1、热处理工艺及原理 任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力。这种能力就是材料的力学性能。金属材料的力学性能 金属材料的力学性能是指材料在外力的作用下抵抗变形和破坏的能力，它是金属材料的主要性能之一，也是工程技术人员正确选用材料的重要依据。金属材料的力学性能是通过实验测定的。金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在外力作用
2、下表现出力学性能的指标 低碳钢的拉伸试验，应按金属拉伸试验方法(CU22887)制作拉伸试样，在万能材料试验机上缓慢加载拉伸，使试样承受轴向拉力P，并引起试样沿轴向产生伸长L(L1L0)，当载荷超过某一数值后，试样伸长迅速加大，并使试样局部直径产生缩小(称为缩颈)，当载荷达到最大值时，试样断裂。如果以拉力P除以试样的原始截面积F 0为纵坐标(即拉应力=PFo)。以L除以试样原始长度L0为横坐标(即应变=L/Lo)，则可画应力应变图，弹性和刚性弹性和刚性 在图中，当加载应力不超过e，卸载后试样能恢复原状，即不产生永久变形，材料的这种性能称为弹性。e为不产生永久变形的最大应力，称为弹性极限。图中o
3、e是直线，表示应力与应变成正比，此阶段服从虎克定律，oe的斜率为试样材料的弹性模量E，即 E=/弹性模量E是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。E越大，则使其产生一定弹性变形的应力也愈大。因此，工程上把它叫做材料的刚度。刚度表征材料弹性变形抗力的大小。弹性模量E主要决定于材料的本身，是金属材料最稳定的性能之一，合金化、热处理、冷热加工对它的影响很小。在室温下，钢的弹性模量E大都在190220GPa之间。弹性模量随温度的升高而逐渐降低。强度 强度强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为，单位为MPa。工程中常用的强度指标有屈服强度和抗
4、拉强度。屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用s表示。抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用b表示。对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其强度设计的依据。屈服极限 如图1，11所示，在s点(屈服点)出现一水平线段，这表明拉力虽然不再增加，但变形仍在进行，此时若卸载，试样的变形不能全部消失，将保留一部分残余的变形。这种不能恢复的残余变形，叫做塑性变形。s表示材料在外力的作用下开始产生塑性变形的最低应力，称为屈服极限。有些材料的拉伸
5、曲线上没有明显的屈服点s，难以确定开始塑性变形的最低应力值，此时规定试样产生02残余变形时的应力值，为该材料的条件屈服极限，以0.2表示。构件在工作中一般不允许发生塑性变形。所以屈服极限是设计时的主要参数，是材料力学性能的个重要指标。强度极限 强度极限为试样被拉断前的最大承载能力，如图111所示的b值，b也是设计和选材的主要参数之sb叫屈强比，屈强比愈小，构件的使用可靠性愈高。屈强比太小，则材料强度的有效利用率太低。合金化、热处理、冷热加工对材料的s、b影响很大。一 塑性 在外力的作用下，材料发生不能恢复的变形称为塑性变形，产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。塑性大小用伸长率和断面收缩率来表塑
6、性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号表示。断面收缩率指试样拉断后，断面缩小的面积与原来截面积之比，用y表示。伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件，也是保证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。硬度 硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。硬度是材料的重要力学性能指标。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高。一、布氏硬度 用一定直径的钢球或硬质合金球，以相应的试验力压入试
