鋼的熱處理原理和工藝

第五章

鋼的熱處理原理和工藝

熱處理是改善金屬材料使用性能和工藝性能的一種非常重要的工藝方法。熱處理是機械零件及工具制造過程中的重要工序。它擔負著改善工件的組織和性能，充分發(fā)揮材料潛力，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量延長使用壽命的重要任務。重要的機械零件必須經(jīng)熱處理才能獲得良好的使用性能。

§1.鋼的熱處理原理及分類一、熱處理原理1.定義將鋼在固態(tài)范圍內(nèi)，采用適當?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝方法。2.工藝曲線注明：臨界溫度（A1、A3、Acm）

3.原理：熱處理不改變工件的形狀和尺寸，只改變工件的內(nèi)部組織和性能的一種非常重要的工藝方法。根本原因：是由于鐵具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特性，從而使鋼在加熱和冷卻過程中發(fā)生組織和結(jié)構(gòu)上的變化，從而可以改善和提高獲得所需要的使用性能。二、熱處理的分類

常見熱處理車間加熱冷卻保溫§2.鋼在加熱及冷卻時的組織轉(zhuǎn)變一、鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變1.鋼在加熱和冷卻時的相變溫度加熱溫度選擇的理論依據(jù)——鐵碳合金狀態(tài)圖；但實際轉(zhuǎn)變溫度（相變溫度）比狀態(tài)圖上的臨界溫度（A1、A3、Acm）有一定的滯后現(xiàn)象，采用代號表示。即：加熱(c)和冷卻(r)

