金屬材料與熱處理第五章

1、第一節(jié) 鋼在加熱、冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變第二節(jié) 鋼的退火與正火第三節(jié) 鋼的淬火與回火第四節(jié) 鋼的表面熱處理和化學(xué)熱處理第五節(jié) 典型零件的熱處理分析熱處理工藝曲線鋼的熱處理分類 第一節(jié)第一節(jié) 鋼在加熱、冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼在加熱、冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變熱處理車間爐膛式電阻爐 熱處理是機(jī)械零件生產(chǎn)過(guò)程中，為了改善材料的工藝性能或使用性能而進(jìn)行的重要工序。一般機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)都會(huì)有專門的熱處理車間。 機(jī)械零件在加工過(guò)程中為什么要進(jìn)行熱處理？一、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變一、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變1. 1. 鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度鋼在加熱和冷卻時(shí)的臨界轉(zhuǎn)變溫度2. 2. 鋼的奧氏體化鋼的奧氏體化共析鋼中奧氏體形成過(guò)程

2、示意圖a）奧氏體形核b）奧氏體晶核長(zhǎng)大c）殘余Fe3C的溶解d）奧氏體均勻化3. 3. 影響奧氏體化的因素影響奧氏體化的因素（1）加熱溫度 加熱溫度越高，奧氏體形成速度越快。（2）加熱速度 加熱速度越快，過(guò)熱度越大，奧氏體實(shí)際形成溫度越高，可獲得細(xì)小的起始晶粒。（3）合金元素 Ni、Mn 等合金元素降低臨界點(diǎn)，而Cr、W、Mo、V、Ti 等合金元素提高臨界點(diǎn)。Co 和Ni 元素加快奧氏體的形成速度；Cr、W、Mo、V、Ti 等元素降低奧氏體的形成速度。（4）原始組織的影響 Fe3C 越細(xì)，相界面越多，越有利于奧氏體的形成。4. 4. 奧氏體晶粒的長(zhǎng)大奧氏體晶粒的長(zhǎng)大 當(dāng)珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變剛剛

3、完成時(shí)，奧氏體晶粒是比較細(xì)小的。這是由于珠光體內(nèi)鐵素體和滲碳體的相界面很多，有利于形成數(shù)目眾多的奧氏體晶核。不論原來(lái)鋼的晶粒粗或細(xì)，通過(guò)加熱時(shí)的奧氏體化，都能得到細(xì)小晶粒的奧氏體。但是隨著加熱溫度的升高，保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，奧氏體晶粒會(huì)自發(fā)地長(zhǎng)大。長(zhǎng)大是通過(guò)晶粒之間的相互吞并來(lái)完成的。5. 5. 影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的因素影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的因素（1）加熱溫度和保溫時(shí)間 奧氏體化溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，奧氏體晶粒越粗大。（2）鋼的含碳量的影響 在碳鋼中，共析鋼的奧氏體晶粒最容易長(zhǎng)大粗化。這是因?yàn)樵趤喒参鲣撝杏邢裙参鲨F素體，在過(guò)共析鋼中有先共析滲碳體，它們對(duì)奧氏體化過(guò)程及奧氏體晶粒的長(zhǎng)大都有阻礙作用。

4、（3）合金元素的影響 合金元素Ti、Al等有阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用，有利于得到細(xì)晶粒鋼。Mn和P等元素有促進(jìn)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用。6. 6. 奧氏體晶粒大小對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響奧氏體晶粒大小對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響 奧氏體晶粒均勻細(xì)小，熱處理后鋼的力學(xué)性能提高。 奧氏體晶粒粗大，冷卻后的組織也粗大，會(huì)降低鋼的常溫力學(xué)性能，尤其是塑性。粗大的奧氏體晶粒在淬火時(shí)容易引起工件產(chǎn)生較大的變形甚至開(kāi)裂。7. 7. 奧氏體晶粒大小的控制奧氏體晶粒大小的控制（1）選擇合理的加熱溫度和保溫時(shí)間（2）選擇合理的加熱速度二、鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變二、鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變兩種冷卻方式的工藝曲線1等溫冷卻2連續(xù)冷卻熱處理

