《工程材料》课件：08-第二章.ppsx

1、上次课回顾上次课回顾2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理 1 1、过冷、过冷A A的等温转变的等温转变2 2、过冷、过冷A A的连续冷却转变的连续冷却转变2.4.3 2.4.3 钢的普通热处理钢的普通热处理1、退火退火2、正火正火3、淬火淬火4、回火回火2.4.2 2.4.2 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变 2.4.4 2.4.4 钢的表面热处理钢的表面热处理感应加热感应加热表面热处理表面热处理 本次课内容本次课内容2.4.5 2.4.5 钢的化学热处理钢的化学热处理1、渗碳；渗碳；2 2、氮化；、氮化；3 3、碳氮共渗、碳氮共渗2.4.6 2.4.6 其他热处理技术其他热处理技术（自学（自

2、学）2.4.72.4.7 计算机技术在热处理中的应用（自学）计算机技术在热处理中的应用（自学）2.4.82.4.8 热处理的工程应用热处理的工程应用2.5 2.5 钢的合金钢的合金化化2.5.1 2.5.1 合金元素与铁、碳的合金元素与铁、碳的作用作用2.5.2 2.5.2 合金元素对合金元素对Fe-FeFe-Fe3 3C C相图的影响相图的影响2.5.3 2.5.3 合金元素对钢热处理的影响合金元素对钢热处理的影响2.5.4 2.5.4 合金元素对钢的工艺性能的影响合金元素对钢的工艺性能的影响2.5.5 2.5.5 合金元素对钢的性能的影响合金元素对钢的性能的影响2.5.6 2.5.6 合金

3、化的工程应用合金化的工程应用2.6 2.6 表面技术（自学）表面技术（自学）2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理2.4.5 钢的化学热处理钢的化学热处理1、渗碳渗碳（1 1）目的）目的 化学化学热处理热处理:将将钢件置于一定温度的钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。技术要求的热处理过程。（2 2）方法方法化学热处理化学热处理中发生的三个基本过程中发生的三个基本过程介质的分解：介质的分解：释放活性原子释放活性原子表

4、面吸收：表面吸收：活性原子被吸收活性原子被吸收原子扩散原子扩散：活性原子形成活性原子形成扩散层扩散层使低碳钢件表面获得高碳浓度，在使低碳钢件表面获得高碳浓度，在经过适当热处理后，提高表面的硬经过适当热处理后，提高表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，而使心部度、耐磨性和疲劳强度，而使心部仍保持良好的韧性和塑性。仍保持良好的韧性和塑性。固体渗碳：固体渗碳：将零件和固体渗碳剂将零件和固体渗碳剂（如木炭等）装入渗（如木炭等）装入渗碳箱中，加盖并用耐碳箱中，加盖并用耐火泥密封，然后放入火泥密封，然后放入炉中加热至炉中加热至900950 C，保温渗碳。保温渗碳。气体渗碳：气体渗碳：将工件装在密封的渗碳炉中，加热

5、将工件装在密封的渗碳炉中，加热到到900950，向炉内滴入易分解，向炉内滴入易分解的有机液体（如煤油等），或直接的有机液体（如煤油等），或直接通入渗碳气体（如煤通入渗碳气体（如煤气等），使钢气等），使钢件表面渗碳。件表面渗碳。（3 3）工艺工艺2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理2.4.5 钢的化学热处理钢的化学热处理1、渗碳渗碳（2 2）方法）方法 表面：表面：过共析组织过共析组织心部：心部：亚共析组织亚共析组织渗碳温度：渗碳温度：一般为一般为900900950950 C C。渗碳时间：渗碳时间：决定于渗碳层厚度决定于渗碳层厚度,几小时几小时低碳钢渗碳后缓冷下来的低碳钢渗碳后缓冷下来的显微组

6、织：显微组织：2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理2.4.5 钢的化学热处理钢的化学热处理1、渗碳渗碳（4 4）渗碳后的热处理）渗碳后的热处理直接淬火直接淬火 ：渗碳后直接淬火，或冷却到渗碳后直接淬火，或冷却到830850 C后淬火。后淬火。 优点：优点：工艺简单，效率高，节约能源，成本低，脱碳工艺简单，效率高，节约能源，成本低，脱碳少少 缺点缺点： A晶粒晶粒大，淬火大，淬火后后M较较粗粗，A残也较多，所以残也较多，所以 耐耐磨性磨性较低，变形较低，变形较大（较大（b b可以减轻热应力变形）可以减轻热应力变形）一次淬火一次淬火：渗碳缓冷后，重新加热到渗碳缓冷后，重新加热到临界温度临界温度以上

