最大硬度值。它主要取决于含碳量，含碳量越高，淬硬性越大，但淬硬性的钢淬透性不一定好，钢的淬透性受很多因素的影响。,HRC,b,0.2,Ak,HRC,b,0.2,Ak,淬透件,未淬透件,二、淬透性对钢机械性能的影响 1、对机械性能的影响 将淬透性不同的两种钢制成直径相同的轴,进行淬 火+高温

37、回火热处理（调质），其中一件完全淬透，另 一件未淬透，两者的机械性能比较见图：,s/b,(RM-RQ)，HRC,2、淬火不完全程度与屈强比的关系 如图，（RM-RQ）表示淬火不完全程度，HRC RM表示淬火最高硬度（100%马氏体硬度），HRC RQ表示淬火的实际硬度，HRC(RM-RQ)越大，表示淬火不完全程度越大 可见，(RM-RQ)越大，s/b越小，对材料强度的利 用率越低（零件在工作中不允许出现塑性变形）。,-1,100%马氏体,20%马氏体,3、淬火钢中马氏体含量对回火后钢的疲劳极限的影响 淬火后马氏体含量越高，回火后钢的疲劳极限越高综上：零件截面尺寸越大，淬透性对机械性能的影响越大

38、。,三、影响钢淬透性的因素 影响钢淬透性的决定因素是临界冷却速 度Vk，Vk越小，淬透性越大。临界冷却速度与C曲线的位置有关，C曲 线越右，Vk越小。,1、含碳量的影响亚共析钢，C%C曲线右移Vk淬透性过共析钢，C%C曲线左移Vk 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，Vk，淬透性提高，故合金钢的淬透性大大高于碳钢。,3、奥氏体化温度的影响 提高温度或延长保温时间，可使 C曲线 右移，Vk，淬透性提高，但作用有限，因 为奥氏体晶粒会长大。,四、淬透性的测定方法,最常用的是末端淬火法（端淬法）测定钢的淬透性。将25100mm 的标准试样加热

39、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。,端淬试样冷却后，沿其长度方向磨出一狭条平面，每隔一定距离测量硬度值，可以绘出淬透性曲线，对应于半马氏体的硬度点至末端的距离d，就是淬透层深度，d越大，钢的淬透性越好。45：d=3.3mm；40Cr：d=10.5mm,表示方法：J*/d J末端淬透性 d至水冷端（末端）的距离，mm*此处的实测硬度值，HRC J45/10-15表示距末端10-15mm处，淬火硬度为45HRC。J42-45/10 表示距末端10mm处，淬火硬度为42-45HRC。,五、机械零件设计中对钢淬透性的考

40、虑（选材）1、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。2、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）。3、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。,4、小尺寸试样的性能数据，不能用于大尺寸工 件的强度计算。5、淬透性低的大尺寸零件，淬火应安排在切削 加工之后进行。6、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,第七节 钢的回火,一、回火的概念 将淬火钢件重新加热到A1以下某一温 度，经保温，冷却到室温的操作，称为回火。,二、回火的目的 淬火后钢的组织为马氏体、残

41、余奥氏体、过共析钢还有少量渗碳体，而马氏体组织硬 度高，脆性大，组织不稳定，且淬火后钢件 存在较大的内应力，易导致钢件变形、开裂，故淬火后应及时进行回火。通过回火，马氏体、残余奥氏体可转变 为比较稳定的组织，内应力也被消除，组织 脆性降低，零件尺寸稳定。,三、淬火钢回火时组织与性能的变化,（一）马氏体的分解,从室温到200左右范围内回火时，马氏体中一部分过饱和的碳以及细小的-碳化物（FexC或Fe2.4C）形式析出，并分布在马氏体基体上，使马氏体中的含碳 量下降，体心正方的正方度c/a 减小（即过饱和程度降低），使马氏体的脆性下降，硬度稍降。,此时组织为：过饱和程度稍低的马氏体和极细小的-碳化

42、物组成的混合组织，称为“回火马氏 体组织”，M回。-碳化物：是一非平衡相，使向Fe3C转变 的过渡相。,（二）残余奥氏体的转变,约在 200-300，马氏体继续分解的同时，残余奥氏体也发生转变，变成了下贝氏体组织。此时主要组织仍是回火马氏体，但由于加热温度较高，马氏体的过饱和程度进一步降低，组织的硬度降低，塑性提高。由于残余奥氏体转变为硬度较高的下贝氏体，因此钢的硬度下降不大。此时组织为“回火马氏体+下贝氏体”。,（三）渗碳体形成和铁素体恢复,约在300-400之间，固溶体中过饱和 的碳逐渐析出，-碳化物转变为稳定的较小 的Fe3C颗粒，固溶体中的含碳量几乎达到 平衡成分，故马氏体变成铁素体（

43、c/a1），体心正方晶格变成体心立方晶格。此时组织为：“铁素体与弥散在其中的细粒状渗碳体的混合 物”,称为“回火屈氏体”，T回。,（四）渗碳体的聚集长大和铁素体的再结晶,约在400-650 之间，渗碳体不断聚集长 大，内应力与晶格歪扭完全消除，组织是由铁 素体和球化的渗碳体所组成的混合物，称为“回 火索氏体”，S回。此时，碳固溶强化作用消失，强度取决于 Fe3C质点的尺寸和弥散度。回火温度越高，渗 碳体质点越大，弥散度越低，强度越低。,回火索氏体组织具有良好的综合机械性能，即强、韧兼备。,回火组织较正火组织具有较高的强度、韧性。,若继续升温到650以上，渗碳体继续粗化，组织变为强度更低的球状珠

