金属工艺学第四章分析

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三、钢的淬火
淬火温度 淬火介质 淬火方法
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钢的淬火
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钢轨的淬火
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锻模的淬火
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1、淬火温度
工艺：Ac3 或 Ac1＋（30-50）℃ ，保温，冷速＞ Vk －－M
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淬火：
目的：提高钢的硬度和耐磨性， 与回火配合，获得所需要的力学性能。
一般，过共析钢淬火前需要正火或球化退火， 消除网状渗碳体，否则降低韧性，增大开裂倾向。
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第二节 钢的整体热处理
本节重点： 淬火＋回火工艺
本节难点： 不同工艺对钢组织和性能的影响
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第二节 主要内容
退火 正火 淬火 回火
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一、钢的退火
概念：加热、保温，缓慢冷却（随炉冷却） －－达到或接近平衡状态组织。
退火
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钢的退火
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1、完全退火
• 工艺： Ac3+（30~50)℃，保温，炉冷至
工件
表面：(800-1000)℃ 心部：室温
喷水
表面淬火
根据交流电频率：
高频淬火(100kHz):＜2.5mm中小型件
中频淬火(0.5-10kHz)：2-10mm大中型件
低频淬火(50Hz) ：10-20mm大型零件
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特点：
• 加热速度快，高硬、韧性较高。 硬度比普通淬火高2--3HRC
• 氧化脱碳小，工件变形小。 • 淬硬层深度易控制。 • 淬火后必须进行低温回火。 • 适于中碳钢和中碳合金钢。 • 形状简单件的大批量生产。
500 ℃下，空冷。
• 组织：P+F
• 目的： ①细化晶粒，均匀组织。 ②降低硬度→切削性↑。 ③消除内应力。
• 应用范围：亚共析成分的碳钢或合金钢
的铸件、锻件和热轧型材。
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45钢的完全退火
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2、等温退火
• 工艺：Ac3＋(30-50)℃ 保温，快冷至珠光体转变区，等温转变 成P，空冷。
• 目的： ①与完全退火相同 ②显著缩短生产周期
A1
过 冷 奥
+
A A转变终止线产
A1～550℃;高温转变区; P 转变区。
氏产
物
体
物
区 550～230℃;中温转变区
区 A转变开始线
区
B 转变区;
Ms
ห้องสมุดไป่ตู้
230℃以下; 低温转变区; M 转变区； Mf
-100 0
1
10
102
103
104 时间(s)
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转变产物的组织与性能
珠光体型 ( P ) 转变 ( A1～550℃ ) : ➢A1～650℃ : P ; 5～25HRC;
难以掌握。
3）分级淬火：
高于Ms的盐浴槽停留2－5分钟，再空冷。
特点：应力小，避免开裂和变形。 只适用于形状复杂，尺寸小的零件
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4）等温淬火（不同于普通意义的淬火） 盐浴槽中保温，得B下 ，空冷。
特点： B下 硬度较高，韧性较好，变形小。 适于形状复杂、尺寸精度要求高的件。
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5） 冷处理： 淬火件冷却到Mf点以下，冷处理。
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珠光体类型转变（高温转变产物）：
温度：727℃—550℃之间； 特点：是扩散型转变。 产物：P型组织
分三类：
温度
组织
性能
727℃—650℃ P （片层粗大） 强度 硬度
提
650℃—600℃ S （片层较细）
高
600℃—550℃ T （片层极细）
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(a)珠光体
(b) 索氏体
(c)托氏体
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贝氏体类型转变（中温转变产物 ）：
温度：在550℃--230℃之间； 特点：贝氏体转变属半扩散型转变。 产物：贝氏体组织。
分两类：
温度
组织
性能
550—350℃
B上
强度低，
（ F粗+ Fe3C） 塑、韧性较差
350—230℃
B下
综合力学性能好
（ F针片+细微的碳化物）
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马氏体型转变（低温转变产物）：
温度：Ms以下； 产物： M 特点： 非扩散型转变
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1）CCT曲线（共析钢）
曲线特征：
直线－A1，Ms， K，Mf
曲线－Ps， Pf 没有贝氏体转变区。
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转变产物：
冷速≥临界冷速（vk），得到M
vk′＜冷速＜ vk时， 得到M＋P
冷速≤ vk′时，
得到P
连续冷却时：
不是所有的合金都没有贝氏体转变。 过共析钢的无贝氏体转变区； 亚共析钢可以产生贝氏体组织； 合金钢有时有贝氏体，有时无。
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三、钢在冷却时的转变
冷却方式 过冷A的等温转变 过冷A的连续转变
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1、冷却方式：
等温冷却： 快冷到A1以下－－保温（发生组织转变）－－ 然后再冷却下来。
连续冷却: 在连续冷却过程中发生组织转变。 水冷、油冷、炉冷、空冷。
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2、过冷A的等温转变曲线（C曲线 ）：
C曲线的建立 影响过冷A等温转变的因素 过冷A等温转变产物组织和性能
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2) CCT曲线与C曲线的比较(共析钢)：
• CCT曲线位于C曲线的右下方，转变的孕 育期长。
• 连续冷却转变产物往往不是单一均匀组 织，等温转变的产物是单一的均匀组织。
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碳钢 w(C)0.77％TTT 曲线的分析
温度 (℃)
800 700 600 500
400 300 200 100
0
稳定的奥氏体区
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1) C曲线的建立 (以共析钢为例) ： a) 建立C曲线
准备试样； 将试样A化，并在不同温 度下恒温测定； 把组织转变开始与终止 时间在时间、温度的坐 标系上分别连起来。
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b）C曲线特征
两直线： 上水平线A1：A存在稳定区；
下水平线Ms：M转变开始线。
两曲线：
左C线：左边是过冷A；
右C线：右边是转变产物区；
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1）低温回火：
(150--250)℃，保温后空冷.