7、保温后淬火以上保温后淬火830850 C二次淬火：二次淬火：第一次淬火第一次淬火加热温度为加热温度为 AC3线上线上 3050，改善心改善心部组织；部组织；第二次淬火第二次淬火加热温度为加热温度为AC1线上线上 3050 ，细化表层组，细化表层组织，获得细织，获得细M和粒状二次渗碳体。和粒状二次渗碳体。2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理2.4.5 钢的化学热处理钢的化学热处理1、渗碳渗碳（5 5）钢渗碳、淬火、回火后的组织和性能）钢渗碳、淬火、回火后的组织和性能 组织（组织（渗碳、淬火后一般低温回火渗碳、淬火后一般低温回火） 表层：高碳回火马氏体表层：高碳回火马氏体 + 碳化物碳化物 + 残

8、余奥氏体；残余奥氏体； 心部：低碳回火马氏心部：低碳回火马氏体（或含铁素体、屈氏体）。体（或含铁素体、屈氏体）。 性能：性能： 表面硬度高，耐磨性较好，心部韧性较好；表面硬度高，耐磨性较好，心部韧性较好； 在表层中造成压应力，零在表层中造成压应力，零件的疲劳强度提高。件的疲劳强度提高。2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理2.4.5 钢的化学热处理钢的化学热处理2 2、氮化、氮化（1 1）氮化工艺的特点氮化工艺的特点在一定温度下使活性氮原子渗入在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。工件表面的化学热处理工艺。2NHNH3 3H3H2+2 2NN 氮化前零件须经氮化前零件须经调质处理

9、调质处理，对，对 于高精度零件，氮化前精加工于高精度零件，氮化前精加工 后还要后还要进行消除内应力的退火。进行消除内应力的退火。 氮化温度低，约氮化温度低，约500500600600。 氮化时间长，约氮化时间长，约20h20h50h50h。 氮化层厚度小，约氮化层厚度小，约0 0.3 30.5mm0.5mm。使表层氮含量提高使表层氮含量提高获得一定厚获得一定厚度的氮化层度的氮化层2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理2.4.5 钢的化学热处理钢的化学热处理2 2、氮化、氮化（2 2）组织组织 最最外层为一白色的氮化物外层为一白色的氮化物薄薄 层，很脆，有时精层，很脆，有时精磨磨去；磨磨去； 中间

10、中间暗黑色为含氮共析暗黑色为含氮共析体；体； 心部为原始回火索氏体组织。心部为原始回火索氏体组织。Fe4NFe2N钢的氮化层显微组织钢的氮化层显微组织2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理2.4.5 钢的化学热处理钢的化学热处理2 2、氮化、氮化（3 3）氮化用钢氮化用钢 钢件氮化后具有很高的硬度钢件氮化后具有很高的硬度 （1000HV1100HV），在），在 600650下保持不下降，下保持不下降， 具有很高的耐磨性和热硬性具有很高的耐磨性和热硬性 钢氮化后，渗层体积增大，钢氮化后，渗层体积增大， 造成表面压应力，使疲劳强造成表面压应力，使疲劳强 度大大提高。度大大提高。 氮化温度低，零件变形

11、小。氮化温度低，零件变形小。 氮化后表面形成致密的化学氮化后表面形成致密的化学 稳定性较高的稳定性较高的 相层，耐蚀相层，耐蚀 性好，在水中、蒸性好，在水中、蒸气和碱性气和碱性 溶液中均很稳定。溶液中均很稳定。 碳钢碳钢氮氮化时形成的氮化物化时形成的氮化物 高温下不稳定。氮化钢中常高温下不稳定。氮化钢中常 加入加入Al、Cr、MO、W、V等等 合金合金元素，它们元素，它们的氮化物的氮化物很很 稳定稳定，使钢，使钢 的硬度提高，在的硬度提高，在 600650 C 也不降低。也不降低。（4 4）性能性能 常用的氮化钢有：常用的氮化钢有：35CrAlA，38CrMoAlA，38CrWVAlA等等共渗