A3—Ac3—Ar3A1—Ac1—Ar1

Acm—Accm—Arcm

鋼在加熱和冷卻時的臨界溫度2.奧氏體的形形成（以共析鋼為例）(1)奧氏氏體晶核的的形成；(2)奧氏氏體晶核的的長大；(3)殘余余滲碳體的的溶解；(4)奧氏氏體成分的的均勻化。（基本過程程）共析鋼中奧奧氏體形成成過程示意意圖a)形核；b)長大；c)殘余滲碳體體溶解；d)奧氏體均勻勻化奧氏體形成成示意圖4秒6秒8秒15秒對于亞共析析鋼、過共共析鋼的奧奧氏體化過過程：1.亞共析鋼：F+P→→F+A→→A2.過共析鋼：Fe3C+P→→Fe3C+A→→A3.奧氏體晶粒的長大晶粒的長大主要要是依靠較較大晶粒吞并較小晶粒和晶界遷移的方方式進行的的。晶粒的吞并與長長大過程為了防止晶晶粒長的粗大，，嚴格控制制加熱溫度和保溫時間。。4.奧氏體晶粒粒大小的實實際意義：：鋼中奧氏體體晶粒的大大小直接影影響到冷卻卻后的組織織和性能。。奧氏體晶晶粒細小，，則其轉(zhuǎn)變變產(chǎn)物的組組織也較細細小，性能能較好；反反之，轉(zhuǎn)變變產(chǎn)物的組組織則粗大大，而且其其性能也較較差。晶粒號的標標準等級圖圖(100××)二、鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變冷卻方式：：等溫冷卻；；連續(xù)冷卻卻。1.奧氏體的的等溫轉(zhuǎn)變變1）定義不穩(wěn)定的過冷奧氏體經(jīng)過一段時時間的等溫溫保持，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定定的新相的的過程。2）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物珠光體（粗珠光體、索氏體、屈氏體）貝氏體（上貝氏體、下貝氏體）馬氏體（低碳馬氏體、高碳馬氏體）共析鋼等溫冷卻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變曲線圖圖（C曲線或為TTT曲線）表示：過冷奧氏體體的等溫轉(zhuǎn)變溫度~轉(zhuǎn)變時間~轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的關(guān)系。1）珠光體體型轉(zhuǎn)變區(qū)區(qū)（A1~550℃）——高溫等溫轉(zhuǎn)變a）形成溫度范范圍A1~650℃b）組織——珠光體（P）粗片狀珠光體片層間距>0.4μmC）性能強度比較高高，硬度適適中170~220HBW有一定的塑塑性，具有有較好的綜合力學性能。。珠光體組織織3800××a）形成溫度范范圍650℃~600℃b）組織——索氏體（S）細片狀珠光體片層間距0.4~0.2μmC）性能硬度為230~320HBW綜合力學性能優(yōu)優(yōu)于粗珠光體。索氏體組織織8000×a）形成溫度范范圍600℃~550℃b）組織——屈氏體（T）極細片狀珠光體片層間距<0.2μmC）性能硬度為330~400HBW綜合力學性能優(yōu)優(yōu)于索氏體。規(guī)律：形成溫度↓↓；片層間間距↓；硬度↑。。屈氏體組織織8000××2）貝氏體體型轉(zhuǎn)變區(qū)區(qū)（550℃~Ms）——中溫等溫轉(zhuǎn)變形成上貝氏氏體組織。。組織組成：鐵素體+滲碳體組織特征：：鐵素體——長成板條狀狀大致平行行分布滲碳體——呈粒狀或短短桿狀分布布在鐵素體體板條之間間。a）形成溫度范范圍550℃~350℃b）組織——上貝氏體（B上）形態(tài)呈典型型羽毛狀C）性能硬度為40~45HRC強度低，塑性很差，，基本上沒有有使用價值值。下貝氏體組組織組織組成：鐵素體+滲滲碳體組織特征：：鐵素體——長成針片狀狀，互不平平行，有一一定角度，，形成分枝枝；滲碳體——呈粒狀或細細小短條狀狀分布在鐵鐵素體片內(nèi)內(nèi)。a）形成溫度范范圍350℃~Msb）組織——下貝氏體（B下）形態(tài)呈黑色色針葉狀C）性能硬度可達45~55HRC具有較高的的強度及良好的塑性和和韌性。采用等溫淬火方方法可獲得B下，是各種復復雜模具、、量具、刀刀具熱處理理后的一種種理想組織織。下貝氏體組組織630×2）馬氏體體型轉(zhuǎn)變區(qū)區(qū)（Ms~Mf）——低溫連連續(xù)轉(zhuǎn)變①定義碳在α-Fe中的過飽和和固溶體——稱為馬氏體（用M表示）②分類根據(jù)碳含量不同同分為：低碳馬氏體———<0.20%C高碳馬氏體———>0.25%Cabca=b≠c——碳原子低碳馬氏體組織特征：：呈一束一一束相互平平行的細條狀板條條。性能特點：：硬度可達HRC45~50，，具有較高的的強度及良好的韌性。。M板條M板條束低碳馬氏體體組織形態(tài)態(tài)高碳馬氏體組織特征：：斷面呈針狀或片狀性能特點：：硬度均在≥HRC60，表現(xiàn)為硬度度高而脆性大。③馬氏體的性性能特點1、硬度高，，且隨C%的增加而增增加；2、強度高，亦亦隨C%的增加而增增加。④馬氏體轉(zhuǎn)變變特點a）過冷A轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏氏體是一種種非擴散型轉(zhuǎn)變；b）馬氏體轉(zhuǎn)變變是在一定溫度范范圍內(nèi)（Ms~Mf）的連續(xù)冷卻過過程中進行行的；c）馬氏體的轉(zhuǎn)變速度極快，產(chǎn)生生很大的內(nèi)內(nèi)應力，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變時發(fā)生體體積膨脹；；d）馬氏體轉(zhuǎn)變變的不徹底底性，仍有有少量未轉(zhuǎn)變的A被保留下來來，成為殘余奧氏體體（用AR表示）。e）馬氏體中溶溶入過多的的碳而使α-Fe晶格發(fā)生畸畸變，形成組織不不穩(wěn)定；f）過冷A轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏氏體所需的的最小冷卻卻速度稱為為臨界冷卻速速度（用?c表示）。指出：每一種鋼的的臨界冷卻速速度都不同。要要想獲得馬馬氏體組織織，必須使使其冷卻速度>?c。這種操作叫叫淬火。獲得馬氏體體是強化鋼鋼材的一種種重要組織。二、奧氏體體的連續(xù)冷冷卻轉(zhuǎn)變（CCT）在實際熱處處理生產(chǎn)中中，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變變多數(shù)是在連續(xù)冷卻卻過程中進進行的，除了等溫轉(zhuǎn)變獲得貝氏體組織；另外外常采用連續(xù)冷卻曲線（CCT）與等溫轉(zhuǎn)變曲線（TTT）疊加，近似地分析析連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的組織和性性能。VcMM+PP

