工程材料及热处理

1. 工程材料及热处理 第三章 　材料的强化和处理

2. 第三章 材料的强化和处理是工程材料的研究和应用的重要问题之一。 其作用在于： • 提高材料的力学性能，充分发挥材料的潜力 • 获得一些特殊性能以满足各种各样使用条件下对材料的要求

3. 第三章 3.1 钢铁材料的热处理　 3.2 材料的表面技术 3.3 热处理工艺的应用

4. 第三章 3.1 钢铁材料的热处理　 3.1.1　 钢的热处理原理　　 3.1.2　 钢的热处理工艺　　 3.2 材料的表面技术 3.3 热处理工艺的应用

5. 第三章 钢的热处理 定义：将钢在固态下以适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织和性能的工艺。 热处理是强化金属材料、提高产品质量和寿命的主要途径之一。绝大部分重要的机械零件，在制造过程中都必须进行热处理。

6. 第三章 热处理的基本过程：加热、保温和冷却 最基本的热处理曲线

7. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 如图， 将钢实际加热时的相变点称为 Ac1、Ac3、Accm、Ar1、Ar3、Arcm

8. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 共析钢在加热至Ac1以上温度时，珠光体便逐渐转变成奥氏体，这一过程称为钢的奥氏体化。

9. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 • 钢的奥氏体化，是通过四个过程完成的： • 奥氏体形核 • 奥氏体晶核长大 • 残余渗碳体的溶解 • 奥氏体成分的均匀化

10. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 共析钢的奥氏体形成过程示意图

11. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 　　钢在加热时获得的奥氏体晶粒大小，直接影响到冷却后转变产物的晶粒大小和力学性能。 • 奥氏体晶粒细小，则冷却后转变产物的晶粒也细小，其强度、塑性和韧性较好 • 粗大的奥氏体晶粒冷却后转变产物也粗大，其强度、塑性较差，特别是韧性显著降低。 因此，奥氏体晶粒的大小是评定热处理加热质量的主要指标之一

12. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 　　奥氏体晶粒大小用奥氏体晶粒度来表示。国家标准将奥氏体标准晶粒度分为00，0，1，……10等十二个等级 通常认为，4级以下为粗晶粒，5~8级为细晶粒，8级以上为超细晶粒

13. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理

14. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 通常采用以下措施来控制奥氏体晶粒的长大： • 合理选择加热温度和保温时间加热温度愈高，保温时间越长，则奥氏体晶粒长大的倾向愈大。特别是加热温度对其影响更大。 • 选用含有一定合金元素的钢大多数合金元素，如铬、钨、钼、钒、钛等，在钢中可以形成难溶于奥氏体的碳化物，分布在晶粒边界上，阻碍奥氏体晶粒的长大。

15. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 钢在冷却时的组织转变 钢的冷却方式和冷却速度不同，所得到的组织和性能也不同。 钢的冷却方式有两种： • 等温冷却 • 连续冷却

16. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 • 等温冷却时 以共析钢为例，把奥氏体化以后的试样分成若干组，分别冷却至不同温度下进行等温冷却，可以测得在不同温度下奥氏体开始转变和转变终了的时间点，绘在“温度－时间”坐标图中，然后把开始转变的时间点和转变终了的时间点连接起来，即得到共析钢的奥氏体等温转变曲线，简称TTT曲线，此曲线也称为C曲线。

17. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 • 等温冷却时

18. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 由C曲线可知，共析钢过冷奥氏体的等温转变有三种类型。 第一种类型 • 在A1~550℃左右进行等温冷却，得到珠光体型组织。

19. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 第一种类型 根据珠光体中铁素体和渗碳体的片层大小和薄厚不同，分为粗珠光体（也称珠光体，以P表示）、细珠光体（也称索氏体，以S表示）和极细珠光体（也称托氏体，以T表示）三种。它们都是由铁素体和渗碳体构成的机械混合物，其硬度托氏体最高，索氏体次之，珠光体最低。

20. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 第二种类型 • 在550℃左右～Ms（马氏体开始转变温度）间进行等温冷却，得到贝氏体型组织。

21. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 第二种类型 贝氏体是含碳过饱和的铁素体和微小渗碳体颗粒组成的机械混合物。根据贝氏体的组织形态的不同，分为上贝氏体（以B上 表示）和下贝氏体（以B下表示）两种。

22. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 第二种类型 上贝氏体的组织形态为羽毛状，下贝氏体的组织形态为针叶状。由于上贝氏体中渗碳体颗粒集中分布在铁素体边界，故强度低，塑性、韧性差，不太实用；而下贝氏体中的渗碳体颗粒比较均匀地分布在铁素体针叶中 ，故具有高的强度和较高的韧性，性能较好，实用性强，是生产中常采用等温淬火获得的组织。

23. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 第三种类型 • 在Ms温度以下冷却，得到马氏体组织。马氏体组织是碳在α－Fe中的过饱和固溶体，用M表示。

24. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 第三种类型 马氏体型转变是在Ms以下连续冷却过程中高速进行的。马氏体开始转变的温度以Ms表示。随着温度的不断降低，马氏体数量不断增加，直至冷却到马氏体转变终了温度Mf结束。马氏体具有较高的强度和硬度，含碳量较低的马氏体（WC＜0.2％）具有良好的塑性和韧性，是一种强韧性很好的组织。

25. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 第三种类型 含碳量高的马氏体的塑性、韧性差。马氏体转变是强化钢铁材料的有效手段。但马氏体形成时要伴随体积膨胀，因而产生内应力，组织也不稳定。

26. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 • 连续冷却时

27. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 • 连续冷却时 在实际生产中，钢一般是以一定的降温速度连续冷却的。测定连续冷却转变的曲线（称为CCT曲线）时，可把各组试样奥氏体化，选用若干不同的冷却速度进行冷却，然后测定各冷却速度下奥氏体转变的开始点 （温度与时间）和终了点，并将其绘在“温度－时间”坐标图中，最后把开始转变点和终了点连接起来便可得到该钢的CCT由线。

28. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 共析钢的CCT曲线为便于应用，在很多钢的CCT曲线中，均标出了一系列冷却速度下转变终了时组织组成物所占体积分数和室温组织的平均硬度值。由CCT曲线可以看出，不同的冷却速度下可以得到不同的组织。

29. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 • 冷却速度小于vc′（称为下临界冷却速度）时，得到珠光体型组织 • 冷却速度大于vc（称为上临界冷却速度）时，得到马氏体组织 • 冷却速度在vc′与vc之间时，得到珠光体与马氏体的混和组织。

30. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 共析钢在连续冷却时，一般得不到贝氏体组织，这是因为从ab到Ms温度范围内冷却速度较快，达不到贝氏体转变所需的孕育时间所致，因此贝氏体转变被抑制了。

31. 第三章 3.1.1 钢的热处理原理 钢的热处理多数是在连续冷却条件下进行的，因此连续冷却转变曲线对热处理生产有直接指导作用。 应用CCT曲线可以制定钢的正确冷却工艺参数，可以估计淬火后钢的组织性能以及获得钢的临界淬火速度等。

32. 第三章 3.1.2 钢的热处理工艺 钢的热处理的基本工艺方法有： 退火 正火 淬火 回火

33. 第三章 3.1.2 钢的热处理工艺 退火的定义： 将金属或合金加热到适当温度保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。 • 退火的目的： • 调整硬度，便于切削加工 • 消除或改善工件在铸、锻、焊等加工过程中所造成的成分不均匀或组织缺陷，以提高工件的工艺性能和使用性能。 • 消除内应力或加工硬化，以防工件变形开裂。

34. 第三章 3.1.2 钢的热处理工艺 退火的方法 • 完全退火 • 球化退火 • 均匀化退火 • 去应力退火

35. 第三章 3.1.2 钢的热处理工艺 • 完全退火 • 一般是将钢加热至Ac3以上30~50℃，将钢完全奥氏体化后进行缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。此法主要用于消除或改善亚共析钢的铸、锻件的内应力，降低硬度、提高韧度、均匀组织，为后续加工做准备。

36. 第三章 3.1.2 钢的热处理工艺 • 球化退火 • 球化退火是为使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺。球化退火一般是将高碳钢（共析钢、过共析和高合金工具钢）加热至Ac１以上20~30℃，经保温后缓冷，以获得粒状珠光体的组织。 具有粒状珠光体的高碳钢有以下优点：①硬度较低，便于切削加工；②减少淬火时过热和变形倾向；③淬火后力学性能高，耐磨性好。

