第五章钢的热处理.ppt

1、第五章第五章 钢的热处理钢的热处理l改善钢的性能，主要有两条途径：改善钢的性能，主要有两条途径：l一是合金化一是合金化，这是下几章研究的内容；，这是下几章研究的内容；l二是热处理二是热处理，这是本章要研究的内容。，这是本章要研究的内容。l第一节第一节 概述概述l第二节第二节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变l第三节第三节 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变l第四节第四节 钢的退火与正火钢的退火与正火 l第五节第五节 钢的淬火钢的淬火l第六节第六节 钢的淬透性钢的淬透性l第七节第七节 钢的回火钢的回火l第八节第八节 钢的表面淬火钢的表面淬火l第九节第九节 钢的化学热处理钢的化学热处理5.1 5.1

2、 概述概述l1、热处理热处理:是指将钢在固态下加热、保温和冷却是指将钢在固态下加热、保温和冷却,以改变钢的组织结构以改变钢的组织结构,获得所需要性能的一种工艺获得所需要性能的一种工艺.l为简明表示热处理为简明表示热处理的基本工艺过程，的基本工艺过程，通常用温度通常用温度时间时间坐标绘出坐标绘出热处理工热处理工艺曲线艺曲线。l热处理是一种重要的加工工艺，热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛在制造业被广泛应用。应用。l在机床制造中在机床制造中约约6070%的零件要经过热处理。的零件要经过热处理。l在汽车、拖拉机制造业中在汽车、拖拉机制造业中需需热处理的零件达热处理的零件达7080%。l模具、

3、滚动轴承模具、滚动轴承100%需经需经过热处理。过热处理。l总之，重要零件总之，重要零件都需适当热都需适当热处理后才能使用。处理后才能使用。滚滚动动轴轴承承2、热处理特点、热处理特点:热处理热处理区别区别于其他加工工艺如铸造于其他加工工艺如铸造、压压力加工等的特点是力加工等的特点是只通过只通过改变工件的组织来改变性改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。能，而不改变其形状。铸造铸造轧制轧制l3、热处理适用范围、热处理适用范围:只适用于固态下发生只适用于固态下发生相变的材料相变的材料，不发生，不发生固态相变的材料不能固态相变的材料不能用热处理强化。用热处理强化。4、热处理分类、热处理分类 l热

4、处理原理：热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律描述热处理时钢中组织转变的规律称称热处理原理热处理原理。l热处理工艺：热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称介质等参数称热处理工艺热处理工艺。(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钢钢不同热处理工艺的显微组织不同热处理工艺的显微组织u依加热、冷却方式等不同，将依加热、冷却方式等不

5、同，将热处理工艺分类如下：热处理工艺分类如下：表面淬火表面淬火感应加热、火焰加热、感应加热、火焰加热、其他热处理其他热处理普通热处理普通热处理表面热处理表面热处理热处理热处理退火退火正火正火淬火淬火回火回火真空热处理真空热处理形变热处理形变热处理激光热处理激光热处理控制气氛热处理控制气氛热处理电接触加热等电接触加热等化学热处理化学热处理渗碳、氮化、碳氮渗碳、氮化、碳氮共渗、渗其他元素等共渗、渗其他元素等5、预备热处理与最终热处理、预备热处理与最终热处理l预备热处理预备热处理为随后的加工（冷拔、冲压、切削）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。或进一步热处理作准备的热处理

6、。l最终热处理最终热处理赋予工件所要求的使用性能的热处理赋予工件所要求的使用性能的热处理.预备热处理预备热处理最终热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线钢热处理工艺曲线时间时间温度温度/冷却时的实际转冷却时的实际转变温度分别用变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示表示.6、临界温度与实际转变温度临界温度与实际转变温度l铁碳相图中铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用线分别用A1、A3、Acm表示表示.l实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象，因此将实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象，因此将钢加热时的实际转变温度分别用钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示表示;5.2

7、钢在加热时的转变钢在加热时的转变u加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是是在在A1以下加热，不发生相变；以下加热，不发生相变；u另一种是另一种是在临界点以上加热，以获得均匀的奥氏体在临界点以上加热，以获得均匀的奥氏体组织，称组织，称奥氏体化奥氏体化。u奥氏体化也是形核和长大奥氏体化也是形核和长大 的过程，分为四步。的过程，分为四步。钢坯加热钢坯加热l第一步第一步 奥氏体晶核形成奥氏体晶核形成:首先在首先在 与与Fe3C相界形核相界形核.l第二步第二步 奥氏体晶核长大：奥氏体晶核长大：晶核通过碳原子的扩散晶核通过碳原子的扩散向向 和和Fe3C方向长

8、大。方向长大。l第三步第三步 残余残余Fe3C 溶解：溶解：铁素体的成分铁素体的成分、结构更接近结构更接近于奥氏体，因而先消失。残余的于奥氏体，因而先消失。残余的Fe3C随保温时间延随保温时间延长继续溶解直至消失。长继续溶解直至消失。l第四步第四步 奥氏体成分均匀化奥氏体成分均匀化:Fe3C溶解后，溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保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。温使奥氏体成分趋于均匀。共析钢奥氏体化过程共析钢奥氏体化过程l亚共析钢和过共析钢的奥氏体亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同化过程与共析钢基本相同。但。但由于先共析由于先共析 或二或二

9、次次Fe3C的存的存在在,要获得全部奥氏体组织要获得全部奥氏体组织,必必须相应加热到须相应加热到Ac3或或 Accm以上以上.5.2.2 奥氏体晶粒长大及其影响因素奥氏体晶粒长大及其影响因素1、奥氏体的晶粒度奥氏体的晶粒度l奥氏体化刚结束时的晶粒度称奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，起始晶粒度，此此时晶粒细小均匀。时晶粒细小均匀。l随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒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将进一步长大，这也是一个自发的过程。奥氏，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。体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同。温来判断。温来判断。晶

