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1、第第2章章 材料的强化与处理材料的强化与处理重点：退火、正火、淬火、回火、表面热处重点：退火、正火、淬火、回火、表面热处 理的目的、工艺及应用理的目的、工艺及应用难点：奥氏体在冷却时的转变规律及转变难点：奥氏体在冷却时的转变规律及转变 产物；产物； 热处理是一种重要的加工工艺 在制造业中被广泛的应用在机床制造中60%-70%的零件需要热处理在汽车、拖拉机制造过程中约70%-80%的零件需要进行热处理至于磨具、滚动轴承则需要100%热处理 热处理：将固态金属或合金热处理：将固态金属或合金加热加热、保温保温、 冷却冷却， 改变其内部组织，从而获得所要求的改变其内部组织，从而获得所要求的 性能的工艺
2、性能的工艺临界点温度临界点温度温温度度时间时间加热加热保温保温冷却冷却热处理工艺曲线热处理工艺曲线2.1 钢的热处理钢的热处理 热处理热处理普通热处理：退火、正火、淬火、回火普通热处理：退火、正火、淬火、回火表面热处理：表面淬火、表面热处理：表面淬火、 化学热处理化学热处理一、转变温度一、转变温度加热目的加热目的-获得细小奥氏体获得细小奥氏体钢的奥氏体化：钢中奥氏体的形成过程钢的奥氏体化：钢中奥氏体的形成过程 2.1.1 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变加热时加热时 Ac1、Ac3、Accm 1加热温度的确定加热温度的确定 温度温度C%FeFe3CLAL+AL+ Fe3CADECFPS
3、KGQA1A3AcmAc1AccmAc3冷却时冷却时 Ar1、Ar3、ArcmAr1ArcmAr32、奥氏体化过程、奥氏体化过程Ac1AccmAc3（1）奥氏体形核）奥氏体形核 （2）晶核长大）晶核长大 （3）残余渗碳体的溶解）残余渗碳体的溶解 （4）奥氏体均匀化）奥氏体均匀化 奥氏体的冷却方式：奥氏体的冷却方式： 1、等温冷却、等温冷却 2、连续冷却、连续冷却2.1.2 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变1、奥氏体的等温转变、奥氏体的等温转变奥氏体等温转变曲线的建立（奥氏体等温转变曲线的建立（金相硬度法金相硬度法） 1）制试样）制试样 10 1.5mm 2）将试样奥氏体化）将试样奥氏体
4、化 3）将试样分成几组，每组投入不同温度的）将试样分成几组，每组投入不同温度的 盐浴中等温盐浴中等温以共析钢为例以共析钢为例4）每隔一定时间，从每组中取一试块投入）每隔一定时间，从每组中取一试块投入 水中，测硬度，观察组织，即知道转变水中，测硬度，观察组织，即知道转变 开始时间和转变终了时间开始时间和转变终了时间6）将意义相同的点连接成线）将意义相同的点连接成线5）将各转变开始点和转变终了点标在温度）将各转变开始点和转变终了点标在温度时时 间坐标图中间坐标图中温度温度时间时间A1MsMfC曲线分析曲线分析1）线）线2) 区区3)孕育期孕育期550 C温温度度时间时间A1MsMf 4) 奥氏体等
5、温转变产物奥氏体等温转变产物 A1-650 C, A粗珠光体粗珠光体P HRC15 650 C-600 C, A索氏体索氏体S HRC30 600 C-550 C, A屈氏体屈氏体T HRC40(1)高温转变高温转变 (A1550 C)温温度度时间时间A1MsMf(a)珠光体 3800 (b) 索氏体 8000(c)屈氏体 8000珠光体型组织 (2)中温转变中温转变 (550 CMs）温温度度时间时间A1MsMf贝氏体贝氏体(B B): 含碳量过饱和的铁素体和渗碳体的含碳量过饱和的铁素体和渗碳体的 机械混合物机械混合物bainite550 C-350 C, AB上上 HRC45350 C-M
