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钢热处理课件(精品 值得参考)


多媒体课件

山东水利职业学院机械教研室

任务七
教学内容

钢的热处理
学习要求 能力要求

1.热处理的原理 2.热处理的工艺特 点 3.热处理方法

1.掌握金属热处理的 方法 2.理解热处理对金属性 能的影响 3.了解金属材料的 表面热处理 初步具有

选择 热处理方法的 能力

课前案例分析

45钢加热到840℃,在不同冷却条件下冷却后的力学性能 冷却方法 随炉冷却 空气冷却 油中冷却 水中冷却 σb/Mpa 519 657~706 882 1078 σs/Mpa 272 333 608 706 δ/% 32.5 15~18 18~20 78 ψ/% 49 45~50 48 12~14 HRC 15~18 18~24 40~50 52~60

1 2 3 4

上述表格数据说明了什么 什么是热处理? 热处理与金属组织和性能有什么关系

为达到使用要求,减速器的轴、齿轮 应该采取何种热处理?

钢的热处理
? 概述
? 钢在加热时的组织转变 ? 钢在冷却时的组织转变 ? 钢的普通热处理工艺 ? 钢的表面热处理工艺 ? 机械制造过程中的热处理

第一节 概述
1.热处理的定义:
温 度 热 加 保温 临界温度

冷 却

时间

2.热处理的主要目的:改变钢的性能。 3.热处理的应用范围:整个制造业。 4.热处理的分类

普 通 热处理
热处理 表 面 热处理

退火;正火; 淬火;回火; 表面淬火

感应加 热淬火 火焰加 热淬火

化 学 热处理

渗碳; 渗氮; 碳氮共渗;

第二节 钢在加热时的组织转变
? 转变温度 ? 奥氏体的形成 ? 奥氏体晶粒度及对力学性能的影响

一.转变温度

F

Fe3C A A

未溶Fe3C

奥 氏 体 的 形 成

A 形核
残余Fe3C

A 长大

A

A

残余Fe3C溶解

A 均匀化

三. 奥氏体晶粒度及对力学性能的 影响
一)奥氏体晶粒度: 1.起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏 体的晶粒大小。 2.实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏 体晶粒的大小。 3.本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930℃ 以下,随温度升高,晶粒长 大的程度。

钢的本质晶粒度示意图

二)奥氏体晶粒大小对钢的力学性 能的影响
1.奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力 学性能提高。 2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起 工件产生较大的变形甚至开裂。

第三节 钢在冷却时的组织转变
? 钢在热处理时的冷却方式 ? 过冷奥氏体的等温冷却转变 ? 过冷奥氏体的连续冷却转变

一.钢在热处理时的冷却方式
温 度 热 加 保温 临界温度

连续冷却

等温冷却

时间

二.过冷奥氏体的等温冷却转变
一) 建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转 变曲线 ---- TTT曲线 ( C 曲线 )
T --- time T --- temperature T --- transformation

温度 (℃) 800 700 600 500
400 300 200 100 0 -100 0

共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图
A1

1

10

102

103

104

时间(s)

温度 (℃) 800 700 600 500
400 300 200 100 0 -100 0 Mf

二) 共析碳钢 TTT 曲线的分析
稳定的奥氏体区
A1 A1~550℃;高温转变区; 过 A 冷 产 扩散型转变; P 转变区。 A向产物 + 奥 转变终止线 物 550~230℃;中温转变 产 氏 区 体 物 区; 半扩散型转变; 区 A向产 区 贝氏体( B ) 转变区; Ms 物转变开始线 230~ - 50℃; 低温转 变区; 非扩散型转变; 马氏体 ( M ) 转变区。

1

10

102

103

104

时间(s)

三) 转变产物的组织与性能
1.珠光体型 ( P ) 转变 ( A1~550℃ ) : ?A1~650℃ : P ; 5~25HRC; 片间距为0.6~0.7μm ( 500× )。 ?650~600℃ : 细片状P---索氏体(S); 片间距为0.2~0.4μm (1000×); 25~36HRC。 ?600~550℃:极细片状P---屈氏体(T); 片间距为<0.2μm ( 电镜 ); 35~40HRC。

