機(jī)械制造基礎(chǔ) 課件 1.3 鋼的熱處理

第1章金屬材料及熱處理1.3鋼的熱處理主要內(nèi)容：

鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變鋼冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織及性能鋼的退火和正火鋼的淬火和回火鋼的表面熱處理

熱處理的定義及工藝過程工件固態(tài)加熱保溫冷卻改善組織和性能保溫t冷卻

V冷t/minT/℃T加加熱

V加

一、鋼的熱處理概述

目的

提高材料的使用性能，延長(zhǎng)零件的使用壽命。改善材料的工藝性能，確保后續(xù)加工的順利進(jìn)行。應(yīng)用：機(jī)床60%～70%零件，汽車70%～80%零件，工模具及滾動(dòng)軸承100%進(jìn)行熱處理。

熱處理工藝分類其他：控制氣氛熱處理、真空熱處理形變熱處理、激光熱處理等普通熱處理：退火、正火、淬火、回火表面熱處理：表面淬火、化學(xué)熱處理熱處理1.根據(jù)加熱和冷卻方式，以及組織和性能特點(diǎn)的不同分類：2.按零件在生產(chǎn)過程中熱處理的位置和作用不同分類：預(yù)備熱處理：又稱中間熱處理目的：改善鍛、鑄件組織，消除應(yīng)力，為后續(xù)的加工做好準(zhǔn)備。最終熱處理：賦予工件最終使用性能目的：使零件獲得所需使用性能。

一、鋼的熱處理概述二、鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變（一）鋼的臨界溫度（臨界點(diǎn)）

在熱處理生產(chǎn)中，實(shí)際相變溫度偏離平衡狀態(tài)圖中的平衡臨界溫度。

加熱時(shí)相變溫度偏向高溫，冷卻時(shí)偏向低溫。平衡臨界溫度

A1、A3、Acm加熱時(shí)，實(shí)際臨界溫度

Ac1、Ac3、Accm冷卻時(shí)，實(shí)際臨界溫度

Ar1、Ar3、Arcm

AA＋FP＋FPP＋Fe3CⅡA＋Fe3CⅡGSEP加熱和冷卻對(duì)鋼的臨界溫度的影響KAr3ArcmAr1Ac3AccmAc1A3AcmA1二、鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變（二）奧氏體化的概念?yuàn)W氏體化：鋼件加熱到臨界點(diǎn)以上，獲得細(xì)小均勻奧氏體組織的過程。完全奧氏體化：鋼件加熱到Ac3或Accm以上，獲得單一奧氏體組織的過程。不完全奧氏體化：鋼件在Ac1~Ac3或Ac1～Accm兩相區(qū)加熱，獲得（A＋F）或（A＋Fe3CⅡ）的過程。Ac1AccmAc3溫度wCAGPSFPP＋FA＋FEP＋Fe3CⅡA＋Fe3CⅡFe

加熱目的二、鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變（三）

奧氏體的形成及影響因素奧氏體的的形成同樣包括形核和長(zhǎng)大兩個(gè)基本過程。共析鋼加熱時(shí)奧氏體的形成：PAAc1以上亞共析鋼和過共析鋼加熱時(shí)A的形成亞共析鋼：室溫平衡組織不完全A化完全A化（P+F）Ac1～Ac3（A＋F）Ac3以上A（P+Fe3CⅡ）過共析鋼：Ac1～Accm（A+Fe3CⅡ）Accm以上A二、鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變加熱溫度和保溫時(shí)間：TA↑

tA↑，奧氏體晶?！?/p>

TA↑tA↓，奧氏體晶?！?/p>

熱處理新工藝—

快速加熱，短時(shí)保溫碳：當(dāng)有未溶碳化物存在時(shí)，阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，晶?！辖鹪兀撼齅n、P和過量Al外，均阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大Al、Ti、Zr、V、W、Mo、Cr、Si、Ni、Cu

強(qiáng)弱化學(xué)成分：同一種鋼，A晶粒越細(xì)，室溫組織越細(xì)，鋼的力學(xué)性能越好。8三、鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物有哪些？珠光體、貝氏體、馬氏體的組織形態(tài)和性能特點(diǎn)是怎樣的？

