第五章 钢的化学热处理PPT课件
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钢的热处理ppt课件
的频率，与材料的淬透性无关。
其它表面淬火方法
1.火焰加热表面淬火
淬硬深度：2～6mm。 特点：方便，成本低，但效果
差
2.激光加热表面淬火
特点： 淬硬深度：0.3～0.5mm。 特点：不需要冷却液，可对深
孔，盲空，沟槽进行淬火。
3.太阳能加热表面淬火
同激光，但受自然条件限制
钢的化学热处理
为什么亚共析钢要进行完全淬火
完全淬火—— 得到完全马 氏体。
不完全淬 火——马氏体 组织中有铁 素体出现。
为什么过共析钢只能进行不完全
淬火
完全淬火：马氏体 含碳量过高，易开 裂和形成大量残余 奥氏体；
不完全淬火：有细 小弥散渗碳体残余， 奥氏体含碳量低， 因而淬火时不易开 裂，且残余渗碳体 量少。
适用材料：低碳钢。 常用工艺：
气体渗碳 固体渗碳 特点：温度高，周期长， 渗碳后必须进行淬火。
渗碳件的淬火
直接淬火
优点：工艺简单， 降低成本
缺点：工件晶粒 粗大，易开裂。
一次淬火
优点：晶粒细化， 不易开裂
缺点：增加成本。
钢的气体氮化
原理：以氨气分解产生活性氮原子，渗入钢
表面后形成高硬度的弥散分布的氮化物。 优点：由于渗氮温度只有550～570℃，且渗后
目的：满足工件不 同部位的性能要求。
冷处理
目的：消除残余 奥氏体。
工艺：先进行普 通淬火，然后将 工件淬入低温溶 液中
常用冷处理液
冰水； 干冰+酒精； 液氮。
钢的淬透性
基本概念
淬透性：钢获得马 氏体的能力。
淬硬性：钢的硬化 能力
淬透层深度：从淬 火件表面至半马氏 体区的距离
时间/s 图2-68 T10钢过冷A等温转变曲线
其它表面淬火方法
1.火焰加热表面淬火
淬硬深度：2～6mm。 特点：方便，成本低，但效果
差
2.激光加热表面淬火
特点： 淬硬深度：0.3～0.5mm。 特点：不需要冷却液，可对深
孔，盲空，沟槽进行淬火。
3.太阳能加热表面淬火
同激光，但受自然条件限制
钢的化学热处理
为什么亚共析钢要进行完全淬火
完全淬火—— 得到完全马 氏体。
不完全淬 火——马氏体 组织中有铁 素体出现。
为什么过共析钢只能进行不完全
淬火
完全淬火：马氏体 含碳量过高，易开 裂和形成大量残余 奥氏体；
不完全淬火：有细 小弥散渗碳体残余， 奥氏体含碳量低， 因而淬火时不易开 裂，且残余渗碳体 量少。
适用材料：低碳钢。 常用工艺：
气体渗碳 固体渗碳 特点：温度高，周期长， 渗碳后必须进行淬火。
渗碳件的淬火
直接淬火
优点：工艺简单， 降低成本
缺点：工件晶粒 粗大，易开裂。
一次淬火
优点：晶粒细化， 不易开裂
缺点：增加成本。
钢的气体氮化
原理：以氨气分解产生活性氮原子，渗入钢
表面后形成高硬度的弥散分布的氮化物。 优点：由于渗氮温度只有550～570℃，且渗后
目的：满足工件不 同部位的性能要求。
冷处理
目的：消除残余 奥氏体。
工艺：先进行普 通淬火，然后将 工件淬入低温溶 液中
常用冷处理液
冰水； 干冰+酒精； 液氮。
钢的淬透性
基本概念
淬透性：钢获得马 氏体的能力。
淬硬性：钢的硬化 能力
淬透层深度：从淬 火件表面至半马氏 体区的距离
时间/s 图2-68 T10钢过冷A等温转变曲线
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。
《钢的热处理》PPT课件
231形成当a过冷到a1线以下时a产生了变化在晶界处产生了fe3c晶核长大使侧a的含量下降当fe3c长大时使到原有的a的c含量达到f时fe3c两侧形成的晶核当f长大时cmax0006向周围的a排出多原子增加了两侧a的c含量促进了fe3c片的形成如此反复24形成f与fe3c层片相间的混合组织与此同时在晶界其他部位又可能产生新的晶核fe3c小片并不断交替生核长大直到各种不同取向的p晶团群彼此相遇a全部转变为p
三) 转变产物的组织与性能
1.珠光体型 ( P ) 转变 ( A1～550℃ ) : A1～650℃ : P ; 5～25HRC; 片间距为0.6～0.7μm ( 500× )。
650～600℃ : 细片状P---索氏体(S); 片间距为0.2～0.4μm (1000×); 25～36HRC。
600～550℃:极细片状P---屈氏体(T); 片间距为＜0.2μm ( 电镜 ); 35～40HRC。
珠光体形貌像
光镜下形貌
