第2章 材料的强化与处理 重点：退火、正火、淬火、回火、表面热处理的目的、工艺及应用 难点：奥氏体在冷却时的转变规律及转变产物； 热处理：将固态金属或合金加热、保温、 冷却，改变其内部组织，从而获得所要求的性能的工艺临界点温度温 度时间加热保温冷却热处理工艺曲线2.1 钢的热处理 热处理普通热处理：退火、正火、淬火、回火表面热处理：表面淬火、 化学热处理一、转变温度加热目的-获得细小奥氏体钢的奥氏体化：钢中奥氏体的形成过程2.1.1 钢在加热时的组织转变加热时Ac1、Ac3、Accm1加热温度的确定 温度C%FeFe3CLAL+AL+ Fe3CADECFPSKGQA1A3AcmAc1AccmAc3冷却时Ar1、Ar3、ArcmAr1ArcmAr32、奥氏体化过程Ac1AccmAc3（1）奥氏体形核 （2）晶核长大 （3）残余渗碳体的溶解 （4）奥氏体均匀化 奥氏体的冷却方式：1、等温冷却2、连续冷却2.1.2 钢在冷却时的组织转变1、奥氏体的等温转变奥氏体等温转变曲线的建立（金相硬度法）1）制试样101.5mm2）将试样奥氏体化3）将试样分成几组，每组投入不同温度的盐浴中等温以共析钢为例4）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，即知道转变开始时间和转变终了时间6）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时间坐标图中温度时间A1MsMfC曲线分析1）线2) 区3)孕育期550C温 度时间A1MsMf4) 奥氏体等温转变产物A1-650C, A粗珠光体P HRC15650C-600C, A索氏体S HRC30600C-550C, A屈氏体T HRC40(1)高温转变 (A1550C)温 度时间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 (550CMs）温 度时间A1MsMf贝氏体(B): 含碳量过饱和的铁素体和渗碳体的机械混合物bainite550C-350C, AB上 HRC45 350C-Ms, AB下 HRC55B下性能：良好综合力学性能B上性能：强度和韧性差影响C曲线的因素亚共析钢：CC曲线右移过共析钢：CC曲线左移2）合金元素除Co以外，其他合金元素 溶入奥氏体中均使C曲线右移1）含碳量2、奥氏体的连续冷却转变PsPfPs： AP开始线 Pf： AP终了线（1）连续冷却转变曲线温 度时间A1MsMfV1V2若以V1速度冷却得到珠光体；以V2速度冷却得到细 珠光体和极细珠光体；以V3、V4速度冷却均得到马氏 体。其中V3与Ps线相切，是奥氏体全部过冷到Ms以下 转变为马氏体的最小冷却速度，称为临界冷却速度 （2）用C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：C 0.25%,体心正方晶格形态:板条状马氏体（低碳马氏体）片状马氏体（高碳马氏体）（3）过冷奥氏体向马氏体的转变马氏体碳在-Fe中的过饱和固溶体性能：低碳马氏体：良好综合力学性能高碳马氏体：硬度、强度高、脆性大热 处 理 工 艺预备热处理：消除热加工缺陷，为以后的冷加工和最终热处理作准备最终热处理：使工件获得使用性能的热处理2.1.3 钢的普通热处理 退火：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 随炉冷却），这一工艺过程叫退火 退火的目的：1、细化晶粒，提高力学性能2、消除缺陷和内应力，防止工件的变形和开裂3、降低硬度，改善切削加工性退火方法：1钢的退火和正火 （1）退火 工艺：Ac3+30-50C，保温，炉冷 完全退火Ac1Ac3组织：F+P目的：1）细化晶粒2）消除内应力 3）降低硬度，改善切削加工性等温退火 等温退火的加热工艺与完全退火相同。但钢经奥氏 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 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 工艺：加热至Ac1+30-50C，保温，炉冷至室温 或 加热保温后冷至 Ar1以下20 C左右等温而后空冷至室温 球化退火 Ac1组织：球状珠光体（球状渗碳体分布在铁素体基体上）目的：降低硬度，改善切削加工性均匀化退火 工艺：加热到高温（Ac1、Ac3或Accm+150250C ）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 目的：消除枝晶偏析 去应力退火工艺：加热至500-600C，保温，炉冷目的：消除内应力组织：原有组织（2）正火正火：将工件加热至Ac3或 Accm以上3050C，保温后 从炉中取出在空气中冷却的 一种热处理工艺 Ac1AccmAc3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；调整硬度，改善切削加工性。 