1、机械制造基础 第五章,第五章 钢 的 热 处 理,教 学 要 求主 要 内 容本 章 重 点本 章 小 结习 题,机械制造基础 第五章,教 学 要 求,通过学习，学生应掌握钢在加热和冷却过程中组织转变的基本规律，能熟练应用钢的等温转变曲线和连续转变曲线来分析实际问题。 掌握退火、正火、淬火、回火等热处理工艺的工艺参数、适用钢材、各阶段的组织特征及热处理目的。 掌握钢的表面热处理和化学热处理等热处理工艺方法、适用钢材和目的。了解热处理新技术及热处理零件的结构工艺性。,机械制造基础 第五章,主 要 内 容,第一节 概 述第二节 钢在加热时的组织转变第三节 钢在冷却时的组织转变第四节 钢的退火与正火
2、第五节 钢的淬火第六节 淬火钢的回火第七节 钢的表面热处理第八节 热处理零件的结构工艺性,机械制造基础 第五章,本 章 重 点,一、退火、正火、淬火、回火等热处理工艺的工艺参数、适用钢材、各阶段的组织特征及热处理目的。,二、钢的表面热处理和化学热处理等热处理的工艺方法、适用钢材和目的。,机械制造基础 第五章,第五章 钢的热处理,第一节 概 述,钢的热处理钢在固态下，采用适当方式进行加热、保温和冷却，以改变钢的内部组织结构，从而获得所需性能的一种工艺方法。,这种工艺方法可用工艺曲线表示。如图5-1所示。,热处理目的： 1、提高钢的力学性能，延长零件的使用寿命； 2、消除铸、锻、焊等热加工工艺造成
3、的各种缺陷，为后续工序作好组织准备。,机械制造基础 第五章,热处理的分类：,一、普通热处理 1、退火 2、正火 3、淬火 4、回火,二、表面淬火 1、感应加热表面淬火 2、火焰加热表面淬火 3、电接触加热表面淬火 4、激光加热表面淬火,三、化学热处理 1、渗碳 2、渗氮 3、碳氮共渗 4、渗金属等,机械制造基础 第五章,第二节 钢在加热时的组织转变,一、钢的奥氏体化 在实际生产中，加热速度和冷却速度都比较快，因此组织转变大多有不同程度的滞后现象产生。 为了区别实际加热和冷却时的临界点，将加热时的临界点用Acl、Ac3、Accm来表示；冷却时的临界点用Arl、Ar3、Arcm来表示，如图5-2所
4、示。,机械制造基础 第五章,由FeFe3C相图可知，共析钢的室温组织是珠光体。当加热到Acl 以上时，珠光体将向奥氏体转变，其转变过程是通过形核和长大来完成的，如图5-3所示。,(一) 奥氏体晶核的形成和长大 奥氏体的晶核是在铁素体和渗碳体的相界面上优先形成。因为相界面上的原子排列紊乱，处于不稳定状态，容易获得形成奥氏体所需的能量和碳浓度。 奥氏体晶核形成后便逐渐长大。,机械制造基础 第五章,(二) 残余渗碳体的溶解,渗碳体的晶体结构和碳含量都与奥氏体相差很大，故渗碳体向奥氏体中的溶解，必然落后于铁素体的晶格改组。即在铁素体全部消失后，仍有部分渗碳体尚未溶解。 随着保温时间的延长，这部分未溶的
5、残余渗碳体将通过碳原子的扩散，不断地向奥氏体中溶解，直到全部消失为止。,(三) 奥氏体的均匀化,当残余渗碳体全部溶解时，奥氏体的成分是不均匀的。原来的渗碳体处碳浓度高，原来的铁素体处碳浓度低。,只有继续延长保温时间，使碳原子充分扩散，才能使奥氏体的成分渐趋均匀化。,机械制造基础 第五章,二、奥氏体晶粒的长大及其控制,奥氏体晶粒大小直接影响冷却后所得到的组织和性能。奥氏体的晶粒越细，冷却后的组织也越细，其强度、塑性、韧性也较好。,(一) 奥氏体晶粒度,晶粒度是指将钢加热到相变点以上某一温度并保温一定时间所得到的奥氏体晶粒度大小。 奥氏体晶粒度可分为以下三种：,1起始晶粒度 指珠光体刚转变为奥氏体
6、的晶粒度。这时的晶粒非常细小。 2实际晶粒度 指在某一具体热处理或热加工条件下，实际获得的奥氏体晶粒度。它直接影响钢的性能。,机械制造基础 第五章,3本质晶粒度 将钢加热到93010，保温8h冷却后测得的晶粒度，为本质晶粒度。,本质晶粒度表示钢在规定条件下奥氏体的长大倾向，并不表示实际晶粒的大小。本质晶粒度为14级的钢称为本质粗晶粒钢；本质晶粒度为58级的钢称为本质细晶粒钢。 图5-4表示这两类钢随着温度升高时，奥氏体晶粒长大的倾向。,机械制造基础 第五章,(二) 奥氏体晶粒度的控制,(1)加热温度。加热温度越高，晶粒长大速度越大，奥氏体晶粒就越粗大。为了获得细小的奥氏体晶粒，一般都是将钢加热
