機械工程材料 第五章 鋼的熱處理

第五章鋼的熱處理改善鋼的性能，主要有兩條途徑：一是合金化，這是下幾章研究的內(nèi)容；二是熱處理，這是本章要研究的內(nèi)容。第一節(jié)概述1、熱處理：是指將鋼在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的組織結構，獲得所需要性能的一種工藝.為簡明表示熱處理的基本工藝過程，通常用溫度—時間坐標繪出熱處理工藝曲線。

在機床制造中約60-70%的零件要經(jīng)過熱處理。在汽車、拖拉機制造業(yè)中需熱處理的零件達70-80%。熱處理是一種重要的加工工藝，在制造業(yè)被廣泛應用.

模具、滾動軸承100%需經(jīng)過熱處理?？傊?，重要零件都需適當熱處理后才能使用。2、熱處理特點:熱處理區(qū)別于其他加工工藝如鑄造、壓力加工等的特點是只通過改變工件的組織來改變性能，而不改變其形狀。

鑄造軋制3、熱處理適用范圍:只適用于固態(tài)下發(fā)生相變的材料，不發(fā)生固態(tài)相變的材料不能用熱處理強化。

4、熱處理分類熱處理原理：描述熱處理時鋼中組織轉變的規(guī)律稱熱處理原理。熱處理工藝：根據(jù)熱處理原理制定的溫度、時間、介質(zhì)等參數(shù)稱熱處理工藝。(a)940淬火+220回火（板條M回+A‘少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板條M+條狀F+A’少）(e)940淬火+780淬火+220回火（板條M回+條狀F+A‘少）(f)780淬火+220回火（板條M回+塊狀F）

20CrMnTi鋼不同熱處理工藝的顯微組織根據(jù)加熱、冷卻方式及鋼組織性能變化特點不同，將熱處理工藝分類如下：其他熱處理普通熱處理表面熱處理熱處理退火正火淬火回火真空熱處理形變熱處理激光熱處理控制氣氛熱處理表面淬火—感應加熱、火焰加熱、電接觸加熱等化學熱處理—滲碳、氮化、碳氮共滲、滲其他元素等5、預備熱處理與最終熱處理預備熱處理—為隨后的加工（冷拔、沖壓、切削）或進一步熱處理作準備的熱處理。最終熱處理—賦予工件所要求的使用性能的熱處理.預備熱處理最終熱處理W18Cr4V鋼熱處理工藝曲線時間溫度/℃

鋼加熱時的實際轉變溫度分別用Ac1、Ac3、Accm表示;冷卻時的實際轉變溫度分別用Ar1、Ar3、Arcm表示。由于加熱冷卻速度直接影響轉變溫度，因此一般手冊中的數(shù)據(jù)是以30-50℃/h的速度加熱或冷卻時測得的.6、臨界溫度與實際轉變溫度鐵碳相圖中PSK、GS、ES線分別用A1、A3、Acm表示.實際加熱或冷卻時存在著過冷或過熱現(xiàn)象，因此將第二節(jié)鋼在加熱時的轉變加熱是熱處理的第一道工序。加熱分兩種：一種是在A1以下加熱，不發(fā)生相變；另一種是在臨界點以上加熱，目的是獲得均勻的奧氏體組織，稱奧氏體化。鋼坯加熱一、奧氏體的形成過程奧氏體化也是形核和長大的過程，分為四步。現(xiàn)以共析鋼為例說明：第一步奧氏體晶核形成：首先在與Fe3C相界形核。第二步奧氏體晶核長大：晶核通過碳原子的擴散向和Fe3C方向長大。第三步殘余Fe3C溶解:鐵素體的成分、結構更接近于奧氏體，因而先消失。殘余的Fe3C隨保溫時間延長繼續(xù)溶解直至消失。第四步奧氏體成分均勻化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通過長時間保溫使奧氏體成分趨于均勻。溫度，℃共析鋼奧氏體化曲線（875℃退火）共析鋼奧氏體化過程亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體化過程與共析鋼基本相同。但由于先共析或二次Fe3C的存在，要獲得全部奧氏體組織，必須相應加熱到Ac3或Accm以上.二、奧氏體晶粒長大及其影響因素1、奧氏體晶粒長大奧氏體化剛結束時的晶粒度稱起始晶粒度,此時晶粒細小均勻。隨加熱溫度升高或保溫時間延長，奧氏體晶粒將進一步長大，這也是一個自發(fā)的過程。奧氏體晶粒長大過程與再結晶晶粒長大過程相同。

溫來判斷。

晶粒度為1-4級的是本質(zhì)粗晶粒鋼,5-8級的是本質(zhì)細晶粒鋼。前者晶粒長大傾向大，后者晶粒長大傾向小。

在給定溫度下奧氏體的晶粒度稱實際晶粒度。加熱時奧氏體晶粒的長大傾向稱本質(zhì)晶粒度。通常將鋼加熱到94010℃奧氏體化后，設法把奧氏體晶粒保留到室2、影響奧氏體晶粒長大的因素⑴加熱溫度和保溫時間:加熱溫度高、保溫時間長,晶粒粗大.⑵加熱速度:加熱速度越快,過熱度越大,形核率越高,晶粒越細.⑶合金元素：阻礙奧氏體晶粒長大的元素:Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。析出顆粒對黃銅晶界的釘扎Nb/%奧氏體晶粒尺寸/μmNb、Ti對奧氏體晶粒的影響促進奧氏體晶粒長大的元素：Mn、P、C、N。⑷原始組織:平衡狀態(tài)的組織有利于獲得細晶粒。奧氏體晶粒粗大，冷卻后的組織也粗大，降低鋼的常溫力學性能，尤其是塑性。因此加熱得到細而均勻的奧氏體晶粒是熱處理的關鍵問題之一。箱式可控氣氛多用爐真空熱處理爐第三節(jié)鋼在冷卻時的轉變冷卻是熱處理更重要的工序。一、過冷奧氏體的轉變產(chǎn)物及轉變過程處于臨界點A1以下的奧氏體稱過冷奧氏體。過冷奧氏體是非穩(wěn)定組織，遲早要發(fā)生轉變。隨過冷度不同，過冷奧氏體將發(fā)生珠光體轉變、貝氏體轉變和馬氏體轉變?nèi)N類型轉變?，F(xiàn)以共析鋼為例說明：