淬火： 将钢加热到Ac3或Ac1以上3050C，保温后快 速冷却的一种热处理工艺 2钢的淬火与回火 （1）淬火 目的：获得马氏体，提高钢的力学性能Ac1Ac31）淬火温度的选择 过共析钢: Ac1+30-50C亚共析钢: Ac3+30-50C共析钢: Ac1+30-50C2）淬火的冷却 淬火介质 水、盐（碱）的水溶液冷却能力强，易得到M，易变形和开裂，用于碳钢淬火油冷却能力弱，减少变形和开裂，不易淬透，用于合金钢、碳钢小零件淬火3）淬火时的内应力热应力组织应力单液淬火：将钢奥氏体化后放在一种 介质中冷却到室温4）常用淬火方法特点：操作简单；易产生淬火缺陷应用：碳钢用水淬合金钢油淬双液淬火：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Ms然后立即转入另一种冷却能力较弱的介质中冷至室温特点：操作复杂；降低了淬火应力应用：形状复杂的碳钢件，如工具、模具分级淬火法：将钢奥氏体化后，迅速置于温度稍高于Ms的盐浴或碱浴中，并稍加停留，使钢件内外温度一致，再取出空冷，使过冷奥氏体转变为马氏体特点：进一步减小了内应力，减小了变形应用：形状复杂的小工件，如刀具等温淬火：将钢奥氏体化后先放入温度接近Ms的盐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特点：明显降低了内应力，减小了变形；不必再进行回火；时间长，效率低应用：形状复杂、尺寸精确的小工件，如弹簧、小齿轮、工具、模具钢的淬透性：钢在一定条件下淬火时，获得淬硬层深度的能力 5）钢的淬透性影响淬透性的因素：2）合金元素：除Co以外，其他合金元素溶入奥氏体中均使钢的淬透性提高1）含碳量：含碳量越接近共析成分，淬透性越好回火目的： （2）回火回火temper ：将淬火钢加热到A1以下某一温度，保温一定时间，空冷或油冷到室温3）稳定工件尺寸2）消除淬火应力，防止工件的变形、开裂1）降低脆性，提高塑性1）低温回火（150-250C）回火的分类：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、硬度、耐磨性2）中温回火（350-500C）目的：提高钢的弹性、韧性，消除内应力和脆性应用：弹簧、高强度件3）高温回火（500-650C） 调质处理：淬火+高温回火应用：重要零件如轴、齿轮目的：获得良好的综合力学性能2.1.4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成分的热处理工艺称为表面淬火 1、表面淬火特点：只有表层得到了马氏体，心部组织不变表层具有高的强度、硬度、耐磨性，心部具有好的塑性、韧性加热方法：1、火焰加热（淬硬层2-8mm）2、感应加热（淬硬层0.5-20mm）高频感应加热（200-300kHz）： 中频感应加热(2500-3000 Hz)： 工频感应加热(50kHz)：2、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，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、耐蚀性等特殊性能，心部具有足够的强度和韧性化学热处理渗碳、渗氮（氮化）、碳氮共渗等定义：钢件 A化 碳原子渗入钢件表层的过程。目的：表面WC 硬度、耐磨性、疲劳强度 心部具有一定的强度以及较高的塑韧性用途：表面受严重磨损，并承受较大冲击载荷的零件。要求表面硬度、耐磨性、疲劳强度高，心部良好的塑性、韧性v 钢的渗碳加热在富C介质中保温淬火回火表硬里韧渗碳用钢：低碳成分的普通碳素钢、优质碳素结构钢、合金结构钢，如15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnVB（一般 0.15 0.30%C，渗碳后的表面达0.81.05C ）渗碳方法（按渗剂的状态分）：气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳、电解液渗碳、离子渗碳等。v 钢的渗碳l 气体渗碳 工艺参数的选择渗碳温度：900930（Ac35080）渗碳时间：取决于渗碳层的深度 渗层表面含碳量 ：wc 0.8%1.05% 气体渗碳设备 井式渗碳炉 CH4 C+2H2CO C+CO2CO+ H2C+H2O 过程：分解 吸附 扩散气体渗碳基本过程l 气体渗碳 渗碳缓冷后组织（低碳钢）：气体渗碳设备 井式渗碳炉（录像）表面心部PFe3CPPF 常用渗碳剂：煤油、苯、甲醇、丙酮、醋酸乙酯、天然气、煤气等l 气体渗碳（续）举例：低碳低合金钢工件的气体渗碳工艺曲线，如图所示： T 时间h930取中间试样0.5赶气保温渗 碳降 温0赶气：使炉内气氛恢复到工艺要求保温：使工件温度均匀，40min1h温度：一般900940时间：根据渗层厚度确定渗剂：煤油、甲烷或丙酮l 气体渗碳（续） 一般渗碳零件的工艺路线：锻造正火切削加工渗碳淬火+低温回火精加工渗碳层深度：一般，=0.52.5mm预备热处理最终热处理 渗后处理：淬火低温回火，此时零件组织为：表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量) 心部：M回+F（淬透时）l 气体渗碳（续） 渗碳零件的特点： 表层硬（HRC 5862）、耐磨，心部韧性好； 渗层均匀； 渗碳温度高、晶粒粗大，必须进行渗后处理； 时间长，工艺复杂。v 钢的渗氮（氮化）氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。1. 氮化用钢：含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢。常用钢种：38CrMoAl2. 氮化温度：500570；氮化层厚度不超过0.6-0.7mm。3. 常用氮化方法气体氮化法与气体渗碳法类似，渗剂为氨。离子氮化法是在电场作用下，使电离的氮离子高速冲击作为阴极的工件。与气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆性小。井式气体氮化炉离子氮化炉4.渗氮的特点及应用优点：l氮化件表面硬度高（1000-2000HV），耐磨性好。比渗碳高l疲劳强度高。由于表面为压应力状态。l工件变形小。原因：氮化温度低，氮化后不需进行热处理。 l耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。4.渗氮的特点及应用缺点：l工艺复杂，成本高，氮化层薄。应用：l 用于要求冲击载荷小、