7、到临界点以上某一适当温度。,(2)保温时间。随保温时间的延长晶粒会不断长大，但晶粒长大的速度随着时间的延长而减小。保温时间的确定除考虑相变需要外，还要考虑工件表里温度一致。,(3)加热速度。在相同的加热温度下，加热速度愈快，保温时间愈短，晶粒越细，所以在生产中常采用快速加热、短时间保温的方法来细化晶粒。如高频、激光、电子束加热淬火等。,机械制造基础 第五章,第三节 钢在冷却时的组织转变,表5-1是45钢经840加热奥氏体化后，采用不同速度冷却至室温而获得的力学性能。 由表可见，同一种钢在相同的奥氏体化条件下，采用不同的冷却方法，就可获得不同的组织和性能，即钢热处理后的组织和性能是由冷却过程决定
8、的。,表5-1 45钢经840加热后，不同条件冷却后的力学性能,机械制造基础 第五章,冷却方式： 等温冷却把加热到奥氏体状态的钢快速冷却到Ar1以下某一温度，并在此温度停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温，如图5-5 a)所示。,连续冷却把加热到奥氏体状态的钢，以不同的冷却速度（如随炉冷、空冷、油冷、水冷等）连续冷却到室温，如图5-5 b)所示。,机械制造基础 第五章,一、过冷奥氏体的等温转变 奥氏体的等温转变曲线反映了过冷奥氏体在等温冷却时组织转变的规律。,() 共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线的建立 将不同温度下等温时奥氏体的转变开始时间和转变终了时间绘制在同一温度时间坐标图中，
9、然后把所有的转变开始点和转变终了点分别连接起来，便可获得过冷奥氏体等温转变曲线。 共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线建立方法如图5-6所示。,机械制造基础 第五章,(二)共析碳钢过冷奥氏体等 温转变曲线分析,由图可见，曲线形状与英文字母“C”相似，故又常称为“C曲线”。左边的曲线是由过冷奥氏体在不同温度下的等温转变开始点相连而成的，称为转变开始线，在转变开始线左方是过冷奥氏体区；右边的曲线是由过冷奥氏体转变终了点相连而成的，称为转变终了线，在转变终了线右方是转变产物区。在转变开始线和转变终了线之间是过渡区 (过冷奥氏体和转变产物共存区)，转变正在进行中。,机械制造基础 第五章,Ms是过冷奥氏体向马
10、氏体转变的开始温度，称为上马氏体点，230；Mf是过冷奥氏体向马氏体转变的终止温度，称为下马氏体点，约-50。Ms与Mf之间是马氏体转变区，即马氏体与过冷奥氏体的共存区。 把过冷奥氏体在转变开始前的停留时间(即从纵坐标到转变开始线的距离)，称为孕育期。 过冷奥氏体在不同温度下的孕育期是不同的，在C曲线的“鼻尖”处(约550)，孕育期最短，这说明过冷奥氏体在此处最不稳定，最容易分解。,机械制造基础 第五章,(三) 过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能,1珠光体型转变 转变温度在A1至C曲线鼻部 (约550) 的温度范围内。 转变结果奥氏体等温分解为铁素体与渗碳体的片层状混合物（珠光体组织）。 在此
11、温度范围内，由于过冷度不同，所得到的珠光体型组织的片层厚薄不同，性能也有所不同。为区别起见，又分为珠光体、索氏体和托氏体三种，见教材表5-2。 珠光体型组织的片层间距越小，则其变形抗力越大，强度、硬度越高，同时塑性、韧性也有所改善。,2贝氏体型转变 转变温度在C曲线鼻尖至Ms点(约550230)的温度范围内。 转变结果奥氏体转变成含过饱和碳的铁素体和极细小的渗碳体(或碳化物)的混合物，称为贝氏体，用符号“B”表示。,机械制造基础 第五章,(1)上贝氏体。过冷奥氏体在550350温度范围内等温转变形成的贝氏体称为上贝氏体，用“B上”表示。在显微镜下呈羽毛状形态，其中碳过饱和量不大的铁素体呈条状平
