第05章钢的热处理北大.ppt

机械工程材料 第五章 钢的热处理 本章主要介绍了钢的热处理的基本原 理、普通热处理、表面热处理以及特 种热处理工艺及应用。要求掌握钢在 加热时的转变、过冷奥氏体等温冷却 转变、淬火钢的回火转变、普通热处 理及表面热处理工艺及应用。了解钢 的特种热处理 机械工程材料 引例 早在铜器时代，人类就发现金属的性能会 因温度的影响而变化刀剑加热后放到 水中冷却后会变得更强韧 1863年人发现钢在加热时的组织变化规律 法国人确立了同素异构理论，英国人最早 制订了铁碳相图 这些都为现代热处理工艺奠定了理论基础 机械工程材料 改善钢的性能，主要有两条途径： 一是合金化，这是下几章研究的内容； 二是热处理，这是本章要研究的内容。 机械工程材料 5.1 概述 热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改 变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺. l为简明表示热处理 的基本工艺过程， 通常用温度时间 坐标绘出热处理工 艺曲线。 热处理工艺曲线 1-连续冷却；2-等温处理 机械工程材料 在机床制造中约60-70%的零件 要经过热处理。 在汽车、拖拉机制造业中需热 处理的零件达70-80%。 l热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用. l模具、滚动轴承100%需经过 热处理。 l总之，重要零件都需适当热处 理后才能使用。 机械工程材料 热处理特点: 热处理区别于 其他加工工艺如铸造、压力 加工等的特点是只通过改 变工件的组织来改变性能 ，而不改变其形状。 铸造 轧制 l3、热处理适用范围: 只适用于固态下发生 相变的材料，不发生 固态相变的材料不能 用热处理强化。 机械工程材料 热处理分类 热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称 热处理原理。 热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、 介质等参数称热处理工艺。 (a)940淬火+220回火（板条M回+A少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板条M+条状F+A少） (e)940淬火+780淬火+220回火（板条M回+条状F+A少）(f)780淬火+220回火（板条M回+块状F） 20CrMnTi钢不同热处理工艺的显微组织 机械工程材料 根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工 艺分类如下： 其他热处理 普通热处理 表面热处理 热处理 退火 正火 淬火 回火 真空热处理 形变热处理 激光热处理 控制气氛热处理 表面淬火感应加热、火焰加热、 电接触加热等 化学热处理渗碳、氮化、碳氮 共渗、渗其他元素等 机械工程材料 预备热处理与最终热处理 预备热处理为随后的加工（冷拔、冲压、切削） 或进一步热处理作准备的热处理。 最终热处理赋予工件所要求的使用性能的热处理. 预备热处理最终热处理 W18Cr4V钢热处理工艺曲线 时间 温度/ 机械工程材料 钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示 ;冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。 由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中的数据 是以30-50/h 的速度加热或冷却时测得的。 l临界温度与实际转变温度 l铁碳相图中PSK、GS、ES线分 别用A1、A3、Acm表示. l实际加热或冷却时存在着过冷 或过热现象，因此将 机械工程材料 5.2 钢在加热时的转变 加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在 A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加 热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。 钢坯加热 l一、奥氏体的形成过程 l奥氏体化也是形核和长大 的过程，分为四步。现以 共析钢为例说明： 机械工程材料 第一步 奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核。 第二步 奥氏体晶核长大： 晶核通过碳原子的扩散向 和 Fe3C方向长大。 第三步 残余Fe3C溶解: 铁素体的成分、结构更接近于奥氏体 ，因而先消失。残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消 失。 机械工程材料 第四步 奥氏体成分均匀 化：Fe3C溶解后，其所 在部位碳含量仍很高， 通过长时间保温使奥氏 体成分趋于均匀。 