1、汽車機械基礎模塊一 汽車工程材料單元三 金屬材料的熱處理學習目標1.知識目標（1）了解鋼熱處理的定義、分類及應用范圍；（2）掌握鋼鐵材料常用的熱處理工藝方法；（3）了解鋼熱處理的目的。2.能力目標能了解汽車典型零件的熱處理方法目錄01任務一 金屬材料熱處理概述02任務二 鋼的整體熱處理03任務三 鋼的表面熱處理任務引入汽車零件是組成汽車的重要部分,在汽車零件中大部分屬于鋼鐵材料,鋼材的熱處理是提升鋼鐵材料性能的主要途徑。例如汽車后橋的主動齒輪未經熱處理的使用壽命僅為1500h，而經熱處理后能達到6000h。目錄01任務一 金屬材料熱處理概述02任務二 鋼的整體熱處理03任務三 鋼的表面熱處理金

2、屬材料熱處理概述 把金屬材料(可分為鋼、鑄鐵和有色金屬及合金等）加熱到一定溫度,在此溫度保持一定時間,用合適的冷卻介質冷卻到室溫的過程。通過熱處理，可以改變材料的內部組織（金相組織）和結構，以獲得我們所需要的性能（分物理性能和化學性能）。熱處理概念：金屬材料熱處理概述 熱處理分為加熱、保溫、冷卻三個過程。對于不同的金屬材料、不同的外形尺寸和不同的加熱介質，為了不同的目的，最終加熱溫度的高低、加熱速度、保溫時間長短、冷卻介質及冷卻速度和方式各有不同。熱處理工藝曲線熱處理工藝曲線：金屬材料熱處理概述熱處理工藝分類：根據熱處理的目的和工藝方法不同：整體熱處理退火、正火、淬火、回火等熱處理 表面熱處理

3、 表面淬火火焰加熱、感應加熱化學熱處理滲碳、滲氮、碳氮共滲等熱處理金屬材料熱處理概述最終熱處理是在零件完成機械加工后進行的，目的在于獲得零件所需的力學性能。熱處理工藝分類：根據工序位置的不同：預備熱處理預備熱處理是在零件加工過程中進行的，目的在于改善鑄造、鍛造或焊接毛坯件的內部組織，消除內部應力，為后續機械加工或進一步的熱處理作準備，最終熱處理。目錄01任務一 金屬材料熱處理概述02任務二 鋼的整體熱處理03任務三 鋼的表面熱處理鋼的整體熱處理整體熱處理是對工件整體加熱，然后以適當速度冷卻，以改變其整體力學性能的金屬熱處理工藝。整體熱處理退火正火回火淬火退火1.概念 退火是將鋼件加熱到適當的溫

4、度，經過一定時間的保溫后，緩慢冷卻（一般為隨爐冷卻）以使內部組織均勻化，從而獲得預期力學性能的熱處理工藝。2.目的 降低材料的強度和硬度，提高塑性，為后續機械加工做準備。 減小材料內部組織的不均勻性，細化晶粒，消除內部應力。 為后續的熱處理做好組織準備。退火3.分類及應用 不同成分的鋼件在退火時所需的加熱溫度和冷卻方式各不相同，通常可將退火分為完全退火、等溫退火、球化退火、均勻退火和去應力退火。（a）加熱溫度 （b）工藝曲線示意圖幾種退火方式的工藝曲線退火類別處理方法特點應用范圍完全退火 將鋼件加熱到Ac3以上3050 ，保溫一段時間后，隨爐冷卻或將鋼件埋入沙、石灰中，待冷卻至500 時取出空

5、冷 降低鋼件硬度，使組織均勻化，充分消除內應力，為后續機械加工做好組織準備適用于亞共析鋼和合金鋼的鑄件、鍛件和焊件等等溫退火與完全退火的加熱溫度相同，先快速冷卻到A1以下的某一溫度保溫，待奧氏體轉變為珠光體后出爐空冷細化組織和降低硬度，獲得的組織比完全退火更均勻適用于中碳合金鋼和低合金鋼球化退火將鋼件加熱到Ac1以上1030 、保溫一段時間后，隨爐冷卻至600 后取出空冷使鋼件中碳化物球狀化，以改善切削加工性能，減小后續淬火時工件的變形和開裂適用于碳素工具鋼、合金工具鋼及軸承鋼等，為后續淬火準備合適的組織均勻退火將鋼件加熱到Ac3以上150200 ，保溫1015 h后緩慢冷卻 消除鋼件內部化學