12、行排列，而细小粒状或杆状的渗碳体不均匀地分布在条状铁素体之间，如图5-8所示。,机械制造基础 第五章,(2)下贝氏体。过冷奥氏体在350Ms点温度范围内等温转变形成的贝氏体称为下贝氏体，用“B下”表示。在显微镜下，下贝氏体呈黑色针片状形态，其中含过饱和碳的铁素体呈针片状，微细的碳化物(Fe2.4 C)均匀而有方向地分布在针片状铁素体的内部，如图5-9所示。,机械制造基础 第五章,贝氏体的性能： 上贝氏体：强度低、塑性差，基本无实用价值。 下贝氏体：具有较高的硬度、强度和耐磨性，同时塑性、韧性也良好，是生产上(如等温淬火等)希望获得的组织。 教材中表5-3为贝氏体转变产物的特性比较。,3马氏体型
13、转变 过冷奥氏体在Ms温度以下将发生马氏体转变。马氏体转变是在极快的连续冷却过程中发生的，故详细内容将在过冷奥氏体的连续冷却转变中讲解。,(四) 亚共析碳钢与过共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变 亚共析碳钢、过共析碳钢的C曲线如图5-10所示。在亚共析钢的C曲线上，多了一条先析铁素体析出线； 在过共析碳钢的C曲线上，多了一条条二次渗碳体析出线。,机械制造基础 第五章,由此说明，亚共析钢或过共析钢的过冷奥氏体在珠光体型转变区等温，必先析出铁素体或渗碳体，而后转变为珠光体型组织。,机械制造基础 第五章,二、过冷奥氏体的连续冷却转变,(一) 连续冷却转变曲线简介 共析钢的连续冷却曲线只出现珠光体转变区和
14、马氏体转变区，没有贝氏体转变区。,珠光体转变区由三条线组成，左上边的曲线为珠光体转变开始线，右下边的曲线为珠光体转变终了线，在珠光体转变开始线与转变终了线之间的横线是珠光体转变中止线，即冷却曲线碰到这条线时，过冷奥氏体就停止向珠光体转变，而一直保留到Ms点以下直接转变为马氏体。图中Ms线为马氏体转变开始线。Ms线以下为马氏体转变区。,机械制造基础 第五章,(二) 等温转变曲线在连续冷却转变中的应用 由于过冷奥氏体连续冷却转变曲线测定比较困难，所以目前常利用过冷奥氏体等温转变曲线来定性地分析奥氏体在连续 冷却中的转变产物与性能，如图5-12所示。,1：相当于炉冷，它与C曲线相交的温区约在7006
15、70，估计过冷奥氏体将转变为珠光体。,2：相当于在空气中冷却，它与C曲线相交的温度区约在650630，估计过冷奥氏体将转变为索氏体。,机械制造基础 第五章,3 ：相当于油冷，它先与C曲线的转变开始线相交于约600，一部分奥氏体转变为托氏体，但未与转变终了线相交，剩余的奥氏体冷却到Ms以下转变为马氏体，最终获得的产物为托氏体和马氏体的混合组织。,4：相当于水冷 (淬火) ，与C曲线不相交，直接与Ms线相交，过冷奥氏体在Ms线以下转变为马氏体，估计转变后的产物为马氏体+残余奥氏体。,k：与C曲线“鼻尖”相切，表示过冷奥氏体在连续冷却途中不发生转变，而全部过冷到Ms以下。只发生马氏体转变的最小冷却速
16、度，称为临界冷却速度。,机械制造基础 第五章,注意：连续冷却转变获得的组织不均匀，先转变的组织较粗大，后转变的组织较细小。,等温转变曲线在连续冷却转变中的应用： 根据钢的C曲线，可知过冷奥氏体在各种不同冷却速度下所经历的转变及组织和性能，确定钢的临界冷却速度，这为正确制定热处理工艺，合理选材提供了重要的理论依据。,机械制造基础 第五章,(三) 马氏体转变 过冷奥氏体在Ms至Mf之间的转变产物为马氏体。由于转变温度低，只有-Fe向-Fe晶格的改组，碳原子已不能进行扩散，故奥氏体中的碳被迫全部过量地溶解在-Fe晶格中。因此，马氏体实质上是碳在-Fe中过饱和固溶体，用符号“M”表示。,马氏体的组织形