珠光体形貌像

光镜下形貌

电镜下形貌

索 氏 体 形 貌 像

(录像)

光镜形貌

电镜形貌

屈 氏 体 形 貌 像

光镜形貌

电镜形貌

三) 转变产物的组织与性能
2.贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550~230℃ ) :

?550~350℃: B上; 40~45HRC;
过饱和碳α-Fe条状 羽毛状 Fe3C细条状

B上 =过饱和碳 α-Fe条状 + Fe3C细条状

上贝氏体组织金相图 (录像)

三) 转变产物的组织与性能
2.贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550~230℃ ) : ?350~230℃: B下; 50~60HRC;
过饱和碳 α-Fe针叶状 Fe3C细片状 针叶状

B下 =过饱和碳 α-Fe针叶状 + Fe3C细片状

下贝氏体组织金相图 (录像)

三) 转变产物的组织与性能
3.马氏体型 ( M ) 转变 ( 230~ -50℃ ) : 1)定义:马氏体是一种碳在α – Fe中的 过饱和固溶体。 2)转变特点: ?在一个温度范围内连续冷却完成; ?转变速度极快,即瞬间形核与长大; ?无扩散转变( Fe、C原子均不扩散 ), M与原A的成分相同,造成晶格畸变。 ?转变不完全性, QM = f ( T )

奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响
700 600 500 温 400 度 300 ℃ 200 100 0 -100 -200 0 Mf 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 Wc ? 100

Ms

奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响
残 余 奥 氏 体 量 90 80 70 60

( % ) 50 40

30
20 10 0 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 Wc ? 100

3)马氏体的晶体结构: 由于碳的过饱和作 用,使α – Fe晶格由体心立方变成体心正 方晶格。

4)马氏体的组织形态: ?板条状 --- 低碳马氏体(<0.2%C ); 30~50HRC ; δ = 9~17%。

低碳板条状马氏体组织金相图 (录像)

4)马氏体的组织形态: ?针、片状 --- 高碳马氏体(>1%C); 66HRC左右 ; δ ≈ 1%。

高碳针片状马氏体组织金相图

5)马氏体的性能: 主要取决于马氏体中的碳浓度。
70 硬度 ( HRC ) 60 2000 1800 1400 1000 抗拉强度σb ( Mpa )

50 40 30
20

600

10
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 马氏体的碳浓度 Wc ? 100 0.9 1.0

200

温度 (℃) 800 700 600 500
400 300 Ms 200 100 0 Mf -100 0 A

亚共析钢的TTT曲线
A3 F A1

P+F S+F T
B

M + A残

1

10

102

103

104

时间(s)

温度 (℃) 800 700 600 500
400 300 200 100 0 -100 0 Mf Ms A

过共析钢的TTT曲线
ACM

Fe3CⅡ

A1 P + Fe3CⅡ S + Fe3CⅡ T B

M + A残

1

10

102

103

104

时间(s)

四) 影响 TTT 曲线形状与位置的因素
1.奥氏体中含碳量的影响:
温 度 亚共 析钢 过共 析钢 共析 钢 A1

时间

2.奥氏体中含合金元素的影响: 除Co、Al (>2.5% ) 外,所有合金元 素溶入奥氏体中,会引起:
A1 向右移 A1

Ms
向 下 移

Ms 含Cr合金钢

3.加热温度和保温时间的影响: 加热温度越高, 保温时间越长, 碳化物溶解充分, 奥氏体成分均匀, 提高了过冷奥氏体的稳定性, 从而 使 TTT曲线向右移。

三.过冷奥氏体的连续冷却转变
一) 建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转 变曲线 ---- CCT 曲线 C --- continuous C --- cooling T --- transformation

一) 共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图
温 度 ℃
Ps K
Ms Mf 水冷 Vk 油冷 Vk1 空冷

A1
A+P Pf 炉冷

时间( lg τ )