7、件表面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量试样表面的压痕直径，之后将测得参数代入计算公式，即可得布氏硬度值：HBF/S（N/mm2），F所加压力，S压痕表面积，可通过钢球直径和压痕直径计算。2、布氏硬度特点、布氏硬度特点优点：测量数值稳定，准确，一般不标单位优点：测量数值稳定，准确，一般不标单位缺点：操作慢，不适用批量生产和太薄、太硬缺点：操作慢，不适用批量生产和太薄、太硬（450HB）的材料）的材料3、布氏硬度的应用范围：铸铁，有色金属，退火、布氏硬度的应用范围：铸铁，有色金属，退火、正火、调质处理钢，原材料，毛坯正火、调质处理钢，原材料，毛坯4、布氏硬度的表示方法：、布氏硬度的表示方法：H
8、BS：淬火钢球，：淬火钢球，HBW：硬质合金球硬质合金球 如如200 HBW10/1000/30表示用直径表示用直径10mm的硬质的硬质合金压头在合金压头在1000kgf(9807kN)作用下保持作用下保持30s(持持续时间续时间1015s时，可以不标注时，可以不标注洛氏硬度 当HB450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。洛氏硬度是以顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588的淬火钢球作压头，以规定的试验力使其压入试样表面。试验时，先加初试验力，然后加主试验力。压入试样表面之后卸除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样表面压痕深度，确定被测金属材料的洛氏硬度值。在规
9、定条件下，将压头（金刚石圆锥、钢球或硬质合金球）分2个步骤压入试样表面。卸除主试验力后，在初试验力下测量压痕残余深度h。以压痕残余深度代表硬度的高低。洛氏硬度试验原理如图所示。1在初始试验力F0下的压入深度；2在总试验力F0+F1下的压入深度；3去除主试验力F1后的弹性回复深度；4残余压入深度h；5试样表面；6测量基准面；7压头位置 洛氏硬度的三种标尺中，以HRC应用最多，一般经淬火处理的钢或工具都采用HRC测量。在中等硬度情况下，洛氏硬度HRC与布氏硬度HBS之间关系约为1：10，如40HRC 相当于400HBS。如50HRC，表示用HRC标尺测定的洛氏硬度值为50。硬度值应在有效测量范围内
10、（HRC为2070）为有效 洛氏硬度值由h的大小确定，压入深度h越大，硬度越低；反之，则硬度越高。一般说来，按照人们习惯上的概念，数值越大，硬度越高。因此采用一个常数c减去h来表示硬度的高低。并用每0.002的压痕深度为一个硬度单位。由此获得的硬度值称为洛氏硬度值，用符号HR表示2、洛氏硬度特点、洛氏硬度特点优点：操作简便，压痕小，可用于成品和薄形件缺点：测量数值分散，不如布氏硬度测量准确维氏硬度（HV）测量方法和布氏硬度相似。以120kg以内的载荷和顶角为136的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值(HV)。硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种
11、试验方法。为了能用硬度试验代替某些机械性能试验，生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。第三节第三节 冲击韧性冲击韧性 一、概念：冲击载荷作用下，金属材料抵抗破坏的能力，其值以冲击韧度ku表示，ku越大，材料的韧性越好，在受到冲击时越不易断裂。二、冲击韧度 概念：冲击韧度反应了材料抵抗冲击载荷的能力。指标：冲击韧度 ku=Aku/S （J/cm2）Aku冲击功，摆锤冲断试样所失去的能量，即对试样断裂所作的功，S
12、 试样缺口处截面积第四节第四节 疲劳强度疲劳强度 一、交变应力：一、交变应力：大小、方向随时间周期性变化的应力称为交变应力。二、疲劳现象：二、疲劳现象：材料在交变载荷长期作用下，无明显塑性变形就断裂。三、疲劳极限：三、疲劳极限：材料经无限多次应力循环而不断裂的最大应力,它表示材料抵抗疲劳断裂的能力。当循环的应力是对称循环交变应力时，疲劳强度用-1表示。第五章 钢 的 热 处 理q 将固态金属或合金，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织结构与性能的工艺方法称热处理。第五章 钢 的 热 处 理 实质：在加热、保温和冷却过程中，钢的组织结 构发生了变化，从而改变了其性能；目的：改善钢（
13、工件）的力学性能或工艺性能；作用：充分发挥材料的性能潜力，提高零件质量，延长零件寿命；应用：十分广泛。第五章 钢 的 热 处 理q按目的、加热条件和特点不同，热处理分为：整体热处理 表面热处理 化学热处理 其它热处理热处理的工艺参数有：加热温度 保温时间 冷却方式 q 目的：通过加热使原始组织转变为奥氏体；q 将钢加热至Ac3或Ac1以上，获得完全或部分奥氏体组织的操作称为奥氏体化。q 钢热处理加热的临界温度为727。5.1 钢在加热时的组织转变 5.1 钢在加热时的组织转变 在实际生产中，由于加热和冷却不是很缓慢，因此实际发生组织转变的温度与相图的A1、A3、Acm 有一定的偏离。通常加热用