17、态有板条状和片状两种类型，如图所示。,机械制造基础 第五章,当奥氏体中c 1的钢淬火后，马氏体的形态基本为片状，又称为高碳马氏体。 当奥氏体中的碳含量介于二者之间时，淬火后为两种马氏体的混合组织。,马氏体转变的特点：,1、在一定温度范围内(MsMf)连续冷却中进行的，马氏体的数量随转变温度的下降而不断增多，如果冷却在中途停止，则转变也基本停止；2、马氏体转变速度极快；3、由于转变温度低，故转变时没有铁碳原子的扩散；,机械制造基础 第五章,4、马氏体转变时体积发生膨胀，因而产生很大的内应力；5、马氏体转变不能进行到底，即使过冷到Mf以下温度，仍有一定量的奥氏体存在，这部分奥氏体称为残余奥氏体。,
18、马氏体的性能：,强度与硬度随着碳含量的增加，马氏体的强度与硬度也随之增高，尤其是在碳含量较低时，强度与硬度的增高比较明显。但当钢中c0.6时，淬火钢的强度、硬度增高趋于平缓。,塑性和韧性低碳的板条状马氏体不仅具有较高的强度与硬度，同时还具有良好的塑性与韧性，即具有良好的综合力学性能。而高碳的片状马氏体，由于碳的过饱和度大，晶格畸变严重，淬火内应力也较大，存在内部显微裂纹，所以呈现硬度高而脆性大的特点。,教材中图514表明了含碳量与淬火强度、硬度的关系。,机械制造基础 第五章,一、退火 将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺称为退火。,退火工艺的主要特点是缓慢冷却。,(一)
19、完全退火,工艺方法：将钢加热到Ac3以上3050，保温一定时间后，随炉缓慢冷却到600以下，再出炉空冷。 组织形态：珠光体+铁素体。目的：细化晶粒，均匀组织，降低硬度以利于切削加工，并充分消除内应力。适用材料：亚共析成分的碳钢和合金钢的铸件、锻件、焊接件及热轧型材等。,机械制造基础 第五章,完全退火工艺不适用于过共析成分的钢，否则使钢的韧性显著降低，并有可能使钢在以后的热处理中产生裂纹。,(二) 等温退火 工艺方法：将钢加热到Ac3 以上3050 (亚共析钢) 或Accm以上2040 (共析钢和过共析钢) ，保温适当时间后，较快地冷却到Ar1以下某温度，等温一定时间，然后再空冷至室温。组织形态
20、：珠光体。目的：与完全退火相同。适用材料：亚共析、共析和过共析钢均可。,优点：等温退火大大缩短了退火时间，而且转变产物较易控制，同时由于工件内外都是处于同一温度下发生组织转变，因此能获得均匀的组织和性能。,机械制造基础 第五章,(三) 球化退火,工艺方法： 将钢加热到Acl以上2030C，充分保温后，以缓慢的冷却速度冷至600以下，再出炉空冷。球化退火工艺的特点：低温短时加热和缓慢冷却。组织形态：在铁素体基体上均匀分布着球状(粒状)渗碳体，称为球状珠光体组织 (见图5-15) 。目的：消除或改善了片状渗碳体的不利影响。使材料硬度降低，切削加工性能良好，淬火时产生变形或开裂倾向小。适用材料：共析
21、、过共析碳钢及合金工具钢。,对于网状渗碳体比较严重的钢，可在球化退火前先进行一次正火处理，使网状渗碳体破碎，以提高渗碳体的球化效果。,机械制造基础 第五章,(四) 均匀化退火 工艺方法：将钢加热至Ac3以上150200，长时间 (1015h) 保温，然后缓慢冷却。目的： 消除钢中化学成分偏析和组织不均匀的现象。均匀化退火耗能很大，烧损严重，成本很高，且使晶粒粗大。主要用于质量要求高的优质合金钢，特别是高合金钢的钢锭、铸件和锻坯。,为细化晶粒，均匀化退火后应进行一次完全退火或正火。,(五) 去应力退火 工艺方法：将钢加热到Ac1以下某一温度(一般为500650C)，保温后缓冷到200C，再出炉空
22、冷。目的：消除工件 (铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件及切削加工过程中的工件)的残余应力，以稳定工件尺寸，避免在使用过程中或随后加工过程中产生变形或开裂。去应力退火过程不发生组织转变，只消除内应力。,机械制造基础 第五章,二、正火工艺方法： 将钢加热到Ac3或Accrn以上3050，保温适当的时间后，在静止的空气中冷却。主要特点：是完全奥氏体化和空冷。与退火相比，正火的冷却速度稍快，过冷度较大。因此，正火组织中先共析相的量较少，组织较细，其强度、硬度比退火高一些。,目的： 1、可作为力学性能要求不太高的普通结构零件的最终热理； 2、作为预先热处理，正火可改善低碳钢或低碳合金钢的切削加工性；
