热处理的原理及分类.docx

1、热处理的原理及分类41 热处理的原理及分类教学过程一、复习提问：铁碳合金的基本组织二、新课教学：钢丝的水冷与空冷热处理的定义与分类 三、课堂练习：比较热处理与加工工艺的区别四、作业安排：练习册P17，一、1、2；五、1五、板书设计（见下页）：六、教学后记：41 热处理的原理及分类一、实验：钢丝的水冷与空冷现象：放在水中冷却的一根钢丝硬而脆，很容易折断；放在空气中冷却的一根较软、有较好的塑性，可以卷成圆圈而不断裂。 实验说明：虽然钢的成分相同，加热的温度也相，但采用不同的冷却方法，却得到了不同的力学性能。这主要是因为在不同冷却速度的情况下，钢的内部组织发生了不同的变化，性能改变。 二、热处理定义

2、：将固态金属或合金采用适当的方法时行加热、保温、冷却，以获得所需要的组织结构与性能的工艺。三、目的：获得所需组织和性能（使用性能和工艺性能）；充分发挥钢材潜力（共析钢热处理后PM，25HRC65HRC）；延长零件使用寿命；改善零件工艺性能，提高切削加工工艺性，减少刀具磨损。四、热处理理论基础：固态金属或合金的同素异构转变，通过适当的方法改变组织，从而得到不同的性能。意识能动性物质基础1、热处理的对象：固态金属或合金原因：热处理加热在Ac1、Ac3、Accm附近，未达到熔点，金属处于固态；热处理的理论基础同素异构现象是固态金属或合金才具备的特性。2、工艺过程：加热、保温、冷却，其加热温度范围、保

3、温时间长短、冷却速度快慢因条件不同而不同。3、工艺曲线： T () T:temperature t:time 加热 保温 冷却 t五、热处理的分类： 1、一般分类：2、按目的和工序分类：预备热处理：退火、正火、调质举例：锉刀的工艺性和使用性最终热处理：淬火、回火、表面热处理 3、热处理适用范围：6070%机床制造中零件； 7080%拖拉机制造中零件； 工具、模具、轴承几乎全部要热处理； NdFeB材料要通过热处理改善性能。 4、学习热处理的意义：了解材料在不同加热、保温、冷却条件下组织变化规律，正确设计和实施热处理工艺。42 钢在加热及冷却时的组织转变教学过程一、复习提问：热处理的目的和分类二

4、、新课教学：钢在加热时的组织转变钢在冷却时的组织转变三、课堂练习：分析等温转变曲线四、作业安排：练习册P17，一、3-10；二、1-12；三、1-5；五、板书设计（见下页）：六、教学后记：42 钢在加热及冷却时的组织转变钢加热的目的：获得奥氏体，A的晶粒大小、成分和均匀程度对钢冷却后的组织和性能有重要影响。温度选择依据：FeFe3C相图，其组织变化规律是在极缓慢加热和冷却条件下得到的。一、钢在加热时的组织转变1、钢在加热和冷却时的相变温度（临界点）：平衡状态下的临界点：A1、A3、Acm加热时钢的转变温度要高于平衡状态下的临界点：Ac1、Ac3和Accm冷却时要低于平衡状态下的临界点：Ar1、

5、Ar3和Arcm2、奥氏体的形成：奥氏体化定义：热处理时，将钢加热到一定温度，使其组织全部或部分转变为奥氏体过程：奥氏体的形成+晶粒长大。 （1）以共析钢为例分析钢的奥氏体化过程注：共析钢室温组织：P（F+Cm）。PA的转变规律：形核和晶核长大奥氏体晶核最易在铁素体和渗碳体的界面上生成，这是由于晶界处的原子不稳定；晶核形成后，与奥氏体相邻的铁素体中的铁原子通过扩散转移到奥氏体晶核上，使奥氏体晶核长大；与奥氏体相邻的渗碳体通过分解不断溶入奥氏体中，使奥氏体长大，直到珠光体全部消失。残余渗碳体的分解：保 温由于渗碳体的晶格类型和含碳量与奥氏体相关很大，Cm向A溶解落后于F向A的转变，F消失后仍有部

