[工学]01-2汽车工程材料基础课件.ppt

1、第第6节节 钢的热处理钢的热处理 热处理：热处理：将固态金属或合金在一定介质中加热、保将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺方法。能的工艺方法。热处理的三个阶段热处理的三个阶段：加热、保温、冷却：加热、保温、冷却。如图。如图1-1-2929所示是最基本的热处理工艺曲线。所示是最基本的热处理工艺曲线。温温度度加热加热保温保温冷却冷却时间时间图图1-29 热处理工艺曲线热处理工艺曲线热处理的主要目的热处理的主要目的:改变钢的性能。改变钢的性能。热处理热处理整整 体体热处理热处理表表 面面热处理热处

2、理退火退火;正火正火;淬火淬火;回火回火;表面淬火表面淬火 化化 学学 热处理热处理感应淬火感应淬火火焰淬火火焰淬火渗碳渗碳;渗氮渗氮;碳氮共渗碳氮共渗;热处理的分类热处理的分类箱式电阻炉台车式电阻炉连续式热处理炉 钢的临界点：平衡临界点：平衡临界点：加热临界点：加热临界点：冷却临界点：冷却临界点：A1、A3、AcmAc1、Ac3、AccmAr1、Ar3、Arcm共析钢加热到Ac1以上时，珠光体将转变为奥氏体。这包括奥氏体晶核的形成、奥氏体晶核的长大、剩余渗碳体的溶解及奥氏体成分的均匀化四个基本过程。亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同,但必须加热到Ac3（亚共析钢）或Accm（

3、过共析钢）以上时才获得单一的奥氏体组织。1.6.1 1.6.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 奥氏体形核与晶核长大奥氏体形核与晶核长大 奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上形成。奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上形成。奥氏体晶核形成以后，依靠铁、碳原子的扩散，使铁奥氏体晶核形成以后，依靠铁、碳原子的扩散，使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不断溶入到奥氏体中去而素体不断向奥氏体转变和渗碳体不断溶入到奥氏体中去而进行的。进行的。残留渗碳体的溶解残留渗碳体的溶解 铁素体全部消失以后，仍有部铁素体全部消失以后，仍有部分剩余渗碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗碳体分剩余渗碳体未溶解，随着

4、时间的延长，这些剩余渗碳体不断地溶入到奥氏体中去，直至全部消失。不断地溶入到奥氏体中去，直至全部消失。奥氏体均匀化奥氏体均匀化 渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩散成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩散才能获得均匀化的奥氏体。才能获得均匀化的奥氏体。亚共析钢的加热过程：亚共析钢的加热过程：过共析钢的加热过程：过共析钢的加热过程：AAFPFACAC31ACFeACFePcmACAC 3311.1.加热温度加热温度 加热温度愈高，晶粒长大速度越快，奥氏体晶粒也加热温度愈高，晶粒长大速度越快，奥氏体晶粒也越粗大，热

5、处理时必须规定合适的加热温度范围。越粗大，热处理时必须规定合适的加热温度范围。2.2.保温时间保温时间 随保温时间的延长，晶粒不断长大，但随保温时间随保温时间的延长，晶粒不断长大，但随保温时间的延长，晶粒长大速度越来越慢。的延长，晶粒长大速度越来越慢。3.微量元素微量元素 钢中加入钛、钒、铌、锆、铝等元素，有利于得到钢中加入钛、钒、铌、锆、铝等元素，有利于得到本质细晶粒钢，因为碳化物、氧化物和氮化物弥散分本质细晶粒钢，因为碳化物、氧化物和氮化物弥散分布在晶界上，能阻碍晶粒长大。锰和磷促进晶粒长大。布在晶界上，能阻碍晶粒长大。锰和磷促进晶粒长大。4.含碳量的影响含碳量的影响(有临界值有临界值)随

6、着奥氏体含碳量的增加，随着奥氏体含碳量的增加，Fe、C原子的扩散速度原子的扩散速度增大，奥氏体晶粒长大的倾向增加。增大，奥氏体晶粒长大的倾向增加。当超过奥氏体饱和碳浓度以后，由于出现了残余渗当超过奥氏体饱和碳浓度以后，由于出现了残余渗碳体，产生机械阻碍作用，使晶粒长大倾向减小。碳体，产生机械阻碍作用，使晶粒长大倾向减小。奥氏体晶粒大小直接影响钢冷却后的组织和性能奥氏体晶粒大小直接影响钢冷却后的组织和性能 P12 热热加加保温保温时间时间温度温度临界温度临界温度A1连续冷却连续冷却等温冷却等温冷却把加热到奥氏体状态的钢，快速冷却到低于A1的某一温度，并等温停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷

7、却到室温。把加热到奥氏体状态的钢，以不同的冷却速度连续冷却到室温。1.6.2 1.6.2 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过冷奥氏体区过冷奥氏体区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线 A+产产 物物 区区产物区产物区A1550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变;P 转变区转变区.550Ms(230);中温转中温转变区变区;半扩散型转变半扩散型转变;贝氏体贝氏体(B)转变区转变区.Ms Mf(-50);低温转低温转变区变区;非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体(M)转变区转变区.时间(s)300102103104101080

8、0-100100200500600700温度()0400A1MsMf1）在）在A1650形成的珠光体形成的珠光体，因为过冷度小，片间距较大，因为过冷度小，片间距较大(0.4m)，在，在500以上的光学显微镜下，能分辨其片层状形以上的光学显微镜下，能分辨其片层状形态；即为粗珠光体，习惯上称为态；即为粗珠光体，习惯上称为珠光体（珠光体（P）。2）在）在650600形成片间距较小的珠光体形成片间距较小的珠光体(0.20.4m)，在，在光学显微镜光学显微镜8001500能分辨出其为铁素体薄层和碳化物（渗能分辨出其为铁素体薄层和碳化物（渗碳体）薄层交替重叠的复相组织称为碳体）薄层交替重叠的复相组织称为细

9、珠光体或索氏体细珠光体或索氏体，用字，用字母母S表示（以英国冶金学家表示（以英国冶金学家HCSorby的名字命名）。的名字命名）。3）在）在600550形成片层间距极小的珠光体形成片层间距极小的珠光体(0.2m)，在电子，在电子显微镜下可观测到很薄的铁素体层和碳化物（渗碳体）层交替重叠的显微镜下可观测到很薄的铁素体层和碳化物（渗碳体）层交替重叠的复相组织，称为复相组织，称为极细珠光体或托氏体极细珠光体或托氏体，用字母，用字母T表示（以法国金相学表示（以法国金相学家家LTroost的名字命名）。的名字命名）。珠光体型组织是铁素体和渗碳体的机械混合物珠光体型组织是铁素体和渗碳体的机械混合物,渗碳体

10、呈层片渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，转变温度越低，层间距越小，可将珠光状分布在铁素体基体上，转变温度越低，层间距越小，可将珠光体型组织按层间距大小分为珠光体体型组织按层间距大小分为珠光体(P)、索氏体、索氏体(S)和屈氏体和屈氏体(T)。上贝氏体：上贝氏体：550350，过饱和片，过饱和片状状F渗碳体：渗碳体：性性脆无实用价值脆无实用价值 下贝氏体：下贝氏体：550Ms，过饱，过饱和和F碳化物：碳化物：综综合性能好合性能好过冷奥氏体在一个温度范围内，随温度下降发生组织转变。过冷奥氏体在一个温度范围内，随温度下降发生组织转变。油冷油冷V3V3：相当于在油中的冷却（在油中淬火的冷却方式），转相

11、当于在油中的冷却（在油中淬火的冷却方式），转变产物应是托氏体和马氏体的混合组织，硬度变产物应是托氏体和马氏体的混合组织，硬度4555HRC4555HRC。水冷水冷V4V4：相当于在水中冷却（在水中淬火的冷却方式），它不相当于在水中冷却（在水中淬火的冷却方式），它不与与C C曲线相交，过冷奥氏体将直接冷却至曲线相交，过冷奥氏体将直接冷却至MsMs以下进行马氏体转以下进行马氏体转变。最后得到马氏体和残余奥氏体组织，硬度变。最后得到马氏体和残余奥氏体组织，硬度5565HRC5565HRC。炉冷炉冷V1V1：比较缓慢，转变产比较缓慢，转变产物 为 珠 光 体，硬 度物 为 珠 光 体，硬 度17022

12、0HBS170220HBS。空冷空冷V2V2：相当于在空气中冷相当于在空气中冷却（正火的冷却方式），转却（正火的冷却方式），转变 产 物 为 索 氏 体，硬 度变 产 物 为 索 氏 体，硬 度2535HRC2535HRC。马氏体临界冷却速马氏体临界冷却速：图中冷却速度：图中冷却速度VkVk与与C C曲线的开始转变线相曲线的开始转变线相切，这时切，这时过冷奥氏体不发生分解过冷奥氏体不发生分解，全部过冷到，全部过冷到MSMS线以下向马氏线以下向马氏体转变所需要的最小冷却速度。体转变所需要的最小冷却速度。马氏体：马氏体：碳在碳在-Fe中的过饱和固溶中的过饱和固溶体称为马氏体，用符号体称为马氏体，用