电镜下形貌
索 氏 体 形 貌 像
光镜形貌
电镜形貌
屈 氏 体 形 貌 像
光镜形貌
电镜形貌
三) 转变产物的组织与性能
2.贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550～230℃ ) :
形成，F 与 Fe3C 层片相间的混合组 织，与此同时，在晶界其他部位又可能 产生新的晶核（ Fe3C 小片），并不断 交替生核长大，直到各种不同取向的P晶 团（群）彼此相遇，A全部转变为P。 由此可见，P的形成，包含两个不 同的过程： 通过C的扩散而使成分产生改变，即 由含C量0.8％（0.77％）的A 含 C量极高的Fe3C和含C量极低的F转变；
( % ) 50 40 30 20 10 0 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 Wc 100
三) 转变产物的组织与性能
1.珠光体型 ( P ) 转变 ( A1～550℃ ) : A1～650℃ : P ; 5～25HRC; 片间距为0.6～0.7μm ( 500× )。
650～600℃ : 细片状P---索氏体(S); 片间距为0.2～0.4μm (1000×); 25～36HRC。
600～550℃:极细片状P---屈氏体(T); 片间距为＜0.2μm ( 电镜 ); 35～40HRC。
珠光体形貌像
光镜下形貌
电镜下形貌
索 氏 体 形 貌 像
光镜形貌
电镜形貌
屈 氏 体 形 貌 像
光镜形貌
电镜形貌
三) 转变产物的组织与性能
2.贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550～230℃ ) :
形成，F 与 Fe3C 层片相间的混合组 织，与此同时，在晶界其他部位又可能 产生新的晶核（ Fe3C 小片），并不断 交替生核长大，直到各种不同取向的P晶 团（群）彼此相遇，A全部转变为P。 由此可见，P的形成，包含两个不 同的过程： 通过C的扩散而使成分产生改变，即 由含C量0.8％（0.77％）的A 含 C量极高的Fe3C和含C量极低的F转变；
( % ) 50 40 30 20 10 0 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 Wc 100
第五章 钢的热处理
等温退火
加热温度：Ac1以上10-20度，或Ac3以上30-50度 组织：P 目的： ①与完全退火、球化退火相同 ②更均匀的组织和硬度 ③显著缩短生产周期 应用范围：高碳钢，合金工具钢，高合金钢。
球化退火（不完全退火）
加热温度：Ac1以上20-40度 应用范围：过共析钢，共析钢 组织：球状P（F+球状FeC3） 目的： ①使FeC3球化→HRC↓，韧性↑→切削性↑ ②为淬火作准备
钢加热到930℃±10℃、保温8小时、冷却后测得的晶 粒度 表示钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向 本质细晶粒钢
本质粗晶粒钢
本质细晶粒钢M和本质粗晶粒钢K晶粒长大示意图
图5-5
第二节 钢的冷却转变
一、过冷奥氏体 二、在冷却转变时，相变温度对转变速度的 影响 三、过冷奥氏体等温转变曲线 四、过冷奥氏体等温转变的产物的组织和性 能 五、过冷奥氏体连续冷却转变曲线
三、过冷奥氏体等温转变曲线
温 度 ℃ 700 600 550 500 400 300 200 100
2 3 4 5 6
Ar
Ms
1
10 10 10
10
10 10
时间（s）
图5-8
共析碳钢过冷A等温曲线的建立
图5-9
四、过冷奥氏体等温转变的产物的组织和性能
珠光体转变 贝氏体转变
马氏体的组织与形态
一、奥氏体化前的组织
我们只考虑比较简单的情况即奥氏体化前的 组织为平衡组织的情况。 对于亚共析钢 → F+P 共析钢 → P 过共析钢 → Fe3CⅡ+P
二、奥氏体的形成温度与Fe- Fe3C状态图的关系
对于加热：非平衡条件下的相变温度高于平衡条 件下的相变温度； 对于冷却：非平衡条件下的相变温度低于平衡条件 下的相变温度。 这个温差叫滞后度。加热转变 → 过热度， 冷却转变 → 过冷度，且加热与冷却速度越大，温 度提高与下降的幅度就越大，导致热度与过冷度越 大。此外，过热度与过冷度的增大会导致相变驱动 力的增大，从而使相变容易发生。
《钢的热处理》PPT课件
度高、保温时间长, 晶粒粗大.