温度， 共析钢奥氏体化曲线（875退火） 机械工程材料 亚共析钢和过共析钢的奥氏体 化过程与共析钢基本相同。但 由于先共析 或二次Fe3C的 存在，要获得全部奥氏体组织 ，必须相应加热到Ac3或Accm 以上。 机械工程材料 二、奥氏体晶粒长大及其影响因素 1、奥氏体晶粒长大 奥氏体化刚结束时的 晶粒度称起始晶粒度, 此时晶粒细小均匀。 随加热温度升高或保 温时间延长，奥氏体 晶粒将进一步长大，这也是一个自发的过程。奥氏体 晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同。 机械工程材料 机械工程材料 温来判断。 晶粒度为1-4 级的是本质粗晶粒钢, 5- 8 级的是本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后 者晶粒长大倾向小。 l在给定温度下奥氏体的 晶粒度称实际晶粒度。 l加热时奥氏体晶粒的长 大倾向称本质晶粒度。 l通常将钢加热到940 10奥氏体化后，设法 把奥氏体晶粒保留到室 机械工程材料 2、影响奥氏体晶粒长大的因素 加热温度和保温时间: 加热温 度高、保温时间长, 晶粒粗大. 加热速度: 加热速度越快,过热 度越大, 形核率越高, 晶粒越细. l合金元素： l阻碍奥氏体晶粒长大的元素: Ti、V、Nb、Ta、Zr、W 、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。 l促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。 Nb/% 奥氏体晶粒尺寸/m Nb、Ti对奥氏体晶粒的影响 机械工程材料 原始组织: 平衡状态的组织有利于获得细晶粒 。 奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢 的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细 而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。 机械工程材料 5.3 钢在冷却时的转变 冷却是热处理更重要的工序。 一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程 处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥 氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。随过冷度不 同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和 马氏体转变三种类型转变。 现以共析钢为例说明： 机械工程材料 珠光体转变 1、珠光体的组织形态及性能 过冷奥氏体在 A1到 550间将转变为 珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳 体片层相间的机械混合物，根据片层 厚薄不同,又细 分为珠光体、 索氏体和托氏 体。 珠光体 索氏体托氏体 机械工程材料 珠光体： 形成温度为A1-650，片层较厚，500倍光 镜下可辨，用符号P表示. 光镜下形貌电镜下形貌 机械工程材料 索氏体 形成温度为650- 600,片层较薄，800 -1000倍光镜下可辨， 用符号S 表示。 电镜形貌 光镜形貌 机械工程材料 托氏体 形成温度为600-550，片层极薄，电镜下可辨， 用符号T 表示。 电镜形貌光镜形貌 机械工程材料 珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只 是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。 片间距 b HRC l片间距越小，钢的强度、 硬度越高，而塑性和韧性 略有改善。 机械工程材料 2、珠光体转变过程 珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首 先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥 氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间 形核并长大，形成一个珠光体团。 珠光体转变是扩散型转变。 机械工程材料 珠光体转变过程 机械工程材料 机械工程材料 贝氏体转变 1、贝氏体的组织形态及性能 过冷奥氏体在550- 230 (Ms)间将转变为贝氏体类型 组织，贝氏体用符号B表示 。 根据其组织形态不同，贝氏 体又分为上贝氏体(B上)和下 贝氏体(B下). 上贝氏体 下贝氏体 机械工程材料 上贝氏体 形成温度为550-350 。 在光镜下呈羽毛状. 在电镜下为不连续棒 状的渗碳体分布于自 奥氏体晶界向晶内平 行生长的铁素体条之 间。 光镜下 电镜下 机械工程材料 下贝氏体 形成温度为350-Ms。 