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1、第三章 钢的热处理,第一节 钢在加热及冷却时的组织转变 第二节 热处理的基本方法 第三节 钢的表面热处理,热处理是指采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却，以获得预期的组织结构与性能的工艺方法。,第一节 钢在加热及冷却时的组织转变,热处理工艺过程由加热、保温和冷却三个阶段组成，并可用热处理工艺曲线来表示，如图所示。,热处理的分类,钢的热处理依据的是铁碳合金相图，基本原理是利用钢在加热和冷却时其内部组织发生转变的基本规律。,常用热处理工艺分类如图所示:,热处理工艺曲线,一、钢在加热时的组织转变,1.钢在加热或冷却时的相变温度,金属材料在加热或冷却过程中发生相变的温度称为临界点(相变点
2、)。 钢的临界点是制定热处理工艺参数的重要依据，常用钢的临界点温度可查热处理手册。,钢在加热或冷却时的临界点,2.奥氏体的形成,试验和研究结果证明，奥氏体的形成是通过形核和晶核长大两个过程来实现的。珠光体向奥氏体的转变分为四个阶段，即奥氏体晶核形成、奥氏体晶核长大、剩余渗碳体继续溶解和奥氏体化学成分均匀化。,共析钢的奥氏体形成过程,3.奥氏体晶粒长大及其控制措施,为控制奥氏体晶粒长大，必须制定合理的热处理工艺，即合理选择加热温度、保温时间和加热速度等。,二、钢在冷却时的组织转变,1.冷却方式,在热处理工艺中，常采用等温转变和连续冷却转变两种冷却方式。,等温冷却曲线和连续冷却曲线,2.过冷奥氏体
3、的等温转变,（1）过冷奥氏体等温转变曲线的建立,过冷奥氏体等温转变曲线,共析钢等温转变曲线,（2）过冷奥氏体等温转变的产物和性能,共析钢过冷奥氏体等温转变温度与转变产物的组织和性能,3.过冷奥氏体的连续冷却转变,过冷奥氏体的连续冷却转变是指工件奥氏体化后以不同的冷却速度连续冷却时过冷奥氏体发生的转变。,共析钢连续冷却转变分析,第二节 热处理的基本方法,一、退火和正火,1.退火,退火是指将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却，以达到改善组织及提高加工性能的一种热处理工艺。其主要目的是消除材料的内应力，降低材料的硬度，提高其塑性， 细化材料的组织， 均匀其化学成分。,常用的有完全退火、等
4、温退火、球化退火、均匀化退火、去应力退火等。,常用退火工艺加热温度范围 常用退火工艺曲线,2.正火,正火是指将工件加热奥氏体化后，在空气中或其他介质中冷却，获得以珠光体组织为主的热处理工艺。,提示：,正火与退火的区别 正火与退火的主要区别在于冷却速度不同，正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火获得的珠光体组织要比退火更细一些，其力学性能也有所提高。 另外，正火采用炉外冷却，不占用设备，生产效率较高，因此，生产中尽可能采用正 火来代替退火。,二、淬火,淬火是指将工件加热奥氏体化后以适当方式冷却， 获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。 其目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变， 得到马氏体或贝
5、氏体组织，并与回火工艺合理配合， 提高钢铁材料的刚度、硬度、耐磨性、疲劳强度和韧性等，以获得所需要的使用性能。,1.淬火加热温度的选择,非合金钢淬火加热温度范围,非合金钢淬火加热温度的选择和原因,2.淬火冷却介质的选择,理想淬火冷却介质的冷却曲线,工件淬火冷却时所用的介质称为淬火冷却介质。,常用淬火冷却介质的特点和应用,3.常用的淬火方法,常用的淬火方法有单液淬火、双介质淬火(双液淬火)、马氏体分级淬火和贝氏体等温淬火。,常用淬火方法的工艺冷却曲线,4.淬透性与淬硬性,淬透性是评定钢淬火性能的一个重要指标，它对钢材的选择及热处理工艺的制定具有十分重要的意义。淬透性是指以在规定条件下钢试样淬硬深
