工程材料基礎(chǔ)-第三章熱處理綜述

1、SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第三章第三章 鋼的熱處理鋼的熱處理HEAT TREATMENT OF STEELSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY退火退火 Annealing正火正火 Normalizing淬火淬火 Quenching回火回火 Tempering普通熱處理普通熱處理真空熱處理真空熱處理可控氣氛熱處理可控氣氛熱處理特種熱處理特種熱處理表面淬火表面淬火表面化學(xué)熱處理表

2、面化學(xué)熱處理表面熱處理表面熱處理熱處理熱處理形變熱處理形變熱處理鋼的熱處理鋼的熱處理 在固態(tài)下在固態(tài)下通過對(duì)鋼件進(jìn)行加熱、保通過對(duì)鋼件進(jìn)行加熱、保溫、冷卻，從而改變鋼件性能的操作溫、冷卻，從而改變鋼件性能的操作SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY鋼的熱處理工藝示意圖鋼的熱處理工藝示意圖溫度溫度時(shí)間時(shí)間加熱加熱Heating保溫保溫Insulation Work冷卻冷卻Cooling保溫時(shí)間保溫時(shí)間 Holding Time保溫溫度保溫溫度 Holding TemperatureA1 A3

3、AcmSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第一節(jié)第一節(jié) 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變TRANSFOEMATION OF STEEL AS BEING HEATED SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYABCDEFGHJNKP PSQ2.11鋼鋼鑄鐵鑄鐵A工業(yè)工業(yè)純鐵純鐵SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOT

4、ONG UNIVERSITY鋼相圖中的組織鋼相圖中的組織EGPSQKAFA+Fe3CF+AF+PPP+Fe3CIIF+Fe3CIIISCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY特征線特征線 A化化A1線線(PSK線線) 加熱加熱Ac1 冷卻冷卻Ar1A3線線(GS線線) 加熱加熱Ac3 冷卻冷卻Ar3Acm線線(SE線線) 加熱加熱Accm 冷卻冷卻ArcmEGPSQA3AcmA1SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTON

5、G UNIVERSITY 1. 1. 共析鋼奧氏體的形成過程共析鋼奧氏體的形成過程加熱保溫的目的：獲得成分均勻加熱保溫的目的：獲得成分均勻、晶粒細(xì)小的奧氏體晶粒細(xì)小的奧氏體p + Fe3C 0.0218 6.69s0.77 BCC 體心體心 復(fù)雜正交復(fù)雜正交 FCC面心立方面心立方加熱到加熱到A1以上以上 一、奧氏體的形成一、奧氏體的形成SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYP組織組織A形核形核A長大長大殘余碳化物溶解殘余碳化物溶解A均勻化均勻化A形核長大示意圖形核長大示意圖SCHOOL O

6、F MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY形核形核FF和和FeFe3 3C C的界面最易于形核，通過同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的界面最易于形核，通過同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變FAFA和和FeFe3 3C C的溶解來實(shí)現(xiàn)的溶解來實(shí)現(xiàn)長大長大一旦形核，一旦形核，A A則向則向F F和和FeFe3 3C C方向長大，此過程同樣通過方向長大，此過程同樣通過同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變FAFA和和FeFe3 3C C的溶解來實(shí)現(xiàn)的溶解來實(shí)現(xiàn)殘余碳化物溶解殘余碳化物溶解 由于同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變由于同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變FAFA的速度比的速度比FeFe3 3C C向奧向奧

7、氏體中溶解的速度快，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變完成后，還有一部分碳氏體中溶解的速度快，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變完成后，還有一部分碳化物尚未溶解，它會(huì)在隨后的加熱過程中繼續(xù)向奧氏體中溶化物尚未溶解，它會(huì)在隨后的加熱過程中繼續(xù)向奧氏體中溶解解奧氏體均勻化奧氏體均勻化 殘余碳化物溶解完畢后，奧氏體的成分是殘余碳化物溶解完畢后，奧氏體的成分是不均勻的，原來不均勻的，原來F F處含碳量低，而原來處含碳量低，而原來FeFe3 3C C處含碳量高。只有處含碳量高。只有經(jīng)足夠長的保溫時(shí)間，才能通過經(jīng)足夠長的保溫時(shí)間，才能通過C C的擴(kuò)散形成均勻的的擴(kuò)散形成均勻的A A等軸晶等軸晶形核、長大、殘余碳化物溶解、奧氏體均勻化形核、長大、殘余

