第4~5章表面淬火
金属材料学思考题答案2
金属材料学思考题答案2绪论、第一章、第二章1．钢中的碳化物按点阵结构分为哪两大类，各有什么特点？答：分为简单点阵结构和复杂点阵结构，前者熔点高、硬度高、稳定性好，后者硬度低、熔点低、稳定性差。
2．何为回火稳定性、回火脆性、热硬性？合金元素对回火转变有哪些影响？答：回火稳定性：淬火钢对回火过程中发生的各种软化倾向（如马氏体的分解、残余奥氏体的分解、碳化物的析出与铁素体的再结晶）的抵抗能力回火脆性：在200-350℃之间和450-650℃之间回火，冲击吸收能量不但没有升高反而显著下降的现象热硬性：钢在较高温度下，仍能保持较高硬度的性能合金元素对回火转变的影响：①Ni、Mn影响很小，②碳化物形成元素阻止马氏体分解，提高回火稳定性，产生二次硬化，抑制C和合金元素扩散。
③Si比较特殊：小于300℃时强烈延缓马氏体分解，3．合金元素对Fe-Fe3C相图S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？答：凡是扩大奥氏体相区的元素均使S、E点向左下方移动，如Mn、Ni等；凡是封闭奥氏体相区的元素均使S、E点向左上方移动，如Cr、Si、Mo等？E点左移：出现莱氏体组织的含碳量降低，这样钢中碳的质量分数不足2％时就可以出现共晶莱氏体。
S点左移：钢中含碳量小于0.77％时，就会变为过共析钢而析出二次渗碳体。
4．根据合金元素在钢中的作用，从淬透性、回火稳定性、奥氏体晶粒长大倾向、韧性和回火脆性等方面比较下列钢号的性能:40Cr、40CrNi、40CrMn、40CrNiMo。
1）淬透性：40CrNiMo 〉40CrMn 〉 40CrNi 〉 40Cr2）回火稳定性：40CrNiMo 〉40CrNi 〉 40CrMn 〉 40Cr3）奥氏体晶粒长大倾向：40CrMn 〉 40Cr 〉 40CrNi 〉 40CrNiMo4）韧性：40CrNiMo 〉40CrNi 〉40Cr〉40CrMn (Mn少量时细化组织)5）回火脆性： 40CrMn 〉40CrNi> 40Cr 〉40CrNiMo5.怎样理解“合金钢与碳钢的强度性能差异，主要不在于合金元素本身的强化作用，而在于合金元素对钢相变过程的影响。
第5章 钢的热处理
第五章 钢的热处理
热处理中采用不同的冷却方式，过冷奥氏体将转
变为不同组织，性能具有很大的差异。
45钢经840℃加热在不同条件冷却后的力学性能
过冷奥氏体：冷却到相变温度以下且尚未转变的 奥氏体，处在不稳定的过冷状态。
第五章 钢的热处理
冷却方式： （1）连续冷却：将钢加热到一定温度，并以一定的冷却 速度连续冷却到室温的冷却方式。 （2）等温冷却：将 钢加热到一定温度，先 以较快的冷却速度，冷 却到Ar1线以 下某一温 度进行保温，使过冷 奥 氏体在恒温下发生组织 转变， 待转变结束后再 迅速冷却到室 温的冷却 方式。
第五章 钢的热处理
第五章 钢的热处理
第五章 钢的热处理
引言：
1、热处理的概念
将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得 所需组织与性能的工艺。
2、热处理的目的
（1）提高钢的力学性能 （2）改善钢的工艺性能
第五章 钢的热处理
第一节 钢的热处理原理
1.概念：将钢在固态下进行加热、保温和冷却，改变其内部组织， 获得所需性能的工艺方法。
650 550
2s
40s
2s
10s
5s
第五章 钢的热处理
温度 (℃ ) 800 700 600 500 400 A1
300 200 100 0
-100 0 1 10 102 103 104 时间(s)
第五章 钢的热处理
温度 ( ℃) 800 700 600 500
（二）共析碳钢 TTT 曲线的分析
