1、熱處熱處理理金屬材料熱處理金屬材料熱處理碳鋼的問題碳鋼的問題: 1.強度較低強度較低,不能承受高載荷不能承受高載荷; 改善鋼性能的途徑：改善鋼性能的途徑： 合金化合金化 3. 熱硬性差熱硬性差,只能在只能在200 C以下工作以下工作 2.淬透性差淬透性差,不能做大件和復雜件不能做大件和復雜件4.不能滿足某些特殊性能要求不能滿足某些特殊性能要求熱處理熱處理 熱處熱處理理一般機械零件的加工路線是：一般機械零件的加工路線是： 毛坯（鑄、鍛）毛坯（鑄、鍛） 預備熱處理預備熱處理 機加工機加工 最終熱處理最終熱處理分類：分類： 普通熱處理普通熱處理：退火、正火、淬火、回火：退火、正火、淬火、回火表面熱處

2、理表面熱處理： 表面淬火：感應加熱淬火表面淬火：感應加熱淬火 、火焰加熱淬火、火焰加熱淬火化學熱處理：滲碳、滲氮、滲金屬化學熱處理：滲碳、滲氮、滲金屬熱處熱處理理熱處熱處理理熱處熱處理理亞共析鋼：亞共析鋼： Ac3 + 30 50 C, 組織：組織：F + P共析鋼：共析鋼： Ac1 + 30 50 C, 組織：組織： P過共析鋼：過共析鋼： Ac1 + 30 50 C, 組織：組織： P 球球 4.1 4.1 退火與正火退火與正火4.1.1 4.1.1 退火退火( (annealing ) annealing ) 隨爐冷卻隨爐冷卻熱處熱處理理退火的退火的目的目的： 1. 降低硬度以便于切削加

3、工降低硬度以便于切削加工 2. 消除殘余內應力以防止鋼件在淬火和使用消除殘余內應力以防止鋼件在淬火和使用 時發生變形和開裂時發生變形和開裂 3. 細化晶粒，改善組織，提高力學性能細化晶粒，改善組織，提高力學性能 4. 為最終熱處理做準備為最終熱處理做準備 熱處熱處理理 2 2. .等溫退火等溫退火 可使工件在爐內的停留時間大大縮短。可使工件在爐內的停留時間大大縮短。 1 1. .完全退火完全退火 適于亞共析鋼和鑄件、鍛件及焊接件，使鋼軟化以便于切適于亞共析鋼和鑄件、鍛件及焊接件，使鋼軟化以便于切 削加工，并可消除內應力。削加工，并可消除內應力。熱處熱處理理 3.球化退火球化退火 適于共析鋼和過

4、共析鋼，獲得球狀珠光體，以降硬度，改善適于共析鋼和過共析鋼，獲得球狀珠光體，以降硬度，改善切削加工性能，減小淬火的變形和開裂。切削加工性能，減小淬火的變形和開裂。熱處熱處理理5.去應力退火去應力退火 適適 于：鑄件、鍛件、焊接件、冷拉伸件、切削加工件于：鑄件、鍛件、焊接件、冷拉伸件、切削加工件 目目 的：消除殘余應力，以提高尺寸穩定性，防止在切的：消除殘余應力，以提高尺寸穩定性，防止在切 削加工中和使用過程中的變形和裂紋傾向削加工中和使用過程中的變形和裂紋傾向4.擴散退火擴散退火 適適 于：合金鋼大型鑄、鍛件于：合金鋼大型鑄、鍛件 目目 的：消除晶內偏析的：消除晶內偏析 6.再結晶退火再結晶退