14、 Ac1、Ac3、Accm 表示，冷却用Ar1、Ar3、Arcm表示。（一）奥氏体的形成 1.奥氏体晶核的形成 奥氏体的晶核易于在渗碳体相界面上形成。这是因为在两相的相界上为形核提供了良好的条件。2.奥氏体晶核的长大 A形核后,由于A与Fe 3 C形界处的含C量不同。将引起A中C的扩散。通过Fe、C原子的扩散和Fe原子的晶格改组,A向F和Fe 3 C两个方向长大。3.残余渗碳体溶解在奥氏体形成过程中,铁素体比渗碳体先消失,因此奥氏体形成之后,还残存未溶渗碳体。这部分未溶的残余渗碳体将随着时间的延长,继续不断地溶入奥氏体,直至全部消失。4.奥氏体均匀化 渗碳体完全溶解后奥氏体中碳的浓度分布并不均
15、匀,原先是渗碳体地方碳浓度高,原先铁素体的地方碳浓度低。必须继续保温,通过碳的扩散,使奥氏体成分均匀化。（二）影响奥氏体转变的因素1.加热温度和加热速度的影响 提高加热温度，将加速A的形成。随着加热速度的增加,奥氏体形成温度升高(A C1 越高),形成所需的时间缩短。2.化学成分的影响 随着钢中含碳量增加,铁素体核渗碳体相界面总量增多,有利于奥氏体的形成。3.原始组织的影响 由于奥氏体的晶核是在铁素体和渗碳体的相界面上形成,所以原始组织越细,相界面越多,形成奥氏体晶核的基地越多,奥氏体转变就越快。（三）奥氏体晶粒大小及其控制1.奥氏体晶粒大小一般根据标准晶粒度等级图确定钢的奥氏体晶粒大小。标准
16、晶粒度等级分为8级，14级为粗晶粒度，58级为细晶粒度。2.实际晶粒度和本质晶粒度 某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度叫实际晶粒度，它决定钢的性能。钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向用本质晶粒度来表示。钢加热到93010、保温8小时、冷却后测得的晶粒度叫本质晶粒度。如果测得的晶粒细小，则该钢称为本质细晶粒钢，反之叫本质粗晶粒钢。3.奥氏体晶粒大小的控制（1）合理选择加热温度和保温时间随着温度升高晶粒度将之间长大。温度愈高,晶粒长大于愈明显。在一定温度下,保温时间愈长,奥氏体晶粒也越粗大。（2）加入合金元素奥氏体中的含碳量增高时,晶粒长大的倾向增多。若碳以未溶的碳化物形式存在,则它有阻碍晶
17、粒长大的作用。（3）合理选择原始组织 5.2 钢在冷却时的组织转变 冷却是热处理的最后一个工序，也是最关键的工序，它决定了钢热处理后的组织和性能。同一种钢，加热温度和保温时间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。这是因为过冷奥氏体在冷却过程中转变成了不同的产物。那么奥氏体在冷却时转变成什么产物？有什么规律呢？这就是本次课的主要内容。5.2 钢在冷却时的组织转变 当温度在A1以上时,奥氏体是稳定的。当温度降到A1以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体。过冷A是不稳定的，会转变为其它的组织。钢在冷却时的转变，实质上是过冷A的转变。连续冷却转变使加热到奥氏体化的钢连续降温进行组
18、织转变 等温冷却转变使加热到奥氏体化的钢以较快的冷却速度冷到A1以下某温度保温，在等温下发生组织转变。5.2 钢在冷却时的组织转变 碳钢热处理时的冷却速度一般较大，大多都偏离了平衡状态（除退火外），所以热处理后的组织为非平衡组织。碳钢非平衡组织和按铁碳相图结晶得到的平衡组织相比差别很大。所以不能再用铁碳相图加以分析，而应使用C曲线来确定。共析钢过冷A的等温转变曲线图 （1）高温转变（珠光体型转变）在A1550 之间,过冷奥氏体的转变产物为珠光体型组织,此温区称珠光体转变区。珠光体型组织是铁素体和渗碳体的机械混合物,渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，转变温度越低，层间距越小，可将珠光体型组织按层
19、间距大小分为珠光体(P)、索氏体(S)和屈氏体(T)。奥氏体向珠光体的转变为扩散型的形核、长大过程,是通过碳、铁的扩散和晶体结构的重构来实现的。2.过冷奥氏体的等温转变产物组织和性能 A1 650 片层珠光体 25HRC 650 600 细珠光体（索氏 体 S）25HRC30HRC 600 550 极细珠光体（托氏体 T）35HRC40HRC (a)珠光体 3800倍 (b)索氏体 8000倍(c)屈氏体 8000倍 (2)中温转变 在550 Ms之间,过冷奥氏体的转变产物为贝氏体型组织,此温区称贝氏体转变区。贝氏体是渗碳体分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物。奥氏体向贝氏体的转变属于半扩