⑵加热速度: 加热速度越快,过热 度越大, 形核率越高, 晶粒越细.
⑶合金元素：
Nb/%
Nb、Ti对奥氏体晶粒的影响
阻碍奥氏体晶粒长大的元素:
Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、
Mo、Cr、Al等碳化物和氮 化物形成元素。
析出颗粒 对黄铜晶 界的钉扎
ppt课件
16
促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。 ⑷ 原始组织: 平衡状态的组织有利于获得细晶粒。 奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的
由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册
中的数据是以30-50℃/h 的速度加热或冷却时测得的.
ppt课件
8
第二节 钢在加热时的转变
加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在
A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加 热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。
一、奥氏体的形成过程
ppt课件
10
℃
第四步 奥氏体成分均匀 共析钢奥氏体化曲线（875℃退火）
化：Fe3C溶解后，其所 温 度
在部位碳含量仍很高， ，
通过长时间保温使奥氏
体成分趋于均匀。
ppt课件
11
共析钢奥氏体化过程
亚共析钢和过共析钢的奥 氏体化过程与共析钢基本 相同。但由于先共析 或 二次Fe3C的存在，要获得 全部奥氏体组织，必须相 应加热到Ac3或Accm以上.
常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均 匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。
真空热处理炉
箱式可控气氛多用炉
ppt课件
17
第三节 钢在冷却时的转变
冷却是热处理更重要的工序。 一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程
⑵加热速度: 加热速度越快,过热 度越大, 形核率越高, 晶粒越细.
⑶合金元素：
Nb/%
Nb、Ti对奥氏体晶粒的影响
阻碍奥氏体晶粒长大的元素:
Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、
Mo、Cr、Al等碳化物和氮 化物形成元素。
析出颗粒 对黄铜晶 界的钉扎
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16
促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。 ⑷ 原始组织: 平衡状态的组织有利于获得细晶粒。 奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的
由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册
中的数据是以30-50℃/h 的速度加热或冷却时测得的.
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8
第二节 钢在加热时的转变
加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在
A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加 热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。
一、奥氏体的形成过程
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10
℃
第四步 奥氏体成分均匀 共析钢奥氏体化曲线（875℃退火）
化：Fe3C溶解后，其所 温 度
在部位碳含量仍很高， ，
通过长时间保温使奥氏
体成分趋于均匀。
ppt课件
11
共析钢奥氏体化过程
亚共析钢和过共析钢的奥 氏体化过程与共析钢基本 相同。但由于先共析 或 二次Fe3C的存在，要获得 全部奥氏体组织，必须相 应加热到Ac3或Accm以上.