6、成分的偏析和組織的不均勻性適用于合金鋼的大型鑄件或鍛件去應力退火 將鋼件加熱到Ac1以下100200 左右，保溫一段時間后，隨爐冷卻至250 左右后取出空冷用于消除上一步加工工序產生的殘余應力，以減小變形，發生組織改變但不發生相變主要用于鍛造、鑄造等毛坯去應力處理，為后續冷熱加工作準備幾種退火方式的處理方法、特點及應用范圍正火1.概念2.目的及應用 提高低碳鋼、低碳合金鋼的硬度，改善切削加工性能。 細化晶粒，消除組織缺陷，為后續熱處理工藝做好組織準備。 提高強度、硬度和韌性，可作為對力學性能要求不高的機械零部件的最終熱處理。 正火是將鋼件加熱到Ac3（對于亞共析鋼）或Acm（對于過共析鋼）以上

7、3050 ，經過一段時間保溫后，在空氣中冷卻以得到珠光體組織的熱處理工藝。由于正火比退火的加熱溫度略高，冷卻速度也較快，故正火后鋼件的強度和硬度較高。正火汽車上的很多零件常采用鍛造或鑄造的毛坯,如圖3-5所示。為了調整毛坯善切削加工性能,消除毛坯內應力,通常采用正火或退火作為預先熱處理。淬火1.概念2.淬火介質 鋼件進行淬火時所使用的冷卻介質稱為淬火介質。按照冷卻能力從高到低的順序，常用的淬火介質包括水及水溶液、各種礦物油、硝鹽浴、堿浴及空氣等。通常情況下，對鋼件進行淬火，在較高溫度區間內，需要快速冷卻以獲得較高的硬度。 淬火是將鋼件加熱到加熱到Ac3（對于亞共析鋼）或Ac1（對于過共析鋼）以

8、上3050 ，經過一定時間的保溫后，在某種介質中快速冷卻，以大幅提高材料硬度的熱處理工藝淬火3.常用淬火方法根據冷卻方式的不同，淬火可分為單介質淬火、雙介質淬火、分級淬火和等溫淬火等。1單介質淬火法；2雙介質淬火法；3分級淬火法；4等溫淬火法各種淬火方法的冷卻曲線示意圖淬火類別處理方法工藝特點應用范圍單介質淬火 將加熱保溫后的鋼件直接放入一種介質中連續冷卻。一般非合金鋼采用水作為淬火介質，碳鋼采用油作為淬火介質 操作簡單、易于實現機械化；但在水中冷卻時，容易造成鋼件變形和開裂；在油中冷卻時，難以達到所要求的硬度或硬度分布不均勻 適用于形狀簡單、尺寸較小的鋼件雙介質淬火 先將加熱保溫后的鋼件放入

9、冷卻能力強的介質中冷卻，在鋼件內部組織未向馬氏體轉變前將其取出，放入冷卻能力弱的介質中冷卻，如水+油、油+空氣等 能綜合兩種淬火介質的優點，高溫時快速冷卻可以獲得較高的組織硬度，低溫時緩慢冷卻可以減少鋼件的變形和開裂；但鋼件在第一種介質中的冷卻時間難以掌握，操作技術要求較高適用于形狀復雜的高碳鋼件或大型合金鋼件分級淬火 將加熱保溫后的鋼件先放入接近馬氏體轉變溫度的介質中冷卻，如硝鹽浴、堿浴，短時間停留后取出空冷 能夠減小鋼件內部應力，顯著減少變形和開裂適用于形狀復雜、截面尺寸小、精度要求高的非合金鋼件及碳素鋼件等溫淬火 將加熱保溫后的鋼件快速冷卻至貝氏體轉變所需溫度區間（260400 ），然后