共析碳鋼CCT曲線MsMfVcMM+PP

共析碳鋼CCT曲線①②③共析碳鋼TTT曲線亞共析鋼、、共析鋼、、過共析鋼鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變曲線比較亞共析鋼共析鋼過共析鋼§3.鋼的熱處理工藝機械零件的的一般加工工工藝順序序：鑄造或鍛造造→退火和正火→機械粗加工→淬火+回火火（或表面熱處理）→機械精加工其中：退火和正火——預備熱處理理淬火+回火火——最后熱處理理一、退火1.定義：將鋼加熱到到適當溫度度，保溫一一定時間，，然后緩慢慢冷卻（一一般為隨爐爐冷卻），，以獲得接接近平衡狀狀態(tài)組織的的熱處理工工藝叫做退退火。2.退火分類：；a.擴散退火：：Ac3+200℃～300℃b.完全退火：：Ac3+20℃～50℃c.球化退火：：Ac1+20℃～30℃d.去應力退火火：＜Ac1；500℃℃～650℃3.退火目的：：1）降低硬硬度，提高高鋼的塑性性，以利于于機械加工工；2）細化晶晶粒，均勻勻組織，為為淬火工序序做好準備備；3）消除內(nèi)應力力，防止工件件變形和開開裂；4）消除或減輕輕偏析、帶帶狀組織。。4.退火應用：：1）擴散退火：：適宜合金鋼錠和和大型鑄鋼鋼件；2）完全退火火：適宜亞亞共析鋼，，不適宜過過共析鋼；；3）球化退火火：適宜共共析鋼和過過共析鋼；；4）低溫退火火：適宜鑄造、鍛造造或焊接及及切削加工后的高高精度工件件。二、正火1.定義：將鋼加熱到到Ac3以上30～50℃（亞共析鋼鋼）或Accm以上30～50℃（過共析鋼鋼），保溫溫后在空氣中冷卻卻的一種熱處理工工藝。2.正火的目的的和應用是使鋼的組組織正?；?，亦稱———?；幪幚恚灰话銘糜谟谝韵路矫婷妫?）作為最終終熱處理——要求不不高的普通通結(jié)構(gòu)件；；2）作為預先先熱處理———含碳量高的的過共析鋼鋼；3）改善切切削加工性性能———低、中碳合合金結(jié)構(gòu)鋼鋼。正火的作用用與退火相相似，與退火不同之處是：正火是在空空氣中冷卻卻，冷卻速速度快，所所獲得的組組織更細。。b.正火后的強強度、硬度度較退火后后的稍高，，而塑性、、韌性則稍稍低。c.不占用設(shè)備備；生產(chǎn)率率高。三、淬火火1.定義：將鋼加熱到到Ac3以上30～50℃（亞共析鋼鋼）或Ac1以上30～50℃（過共析鋼鋼），保溫溫后在淬火火介質(zhì)中快快速冷卻以以獲得馬氏體組織（M）的一種熱處處理工藝。鋼的淬透性與淬硬性區(qū)別：淬透性——在規(guī)定定的條件下下，鋼接受受淬火時獲得馬氏氏體組織深深度的能力力。淬硬性——鋼淬火火后能夠達達到的最高高硬度，它主要決定定于馬氏體體中的含碳碳量。指出：淬透性好的鋼淬硬性不一定高。。2．淬火介質(zhì)：淬火時為了了得到足夠夠的冷卻速速度，以保保證奧氏體體向馬氏體體轉(zhuǎn)變，又又不致由于于冷卻速度度過大而引引起內(nèi)應力力增大，造造成零件變變形和開裂裂。常用的淬火火冷卻介質(zhì)質(zhì)：水、鹽水、、油、硝鹽鹽浴和空氣氣等。3．淬火方法選選擇根據(jù)鋼材成成分及對組組織、性能能和工件尺寸寸精度的要要求，在保保證技術(shù)要求規(guī)定的的前提下，，應選擇簡簡便而經(jīng)濟的淬火冷冷卻方法。。4.鋼的淬火缺陷1）氧化與與脫碳2）過熱與與過燒3）變形與與開裂4）硬度不足5）淬火軟軟點四、回火回火是緊接接淬火之后進行的的，通常也也是零件進進行熱處理理的最后一道工序。