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1、项目七 钢的热处理 ( Heat Treatment of Steel ),学习目标 了解钢在加热和冷却时的组织转变。 掌握钢的常规热处理方法。 熟悉钢的表面热处理方法。 了解热处理新技术及热处理工常识。 能进行钢的常规热处理操作。,Fe - Fe3C 相图,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,L+ Fe3C,6.69%C,(A+Fe3C),Ld,Ld+Fe3C,A+Ld+Fe3C,F,A+F,A+ Fe3C,(F+ Fe3C),P,P+F,P+Fe3C,Ld,Ld +Fe3C,P+Ld +Fe3C,K,概述,1、热处理的定义,金属材料的热处理是指金属材料在固
2、态下，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织结构，从而获得所需性能的一种工艺方法。,通过适当的热处理，可以充分发挥材料的强度潜力，显著提高材料的力学性能，延长零件的使用寿命，还可以消除铸、锻、焊等加工所引起的内应力和各种缺陷，改善加工性能。,2、热处理的主要目的:改变钢的性能。,3、热处理的应用范围:整个制造业。,4、热处理的分类,任务一 认识钢的组织转变,一、任务引入,为什么制造仪表元件通常都使用奥氏体钢？，美国人如何将直径5米的月面天线放入只有4米宽的登月舱的呢？这些都是因为钢的不同组织具有不同的性能、特点。,了解钢在加热和冷却时固态相变的基本规律，以便采用适当措施控制相变过
3、程以获得预期的组织，从而获得预期的性能。,任务一 认识钢的组织转变,1、转变温度,二、钢在加热时的组织转变,对钢进行加热，其目的是改变钢的原始组织，获得成分均匀、晶粒细小的奥氏体组织，并为冷却时的组织转变做好准备，使钢最终获得所需的组织和性能。,钢在加热时的实际相变点偏离平衡相变点，且速度越快偏离越大。Ac3、 Ac1 、 Accm。,转变温度 ( transformation temperature ),钢在加热时是奥氏体的形核和长大。奥氏体转变越彻底，其晶粒度越均匀细小，钢的性能越好。保温是为了使Fe3C溶解和工件内外温度一致获得均匀的A。,2、奥氏体的形成和长大,奥氏体的形成,A 均匀化
4、,3、奥氏体晶粒度及对力学性能的影响,（1）奥氏体晶粒度 起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。 实际晶粒度:某一具体条件下的奥氏体晶粒度，它决定钢的性能。 本质晶粒度:钢加热到93010、保温8小时、冷却后测得的晶粒度叫本质晶粒度。如果测得的晶粒细小，则该钢称为本质细晶粒钢，反之叫本质粗晶粒钢。,钢的本质晶粒度示意图,一般根据标准晶粒度等级图确定钢的奥氏体晶粒大小。标准晶粒度等级分为8级，14级为粗晶粒度，58级为细晶粒度。,（2）奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响,奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力 学性能提高。,粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起 工件产生较大的变形甚至开裂。,三、
5、 钢在冷却时的组织转变,常用冷却方式有两种： 等温冷却 、连续冷却。,冷却是将加热到高温奥氏体状态的钢以一定速度冷却到低温，使钢中奥氏体发生预期转变，从而获得所需的组织和性能。,1、钢在热处理时的冷却方式,钢冷却时所发生的转变以及转变后的组织和性能，主要取决于钢的冷却速度和转变温度。,2、过冷奥氏体的等温冷却转变,共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线 - TTT曲线 ( C 曲线 ),T - time T - temperature T - transformation,共析碳钢 TTT 曲线,稳定的奥氏体区,过冷奥氏体区,A向产 物转变开始线,A向产物 转变终止线,A + 产 物 区,产物区,A