常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均 匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。
真空热处理炉
箱式可控气氛多用炉
ppt课件
17
第三节 钢在冷却时的转变
冷却是热处理更重要的工序。 一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程
钢的热处理原理和工艺PPT课件
决定钢件最后的性能。
47
第47页/共69页
3.回火时的组织转变 1）马氏体分解 （80～200 ℃）
转变产物：回火M+残余A 2）残余奥氏体分解 （200 ～ 300 ℃ ）
转变产物：回火M 3）渗碳体形成 （300 ～ 400 ℃ ）
转变产物：回火T 4）渗碳体聚集长大（> 400 ℃ ）
转变产物：回火S
c
b a
a = b≠c
——碳原子
25
第25页/共69页
低碳马氏体
组织特征：
呈 一束一束相互平行的
细条状板条。
M板条
性能特点：
硬度可达 HRC 45~50 ，
具有较高的强度
及良好的韧性。
M板条束
低碳马氏体组织形态
26
第26页/共69页
高碳马氏体
组织特征： 断面呈针状或片状
性能特点： 硬度均在≥ HRC 60， 表现为硬度高而脆性
珠光体组织 3800×
好的综合 力学性能。
18
第18页/共69页
a）形成温度范围
650℃ ~ 600℃ b）组织——索氏体（S）
细片状珠光体 片层间距0.4 ~ 0.2μm C）性能 硬度为230 ~ 320HBW 索氏体组织 8000× 综合力学性能优于 粗珠光体。
19
第19页/共69页
a）形成温度范围
铁素体+渗碳体
组织特征：
铁素体 ——长成板条状大致平行分布
渗碳体 ——呈粒状或短杆状分布在铁素体板条之间。
21
第21页/共69页
a）形成温度范围
550℃ ~ 350℃ b）组织——上贝氏体（B上）
形态呈典型羽毛状 C）性能
钢的化学热处理公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件
第4页
化学热处理基本过程 2、吸取 活性原子克服表面能垒进入金属表面，形成固溶体或化合物。
Fe [C]吸附溶解 Fe C溶 Fe [C]吸附化合 Fe3C
吸取能力与钢表面活性相关，表面缺点多（位错、晶 界露头），粗糙，洁净无污染则表面活性高，吸附力 强，可增进化学热处理。
第5页
化学热处理基本过程
第12页
淬火+低温回火。
（1）直接淬火法
T℃ 820 〜 850℃
预冷作用：减少变形 减少A中含碳量
930℃渗碳 3 〜 9h 预冷
加热
淬火
180 〜 200℃ 回火
0 直接淬火工艺
t(h)
第13页
第14页
淬火+低温回火。 （2）一次淬火法
渗碳缓冷后重新加热淬火
第15页
5.2 钢渗碳
四、渗层组织
表面: 回火索氏体 + ε氮化物（普通要磨削清除、脆性 大、不可用）
氮化层: 回火索氏体 + α、γ’氮化物 （工作层） 心部: 回火索氏体
注：钢氮化热处理能够有和马氏体同样转变，但普通不 这样用。
第26页
38CrMoAl氮化层硬度
第27页
氮化层组织
渗碳与渗氮工艺特点
名称
渗碳 渗氮
处理温度 (℃)
3、扩散
活性原子被吸取后，造成表面－内部浓度差，
引起渗入原子向内扩散。
整个化学热处理速度取决于扩散速度
(1)活性原子扩散宏观规律
服从 Fick第一定律
J
－Байду номын сангаас
D
dc dx
Fick第二定律
C t
2C D x 2
D
D0
第五章金属的化学热处理09精品PPT课件
◆实际碳势曲线：直接测定
方法：厚度小于0.2mm钢箔片，加热到一定温度停留 0.5~1h，使箔片被碳穿透之后，并与气氛平衡之后迅速冷却， 进行化学成分分析。获得炉内碳势。
2、滴注式可控气氛渗碳
◆ 滴注式可控气氛渗碳采用同时滴入两种有机液体
稀释气体：
甲醇、乙醇
富化气
煤油、丙酮、苯、甲苯、 异丙醇、乙酸乙酯等
◆表面不脱碳，不产生晶界氧化，有利于提高零件疲劳强度。 ◆可直接将渗剂（甲烷、丙烷或天然气）通入炉内，无需添置
气体制备设备。
◆对于不通孔、深孔、狭缝的零件，或者不锈钢、含硅钢等用
普通气体渗碳法难以渗碳的零件，真空渗碳可获得良好的渗 碳层。
