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1、钢的热处理及表面热处理钢的热处理及表面热处理一、一、 教学目的及要求教学目的及要求通过本章学习，使学生理解热处理的基本概念，掌握钢的加热转变和冷却转变的基本规律及特点。掌握并了解钢的常用热处理工艺，并能够进行热处理工艺分析。二、二、 主要内容主要内容1热处理的基本概念2钢在加热和冷却时的组织转变及转变产物的形态和性能特点3钢的退火和正火，钢的淬火和回火4 钢的表面淬火和化学热处理5. 退火、正火、淬火、回火的目的；退火、正火、淬火、回火的工艺过程及其对零件加工和使用的影响。6. 表面热处理的目的、分类；常用的表面热处理工艺（感应加热表面淬火和渗碳）；了解表面热处理的典型零件。三、学时安排三、学
2、时安排讲课 5 学时 四、教学重点四、教学重点1钢在加热和冷却时的组织转变及转变产物的形态和性能特点2常用热处理工艺及应用五、教学难点五、教学难点1钢的过冷奥氏体转变2钢的热处理工艺及应用3钢的淬透性的概念热处理热处理 1定义：定义：指将材料在固态下加热到一定温度，保温一定时间，以适当速度冷却，以获得所需组织结构和性能的工艺方法。2热处理的工艺过程热处理的工艺过程。包括三个阶段：加热、保温和冷却，如图所示。加热加热：热处理的第一道工序。不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。保温保温：目的是要保证工件烧透，防止脱碳、氧化等。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一般，按每分种 1
3、2 毫米计算；工件越大，材料的导热性越差，保温时间就越长。冷却冷却：最后一道工序，也是最重要一道工序。冷却速度不同，工件热处理后的组织和性能不同。3目的和作用目的和作用在工业生产中，热处理的应用很广泛。据统计，在机床制造中，约 60%70%的零件要经过热处理，在汽车、拖拉机制造中，需要热处理的零件多达 70%80%，而工模具及滚动轴承，则要 100%进行热处理。总之，凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能使用。目的目的：一是提高材料的使用性能，延长零件的使用寿命。二是改善材料的工艺性能，确保后续加工的顺利进行。其共同点是：只改变内部组织结构，不改变表面形状与尺寸。4基本类型基本类型（1）根据加
4、热和冷却方式，以及组织和性能特点的不同分类（见教材）（2）按热处理在零件生产工艺过程中的位置和作用不同分类预备热处理：预备热处理：是零件加工过程中的一道中间工序（也称为中间热处理），其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力，为后续的机加工或进一步的热处理作准备。最终热处理：最终热处理：是指能赋予工件使用性能的热处理，其目的是使经过成型工艺达到要求的形状和尺寸的零件达到所需要的使用性能。根据铁碳平衡相图，共析钢加热到超过 A1温度时，全部转变为奥氏体；而亚共析钢和过共析钢加热到 A3和 Acm 以上获得单相奥氏体。通常把加热时的实际临界温度标以字母“c”，如 Ac1、Ac3、Accm；而把冷却时的
5、实际临界温度标以字母“r”，如 Ar1、Ar3、Arcm等。其物理意义分别为：Ac1：加热时珠光体向奥氏体转变的温度；Ar1：冷却时奥氏体向珠光体转变的温度；Ac3：加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度；Ar3：冷却时奥氏体向铁素体转变的开始温度；Accm：加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度；Arcm：冷却时从奥氏体中开始析出二次渗碳体的温度。第一节第一节 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变加热是热处理的首道工序，大多是先把钢件加热到高温，目的是使钢得到奥氏体组织目的是使钢得到奥氏体组织。通常将这一过程称为钢的奥氏体化。一、奥氏体的形成一、奥氏体的形成1共析钢加热时奥氏体的