6、1550;高温转变区; 扩散型转变;P 转变区。,550230;中温转变 区;半扩散型转变; 贝氏体( B ) 转变区;,230 - 50;低温转 变区;非扩散型转变; 马氏体 ( M ) 转变区。,3、转变产物的组织与性能,珠光体型 ( P ) 转变 ( A1550 ) :,A1650 : P ; 525HRC; 片间距为0.60.7m ( 500,650600 : 细片状P-索氏体(S); 片间距为0.20.4m (1000); 2536HRC。,600550: 极细片状P-屈或托氏体(T); 片间距为0.2m ( 电镜 ); 3540HRC。,珠光体形貌像,电镜 3800,光镜下,索氏体
7、形貌,光镜形貌,电镜8000 ,屈（或托）氏体T形貌,3、 转变产物的组织与性能,贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550230 ) :,550350: B上; 4045HRC;,3、 转变产物的组织与性能,贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550230 ) :,350230: B下; 5060HRC;,3、转变产物的组织与性能,马氏体型 ( M ) 转变 ( 230 50 ) :,马氏体是一种碳在Fe中的过饱和固溶体。由于碳的过饱和作用,使Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。,奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响,奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响,马氏体的性能主要取决于马氏体中的碳浓度,亚共析钢
8、的TTT曲线,P + F,S + F,T,B,M + A残,过共析钢的TTT曲线,P + Fe3C,S + Fe3C,T,B,M + A残,4、过冷奥氏体的连续冷却转变,共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线 - CCT 曲线,C - continuous C - cooling T - transformation,共析碳钢 CCT 曲线示意图,Pf,Ps,A+P,K,Ms,Mf,共析碳钢 TTT 曲线与CCT曲线的比较,在连续冷却过程中 TTT 曲线的应用,V1 = 5.5/s : 炉冷 ; P,V2 = 20/s : 空冷 ; S,V3 = 33/s : 油冷;T+M+A残,V4 138/s
9、: 水冷 ; M+A残,任务二 掌握钢的常规热处理方法,预备热处理 : 退火 ; 正火,最终热处理 : 淬火 ; 回火,一般零件生产的工艺路线:,一、任务引入,二、钢的退火(Annealing of steel),目的: 消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。,退火是将工件加热到一定温度并保温，然后再随炉缓慢冷却的一种热处理工艺。（P）,种类,工艺参数:,完全退火：消除内应力、降低硬度、细化晶粒。,球化退火：降低硬度、提高韧性、改善加工性。,去应力退火（低温退火或时效处理）,工艺参数:,二、钢的正火( Normalizing of steel ),目的: 消除应力;
10、调整硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。,正火是将钢加热到Ac3或Accm以上3050，保温一定时间，出炉后在空气中冷却的热处理工艺。（S）,正火后材料的硬度、强度、韧性都高于退火，且操作简便、周期短，故应优先考虑。,工艺参数,热处理后的组织:S (Wc=0.61.4%) S+F (Wc0.6%),应用范围: 1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬度;消除过共析钢中的Fe3C。 2.最终热处理:用于力学性能要求不高的普通零件。,三、钢的淬火 ( Quenching of steel ),淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上3050温度，保温一定时间，然后进行快速冷却的一种热处理工艺。
