1、第6章 钢的热处理,6.1 概述 6.2 钢在加热时的转变 6.3 钢在冷却时的转变 6.4 退火与正火 6.5 淬火 6.6 回火 6.7 表面淬火 6.8 化学热处理,图6-1 热处理工艺曲线,返回,图6-2 共析钢C曲线的建立,返回,图6-3 共析钢的C曲线图,返回,图6-4 碳钢的淬火加热温度,返回,图6-5 各种淬火方法示意图,返回,图6-6 钢的硬度与回火温度的关系,返回,图6-7 含0.4%C钢的冲击韧性与回火的关系,返回,图6-8 淬火、退火及淬火回火后40钢的性能对比,返回,图6-7 含0.4%C钢的冲击韧性与回火的关系,返回,6.1 概述,钢的热处理是通过将钢在固态下加热、
2、保温和冷却，改善钢的内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。 热处理工艺在机械制造业中应用极为广泛。热处理能提高零件的使用性能，充分发挥钢材的潜力，延长零件的使用寿命，此外，热处理还可改善工件的加工工艺性能，提高加工质量，减少刀具磨损。因此，热处理在机械制造业中占有十分重要的地位。,下一页,返回,6.1 概述,根据工艺不同，钢的热处理方法分类如下：钢的热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都需要经过加热、保温、冷却的过程。因此热处理工艺过程可用“温度时间”曲线表示，如图6-1所示，此曲线称为热处理工艺曲线。,普通热处理一 退火、正火、淬火、回火,表面热处理 化学热处理：渗碳、渗氮、渗硼、渗
3、金属等,表面淬火：火焰加热，感应加热等,热处理,上一页,下一页,返回,6.1 概述,热处理之所以能使钢的性能发生变化，其根本原因是由于铁有同素异构转变，从而使钢在加热和冷却过程中，其内部发生了组织与结构变化的结果。因此要掌握热处理工艺，必须首先了解在不同的加热及冷却条件下，钢的组织变化的规律。,上一页,返回,6.2 钢在加热时的转变,6.2.1 钢在加热时的组织转变 由铁碳状态图可知，碳素钢在极其缓慢的加热和冷却过程中，其固态组织转变的临界温度可由图中A1线(PSK线)、A3线(GS线)和Acm线(ES线)来确定。在实际热处理过程中，无论是加热或者冷却，都是在较快的速度下进行的，因此实际发生转
4、变的温度与状态图中所示的临界温度之间有所偏离，加热时移向高温，而冷却时移向低温，这种现象称为“滞后”，并且滞后的量随着加热或冷却速度的增大而增大通常我们把实际加热时发生相变的临界温度用Ac1、Ac3、Accm表示，而冷却时的临界温度用Ar1、Ar3表示。,下一页,返回,6.2 钢在加热时的转变,1. 奥氏体晶核形成与长大 2. 残余渗碳体溶解 3. 奥氏体成分的均匀化 从上述分析可以看出，零件加热后进行适当的保温是很有必要的，其目的是，能使零件在保温过程中彻底完成相变，为了得到成分较为均匀的奥氏体组织。,上一页,下一页,返回,6.2 钢在加热时的转变,6.2.2奥氏体晶粒长大珠光体刚转变成奥氏
5、体时，一般情况下其晶粒是细小的，这时的晶粒大小称之为起晶粒度。如果继续升高加热温度或者延长保温时间，奥氏体晶粒将逐渐长大，加热温度愈高，奥氏体晶粒愈粗大。粗大的奥氏体晶粒冷却后得到的组织也是粗大的，粗大的晶粒组织将使钢的力学性能尤其是韧性降低。因此，在多数情况下，热处理时不允许加热温度过高，以免引起奥氏体晶粒长大。,上一页,下一页,返回,6.2 钢在加热时的转变,6.2.3加热时常见的缺陷 1过热 所谓过热是钢在加热时，由于加热温度过高或加热时间过长，引起奥氏体晶粒粗大的现象。过热使钢的力学性能降低，严重影响钢的冲击韧性，而且还易引起淬火变形和开裂。 2过烧 所谓过烧是钢在加热时，由于加温温度