第五章 钢的热处理
珠光体、索氏体、屈 氏体三种组织无本质 区别，只是形态上的 粗细之分。片间距越 小，钢的强度、硬度 越高，而塑性和韧性 略有改善。
表面淬火定义
表面淬火定义表面淬火是一种金属热处理技术，通过控制金属材料的加热和冷却过程，使其表面形成一层具有较高硬度和耐磨性的淬火层。
这种技术广泛应用于各种机械零件和工具的制造中，能够提高其使用寿命和性能。
表面淬火的过程可以分为加热、保温和冷却三个阶段。
首先，将金属材料加热到适当的温度，以激活材料内部的晶体结构。
然后，通过保温使材料中的晶体结构重新排列，形成一种具有高硬度的相态结构。
最后，通过迅速冷却来固定这种相态结构，使其在表面形成一层淬火层。
表面淬火的关键是控制加热和冷却的速度。
加热温度和时间的选择需要根据金属材料的性质和要求进行调整。
过高的温度和时间可能导致材料内部的晶体结构发生变化，影响淬火效果；过低的温度和时间则无法激活和重组晶体结构。
冷却过程一般采用水、油或盐浴等介质，通过迅速吸热来实现快速冷却。
冷却介质的选择取决于材料的类型和形状。
表面淬火的优点是能够在保持材料的韧性和强度的同时，提高其硬度和耐磨性。
淬火层的硬度一般远高于材料的基体，能够有效抵抗磨损和变形。
因此，表面淬火广泛应用于汽车发动机零件、工具刀具、轴承等高负荷和高磨损的零件制造中。
然而，表面淬火也存在一些局限性和注意事项。
首先，淬火层的深度一般较浅，只有几个毫米左右，对于需要较深淬火层的零件不适用。
其次，淬火过程中会产生应力，可能导致材料的变形和开裂。
因此，在淬火后需要进行适当的回火处理，以减缓应力并提高材料的韧性。
最后，表面淬火的工艺要求较高，需要严格控制加热和冷却的参数，以保证淬火效果的稳定性和一致性。
表面淬火是一种能够提高金属材料硬度和耐磨性的热处理技术。
通过控制加热和冷却的过程，能够在材料表面形成一层具有高硬度的淬火层。
这种技术在机械制造和工具制造中得到广泛应用，能够提高零件的使用寿命和性能。
然而，表面淬火也存在一些局限性和注意事项，需要在实际应用中进行合理选择和控制。
原理第4、5章 钢中奥氏体的形成
度平衡→破坏→再平衡。奥氏体晶核向F和Fe3C两侧的推移速度是不同的。
第二章
钢中奥氏体的形成
(a)T1温度下各相中的碳的浓度图 推移示意图
(b)相界面 2.6 共析钢奥氏体晶核长大示意图
第二章
钢中奥氏体的形成
由于新相奥氏体两个相界面（/和/Fe3C）的碳浓度不等（C/cem ＞C / ）： C/cem －C / （浓度差）；在铁素体中也存在着碳浓度差（C /cem － C / ），也会引起碳从 / Fe 3C 相界面处向/相界面处扩散，扩散使奥氏体中 碳的浓度梯度趋于减小。 为了维持原来相界面处的局部碳浓度平衡，在/Fe3C相界面处的渗碳体必须 溶入奥氏体以供应碳量，使其碳浓度恢复至 C/cem ；与此同时，在 / 相界面处 的铁素体必须转变为奥氏体，使其碳浓度降至C / ，这样，奥氏体的两个相界面
c（如 ACl、AC3、Accm ）；
实际冷却时的相变临界点标以字母 r（如 Arl，Ar3，Arcm ）。
第二章
钢中奥氏体的形成
2）奥氏体的组织和结构
定义：C溶于γ –Fe形成的间隙式固溶体。 奥氏体的组织通常是由等轴状的多边形晶粒所组成，晶内常可出现相变孪晶。
图2.2 奥氏体不锈钢
图2.3 相变孪晶
第二章
钢中奥氏体的形成
2）连续加热时奥氏体的形成
钢在连续加热时珠光体向奥氏体的转变与等温加热转变大致相同，亦经过形核、 长大、剩 余碳化物溶解、奥氏体均匀化四个阶段，其影响因素也大致相同。但由于奥氏体的形成是在连 续加热条件下进行的，所以与等温转变相比，尚有如下特点： （1）在一定的加热速度范围内， 临界点随加热速度增大而升高； （2）相变是在一个温度范围内完成的；
