第三章2) 钢的热处理——普通和表面热处理
热处理基本知识
淬火的目的: 是为了提高钢的机械性能,即提高其 硬度和耐磨性. 回火的目的: (1)降低脆性,消除或减少内应力. (2)获得工件所要求的机械性能. (3)稳定工件尺寸. (4)降低硬度,以利切削加工.
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热处理工艺
钢的热处理的最基本的类型可根据加 热或冷却方法不同,大致分类如下:
普通热处理 热 处 理 表面热处理 渗碳 氮化 化学热处理 碳氮共渗 氮碳共渗 真空热处理 退火 正火 淬火 回火 火焰加热 表面淬火 感应加热(高频,中频,工频)
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§1.1退火和正火的目的
退火和正火是应用非常广泛的热处 理.在机器零件或工模具等工件的加 工制造过程中,退火和正火经常作为 预先热处理工序,安排在铸造或锻造 之后,切削(粗)加工之前,用以消 除前一工序所带来的某些缺陷,为随 后的工序作准备.
3
退火和正火的主要目的大致可归纳为 如下几点: (1)软化钢件以便进行切削加工; (2)消除残余应力,以防钢件的变 形,开裂;
4
(3)细化晶粒,改善组织以提高钢5
§1.2淬火和回火的目的
什么是淬火? 将钢加热到AC3或AC1以上30~50℃,保 温后快速冷却的一种操作,称为淬火. 什么是回火? 将淬火后的钢加热不超过AC1临界温度 进行保温,而后冷却下来的一种热处 理操作称为回火.
钢的五种热处理工艺
钢的五种热处理工艺热处理工艺——表面淬火、退火、正火、回火、调质工艺：1、把金属材料加热到相变温度（700度)以下,保温一段时间后再在空气中冷却叫回火。
2、把金属材料加热到相变温度（800度）以上,保温一段时间后再在炉中缓慢冷却叫退火。
3、把金属材料加热到相变温度(800度）以上，保温一段时间后再在特定介质中（水或油)快速冷却叫淬火.◆表面淬火•钢的表面淬火有些零件在工件时在受扭转和弯曲等交变负荷、冲击负荷的作用下，它的表面层承受着比心部更高的应力。
在受摩擦的场合，表面层还不断地被磨损,因此对一些零件表面层提出高强度、高硬度、高耐磨性和高疲劳极限等要求，只有表面强化才能满足上述要求。
由于表面淬火具有变形小、生产率高等优点，因此在生产中应用极为广泛。
根据供热方式不同，表面淬火主要有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火等。
感应表面淬火后的性能:1.表面硬度：经高、中频感应加热表面淬火的工件，其表面硬度往往比普通淬火高2～3单位（HRC）。
2。
耐磨性：高频淬火后的工件耐磨性比普通淬火要高.这主要是由于淬硬层马氏体晶粒细小,碳化物弥散度高,以及硬度比较高，表面的高的压应力等综合的结果.3.疲劳强度：高、中频表面淬火使疲劳强度大为提高,缺口敏感性下降。
对同样材料的工件，硬化层深度在一定范围内，随硬化层深度增加而疲劳强度增加，但硬化层深度过深时表层是压应力,因而硬化层深度增打疲劳强度反而下降，并使工件脆性增加。
一般硬化层深δ＝（10～20）％D。
较为合适,其中D。
为工件的有效直径.◆退火工艺退火是将金属和合金加热到适当温度,保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
退火后组织亚共析钢是铁素体加片状珠光体；共析钢或过共析钢则是粒状珠光体。
总之退火组织是接近平衡状态的组织。
•退火的目的①降低钢的硬度,提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。
