金屬材料與熱處理 教學(xué)PPT課件

金屬材料與熱處理 教學(xué)PPT課件,金屬材料與熱處理,教學(xué)PPT課件,金屬材料,熱處理,教學(xué),PPT,課件 金屬材料與熱處理金屬材料與熱處理項目五項目五 鋼的熱處理鋼的熱處理項目導(dǎo)入項目導(dǎo)入熱處理是提高機械產(chǎn)品質(zhì)量，充分發(fā)揮材料潛力的重要工藝方法，是鋼熱處理原理在生產(chǎn)實踐中的具體應(yīng)用。鋼的熱處理是通過將鋼在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻來改變其內(nèi)部組織，從而獲得所需的組織結(jié)構(gòu)與性能的一種工藝方法。根據(jù)使用條件和性能的要求，結(jié)合熱加工工藝過程，采用合理的熱處理手段，是提高零件力學(xué)性能、使用壽命的必要條件。01目錄CONTENT認(rèn)識鋼的熱處理認(rèn)識鋼的熱處理認(rèn)識認(rèn)識“C”C”曲線曲線 鋼的淬火和回火鋼的淬火和回火020403鋼的退火和正火鋼的退火和正火CONTENT鋼的表面淬火鋼的表面淬火05鋼的化學(xué)熱處理鋼的化學(xué)熱處理06零件的熱處理分析零件的熱處理分析07任務(wù)一認(rèn)識鋼的熱處理認(rèn)識鋼的熱處理熱處理可以強化材料，充分發(fā)揮鋼材的潛力，提高或改善工件的使用性能和加工工藝性，是 提高加工質(zhì)量，延長工件和刀具使用壽命、節(jié)約材料、降低成本的重要手段。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)理解共析鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變過程。掌握熱處理的目的及作用。了解鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變過程。任務(wù)描述任務(wù)描述鋼的熱處理目的及意義。利用Fe-Fe3C相圖和固態(tài)相變原理確定鋼加熱和冷卻時的臨界點。一、鋼熱處理的目的鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織機構(gòu)和性能的工藝。熱處理目的在于消除毛坯（如鑄件、鍛件）中的缺陷，改變其工藝性能，為后續(xù)工序做好組織準(zhǔn)備;更重要的是熱處理能顯著提高鋼的力學(xué)性能，從而充分發(fā)揮鋼材的潛力，提高工件的使用性能和使用壽命。一、鋼熱處理的目的熱處理普通熱處理退火淬火滲氮滲碳碳氮共滲其他回火表面熱處理正火化學(xué)熱處理表面淬火火焰加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火 根據(jù)加熱和冷卻的方法不同，常用的熱處理大致可分:一、鋼熱處理的目的熱處理的方法雖然很多，但任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫和冷卻三個階段所組成的。因此熱處理工藝過程可用溫度時間坐標(biāo)系的曲線圖表示。這種曲線稱為熱處理工藝曲線。熱處理改變鋼的性能是通過改變組織來實現(xiàn)的。從而使鋼在加熱和冷卻過程中，會發(fā)生一系列組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，這些轉(zhuǎn)變具有嚴(yán)格的規(guī)律性，因此，要正確掌握鋼的熱處理工藝，就必須了解鋼在不同的加熱和冷卻條件下組織轉(zhuǎn)變規(guī)律。二、Fe-Fe3C相圖在熱處理中的應(yīng)用 由Fe-Fe3C相圖可知，碳鋼在緩慢加熱或冷卻過程中，在PSK線、GS線、ES線上都要發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。因此，任一成分碳鋼的固態(tài)組織轉(zhuǎn)變的相變點，都可由 PSK線、GS線、ES線來確定。通常把PSK線稱為A1線、GS線稱為A3線、ES線稱為Acm線。而該線上的相變點，則相應(yīng)的用A1、A3、Acm來表示。A1、A3、Acm是鋼在緩慢加熱和冷卻時的臨界點。但在實際生產(chǎn)中加熱和冷卻的條件下，鋼的組織轉(zhuǎn)變總有滯后現(xiàn)象。即鋼在加熱時高于臨界點，冷卻時低于臨界點。為了便于區(qū)別，通常把加熱時的各臨界點分別用Ac1、Ac3、Accm來表示，冷卻時的各臨界點分別用Ar1、Ar3、Arcm來表示。三、鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變奧氏體化熱處理時需將鋼加熱到一定溫度，使其組織全部或部分轉(zhuǎn)變成奧氏體，這種通過加熱獲得奧氏體組織的過程稱為奧氏體化。以共析鋼為例說明鋼的奧氏體化過程。共析鋼加熱到Ac1以上時，鋼中的珠光體將向奧氏體轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變過程遵循結(jié)晶過程的基本規(guī)律，也是通過形核和晶核長大的過程進(jìn)行的。三、鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變奧氏體化 1.奧氏體晶核的形成與長大 奧氏體晶粒最容易在鐵素體與滲碳體的界面上生成。界面上原子排列紊亂，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，為奧氏體的形核提供了有利條件。晶核生成后，與奧氏體相鄰的鐵素體中的鐵原子通過擴散運動轉(zhuǎn)移到奧氏體晶核上來，使奧氏體晶核長大。同時與奧氏體相鄰的滲碳體通過分解不斷地溶入生成的奧氏體中，也使奧氏體逐漸長大，直至珠光體全部消失為止。2.剩余滲碳體的溶解 當(dāng)鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體后，鐵素體消失，但還有相當(dāng)數(shù)量滲碳體尚未溶解，這些滲碳體稱為殘余滲碳體。隨著時間的延長，殘余滲碳體繼續(xù)向奧氏體中溶解，直至全部消失為止。三、鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變奧氏體化 3.奧氏體的均勻化 滲碳體剛剛?cè)苋電W氏體后，奧氏體濃度仍然不均勻，在原滲碳體的地方碳的濃度高，而原來鐵素體的地方碳的濃度低，只有經(jīng)過長時間保溫或繼續(xù)加熱，才能使碳原子充分?jǐn)U散，獲得均勻的奧氏體。因此，熱處理加熱后的保溫階段，不僅是為了使工件熱透，也是為了使組織轉(zhuǎn)變完全及奧氏體成分均勻。亞共析鋼室溫組織是珠光體和鐵素體，當(dāng)加熱到Ac1時，其組織中的珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，溫度繼續(xù)升高，鐵素體不斷向奧氏體轉(zhuǎn)變，直到Ac3時才全部轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏膴W氏體組織。過共析鋼的室溫組織是珠光體和二次滲碳體，當(dāng)加熱Ac1時，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，溫度繼續(xù)升高，滲碳體逐漸溶解到奧氏體中。直到Accm線時，才全部轉(zhuǎn)變成單相奧氏體組織。四、奧氏體的晶粒度及其影響因素 1.奧氏體晶粒的長大 當(dāng)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變剛剛完成時，奧氏體的晶粒比較細(xì)小。這是因為珠光體內(nèi)鐵素體和滲碳體的相界面很多，有利于形成數(shù)目眾多的奧氏體晶核。不論原來鋼的晶粒度的粗細(xì)，通過加熱時的奧氏體化，都能得到細(xì)小晶粒的奧氏體。但隨著加熱溫度的升高，保溫時間的延長，奧氏體晶粒會自發(fā)的長大，加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體晶粒越粗大。四、奧氏體的晶粒度及其影響因素 2.奧氏體晶粒度 鋼在一定加熱條件下獲得的奧氏體晶粒稱為奧氏體的實際晶粒，它的大小對冷卻轉(zhuǎn)變后鋼的性能有明顯的影響。