20、散型转变，铁原子不扩散而碳原子有一定扩散能力。过冷奥氏体在550 350 之间转变形成的产物称上贝氏体（上B)。上B呈羽毛状,小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间。40HRC45HRC (a)光学显微照片 500 (b)电子显微照片 5000上贝氏体形态 在350-Ms之间等温时，过冷奥氏体转变成下贝氏体（B下），呈黑色针状或竹叶状，其中颗粒状碳化物(Fe2.4C)沿一定方向分布分布在F片之上，50HRC55 HRC。光学显微照片 500倍 (b)电子显微照片 12000倍 下贝氏体形态 上贝氏体中铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；同时渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断，因此强度和韧性都较
21、差。下贝氏体中铁素体针细小，无方向性，碳的过饱和度大，位错密度高，且碳化物分布均匀、弥散度大，所以硬度高，韧性好，具有较好的综合机械性能。这种下贝氏体应用广泛。共析钢不同转变温度转变产物的硬度和冲击韧度 1.亚共析钢过冷奥氏体的等温转变 亚共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线与共析钢C曲线不同的是，在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素体的转变开始线。亚共析钢随着含碳量的减少，C曲线位置往左移，同时Ms、Mf线住上移。亚共析钢的过冷奥氏体等温转变过程与共析钢类似。只是在高温转变区过冷奥氏体将先有一部分转变为铁素体，剩余的过冷奥氏体再转变为珠光体型组织。45钢过冷A等温转变曲线 2.过共析钢过冷奥氏体的
22、等温转变 过共析钢过冷A的C曲线的上部为过冷A中析出二次渗碳体(Fe3CII)开始线。当加热温度为Ac1以上3050 时，过共析钢随着含碳量的增加,C曲线位置向左移,同时Ms、Mf线往下移。过共析钢的过冷A在高温转变区,将先析出Fe3CII,其余的过冷A再转变为珠光体型组织。T10钢过冷A的等温转变曲线 二、过冷奥氏体的连续冷却转变 1.共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 过冷奥氏本的连续冷却转变曲线（CCT曲线)中，共析钢以大于Vk（上临界冷却速度）的速度冷却时,得到的组织为马氏体。冷却速度小于Vk（下临界冷却速度）时,钢将全部转变为珠光体型组织。共析钢过冷奥氏体在连续冷却转变时得不到贝氏体组织
23、。与共析钢的TTT曲线相比，共析钢的CCT曲线稍靠右靠下一点，表明连续冷却时，奥氏体完成珠光体转变的温度较低，时间更长。共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变组织(2)马氏体转变特点 过冷A转变为马氏体是低温转变过程,转变温度在MsMf之间,该温区称马氏体转变区。过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转变 铁和碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥氏体一定晶面,集体地(不改变相互位置关系)作一定距离的移动(不超过一个原子间距)，使面心立方晶格改组为体心正方晶格，碳原子原地不动，过饱和地留在新组成的晶胞中；增大了其正方度c/a。马氏体就是碳在-Fe中的过饱和固溶体。过饱和碳使-Fe 的晶格发生很大畸变，产生很强的固
24、溶强化。马氏体的形成速度很快 奥氏体冷却到Ms点以下后，无孕育期，瞬时转变为马氏体。随着温度下降，过冷奥氏体不断转变为马氏体，是一个连续冷却的转变过程。马氏体转变是不彻底的 总要残留少量奥氏体。残余奥氏体的含量与MS、Mf的位置有关。奥氏体中的碳含量越高，则MS、Mf越低，残余A含量越高。只在碳质量分数少于0.6%时,残余A可忽略。马氏体形成时体积膨胀 体积膨胀在钢中造成很大的内应力,严重时导致开裂。奥氏体碳质量分数对残余奥氏体含量的影响(3)马氏体的形态与性能 马氏体形态 碳质量分数在0.25%以下时，基本上是板条马氏体（亦称低碳马氏体），板条马氏体在显微镜下为一束束平行排列的细板条。在高倍
25、透射电镜下可看到板条马氏体内有大量位错缠结的亚结构，所以也称位错马氏体。当碳质量分数大于1.0%时，则大多数是针状马氏体。针状马氏体在光学显微镜中呈竹叶状或凸透镜状，在空间形同铁饼。马氏体针之间形成一定角度(60)。高倍透射电镜分析表明，针状马氏体内有大量孪晶，因此亦称孪晶马氏体。高碳马氏体的组织形态 碳质量分数在0.251.0%之间时，为板条马氏体和针状马氏体的混和组织。如45钢淬火的组织就是混合马氏体。（2）马氏体的性能 a.硬度高。马氏体是钢中最硬的组织，马氏体的硬度主要取决于其中的含碳量，与其它因素关系不大。但当含碳量增大到0.6%时,马氏体的硬度不再继续升高,大约为60-64HRC。