目的是消除除和減小內(nèi)內(nèi)應力、穩(wěn)穩(wěn)定組織、、調(diào)整性能能，獲得較較好的強度度和韌性。。因為，淬火火鋼的組織織主要由馬馬氏體和少少量殘余奧奧氏體組成成(有時還還有未溶碳碳化物)，，存在很大大內(nèi)應力，，如不及時消消除，將會會引起工件件的變形、、甚至開裂裂。淬火組組織很不穩(wěn)穩(wěn)定，有向向穩(wěn)定組織織轉(zhuǎn)變的趨趨勢，而且且組織脆性性大，韌性性低，一般般不能直接使使用。1.定義：將鋼加熱到到Ac1以下某一溫溫度，保溫溫一定時間間后，冷卻卻到室溫的的一種熱處處理工藝。。2.目的：1）降低內(nèi)內(nèi)應力，防防止工件變變形、開裂裂；2）調(diào)整性性能（提高高淬火鋼的的塑性和韌韌性）滿足生產(chǎn)需需要；3）穩(wěn)定組組織，防止止尺寸變化化；4）降低硬硬度，便于于切削加工工?；鼗鹜橇慵a(chǎn)中的的最后一道道工序，決決定鋼件最最后的性能能。3.回火時的組組織轉(zhuǎn)變1）馬氏體分解解（80～200℃）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：：回火M+殘余A2）殘余奧氏體體分解（（200～～300℃）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：：回火M3）滲碳體形成成（300～400℃）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：：回火T4）滲碳體聚集集長大（>400℃℃）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：：回火S4.回火后的組組織和應力力變化5.回火時的分分類及應用用1）低溫回火：150～250℃，，56～64HRC，獲得高的硬度和耐磨性；2）中溫回火：350～500℃，，35～50HRC，獲得高的彈性極限；；3）高溫回火：550～650℃，，20～35HRC，獲得良好的的綜合性能。。生產(chǎn)上：淬火+高溫回火———稱作調(diào)質(zhì)處理§4.鋼的表面熱處理在機械設(shè)備備中，有許許多零件，，如：齒輪輪、花鍵軸軸、活塞銷銷等，要求求表面具有高的硬硬度和耐磨磨性．而心部卻要求一定定的強度和和足夠的韌韌性。在這這種情況下下，要達到到上述要求求，如果僅僅從材料方方面去解決決是很困難難的。如：選用高碳鋼，淬火后表面硬度雖然很很高，但心部韌性不足；；如：采用用低碳鋼，雖然心部韌性好，但但表面硬度和耐磨磨性低。這這就需要對對零件進行行表面熱處處理，以達達到強化表表面的目的的，即：所所謂‘外硬內(nèi)韌’’的性能要求求。表面熱處理理分為兩類類：一類是只改變工件表面面組織而而不改變表面化學學成分的的熱處理理，稱為為表面淬火火。另一類是是既改變表面化學成成分又改變表面組織的的熱處理，，稱為化學熱處理理。一、表面淬淬火1.定義是將鋼件的的表面層淬淬透到一定定的深度，，而心部仍仍保持未淬淬火前狀態(tài)態(tài)的一種局局部淬火方方法。2.方法（快速加熱））火焰加熱、感應加熱、電接觸加熱、激光加熱等表面淬火方方法。目前生產(chǎn)上上最常用是是：火焰加熱表面淬火；；感應加熱表面淬火。。3.目的獲得高硬度度、高耐磨磨性的表層層，而心部部仍保持良良好的韌性性。1）火焰加加熱表面淬淬火應用氧-乙乙炔火焰對對零件表面進行快快速加熱并并隨后快速速冷卻的工工藝。