温度 (℃) 800 700 600 500
400 300 200 100

二) 共析碳钢 TTT 曲线与CCT曲线的比较
稳定的奥氏体区 A1

CCT曲线 TTT曲线
Ms

0 -100 0

Mf

1

10

102

103

104

时间(s)

三)在连续冷却过程中 TTT 曲线的应用
温度 (℃) 800 700 600 500 稳定的奥氏体区

A1

V1 = 5.5℃/s : 炉冷 ; P V1 V2 = 20℃/s : 空冷 ; S
V3 = 33℃/s : 油冷;T+M+A残 V4 ≥ 138℃/s : 水冷 ; M+A残

400 300 Ms 200 100 0 Mf V 4 -100 0 1

V2

Vk
10 102

V3
103

104 时间(s)

第四节 钢的普通热处理工艺
一般零件生产的工艺路线:
毛坯生产 工 预备热处理 机械加

最终热处理

机械精加工

预备热处理 : 退火 ; 正火 最终热处理 : 淬火 ; 回火

一.钢的退火
一)定义: 把零件加温到临界温度以上 30~50℃,保温一段时间,然后 随炉冷却。 二)目的: 消除应力;降低硬度;细化晶 粒;均匀成分;为最终热处理 作好组织准备。

三) 种 类
普通退火

完全退火
重结晶 退火 退火 低温 退火 扩散退火 球化退火 再结晶退火

等温退火 普通球化 退火 等温球化 退火

去应力退火

四) 工艺参数:
名 称 温 度 ( °C ) Ac3 + 30~50 Ac1 + 30~50 完全退火 球化退火

去应力退火 扩散退火

500~600 Ac3 + 150~250

四) 工艺参数:

五)热处理后的组织 : 原始组织。

共析钢球化退火组织 ( 化染 )

700 ?

T10钢球化退火组织 ( 化染 )

500 ?

二.钢的正火
一)定义: 把零件加温到临界温度以上 30~50℃,保温一段时间,然后 在空气中冷却。
二)目的: 消除应力;调整硬度;细化晶 粒;均匀成分;为最终热处理 作好组织准备。

三) 工艺参数: 名 称 亚共析钢 共析钢 过共析钢 温 度 ( °C ) Ac3 + 30~50 Ac1 + 30~50 Accm + 30~50

四) 工艺参数:

四)热处理后的组织:S (Wc=0.6~1.4%) S+F (Wc<0.6%)

五) 应用范围: 1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬 度;消除过共析钢中的Fe3CⅡ。 2.最终热处理:用于力学性能要求不 高的普通零件。

三.钢的淬火
一)定义: 把零件加温到临界温度以上 30 ~ 50℃,保温一段时间,然 后快速冷却 ( 水冷 )。 二)目的: 为了获得马氏体组织,提高钢 的硬度和耐磨性。

三) 工艺参数: 名 称 亚共析钢 共析钢 过共析钢 温 度 ( °C ) Ac3 + 30~50 Ac1 + 30~50 Ac1 + 30~50

三)工艺参数:

四)热处理后的组织 :
钢种 淬火温度(℃) 最终组织

亚共析钢 Wc≤0.5%
亚共析钢 Wc>0.5% 共析钢 过共析钢

Ac3+30~50

M

Ac3+30~50

M + A残

Ac1+30~50 Ac1+30~50

M + A残 M+Fe3C+A残

五)淬火加热时间 ( τ ) 的选择:

τ = α K D
工件有效厚度 (尺寸最小部位)

装炉量有关系数 一般 K = 1~1.5
加热系数,与钢种 及加热介质有关

六) 淬火冷却介质
1.理想淬火冷却介质
温度 (℃) 800 700 600 500 400 300 200 100 0 -100 A1

Ms

Mf 0 1 10 102 103 104 时间(s)

2.常用的淬火冷却介质

七) 常用的淬火方法
温 度

A1

Ms 时间

单液淬火

双液淬火

分级淬火

等温淬火

八) 钢的淬硬性 ( Hardening of steel )
1.定义:是指钢在淬火后所能达到的最 高硬度。

2.影响钢的淬硬性的因素:主要取决于 马氏体的含碳量。

九) 钢的淬透性 ( Hardenability of steel ) 1.定义:是指钢在淬火时所能得到的淬 硬层 (马氏体组织占50%处) 的 深度。 2.影响钢的淬透性的因素:主要是临界 淬火冷却速度VK 的大小, VK 越 大,钢的淬透性越小。

