1、工程材料 （4）,第四章 金属材料热处理,第四章 金属材料热处理 热处理定义：在固态范围内，采用加热、保温和冷却等方法而改变金属材料的内部组织结构，从而改善金属材料力学性能的工艺方法金属材料。,4、去应力退火,二、 正火1.定义：加热到Ac3或Accm以上3050，保温适当时间， 在静止的空气中冷却， 获得含有P的均匀组织。,+,2、目的：正火所达到的效果与材料的成分及组织状态有关。 （1）低C钢正火后，可得到较细的片状P，硬度较退火略高，利于切削加工，由于所得F晶粒较细，钢的韧性较好，板、管、带及型材等大多采用正火处理，以保证良好的力学性能的配合。,（2）中C钢普通零件正火后组织细化，得到一
2、定的力学性能，要求不高时，可代替调质处理作为最后热处理或为感应加热表淬前的预备处理还可以消除魏氏组织，低合金结构钢（wt0.4%，如40Cr）可用正火代替完全退火作为切削加工前的准备，可缩短生产周期，降低费用。,3）过共析钢（工具钢、轴承钢）和渗C工件可用正火消除网状C化物。以便在球化退火中获得均匀的球状C化物。在用正火代替渗碳件的第一次淬火时，还能减少工件变形。 4）大型锻件常采用正火作为最终热处理，可避免淬火时较大的开裂倾向（但不能充分发挥材料潜力）。正火后需高温回火（T=700），以消除应力，得到良好的力学性能。,（5）铸钢件正火， 细化铸态组织（即细化铸件中粗大晶粒，消除由于截面尺寸不
3、同在结晶过程中产生的显微组织的不均匀性，如等轴晶-柱状晶-粗晶）。 改善切削加工性能由于铸件一般形状较复杂，偏析严重，韧性较差。在正火中应采用较为缓慢的加热，以免热应力造成变形开裂，加热T也较锻件高。,退火和正火的加热温度,成分,温 度,扩散退火,组织：正火冷速快，P组织比退火态的片层间距小，领域也小 性能：亚共析钢中：P越多，强度，硬度越高，韧性，塑脆转化T。Wc0.2%时，退正火机械性能相近。C%，正火硬度、强度比退火高，塑性低。,三、退火、正火后的组织与性能,钢的最重要的强化手段：淬火,将钢加热到Ac1或Ac3以上3050，保温一段时间使钢奥氏体化后，以大于临界冷速冷却获得马氏体的热处理
4、工艺,目的：主要目的是： (工具钢) 硬度、强度、耐磨性。（结构钢）与不同T的回火相配合，获得不同的强韧、塑的配合，满足不同的性能要求。,临界冷速,第二节 钢的淬火,马氏体转变无扩散型转变，切变,板条M,一、淬火加热温度 l亚共析钢和共析钢:AC3+3050？淬火后组织:均匀细小M l过共析钢:AC1+3050？淬火后组织：均匀细小M +粒状渗碳体,二、淬火冷却介质 保证工件冷速V临界淬火冷速VC。,工件尺寸一定时，冷速越快：1.获得较大的淬硬深度。2.容易引起变形开裂。,水作为淬火介质 （1）650550 :冷速200/s； M转变区(300200），冷速：高达770/s 优点：冷却能力强，
5、清洁、安全、价格低，不需清洗。在可能情况下应广泛使用。 缺点：M 转变区冷速大，易开裂 适用：形状简单，尺寸不大的碳钢件。,盐水、碱水溶液（水中添加510%的盐、碱） 在高温区（650550）的冷却能力约为水的10倍 缺点：低温冷速仍很大。对工件有腐蚀作用，淬火后必须清洗。碱水对皮肤有刺激作用，且易于老化变质碱水使用受到一定的限制。 适用范围：用于形状简单，尺寸较大的碳素结构钢件淬火，还可对大截面的碳素工具钢，低合金钢工件用盐-油双介质淬火。,3）油(主要用矿物油) 特点：低温冷速低，。油高温冷却能力很小，只有水的1/31/6。) “C”鼻尖处冷速较低。截面较大的C钢及低合金钢不易淬硬，主要用