②细化晶粒，消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷，均匀钢的组织和成分，改善钢的性能或为以后的热处理作组织准备.③消除钢中的内应力，以防止变形和开裂。
热处理扫盲本
第二章 钢的热处理一、钢的热处理定义：• 把钢在固态下加热到一定温度，进行必要的保温，并以适当的速度冷却到室温，以改变钢的内部组织，从而得到所需性能的工艺方法。
三、钢的热处理目的：1、消除毛坯中的缺陷，改善工艺性能，为切削加工或热处理做组织和性能上的准备。
————叫预先热处理。
2、提高金属材料的力学性能，充分发挥材料的潜力，节约材料延长零件使用寿命。
————叫最终热处理。
四、热处理的方法（按工艺方法不同分）退火：完全退火、球化退火、去应力退火等 正火 淬火： 回火：低温回火、中温回火、高温回火 固溶处理第一节热处理基本原理•热处理之所以能够使钢的性能发生很大变化，主要是由于在加热和冷却过程中，钢的内部组织发生了变化造成的一、钢在加热时的转变大多数热处理工艺需要将钢加热到临界温度以上（A区域）才能进行，所以加热转变主要包括A的形成和晶粒长大两个过程。
1、奥氏体的形成•以共析钢为例（ωc=0.77%）影响奥氏体形成的因素：•温度：温度越高，原子扩散能力越大，加速奥氏体形成。
•原始组织：原始组织越细，相界面越多，提供的奥氏体晶核就愈多，碳原子的扩散距离也越短，加速奥氏体形成。
•钢的成分：含碳量增加，F和Fe3C相界面越多，加速奥氏体形成。
加入合金元素后不改变A形成的基本过程，但会减缓A的形成速度2、奥氏体晶粒的长大（粗化）•随着温度的升高，奥氏体晶粒会逐渐长大。
•晶粒度：表示晶粒大小的尺度。
•分为十个等级。
一级最粗，十级最细。
•粗大的A晶粒———冷却后得到粗大的晶粒组织———力学性能和工艺性能差—合理选择加热温度和保温时间。
一、钢在冷却时的转变•室温时钢的力学性能，不仅与经过加热、保温后获得的A晶粒大小有关，而且决定于A经冷却转变后所获得的组织。
而冷却方式、冷却速度对A组织的转变有直接影响。
A钢冷却至室温有两种方式：连续冷却: 就是使奥氏体化后的钢，在温度连续下降的过程中发生组织转变。
水冷、油冷、炉冷、空冷。
表面热处理
定义： 将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质
中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成 分、组织和性能的一种热处理工艺。
化学热处理的基本过程: 渗剂分解出活性原子 →工件表面吸收活性原子 → 活性原子从工件表层向内部的扩散
7.3.2、表面化学热处理
一、什么是化学热处理？
钢件和铸铁件
采用低电压、大电流，通 过压紧在工件表面的滚轮与工 件形成回路，靠接触电阻热实 现快速加热，滚轮移去后即进 行自激冷淬火。
淬硬层达0.15-0.35mm， 硬度均匀，且变形小，目前主 要用于导轨的强化。
7.3.2 化学热处理
一、化学热处理原理 二、钢的渗碳 三、钢的渗氮 四、钢的碳氮和氮碳共渗
化学热处理
1）、气体渗碳 ➢ 按热源分为电加热炉和煤气加热炉。 井式气体渗碳炉
1）、气体渗碳
方法：滴注式渗碳
介质：苯、醇、煤油等液体
工艺：将工件装在密封的渗碳炉中，加热到900～950℃(常用
930℃)，向炉内滴入煤油、苯、 甲醇、丙酮等有机液体，在高 煤油
风扇电机
温下分解成CO、CO2、H2及 CH4等气体组成的渗碳气氛。
（3）二次淬火 目的：
• 第一次淬火TH > Ac3，细化心部组织↑其性能 • 第二次淬火TH > Ac1，细化表层组织↑其性能 •故可获得表面具有高硬度、耐磨性和疲劳强度，
心部具有良好的强韧性和塑性。
应用： 仅适用于本质粗晶粒钢和使用性能要求很高
的工件。这种方法工艺较复杂，因加热次数多， 工件易氧化、脱碳和变形，成本高等缺点，故目 前该工艺已很少采用。