工件淬硬层与冷却速度的关系

3.淬硬性与淬透性之间的关系: 钢 种 淬硬性 淬透性 碳素结构钢 ( 20 ) 低 小 高 小 碳素工具钢 ( T10A ) 低碳合金结构钢 低 大 ( 18Cr2Ni4WA ) 高碳高合金工具钢 高 大 ( Cr12MoV )

4.淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响

淬透钢

未淬透钢

四.钢的回火
一)定义: 把淬火后的零件重新加温到 A1线以下某个温度,保温一段 时间,然后冷却到窒温。 二)目的: 消除淬火应力,降低脆性;稳定 工件尺寸;调整淬火零件的力 学性能。

三) 工艺参数
名 称 低温回火 中温回火 温度(℃)
150~250 350~500 500~650 650~A1





用途
耐磨件 弹簧等

M回=α0.3%C+ε

T回=F针+Fe3C粒 S回=F多+Fe3C球

高温回火
高温软化

调质件

P回=F多+Fe3C粒 高合金钢

淬火 + 高温回火 = 调质处理

回火马氏体组织金相图

第五节 钢的表面热处理工艺
工艺的核心:使零件具有“表硬里韧” 的力学性能。
? 表面淬火 ? 化学热处理

一.表面淬火
一) 定义:是一种不改变钢表层化学成 分,但改变表层组织的局部热 处理工艺。 二) 工艺特征:通过快速加热使钢的表 层奥氏体化,然后急冷,使表层 形成马氏体组织,而心部仍保 持不变。

三)表面淬火用钢: 选用中碳或中碳低合金钢。40、 45、40Cr、40MnB等。 四)表面淬火加工的方法: 感应加热( 高、中、工频 )、火 焰加热、电接触加热法等。

1.感应加热表面淬火
1)感应加热的基本原理: * 感应电流 --- 涡流
(录像)

* 集肤效应
*淬火层深度(δ)与电流频率( f )的关系: δ = 500 / √ f (mm)

感应加热表面淬火示意图

集肤效应示意图

2)工艺要求: * 表面淬火前,必须对零件进行正火 或调质处理,以保证零件有良好的 基体。 * 表面淬火后,必须对零件进行低温 回火处理,以降低淬火应力和脆性。
3)生产特点: 淬火件的质量好; 工件变 形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易 控制;生产率高。设备投资大,不适 于复杂形状零件和小批量生产。

2.火焰加热表面淬火
1)火焰加热表面淬火的基本方法

2)火焰加热表面淬火的特点:
*设备简单, 操作方便, 成本低。 *淬火质量不稳定。 *适于单件、小批量及大型零件的生产。

二.化学热处理 ( Chemical Heat Treatment )
一)定义:将零件置于一定的化学介质 中 , 通过加热、保温,使介质 中一种或几种元素原子渗入 工件表层,以改变钢表层的化 学成分和组织的热处理工艺。

二) 化学热处理的基本过程:

1.分解: 化学介质在高温下释放出待渗 的活性原子。 2CO CO2 +〔C〕
2.吸收: 活性原子被零件表面吸收和溶 解。 3.扩散: 活性原子由零件表面向内部扩 散, 形成一定的扩散层。

三) 化学热处理进行的条件:
1. 渗入元素的原子必须是活性原子, 而 且具有较大的扩散能力。
2. 零件本身具有吸收渗入原子的能力, 即对渗入原子有一定的溶解度或能 与之化合, 形成化合物。 四) 化学热处理的种类: 渗碳; 渗氮; 碳氮 共渗; 渗硼; 渗铝; 渗硫; 渗硅; 渗铬等。