12、温度：共渗温度：820860 C渗碳时间：渗碳时间：12小时小时特点：特点：以渗碳为主以渗碳为主2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理2.4.5 钢的化学热处理钢的化学热处理3 3、碳氮共渗、碳氮共渗（1 1）高温碳高温碳氮氮共渗工艺共渗工艺同时向零件表面渗入碳和氮的化同时向零件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺，也称氰化。学热处理工艺，也称氰化。（2 2）碳氮共渗后的机械性能碳氮共渗后的机械性能 共渗及淬火后，得到共渗及淬火后，得到的是含氮马氏体，耐的是含氮马氏体，耐磨性比渗碳更好磨性比渗碳更好 共渗层比渗碳层具有共渗层比渗碳层具有较高的压应力，因而较高的压应力，因而有更高的疲劳强度，有更高的疲劳

13、强度，耐蚀性也较好。耐蚀性也较好。4 4、各种表面、各种表面/ /化学热处理比较化学热处理比较2.4 2.4 钢的热处理钢的热处理2.4.8 热处理的工程应用热处理的工程应用（1 1）汽车车轮固定用螺栓的热处理）汽车车轮固定用螺栓的热处理（2 2）自行车链条滚轮的热处理）自行车链条滚轮的热处理（3 3）手锯锯条的热处理）手锯锯条的热处理材料：材料：4545钢钢830840保温后，水淬保温后，水淬580580620回火后，油冷回火后，油冷S S回回综合力学综合力学性能好性能好材料：材料：1515钢钢920930渗碳，水淬渗碳，水淬180180200回火回火表面表面: :高碳高碳M M回回+Fe+

14、Fe3 3C C+A+A心部心部: :低碳低碳M M回回材料：材料：T10T10钢钢760770加热，水淬加热，水淬刃部：刃部：180180200回火回火两端：两端：350350400回火回火刃部刃部: :高碳高碳M M回回+Fe+Fe3 3C C+A+A两端两端:T:T回回+Fe+Fe3 3C C2.5 2.5 钢的合金化钢的合金化2.5.1 合金元素与铁、碳的作用合金元素与铁、碳的作用合金化的作用：合金化的作用： 提高钢的淬透性提高钢的淬透性提高钢的回火稳定性提高钢的回火稳定性提高钢的强度和屈强比提高钢的强度和屈强比 满足特殊性能要求满足特殊性能要求 除除Pb外，其余合金元素外，其余合金元

15、素 均溶解于铁中，形成合均溶解于铁中，形成合 金金F或合金或合金A。1、与铁形成固溶体与铁形成固溶体 C、Mn 、Ni等元素的等元素的 加入，使加入，使 相区扩大，相区扩大， 也称为也称为A稳定化元素稳定化元素。 Mn 、Ni等元素加入到等元素加入到 一定量时，可在室温下一定量时，可在室温下 获得获得 相区，称为相区，称为完全完全 扩大扩大 相区的元素相区的元素。Fe-C相图相图Fe-Mn相图相图A3点点A4点点2.5 2.5 钢的合金化钢的合金化2.5.1 合金元素与铁、碳的作用合金元素与铁、碳的作用 除除Pb外，其余合金元素外，其余合金元素 均溶解于铁中，形成合均溶解于铁中，形成合 金金F

16、或合金或合金A。1、与铁形成固溶体与铁形成固溶体Cr、Mo 、Nb等元素的等元素的 加入，使加入，使 相区缩小，相区缩小， 称为称为F稳定化元素稳定化元素。 Cr、Mo 等元素称为等元素称为完完 全封闭全封闭 相区的元素相区的元素。Fe-Cr相图相图LFe-Nb相图相图LA3点点A4点点合金化的作用：合金化的作用： 提高钢的淬透性提高钢的淬透性提高钢的回火稳定性提高钢的回火稳定性提高钢的强度和屈强比提高钢的强度和屈强比 满足特殊性能要求满足特殊性能要求2.5 2.5 钢的合金化钢的合金化2.5.1 合金元素与铁、碳的作用合金元素与铁、碳的作用常用非碳化物形成元素有：常用非碳化物形成元素有：Ni

