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1、1 热处理定义 将钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以获得预期组织和性能的工艺。,保温,冷却,加热,温度/,时间/s,0,临界温度,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。,3.1 概 述,一、热处理概述,2、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。,3、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。,4.热处理目的和应用范围 目的：改变钢的性能；应用范围：整个制造业。5.热处理的分类 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
2、定的温度、时间、介质等参数。,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：,6.预备热处理与最终热处理预备热处理：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。,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30-50/h 的速度加热或冷却时测得的.,7.临界温度与实际转变温度 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，因此将钢加热时的实际转变温度分别,加热
3、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,1.奥氏体的形成过程 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：,二、钢在加热时的转变,第一步 奥氏体晶核形成：首先在F与Fe3C相界形核。第二步 奥氏体晶核长大：A 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。,亚
4、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F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.,2.奥氏体晶粒长大及其影响因素,1、奥氏体晶粒长大 起始晶粒度：珠光体向奥氏体转变刚刚完成时的晶粒度,此时晶粒细小均匀。实际晶粒度：钢在某一具体加热条件下的晶粒度；本质晶粒度：度量钢本身晶粒在930以下，随温度升高,晶粒长大的程度，表示奥氏体长大倾向。,通常将钢加热到940 10奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒保留到室温来判断。A 晶粒度为1-4 级的是本质粗晶粒钢,5-8 级的是本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。,随加热温度升高或保温
5、时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这也是一个自发的过程。奥氏体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同。,2、影响奥氏体晶粒长大的因素加热温度和保温时间：加热温度高、保温时间长，A 晶粒粗大。加热速度：加热速度越快,过热度越大,形核率越高,晶粒越细。,钢的化学成分 碳含量：在一定范围内，随着奥氏体中碳含量增加，晶粒长大倾向增大，但碳量超过一定值后，碳能以未溶碳化物状态存在，反使晶粒长大倾向减小 合金元素：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。促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。原始组织:平衡状态的组织有利于获得细晶粒。奥氏体晶粒
6、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。,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。那么奥氏体在冷却时转变成什么产物？有什么规律呢？,三、钢在冷却时的转变,连续冷却转变使加热到奥氏体化的钢连续降温进行组织转变 等温冷却转变使加热到奥氏体化的钢以较快的冷却速度冷到A1以下某温度保温，在等温下发生组织转变。,冷却方式,过冷奥氏体的等温冷却转变,建立共析钢过冷奥氏体等温
7、冷却转变曲线-TTT曲线(C 曲线),T-timeT-temperatureT-transformation,1.过冷奥氏体的转变产物及转变过程 当温度在A1以上时,奥氏体是稳定的。当温度降到A1以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体。过冷A是不稳定的，会转变为其它的组织。钢在冷却时的转变，实质上是过冷A的转变。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。现以共析钢为例说明：,2.共析碳钢 TTT 曲线的分析,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;扩散型转变;P 转