改变钢的表层化学成份→化学热处理
7.3.1表面淬火
一、感应加热表面淬火
钢的热处理(答案)
钢的热处理一、选择题1.加热是钢进行热处理的第一步，其目的是使钢获得（B ）。
A．均匀的基体组织 B．均匀的A体组织 C．均匀的P体组织 D．均匀的M体组织2.下列温度属于钢的高、中、低温回火温度范围的分别为（A ）（D ）（B ）。
A．500℃ B．200℃ C．400℃ D．350℃3.碳钢的淬火工艺是将其工件加热到一定温度，保温一段时间，然后采用的冷却方式是（D ）。
A．随炉冷却 B．在风中冷却 C．在空气中冷却 D．在水中冷却4.正火是将工件加热到一定温度，保温一段时间，然后采用的冷却方式是（C ）。
A．随炉冷却 B．在油中冷却 C．在空气中冷却 D．在水中冷却5.完全退火主要用于（A ）。
A．亚共析钢 B．共析钢 C．过共析钢 D．所有钢种6.共析钢在奥氏体的连续冷却转变产物中，不可能出现的组织是（ C）。
A．P B．S C．B D．M7.退火是将工件加热到一定温度，保温一段时间，然后采用的冷却方式是（A ）。
A．随炉冷却 B．在油中冷却 C．在空气中冷却 D．在水中冷却二、是非题1. 完全退火是将工件加热到Acm以上30～50℃，保温一定的时间后，随炉缓慢冷却的一种热处理工艺。
√2. 合金元素溶于奥氏体后，均能增加过冷奥氏体的稳定性。
×3. 渗氮处理是将活性氮原子渗入工件表层，然后再进行淬火和低温回火的一种热处理方法。
×4. 马氏体转变温度区的位置主要与钢的化学成分有关，而与冷却速度无关。
×三、填空题1. 共析钢中奥氏体形成的四个阶段是：（奥氏体晶核形成），（奥氏体晶核长大），残余Fe3C溶解，奥氏体均匀化。
2. 化学热处理的基本过程，均由以下三个阶段组成，即（介质分解），（工件表面的吸收），活性原子继续向工件内部扩散。
3. 马氏体是碳在（α-Fe）中的（过饱和溶液）组织。
4. 在钢的热处理中，奥氏体的形成过程是由（加热）和（保温）两个基本过程来完成的。
钢的热处理原理及工艺
6.67 0.89 14.8 0.41 0.02
表明： 相界面向α一侧推移速度比向Fe3C一侧的推移速度快14.8倍。 通常情况下，片状珠光体的α片厚度比Fe3C片厚度大7倍。 所以奥氏体等温形成时，总是α先消失，剩余Fe3C。
3)残余Fe3C溶解
未溶解，这些Fe3C称为残余Fe3C。
也是一个点阵重构和碳的扩散过程。
（1）过冷奥氏体缓慢冷却，分解的过冷度很小，得到 近于平衡的珠光体组织。 （2）冷却速度较快时，可把过冷奥氏体过冷到较低温 度，碳原子尚可扩散，铁原子不能扩散，得到贝氏体组织。 （3）更快速的冷却，奥氏体迅速过冷到不能进行扩散 分解，得到马氏体组织。
Figure 8. TTT Diagram and microstructures obtained by different types of cooling rates
dC
A 长大
∆Cr↔k
dx
∆Cr↔α
2）奥氏体晶格改组
一般认为： ①平衡加热过热度很小时，通过Fe原子子扩散完成晶格改组。
②当加热过热度很大时，晶格改组通过Fe原子切变完成。
2）奥氏体晶核的长大速度
奥氏体晶核向铁素体和渗碳体两侧推移速度是不同的。
780℃时，
v v Fe 3C
C Fe 3C C
α→γ结束后，还有相当数量的Fe3C尚
残余Fe3C溶解
4）奥氏体均匀化
在原来Fe3C部位，C%较高，而原来α部位C% 较低，必须经过适当保温后，奥氏体中的C%才能均 匀。
A 均匀化
共析碳钢A形成过程示意图
1.奥氏体晶核的形成 2.奥氏体晶核的长大 3.残余渗碳体的溶解 4.奥氏体成分的均匀化
钢的热处理工艺
提高硬度和稳定零件尺寸。 提高硬度和稳定零件尺寸。