8、碳化物溶解、奧氏體均勻化SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 2. 2. 亞共析鋼和過共析鋼奧氏體形成過程亞共析鋼和過共析鋼奧氏體形成過程 二二、奧氏體晶粒的大小、奧氏體晶粒的大小1. . 奧氏體的實(shí)際奧氏體的實(shí)際晶粒度晶粒度在具體加熱條件下得到的奧氏體晶粒大小稱在具體加熱條件下得到的奧氏體晶粒大小稱為奧氏體實(shí)際晶粒大小或奧氏體為奧氏體實(shí)際晶粒大小或奧氏體實(shí)際晶粒度實(shí)際晶粒度晶粒大小用晶粒度表示，通常分級(jí)晶粒大小用晶粒度表示，通常分級(jí) 14粗晶鋼粗晶鋼 58細(xì)晶鋼細(xì)晶鋼 8超細(xì)晶鋼超細(xì)晶鋼

9、放大倍數(shù)放大倍數(shù)100100時(shí)，時(shí)，每平方英寸內(nèi)晶每平方英寸內(nèi)晶粒數(shù)目為粒數(shù)目為n n，則：，則：1221 logNnNn 在工程上，一般采用在工程上，一般采用100100倍金相照片，通過比對(duì)倍金相照片，通過比對(duì)的方法確定晶粒度的方法確定晶粒度SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY影響因素影響因素加熱溫度越高加熱溫度越高保溫時(shí)間越長保溫時(shí)間越長奧氏體的實(shí)際晶粒度越大奧氏體的實(shí)際晶粒度越大 EGPSQ過熱過熱（Overheat）加熱時(shí)加熱時(shí)A A晶粒大小超過規(guī)定晶粒大小超過規(guī)定尺寸時(shí)就成為一種

10、加熱缺陷尺寸時(shí)就成為一種加熱缺陷，稱為，稱為過熱過熱細(xì)小的奧氏體晶粒細(xì)小的奧氏體晶粒SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY2. . 奧氏體的本質(zhì)奧氏體的本質(zhì)晶粒晶粒本質(zhì)晶粒度只表示鋼在加熱時(shí)奧氏體晶粒長大本質(zhì)晶粒度只表示鋼在加熱時(shí)奧氏體晶粒長大傾向的大小。并不表示奧氏體實(shí)際晶粒的大小。傾向的大小。并不表示奧氏體實(shí)際晶粒的大小。 13級(jí)：粗晶粒；級(jí)：粗晶粒；46級(jí)：中等晶粒；級(jí)：中等晶粒；78級(jí)：級(jí)：細(xì)晶粒細(xì)晶粒93038h，冷卻后所測定的晶粒度為本質(zhì)，冷卻后所測定的晶粒度為本質(zhì)晶粒度。主要是

11、檢驗(yàn)鋼本身長大傾向晶粒度。主要是檢驗(yàn)鋼本身長大傾向SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY本質(zhì)細(xì)晶粒鋼本質(zhì)細(xì)晶粒鋼本質(zhì)晶粒度：本質(zhì)晶粒度：58級(jí)。一般具有阻礙奧氏體晶級(jí)。一般具有阻礙奧氏體晶粒長大的元素如：粒長大的元素如：Nb、Ti、V等等這些元素易于形成這些元素易于形成AlN、Al2O3、NbC、TiC、VC等不易溶解的小粒子，阻礙奧氏體晶粒的長大等不易溶解的小粒子，阻礙奧氏體晶粒的長大本質(zhì)粗晶粒鋼本質(zhì)粗晶粒鋼本質(zhì)晶粒度本質(zhì)晶粒度14級(jí)，一般僅用級(jí)，一般僅用Si、Mn脫氧，沒脫氧，沒有阻礙奧