6、s, AB下下 HRC55B下下性能：良好综合力学性能性能：良好综合力学性能B上上性能：强度和韧性差性能：强度和韧性差影响影响C曲线的因素曲线的因素 亚共析钢：亚共析钢：CC曲线右移曲线右移 过共析钢：过共析钢：CC曲线左移曲线左移2）合金元素）合金元素 除除Co以外，其他合金元素以外，其他合金元素溶入奥氏体中均使溶入奥氏体中均使C曲线右移曲线右移1）含碳量）含碳量2、奥氏体的连续冷却转变、奥氏体的连续冷却转变PsPfPs： AP开始线开始线 Pf： AP终了线终了线（1）连续冷却转变）连续冷却转变曲线曲线温温度度时间时间A1MsMfV1V2 若以若以V1速度冷却得到珠光体；以速度冷却得到珠光
7、体；以V2速度冷却得到细速度冷却得到细珠光体和极细珠光体；以珠光体和极细珠光体；以V3、V4速度冷却均得到马氏速度冷却均得到马氏体。其中体。其中V3与与Ps线相切，是奥氏体全部过冷到线相切，是奥氏体全部过冷到Ms以下以下转变为马氏体的最小冷却速度，称为临界冷却速度转变为马氏体的最小冷却速度，称为临界冷却速度 （2）用）用C曲线近似分析连续冷却转变曲线近似分析连续冷却转变 V1相当于随炉冷却（退火），它与C曲线交于700650C温度范围，估计过冷奥氏体转变为珠光体组织；V2相当于空冷（正火），它与C曲线交于650600C，估计过冷奥氏体转变为细珠光体；V3得到的组织是极细珠光体；V4先与珠光体转
8、变开始线相割，随后又与Ms相交，冷却到室温得到的组织是极细珠光体、马氏体、残余奥氏体；V5不与C曲线相交，奥氏体直接过冷到Ms以下转变为马氏体；Vcr为将奥氏体全部过冷到Ms以下转变为马氏体的最小冷却速度，为临界冷却速度 晶体结构：晶体结构：C 0.25%,体心正方晶格体心正方晶格 形态形态:板条状马氏体（低碳马氏体）板条状马氏体（低碳马氏体） 片状马氏体（高碳马氏体）片状马氏体（高碳马氏体）（3）过冷奥氏体向马氏体的转变）过冷奥氏体向马氏体的转变 马氏体马氏体碳在碳在 -Fe中的过饱和固溶体中的过饱和固溶体 性能：性能： 低碳马氏体：良好综合力学性能低碳马氏体：良好综合力学性能 高碳马氏体：
9、硬度、强度高、脆性大高碳马氏体：硬度、强度高、脆性大热热处处理理工工艺艺预备热处理预备热处理：消除热加工缺陷，为以后的冷：消除热加工缺陷，为以后的冷 加工和最终热处理作准备加工和最终热处理作准备最终热处理最终热处理：使工件获得使用性能的热处理：使工件获得使用性能的热处理2.1.3 钢的普通热处理钢的普通热处理 退火：退火：把钢件加热到略高于或略低于临界点（把钢件加热到略高于或略低于临界点（ Ac1、Ac3 ）某一温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般）某一温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却），这一工艺过程叫退火随炉冷却），这一工艺过程叫退火 退火的目的：退火的目的：1 1、细化晶粒