第二章
表面淬火
3、高频感应加热表面淬火后的组织和性能
快速加热时钢的相变特点
1）临界温度升高，转变在较宽的温度范围内完成 2）奥氏体晶粒较细 3）奥氏体成分不均匀
ρ—工件电阻率 μ——工件的相对导磁率 f——电流频率 可见： 1）f愈高， δ小，淬硬层深度越浅。 2） ρ愈大， μ愈小，δ越大。
工频：50Hz，功率密度0.1～100W/cm2； 中频：＜10kHz，功率密度＜ 5 W/cm2；
3.3、表面淬火
3.3 、表面淬火 3.3、表面淬火
• 要点：用快速加热法，使零件表面层很快地达到淬火温 度（A化），在热量传至内部之前，立即冷却使表 面层淬硬。 • 材料：中碳钢及中碳合金钢，如40、45、40Cr。 感应加热 • 分类（加热方法） 火焰加热 激光加热
（一）感应加热表面淬火
感应加热表面淬火示意图
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集肤效应示意图
表面淬火的发展
感应淬火原
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f
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金属热处理工艺 , SMSE,CUMT
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返
回
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2、分类（按电源频率）
预处理： 表面淬火前，须对零件进行正火或调质处理，以保证 零件心部具有良好的综合性能。 硬化层深度的确定： 抗磨损：1～6.5mm 抗疲劳：2～12mm 感应加热淬火温度 由于感应加热速度快，但组织转变又具有热滞后，为使组织 转变充分，所以感应加热温度应比常规加热温度提高30～50℃。 后处理： 表面淬火后，一般要对零件进行低温（160～200 ℃）回火 处理，以降低淬火应力和脆性。
第5章 模具钢料的热处理-模具表面处理技术
第二节模具表面处理工艺概述模具是现代工业之母。
随着社会经济的发展，特别是汽车、家电工业、航空航天、食品医疗等产业的迅猛发展，对模具工业提出了更高的要求。
如何提高模具的质量、使用寿命和降低生产成本，成为各模具厂及注塑厂当前迫切需要解决的问题。
模具在工作中除了要求基体具有足够高的强度和韧性的合理配合外，其表面性能对模具的工作性能和使用寿命至关重要。
这些表面性能指：耐磨损性能、耐腐蚀性能、摩擦系数、疲劳性能等。
这些性能的改善，单纯依赖基体材料的改进和提高是非常有限的，也是不经济的，而通过表面处理技术，往往可以收到事半功倍的效果；模具的表面处理技术，是通过表面涂覆、表面改性或复合处理技术，改变模具表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需表面性能的系统工程。
从表面处理的方式上，又可分为：化学方法、物理方法、物理化学方法和机械方法。
在模具制造中应用较多的主要是渗氮、渗碳和硬化膜沉积。
◆提高模具的表面的硬度、耐磨性、摩擦性、脱模性、隔热性、耐腐蚀性；◆提高表面的高温抗氧化性；◆提高型腔表面抗擦伤能力、脱模能力、抗咬合等特殊性能；减少冷却液的使用；◆提高模具质量，数倍、几十倍地提高模具使用寿命。
减少停机时间；◆大幅度降低生产成本与采购成本，提高生产效率和充分发挥模具材料的潜能。
◆减少润滑剂的使用；◆涂层磨损后，还退掉涂层后，再抛光模具表面，可重新涂层。
在模具上使用的表面技术方法多达几十种，从表面处理的方式上，主要可以归纳为物理表面处理法、化学表面处理法和表面覆层处理法。
