材料的强化原理

分类：高频（200~300 KHz），超音频（20~40 KHz） 中频（2.5~8 KHz），工频（50 Hz）
特点： ① 加热速度快，时间短 表层为极细的隐晶M → 硬度高 脆性低 σ-1↑ ② 变形小，不易氧化脱碳 ③ 易机械化、自动化 ④ 设备价贵，维修调整困难
适用于：需淬硬层薄的中、小零件 多用于：中碳钢、中碳合金钢
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-8
珠光体性能
• 珠光体片越细→ HB↑，σb↑ • C%相同时，球状 P 比片状 P →HB↓，σb↓，δ↑
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-9
贝氏体转变
1 贝氏体组成：过饱和F 和 碳化物的机械混合物
2 形成特点： 在固态下形核、长大 是半扩散型相变
2 形成特点：
o 在固态下形核、长大 o 是无扩散型相变 o 变温形成，高速长大 o 转变不完全
（在含碳>0.5%的钢中总有残余A）
3 形态： 板条 M —— 低碳 M （位错 M）（<0.2%C) 片状 M —— 高碳 M （孪晶 M） (>1.0%C) 0.2~1.0%C之间的钢得到混合 M
2019/5/21
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目的：降低硬度，提高塑性 适用于：冷变形工件 组织：等轴晶粒
再结晶温度： T再=T熔 × 0.4 （绝对温度）
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-17
正火
正火 —— 加热到Ac3(Accm)+30~50℃，保温后空冷
目的：细化晶粒，改善性能
适用于：
低碳钢 过共析钢
→ 改善切削加工性 → 消除网状 Fe3CⅡ
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-22
钢的淬透性
淬透性 —— 钢淬火时获得M的能力 怎样表示淬透性大小？ 用规定条件下淬硬层深度表示淬透性的大小
淬硬层深度： 表面到半M组织的距离
淬硬层深：↓ →淬透性 淬硬层浅：↑ →淬透性
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-23
淬硬性与淬透性
工程材料与材料成型基础
13-11
马氏体性能
1 高硬度 C%↑→HB↑，马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量 即母相奥氏体的含碳量
2 塑韧性 低碳 M 塑韧性好 高碳 M塑韧性差
因此，低碳 M 强韧性好 高碳 M 必须回火
3 比容大 → （高碳 ）M 易变形、开裂
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
目的：得到马氏体组织， （贝氏体）
提高硬度和耐磨性
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-20
淬火冷却条件
1. 理想冷却速度：慢—快—慢 2. 冷却介质：纯水，盐水，油，碱水，盐浴，碱浴 3. 淬火方法：单液淬火，双液淬火，分级淬火，等温淬火
局部淬火，预冷淬火，冷处理
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
工程材料与材料成型基础
t
13-13
钢的退火
典型零件的制造过程： 铸/锻→ 预备热处理→ 粗加工→ 最终热处理→ 精加工 预备热处理目的：消除前道工序的缺陷
为后续工序作组织准备 最终热处理目的：满足使用性能要求
退火：加热、保温、慢冷得到 P 类组织
退火的目的：软化、稳定化、细化、均匀化
2019/5/21
解决思路：
选材
低淬透性材料
工艺
只改变表层组织 表面淬火
同时改变表层 组织、成分
化学热处理
表面热处理
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-31
感应加热 表面淬火
交流电频率↑ 集肤效应明显 加热层薄 淬硬层薄
交流电频率↑↑
涡流全部集中在最表层
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-32
感应加热淬火的特点
13-21
冷处理和局部淬火
分级淬火：在Ms附近稍保温，使内外均温，最后得M
等温淬火：在Ms上等温，最后得到B下 等温淬火的内应力最小，工件不易变形开裂， → 适合形状复杂零件
冷处理 —— 淬火后继续在 0℃以下冷却， 使残A→ M
目的：稳定组织，↑HRC 用于：量具（模具）
局部淬火：局部加热淬火
整体加热，局部冷却
13-12
影响C曲线的因素
（即：影响奥氏体等温转变的因素，影响过冷奥氏体稳定性的因素）
1 含碳量↑ →对亚共析钢→ C曲线右移