6、形成过程共析钢加热时奥氏体的形成过程奥氏体的形成遵循一般的相变规律，包括形核与长大两个基本过程，可分为四个阶段：（1）奥氏体晶核的形成。）奥氏体晶核的形成。将钢加热到 Ac1以上时，珠光体转变成奥氏体，奥氏体晶核首先在铁素体和渗碳体的相界面形成。（2）奥氏体长大。）奥氏体长大。稳定的奥氏体晶核形成后，开始长大生成小晶体，同时又有新的晶核形成。 （3）残余渗碳体的溶解。）残余渗碳体的溶解。由于铁素体的碳浓度和结构与奥氏体相近，铁素体转变为奥氏体的速度远比渗碳体向奥氏体中的溶解快。 （4）奥氏体成分的均匀化。）奥氏体成分的均匀化。在渗碳体全部溶解完时，奥氏体的成分是不均匀的，需要保温一定时间，碳原
7、子充分扩散，获得均匀的单相奥氏体。2亚共析钢与过共析钢加热时奥氏体的形成亚共析钢与过共析钢加热时奥氏体的形成亚共析钢与过共析钢的室温平衡组织分别为（P+F）和（）和（P + Fe3C）。其中，加热时珠光体转变为奥氏体的过程与共析钢的相同；不同的是：亚共析钢多了铁素体向奥氏体的转变过程，过共析钢多了二次渗碳体的溶解过程。所以，亚共析钢要得到全部奥氏体需加热到 Ac3以上，对过共析钢要在 Accm以上。这一过程为完全奥氏体化完全奥氏体化。如果亚共析钢仅在 Ac1Ac3温度之间加热，加热后的组织是“A + F”两相共存；对过共析钢在 Ac1Accm温度之间加热，加热后的组织应为“A + Fe3C”两
8、相共存。这一过程为不完全奥氏体化不完全奥氏体化。在加热后的冷却过程中，只是奥氏体向其它的组织转变，铁素体或二次渗碳体则不会发生转变，保留在钢的室温组织中，会对钢的力学性能产生影响。二、奥氏体晶粒的大小及控制二、奥氏体晶粒的大小及控制1奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度表示奥氏体晶粒大小晶粒度评级（冶标）：00，0，1，2，10 共 12 个等级个等级；其中，3 级以下为粗晶粒，46 级中等晶粒，78 级为细晶粒，8 级以上为超细晶粒。根据加热时奥氏体晶粒长大的超势，钢种有本质细晶粒钢：本质细晶粒钢：加热时，A 不容易长大，含 Nb,Ti,V 等元素的钢； 意义：渗碳！本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢：加热时，A
9、 晶粒容易长大。2奥氏体晶粒的大小的控制奥氏体晶粒的大小的控制一般从以下几个方面考虑 （1）加热温度和保温时间。）加热温度和保温时间。加热温度高，保温时间长，奥氏体晶粒长大。加热温度高，保温时间短，可获得细小的晶粒。加热温度一定，延长保温时间，晶粒不断长大，并趋于稳定。原因：原因：原子的扩散能力主要与温度有关。保温的目的主要是为了使工件温度均匀，奥氏体的成分均匀化。（2）加热速度。）加热速度。在实际生产中，常采用快速加热和短时保温快速加热和短时保温的方法来获得细小晶粒。原因：原因：加热速度越快，过热度越大，奥氏体化温度越高，形核率和长大速率越大，但前者大于后者，可获得细小的奥氏体起始晶粒；另一
10、方面，温度较高时，界面能高，原子扩散能力增强，细小晶粒反而易于长大，所以保温时间又不能太长。（3）原始组织。）原始组织。（4）钢的化学成分）钢的化学成分碳元素的影响碳元素的影响：随碳含量增加，奥氏体晶粒长大倾向增加；当有未溶碳化物存在时，可阻碍晶粒长大，得到细小奥氏体晶粒。合金元素影响：合金元素影响：A钢中加入 Al、V、Zr、Ti、Nb 元素可起到细化晶粒的作用。因为能形成高熔点、弥散分布的碳化物或氮化物，阻碍晶界移动，强烈阻碍奥氏体晶粒长大。 BMn、P 及过量的 Al 等溶入奥氏体中，可加速铁的扩散，促进奥氏体晶粒的长大。三、钢加热时常见的缺陷及防止措施三、钢加热时常见的缺陷及防止措施1
11、常见的缺陷常见的缺陷氧化：氧化：钢在氧化性气氛（如气氛中有 O2、CO2、H2O 等）加热时易被氧化，工件表面形成 FeO、Fe2O3、Fe3O4等氧化物，导致钢的烧损，零件尺寸变小，表面粗糙，更重要的是严重影响后序热处理的质量。脱碳：脱碳：指钢中的碳被烧损，导致钢件表面含碳量降低的现象，常伴随氧化发生。脱碳的气氛主要有氧化性气氛和 H2气氛。脱碳使钢件表面的含碳量降低，使钢件强度硬度降低，特别是疲劳强度和耐磨性严重下降。过热：过热：指加热温度比正常温度偏高，出现的奥氏体晶粒粗大的现象。过热使钢件的强度和塑韧性降低，热处理后变形加大。过热的工件可通过重新奥氏体化，细化晶粒来补救。过烧：过烧：指