6、分Cm，随着时间的延长而继续向A中溶解，直到消失。奥氏体的均匀化（保温）：原因：P中的F和Cm是两种含碳量相差很大的相，形成的奥氏体浓度不均匀，通过一定时间的保温，碳原子进一步扩散。目的：使工件热透，使组织转变完全及奥氏体成分均匀（工件内外收缩一致，不等时性下降）。（2）亚共析钢的奥氏体化过程：注:亚共析钢室温组织:P+F奥氏体化的转变规律:形核和晶核长大当加热到Ac1时，P转变为A；温度升高，F不断转变为A，当加热到Ac3线时，转变结束，组织为单相奥氏体。残余渗碳体的分解：奥氏体的均匀化（保温）：（3）过共析钢的奥氏体化过程：注:过共析钢室温组织:P+CmII奥氏体化的转变规律:形核和晶核长

7、大当加热到Ac1时，P转变为A；温度升高，CmII 溶解到A中,当加热到Accm线时，转变结束，组织为单相奥氏体。残余渗碳体的分解：奥氏体的均匀化（保温）：3、奥氏体晶粒的长大 晶粒的长大是依靠较大晶粒吞并较小晶粒和晶界迁移的方式进行(1)细小奥氏体形成:P刚转化为A时,由于F和Cm界面多,形核率高.。(2)奥氏体长大:随着加热温度提高、保温时间延长,A晶粒自发长大.加热温度越高、保温时间越长,A的晶粒越大。实际晶粒(本质晶粒):钢在一定加热条件下获得的奥氏体的晶粒大小。起始晶粒：珠光体向奥氏体转变刚完成时的晶粒。(3)晶粒大小的作用：A晶粒细小，冷却后组织也细小，强度、塑性比粗晶粒高，而且冲

8、击韧性明显提高。晶粒大小的控制方法：严格控制加热温度和保温时间。标准晶粒号：分为8级，14为粗晶粒，58为细晶粒，见图6-4。确定晶粒等级：试样在金相显微镜下放大100倍，把显微镜看到的晶粒与标准晶粒相比较，以确定其等级。二、钢在冷却时的组织转变1、两种冷却方式：等温处理：将奥氏体化的钢迅速冷却到Ar1线以下某一温度保温,使奥氏体在此温度发生组织转变,用于理论研究。 连续冷却：将奥氏体化的钢从高温冷却到室温，使奥氏体在连续冷却条件下发生组织转变，用于实际生产中。 2、冷却方式对钢性能影响： 同一种钢，在相同加热条件下，获得A组织，但经不同冷却过程，可获得不同的力学性能。举例：45钢制成的15m

9、m轴，经840加热后，奥氏体化。在空气中冷却，相当于正火，得到索氏体，硬度209HBS，相当于211HV；在油中冷却，相当于不完全淬火，得到托氏体+马氏体，硬度约45HRC，相当于436HV；在水中冷却，相当于淬火，得到马氏体，硬度约56HRC，相当于620HV。结论：冷却速度不同，获得的组织不同硬度明显不同。工艺区别保温等温冷却温度TAc1TAr1作用组织均匀，工件热透过冷A发生等温转变结果A长大A组织转变为P、S、T、B、M3、过冷奥氏体的等温转变 奥氏体在Ar1线以上是稳定相，当冷却到Ar1线以下而又尚未转变的奥氏体称为过冷奥氏体。这是一种不稳定的过冷组织，只要经过一段时间的等温保持，它