5、工藝中，常采用等溫冷卻和連續(xù)冷卻兩種方式。1. 1. 奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線共析鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的建立奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖在臨界點(diǎn)A1以下存在的奧氏體稱為過(guò)冷奧氏體。2. 2. 共析鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能共析鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能（1）共析鋼的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 1）珠光體型轉(zhuǎn)變（又稱高溫轉(zhuǎn)變）。在A1550溫度范圍內(nèi)，過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和滲碳體的片層混合物珠光體。珠光體型轉(zhuǎn)變的組織及性能特點(diǎn) 2）貝氏體型轉(zhuǎn)變（又稱中溫轉(zhuǎn)變）。在550Ms溫度范圍內(nèi)，過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w。貝氏體型轉(zhuǎn)變的組織及性能特點(diǎn)（2）共析鋼的馬氏體型轉(zhuǎn)變（又稱低溫轉(zhuǎn)變） 當(dāng)鋼從奧氏體

6、區(qū)急冷到Ms以下時(shí)，奧氏體立即開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。馬氏體型轉(zhuǎn)變的組織及性能特點(diǎn) 第二節(jié)第二節(jié) 鋼的退火與正火鋼的退火與正火 前面章節(jié)中介紹了幾種常用的加工和測(cè)量工具。它們均采用含碳量較高的鋼制造，以保證其具有較高的硬度和耐磨性。但高硬度勢(shì)必增加加工難度，在實(shí)際生產(chǎn)中，如何才能將這些高硬度材料加工成所需要的形狀和尺寸呢？一、退火一、退火 退火是指將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理方法。1. 1. 退火的目的退火的目的（1）降低鋼的硬度，提高塑性。（2）細(xì)化晶粒，均勻鋼的成分及組織。（3）消除鋼中的殘余內(nèi)應(yīng)力，以防止變形和開(kāi)裂。2. 2. 常用的退火方法常用的退火

7、方法（1）完全退火 將鋼完全奧氏體化，隨之緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的工藝稱為完全退火。（2）球化退火為使鋼中碳化物球狀化而進(jìn)行的退火稱為球化退火。球狀珠光體顯微組織（400） 球化退火的工藝： 將鋼加熱到Ac1以上2030 ，保溫一定時(shí)間，以小于50 /h的冷卻速度隨爐冷卻。（3）去應(yīng)力退火 為了去除工件因加工等原因造成的殘余內(nèi)應(yīng)力而進(jìn)行的退火，稱為去應(yīng)力退火。 去應(yīng)力退火的工藝： 將鋼加熱到Ac1以下（一般取600650 ），經(jīng)保溫后隨爐緩慢冷卻。常用退火方法的工藝及應(yīng)用二、正火二、正火 將鋼加熱到Ac3或Accm以上3050，保溫適當(dāng)時(shí)間，在空氣中冷卻的工藝方法叫正火。退火和正火的加熱

8、溫度范圍及熱處理工藝曲線a）加熱溫度范圍b）熱處理工藝曲線1完全退火2球化退火3去應(yīng)力退火4正火 第三節(jié)第三節(jié) 鋼的淬火與回火鋼的淬火與回火 采用高碳鋼制作的工具和量具等，為了改善切削加工性能，需要通過(guò)退火降低鋼的硬度。但加工完成之后，還必須采取一定的熱處理工藝，恢復(fù)其高的硬度和耐磨性，那么什么樣的方法才能達(dá)到這一要求呢？一、淬火一、淬火1. 1. 淬火的概念淬火的概念 將鋼加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理稱為淬火。 淬火的主要目的是獲得馬氏體，以提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。2. 2. 淬火加熱溫度淬火加熱溫度（1）亞共析