㈠珠光體轉變1、珠光體的組織形態(tài)及性能過冷奧氏體在A1到550℃間將轉變?yōu)橹楣怏w類型組織，它是鐵素體與滲碳體片層相間的機械混合珠光體索氏體托氏體物，根據(jù)片層厚薄不同,又細分為珠光體、索氏體和托氏體.⑴珠光體：形成溫度為A1-650℃，片層較厚，500倍光鏡下可辨，用符號P表示.光鏡下形貌電鏡下形貌三維珠光體如同放在水中的包心菜⑵索氏體形成溫度為650-600℃,片層較薄，800-1000倍光鏡下可辨，用符號S表示。電鏡形貌光鏡形貌⑶托氏體形成溫度為600-550℃，片層極薄，電鏡下可辨，用符號T表示。電鏡形貌光鏡形貌珠光體、索氏體、屈氏體三種組織無本質(zhì)區(qū)別，只是形態(tài)上的粗細之分，因此其界限也是相對的。片間距bHRC片間距越小，鋼的強度、硬度越高，而塑性和韌性略有改善。2、珠光體轉變過程珠光體轉變也是形核和長大的過程。滲碳體晶核首先在奧氏體晶界上形成，在長大過程中，其兩側奧

長大，形成一個珠光體團。珠光體轉變是擴散型轉變。氏體的含碳量下降，促進了鐵素體形核，兩者相間形核并珠光體轉變珠光體轉變過程珠光體轉變過程觀察㈡貝氏體轉變1、貝氏體的組織形態(tài)及性能過冷奧氏體在550℃-230℃(Ms)間將轉變?yōu)樨愂象w類型組織，貝氏體用符號B表示。根據(jù)其組織形態(tài)不同，貝氏體又分為上貝氏體(B上)和下貝氏體(B下).上貝氏體下貝氏體⑴上貝氏體形成溫度為550-350℃。在光鏡下呈羽毛狀.在電鏡下為不連續(xù)棒狀的滲碳體分布于自奧氏體晶界向晶內(nèi)平行生長的鐵素體條之間。光鏡下電鏡下⑵下貝氏體形成溫度為350℃-Ms。在光鏡下呈竹葉狀。光鏡下電鏡下在電鏡下為細片狀碳化物分布于鐵素體針內(nèi)，并與鐵素體針長軸方向呈55-60o角。上貝氏體強度與塑性都較低，無實用價值。下貝氏體除了強度、硬度較高外，塑性、韌性也較好，即具有良好的綜合力學性能，是生產(chǎn)上常用的強化組織之一。上貝氏體貝氏體組織的透射電鏡形貌下貝氏體2、貝氏體轉變過程貝氏體轉變也是形核和長大的過程。發(fā)生貝氏體轉變時,首先在奧氏體中的貧碳區(qū)形成鐵素體晶核，其含碳量介于奧氏體與平衡鐵素體之間，為過飽和鐵素體。當轉變溫度較高（550-350℃)時，條片狀鐵素體從奧氏體晶界向晶內(nèi)平行生長，隨鐵素體條伸長和變寬，其碳原子向條間奧氏體富集，最后在鐵素體條間析出Fe3C短棒，奧氏體消失，形成B上。上貝氏體轉變過程上貝氏體轉變過程觀察貝氏體轉變屬半擴散型轉變，即只有碳原子擴散而鐵原子不擴散，晶格類型改變是通過切變實現(xiàn)的。

當轉變溫度較低（350-230℃)時，鐵素體在晶界或晶內(nèi)某些晶面上長成針狀，由于碳原子擴散能力低,其遷移不能逾越鐵素體片的范圍，碳在鐵素體的一定晶面上以斷續(xù)碳化物小片的形式析出。