过共析钢→ C曲线左移
2 合金元素（溶入A后） 3 加热条件
℃ A1
先析出相
加热温度↑，加热时间↑→
Cr,Mo,W,V
→ C曲线右移
Co
Cr,Mo,W,V
2019/5/21
目的：消除内应力，降低脆性 稳定组织和尺寸 获得所需性能
回火时的组织变化：
M分解
过饱和α相 ε碳化物
回火M
C析出
F 细Fe3C 回火T
块状F 粒状Fe3C
回火S
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-25
回火时的性能变化
随回火温度↑ →σb↓，σS↓，HRC↓，δ↑，αK↑， σe ↗↘
高碳回火M： σb ↑ ，HRC ↑ ，δ↓ ，αK ↓ 低碳回火M：强韧性好
有时
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-26
回火种类
1 低温回火（150~250℃ ）
组织：回火M —— 极细ε碳化物 + 过饱和α相
目的：↓内应力，↓脆性，保持高硬度和耐磨性
适用：工具，量具，轴承 —— 高碳钢
渗碳件，表面淬火件
HRC58~62
2 中温回火（350~500℃ ）
组织：回火T —— 针状 F + 极细 Fe3C
连续冷却
℃
A1
t
按等温冷却方式测定，得到 过冷奥氏体等温转变曲线： C曲线（TTT曲线）
按连续冷却方式测定，得到
Ms
过冷奥氏体连续冷却转变曲
线：CCT曲线
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
CCT C曲线
t
13-6
共析钢C曲线分析
1 孕育期 —— 表示过冷A 的稳定程度 2 四个区域：
奥氏体稳定区 过冷奥氏体区 转变产物区 转变区 3 C曲线形状 4 三种转变类型 高温转变区：P型转变 中温转变区：B型转变 低温转变区：M型转变
300
每种钢都有，难以避免 —— 回火温度禁区
第二类回火脆性：500~600℃
① 含Cr、Mn、Ni的钢明显
② 可以消除： 钢中加 Mo、W
回火后快冷
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
600 ℃
13-30
钢的表面热处理
对轴、齿轮、凸轮 的机械性能要求
表面：硬，耐磨，耐疲劳
M
心部：塑，韧，耐冲击 F，P
第 4 章 材料的强化与处理
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-1
钢的热处理
—— 固态下，通过加热、保温、冷却、改变组织得到所需性能的工艺方法。
特点：在固态下，只改变工件的组织，不改变形状和尺寸
目的：改善材料的使用、工艺性能
基本过程：加热 → 保温 → 冷却
分类： 1 普通热处理 退火、正火 淬火、回火 2 表面热处理 表面淬火 化学热处理
淬火 + 高温回火 = 调质
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-28
回火硬度与回火温度
回火硬度主要取决于回 火温度和回火时间
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-29
回火脆性
韧性随回火温度升高而升高？ 回火脆性：在某温度区间回火时， αk
αk 显著降低
第一类回火脆性：250~400℃
目的：均匀成分 适用于：铸钢件
均匀化退火
组织：晶粒粗大
扩散退火后应完全退火或正火 细化
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-16
去应力退火和再结晶退火
去应力退火 —— 加热到Ac1-100~200℃，保温后炉冷
目的：去内应力，稳定组织
低温退火
适用于：冷加工件，热加工件 组织：不变
低温退火
再结晶退火 —— 加热到t再+150~250℃，保温后空冷
1 形核
在 F / Fe3C相界面上形核
2 晶核长大
F→ A晶格重构
Fe3C 溶解，C→ A中扩散
3 残余Fe3C溶解
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-4
影响奥氏体晶粒大小的因素
4 奥氏体均匀化 对亚共析钢： P + F
Ac1~Ac3
A+F Ac3以上 A
对过共析钢：P+Fe3CⅡ Ac1~Accm A+Fe3CⅡ Accm以上 A 保温工序的目的：
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-2
加热和冷却时的相变点
℃
A
G
Ac3
A3
F+A Ar3
F
P
S
E Accm Acm
Arcm
A+ Fe3CⅡ
Ac1
A1
Ar1
Q
2019/5/21
F+P
P
P+Fe3CⅡ
工程材料与材料成型基础
C%
13-3
钢在加热时的转变
加热工序的目的：得到奥氏体
奥氏体形成过程：
工程材料与材料成型基础
