1、第六章 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。,第一节 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
2、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,第二节 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。,钢坯加热,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：,箱式电阻炉,台车式电阻炉,连续式热处理炉,第一步 奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核。第二步 奥氏
4、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.,生产中过共析钢工件的奥氏体化过程绝大多数情况下是加热到Ac1Accm之间进行的，也称为不完全奥氏体化。此时工件的组织为奥氏体和未溶的二次渗碳体。,*
5、加热温度愈高，奥氏体的形成速度愈快。* 加热速度愈快，奥氏体的形成温度愈高，形成的温度范围愈宽，形成所需的时间愈短。* 钢的原始组织愈细，奥氏体的形成速度就愈快。,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
6、钢加热到940 10奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒保留到室,晶粒度的测定方法：93010保温38小时(100),本质粗,本质细,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
7、题之一。,第三节 钢在冷却时的转变,冷却是热处理更重要的工序。一、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：,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。, 过冷奥氏体的等温转变图,(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
8、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Mf以下为转变产物区。两线之间及Ms与Mf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
9、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。,二、过冷A转变产物的组织和性能 珠光体转变过冷奥氏体在 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。, 托氏体形成温度为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
10、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。,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。,氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并,珠光体转变,珠光体转变过程, 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
11、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。在光镜下呈黑色针片状。,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，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。,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
12、，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, 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，
13、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两类。 板条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
14、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。合金元素对马氏体硬度的影响不大。,马氏体强
15、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。, 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
16、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）,三、影响C 曲线的因素 成分的影响 含碳量的影响：共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。Ms 与Mf 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
17、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Mf 点下降。,推杆式电阻炉, 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.,四、 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
18、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
19、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.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.,钢的普通热处理,重要零部件:,铸造(或锻造),退火(或正火),粗加工,淬火,回火,精加工,成品,退火与正火冷却速度较慢，主要用来改善材料工艺性能，消除残余应力、改善组织、细化晶粒，调整硬度、改善切削性能等等预备热处理,获得优异的综合力学性能最终热处理,第四节 钢的退火与正火,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
20、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、再结晶退火。,（1）完全退火：,A）工艺：将亚共析钢加热到 Ac3+（3050），保温后随炉缓慢冷却到600 以下后在空气中继续冷却 。,B）特点： 加热过程中获得完全的奥氏体组织，冷却后组织接近平衡组织。,C）目的： 使热加工过程中的造成
21、的粗大晶粒细化，不均匀组织均匀化，或使中碳以上的碳钢及合金钢降低硬度，改善切削加工性能。同时消除残余应力。,D）适用范围： 用于亚共析成分的碳钢及合金钢的铸件、锻件以及热轧型材。,Ac3,Ac1,完全退火,（2）等温退火：,A）工艺： Ac3+（3050），保温后快冷到Ar1之下某一温度等温，使A在恒温下转变为P，然后出炉空冷。,B）特点： 转变在恒温下进行，组织均匀，可大大缩短退火时间。,C）目的： 同完全退火。,D）适用范围： 用于降低硬度的碳钢及合金钢。,500以下空冷,Ac3,Ac1,炉冷,完全退火,等温退火,Ar1,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
22、等温退火与普通退火的比较,（3）球化退火：,A）工艺： Ac1+（2030），保温后随炉缓冷至600 以下出炉空冷 。,B）特点：加热过程中片状渗碳体发生不完全溶解而断开，形成细小渗碳体，冷却过程中以球粒状析出弥散分布在铁素体基体上。,Ac3,Ac1,完全退火,等温退火,C）目的： 使热轧、锻造空冷后组织中的网状二次渗碳体和珠光体中片层状的渗碳体球化，降低硬度，改善切削性能，并为后续的淬火做好组织准备。,D）适用范围： 过共析钢、合金工具钢,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。,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
23、消除网状.,（4）去应力退火（低温退火）：,A）工艺： A1以下某一温度（500650 ），保温后随炉缓冷至200 以下出炉空冷 。,B）特点：低温退火，无组织变化,C）目的： 消除铸、锻、焊件等的残余应力,D）适用范围： 所有碳钢,Ac3,Ac1,完全退火,等温退火,球化退火,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
24、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.,与退火相比具有以下特点：,1）由于冷却速度较退火快，所得组织比退火时要细； 2）正火后的零件的强度和硬度比退火时高，且含碳量越高，差别越大； 3）低碳钢经正火处理后的强度与硬度，与退火处理的差别不多，但正火处理是在炉外进行，不占用设备，生产率高，所以低碳钢多采用正火代替退火处理。4）中碳钢的正火可替代调质处理，为高频淬火作准备。5）高碳钢可消除网状渗碳体，为球化退火做准备。,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Vk速,度冷却，使奥
