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1、金属材料热处理基础知识黄胜洲黄胜洲2012-04-25热处理与其加工方法特点：热处理与其加工方法特点：它只改变金属材料的组织和性能，而不改变其形状和尺寸。 热处理的作用日趋重要热处理的作用日趋重要：因为现代机器制造对金属材料的性能不断提出更高的要求，如果完全依赖原材料的原始性能来满足这些要求，常常是不经济的，甚至是不可能的。热处理可提高零件的强度、硬度、韧性、弹性，同时，还可改善毛坯或原材料切削性能，使之易于加工。热处理是改善原材料或毛坯的工艺性能、保证产品质量、延长使用寿命、挖掘材料潜力不可缺少的工艺方法。热处理在机械制造业中的应用日益广泛。热处理在机械制造业中的应用日益广泛。在机床制造中要

2、进行热处理的零件占6070；在汽车、拖拉机制造中占7080；在各类工具(刃具、模具、量具等)和滚动轴承制造中，100的需要进行热处理。1-1 1-1 热处理概况热处理概况2-1 2-1 钢的热处理钢的热处理 热处理（热处理（heat treatment）将钢在将钢在固态固态下，通过适当的下，通过适当的方式进行方式进行加热、保温和冷却加热、保温和冷却，以改变材料内部组织结构，以改变材料内部组织结构，从而改善材料性能（从而改善材料性能（工艺性工艺性能和使用性能能和使用性能）的一种工艺）的一种工艺方法。方法。 热处理起作用的主要因素：热处理起作用的主要因素：时间、温度和冷却速度时间、温度和冷却速度加

3、热加热保温保温冷却冷却温度温度时间时间临界温度临界温度热处理工艺曲线热处理工艺曲线3 3-1-1铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 铁 碳含量2%-弱而脆铁碳合金 铁素体碳熔于铁或铁中的固溶体 F 钢 奥氏体碳熔于铁中的固溶体 A 渗碳体铁碳金属化合物含碳6.67% Fe3C强而韧碳含量0.02%-2%3 3- -2 2Fe-FeFe-Fe3 3C C的平衡相图的平衡相图(1)C点 共晶点 含碳量为4.3%的合金熔热冷至此点时，在恒温下发生共晶转变。(2)S点 共析点 含碳量为0.77%的合金熔热冷至此点时，在恒温下发生共析转变。(3)ABCD线 液相线(4)AHJECF线 固相线。(5)G

4、S线 又称A3线，从奥氏体中析出铁索体的曲线，相变 时，奥氏体成分沿此线向S点变化。(6)ES线 又称Acm线，碳在奥氏体中固溶线，其最大溶解度是1148时的2.11%(E点)。奥氏体冷至此线开始析出Fe3C，称为二次渗碳体，记为Fe3C，以区别于从液体中直接结晶出的一次渗碳体。(7)PQ线 碳在铁索体中固溶线，其最大溶解度是727时的0.02(P点)。铁索体冷至此线时将析出二次相Fe3C，称三次渗碳体。简化的平衡相图1. 共析钢A、结晶过程B、 显微组织2. 亚共析钢A、结晶过程B、 显微组织 P+F3.过共析钢A、结晶过程B、 显微组织 P+Fe3C4.亚共晶白口铸铁A、结晶过程B、 显微

5、组织莱氏体渗碳体珠光体5.过共晶白口铸铁A、结晶过程B、显微组织渗碳体莱氏体一、热处理的工艺方法一、热处理的工艺方法 二、热处理工艺的依据二、热处理工艺的依据 铁碳合金状态图 大多数热处理是要将钢加热到临界温度以上，使原有组织转变为均匀的奥氏体奥氏体后，再以不同的冷却方式转变成不同的组织，并获得所需要的性能。铁碳合金状态图中组织转变的临界温度曲线A1、A3、Acm，是在极其缓慢地加热或冷却条件下测定出来的，而在热处理中的加热和冷却大多不是极其缓慢的，故实际转变温度比状态图上的临界温度有一定的滞后现象，也就是通常所说的需要有一定的过热或过冷，转变才能充分进行。为了便于热处理时使用铁碳合金状态图，