44、光体组织，综合机械性能下降，一般不用。,四、回火的分类 低温回火：150-250 组织为M回 硬度：HRC58-64 中温回火：350-500 组织为T回 硬度：HRC35-45 高温回火：500-650 组织为S回 硬度：HRC23-35 淬火+低温回火工具、量具、轴承等，提高硬度、耐 磨性 淬火+中温回火各种弹簧，提高s/b 淬火+高温回火调质，轴、齿轮、交变载荷零件，综 合机械性能,注：在250-350范围内回火很少使用，因为在此温度范围内，从马氏体中析出的碳化物呈细片状，从而引起钢的脆性，称为低温回火脆性。当温度超过350，碳化物转变为颗粒状的Fe3C，钢的韧性恢复。,其它回火：某些高

45、合金钢在640-680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 100-150进行长时间回火（10-50h），称为“尺寸稳定处理”或“时效处理”。,第八节 钢的表面淬火,承受交变载荷、冲击载荷的零件，表面比心部承受较高的应力，且表面由于受到磨损、腐蚀等，故零件表面失效较快，需进行表面强化，使零件表面具有较高的强度、硬度、耐磨性、疲劳极限、耐腐蚀性；而心部仍保持足够的塑性、韧性，防止脆断，即具有“外硬内韧”组织。,一、表面淬火的概念,表面淬火是通过对钢件表面快速加热与立即冷却相结合，在零件表面获得淬火马氏体层的热处理方法。,快速加热使钢表面很快达到

46、淬火温度，迅速冷却使热量不能传递到零件中心，这样零件表面被淬成马氏体组织，而心部仍为未淬火组织，从而获得“外硬内韧”组织。,二、表面淬火用钢 表面淬火用钢的含碳量以 0.40%-0.50%为宜(中碳钢),因为含碳量太高,尽管表面淬硬 性增大,但心部塑性降低;而含碳量太低,尽管 心部塑、韧性提高,但表层淬火硬度不足。（这也是物理热处理的局限性：简单但作用有限）,三、表面淬火的分类 根据加热方式的不同，表面淬火可分为：感应加热表面淬火 火焰加热表面淬火 电接触加热表面淬火 激光加热表面淬火 等离子体加热表面淬火 工业上使用最多的是,四、感应加热表面淬火 通过使零件表面产生一定频率的感 应电流，将零

47、件表面迅速加热到淬火温 度，然后迅速喷水冷却的一种表面淬火 方法。,1、感应加热的原理 零件放在感应器（空心铜管绕成）中，感应器中通以中频或高频交流电（500-300000Hz）以产生交变磁场，于是零件表面就有感应产生同频率的感应电流。这种感应电流在零件表层电流密度很大，离开表层则很快衰减，零件内部感应电流几乎为零集肤效应，且频率越高，电流集中层越浅。,由于零件本身存在电阻，因此集中于表层的电流，可使零件表层迅速被加热，在几秒钟内升温到 800-1000，而心部温度接近室温，经迅速喷水淬火冷却，使零件表层淬硬，心部仍保持较好的塑性、韧性。,2、感应加热频率的选用 感应电流集中层的厚度取决于电流

48、频 率，频率越高，集中层越薄，即淬透层越 薄，因此可通过控制电流频率来控制淬硬 层深度，非常方便。高频加热：100-500KHz，常用200-300KHz 中频加热：500-10000Hz,常用2500-8000Hz 工频加热：50Hz,3、感应加热表面淬火的特点 优点：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：设备投资大

49、，只适用于外形简单的零件，形状复杂的零件，感应器不易制造。,4、表面淬火的预热处理 为了保证淬火质量，改善零件心部机械性能，表面淬火前，可进行正火或调质预热处理。对心部机械性能要求不高的零件，可进行正火预热处理；对心部机械性能要求高的零件，可进行调质预热处理。,五、火焰加热表面淬火,用氧-乙炔、氧-煤气混合气体燃烧产生的火焰，喷射在零件表面，使之快速升温，当温度达到淬火温度时，迅速喷水冷却，从而获得表面淬硬层的淬火方法。火焰加热表面淬火的淬硬层一般为26mm，若要获得更深的淬硬层，则会引起零件表面过热，且易淬裂。,优点：简单，不需特殊设备，操作灵活，尤适合 局部表面淬火。缺点：生产效率低，淬火

50、质量不稳定，表面易过 热。,六、等离子体加热表面淬火 等离子体：气体放电过程中所形成的有关 离子的集合体。等离子体加热表面淬火，能耗低，效率高，设备便宜，是激光加热表面淬火的替代技术。,前述热处理，都属于物理热处理，简单而有效，这是这种古老技术目前仍广泛使用的原因。由于没有改变材料的化学成分，因此其作用是有限的。例如：表面淬火中碳钢。,第九节 钢的化学热处理,表面淬火，钢材的合适含C量为0.40.5%。由于表层性能与心部性能矛盾“外硬内韧”，只能选用中碳钢来制作，虽然既照顾了“外硬”，又兼顾了“内韧”，但“外硬”与“内韧”的水平都不高。,要解决这一问题，可以采用化学热处理的方法。化学热处理与物