23、3、消除或破碎过共析钢中的网状渗碳体，为球化退火作好组织上的准备。,机械制造基础 第五章,三、退火与正火的选用 退火与正火的目的基本相同，实际选用时可从以下三方面考虑： 1从切削加工性考虑 作为预先热处理，低碳钢正火优于退火，以提高硬度，改善其切削加工性。而高碳钢正火后硬度太高，必须采用退火。,图5-16为各种碳钢退火与正火后的大致硬度值，其中阴影部分为切削加工性较好的硬度范围。,机械制造基础 第五章,2从使用性能上考虑,对于亚共析钢，正火处理比退火具有较好的力学性能。如果零件的性能要求不很高，则可用正火作为最终热处理。 对于一些大型、重型零件，当淬火有开裂危险时，则采用正火作为零件的最终热处
24、理；但当零件的形状复杂，正火冷却速度较快也有引起开裂的危险时，则采用退火为宜。,3、从经济性上考虑 正火比退火的生产周期短，耗能少，成本低，效率高，操作简便。因此在可能的条件下应优先采用正火。,机械制造基础 第五章,第五节 钢的淬火,淬火将钢加热到Ac3或Ac1以上某温度，保温一定时间，然后以适当速度冷却而获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。 淬火的目的：为了得到马氏体组织，再经回火，使钢得到需要的使用性能，以充分发挥材料的潜力。,一、淬火工艺及方法,(一) 淬火工艺 1淬火加热温度 钢的化学成分是决定其淬火加热温度的主要因素。 亚共析钢的淬火加热温度为Ac3以上3050；共析钢和过共析钢的淬
25、火加热温度为Ac1以上3050。 如图5-18中阴影线所示的温度范围。,机械制造基础 第五章,在上述的温度范围内，奥氏体晶粒较细，淬火后可得到均匀细小的马氏体。 过共析钢加热到Acl以上，淬火后形成在细小马氏体基体上均匀分布着细小碳化物颗粒的组织，这种组织不仅有利于提高钢的硬度和耐磨性，而且脆性也小。,机械制造基础 第五章,2淬火加热时间淬火的加热时间包括加热升温和保温两部分。,3淬火介质钢淬火获得马氏体的首要条件是：淬火的冷却速度必须大于其临界冷却速度 (k)。,根据过冷奥氏体等温转变曲线，希望淬火介质具有图示的理想冷却速度，即在C曲线鼻尖附近温度范围(约650550)内快冷，而在此范围以上
26、或以下，应慢冷，特别是在300200以下发生马氏体转变时，尤其不应快冷，以免产生的热应力和组织应力过大，而导致工件变形和开裂。,机械制造基础 第五章,水的淬火特性: 1、水在650550范围内冷却能力大，使用方便，价格便宜； 2、水在300200的冷却速度仍然很快，给工件造成巨大的内应力，易造成工件变形和开裂； 3、水的冷却能力受温度影响较大，水温升高，降低了在650550的冷却能力。在水中加入盐或碱，可增加在650550C范围内的冷却速度，避免工件产生软点，而基本不改变在300200范围的冷却能力。 4、水一般用作碳钢件的淬火介质。,矿物油(如机油、变压器油等)的淬火特性: 1、优点是在30
27、0200范围内冷却能力低，且冷却能力受油温的影响很小，有利于减少工件的变形；2、缺点是在650550范围内冷却能力低，不利于某些零件的淬硬，易着火，多次使用后会氧化变稠，失去淬火能力。3、油一般用作合金钢的淬火介质。,机械制造基础 第五章,1单介质淬火 ( 见图5-20 ) 淬火方法将加热到奥氏体化的钢件放入一种淬火介质中连续冷却至室温的淬火方法称为单介质淬火。 如钢在水中淬火，合金钢在油中 淬火等。,特点：（1）操作简单，易实现机械化、自动化；（2）缺点是水淬变形、开裂倾向大，油淬易产生硬度不足或不均。（3）只适用于形状 简单的工件或小型工件。,机械制造基础 第五章,2双介质淬火 ( 见图5