8、变区。,550230;中温转变区;半扩散型转变;贝氏体(B)转变区;,230-50;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。,A1,Ms,Mf,3.转变产物（1）珠光体转变 过冷奥氏体在 Ar1到 550间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物。,根据片层厚薄不同,又细分为珠光体、索氏体和屈氏体.,珠光体型(P，Pearlite)转变(Ar1550，扩散性转变）:,Ar1650:P;525HRC;片间距为0.60.7m(500)。,650600:细片状P-索氏体(S);片间距为0.20.4m(1000);2536HRC。,600550:极细片状P-屈氏体(T);片
9、间距为0.2m(电镜);3540HRC。,（2）贝氏体（Bainite，半扩散性转变）,中温转变：550 Ms点转变特点：半扩散型，铁原子不扩散，碳原子有一定的扩散能力。转变产物：贝氏体，即Fe3C或碳化物分布在含碳过饱和的铁素体上的两相混合物。,上贝氏体：550 350，呈羽毛状,小片状Fe3C分布在F体条间。强度和韧性差。下贝氏体：350 Ms点，呈针状,韧性高，综合力学性能好。,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。,当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织。马氏体转变是强化钢的重要
10、途径之一。马氏体（Martensite）概念：碳在-Fe中的过饱和固溶体。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。,马氏体组织,（3）马氏体型转变（非扩散性转变）,1）马氏体的晶体结构:由于碳的过饱和作用,使-Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格（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。,2）马氏体的形态马氏体的形态分板条状和针状两类。板条状马氏体立体形态为细长的扁棒状在光镜下板条状马氏体为一束束的细条组织。,针状马氏体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
11、孪晶，又称孪晶马氏体。,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时几乎全部是针状马氏体.C%在0.21.0%之间为板条与针状的混合组织。,45钢正常淬火组织,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.,3）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
12、对马氏体硬度的影响不大。板条状马氏体：强度高、韧性好；针状马氏体：强度和硬度高，韧性差。,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。,4）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。,降温形成 马氏体转变开始的温度称上马氏体点，
13、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。,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。,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。,过冷奥氏体转变产物（共析钢）,4.过冷奥氏体的连续冷却
14、转变,过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT(Continuous-Cooling-Transformation diagram)曲线，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。,共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图,PZ,Ps,A+P,K,Ms,Mf,Ps AP 开始线Pz AP 终止线K P型转变终止线Vk 上临界冷却速度 MS A M 开始温度 Mf A M 终止温度,过冷A的连续冷却转变曲线（CCT曲线)中，共析钢以大于Vk（上临界冷却速度）的速度冷却时,得到的组织为M。冷却速度小于Vk（下临界冷却速度）时,钢将全部转变为P型组织。共析钢过冷A在连续冷却转变时得不到B组织。在P转变区之
15、下多了一条转变中止线。与共析钢的TTT曲线相比，共析钢的CCT曲线稍靠右靠下一点，表明连续冷却时，A完成珠光体转变的温度较低，时间更长。当连续冷却曲线碰到转变中止线时，P转变中止，余下的A一直保持到Ms以下转变为M。,共析碳钢 TTT 曲线与CCT曲线的比较,图中的Vk 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.Vk 为TTT曲线的临界冷却速度.Vk 1.5 Vk。,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。,3.2 钢的退火和正火,最终热处理:
16、淬火;回火，目的-使工件获得所要求的性能。,一般零件生产的工艺路线:,一、钢的退火(Annealing of steel),定义:将钢件加热到高于或低于钢的临界点，保温一定时间，随后在炉内或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，以获得接近平衡的组织的热处理工艺。,目的:,调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB。消除内应力，防止加工中变形。细化晶粒，改善组织，均匀成分，提高力学性能。(4)为最终热处理作组织准备。,种类,退火,重结晶退 火,低温退火,完全退火,扩散退火,球化退火,再结晶退火,去应力退火,普通退火,等温退火,普通球化 退 火,等温球化 退 火,退火工艺,1.完全退火工
17、艺：将工件加热到Ac3+3050保温后缓冷（炉冷）的退 火工艺。目的：细化晶粒，消除应力，均匀化组织，降低硬度，便 于切削加工。适于钢种：亚共析钢（包括合金钢）的铸、锻、焊件。低 碳钢及过共析钢不宜。组织：F+P（或P）。,2.等温退火 亚共析钢加热到Ac3+3050,共析、过共析钢加热到Ac1+30 50，保温后快冷到Ar1以下的某一温度下停留，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，更适合于孕育期长的合金钢。等温转变F+P。除冷却方式外，其他均与完全退火相同。,高速钢等温退火与普通退火的比较,3.球化退火 球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。,工艺：将工件加热到Ac1+
18、30-50 保温后缓冷，或者加热后冷却到略低于 Ar1 的温度下保温，使珠光体中的渗碳体球化后出炉空冷。目的：降低硬度,改善切削性,为淬火作好准备。（使Fe3C球化）适于钢种：（过）共析钢及合金钢。组织：球状P（F+球状Fe3C）,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。,4.扩散退火工艺：加热至Ac3+（150300），长时间保温，然后炉冷。目的：使成分、组织均匀适于钢种：合金钢铸件及锻坯。组织：不变。但可能出现过热，且工件烧损严重。5.再结晶退火工艺：加热加热至T再+1
19、50250，保温后空冷。目的：消除加工硬化，恢复原来的组织。适于工件：冷扎、冷拉、冷冲等冷加工件。6.去应力退火工艺：加热至Ac1以下100200，保温，炉冷至200以下空冷。目的：去应力，以防钢件的变形及开裂。适于工件：铸、锻、焊接件及冷加工件。组织：不变。,消除内应力,500650,去应力退火,消除加工硬化,TR+3050,再结晶退火,过共析、共析钢,使Fe3C球化HRC，韧性，切削性为淬火作组织准备,Ac1+2030,球化退火,亚共折钢、共析钢,细化晶粒，均匀化组织降低硬度 切削性消除内应力,Ac3+3050,完全退火,高合金钢,均匀钢内部的化学成分,略低于固相线,扩散退火,适用钢种,退
20、火目的,加热温度,退火工艺,二、钢的正火(Normalizing of steel),定义:把零件加温到临界温度以上3050,保温一段时间,然后在空气中冷却。加热：亚共析钢加热到Ac3+30 50，共析钢加热到Ac1+3050，过共析钢加热到Accm+30 50。冷却：空冷正火比退火冷却速度大。,目的:对于低、中碳钢(0.6C%)，目的与退火的相同。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。普通件最终热处理。,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。,热处理后的组织:S+Fe3C(过共析钢)S+F(亚共析钢0.6%C)S(共析钢)b、HR，k，、不
21、下降。,应用范围:预备热处理:调整低、中碳钢的硬度;消除过共 析钢中的Fe3C；淬火、球化退火前改善组织。最终热处理:细化晶粒，组织均匀化；用于力学 性能要求较高的普通零件。,正火和退火的区别,正火的冷却速度比退火稍快，过冷度较大；正火后所得到的组织比较细，强度和硬度 比退火高一些。,退火与正火的选择,含碳量0.25的低碳钢，通常采用正火代替退火。因为较快的冷却速度可以防止低碳钢沿晶界析出游离三次渗碳体，从而提高冲压件的冷变形性能；用正火可以提高钢的硬度、低碳钢的切削加工性能；在没有其它热处理工序时，用正火可以细化晶粒，提高低碳钢强度。含碳量在0.250.5之间的中碳钢也可用正火代替退火，虽然
22、接近上限碳量的中碳钢正火后硬度偏高，但尚能进行切削加工，而且正火成本低、生产率高。,含碳量在0.50.75之间的钢，因含碳量较高，正火后的硬度显著高于退火的情况，难以进行切削加工，故一般采用完全退火，降低硬度，改善切削加工性。含碳量 0.75的高碳钢或工具钢一般均采用球化退火作为预备热处理，如有网状二次渗碳体存在，则应先进行正火消除。退火是将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。缓冷是退火的主要特点，退火件一般随炉冷却至550以下时出炉空冷。退火是应用非常广泛的热处理，在工模具或机械零件等的制造过程中，经常作为预备热处理安排在铸锻焊之后，切削（粗）加工之前，用以消除前一道