12、氏體晶粒長大的合金元素有阻礙奧氏體晶粒長大的合金元素 ，奧氏體晶，奧氏體晶粒長大的很快。粒長大的很快。熱處理一定不能過熱熱處理一定不能過熱SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 三三、鋼加熱時(shí)的缺陷鋼加熱時(shí)的缺陷過熱過熱加熱時(shí)奧氏體晶粒大小超過規(guī)定尺寸加熱時(shí)奧氏體晶粒大小超過規(guī)定尺寸氧化氧化加熱時(shí)鋼中的鐵素體氧化成氧化鐵加熱時(shí)鋼中的鐵素體氧化成氧化鐵脫

13、碳脫碳加熱時(shí)鋼中的碳與空氣中的氧生成加熱時(shí)鋼中的碳與空氣中的氧生成CO2導(dǎo)致鋼的表面含碳量過低導(dǎo)致鋼的表面含碳量過低SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第二節(jié)第二節(jié) 奧氏體轉(zhuǎn)變圖奧氏體轉(zhuǎn)變圖TANSFORMATION DIAGRAM OF AUSTENITE AS BEING COOLED SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 一、奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖一、奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖 Isotherm

14、al transformation diagram of austenite 1. 1. 奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖測定原理奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖測定原理過冷奧氏體過冷奧氏體在臨界溫度在臨界溫度(A1、A3、Acm)以下尚以下尚未發(fā)生轉(zhuǎn)變的不穩(wěn)定奧氏體稱過冷奧氏體未發(fā)生轉(zhuǎn)變的不穩(wěn)定奧氏體稱過冷奧氏體恒溫轉(zhuǎn)變恒溫轉(zhuǎn)變 將已化的鋼迅速冷卻到臨界溫將已化的鋼迅速冷卻到臨界溫度度(A1、A3、Acm)以下某溫度保溫以下某溫度保溫等溫轉(zhuǎn)變圖等溫轉(zhuǎn)變圖 TTT 圖圖. Temperature Time Transformation DiagramSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINE

15、ERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY共析鋼曲線測定共析鋼曲線測定原理示意圖原理示意圖以共析鋼為例以共析鋼為例SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY時(shí)間時(shí)間轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY時(shí)間時(shí)間轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY(3

16、) 匯總特征值匯總特征值時(shí)間時(shí)間溫度溫度轉(zhuǎn)變開始線轉(zhuǎn)變開始線轉(zhuǎn)變終了線轉(zhuǎn)變終了線時(shí)間時(shí)間轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 2. 2. 共析鋼共析鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖分析奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖分析當(dāng)當(dāng)TTA時(shí)，時(shí)， 屬于高溫轉(zhuǎn)變屬于高溫轉(zhuǎn)變 隨隨T，孕育期孕育期， 轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變當(dāng)當(dāng)TTA時(shí)，時(shí)，屬于中溫轉(zhuǎn)變屬于中溫轉(zhuǎn)變 隨隨T，孕育期，孕育期 轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變 時(shí)間時(shí)間溫溫 度度TA 出現(xiàn)出現(xiàn)“鼻子鼻子”，形似，形似“C”，故，故TTT圖也叫圖也叫C曲線曲線SCHOOL OF MATERIALS S

17、CIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY珠光體型轉(zhuǎn)變珠光體型轉(zhuǎn)變A1550550230 230貝氏體型轉(zhuǎn)變貝氏體型轉(zhuǎn)變馬氏體型轉(zhuǎn)變馬氏體型轉(zhuǎn)變共析鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖共析鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變開開始始線線轉(zhuǎn)變終轉(zhuǎn)變終止線止線550 550 A1SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYA1650 珠光體珠光體(P) 粗片狀鐵素體與滲碳粗片狀鐵素體與滲碳 體交替排列的混合物體交替排列的混合物650600 索氏體索氏體(S) 細(xì)片狀鐵