P、B、M相比，哪種組織的硬度最高？如何獲得？冷卻速度？問題引導(dǎo)：9

冷卻轉(zhuǎn)變的重要性：

冷卻速度不同，工件熱處理后的組織和性能不同：冷卻方法

力學(xué)性能

Rm/MPaReL/MPa

A/%

Z/%硬度HRC爐冷（退火）

51.2

27.5

32

50

18空冷（正火）65.7~70.6

33

15~18

45~50

18~24水冷淬火

107.8

70.6

7~8

12~14

52~60不同冷卻方式對(duì)45鋼力學(xué)性能的影響建立“材料成份－加工工藝－組織結(jié)構(gòu)－性能”關(guān)系不同方式冷卻后的組織：退火→P+F；正火→索氏體+鐵素體；淬火→馬氏體10以共析鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變?yōu)槔?/p>

過冷奧氏體的概念指在臨界溫度A1以下尚未發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的不穩(wěn)定奧氏體。

過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線

描述轉(zhuǎn)變產(chǎn)物與溫度、時(shí)間之間的關(guān)系。11穩(wěn)定A區(qū)過冷A區(qū)過冷A+

產(chǎn)物區(qū)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMfA1～550℃，高溫區(qū)珠光體轉(zhuǎn)變P550～230℃(Ms)中溫區(qū)貝氏體轉(zhuǎn)變B過冷A轉(zhuǎn)變終止線Ms～-50℃(Mf

)低溫區(qū)馬氏體轉(zhuǎn)變M過冷A轉(zhuǎn)變開始線共析碳鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線過冷A向M轉(zhuǎn)變開始溫度過冷A向M轉(zhuǎn)變終了溫度A過冷AA→P時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMfA1～550℃，高溫區(qū)珠光體轉(zhuǎn)變P550～230℃(Ms)中溫區(qū)貝氏體轉(zhuǎn)變BMS～-50℃(Mf

)低溫區(qū)馬氏體轉(zhuǎn)變MA→BA→M共析碳鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線13（一）珠光體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及其性能轉(zhuǎn)變溫度：A1

～550℃轉(zhuǎn)變過程：過冷A→P轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：珠光體（P），呈層片狀，是F和Fe3C

的機(jī)械混合物。根據(jù)片層厚薄不同，片狀珠光體分為三種:

珠光體(P)、索氏體(S)、屈氏體(T)

，見表。組織名稱形成溫度（℃）片層間距（μm）片層形態(tài)可見倍數(shù)（×）硬度（HBW）力學(xué)性能珠光體P（粗片P）A1～650＞0.4較厚、平直、連續(xù)500170～250強(qiáng)硬度較低塑韌性較好索氏體S650～6000.4～0.2800～1000250～300綜合力學(xué)性能好屈/托氏體T600～550＜0.2極薄、斷續(xù)、彎曲2000～5000300～450強(qiáng)硬度較高14

過冷A→P索氏體(S)8000×屈氏體(T)8000×珠光體(P)3800×P、S、T比較片間距(S0)：P＞S＞T

強(qiáng)度、硬度：T＞S＞P

片狀珠光體的組織形態(tài)取決于形成溫度。T↓S0↓15轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：貝氏體（B）是過飽和的F和Fe3C的機(jī)械混合物。

有兩種組織形態(tài)：下貝氏體上貝氏體轉(zhuǎn)變溫度：550℃

～230℃(Ms)轉(zhuǎn)變過程：過冷A→B（二）貝氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及其性能16組織名稱形成溫度／℃顯微組織特征硬度／HRC性能特點(diǎn)上貝氏體350~550

呈暗灰色羽毛狀，不連續(xù)的棒狀Fe3C分布于條狀F之間。40~45

強(qiáng)度低，塑韌性差，很少用。下貝氏體230~350

呈針葉狀，細(xì)片狀Fe3C分布于針狀F內(nèi)。45~55

強(qiáng)韌性好，綜合力學(xué)性能好，是生產(chǎn)上常用的強(qiáng)韌化組織之一。過冷A→B171.轉(zhuǎn)變溫度：Ms～Mf(230℃～－50℃)2.轉(zhuǎn)變過程：過冷A→M3.轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：馬氏體(M)，是碳固溶于α-Fe中形成的過飽和固溶體。有兩種組織形態(tài)：（三）馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及其性能板條馬氏體片狀馬氏體185.馬氏體的組織形態(tài)和性能特點(diǎn)