◆耗气量仅为普通气体渗碳的几分之一或十几分之一。 ◆对环境基本无污染。 ◆缺点：易产生炭黑
◆温度：920~940 ℃
●气体渗碳法
◆滴注式气体渗碳法
用有机物液体直接滴入渗碳炉内的渗碳方法。 煤油、丙酮、苯、甲苯、异丙醇、乙酸乙酯等
◆吸热式气体渗碳
◆氮基气氛渗碳
●真空渗碳
特点： ◆可在较高温度（980~1100℃）下进行，真空对工件表面有
净化作用，有利于碳原子吸附，真空渗碳可加速渗碳过程。
d
(ai
ab )
可见：减少Δ或提高ab可加速外扩散过程
四、相界面反应 （活性原子被工件吸附过程）
金属表面存在大量缺陷： 如割阶、空位、增殖原子
活性原子在金属表面 的吸附能降低表面能
活性原子被工件表面吸附 是自发过程
一般固体表面对气相的吸附可分成两类： 物理吸附 化学吸附
●物理吸附：固体表面对气相的凝聚作用，吸 附速度快，达到平衡也快。随着温度升高， 吸附在固体表面上分子离开固体表面越多。
方法：厚度小于0.2mm钢箔片，加热到一定温度停留 0.5~1h，使箔片被碳穿透之后，并与气氛平衡之后迅速冷却， 进行化学成分分析。获得炉内碳势。
2、滴注式可控气氛渗碳
◆ 滴注式可控气氛渗碳采用同时滴入两种有机液体
稀释气体：
甲醇、乙醇
富化气
煤油、丙酮、苯、甲苯、 异丙醇、乙酸乙酯等
◆表面不脱碳，不产生晶界氧化，有利于提高零件疲劳强度。 ◆可直接将渗剂（甲烷、丙烷或天然气）通入炉内，无需添置
气体制备设备。
◆对于不通孔、深孔、狭缝的零件，或者不锈钢、含硅钢等用
普通气体渗碳法难以渗碳的零件，真空渗碳可获得良好的渗 碳层。
◆耗气量仅为普通气体渗碳的几分之一或十几分之一。 ◆对环境基本无污染。 ◆缺点：易产生炭黑
◆温度：920~940 ℃
●气体渗碳法
◆滴注式气体渗碳法
用有机物液体直接滴入渗碳炉内的渗碳方法。 煤油、丙酮、苯、甲苯、异丙醇、乙酸乙酯等
◆吸热式气体渗碳
◆氮基气氛渗碳
●真空渗碳
特点： ◆可在较高温度（980~1100℃）下进行，真空对工件表面有
净化作用，有利于碳原子吸附，真空渗碳可加速渗碳过程。
d
(ai
ab )
可见：减少Δ或提高ab可加速外扩散过程
四、相界面反应 （活性原子被工件吸附过程）
金属表面存在大量缺陷： 如割阶、空位、增殖原子
活性原子在金属表面 的吸附能降低表面能
活性原子被工件表面吸附 是自发过程
一般固体表面对气相的吸附可分成两类： 物理吸附 化学吸附
●物理吸附：固体表面对气相的凝聚作用，吸 附速度快，达到平衡也快。随着温度升高， 吸附在固体表面上分子离开固体表面越多。
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27
渗碳与渗氮的工艺特点
名称
渗碳 渗氮
处理温度 (℃)
920～930
500～600
处理时间 处理后是否需要热
11
5.2 钢的渗碳
三、渗碳后的热处理 钢铁经过渗碳处理后，表面碳含量虽然很高，但其
硬度不高，只有经过热处理后，使其转变成马氏体，才 能获得较高的硬度和耐磨性能。
淬火+低温回火。
直接淬火+低温回火 一次淬火+低温回火 二次淬火+低温回火 分级淬火+低温回火
难点：淬火温度的选择，需同时满足表面和心部要求 12
20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA
10
5.2 钢的渗碳 二、渗碳主要工艺参数 （1）渗碳温度确定
在奥氏体化温度范围内，920—930℃（促进扩散）， 小零件温度低些。 （2）渗碳时间 渗层深度δ=(802.6*t1/2) /10(3720/T) （3）渗碳前处理 非渗碳表面——预保护（涂料、镀铜，加大加工余量） 渗碳表面——清洁，不能有裂纹等
要加快分解反应：应升高温度，加大反应物浓度，加入催渗剂。
4
化学热处理基本过程
2、吸收 活性原子克服表面能垒进入金属表面，形成固溶体或化合物。
F[ e C ]吸溶 附 解 FC e溶 Fe [C ]吸 化合附 F3C e
吸收能力与钢的表面活性有关，表面缺陷多（位错、 晶界露头），粗糙，干净无污染则表面活性高，吸附 力强，可促进化学热处理。
淬火+低温回火。
（1）直接淬火法
T℃ 820 〜 850℃
预冷作用：减少变形 降低A中含碳量
930℃渗碳 3 〜 9h 预冷
加热
淬火
180 〜 200℃ 回火
