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1、钢的热处理,第三章 钢的热处理 ( Heat Treatment of Steel ),本章教学目的及要求 1 了解钢的热处理原理及工艺 2 针对性能不同的机件会制定相应的热处理工艺,金属固态相变的主要类型 1 平衡转变（已在前面的章节中叙述过） 1）纯金属的同素异构转变 2）多形性转变（类似匀晶转变） 3）共析转变 4）平衡脱溶沉淀（二次相的析出） 2 不平衡转变 1）铁碳合金中的不平衡转变 （1）伪共析转变 （2）贝氏体转变 （3）马氏体转变 2）不平衡脱溶沉淀（AL合金的淬火时效）,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,1,第一节 概述,一、热处理的定义,保温,钢的热处
2、理,加热,冷却,热处理工艺曲线,组 织,性 能,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2,二、热处理的应用范围,三、热处理的分类,热处理,普通 热处理,表面 热处理,淬火 回火,表面淬火,化学热处理,感应加热淬火,火焰加热淬火,渗碳 渗氮 碳氮共渗等,钢的热处理,退火 正火,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,3,Ac3,A3,钢的热处理,为了使钢件在热处理后获得所需的性能，对于大多数热处理工艺，都要将钢件加热到高于临界点的温度，以获得全部（或部分）奥氏体组织并使之均匀化，这个过程称为“奥氏体化”。,第二节 钢在加热时的转变,一、转变温度( transfo
3、rmation temperature ),Acm,Arcm,Accm,A1,Ar1,Ac1,Ar3,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,4,晶界相界 形核理论,钢的热处理,二、奥氏体的形成,显然，奥氏体的形成必须进行晶格的改组和铁、碳原子的扩散。其基本过程是通过以下四个阶段来完成的。,1 基本过程(共析碳钢),A晶核形成,A晶粒长大,残余Fe3C溶解,A成分均匀化,Fe3C,F,A,问题？,1) 扩散型的转变 2) 是通过形核和长大过程来实现的,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,5,钢的热处理,2 影响奥氏体形成的因素,形核 （处所）、 长大（D）两
4、个点,1）加热温度 TDA的形成速度,2）加热速度 V加热 A形成时间 A的形成速度,3）原始组织 钢中的原始组织细相界面A形成速度,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,6,钢的热处理,三、奥氏体晶粒度及对力学性能的影响,1 奥氏体晶粒度,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,7,钢的热处理,钢的本质晶粒度示意图,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,8,钢的热处理,2 奥氏体晶粒大小钢的性能影响,1）奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高,2）粗大的奥氏体晶粒（过热）在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂,热处理的前提条件,细
5、小的A,性能提高,严格控制 T、,细小的产物,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,9,钢的热处理,一、钢在热处理时的冷却方式,保温,时间,温度,临界温度,连续冷却,等温冷却,第三节 钢在冷却时的转变,加热,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,10,钢的热处理,二、过冷奥氏体的等温冷却转变,1 过冷奥氏体等温冷却转变曲线 (TTT)的建立,A1,共析钢,的C 曲线,A,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,11,转变产物区,2 共析钢的C曲线分析,1）图形分析,Ms,Mf,230,550,-50,转变开始线,转变终了线,过冷奥氏体区,转变
6、进行区,（2）过冷A体的孕育期 （稳定性）,（3）等温温度不同，转变产物也不同,（1）点、线、区,高温转变区 扩散型转变 P 转变,中温转变区 半扩散型转变 贝氏体( B )转变,低温转变区 非扩散型转变 马氏体 ( M ) 转变,12,2 ）过冷奥氏体转变产物及性能,珠光体型转变（F+Fe3C),珠光体 P 5-25HRC 500X,索氏体 S 25-35HRC 1000X,屈氏体 T 35-40HRC 电镜,贝氏体型转变（非平衡C%的F+碳化物）,马氏体型转变（C在-Fe中的过饱和固溶体),上贝氏体 B上 35-45HRC,下贝氏体 B下 50-60HRC,13,钢的热处理,（1）M体的转
7、变特点, 在一个温度范围内连续冷却完成, 转变速度极快,即瞬间形核与长大, 非扩散转变，M与原A的成分相同，比容最大,（4）M体的性能,A中C%,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,（2）M体的晶体结构,14,P型+F,P型+F,AF,AFe3C,P型+Fe3C,先共析线,与共析钢C 曲线的区别,15,3、影响C曲线的因素,1）A体中的化学成分,（2）A体中Me%,（1）A体中C%,2）A体的状态,（2）第二相利于过冷A体转变稳定性C曲线左移,钢的热处理,（1）T、A体成份均匀性，晶粒晶界面积,不利于过冷A体转变稳定性C曲线右移,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六
8、章,第一章,16,钢的热处理,三、过冷奥氏体的连续冷却转变（CCT曲线）,过冷A体的连续转变曲线一般很难建立（因为时间，温度 总在变化，转变点不易测出来，所以通常用等温转变曲线 （C曲线）来定性说明连续冷却转变的情况。,无贝氏体转变！,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,17,P型,M+A,M+A+P,钢的热处理,四、过冷奥氏体等温冷却转变曲线的应用,Vk,V1 = 5.5/s 炉冷 P,1 可估计临界冷却速度VK的大小（获得M体的最小冷速）,2 冷速产物性能，（转变产物由冷却曲线与C曲线相 交的位置决定）。,3 为制定HT工艺提供了依据,退火,V2 = 20/s 空冷 S