片狀M：針片狀或竹葉狀；含碳量高，強(qiáng)度和硬度高，塑性差?！?/p>

硬而脆4.馬氏體的組織形態(tài)與含碳量有關(guān)wC（%）＜0.20.2～1.0＞1.0M形態(tài)板條M板條＋片狀片狀M

板條M：板條狀，一束束細(xì)條；含碳量低，具有良好綜合力學(xué)性能。—

強(qiáng)韌性好

19轉(zhuǎn)變類型轉(zhuǎn)變產(chǎn)物形成溫度/℃顯微組織特征硬度（HRC）獲得工藝珠光體PA1~650

粗片狀5-20退火S650~600

細(xì)片狀20-30正火T600~550

極細(xì)片狀30-40等溫退火貝氏體B上550~350

羽毛狀40-50等溫淬火B(yǎng)下350~Ms

竹葉狀50-60等溫淬火馬氏體M板條Ms~Mf板條狀50淬火M針Ms~Mf針片狀60-65淬火共析碳鋼過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及其獲得工藝20四、鋼的退火和正火退火和正火的定義、目的及工藝過程？退火和正火工藝如何選擇？主要問題：機(jī)械零件加工的一般工藝過程：

毛坯（鑄件、鍛件）→預(yù)備熱處理→機(jī)加工→最終熱處理→精加工

退火與正火工藝主要用于預(yù)備熱處理，通常安排在毛坯生產(chǎn)之后，切削加工之前進(jìn)行21

定義（一）鋼的退火

，又稱“燜火”工藝規(guī)范加熱溫度：臨界溫度以上或以下。冷卻方式：爐冷。為提高生產(chǎn)率，可采用等溫冷卻或冷到500℃左右出爐空冷。保溫時(shí)間：保證透燒，一般以1.0mm/min～1.5mm/min計(jì)算。鋼件加熱適當(dāng)溫度保溫緩冷的熱處理工藝室溫組織：接近平衡組織，可根據(jù)Fe-Fe3C相圖確定爐冷500℃出爐空冷T/℃t/min22常用退火、正火溫度范圍和工藝曲線臨界點(diǎn)再結(jié)晶退火

常用退火工藝（特點(diǎn)及應(yīng)用范圍見教材）231.完全退火

應(yīng)用：亞共析成分碳鋼或合金鋼加熱溫度：Ac3+30℃~50℃室溫組織：P＋F目的：消除鍛件或鑄件應(yīng)力；細(xì)化晶粒，均勻組織；

降低硬度，改善切削加工性中碳鋼：P＋FAc3+30℃～50℃爐冷AC3500℃空冷溫度時(shí)間完全退火工藝曲線242.球化退火應(yīng)用：共析、過共析成分碳鋼或合金鋼加熱溫度：Ac1＋20℃～30℃組織：P球（F基體上分布著顆粒狀Fe3C）目的：使網(wǎng)狀或片狀Fe3C球化降低硬度，便于切削加工為淬火作組織準(zhǔn)備

T12鋼球化退火組織：P球加熱溫度范圍P球比P片：塑性和韌性好，強(qiáng)度和硬度低。25（二）鋼的正火，又稱“?；变摷訜崤R界溫度以上保溫空冷

定義

加熱溫度亞共析鋼：Ac3+30℃～50℃

共析鋼：Ac1+30℃～50℃

過共析鋼：Accm+30℃～50℃

正火組織

wC<0.6%時(shí)，F(xiàn)+S

wC

0.6%時(shí)，S單相A區(qū)26

正火的目的細(xì)化均勻組織對(duì)低碳鋼、低碳低合金鋼，硬度切削加工性能對(duì)過共析鋼，消除網(wǎng)狀Fe3CⅡ，為后續(xù)球化退火、淬火作組織準(zhǔn)備。消除鑄件、鍛件、焊件中的粗大組織。對(duì)力學(xué)性能要求不高的零件，可作為最終熱處理。（二）鋼的正火，又稱“常化”271.組織和力學(xué)性能

同一種鋼，正火比退火組織細(xì)密，強(qiáng)度硬度↑2.為改善切削加工性能低碳鋼用正火；中碳鋼用完全退火或正火；高碳鋼用球化退火。3.熱處理缺陷退火時(shí)，鋼在爐中時(shí)間長(zhǎng)，脫碳和氧化比正火要嚴(yán)重些。