28、-20 ) 淬火方法将加热到奥氏体化的钢件先浸入冷却能力较强的介质中快速冷却至300左右，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，称为双介质淬火。 如碳钢先水冷后油冷，合金钢先油冷后空冷等。,特点：(1）此方法利用了两种介质的优点，减少了工件的变形和开裂； （2）缺点是操作困难，不易掌握，要求操作技术高； （3）主要用于形状复杂的工件的淬火。,机械制造基础 第五章,3马氏体分级淬火 ( 见图5-20 ) 淬火方法将加热到奥氏体化的钢件先浸入温度在Ms点附近的恒温液态介质(盐浴或碱浴)中，保温一定时间，待工件内外温度趋于一致后，再取出空冷，以获得马氏体组织的淬火方法，称为马氏体分级
29、淬火。,特点：（1）通过在Ms点附近的保温，使工件的内外温差减小到最小，有效地减小了工件淬火的内应力，降低了工件变形和开裂的倾向； (2）由于盐浴或碱浴冷却能 力较小，此方法只适用于尺寸较小、形状复杂或截面不均匀 的工件。,机械制造基础 第五章,4贝氏体等温淬火 ( 见图5-20 ) 淬火方法将加热到奥氏体化的钢件快速冷却到贝氏体转变温度区间(260240)等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺称为贝氏体等温淬火，也称等温淬火。,特点：（1）贝氏体等温淬火后，得到下贝氏体组织，硬度不如马氏体组织，但具有较高的强度、硬 度、韧性、耐磨性等的良好配合； (2）可显著地减少淬火应力和变形，避免了工
30、件的淬火开裂； (3)适用于形状复杂、精度要求较高的小型工件，如模具、成形刀具、小齿轮等。,机械制造基础 第五章,5深冷处理 方法：将钢淬火冷却到室温后，继续放到0以下的介质中冷却的热处理工艺，称为深冷处理，也称冷处理。 目的：减少钢件中的残余奥氏体量，提高硬度和耐磨性，稳定尺寸。 用途：主要用于重要的精密零件、量具等。,二、钢的淬透性与淬硬性,(一) 钢的淬透性 钢的淬透性在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。反映了钢在淬火时获得马氏体组织的难易程度。 影响淬透性的主要因素：过冷奥氏体的稳定性，即临界冷却速度的大小。 凡是增加过冷奥氏体稳定性、降低临界冷却速度的因素，都能提高钢的淬
31、透性。如含有合金元素 的钢，淬透性比碳钢好。,机械制造基础 第五章,钢的淬透性是选择材料和确定热处理工艺的重要依据。,1、若工件淬透了，经回火后，由表及里均可得到较高的力学性能，从而充分发挥材料的潜力； 2、若工件没淬透，经回火后，心部的强韧性则显著低于表面。对于承受较大负荷 (特别是受拉、压、剪切力) 的结构零件，都应选用淬透性较好的钢。 3、对于承受弯曲和扭转应力的轴类零件，由于表层承受应力大，心部承受应力小，故可选用淬透性低的钢。 4、对于淬透性好的钢，在淬火冷却时可采用比较缓和的淬火介质，以减小淬火应力，从而减少工件淬火时的变形和开裂倾向。,机械制造基础 第五章,(二) 钢的淬硬性,钢
32、的淬硬性钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。 淬硬性的高低主要取决于钢中含碳量。 钢中含碳量越高，淬硬性越好。,必须注意，淬硬性与淬透性是两个不同的概念。 淬硬性好的钢，其淬透性不一定好；反之，淬透性好的钢，其淬硬性不一定好。 例如：碳素工具钢淬火后的硬度虽然很高 (淬硬性好) ，但淬透性却很低；而某些低碳成分的合金钢，淬火后的硬度虽然不高，但淬透性却很好。 各种钢的淬透性、淬硬性可从有关手册中查出。,机械制造基础 第五章,三、常见的淬火缺陷及预防,(一) 硬度不足与软点 软点钢件淬火硬化后，表面硬度偏低的局部小区域称为软点。 硬度不足淬火工件的整体硬度都低于淬火要求的硬度称为
