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1、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。,概述,1、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。,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。,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
2、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、热处理分类 热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理。热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热处理工艺。,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：,5、预备(或叫预先)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.,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
3、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.,6、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,第一节 钢在加热时的转变,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。,一、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：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、铁原子的扩散向 和Fe3C方向
4、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.,二、奥氏体晶粒长大及其影响因素,1、奥氏体晶粒长大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。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
5、同。,温来判断。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。,在给定温度下奥氏体的晶粒度称实际晶粒度。加热时奥氏体晶粒的长大倾向称本质晶粒度。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,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,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.,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
6、晶粒。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。,第二节 过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能,冷却是热处理更重要的工序。过冷奥氏体的转变产物及转变过程: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。现以共析钢为例说明：,一、珠光体转变1、珠光体的组织形态与性能过冷奥氏体在 A1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
7、(或托氏体).,珠光体：形成温度为A1-650，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示.,索氏体,形成温度为650-600,片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S 表示。,屈氏体形成温度为600-550，片层极薄，电镜下可辨，用符号T 表示。,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，而塑性和韧性略有改善。,2、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,长大，形成一个珠光体团。珠光体转变是扩散型转变(铁、碳原子均扩散）。,氏体的含碳量下降，促
8、进了铁素体形核，两者相间形核并,珠光体转变,珠光体转变过程,二、贝氏体转变1、贝氏体的组织形态及性能过冷奥氏体在550-230(Ms)间将转变为贝氏体类型组织，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).,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。,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
9、有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。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（碳原子扩散，铁原子不扩散）。,2、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
10、（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,三、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。马氏体转变是强化钢的重要途径之一。1、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。,马氏体组织,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.,2、马氏体的形态马氏体的形态分板条和针状
11、两类。板条马氏体/位错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。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。,针状马氏体/孪晶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
12、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.,4、马氏体转变的特点马氏体转变也是形核和
13、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。,（2）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Mz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。,（3）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。（4）转变不完全,即使冷却到Mz点，也不可能
14、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、Mz与冷速无关，主要取决于奥氏体中的碳与合金元素含量。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。,Mz,过冷奥氏体转变产物（共析钢）,第三节 过冷奥氏体转变曲线图,过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变两种。,两种冷却方式示意图1等温冷却2连续冷却,过冷奥氏体的等温转变图是表示奥氏体急速冷却到临界点A1 以下在各不同温度下的保温过程中转变量与转变时间的关系曲线.又称C 曲线、S 曲线或TTT曲线。,一、过冷奥氏体的等温转变曲线图,(Time-Temperatu