26、马氏体的高硬度主要是由于固溶强化造成的,另外还有位错和孪晶的影响,奥氏体向马氏体转变造成的组织细化也是一个因素。碳质量分数对马氏体硬度的影响 b.马氏体的塑性和韧性与其碳含量（或形态）密切相关。高碳马氏体由于过饱和度大、内应力高和存在孪晶结构，所以硬而脆，塑性、韧性极差，但晶粒细化得到的隐晶马氏体却有一定的韧性。而低碳马氏体，由于过饱和度小，内应力低和存在位错亚结构，则不仅强度高，塑性、韧性也较好。c.马氏体的比容比奥氏体大。当奥氏体转变为马氏体时，体积会膨胀。马氏体是铁磁相，而奥氏体为顺磁相。马氏体晶格畸变严重，因此电阻率高。2.亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 亚共析钢过冷A在高温时有一部
27、分将转变为F，在中温转变区会有少量贝氏体（上B）产生。如油冷的产物为F+T+上B+M，但F和上B量很少，有时可忽略。亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 3.过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 过共析钢过冷A在高温区，将首先析出二次渗碳体,而后转变为其它组织。由于奥氏体中碳含量高，所以油冷、水冷后的组织中应包括残余奥氏体。与共析钢一样，其冷却过程中无贝氏体转变。过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变q 前二节学习的内容是热处理的原理，从这一节开始学习热 处理工艺，也就是具体的热处理实现方法。q 在一个零件的加工路线中，热处理起着很重要的作用，一般有两种情况，如一个齿轮：下料-锻造-预备热处理（退火或正火）
28、-铣齿-最终热处理（淬火回火）-精加工（磨削）；q 其中预备热处理的作用是消除锻造的缺陷，如晶粒粗大、内应力、缺陷组织等，同时调整硬度，为后续的切削做准备。最终热处理的作用是使材料具有使用状态下的性能，如强度、硬度等。第三节 钢的退火和正火 一、退火q 加热到适当的温度，保温一定时间后缓慢冷却（炉冷）。q 过冷奥氏体在C曲线的上部进行转变，热处理后的组织接近于平衡组织，以珠光体为主。亚共析钢为F+P，共析、过共析钢为球状珠光体。q 用途：降低硬度，以利于切削（比较适合的切削硬度为160-260HBS）；消除内应力，稳定尺寸，防止变形或开裂；消除偏析，均匀成分；q 第一类退火（扩散退火、再结晶退
29、火、去应力退火）是不以组织转变为目的的工艺方法，由不平衡状态过渡到平衡状态。q 第二类退火（完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火）是以改变组织和性能为目的，改变钢中珠光体、铁素体和碳化物等组织形态及分布。q完全退火：适用于亚共析钢的铸件、锻件、焊接件。q工艺参数为：加热到Ac3+30-50，保温，随炉冷却到600出炉空冷。q等温退火：原理与完全退火相同，主要是为了缩短工艺周期，特别是对一些大型合金钢件的退火。q球化退火：适用于共析及过共析钢，目的是为了获取球状珠光体，降低这些高碳钢的硬度，以利于切削。所有的高碳钢在切削之前一般都要进行球化退火。q工艺参数为：加热到Ac1+30-50，保温，
30、随炉冷却或等温冷却；均匀化退火：一般用于铸件，消除偏析，使成分均匀；通常是将钢加热到固相线以下100-200长时间保温，使原子充分扩散。去应力退火：属于低温热处理，加热温度一般在A1线以下，对于钢来说，大约为600。二、正火 加热到Ac3（或Accm ）以上3050，保温后在空气中冷却。它的主要特点是空冷，对于大型零件或在炎热地区，也可用风冷或喷雾冷却。区别：冷却速度比退火稍快，组织较细，强度硬度稍有提高。q正火能提高硬度，一般用于低碳钢的预备热处理；q正火可以消除魏氏组织、粗大组织、网状组织等；如过共析钢在球化退火之前，应先用正火消除网状的Fe3C；q对于一些大件，正火可代替调质作为最终热处
31、理使用；第四节 钢的淬火 q 将钢加热到Ac1或Ac3以上30-50，适当保温，然后快速冷却，获取马氏体或下贝氏体的一种热处理工艺。q 淬火是一种很早就应用的热处理工艺，它的目的是获得马氏体或下贝氏体，但主要是马氏体。从性能上看，它是为了强化材料，提高材料的强度或硬度。一、淬火工艺参数 为了获得好的淬火效果，就必须制定正确的淬火工艺参数。加热温度 根据钢的成分确定，亚共析钢加热到Ac3+30-50，共析、过共析钢加热到Ac1+30-50；（根据铁碳相图进行解释）一、淬火工艺参数 例如，45钢的A3=780，其淬火温度为840-860 T8、T12钢的Ac1=737，其淬火温度为770-790；