在光镜下呈竹叶状。 光镜下 电镜下 l在电镜下为细片状碳 化物分布于铁素体针 内，并与铁素体针长 轴方向呈55-60º角。 机械工程材料 上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。 下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具 有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。 上贝氏体 贝氏体组织的透射电镜形貌 下贝氏体 机械工程材料 2、贝氏体转变过程 贝氏体转变也是形核 和长大的过程。 发生贝氏体转变时,首 先在奥氏体中的贫碳 区形成铁素体晶核， 其含碳量介于奥氏体 与平衡铁素体之间， 为过饱和铁素体。 机械工程材料 当转变温度较高（550-350) 时，条片状铁素体从 奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变 宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条 间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成B上 。 上贝氏体转变过程 机械工程材料 贝氏体转变属半扩散型转变，即只有碳原子扩散而 铁原子不扩散，晶格类型改变是通过切变实现的。 l当转变温度较低（350- 230) 时，铁素体在晶界或 晶内某些晶面上长成针状，由于碳原子扩散能力低, 其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一 定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。 下贝氏体转变 机械工程材料 机械工程材料 马氏体转变 当奥氏体过冷到Ms以下将 转变为马氏体类型组织。 马氏体转变是强化钢的重 要途径之一。 1、马氏体的晶体结构 碳在-Fe中的过饱和固溶 体称马氏体，用M表示。 马氏体组织 l马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中. 机械工程材料 机械工程材料 马氏体具有体心正方晶格（a=bc） 轴比c/a 称马氏体的正方度。 C% 越高，正方度越大，正方畸变越严重。 当0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格 。 机械工程材料 2、马氏体的形态 马氏体的形态分板 条和针状两类。 板条马氏体 立体形态为细长的 扁棒状 在光镜下板条马氏 体为一束束的细条 组织。 光镜下 电镜下 机械工程材料 每束内条与条之间尺寸大 致相同并呈平行排列，一 个奥氏体晶粒内可形成几 个取向不同的马氏体束。 在电镜下，板条内的亚结 构主要是高密度的位错， =1012/cm2,又称位错马 氏体。 SEM TEM 机械工程材料 针状马氏体 立体形态为双凸透镜形的 片状。显微组织为针状。 在电镜下，亚结构主要是 孪晶，又称孪晶马氏体。 电镜下 电镜下光镜下 机械工程材料 马氏体的形态主要取 决于其含碳量 C%小于0.2%时，组织 几乎全部是板条马氏体 。 C%大于1.0%C时几乎 全部是针状马氏体. C%在0.21.0%之间为 板条与针状的混合组织 。 马氏体形态与含碳量的关系 0.45%C0.2%C12%C 机械工程材料 45钢正常淬火组织 先形成的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒，但不能穿 过晶界和孪晶界。后形成的马氏体片不能穿过先形 成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小. l原始奥氏体晶粒细，转 变后的马氏体片也细。 l当最大马氏体片细到光 镜下无法分辨时，该马 氏体称隐晶马氏体. 机械工程材料 3、马氏体的性能 高硬度是马氏体性 能的主要特点。 马氏体的硬度主要 取决于其含碳量。 含碳量增加，其硬 度增加。 l当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。 l合金元素对马氏体硬度的影响不大。 马氏体硬度、韧性与含碳量的关系 C% 机械工程材料 马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。 此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。 马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针 状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性. 针状马氏体板条马氏体 马氏体的透射电镜形貌 机械工程材料 4、马氏体转变的特点 马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点是： 无扩散性 l铁和碳原子 都不扩散， 因而马氏体 的含碳量与 奥氏体的含 碳量相同。 