18、素體與滲碳細(xì)片狀鐵素體與滲碳 體交替排列的混合物體交替排列的混合物1) 1) 珠光體型轉(zhuǎn)變珠光體型轉(zhuǎn)變珠光體形珠光體形成示意圖成示意圖600550 托氏體托氏體(T) 極細(xì)片狀鐵素體與滲碳極細(xì)片狀鐵素體與滲碳 體交替排列的混合物體交替排列的混合物SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY不同等溫溫度形成的珠光體顯微組織不同等溫溫度形成的珠光體顯微組織 (a) 655 (b) 600 (c) 534 珠光體珠光體(P)索氏體索氏體(S)托氏體托氏體(T) 減小減小 片片 間間 距距 增大增大 強(qiáng)、

19、硬度強(qiáng)、硬度 增大增大 塑、韌性塑、韌性SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY2) 2) 貝氏體型轉(zhuǎn)變貝氏體型轉(zhuǎn)變共析鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖共析鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖貝氏體貝氏體( ( B ) ) 過飽和鐵過飽和鐵素體與滲碳體組成的混合素體與滲碳體組成的混合物物B上上 550350 上貝氏體上貝氏體( )( )SCHOOL OF MATERIALS SCI

20、ENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY上貝氏體上貝氏體B上上 相互相互平行的過飽和鐵素體片與分布平行的過飽和鐵素體片與分布在片間的斷續(xù)細(xì)小滲碳體組成的羽毛狀混合物。在片間的斷續(xù)細(xì)小滲碳體組成的羽毛狀混合物。硬度高硬度高，可達(dá)可達(dá)4045HRC，但因，但因F片粗且平行分布，片粗且平行分布，同時(shí)晶間有脆性的滲碳體，故塑、韌性差。同時(shí)晶間有脆性的滲碳體，故塑、韌性差。脆性大性脆性大性能差能差上貝氏體形成示意圖上貝氏體形成示意圖SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTON

21、G UNIVERSITY上貝氏體的顯微組織上貝氏體的顯微組織 (a)光鏡光鏡 (b)掃描電鏡掃描電鏡(a)(b)SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY下貝氏體下貝氏體B下下 針葉狀的過飽和鐵素體與分布針葉狀的過飽和鐵素體與分布在其中的極細(xì)小的滲碳體粒子組成的混合物在其中的極細(xì)小的滲碳體粒子組成的混合物脆脆性小性能好性小性能好硬度高硬度高5060 HRC，強(qiáng)度高，耐磨性好，塑性、，強(qiáng)度高，耐磨性好，塑性、韌性高，具有良好的綜合力學(xué)性能韌性高，具有良好的綜合力學(xué)性能下貝氏體形成示意圖下貝氏體形成

22、示意圖SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY(b)(a)下貝氏體的顯微組織下貝氏體的顯微組織 (a)光鏡光鏡 (b)掃描電鏡掃描電鏡生產(chǎn)中生產(chǎn)中“等溫淬火等溫淬火”的目的就是為了得到的目的就是為了得到B B下下組織組織SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY3) 3) 馬氏體型轉(zhuǎn)變馬氏體型轉(zhuǎn)變共析鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖共析鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖轉(zhuǎn)變溫度：轉(zhuǎn)變溫度：MsMf。溫度低，。溫度低，F(xiàn)e

23、、C不能擴(kuò)散（無擴(kuò)散型不能擴(kuò)散（無擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變）轉(zhuǎn)變）A F，C完全被保留在完全被保留在 -Fe中，引起過飽和。中，引起過飽和。M又稱又稱碳過飽和鐵素體碳過飽和鐵素體晶格歪扭成體心正方，隨晶格歪扭成體心正方，隨wC ，正方度，正方度T 230 T 230 馬氏體馬氏體( M )( M )馬氏體馬氏體( ( M ) ) 碳在碳在 -Fe中的中的過飽和固溶體過飽和固溶體（1）轉(zhuǎn)變溫度：）轉(zhuǎn)變溫度：SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY低碳馬氏體低碳馬氏體( (wc1.0%) )片片( (或針或針)