6、过高，造成晶界氧化或局部熔化的现象。 3氧化和脱碳 氧化是由于铁和空气中的氧等化合形成氧化皮，从而使工件表面粗糙不平，影响零件的精度。所谓脱碳就是钢件表面层的碳被烧掉，因而使其含碳量降低。,上一页,返回,6.3 钢在冷却时的转变,6.3.1过冷奥氏体等温转变奥氏体在临界温度A1以上时是稳定的，能够长期存在而不发生组织转变，但并不是一冷却到A1以下立即发生转变，在转变前需要停留一定的时间，这个时间称为孕育期。在临界温度A1以下暂时存在的奥氏体，称之为“过冷奥氏体”。1共析碳钢C曲线的建立 （图6-2） 2共析碳钢C曲线分析 （图6-3）,下一页,返回,6.3 钢在冷却时的转变,6.3.2 过冷奥
7、氏体连续冷却与C曲线的关系在实际生产中，过冷奥氏体的转变大部分是在连续冷却中完成的，把钢加热到奥氏体状态后，使奥氏体在温度连续下降的过程中发生转变，称为过冷奥氏体的连续冷却转变。在进行定性分析时，等温转变曲线所标示出的规律，基本上在连续冷却时也适用。下面用共析钢的等温转变曲线定性地分析在连续冷却条件下的组织转变情况。,上一页,下一页,返回,6.3 钢在冷却时的转变,6.3.3 冷却转变后的组织及性能 通过C曲线，我们已知在不同的冷却条件下会获得不同的组织，下面讨论各种组织的转变特点及不同组织对钢材性能的影响。 1珠光体转变 (1)珠光体的形成 (2)珠光体的组织形态及力学性能 2贝氏体转变 (
8、1)贝氏体的形成 (2)贝氏体的组织形态及力学性能,上一页,下一页,返回,6.3 钢在冷却时的转变,3马氏体转变 (1)马氏体的形成及马氏体转变特点 (a)降温形成 (b)高速形核和长大(c)马氏体转变的不完全性 马氏体的组织形态和力学性能,上一页,返回,6.4 退火与正火,6.4.1 退火和正火的目的 1调整钢件硬度，以便进行切削加工。 2消除残余应力。 3细化晶粒，改善组织以提高钢的力学性能。 4为最终热处理作好准备。,下一页,返回,6.4 退火与正火,6.4.2 退火和正火工艺及应用 1退火将钢加热到一定温度，保温一定时间后，缓慢冷却至室温的热处理工艺称为退火。根据钢的成分及退火目的不同
9、，退火工艺可分为完全退火+球化退火、等温退火、扩散退火，去应力退火和再结晶退火等，其中常用的是完全退火、球化退火和去应力退火。 2.正火正火是将钢件加热至Ac3（亚共析钢）或Accm（过共析钢）以上3050，保温后出炉在空气中冷却的一种操作。,上一页,返回,6.5 淬火,将钢加热到临界温度（AC3或AC1）之上适当温度，保温后急速冷却(水冷、油冷等)的热处理操作叫做淬火。淬火的目的主要是为了获得马氏体组织，它是强化钢材的最重要的热处理方法，大量重要的机械零件及各类刃、模、量具等都离不开淬火处理，就是日常用品如刀剪之类，也要淬火后才能使用。 需要指出，淬火得到的马氏体，还不是热处理所要求的最后组
10、织。淬火马氏体只有配以适当的回火后才能使用(回火在下一节中介绍)，因此可以说淬火是为回火做组织准备的。而淬火工艺比较复杂，出现的问题也较多。,下一页,返回,6.5 淬火,6.5.1 淬火加热温度的选择 钢的淬火加热温度根据Fe-Fe3C 相图选择，如图6-4所示。 从C曲线看出，只有奥氏体能够转变成马氏体，所以淬火时首先需把钢加热至临界温度以上，使钢变为奥氏体组织。亚共析钢的淬火温度必须超过临界温度Ac3以上3050左右，这样才能使钢全部转变成奥氏体，淬火后才有可能全部获得马氏体组织。,上一页,下一页,返回,6.5 淬火,6.5.2淬火冷却介质 淬火操作难度比较大，主要因为淬火时要求得到马氏体
11、，冷却速度必须大于钢的临界冷却速度(Vk)，而快冷总是不可避免地要造成很大的内应力，往往会引起钢件的变形与开裂。怎样才能既得到马氏体又最大限度地减小变形与避免开裂呢?主要可以从两方面着手，其一是寻找一种比较理想的淬火介质，其二是改进淬火冷却方法。 常用的淬火冷却介质有水、矿物油、盐水溶液等。,上一页,下一页,返回,6.5 淬火,6.5.3淬火方法 由于淬火介质性能不能完全符合理想，故需配以适当的冷却方法进行淬火，才能保证零件的热处理质量。常用的淬火冷却方法如图6-5所示。 1.单液淬火(图6-5a) 2.双液淬火(图6-5b) 3.分级淬火(图6-5c) 4.等温淬火(图6-5d) 5.局部淬