為了測定或比較鋼的實際晶粒大小，可將試樣在金相顯微鏡下放大100倍，把顯微鏡下能看到的晶粒與標(biāo)準(zhǔn)晶粒號比較以確定其等級。奧氏體晶粒大小通常分8級評定，其中14級為粗晶粒。58級為細(xì)晶粒。不同的奧氏體晶粒，加熱時長大的傾向也不同。奧氏體晶粒隨溫度升高而迅速長大的鋼，稱為本質(zhì)粗晶粒鋼;奧氏體晶粒隨溫度升高長大傾向小，只有加熱到930950 才顯著 增長的鋼，稱為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。四、奧氏體的晶粒度及其影響因素3.奧氏體晶粒度對鋼在室溫下組織和性能的影響 奧氏體晶粒細(xì)小時，冷卻后產(chǎn)物組織的晶粒也細(xì)小。其強度與塑性、韌性都較高，冷脆轉(zhuǎn)變溫度也較低;反之粗大的奧氏體晶粒，冷卻轉(zhuǎn)變后仍獲得粗晶粒組織，使鋼的力學(xué)性能較低，甚至在淬火時產(chǎn)生變形。因此，鋼在加熱時，為了獲得細(xì)小而均勻的奧氏體晶粒，必須嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時間。四、奧氏體的晶粒度及其影響因素 4.影響奧氏體晶粒度大小的因素 （1）加熱溫度和保溫時間 加熱溫度越高、保溫時間越長，形核率越大，長大速度越大，奧氏體晶界遷移速度越大，其晶粒越粗大。因此，必須嚴(yán)格控制加熱溫度，當(dāng)加熱溫度一定時，隨保溫時間的延長，晶粒不斷長大，但長大的速度越來越慢，不會無限長大下去，所以延長保溫時間的影響要比提高加熱溫度小得多。（2）加熱速度 當(dāng)加熱溫度一定時，加熱速度快，奧氏體實際形成溫度高，形核率增高，由于時間短奧氏體晶粒來不及長大，可獲得細(xì)小的起始晶粒度。此外加熱速度越快，則加熱時間越短，晶粒越來不及長大。所以，快速短時加熱是細(xì)化晶粒的重要手段之一。任務(wù)二認(rèn)識認(rèn)識“C”C”曲線曲線金屬材料大多在室溫下工作，奧氏體化后的鋼只有通過適當(dāng)?shù)睦鋮s，才能得到所需要的室溫組織和性能。所以，冷卻是熱處理的關(guān)鍵工序，它決定著鋼在熱處理后的組織和性 能。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)能夠繪制C曲線并能進(jìn)行區(qū)域組織分析。任務(wù)描述任務(wù)描述理解鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變過程。掌握鋼在不同冷卻方式下各轉(zhuǎn)變區(qū)域的產(chǎn)物及特點。一、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線奧氏體在臨界點A1以上是穩(wěn)定的，不會發(fā)生轉(zhuǎn)變。當(dāng)奧氏體冷卻到臨界點以下，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必定要發(fā)生轉(zhuǎn)變。但并不是一冷卻到臨界點溫度以下立即發(fā)生轉(zhuǎn)變，這種在臨界溫度以下存在的奧氏體叫做過冷奧氏體。將經(jīng)奧氏體化后的鋼冷卻到相變點以下的溫度區(qū)間內(nèi)等溫保持時，過冷奧氏體所發(fā)生的轉(zhuǎn)變稱為等溫轉(zhuǎn)變。過冷奧氏體在不同過冷度下的等溫過程中轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時間與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的關(guān)系曲線圖稱為等溫轉(zhuǎn)變圖，因其形狀像英文字母“C”，故俗稱為C曲線，亦稱為TTT圖。等溫轉(zhuǎn)變圖是一種用來研究冷卻過程中奧氏體不平衡轉(zhuǎn)變的重要工具。一、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線1.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的建立 鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖是用實驗方法建立的，下面以共析鋼為例說明等溫轉(zhuǎn)變圖的建立。將圓片狀試樣（101.5）分成若干組，每組510個。先選一組試樣加熱至奧氏體化后，迅速放入A1以下不同溫度（如710、650、550、500、450、350）的鹽浴中等溫冷卻，迫使奧氏體過冷，發(fā)生等溫轉(zhuǎn)變，再在不同的溫度等溫過程中，測出過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始和終了的時間，把它們按相應(yīng)的位置標(biāo)記在時間溫度坐標(biāo)圖上。分別連接開始轉(zhuǎn)變點和轉(zhuǎn)變終了點，便得到奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖。一、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線2.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的分析 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始線與轉(zhuǎn)變終了線之間的區(qū)域為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，在該區(qū)域過冷奧氏體向珠光體或貝氏體轉(zhuǎn)變。在轉(zhuǎn)變終了線右側(cè)區(qū)域為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)。A1以下、Ms以上及縱坐標(biāo)與轉(zhuǎn)變開始線之間為過冷奧氏體區(qū)，該區(qū)域不發(fā)生轉(zhuǎn)變，處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。在等溫轉(zhuǎn)變圖上的“C”曲線拐彎處（約550）俗稱“鼻子”，孕育期最短，此時奧氏體最不穩(wěn)定，最容易分解。一、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線 3.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能 過冷奧氏體在A1以下等溫轉(zhuǎn)變的溫度不同，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也不同，在Ms線以上將發(fā)生兩種類型的轉(zhuǎn)變:（1）珠光體轉(zhuǎn)變（高溫轉(zhuǎn)變）在A1550 溫度范圍內(nèi)，奧氏體等溫分解為鐵素體和滲碳體的片層狀混合物珠光體。即奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變。在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域內(nèi)，轉(zhuǎn)變溫度越低，則形成的珠光體片層越薄，根據(jù)片層間距的大小，分別稱為:珠光體P:S0=6001000 nm。光鏡下觀察到鐵素體與滲碳體呈層片狀，形成于 A1650;索氏體S:S0=250300nm。在高倍光鏡（8001500）或者電子顯微鏡下清晰觀察到鐵素體與滲碳體的片層分布，形成于650600;屈氏體T:極細(xì)珠光體，S0=100150 nm。在光鏡下無法分辨鐵素體與滲碳體層片（呈黑球狀），而在電子顯微鏡清晰觀察到鐵素體與滲碳體片層。形成于600550。一、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（2）貝氏體轉(zhuǎn)變（中溫轉(zhuǎn)變）在550Ms溫度范圍之間，因轉(zhuǎn)變溫度較低，原子活動能力較弱，過冷奧氏體雖然仍分解成滲碳體和鐵素體的混合物，但鐵素體中溶解的碳超過了正常的溶解度，轉(zhuǎn)變后得到的組織為碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有一定過飽和程度的鐵素體和極分散的滲碳體組成的混合物，稱為貝氏體。