10、就可以等温转变为稳定的新相。这种转变就称为奥氏体的等温转变。 （1）过冷奥氏体：共析温度Ar1下存在的奥氏体。（2）过冷奥氏体产生的原因：奥氏体在A1线以下不稳定，组织在发生转变，但转变存在滞后现象，一般在Ar1以下转变。（3）等温转变图（TTT图，C曲线）：定义：表示过冷A的转变温度、转变时间和转变产物之间的关系曲线图称为等温转变图。由于其形状似“C”，又叫C曲线。由于横坐标time（时间）,纵坐标temperature（温度）,坐标内容transformation（转变产物）三词的第一个字母均为T，又叫TTT图（4）等温转变图的建立：方法：实验方法，以共析钢为例。步骤：将含碳量为0.77%

11、的共析钢制成若干个一定尺寸的试样； 将试样加热到Ac1以上，使其转变为均匀的A（形核、长大）；试样分别放入低于Ar1不同温度熔盐槽中（710、450、350）；迫使A过冷，发生等温转变；测出开始转变、终了转变的时间，记录在时间温度坐标图上，连接相同意义的点，即开始转变点（a）和终了转变点（b），得到C曲线。共析钢等温转变图（TTT图或C曲线）（5）分析C曲线：名称温度特点与组织点C曲线捌弯“鼻尖”约550孕育期最短，A最不稳定，最容易分解，最先转化为转变产物线Ar1过冷A的临界点低于此温度，过冷A开始转变aa过冷A转变开始线bb过冷A转变终了线Ms约230过冷A向M转变开始线Mf约-50过冷A

12、向M转变终了线面Ar1以上单相奥氏体区aa以左孕育区：过冷A区bb以右转变产物区：P、S、T、Baa、bb之间过渡区，转变产物+过冷奥氏体Ms、Mf之间马氏体区，M+ A残余（6）过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能:珠光体型转变区高温等温转变 表4-1共析钢的过冷奥氏体在A1550温度范围内，过冷奥氏体将发生奥氏体向珠光体型的转变 ，即转变为铁素体和渗碳体。 产物为铁素体和渗碳体片层混合物，性能决定于组织结构，片层间距越小，晶粒越细，塑性变形抗力越大，强度和硬度越高。一般炉冷生成粗片状P，空冷生成细片S。 珠光体：P，727650内形成，片层较粗，25HRC 索氏体：S，650600内形成，片

13、层较细，2535HRC屈氏体：T，600550内形成，片层很细，3540HRC贝氏体型转变区中温等温转变 在550Ms 温度范围内，因转变温度较低，原子的活动能力较弱，转变后得到的组织为含碳量具有一定过饱和程度的铁素体和分散的渗碳体（或碳化物）所组成的混合物，称为贝氏体，用符号B表示。表4-2产物为贝氏体（B），原因是：转变温度低，过冷度大，原子活动能力弱，过冷A分解成F和Cm，但F中溶解的C超过了正常的溶解度，转变成含碳量具有一定过饱和程度的F和极分散的Cm的混合物，称为贝氏体。（1）上贝氏体；B上，550350内生成，羽毛状，4045HRC；Aak（2）下贝氏体：B下，350Ms内生成，黑

14、色针状，4555HRC, Aak。马氏体型转变区低温连续转变 当钢从奥氏体区急冷到MS 以下时，奥氏体便开始转变为马氏体。由于转变温度低，原子扩散能力小，在马氏体转变过程中，只有Fe向Fe的晶格改变，而不发生碳原子的扩散。因此，溶解在奥氏体中的碳，转变后原封不动地保留在铁的晶格中，形成碳在Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体，用符号M表示。 当钢急冷到Ms时，A开始转变为M。这是一种非扩散过程，由于转变温度低，原子扩散能力小，在M转变过程中，只有铁晶格转变（-Fe- Fe）,面心立方体心立方，不发生碳的扩散。（1）马氏体：C溶于- Fe中的过饱和固溶体，由于大量碳的存在，使- Fe晶格发生畸变，形