6、度和硬度分布来表征的材料特性， 换句话说，淬透性是指钢淬火时获得马氏体组织深度的能力， 它是钢材的一种属性。,5.淬火缺陷,工件在淬火加热及冷却过程中，由于加热温度高，冷却速度快，很容易产生某些缺陷。,常见淬火缺陷产生的原因及防和措施,三、回火,回火是指将工件淬硬后加热到AC1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。 其目的如下: 第一，消除工件淬火时产生的内应力，防止变形或开裂。 第二，调整和稳定组织，以保证工件不再发生形状和尺寸的变化。 第三， 调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，以获得不同需要的力学性能。,1.回火过程和组织转变,回火实质上是采用加热手段(在一定温度范围内
7、)， 使处于亚稳定状态的淬火组织较快地转变为相对稳定的回火组织的工艺过程。试验证明， 淬火碳钢回火过程中的组织转变对于各种钢来说都有代表性， 其过程包含马氏体分解、残余奥氏体的转变、碳化物的转变、渗碳体的聚集长大与铁素体再结晶四个阶段。,2.回火后的力学性能,一般随回火温度的升高， 钢的强度、硬度降低，而塑性、韧性提高。,40钢的力学性能与回火温度的关系,3.回火脆性,实践证明，淬火钢回火时，一般随回火温度的升高， 钢的强度、硬度降低，而塑性、韧性提高。,（1）不可逆回火脆性 （2）可逆回火脆性,4.回火方法和应用,根据工件回火时加热温度的不同， 可将回火分为： （1）低温回火 （2）中温回火
8、 （3）高温回火,提示：,调质处理 钢件淬火加高温回火的复合热处理工艺称为调质处理，它主要用于处理各种较重要的受力结构件，如连杆、螺栓、齿轮及轴类零件等。工件经过调质处理后， 不仅具有较高的强度和硬度， 而且塑性和韧性也明显比正火处理的好。 因此，一些重要的钢制零件一般都采用调质处理，而不采用正火。 调质处理一般作为工件的最终热处理， 但由于调质处理后钢的硬度不太高， 便于切削加工， 并能得到较好的表面质量，故也常作为表面淬火和化学热处理的预备热处理。,第三节 钢的表面热处理,表面热处理是指为改变工件表面的组织和性能， 仅对其表面进行热处理的工艺。以达到零件“外硬内韧” 的性能要求。,一、表面
9、淬火,表面淬火是指仅对工件表层进行淬火的热处理工艺。其目的是使工件表面获得高的硬度和耐磨性， 而心部保持较好的塑性和韧性， 以延长零件在扭转、弯曲、循环应力或在摩擦、冲击、接触应力等工作条件下的使用寿命，是最常用的表面热处理工艺之一。 在实际生产中应用较多的是感应淬火和火焰淬火。,1.感应淬火,利用感应电流通过工件所产生的热量，使工件表层、局部或整体加热并进行快速冷却的淬火工艺称为感应淬火。,（1）感应淬火的原理,感应淬火,（2）感应淬火的应用,感应加热表面淬火的应用,提示：,感应加热表面淬火的特点 . 工件加热速度快，时间短，变形小， 基本无氧化和脱碳现象。 . 淬火质量高， 由于加热迅速，
10、 奥氏体晶粒不易长大，淬火后表层可获得细针状马氏体， 表面硬度比普通淬火高23HRC。 . 淬硬层深度易于控制，操作简单， 生产效率高， 易实现机械化和自动化，故适用于大批量生产。,2.火焰淬火,火焰淬火是指利用氧乙炔(或其他可燃气体) 焰使工件表层加热并快速冷却的淬火工艺。,火焰加热表面淬火,二、化学热处理,化学热处理是指将工件置于所需的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入到工件的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。,1.化学热处理的基本过程,（1）分解过程 （2）吸收过程 （3）扩散过程,2.化学热处理方法,目前， 在机械制造业中， 最为常用的化学热处理是渗碳、渗氮和碳氮共渗。,（1）渗碳,为提高工件表层含碳量并在其中形成一定的碳浓度梯度， 将工件在渗碳介质中加热、保温，使碳原子渗入工件表面的化学热处理工艺称为渗碳。,气体渗碳炉,（2）渗氮,渗氮是指在一定温度下的一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。渗氮的目的是提高零件表层的硬度、耐磨性、热硬性、耐腐蚀性和疲劳强度。,1）特点 2）方法 气体渗氮 离子渗氮,离子渗氮,（3）碳氮共渗,碳氮共渗是在奥氏体状态下，同时将碳、氮渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺。常用的为气体碳氮共渗。,