用B表示。貝氏體有上貝氏體和下貝氏體之分，通常把550350范圍內(nèi)形成的貝氏體稱為上貝氏體，它在顯微鏡下呈羽毛狀組織。在350 Ms范圍內(nèi)形成的貝氏體稱為下貝氏體，它在顯微鏡下呈黑色針狀組織。一、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線貝氏體的力學(xué)性能主要決定于其組織形態(tài)。由于上貝氏體的形成溫度較高，鐵素體條粗大，碳的過飽和度低，因而強度和硬度較低。另外碳化物顆粒粗大，且呈斷續(xù)條狀分布于鐵素體條間，鐵素體條和碳化物的分布具有明顯的方向性，這種組織形態(tài)使鐵素體條間易于產(chǎn)生脆斷，同時鐵素體條本身也可能成為裂紋擴展的路徑，所以上貝氏體的沖擊韌性較低。越是靠近貝氏體區(qū)上限溫度形成的上貝氏體，韌性越差，強度越低。因此，在工程材料中一般應(yīng)避免上貝氏體組織的形成。下貝氏體中鐵素體針細(xì)小、分布均勻，在鐵素體內(nèi)又沉淀析出大量細(xì)小、彌散的碳化物，而且鐵素體內(nèi)含有過飽和的碳及很高密度的位錯，因此下貝氏體不但強度高，而且韌性也好，即具有良好的綜合機械性能，有低的缺口敏感性和脆性轉(zhuǎn)變溫度，是一種理想的組織。生產(chǎn)中以獲得下貝氏體組織為目的的等溫淬火工藝已得到廣泛應(yīng)用。一、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（3）馬氏體轉(zhuǎn)變（低溫轉(zhuǎn)變）當(dāng)鋼從奧氏體區(qū)急冷到Ms時，奧氏體便開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，只是一種非擴散過程，因轉(zhuǎn)變溫度低，原子擴散能力小，在馬氏體轉(zhuǎn)變過程中，只有鐵的晶格改組，不發(fā)生碳的擴散，為此，包含在奧氏體中的碳，轉(zhuǎn)變后原封不動地保留在鐵的晶格中，大量的碳原子存在，使鐵的晶格發(fā)生了畸變，使馬氏體晶格成了碳原子位于晶格間隙位置的體心立方晶格。馬氏體形成后，碳的溶解量達(dá)到過飽和狀態(tài)，所以，馬氏體是碳在-Fe中的過飽和間隙固溶體。用M表示。一、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線 馬氏體轉(zhuǎn)變的特點:a.馬氏體是在一定溫度范圍內(nèi)（MsMf）連續(xù)冷卻過程進(jìn)行的，馬氏體的數(shù)量隨轉(zhuǎn)變溫度的下降而不斷增多，如果冷卻在中途停止，則奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變也停止。b.馬氏體轉(zhuǎn)變速度極快。c.轉(zhuǎn)變時體積發(fā)生膨脹（馬氏體的比容比奧氏體的比容大），因而產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，這是高碳鋼淬火易裂的原因。d.馬氏體轉(zhuǎn)變不能進(jìn)行到底，即使過冷到Mf以下溫度，仍有一定量奧氏體存在。這部分奧氏體稱為殘余奧氏體。馬氏體的組織形態(tài):馬氏體的組織形態(tài)有兩種類型，即板條狀馬氏體和片狀馬氏體。一、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線 馬氏體的組織形態(tài):馬氏體的組織形態(tài)有兩種類型，即板條狀馬氏體和片狀馬氏體。a.板條馬氏體（低碳馬氏體）:常見于低、中碳鋼、馬氏體時效鋼、不銹鋼等鐵基合金中。其顯微組織是由許多成群的板條組成，稱板條馬氏體。一、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線 b.片狀馬氏體（高碳馬氏體）:常見于淬火高、中碳鋼、Fe-Ni-C鋼及有色金屬中。顯微組織空間形態(tài)呈凸透鏡片形狀，稱透鏡片狀馬氏體或片狀馬氏體，顯微組織呈針狀或竹葉狀，又稱針狀馬氏體或竹葉狀馬氏體。一、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線 馬氏體的性能:馬氏體的強度和硬度主要取決于馬氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增高，其強度與硬度也隨之增高，尤其在碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時，強度、硬度增高比較明顯。但當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.6%時，就逐漸趨于平緩。馬氏體的塑性和韌性也與碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，板條狀的低碳馬氏體塑性和韌性較好，而片狀高碳馬氏體的塑性和韌性差。馬氏體的比容大，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也大，易使淬火鋼開裂。二、過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線 把代表連續(xù)冷卻的冷卻曲線疊畫在等溫轉(zhuǎn)變圖上，根據(jù)它們同C曲線相交的位置，可大致估計出其冷卻轉(zhuǎn)變組織。例如，圖中冷卻速度V1相當(dāng)于隨爐冷卻，則奧氏體將在A1以下附近的溫度進(jìn)行轉(zhuǎn)變，得到較為粗大的片狀珠光體組織;V2相當(dāng)于在空氣中的冷卻速度，可估計出它將轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w;V3相當(dāng)于在油中的冷卻速度則奧氏體在“鼻尖”附近分解一小部分，轉(zhuǎn)變?yōu)橥惺象w，而其余的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，最后得到托氏體和馬氏體的混合組織;V4相當(dāng)于在水中冷卻，它不與C曲線相交，則奧氏體將全部過冷到Ms以下進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變。任務(wù)三鋼的退火和正火鋼的退火和正火退火和正火是生產(chǎn)中應(yīng)用很廣泛的預(yù)備熱處理工藝。大部分機械零件及工、模具 的毛坯需要做退火和正火處理，為以后的工序做準(zhǔn)備。對于那些受力不大、性能要求不高的零件，退火和正火即可達(dá)到使用要求。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)會根據(jù)概念區(qū)分正火和退火。會合理選擇正火與退火。任務(wù)描述任務(wù)描述退火與正火的目的和方法。退火與正火的應(yīng)用及選擇。一、鋼的退火 退火是鋼加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋匾欢〞r間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。1.退火的目的 （1）降低鋼的硬度以利于切削加工。（2）消除殘余應(yīng)力，以防鋼件變形和開裂。（3）細(xì)化晶粒，改善組織，以提高鋼的力學(xué)性能，并為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。2.退火的分類 根據(jù)鋼的成分和退火的目的不同，退火常分為完全退火、等溫退火、球化退火、均勻化退火、去應(yīng)力退火等。一、鋼的退火3.常見的退火工藝 （1）完全退火 將鋼件或毛坯加熱到Ac3以上3050，保溫一段時間，使鋼中組織完全轉(zhuǎn)變成奧氏體后，緩慢冷卻以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。