10、粒度为晶粒度为1-4 级的是级的是本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢,5-8 级的是级的是本质细晶粒钢本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后者。前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。晶粒长大倾向小。|在给定温度下奥氏体的在给定温度下奥氏体的晶粒度称晶粒度称实际晶粒度实际晶粒度。|加热时奥氏体晶粒的长加热时奥氏体晶粒的长大倾向称大倾向称本质晶粒度本质晶粒度。|通常将钢加热到通常将钢加热到940 10奥氏体化后，设法奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒保留到室把奥氏体晶粒保留到室2、影响奥氏体晶粒长大的因素、影响奥氏体晶粒长大的因素加加热热温温度度和和保保温温时时间间:加加热热温温度度高高、保温时间长保温时间长,晶

11、粒粗大晶粒粗大.加加热热速速度度:速速度度越越快快,过过热热度度越越大大,形核率越高形核率越高,晶粒越细晶粒越细.合金元素：合金元素：阻碍奥氏体晶粒阻碍奥氏体晶粒长大的元素：长大的元素：Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等等碳化物和氮化物形成元素。碳化物和氮化物形成元素。析出颗粒析出颗粒对黄铜晶对黄铜晶界的钉扎界的钉扎Nb/%奥氏体晶粒尺寸奥氏体晶粒尺寸/mNb、Ti对对奥氏体晶粒的影响奥氏体晶粒的影响l促进奥氏体晶粒长大的元素：促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。原始组织原始组织:平衡状态的组织有利于获得细晶粒。平衡状态的组织有利于获得细晶粒。l 奥氏体晶粒粗大，冷却后

12、的组织也粗大，降低钢的奥氏体晶粒粗大，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。匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。箱式可控气氛多用炉箱式可控气氛多用炉真空热处理炉真空热处理炉5.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变l冷却是热处理更重要的工序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一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程l处于临界点处于临界点A1以下的奥氏体称以下的奥氏体称过冷奥氏体过冷奥氏体。过冷过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。奥氏体是非稳定组织，迟早要发生

13、转变。随过冷随过冷度不同，过冷奥氏体将发生度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变珠光体转变、贝氏体贝氏体转变转变和和马氏体转变马氏体转变三种类型转变。三种类型转变。l现以共析钢为例说明：现以共析钢为例说明：珠光体转变珠光体转变 1、珠光体的组织形态及性能、珠光体的组织形态及性能l过冷奥氏体在过冷奥氏体在 A1到到 550间将转间将转变为珠光体类型组织变为珠光体类型组织，它是，它是铁素铁素体与渗碳体片层相间的机械混合体与渗碳体片层相间的机械混合珠光体珠光体索氏体索氏体托氏体托氏体物物，根据片，根据片层厚薄不同层厚薄不同,又细分为又细分为珠珠光体光体、索氏索氏体体和和托氏体托氏体.珠光体：珠光体：l形

14、成温度为形成温度为A1-650，片层较厚，片层较厚，500倍光镜倍光镜下可辨，用符号下可辨，用符号P表示表示.光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌三维珠光体如同放在水中的包心菜三维珠光体如同放在水中的包心菜 索氏体索氏体l形成温度为形成温度为650 600，片层较薄，片层较薄.800-1000倍光镜倍光镜下可辨，用符号下可辨，用符号S 表示。表示。电镜形貌电镜形貌光镜形貌光镜形貌 托氏体托氏体l形成温度为形成温度为600-550，片层极薄，电镜下可辨，片层极薄，电镜下可辨，用符号用符号T 表示。表示。电镜形貌电镜形貌光镜形貌光镜形貌u珠光体、索氏体、屈氏体珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本

15、质区别，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只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的.片片间距间距 bHRC u片间距越小，钢的强度、片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性硬度越高，而塑性和韧性略有改善。略有改善。2、珠光体转变过程珠光体转变过程珠光体转变也是形核和长大的过程珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥 长大，形成一个珠光体团。长大，形成一个珠光体团。珠光体转变珠光体转变是扩散型转变。是扩散型转变。氏体的含碳氏体的含碳量下降，促量下降，促进了铁素

16、体进了铁素体形核，两者形核，两者相间形核并相间形核并珠光体转变过程珠光体转变过程 贝氏体转变贝氏体转变1、贝氏体的组织形态及性贝氏体的组织形态及性能能l过冷奥氏体在过冷奥氏体在550-230(Ms)间将转变为间将转变为贝氏体类型组织，贝氏贝氏体类型组织，贝氏体用符号体用符号B表示。表示。l根据其组织形态不同，根据其组织形态不同，贝氏体贝氏体又分为又分为上贝氏体上贝氏体(B上上)和和下贝氏体下贝氏体(B下下).上贝氏体上贝氏体下贝氏体下贝氏体 上贝氏体上贝氏体l形成温度为形成温度为550-350。l在光镜下呈在光镜下呈羽毛状羽毛状.l在电镜下为在电镜下为不连续不连续棒状的渗碳体分布棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁晶内平行生长的铁素体条之间。素体条之间。光镜下光镜下电镜下电镜下下贝氏体下贝氏体l形成温度为形成温度为350-230(Ms)l在光镜下呈在光镜下呈竹叶状。竹叶状。光镜下光镜下电镜下电镜下l在电镜下为在电镜下为细片状碳细片状碳化物分布于铁素体针化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长内，并与铁素体针长轴方向呈轴方向呈55-60角。角。l上贝氏体强度与塑性