《汽车工程材料》教案(21,22)-钢的退火与正火

主要教学步骤和教学内容
★课程回顾：（5min）
1、等温冷却转变C曲线（高温转变、中温转变、低温转变）
2、连续冷却转变、临界冷却速度
★课程导入：（5min）
1、热处理中的退火有些形式，有什么目的？
2、所谓正火和退火有何区别？
（观看视频，提出问题，学生思考并回答）
★新课讲授：（70min）
一、钢的退火
将钢加热到适当温度，保温一段时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。

根据钢的成分和目的的不同，退火又分为完全退火、不完全退火，等温退火，球化退火、再结晶退火、去应力退火等。

1．完全退火和不完全退火
完全退火是将钢加热到完全奥氏体化（Ac3以上30～50℃），随之缓慢冷却的工艺方法。

完全退火的组织是铁碳合金相图的平衡组织（铁素体+珠光体）。

完全退火主要用于各种亚共析成分的碳钢和合金钢的铸锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构，常用作一些不重要零件的最终热处理，或作某些重要零件的预备热处理，目的在于细化组织、降低硬度、改善切削加工性、消除内应力。

不完全退火是加热到临界点Ac1以上30～50℃，保温后缓慢冷却的方法。

应用于晶粒并未粗化的中、高碳钢和低合金钢锻轧件等，主要目的是降低硬度、改善切削加工性、消除内应力。

它的优点是加热温度低，消耗热能少，降低了工艺成本。

2．等温退火
将钢加热到Ac3以上30～50℃（亚共析钢）或Ac1以上20～40℃(共析钢和过共析钢)，保温一定时间后冷却到稍低于Ar1某一温度进行等温转变，以获得珠光体组织，
然后在空气中冷却的工艺方法，称为等温退火，等温退火应用于中碳合金钢、经渗碳处理的低碳合金钢和某些高合金钢的大型铸锻件及冲压件等，其目的与完全退火相同，且能得到更为均匀的组织和硬度，可有效缩短退火时间，尤其对某些奥氏体比较稳定的合金钢。

高速钢等温退火与普通退火的比较
3．球化退火
球化退火是将过共析钢加热到Ac1以上20～30℃,保温一定时间，以不大于50℃/h 的冷却速度随炉冷却下来，使钢中碳化物呈球状的工艺方法。

它应用于共析钢及过共析钢的锻轧件，以及结构钢的冷挤压件等。

其目的在于降低硬度、改善切削加工性、改善组织、提高塑性等。

4．去应力退火
去应力退火是将钢件加热到Ac1以下(100～200℃)，保温一定时间后缓慢冷却的工艺方法。

其目的是为了去除由于形变加工、机械加工、铸造、锻造、热处理、焊接等所产生的残余应力。

二、钢的正火
正火是将钢加热至Ac3或ACcm以上30～50℃保温适当时间，在空气中冷却的工艺方法。

正火和退火的目的基本相同，但的冷却速度比退火快，故正火后得到的珠光体组织比较细，强度、硬度比退火钢高。

退火与正火的加热温度范围图退火与正火工艺曲线示意图
正火与退火相比，不但力学性能高，而且操作简便，生产周期短，能量耗费少，故在可能条件下，应优先采用正火处理。

正火主要用于：
（1）改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性一般认为，硬度在160～230HBS范围内，金属切削加工性好。

硬度过高时，不但加工困难，刀具还易磨损；而硬度过低时切削容易“粘刀”，也使刀具发热和磨损，且加工零件表面粗糙度大。

低碳钢和低碳合金钢退火后的硬度一般都在160HBS以下，因而切削加工性不良。

正火可以提高其硬度，改善切削加工性。

（2）作为普通结构零件或大型及复杂零件的最终热处理因为正火可细化晶粒，力学性能较高，也能满足普通结构零件的性能要求，而大型复杂零件淬火时可能有开裂危险。

（3）作为中碳和低合金结构钢重要零件的预备热处理这种钢正火后硬度在160～230HBS范围内，消除了热加工时带来的缺陷，故不仅有良好的切削加工性，而且还能减少零件的变形与开裂，提高淬火质量。