0 直接淬火工艺
t(h)13
14
淬火+低温回火。 （2）一次淬火法
渗碳缓冷后重新加热淬火
15
5.2 钢的渗碳
四、渗层组织
表 面 1%C
优点:高硬度，耐磨性 高红硬性 高抗咬和性 高疲劳强度 高抗蚀性 工件变形小
缺点:生产周期长 成本高 渗层薄 不能承受高的接触应力 和冲击载荷
常用工艺：气体渗氮、液体氮化、 软氮化（氮碳共渗） 离子氮化
22
5.3 钢的氮化
氮化层强化机理
氮化强化与渗碳强化区别
渗碳强化:先渗碳后淬火获得相变高碳马氏体强化相
渗碳时组织：
零
件
A
中 0.2%C 心
缓冷后组织： 过共析 P+Fe3CⅡ
共析 P
亚共析 P+F
心部 F + P少
淬火后组织： 高碳M + Fe3 C +Ar
低碳M +F（少量）
硬度：
高
低
理想渗层组织：隐针M + 弥散细小Fe3 C +少量均匀Ar 16
表面
1%C P+Fe3C
零件
P
P+F
中心
0.2%C F + P少
能有效改善钢表面的成分、组织和性能 不受工件形状限制
2
第十章 钢的化学热处理
化学热处理基本过程 三个过程：
渗剂的分解 零件表面对活性原子的吸收 活性原子从零件表面向内部扩散
3
化学热处理基本过程
1、分解 渗剂分解，析出活性渗入原子。 如：
2CO
CO2 + [C]
CH4
[C] + 2H2
2NH3
2[N] + 3H2
5
化学热处理基本过程
3、扩散
活性原子被吸收后，造成表面－内部的浓度差，
引起渗入原子向内扩散。
整个化学热处理速度取决于扩散速度
(1)活性原子扩散宏观规律
服从 Fick第一定律
J －Dddxc
Fick第二定律
C
2C
t D x2
Q DD0exp(RT)
扩散层厚度δ与温度关系： Aea/T
扩散层厚度δ与时间关系： K t
17
渗层厚度：一般0.5～2mm 质量检查：渗层深度 硬度 金相组织
18
5.2 钢的渗碳
五、常见渗碳方法 气体渗碳 液体渗碳 固体渗碳 高频渗碳 真空渗碳 电解渗碳 流态床渗碳
19
气体渗碳法示意图
20
泥封 渗碳箱
固体渗碳法示意图
盖
试棒
零件 渗碳剂
21
5.3 其硬度、耐磨性 和疲劳强度的一种化学热处理方法。
5.2 钢的渗碳 基本思路：
在Fe—C相图中，α- Fe中碳的最大溶解度 0.02%，而 γ- Fe中碳的最大溶解度达到2.11 %，相差100倍，希望在高温下渗碳，低温淬 火，以期获得最高强度和最大表面硬度。
9
5.2 钢的渗碳
一、渗碳用钢
低碳钢和低碳合金钢（碳含量0.1%～0.25%) 低淬透性、低强度 15、20、25 中等强度，淬透性 20Cr、20Mn2、20MnV 高强度，淬透性 20CrMnTi、 20CrMnMo等。 超高强度
温度的影响远大于时间
A，a—实验系数
6
化学热处理基本过程
（2）扩散层形成规律（渗剂B向金属A扩散为例）
T/℃
AnBm
Cmax
α
AnBm′
Cmin
T1 Cm Cmin Cmax A
Cm
123 4
AnBm
表面 α
由表至里距离
A
T1温度下扩散层组织变化过程 AnBm′ α
AnBmAnBm′ α
A 7A
8
氮化强化:合金氮化物的时效强化，氮化后无须热处 理
N化强化机理
1）N和Me元素原子的偏聚形成G-P区，引起强烈畸 变。
2）过渡型氮化物的析出；
3）稳定的合金氮化物具有弥散强化效果。
强化效果与合金元素有很大关系，形成的合金氮化 物越稳定，其强化效果越好，Al、Cr、Mo能强烈提 高氮化层的硬度，氮化王牌钢38CrMoAlA
第五章 钢的化学热处理
5.1 概述
何为化学热处理？
将零件放在特定的介质中加热、保温、以改 变其表层化学成分和组织，从而获得所需力学 或化学性能的工艺总称。
工业上有哪些应用？
表面和心部性能要求不同的零件
它解决哪些问题？
强化表面, 保护零件表面
1
第十章 钢的化学热处理
10.1 概述 化学热处理的优点？
25
5.3 钢的氮化
氮化层组织 从表面至心部的金相组织为：
表面: 回火索氏体 + ε氮化物（一般要磨削去除、脆性 大、不可用）
氮化层: 回火索氏体 + α、γ’氮化物 （工作层） 心部: 回火索氏体
注：钢的氮化热处理可以有和马氏体一样的转变，但一 般不这么用。
26
38CrMoAl氮化层硬度
氮 化 层 组 织
氮化与渗碳如何保证零件心部韧性？
23
渗碳：心部低碳＋渗后热处理
24