10、等溫保持，以獲得貝氏體組織 能夠有效提高其強度和硬度，并具有良好的韌性和耐磨性；但生產周期長，效率低 適用于各種形狀復雜、尺寸精度要求高、并要求具有良好綜合力學性能的重要零件各種淬火方法的工藝特點及應用范圍淬火3. 鋼的淬透性淬透性是指鋼在淬火時所能得到的淬硬層(馬氏體組織占50%處)深度。影響鋼的性能的因素主要是臨界冷卻速度vc的大小。vc越小,鋼的淬透性越大。影響臨界冷卻速度vc因素有鋼的碳含量、合金元素及鋼中的未溶物質等。此外,工件的截面尺寸和淬火的冷卻速度也會影響鋼的淬硬層深度。對于截面承載均勻的重要工件,要全部淬透,如汽車的高強螺栓、發動機連桿、模具等;對于承受彎曲、扭轉的零件可不必

11、淬透(淬硬層深度一般為徑的1/31/2),如汽車的軸類、齒輪等,如圖3-7所示。回火1.概念2.目的及應用回火具有以下方面的目的： 提高組織穩定性，避免鋼件在使用過程中發生組織轉變，從而造成開裂和變形。 消除內部應力，以穩定鋼件幾何尺寸并改善切削加工性能。 適當降低鋼件硬度和強度，提高韌性和塑性，以獲得良好的綜合力學性能。 回火是將淬火后的鋼件重新加熱到A1（相變溫度）以下某個溫度，保溫一定時間后冷卻至室溫的熱處理工藝。回火通常作為鋼件的最終熱處理工藝，在工業生產中應用十分廣泛。 鋼件經淬火后，內部存在著馬氏體、貝氏體及殘余奧氏體等不穩定組織，隨著時間的推移很容易發生組織轉變，因此一般需要馬上

12、進行回火。回火3.回火方法的分類回火的溫度越高，獲得的鋼件硬度、強度越低，塑性和韌性越高。類別保溫溫度工藝特點應用范圍低溫回火150250 獲得的組織為回火馬氏體，硬度為5864 HRC；能夠減小淬火時產生的內應力，降低鋼件脆性，獲得較高的硬度和耐磨性，并保持一定的韌性適用于處理各種要求高硬度、高耐磨性的工件，如各種刀具、量具、模具、滾動軸承等中溫回火350500 獲得的組織為回火托氏體，硬度為5864 HRC；鋼件具有較高的彈性和一定的韌性適用于處理各種彈性零件和熱鍛模具，如彈簧等高溫回火500650 獲得的組織為回火索氏體，硬度為2535 HRC；能夠使鋼件具有較高的強度、良好的塑性和韌性

13、，提高鋼件的綜合力學性能 適用于各種重要的受力零部件，如傳動軸、連桿、齒輪、絲杠等三類回火方法工藝特點及應用范圍調質處理 先對鋼件進行淬火，再進行高溫回火，這種復合熱處理工藝稱為調質處理，簡稱為調質。調質處理可使鋼件獲得良好的綜合力學性能，在具有較高強度和硬度的同時保持一定的韌性和塑性，通常用于絲杠、連桿、主軸、軸承等受力復雜的重要機械零部件。（a）絲杠 （b）連桿 （c）機床主軸 （d）軸承經調質處理的零部件時效處理人工時效 指將鋼件重新加熱到100150 ，在較短時間內（520 h）進行的時效處理自然時效時效處理時效時是否加熱指不經過加熱，將鋼件直接存放在室溫條件下，長時間放置而進行的時效

14、處理。振動時效 指常溫時使鋼件以一定的頻率進行振動，以使其內部應力均勻化，穩定鋼件的形狀和尺寸的處理工藝。 經塑性變形、鑄造、鍛造加工后的鋼件，在粗加工之后、精加工之前，被放置在較高的溫度或室溫環境中，存放一段時間，以使鋼件的性能、形狀、尺寸等發生緩慢變化直至穩定狀態，這種熱處理工藝稱為時效處理，簡稱為時效。目錄01任務一 金屬材料熱處理概述02任務二 鋼的整體熱處理03任務三 鋼的表面熱處理鋼的表面熱處理表面熱處理是指僅對鋼件的表面進行熱處理，以改變表層組織結構和力學性能的熱處理工藝。工業技術的飛速發展，對機械零件提出了各種各樣的要求。發動機中的軸和齒輪，一方面要求軸面和齒輪硬度高、耐磨性好