4.經(jīng)濟(jì)成本方面：正火比退火成本低。（三）

退火與正火工藝的選擇28五、鋼的淬火和回火

生產(chǎn)中，淬火常與適當(dāng)?shù)幕鼗鸸に嚺浜希@得零件所需的使用性能。問題引導(dǎo)：

什么是鋼的淬火？淬火的目的是什么？碳鋼淬火溫度的確定常用淬火冷卻介質(zhì)及冷卻方法什么是鋼的淬透性？淬火鋼件為什么必須回火？回火的種類、組織性能及應(yīng)用。29加熱快速冷卻B區(qū)等溫MB鋼件Ac3或Ac1以上A化

定義

目的

獲得馬氏體和（或）貝氏體組織，提高鋼硬度、強(qiáng)度、耐磨性，以滿足零件的使用性能要求。淬火是發(fā)揮金屬材料性能潛力的重要手段之一！（一）鋼的淬火30亞共析鋼：Ac3+30℃～50℃

完全A化，獲得細(xì)小M組織

碳鋼淬火加熱溫度確定共析鋼、過共析鋼：

Ac1+30℃～50℃獲得細(xì)小M＋粒狀Fe3C＋少量A殘強(qiáng)度、硬度高，耐磨性好

合金鋼淬火加熱溫度的確定

一般，Ac3

或Ac1+50℃～100℃。大多數(shù)合金元素，對(duì)奧氏體的形成和長(zhǎng)大有阻礙作用，因而合金鋼淬火溫度比碳鋼高。

高合金鋼加熱過程中，往往需要預(yù)熱！31淬火介質(zhì)水油鹽浴或堿浴冷卻能力

強(qiáng)較弱介于水油之間變形開裂傾向大較小小

適用范圍形狀簡(jiǎn)單的碳鋼件合金鋼、小而復(fù)雜的碳鋼件尺寸小、形狀復(fù)雜、精度要求高的工件

常用淬火介質(zhì)生產(chǎn)中常用淬火介質(zhì)的特點(diǎn)、適用范圍

淬火后組織

0.5%C時(shí)：M

0.5%C時(shí)：M+A殘亞共析鋼共析鋼：M＋A殘過共析鋼：M+粒狀Fe3C+A殘32

常用淬火方法及應(yīng)用

采用不同的淬火方法，可彌補(bǔ)淬火介質(zhì)的不足。①單介質(zhì)淬火②雙介質(zhì)淬火③分級(jí)淬火④等溫淬火33淬火方法比較方法淬火介質(zhì)等溫時(shí)間等溫目的組織性能特點(diǎn)應(yīng)用范圍單介質(zhì)水、油————M高的強(qiáng)度和硬度淬火應(yīng)力較大形狀簡(jiǎn)單、尺寸較小的工件

雙介質(zhì)油-空氣水－油————M高的強(qiáng)度和硬度淬火應(yīng)力降低中等尺寸、形狀復(fù)雜的高碳鋼、尺寸較大的合金鋼工件

分級(jí)淬火鹽浴堿浴較短減小工件表面與心部溫差M

高的強(qiáng)度和硬度應(yīng)力變形顯著降低變形要求嚴(yán)格且尺寸不大的工件

等溫淬火鹽浴堿浴較長(zhǎng)使A→B下獲得B下組織B下良好的強(qiáng)韌性，綜合力學(xué)性能好形狀復(fù)雜、截面不大且要求精度高并具有良好強(qiáng)韌性的零件

34

鋼的淬透性和淬硬性淬透的含義指淬火時(shí)，使工件從表面到心部都得到馬氏體（M）組織。淬透性：指鋼在淬火時(shí)獲得M的能力，是鋼的本質(zhì)屬性。淬硬性：指鋼淬火后所能達(dá)到的最高硬度，取決于M中的wC，wC↑

淬硬性↑淬透性好的鋼，淬硬性不一定好。

影響淬透性的主要因素

合金元素：除Co外，均使鋼的淬透性↑

含碳量：對(duì)亞共析鋼，wC↑，淬透性↑

對(duì)過共析鋼，wC

↑，淬透性↓鋼中合金元素的主要作用之一，即是提高鋼的淬透性，以提高其強(qiáng)韌性。35

定義

目的減少或消除淬火應(yīng)力穩(wěn)定組織獲得所需力學(xué)性能（二）淬火鋼的回火加熱淬火鋼

Ac1以下保溫空氣中冷卻到室溫提示未經(jīng)淬火的鋼回火無意義，而淬火鋼不回火，在放置或使用過程中易變形或開裂。淬火后的鋼件應(yīng)立即進(jìn)行回火。脆性工件的變形、開裂傾向回火的分類、組織及應(yīng)用回火類型回火溫度/℃