下貝氏體轉變㈢馬氏體轉變當奧氏體過冷到Ms以下將轉變?yōu)轳R氏體類型組織。馬氏體轉變是強化鋼的重要途徑之一。1、馬氏體的晶體結構碳在-Fe中的過飽和固溶體稱馬氏體，用M表示。馬氏體組織馬氏體轉變時，奧氏體中的碳全部保留到馬氏體中.馬氏體具有體心正方晶格（a=b≠c）軸比c/a稱馬氏體的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸變越嚴重。當＜0.25%C時，c/a=1，此時馬氏體為體心立方晶格.2、馬氏體的形態(tài)馬氏體的形態(tài)分板條和針狀兩類。⑴板條馬氏體立體形態(tài)為細長的扁棒狀在光鏡下板條馬氏體為一束束的細條組織。光鏡下電鏡下每束內(nèi)條與條之間尺寸大致相同并呈平行排列，一個奧氏體晶粒內(nèi)可形成幾個取向不同的馬氏體束。在電鏡下，板條內(nèi)的亞結構主要是高密度的位錯，=1012/cm2,又稱位錯馬氏體。SEMTEM⑵針狀馬氏體立體形態(tài)為雙凸透鏡形的片狀。顯微組織為針狀。在電鏡下，亞結構主要是孿晶，又稱孿晶馬氏體。電鏡下電鏡下光鏡下⑶馬氏體的形態(tài)主要取決于其含碳量C%小于0.2%時，組織幾乎全部是板條馬氏體。C%大于1.0%C時幾乎全部是針狀馬氏體.C%在0.2~1.0%之間為板條與針狀的混合組織。馬氏體形態(tài)與含碳量的關系0.45%C0.2%C1..2%C45鋼正常淬火組織先形成的馬氏體片橫貫整個奧氏體晶粒，但不能穿過晶界和孿晶界。后形成的馬氏體片不能穿過先形成的馬氏體片，所以越是后形成的馬氏體片越細小.原始奧氏體晶粒細，轉變后的馬氏體片也細。當最大馬氏體片細到光鏡下無法分辨時，該馬氏體稱隱晶馬氏體.馬氏體轉變觀察3、馬氏體的性能高硬度是馬氏體性能的主要特點。馬氏體的硬度主要取決于其含碳量。含碳量增加，其硬度增加。當含碳量大于0.6%時，其硬度趨于平緩。合金元素對馬氏體硬度的影響不大。馬氏體硬度、韌性與含碳量的關系C%馬氏體強化的主要原因是過飽和碳引起的固溶強化。此外，馬氏體轉變產(chǎn)生的組織細化也有強化作用。馬氏體的塑性和韌性主要取決于其亞結構的形式。針狀馬氏體脆性大，板條馬氏體具有較好的塑性和韌性.針狀馬氏體板條馬氏體馬氏體的透射電鏡形貌4、馬氏體轉變的特點馬氏體轉變也是形核和長大的過程。其主要特點是：⑴無擴散性鐵和碳原子都不擴散，因而馬氏體的含碳量與奧氏體的含碳量相同。⑵共格切變性由于無擴散，晶格轉變是以切變機制進行的。使切變部分的形狀和體積發(fā)生變化，引起相鄰奧氏體隨之變形，在預先拋光的表面上產(chǎn)生浮凸現(xiàn)象。馬氏體轉變切變示意圖馬氏體轉變產(chǎn)生的表面浮凸⑶降溫形成馬氏體轉變開始的溫度稱上馬氏體點，用Ms表示.馬氏體轉變終了溫度稱下馬氏體點，用Mf表示.只要溫度達到Ms以下即發(fā)生馬氏體轉變。在Ms以下，隨溫度下降,轉變量增加，冷卻中斷,轉變停止。MfMsM(50%)M(90%)⑷高速長大馬氏體形成速度極快，瞬間形核，瞬間長大。當一片馬氏體形成時，可能因撞擊作用使已形成的馬氏體產(chǎn)生裂紋。⑸轉變不完全’即使冷卻到Mf點，也不可能獲得100%的馬氏體，總有部分奧氏體未能轉變而殘留下來，稱殘余奧氏體，用A’或’表示。Ms、Mf與冷速無關，主要取決于奧氏體中的合金元素含量（包括碳含量）。馬氏體轉變后，A’量隨含碳量的增加而增加，當含碳量達0.5%后，A’量才顯著。含碳量對馬氏體轉變溫度的影響含碳量對殘余奧氏體量的影響過冷奧氏體轉變產(chǎn)物（共析鋼）