完全退火的目的:完全退火可以降低鋼的硬度，以利于切削加工;消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定工件尺寸，以防工件變形和開裂;細(xì)化晶粒，改善組織，以提高力學(xué)性能和改善工藝性能，為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。適用范圍:完全退火主要用亞共析鋼鑄件、鍛件、熱軋型材和焊接結(jié)構(gòu)件等。過共析鋼不宜采用完全退火，因為過共析鋼加熱至Accm以上緩慢冷卻時，二次滲碳體會以網(wǎng)狀沿奧氏體晶界析出，使鋼的強度、塑性和沖擊韌性顯著下降。一、鋼的退火（2）等溫退火 將鋼件或毛坯加熱至Ac3（或Ac1）以上2030，保溫一定時間后，較快地冷卻至過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線“鼻尖”溫度附近并保溫（珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)），使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w后，再緩慢冷卻下來的熱處理工藝。等溫退火的目的與完全退火相同，但是等溫退火時的轉(zhuǎn)變?nèi)菀卓刂疲塬@得均勻的預(yù)期組織，對于大型制件及合金鋼制件較適宜，可大大縮短退火周期。一、鋼的退火（3）球化退火 將鋼件或毛坯加熱到略高于Ac1的溫度（一般Ac1以上2030）保溫（一般24h）;或Ar1以下20 左右長時間保溫，使鋼中二次滲碳體自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀（或稱球狀）滲碳體，然后緩慢冷卻到室溫的熱處理工藝。球化退火的目的:降低硬度，均勻組織，改善切削加工性能，為淬火作準(zhǔn)備。球化退火的適用范圍:主要適用于共析鋼和過共析鋼，如碳素工具鋼、合金彈簧鋼、滾動軸承鋼及合金工具鋼等。這些鋼在鍛造加工后進(jìn)行球化退火，一方面有利于切削加工，一方面為最后的淬火處理最好組織準(zhǔn)備。一、鋼的退火（4）均勻化退火（擴散退火）均勻化退火是將鋼錠、鑄件加熱到略低于固相線溫度（鋼熔點以下100200 或Ac3、Accm以上150300），長時間保溫并緩冷的熱處理工藝。擴散退火目的是為了消除晶內(nèi)偏析，使鋼錠等化學(xué)成分和組織均勻化，實質(zhì)是使原子在奧氏體中充分?jǐn)U散。擴散退火的周期長、燒損嚴(yán)重、熱耗大、成本高，因此只有優(yōu)質(zhì)合金鋼且偏析較嚴(yán)重使用此工藝。由于擴散退火加熱溫度高，因此退火后晶粒粗大，可用完全退火或正火細(xì)化晶粒。（5）去應(yīng)力退火（低溫退火）去應(yīng)力退火是將鋼加熱到 Ac1溫度以下（500650 左右），保溫一定時間后緩慢冷卻到室溫的熱處理工藝。去應(yīng)力退火其目的是為了消除鑄件、鍛件和焊接件以及冷變形等加工中所造成的內(nèi)應(yīng)力。因去應(yīng)力退火溫度低、不改變工件原來的組織，故應(yīng)用廣泛。二、鋼正火的目的及工藝 正火將鋼加熱到Ac3或Accm以上3050，保溫適當(dāng)?shù)臅r間，在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火與退火的目的基本相同，但正火的冷卻速度比退火稍快，故正火后得到的珠光體組織比較細(xì)，強度、硬度比退火鋼高。二、鋼正火的目的及工藝目前正火主要應(yīng)用以下幾個方面。1.改善低碳鋼和低合金鋼的切削加工性 正火后組織為細(xì)珠光體，其硬度可達(dá)到140190 HB，從而改變切削加工中的“粘刀”現(xiàn)象，并降低了表面粗糙度值。2.作為普通結(jié)構(gòu)零件的最終熱處理 對強度要求不高的零件，正火可以代替調(diào)質(zhì)作為最終熱處理。正火可細(xì)化晶粒，使組織均勻化，減少亞共析鋼中鐵素體含量，使珠光體含量增多并細(xì)化，提高鋼的強度、硬度和韌性。能滿足普通結(jié)構(gòu)零件的使用性能要求。二、鋼正火的目的及工藝 3.作為中碳結(jié)構(gòu)鋼的較重要零件的預(yù)先熱處理 對于截面較大的結(jié)構(gòu)鋼零件，在淬火或調(diào)質(zhì)處理（淬火加高溫回火）前常進(jìn)行正火，可以消除魏氏組織和帶狀組織，并獲得細(xì)小而均勻的組織。對于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.77%的碳鋼和合金工具鋼中存在的網(wǎng)狀滲碳體，正火可減少二次滲碳體量，并使其不形成連續(xù)網(wǎng)狀，為球化退火作組織準(zhǔn)備。4.消除熱加工缺陷 中碳結(jié)構(gòu)鋼鑄、鍛、軋制件及焊接件熱加工后易出現(xiàn)魏氏組織，粗大晶粒等過熱缺陷以及帶狀組織，正火可消除，并可細(xì)化晶粒、均勻組織、消除內(nèi)應(yīng)力。任務(wù)四鋼的淬火和回火鋼的淬火和回火淬火、回火是各種機器零件、工具及模具的最終熱處理，淬火是賦予零件最終性能的關(guān)鍵工序。結(jié)構(gòu)鋼通過淬火加高溫回火可提高強度并有較高的塑、韌性配合;彈簧鋼淬火 加中溫回火，可獲很高的彈性極限;工、模具鋼淬火加低溫回火，可提高硬度及耐磨性。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)理解淬火的含義。會合理選擇淬火方法。會根據(jù)材料用途正確選擇回火方法。任務(wù)描述任務(wù)描述淬火與回火的目的。淬火的方法和應(yīng)用?；鼗鸬姆诸惣皯?yīng)用。一、鋼的淬火 淬火是指將鋼加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保溫一定時間，以適當(dāng)速度冷卻，獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。淬火的主要目的就是為了獲得馬氏體，提高鋼的強度和硬度。1.淬火加熱溫度 亞共析鋼淬火加熱溫度為Ac3以上3050;共析、過共析鋼為Ac1以上3050。鋼的淬火溫度范圍見圖所示，它是Fe-Fe3C合金的部分相圖,其中亞共析鋼屬于完全淬火，過共析鋼屬于不完全淬火。一、鋼的淬火 2.淬火冷卻介質(zhì) 冷卻是淬火的關(guān)鍵，冷卻的好壞直接決定了鋼 淬火后的組織和性能。冷卻后應(yīng)保證得到馬氏體組 織，同時變形小，不開裂。理想的淬火曲線為:650 以上緩冷，以降低熱應(yīng)力;650400 快速冷卻，保證全部過冷奧氏體不分解;400 以下緩冷，減少馬氏體轉(zhuǎn)變時相變應(yīng)力。一、鋼的淬火 3.常用的淬火介質(zhì)及特性 生產(chǎn)中常用的淬火冷卻介質(zhì)有油、水、鹽或堿溶液，其冷卻能力依次增強。（1）水 水是最常用的淬火介質(zhì)。工件在650 400 區(qū)間需要快冷時，水的冷卻速度相對較小，在300400 需慢冷時，其冷卻速度又相對較大，容易造成變形及開裂。但因水價廉安全，常用于形狀簡單、截面較大的碳鋼工件的淬火。（2）鹽或堿水溶液 在水中加入鹽、堿，其冷卻能力比水更強。例如濃度為10%NaCl或10%NaOH的水溶液，可使高溫區(qū)（650550）的冷卻能力顯著提高，10%NaCl水溶液較水的冷卻能力提高10倍以上，而10%NaOH的水溶液的冷卻能力更高。原因是淬火時水激烈汽化，NaCl或NaOH微粒在工件表面析出，破壞蒸汽膜和氣泡。但這兩種水基淬火介質(zhì)在低溫區(qū)（300200）冷卻速度亦很快。因此，適用于易產(chǎn)生淬火裂紋工件的淬火。一、鋼的淬火（3）油 目前工業(yè)上常用的有礦物油，如錠子油、機油等。油的主要優(yōu)點是在300200 低溫區(qū)的冷卻速度比水小得多，從而可大大降低淬火工件的相變應(yīng)力，減小工件變形和開裂傾向。油在650550 高溫區(qū)間冷卻能力低是其主要缺點（容易老化，須定期補充或調(diào)整）。但對于過冷奧氏體比較穩(wěn)定的合金鋼，油是合適的淬火介質(zhì)。與水相反，提高油溫可以降低粘度，增加流動性，故可提高高溫區(qū)間的冷卻能力。但是油溫過高，容易著火，一般應(yīng)控制在6080。油適用于形狀復(fù)雜的合金鋼工件的淬火以及小截面、形狀復(fù)雜的碳鋼工件的淬火。一、鋼的淬火 4.