第四單元 鋼的熱處理

第四章鋼的熱處理項(xiàng)目1熱處理基礎(chǔ)知識(shí) 項(xiàng)目2鋼的整體熱處理 項(xiàng)目3鋼的表面熱處理 項(xiàng)目1熱處理基礎(chǔ)知識(shí)

現(xiàn)象：放在水中冷卻的一根鋼絲硬而脆，很容易折斷；放在空氣中冷卻的一根較軟、有較好的塑性，可以卷成圓圈而不斷裂。

實(shí)驗(yàn)說明：雖然鋼的成分相同，加熱的溫度也相同，但采用不同的冷卻方法，卻得到了不同的力學(xué)性能。這主要是因?yàn)樵诓煌鋮s速度的情況下，鋼的內(nèi)部組織發(fā)生了不同的變化。熱處理的分類：

一、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變1．鋼在加熱和冷卻時(shí)的相變溫度

在加熱時(shí)鋼的轉(zhuǎn)變溫度要高于平衡狀態(tài)下的臨界點(diǎn)；在冷卻時(shí)要低于平衡狀態(tài)下的臨界點(diǎn)。加熱時(shí)的各臨界點(diǎn)：Ac1、Ac3和Accm

冷卻時(shí)的各臨界點(diǎn)：Ar1、Ar3和Arcm

2．奧氏體的形成

鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變，主要包括奧氏體的形成和晶粒長(zhǎng)大兩個(gè)過程。形核長(zhǎng)大殘余滲碳體溶解均勻化3．奧氏體晶粒的長(zhǎng)大

晶粒的長(zhǎng)大是依靠較大晶粒吞并較小晶粒和晶界遷移的方式進(jìn)行。二、鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

兩種冷卻方式：

等溫處理連續(xù)冷卻1．奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變

奧氏體在A1線以上是穩(wěn)定相，當(dāng)冷卻到A1線以下而又尚未轉(zhuǎn)變的奧氏體稱為過冷奧氏體。這是一種不穩(wěn)定的過冷組織，只要經(jīng)過一段時(shí)間的等溫保持，它就可以等溫轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的新相。這種轉(zhuǎn)變就稱為奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變。共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線圖（1）高溫等溫轉(zhuǎn)變：珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū)（2）中溫等溫轉(zhuǎn)變：貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)（3）低溫連續(xù)轉(zhuǎn)變：馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū)貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)（1）珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū)——高溫等溫轉(zhuǎn)變

共析鋼的過冷奧氏體在A1～550℃溫度范圍內(nèi)，過冷奧氏體將發(fā)生奧氏體向珠光體型的轉(zhuǎn)變，即轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和滲碳體。珠光體粗片層狀鐵素體和滲碳體的混合物，片層間距大于0.4μm一般在500倍以下的光學(xué)顯微鏡下即可分辨索氏體索氏體為細(xì)片狀珠光體，片層較薄間距在0.4～0.2μm，一般在800～1000倍的光學(xué)顯微鏡下才可分辨

屈氏體屈氏體是極細(xì)片狀的珠光體，片層極薄間距小于0.2μm，只有在電子顯微鏡下（5000倍）才能分辨出它們呈片狀（2）貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)——中溫等溫轉(zhuǎn)變

在550℃～Ms溫度范圍內(nèi)，因轉(zhuǎn)變溫度較低，原子的活動(dòng)能力較弱，轉(zhuǎn)變后得到的組織為含碳量具有一定過飽和程度的鐵素體和分散的滲碳體（或碳化物）所組成的混合物，稱為貝氏體，用符號(hào)B表示。貝氏體有上貝氏體（B上）和下貝氏體（B下）之分。