轉變類型轉變產(chǎn)物形成溫度，℃轉變機制顯微組織特征HRC獲得工藝珠光體PA1~650擴散型粗片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布5-20退火S650~600細片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布20-30正火T600~550極細片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布30-40等溫處理貝氏體B上550~350半擴散型羽毛狀，短棒狀Fe3C分布于過飽和F條之間40-50等溫處理B下350~MS竹葉狀，細片狀Fe3C分布于過飽和F針上50-60等溫淬火馬氏體M針MS~Mf無擴散型針狀60-65淬火M*板條MS~Mf板條狀50淬火二、過冷奧氏體轉變圖過冷奧氏體的轉變方式有等溫轉變和連續(xù)冷卻轉變兩種。兩種冷卻方式示意圖1——等溫冷卻2——連續(xù)冷卻過冷奧氏體的等溫轉變圖是表示奧氏體急速冷卻到臨界點A1以下在各不同溫度下的保溫過程中轉變量與轉變時間的關系曲線.又稱C曲線、S曲線或TTT曲線。㈠過冷奧氏體的等溫轉變圖(Time-Temperature-Transformationdiagram)1、C曲線的建立以共析鋼為例：⑴取一批小試樣并進行奧氏體化.⑵將試樣分組淬入低于A1點的不同溫度的鹽浴中,隔一定時間取一試樣淬入水中。⑶測定每個試樣的轉變量，確定各溫度下轉變量與轉變時間的關系。⑷將各溫度下轉變開始時間及終了時間標在溫度—時間坐標中，并分別連線。轉變開始點的連線稱轉變開始線。轉變終了點的連線稱轉變終了線。A1-Ms間及轉變開始線以左的區(qū)域為過冷奧氏體區(qū)。轉變終了線以右及Mf以下為轉變產(chǎn)物區(qū)。兩線之間及Ms與Mf之間為轉變區(qū)。時間溫度A1MSMfA過冷PBMA→MA→BA→P轉變開始線轉變終了線奧氏體5506502s10s5s2s5s10s30s40s2、C曲線的分析⑴轉變開始線與縱坐標之間的距離為孕育期。孕育期越小，過冷奧氏體穩(wěn)定性越小.孕育期最小處稱C曲線的“鼻尖”。碳鋼鼻尖處的溫度為550℃。在鼻尖以上,溫度較高，相變驅動力小.在鼻尖以下，溫度較低，擴散困難。從而使奧氏體穩(wěn)定性增加。⑵C曲線明確表示了過冷奧氏體在不同溫度下的等溫轉變產(chǎn)物。3、影響C曲線的因素⑴成分的影響①含碳量的影響：共析鋼的過冷奧氏體最穩(wěn)定，C曲線最靠右。Ms與Mf點隨含碳量增加而下降。與共析鋼相比，亞共析鋼和過共析鋼C曲線的上部各多一條先共析相的析出線。Cr對C曲線的影響②合金元素的影響除Co外,凡溶入奧氏體的合金元素都使C曲線右移。除Co和Al外,所有合金元素都使Ms與Mf點下降。推桿式電阻爐⑵奧氏體化條件的影響奧氏體化溫度提高和保溫時間延長，使奧氏體成分均勻、晶粒粗大、未溶碳化物減少，增加了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移。使用C曲線時應注意奧氏體化條件及晶粒度的影響.㈡過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉變圖過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉變圖又稱CCT(Continuous-Cooling-Transformationdiagram)曲線，是通過測定不同冷速下過冷奧氏體的轉變量獲得的。共析鋼CCT曲線過共析鋼CCT曲線亞共析鋼CCT曲線1、共析鋼的CCT曲線共析鋼的CCT曲線沒有貝氏體轉變區(qū)，在珠光體轉變區(qū)之下多了一條轉變中止線。當連續(xù)冷卻曲線碰到轉變中止線時，珠光體轉變中止，余下的奧氏體一直保持到Ms以下轉變?yōu)轳R氏體。Vk’Vk共析鋼的CCT曲線圖中的Vk為CCT曲線的臨界冷卻速度，即獲得全部馬氏體組織時的最小冷卻速度.Vk’為TTT曲線的臨界冷卻速度.Vk’1.5Vk。Vk’Vk時間/s溫度/℃共析鋼的CCT圖共析溫度連續(xù)冷卻轉變曲線完全退火正火等溫轉變曲線油淬水淬M+A’M+T+A’SP200100CCT曲線位于TTT曲線右下方。CCT曲線獲得困難，TTT曲線容易測得?？捎肨TT曲線定性說明連續(xù)冷卻時的組織轉變情況。方法是將連續(xù)冷卻曲線繪在C曲線上，依其與C曲線交點的位置來說明最終轉變產(chǎn)物.用TTT曲線定性說明共析鋼連續(xù)冷卻時的組織轉變爐冷空冷油冷水冷PST+M+A’M+A’P均勻A細AP退火(爐冷)正火(空冷)S淬火(油冷)T+M+A’M+A’淬火(水冷)A1MSMf時間650℃600℃550℃45鋼850℃油冷組織M+T2、過共析鋼CCT曲線也無貝氏體轉變區(qū),但比共析鋼CCT曲線多一條A→Fe3C轉變開始線。由于Fe3C的析出,奧氏體中含碳量下降,因而Ms線右端升高.3、亞共析鋼CCT曲線有貝氏體轉變區(qū)，還多A→F開始線,F析出使A含碳量升高,因而Ms線右端下降.過共析鋼CCT曲線亞共析鋼CCT曲線第四節(jié)鋼的退火與正火

機械零件的一般加工工藝為：毛坯（鑄、鍛）→預

備熱處理→機加工→最終熱處理。退火與正火主要用于預備熱處理，只有當工件性能要求不高時才作為最終熱處理。一、退火將鋼加熱至適當溫度保溫，然后緩慢冷卻(爐冷)的熱處理工藝叫做退火。1、退火目的⑴調(diào)整硬度，便于切削加工。適合加工的硬度為170-250HB。⑵消除內(nèi)應力，防止加工中變形。⑶細化晶粒，為最終熱處理作組織準備。真空退火爐2、退火工藝退火的種類很多，常用的有完全退火、等溫退火、球化退火、擴散退火、去應力退火、再結晶退火。⑴完全退火將工件加熱到Ac3+30~50℃保溫后緩冷的退火工藝，主要用于亞共析鋼.⑵等溫退火亞共析鋼加熱到Ac3+30~50℃,共析、過共析鋼加熱到Ac1+30~50℃，保溫后快冷到Ar1以下的某一溫度下停留，待相變完成后出爐空冷。等溫退火可縮短工件在爐內(nèi)停留時間，更適合于孕育期長的合金鋼.高速鋼等溫退火與普通退火的比較⑶球化退火球化退火是將鋼中滲碳體球狀化的退火工藝。它是將工件加熱到Ac1+30-50℃保溫后緩冷，或者加熱后冷卻到略低于Ar1的溫度下保溫，使珠光體中的滲碳體球化后出爐空冷。主要用于共析、過共析鋼。球化退火的組織為鐵素體基體上分布著顆粒狀滲碳體的組織，稱球狀珠光體,用P球表示。球狀珠光體對于有網(wǎng)狀二次滲碳體的過共析鋼，球化退火前應先進行正火，以消除網(wǎng)狀.二、正火正火是將亞共析鋼加熱到Ac3+30~50℃，共析鋼加熱到Ac1+30~50℃，過共析鋼加熱到Accm+30~50℃保溫后空冷的工藝。正火比退火冷卻速度大。1、正火后的組織：●<0.6%C時，組織為F+S；●0.6%C時，組織為S。正火溫度正火2、正火的目的⑴對于低、中碳鋼(≤0.6C%)，目的與退火的相同。⑵對于過共析鋼，用于消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火作組織準備。⑶普通件最終熱處理。要改善切削性能，低碳鋼用正火，中碳鋼用退火或正火,高碳鋼用球化退火.熱處理與硬度關系合適切削加工硬度第五節(jié)鋼的淬火淬火是將鋼加熱到臨界點以上，保溫后以大于Vk速