23、工序所带来的某些缺陷，并为随后的工序做好准备。,例题,用含碳量为1.0%钢的T10钢制造形状简单的车刀和用含碳量为0.45%的45钢制造重要的螺栓,工艺路线均为：锻造热处理机械加工热处理精加工,对两种工件：说明预备热处理的工艺方法及其作用。,3.3 钢的淬火和回火,钢的淬火,淬火温度 淬火冷却 淬火方法 钢的淬透性和淬硬性,钢的回火,回火时的组织转变 回火的分类及其应用,一、钢的淬火(Quenching of steel),定义:把零件加温到临界点温度以上30 50，保温一段时间，然 后快速冷却(水冷)，以获得马氏体组织(或下贝氏体组织)的一种热处理工艺。,目的:是使过冷奥氏体进行马氏体(或下
24、贝氏体)型转变，得到马氏体或下贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，获得所需的力学性能(提高钢的硬度和耐磨性)。,淬火温度的选择,在具体选择钢的淬火加热温度时，除了遵循一般原则外，还应考虑工件的化学成分、技术要求、尺寸形状、原始组织以及加热设备、冷却介质等诸多因素的影响，对加热温度予以适当调整。,图 碳钢的淬火加热温度范围,(1)碳钢1)亚共析钢,淬火温度:Ac3+30-50。过高:M粗大，钢件易变形开裂；过低:容易出现淬火软点。组织主要为M板。预备热处理组织:退火或正火组织。,亚共析钢淬火组织：0.5%C时为M0.5%C时为M+A。,65MnV钢(0.65%C)淬火组织,45钢(含0.45%
25、C)正常淬火组织,45钢的A3=780，其淬火温度为840860,在Ac1 Ac3之间的加热淬火称亚温淬火。,亚温淬火组织为F+M，强硬度低，但塑韧性好.,2)共析钢淬火温度:Ac1+30-50；淬火组织:M+A。,3)过共析钢淬火温度:Ac1+30-50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。如T8、T12钢的Ac1=737，其淬火温度为770790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,淬火温度过高A粗大M粗大力学性能，淬火温度过高A粗大M粗大淬火应力变形，
26、开裂,(2)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。亚共析钢淬火温度为Ac3+50100。共析钢、过共析钢淬火温度为Ac1+50100。,淬火后的组织,M+Fe3C+A残,Ac1+3050,过共析钢,M+A残,Ac1+3050,共析钢,M+A残,Ac3+3050,亚共析钢Wc0.5%,M,Ac3+3050,亚共析钢Wc0.5%,第四章 金属热处理,解决此矛盾，方法有二：一是选择理想的淬火介质（具有理想冷速的淬火介质）。二是改进淬火的冷却方法。什么是理想冷速？,淬火冷却介质,理想的淬火冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在Ms附近尽量缓冷，以达
27、到既获得马氏体组织，又减小内应力的目的。,淬火介质理想：650以上，慢，减小热应力 650-400，快，避免C曲线 400以下，慢，减轻相变应力,理想淬火冷却曲线示意图,不同淬火方法示意图,但目前还没有找到理想的淬火介质。常用淬火介质是水和油。1）水。冷速快，但和理想冷速相反，主要用于小尺寸形状简单碳钢工件的淬火。2）盐水。冷速更快，较为理想：在C曲线的鼻温附近冷速快，但300以下仍很快，钢件易变形及开裂。3）油。冷却能力差，在300以下冷速低，有利于减少变形与开裂，主要用于形状复杂的中小合金钢工件的淬火。4）碱浴和盐浴。主要用于尺寸小、形状复杂、对变形要求严格的工模具钢工件的淬火。,单液淬火
28、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。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。,分级淬火法在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后再取出缓冷。可减少内应力，用于小尺寸工件。,等温淬火法将工件在稍高于 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。,钢的淬透性(Hardenability of
29、steel),定义:是指钢在淬火时所能得到的淬硬层(马氏体组织占50%处)的深度，或者说钢得到马氏体的能力。主要受奥氏体中的碳含量和合金元素的影响。评价参数：钢材淬透性好与差，常用淬硬层深度来表示。淬硬层深度越大，则钢的淬透性越好。淬硬层深度：一般规定为工件表面至半马氏体（50%M+50%P）之间的深度。,钢的淬透性取决于临界冷却速度Vk，Vk越小，淬透性越高，Vk 越大,钢的淬透性越小。影响冷却速度VK最根本的是化学成分和奥氏体化条件。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。,影响钢的淬透性的因素:,影响淬透性的因素,含碳量：亚共析钢，
30、含碳量增加，奥氏体的稳定性增大，曲线右移，淬透性提高；过共析钢，随着含碳量增加，奥氏体的稳定性降低，曲线左移，淬透性降低(未溶渗碳体促进奥氏体分解)。合金元素：除Co外，绝大多数合金元素溶入奥氏体后，都使曲线右移，形状也可能会发生改变，使淬透性提高。加热温度和保温时间：随加热温度的提高和保温时间的延长，碳化物溶解充分，奥氏体成分均匀，晶粒粗大（总形核部位减少），这些都增加过冷奥氏体的稳定性，使曲线右移，提高了钢的淬透性。钢中未溶第二相：未溶第二相越多，作为结晶核心，使A体不稳定，C曲线左移，淬透性下降。,即用 表示，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