15、成碳位于晶格间隙的体心正方晶格。（2）马氏体分类： 针状M：C=1.0%，硬而脆，65HRC板条状M：C=0.2%，良好的强度和韧性，65HRC（3）马氏体硬度：取决于马氏体中的含碳量，由于M中溶入过多的C使- Fe晶格畸变，增加其变形抗力，故M含C越高，硬度越高。但当C0.6%时，淬火钢硬度增加很慢。表4-3（4）马氏体转变特点：M转变需很大的过冷度，必须过冷到MsMf；M转变如果冷却中途停止，则AM转变也停止；M转变速度快，一般不需孕育期，每个M形成时间约10-7S；M转变晶格畸变，体积膨胀，产生很大内应力；M转变不完全，有一部分残余A。思考：P、S、T相图，M转变的T，按硬度排列PSTB

16、上B下M板M针。4、奥氏体的连续冷却转变-在等温转变图上估计连续转变产物： 原因：实际生产中，过冷奥氏体转变大部分在连续过程中进行，但测定困难，可用等温转变图近似分析。方法：把连续冷却曲线迭画在等温转变图上。分析：V1相当于随炉冷却，属于高温转变，最终组织为粗片状P；V2相当于空冷，属于高温转变，最终组织为细片状S；V3相当于油冷，在鼻尖附近分解一部分T，其余为低温转变，得到M，最终组织为T+M+A残余；V4相当于在水中冷却，属于低温转变，最终组织为M+A残余。确定马氏体临界冷却速度：为保证奥氏体过冷到Ms之前不发生组织转变，最终得到M，所以冷却速度应大于V临。临界冷却速度：V临恰与C曲线鼻尖

17、相切，表示钢中奥氏体在连续冷却时不产生非马氏体组织所需的最小冷却速度自学：等温转变曲线图的建立过冷奥氏体转变产物 名称性质 珠光体P贝氏体B马氏体M产物类型高温产物A1550中温产物550MS低温产物MSMf过冷度小, 晶粒粗中，晶粒较细大，晶粒很细冷却速度慢，接近平衡组织中，不平衡组织快，不平衡组织组织形状P粗片S细片T极细B上羽毛状B下针状C=0.2%板条状C=1.0%针状性能片层越细,Rm、HB高韧性改善硬且脆不实用硬且韧硬且韧硬且脆晶格类型F+Cm晶格畸变的F+Cm晶格体心正方硬度低中高43 热处理的基本方法教学过程一、复习提问：钢在加热时的组织转变钢在冷却时的组织转变热处理的目的和分

18、类二、新课教学：退火与正火淬火与回火三、课堂练习：对比热处理的基本方法四、作业安排：练习册P17，一、11-17；二、13-19；三、6-17；五、板书设计（见下页）：六、教学后记：43 热处理的基本方法一、退火与正火机械零件一般的加工工艺顺序： 作用：消除前一工序所造成的某些组织缺陷及内应力，可以改善材料的切削性能，为随后的切削加工及热处理（淬火回火）做好组织准备。 （一）退火：1、定义：把钢加热到适当温度，保持一定时间，缓慢冷却（随炉冷却）的热处理。2、加热温度：2.1完全退火：加热到Ac3线以上3050。2.2球化退火：加热到Ac1线以上2030。2.3去应力退火：加热到Ac1线以下某温

19、度（500650）。退火目的：3.1降低钢的硬度,提高塑性,以利于切削加工及冷变形加工；3.2细化晶粒，均匀组织及成分，改善热处理工艺；3.3消除钢中残余内应力，防止变形和开裂，保证尺寸和形状精度。完全退火球化退火去应力退火加热温度Ac3线以上3050钢完全奥氏体化Ac1线以上2030，钢部分奥氏体化Ac1线以下，一般为500650，钢室温组织不变冷却缓慢冷却50/h速度冷却缓慢冷却对象亚共析钢共析钢、过共析钢钢最终组织接近平衡组织(P+F)(P球)细颗粒球形Cm弥散分布在F基体上P+F，P，P+Cm室温组织不变化，只消除内应力适用材料中碳钢和低、中碳合金结构钢的锻件、铸件、热轧型材细化晶粒，