12、钢加热的温度太高，奥氏体晶界局部或全部氧化甚至熔化的现象。过烧使工件变脆，如果锻造一锻即裂。过烧的工件只能报废，无法挽救，属于致命性缺陷。2防止措施防止措施（1）在真空中加热：）在真空中加热：工件在真空中加热是防止氧化脱碳的最有效措施，是热处理工艺的发展方向，在发达国家应用普遍。问题在于，真空热处理设备投资大，成本较高。（2）可控气氛加热：）可控气氛加热：工件加热过程中向炉内充入一定保护性气氛，保证钢在不脱碳、不增碳、不氧化的气氛下加热。实践证明它是行之有效与可靠的方法，是现代热处理的发展方向之一。（3）盐浴加热：）盐浴加热：将工件置于一熔化了的中性熔融的盐浴炉中加热，盐浴进行充分脱氧，保证工
13、件加热过程中少氧化，甚至无氧化。缺点主要是粘在工件上的盐难以清洗，操作过程中盐液遇水易炸，不小心灼伤人体，不太安全，操作过程中要多加小心。第二节第二节 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变一、过冷奥氏体一、过冷奥氏体奥氏体在临界点 A 1以上是稳定相，冷却至 A 1以下就成了不稳定相，要发生组织转变。定义：把定义：把在临界温度 A 1以下尚未发生组织转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体过冷奥氏体。等温转变：等温转变：过冷奥氏体转变是在临界点以下某个温度下等温过程临界点以下某个温度下等温过程中发生的，就称为过冷奥氏体的等温转变。连续转变：连续转变：转变在连续冷却连续冷却的过程中发生的就称为过冷奥氏体的连
14、续冷却转变连续冷却转变。 等温冷却和连续冷却是工业生产中常用的两种热处理冷却方式。钢中过冷奥氏体在冷却过程中的转变规律常用过冷奥氏体转变图来描述，表示转变产物与温度、时间之间的关系，是选择和制定热处理工艺的重要依据。二、二、过冷奥氏体等温转变曲线（以共析钢为例）过冷奥氏体等温转变曲线（以共析钢为例）1等温转变曲线的建立等温转变曲线的建立（1）准备几组共析钢小试样（5 组，每组 8 个试样，小圆片试样的尺寸：直径1015mm，厚度 1.01.1mm）；（2）把这些试样加热至 A1(7270C)以上奥氏体化（如 8000C） ； （3）然后迅速把各组试样分别迅速放入 A1(7270C) 以下的不同
15、温度（700，650，600，550，5000C）的恒温箱中保温；(4)记录时间，每隔一定时间取出一块试样，立即淬入水中（保持当时的组织状态）（5）测量硬度，并在显微镜下观察其组织，找出各个等温温度下的转变开始时间和转变了时间，并画在“温度-时间”坐标系中。（6）将转变开始点连接起来A 转变开始线；转变终了点连接起来A 转变终了线。该曲线称过冷奥氏体等温曲线。孕育期孕育期:试样放入临界温度以下到开始发生转变之间的这段时间，即 A 开始转变线到温度轴的距离。鼻尖处鼻尖处孕育期最短，鼻尖处的温度称为鼻温，共析钢在 5500C 左右。2过冷奥氏体等温曲线过冷奥氏体等温曲线是描绘是描绘过冷奥氏体在不同
16、温度下等温过程中，转变产物与温度、时间之间关系的曲线图，又称 TTT 曲线或 C 曲线。下图为共析钢的过冷奥氏体等温曲线图。（解释：转变开始线、终了线、MS和 Mf）三、共析碳钢过冷奥氏体等温转变类型及转变产物三、共析碳钢过冷奥氏体等温转变类型及转变产物 根据过冷奥氏体在不同温度间的转变特点，将其分为三类：珠光体型转变、贝氏体型转变和马氏体型转变。转变产物取决于等温的温度。（一）珠光体型转变（一）珠光体型转变1 转变温度转变温度： 7270C5500C2 转变产物：转变产物： 珠光体珠光体珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，这种类型的转变称为珠光体转变。根据奥氏体化温度和程度不同，过冷奥氏体可以形成片状珠光体和球状珠光体。（1）片状珠光体）片状珠光体：由共析反应形成，是由铁素体片和渗碳体片交替排列的层片状组织，形貌为层片状。珠光体中铁素体和渗碳体层片的粗细与转变温度有关。转变温度越低，过冷度越大，珠光体的层片越细。在 7
