《金属热处理原理及工艺》淬火与回火 ppt课件

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二、 淬火介质
2 .有物态变化的淬火介质 冷却机理：
辐射、传导和对流将工件的热量带走，使工件冷却 汽化沸腾，使工件强烈散热 冷却能力强
水基，油基
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二、 淬火介质
2 .有物态变化的淬火介质 介质冷却特性的测试
——试样温度与冷却时间（速度）之间的关系）
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二、 淬火介质
2 .有物态变化的淬火介质
D0油=8mm，40Cr D0油=20mm。
马氏体 马氏体 索氏体
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5、淬透性的实际意义
1、对于截面承载均匀的重要件，要全部淬透。如螺栓、连杆、 模具等。 ——选用高淬透性钢
2、对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透（淬硬层深度一般为 半径的1/2~1/3），如轴、凸轮。——低淬透性钢
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(3)临界直径法：
D0 ：钢在某种介质中能够完全淬透
临界
的最大直径。
直径
D0
大小取决于成分及淬火条件
Di：理想临界直径，理想条件试样能 够淬透的最大直径。
反映了钢的固有淬透性
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H值
理想临 界直径 Di
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(4)端淬法：此方法是世界上通用方法。
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（2）组织应力：由于工件表层和心部发生马氏体转变的不 同时性而造成的内应力。
组织应力产生过程：
➢ 冷却初期，表面发生马氏体相变，表面体积膨胀，产生 压应力；心部冷速慢牵制表面膨胀，产生拉应力；
➢ 冷却后期，心部发生马氏体相变，表面体积膨胀，产生 压应力；表面牵制心部膨胀，产生拉应力；
最终的淬火组织应力：表面拉应力、心部压应力。
发生相变前主要内应力为热应力；
发生相变后主要内应力为组织应力，热应力为辅。
但由于组织应力发生在塑性较低的低温阶段，因此是使 零件开裂的主要原因。
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四、淬火缺陷
2 .淬火变形 几何形状变化＋体积变化
热应力使工件沿着最大尺寸方向收缩
变圆
沿着最小尺寸方向胀大。 组织应力使工件沿着最大尺寸方向伸长 变尖
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(2)U型曲线法：用于结构钢
将一组长度是直径4—6倍的圆柱形试样
经完全奥氏体化后，在一定介质中冷却
后，从试样中部切开，磨平后自表面向
心部测量试样硬度，其硬度分布如右。
h ----淬硬区
DH ----未淬硬区
h h
淬透性表示：
淬硬层深度h，或DH /D。
DH
直观，准确，但繁琐
D
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HRC
HRC
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2、影响淬透性的因素
决定因素:临界冷却速度; 取决于材料化学成分。
C曲线越靠右,淬火临界冷却速度越小,钢的淬透性越好 因此使C曲线右移的元素均使淬透性提高; 一般而言，碳钢的淬透性差，
合金钢的淬透性好，且合金元素含量越高， 淬透性越好（除Co）
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注意区别：
钢的淬透性 —— 钢材本身的固有属性，与外部因素无关 工件的淬透深度 —— 取决于钢材淬透性, 还与冷却介质、
工件尺寸等外部因素有关。
同一材料的淬硬层深度与工件的尺寸、冷却介质有关。工件 尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。
淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。它只用于不同材料之间 的比较。是在尺寸、冷却介质相同时，用不同材料的淬硬层 深度来进行比较的。
常用的淬火冷却介质
最大冷却速度时
所在温度/ 冷却速度
℃
/( ℃ • s-1)
340
775
285
545
220
275
580
2000
560
2830
430
230
430
230
500
120
平均冷却速度/(℃•s-1)
650～550
300～200
℃
℃
135
450
110
410
80
185
1900
1000
2750
775
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4、淬透性的表示方法 ⑴ 用淬透性曲线表示
即用J HRC 表示， d
J 表示末端淬透性， d ——至水冷端距离 HRC——该处硬度值。
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⑵ 用临界淬透直径表示 临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被淬成半马氏
体的最大直径，用D0表示。 D0与介质有关，如45钢D0水=16mm，D0油=8mm。 只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比较，如45钢
高，大截面并要求淬 50％马氏体组
透的零件
织的深度
实际条件下， 50％马氏体组
织的深度
以磨损为主的工具、 淬火后硬度 量具、模具
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3.淬透性测量方法