6、于形状复杂的中小型合金钢（A稳定性大，“C”曲线靠右淬透性大）或尺寸小的碳钢。,3.淬火应力与控制 淬火应力形成原因 （1）热应力：零件不同部位冷却不均衡引起。 （2）组织应力：零件不同部位M转变不同时引起。时间特性 瞬时应力热处理过程中形成的内应力 残余应力热处理后零件内存在的应力变形开裂,减小变形的措施 1、合理选材，正确设计结构 2、正确锻造和进行预备热处理 3、采用合理的热处理工艺,三 淬火冷却方法: （1）单介质淬火 （2）双介质淬火（为减小淬火应力） （3）M分级淬火（为减小淬火应力） （4）B等温淬火：为获得下贝氏体组织。 （5）冷处理：为获得最大量M，减少A,B,时间,温度,A
7、1,P,M,A,Ms,室温,1、直接淬火（direct quenching） 适用：无尖锐棱角，和截面形状无突变的形状简单的碳钢和合金钢工件。,不适用：处理高碳钢件和形状复杂的工件。 例：手用锯条 T10 T12 油淬（14 18）,2、双液淬火法 特点：既保证了较高淬透层深，又可减少应力，防止开裂。水-油、盐水-油、油-空气等适用范围：淬透性较差的大尺寸工件 缺点：不易操作,多用碳素工具钢和大截面合金工具钢，要求淬透较深的零件淬火。,3、M分级淬火 优点：减少了淬火应力（组织应力）,适用范围：变形要求严格的工件。一般分级淬火时零件 能淬透的零件直径要比油淬、水淬小， 对大截面碳钢、低合金零件
8、不适宜采用分级淬火。,4、贝氏体等温淬火 等温温度：依C曲线及性能要求（T 低，B 下多且硬度高） 适用：合金钢，Wc0.6%的碳钢。,400-260 ,5、深冷处理（或冷处理）（Subzero treatment）,目的： A残M 适用：Ms点低的钢种（C高 0.6）要求尺寸稳定性很高的精密零件,四、淬火常见缺陷 1、淬火裂纹及变形多种原因引起:工艺、结构、材料等。 2、氧化、脱C 3、过热、过烧 4、软点与硬度不足 加热温度不匀、存在氧化皮和表面气泡等 材料淬透性低、淬火冷速太小等。,第三节 钢的表面淬火零件使用性能要求： 高的表面硬度（HRC5058）、强度和疲劳强度，较好的心部塑性和韧
9、性。 采用热处理工艺：表面淬火,轧辊,快速灵活的感应加热表面淬火,一、感应加热基本原理 感应线圈通交流电交变磁场 表面感应电势瞬时： 感生涡流：Z：涡流回路电抗，R：电阻，XL：感抗 Z很小，（涡流）能达到很大。,进水,出水,淬火喷水套,进水,电流密度,涡流热效应Q总=Q+Q，将零件表层加热，（Q磁滞热效应，比涡流热效应小的多） 表面效应（集肤效应）涡流强度随高频电磁场强度由零件表面向内层逐渐减小而相应减小的规律，称为表面效应。 交流电频率越高，涡流层越浅集肤效应。,C钢：感应加热透入深度（近似公式）：f为电源频率（HZ）,感应加热的频率选择及应用,2、特点： （1）加热速度快、时间短，表面淬