6、通常将加热时实际临界温度的位置用Ac1、Ac3、Accm表示；将冷却时实际临界温度的位置用Ar1、Ar3、Arcm表示， 4 41 1 退火和正火退火和正火一、退火一、退火 （annealing）退火退火是将钢加热、保温，然后随炉冷却或埋人灰中使其缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。退火的目的：退火的目的：退火主要用于铸件、锻件、焊件及其它毛坯的预备热处理。(1)降低硬度，以利于切削加工或其它种类加工；(2)细化晶粒，提高钢的塑性和韧性；(3)消除内应力，并为淬火工序作好准备。根据退火的具体目的不同，工艺方法有：根据退火的具体目的不同，工艺方法有：(1)完全退火 (2)球化退火 (3)低

7、温退火 退火过程中的组织变化(1)完全退火 概念：概念： 将亚共析钢亚共析钢加热到Ac以上3050，保温后缓慢冷却。为了提高生产率，也可在缓慢冷却到500以下时从炉内取出，使其在空气中冷却到室温。 完全退火主要用途：完全退火主要用途： 铸钢件和重要锻件，有时也用于淬火返修件。 因为铸钢件铸态下晶粒粗大，塑性、韧性较低；锻件因锻造时变形不均匀，外部和内部温差大，致使晶粒和组织不均，且有内应力，故硬度偏高，塑性、韧性不足，容易产生裂纹和变形。上述问题可通过完全退火来解决。 完全退火的原理：完全退火的原理： 钢件被加热到Ac3以上时，呈完全奥氏体状态。由于初始形成的奥氏体晶粒非常细小，待经过Ar3线

8、缓慢冷却时，通过“重结晶”使钢件获得细小晶粒，并消除了内应力。注意：注意：必须严格控制退火加热温度，若加热温度过高，则奥氏体晶 粒将急剧长大，冷却后仍然是粗大晶粒。(2)球化退火主要用于过共析钢锻件 球化退火的目的球化退火的目的降低硬度，改善切削加工性，并为淬火作好准备。过共析钢经过锻造以后，其珠光体晶粒粗大，且存有少量网状二次渗碳体，致使硬度高、脆性大，进行切削加工时易磨损刀具，淬火时容易产生裂纹和变形，这些问题可通过球化退火予以解决。球化退火的原理球化退火的原理球化退火时，将钢加热到Ac1以上2030，此时，初始形成的奥氏体内及其晶界上尚存有少量未完全溶解的渗碳体。在随后的冷却过程中，从奥

9、氏体中经共析反应析出的渗碳体以未溶渗碳体为晶核，呈球状析出，分布在铁素体基体之上，这种组织称为球化体。它是人们对淬火前过共析钢最期望的组织，因为车削片状珠光体时，容易磨损刀具，而球状珠光体硬度低，节省刀具。注：在球化退火时奥氏化是“不完全”的，只是片状珠光体转变成奥氏体，及少量过剩碳化物溶解。因此，它不能消除网状碳化物，如过共析钢有网状碳化物存在，则在球化退火前须先进行正火，将其消除，才能保证球化退火正常进行。(3)低温退火概念：概念： 它是将钢加热到Ac1以下，保温后缓冷。由于加热温度低于临界温度，因而钢未发生组织转变。 应力退火应力退火当退火主要用于消除工件内应力时，称为去应力退火。此时将

10、工件加热到500650，进行较长时间保温，通过原子扩散及塑性变形使内应力消除。去应力退火主要用于部分铸件、锻件及焊件，有时也用于精密零件的切削加工，以去除粗加工所产生的内应力，防止工件产生变形。 再结晶退火再结晶退火低温退火在用于消除冷变形(冷拔、冷轧、冷冲等)所产生的加工硬化时，称为再结晶退火。再结晶退火的加热温度应为钢的再结晶温度以上150250，即650750，保温后空冷。再结晶退火时，通过“再结晶”可获得均匀而细小的等轴晶粒，从而降低硬度，恢复塑性，以便继续进行上述的冷变形。均匀化均匀化退火退火正火正火：加热到：加热到AC3（亚共析钢）或（亚共析钢）或ACcm（共析、过共析钢）以上（共