机械工程材料 共格切变性 由于无扩散，晶格转变是以切变机制进行的。使切变 部分的形状和体积发生变化，引起相邻奥氏体随之变 形，在预先抛光的表面上产生浮凸现象。 马氏体转变 切变示意图马氏体转变产生的表面浮凸 机械工程材料 降温形成 马氏体转变开始的温度称上 马氏体点，用Ms 表示. l马氏体转变终了温度称下马 氏体点，用Mf 表示. l只要温度达到Ms以下即发生 马氏体转变。 Mf Ms M(50%) M(90%) 在Ms以下，随温度下降,转变量增加，冷却中断,转 变停止。 Ms、 Mf 与冷却温度无关，只与碳、合金元素含量 有关。 机械工程材料 高速长大 马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。 当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的 马氏体产生裂纹。 转变不完全 l即使冷却到Mf 点， 也不可能获得100% 的马氏体，总有部 分奥氏体未能转变 而残留下来，称残余奥氏体，用A 或 表示。 机械工程材料 Ms、Mf 与冷速无关，主要取决于奥氏体中的合 金元素含量（包括碳含量）。 马氏体转变后，A 量随含碳量的增加而增加，当 含碳量达0.5%后，A量才显著。 含 碳 量 对 马 氏体 转 变 温 度 的 影响 含碳 量对残余奥 氏体 量的影响 机械工程材料 过冷奥氏体转变产物（共析钢） 转变 类型 转变产 物 形成温度 ， 转变 机制 显微组织特征HRC 获得 工艺 珠 光 体 PA1650 扩 散 型 粗片状，F、Fe3C相间分布5-20退火 S650600细片状，F、Fe3C相间分布20-30正火 T600550 极细片状，F、Fe3C相间分布 30-40 等温 处理 贝 氏 体 B上550350 半扩 散型 羽毛状，短棒状Fe3C分布于 过饱和F条之间 40-50 等温 处理 B下350MS 竹叶状，细片状Fe3C分布于 过饱和F针上 50-60 等温 淬火 马 氏 体 M针MSMf 无扩 散型 针状60-65淬火 M*板条MSMf板条状50淬火 机械工程材料 二、过冷奥氏体转变图 过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变 两种。 两种冷却方式 示意图 1等温冷却 2连续冷却 机械工程材料 过冷奥氏体的等温转 变图是表示奥氏体急 速冷却到临界点A1 以下在各不同温度下 的保温过程中转变量 与转变时间的关系曲 线.又称C 曲线、S 曲 线或TTT曲线。 过冷奥氏体的等温转变图 (Time-Temperature-Transformation diagram) 机械工程材料 1、C曲线的建立 以共析钢为例： 取一批小试样并 进行奥氏体化. 将试样分组淬入 低于A1 点的不同温 度的盐浴中,隔一定 时间取一试样淬入 水中。 机械工程材料 测定每个试样的转变量 ，确定各温度下转变量与 转变时间的关系。 将各温度下转变开始时 间及终了时间标在温度 时间坐标中，并分别连线 。 转变开始点的连线称转变 开始线。转变终了点的连 线称转变终了线。 机械工程材料 A1-Ms 间及转变 开始线以左的区 域为过冷奥氏体 区。 转变终了线以右 及Mf以下为转变 产物区。 两线之间及Ms与 Mf之间为转变区 。 时间 温度 A1 MS Mf A 过冷 P B M AM AB AP 转变开始线 转变终了线 奥氏体 机械工程材料 550 650 2s10s 5s 2s 5s 10s 30s 40s 机械工程材料 2、C 曲线的分析 转变开始线与纵坐 标之间的距离为孕育 期。 孕育期越小，过冷奥 氏体稳定性越小. 孕育期最小处称C 曲 线的“鼻尖”。碳钢鼻 尖处的温度为550 。 机械工程材料 在鼻尖以上, 温度较高 ，相变驱动力小. 在鼻尖以下，温度较 低，扩散困难。从而 使奥氏体稳定性增加 。 C曲线明确表示了 过冷奥氏体在不同温 度下的等温转变产物 。 机械工程材料 3、影响C 曲线的因素 成分的影响 含碳量的影响：共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最 靠右。Ms 与Mf 点随含碳量增加而下降。 与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C曲线的上部各多一条 先共析相的析出线。 机械工程材料 Cr对C曲线的影响 合金元素的影响 除Co 外, 凡溶入奥氏体的合金元素都使C 曲 线右移。 l除Co和Al 外,所有合金元素都使Ms 与Mf 点下降。 机械工程材料 推杆式电阻炉 奥氏体化条件的影响 奥氏体化温度提高和保温时间延长，使奥氏体成分 均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加了过冷奥 氏体的稳定性，使C 曲线右移。 使用C 曲线时应注意奥氏体化条件及晶粒度的影响. 