回火后組織回火后硬度HRC性能特點(diǎn)用途低溫回火150～250

M回58～64硬度高，耐磨性好，脆性、內(nèi)應(yīng)力降低。工具鋼、滾動(dòng)軸承滲碳件、表面淬火件中溫回火250～500T回35～50良好彈性，屈強(qiáng)比高，一定的韌性和抗疲勞性彈簧鋼，如彈簧等彈性元件。高溫回火500～600S回25～35強(qiáng)韌性好，即具有良好的綜合力學(xué)性能。重要結(jié)構(gòu)件和零件，如連桿、軸、齒輪

調(diào)質(zhì)處理＝淬火＋高溫回火柴油機(jī)連桿汽車板簧滾動(dòng)軸承銼刀37六、鋼的表面熱處理重點(diǎn)介紹：鋼的表面淬火—感應(yīng)加熱表面淬火鋼的化學(xué)熱處理—滲碳、滲氮38（一）鋼的表面淬火應(yīng)用：適用于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、摩擦和沖擊的零件，例如：齒輪、凸輪、曲軸、軋輥等——只需表面淬硬的工件機(jī)床導(dǎo)軌等大型復(fù)雜工件——只能表面淬硬的工件表面淬火用鋼：多用中碳碳鋼、中碳的合金鋼。

常用方法：感應(yīng)加熱、火焰加熱、激光加熱表面淬火、等。工藝特點(diǎn)：①工件表面化學(xué)成分不變，只改變表面組織和性能；

②表面與心部的成分一致，但組織不同。工藝：表面有一定深度的淬硬層工件表面快速加熱A化熱量未達(dá)到心部時(shí)迅速冷卻心部保持原組織目的：

①表面具有高的硬度、耐磨性和疲勞極限；

②心部在保持一定的強(qiáng)度、硬度的條件下，具有足夠的塑性、韌性。

表硬里韌391.感應(yīng)加熱表面淬火工作原理：

淬硬層深度（mm）f↑

δ↓分類高頻感應(yīng)加熱；中頻感應(yīng)加熱工頻感應(yīng)加熱特點(diǎn)（與普通淬火比較）加熱速度快，溫度高，生產(chǎn)效率高A晶粒細(xì)小，強(qiáng)度硬度脆性表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，疲勞強(qiáng)度氧化脫碳表面質(zhì)量耐磨性心部無相變，變形精度應(yīng)用：大批量生產(chǎn)感應(yīng)加熱表面淬火齒輪的截面圖402.火焰加熱表面淬火

工作原理淬硬層深度：δ=2～8mm

特點(diǎn)簡(jiǎn)單、方便、成本低，但質(zhì)量不易控制。應(yīng)用：?jiǎn)渭?、小批量生產(chǎn)火焰加熱表面淬火示意圖41（二）化學(xué)熱處理

定義：

分類：按滲入元素種類分為滲C、N、C－N、B、S、Cr、Al、Cr－Al、等。

目的：強(qiáng)化表面，并使工件表面具有某種特殊性能。如耐磨、耐腐蝕等。

生產(chǎn)周期長(zhǎng)，工藝復(fù)雜，成本高。鋼件活性介質(zhì)加熱保溫活性原子滲入工件表層表層的化學(xué)成分、組織、性能改變42定義：鋼件A化

碳原子滲入鋼件表層的過程。目的：表面wC

硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度

心部具有一定的強(qiáng)度以及較高的塑韌性用途：表面受嚴(yán)重磨損，并承受較大沖擊載荷的零件。要求表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度高，心部良好的塑性、韌性滲碳用鋼：低碳成分的普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼，如15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnVB

（一般0.15～0.30%C，滲碳后的表面達(dá)0.8～1.05％C）滲碳方法：氣體滲碳、固體滲碳、液體滲碳、電解液滲碳、離子滲碳等。1.鋼的滲碳加熱在富C介質(zhì)中保溫淬火＋回火表硬里韌43

氣體滲碳

工藝參數(shù)的選擇

滲碳溫度：

900～930℃（Ac3＋50～80℃）滲碳時(shí)間：

取決于滲碳層的深度。滲層表面含碳量：

wc＝

0.8%～1.05%

井式滲碳爐）

CH4→[

C]+2H