24、 )狀，硬而脆狀，硬而脆長大速度非?？欤刃纬傻腗片較大，后形成的M片不能穿越已形成的M，故較小。顯微鏡下為長短不一，互成一定角度的M片截面呈細(xì)長條狀，許多尺寸大致相同的定向相互平行排列，構(gòu)成一個(gè)群（束），顯微組織為一束束細(xì)長板條狀組織（2）馬氏體的形態(tài)）馬氏體的形態(tài)SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY高碳馬氏體形成過程示意圖高碳馬氏體形成過程示意圖Fe-1.8 wt. % C合金冷卻到下列不同溫度形成高碳馬氏體的過程合金冷卻到下列不同溫度形成高碳馬氏體的過程(a) 24 (b) 60 (

25、c) 100 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY高碳馬氏體的顯微組織高碳馬氏體的顯微組織 a) a) 淬火態(tài)淬火態(tài) b) b) 回火態(tài)回火態(tài) (a)(b)低碳馬氏體的顯微組織SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY馬氏體的形態(tài)取決于含碳量馬氏體的形態(tài)取決于含碳量wC 1.0% 的鋼淬火后的鋼淬火后, , 幾乎全部為片幾乎全部為片MwC 0.25% 的鋼淬火后的鋼淬火后, , 基本上全部為

26、板條基本上全部為板條M0.25% wC 0.6%)高碳馬氏體的顯微組織高碳馬氏體的顯微組織 a) a) 淬火態(tài)淬火態(tài) b) b) 回火態(tài)回火態(tài) 回火組織：回火組織：M回回（過飽和鐵素體（過飽和鐵素體 + 碳化物）碳化物）SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第二種：中溫回火第二種：中溫回火溫度：溫度：350 C 500 C ；回火組織：回火托氏體，由針葉回火組織：回火托氏體，由針葉狀鐵素體狀鐵素體 + + 極細(xì)小顆粒滲碳體極細(xì)小顆粒滲碳體組成，組成，記為記為T回回性能：性能：高強(qiáng)度、硬度，高

27、的高強(qiáng)度、硬度，高的彈性極限及屈服強(qiáng)度彈性極限及屈服強(qiáng)度； 具有一定的塑性、韌性；硬度為具有一定的塑性、韌性；硬度為35 45HRC應(yīng)用：應(yīng)用：Wc=0.50.7%碳鋼、合金鋼制造的碳鋼、合金鋼制造的各種彈簧各種彈簧。 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY生產(chǎn)上將淬火和高溫回火稱為生產(chǎn)上將淬火和高溫回火稱為“調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)處理” 一般規(guī)律：隨回火溫度一般規(guī)律：隨回火溫度，強(qiáng)度、硬度，強(qiáng)度、硬度，塑性、韌性，塑性、韌性第三種：高溫回火第三種：高溫回火溫度：溫度：500-650500-650 C

28、 C，組織：回火索氏體，由等軸狀的鐵組織：回火索氏體，由等軸狀的鐵素體和球狀滲碳體組成，記為素體和球狀滲碳體組成，記為S回回性能：性能： 具有具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、硬度和足適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、硬度和足夠的塑性、韌性夠的塑性、韌性（即良好綜合性能）（即良好綜合性能） 2525 35HRC35HRC回火索氏體回火索氏體應(yīng)用：用于應(yīng)用：用于WcWc為為0.30.30.5%0.5%的的中碳鋼和合金鋼制造的中碳鋼和合金鋼制造的軸、連軸、連桿、螺栓桿、螺栓等。等。SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY組織形態(tài)不同組織

29、形態(tài)不同在硬度相同的情況下，回火組織具有更在硬度相同的情況下，回火組織具有更高的強(qiáng)度和塑韌性高的強(qiáng)度和塑韌性T回回與與T、S回回與與S比較比較SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY不同含碳量鋼的不同含碳量鋼的硬度隨回火溫度硬度隨回火溫度升高而降低升高而降低35鋼力學(xué)性能與鋼力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系回火溫度的關(guān)系SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY4040鋼鋼高高溫溫回回火火SCHOOL