11、（M）,其目的是获得马氏体组织，使钢具有高硬度和高耐磨性。淬火和回火配合是强化钢材的重要方法。,工艺参数,热处理后的组织,M+Fe3C+A残,Ac1+3050,过共析钢,M + A残,Ac1+3050,共析钢,M + A残,Ac3+3050,亚共析钢 Wc0.5%,M,Ac3+3050,亚共析钢 Wc0.5%,淬火加热时间 ( ) 的选择, = K D,淬火冷却介质,1、理想淬火冷却介质,2、常用的淬火冷却介质,常用的淬火方法,常用淬火方法的应用：,单液淬火：淬火介质有水、盐水、碱水、油等。一般情况碳钢淬水，合金钢淬油。 双液淬火：典型例子是碳素工具钢水淬油冷。关键是控制在第一种介质中的冷却时
12、间。 分级淬火：适用于变形要求高的合金钢和高合金钢工件及截面尺寸不大、形状复杂的碳钢工件。 等温淬火：适用于变形要求严格和要求有良好强韧性的精密零件和工模具。,钢的淬硬性( Hardening of steel ),淬透性指钢在一定的淬火条件下获得淬硬层深度的能力。取决于VK。（Me）,淬硬性指钢在理想条件下淬火所能达到最高硬度的能力。取决于马氏中碳的含量。(C),钢的淬透性( Hardenability of steel ),工件淬硬层与冷却速度的关系,淬硬性与淬透性之间的关系:,淬透性对钢热处理后力学性能的影响,四、 钢的回火 ( Tempering of steel ),将淬火钢重新加热
13、到Ac1以下某一温度，保温后以一定的冷速冷至室温的工艺称为回火,目的是消除或减少淬火应力，降低脆性，防止零件变形开裂；稳定组织，从而稳定零件尺寸；调整力学性能，满足零件的性能要求。,工艺参数,淬火 + 高温回火 = 调质处理,任务三 熟悉钢的表面热处理方,表面淬火：只改变表面组织而不改变 表面成分； 化学热处理：同时改变表面成分和组织。,工艺的核心:使零件具有“表硬里韧” 的力学性能。,一、表面淬火( Surface Hardening ),定义：是一种不改变钢表层化学成分,但改变表层组织的局部热处理工艺。,工艺特征：通过快速加热使钢的表层奥氏体化,然后急冷,使表层形成马氏体组织,而心部仍保持
14、不变。,表面淬火用钢:,选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。,表面淬火加工的方法: 感应加热（高、中、工频） 火焰加热 电接触加热法等。,感应加热表面淬火,利用感应电流通过零件时产生的热效应，使零件表面迅速达到淬火温度，随即快速冷却的淬火工艺称为感应加热表面淬火。,分布在零件表层的感应电流密度大，心部密度小的现象称为“集肤效应”。,铜管,感应加热方法：,高频：应用最广泛。常用工作频率200300kHz。淬硬深度0.5 2mm。适于小型轴、小模数齿轮等零件的表面淬火。 中频：工作频率50010000Hz。淬硬深度210mm。适于大直径轴、大模数齿轮等的表面淬火。 工频：工
15、业频率50Hz。淬硬深度1015mm以上。适于轧辊、火车车轮等大直径零件。,感应加热表面淬火 工艺要求:表面淬火前,必须对零件进行正火或调质处理,以保证零件有良好的基体。 表面淬火后,必须对零件进行低温回火处理,以降低淬火应力和脆性。,生产特点: 淬火件的质量好; 工件变形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易控制;生产率高。设备投资大,不适于复杂形状零件和小批量生产。,火焰加热表面淬火,利用氧-乙炔火焰（或其他可燃气体）对零件表面进行加热，使其快速升温达到淬火温度，然后迅速喷水冷却的热处理工艺称为火焰加热表面淬火。,淬硬层深度一般为26mm。,火焰加热表面淬火,火焰加热表面淬火的基本方法,火焰加热表
16、面淬火的特点:,火焰加热表面淬火相对来说操作简单方便、成本低，但因其淬火质量不易控制、生产效率低使应用受到了限制，主要用于单件小批生产或中碳钢、中碳合金钢大型零件或复杂件的局部表面淬火。,表面淬火视频介绍,二、化学热处理 ( Chemical Heat Treatment ),定义:化学热处理是指将零件放入一定温度的活性介质中，使一种或几种元素渗入零件表面，以改变表层的化学成分、组织和性能的一种表面热处理工艺。 分解渗透扩散。,化学热处理的基本过程:,2.吸收:活性原子被零件表面吸收和溶解。,3.扩散: 活性原子由零件表面向内部 扩散, 形成一定的扩散层。,1.分解: 化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。 2C