10、，提高力学性能、细化晶粒，提高力学性能 2 2、消除缺陷和内应力，防止工件、消除缺陷和内应力，防止工件 的变形和开裂的变形和开裂 3 3、降低硬度，改善切削加工性、降低硬度，改善切削加工性 退火方法：退火方法： 1钢的退火和正火钢的退火和正火（1）退火）退火 工艺：工艺：AcAc3 3+30-50+30-50 C C，保温，炉冷，保温，炉冷 完全退火完全退火Ac1Ac3组织：组织：F+PF+P目的：目的： 1 1）细化晶粒）细化晶粒 2 2）消除内应力）消除内应力 3 3）降低硬度，改善切削加工性）降低硬度，改善切削加工性等温退火等温退火 等温退火的加热工艺与完全退火相同。但钢经奥氏等温退火的
11、加热工艺与完全退火相同。但钢经奥氏体化后，等温退火以较快速度冷却到珠光体转变温体化后，等温退火以较快速度冷却到珠光体转变温度区间的某一温度，等温一定时间，使奥氏体在等度区间的某一温度，等温一定时间，使奥氏体在等温中发生珠光体转变，然后又以较快速度（一般为温中发生珠光体转变，然后又以较快速度（一般为空冷）冷至室温空冷）冷至室温 工艺：加热至工艺：加热至Ac1+30-50 C，保温，炉冷至室温，保温，炉冷至室温 或或 加热保温后冷至加热保温后冷至 Ar1以下以下20 C左右等温左右等温 而后空冷至室温而后空冷至室温 球化退火球化退火Ac1组织：球状珠光体（球状渗碳体分布在铁素体组织：球状珠光体（球
12、状渗碳体分布在铁素体 基体上）基体上）目的：降低硬度，改善切削加工性目的：降低硬度，改善切削加工性均匀化退火均匀化退火 工艺：工艺：加热到高温（加热到高温（Ac1、Ac3或或Accm+150250 C）并停留较长时间，使合金元素）并停留较长时间，使合金元素得到充分扩散，然后缓慢冷却下来得到充分扩散，然后缓慢冷却下来 目的：目的：消除枝晶偏析 去应力退火去应力退火工艺：加热至工艺：加热至500-600 C，保温，炉冷，保温，炉冷目的：消除内应力目的：消除内应力组织：原有组织组织：原有组织（2）正火）正火正火：正火：将工件加热至将工件加热至Ac3或或Accm以上以上3050 C，保温，保温后从炉中
13、取出在空气中冷却后从炉中取出在空气中冷却的一种热处理工艺的一种热处理工艺 Ac1AccmAc3 目的：细化晶粒，提高力学性能；目的：细化晶粒，提高力学性能； 消除热加工组织缺陷和内应力；消除热加工组织缺陷和内应力； 调整硬度，改善切削加工性。调整硬度，改善切削加工性。 淬火：淬火： 将钢加热到将钢加热到Ac3或或Ac1以上以上3050 C，保温后，保温后快速冷却的一种热处理工艺快速冷却的一种热处理工艺 2钢的淬火与回火钢的淬火与回火（1）淬火）淬火 目的：获得马氏体，提高钢的力学性能目的：获得马氏体，提高钢的力学性能 Ac1Ac3 1）淬火温度的选择）淬火温度的选择过共析钢过共析钢: Ac1+
14、30-50 C亚共析钢亚共析钢: Ac3+30-50 C共析钢共析钢: Ac1+30-50 C2）淬火的冷却）淬火的冷却 淬火介质淬火介质 水、盐（碱）的水溶液水、盐（碱）的水溶液冷却能力强，易得冷却能力强，易得 到到M，易变形和开裂，易变形和开裂， 用于用于碳钢碳钢淬火淬火油油冷却能力弱，减少变形和开裂，不易淬冷却能力弱，减少变形和开裂，不易淬 透，用于透，用于合金钢、碳钢小零件合金钢、碳钢小零件淬火淬火3）淬火时的内应力淬火时的内应力 热应力热应力组织应力组织应力单液淬火：将钢奥氏体化后放在一种单液淬火：将钢奥氏体化后放在一种 介质介质 中冷却到室温中冷却到室温4）常用淬火方法）常用淬火方