5、火 用于處理冷軋、冷拉、冷擠壓等發生加工硬化的鋼材用于處理冷軋、冷拉、冷擠壓等發生加工硬化的鋼材熱處熱處理理 亞共析鋼：亞共析鋼：F + S 共析鋼：共析鋼： S 過共析鋼：過共析鋼： S + Fe3C粒狀粒狀 4.1.2 正火正火 (normalizing ) ：空中冷卻空中冷卻熱處熱處理理目目 的的：獲得馬氏體和貝氏體組織，：獲得馬氏體和貝氏體組織， 提高硬度和耐磨性提高硬度和耐磨性 （工具、模具、量具、滾動軸承）（工具、模具、量具、滾動軸承）4.2 鋼的淬火鋼的淬火（最重要，最廣泛）（最重要，最廣泛）(quenching)定定 義義；是將鋼件加熱到；是將鋼件加熱到Ac1或或Ac3以上保溫

6、一定時間后，以上保溫一定時間后， 快速冷快速冷 卻（通常大于臨界冷卻速度卻（通常大于臨界冷卻速度Vc），），以得到馬氏體（下貝氏以得到馬氏體（下貝氏 體）組織的熱處理工藝體）組織的熱處理工藝熱處熱處理理熱處熱處理理熱處熱處理理熱處熱處理理亞共析鋼亞共析鋼：M M共析鋼、過共析鋼共析鋼、過共析鋼：M M+Fe3C 粒狀粒狀合金鋼合金鋼： M M + M MxCy粒狀粒狀4.2.1 淬火加熱溫度和加熱時間淬火加熱溫度和加熱時間原原 則：得到均勻細小的奧氏體晶粒則：得到均勻細小的奧氏體晶粒熱處熱處理理4.2.2 淬火冷卻介質淬火冷卻介質 在在C曲線鼻尖出處冷卻速度足夠快，曲線鼻尖出處冷卻速度足夠快，

7、 其余各處不必太快其余各處不必太快 水水 ：碳素鋼碳素鋼 鹽水：鹽水：形狀簡單、變形形狀簡單、變形 要求不嚴、截面較大要求不嚴、截面較大 的碳鋼零件的碳鋼零件 油：油：合金鋼合金鋼熱處熱處理理4.2.3 淬火冷卻方法淬火冷卻方法 單介質淬火法單介質淬火法 雙介質淬火法雙介質淬火法 馬氏體分級淬火法馬氏體分級淬火法 貝氏體等溫淬火法貝氏體等溫淬火法 冷處理冷處理 局部淬火局部淬火熱處熱處理理4.3 鋼的淬透性鋼的淬透性( hardenability )淬硬層深度淬硬層深度：工件表面到半馬氏體區（：工件表面到半馬氏體區（50% M + 50% T ) 的深度的深度4.3.1 鋼的淬透性鋼的淬透性淬

8、淬 透透 性性：是指鋼在淬火時獲得淬硬層深度的能力。：是指鋼在淬火時獲得淬硬層深度的能力。淬淬 硬硬 性性：是指鋼在淬火后所能達到的最高硬度：是指鋼在淬火后所能達到的最高硬度熱處熱處理理影響臨界冷卻速度的因素有：影響臨界冷卻速度的因素有： 1）鋼的含碳量鋼的含碳量 2）合金元素：除合金元素：除Co、Al外的元素都提高淬透性外的元素都提高淬透性 3）鋼中未溶物質鋼中未溶物質 淬透性是鋼材本身所固有的屬性淬透性是鋼材本身所固有的屬性 淬透性主要受臨界冷卻速度影響，臨界冷卻速度越小，鋼的淬透性主要受臨界冷卻速度影響，臨界冷卻速度越小，鋼的淬透性越大。淬透性越大。熱處熱處理理4.3.2 淬透性的測試方

9、法淬透性的測試方法 臨界直徑法臨界直徑法：45鋼鋼D（水）水）= 16mm 45鋼鋼D（油）油）= 8mm dHRCJ343J5 .1044J頂端淬火法頂端淬火法：用于測定碳素結構鋼和低、中合金結構鋼的淬透性用于測定碳素結構鋼和低、中合金結構鋼的淬透性 表表 示：示： 如：如： 45鋼鋼 40Cr 鋼鋼40Cr鋼鋼D（水）水）= 36mm 40Cr鋼鋼D（油）油）= 20mm熱處熱處理理熱處熱處理理4.3.3 淬透性與選材的關系淬透性與選材的關系 1）連桿、螺栓、鍛模、錘桿）連桿、螺栓、鍛模、錘桿高淬透性（并要求全部淬透）高淬透性（并要求全部淬透） 2）彈簧）彈簧高淬透性高淬透性 3）機床主軸