13-35
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
避 免
热
尖 角
处
减理
少
台 阶
零
外件
形 简
设
单计
对
称要
均 匀
工程材料与材料成型基础
13-14
完全退火和等温退火
完全退火 —— 加热到Ac3+30~50℃，保温后炉冷 指加热到完全奥氏体化
目的：细化，软化
适用于：亚共析钢的铸、锻件，热轧型材，焊接件
组织：F + P
℃
亚共析钢
过共析钢
等温退火 —— 加热到Ac3（Ac1）+20~50℃，
保温后在Ar1以下等温后空冷 目的：细化，软化、省时
3 转变温度与形态： 550 ~350℃ ：上贝氏体 B上 350℃~ Ms ：下贝氏体 B下
4 性能：
转变℃↓→ F片细，过饱和度↑ Fe3C细小，弥散度↑
→ HB↑，σb↑
耐磨性↑ ，塑、韧性好
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
B下的强韧性好 B上无用
13-10
马氏体转变
1 马氏体组成：碳在α- Fe中的过饱和固溶体
要求不高的结构件
→↑机械性能
组织：S
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-18
正火与退火比较
1 硬度和强度：随C%↑→ 正火与退火的差别越大 中、高碳钢正火后硬度偏高，不利于切削加工
2 退火强调软化，正火强调高效率
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-19
钢的淬火
—— 加热、保温、快冷，提高硬度和耐磨性
目的：获得高σs ，σe
HRC35~45
适用：弹簧，扳手，模具 —— 中高碳钢
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-27
高温回火和调质
3 高温回火（500~650℃ ）
组织：回火S —— 块状 F + 粒状 Fe3C
目的：获得良好的综合机械性能
HRC25~35
适用：轴，齿轮，螺栓等重要结构件 —— 中碳钢
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-33
化学热处理
目的：强化表面→↑表面HRC，耐磨性，σ-1，心部塑韧 保护表面→↑表面抗蚀性，耐热性
基本过程：分解 — 吸收 — 扩散
常用方法：渗碳 渗氮 碳氮共渗
气体渗碳
固 体 渗 碳
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-34
渗碳组织
缓冷：表层： P + 网状 Fe3CⅡ 心部： F + P
适用于：中、高合金钢
组织：F + P 或 Fe3C+ P
t
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-15
球化退火和扩散退火
思考：过共析钢怎样退火？
球化退火 —— 加热到Ac1+20~40℃，保温后炉冷
目的：得到球状 Fe3C，软化
适用于：共析钢，过共析钢
能用于亚共析钢吗？
组织：球状 P
扩散退火 —— 加热到Ac3+150~300℃，长时间保温后慢冷
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-7
珠光体转变
1 珠光体组成：F 和 Fe3C 的机械混合物 2 形成特点： 在固态下形核、长大
是扩散型相变
3 形态： 片状 A1 ~650℃ ：珠光体 P 650~600℃ ：索氏体 S 600~550℃ ：托氏体 T
（细P）
（极细P又称屈氏体）
球状 —— Fe3C 呈球状
得到成分均匀的奥氏体，消除内应力，促进扩散 影响奥氏体晶粒大小的因素： 1 加热温度↑，保温时间↑→ A晶粒长大快 2 加热速度↑→ A晶粒细 3 含碳量↑→ A晶粒细 4 原始组织细→ A晶粒细
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-5
钢在冷却时的转变
℃
A1
等温冷却
过冷奥氏体：在A1以下，未发生 转变的不稳定奥氏体。
（空冷：S）
淬火+低温回火： 表层：高碳回火M + Fe3C或碳化物 + 残A
HRC60-64
心部：淬透：低碳回火M +（F+T） HRC40-48，HRC30-40
未淬透：F + P
HRC25-40，HB100-150
渗层深度 —— 表层到过渡区的一半
适用于：受冲击载荷的耐磨件，低碳（合金）钢
2019/5/21
淬硬性 —— 钢淬火时的硬化能力
怎样表示淬硬性大小？
用正常淬火条件下能达到的最高硬度表示
概念区别： 1 淬透性是钢本身的固有属性
2 实际淬硬层深度与工件形状、大小、冷却介质、淬透性有关 3 淬硬性主要取决于M的含碳量
2019/5/21
工程材料与材料成型基础
13-24
钢的回火
回火 —— 淬火后在A1以下加热、保温、冷却