11、析、过共析钢）以上3050 保温保温空冷空冷细珠光体细珠光体（P）正火和完全退火的作用相似。正火和完全退火的作用相似。它也是将钢加热到奥氏体区，使钢进行重结晶，从而解决铸钢件、锻件的粗大晶粒和它也是将钢加热到奥氏体区，使钢进行重结晶，从而解决铸钢件、锻件的粗大晶粒和组织不均问题。但正火比退火的冷却速度稍快，所形成的组织不均问题。但正火比退火的冷却速度稍快，所形成的(FFe3C)机械混合物比退火机械混合物比退火得到的珠光体片层更薄，强度、硬度较退火得到的珠光体高，但韧性并未下降。得到的珠光体片层更薄，强度、硬度较退火得到的珠光体高，但韧性并未下降。正火目的正火目的1.取代部分完全退火取代部分完全

12、退火。正火是在炉外冷却，占用设备时间短，生产率高，故应尽量用正火取代退火正火是在炉外冷却，占用设备时间短，生产率高，故应尽量用正火取代退火(如低碳钢如低碳钢和含碳较低的中碳钢和含碳较低的中碳钢)。必须看到，含碳较高的钢，正火后硬度过高，使切削加工性变。必须看到，含碳较高的钢，正火后硬度过高，使切削加工性变差，且正火难以消除内应力，因此，中碳合金钢、高碳钢及复杂件仍以退火为宜。差，且正火难以消除内应力，因此，中碳合金钢、高碳钢及复杂件仍以退火为宜。2.用于普通结构件的最终热处理用于普通结构件的最终热处理3. 为球化退火作准备为球化退火作准备。用于过共析钢，以减少或消除网状二次渗碳体，为球化退火作

13、准备。用于过共析钢，以减少或消除网状二次渗碳体，为球化退火作准备。二、正火（二、正火（normalizing）4 42 2淬火和回火淬火和回火一、淬火（一、淬火（ hardenning ）将钢加热到Ac3或Ac1以上3050，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。现以共析钢为例，分析淬火时钢的组织转变。如前所述，共析钢被加热到Ac1以上，将全部转变成奥氏体。奥氏体若在缓慢冷却条件下，经过S点时将转变成铁素体和渗碳体的机械混合物珠光体。然而，淬火时的冷却速度极快，奥氏体仅能发生-Fe向-Fe的同素异晶转变，而-Fe中的过饱和碳原子在低温下却难以从晶格内扩散出去，这样就形成了碳

14、在-Fe中的严重过饱和固溶体，这种严重过饱和固溶体称作马氏体，以符号“M”表示。马氏体中的碳在-Fe的晶格中严重过饱和，致使晶格发生严重的畸变，增加了变形的抗力，因此马氏体通常具有高的硬度和耐磨性，但塑性和韧性很差。马氏体的实际硬度与钢的含碳量密切相关。含碳愈高，晶格畸变加大，钢的硬度愈高，因此，要求高硬度和高耐磨性的工件多采用中、高碳钢来制造。二、回火（二、回火（ tempering ） 回火：回火：将淬火钢重新加热到Ac1以下某温度，保温后冷却的热处理工艺，称为回火。 回火的主要目的：回火的主要目的：消除淬火内应力，以降低钢的脆性，防止产生裂纹，同时使钢获得所需的力学性能。 原理：原理：淬

15、火所形成的马氏体是在快速冷却条件下被强制形成的不稳定组织，因而具有重新转变成稳定组织的自发趋势。回火时，由于被重新加热，原子活动能力加强，所以随着温度的升高，马氏体中过饱和的碳将以碳化物形式析出。总的趋势是回火温度愈高，析出的碳化物愈多，钢的强度、硬度下降，而塑性、韧性升高。根据回火温度的不同，可将钢的回火分为如下三种：(1)低温回火低温回火(150250)：目的目的是降低淬火钢的内应力和脆性，但基本保持淬火所获得的高硬度(5664HRC)和高的耐磨性。淬火后低温回火用途最广，主要用于工具钢的热处理，如各种刃具、模具、滚动轴承和耐磨件等。(2)中温回火中温回火(350500)：目的目的是使钢获