32、合金钢由于合金元素的影响，加热温度比碳钢高，具体情况可以查阅热处理手册。一、淬火工艺参数 加热时间一般将升温时间和保温时间加在一起，称为加热时间。加热时间的确定应考虑二个问题，一个是材料的均温，一个是组织转变的时间。淬火加热时间与零件的尺寸和加热设备有关，可按下列经验公式确定；=D；其中是系数，一般取11.5；D是零件的有效厚度。淬火冷却介质 淬火冷却速度应大于VK，但不是越快越好，在保证大于VK的前提下应尽量缓慢，这主要是为了避免出现大的应力，引起变形或开裂。理想淬火冷却介质在“NOSE”处（600400）要快，以避开它保证获得 全 部 的 马 氏 体 组 织；而 在“N O S E”下 面
33、（300200），特别是在Ms线以下要慢，以避免变形和开裂。但是实际使用的淬火介质都不满足这个条件。一、淬火工艺参数水及水溶液 在650400相对冷却速度较大，常用作碳钢的淬火。油 在300200间冷却速度比水小，用于合金钢的淬火。2.淬火方法 （1）单液淬火 形状简单的碳钢件在水中淬火，合金钢和 小尺寸碳钢件在油中淬火 （2）双液淬火形状复杂的高碳钢工件和尺寸较大的合金钢件 （3）分级淬火尺寸较小、形状复杂工件的淬火 （4）等温淬火形状复杂，尺寸要求较精确，强韧性要求较高的小型工模具及弹簧等的淬火 三、淬透性与淬硬性 淬硬性是钢在理想条件下淬火硬化所能达到的最高硬度。取决于M中C%，C%淬硬
34、性三、淬透性与淬硬性 淬透性是指在规定条件下，决定钢淬硬深度和硬度分布的特性。三、淬透性与淬硬性 影响淬透性的因素主要是C曲线的位置，C曲线右移，淬火临界冷却速度减小，淬透性提高。C%亚共析钢 C%淬透性，过共析钢C%淬透性奥氏体化温度t淬透性合金元素除Co以外，C曲线右移，淬透性未溶第二相淬透性三、淬透性与淬硬性 淬透性的应用 （1）根据服役条件，确定对钢淬透性的要求 选材的依据 焊接用钢材不希望淬透性高；（2）热处理工艺制定的依据 （3）尺寸效应 第五节 钢的回火郭志强温故而知新 钢淬火后的组织是什么?钢淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体。（等温淬火后为下贝氏体）温故而知新 什么是马氏体？马
35、氏体的性能如何？马氏体是碳在-铁中的过饱和固溶体。马氏体硬度高，但脆性大。温故而知新 马氏体转变有什么特点？奥氏体转变为马氏体时，工件的体积增大，同时由于冷却速度较快，所以淬火后工件内常存在内应力。温故而知新 淬火后的工件能直接使用吗？不能温故而知新1、马氏体是不稳定组织；另外还有一定数 量的残余奥氏体；2、淬火后的性能不能满足工件的使用要求，如脆性太大；3、淬火后工件内部有内应力，会导致工件的变形或开裂；温故而知新那怎么办？钢的回火 回火的定义和目的 淬火钢在回火时的组织转变 淬火钢在回火时的性能变化 回火的分类回火的定义 钢件淬火后,为了消除内应力并获得所要求的组织和性能,将其加热到Ac1
36、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叫做回火。回火的目的 稳定组织 调整性能 消除内应力淬火钢在回火时的组织转变 非常复杂。一般是马氏体由过饱和状态向非饱和状态转变，也就是碳以一定的形式析出；残余奥氏体也发生变化，它们的最后转变产物是铁素体和渗碳体。淬火钢在回火时的组织转变淬火钢在回火时的组织转变 在低温回火时，从淬火马氏体内部会析出碳化物薄片（Fe2.4C）,马氏体的过饱和度减小。部分残余奥氏体转变为下贝氏体,但量不多。所以低温回火后组织为回火马氏体残余奥氏体。回火马氏体淬火钢在回火时的组织转变 回火温度为350500，得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，
37、叫做回火屈氏体(回火T)。铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。回火托氏体淬火钢在回火时的组织转变 回火温度为500650,得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织,称回火索氏体(回火S)。回火索氏体淬火钢在回火时的性能变化 随回火温度升高，马氏体中的碳不断析出，所以钢的强度、硬度不断下降，而塑性、韧性不断升高。硬度强度塑性 淬火钢在回火时的性能变化低温回火 回火温度为150250。回火后组织为回火马氏体。低温回火的目的是降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度(一般为58HRC64HRC)和高耐磨性。适用于工具、模具和表面处理件。中温回火回火温度为350500，回火后组