13、符号“M”表示。表示。在在MS线以下过冷奥氏体发生的转变线以下过冷奥氏体发生的转变称马氏体转变，称马氏体转变，马氏体转变通常在连马氏体转变通常在连续冷却时进行，是一种低温转变。续冷却时进行，是一种低温转变。马氏体性能：马氏体性能：马氏体的强度和硬度主马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体的含碳量。随着马氏要取决于马氏体的含碳量。随着马氏体含碳量的提高，其强度与硬度也随体含碳量的提高，其强度与硬度也随之提高。低碳马氏体具有良好的强度之提高。低碳马氏体具有良好的强度及一定的韧性；高碳马氏体硬度高、及一定的韧性；高碳马氏体硬度高、脆性大。脆性大。退火就是将工件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的

14、热处理工艺。退火主要用于铸、锻、焊毛坯或半成品零件。退火的目的：降低钢的硬度，提高塑性，改善其切削加工性能；均匀钢的成分，细化晶粒，改善组织与性能；消除工件的内应力，防止变形与开裂；为最终热处理作准备。1、完全退火 将钢完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。目的：降低钢的硬度、以利于切削加工；消除应力，稳定工件的尺寸，防止变形和开裂；细化晶粒，改善组织，为最终热处理作组织准备。加热温度：Ac3以上2040。应用范围：亚共析碳钢和合金钢的铸件、锻件、焊接件及热轧型材等。过共析钢不宜采用完全退火。P152、等温退火 将钢加热到Ac3或Ac1以上2040，保温适当时间后，较快地冷却到珠

15、光体温度区间的某一温度，等温一定时间，使奥氏体转变为珠光体组织，然后空冷至室温的退火工艺。目的：与完全退火相同，但所用时间比完全退火缩短约1/3，并能得到均匀的组织和性能。加热温度：Ac3(Ac1)以上2040。应用范围：亚共析、过共析碳钢，合金钢的铸件、锻件等。3、球化退火 使钢中的碳化物球状化而进行的退火工艺。目的：使网状Fe3C或片状渗碳体转变为球状渗碳体，降低硬度，便于切削加工，为淬火作好组织准备。加热温度：Ac1以上2040。应用范围：过共析钢和合金工具钢、轴承钢等。对网状Fe3C比较严重的钢，在球化退火前先进行一次正火处理。4、去应力退火 将钢加热到Ac1以下，保温一定时间，然后随

16、炉冷却的退火工艺。目的：消除工件的内应力，稳定工件尺寸，减少变形。加热温度：Ac1以下温度，一般500650。应用范围：铸件、锻压件、焊件、切削加工件等。去应力退火因加热温度低于A1，故不发生组织转变，只消除内应力。5、均匀化退火 将工件加热到高温，并长时间保温，然后缓慢冷却的退火工艺。目的：减少化学成分偏析和组织不均匀性。加热温度：10501150高温。应用范围：质量要求高的合金钢铸锭和铸件等。均匀化退火后，钢件晶粒粗大，应进行完全退火或正火。6.6.正火正火 正火是正火是将工件加热到将工件加热到A Ac3c3（亚共析钢）或（亚共析钢）或A Accmccm（过（过共析钢）以上共析钢）以上30

17、3050500 0C C，保温适当时间，在自由流通，保温适当时间，在自由流通的空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。的空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。正火正火主要应用于：主要应用于：1 1）对不太重要的零件，可细化晶粒，组织）对不太重要的零件，可细化晶粒，组织均匀，提高机械性能，作为最终热处理；均匀，提高机械性能，作为最终热处理；2 2）对低碳钢火低碳合金钢，可提高硬度，）对低碳钢火低碳合金钢，可提高硬度，改善切削加工性；改善切削加工性；3 3）对于过共析钢或工具钢，可减少二次渗碳）对于过共析钢或工具钢，可减少二次渗碳体，并使其不呈连续网状碳化物，便于球化退火。体，并使其不呈连续