度冷卻，使奧氏體轉變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝.淬火是應用最廣的熱處理工藝之一。淬火目的是為獲得馬氏體組織，提高鋼的性能.真空淬火爐一、淬火溫度1、碳鋼⑴亞共析鋼淬火溫度為Ac3+30-50℃。預備熱處理組織為退火或正火組織。亞共析鋼淬火組織：0.5%C時為M0.5%C時為M+A’。65MnV鋼(0.65%C)淬火組織45鋼(含0.45%C)正常淬火組織在Ac1~Ac3之間的加熱淬火稱亞溫淬火。35鋼（含0.35%C）亞溫淬火組織亞溫淬火組織為F+M，強硬度低，但塑韌性好.⑵共析鋼淬火溫度為Ac1+30-50℃；淬火組織為M+A’。⑶過共析鋼淬火溫度:Ac1+30-50℃.溫度高于Accm，則奧氏體晶粒粗大、含碳量高,淬火后馬氏體晶粒粗大、A’量增多。使鋼硬度、耐磨性下降，脆性、變形開裂傾向增加。淬火組織:M+Fe3C顆粒+A’。(預備組織為P球)T12鋼（含1.2%C）正常淬火組織2、合金鋼由于多數(shù)合金元素(Mn、P除外)對奧氏體晶粒長大有阻礙作用，因而合金鋼淬火溫度比碳鋼高。⑴亞共析鋼淬火溫度為Ac3+50~100℃。⑵共析鋼、過共析鋼淬火溫度為Ac1+50~100℃。鋼坯加熱二、淬火介質(zhì)理想的冷卻曲線應只在C曲線鼻尖處快冷，而在Ms附近盡量緩冷，以達到既獲得馬氏體組織，又減小理想淬火曲線示意圖MsMf

內(nèi)應力的目的。但目前還沒有找到理想的淬火介質(zhì)。常用淬火介質(zhì)是水和油.水的冷卻能力強，但低溫卻能力太大，只使用于形狀簡單的碳鋼件。油在低溫區(qū)冷卻能力較理想，但高溫區(qū)冷卻能力太小，使用于合金鋼和小尺寸的碳鋼件。熔鹽作為淬火介質(zhì)稱鹽浴，冷卻能力在水和油之間,用于形狀復雜件的分級淬火和等溫淬火。聚乙烯醇、硝鹽水溶液等也是工業(yè)常用的淬火介質(zhì).三、淬火方法采用不同的淬火方法可彌補介質(zhì)的不足。1、單液淬火法加熱工件在一種介質(zhì)中連續(xù)冷卻到室溫的淬火方法。操作簡單，易實現(xiàn)自動化。各種淬火方法示意圖1—單液淬火法2—雙液淬火法3—分級淬火法4—等溫淬火法2、雙液淬火法工件先在一種冷卻能力強的介質(zhì)中冷，卻躲過鼻尖后，再在另一種冷卻能力較弱的介質(zhì)中發(fā)生馬氏體轉變的方法。如水淬油冷，油淬空冷.優(yōu)點是冷卻理想，缺點是不易掌握。用于形狀復雜的碳鋼件及大型合金鋼件。3、分級淬火法在Ms附近的鹽浴或堿浴中淬火，待內(nèi)外溫度均勻后再取出緩冷?？蓽p少內(nèi)應力，用于小尺寸工件。鹽浴爐4、等溫淬火法將工件在稍高于Ms的鹽浴或堿浴中保溫足夠長時間，從而獲得下貝氏體組織的淬火方法。經(jīng)等溫淬火零件具有良好的綜合力學性能，淬火應力小.適用于形狀復雜及要求較高的小型件。淬火方法第六節(jié)鋼的淬透性網(wǎng)帶式淬火爐淬透性是鋼的主要熱處理性能。是選材和制訂熱處理工藝的重要依據(jù)之一。一、淬透性的概念M量和硬度隨深度的變化淬透性是指鋼在淬火時獲得淬硬層深度的能力。其大小是用規(guī)定條件下淬硬層深度來表示。淬硬層深度是指由工件表面到半馬氏體區(qū)(50%M+50%P)的深度。淬硬性是指鋼淬火后所能達到的最高硬度，即硬化能力.二、淬透性與淬硬層深度的關系

同一材料的淬硬層深度與工件尺寸、冷卻介質(zhì)有關。工件尺寸小、介質(zhì)冷卻能力強，淬硬層深。淬透性與工件尺寸、冷卻介質(zhì)無關。它只用于不同材料之間的比較，是通過尺寸、冷卻介質(zhì)相同時的淬硬層深度來確定的。三、影響淬透性的因素鋼的淬透性取決于臨界冷卻速度Vk，Vk越小，淬透性越高。Vk取決于C曲線的位置，C曲線越靠右，Vk越小。因而凡是影響C曲線的因素都是影響淬透性的因素.即除Co外，凡溶入奧氏體的合金元素都使鋼的淬透性提高；奧氏體化溫度高、保溫時間長也使鋼的淬透性提高。四、淬透性的測定及其表示方法