上貝氏體上貝氏體中滲碳體呈較粗的片狀，平行分布于平行排列的鐵素體片層之間，它在顯微鏡下呈羽毛狀的組織

下貝氏體下貝氏體中的碳化物呈細(xì)小顆粒狀或短桿狀均勻分布在鐵素體內(nèi)，在顯微鏡下呈黑色針葉狀的組織

（3）馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)——低溫連續(xù)轉(zhuǎn)變

當(dāng)鋼從奧氏體區(qū)急冷到MS

以下時(shí)，奧氏體便開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。由于轉(zhuǎn)變溫度低，原子擴(kuò)散能力小，在馬氏體轉(zhuǎn)變過程中，只有γ－Fe向α－Fe的晶格改變，而不發(fā)生碳原子的擴(kuò)散。因此，溶解在奧氏體中的碳，轉(zhuǎn)變后原封不動(dòng)地保留在鐵的晶格中，形成碳在α－Fe中的過飽和固溶體，稱為馬氏體，用符號(hào)M表示。

低碳馬氏體低碳馬氏體其形狀為一束一束相互平行的細(xì)條狀，故也稱板條狀馬氏體高碳馬氏體高碳馬氏體其斷面呈針葉狀，故也稱針狀馬氏體2．奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變v1：隨爐冷卻（退火）v2：空冷（正火）v3：油冷（油冷淬火）v4：水冷（水冷淬火）項(xiàng)目2鋼的整體熱處理

一、退火與正火二、淬火與回火一、退火與正火機(jī)械零件一般的加工工藝順序：

作用：消除前一工序所造成的某些組織缺陷及內(nèi)應(yīng)力，可以改善材料的切削性能，為隨后的切削加工及熱處理（淬火—回火）做好組織準(zhǔn)備。1．退火

退火——將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理工藝。常用退火方法：完全退火球化退火去應(yīng)力退火

退火目的：降低硬度，提高塑性，以利于切削加工和冷變形加工細(xì)化晶粒，均勻組織，為后續(xù)熱處理作好組織上的準(zhǔn)備消除殘余內(nèi)應(yīng)力，防止工件的變形與開裂2．正火

正火——將鋼加熱到Ａc3或Ａccm以上30～50℃，保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間后，在空氣中冷卻的工藝方法。

亞共析鋼：正火目的是細(xì)化晶粒，均勻組織，提高機(jī)械性能。

力學(xué)性能要求不高的普通結(jié)構(gòu)零件：正火可作為最終熱處理。

低、中碳結(jié)構(gòu)鋼：調(diào)整硬度，改善切削加工性能。

高碳過共析鋼：正火的目的是消除網(wǎng)狀滲碳體，有利于球化退火，為淬火做好組織準(zhǔn)備。加熱溫度范圍熱處理工藝曲線1—完全退火2—球化退火3—去應(yīng)力退火4—正火

二、淬火與回火

1．鋼的淬火

淬火——將鋼件加熱到Ac3或Ac1

以上的適當(dāng)溫度，經(jīng)保溫后快速冷卻（冷卻速度大于v臨），以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。

目的：獲得馬氏體組織，提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。（1）淬火加熱溫度的選擇

碳鋼淬火溫度范圍

亞共析鋼：Ac3以上30～50℃

（過）共析鋼：Ac1以上30～50℃（2）淬火冷卻介質(zhì)的選擇

淬火的冷卻速度必須大于該鋼種的臨界冷卻速度。冷卻中要避免引起鋼件的變形和開裂。冷卻介質(zhì)對(duì)鋼的理想淬火冷卻速度應(yīng)是“慢―快―慢”。（3）常用的淬火方法

單液淬火法雙介質(zhì)淬火馬氏體分級(jí)淬火貝氏體等溫淬火

（4）鋼的淬透性與淬硬性

淬透性——規(guī)定條件下，鋼在淬火冷卻時(shí)獲得馬氏體組織深度的能力。

淬硬性——鋼在理想的淬火條件下，獲得馬氏體后所能達(dá)到的最高硬度。

取決于鋼的臨界冷卻速度，臨界冷卻速度越低，則鋼的淬透性越好。鋼的臨界冷卻速度又主要取決于其化學(xué)成份。

取決于含碳量的高低。低碳鋼淬火的最高硬度低，淬硬性差；高碳鋼淬火的最高硬度高，則淬硬性好。（5）鋼的淬火缺陷

氧化與脫碳過熱和過燒變形與開裂硬度不足軟點(diǎn)