12、火,上一页,下一页,返回,6.5 淬火,6.5.4淬硬性与淬透性 1淬透性与淬硬性概念 所谓钢的淬透性，就是钢在淬火时能够获得马氏体的能力，它是钢材本身固有的一个属性。淬火时，工件截面上各处的冷却速度是不同的。表面的冷却速度最快，越靠心部冷却速度越慢，如果工件表面和心部冷却速度都大于钢的临界冷却速度，则工件的整个截面都能获得马氏体组织，整个工件就被淬透了。如果心部冷却速度低于临界冷却速度，如图6-20所示，财钢的表层获得马氏体，心部则是马氏体与珠光体类的混合组织，这时钢未被淬透。所以，也可以这样说，钢在一定条件下淬火后，获得一定深度淬透层的能力，称为钢的淬透性。,上一页,下一页,返回,6.5
13、淬火,2淬透性的测定和表示方法 淬透性测定方法有多种，对于碳素结构钢和一般低、中合金结构钢，通常采用国家标准GB22563规定的末端淬火法滞定其淬透性。 影响钢材淬透性的主要因素是钢的临界冷却速度（Vk），Vk越小，钢的淬透性越大；钢的临界冷却速度主要取决于钢的化学成分，在合金钢一章中我们再做详细讨论，另外淬进性与零件力学性能及零件选材的关系，也将在后面章节中介绍，这里不再赘述。,上一页,下一页,返回,6.5 淬火,6.5.5 淬火缺陷 1硬度不足 2过热与过烧 3变形与开裂,上一页,返回,6.6 回火,6.6.1 回火目的 钢件淬火后，在硬度、强度提高的同时，其韧性却大为降低，并且还存在很大
14、的内应力 (残余应力)，使用中很容易破断损坏。为了提高钢的韧性，消除或减小钢的残余内应力必须进行回火。此外淬火组织处于亚稳定(即不够稳定)状态，它有向较稳定组织进行转变的自发趋势，这将影响着零件的尺寸精度及性能稳定，因此淬火后要进行适当的回火处理，以稳定组织。进而稳定零件尺寸。回火工艺看起采很简单，是热处理的最后工序，但它决定着钢的使用性能，所以是一个很重要的热处理工序。,下一页,返回,6.6 回火,6.6.2 回火对钢性能的影响 图6-6、6-7、6-8为各种不同温度回火后钢的性能变化。 从图6-6可以看出，回火温度低于200时，淬火钢的硬度降低不多。随着回火温度的升高，硬度将有明显的下降。
15、 钢的韧性，随回火温度的升高而提高，尤其400以后韧性升高速度大为增加，650左右达最大值。见图6-7 图6-8是退火、淬火及淬火+回火后，40钢性能的对比。,上一页,下一页,返回,6.6 回火,6.6.3 回火时钢的组织变化 淬火钢在回火时力学性能的变化，是因其内部组织发生了变化的结果。 淬火组织主要是马氏体，而马氏体是碳在a-Fe中的过饱和固溶体，因碳呈过饱和状态，所以就始终存在着从其中分解析出的趋势，这就是回火发生组织变化的内因和根据。,上一页,下一页,返回,6.6 回火,6.6.4 回火温度 回火温度不能超过临界温度（727）。如果超过此温度，钢就转变为奥氏体，再继之以快冷，就是淬火；
16、慢冷就是退火。这就不是回火处理了。 回火温度不仅不能超过临界温度，而且也不应超过650，从图6-7可清楚地看到，回火温度如果超过650，不但钢的硬度和强度继续下降。 在生产中由于对钢件性能的要求不同，回火可分为下列三类： 1低温回火 2中温回火 3高温回火,上一页,下一页,返回,6.6 回火,6.6.5 自身回火淬火法 淬火后的钢必须回火，以提高其韧性。通常淬火和回火为两个工序，需加热两次才能完成。即淬火加热一次，回火还要加热一次。所谓自身回火淬火法就是利用淬火加热的余热，使淬火部位发生回火作用。也就是说两个工序只需加热一次就可以了。这种方法常用于仅刃口部分需要淬硬的工具，如凿岩石的钎子，钳工