9、鋼的淬火加熱溫度 亞共析鋼的淬火加熱溫度為Ac3以上3050，淬火后獲得細(xì)小的馬氏體組織，從而獲得較好的力學(xué)性能。 （2）共析鋼和過(guò)共析鋼的淬火加熱溫度 共析鋼和過(guò)共析鋼的淬火加熱溫度為Ac1以上3050。鋼的淬火加熱溫度范圍3. 3. 淬火的冷卻介質(zhì)淬火的冷卻介質(zhì) 常用淬火介質(zhì)有水、鹽水（或堿水）、淬火油、鹽浴（或堿?。┑取ｄ摰睦硐氪慊鹄鋮s速度 常用冷卻介質(zhì)的冷卻能力和應(yīng)用范圍4. 4. 淬火方法淬火方法常用淬火方法的特點(diǎn)及應(yīng)用5. 5. 鋼的淬透性和淬硬性鋼的淬透性和淬硬性工件淬硬層與冷卻速度的關(guān)系a）冷卻速度b）淬硬層工件淬硬層與冷卻速度的關(guān)系如下圖所示。（1）淬透性 淬透性是指在規(guī)定的

10、條件下，鋼在淬火后獲得淬硬層深度的能力。獲得的淬硬層越深，淬透性越好。臨界冷卻速度越低，淬透性越好。一切增加過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性、降低臨界冷卻速度的因素都可以提高鋼的淬透性。（2）淬硬性 淬硬性是指鋼在淬火后能達(dá)到的最高硬度的能力。鋼的淬硬性主要取決于鋼的含碳量。鋼的淬硬性好，其淬透性不一定就好。例如，高碳鋼的淬硬性很高，但淬透性差。而低碳合金鋼的淬透性相當(dāng)好，但它的淬硬性卻不高。6. 6. 淬火缺陷及防止與補(bǔ)救措施淬火缺陷及防止與補(bǔ)救措施淬火缺陷及防止與補(bǔ)救措施二、回火二、回火 1. 1. 回火的概念回火的概念 將淬火后的鋼再加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝叫

11、回火。鋼件淬火后，雖然具有高的硬度和耐磨性，但脆性較大，韌性較低，還存在著較大的淬火內(nèi)應(yīng)力。為了消除這些不利因素的影響，需及時(shí)進(jìn)行回火處理。 2. 2. 回火的目的回火的目的 （1）消除內(nèi)應(yīng)力。 （2）獲得所需要的力學(xué)性能。 （3）穩(wěn)定組織和尺寸。3. 3. 回火時(shí)鋼的組織與性能的變化回火時(shí)鋼的組織與性能的變化 （1）第一階段：馬氏體的分解（80200）。 （2）第二階段：殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變（200300）。 （3）第三階段：滲碳體的形成（300400）。 （4）第四階段：滲碳體的聚集長(zhǎng)大（400以上）。40鋼的力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系4. 4. 回火的方法和應(yīng)用回火的方法和應(yīng)用常用回火方法、回

12、火組織、性能及應(yīng)用45 鋼正火或調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能比較 第四節(jié)第四節(jié) 鋼的表面熱處理和化學(xué)熱處理鋼的表面熱處理和化學(xué)熱處理 在機(jī)械設(shè)備中，有許多零件會(huì)同時(shí)承受沖擊和摩擦兩種載荷的作用，如汽車變速齒輪、傳動(dòng)齒輪軸等，此類零件不僅要求具有較高的硬度和耐磨性，而且還應(yīng)具有足夠的塑性和韌性。這一特殊性能要去是無(wú)法通過(guò)調(diào)節(jié)鋼的含碳量或采用常規(guī)熱處理方法解決的。 可否通過(guò)一些方法，讓零件表面具有較高的硬度而心部具有較高的塑性和韌性呢？一、表面熱處理一、表面熱處理1. 1. 火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火 1燒嘴2噴水管3淬硬層 4工件5加熱層 表面熱處理和化學(xué)熱處理是對(duì)工件表面進(jìn)行硬化的熱處