4.钢的淬透性 4.钢的淬透性 淬透性：淬火条件下得到M组织的能力。 ①淬透性：淬火条件下得到M组织的能力。 其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。 其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。 淬硬层深度来表示 淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区(50%M 淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区(50%M + 是指由工件表面到半马氏体区 50%T)的深度。 50%T)的深度。 的深度
正火温度
Qingdao Ocean Shipping Mariners College
1.正火目的： 1.正火目的： 正火目的 1)提高硬度，改善切削加工性能； 1)提高硬度，改善切削加工性能； 提高硬度 2)细化组织和消除过热缺陷； 2)细化组织和消除过热缺陷； 细化组织和消除过热缺陷 3)消除和减少网状渗碳体，提高钢的综合机械性能。 3)消除和减少网状渗碳体，提高钢的综合机械性能。 消除和减少网状渗碳体 2.应用: 2.应用: 应用 1）用于低碳钢或低合金钢改善切削加工性能。 用于低碳钢或低合金钢改善切削加工性能。 改善切削加工性能 用正火代替中碳钢、 代替中碳钢 2）用正火代替中碳钢、中合金钢的大直径或形状复杂 零件的调质处理。 零件的调质处理。 调质处理 用正火代替工时很长的铸、锻件的完全退火 代替工时很长的铸 完全退火。 3）用正火代替工时很长的铸、锻件的完全退火。 作为球化退火之前的预先热处理。 4）作为球化退火之前的预先热处理。
降低硬度， 降低硬度， 亚共析钢 细化组织 使渗碳体球 状化， 状化，降低 过共析钢 硬度， 硬度，改善 切削加工性
球化退火
Ac1+（30～50）℃ 30～50）
100～200） 再结晶退火 T再+（100～200）℃ 消除加工硬 经冷变形的 低碳钢 化 低温退火 －（100 200） 100～ A1－（100～200）℃ 消除内应力 铸、锻、焊 接件
热处理基础知识
3. 淬火
（1）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 )。
（2）目的: 为了获得马氏体组织， 提高钢的硬度和耐磨性。
（3）工艺参数:
（4）常用的淬火冷却介质
名称
最大冷却速度时 平均冷却速度/(℃•s-1)
所在温 冷却速度 650～550 300～200
固体渗碳法示意图
泥封
盖
渗碳箱
试棒
零件 渗碳剂
气体渗碳法示意图
5) 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
（4）渗氮
1)定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。
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。 4)方法:气体渗氮。
渗碳与渗氮的工艺特点
1.3 钢的热处理
( Heat Treatment of Steel )
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
1.3.1 热处理及其作用
1. 热处理的定义: 将钢在固态下进行不 同的加热、保温和冷却，以改变其内部 组织，从而获得所需性能的一种工艺。
温
保温
度热
加
临界温度
冷 却
时间
2.热处理的目的: 通过改变钢的内部组织 来改善钢的性能，如强度、硬度、塑性、 韧性、耐磨性、耐蚀性、加工性能等。
3.热处理的分类
普通 热处理
退火;正火; 淬火;回火;
感应加 热淬火热处理ຫໍສະໝຸດ 表面淬火表面 热处理
第三章金属材料和热处理-pdf