机械工程材料 过冷奥氏体连续冷却转变图 过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT(Continuous- Cooling-Transformation diagram)曲线，是通过测 定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。 共析钢CCT曲线过共析钢CCT曲线亚共析钢CCT曲线 机械工程材料 1、共析钢的CCT曲线 共析钢的CCT曲线没有贝 氏体转变区，在珠光体转 变区之下多了一条转变中 止线。 当连续冷却曲线碰到转变 中止线时，珠光体转变中 止，余下的奥氏体一直保 持到Ms以下转变为马氏体 。 VkVk 共析钢的CCT曲线 机械工程材料 图中的Vk 为CCT 曲线的临界冷却 速度，即获得全 部马氏体组织时 的最小冷却速度. Vk 为TTT曲线的 临界冷却速度. Vk 1.5 Vk 。 VkVk 时间/s 温度/ 共析钢的CCT图 共析温度 连续冷却转 变曲线 完全退火 正火 等温转 变曲线 油淬 水淬 M+AM+T+A S P 200 100 机械工程材料 CCT曲线位于TTT曲线右 下方。CCT曲线获得困难 ，TTT曲线容易测得。 可用TTT曲线定性说明连 续冷却时的组织转变情况 。方法是将连续冷却曲线 绘在C 曲线上，依其与C 曲线交点的位置来说明最 终转变产物。 用TTT曲线定性说明共析钢连续冷却时 的组织转变 炉冷 空冷 油 冷 水 冷 P S T+M+A M+A 机械工程材料 P 均匀A细A P 退火 (炉冷) 正火 (空冷) S 淬火 (油冷) T+M+AM+A 淬火 (水冷) A1 MS Mf 时间 650 600 550 机械工程材料 45钢850油冷组织 M+T 机械工程材料 2、过共析钢CCT曲线也无贝氏体转变区, 但比共析钢 CCT曲线多一条AFe3C转变开始线。由于Fe3C的 析出, 奥氏体中含碳量下降, 因而Ms 线右端升高. 3、亚共析钢CCT 曲线有贝氏体转变区，还多AF 开始线, F析出使A含碳量升高, 因而Ms 线右端下降。 过共析钢CCT曲线亚共析钢CCT曲线 机械工程材料 5.4 钢的退火与正火 机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）预 备热处理机加工 最终热处理。 l退火与正火主要用于 预备热处理，只有当 工件性能要求不高时 才作为最终热处理。 机械工程材料 5.4.1 退火 将钢加热至适当温 度保温，然后缓慢 冷却 (炉冷) 的热处 理工艺叫做退火。 1、退火目的 l调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为 170-250HB。 l 消除内应力，防止加工中变形。 l 细化晶粒，为最终热处理作组织准备。 真空退火炉 机械工程材料 2、退火工艺 退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、 球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火。 完全退火 l将工件加热到 Ac3+3050保 温后缓冷的退 火工艺，主要 用于亚共析钢 。 机械工程材料 等温退火 亚共析钢加热到Ac3+3050, 共析、过共析钢加热到 Ac1+3050，保温后快冷到Ar1以下的某一温度下停留，待 相变完成后出炉空冷。等温退火可缩短工件在炉内停留时间 ，更适合于孕育期长的合金钢。 高速钢等温退火与普通退火的比较 机械工程材料 球化退火 球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。 l它是将工件加热到 Ac1+ 30-50 保温后 缓冷，或者加热后冷 却到略低于 Ar1 的温 度下保温，使珠光体 中的渗碳体球化后出 炉空冷。主要用于共 析、过共析钢。 机械工程材料 球化退火的组织为铁素体基 体上分布着颗粒状渗碳体的 组织，称球状珠光体, 用P球 表示。 球状珠光体 l对于有网状二次渗碳体的 过共析钢，球化退火前应 先进行正火，以消除网状. 机械工程材料 5.4.2 正火 正火是将亚共析钢加热到Ac3+30 50，共析钢加 热到Ac1+3050，过共析钢 加热到Accm+30 50保温 后空冷的工艺。 正火比退火冷却速度大。 1、正火后的组织： 0.6%C时，组织为F+S； 0.6%C时，组织为S 。 正火温度 机械工程材料 机械工程材料 2、正火的目的 对于低、中碳钢(0.6C%)，目的与退火的相同。 对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球 化退火作组织准备。 l 普通件最终热处 理。 l要改善切削性能， 低碳钢用正火，中 碳钢用退火或正火, 高碳钢用球化退火 。 热处理与硬度关系 合适切削加工硬度 机械工程材料 5.5 钢的淬火与回火 淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk速 度冷却，使奥氏体转变 为马氏体的热处理工艺. 