17、Ni、CoCo、CuCu、SiSi、AlAl、N N、B B2、与碳形成碳化物与碳形成碳化物 常用碳化物形成元素有：常用碳化物形成元素有：MnMn、CrCr、MoMo、W W、V V、NbNb、TiTi、ZrZr2.5 2.5 钢的合金化钢的合金化2.5.2 合金元素对合金元素对Fe-FeFe-Fe3 3C C相图的影响相图的影响1 1、对奥氏体和铁素体存在范围的影响、对奥氏体和铁素体存在范围的影响Fe-Fe3C相图相图 扩大扩大 相区的元素均扩大相区的元素均扩大 FeFe-FeFe3 3C C相图中奥氏体存相图中奥氏体存 在的区域。如：在的区域。如： 1Cr181Cr18Ni9Ni9TiTi

18、奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢 ZGZGMn13Mn13高锰耐磨钢高锰耐磨钢 缩小缩小 相区的元素均缩小相区的元素均缩小 FeFe-FeFe3 3C C相图中奥氏体存相图中奥氏体存 在的区域。在的区域。 1 1Cr17Cr17铁素体不锈钢铁素体不锈钢2.5 2.5 钢的合金化钢的合金化2.5.2 合金元素对合金元素对Fe-FeFe-Fe3 3C C相图的影响相图的影响2 2、对、对FeFe-FeFe3 3C C相图临界点（相图临界点（S S和和E E点）的影响点）的影响 扩大扩大 相区的元素使相区的元素使E 、 S点下移。点下移。 缩小缩小 相区的元素使相区的元素使E、 S点上移。点上移。Fe-Fe

19、3C相图相图ES 所有合金元素都使所有合金元素都使E、 S点左移。点左移。 3Cr2W8V为过共析钢为过共析钢 W18Cr4V为莱氏体钢为莱氏体钢2.5 2.5 钢的合金化钢的合金化2.5.3 合金元素对钢热处理的影响合金元素对钢热处理的影响1 1、合金元素对加热时组织合金元素对加热时组织转变转变的影响的影响(1) 对对A形成速度的影响形成速度的影响Co、NiCr、W 、VSi、Al 、MnCo、NiCr、W 、VSi、Al 、Mn(2)(2)对对A晶粒大小的影响晶粒大小的影响 C、 P 、Mn、BTi、V 、Nb、 Zr 、 AlSi 、Ni、Cu2 2、合金元素对过冷合金元素对过冷A 分解

20、转变的影响分解转变的影响 合金是如何提高材料合金是如何提高材料的淬透性的的淬透性的? ?合金元素必须溶合金元素必须溶解于解于A中才能提中才能提高淬透性高淬透性多种合金的同多种合金的同时加入使淬透时加入使淬透性提高得更快性提高得更快2.5 2.5 钢的合金化钢的合金化2.5.3 合金元素对钢热处理的影响合金元素对钢热处理的影响3 3、合金元素对回火转变的影响、合金元素对回火转变的影响 (1)(1)提高回火稳定性：提高回火稳定性：V/Si/Mo/WV/Si/Mo/W等等钢的回火稳定性：钢的回火稳定性： 钢在回火时，钢在回火时，M分解，残余分解，残余A转转变，变，F再结晶，碳再结晶，碳化物长大。钢抵

21、抗化物长大。钢抵抗这种变化的能力，这种变化的能力，称为回火稳定性。称为回火稳定性。(2)(2)产生二次硬化产生二次硬化 ： Mo/W/VMo/W/V等等(3)(3)增大回火脆性增大回火脆性沉淀沉淀硬硬化化 + 二次淬火二次淬火MOW2.5 2.5 钢的合金化钢的合金化2.5.4 合金元素对钢的工艺性能的影响合金元素对钢的工艺性能的影响 1、合金元素对钢铸造性能的影响合金元素对钢铸造性能的影响 1）取决于对）取决于对Fe-Fe- Fe Fe3 3C C相图的相图的 影响影响2）CrCr、MoMo等形等形 成高熔点化成高熔点化 合物，使流合物，使流 动性下降动性下降2 2、合金元素对钢塑性加工性能