16、得高弹性，保持较高硬度(3550HRC)和一定的韧性。中温回火主要用于各种弹簧、发条、锻模等。(3)高温回火高温回火(500650)：淬火后高温回火的热处理合称调质处理调质处理。调质处理广泛用于承受疲劳载荷的中碳钢重要件，如连杆、曲轴、主轴、齿轮、重要螺钉等。其硬度为2035HRC。这是由于调质处理后其渗碳体呈细粒状(细球状)，与正火后的片状渗碳体组织相比。在载荷下不易产生应力集中，使钢的韧性显著提高，因此，调质处理的钢可获得调质处理的钢可获得强度及韧性都较好的综合力学性能。强度及韧性都较好的综合力学性能。5 51 1表面淬火表面淬火和化学热处理和化学热处理一、表面淬火（一、表面淬火（surf

17、ace hardening）表面淬火：表面淬火：是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。表面淬火时通过快速加热，使钢件表面层很快达到淬火温度，在热量来不及传到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。表面淬火的目的：表面淬火的目的：在于获得高硬度、高耐磨性的表层，而心部仍保持原有的良好韧性，常用于机床主轴、齿轮，发动机的曲轴等。表面淬火所采用的快速加热方法：表面淬火所采用的快速加热方法：电感应、火焰、电接触、激光等，目前应用最广的是电感应加热法。 感应加热表面淬火法感应加热表面淬火法就是在一个感应线圈中通以一定频率的交流电(有高频、中频、工频三种)，使感应圈周围产生

18、频率相同的交变磁场，置于磁场之中的工件就会产生与感应线圈频率相同、方向相反的感应电流，这个电流叫作涡流。由于集肤效应，涡流主要集中在工件表层。涡流所产生的电阻热使工件表层被迅速加热到淬火温度，随即向工件喷水，将工件表层淬硬。 感应电流的频率频率愈高，集肤效应愈强烈，故高频感应加热用途最广。高频感应加热常用频率为200300kHz，其加热速度极快，通常只有几秒钟，淬硬层深度一般为0.52mm。主要用于要求淬硬层较薄的中、小型零件，如齿轮、轴等。二、化学热处理二、化学热处理（ thermo-chemical treatment ） 化学热处理：化学热处理：是将工件置于一定的化学介质中加热和保温，使

19、介质中的活性原子渗人工件表层，以改变工件表层的化学成分和组织，从而获得所需的力学性能或理化性能。 改变表面成分改变表面成分组织和性能改变组织和性能改变 作用：作用：提高工件表面硬度、耐磨性，耐热、耐蚀等。提高工件表面硬度、耐磨性，耐热、耐蚀等。化学热处理的种类化学热处理的种类：依照渗入元素的不同，有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等等，以适用于不同的场合，其中以渗碳应用最广。（1）渗碳）渗碳 是向钢的表层渗入碳原子。渗碳时，通常是将钢件放人密闭的渗碳炉中，通入气体渗碳剂(如煤油等)，加热到900950，经较长时间的保温，使工件表层增碳。渗碳件都是低碳钢或低碳合金钢。渗碳后工件表层的含碳量将增到1左

20、右，经淬火和低温回火后，表层硬度达5664HRC，因而耐磨；而心部因仍然是低碳钢，故保持其良好的塑性和韧性。可以看出，渗碳工艺可使工件具有外硬内韧的性能。 渗碳主要用于既受强烈摩擦、又承受冲击或疲劳载荷的工件。如汽车变速箱齿轮、活塞销、凸轮、自行车和缝纫机零件等。（2）渗氮）渗氮渗氮，是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。如果在渗氮过程中同时渗入碳以促进氮的扩散，则称为氮碳共渗。常用的是气体渗氮和离子渗氮。作业 (1)亚共析钢的淬火温度为何是Ac3+(3050),过高或过低有什么弊端? (2)钢在淬火后为什么要回火? (3) 简述6K凸轮轴的热处理工艺?超越超越创造创造共享共享