38、织为回火屈氏体(回火T)。回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35HRC45HRC。适用于弹簧等弹性元件。高温回火回火温度为500650,得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织,称回火索氏体。在生产中将淬火后高温回火的复合热处理工艺称为，调质后得到的回火索氏体具有良好的综合力学性能，回火后硬度为200330HBS。广泛用于轴类、齿轮、连杆等受力复杂的零件。钢的表面热处理 材料成型及控制 郭志强1、钢的普通热处理包括哪些工艺?正火、退火、淬火和回火，统称“四把火”。2、什么是调质？调质处理后钢的组织和性能怎样？淬火后高温回火的复合热处理工艺称调质。调质后的组织为回
39、火索氏体，具有综合力学性能。3、什么是钢的淬透性？钢在淬火条件下得到M组织或淬透层深度的能力，是钢的固有属性。温故知新 截面较大、形状复杂以及受力较苛刻的螺栓、拉杆、锻模、锤杆等工件，要求截面机械性能均匀，应选用淬透性好的钢。心部：硬度低，韧性高在生产中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性能，一般是表面硬度高，有较高的耐磨性和疲劳强度；而心部要求有较好的塑性和韧性。表面：硬度高，耐磨表面和心部性能要求不同的零件实例 在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热处理方法，都有不能满足其要求。低碳钢：可满足心部要求，表面要求不能满足；高碳钢：可满足表面要求，心部要求不能满足；解决这一问题的方法是表
40、面热处理和化学热处理 仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理,也叫表面淬火。化学热处理是将钢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面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。让我们首先学习一下表面热处理吧。表面淬火 按照实现方式，表面淬火可分为：感应加热表面淬火 火焰加热表面淬火 激光加热表面淬火 感应加热表面淬火 原理 分类 应用 特点感应加热表面淬火原理 感应线圈中通以交流电时，即在其内部和周围产生一与电流相同频率的交变磁场。若把工件置于磁场中，则在工件内部产生感应电流，并由于电阻的作用而被加热。由于交流电的集肤效应，靠
41、近工件表面的电流密度大，而中心几乎为零。工件表面温度快速升高到相变点以上，而心部温度仍在相变点以下。感应加热后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶液喷射淬火，淬火后进行180-200低温回火，以降低淬火应力，并保持高硬度和高耐磨性。感应加热表面淬火示意图电流频率与淬硬深度的关系 在淬火温度状态下，电流透入的深度与感应电流的频率有关，电流频率越高，电流透入深度越薄，淬火后硬化层也就越薄。感应加热表面淬火分类名称频率（HZ）淬硬深度（mm)适用零件高频感应加热1001000K0.22中小型，如小模数齿轮，直径较小的圆柱型零件中频感应加热5001000028中大型，如直径较大的轴，大中等模数的齿轮工频感应
42、加热501015 以上大型零件，如直径大于300mm 的轧辊及轴类零件感应加热表面淬火应用范围 一般用于中碳钢和中碳低合金钢,如45、40Cr、40MnB钢等。用于齿轮、轴类零件的表面硬化，提高耐磨性。为零件心部的性能，感应加热淬火的预备热处理常采用正火或调质。感应加热淬火零件的加工工艺路线为：下料-锻造-调质或正火-切削加工-感应加热淬火+低温回火-精加工-检验感应加热表面淬火特点 高频感应加热时，钢的奥氏体化是在较大的过热度（Ac3以上80150)进行的,因此晶核多,且不易长大，组织细小。表面层淬得马氏体后,由于体积膨胀在工件表面层造成较大的残余压应力,显著提高工件的疲劳强度。因加热速度快
43、，没有保温时间，工件的氧化脱碳少。另外，由于内部未加热，工件的淬火变形也小。加热温度和淬硬层厚度（从表面到半马氏体区的距离）容易控制，便于实现机械化和自动化。工艺设备较贵，维修调整困难，对于形状复杂的零件的感应器不易制造。火焰加热表面淬火 火焰加热表面淬火是用乙炔氧或煤气氧等火焰加热工件表面，进行淬火。火焰加热表面淬火和高频感应加热表面淬火相比，具有设备简单，成本低等优点。但生产率低，零件表面存在不同程度的过热，质量控制也比较困难。因此主要适用于单件、小批量生产及大型零件（如大型齿轮、轴、轧辊等）的表面淬火。火焰加热表面淬火示意图化学热处理 将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种