另外，也可代替调质处理，为以后的表面淬火作准备。

（4）消除过共析钢中网状二次渗碳体正火时，由于冷却速度较快，二次渗碳体来不及沿奥氏体晶界呈网状析出。

退火和正火除经常作预备热处理工序外，对一些普通铸件、焊接件及不重要的热加工件，也可作为最终热处理工序。

★课程小结：（10min）
1、钢的各类退火工艺及应用
2、钢的正火工艺及生产应用
作业：
主要教学步骤和教学内容
★课程回顾：（5min）
1、钢的各类退火工艺：
完全退火、等温退火、均匀化退火、球化退火、去应力退火
2、钢的正火工艺及生产应用
★课程导入：（5min）
1、为什么有些钢淬火要用水冷却，有些钢要用油冷却？
2、钢淬火后为什么回火，目的是什么？
（观看录像视频，提出问题，学生思考并回答）
★新课讲授：（70min）
一、钢的淬火
淬火是将钢加热到临界温度Ac1或Ac3以上30～50℃温度，保温使之奥氏体化后，然后快速(超过临界冷却速度)冷却，从而发生向马氏体转变的热处理工艺。

淬火的主要目的是得到马氏体组织，以提高钢的强度与硬度。

例如：刀具、量具经淬火回火后可以得到高硬度、高耐磨性；轴类零件淬火回火后可以获得优良的综合力学性能。

淬火是强化钢的最重要的热处理方法，能很好地发挥钢材的性能潜力，因此也是最常用的一种热处理方法。

1．淬火的加热及保温
（1）加热温度的确定
碳钢的淬火温度可用铁碳合金相图来确定，如图所示。

为防止奥氏体晶粒粗大，淬火加热温度不宜过高。

一般适宜的淬火加热温度是：
亚共析钢为Ac3+(30～50℃)，过共析钢为 Ac1+(30～50℃)。

（2）加热时间的确定
淬火加热时间的确定，既要保证工件的表层、心部达到规定加热温度，获得均匀的奥氏体化组织，又要保证晶粒不致粗大，还要考虑时间，经济及生产率。

（3）淬火加热缺陷及其防止
钢在淬火加热时的可能导致的主要为：过热、过烧、氧化和脱碳。

2．淬火冷却介质
冷却速度是淬火工艺上的最主要问题。

一方面，淬火时要求得到马氏体，冷却速度必须大于临界冷却速度；而另一方面，过快的冷却速度会有产生的热应力和组织应力，从而容易导致淬火工件的变形和开裂。

控制冷却速度主要通过选择合理的淬火冷却介质（冷却剂）。

常用的淬火剂有水、水溶液、油等。

3．淬火方法
常用的淬火方法有单液淬火法、双液淬火法、分级淬火法及等温淬火法等。

各种淬火方法的冷却曲线如图示。

a)单液淬火和双介质淬火法 b)马氏体分级淬火法 c）贝氏体等温淬火法
常用淬火方法的冷却示意图
4．钢的淬透性和淬硬性
钢的淬透性又称可淬性，是每种钢所固有的属性，它表示了钢接受淬火的能力，即表征钢淬火时形成马氏体的能力，是钢材的一种固有属性。

钢的淬透性通常以规定的淬火条件下获得的淬硬层的深度来表示。

相同条件淬火后，钢的淬硬层愈深，淬透性愈好。

淬硬性是指钢在理想条件下淬火成马氏体后所能达到的最高硬度。

钢的淬硬性主要取决于钢的含碳量。

淬透性和淬硬性是具有不同含义的两个概念。

二、钢的回火
淬火钢主要组织是马氏体或残余奥氏体。

这些组织很不稳定（有自发向珠光体型组织转变趋势），且马氏体硬度高、脆性大，还具有不可避免的内应力，极易变形开裂，很少直接使用，一般必须及时回火。

根据工件回火的性能要求不同，回火加热温度分为低温、中温及高温回火3种1、低温回火
温度范围为150～250℃，组织为回火马氏体。

目的是降低内应力、减少脆性、保持淬火后高硬度（58～62HRC）和耐磨性。

低温回火一般用于碳钢和合金钢制作的工具（刃具、量具、模具等）、滚动轴承、渗碳件。

低碳马氏体回火后，不仅强度高，而且塑性、韧性也很好。

2、中温回火
温度范围为250～500℃，组织为回火托氏体，35～56HRC主要目的是获得高弹性、高屈服极限，同时保持足够韧性，如弹簧、发条、煅模及工具等。

对某些钢，中温回火在250-400℃时发生回火脆性，必须引起充分注意。

3、高温回火
温度范围为500～650℃，组织为回火索氏体，23～35HRC。

主要目的是获得既有一定强度、硬度，又有良好的冲击韧性的综合力学性能。

这种淬火后进行高温回火的热处理称为调质处理，简称调质。

一般用于中碳钢（0.3～0.5%C）制的重要零件,如曲轴、连杆、齿轮轴等；也可作为某些精密工件如量具、模具等的预备热处理。

★课堂小结：（10min）
1、钢的淬火介质、淬火工艺方法；
2、钢的回火工艺、组织、性能、用途。

作业：。