30、OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第四節(jié)第四節(jié) 鋼的表面熱處理鋼的表面熱處理SURFACE HEAT TREATMENT OF STEEL表面淬火表面淬火 Surface quenching表面化學(xué)熱處理表面化學(xué)熱處理 Surface chemical heat treatmentSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY通過選材和普通熱處理無法滿足上述要求通過選材和普通熱處理無法滿足上述要求表面硬度高

31、，耐磨性好，以保證其精度表面硬度高，耐磨性好，以保證其精度而心部要具有足夠的塑性和韌性，以防止斷裂而心部要具有足夠的塑性和韌性，以防止斷裂高碳鋼：淬火高碳鋼：淬火+低溫回火，硬度高，耐磨性好，低溫回火，硬度高，耐磨性好，但心部韌性差但心部韌性差中碳鋼調(diào)質(zhì)處理，心部韌性好，但表面硬度不中碳鋼調(diào)質(zhì)處理，心部韌性好，但表面硬度不夠，耐磨性差夠，耐磨性差SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 一、一、表面淬火表面淬火 Surface quenching將工件表面快速加熱到將工件表面快速加熱到A A區(qū)

32、，在熱量尚未傳到區(qū)，在熱量尚未傳到材料心部時(shí)立即迅速冷卻，使其表面得到一定材料心部時(shí)立即迅速冷卻，使其表面得到一定深度的淬硬層，而心部仍保持原始組織的一種深度的淬硬層，而心部仍保持原始組織的一種局部淬火方法局部淬火方法工業(yè)中常用的表面淬火方法有：工業(yè)中常用的表面淬火方法有：感應(yīng)加熱表感應(yīng)加熱表面淬火面淬火、激光加熱表面淬火激光加熱表面淬火和和火焰加熱表面火焰加熱表面淬火淬火SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 2.2. 表面淬火用鋼的碳含量表面淬火用鋼的碳含量%5 . 04 . 0Cw過低

33、：表面硬度不足過低：表面硬度不足過高：心部韌性不足過高：心部韌性不足 3.3. 常用方法常用方法火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火 1.1. 目的目的使工件表硬心韌，如曲軸使工件表硬心韌，如曲軸、齒輪、齒輪感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY火焰加熱表面淬火示意圖火焰加熱表面淬火示意圖1 1燒嘴燒嘴2 2噴水管噴水管3 3加熱層加熱層4 4工件工件5 5淬硬層淬硬層 4. 4. 火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火特點(diǎn)特點(diǎn)：設(shè)備簡單，質(zhì)量不易保證，適合單件生產(chǎn)：設(shè)

34、備簡單，質(zhì)量不易保證，適合單件生產(chǎn)淬硬層深度一般為淬硬層深度一般為26mmSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 5.5. 感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火1)1) 基本原理基本原理感應(yīng)加熱表面淬火示意圖感應(yīng)加熱表面淬火示意圖1 1加熱淬火層加熱淬火層2 2間隙間隙3 3工件工件4 4加熱感應(yīng)圈加熱感應(yīng)圈5 5淬火噴水套淬火噴水套2)2) 感應(yīng)電流頻率感應(yīng)電流頻率感應(yīng)電流的集膚效應(yīng)感應(yīng)電流的集膚效應(yīng)高頻高頻 100100500KHz 500KHz 深度小（深度?。?.2-2mm）中頻中頻 5

35、0050010000Hz 10000Hz 深度較大深度較大（2-8mm）工頻工頻 50Hz 50Hz 深度大深度大（10-15mm）SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY3)3)感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn)感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn)加熱速度快；加熱速度快；時(shí)間短；時(shí)間短；因表面層因表面層M相變產(chǎn)生壓應(yīng)力，可提高工件相變產(chǎn)生壓應(yīng)力，可提高工件的疲勞強(qiáng)度；的疲勞強(qiáng)度；工件表面質(zhì)量高，變形??；工件表面質(zhì)量高，變形??；這種表面淬火的方法易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化這種表面淬火的方法易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化SCHOOL OF MATE