20、消内应力共析钢和过共析钢碳素工具、合金工具钢、轴承钢有利于切削锻后，为淬火准备锻、铸、焊、切削后需消除内应力的工件。不适用材料过共析钢,若完全退火，要加热到Accm线以上，在慢冷时产生网状Cm,性能下降（二）正火：1、定义：把钢加热到Ac3、Accm以上3050，保持一定时间，在静止的空气中冷却的热处理工艺。2、加热温度： 2.1亚共析钢: Ac3以上3050。2.2共析钢、过共析钢：Accm以上3050。3、正火目的：3.1改善低碳钢、低碳合金钢的切削工艺性,一般160230HBS切削性好。硬度过高，刀具磨损，硬度过低，发生粘刀。3.2细化晶粒，力学性能较高。对要求不高的工件，可作为最终热处

21、理。3.3消除钢中残余内应力，防止变形和开裂，保证尺寸和形状精度。3.4消除过共析钢中网状Cm，形成S，改善力学性能。4、正火后组织：非平衡组织索氏体（S）。5、特点：冷却速度比退火快，故产生非平衡组织，晶粒细、强度、硬度较高。见表6-2。6、适用场合：6.1改善低碳钢、低碳合金钢的切削工艺性,一般160230HBS切削性好。6.2正火后力学性能较好，晶粒细，要求不高的零件可作最终热处理。6.3消除过共析钢中的网状Cm，改善力学性能，为球化退火作准备。6.4代替中碳钢、低碳合金钢的完全退火，降低淬火变形和开裂倾向。（三）选择退火、正火的考虑原则：正火退火加工性中、低碳钢用正火，硬度保持在160

22、230HBS高碳钢用球化退火，因为正火后高碳钢硬度太高不宜切削使用性能力学性能要球不高，正火作为最终热处理；亚共析钢正火性能好，一般用正火代替退火零件形状复杂，正火冷却速度快，易开裂，应选退火经济性正火周期短、生产率高、成本低、操作方便，优先用正火正火冷却速度快，大尺寸、形状复杂零件，优先用退火退火、正火对比 工艺名称项目完全退火球化退火去应力退火正火加热温度AC3以上3050AC1以上2030AC1以下约500650AC3、Accm以上3050保温适当时间冷却随炉冷却50/h随炉冷却空冷组织P+F球状PP+F，P，P+Cm估计为S作用降低硬度细化晶粒消除内应力消除内应力减少变形、开裂同退火消

23、除网状Cm强度硬度高于退火适用场合中、低碳钢锻、铸件工具钢轴承钢塑性变形、焊接、铸件低碳钢优先正火；球退前用正火消除网状Cm钢材种类亚共析钢共析、过共析钢钢钢工艺曲线二、淬火与回火（一）钢的淬火1、定义：钢加热到AC3、AC1以上某一温度，保温一段时间，以适当的速度冷却，获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。2、目的：获得M，提高钢的强度和硬度。3、淬火加热温度：（1）根据：Fe-Fe3C相图。（2）举例：2-1亚共析钢： 选择AC3以上3050，可得到细小的M。若温度过高，奥氏体晶粒粗大，M粗大，钢脆化；若温度过低，淬火组织中有未溶的F，会降低淬火钢的强度和硬度。2-2过共析钢：AC1以上3

24、050，得到细小的M基体上分布细颗粒Cm，该组织耐磨性好，脆性小。若温度过高，A粗大，得到的M粗大，脆性及变形开裂倾向增大，且残余A多，钢的硬度降低；若温度过低，组织不发生转变。4、淬火冷却介质：（1）指导思想：1.1淬火的目的为获得M，故V淬火V临界；1.2V淬火不可太大，以免工件收缩，组织转变剧烈，内应力大，精度受影响，或变形开裂。（2）依据：C曲线。2.1为抑制非马氏体组织,在鼻尖附近应决冷；2.2而在650，或400无需快冷；2.3特别注意在MS附近不可快冷，否则工件变形或开裂，理想图线见（3）淬火介质：3.1常用：碱水，盐水，水，油，空气，电炉。3.2适用：盐水在650550内冷却速