33、硬度不足。 产生硬度不足或软点的原因有：淬火加热温度过低、淬火介质的冷却能力不够、钢件表面氧化脱碳等。 硬度不足或软点的消除：采用重新淬火来消除。,(二) 淬火变形和开裂,淬火变形淬火冷却时产生的淬火冷却应力使工件的尺寸和形状发生变化，称为淬火变形。 淬火开裂当淬火冷却应力过大而超过了钢的抗拉强度时，在工件上产生裂纹称为淬火开裂。,机械制造基础 第五章,控制或减小变形，防止开裂的措施：,(1) 合理选择钢材与正确设计零件结构。对形状复杂、截面变化大的零件应选用淬透性好的合金钢。在零件结构设计中，应尽量减小截面尺寸的差异、避免尖角等。 (2) 合理地锻造与预先热处理。目的是改善碳化物的分布，细化
34、晶粒，减少淬火冷却应力。如高碳钢在合理地锻造后进行球化退火，能显著减小淬火变形与开裂倾向。 (3）采用合理的热处理工艺。正确选定加热温度与时间，避免奥氏体晶粒粗化。对于形状复杂或用高合金钢制造的工件，应采用一次或多次预热、预冷淬火或等温淬火等，以减小工件的变形。 (4) 采用正确的浸入淬火介质的方式。工件浸入淬火介质时，使工件各部位尽可能均匀地冷却，如轴类件应垂直浸入淬火介质，截面厚薄不均匀的零件，应将截面较厚的部位先浸入淬火介质。 (5) 淬火后及时回火。目的是消除淬火冷却应力，防止淬火件在等待回火期间发生变形和开裂。,机械制造基础 第五章,第六节 淬火钢的回火,回火钢件淬硬后，再加热到Ac
35、l点以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。 它是紧接淬火的热处理工序。,回火的目的： 获得工件所需要的性能； 消除淬火冷却应力，降低钢的脆性； 稳定工件组织和尺寸。,一、淬火钢的回火转变,(一) 马氏体的分解 ( 400) 回火温度达到400以上时，渗碳体将逐渐聚集长大，形成较大的粒状渗碳体。,机械制造基础 第五章,温度升至500600时，铁素体开始再结晶，失去原来板条状或片状形态而成为多边形晶粒。此时组织是由多边形晶粒的铁素体和粒状渗碳体组成的混合物，称为回火索氏体。回火索氏体具有良好的综合力学性能。,如果温度继续升高至650以上接近A1时，渗碳体颗粒更粗大。此时钢
36、的组织由多边形晶粒的铁素体和较大粒状渗碳体组成，称为回火珠光体。 图示40钢回火后的力学性能与回火温度的关系曲线。,机械制造基础 第五章,二、回火的种类及应用,(一) 低温回火 (250) 低温回火所得到的组织为回火马氏体。其目的是保持淬火后的高硬度 (一般为5864HRC) 和高耐磨性，降低淬火冷却应力和脆性，提高塑性和韧性。它主要用于各种高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳件等要求硬而耐磨零件。,(二) 中温回火 (350500) 中温回火后得到的组织为回火托氏体。这种组织具有较高的弹性极限和屈服强度，同时又有一定的韧性、塑性和中等硬度 (一般为3545HRC) 。因此主要用于处理各种弹性元
37、件及热锻模等。,(三) 高温回火 (500650) 高温回火后得到的组织为回火索氏体。其力学性能优良，在保持高强度的同时，具有良好的塑性和韧性，硬度一般为 200330HBW。生产上常把淬火与高温回火相结合的热处理工艺称为“调质”。,机械制造基础 第五章,调质处理广泛用于重要的结构零件，特别是在交变载荷下工作的连杆、连杆螺栓、齿轮、轴类等零件。,注意： 1、钢经正火后或调质后的硬度值很相近，但重要的结构零件一般都进行凋质处理。 2、钢经调质处理后得到回火索氏体组织，其中渗碳体呈粒状，而正火得到的索氏体呈层片状。 3、经调质处理后的钢不仅其强度较高，塑性、韧性也显著超过正火状态。,调质处理一般作
38、为最终热处理，因为调质后钢的硬度不高，便于切削加工，并能获得较细的表面粗糙度值。 调质也可作为表面淬火和化学热处理前改善钢件原始组织状态的预先热处理。,机械制造基础 第五章,第七节 钢的表面热处理,一、钢的表面淬火 表面淬火仅对工件表层进行淬火的工艺。,目的：只对工件一定深度的表层进行淬火强化，而心部基本上保持原来的 (退火、正火或调质状态) 组织和性能。,特点： 1、表面淬火可使工件获得表层硬而耐磨、心部仍保持良好韧性的性能。 2、由于表面淬火是局部加热，故能显著地减小淬火变形，降低能耗。 3、表面淬火不改变表层化学成分，但改变了表层的组织结构。,机械制造基础 第五章,(一) 感应加热表面淬