18、网状碳化物，便于球化退火。1、淬火加热 1）加热温度 钢的含碳量是决定其淬火加热温度的主要因素。2）加热时间 加热时间包括升温时间和保温时间两部分。加热时间长短与加热介质、加热速度、钢的种类、工件形状和尺寸、装炉方式及装炉量有关。具体加热时间可通过经验公式计算，再用实际经验修正后决定。2、淬火冷却 1）冷却介质 钢淬火的目的是为了获得马氏体，但又要减少工件变形和防止工件开裂。由C曲线可知，冷却介质的理想淬火冷却速度如右图所示。生产上常用的冷却介质有水、矿物油、盐水、碱水等。2）淬火方法 1）单介质淬火 2）双介质淬火 3）马氏体分级淬火 4）贝氏体等温淬火 3、钢的淬透性和淬硬性 1）钢的淬透

19、性 钢的淬透性是以在规定条件下钢试样淬硬深度和硬度分布的特性。淬硬深度是从淬硬的工件表面到规定硬度值（一般为550HV）处的垂直距离。淬硬深度越深，淬透性越好。P172）钢的淬硬性 钢的淬硬性是指钢试样在规定条件下淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。其含义是钢试样在规定条件下淬火时马氏体组织所能达到的硬度。钢的淬硬性主要取决于钢中含碳量。钢中含碳量越高，淬硬性越好。回火是将淬硬后的工件加热到Ac1点以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。是紧接淬火之后的热处理工序。目的：获得工件所需要的力学性能；消除或减少内应力，降低钢的脆性，防止工件变形和开裂；稳定工件组织和尺寸，保证精度。1

20、、回火方法 1）低温回火 加热温度在250以下进行的回火。目的：保持淬火工件高硬度和高耐磨性，降低淬火残留应力和脆性。回火后组织：回火马氏体。力学性能：5864HRC，高的硬度和耐磨性。应用范围：各种刃具、模具、滚动轴承、渗碳及表面淬火等要求硬而耐磨的零件。2）中温回火 加热温度在350500之间进行的回火。目的：使工件获得较高的弹性和强度，适当的韧性和硬度。回火后组织：回火托氏体。力学性能：3550HRC，较高的弹性极限、屈服点和一定的韧性。应用范围：各种弹性元件及热锻模等。3）高温回火 加热温度在500以上进行的回火。目的：使工件获得强度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。回火后组织：回火索

21、氏体。力学性能：200350HBS，较好的综合力学性能。应用范围：各种较重要的受力结构件。调制处理：P172、回火脆性 淬火钢在某些温度区间或回火后缓冷通过该温度区间时，出现脆化的现象称回火脆性。回火脆性分两种：在250350范围内出现的回火脆性称第一类回火脆性，又称“低温回火脆性”或“不可逆回火脆性”。不管是碳素钢还是合金钢，都应避免这种回火脆性。含铬、镍、锰等元素的合金钢淬火后，在450650范围内回火，缓冷易产生第二类回火脆性，又称“高温回火脆性”或“可逆回火脆性”。为防止第二类回火脆性的出现，小零件可采用回火时快冷；大零件可选用含钨或钼的合金钢。表面热处理是只对工件表层进行热处理以改变

22、其组织和性能的热处理工艺。常用的方法是表面淬火。表面淬火是仅对工件表层进行淬火的热处理工艺。表面淬火不改变零件表层的化学成分，只改变表层的组织，并且心部仍保留原来退火、正火或调质状态的组织。目的是使工件表层具有高硬度、耐磨性，而心部具有足够的强度和韧性。工业上常用的表面淬火方法有火焰淬火和感应淬火。1）感应淬火 感应淬火是指利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表层、局部或整体加热，并快速冷却的淬火工艺。特点：加热速度快；工件表面质量高，淬火变形小；易实现机械化和自动化及大批量生产，劳动生产率高；设备昂贵，维修调整较难。主要用于中碳钢或中碳低合金钢，也可用于工具钢，不宜用于形状复杂的零件及

23、单件生产。2）火焰表面淬火 火焰表面淬火是应用氧乙炔（或其它可燃气体）火焰，对零件表面加热，然后快速冷却的淬火，淬硬层深度一般为26mm。特点：淬火设备简单，成本低，使用方便灵活。但生产效率低，淬火质量较难控制。适用于单件、小批量生产或用于中碳钢、中碳低合金钢制造的大型工件，如大齿轮、轴等零件的表面淬火。化学热处理是将工件放入一定温度的活性介质中加热并保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。常用的化学热处理是渗碳和渗氮。1.钢的渗碳 渗碳是将工件放入富碳的介质中加热到高温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。2.钢的渗氮（氮化）渗氮是在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。