1、淬透性的測定常用末端淬火法示，J表示末端淬透性，d表示半馬氏體區(qū)到水冷端的距離，HRC為半馬氏體區(qū)的硬度。2、淬透性的表示方法⑴用淬透性曲線表示即用表⑵用臨界淬透直徑表示臨界淬透直徑是指圓形鋼棒在介質(zhì)中冷卻，中心被淬成半馬氏體的最大直徑，用D0表示。D0與介質(zhì)有關，如45鋼D0水=16mm，D0油=8mm。只有冷卻條件相同時，才能進行不同材料淬透性比較，如45鋼D0油=8mm，40CrD0油=20mm。馬氏體馬氏體索氏體五、淬透性的應用1、利用淬透性曲線及圓棒冷速與端淬距離的關系曲線可以預測零件淬火后的硬度分布。下圖為預測50mm直徑40MnB鋼軸淬火后斷面的硬度分布.2、利用淬透性曲線進行選材。如要求厚60mm汽車轉向節(jié)淬火后表面硬度超過HRC50，1/4半徑處為HRC45。可按下圖箭頭所示程序進行選材分析.3、利用淬透性可控制淬硬層深度。對于截面承載均勻的重要件,要全部淬透。如螺栓、連桿、模具等。對于承受彎曲、扭轉的零件可不必淬透(淬硬層深度一般為半徑的1/2~1/3)，如軸類、齒輪等。淬硬層深度與工件尺寸有關,設計時應注意尺寸效應。高強螺栓柴油機連桿齒輪不同冷卻條件下的轉變產(chǎn)物等溫退火P退火(爐冷)正火(空冷)S(油冷)T+M+A’等溫淬火B(yǎng)下M+A’分級淬火M+A’淬火(水冷)A1MSMf時間溫度淬火PP均勻A細A？？？第七節(jié)鋼的回火回火是指將淬火鋼加熱到A1以下的某溫度保溫后冷卻的工藝。一、回火的目的1、減少或消除淬火內(nèi)應力,防止變形或開裂.2、獲得所需要的力學性能。淬火鋼一般硬度高，脆性大，回火可調(diào)整硬度、韌性。螺桿表面的淬火裂紋3、穩(wěn)定尺寸。淬火M和A’都是非平衡組織，有自發(fā)向平衡組織轉變的傾向?；鼗鹂墒筂與A’轉變?yōu)槠胶饣蚪咏胶獾慕M織，防止使用時變形。4、對于某些高淬透性的鋼，空冷即可淬火，如采用

回火軟化既能降低硬度，又能縮短軟化周期。未經(jīng)淬火的鋼回火無意義，而淬火鋼不回火在放置使用過程中易變形或開裂。鋼經(jīng)淬火后應立即進行回火。二、鋼在回火時的轉變淬火鋼回火時的組織轉變主要發(fā)生在加熱階段。隨加熱溫度升高，淬火鋼的組織發(fā)生四個階段變化。網(wǎng)帶式回火電爐㈠回火時組織轉變1、馬氏體的分解100℃回火時，鋼的組織無變化。100-200℃加熱時，馬氏體將發(fā)生分解,從馬氏體中析出-碳化物(-FeXC)，使馬氏體過飽和度降低。析出的碳化物以細片狀分布在馬氏體基體上，這種組織稱回火馬氏體，用M回表示。透射電鏡下的回火馬氏體形貌回火馬氏體在光鏡下M回為黑色，A’為白色。0.2%C時，不析出碳化物。只發(fā)生碳在位錯附近的偏聚。2、殘余奧氏體分解200-300℃時,由于馬氏體分解，奧氏體所受的壓力下降,Ms上升，A’分解為-碳化物和過飽和鐵素體，即M回。

衡成分,內(nèi)應力大量消除，M回轉變?yōu)樵诒３竹R氏體形態(tài)的鐵素體基體上分布著細粒狀Fe3C組織，稱回火托氏體，用T回表示。發(fā)生于250-400℃，此時，-碳化物溶解于F中，并從鐵素體中析出Fe3C。到350℃,馬氏體含碳量降到鐵素體平回火托氏體3、-碳化物轉變?yōu)镕e3C回火索氏體4、Fe3C聚集長大和鐵素體多邊形化400℃以上,Fe3C開始聚集長大。450℃以上鐵素體發(fā)生多邊形化，由針片狀變?yōu)槎噙呅?這種在多邊形鐵素體基體上分布著顆粒狀Fe3C的組織稱回火索氏體，用S回表示。淬火鋼硬度隨回火溫度的變化40鋼力學性能與回火溫度的關系㈡回火時的性能變化回火時力學性能變化總的趨勢是隨回火溫度提高，鋼的強度、硬度下降，塑性、韌性提高。200℃以下，由于馬氏體中碳化物的彌散析出，鋼的硬度并不下降，高碳鋼硬度甚至略有提高。200-300℃，由于高碳鋼中A’轉變?yōu)镸回,硬度再次升高。大于300℃,由于Fe3C粗化，馬氏體轉變?yōu)殍F素體,硬度直線下降。三、回火脆性淬火鋼的韌性并不總是隨溫度升高而提高。在某些溫度范圍內(nèi)回火時，會出現(xiàn)沖擊韌性下降的現(xiàn)象，稱回火脆性。1、第一類回火脆性又稱不可逆回火脆性。是指淬火鋼在250-350℃回火時出現(xiàn)的脆性。這種回火脆性是不可逆的，只要在此溫度范圍內(nèi)回火就會出現(xiàn)脆性，目前尚無有效消除辦法?；鼗饡r應避開這一溫度范圍。2、第二類回火脆性又稱可逆回火脆性。是指淬火鋼在500-650℃范圍內(nèi)回火后緩冷時出現(xiàn)的脆性.