5.3 钢的氮化
氮化工艺
氮化钢主要为中碳调质钢,有38CrMoAlA,40Cr等. 氮化前热处理 进行调质处理,使心部获得回火索氏体组织。 非氮化面的防护 镀锡、涂料（水玻璃+石墨） 氮化温度和时间确定 氮化温度一般在480—570℃左右。
渗碳与渗氮的工艺特点
名称
渗碳 渗氮
处理温度 (℃)
920～930
500～600
处理时间 处理后是否需要热
11
5.2 钢的渗碳
三、渗碳后的热处理 钢铁经过渗碳处理后，表面碳含量虽然很高，但其
硬度不高，只有经过热处理后，使其转变成马氏体，才 能获得较高的硬度和耐磨性能。
淬火+低温回火。
直接淬火+低温回火 一次淬火+低温回火 二次淬火+低温回火 分级淬火+低温回火
难点：淬火温度的选择，需同时满足表面和心部要求 12
20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA
10
5.2 钢的渗碳 二、渗碳主要工艺参数 （1）渗碳温度确定
在奥氏体化温度范围内，920—930℃（促进扩散）， 小零件温度低些。 （2）渗碳时间 渗层深度δ=(802.6*t1/2) /10(3720/T) （3）渗碳前处理 非渗碳表面——预保护（涂料、镀铜，加大加工余量） 渗碳表面——清洁，不能有裂纹等
要加快分解反应：应升高温度，加大反应物浓度，加入催渗剂。
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化学热处理基本过程
2、吸收 活性原子克服表面能垒进入金属表面，形成固溶体或化合物。
F[ e C ]吸溶 附 解 FC e溶 Fe [C ]吸 化合附 F3C e
吸收能力与钢的表面活性有关，表面缺陷多（位错、 晶界露头），粗糙，干净无污染则表面活性高，吸附 力强，可促进化学热处理。
淬火+低温回火。
（1）直接淬火法
T℃ 820 〜 850℃
预冷作用：减少变形 降低A中含碳量
930℃渗碳 3 〜 9h 预冷
加热
淬火
180 〜 200℃ 回火
0 直接淬火工艺
t(h)13
14
淬火+低温回火。 （2）一次淬火法
渗碳缓冷后重新加热淬火
15
5.2 钢的渗碳
四、渗层组织
表 面 1%C
优点:高硬度，耐磨性 高红硬性 高抗咬和性 高疲劳强度 高抗蚀性 工件变形小
缺点:生产周期长 成本高 渗层薄 不能承受高的接触应力 和冲击载荷
常用工艺：气体渗氮、液体氮化、 软氮化（氮碳共渗） 离子氮化
22
5.3 钢的氮化
氮化层强化机理
氮化强化与渗碳强化区别
渗碳强化:先渗碳后淬火获得相变高碳马氏体强化相
渗碳时组织：
零
件
A
中 0.2%C 心
缓冷后组织： 过共析 P+Fe3CⅡ
共析 P
亚共析 P+F
心部 F + P少
淬火后组织： 高碳M + Fe3 C +Ar
低碳M +F（少量）
硬度：
高
低
理想渗层组织：隐针M + 弥散细小Fe3 C +少量均匀Ar 16
表面
1%C P+Fe3C
零件
P
P+F
中心
0.2%C F + P少
能有效改善钢表面的成分、组织和性能 不受工件形状限制
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第十章 钢的化学热处理
化学热处理基本过程 三个过程：
渗剂的分解 零件表面对活性原子的吸收 活性原子从零件表面向内部扩散
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化学热处理基本过程
1、分解 渗剂分解，析出活性渗入原子。 如：
2CO
CO2 + [C]
CH4
[C] + 2H2
2NH3
2[N] + 3H2
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化学热处理基本过程
3、扩散
活性原子被吸收后，造成表面－内部的浓度差，
引起渗入原子向内扩散。
整个化学热处理速度取决于扩散速度
(1)活性原子扩散宏观规律
服从 Fick第一定律
J －Dddxc
Fick第二定律
C
2C
t D x2
Q DD0exp(RT)
扩散层厚度δ与温度关系： Aea/T
扩散层厚度δ与时间关系： K t
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渗层厚度：一般0.5～2mm 质量检查：渗层深度 硬度 金相组织