10、火可得极细的马氏体。 （2）工件表面存在残余压应力，可提高疲劳强度,疲劳强度显著使用寿命 如：40Cr钢，20mm光滑试样， -1值：调质：450480，调质+表淬：630Mpa， 40MnB钢制造汽车半轴， 调质改调质+表淬，寿命20倍,（3）工件不易氧化、脱碳，变形小。 （4）易于自动化，生产率高。 （5）设备昂贵 （6）不适合形状复杂的工件。,3、适用钢：中碳钢 4、预先热处理及工件加工工序设置 预先热处理：调质 加工工序设置（各热处理工序目的？） 下料锻造正火或退火机加工（粗） 调质机加工（细）感应淬火低回磨削,二、火焰加热表面淬火 操作:高温火焰加热工件表面，随后水冷淬火。 特点:（
11、1）方法简单、不需贵重设备。 （2）工件大小不受限制（3）加热温度不易控制，淬火质量不够稳定。,火焰加热表面淬火示意图,工件,喷水管、烧嘴移动方向,第四节 钢的回火 回火：淬火钢件加热至AC1以下某温度保温一定时间，而后冷却的热处理工艺。 一、回火目的 （1） 减小或消除淬火应力，防零件变形和开裂。 （2） 稳定组织，防止组织转变引起的零件形状、尺寸和性能变化。 （3） 获得所需力学性能。,淬火,回火,二、回火时组织转变及力学性能变化 1、回火时组织转变 以碳钢为例： （1）马氏体开始分解（100200）：碳原子以-碳化物形式从马氏体中逐渐析出。 （2）残余奥氏体分解（200300）：残余奥氏
12、体转变为回火马氏体或下贝氏体。 （3）渗碳体形成（250400）：-碳化物转变为极细小的渗碳体。 （4）铁素体的回复和再结晶，碳化物颗粒聚集长大（400以上）,碳化物的析出； 残余奥氏体的分解； 铁素体的回复和再结晶。,0.04mm 马氏体,0.08mm 回火马氏体,回火时组织变化,2、回火时力学性能变化随回火温度升高 l 硬度下降；塑性、韧性上升。 l屈服强度先升后降，最高值在200左右出现； l弹性极限先升后降，最高值在350左右出现；,3、回火工艺 根据回火温度分 （1）低温回火（150250） 回火组织：回火马氏体：碳过饱和度降低了的马氏体 + 析出碳化物 力学性能：残余应力消除，高硬
13、度、高强度，较低的塑性和韧性,回火马氏体,主要适用 高碳钢制造的各类工模具、机械零件（如轴承） 如锉刀 T12 160-180 64HRC 渗C及CN共渗淬火后的零件 低合金超高强度钢 30CrMnSiNi2A 250-300 ,（2）中温回火（350500） 回火组织：回火托氏体：铁素体 + 极细粒状渗碳体 力学性能：较高的屈服强度,高的弹性极限，较好的塑性和韧性。,回火托氏体 1000X,适用：wc=0.60.9%的碳素弹簧钢(T取下限)和 wc=0.450.75%的合金弹簧钢(T取上限)都适合中温回火,（3）高温回火（500650） 回火组织：回火索氏体：铁素体+细粒状渗碳体 力学性能：
14、高的塑性、韧性，较低的屈服强度和硬度。,回火索氏体 500X,适用： 主要用于中碳碳素结构钢或低合金结构钢制造的各种机械结构零部件 结构钢淬火+高温回火，以获得综合机械性能为目的，称为调质处理，如发动机曲轴、连杆、螺栓，机床主轴等要求综合机械性能零件。 40Cr,高C高合金钢（如高速钢、高铬钢）的回火T的高达500600，在这个T区间里将发生二次硬化作用。,4、回火脆性 低温回火脆性：250350回火时韧性降低。 预防方法：回避在该温度回火 高温回火脆性：500650回火时韧性降低。 预防方法：回火后快冷。,钢的韧性与回火温度的关系,小结：各种热处理组织比较,奥氏体,缓冷,快冷（淬火）,重新加