15、re-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。,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Mz以下为转变产物区。两线之间及Ms与Mz之间为转变区。,2、C 曲线的分析 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
16、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。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。,Mz,3、影响C 曲线的因素 成分的影响 含碳量的影响：亚共析钢随着碳，C曲线右移，过共析钢随着碳，C曲线左移，共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。Ms 与Mz点随含碳量增加而下降。与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C曲线的上部各多一条先共析相的析出线。,Cr对C曲线的影响,合金元素的影响除Co 外,凡溶入奥氏体的合金元素都使C 曲线右移。,除Co和Al 外,所有合金元素都使Ms 与Mz点下降。
17、,推杆式电阻炉,(2)奥氏体化条件的影响奥氏体化温度提高和保温时间延长，使奥氏体成分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加了过冷奥氏体的稳定性，使C 曲线右移。使用C 曲线时应注意奥氏体化条件及晶粒度的影响.,过冷奥氏体连续冷却转变图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。,1、共析钢的CCT曲线共析钢的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。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。,图中
18、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),45钢850油冷组织,2、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
19、 线右端升高.3、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.,第四节 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。,一、退火,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。1、退火目的,调整硬度，便于切削加工。适合切削加工的硬度为170-250HB。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。,真空退火炉,2、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
20、、再结晶退火。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.,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.,高速钢等温退火与普通退火的比较,球化退火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+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。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,
21、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.,二、正火正火是将亚共析钢加热到Ac3+30 50，共析钢加热到Ac1+3050，过共析钢 加热到Accm+30 50保温 后空冷的工艺。正火比退火冷却速度大。1、正火后的组织：0.6%C时，组织为F+S；0.6%C时，组织为S。,正火温度,2、正火的目的 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.,第五节 钢的淬火,淬火是将钢加热到临界点以上，保温
22、后以大于Vk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.,真空淬火炉,一、淬火温度,1、碳钢 亚共析钢,淬火温度为Ac3+30-50。预备热处理组织为退火或正火组织。,亚共析钢淬火组织：0.5%C时为M0.5%C时为M+A。,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.,共析钢淬火温度为Ac1+30-50；淬火组织为M+A。,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
23、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,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。,二、淬火介质,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。常用淬火介质是水和油.水的冷却能力强，但低温却能力太大，只使用于形状简单的碳钢件。,油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，适用于合金钢和小尺寸的碳钢件。熔
24、盐作为淬火介质称盐浴，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。1、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。,2、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。,3、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。,盐浴炉,4、等温淬火法
25、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。,*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。,一、淬透性的概念,M量和硬度随深度的变化,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。淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力.,二、淬透性与淬硬层深度的关系,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
26、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。,三、影响淬透性的因素,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。,四、淬透性的测定及其表示方法,1、淬透性的测定常用末端淬火法,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 为半马氏体区的硬度。,2、淬透性的表示方法 用淬透性
27、曲线表示,即用 表,用临界淬透直径表示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。,五、淬透性的应用,1、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.,2、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.,3、利用淬透性可控制