模具表面强化处理工艺主要有气体氮化法、离子氮化法、点火花表面强化法、渗硼、TD法、CVD化学气相淀积、PVD物理气相沉积、PACVD离子加强化学气相沉积、CVA铝化化学气相沉积、激光表面强化法、离子注入法、等离子喷涂法等等。
下面综述模具表面处理中常用的表面处理技术：一、物理表面处理法：表面淬火是表面热处理中最常用方法，是强化材料表面的重要手段，分高频加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光表面淬火。
金属工艺学电子教学教案——第四章 钢的热处理02(高教版 王英杰主编)
第四节淬火教学重点与难点1．重点淬火、回火2．难点淬透性和淬硬性教学方法与手段1．利用挂图等教具。
2．举生活中应用淬火与回火的现象，分析原理与应用，触类旁通。
教学组织1.复习提问10分钟2.讲解75分钟3.小结5分钟教学内容♦钢的淬火是指工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或(和)贝氏体组织的热处理工艺。
♦临界冷却速度是指获得马氏体的最低冷却速度。
♦马氏体是碳或合金元素在α-Fe中的过饱和固溶体，是单相亚稳组织，硬度较高，用符号M表示。
马氏体的硬度主要取决于马氏体中碳的质量分数。
马氏体中由于溶入过多的碳原子，从而使α-Fe晶格发生畸变，增加其塑性变形抗力，故马氏体中碳的质量分数越高，其硬度也越高。
一、淬火(一)淬火的目的淬火的目的主要是使钢件得到马氏体(和贝氏体)组织，提高钢的硬度和强度，与适当的回火工艺相配合，更好地发挥钢材的性能潜力。
(二)淬火工艺1．淬火加热温度的确定亚共析钢淬火加热温度为Ac以上30℃～50℃。
3以上30℃～50℃。
共析钢和过共析钢淬火加热温度为Ac12．淬火介质常用的淬火冷却介质有油、水、盐水、硝盐浴和空气等。
3．淬火方法(1)单液淬火。
♦将已奥氏体化的钢件在一种淬火介质中冷却的方法。
例如，低碳钢和中碳钢在水中淬火，合金钢在油中淬火等。
单液淬火方法主要应用于形状简单的钢件。
(2)双液淬火。
♦将工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质中，在组织即将发生马氏体转变时立即转入冷却能力弱的介质中冷却的方法，称为双液淬火。
例如，先在水中冷却后在油中冷却的双液淬火。
双液淬火主要适用于中等复杂形状的高碳钢工件和较大尺寸的合金钢工件。
(3)马氏体分级淬火♦工件加热奥氏体化浸入温度稍高于或稍低于Ms点的盐浴或碱浴中，保持适当时间，在工件整体达到冷却介质温度后取出空冷以获得马氏体组织的淬火方法，称为马氏体分级淬火。
马氏体分级淬火能够减小工件中的热应力，并缓和相变过程中产生的组织应力，减少淬火变形。
金属材料与热处理课后习题
第一章金属材料基础知识1、什么是强度？材料强度设计的两个重要指标分别是什么？2、什么是塑性？塑性对材料的使用有何实际意义？3、绘出简化后的Fe-Fe3C相图。
4、根据Fe-Fe3C相图，说明下列现象的原因。
（1）含碳量1%的铁碳合金比含碳量0.5%的铁碳合金的硬度高。
（2）一般要把钢材加热到1000~1250℃高温下进行锻轧加工。
（3）靠近共晶成分的铁碳合金的铸造性能好。
5、随着含碳量的增加，钢的组织性能如何变化？6、铁碳相图中的几个单相分别是什么？其本质及性能如何？第二章钢的热处理原理1、何谓奥氏体？简述奥氏体转变的形成过程及影响奥氏体晶粒长大的因素。
奥氏体晶粒的大小对钢热处理后的性能有何影响？2、什么是过冷奥氏体与残余奥氏体。
3、为什么相同含碳量的合金钢比碳素钢热处理的加热温度要高、保温时间要长？4、画出共析钢过冷奥氏体等温转变动力学图。