10、、汽車半軸、齒輪）機床主軸、汽車半軸、齒輪低淬透性低淬透性 （淬透層深度（淬透層深度1/21/3 D） 4）工具類工件）工具類工件高淬透性高淬透性 5）焊接件、表面淬火件）焊接件、表面淬火件低淬透性低淬透性熱處熱處理理4.4 淬火鋼的回火淬火鋼的回火 ( tempering ) 4.4.1 回火的目的：回火的目的：目目 的：的：1）降低脆性，減少或消除內應力，防止工件）降低脆性，減少或消除內應力，防止工件 變形和開裂變形和開裂 2）提高塑性和韌性）提高塑性和韌性 3）穩定組織，從而穩定工件尺寸）穩定組織，從而穩定工件尺寸 4）代替軟化退火組織）代替軟化退火組織1. 鋼在回火時的組織轉變過程：鋼

11、在回火時的組織轉變過程： 4.4.2 回火組織轉變及性能變化回火組織轉變及性能變化滲碳體聚集長大滲碳體聚集長大馬氏體的分解馬氏體的分解-殘余奧氏體分解殘余奧氏體分解-滲碳體的形成滲碳體的形成 -熱處熱處理理2. 回火后的組織和性能回火后的組織和性能3）回火索氏體回火索氏體（500 650 ） 2）回火托氏體回火托氏體（350 450 ） 1）回火馬氏體回火馬氏體（250 以下）以下） 熱處熱處理理*4.4.3 回火工藝及應用回火工藝及應用 2）中溫回火中溫回火(350500) T回回 ，35 45 HRC 特特 點：內應力基本消除，具有極高的彈性極限和良好的韌性。點：內應力基本消除，具有極高的

12、彈性極限和良好的韌性。 用用 于：各種彈簧零件及熱鍛模具的處理。于：各種彈簧零件及熱鍛模具的處理。 1）低溫回火低溫回火(150250 ) M 回回，55 64 HRC 特特 點：降低鋼中殘余應力和脆性，而保持高強度、硬度和耐磨性點：降低鋼中殘余應力和脆性，而保持高強度、硬度和耐磨性 用用 于：工具、量具、滾動軸承、滲碳工件以及表面淬火工件等。于：工具、量具、滾動軸承、滲碳工件以及表面淬火工件等。 3）高溫回火高溫回火(500650) S回回 ，25 35 HRC 淬火淬火 + 高溫回火高溫回火調質處理調質處理 特特 點：具有較高綜合機械性能點：具有較高綜合機械性能 用用 于：中碳成分結構鋼制

13、造的各種重要的結構零件，特別是在交于：中碳成分結構鋼制造的各種重要的結構零件，特別是在交 變載荷下工作的連桿、螺栓以及軸類等，還可作為某些精變載荷下工作的連桿、螺栓以及軸類等，還可作為某些精 密零件（如精密量具、模具）的預先熱處理密零件（如精密量具、模具）的預先熱處理熱處熱處理理熱處熱處理理快冷可避免快冷可避免對大件可加對大件可加Mo、W、Nb4.4.4 回火脆性回火脆性1.第一類回火脆性（低溫回火脆性）第一類回火脆性（低溫回火脆性）：250 350C回火時出現，回火時出現， 無法消除，所以避開。無法消除，所以避開。2.第二類回火脆性（高溫回火脆性）第二類回火脆性（高溫回火脆性）：500 65