淬火方法 （1）單液淬火法 將奧氏體化的工件投入一種淬火介質(zhì)中，一直冷卻至室溫的淬火，稱為單液淬火法?？梢娫谡麄€冷卻過程中，工件表面與中心的溫差較大，這會造成較大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，從而易引起變形和開裂。但此方法簡便、經(jīng)濟(jì)、易于掌握，一般碳鋼在水或水溶液中淬火，合金鋼在油中淬火，它們都屬于單液淬火。一、鋼的淬火（2）雙液淬火法 先把奧氏體化的工件投入到冷卻能力較強的介質(zhì)中，冷卻到稍高于Ms溫度，再立即投入另一種冷卻能力較弱的介質(zhì)中冷卻，使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的淬火工藝，稱為雙液淬火法。如:先水淬后油淬，可有效減少馬氏體轉(zhuǎn)變的內(nèi)應(yīng)力，減小零件變形開裂的傾向，可用于形狀復(fù)雜，截面不均勻的工件淬火。缺點是難以掌握雙液轉(zhuǎn)換時刻，過早容易淬不硬，過遲又容易淬裂。一、鋼的淬火（3）分級淬火法 把奧氏體化的工件投入溫度在Ms點附近的鹽溶液或堿浴中，保持適當(dāng)?shù)臅r間，待工件內(nèi)外層都達(dá)到介質(zhì)溫度后取出空冷，以獲得馬氏體組織的淬火方法，稱為分級淬火。分級冷卻的目的，是為了使工件內(nèi)外溫度較為均勻，同時進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，可以大大減小淬火應(yīng)力，防止變形開裂。分級溫度都定在略高于Ms點，工件內(nèi)外溫度均勻以后進(jìn)入馬氏體區(qū)。一、鋼的淬火（4）等溫淬火 把奧氏體化的工件投入溫度稍高于Ms點的鹽浴或堿浴中，保溫足夠的時間，使其發(fā)生下貝氏體轉(zhuǎn)變后取出空冷，此方法為等溫淬火。但貝氏體轉(zhuǎn)變不完全的鋼，剩余奧氏體空冷時變成馬氏體，須回火消除脆性。一、鋼的淬火 5.鋼的淬火缺陷及防止措施 （1）氧化與脫碳 鋼加熱時，爐內(nèi)氧化氣氛與鋼材表面的鐵或碳相互作用，引起氧化和脫碳。所謂氧化是指鐵的氧化，即在工件表面形成一層松脆的氧化鐵皮。氧化不僅造成金屬的損耗，還影響到工件的承載能力及表面質(zhì)量等。所謂脫碳是指氣體介質(zhì)和鋼表面的碳起作用而逸出，使材料表面含碳量降低。脫碳會降低工件表層的強度、硬度和疲勞強度，對于彈簧、軸承和各種工具、模具等，脫碳是嚴(yán)重的缺陷。為了防止氧化和脫碳，對重要受力零件和精密零件，通常應(yīng)在鹽浴爐內(nèi)加熱。要求更高時，可在工件表面涂覆保護(hù)劑或在保護(hù)氣氛及真空中加熱。一、鋼的淬火（2）過熱和過燒 鋼在淬火加熱時，由于加熱溫度過高或高溫下停留時間過長而發(fā)生奧氏體晶粒顯著粗化的現(xiàn)象，稱為過熱。加熱溫度達(dá)到固相線附近，使晶界氧化并部分熔化的現(xiàn)象稱為過燒。工件加熱后，晶粒粗大，不僅降低鋼的力學(xué)性能（尤其是韌性），也容易引起變形和開裂。過熱可以用正火處理予以糾正，而過燒后的工件只能報廢。為了防止工件的過熱和過燒，必須嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時間。（3）變形與開裂 淬火內(nèi)應(yīng)力是造成工件變形和開裂的原因。對于變形量小的工件可采取某些措施予以糾正，而變形量太大或開裂的工件只能報廢。為了防止變形和開裂的產(chǎn)生，可采用不同的淬火方法或在設(shè)計上采取一些措施。（4）硬度不足 這是由于加熱溫度過低、保溫時間不足、冷卻速度過低或表面脫碳等原因造成的。一般情況下，可采用重新淬火消除，但淬火前要進(jìn)行一次退火或正火處理。二、鋼的淬透性和淬硬性 1.淬透性的基本概念 淬透性是鋼的固有屬性，是指鋼在淬火冷卻時獲得馬氏體的能力。其大小用鋼在一定條件下淬火所獲得的淬透層深度來表示。同樣形狀和尺寸的工件，用不同的鋼材制造，在相同的條件下淬火，淬透層較深的鋼，其淬透性較好。淬透層深度規(guī)定為由工件表面至半馬氏體區(qū)的深度。半馬氏體區(qū)的組織是由50%馬氏體和50%非馬氏體組織組成的。這樣規(guī)定是因為半馬氏體區(qū)的硬度變化顯著，同時組織變化明顯，并且在酸蝕的斷面上有明顯的分界線，很容易測試。二、鋼的淬透性和淬硬性 2.淬透性與淬硬性 淬硬性是指鋼在理想條件下淬火成馬氏體后所能夠達(dá)到的最高硬度。淬硬性主要與鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)。低碳鋼淬火的最高硬度值低，淬硬性差，高碳鋼淬火的最高硬度值高，淬硬性好。由此可見，淬硬性與淬透性的含義是不同的。淬硬性高的鋼，其淬透性不一定高，而淬硬性低的鋼，其淬透性也不一定低。三、鋼的回火回火是將淬火后的鋼，再加熱到低于Ac1的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。1.回火的目的 （1）消除或減少淬火內(nèi)應(yīng)力 工件淬火后存在很大的內(nèi)應(yīng)力，如不及時回火，往往會使工件發(fā)生變形甚至開裂。（2）獲得工件所需的力學(xué)性能 通過回火可提高鋼的韌性，適當(dāng)調(diào)整鋼的強度和硬度，使工件具有良好的綜合力學(xué)性能。（3）穩(wěn)定工件組織和尺寸 通過回火使淬火組織轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定組織，從而保證工件在使用過程中不發(fā)生尺寸和形狀的改變。三、鋼的回火 2.淬火鋼在回火時組織與性能的變化 淬火后組織主要是馬氏體加殘余奧氏體，在室溫下都處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有自發(fā)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢。可是在室溫下原子擴散能力很低，而轉(zhuǎn)變需要一定溫度和時間，因此必須加熱到A1以下回火才能消除內(nèi)應(yīng)力，防止變形和開裂，以獲得穩(wěn)定組織和所需的性能。三、鋼的回火按加熱溫度的不同，淬火鋼回火時的組織轉(zhuǎn)變可分為四個階段:（1）馬氏體分解（80200）當(dāng)鋼加熱到80200 時，內(nèi)部原子活動能力有所增加，馬氏體中過飽和的碳，開始以碳化物形式逐步析出，使馬氏體中碳的過飽和程度不斷降低，晶格畸變程度減弱，內(nèi)應(yīng)力有所降低。此時的回火組織由馬氏體和碳化物組成，稱為回火馬氏體。馬氏體的分解使-Fe中碳的過飽和程度降低，鋼的硬度相應(yīng)的降低，但析出的碳化物又對基體起著強化作用，所以，這一階段的鋼仍然保持高的硬度和耐磨性，只是內(nèi)應(yīng)力有所降低，韌性有所提高。三、鋼的回火（2）殘余奧氏體轉(zhuǎn)變（200300）當(dāng)鋼加熱溫度超過200 時，馬氏體繼續(xù)分解，同時，殘余奧氏體也開始分解。轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w或回火馬氏體。到300 時，殘余奧氏體的分解基本結(jié)束。（3）滲碳體的形成（300400）當(dāng)鋼加熱溫度到300400 階段，從過飽和固溶體中析出的碳化物逐漸向滲碳體轉(zhuǎn)變，當(dāng)溫度達(dá)到400 時，-Fe中過飽和的碳已基本析出，-Fe晶格恢復(fù)正常，鋼的內(nèi)應(yīng)力基本消除。此時的組織為鐵素體和極細(xì)小的滲碳體組成，稱為回火托氏體。（4）滲碳體的聚集長大（400 以上）400 以上時，馬氏體完全分解，滲碳體不斷聚集長大，而顆粒數(shù)目不斷減少，回火溫度越高，滲碳體顆粒越粗。把這種狀態(tài)下的鐵素體和滲碳體的機械混合物稱為回火索氏體。回火后，由于組織發(fā)生了變化，鋼的性能也隨之發(fā)生改變，其基本趨勢是隨回火溫度的升高，鋼的強度、硬度下降，而塑性、韌性提高。三、鋼的回火3.回火種類及應(yīng)用 回火時決定鋼的組織和性能的主要因素是回火溫度，回火溫度可根據(jù)工件要求的力學(xué)性能來選擇。（1）低溫回火（150250）低溫回火得到回火馬氏體組織。其性能是在保持高硬度（5864 HRC）、強度和耐磨性情況下，適當(dāng)提高淬火鋼的韌性，并顯著降低鋼淬火應(yīng)力和脆性。