并标出：（1）各区的组织和临界点（线）代表的意义；（2）临界冷却曲线；，S，T＋M组织的冷却曲线。
（3）分别获得M、P、B下5、什么是第一类回火脆性和第二类回火脆性？如何消除？6、说明45钢试样（Φ10mm）经下列温度加热、保温并在水中冷却得到的室温组织：700℃，780℃，860℃，1100℃。
7、马氏体的本质是什么？它的硬度为什么很高？是什么因素决定了它的脆性？8、简述随回火温度升高，淬火钢在回火过程中的组织转变过程与性能的变化趋势。
第三章钢的热处理工艺1、简述退火的种类、目的、用途。
2、什么是正火？正火有哪些应用？3、什么是淬火，淬火的主要目的是什么？4、什么是临界冷却速度？它与钢的淬透性有何关系？5、什么是表面淬火？表面淬火的方法有哪几种？表面淬火适应于什么钢？简述钢的表面淬火的目的及应用。
6、有一具有网状渗碳体的T12钢坯，应进行哪些热处理才能达到改善切削加工性能的目的？试说明热处理后的组织状态。
7、简述化学热处理的几个基本过程。
渗碳缓冷后和再经淬火回火后由表面到心部是由什么组织组成？8、什么是钢的淬透性和淬硬性？影响钢的淬透性的因素有哪些？如何影响？9、过共析钢一般在什么温度下淬火？为什么？10、将共析钢加热至780℃，经保温后，请回答：（1）若以图示的V1、V2、V3、V4、V5和V6的速度进行冷却，各得到什么组织？（2）如将V1冷却后的钢重新加热至530℃，经保温后冷却又将得到什么组织？力学性能有何变化？11、甲、乙两厂生产同一种零件，均选用 45 钢，硬度要求 220 ～ 250HBS 。
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第4~5章表面淬火
1-加热淬火层 2-间隙 3-工件 4-加热感应圈 5-淬火喷水套
4.1 表面淬火
感应加热淬火的优缺点 工件表面氧化、脱碳小，变形小，质量稳
定；加热速度快，热效率高，生产率高；易实 现机械化和自动化。
成本较高；尖角效应；对一些形状复杂的 零件而言，难以保证得到均匀的表面淬火层。
第4~5章表面淬火
4.1 表面淬火
感应加热广泛用于齿轮、轴、曲轴、凸轮、轧 辊等工件的表面淬火，目的是提高这些工件的 耐磨性和抗疲劳破断的能力。汽车后半轴采用 感应加热表面淬火，设计载荷下的疲劳循环次 数比用调质处理约提高10倍。
4.1 表面淬火
• 感应加热淬火机床的主要作用是使工件定位并 进行必要的运动。
• 感应加热淬火机床还应附有提供淬火介质的装 置。淬火机床可分为标准机床和专用机床，前 者适用于一般工件，后者适用于大量生产的复 杂工件。
第4~5章表面淬火
4.1 表面淬火
进行感应加热热处理时，为保证热处理质量和 提高热效率，必须根据工件的形状和要求，设 计制造结构适当的感应器。常用的感应器有外 表面加热感应器、内孔加热感应器、平面加热 感应器等。
孔10mm~30mm的孔喷射冷却介质 承圈等直径大表面窄的
（如图4-6b）
工件
工件以一定速度旋转，喷嘴轴向配合 获得螺旋状淬硬层 运动，得螺旋状淬硬层
一个或几个喷嘴沿旋转工件定速移动， 用于轴、锤杆和轧轮 加热和冷却工件表面
第4~5章表面淬火
4.1 表面淬火
火焰加热表面淬火的优缺点 设备简单，费用低，操作灵活，使用钢种
第4~5章表面淬火
4.1 表面淬火
表面淬火的应用：
承受扭转、弯曲等交变负荷作用的工件， 要求表面层承受比心部更高的应力或耐磨性， 需对工件表面提出强化要求，适于含碳量 We=0.40～0.50%钢材。
第4~5章表面淬火
4.1 表面淬火
表面淬火的特点： ✓ 硬度值比普通淬火后的要高 ，耐磨性更好 ； ✓ 需要进行预先热处理 ，以便于快速加热时奥
第4~5章表面淬火
4.1 表面淬火