14、0C回火時出現，回火時出現， 主要發生在含主要發生在含Cr、 Si 、Ni 、M n等合金元素的結構鋼中，當等合金元素的結構鋼中，當 在此溫度內長時間保溫或緩冷時出現在此溫度內長時間保溫或緩冷時出現熱處熱處理理 表面：表面： M 回回表面淬火表面淬火+低溫回火后的組織：低溫回火后的組織： S回回 心部：心部： F + S 表面淬火是通過快速加熱使鋼件表面達到臨界溫度以上，不等表面淬火是通過快速加熱使鋼件表面達到臨界溫度以上，不等熱量傳到工件內層就迅速予以冷卻，只使表面被淬硬為馬氏體，而熱量傳到工件內層就迅速予以冷卻，只使表面被淬硬為馬氏體，而內層仍為塑、韌性良好的組織。內層仍為塑、韌性良好的組

15、織。 4.5 鋼的表面淬火鋼的表面淬火用于承受彎曲、扭轉、摩擦或沖擊的零件。用于承受彎曲、扭轉、摩擦或沖擊的零件。材材 料料 ：含碳量含碳量0.40% 0.50%預先熱處理：預先熱處理：正火或調質正火或調質熱處熱處理理 4.5.1感應加熱表面淬火感應加熱表面淬火熱處熱處理理 1.基本原理基本原理 = ，800 1000C 1）高頻感應加熱高頻感應加熱：100 500KHz ， = 0.5 2.0 mm 中小模數的齒輪及中小尺寸的軸中小模數的齒輪及中小尺寸的軸 2）中頻感應加熱中頻感應加熱：500 10000Hz ， = 2 10 mm 較大尺寸的軸和大中模數的齒輪較大尺寸的軸和大中模數的齒輪

16、3）工頻感應加熱工頻感應加熱： 50Hz ， = 10 15 mm 直徑直徑300以上的軋輥、火車車輪以上的軋輥、火車車輪f500 2.感應加熱表面淬火感應加熱表面淬火 + 低溫回火低溫回火熱處熱處理理熱處熱處理理熱處熱處理理4.5.2 火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火 利用乙炔火焰將工件表面快速加熱到淬火溫度，然后立即用水利用乙炔火焰將工件表面快速加熱到淬火溫度，然后立即用水噴射冷卻，此法適于單件或小批量零件的表面淬火。噴射冷卻，此法適于單件或小批量零件的表面淬火。熱處熱處理理4.7.1. 鋼的滲碳鋼的滲碳 4.7 鋼的化學熱處理鋼的化學熱處理 是利用物理、化學反應來改變工件表面的成分與組織

17、，從而是利用物理、化學反應來改變工件表面的成分與組織，從而使工件表面獲得與心部不同的力學或物理、化學性能的工藝方法使工件表面獲得與心部不同的力學或物理、化學性能的工藝方法滲碳材料：滲碳材料：低碳鋼和低碳低合金鋼低碳鋼和低碳低合金鋼 （20，20CrMnTi） 方方 法：法：氣體滲碳氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳、固體滲碳和液體滲碳 工工 藝：藝：滲碳滲碳 + 淬火淬火 + 低溫回火低溫回火目目 的：的：表面具有高硬度和高的耐磨性，而心部仍保持良好表面具有高硬度和高的耐磨性，而心部仍保持良好 的塑、韌性的塑、韌性(如汽車、拖拉機上的變速齒輪）如汽車、拖拉機上的變速齒輪）熱處熱處理理氣氣 體體 滲滲 碳碳熱處熱處理理 滲碳后淬火滲碳后淬火+ +低溫回火：表層為：馬氏體低溫回火：表層為：馬氏體 + + 碳化物碳化物 心部為：珠光體心部為：珠光體 + + 鐵素體鐵素體 用用 于：于：表面要求耐磨，并承受較大沖擊載荷的零件表面要求耐磨，并承受較大沖擊載荷的零件 不需滲碳的部位：可鍍銅不需滲碳的部位：可鍍銅 或或 留加工余量留加工余量 4.7.2 滲氮滲氮 方方 法：使用氨氣形成顆粒細小、分布均勻、硬度很高并且