特點：不需要特殊殊設(shè)備，淬火質(zhì)量不不夠穩(wěn)定；；適合單件或或小批量生生產(chǎn)。2）感應加加熱表面淬淬火利用感應電電流通過工工件所產(chǎn)生生的熱效應應，使得工工件表面受受到局部加加熱，并進進行快速冷冷卻的淬火火工藝。特點：加熱速度冷冷卻快，淬火質(zhì)量好好；適合大批量量生產(chǎn)。3）感應加加熱表面淬火電流頻頻率與淬硬層的關(guān)關(guān)系：指出：頻率越高淬硬層深度度越淺；生產(chǎn)上根據(jù)據(jù)零件技術(shù)術(shù)要求，通通過調(diào)整頻頻率獲得需要使用用性能。二、化學熱熱處理1）定義將工件置于于一定溫度度的活性介介質(zhì)中保溫溫，使一種種或幾種元元素滲入工件的的表層以改變其化學成分分、組織和性能能的熱處理理工藝稱為為化學熱處理理。2）目的與其它熱處處理相比，，能更有效效地改變零件表層的使用性能。。3）分類根據(jù)滲入元素不同可可分為：滲C、滲N、C-N共滲、滲B以及滲金屬屬（Cr、Al、Zn））等。1.化學熱熱處理的原原理基本過程：：1）分解——首先在在氣氛中產(chǎn)產(chǎn)生活性原原子；2）吸收——工件表表面吸收活活性原子；；3）擴散——表面吸吸收活性原原子產(chǎn)生濃濃度差，向向中心遷移，經(jīng)經(jīng)過一段時時間后，形形成一定厚厚度的擴散層（滲層）。2.鋼的滲碳方法：固體滲碳碳、氣體滲滲碳、液體體（鹽?。B碳滲C過程：將零件加熱熱到930℃，開開始滴入滲碳劑（煤油、丙丙酮、甲醇醇），經(jīng)分解后開始向低碳碳鋼的表面滲滲入碳原子，隨隨著時間的的延長，使使表層的含C量可達1.0%，成成為高碳鋼鋼；然后經(jīng)經(jīng)表面淬火和低低溫回火后后，使得零零件的表面面硬度可達56~64HRC，而心部仍仍然是保持持低碳鋼，，得到一種所謂———‘外硬內(nèi)韌’的使用性性能。滲碳后的組組織3.鋼的滲氮在A1溫度以下，，使活性氮原子滲入工工件表面的的一種化學學熱處理工工藝，稱為為滲氮。目的：提高工件件表層的硬硬度、耐磨磨性、紅硬硬性、耐蝕蝕性和疲勞勞強度。方法——通入氨氨氣（NH3）介質(zhì)。1）氣體滲氮：——加熱熱（500~600℃）分解出[N]原子；2）離子滲氮：——高壓形形成輝光放放電分解出[N]離子。滲氮專用鋼鋼：通常是指含含有Cr、Mo、Al等合金元素素的鋼。例如：38CrMoAl就是一種典典型的滲氮氮用鋼。因為這些合合金元素與與氮元素形形成非常穩(wěn)穩(wěn)定的氮化物。獲得的氮化化層薄而致致密，一般般為0.1~0.6mm。鋼件氮化后后具有很高硬硬度，1000HV以上（相當當于69~72HRC），，并且當加熱熱至600~650℃使用時仍能保持高高硬度，即即：具有高高的耐磨性和紅硬性。38CrMoAl氮化工藝滲氮工件的的工藝路線：：鍛造退退火機機械粗粗加工調(diào)調(diào)質(zhì)機機械械細加工去去應應力退火粗粗磨磨滲氮精精磨或研磨。。38CrMoAl氮化后組織織形態(tài)及性性能表層組織：：白亮層+針狀氮化化物表層厚度：一般般為0.1~0.6mm表層硬度：：在1000HV以上（相當當于69~72HRC）表層性能：：高的耐磨性和紅硬性4.碳-氮共滲滲碳-氮共滲滲就是同時時向零件表表面滲入碳和氮的化學熱處處理工藝，，也稱為氰化。一般采用高溫（820~870℃）或低溫（<570℃）兩種氣體碳-氮氮共滲。