22、的影响、合金元素对钢塑性加工性能的影响3、合金元素对钢焊接性能的影响合金元素对钢焊接性能的影响 4、合金元素对钢切削性能的影响合金元素对钢切削性能的影响 5、合金元素对钢热处理工艺性能的影响、合金元素对钢热处理工艺性能的影响合金钢的冷、合金钢的冷、热加工工艺性热加工工艺性能比碳钢都差能比碳钢都差合金元素质量分数愈合金元素质量分数愈高，焊接性能愈差。高，焊接性能愈差。 合金钢的切削性能合金钢的切削性能一般比碳钢差。一般比碳钢差。1 1）淬透性得到提高）淬透性得到提高2 2）回火脆化倾向严重）回火脆化倾向严重2.5 2.5 钢的合金化钢的合金化2.5.5 合金元素对钢合金元素对钢的性能的性能的影响

23、的影响 ( (1)1)提高强度提高强度( (2)2)提高淬透性提高淬透性( (3)3)提高回火稳定性提高回火稳定性(d)(d)第二相（沉淀和弥散）第二相（沉淀和弥散）强化：强化：VCVC等等第二相会产生第二相会产生(e)(e)S点左移，使组织中的点左移，使组织中的P含量增多，使钢的强度提高含量增多，使钢的强度提高(f)(f)C曲线右移，得到更细的曲线右移，得到更细的P组织，更多的组织，更多的B甚至甚至M组织组织1 1、合金元素对钢的力学性能的影响合金元素对钢的力学性能的影响(a)(a)固溶强化：合金元素溶入铁素体中产生固溶强化；固溶强化：合金元素溶入铁素体中产生固溶强化；(b)(b)位错强化：

24、合金中的马氏体相变等会产生大量的位错位错强化：合金中的马氏体相变等会产生大量的位错(c)(c)细晶强化：细晶强化：V、Ti、Nb、Al 等细化等细化A晶粒，产生晶粒，产生2 2、合金元素对钢的其他性能的影响合金元素对钢的其他性能的影响( (1)1)提高热硬性提高热硬性( (2)2)提高耐热性提高耐热性( (3)3)提高耐蚀性提高耐蚀性(4)(4)提高耐磨性提高耐磨性2.5 2.5 钢的合金化钢的合金化2.5.6 合金化的工程应用合金化的工程应用（1 1）4040钢与钢与40Cr40Cr的比较的比较（2 2）2020钢与钢与20Cr1320Cr13的比较的比较4040钢调质处理后钢调质处理后s

25、355MPas 355MPa 40Cr40Cr调质处理后调质处理后s 785 s 785 MPaMPa 2020钢为优质碳素结构钢，其耐蚀、耐热性能差钢为优质碳素结构钢，其耐蚀、耐热性能差20Cr1320Cr13为马氏体不锈钢，其耐蚀、耐热性能好为马氏体不锈钢，其耐蚀、耐热性能好本次课小结本次课小结2.4.5 2.4.5 钢的化学热处理钢的化学热处理1、渗碳；渗碳；2 2、氮化；、氮化；3 3、碳氮共渗、碳氮共渗2.4.6 2.4.6 其他热处理技术其他热处理技术（自学（自学）2.4.72.4.7 计算机技术在热处理中的应用（自学）计算机技术在热处理中的应用（自学）2.4.82.4.8 热处理

26、的工程应用热处理的工程应用2.5 2.5 钢的合金钢的合金化化2.5.1 2.5.1 合金元素与铁、碳的合金元素与铁、碳的作用作用2.5.2 2.5.2 合金元素对合金元素对Fe-FeFe-Fe3 3C C相图的影响相图的影响2.5.3 2.5.3 合金元素对钢热处理的影响合金元素对钢热处理的影响2.5.4 2.5.4 合金元素对钢的工艺性能的影响合金元素对钢的工艺性能的影响2.5.5 2.5.5 合金元素对钢的性能的影响合金元素对钢的性能的影响2.5.6 2.5.6 合金化的工程应用合金化的工程应用2.6 2.6 表面技术（自学）表面技术（自学）课后作业课后作业第六次作业第六次作业 钢的热处理钢的热处理