M M回
目的：减少内应力和脆性，提高塑韧性，有较 高的硬度和耐磨性。
用途：用于制作量具、刀具和滚动轴承等， 如锯条（ω(c) ＝1.0%） 锉刀（ ω(c) ＝1.2%）
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2）中温回火：
(350—500)℃,保温后空冷.
M分解
T回
目的：内应力降低，具有较高的弹性极限和 屈服强度，中等硬度。
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， 托氏体(T); 片间距为＜0.2μm ( 电镜 ); 35～40HRC。
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贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550～230℃ ) : ➢550～350℃: B上; 40～45HRC;
左右之间：过冷A与产物
共存区
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2）影响过冷A等温转变的因素
A成分的影响： 含碳量：共析钢的C曲线最靠右； 合金元素：一般除Co和Al外，C曲线右移。
A化条件的影响： 加热温度↑：C曲线右移； 保温时间↑ ：C曲线右移；
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3）过冷A等温转变产物（以共析钢为例）
重点内容
• 珠光体型转变 • 贝氏体型转变 • 马氏体型转变
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第三节 主要内容
表面淬火 表面化学热处理
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一、表面淬火
• 工艺：
表面－－淬火温度 心部－－室温
立即冷却
表面－－马氏体 心部－－不变
•目的：
保持心部高韧性，表层的高硬度、耐磨性、 高疲劳强度。
• 用途：既受冲击，又要求耐磨的零件， 如曲轴轴颈、齿轮齿面、机床导轨等。
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1. 感应加热表面淬火：
4
1 定义：
钢－－固态－－加热、保温、冷却－－ 改善组织、性能的工艺方法。
性能 变化
决定
组织、 结构变化
改变 钢的热处理
在机械制造中应用广泛：
机
床：60－70％的零件；
汽车、拖拉机：70－80％的零件；
滚动轴承、工具、模具：100％的零件
5
热处理简介：
6
2 钢的热处理工艺曲线示意图：
7
3 钢的热处理分类：
1）按照它在加工中的作用分：
预先热处理、最终热处理
2）按工艺方法不同分： 整体热处理：退火、 正火、 淬火、 回火. 表面热处理 ：表面淬火、化学热处理
8
二、钢在加热时的转变
A的形成 A的长大
9
1、A的形成
理论依据－－铁碳合金相图。 Fe-Fe3C相图各临界点的移动位置：
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共析钢奥氏体的形成 重点内容
特点：提高硬度和耐磨性，稳定尺寸，设备成本高。 适用于精密零件和工具的处理。
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四、钢的回火
工艺：已淬火钢－－加热到Ac1以下某温度 －－保温－－冷却（一般空冷)至室温。
目的：消除淬火的内应力，稳定工件尺寸，降低 脆性，改善切削加工性能。
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钢的回火
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回火种类： 重点内容
低温回火 中温回火 高温回火
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3、球化退火
• 工艺：Ac1+(20~30)℃，保温后，快冷Ar1以下20℃
等温一定时间（球化渗碳体），随炉冷至
600℃下，出炉空冷－－等温球化退火
• 组织：球状P（F+球状） • 目的：
①硬度↓，→切削性↑ ②为淬火作准备。 • 应用范围： 过共析或共析成分 的碳钢和合金钢
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T10钢球化退火
• 工艺：Ac1以下某一温度（500~650 ） ℃
•
保温，缓冷至室温。
• 目的：消除残余内应力，稳定工件尺寸。
• 应用范围：铸件、锻件、焊接件。
• 说明：属低温退火，过程中无组织变化。
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6、再结晶退火
工艺：T再＋（150－250）℃ 保温，缓冷。
目的：消除加工硬化，提高塑性。 应用范围：经过冷变形加工的钢件。
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2、淬火介质：
水：冷却速度大－－用于碳钢件。
油：冷却能力较小－－用于合金钢。 盐水：较大的碳钢件。
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3、淬火方法
淬火方法示意图
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1）单液淬火：
特点： 操作简便－－自动化
注： 单独水冷：易开裂变形； 单独油冷：产生硬度不足
和不均匀。
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2）双液淬火：
水冷却到（300－200）℃，再油冷。 特点：既可淬硬又可避免开裂和变形，但
韧性较差.