28、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。,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 钢的回火,回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。一、回火的目的1、减少或消除淬火内应力,防止变形或开裂.,2、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
29、整硬度、韧性。,螺杆表面的淬火裂纹,3、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。4、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。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。,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,回火时组织转变1、马氏体的分解100回火时，钢的组织无变化。100-200加热时，马氏体将发生分解,从马氏体中析出-,碳化物(
30、-FeXC)，使马氏体过饱和度降低。析出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。,透射电镜下的回火马氏体形貌,回火马氏体,在光镜下M回为黑色，A为白色。0.2%C 时，不析出碳化物。只发生碳在位错附近的偏聚。2、残余奥氏体分解,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。,衡成分,内应力大量消除，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，称回火屈氏体，用T回表示。,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,
31、回火屈氏体,3、-碳化物转变为Fe3C,回火索氏体,4、Fe3C聚集长大和铁素体多边形化,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颗,粒状Fe3C的组织称回火索氏体，用S回表示。,回火时的性能变化回火时力学性能变化总的趋势是随回火温度提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。,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,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。,三、回火脆性,淬火钢的韧性并不总是随温
32、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。,1、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。,2、第二类回火脆性又称可逆回火脆性。是指淬火钢在500-650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。,四、回火种类,根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。,淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质.,第八
33、节 钢的表面淬火,表面淬火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。,1、表面淬火用材料 0.4-0.5%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。,2、预备热处理工艺：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。,3、表面淬火后的
34、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。4、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)。,感应加热表面淬火示意图,5、表面淬火常用加热方法 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。,感应加热分为：高频感应加热 频率为250-300KHz，淬硬层深度0.5-2mm,中频感应加热 频率为2500-8000Hz，淬硬层深度2-10mm。,工频感应加热频率为50Hz,淬硬层深度10-15 mm,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。激光热处理:利用高能量密度的
35、激光对工件表面进行加热的方法。效率高，质量好。,激光表面热处理,第九节 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、化学热处理的基本过程,1、介质(渗剂)的分解:分解的同时释放出活性原子。如：渗碳 CH42H2+C 氮化 2NH33H2+2N2、工件表面的吸收:活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物
36、。3、原子向内部扩散。,氮化扩散层,二、钢的渗碳是指向钢的表面渗入碳原子的过程。,1、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。2、渗碳用钢,为含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高则心部韧性降低。,经渗碳的机车从动齿轮,气体渗碳法示意图,3、渗碳方法 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。,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。,真空渗碳法将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入
37、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,4、渗碳温度：为900-950。渗碳层厚度（由表面到过度层一半处的厚度）：一般为0.5-2mm。,低碳钢渗碳缓冷后的组织,渗碳层表面含碳量：以0.85-1.05为最好。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。,5、渗碳后的热处理淬火+低温回火,回火温度为160-180。淬火方法有：预冷淬火法渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。,渗碳后的热处理示意图,一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。二次淬火法：即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac3+30-50，细化心部；第二次加热为Ac1+30-50，细化表层。,渗碳
38、后的热处理示意图,常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50淬火+低温回火。此时组织为：表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量)心部：M回+F（淬透时）,三、钢的氮化,氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。1、氮化用钢,井式气体氮化炉,为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢。常用钢号为38CrMoAl。2、氮化温度为500-570氮化层厚度不超过。,3、常用氮化方法气体氮化法与离子氮化法。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,4、氮化的特点及应用 氮化件表面硬度高（HV10