一、淬火目的 获得马氏体组织，提高 钢的性能. 真空淬火炉 5.5.1 淬火 机械工程材料 （一）淬火温度 1、碳钢 亚共析钢 l淬火温度为Ac3+30- 50。 l预备热处理组织为退 火或正火组织。 二、淬火工艺 机械工程材料 亚共析钢淬火组织： 0.5%C时为M 0.5%C时为M+A。 65MnV钢(0.65%C) 淬火组织45钢(含0.45%C)正常淬火组织 机械工程材料 在Ac1 Ac3之间的加热 淬火称亚温淬火。 35钢（含0.35%C）亚温淬火组织 l亚温淬火组织为 F+M，强硬度 低，但塑韧性好 . 机械工程材料 机械工程材料 共析钢 淬火温度为Ac1+30-50；淬火组织为M+A。 机械工程材料 过共析钢 淬火温度: Ac1+30-50. 温度高于Accm，则奥氏体晶 粒粗大、含碳量高,淬火后 马氏体晶粒粗大、A量增多 。使钢硬度、耐磨性下降， 脆性、变形开裂倾向增加。 淬火组织: M+Fe3C颗粒+A 。(预备组织为P球) T12钢（含1.2%C）正常淬火组织 机械工程材料 2、合金钢 由于多数合金元素(Mn、P除外)对奥氏体晶粒长大 有阻碍作用，因而合金钢淬火温度比碳钢高。 亚共析钢淬火温度为Ac3+ 50100。 共析钢、过共析钢淬火温度为Ac1+50100 。 钢坯加热 机械工程材料 （二）淬火介质 理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在Ms 附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小 理想淬火曲线示意图 Ms Mf 内应力的目的。但目前 还没有找到理想的淬火 介质。 l常用淬火介质是水和油. l水的冷却能力强，但低 温却能力太大，只使用 于形状简单的碳钢件。 机械工程材料 油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太 小，使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。 熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间, 用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。 聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质. 机械工程材料 机械工程材料 （三）淬火方法 采用不同的淬火方法 可弥补介质的不足。 1、单液淬火法 加热工件在一种介质 中连续冷却到室温的 淬火方法。 操作简单，易实现自 动化。 各种淬火方法示意图 1单液淬火法 2双液淬火法 3分级淬火法 4等温淬火法 机械工程材料 2、双液淬火法 工件先在一种冷却能力 强的介质中冷，却躲过 鼻尖后，再在另一种冷 却能力较弱的介质中发 生马氏体转变的方法。 如水淬油冷，油淬空冷. 优点是冷却理想，缺点 是不易掌握。用于形状 复杂的碳钢件及大型合金钢件。 机械工程材料 3、分级淬火法 在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后 再取出缓冷。 l可减少内应力，用于小尺 寸工件。 盐浴炉 机械工程材料 4、等温淬火法 将工件在稍高于 Ms 的盐浴 或碱浴中保温足够长时间， 从而获得下贝氏体组织的淬 火方法。 经等温淬火零件具有良好的 综合力学性能，淬火应力小. 适用于形状复杂及要求较高 的小型件。 机械工程材料 三、钢的淬透性 网带式淬火炉 淬透性是钢的主要热处理性能。 是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。 机械工程材料 （一）钢的淬透性 M量和硬度随 深度的变化 淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其 大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。 l淬硬层深度是指由 工件表面到半马氏 体区(50%M + 50%P) 的深度。 l淬硬性是指钢淬火 后所能达到的最高 硬度，即硬化能力. 机械工程材料 同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质有关。 工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。 淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。它只用于不同材 料之间的比较，是通过尺寸、冷却介质相同时的淬硬 层深度来确定的。 机械工程材料 二、影响淬透性的因素 钢的淬透性取决于临界冷 却速度Vk， Vk越小，淬 透性越高。 Vk取决于C曲线的位置， C 曲线越靠右，Vk越小。 l因而凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素. 