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5.2 钢的渗碳
五、常见渗碳方法 气体渗碳 液体渗碳 固体渗碳 高频渗碳 真空渗碳 电解渗碳 流态床渗碳
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气体渗碳法示意图
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泥封 渗碳箱
固体渗碳法示意图
盖
试棒
零件 渗碳剂
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5.3 其硬度、耐磨性 和疲劳强度的一种化学热处理方法。
5.2 钢的渗碳 基本思路：
在Fe—C相图中，α- Fe中碳的最大溶解度 0.02%，而 γ- Fe中碳的最大溶解度达到2.11 %，相差100倍，希望在高温下渗碳，低温淬 火，以期获得最高强度和最大表面硬度。
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5.2 钢的渗碳
一、渗碳用钢
低碳钢和低碳合金钢（碳含量0.1%～0.25%) 低淬透性、低强度 15、20、25 中等强度，淬透性 20Cr、20Mn2、20MnV 高强度，淬透性 20CrMnTi、 20CrMnMo等。 超高强度
温度的影响远大于时间
A，a—实验系数
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化学热处理基本过程
（2）扩散层形成规律（渗剂B向金属A扩散为例）
T/℃
AnBm
Cmax
α
AnBm′
Cmin
T1 Cm Cmin Cmax A
Cm
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AnBm
表面 α
由表至里距离
A
T1温度下扩散层组织变化过程 AnBm′ α
AnBmAnBm′ α
A 7A
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氮化强化:合金氮化物的时效强化，氮化后无须热处 理
N化强化机理
1）N和Me元素原子的偏聚形成G-P区，引起强烈畸 变。
2）过渡型氮化物的析出；
3）稳定的合金氮化物具有弥散强化效果。
强化效果与合金元素有很大关系，形成的合金氮化 物越稳定，其强化效果越好，Al、Cr、Mo能强烈提 高氮化层的硬度，氮化王牌钢38CrMoAlA
第五章 钢的化学热处理
5.1 概述
何为化学热处理？
将零件放在特定的介质中加热、保温、以改 变其表层化学成分和组织，从而获得所需力学 或化学性能的工艺总称。
工业上有哪些应用？
表面和心部性能要求不同的零件
它解决哪些问题？
强化表面, 保护零件表面
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第十章 钢的化学热处理
10.1 概述 化学热处理的优点？
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5.3 钢的氮化
氮化层组织 从表面至心部的金相组织为：
表面: 回火索氏体 + ε氮化物（一般要磨削去除、脆性 大、不可用）
氮化层: 回火索氏体 + α、γ’氮化物 （工作层） 心部: 回火索氏体
注：钢的氮化热处理可以有和马氏体一样的转变，但一 般不这么用。
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38CrMoAl氮化层硬度
氮 化 层 组 织
氮化与渗碳如何保证零件心部韧性？
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渗碳：心部低碳＋渗后热处理
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5.3 钢的氮化
氮化工艺
氮化钢主要为中碳调质钢,有38CrMoAlA,40Cr等. 氮化前热处理 进行调质处理,使心部获得回火索氏体组织。 非氮化面的防护 镀锡、涂料（水玻璃+石墨） 氮化温度和时间确定 氮化温度一般在480—570℃左右。