25、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、变形开裂倾向增加。淬火组织:
26、M+Fe3C颗粒+A。(预备组织为P球),T12钢（含1.2%C）正常淬火组织,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，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，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.,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
27、却到室温的淬火方法。操作简单，易实现自动化。,将工件加热奥氏体化放入一种介质中进行冷却的淬火方法单介质淬火。,1）单液淬火,优点：操作简单，易实现机械化、自动化缺点：水中淬火易产生变形和裂纹，油中淬火易产生硬度不足或硬度不均匀等现象。应用：主要用于形状简单的碳钢件在水中淬火，合金钢件及尺寸较小的碳钢件的油淬。,三、淬火方法,2）双液淬火,工件加热奥氏体化后，先浸入一种冷却能力较强的介质中，在组织即将发生马氏体转变时立即转入另一种冷却能力较弱的介质中缓慢冷却的淬火方法。,优点：可减小淬火应力，减小工件的变形和开裂。缺点：对操作技术要求较高，不易掌握。应用：主要适用于形状复杂的高碳钢工件、尺寸较大
28、的合金钢工件。,3）分级淬火,工件加热奥氏体化后，先浸入温度在MS点附近（150260）的盐浴或碱浴中，保温一定时间，待工件整体温度趋于一致后，再取出空冷，以获得马氏体组织的淬火方法。,优点：比双介质淬火容易操作，可显著地减小工件淬火的内应力，降低工件变形和开裂。应用：主要适用于尺寸较小、形状复杂或截面不均匀的碳钢和合金钢工件。,4）等温淬火,工件加热奥氏体化后，快速冷却到贝氏体转变温度区间（260240）等温保持，使奥氏体转变为下贝氏体的淬火工艺。,特点：此方法可显著减少工件淬火应力和变形，工件经贝氏体等温淬火，强度、韧性和耐磨性较好，但生产率较低。应用：适用于形状复杂、尺寸精度要求较高，并
29、且硬度和韧性都要求较高的工件，如各种冷、热冲模，成型刃具和弹簧等。,5.局部淬火方法,三、 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,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。,钢的淬透性(钢在淬火时获得马氏体的能力),（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
30、同时的淬硬层深度来确定的。,（三）、钢的淬透性和淬硬性,1）钢的淬透性,钢的淬透性是以在规定条件下钢试样淬硬深度和硬度分布的特性。 钢的淬透性主要决定于其临界冷却速度。临界冷却速度越小，过冷奥氏体越稳定，钢的淬透性也就越好。影响临界冷却速度的因素主要是化学成分，特别是合金元素及其含量。,2）钢的淬硬性,钢的淬硬性是指钢试样在规定条件下淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。其含义是钢试样在规定条件下淬火时马氏体组织所能达到的硬度。 钢的淬硬性主要取决于钢中含碳量。钢中含碳量越高，淬硬性越好。,（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，l 表示至末端的距
31、离，HRC 为该处测得的硬度值。,2、淬透性的表示方法 用淬透性曲线表示,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，其心部能淬透的最大直径，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HRC
32、45。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。,第六节 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
33、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(- 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
34、马氏体形貌,回火马氏体,在光镜下M回为黑色，A为白色。2、残余奥氏体分解,200-300时, 由于马氏体分解，转变为下贝氏体。,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，称回火托氏体，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,回火托氏体,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
35、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。,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.,第七节 钢的形变热处理,形变热处理是把塑性变形加工（锻、轧等）和热处理工艺紧密结合起来的一种综合处理方法。 由于它可以使钢同时受到形变强化和相变强化，因此可以大大提高钢的综合力学性能。,一种淬火方式：形变强化+热处理强化,分类：,1、低温形变热处理,7 钢的形变热处理,Ac1以下（500600）变形量6090%然后淬火得到M。，淬火后需低温回火或中温回火。在保持塑性不变的条
36、件下，大大提高强度。例如，可使伸长率保持在90%的情况下，抗拉强度可达3300MPa。超高强度钢的热处理飞机起落架、模具、冲头、板簧,2、高温形变热处理,7 钢的形变热处理,Ac1以上变形强化程度有限强度提高，韧塑性大大提高锻件、曲轴、连杆、叶片、弹簧,第八节 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。,轴的感应加热表面淬火,1、表面淬火用材料
37、 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：
38、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: 利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。效率高，质量好。,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
39、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。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,方法：滴注式渗碳介质：苯、醇、煤油等液体工艺：将工件
40、装在密封的渗碳炉中，加热到900950(常用930)，向炉内滴入煤油、苯、甲醇、丙酮等有机液体，在高温下分解成CO、CO2、H2及CH4等气体组成的渗碳气氛，在高温下与工件接触时便在工件表面进行下列反应，生成活性碳原子。,气体渗碳法示意图,3、渗碳方法,生成活性碳原子：2COC+CO2 CH4C+2H2 CO+H2C+H2O 随后活性碳原子被钢表面吸收而溶入奥氏体中，并向内部扩散而形成一定深度的渗碳层。气体渗碳的优点是： 生产率高，劳动条件好，渗碳过程容易控制，容易实现机械化、自动化，适用于大批量生产。,渗碳层的组织,过共析组织(P+Fe3C),共析组织(P),过渡区亚共析组织(P+F),原始
41、亚共析组织(F+P), 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
42、Ar3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。,渗碳后的热处理示意图,渗碳组织（淬火加低温回火后）,表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量)硬度为5864HRC，耐磨性好，高疲劳强度。,心部： M回+F（淬透时）硬度为137183HB（未淬透）或3045HRC（淬透），具有较高的心部强度及足够的塑性和韧性。,常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50淬火+低温回火,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
43、,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0.6-0.7mm。,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,气体渗氮：将工件置于通有氨气的密闭炉内，加热到500560，氨分解产生的活性氮原子倍工件表面吸收，并逐渐向心部扩散，从而形成渗氮层。,4、氮化的特点及应用 氮化件表面硬度高（HV1000-2000），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。,