39、00-2000），耐磨性高。疲劳强度高。由于表面存在压应力。,工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。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。,第十节 表面处理新技术,近年来，金属材料表面处理新技术得到了迅速发展，开发出许多新的工艺方法，这里只介绍主要的几种。,全方位离子注入与沉积设备,一、热喷涂技术,将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为热喷涂。,利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘
40、性等。广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技术在内的几乎所有领域。,等离子热喷涂,1、涂层的结构热喷涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起的层状结构，粒子之间存在着孔隙和氧化物夹杂缺陷。喷涂层与基体之间以及喷涂层中颗粒之间主要,热喷涂层组织,是通过镶嵌、咬合、填塞等机械形式连接的，其次是微区冶金结合及化学键结合。,2、热喷涂方法常用的热喷涂方法有：火焰喷涂:多用氧-乙炔火焰作为热源。电弧喷涂:丝状喷涂材料作为自耗电极、电弧作为热源的喷涂方法 等离子喷涂:是一种利用等离子弧作为热源进行喷涂的方法。,3、热喷涂的特点及应用工艺灵活：热喷涂的对象小到10mm的内孔,大到铁塔、桥梁,可整体
41、喷涂，也可局部喷涂基体及喷涂材料广泛：基体可以是金属和非金属，涂层材料可以是金属、合金及塑料、陶瓷等,涂层可控:从几十m到几mm生产效率高工件变形小：基体材料温度不超过250(冷工艺),涡轮叶片的热障涂层(热喷涂层),由于涂层材料的种类很多，所获得的涂层性能差异很大，可应用于各种材料的表面保护、强化及修复并满足特殊功能的需要。,热喷涂,二、气相沉积技术,气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。,根据沉积过程的原理不同，气相沉积技术可分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类。,物理气相沉积TiAl靶,1、物理气相沉积
42、（PVD）物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法，,使材料汽化成原子、分子或电离成离子，并通过气相过程，在材料表面沉积一层薄膜的技术。物理沉积技术主要包括真空蒸镀、溅射镀、离子镀三种基本方法。,磁控溅射镀膜设备,真空蒸镀是蒸发成膜材料使其汽化或升华沉积到工件表面形成薄膜的方法。,溅射镀是在真空下通过辉光放电来电离氩气，氩离子在电场作用下加速轰击阴极，溅射下来的粒子沉积到工件表面成膜的方法。,离子镀是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原子部分电离成离子，与同时产生的大量高能中性粒,多弧离子镀膜机,子一起沉积到工件表面成膜的方法。,物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；工艺简单、省材料
43、、无污染；获得的膜层膜基附着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等,离子镀产品,领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜。,2、化学气相沉积(CVD)化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基体,CVD设备,表面相互作用而在基体表面形成金属或化合物薄膜的方法。例如，气态的TiCl4与N2和H2在受热钢的表面反应生成TiN，并沉积在钢的表面形成耐磨抗蚀的沉积层。,化学气相沉积,由于化学气相沉积膜层具有良好的耐磨性、耐蚀性、耐热性及电学、光学等特殊性能，已被广泛用于机械制造、航空航天、交通运输、煤化工等工业领域。,三、三
44、束表面改性技术,三束表面改性技术是指将激光束、电子束和离子束(合称“三束”)等具有高能量密度的能源(一般大于103W/cm2)施加到材料表面，使之发生物理、化学变化，以获得特殊表面性能的技术。,进行快速加热和快速冷却，使表层的结构和成分发生大幅度改变（如形成微晶、纳米晶、非晶、亚稳成分固溶体和化合物等），从而获得所需要的特殊性能。束流技术还具有能量利用率高、工件变形小、生产效率高等特点。,由于这些束流具有极高的能量密度，可对材料表面,离子束溅射系统,1、激光束表面改性技术激光束能量密度高(106W/cm2)，可在短时间内将工件表面快速加热或融化,而心部温度基本不变;当激,光辐射停止后，由于散热
45、速度快，又会产生“自激冷”。激光表面改性技术主要应用于以下几方面:,CO2激光器,激光表面淬火（激光相变硬化）激光表面淬火件硬度高（比普通淬火高1520%）、耐磨、耐疲劳，变形极小，表面光亮。已广泛用于发动机缸套、滚动轴承圈、机床导轨、冷作模具等。,激光表面合金化预先用镀膜或喷涂等技术把所要求的合金元素涂敷到工件表面，再用激光束照射涂敷表面，使表面膜与基,体材料表层融合在一起并迅速凝固，从而形成成分与结构均不同于基体的、具有特殊性能的合金化表层。已成功用于发动机阀座和活塞环、涡轮叶片等零件的性能和寿命的改善。,激光合金化热剪断刀,电子束表面改性技术是以在电场中高速移动的电子作为载能体,电子束的
46、能量密度最高可达109W/cm2。除所使用的热源不同,外，电子束表面改性技术与激光束表面改性技术的原理和工艺基本类似。凡激光束可进行的处理，电子束也都可进行。,电子束表面改性装置,2、电子束表面改性技术,与激光束表面改性技术相比，电子束表面改性技术还具有以下特点:由于电子束具有更高的能量密度，,所以加热的尺寸范围和深度更大。设备投资较低，操作较方便（无需象激光束处理那样在处理之前进行“黑化”）。因需要真空条件，故零件的尺寸受到限制。,电子束物理气相沉积,3、离子注入表面改性技术离子注入是指在真空下，将注入元素离子在几万至几十万电子伏特电场作用下高速注入材料表面，使材料表面层的物理、化学和机械性
47、能发生变化的方法。,离子注入的特点是：可注入任何元素，不受固溶度和热平衡的限制；注入温度可控，不氧化、不变形；注入层厚度可控，注入元素分布均匀；,注入层与基体结合牢固，无明显界面；可同时注入多种元素，也可获得两层或两层以上性能不同的复合层。,离子注入机,通过离子注入可提高材料的耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性、抗氧化性及电、光等特性。目前离子注入在微电子技术、生物工程、宇航及医,疗等高技术领域获得了比较广泛的应用，尤其在工具和模具制造工业的应用效果突出。,离子注入处理的铣刀片,（三）影响C曲线的因素：1、碳的影响：亚共析钢：随C含碳量的增高、C曲线右移；过共析钢随含碳量的增高、C曲线左移。2）、合金元
48、素的影响：除Co以外，所有合金元素均使C曲线右移。3）、加热温度和保温时间的影响：加热温度升高、保温时间延长，C曲线右移。二、过冷A连续转变曲线图（CCT图）CCT的建立：将一组试样经奥氏体化后以不同冷却速度连续冷却，用高速膨胀仪测出转变开始及转变终了的温度和时间，并记录下最终所得组织及硬度，将相同意义点连成曲线，便得CCT图。（图5-18）,4、对于大尺寸碳钢工件，合理选用调质和正火。七、淬透性曲线应用举例1、绘制钢件截面上硬度分布曲线 如绘制直径为50mm的40MnB钢半轴（如图5-41）在水淬后沿截面硬度分布曲线：1）、由图5-40查出相当于表面、3/4R、1/2R、心部各处所对应的端淬距离（1.5、6、8.5、11mm）2）、由40MnB（图5-42）淬透性曲线，求得各端淬距离所对应的硬度（HRC）。3）、绘出沿截面硬度分布曲线（图5-43）。2、合理选用钢材,回火M（150250 C）碳钢回火各阶段所形成的组织为 回火T（350500 C)；回火S（500650 C）；,END,