1.钢的渗碳 ( Carburize of steel )
1)定义: 向钢的表面渗入碳原子的过程。 2)目的: 获得具有表硬里韧性能的零件。 3)用钢: 低碳钢和低碳合金钢。

4)方法: 固体、气体、液体渗碳。

固体渗碳法示意图
泥封 渗碳箱 盖 试棒

零件
渗碳剂

气体渗碳法示意图(录像)

5)工艺: 加热温度为900~950℃; 渗碳时间一般为3~9小时;

6)渗碳后的组织:
表面 中心


1%C P+Fe3CⅡ P

件 P+F
0.2%C F + P少

20钢渗碳缓冷组织 ( 化染 ) 580 ? 表层珠光体 + 网状渗碳体; 中层珠光体; 内层铁素体 + 珠光体

7) 渗碳后的热处理工艺
温 度 930℃

渗碳

850℃ 加 热

淬 火

方案1

方案2
时间

7) 渗碳后的热处理工艺

8) 热处理后的组织

钢种 低碳钢 低碳 合金钢

表层组织
M回+Fe3C+A残 M回+Cm+A残

心部组织 F+P 低碳M回 +F

9)常用的钢种: 15、20、20Cr、20Mn2、 20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。

20CrMnTi 钢渗碳层组织 ( 化染 ) 320 ? 渗碳体( 白色块状 ) + 高碳M( 兰色针状 ) + 残余A( 棕黄色 )

2.钢的渗氮 ( Nitridation of steel )
2)目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能 的零件。
3)用钢: 中碳合金钢。

1)定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。

4)方法:气体渗氮。

5)工艺:加热温度500~600℃; 保温时间0.3~0.5mm/20~50h。 6)热处理特点: 渗氮前需调质处理; 渗氮后不需热处理。 7)渗氮处理后的组织 表层 : Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、 MoN、TiN、VN。 心部 : S回。
8)常用的钢种 : 35 CrMo、18CrNiW、 38 CrMoAlA ( 氮化王牌钢 ) 等。

38 CrMoAl 气体渗氮层组织 ( 化染 ) 650 ? 黄色区 : ε ( Fe2-3N ) + γ’ ( Fe4N ) ; 红色区 : γ’ ( Fe4N ) ; 蓝绿色区:含氮索氏体 + 脉状氮化物; 绿黄色区:索氏体基体。

越王勾践剑
春秋晚期越国青铜兵器,
出土于湖北江陵楚墓。

长55.7厘米, 剑锷锋芒犀利,
锋能割断头发。

渗碳与渗氮的工艺特点
名称 渗碳 渗氮
处理温度 (℃) 900~950 500~600 处理时间 (h) 3~9 20~50 处理后是否需要 热处理

需要 不需要

3.钢的碳氮共渗---氰化处理 ( Carbonitriding of steel )
1)定义:向钢的表面同时渗入碳和氮原 子的过程。
固体碳氮共渗 3)方法: 气体碳氮共渗 液体碳氮共渗

2)目的: 获得具有表硬里韧性能的零件。 高温 中温 低温

4)工艺:
名称 温度(℃) 低温气体碳氮共渗 500~600 中温气体碳氮共渗 800~860

时间(h)
作用 渗层 热处理 性能

1~6
以渗氮为主 0.1~0.4mm 不需要 HRC54~63

1~8
以渗碳为主 0.5~0.8mm 淬火+低温回火 HRC53~60

材料

合金工具钢

合金结构钢

1.有一批含碳量为0.45%的碳钢齿轮,其制造工艺为 圆钢下料 锻造 退火 车削加工 淬火 回火 铣齿 表面淬火。试说明各热处理工序的 名称和作用? 2.有低碳钢齿轮和中碳钢齿轮各一只,为了使齿面具 有高的硬度和耐磨性,问各应采取怎样的热处理,比 较热处理后它们在组织与性能上的差别。 3.试分析减速器齿轮、轴的热处理方法和热处理后的 组织和性能。

珠光体的转变

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上贝氏体的转变

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下贝氏体的转变

返回

马氏体的转变

返回

钢的渗碳

返回

感应加热表面淬火

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感应加热基本原理

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