15、法特点：操作简单；特点：操作简单； 易产生淬火缺陷易产生淬火缺陷 应用：碳钢用水淬应用：碳钢用水淬 合金钢油淬合金钢油淬双液淬火：将钢奥氏体化后先放在一种冷却双液淬火：将钢奥氏体化后先放在一种冷却 能力较强的介质中冷至接近能力较强的介质中冷至接近Ms 然后立即转入另一种冷却能力较然后立即转入另一种冷却能力较 弱的介质中冷至室温弱的介质中冷至室温特点：操作复杂；特点：操作复杂； 降低了淬火应力降低了淬火应力应用：形状复杂的碳钢件，应用：形状复杂的碳钢件， 如工具、模具如工具、模具分级淬火法：将钢奥氏体化后，迅速置于温分级淬火法：将钢奥氏体化后，迅速置于温 度稍高于度稍高于Ms的盐浴或碱浴中，的盐
16、浴或碱浴中， 并稍加停留，使钢件内外温度并稍加停留，使钢件内外温度 一致，再取出空冷，使过冷奥一致，再取出空冷，使过冷奥 氏体转变为马氏体氏体转变为马氏体特点：进一步减小了内应力，减小了变形特点：进一步减小了内应力，减小了变形 应用：形状复杂的小工件，如刀具应用：形状复杂的小工件，如刀具 等温淬火：将钢奥氏体化后先放入温度接近等温淬火：将钢奥氏体化后先放入温度接近Ms的盐的盐 浴或碱浴中等温足够长时间，使过冷奥氏浴或碱浴中等温足够长时间，使过冷奥氏 体转变为下贝氏体然后再空冷至室温体转变为下贝氏体然后再空冷至室温特点：明显降低了内应力，减特点：明显降低了内应力，减 小了变形；不必再进行小了变形
17、；不必再进行 回火；时间长，效率低回火；时间长，效率低应用：形状复杂、尺寸精确的应用：形状复杂、尺寸精确的 小工件，如弹簧、小齿小工件，如弹簧、小齿 轮、工具、模具轮、工具、模具钢的淬透性：钢在一定条件下淬火时，获得钢的淬透性：钢在一定条件下淬火时，获得 淬硬层深度的能力淬硬层深度的能力 5）钢的淬透性）钢的淬透性影响淬透性的因素：影响淬透性的因素：2 2）合金元素：除）合金元素：除CoCo以外，其他合金元素溶入以外，其他合金元素溶入 奥氏体中均使钢的淬透性提高奥氏体中均使钢的淬透性提高1 1）含碳量：含碳量越接近共析成分，淬透性）含碳量：含碳量越接近共析成分，淬透性 越好越好 回火目的：回火
18、目的： （2）回火）回火回火回火temper ：将淬火钢加热到：将淬火钢加热到A1以下某一温以下某一温 度，保温一定时间，空冷或油冷度，保温一定时间，空冷或油冷 到室温到室温3）稳定工件尺寸）稳定工件尺寸2）消除淬火应力，防止工件的变形、开裂）消除淬火应力，防止工件的变形、开裂1）降低脆性，提高塑性）降低脆性，提高塑性 1）低温回火（）低温回火（150-250 C） 回火的分类：回火的分类：应用：工具、模具、滚动轴承应用：工具、模具、滚动轴承目的：降低内应力和脆性，保留高的强度、硬目的：降低内应力和脆性，保留高的强度、硬 度、耐磨性度、耐磨性 2）中温回火（）中温回火（350-500 C）目的
19、：提高钢的弹性、韧性，消除内应力和目的：提高钢的弹性、韧性，消除内应力和 脆性脆性应用：弹簧、高强度件应用：弹簧、高强度件3）高温回火（）高温回火（500-650 C） 调质处理：淬火调质处理：淬火+高温回火高温回火应用：重要零件如轴、齿轮应用：重要零件如轴、齿轮目的：获得良好的综合力学性能目的：获得良好的综合力学性能表面热处理表面热处理 仅对钢的表面加热和冷却而不改变钢表层化学仅对钢的表面加热和冷却而不改变钢表层化学成分的热处理工艺称为表面淬火成分的热处理工艺称为表面淬火 1、表面淬火、表面淬火特点：只有表层得到了马氏体，心部组织不变特点：只有表层得到了马氏体，心部组织不变 表层具有高的强度