15、热,较快冷,球化退火,马氏体,回火马氏体,加热回火,珠光体,贝氏体,第五节 钢的淬透性 一、淬透性定义及影响因素 淬透性：钢中奥氏体在冷却时形成马氏体而不形 成其他组织的能力,它主要与钢的过冷A的稳定性与临界淬火冷却速度有关淬透性影响因素：（1）奥氏体中含碳量（2）奥氏体中合金元素的种类和含量（3）未溶碳化物和奥氏体晶粒大小,T,通常用用标准试样在一定条件下淬火能够淬硬的深度H或全部淬透的最大直径D表示。测定结构钢的淬透深度规定以体积分数为50%淬火M的硬度作为基准。,二、淬透性的表示方法,三、淬透性与淬硬性的区别淬透性是钢的一种属性。主要和钢的过冷奥氏体的稳定性有关。淬透性有时用淬硬层深度来
16、表示 淬硬性是指钢淬火后获得M的最高硬度，淬硬性主要与钢中的碳含量（A中的C含量 ）有关（如图）。固溶于A中C含量越多，淬火后钢的硬度就越高。 合金元素的含量对淬硬性没有显著的影响，但对钢的淬透性影响较大。 ？：淬火后硬度高的钢淬透性好,二、淬透性的测定实际以淬硬层深度表征淬透性,试样,喷水管,淬透性测试试验结果,样品台,试样,喷水,试样上磨出一个平面,测出从底部到顶部的洛氏硬度值,绘制出这样一张图,到试样底端的距离,洛 氏 硬 度,钢的淬透性以 来表示，如 ，表示距水冷端5mm处，试样的硬度值为HRC42。,三、淬透性意义与选材l 重要零件选高淬透性材料，保证表面和心部性能一致。l 选材时注
17、意零件的尺寸效应。,冷却速度,淬硬层,V心部,第六节 固溶热处理与时效强化 固溶热处理：加热合金到高温单相区，使合金元 素充分溶入基体相而后快速冷却，以获得过饱和 固溶体的工艺。 时效强化：固溶处理的合金于室温或略高于室温 保温，通过过饱和的溶质原子形成偏聚区和析出 形成第二相微粒而导致的强度和硬度升高。,时效工艺分为： 人工时效：时效温度高、时间短，硬度低。 自然时效：时效温度低、时间长，硬度低。,第七节 钢的化学热处理 化学热处理：通过活性元素原子的吸收和扩散改变钢的表层化学成分而改变钢的表层组织与性能的热处理工艺。 常用：（1）提高硬度：渗碳、渗氮、渗硼等（2）提高抗高温氧化性：渗铝、渗
18、铬等（3）提高抗腐蚀性：渗硅、渗氮等,化学热处理三个过程：（1）活性原子产生（2）活性原子被钢表面吸收（3）活性原子由钢表面向心部扩散,渗剂分解释放活性原子,活性原子在工件表面吸附,活性原子由表面向心部扩散,含活性原子的渗剂,钢,钢,一、 钢的渗C（carburizing） 1、渗C的目的、分类及应用定义钢件 渗C介质 加热和保温， 表面含C量和一定C浓度梯度 应用最广泛的一种化学热处理工艺。,目的：高的表面硬度（HRC5863），耐磨性 高的接触-，弯曲-1高的冲击韧性等。,应用：适用于承受磨损，交变接触应力或弯曲应力和冲击载荷的机器零件如：轴，活塞销、齿轮、凸轮轴既表面要求高硬度，心部要求
19、足够强度和韧性。汽车、拖拉机、起重、坦克等设备中零件,80%以上,分类依渗C剂 聚集状态渗C方法可分为：固体渗C、液体渗C、气体渗C（和特殊渗C）。,+,-,加热炉,密封箱,工件,固体渗碳剂,固体渗碳示意图,泥封,固体渗C,在渗C T加热渗C（930，35h）,渗剂：固体碳粒：木炭（7090%）+催渗剂：碳酸钠、BaCO3,单件、小批量,液体渗C盐浴特点：加热速度快，加热均匀缺点：多数盐浴有毒，盐浴：NaCN，KCN，（氯化物，剧毒），用于小批量生产。,气体渗C渗C气体可用碳氢化合物有机液体，如：煤油、丙酮等直接滴入炉内汽化而得。 优点：生产率高，可机械化、自动化生产、 渗C层浓度可控制，渗C