13、理方法。2. 2. 感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn)： （1）加熱速度快。 （2）淬火質(zhì)量好。 （3）淬硬層深度易于控制， 操作易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。感應(yīng)加熱表面淬火1工件2間隙3加熱淬火層 4淬火噴水管5加熱感應(yīng)圈二、鋼的化學(xué)熱處理二、鋼的化學(xué)熱處理 根據(jù)滲入元素的不同，化學(xué)熱處理可分為滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲金屬。 化學(xué)熱處理都是通過(guò)三個(gè)基本過(guò)程來(lái)完成。 （1）分解 （2）吸收 （3）擴(kuò)散1. 1. 鋼的滲碳鋼的滲碳 將工件置于滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝稱為滲碳。滲碳后的工件需進(jìn)行淬火及低溫回火，使零件表面獲得高硬度和耐磨性，而心

14、部仍保持一定強(qiáng)度及較高的塑性和韌性。920 滲碳時(shí)滲碳層厚度與滲碳時(shí)間的關(guān)系 滲碳的一般工藝路線為鍛造正火機(jī)械粗加工滲碳淬火低溫回火機(jī)械精加工。氣體滲碳爐及原理示意圖1風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)2廢氣火焰3爐蓋4砂封5電阻絲6耐熱罐7工件8爐體低碳鋼滲碳緩冷后的滲碳層顯微組織（200） 工件滲碳后，表層含碳量最高，向內(nèi)逐漸降低，中心則為鋼的原含碳量。2. 2. 鋼的滲氮鋼的滲氮 在一定溫度下，使活性氮原子滲入工件表面以形成高氮硬化層的化學(xué)熱處理工藝稱為滲氮，其目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、耐蝕性及疲勞強(qiáng)度。滲氮的特點(diǎn)： （1）滲氮層具有很高的硬度和耐磨性。 （2）滲氮溫度低，工件變形小。 （3）滲氮零件具

15、有很好的耐蝕性。 （4）滲氮工藝過(guò)程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，滲氮層薄而脆，不宜承受集中的重載荷。（1）氣體滲氮滲氮層的顯微組織a) 滲氮層及HV 測(cè)試壓痕b) 滲氮層中致密的針狀氮化物(白色)氣體滲氮工件在氣體介質(zhì)中進(jìn)行滲氮。（2）離子滲氮離子滲氮裝置示意圖1密封橡膠棒2陰極3工件4觀察孔 5真空室外殼6陽(yáng)極 離子滲氮在低于一個(gè)大氣壓的滲氮?dú)夥罩?，利用工件（陰極）和陽(yáng)極之間產(chǎn)生的輝光放電進(jìn)行滲氮。 離子滲氮具有速度快、生產(chǎn)周期短、滲氮質(zhì)量高、工件變形小、對(duì)材料的適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。3. 3. 碳氮共滲碳氮共滲 在一定溫度下，將碳、氮原子同時(shí)滲入工件表層奧氏體中的化學(xué)熱處理工藝稱為碳氮共滲。（1）中溫氣體

16、碳氮共滲 在改進(jìn)的氣體滲碳爐中同時(shí)滴入煤油，通入氨氣，在共滲溫度（820870）下，這兩種共滲劑產(chǎn)生活性碳原子、氮原子滲入工件表層，并向內(nèi)部擴(kuò)散形成碳氮共滲層。（2）低溫氣體碳氮共滲 又稱氣體軟氮化，它以滲氮為主。滲劑采用尿素或甲酰胺，直接送入氣體滲碳爐中，共滲溫度是500 570。 第五節(jié)第五節(jié) 典型零件的熱處理分析典型零件的熱處理分析 前面介紹了幾種機(jī)械工業(yè)中常用的熱處理方法，它們是機(jī)械零件制造過(guò)程中，為了獲得所需要的工藝性能和使用性能所采取的重要工序。針對(duì)某一具體零件，如何根據(jù)其制造材料和要求，正確選用熱處理方法和確定技術(shù)條件，合理安排熱處理在整個(gè)制造過(guò)程中的工序位置呢？一、熱處理的技術(shù)條件一、熱處理的技術(shù)條件 一般零件均以硬度作為熱處