36、RIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY5)5) 后續(xù)熱處理：低溫回火后續(xù)熱處理：低溫回火4)4) 預(yù)先熱處理預(yù)先熱處理 (1)(1) 目的：使工件心部具有高的綜合力學(xué)性能目的：使工件心部具有高的綜合力學(xué)性能7)7) 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例1：中碳鋼制齒輪制造工藝路線：中碳鋼制齒輪制造工藝路線一般零件一般零件: 正火處理正火處理重要零件重要零件: 調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)處理 (淬火高溫回火淬火高溫回火) (2)(2) 方法方法表層表層：中碳：中碳M回回6)6) 最終組織最終組織心部心部：或或 P+FS回回下料下料鍛造鍛造退火退火粗加工粗

37、加工調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)精加工精加工 感感應(yīng)淬火應(yīng)淬火低溫回火低溫回火精磨精磨成品成品SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例2：中碳鋼制造的軸的工藝路線中碳鋼制造的軸的工藝路線下料下料鍛造鍛造退火退火粗加工粗加工調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)精加工精加工 軸頸感應(yīng)淬火軸頸感應(yīng)淬火低溫回火低溫回火精磨精磨成品成品齒輪感應(yīng)淬火層齒輪感應(yīng)淬火層SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY感感應(yīng)應(yīng)加加熱熱表表面面淬淬火火

38、齒齒輪輪的的淬淬硬硬層層分分布布SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 6.6.激光加熱表面淬火激光加熱表面淬火（1 1）工藝：工藝： 將高功率密度的激光束照射到工件表面，將高功率密度的激光束照射到工件表面，使表面快速加熱到奧氏體區(qū)，依靠工件本身熱傳使表面快速加熱到奧氏體區(qū)，依靠工件本身熱傳導(dǎo)迅速自冷而獲得一定淬硬層的工藝操作導(dǎo)迅速自冷而獲得一定淬硬層的工藝操作 硬化層：硬化層：1 12mm2mm（2 2）應(yīng)用：汽車、拖拉機(jī)汽缸套、汽缸、活塞環(huán)、凸應(yīng)用：汽車、拖拉機(jī)汽缸套、汽缸、活塞環(huán)、凸輪

39、軸等零件；輪軸等零件；（3 3）特點(diǎn)：淬火質(zhì)量好，組織超細(xì)化，硬度高、脆性特點(diǎn)：淬火質(zhì)量好，組織超細(xì)化，硬度高、脆性極小、工件變形小、不需要回火、節(jié)約能源、無污染、極小、工件變形小、不需要回火、節(jié)約能源、無污染、效率高、便于自動(dòng)化，但是效率高、便于自動(dòng)化，但是設(shè)備昂貴設(shè)備昂貴 。激光表面淬火處理的內(nèi)燃機(jī)氣缸套激光表面淬火處理的內(nèi)燃機(jī)氣缸套SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY激激光光表表面面淬淬火火的的汽汽缸缸套套SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEE

40、RING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 二、二、表面化學(xué)熱處理表面化學(xué)熱處理 Surface chemical heat treatment將工件置于一定的化學(xué)介質(zhì)中，通過加熱、保溫將工件置于一定的化學(xué)介質(zhì)中，通過加熱、保溫和冷卻，使介質(zhì)中的某些元素滲入到工件表層，和冷卻，使介質(zhì)中的某些元素滲入到工件表層，以改變表層的化學(xué)成份和組織，從而使工件表面以改變表層的化學(xué)成份和組織，從而使工件表面具有與心部不同的性能的一種熱處理工藝具有與心部不同的性能的一種熱處理工藝與表面淬火熱處理相比，化學(xué)熱處理不僅使工與表面淬火熱處理相比，化學(xué)熱處理不僅使工件表面與心部的件表面與心部的組