20、质量高。,渗C用钢含C量：0.150.25%，若心部要求强度较高，含C可为0.30%。 低碳钢：要求不高时可用。 如：20钢低碳合金钢：截面较大、形状复杂、表面耐磨性、疲劳强度、心部机械性能要求高的零件如20CrMnTi，18Cr2Ni4W,2、渗碳工艺参数 渗碳温度：900950 渗层厚度：12毫米 渗碳时间：7小时左右典型滴注剂 甲醇-煤油滴注剂：国内许多厂家采用。 甲醇-乙酸乙脂 甲醇-丙酮,气体渗碳示意图,示例：滴注式气体渗C工艺 如20钢，齿轮，要求渗层厚度为0.3mm工艺：930，煤油20D/ min，3h。 炉冷，后淬火,3、渗碳后热处理及组织 （1）渗碳后热处理：淬火+低温回火
21、 （2）渗碳后组织： 渗层含碳量：0.851%左右； 渗层组织：回火马氏体 + 少量碳化物 心部组织：回火马氏体 性能：表HRC：5863心 HRC40以下,4、渗碳工序安排 下料锻造正火机加工（粗）渗碳 淬火低温回火磨削,低C钢渗C与中C钢表淬比较。 性能上：中C钢表淬HRC低（HRC5058），心部冲击韧性，耐磨性也较低。低C钢渗C(HRC5863) 渗C层易获沿零件轮廓均匀分布，表淬层分布不易控制，小模数齿轮常有淬透可能。但渗碳工艺复杂，变形较大，成本较高。,二、渗氮 1、目的与用钢 目的：保持工件心部良好综合力学性能（较高的 强度和好的塑、韧性）的同时，使工件具有高的 表面耐磨性、红硬
22、性（高温硬度）、抗蚀性和疲 劳强度。 适用钢：中碳合金钢 2、渗氮方法及参数 方法：气体、液体或固体渗氮 渗氮温度：500600 渗层厚度：0.150.7毫米 渗氮时间：10100小时左右,3、渗氮前热处理及组织 渗氮前热处理：调质 渗氮后组织：渗氮层：合金氮化物+回火索氏体心部：回火索氏体 4、渗氮工序安排 下料锻造正火或回火机加工（粗） 调质渗氮 磨削,三、碳、氮共渗 1、中温碳、氮共渗（氰化） 目的：提高表面硬度、疲劳强度和抗蚀性(表面 硬度和抗蚀性高于渗碳层)。 适用钢：中、低碳钢 氰化温度：800860 渗层厚度：0.10.75毫米 共渗时间：13小时 渗后热处理：淬火 + 低温回火
23、,2、低温气体 碳、氮共渗（氮、碳共渗） 目的：以渗氮为主、渗碳为辅，提高工件表面硬度、疲劳强度和耐蚀性。 适用钢：各种钢 渗氮温度：560570 渗氮时间：13小时 渗层厚度：0.010.02mm 渗氮前热处理：调质,四、渗硼 目的：提高工件表面硬度（高于其他化学热处理）、耐蚀性、红硬性和抗氧化性。 渗硼温度：950左右 渗硼时间：46小时 渗硼后热处理：可不淬火或淬火,第八节 热处理零件的结构工艺性 1、尽量避免尖角2、截面厚度尽量均匀，避免悬殊。,3、形状尽量对称和封闭4、形状复杂和各部分性能要求不同的零件分拆设计，加工后组装。,第九节 热处理新技术 一、形变热处理 基本方法：将塑性变形与热处理相结合，借助塑 性变形细化组织 主要作用：提高钢的强度，改善钢韧性的热处理。 二、真空热处理 主要作用：防氧化、净化表面、脱气、减小变形,三、离子轰击热处理 基本方法：利用带电离子轰击进入工件表层 主要作用：提高工效，改变材料表层成分，改善材料表面性能。 四、激光热处理 基本方法：利用激光迅速加热工件局部表面 主要作用：改变材料表层组织和性能，且减小变形，细化组织。,
