8-1材料科学与工程专业《金属热处理原理及工艺》课件-第八章__淬火与回火

食品、医药、化工等设备的 配件
Cr5Mo1 美国引进钢种，具有良好的空淬性能 V
5CrMnM 我国资助研制的高淬透性钢 o
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。
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
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
D0油=8mm，40Cr D0油=20mm。
马氏体 马氏体 索氏体
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
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。
(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
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
温
度
A1
Ms 单液淬火
双液淬火
分级淬火
时间 等温淬火
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
500
理想淬火冷却介质
A1
400 300 Ms 200 100
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
(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。
未 淬 透
HRC
HRC
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）
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、
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
为什么过共析钢淬火加热温度在
预备组织为P球）
Ac1 +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，
第八章 淬火与回火
8.1 淬火 8.2 回火
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
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
60
65
70
55
100
50
温
度
A1
Ms 单液淬火
双液淬火
分级淬火
时间 等温淬火
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
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。
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
a
b
工件淬硬层与冷却速度的关系示意图
（a）零件截面的不同冷却速度;
（b）未淬透区的示意图
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Байду номын сангаас工件已经被淬透。
淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响
淬 透
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
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
沿着最小尺寸方向收缩。
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。
淬火变形的预防----制定合理的淬火工艺 淬火变形的纠正----矫直
水基，油基
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）
二、 淬火介质
2 .有物态变化的淬火介质
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
C%
马氏体硬度、韧性与含碳量的关系
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
低
( 20Cr2Ni4A )
淬透性 差 差
好
高碳高合金工具钢
( W18Cr4V )
高
好
温
度
A1
Ms 单液淬火
双液淬火
分级淬火
时间 等温淬火
影响因素
0 Mf
-100 0
1
10 102 103 104 时间(s)
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。
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
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
如选择淬透性好的材料
2）合理设计工件形状
如避免截面形状悬殊的零件
3）合理消除材料缺陷
如淬火前锻造和预备热处理
4）合理制定热处理工艺
如加热温度、冷却速度、
回火、操作方法等
45钢汽车拨叉，热处理工艺为正火＋淬火＋中温回火， 实际生产中废品率达到40％以上，主要是淬火裂纹。 工作条件：冲击＋磨损 技术要求：45～50HRC
③淬水后硬度 3/4R处：HRC46， 1/2R处：HRC42 满足要求；
采用水淬
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）
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，
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
3.淬透性测量方法
(1)断口法：适用碳素工具钢。
（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。
φ50
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
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；
Ti
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
37CrNi3 完全马氏体、 150mm
重载荷、冲击载荷、截面较 大的零件等。
40CrNiM 半马氏体，≥75mm >250mm的汽轮机轴、叶
oA
片、传动件等
4Cr13 不锈钢、空淬钢
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
高精密零件，复杂零件，如复杂冷冲模。——选用高淬透性2.8.10.wmv 钢。
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
齿轮
钢号
临界淬透直径（油） 应用范围
20CrMn 半马氏体，20～
并减少AR量
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
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
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。
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。
（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。
反映了钢的固有淬透性
H值
理想临 界直径 Di
(4)端淬法：此方法是世界上通用方法。
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。
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
四、淬火缺陷
3. 淬火裂纹 重要性：淬火变形可以校正，淬火开裂则无法挽回，因
此我们要研究淬火开裂原因，进行预防。
淬火裂纹产生原因： 淬火内应力超过材料断裂强度 材料内部缺陷 + 一定的淬火应力
淬火裂纹分类： 纵向裂纹 横向裂纹 网状裂纹 剥离裂纹 显微裂纹
减少淬火变形和防止淬火开裂的措施
1）正确选材
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）
视频（真空淬火）
视频（激光淬火）
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
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。