31、度。,淬透性的表示方法用淬透性曲线表示,钢的淬硬性(Hardening of steel),定义:是指钢在淬火后所能达到的最高硬度硬化能力。评价参数：最高硬度。,影响钢的淬硬性的因素:主要取决于马氏体的含碳量。,注意以下两点区别：,淬透性与实际工件淬硬层深度的区别：同一钢种不同截面的工件在同样奥氏体化条件下淬火，其淬透性是相同的。但是其淬硬层深度却因工件的形状、尺寸和淬火冷却介质的不同而异。淬透性是钢本身所固有的属性，淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。而实际工件的淬硬层深度除了取决于钢的淬透性外，还与工件的形状、尺寸及采用的淬火介质等外界因素有关。钢的淬透性与淬硬性的区别：概念和影响因素不同。,
32、淬硬性与淬透性之间的关系:,淬透性的大小对钢的热处理（淬火+高温回火）后的力学性能的影响：,二、钢的回火(Tempering of steel),1.定义：把淬火后的钢重新加热到A1线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到室温的热处理工艺。回火是紧接在淬火后的一道工序，是热处理的关键工序，回火决定了钢在使用状态的组织和寿命。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。,2.目的：减少或消除淬火应力,防止变形和开裂。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。获得所需要
33、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。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。,马氏体分解（100200）回火M(低过饱和碳化物)残余奥氏体的分解（200300）B下碳化物的转变（250400）碳化物转变为Fe3C渗碳体的聚集长大和相再结晶（400）成为粒状Fe3C，600后粗化,3.淬火钢回火时组织变化,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。,马氏体分解(100200),100回火时，钢的组织无变化。100-200加热时，马氏体将发生分解，从淬火马氏体中析出-碳化物薄片(-FeX
34、C)，使马氏体过饱和度降低。部分残余奥氏体转变为下贝氏体，但量不多。析出的有共格关系的碳化物以细片状分布在马氏体基体上，这种组织称回火马氏体，用M回表示。所以低温回火后组织为M回+A残。,MM回（相+-FeC）0.25%23,0.2%C 时，不析出碳化物。只发生碳在位错附近的偏聚。,残余奥氏体转变(200300),马氏体分解完成和碳化物的转变（300400）,200-300时,由于马氏体分解，奥氏体所受的压力下降,Ms 上升，A分解为-碳化物和过饱和铁素体，即M回或B下。,发生于250-400，此时，-碳化物溶解于F中，并从铁素体中析出Fe3C。到350,马氏体含碳量降到铁素体平衡成分,内应力
35、大量消除，M回转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状Fe3C组织，称回火托氏体，用T回表示。,铁素体的回复、再结晶和碳化物的聚集长大（400）,400以上,Fe3C开始聚集长大。450 以上铁素体发生多边形化，由针片状变为多边形。这种在多边形铁素体基体上分布着细小的颗粒状Fe3C的组织称回火索氏体，用S回表示。,钢的回火温度和力学性能之间的关系,钢在回火时，随着温度的增加，其组织、性能将发生变化，通常是强度、硬度降低，而塑性、韧性增加。,回火时的性能变化规律,200以下，由于马氏体中碳化物的弥散析出，钢的硬度并不下降，高碳钢硬度甚至略有提高。200-300，由于高碳钢中A转变为M回,
36、硬度再次升高。大于300,由于Fe3C粗化，马氏体转变为铁素体,硬度直线下降。,低温回火,温度：150 250。组织：在低温回火时，从淬火马氏体内部会析出碳化物薄片（Fe2.4C),马氏体的过饱和度减小。部分残余奥氏体转变为下贝氏体,但量不多可忽略。所以亚共析钢低温回火后组织为回火马氏体(M回)。过共析钢低温回火后组织为回火马氏体碳化物残余奥氏体。目的：部分降低淬火应力和脆性，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度(一般为58 HRC64 HRC)和高耐磨性。用途：主要用于处理各种高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳和表面淬火的零件。,4.回火的种类及其特点,中温回火,温度：350 500。组织：得到
37、铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，叫做回火屈氏体(T回)。铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。目的：内应力基本消除，获得高的弹性极限和一定韧性。回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35 HRC45 HRC。用途：主要用于处理各类弹簧，部分模具以及承受小能量、多次冲击载荷的零件。,高温回火,温度：500 650。组织：得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织，称回火索氏体(S回)。目的：获得较高的综合力学性能。回火索氏体综合力学性能最好,即强度、塑性和韧性都比较好，硬度一般为25 35HRC。通常把淬火加高温回火称为调质处理。用