➢350～230℃: B下; 50～60HRC;
综合力学性能好.
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马氏体型 ( M ) 转变 ( 230℃以下 ) : 马氏体是一种碳在α – Fe中的过饱和固溶体。 ➢板条状 --- 低碳马氏体(＜0.2%C ); 30～50HRC ; δ = 9～17%。 ➢片状 --- 高碳马氏体(＞1%C); 66HRC左右 ; δ ≈ 1%。
M：C在α-Fe中的过饱和固溶体。
M特点：高强度、高硬度。 原因：过饱和碳原子引起的晶格畸变即固溶强化。
M硬度取决于ωc : ωc↑ , HRc↑
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M 形态（图4-8） :
•板条状马氏体：ω(c)<0.2%（低碳马氏体）。 • 片状马氏体： ω(c) >1.0%（高碳马氏体）。 在0.2%< ω(c)< 1.0%时，形成二者的混合组织。
用途：用于弹簧、锻模的处理等。
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弹簧的中温回火：
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3）高温回火：
(500—650)℃,保温后空冷.
M分解
S回
• 目的：消除内应力，有良好的综合力学性能。 • 用途：用于齿轮、曲轴等受力复杂件的热处理。 • 淬火＋高温回火－－调质处理。
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高温回火：
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第三节 钢的表面热处理
了解钢的表面热处理工艺
第四章 钢的热处理
本章重难点 热处理的基本原理 整体热处理的工艺特点
1
第一节 热处理基本原理
• 本节重点： • 共析钢加热和冷却时
的组织转变
• 本节难点： • 共析钢C曲线的理解
2
第一节 热处理基本原理
热处理概述 钢在加热时的转变
钢在冷却时的转变
3
一、热处理概述
钢的热处理的定义 热处理工艺曲线 热处理的分类
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小结
钢在冷却时，过冷奥氏体的转变产物根据其转 变温度的高低可分为：
高温转变产物－珠光体、索氏体、托氏体， 中温转变产物－上贝氏体、下贝氏体， 低温转变产物－马氏体 随着转变温度的降低，其转变产物的硬度增高， 而韧性的变化则较为复杂。
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3、过冷A的连续冷却转变曲线（共析钢）
CCT曲线 CCT曲线与C曲线比较
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二、钢的正火
工艺： Ac3或Accm＋（30－50）℃，保温，出炉。 是退火的特例。
组织：S
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正火
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目的：与钢的种类有关， 1）低碳钢：调整硬度，改善切削加工性。 2）高碳钢：消除网状Fe3CⅡ，为球化退火作准备。 3）对性能要求不高的零件，可作最终热处理。 应用范围：碳素钢、低中合金钢。
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4、扩散（或均匀化）退火
• 工艺： Ac3或Accm＋（150~300）℃ 保温（10-20h）,缓冷至室温。
• 目的：消除铸件、铸锭的枝晶偏析等化学成 分不均匀等现象。
• 应用范围：铸件、铸锭。
注：因可能导致晶粒长大，均匀化退火后， 一般要完全退火细化晶粒，消除过热组织。
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5、去应力退火
（1）奥氏体晶核形成 （2）奥氏体晶核长大 （3）残余Fe3C的溶解 （4）奥氏体成分均匀化
11
共析钢奥氏体的形成示意
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亚（或过）共析钢的A化：
亚共析钢：大于Ac1 → F+A → Ac3以上
A晶粒
过共析钢：大于Ac1 → Fe3C +A → Accm以上
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2. 奥氏体晶粒的长大（粗化）
• 加热温度↑,保温时间↑，奥氏体晶粒↑。 • A晶界上未熔碳化物↑，奥氏体晶粒↓。 • 合金元素（除Mn、P外）↑ ，奥氏体晶粒↓。