9、 正火,V3 = 33/s 油淬 T+M+A,V4 138/s 水淬 M+A,V1,V2,V3,V4,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,18,钢的热处理,第四节 钢的热处理工艺,HT工艺是以原理为基础，具体的制定： （1）加热温度 （2）保温时间 （3）冷却方式（介质选定）等参数 HT工艺作为机械加工过程中的一个环节，其作用 不外乎两点。 改善材料的加工工艺性 提高机件的耐用度（性能）,零件要获得 所需的性能,相应的组织,加 热 冷 却,热处理工艺,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,19,钢的热处理,一、普通热处理,预备热处理 : 退火 正火,最终热
10、处理 : 淬火 回火,一般零件的加工工艺路线:,预备热处理的目的： （1）获设细小均匀的组织、消除内应力 （2）调整硬度，便于机加工（HB170-250） （3）为最终HT做好组织准备,预备热处理,机械粗加工,最终热处理,机械精加工,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,20,钢的热处理,根据钢的成份和退火目的不同，其工艺可分为：,1）完全退火（完全奥氏体化）,2）球化退火（不完全奥氏体化）,3）去应力退火（A1以下 组织不变）,适用：消除铸、锻、焊件及机加工后的内应力,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,21,钢的热处理,（1）消除热加工造成的过热缺陷，
11、细化组织使之正常化 （2）作为低碳钢的预备HT，HB便于机加工 （3）代替调质成本 （4）为消除较大完整的Fe3C网状，可用正火。 （5）对普通结构件，可作最终HT。,1）正火是退火的特例,将钢加热到Ac3或Accm以（ 30 50C）完全A体化，然后在空气中冷却的一种工艺（常化）,2）组织,正火的T组织中的P%且细（索氏体）HB,3）适用范围：碳钢及低中合金钢,4）目的及应用：,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,22,扩散退火,去应力退火,钢的热处理,各种退火（正火）的加热温度范围,完全退火,球化退火,正火,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,23,
12、钢的热处理,三个判据,1 实际生产中退火与正火的选择,2 正火组织判断,3 组织中是否有残余奥氏体,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,24,把零件加温到临界温度以上30 50，保温一段时间，然后快速冷却（水、油冷）的一种工艺。,钢的热处理,实质：过冷A体M体,1）工艺参数,（1）淬火加热温度,（2）保温时间、冷却方式,D 工件有效厚度mm,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,25,钢的热处理,2）淬火冷却组织,3）淬火缺陷,（1）变形开裂,解决的途径,（2）硬度不足、软点,淬透性,淬火方法,冷却介质,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一
13、章,26,钢的热处理,4）两个概念,（1）钢的淬硬性 ( Hardening of steel ),是指钢在淬火后所能达到的最高硬度的能力,主要取决于马氏体的含碳量,（2）钢的淬透性( Hardenability of steel ),是指钢在淬火时所能得到的淬硬层 (M50%+非M50%的组织处) 厚度的能力,淬透性淬硬层厚度,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,27,钢的热处理, 淬透性分析,假定：钢种、尺寸、冷却介质一定，在某种HT加热条件下,温度,A1,时间,Vk,V表,V心,Ms,Vk,M体区,非M体区,变动：改变加热条件，过冷A体稳定性C曲线右移Vk,Vk,全淬
14、透,未淬透,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,28,钢的热处理, 影响淬透性的因素,HT生产中 一般碳钢用水淬，合金钢用油淬,主要取决于VK 的大小,过冷A稳定性孕育期 C曲线右移 VK淬透性,TA体均匀晶粒C曲线右移Vk淬透性,化学成分,合金钢比碳钢的淬透性好,大多MeA稳定性C曲线右移Vk淬透性,加热温度、保温时间,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,29,全淬透,钢的热处理,淬透性对钢的力学性能的影响,例如：做两个材料不同，尺寸形状相同，HT条件相同的试验,45钢 调质,40Cr钢 调质,表面,中心,表面,表面,中心,表面,HB,HB, 提高淬透
15、性的意义,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,30,钢的热处理,4 钢的回火(Tempering of steel),1）回火的目的 （1）脆性、内应力 （2）稳定零件尺寸 （3）获得所需要组织和性能,淬火后紧接着（0.5Hr）一个工序回火,1 3Hr,加热,保温,空（油）冷,变形 开裂,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,31,M回,Fe3C细粒,Fe3C粗细粒,Fe3C细片,+,2）回火时的组织和性能变化,A,M（过饱和C的）,A,Fe2.4C(）,M（C%）,F（稍过饱和C%）,F等轴（平衡C%）,F长大,软化,淬火钢,200 M体分解,T回,S回
16、,P回,+,+,+,32,钢的热处理,3）回火的分类及应用,淬火 + 高温回火 = 调质处理,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,33,亚 0.25C%,钢种,组织,正火,F+S,低回,表 M回+A+Fe3C,中心 M回+F,34,钢的热处理,二、表面热处理,以上谈到的是普通热处理的“四把火”，它们在生产实践应用十分广泛，也有局限性。对于零件的表面及心部性能要求不相同的情况下，如： （1）表硬里韧 （2）表面要求具有良好的物理化与性能 就只能采用：,1 表面淬火( Surface Hardening ),绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,35,感应加热表面淬火,钢的热处理,淬火机床,感应器,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,36,钢的热处理,1）感应加热的基本原理:,淬火层深度()与电流频率( f )的关系,2）加热频率 f,（1）高频加热f =（100-500）kHz f =（200-300）kHz =（1-2）mm,（2）中频加热f =（0.5-10）kHz,（3）工频加热,f =（2.5-8）kHz =（3-5）mm