低溫回火主要應(yīng)用于刀具、量具、滾動軸承及其他要求硬而耐磨的零件。（2）中溫回火（350500）中溫回火的組織是回火托氏體。其性能是具有很高的彈 性極限、屈服點和適當(dāng)?shù)捻g性，硬度可達(dá)3545 HRC、中溫回火主要用于各種彈性零件及熱鍛模具。三、鋼的回火（3）高溫回火（500650 ）高溫回火的組織為回火索氏體，其性能是具有良好的綜 合力學(xué)性能，硬度達(dá)2535 HRC，生產(chǎn)中通常將淬火及高溫回火的復(fù)合熱處理工藝稱為“調(diào)質(zhì)”處理。調(diào)質(zhì)處理廣泛應(yīng)用于受力構(gòu)件，如發(fā)動機曲軸、連桿、螺栓、汽車半軸、機床齒輪及 主軸等。也可作為某些精密工件如量具、模具等的預(yù)先熱處理。調(diào)質(zhì)與正火相比，不僅強度高，且塑性和韌性也遠(yuǎn)高于正火，這是由于調(diào)質(zhì)后鋼的組織是回火索氏體，其滲碳體呈球粒狀，而正火后的索氏體中滲碳體呈薄片狀，因此重要零件均應(yīng)采用調(diào)質(zhì)處理。四、鋼的回火脆性 1.第一類（低溫）回火脆性 淬火鋼在250400 回火時，出現(xiàn)的回火脆性稱第一類回火脆性，其脆性表現(xiàn)如下:（1）斷裂方式為沿晶斷裂或穿晶斷裂;（2）幾乎所有鋼都出現(xiàn)，與回火冷速無關(guān);（3）已產(chǎn)生第一類回火脆性的工件在更高溫度回火，脆性消失，重新在其脆性溫度區(qū)回火，也不產(chǎn)生回火脆性，這種特性稱不可逆回火脆性;（4）不能用熱處理或合金化方法消除。四、鋼的回火脆性目前還沒有有效消除第一類（低溫）回火脆性的熱處理或合金化的方法，只能防止，其防止措施如下:（1）合金元素不能消除回火脆性，但加入合金元素可使回火脆性推向更高溫度。例如 加入Mo、Si、Mn等;（2）不在此溫度區(qū)間回火;（3）降低雜質(zhì)元素含量。四、鋼的回火脆性 2.第二類（高溫）回火脆性 在450600 回火時出現(xiàn)的回火脆性稱第二類回火脆性，其脆性表現(xiàn)如下:（1）斷裂方式為沿晶斷裂;（2）與回火冷卻速度有關(guān)（對冷卻速度敏感）快冷時不產(chǎn)生回火脆性，慢冷產(chǎn)生回火脆性;（3）可逆性，已產(chǎn)生第二類回火脆性鋼回火重新加熱快冷，回火脆性消失。在此溫度重新回火慢冷時又產(chǎn)生回火脆性。所以叫可逆回火脆性;（4）鋼中含有Cr、Mn、P、As、Sb等元素時，會使高溫回火脆性傾向增大。如果鋼中除Cr以外，還含有Ni或相當(dāng)?shù)腗n量時，則高溫回火脆性更為顯著。四、鋼的回火脆性 避免第二類（高溫）回火脆性的方法如下:（1）降低雜質(zhì)元素含量，減少合金元素Ni、Cr、Mn含量;（2）加入合金元素Mo、W等抑制雜質(zhì)元素的偏聚;（3）細(xì)化晶粒，奧氏體晶粒粗大，單位體積晶界數(shù)量減少，雜質(zhì)在晶界處含量相對增加，第二類回火脆性增大;（4）對尺寸小的、形狀不太復(fù)雜零件回火后快冷，此方法不適用于大件零件;（5）采用形變熱處理的方法減少第二類回火脆性;（6）亞共析鋼采用亞溫淬火工藝使珠光體溶入到鐵素體相中，減少其在奧氏體晶界的偏聚。任務(wù)五鋼的表面淬火鋼的表面淬火在生產(chǎn)中，有許多機器零件的表面承受著比心部高的應(yīng)力，并不斷被磨損，因此對零件的表面層提出了強化的要求，使其表面具有高的強度、硬度、耐磨性和疲勞強度，而心部仍保持足夠的塑性和韌性。要同時滿足這些要求，用一般的熱處理也無法實現(xiàn)。所以解決的方法是進(jìn)行表面熱處理來滿足工件的使用要求。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)理解感應(yīng)加熱淬火和火焰加熱淬火的原理。會合理選擇表面熱處理的方法。任務(wù)描述任務(wù)描述介紹鋼表面熱處理的原理、目的、方法和應(yīng)用。對機床主軸40Cr鋼的進(jìn)行表面熱處理。一、鋼的表面淬火 鋼的表面淬火是一種不改變鋼表面化學(xué)成分，但改變鋼表層組織的局部熱處理方法。它是通過快速加熱，使鋼的表層奧氏體化，在熱量還沒有傳到心部時，立即淬火冷卻，使表面獲得硬而耐磨的馬氏體組織，而心部保持原來塑性、韌性良好的退火、正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)的組織。按加熱方法的不同，鋼的表面淬火分為火焰加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬火、激光與電子束加熱表面淬火等。應(yīng)用最廣泛的是火焰加熱表面淬火和感應(yīng)加熱表面淬火。二、火焰加熱表面熱處理 利用乙炔氧氣或煤氣氧氣混合氣體的燃燒火焰，將工件表面迅速加熱到淬火溫度，隨后以浸水或噴水方式進(jìn)行激冷，使工件表層轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體而心部組織不變的工 用于火焰加熱表面淬火的材料為中碳鋼和中碳合金鋼，如35、45、40Gr、65Mn等，還可用于灰鑄鐵、合金鑄鐵等鑄件?；鹧婕訜岜砻娲慊鸫阌矊右话?6 mm。它具有操作簡便、設(shè)備簡單、成本低、工件大小不受限制、淬火速度快，變形小等優(yōu)點。缺點是淬火硬度和淬透深度不易控制，淬火質(zhì)量不穩(wěn)定，常取決于操作工人的技術(shù)水平和熟練程度;生產(chǎn)效率低，只適合單件和小批量生產(chǎn)。三、感應(yīng)加熱表面熱處理 感應(yīng)加熱表面淬火是現(xiàn)代熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的一種表面淬火方法。它是利用感應(yīng)電流通過工件所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使工件表面局部加熱，然后冷卻的淬火工藝。1.基本原理 感應(yīng)加熱表面淬火的原理如圖所示。將工件置于銅管繞成的感應(yīng)器中，感應(yīng)器中通入一定頻率的交流電，在感應(yīng)器周圍將產(chǎn)生一個頻率相同的交變磁場，當(dāng)工件穿過磁場時，工件內(nèi)就會產(chǎn)生同頻率的感應(yīng)電流，這個電流在工件內(nèi)形成回路，稱為渦流。此渦流能使電能變成熱能加熱工件。渦流在工件內(nèi)分布是不均勻的，表面密度大，心部密度小。通入感應(yīng)器的電流頻率越高，渦流集中的表層越薄，這種現(xiàn)象稱為“集膚效應(yīng)”。由于鋼本身具有電阻，因而集中于工件表層中的渦流，使工件表面迅速被加熱到淬火溫度，隨后噴水冷卻，工件表面即被淬硬，就達(dá)到了表面淬火的目的。三、感應(yīng)加熱表面熱處理三、感應(yīng)加熱表面熱處理 2.感應(yīng)加熱分類 為了得到不同的淬硬層深度，可采用不同頻率的電流進(jìn)行加熱。（1）高頻感應(yīng)加熱淬火 電流頻率范圍是250300 kHz，淬硬層深度為0.52 mm，適用于小型零件，如中、小模數(shù)齒輪及中、小尺寸的軸類零件。（2）中頻感應(yīng)加熱淬火 電流頻率范圍是25008000 kHz，淬硬層深度為210 mm，適用于較大直徑的軸類零件和大、中模數(shù)齒輪。（3）工頻感應(yīng)加熱淬火 電流頻率是50 Hz，淬硬層深度可達(dá)1025 mm，適用大直徑零件的表面淬火（如軋輥、火車車輪）和大直徑鋼件的穿透加熱。三、感應(yīng)加熱表面熱處理 3.感應(yīng)加熱表面淬火熱處理的特點 （1）加熱速度極快，零件由室溫加熱到淬火溫度僅需幾秒到十幾秒。（2）淬火質(zhì)量好，奧氏體晶粒不易長大，淬火后獲得非常細(xì)小的針狀馬氏體組織，使表 層硬度比普通淬火高23 HRC，耐磨性也有較大提高。（3）淬硬層深度易于控制，淬火操作易實現(xiàn)機械化和自動化，適用于大批量生產(chǎn)，但設(shè)備較復(fù)雜。三、感應(yīng)加熱表面熱處理 4.感應(yīng)加熱表面淬火的應(yīng)用舉例 感應(yīng)加熱表面淬火一般適用于中碳鋼和中碳低合金鋼如45、40Cr、40MnB等。