2．鋼的回火

回火——將淬火后的鋼重新加熱到Ac1點(diǎn)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。

降低淬火鋼的脆性和內(nèi)應(yīng)力，防止變形或開裂。調(diào)整和穩(wěn)定淬火鋼的結(jié)晶組織以保證工件不再發(fā)生形狀和尺寸的改變。獲得不同需要的機(jī)械性能。目的：（1）回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

鋼（45鋼）的回火組織回火馬氏體

回火屈氏體

回火索氏體

40鋼的力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系

隨著加熱溫度的升高，鋼的強(qiáng)度、硬度下降，而塑性、韌性提高。回火鋼的性能只與加熱溫度有關(guān)，而與冷卻速度無關(guān)。（2）回火的分類及應(yīng)用

低溫回火中溫回火高溫回火

調(diào)質(zhì)——生產(chǎn)中淬火及高溫回火相結(jié)合的熱處理工藝。項(xiàng)目3鋼的表面熱處理一、表面淬火二、化學(xué)熱處理汽車變速齒輪傳動(dòng)齒輪軸一、表面淬火

表面淬火——僅對(duì)工件表層進(jìn)行淬火的熱處理工藝。

原理：通過快速加熱，使鋼的表層奧氏體化，在熱量尚未充分傳到零件中心時(shí)就立即予以冷卻淬火。

適用：中碳鋼、中碳合金鋼。

方法：火焰加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬、電接觸加熱表面淬火、激光加熱表面淬火。1．火焰加熱表面淬火

應(yīng)用氧－乙炔（或其他可燃?xì)怏w）火焰對(duì)零件表面進(jìn)行快速加熱并隨之快速冷卻的工藝。

特點(diǎn)：加熱溫度及淬硬層深度不易控制，易產(chǎn)生過熱和加熱不均勻，淬火質(zhì)量不穩(wěn)定。不需要特殊設(shè)備，適用于單件或小批量生產(chǎn)。2．感應(yīng)加熱表面淬火

利用感應(yīng)電流通過工件所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使工件表面受到局部加熱，并進(jìn)行快速冷卻的淬火工藝。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，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，適用于大批量生產(chǎn)。

二、化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理——將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。

不僅改變了鋼的組織，而且表面層的化學(xué)成分也發(fā)生了變化，因而能更有效地改變零件表層的性能。

根據(jù)滲入元素分：滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲金屬等。1．化學(xué)熱處理的過程分解吸收擴(kuò)散2．鋼的滲碳

鋼的滲碳——將鋼件置于滲碳介質(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。

目的：提高鋼件表層的含碳量。

滲碳后處理：淬火及低溫回火。

工藝路線：鍛造→正火→機(jī)械加工→滲碳→淬火+低溫回火分類：固體滲碳、鹽浴滲碳、氣體滲碳

氣體滲碳——將工件置于氣體滲碳劑中進(jìn)行滲碳的工藝。低碳鋼滲碳后緩冷的滲碳層顯微組織由表面向中心：過共析組織、共析組織、亞共析組織（過渡層），中心仍為原來的亞共析組織。3．鋼的滲氮

滲氮——在一定溫度下，使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝。

目的：提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蝕性及疲勞強(qiáng)度。（1）滲氮與滲碳相比具有以下特點(diǎn)：

滲氮層具有很高的硬度和耐磨性滲氮層具有滲碳層所沒有的耐蝕性滲氮比滲碳溫度低，工件變形小

滲氮工件的工藝路線：

（2）滲氮方法

氣體滲氮