20、、硬度、耐磨性，心表层具有高的强度、硬度、耐磨性，心 部具有好的塑性、韧性部具有好的塑性、韧性加热方法：加热方法：1、火焰加热（淬硬层、火焰加热（淬硬层2-8mm）2、感应加热（淬硬层、感应加热（淬硬层0.5-20mm）高频感应加热（高频感应加热（200-300kHz）：）：中频感应加热中频感应加热(2500-3000 Hz)：工频感应加热工频感应加热(50kHz)： 2、化学热处理、化学热处理化学热处理：化学热处理：将钢件置于一定介质中加热和保温，将钢件置于一定介质中加热和保温， 使介质中的活性原子渗入工件表层，使介质中的活性原子渗入工件表层， 改变表层的化学成分和组织，从而改变表层的化学成
21、分和组织，从而 使工件表层具有某些特殊的力学或使工件表层具有某些特殊的力学或 物理、化学性能的一种热处理工艺物理、化学性能的一种热处理工艺特点：改变表层化学成分和组织，心部不变；特点：改变表层化学成分和组织，心部不变； 使表层具有高的硬度、耐磨性、耐蚀性使表层具有高的硬度、耐磨性、耐蚀性 等特殊性能，心部具有足够的强度和韧性等特殊性能，心部具有足够的强度和韧性化学热处理化学热处理渗碳、渗氮（渗碳、渗氮（氮化氮化）、）、 碳氮共渗等碳氮共渗等目的：目的：使工件表层具有高的硬度、耐磨性，心部保使工件表层具有高的硬度、耐磨性，心部保 持一定的强度和韧性持一定的强度和韧性 材料：低碳钢、低碳合金钢材料
22、：低碳钢、低碳合金钢后续热处理：淬火后续热处理：淬火+ +低温回火低温回火渗层厚度：渗层厚度：应用：承受冲击载荷、交变载荷及严重磨损的应用：承受冲击载荷、交变载荷及严重磨损的 零件，如传动齿轮、套筒、活塞销零件，如传动齿轮、套筒、活塞销渗渗 碳碳目的：目的：提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和耐提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和耐 蚀性等蚀性等 材料：中碳合金钢材料：中碳合金钢 35CrAlA, 38CrMoAlA, 38CrWVAlA35CrAlA, 38CrMoAlA, 38CrWVAlA 渗层厚度：渗层厚度： 应用：耐磨性、精度均要求很高的零件，如精密应用：耐磨性、精度均要求很高的
23、零件，如精密 传动齿轮、镗床主轴、活塞销；交变载荷传动齿轮、镗床主轴、活塞销；交变载荷 下的零件，如高速柴油机曲轴；变形小、下的零件，如高速柴油机曲轴；变形小、 耐蚀的耐磨件，如阀门、热作模具耐蚀的耐磨件，如阀门、热作模具渗渗 氮氮目的：目的：提高工件表层的硬度、耐磨性及疲劳强度等提高工件表层的硬度、耐磨性及疲劳强度等 应用：汽车和机床应用：汽车和机床齿轮、蜗轮、蜗杆、轴齿轮、蜗轮、蜗杆、轴 碳氮共渗碳氮共渗热处理新技术简介热处理新技术简介1真空热处理真空热处理2可控气氛热处理可控气氛热处理3激光热处理和电子束表面淬火激光热处理和电子束表面淬火4形变热处理形变热处理2.2工程材料的表面处理方法
24、工程材料的表面处理方法 气相沉积气相沉积 气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程在气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程在工件表面形成具有特殊性能的金属或化合物涂层，工件表面形成具有特殊性能的金属或化合物涂层，使工件表面性能优化的一种新技术。按照过程的本使工件表面性能优化的一种新技术。按照过程的本质，可将气相沉积分为两大类：一类是化学气相沉质，可将气相沉积分为两大类：一类是化学气相沉积，简称积，简称CVD法；另一类是物理气相沉积，简称法；另一类是物理气相沉积，简称PVD法。法。 1化学气相沉积化学气相沉积 化学气相沉积是利用气态物质在固态工件表面进行化学气相沉积是利用气态物质在固态工件表面