38、途：要求综合力学性能好的中碳结构钢和低合金结构钢制造的各种重要的结构零件，各种重要的机器结构件，是受交变载荷的零件，如连杆、轴、齿轮等最重要的热处理工序之一。也是表面热处理、化学热处理、某些精密工件如量具、模具等常用的预备热处理工序之一。,心部：硬度低，韧性高,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,在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热处理方法，都不能满足其要求。,低碳钢：可满足心部要求，表面要求不能满足；高碳钢：可满足表面要求，心部要求不能满足；,解决这一问题的方法是表面热处理和化
39、学热处理,3.4 表面淬火和化学热处理,表面热处理概念：指仅对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺；分类：表面淬火和化学热处理；应用范围：主要是某些在冲击载荷、交变载荷及摩擦条件下工作的机械零件，如曲轴、凸轮轴、齿轮等；工艺的核心:使零件具有“表硬里韧”的力学性能。,一、表面淬火,定义:表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。目的:心部保持较高的综合力学性能，获得高硬度的表面层，以提高工件的耐磨性和疲劳强度。表面淬火用钢：选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。表面淬火加热的方法：感应加热(高、中、工频)、火焰加热、激光加热
40、等。,感应加热表面淬火 1原理 交变磁场感应电流工件电阻加热，集肤效应 表面加热 2分类 a.高频 200-300KHz，淬硬深度 0.5-2mm 小工件 b.中频2500-8000Hz 淬硬深度2-5mm 尺寸较大的工件 c.低频 50Hz 淬硬深度10-15mm 大型工件 d.超音频 30-40KHz 3钢种 中碳钢和中碳低合金钢 磨损部位（高硬度，耐磨）,加热速度快 几秒几十秒b.加热时实际晶粒细小，淬火得到极细马氏体，硬度，脆性c.残余压应力提高寿命d.不易氧化、脱碳、变形小e.工艺易控制，设备成本高,4特点,锻造退火或正火粗加工调质精加工表面淬火低温回火（粗磨时效精磨）,5工艺路线,
41、感应加热表面淬火示意图,集肤效应示意图,工艺要求*表面淬火前，必须对零件进行正火或调质处理，以保证零件有良好的基体。*表面淬火后，必须对零件进行低温回火处理，以降低淬火应力和脆性。,生产特点 淬火件的质量好；工件变形小；不易氧化及脱碳;淬火层容易控制；生产率高。设备投资大,不适于复杂形状零件和小批量生产。,二、化学热处理(Chemical Heat Treatment),定义:将零件置于一定的化学介质中，通过加热、保温，使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层，以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。,1.钢的渗碳(Carburize of steel),1)定义:向钢的表面渗入碳原子的过程。
42、,2)目的:提高表面硬度，耐磨性，而使心部仍保持一定的强度和良好的塑性和韧性。,3)用钢:,低碳钢和低碳合金钢。,4)方法:固体、气体、液体渗碳。,5）加工工艺路线 锻造正火切削加工渗碳淬火（直接淬火、一次淬火，二次淬火）低温回火喷丸磨削,固体渗碳法示意图,6)工艺:加热温度为900950;渗碳时间一般为39小时;,7)渗碳后的组织:,渗碳淬火低温回火后的组织：,表层组织：M回粒状碳化物少量AR 硬度为5862HRC心部组织：低碳钢 P类+F,硬度为1015HRC低碳合金钢 低碳M回F,硬度为3545HRC 具有较高强度和足够高的韧性,（1）直接淬火（如图a、b曲线）奥氏体晶粒大，马氏体粗，残
43、余A多，耐磨性低，变形大。只适用于本质细晶钢或耐磨性要求低和承载低的零件。（2）一次淬火（如图c曲线）心部要求高时AC3以上 表面要求高时AC1以上30-500（3）二次淬火（如图d曲线）第一次，改变心部组织 AC3以上30-500 第二次，细化表面组织 AC1以上30-500,8）渗碳工艺-组织-性能关系 加热温度，保温时间渗碳层厚度,正火工艺,例题一,现需要制造一汽车、拖拉机传动齿轮，要求表面具有高的硬度、耐磨性和高的接触疲劳强度，心部具有良好的韧性，应采用如下哪种材料及热处理工艺：T10钢经淬火+低温回火；45钢经调质处理；低碳合金钢20CrMnTi经渗碳+淬火+低温回火。说明其理由。,例题二,在一批45钢制的螺栓中（要求头部热处理后的硬度为4348HRC）混入少量20钢和T12钢，若按45钢工艺进行淬火、回火处理，试问能否达到要求？分别说明为什么？,例题三,现有三个形状、尺寸、材质（低碳钢）完全相同的齿轮，分别进行普通整体淬火、渗碳淬火和高频感应淬火，试用最简单的办法将它们区分开。,例题四,用45钢制车床主轴，要求轴颈部位硬度为5658HRC，其余地方为2024HRC，其加工工艺路 线为：锻造正火机械加工轴颈表面淬火 低温回火磨削加工。请说明以下问题：正火的目的及大致热处理工艺参数；表面淬火及低温回火的目的；使用状态下轴颈及其他部位的组织。,