15、，另一方面要求能夠承受很大的沖擊載荷和傳遞很大的扭距。這類零件表面和心部的要求不同，僅采用一種材料且經過一種的處理是很難實現的。表面熱處理可以很好的滿足這種零件“表里不一”的性能要求。（a）曲軸 （b） 傳動齒輪 表面熱處理的零件鋼的表面熱處理根據工藝方法和原理的不同，表面熱處理可分為表面淬火和化學處理兩大類。表面淬火主要通過鋼件表面進行快速加熱和冷卻，使鋼件表面獲得馬氏體組織，提高表面硬度和耐磨性；化學的熱處理通過改變鋼件表層的化學成分，從而改變表層組織并提高其力學性能。表面淬火 僅對鋼件表面進行淬火而不改變其組成成分的熱處理工藝稱為表面淬火。表面淬火需要對鋼件表面進行快速加熱，并在表層熱量

16、未傳到心部之前進行快速冷卻，從而使表層獲得很高的硬度和耐磨性，同時心部保持良好的韌性和塑性。表面淬火加熱方式感應表面加熱淬火火焰加熱表面淬火電接觸加熱表面淬火激光熱處理表面淬火感應加熱原理示意圖 右圖為感應表面加熱淬火的原理示意圖。將鋼件置于加熱線圈中，當加熱線圈內通入交流電時，所產生的交變磁場會在鋼件內部產生巨大的感應電流。其中，鋼件表面的電流密度最大，心部的電流密度最小，幾乎為零。感應電流的這種分布現象稱為“集膚效應”。由于鋼件具有電阻，因此鋼件表面迅速加熱升溫，在幾秒鐘內即可達到8001 000 ，而心部溫度變化較小。加熱后迅速向鋼件表面噴水冷卻即可完成表面淬火。1.感應加熱表面淬火 感

17、應加熱表面淬火時，鋼件表層無氧化及變形現象，淬火質量好，且淬硬層深度可控，同時加熱速度快、時間短，易于實現機械化和自動化；但加熱設備結構復雜、成本高昂，故適用于中碳鋼、低合金鋼制造的中小型工件的大批量處理。 根據所通交變電流頻率的范圍，感應加熱可分為高頻感應加熱（10500 kHz）、中頻感應加熱（50010 000 Hz）和工頻感應加熱（50 Hz）。鋼件淬硬層的深度與交流電的頻率有直接關系，加熱電流的頻率越高，感應電流越集中在鋼件表面，淬火后鋼件的淬硬層越薄。1.感應加熱表面淬火2.火焰加熱感應加熱表面淬火原理示意圖 火焰加熱表面淬火是利用乙炔等可燃氣體劇烈燃燒時產生的熱量加熱鋼件表面，然

18、后使其快速冷卻的熱處理工藝。 右圖為火焰加熱表面淬火的原理示意圖，其主要依靠改變火焰噴嘴與鋼件間的距離來控制淬硬層深度，容易造成鋼件表面加熱不均，影響淬火質量，同時由于加熱時間難以把握，獲得的淬硬層深度難以統一，但加熱設備簡單，容易操作，成本低廉，故適用于單件、小批量工件的處理。化學熱處理 將鋼件置于一定的介質中，通過加熱、保溫和冷卻使介質中的一種或幾種元素滲入鋼件表面，以改變表層的化學成分和組織，從而使鋼件表層和心部具有不同的性能，這種熱處理工藝稱為化學熱處理。化學熱處理是通過改變鋼件的化學組成成分來改變其組織和性能的。 化學熱處理的過程包括介質分解成活性原子、工件表面吸收活性原子和活性原子在內部擴散三個基本階段。化學熱處理化學成分滲碳滲氮碳氮共滲化學熱處理1.滲碳 鋼的滲碳是指向低碳鋼或低合金鋼工件表面滲入碳原子，以提高表層含碳量，使鋼件表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持良好韌性的表面熱處理工藝。滲碳滲