回火后快冷不出現(xiàn)，是可逆的。防止辦法：⑴回火后快冷。⑵加入合金元素W(約1%)、Mo(約0.5%)。該法更適用于大截面的零部件。

四、回火種類根據(jù)鋼的回火溫度范圍，可將回火分為三類。●淬火加高溫回火的熱處理稱作調(diào)質(zhì)處理，簡稱調(diào)質(zhì).廣泛用于各種結構件如軸、齒輪等熱處理。也可作為要求較高精密件、量具等預備熱處理。適用于各種高碳鋼、滲碳件及表面淬火件。應用獲得良好的綜合力學性能，即在保持較高的強度同時，具有良好的塑性和韌性。

提高e及s，同時使工件具有一定韌性。在保留高硬度、高耐磨性的同時，降低內(nèi)應力。回火目的S回

T回

M回

回火組織500-650℃350-500℃150-250℃回火溫度高溫回火中溫回火低溫回火適用于彈簧熱處理彈簧熱處理第八節(jié)鋼的表面淬火表面淬火是指在不改變鋼的化學成分及心部組織情況下，利用快速加熱將表層奧氏體化后進行淬火以強化零件表面的熱處理方法?；鹧婕訜岣袘訜岜砻娲慊鹉康模孩偈贡砻婢哂懈叩挠捕?、耐磨性和疲勞極限;②心部在保持一定的強度、硬度的條件下，具有足夠的塑性和韌性。即表硬里韌。適用于承受彎曲、扭轉、摩擦和沖擊的零件。軸的感應加熱表面淬火1、表面淬火用材料⑴0.4-0.5%C的中碳鋼。含碳量過低，則表面硬度、耐磨性下降。含碳量過高，心部韌性下降；⑵鑄鐵提高其表面耐磨性。機床導軌表面淬火齒輪2、預備熱處理⑴工藝：對于結構鋼為調(diào)質(zhì)或正火。前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高的普通件。⑵目的:①為表面淬火作組織準備；②獲得最終心部組織?；鼗鹚魇象w索氏體3、表面淬火后的回火采用低溫回火，溫度不高于200℃。回火目的為降低內(nèi)應力，保留淬火高硬度、耐磨性。4、表面淬火+低溫回火后的組織表層組織為M回；心部組織為S回(調(diào)質(zhì))或F+S(正火)。感應加熱表面淬火感應淬火機床感應加熱表面淬火示意圖5、表面淬火常用加熱方法⑴感應加熱:利用交變電流在工件表面感應巨大渦流，使工件表面迅速加熱的方法。高頻感應加熱表面淬火感應加熱分為：①高頻感應加熱頻率為250-300KHz，淬硬層深度0.5-2mm傳動軸連續(xù)淬火感應器感應加熱表面淬火齒輪的截面圖②中頻感應加熱頻率為2500-8000Hz，淬硬層深度2-10mm。各種感應器中頻感應加熱表面淬火的機車凸輪軸③工頻感應加熱頻率為50Hz,淬硬層深度10-15mm各種感應器感應穿透加熱⑵火焰加熱:利用乙炔火焰直接加熱工件表面的方法。成本低，但質(zhì)量不易控制。⑶激光熱處理:利用高能量密度的激光對工件表面進行加熱的方法。效率高，質(zhì)量好?；鹧婕訜岜砻娲慊鹗疽鈭D激光表面熱處理火焰加熱表面淬火激光表面熱處理第九節(jié)鋼的化學熱處理化學熱處理是將工件置于特定介質(zhì)中加熱保溫，使介質(zhì)中活性原子滲入工件表層從而改變工件表層化學成分和組織,進而改變其性能的熱處理工藝。與表面淬火相比，化學熱處理不僅改變鋼的表層組織，還改變其化學成分?；瘜W熱處理也是獲得表硬里韌性能的方法之一。根據(jù)滲入的元素不同，化學熱處理可分為滲碳、氮化、多元共滲、滲其他元素等?？煽貧夥諠B碳爐滲碳回火爐一、化學熱處理的基本過程

1、介質(zhì)(滲劑)的分解:分解的同時釋放出活性原子。如：滲碳CH4→2H2+[C]