17、用的扁铲等。,上一页,返回,6.7 表面淬火,所谓表面淬火，顾名思义就是仅把零件需耐磨的表层淬硬，而中心仍保持未淬火的高韧性状态。表面淬火必须用高速加热法使零件表面层很快地达到淬火温度，而不等其热量传至内部，立即迅速冷却使表面层淬硬。 表面淬火用的钢材必须是中碳（0.35%）以上的钢，常用40、45钢或中碳合金钢40Cr等。,下一页,返回,6.7 表面淬火,6.7.1 火焰加热表面淬火 用高温的氧乙炔火焰或氧与其它可可燃所(煤气、天燃气等)的火焰，将零件表面迅速加热到淬火温度；然后立即喷水冷却。 6.7.2感应加热表面淬火 这是利用感应电流，使钢表面迅速加热而后淬火的一种方法。此法具有效率高、
18、工艺易于操作和控制等优点，所以目前在机床、机车拖拉机以及矿山机器等机械制造工业中得到了广泛的应用。常用的有高频和中频感应加热两种。,上一页,返回,6.8 化学热处理,化学热处理是通过改变钢件表层化学成分，使热处理后，表层和心部组织不同，从而使表面获得与心部不同的性能。 将工件放在一定的活性介质中加热，使某些元素渗入工件表层，以改变表层化学成分和组织，从而改善表层性能的热处理工艺，称为化学热处理。化学热处理与其他热处理比较，不仅改变了钢的组织，而且表层的化学成分也改变以。,下一页,返回,6.8 化学热处理,化学热处理的方法很多，已用于生产的有渗碳、渗氮、碳氮共渗(提高零件的表面硬度增加耐磨性和疲
19、劳强度等)以及渗金属等多种。不论哪一种方法都是通过以下三个基本过程来完成的。 分解 介质在一定的温度下，发生化学分解，产生渗入元素的活性原子。 吸收 活性原子被工件表面吸收。例如活性碳原子溶入铁的晶格中形成固溶体、与铁化合成金属化合物。 扩散 渗入的活性原子，在一定的温度下，由表面向中心扩散，形成一定厚度的扩散屋（渗层）。,上一页,下一页,返回,6.8 化学热处理,6.8.1 渗碳 1.渗碳方法 渗碳方法按渗碳介质不同可分方固体、液体和气体渗碳三种，常用的是固体法和气体法。 (1)固体渗碳 固体渗碳就是把工件埋在用铁箱封闭起来的渗碳剂中，然后加热到高温(900950)保持一定时间，使碳渗入钢件
20、表层。 (2)气体渗碳 因固体渗碳有许多缺点，如渗碳时间较长、生产率低、劳动条件差以及碳浓度(渗碳层含碳量)不易控制等，所以它愈来愈多的被先进的气体渗碳所代替。,上一页,下一页,返回,6.8 化学热处理,2渗碳层深度 增加渗碳层深度，可提高钢的抗弯强度、耐磨性以及疲劳强度。但事物都有个“度”，超过了就会走向反面。渗碳也是一样，过深的渗碳层，不仅使渗碳时间长和热处理费用增加，而且又使其性能降低二因而设计零件时要选定合理的渗碳深度。 3.渗碳钢的含碳量 用于渗碳的钢材含碳量不应超过0203，否则零件的韧性就不能保证。经过试验得出，适当的提高渗碳钢心部的含碳量不仅可以减小渗碳层的厚度，缩短渗碳时间，
21、而且还可以提高其抗弯强度。,上一页,下一页,返回,6.8 化学热处理,4渗碳后的热处理 渗碳后常用的热处理方法有下列两种： （1）直接淬火法 （2）一次淬火法 5.渗碳与表面淬火的比较 渗碳和表面淬火均能使零件达到既耐磨同时韧性又高的目的。实际工作中如何选用，根据其具体条件和对它们各自的优缺点加以比较来决定。,上一页,下一页,返回,6.8 化学热处理,6.8.2 渗氮 把氮原于渗入钢件表面的过程叫渗氮。渗碳后可以显著的提高零件表面硬度和耐磨性，并能提高起疲劳强度和耐蚀性。 气体渗氮就是把零件放在遁有氨气的密封罐中加热，使氨气分解出氮原予而被工件表面吸收,上一页,下一页,返回,6.8 化学热处理,6.8.3 碳氮共渗 碳氮共渗是向零件表面同时渗入碳原子和氮原子的热处理工艺（以渗碳为主）。常用的是气体碳氮共渗。 6.8.4 渗硼 渗硼后的工件表面具有很高的硬度（14002000HV）、耐磨性和良好的抗蚀性，日益受到人们的重视。渗硼根据渗剂的不同，也可分为固体、液体和气体渗硼。,上一页,返回,