44、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。化学热处理 化学热处理的作用主要有以下两个方面，一方面是提高工件表层的某些力学性能，如表层硬度、耐磨性、疲劳极限等。另一方面是保护工件表面，提高工件表层的物理、化学性能，如耐高温、耐腐蚀等。按渗入的元素不同，化学热处理可分为：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。渗入元素介质可以是固体、液体和气体。化学热处理 基本过程：活性介质分解，表面吸收，向内部扩散。渗 碳钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入到钢表层的化学热处理工艺叫渗碳。目的：提高表层的硬度的耐磨性，并保持心部良好的韧性。渗 碳 渗碳适用于含碳量为0.10-0.25%
45、的低碳钢或低碳合金钢，经渗碳和淬火、低温回火后，可在零件的表层和心部分别获得高碳和低碳组织，使高碳钢和低碳钢的不同性能结合在一个零件上，从而满足了零件的使用性能要求。渗 碳 根据渗碳剂的不同，渗碳方法可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳。气体渗碳法的生产率高，渗碳过程容易控制，渗碳层质量好，且易实现机械化与自动化，故应用最广。本节将介绍国内应用较广的气体渗碳法。气体渗碳 滴注法气体渗碳法是把工件置于密封的井式气体渗碳炉中，通入渗碳剂，并加热到渗碳温度900-950（常用930），使工件在高温的气氛中进行渗碳。炉内的渗碳气氛主要由滴入炉内的煤油、丙酮、甲苯及甲醇等有机液体在高温下分解而成，主要由C
46、O、CO2、H2和CH4等组成。渗碳后的组织和热处理 渗碳层的表面含碳量最好在0.851.05%范围内，表面含碳量过低，淬火、低温回火后得到含碳量较低的马氏体，硬度低，耐磨性差，疲劳极限也低。但表面含碳量过高，渗碳层中会出现大量块状或网状渗碳体，使渗碳层变脆，易剥落，同时由于表面淬火组织中，残余奥氏体的过度增加，使表面硬度、耐磨性下降，以及表层残余压应力减小，导致疲劳极限显著降低。渗碳后的组织和热处理 钢经渗碳后表层含碳量可达0.851.05%,并从表层到心部其含碳量逐渐减小,到心部为原来低碳钢的含碳量。因此,低碳钢渗碳缓冷到室温的组织最外层是过共析组织,往里是共析组织,再往里是亚共析组织的过
47、渡层,最里面是心部的原始组织。渗碳后的组织和热处理 工件渗碳后必须进行热处理,常用的热处理方法是淬火低温回火。渗碳后可直接淬火，但由于渗碳温度高,奥氏体晶粒长大,淬火后马氏体较粗,残余奥氏体也较多,所以耐磨性较低,变形较大。为了减少淬火时的变形,渗碳后常将工件预冷到830850后淬火。渗碳、淬火后应进行低温(150200)回火,以消除淬火应力和提高韧性。渗碳后的组织和热处理 钢渗碳淬火+低温回火后表面硬度高可达5864HRC以上,耐磨性较好；心部韧性较好,硬度较低，可达3045HRC。此外由于表层体积膨胀大，心部体积膨胀小，结果在表层中造成压应力，使零件的疲劳强度提高。激光热处理技术简介 激光
48、表面处理技术是近二十年来发展起来的一种新兴材料表面处理技术，尤其是进入八十年代以来，大功率工业激光器和辅助设备的制造技术日益提高，各种激光表面处理技术日益成熟，使得激光表面处理技术的工业应用和深入研究异常活跃，在欧美和日本，大功率激光器商业化程度很高，发展非常迅速，是工业发达国家非常瞩目的一项新技术。激光表面处理技术可以解决其他表面处理方法无法解决或不好的材料强化问题。激光表面处理技术是利用激光束对金属表面进行瞬间淬头处理，经激光处理后，铸铁表层强度可达到HRC60度以上，中碳及高碳的碳钢，合金钢 的表层硬度可达HRC70度以上，从而提高其抗磨损，抗疲劳、耐腐蚀、防氧化等性能，延长其使用寿命。
49、激光热处理技术与其他热处理如高频感淬头，渗碳、渗氮等传统工艺相比，具有以下特点：1.无需使用外加材料，仅改变被处理材料表面层的组织结构。处理后的改性层具有足够的厚度，可根据需要调整深浅一般可达0.1-0.8mm。2.处理层和基体结合强度高。激光表面处理的改性层和基体材料之间是致密的冶金结合，而且处理层本身是致密的冶金组织，具有较高的硬度和耐磨性。3.被处理件变形极小，由于激光功率密度高，与零件的作用时间很短（10-2-10秒），故零件的热影响区和整体变化都很小。故适合于高精度零件处理，作为材料和零件的最后处理工序。4.加工柔性好，适用面广。利用灵活的导光系统可随意将激光导向处理部位，从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等，可进行选择性的局部处理。工艺简单优越。激光表面处理均在大气环境中进行，免除了镀膜工艺中漫长的抽真空时间，没有明显的机械作用力和工具损耗，无噪音、无污染、无公害、劳动条件好。再加上激光器配以微机控制系统，很容易实现自动化生产，易干批量生产。产品成品率极高几乎达到100%。效率很高经济效益显著。