一般感應(yīng)加熱淬火零件的加工工藝路線為:下料鍛造退火或正火粗加工調(diào)質(zhì)精加工表面淬火低溫回火（粗磨精磨）例如:采用40Cr鋼制造機床主軸，制作工藝如下:下料鍛造成毛坯退火或正火粗加工調(diào)質(zhì)精加工高頻感應(yīng)加熱淬火低溫回火研磨入庫 在制造40Cr鋼機床主軸的過程中有兩道中間熱處理工序，鍛后毛坯件完全退火或正火，目的是消除鍛造應(yīng)力、均勻成分、消除帶狀組織、細(xì)化晶粒、調(diào)整硬度、改善切削加工性能;精加工之前的調(diào)質(zhì)熱處理，目的是使主軸獲得良好綜合力學(xué)性能，調(diào)整表層組織，為淬火作組織準(zhǔn)備。淬火后低溫回火，屬于最終熱處理，使主軸軸頸表層的抗摩擦、磨損性能和接觸疲勞抗力得到提高。任務(wù)六鋼的化學(xué)熱處理鋼的化學(xué)熱處理鋼的化學(xué)熱處理可以通過改變工件表面的化學(xué)成分，進(jìn)而使工件的表面和心部，得到不同的組織和性能，顯著提高零件的使用壽命。化學(xué)熱處理還可以使一些廉價易得的材料，通過改善性能來代替某些比較貴重的材料，降低了生產(chǎn)成本。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)理解化學(xué)熱處理的意義。了解滲碳、滲氮及碳氮共滲的作用。根據(jù)實際情況，會合理選擇化學(xué)熱處理的方法。任務(wù)描述任務(wù)描述鋼的化學(xué)熱處理的實質(zhì)及過程。滲碳、滲氮的原理和方法。一、鋼的化學(xué)熱處理的原理及分類 化學(xué)熱處理是將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表面，改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝?；瘜W(xué)熱處理不僅改變了鋼的組織，也使鋼表層的化學(xué)成分發(fā)生了變化。1.化學(xué)熱處理的原理 化學(xué)熱處理的基本過程都是通過分解、吸收和擴散三個階段完成的。（1）分解 介質(zhì)在一定溫度下通過化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行分解，形成滲入元素的活性原子。（2）吸收 活性原子被工件表面吸收。如活性原子溶入鐵的晶格中形成固溶體或與鐵化合形成金屬化合物。（3）擴散 滲入的活性原子由表面向中心擴散，形成一定深度的擴散層。一、鋼的化學(xué)熱處理的原理及分類 2.化學(xué)熱處理的主要作用 （1）提高工件的表面硬度、耐磨性能與疲勞強度，使心部在具有一定強度的情況下，具有足夠的塑性和韌性，如滲碳、滲氮、碳氮共滲等;（2）提高工件的耐蝕性，如滲氮、滲硅等;（3）提高工件表層的抗氧化性，如滲鋁等。一、鋼的化學(xué)熱處理的原理及分類 3.化學(xué)熱處理的分類 化學(xué)熱處理的種類很多，按主要目的大致可分為兩類:（1）以強化為主，如滲碳、滲氮（氮化）、碳氮共滲、滲硼、多元共滲等，它們的主要目的是使零件表面獲得高硬度、耐磨性和疲勞抗力;（2）以改善工件表面的物理化學(xué)性能為主，如滲鉻（耐腐蝕、抗氧化、耐磨）、滲鋁（高溫抗氧化）、滲硅（耐腐蝕，改善磁性）等。按滲入元素的方式不同，化學(xué)熱處理可分為固體滲、液體滲、氣體滲等。按表面滲入的元素不同，化學(xué)熱處理可分為滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲鋁等。目前，生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的化學(xué)熱處理是滲碳、滲氮和碳氮共滲。二、化學(xué)熱處理工藝 1.滲碳 滲碳是將鋼放入滲碳的介質(zhì)中加熱并保溫，使活性碳原子滲入鋼的表層的工藝。滲碳的目的是提高工件表層的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并在其中形成一定的碳含量梯度，經(jīng)淬火和低溫回火后，提高工件表面硬度和耐磨性，使心部保持良好的韌性。滲碳一般用于低碳鋼和低碳合金鋼，如15、20、20Cr、20CrMnTi等。適用于承受大沖擊載荷和在嚴(yán)重磨損下工作的零件，如齒輪、活塞銷、套筒等。滲碳的方法可分為固態(tài)滲碳、鹽浴滲碳及氣體滲碳三種，應(yīng)用較廣泛的是氣體滲碳。二、化學(xué)熱處理工藝（1）氣體滲碳方法 氣體滲碳是將工件置于氣體滲碳劑中進(jìn)行滲碳的工藝。工件置于密封的加熱爐中，加熱到900950，滴入煤油、丙酮、甲醇等滲碳劑，這些滲碳劑在高溫下分解，產(chǎn)生活性原子，其反應(yīng)式如下:CH4 C+2H2 2CO C+CO2 CO+H2 C+H2O。二、化學(xué)熱處理工藝 活性碳原子溶入鋼表面奧氏體中，并向內(nèi)部擴散，最后形成一定深度的滲碳層。滲碳層的深度取決于保溫時間，在一定的滲碳溫度下，保溫時間越長，滲碳層越厚。二、化學(xué)熱處理工藝（2）滲碳后的組織 鋼經(jīng)滲碳后，其表層的wc在0.8%1.1%之間，并從表面到心部逐漸減少，心部仍保持低碳鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在緩慢冷卻條件下，滲碳層的組織由表面到中心依次為:過共析組織（P+Fe3C）、共析組織（P）、亞共析組織（P+F）、原始組織。根據(jù)滲層組織和性能的要求，一般零件表層碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最好控制在0.851.05%之間，若碳含量過高，會出現(xiàn)較多的網(wǎng)狀或塊狀碳化物，則滲碳層變脆，容易脫落;含碳量過低，則硬度不足，耐磨性差。二、化學(xué)熱處理工藝（3）滲碳后熱處理 為滿足表面高硬度、高耐磨性要求，滲碳后一定要進(jìn)行淬火與低溫回火，滲碳后的熱處理方法有:直接淬火法、一次淬火法和二次淬火法。表層組織是高碳細(xì)針狀馬氏體加細(xì)粒狀滲碳體，硬度為5864 HRC，心部組織與鋼的淬透性有關(guān)。二、化學(xué)熱處理工藝 直接淬火法:工件滲后隨爐或出爐預(yù)冷到稍高于心部成分的Ar3溫度（避免先共析鐵素體），然后直接淬火，這就是直接淬火法。預(yù)冷的目的是為了減少零件與淬火介質(zhì)的溫差，以減少淬火應(yīng)力和零件變形。直接淬火法工藝簡單、生產(chǎn)效率高、成本低、氧化脫碳傾向小。但因工件在滲碳溫度下長時間保溫，奧氏體晶粒粗大，淬火后則形成粗大馬氏體，性能下降。適用于過熱傾向小的本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。一次淬火法:這種方法可細(xì)化滲碳時形成的粗大組織，提高力學(xué)性能。淬火溫度的選擇應(yīng)兼顧表層和心部。如果強化心部，則加熱到Ac3以上，使其淬火后得到低碳馬氏體組織;如果強化表層，需加熱到Ac1以上。適用于組織和性能要求較高的零件，在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。二、化學(xué)熱處理工藝二次淬火法:工件滲碳冷卻后兩次加熱淬火，即為二次淬火法。第一次淬火加熱 溫度一般為心部的Ac3以上，目的是細(xì)化心部組織，同時消除表層的網(wǎng)狀碳化物。第二次淬火加熱溫度一般為Ac1以上，使?jié)B層獲得細(xì)小粒狀碳化物和隱晶馬氏體，以保證獲得高強度和高耐磨性。該工藝復(fù)雜、成本高、效率低、變形大，僅用于要求表面高耐磨性和心部高韌性的重要零件。淬火后要在160180 范圍內(nèi)低溫回火。回火后，滲碳層的組織由高碳回火馬氏體、碳化物和少量殘余奧氏體組成，硬度達(dá)到5864 HRC，具有高的耐磨性。二、化學(xué)熱處理工藝 2.滲氮 滲氮俗稱氮化，是指在一定溫度下，使活性氮原子滲入工件表面，形成含氮硬化層的化學(xué)熱處理工藝。目的是提高零件表面硬度、耐磨性、疲勞強度、熱硬性和耐蝕性等，而心部要求具有較高的強度和韌性。主要用于耐磨性、耐蝕性和精度要求高的零件。（1）氣體滲氮 工件在氣體介質(zhì)中進(jìn)行滲氮稱為氣體滲氮。