41、織不同組織不同，且，且成分亦不同成分亦不同SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 1.1. 目的目的改變工件表層化學(xué)成分、組織，從而改善改變工件表層化學(xué)成分、組織，從而改善工件性能工件性能滲碳、滲氮、碳氮共滲可提高鋼表面的硬滲碳、滲氮、碳氮共滲可提高鋼表面的硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度滲滲B、滲、滲Cr可提高表面耐磨性和耐蝕性可提高表面耐磨性和耐蝕性滲滲Al、滲、滲Si可提高耐熱抗氧化性可提高耐熱抗氧化性滲滲S可提高減摩性可提高減摩性SCHOOL OF MATERIALS SC

42、IENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 2.2. 常用方法常用方法滲碳滲碳, 滲氮滲氮 3. 3. 鋼的氣體滲碳鋼的氣體滲碳?xì)怏w滲碳法示意圖氣體滲碳法示意圖1) 1) 裝置：氣體滲碳爐裝置：氣體滲碳爐2) 2) 滲碳用鋼滲碳用鋼：低碳鋼低碳鋼3) 3) 滲碳基本原理：滲碳基本原理： 碳原子在鋼件表面碳原子在鋼件表面 吸附吸附、擴(kuò)散、擴(kuò)散滲碳是向低碳鋼或低碳合金鋼滲碳是向低碳鋼或低碳合金鋼工件表層滲入碳原子的過程工件表層滲入碳原子的過程煤油，或甲醇丙酮煤油，或甲醇丙酮SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENG

43、INEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY4) 4) 滲碳劑：煤油，或甲醇丙酮，滲碳劑：煤油，或甲醇丙酮，5) 5) 滲碳溫度：滲碳溫度：9306) 6) 滲碳時(shí)間：一般為數(shù)小時(shí)滲碳時(shí)間：一般為數(shù)小時(shí)十幾小時(shí)十幾小時(shí)7) 7) 滲碳后的碳濃度分布滲碳后的碳濃度分布0至工件表面的距離至工件表面的距離0.21.0碳濃度，碳濃度，wC%滲碳后工件中的含碳量滲碳后工件中的含碳量從表面向心部逐漸降低，從表面向心部逐漸降低，表面可達(dá)表面可達(dá)0.81.0%，而，而心部仍保持原始成份心部仍保持原始成份SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEER

44、ING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY低碳鋼滲碳后緩冷的組織低碳鋼滲碳后緩冷的組織SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY8) 8) 一般工藝路線一般工藝路線 如：用低碳鋼制造汽車變速齒輪如：用低碳鋼制造汽車變速齒輪 下料下料鍛造鍛造正火正火機(jī)加工機(jī)加工滲碳滲碳淬火淬火 低溫低溫 回火回火精磨精磨噴丸噴丸成品成品M回回 + F9) 9) 最終組織最終組織 表層：高碳表層：高碳 心部：心部：P+F (未淬透未淬透),低碳低碳 ( ( 淬透淬透 ) ) M回回 + 粒狀碳化

45、物粒狀碳化物 + A殘殘SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY性能要求：性能要求：表面要求具有高的疲勞強(qiáng)度和表面硬度，表面要求具有高的疲勞強(qiáng)度和表面硬度， 心部具有足夠的塑性韌性心部具有足夠的塑性韌性選材選材：低碳鋼（低碳鋼（2020，2525）工藝路線工藝路線：微觀組織：微觀組織：滲碳應(yīng)用舉例（汽車變速箱齒輪為例）表面：表面：M M回回（高碳）（高碳） + +粒狀碳化物粒狀碳化物 +A +A（少量）（少量） 心部：心部： P+F (未淬透未淬透),低碳低碳M M回回+F+F( ( 淬透淬透 ) ) 高硬度，耐磨性好高硬度，耐磨性好高韌性，耐沖擊高韌性，耐沖擊滲碳是滲碳是汽車齒輪、活塞銷汽車齒輪、活塞銷等零件常用的表面熱處理工藝等零