(1)断口法：适用碳素工具钢。
将上述试样加热到760、800、840℃等温度加热 15—20分钟，淬入10--30 ℃ 水中，打断观察淬硬层， 即淬硬层（马氏体）和韧软层（珠光体或贝氏体）， 对照相应标准0----5级。
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注意区别：
淬透性和淬硬性 淬硬性: 钢在理想条件下淬火后所能 达到的最高硬度。
影响因素: 主要取决于马氏体的含碳量。
C%
马氏体硬度、韧性与含碳量的关系
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淬硬性与淬透性: （两个完全不同的概念）
钢种
淬硬性
碳素结构钢 ( 20 )
低
碳素工具钢( T12A )
高
低碳合金结构钢
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2. 淬火工艺
①淬火加热温度
亚共析钢：Ac3 +30～50℃;
共析和过共析钢： Ac1 +30～50℃（必须消除网状渗碳体
为什么过c1 +30～50℃ ， 而不是Accm +30～50℃？）
1）细化晶粒 2）保留渗碳体，提高耐磨性 3）减少A含碳量，以降低M转 变时变形和开裂的倾向，
500
理想淬火冷却介质
A1
400 300 Ms 200 100
0 Mf
-100 0
1
10 102 103 104 时间(s)
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二、 淬火介质
1.无物态变化的淬火介质 冷却机理： 辐射、传导和对流将工件的热量带走，使工件冷却
常用的淬火介质： 硝酸盐和碱，使用温度在150～550℃之间。
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37CrNi3 完全马氏体、150mm 重载荷、冲击载荷、截面较大 的零件等。
40CrNiMo 半马氏体，≥75mm A
>250mm的汽轮机轴、叶片、 传动件等
4Cr13
不锈钢、空淬钢
食品、医药、化工等设备的配 件
Cr5Mo1V 美国引进钢种，具有良好的空淬性能
5CrMnMo 我国资助研制的高淬透性钢
60
65
70
55
100
50
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温
度
A1
Ms 单液淬火
双液淬火
分级淬火
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时间 等温淬火
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3 淬火介质的新发展 环保、优效（高温快速、低温慢速）、安全、经济为
发展方向。 植物油基生态淬火油（使蒸汽膜阶段短、提高高温阶
段冷速） 聚合物水基淬火介质（降低水的冷速、环保） 固—气流化介质（固体细粒与压缩空气混合）
（1）热应力：由于工件心部和表面冷却速度不一致，其冷 却收缩不同而造成的内应力。
热应力产生过程： ➢ 冷却初期，表面冷速快，表面收缩，产生拉应力；
心部冷速慢，不收缩，产生压应力； ➢ 冷却后期，表面冷速慢，表面不收缩，产生压应力；
心部冷速快，收缩，产生拉应力；
最终的淬火热应力：表面压应力、心部拉应力。
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40
淬透性曲线应用 ——求不同直径棒状工件截面上的硬度分布 例：采用45Mn2制造Φ50mm的轴，试求水淬后其截面上硬度分
布曲线。
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静水中淬火
静油中淬火
沿末端淬火试样的长度、圆棒直径、圆棒内不同位置与冷却速度之间的关系
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φ50
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淬透性曲线应用——根据性能要求选择材料及工艺 例：有一40号钢直径45mm的轴，要求淬火后在距表面3/4R处有
两个完全不同的概念淬透性淬硬性钢钢种差差低低碳素结构钢20差差高高碳素工具钢t12a好好低低低碳合金结构钢20cr2ni4a好好高高高碳高合金工具钢w18cr4v27ppt课件单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火时间温度msa128ppt课件淬火后硬度以磨损为主的工具量具模具mm中含碳量淬硬性合金元素冷却介质工件尺寸淬透层深度规定条件下50马氏体组织的深度形状复杂尺寸精度高大截面并要求淬透的零件合金元素淬透性表示方法应用范围影响因素实际条件下50马氏体组织的深度29ppt课件3
（a）零件截面的不同冷却速度;
（b）未淬透区的示意图
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淬硬层深度—— 由工件表面到半马氏体区(50%M + 50%P)的深度。
M度量的和变硬化度随深
如果工件中心在淬火后获得了50％以上的M， 则认为工件已经被淬透。
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淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响
淬 透
未 淬 透
并减少AR量
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2. 淬火工艺
②保温时间 •保温时间=升温时间 + 心表温度一致时间 + 组织转变时间
加热介质对保温时间影响较大。
τ=α K D
工件有效厚度 (最快传热方向上的厚度)
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
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有效厚度D： 板件和薄壁件以板厚或壁厚做D 球体以球直径的0.75倍作D 形状复杂工件以工作部分的截面厚度作D