39、火 把工件放人空心铜管绕成的感应器 (线圈)内，感应器中通人一定频率的交流电，以产生交变磁场，于是工件内便产生与线圈电流频率相同、方向相反的感应电流 (涡流)。涡流在工件截面上分布是不均匀的，表层电流密度大，心部电流密度小。,通人感应器的电流频率越高，涡流集中的表面层越薄，这种现象称为“集肤效应”。由工件表面涡流产生的电阻热使工件表层迅速被加热到淬火温度 (心部的温度仍接近室温) ，然后，立即喷水快速冷却，就达到了表面淬火的目的。,机械制造基础 第五章,由于通人感应器的电流频率越高，感应涡流的集肤效应就会越强烈。因此感应加热表面淬火的淬硬层深度主要取决于电流频率。 频率越高则淬硬层越浅。生产中
40、常用的电流频率与淬硬层深度的关系如教材中表5-5所示。,感应加热表面淬火的特点： 1、加热速度快 零件由室温加热到淬火温度，仅需要几秒到几十秒的时间。 2、淬火质量好 由于加热迅速，时间短，使奥氏体晶粒细小均匀， 淬火后表层可获得极细的马氏体，硬度比普通淬火高 23HRC。而且在淬硬的表面层存在有很大的残余压应力，有效地提高了零件的疲劳强度。 3、淬硬层深度易于控制 淬火操作易实现机械化和自动化。但淬火设备费用较高，维修调整较难故不宜用于单件生产。,机械制造基础 第五章,感应加热表面淬火适用材料：1、中碳钢或中碳低合金钢；2、高碳工具钢和铸铁。,注意：零件在表面淬火前一般先进行正火或调质处理，
41、表面淬火后需进行低温回火，以减少淬火应力和降低脆性。,(二) 火焰加热表面淬火 火焰加热表面淬火是应用氧乙炔 (或其它可燃气体) 火焰，对零件表面进行加热，随之快速冷却的工艺方法。其淬硬层深度一般为26mm。,火焰加热表面淬火的优点是设备简单，成本低，使用方便灵活。但生产效率低，淬火质量较难控制。因此只适用于单件、小批量生产或用于中碳钢、中碳合金钢制造的大型工件，如大齿轮、轴等的表面淬火。,机械制造基础 第五章,二、钢的化学热处理,钢的化学热处理将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。,与表面淬火相比其特点：不仅改变了钢件表层
42、的组织，而且表层的化学成分也发生了变化。 化学热处理按渗入元素的不同可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。,化学热处理的过程： 1、分解。介质在定温度下发生分解，产生渗入元素的活性原子。如C、N等。 2、吸收。活性原子被工件表面吸收，也就是活性原子由钢的表面进入铁的晶格而形成固溶体或形成化合物。 3、扩散。被工件吸收的活性原子由表面向内部扩散，形成一定厚度的扩散层(即渗层)。,机械制造基础 第五章,(一) 钢的渗碳 渗碳将钢件置于渗碳介质（称为渗碳剂）中，加热到单相奥氏体区，保温一定时间，使碳原子渗入钢件表层的化学热处理工艺。,目的：是为了使低碳的钢件表面获得高碳浓度，在经淬火和回火处理
43、后，提高钢件的表面硬度、耐磨性及疲劳强度，而心部仍保持足够的韧性和塑性。 渗碳主要用于同时受磨损和较大冲击载荷的零件，如齿轮、活塞销、凸轮、轴类等。,渗碳用钢：c = 0.100.25 的低碳钢和低碳合金钢，如15、20、20Cr 等钢。 渗碳方法：可分为固体渗碳、气体渗碳、液体渗碳三种。其中应用最广的是气体渗碳法。,机械制造基础 第五章,气体渗碳是将工件在气体渗碳剂中进行渗碳的工艺。图5-23所示为气体渗碳示意图，它是将工件放人密封的加热炉中，加热到900950，并向炉内滴人煤油、丙酮、甲醇等有机液体或直接通人煤气、石油液化气，活性碳原子被工件表面吸收而溶人奥氏体中，并向内部扩散，最后形成一定厚度的渗碳层。 渗碳层厚度根据工件的工作条件和具体尺寸来确定。渗碳层太薄时，易引起表面疲劳剥落，太厚则经不起冲击,一般为0.52.5mm。,