即除Co 外，凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬 透性提高；奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的 淬透性提高。 机械工程材料 示，J 表示末端淬 透性，d 表示半马 氏体区到水冷端的 距离，HRC 为半 马氏体区的硬度。 2、淬透性的表示方法 用淬透性曲线表示 即用 表 三、淬透性的测定及其表示方法 1、淬透性的测定常用末端淬火法 机械工程材料 用临界淬透直径表示 临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被 淬成半马氏体的最大直径，用D0表示。 D0与介质有关，如45钢D0水=16mm，D0油=8mm。 只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比 较，如45钢D0油=8mm，40Cr D0油=20mm。 马氏体 马氏体 索氏体 机械工程材料 四、淬透性的应用 1、利用淬透性曲线及圆棒冷速与端淬距离的关系 曲线可以预测零件淬火后的硬度分布。下图为预 测50mm直径40MnB钢轴淬火后断面的硬度分布. 机械工程材料 2、利用淬透性曲线进行选材。如要求厚60mm汽 车转向节淬火后表面硬度超过HRC50，1/4半径处 为HRC45。可按下图箭头所示程序进行选材分析. 机械工程材料 3、利用淬透性可控制淬硬层深度。 对于截面承载均匀的重要件,要全部 淬透。如螺栓、连杆、模具等。对于 承受弯曲、扭转的零件可不必淬透( 淬硬层深度一般为半径的1/21/3)， 如轴类、齿轮等。 淬硬层深度与工件尺寸有关,设计时 应注意尺寸效应。 高强螺栓 柴油机连杆 齿轮 机械工程材料 不同冷却条件下的转变产物 等温退火 P 退火 (炉冷) 正火 (空冷) S (油冷) T+M+A 等温淬火 B下M+A 分级淬火 M+A 淬火 (水冷) A1 MS Mf 时间 温度 淬火 P P 均匀A 细A ？ ？ ？ 机械工程材料 5.5.2 回火 回火是指将淬火钢加热 到A1以下的某温度保温 后冷却的工艺。 一、回火的目的 1、减少或消除淬火内 应力, 防止变形或开裂. l2、获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆 性大，回火可调整硬度、韧性。 螺杆表面的 淬火裂纹 机械工程材料 3、稳定尺寸。淬火M和A都是非平衡组织，有自发 向平衡组织转变的倾向。回火可使M与A转变为平衡 或接近平衡的组织，防止使用时变形。 4、对于某些高淬透性的钢，空冷即可淬火，如采用 回火软化既能降低硬度，又 能缩短软化周期。 l未经淬火的钢回火无意义， 而淬火钢不回火在放置使用 过程中易变形或开裂。钢经 淬火后应立即进行回火。 机械工程材料 二、钢在回火时的转变 淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶段。随 加热温度升高，淬火钢的组织发生四个阶段变化。 网带式回火电炉 机械工程材料 回火时组织转变 1、马氏体的分解 100回火时，钢的 组织无变化。 100-200加热时，马 氏体将发生分解,从马 氏体中析出- 碳化物(- FeXC)，使马氏体过饱和度降低。析出的 碳化物以细片状分布在马氏体基体上，这种组织称 回火马氏体，用M回表示。 透射电镜下的回火马氏体形貌 机械工程材料 回火马氏体 在光镜下M回为黑色，A为白色。 0.2%C 时，不析出碳化物。只发生碳在位错附近的 偏聚。 2、残余奥氏体分解 l200-300时, 由于 马氏体分解，奥氏 体所受的压力下降, Ms 上升，A 分解 为- 碳化物和过饱和铁素体，即M回。 机械工程材料 衡成分, 内应力大量消除，M回转变为在保持马氏体 形态的铁素体基体上分布着细粒状Fe3C组织，称回 火托氏体，用T回表示。 l发生于250-400， 此时，-碳化物溶 解于F中，并从铁 素体中析出Fe3C。 l到350, 马氏体含 碳量降到铁素体平 回火托氏体 l3、-碳化物转变为Fe3C 机械工程材料 回火索氏体 4、Fe3C聚集长大和铁素体多边形化 l400以上, Fe3C开 始聚集长大。 l450 以上铁素体 发生多边形化，由 针片状变为多边形. l这种在多边形铁素 体基体上分布着颗 粒状Fe3C的组织称回火索氏体，用S回表示。 机械工程材料 40钢力学性能与回火温度的关系 回火时的性能变化 随回火温 度提高， 钢的强度 、硬度下 降，塑性 、韧性提 高。 机械工程材料 200以下，由于马氏体中碳化物的弥散析出，钢 的硬度并不下降，高碳钢硬度甚至略有提高。 l200-300，由于 高碳钢中A转变 为M回, 硬度再次 升高。 l大于300,由于 Fe3C粗化，马氏 体转变为铁素体, 硬度直线下降。 机械工程材料 三、回火脆性 淬火钢的韧性并 不总是随温度升 高而提高。 在某些温度范围 内回火时，会出 现冲击韧性下降 的现象，称回火 脆性。 