25、进行化学反应，生成固态沉积物的过程。化学反应，生成固态沉积物的过程。 常见的碳化钛沉积的化学反应为：常见的碳化钛沉积的化学反应为： TiCl+ CHTiC+4HCl TiCl+CTiC+2Cl2物理气相沉积物理气相沉积 物理气相沉积是用物理方法将源物质转移到气相物理气相沉积是用物理方法将源物质转移到气相中，在基体上形成覆盖层的方法。中，在基体上形成覆盖层的方法。 物理气相沉积主要有真空溅射、离子镀和离子物理气相沉积主要有真空溅射、离子镀和离子溅射三种方法溅射三种方法 图图2.18为离子镀原理示意图为离子镀原理示意图 化学转化膜技术化学转化膜技术化学转化膜技术就是通过化学或电化学处理，使金属表化
26、学转化膜技术就是通过化学或电化学处理，使金属表面形成稳定的化合物膜层，以达到防腐或兼有装饰目的面形成稳定的化合物膜层，以达到防腐或兼有装饰目的的工艺方法。常用化学转化膜主要包括氧化膜、磷酸盐的工艺方法。常用化学转化膜主要包括氧化膜、磷酸盐膜、铬酸盐膜、阳极氧化膜和草酸盐膜等膜、铬酸盐膜、阳极氧化膜和草酸盐膜等 1氧化处理氧化处理 氧化处理就是采用化学的或者电化学的方法，氧化处理就是采用化学的或者电化学的方法，使工件表面形成一层氧化膜，以改善工件的耐蚀性使工件表面形成一层氧化膜，以改善工件的耐蚀性及外观的工艺方法。及外观的工艺方法。2磷化处理（磷酸盐处理）磷化处理（磷酸盐处理） 磷化处理是将钢铁
27、工件浸入磷酸盐溶液中，使工磷化处理是将钢铁工件浸入磷酸盐溶液中，使工件表面获得一层不溶于水的磷酸盐薄膜的工艺方法。件表面获得一层不溶于水的磷酸盐薄膜的工艺方法。电镀和化学镀电镀和化学镀1电镀电镀 电镀是将金属工件作为阴极浸入欲镀金属的盐溶电镀是将金属工件作为阴极浸入欲镀金属的盐溶液中，然后通以直流电，在直流电场的作用下，金属液中，然后通以直流电，在直流电场的作用下，金属盐溶液中的阳离子在工件表面上沉积成为牢固的镀层盐溶液中的阳离子在工件表面上沉积成为牢固的镀层 2化学镀化学镀 化学镀是把被镀工件浸入含有镀层金属盐类的化学镀是把被镀工件浸入含有镀层金属盐类的水溶液中，经氧化还原反应在工件表面沉积
28、形成镀水溶液中，经氧化还原反应在工件表面沉积形成镀层的方法。层的方法。 涂料和涂装工艺涂料和涂装工艺 1涂料的组成涂料的组成（1）成膜物质）成膜物质 （2）颜料）颜料 （3）稀释剂）稀释剂 （4）助剂）助剂 2涂装工艺涂装工艺（1）空气喷涂法）空气喷涂法 空气喷涂法是以洁净的压缩空气通过喷枪将涂料喷空气喷涂法是以洁净的压缩空气通过喷枪将涂料喷成雾状液，再被涂零件上均匀沉积的一种涂装方法。成雾状液，再被涂零件上均匀沉积的一种涂装方法。 (2)静电喷涂静电喷涂 利用高压静电场的作用，将油漆涂装到物体表面的方利用高压静电场的作用，将油漆涂装到物体表面的方法称静电喷涂。法称静电喷涂。 小小 结结 一、钢的热处理一、钢的热处理（钢在加热时的转变规律及奥氏体在冷却时的转（钢在加热时的转变规律及奥氏体在冷却时的转变规律以及钢的退火、正火、淬火、回火、表变规律以及钢的退火、正火、淬火、回火、表面热处理工艺等）面热处理工艺等）二、工程材料的表面处理方法二、工程材料的表面处理方法（气相沉积、化学转化膜技术、电镀和化学镀以（气相沉积、化学转化膜技术、电镀和化学镀以及涂料和涂装工艺等）及涂料和涂装工艺等）