37. 第三章 3.1.2 钢的热处理工艺 • 均匀化退火 • 均匀化退火是将钢加热至略低于固相线温度长时间保温，然后进行缓慢冷却，以达到化学成分和组织均匀化为目的的退火工艺。均匀化退火又称扩散退火。

38. 第三章 3.1.2 钢的热处理工艺 • 去应力退火 • 去应力退火一般是把钢件加热至低于Ac １以下某一温度，经保温后缓慢冷却。此工艺主要用于去除铸件、焊件以及塑性变形件中存在的内应力，以稳定组织或尺寸。

39. 第三章 3.1.2 钢的热处理工艺 正火 正火是将钢材或钢件加热到Ac3（或Accm）以上30~50℃，保温适当的时间后在静止的空气中冷却的热处理工艺。正火由于冷却速度比退火快，所以得到的组织是非平衡组织。

40. 第三章 3.1.2 钢的热处理工艺 正火主要有以下几方面的作用： １）对于普通结构钢中的低碳钢、低碳合金钢工件，正火的目的是消除铸造和焊接过程引起的过热缺陷 ，细化晶粒、提高硬度、改善切削加工性。 ２）对力学性能要求不高或尺寸较大的结构件，常用正火作为最终热处理，以提高其强度、硬度。 ３）对中碳结构钢工件，正火可消除成形工艺过程中产生的缺陷，保证合适的切削加工硬度，为后续热处理做好组织准备。 ４）消除过共析钢网状二次渗碳体，为球化退火做组织准备。

41. 第三章 3.1.2 钢的热处理工艺 退火与正火都属于钢的预备热处理，它们的工艺及其作用有着许多相似之处。 因此，在实际生产中有时两者可以相互替代

42. 第三章 3.1.2 钢的热处理工艺 在实际操作过程中，应从下几个方面考虑： １）从切削加工性考虑。 一般情况下，钢的硬度在170~260HBS范围内时，切削加工性能较好。各种碳钢退火和正火后的硬度范围，如图所示（图中阴影线部分为切削加工性能较好的硬度范围），由图可见，对于碳的质量分数小于0.50％的结构钢选用正火为宜；对于碳的质量分数大于0.50 ％的结构钢选用完全退火为宜；而对于高碳工具钢应选用球化退火作为预备热处理。

43. 第三章 3.1.2 钢的热处理工艺 在实际操作过程中，应从下几个方面考虑： ２）从零件的结构形状考虑。 对于形状复杂的零件或尺寸较大的大型钢件，若采用正火因冷却速度太快，可能产生较大内应力，导致变形和裂纹，宜采用退火。

44. 第三章 3.1.2 钢的热处理工艺 在实际操作过程中，应从下几个方面考虑： ３）从经济性能考虑。 因正火比退火的生产周期短，成本低，操作简单，故在可能条件下应尽量采用正火，以降低生产成本。

45. 第三章 3.1.2 钢的热处理工艺 淬火 淬火是将钢加热到Ac1或Ac3线以上30~50℃温度，保温一定时间，然后进行快速冷却的一种热处理工艺。 淬火的目的是获得马氏体组织，使钢具有高硬度和高耐磨性。淬火是强化钢材的重要方法。

46. 第三章 3.1.2 钢的热处理工艺 淬火工艺 淬火加热温度的选择。碳钢的淬火加热温度可根据Fe-Fe3C相图来确定。

47. 第三章 3.1.2 钢的热处理工艺 适宜的淬火加热温度是： • 亚共析钢为Ac3+（30~100）℃ • 共析钢、过共析钢为Ac1+（30~100）℃ • 合金钢的淬火加热温度可根据其相变点来选择，但由于大多数合金元素在钢中都有具有细化晶粒的作用，因此合金钢的淬火加热温度可以适当提高。

48. 第三章 3.1.2 钢的热处理工艺 加热保温时间的选择 淬火加热的保温时间一般根据以下情况而定： • 钢件的材料 • 有效厚度 • 加热介质 • 装炉方式

49. 第三章 3.1.2 钢的热处理工艺 加热保温时间的选择。 一般按下列公式计算： τ＝KαD 式中： τ：保温时间（min）； K：炉系数（通常取1~1.5）； α：加热系数（min／mm）； D：钢件的有效厚度（mm）。

50. 第三章 3.1.2 钢的热处理工艺 工件有效厚度D是指加热时在钢件最快传热方向上的截面厚度，如图所示。