机械工程材料 1、第一类回火脆性 又称不可逆回火脆性。是指淬火钢在250-350回火 时出现的脆性。 l这种回火脆性是不可 逆的，只要在此温度 范围内回火就会出现 脆性，目前尚无有效 消除办法。 l回火时应避开这一温 度范围。 机械工程材料 2、第二类回火脆性 又称可逆回火脆性。是指淬 火钢在500-650范围内回 火后缓冷时出现的脆性. 回火后快冷不出现，是可逆 的。 防止办法： 回火后快冷。 l 加入合金元素W (约1%)、 Mo(约0.5%)。该法更 适用于大截面的零部件。 机械工程材料 四、回火种类 根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。 淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质。 广泛用于各种结构件如轴 、齿轮等热处理。也可作 为要求较高精密件、量具 等预备热处理。 适用于各种高碳 钢、渗碳件及表 面淬火件。 应用 获得良好的综合力学性能 ，即在保持较高的强度同 时，具有良好的塑性和韧 性。 提高e及s， 同时使工件具 有一定韧性 。 在保留高硬度、 高耐磨性的同时 ，降低内应力 。 回火目的 S回 T回 M回 回火组织 500-650350-500150-250 回火温度 高温回火 中温回火 低温回火 适用于 弹簧热处理 机械工程材料 5.6.1 钢的表面淬火 不改变钢的化学 成分及心部组织 情况下，利用快 速加热将表层奥 氏体化后淬火强 化零件表面的方 法。 5.6 钢的表面热处理 机械工程材料 表面淬火目的： 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限; 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有 足够的塑性和韧性。即表硬里韧。 适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。 轴的轴的感应加热表面淬火感应加热表面淬火 机械工程材料 1、表面淬火用材料 0.4-0.5%C的中碳钢。 含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。 含碳量过高，心部韧性下降； 铸铁 提高其表面耐磨性。 机床导轨表面淬火齿轮 机械工程材料 2、预备热处理 工艺： 对于结构钢为调质或正火。 前者性能高，用于要求高的 重要件，后者用于要求不高 的普通件。 目的: 为表面淬火作组织准备； 获得最终心部组织。 回火索氏体 索氏体 机械工程材料 3、表面淬火后的回火 采用低温回火，温度不高于200。 回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。 4、表面淬火+低温回火后的组织 表层组织为M回；心部组织为S回(调质)或F+S(正火)。 感应加热表面淬火感应淬火机床 感应淬火机床 机械工程材料 感应加热 表面淬火 示意图 5、表面淬火常用加热方法 感应加热: 利用交变电 流在工件表面感应巨大涡 流，使工件表面迅速加热 的方法。 机械工程材料 感应加热分为： 高频感应加热 频率为250-300KHz， 淬硬层深度0.5-2mm 传动轴连续淬 火感应器 感应加热表面淬火齿轮的截面图 机械工程材料 中频感应加热 频率为2500- 8000Hz，淬硬层 深度2-10mm。 各种感应器 中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴 机械工程材料 工频感应加热 频率为50Hz,淬 硬层深度10-15 mm 各种感应器 感应穿透加热 机械工程材料 火焰加热: 利用乙炔火焰直接加 热工件表面的方法。成本低，但质 量不易控制。 激光热处理: 利用高能量密度的 激光对工件表面进行加热的方法。 效率高，质量好。 火焰加热表面淬火示意图 激光表面热处理 火焰加热表面淬火 机械工程材料 化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使 介质中活性原子 渗入工件表层从 而改变工件表层 化学成分和组织, 进而改变其性能 的热处理工艺。 5.6.2 钢的化学热处理 机械工程材料 机械工程材料 机械工程材料 与表面淬火相比，化学热处理不仅改 变钢的表层组织，还改变其化学成分 。 化学热处理也是获得表硬里韧性能的 方法之一。 根据渗入的元素不同，化学热处理可 分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他 元素等。 机械工程材料 一、化学热处理的基本过程 1、介质(渗剂)的分解: 分解的 同时释放出活性原子。 如：渗碳 CH42H2+C 氮化 2NH33H2+2N 2、工件表面的吸收: 活性原 子向固溶体溶解或与钢中某 些元素形成化合物。 3、原子向内部扩散。 氮化扩散层 机械工程材料 二、钢的渗碳 是指向钢的表面渗入碳原子的过程。 1、渗碳目的 提高工件表面硬度 、耐磨性及疲