25、度快，在300200内冷却速度也很快，容易引起开裂，适用于形状简单碳钢零件；油在300200内冷却速度慢，在650550冷却速度过慢，适用于合金钢零件，因为合金元素使C曲线右移，其临界冷却速度较小。3.3冷却烈度（H值）：介质冷却能力搅动情况空气油水盐水静止0.020.250.300.91.02.0中等0.350.401.11.2强0.500.801.62.2强烈0.080.81.04.05.05、淬火方法：（1）原则：最大限度减少变形和开裂。（2）考虑因素：工件材质、尺寸、形状、技术要求。工艺：一种介质很难满足技术要求，一般先后选用几种介质，以便保证在鼻尖附近快冷，而在其它位置慢冷。四种淬火

26、方法 方法 特点单液淬火双介质淬火马氏体分级淬火贝氏体等温淬火步骤钢奥氏体化单一介质冷却钢奥氏体化先浸入强介质快冷接近MS时浸入弱介质，生成M钢奥氏体化先浸入温度在MS附近保温，内外层均温；后空冷或没冷，得到M钢奥氏体化，先浸入高于MS盐浴或碱浴保温生成B下；后慢冷至室温适用碳钢水合金钢-油先水后油，先水后空气，碳素工具钢V临小的合金钢截面不大形状复杂的碳钢工件形状复杂的模具、成形刀具工艺图优点操作简单机械化自动化内应力小变形开裂小内应力小变形开裂小强化钢材良好强度韧性较高硬度耐磨缺点冷却特性差硬度不足或开裂操作困难不易掌握盐浴能力差，对碳钢件可能出现非M组织-6、钢的淬透性和淬硬性：（1）淬

27、透性：在规定条件下，钢在淬火冷却时获得M组织深度的能力。1.1影响淬透性的因素：合金元素的多，淬透性好；V临小，淬透性好；过冷奥氏体稳定性高，不易转变为P、S、T、B，淬透性好1.2利用：淬透性好，截面组织均匀一致，综合力学性能好，可用于受力大、形状复杂、截面大的零件。淬透性好，可用缓和的冷却介质，降低应力及变形倾向。（2）淬硬性：在理想条件下，淬火成马氏体后能达到的最高硬度。2.1影响淬硬性的因素：含碳量2.2举例：低碳钢淬火最高硬度值低，淬硬性差； 高碳钢淬火最高硬度值高，淬硬性好。7、淬透性和淬硬性比较：项目及名称影响因素反映本质力学性能淬透性内因：合金元素过冷A稳定状态外因：冷却速度尺

28、寸加热温度AM难易程度及淬硬深度和硬度分布综合力学性能淬硬性含碳量淬火硬化程度硬度值 HRC HRC ak 已淬透 未液透 0.6% C%淬透性对调质后钢的力学性能的影响 含碳量对淬硬性的影响8、淬火缺陷：由于工艺控制不当，加热温度、保温时间、冷却速度不合适，造成下列淬火缺陷。 名称项目 氧化脱碳过热过烧变形开裂硬度不足（软点）属性化学成分加热保温内应力力学性能产生过程加热加热保温冷却加热保温冷却原因1、Fe氧化成氧化皮，Fe损耗；2、C氧化逸出，含C量降低1、过热：A粗大2、过烧：A晶界熔化1、冷却速度大；2、应力断裂强度，造成开裂1、加热温度2、保温时间3、冷却速度4、表面脱碳结果1、力学性能2、耐磨性强度、硬度1、晶粒粗大2、力学性能3、变形开裂1、形状、尺寸精度2、开裂1、整体硬度2、局布软点处理1