氮化2NH3→3H2+2[N]2、工件表面的吸收:活性原子向固溶體溶解或與鋼中某些元素形成化合物。3、原子向內(nèi)部擴散。氮化擴散層二、鋼的滲碳

是指向鋼的表面滲入碳原子的過程。1、滲碳目的提高工件表面硬度、耐磨性及疲勞強度，同時保持心部良好的韌性。2、滲碳用鋼為含0.1-0.25%C的低碳鋼。碳高則心部韌性降低。經(jīng)滲碳的機車從動齒輪氣體滲碳法示意圖3、滲碳方法⑴氣體滲碳法將工件放入密封爐內(nèi)，在高溫滲碳氣氛中滲碳。滲劑為氣體(煤氣、液化氣等)或有機液體(煤油、甲醇等)。優(yōu)點:質(zhì)量好,效率高；缺點:滲層成分與深度不易控制。⑵固體滲碳法將工件埋入滲劑中，裝箱密封后在高溫下加熱滲碳。滲劑為木炭。優(yōu)點：操作簡單；缺點：滲速慢，勞動條件差。⑶真空滲碳法將工件放入真空滲碳爐中，抽真空后通入滲碳氣體加熱滲碳。優(yōu)點:表面質(zhì)量好,滲碳速度快。真空滲碳爐4、滲碳溫度：為900-950℃。滲碳層厚度（由表面到過度層一半處的厚度）：一般為0.5-2mm。低碳鋼滲碳緩冷后的組織滲碳層表面含碳量：以0.85-1.05為最好。滲碳緩冷后組織：表層為P+網(wǎng)狀Fe3CⅡ;心部為F+P;中間為過渡區(qū)。5、滲碳后的熱處理淬火+低溫回火,回火溫度為160-180℃。淬火方法有：⑴預冷淬火法滲碳后預冷到略高于Ar1溫度直接淬火。滲碳后的熱處理示意圖⑵一次淬火法：即滲碳緩冷后重新加熱淬火。⑶二次淬火法：即滲碳緩冷后第一次加熱為心部Ac3+30-50℃，細化心部；第二次加熱為Ac1+30-50℃，細化表層。滲碳后的熱處理示意圖常用方法是滲碳緩冷后，重新加熱到Ac1+30-50℃淬火+低溫回火。此時組織為：表層：M回+顆粒狀碳化物+A’(少量)心部：M回+F（淬透時）滲碳淬火后的表層組織M+F三、鋼的氮化

氮化是指向鋼的表面滲入氮原子的過程。1、氮化用鋼井式氣體氮化爐為含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳鋼。常用鋼號為38CrMoAl。2、氮化溫度為500-570℃氮化層厚度不超過0.6-0.7mm。3、常用氮化方法氣體氮化法與離子氮化法。氣體氮化法與氣體滲碳法類似，滲劑為氨。離子氮化法是在電場作用下，使電離的氮離子高速沖擊作為陰極的工件。與氣體氮化相比，氮化時間短，氮化層脆性小。離子氮化爐離子氮化法4、氮化的特點及應用⑴氮化件表面硬度高（HV1000-2000），耐磨性高。⑵疲勞強度高。由于表面存在壓應力。氮化層組織38CrMoAl氮化層硬度⑶工件變形小。原因是氮化溫度低，氮化后不需進行熱處理。⑷耐蝕性好。因為表層形成的氮化物化學穩(wěn)定性高。氮化的缺點：工藝復雜，成本高，氮化層薄。用于耐磨性、精度要求高的零件及耐熱、耐磨及耐蝕件。如儀表的小軸、輕載齒輪及重要的曲軸等?？p紉機用氮化件經(jīng)氮化的機車曲軸第十節(jié)表面處理新技術近年來，金屬材料表面處理新技術得到了迅速發(fā)展，開發(fā)出許多新的工藝方法，這里只介紹主要的幾種。

全方位離子注入與沉積設備一、熱噴涂技術

將熱噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，用高壓氣流使其霧化并噴射于工件表面形成涂層的工藝稱為熱噴涂。利用熱噴涂技術可改善材料的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及絕緣性等。廣泛用于包括航空航天、原子能、電子等尖端技術在內(nèi)的幾乎所有領域。等離子熱噴涂1、涂層的結構熱噴涂層是由無數(shù)變形粒子相互交錯呈波浪式堆疊在一起的層狀結構，粒子之間存在著孔隙和氧化物夾雜缺陷。噴涂層與基體之間以及噴涂層中顆粒之間主要熱噴涂層組織

是通過鑲嵌、咬合、填塞等機械形式連接的，其次是微區(qū)冶金結合及化學鍵結合。2、熱噴涂方法常用的熱噴涂方法有：①火焰噴涂:多用氧-乙炔火焰作為熱源。②電弧噴涂:絲狀噴涂材料作為自耗電極、電弧作為熱源的噴涂方法③等離子噴涂:是一種利用等離子弧作為熱源進行噴涂的方法?；鹧鏌釃娡侩娀釃娡康入x子噴涂3、熱噴涂的特點及應用⑴工藝靈活：熱噴涂的對象小到Φ10mm的內(nèi)孔,大到鐵塔、橋梁,可整體噴涂，也可局部噴涂⑵基體及噴涂材料廣泛：基體可以是金屬和非金屬，涂層材料可以是金屬、合金及塑料、陶瓷等⑶涂層可控:從幾十m到幾mm⑷生產(chǎn)效率高⑸工件變形?。夯w材料溫度不超過250℃(冷工藝)渦輪葉片的熱障涂層(熱噴涂層)由于涂層材料的種類很多，所獲得的涂層性能差異很大，可應用于各種材料的表面保護、強化及修復并滿足特殊功能的需要。熱噴涂二、氣相沉積技術

氣相沉積技術是指將含有沉積元素的氣相物質(zhì)，通過物理或化學的方法沉積在材料表面形成薄膜的一種新型鍍膜技術。根據(jù)沉積過程的原理不同，氣相沉積技術可分為物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)兩大類。物理氣相沉積TiAl靶1、物理氣相沉積（PVD）物理氣相沉積是指在真空條件下，用物理的方法，

使材料汽化成原子、分子或電離成離子，并通過氣相過程，在材料表面沉積一層薄膜的技術。物理沉積技術主要包括真空蒸鍍、濺射鍍、離子鍍?nèi)N基本方法。磁控濺射鍍膜設備真空蒸鍍是蒸發(fā)成膜材料使其汽化或升華沉積到工件表面形成薄膜的方法。真空蒸鍍TiN活塞