高精密零件，复杂零件，如复杂冷冲模。——选用高淬透2.8性.10.wm钢v 。
淬硬层深度与工件尺寸有关，设计时应注意尺寸效应。
柴油机连 杆
高强螺栓
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齿轮
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钢号
临界淬透直径（油） 应用范围
20CrMnTi 半马氏体，20～30mm 汽车、拖拉机的主齿轮、活塞 销等
20CrNi3 半马氏体、50～70mm 重载荷下工作的齿轮、轴、蜗 杆、螺钉等
第八章 淬火与回火
8.1 淬火 8.2 回火
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8.1 淬火
钢的淬火——将钢加热到临界温度（A1 或A3）以上，保 温一定时间使其奥氏体化，以大于临界冷却速度进行 冷却的工艺。
淬火目的： 提高硬度和耐磨性：刀具、量具、磨具 提高强韧性：轴类、杆件、销、受力件 提高硬磁性：用高碳钢、磁钢制的永久磁铁（马 氏体磁性） 提高弹性：各类弹簧 提高耐蚀和耐热性：耐热钢和不锈钢 获得M组织
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一、淬火方法及工艺 1.淬火方法 淬火分类
按加热温度：完全淬火、不完全淬火、循环加热淬火 按加热速度：普通淬火、快速加热淬火、超快速加热淬火 按加热介质及热源条件：光亮淬火、真空淬火、铅浴加热淬火、盐浴加 热淬火、火焰加热淬火、感应加热淬火、高频脉冲淬火、接触电加热淬 火、电解液加热淬火、电子束加热淬火、激光加热淬火 按淬火部位：整体淬火、局部淬火、表面淬火 按冷却方式：单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火、预冷淬火； 马氏体等温淬火、贝氏体等温淬火等
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视频（真空淬火）
视频（激光淬火）
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三、 钢的淬透性
淬透性是钢的主要热处理性能。 是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。
网带式淬火炉
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三、 钢的淬透性
1. 概念
淬透性——钢在淬火时能够获得马氏体的能力。 其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。
a
b
工件淬硬层与冷却速度的关系示意图
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2. 淬火工艺
③冷却方式 冷却方式 最大限度减少工件应力集中和变形， 使工件均匀冷却。
冷却介质
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温
度
A1
Ms 单液淬火
双液淬火
分级淬火
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时间 等温淬火
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二、 淬火介质
理想淬火介质具备：
高温慢冷；
温度
奥氏体鼻子温度快冷； (℃)
马氏体转变慢冷。
800 700
600
低
( 20Cr2Ni4A )
淬透性 差 差
好
高碳高合金工具钢
( W18Cr4V )
高
好
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温
度
A1
Ms 单液淬火
双液淬火
分级淬火
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时间 等温淬火
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影响因素
应用范围
表示方法
淬透性
淬透层 深度 淬硬性
合金元素
合金元素 冷却介质 工件尺寸 M中含碳量
形状复杂、尺寸精度 规定条件下，
80%马氏体，在1/2R处的硬度不低于HRC40，请问采用淬火 介质为油还是水？ 解：①确定40钢淬火后80%马氏体组织的硬度（HRC45）；
②淬油后硬度 3/4R处：HRC38， 1/2R处：HRC30 不满足要求；
③淬水后硬度 3/4R处：HRC46， 1/2R处：HRC42 满足要求；
采用水淬
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四、淬火缺陷
1. 淬火内应力 淬火内应力是造成工件变形和开裂根本原因。 淬火内应力超过材料屈服强度----引起工件变形； 淬火内应力超过材料断裂强度----引起工件断裂。
淬火内应力分：热应力（温度应力） 组织应力（相变应力）
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沿着最小尺寸方向收缩。
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四、淬火缺陷
淬火变形影响因素： 淬透性：好，组织应力作用大；差，热应力作用大 奥氏体化学成分， C%低，热应力作用大；C%高，组织应力作用大。 淬火加热T高、内应力大、变形大； 淬火冷速快、内应力大、变形大； 工件形状不对称，厚薄不均匀，变形大。
冷却机理 第一阶段（AB段）：蒸汽膜阶段。冷却速度慢 第二阶段（BC段） ：沸腾阶段。冷却速度快 第三阶段（CD段） ：对流阶段。冷却速度慢
常用的冷却介质 水、盐水、碱水、油、合成淬火液等
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名称
20℃静止水 40℃静止水 60℃静止水 10%NaCl 溶液 10%NaOH 溶液 20℃10号机油 80℃10号机油 20℃3号锭子油