滲氮時將工件放入密封的爐內(nèi)，加熱到500600 后通入氨氣（NH3），氨氣分解出活性氮原子:2NH3 2N+3H2 活性氮原子與鋼表面的合金元素Al、Cr、Mo形成氮化物，并向心部擴散。滲氮層一般為0.10.6 mm。二、化學(xué)熱處理工藝 滲氮與滲碳相比，有如下特點:滲氮層具有很高的硬度和耐磨性，工件滲氮后不用淬火表面就可以得到高硬度。滲氮溫度較低，工件變形小。滲氮零件具有很好的耐磨性，可防水、蒸汽、堿性溶液的腐蝕。生產(chǎn)周期長，成本高，滲氮層薄而脆，不宜承受集中的重載荷，使?jié)B氮的應(yīng)用受到一定的限制。滲氮主要用于處理重要和復(fù)雜的精密零件，如高精度機床的絲杠、鏜桿、排氣閥、精密機床的主軸等。二、化學(xué)熱處理工藝（2）離子滲氮 離子滲氮是在一定的真空下，利用工件（陰極）和陽極之間產(chǎn)生的輝光放電進(jìn)行滲氮的工藝。離子滲氮的原理是將工件作陰極，以爐壁接陽極，在真空室內(nèi)通入氨氣，并在陰陽極之間通以高壓直流電。在高壓電場的作用下，氨氣被電離，形成輝光放電，被電離的氮離子以很大的速度轟擊工件表面，使工件表面溫度升高，并使氮離子在陰極上奪取電子后還原成氮原子而滲入工件表面，然后經(jīng)過擴散形成滲氮層。二、化學(xué)熱處理工藝 3.碳氮共滲（氰化）在一定溫度下，將碳、氮原子同時滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝，稱為碳氮共滲，俗稱氰化。常用的為氣體碳氮共滲。其主要目的是提高工件的表面硬度、耐磨性和疲勞強度。氣體碳氮共滲的溫度為820860，共滲件常選用低碳或中碳鋼及中碳合金鋼，共滲后表層碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%1.0%，氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%0.5%。碳氮共滲后可直接淬火和低溫回火，其滲層組織為細(xì)片（針）回火馬氏體加少量粒狀碳氮化合物和殘余奧氏體，硬度5863 HRC;心部組織和硬度取決于成分和淬透性。碳氮共滲與滲碳相比，具有很多優(yōu)點。它不僅加熱溫度低、零件變形小、生產(chǎn)周期短，且滲層具有較高的硬度、耐磨性和疲勞強度。目前常用來處理汽車和機床上的齒輪、蝸桿和軸類零件。二、化學(xué)熱處理工藝 3.碳氮共滲（氰化）在一定溫度下，將碳、氮原子同時滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝，稱為碳氮共滲，俗稱氰化。常用的為氣體碳氮共滲。其主要目的是提高工件的表面硬度、耐磨性和疲勞強度。氣體碳氮共滲的溫度為820860，共滲件常選用低碳或中碳鋼及中碳合金鋼，共滲后表層碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%1.0%，氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%0.5%。碳氮共滲后可直接淬火和低溫回火，其滲層組織為細(xì)片（針）回火馬氏體加少量粒狀碳氮化合物和殘余奧氏體，硬度5863 HRC;心部組織和硬度取決于成分和淬透性。碳氮共滲與滲碳相比，具有很多優(yōu)點。它不僅加熱溫度低、零件變形小、生產(chǎn)周期短，且滲層具有較高的硬度、耐磨性和疲勞強度。目前常用來處理汽車和機床上的齒輪、蝸桿和軸類零件。任務(wù)七零件的熱處理分析零件的熱處理分析熱處理是機械制造過程中的主要工序，正確理解熱處理的技術(shù)條件，合理安排熱處理工序在整個加工過程的位置，對于改善鋼的切削加工性能，保證零件的質(zhì)量，滿足使用要求，具有重要的意義。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)會安排車床主軸的熱處理位置。合理安排齒輪的熱處理。任務(wù)描述任務(wù)描述掌握熱處理工序位置安排。典型零件的熱處理分析。一、熱處理技術(shù)條件的標(biāo)注 設(shè)計者根據(jù)零件的性能要求，提出熱處理技術(shù)條件，并標(biāo)注在零件圖上（一般標(biāo)注在零件圖標(biāo)題欄的上方技術(shù)要求中）。其內(nèi)容包括最終熱處理方法及熱處理后應(yīng)達(dá)到的力學(xué)性能，供熱處理生產(chǎn)及檢驗時用。一般零件只標(biāo)出硬度值。標(biāo)定的硬度值允許有一定的波動范圍，布氏硬度值一般為3040個單位左右，洛氏硬度值為5個單位左右。如“調(diào)質(zhì)220250 HBS”或“淬火回火4045 HRC”。對于表面淬火零件應(yīng)標(biāo)明淬硬層深度、硬度及部位。滲碳或滲氮零件應(yīng)標(biāo)出滲碳或滲氮部位、滲層深度、滲碳、淬火和回火后的硬度等。二、熱處理工藝位置的安排 1.預(yù)先熱處理 預(yù)先熱處理包括:退火、正火、調(diào)質(zhì)等，一般安排在毛坯生產(chǎn)之后，切削加工之前，或粗加工之后，半精加工之前。（1）退火、正火的工序位置 退火和正火作為預(yù)先熱處理通常安排在毛坯生產(chǎn)之后，切削加工之前。其作用是消除毛坯內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化晶粒，均勻組織，改善切削加工性，為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備。工藝路線一般為:毛坯生產(chǎn)退火（或正火）切削加工。（2）調(diào)質(zhì)處理的工序位置 一般安排在粗加工之后，半精加工或精加工之前，其目的是提高零件的綜合力學(xué)性能。工藝路線一般為:下料鍛造正火（或退火）粗加工調(diào)質(zhì)半精加工（或精加工）。二、熱處理工藝位置的安排 2.最終熱處理 最終熱處理包括各種淬火、回火及化學(xué)熱處理。其工序位置一般安排在半精加工之后，磨削之前。（1）淬火工序位置 整體淬火工藝路線一般為:下料鍛造退火（正火）粗加工、半精加工淬火、回火磨削。表面淬火工藝路線一般為:下料鍛造退火（正火）粗加工調(diào)質(zhì)半精加工表面淬火低溫回火磨削。二、熱處理工藝位置的安排（2）滲碳工序位置 整體滲碳的工藝路線一般為:下料鍛造退火（正火）粗加工、半精加工滲碳 淬火、低溫回火磨削。局部滲碳的工藝路線一般為:下料鍛造退火（正火）粗加工、半精加工保護(hù)非滲碳部位滲碳切除防滲余量淬火、低溫回火磨削。（3）滲氮工序位置 滲氮零件（38CrMoAlA鋼）的工藝路線一般為:下料鍛造退火 粗加工調(diào)質(zhì)半精加工去應(yīng)力退火粗磨滲氮精磨或研磨。四、典型零件的熱處理工藝分析 1.車床主軸 圖為車床主軸，經(jīng)對主軸的結(jié)構(gòu)及工作條件分析后確定，該軸選用45鋼的鍛件毛坯，熱處理技術(shù)條件如下:（1）整體調(diào)質(zhì)后硬度為220250 HBS。（2）內(nèi)錐孔和外錐體硬度為4550 HRC。（3）花鍵部分硬度為4853 HRC。四、典型零件的熱處理工藝分析 生產(chǎn)過程中，主軸的加工工藝路線為:下料鍛造正火機械粗加工調(diào)質(zhì)機械半精加工錐孔及外錐的局部淬火、回火粗磨（外圓、錐孔、外錐體）銑花鍵、花鍵淬火、回火精磨（外圓、錐孔、外錐體）。其中正火、調(diào)質(zhì)屬于預(yù)備熱處理，錐孔及外錐體的局部淬火、回火屬于最終熱處理。它們的作用如下:四、典型零件的熱處理工藝分析（1）正火 主要是為了消除毛坯的鍛造應(yīng)力，降低硬度以改善切削加工性，同時均勻組織，細(xì)化晶粒，為以后的熱處理做組織準(zhǔn)備。（2）調(diào)質(zhì) 主要是使主軸具有高的綜合力學(xué)性能，經(jīng)淬火及高溫回火后，其硬度應(yīng)達(dá)到220250 HBS。（3）淬火 錐孔、外錐體及花鍵部分的淬火是為了獲得所要求的表面硬度，錐孔和外錐體部分可采用鹽浴快速加熱并水淬，經(jīng)回火后，其硬度達(dá)到4548 HRC?；ㄦI部分可采用高頻加熱淬火，以減少變形，經(jīng)回火后，表面硬度達(dá)到4853 HRC。為了減少變形，錐部淬火應(yīng)與花鍵淬火分開進(jìn)行。錐部淬火及回火后，用粗磨糾正淬火變形，然后再進(jìn)行花鍵的加工與淬火。最