第三章金属材料及热处理金属材料是现代机械工业使用最广泛的材料，品类繁多，性能各不相同，合理选用金属材料和正确运用热处理方法，可以充分发挥金属材料的机械性能，提高产品的质量。
金属可以分为黑色金属和有色金属，黑色金属主要是指钢和铸铁，以铁和碳为基本组成元素形成铁碳合金，即碳素钢。
在铁碳合金中加入一定量的合金元素，如铬、锰、镍、钴等成为合金钢。
有色金属是指非铁金属及其合金，如铝、铜、铅、锌等金属及其合金。
一、碳素钢的分类、编号和用途碳素钢简称碳钢，是含碳量小于 2．11％的铁碳合金，具有较好的机械性能、良好的锻压性能、焊接性能和切削加]：性能，价格比合金钢低，在机械工业中得到广泛使用。
(一)碳素钢的分类1．按钢的含碳量分类低碳钢——含碳量≤0．25％；中碳钢——含碳量：0．30％-0．55％；高碳钢——含碳量≥0．60％。
2．按钢的质量分类普通碳素钢：硫、磷含量分别≤O．055％和 O．045％优质碳素钢：硫、磷含量均≤0．040％；高级优质碳素钢：S、P含量 0．030％-0．035％。
3．按钢的用途分类碳素结构钢：主要用于制造各种工程构件和机器件，这类钢一般属于低碳钢和中碳钢。
碳素工具钢：主要用于制造各种刀具、量具、模具，这类钢含碳量较高，一般属于高碳钢。
(二)碳素钢牌号和用途1．普通碳素结构钢甲类钢：这类钢出厂时按保证机械性能供应，除硫、磷外不保征化学成分。
甲类钢的牌号以“甲”或“A”字加上阿拉伯序数表示，共 1-7级，即甲 l、甲 2、…、甲 7(或 A1、A2、…、A7)，数字越大，强度越高，塑性越差，主要用来制造钢板、角钢、圆钢和工字钢等。
乙类钢：这类钢出厂时按化学成分供应，不保证机械性能。
乙类钢的牌号用“乙”或“旷加上阿拉伯数字表示，也分为 1-7级，即乙 1、乙 1、…、乙 7(或 Dl、u2、…、B7)，数字越大，含碳量越高，主要用于制造不重要的零件，一般须经热处理。
2．优质碳素结构钢优质碳素结构钢既要保证钢的化学成分，还要保证机械性能其机械性能，用于制造比较重要的零什。
热处理主要内容
热处理工艺方法---化学热处理
化学热处理:将金属工件放入含有某种活性 原子的化学介质中,通过加热使介质中的原 子扩散渗入工件一定深度的表层,改变其化 学成分和组织并获得与心部不同性能的热 处理工艺，和表面淬火不同，化学热处后 的工件表不仅有组织的变化，而且也有化 学成份的变化。
热处理工艺方法---化学热处理
去应力退火：消除内应力加热至Ac1100～200℃，保温后空冷或炉冷至200～ 300℃，再出炉空冷 铸钢件，焊接件及 锻轧件。
热处理工艺方法---退火
不完全退火： 细化组织，降低硬度加热 至 中A、c合1+金4钢0～和6某0些℃高，合保金温钢后(缓组慢织冷化却程。度 低于完全退火)
扩散退火：成分均匀化，加热至 A却c。3+铸1钢50件～具2有00成℃分，偏长析时的间锻保轧温件后等缓慢冷
热处理工艺方法---回火
回火:回火是将淬火钢在A1以下温度加 热,使其转变为稳定的回火组织,并以适 当方式冷却到室温的热处理工艺.其目的 是减少或消除淬火应力,保证相应的组织 转变,提高钢的韧性和塑性,获得硬度,强 度,塑性和韧性的适当配合,以满足各种 工件的不同使用性能.
热处理工艺方法---回火
热处理工艺方法---退火
再结晶退火或中间退火 ：消除加工硬 化 加热至Ac1-50～150℃或，保温后冷却 冷变形钢材和钢件
热处理工艺方法---正火
正火:正火是将钢加热到AC3(或Acm)以上 适当温度,保温以后在空气中冷却得到珠光 体类组织的热处理工艺.其主要目的是调整 硬度,细化晶粒,消除内应力,消除魏氏组织 和带状组织,为最终的热处理提供合适的组 织.
热处理的定义
热处理------通过加热，保温和冷却 的方法改变钢的组织结构以获得工件 所要求性能的一种热加工技术。