感应加热表面淬火工艺流程： ➢ 预先调质处理 ➢ 确定加热温度与加热方式 ➢ 根据工件要求选择比功率 ➢ 设计感应加热器 ➢ 确定冷却方式与冷却介质 ➢ 制定回火工艺参数
第4~5章表面淬火
4.1 表面淬火
火焰加热表面淬火 将高温火焰（氧-
乙炔）或其他可燃气体 喷向工件表面，对工件 表面加热，使其迅速加 热到淬火温度，随后在 一定淬火介质中冷却的 工艺。演示录像
1-烧嘴 2-喷水管 3-加热层 4-工件 5-淬硬层
第4~5章表面淬火
4.1 表面淬火
表4-1 火焰加热表面淬火方法及特点
加热方法 同时加热
连续加热
操作方法 固定法 快速旋转法
平面前进法 旋转前进法
螺旋前进法 快速旋转前 进法
工艺特点
适用范围
工件和喷嘴固定，当工件被加热到淬 用于淬火部位不大的工
氏体均匀化； ✓ 可以在表面产生压应力 ，能大幅度提高轴类
零件的疲劳强度并使其缺口敏感性下降。
第4~5章表面淬火
4.1 表面淬火
根据表面淬火的热源不同，可以将其分为 ： ➢ 感应加热淬火 ➢ 火焰淬火 ➢ 激光淬火 ➢ 电子束淬火
第4~5章表面淬火
4.1 表面淬火
感应加热表面淬火 将工件放在感应线圈
第4~5章表面淬火
4.1 表面淬火
感应加热的设备 感应加热热处理的设备主要由电源设备、
淬火机床和感应器组成。
第4~5章表面淬火
4.1 表面淬火
✓ 电源设备的主要作用是输出频率适宜的交变电流。一 般电源设备只能输出一种频率的电流。
✓ 电源设备的选择与工件要求的加热层深度有关。加热 层深的工件，应使用电流频率较低的电源设备；加热 层浅的工件，应使用电流频率较高的电源设备。
的应用范围是什么？
第4~5章表面淬火
4.1 表面淬火
表面淬火的基本原理：
表面淬火也就是表面热处理，是指仅对零 部件表层快速加热、冷却，从而改变表层组织 和性能而不改变成分的一种工艺，即通过表面
层的相变达到强化工件表面的目的。
➢ 工件表面淬火后的组织：淬硬区（马氏体）、过 渡区（马氏体加自由铁素体）和原始组织
4.1 表面ห้องสมุดไป่ตู้火
常用的电流频率有： ✓ 高频加热：200～300KHZ，淬硬层深为0.5～
2mm，适于中小型零件。 ✓ 中频加热：2500～8000HZ，淬硬层深度2～
5 mm。适于较 大直径的轴类、中大齿轮等。 ✓ 工频加热：50HZ，淬硬层深可达10～15mm，
适于大直径工件的表面淬火。
第4~5章表面淬火
广泛，零件表面清洁，一般无氧化和脱碳，畸 变小等。
但是加热温度不易控制，生产效率低，噪 音大，劳动条件差，混合气体不够安全，不易 获得薄的表面淬火层，淬硬层的均匀性远不如 感应加热淬火。
✓ 选择电源设备的另一条件是设备功率。加热表面面积 增大，需要的电源功率相应加大。当加热表面面积过 大时或电源功率不足时，可采用连续加热的方法，使 工件和感应器相对移动，前边加热，后边冷却。但最 好还是对整个加热表面一次加热（同时加热），这样 可以利用工件心部余热使淬硬的表层回火，从而使工 艺简化，还可节约电能第4。~5章表面淬火
第4章 表面淬火和表面形变强化技术
4.1 表面淬火 4.2 表面形变强化技术
第4~5章表面淬火
第4章 表面淬火和表面形变强化技术
思考题： ✓ 表面淬火与普通淬火相比有什么特点？ ✓ 例举表面淬火的几种不同工艺方法，并说明基
本原理。 ✓ 感应加热表面淬火的工作原理和特点是什么？ ✓ 喷丸强化和滚压强化的原理是什么？它们各自
火温度后喷射冷却或进入冷却
件
一个或几个固定喷嘴对旋转 （75r/min~150r/min）的工件表面加 热一定时间后冷却（如图4-6a）
适用于处理直径和宽度 不大的齿轮、轴颈、滚 轮等
工件相对喷嘴做直线运动，喷嘴上设 可淬硬各种尺寸平面型
有冷却介质喷射孔，使工件淬火
工件表面
工件围绕固定喷嘴旋转，喷嘴上距火 用于制动轮、滚轮、轴