高溫碳-氮共滲滲以滲碳為為主，獲得得高碳低氮氮表層；低溫碳-氮共滲滲以滲氮為為主，實質(zhì)質(zhì)為軟氮化。碳-氮共滲滲后的機械械性能及應應用：(1)共滲及淬火火后,得到的是含含碳、氮馬氏體+細小碳-氮化合合物，耐磨性比滲碳更好好。(2)共滲層具有有比滲碳層層更高的壓壓應力,因而疲勞強度更高,耐蝕性也較好。(3)高溫碳-氮氮共滲常用于汽車車和機床上上的齒輪、、蝸桿和軸類等等零件。(4)軟氮化常用于處理理模具、量量具和高速速鋼刀具。。鋼的熱處理理新技術(shù)為了進一步步提高零件件機械性能能和表面質(zhì)質(zhì)量,節(jié)節(jié)約能源，，降低成本本，提高經(jīng)經(jīng)濟效益,以及減減少或防止止環(huán)境污染染等,發(fā)發(fā)展了許多多熱處理新新技術(shù)、新新工藝。1.形變熱熱處理———塑性變形+熱處理；2.亞溫熱熱處理———加熱溫度在在兩相區(qū)：：AC1~AC3；3.激光熱處理———高能量密度度快速加熱和快速冷卻；4.保護氣氣氛熱處理理——通入N氣和Ar氣加熱；5.真空熱處理理——真空中（0.0133～1.33Pa）加熱。9、靜夜四四無鄰，，荒居舊舊業(yè)貧。。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、雨中黃黃葉樹，，燈下白白頭人。。。21:57:5321:57:5321:5712/28/20229:57:53PM11、以我獨沈沈久，愧君君相見頻。。。12月-2221:57:5321:57Dec-2228-Dec-2212、故故人人江江海海別別，，幾幾度度隔隔山山川川。。。。21:57:5321:57:5321:57Wednesday,December28,202213、乍見翻疑夢夢，相悲各問問年。。12月-2212月-2221:57:5321:57:53December28,202214、他鄉(xiāng)鄉(xiāng)生白白發(fā)，，舊國國見青青山。。。28十十二二月20229:57:53下下午21:57:5312月月-2215、比不了了得就不不比，得得不到的的就不要要。。。十二月229:57下午午12月-2221:57December28,202216、行動出出成果，，工作出出財富。。。2022/12/2821:57:5321:57:5328December202217、做前，能夠夠環(huán)視四周；；做時，你只只能或者最好好沿著以腳為為起點的射線線向前。。9:57:53下午9:57下下午21:57:5312月-229、沒沒有有失失敗敗，，只只有有暫暫時時停停止止成成功功！！。。12月月-2212月月-22Wednesday,December28,202210、很多多事情情努力力了未未必有有結(jié)果果，但但是不不努力力卻什什么改改變也也沒有有。。。21:57:5321:57:5321:5712/28/20229:57:53PM11、成功功就是是日復復一日日那一一點點點小小小努力力的積積累。。。12月月-2221:57:5321:57Dec-2228-Dec-2212、世間成成事，不不求其絕絕對圓滿滿，留一一份不足足，可得得無限完完美。。。21:57:5321:57:5321:57Wednesday,December28,202213、不不知知香香積積寺寺，，數(shù)數(shù)里里入入云云峰峰。。。。12月月-2212月月-2221:57:5321:57:53December28,202214、意志