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第五章 钢的热处理及表面处理技术_图文


第五章 钢的热处理及表面处理技术
第一节 概述 第二节 钢在加热时的组织转变 第三节 钢在冷却时的组织转变 第四、五、六节 钢的热处理 第七、八节 钢的表面热处理 概念辨析 课堂讨论: 作业:P162 2、3、4、5、6、7
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本章重点

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本章重点:
1.钢在加热和冷却时的组织转变 2.C曲线及CCT曲线 3.各种热处理工艺和应用

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第一节 概述
改善钢材性能的主要办法: ? 1.合金化 ? 2.钢的热处理
热处理分类:
退火 普通热处理 正火 淬火 回火 化学热处理 表面热处理 火焰加热

表面淬火
感应加热 渗C 渗N C、N共渗

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例:T8 ,在780℃保温,一个水冷62HRC,另一个炉 冷200HB≈15HRC。水冷马氏体,炉冷珠光体。
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第二节
? ? ? ?

钢在加热时的组织转变

一、转变温度 二、奥氏体的形成过程(以共析钢为例) 三、奥氏体晶粒的长大及影响因素 四、加热时常见的缺陷

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一、转变温度 滞后现象
原:A1、A3、Acm 加热:Ac1、Ac3、Accm 冷却:Ar1、Ar3、Arcm

钢的相图
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Accm Ac3 Arcm

Ar3

Ac1 Ar1

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二、奥氏体的形成过程(以共析钢为例)

1.奥氏体形核
2.奥氏体长大 3.残余渗碳体的溶解 2013-7-28 4.奥氏体成分的均匀化

亚共析钢奥氏体化过程 过共析钢奥氏体化过程
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三、奥氏体晶粒的长大及影响因素
?1.奥氏体的晶粒度

1)起始晶粒度

2)实际晶粒度
3)本质晶粒度 2.影响奥氏体晶粒度的因素 (1)加热温度和保温时间↑ → 晶粒尺寸↑ (2) C% ↑ → 晶粒尺寸↑ 合 金碳化物↑→ 晶粒尺寸↓
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1.奥氏体晶粒度: 1)起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体的晶 粒大小。
2)实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏体晶粒 的大小。 3)本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930℃以下, 随温度升高,晶粒长大的程度。

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四、加热时常见的缺陷
? 过热:晶粒粗大,可以消除(完全退火或等温退 火或正火) ? 过烧:晶界局部熔化,无法消除 ? 氧化 ? 脱碳

盐浴炉 可控气氛保护 真空热处理
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第三节

钢在冷却时的组织转变

? 冷却方式 ? 一、共析钢过冷奥氏体等温冷却转变 ? 二、过冷奥氏体的连续冷却转变

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一、共析钢过冷奥氏体等温冷却转变
过冷A体:
在临界温度(727℃)以下,230℃以上存在的A体

1.过冷奥氏体等温转变曲线(C曲线)的建立 2.过冷奥氏体等温转变曲线(C曲线)的分析 3.碳钢C曲线对比 4.过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能
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工程材料CAI

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800 700 600 500 400 300

T/ ℃ A1
过 A

P S A→ T


T
B上 A→ B 下

5~25HRC 25~35HRC 35~40HRC
40~50HRC

A

B下

50~60HRC

Ms 200 100 0 -100 A→ M M+AR

60~65HRC

Mf
M

0 2013-7-28

1

10

10 2

10 3

10 4

10 5 时

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4.过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能 1)珠光体转变
扩散型转变:铁、碳原子扩散、晶格重组 高温转变:A1~550℃

珠光体:A1~650℃
转 变 产 物
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索氏体: 650~600℃

托氏体: 600~550℃

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P 型组织 —— F + 层片状 Fe3C
层片间距:P > S > T
珠光体 P ,3800× 索氏体 S 8000×

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托氏体 T 18 8000×

? 表1 过冷奥氏体高温转变产物的形成温度和性能 表示符 组织名称 号 形成温度范 围/℃ 硬度 片间距 /nm 能分辨片层 的放大倍数

珠光体
索氏体 托氏体

P
S T

A1~650
650~600 600~550

<25HRC
25~ 35HRC 35~ 40HRC

150~ 450
80~150 30~80

< 5 00×
>1000× >2000×

?珠光体的片层间距越小,强度、硬度越高,塑性、 韧性越好。
同一成分的钢,组织为片状珠光体时强度、硬度比粒状珠 光体的高,但塑性、韧性低,为改善工具钢的切削性能, 常用球化退火来得到粒状珠光体组织,降低钢的硬度。
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2)贝氏体转变
? 中温转变:550 ℃~Ms点 ? 转变特点:半扩散型,铁原子不扩散,碳原子 有一定的扩散能力 ? 转变产物:贝氏体,即Fe3C分布在含过饱和碳 的铁素体上的两相混合物
?上贝氏体:

550 ~ 350℃,呈羽毛状

?下贝氏体:
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350 ℃~Ms点,呈针状
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上贝氏体的形成过程

上贝氏体中的Fe3C分布于铁素体条之间,分割了基体 的连续性,易脆断,故上贝氏体的强度和韧性较低

45钢,B上+B下,×400
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光学显微照片 1300×

电子显微照片 5000×
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贝氏体转变

T8钢,B下,黑色针状 光学显微照片 ×400
?

F 针内定向分布着细小Fe2.4C颗粒 电子显微照片 12000×

下贝氏体形成温度较低,铁素体针细小、 无方向性,且碳化物分布均匀,弥散度大,故 下贝氏体有良好的强度和韧性配合,是一种有 应用价值的组织
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3)马氏体转变
马氏体 (M):C在α-Fe中的过饱和固溶体。

转变特点 马氏体的组织类型 马氏体性能

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? M体转变特点:
? ? ? ? ①无扩散型转变 ②降温形成:连续冷却完成 ③瞬时性 ④转变的不完全性

Fe-1.8C,冷至-100℃ Fe-1.8C,冷至-60℃

M形成时体积↑,造成很大 内应力。 ? 冷处理:P42

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1)无扩散 Fe 和 C 原子都不进行扩散,M是C过饱 和的体心立方的F体,固溶强化显著。

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2)降温形成 M 的形成速度很快,只有温度↓ 才发生转变

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3)瞬时性 M 的形成速度很快,温度↓则 转变量迅速↑

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4)转变不彻底

M 转变总要残留少量 A,称为残余A体,记 为AR; 过冷A中的C%↑ 则 Ms、Mf ↓,AR含量↑

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2013-7-28 A体的C的质量分数对M体转变温度的影响29

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? 马氏体的组织类型
马氏体的组织形态主要取决于过冷奥氏体的含碳 量 当奥氏体的含碳量大于1.0%时,得到全部片状 马氏体,呈双凸透镜状,亚结构以挛晶为主,硬 度和强度高,但塑性和韧性很低

当奥氏体含碳量小于0.25%时得到全部板条马氏 体组织,呈扁担状,亚结构以位错为主,有较 高的强度和韧性,具有良好的综合机械性能。
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?马氏体的组织类型

板条M, 平行的细板条束组成

片状M(凸透镜状)
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C %↑→ M 硬度↑, 片状M 硬度高,塑韧性差。板条M 强度高,塑韧性较好
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二、共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变
共 析 碳 钢 连 续 冷 却 无 B 体
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转变终止线

T

P 退火 S 正火

水淬 M+AR

T+M 油淬

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亚共析钢连续冷却转变 过共析钢连续冷却转变
炉冷→ F + P 空冷→ F(少量) + S 油冷→ T + M+AR 水冷→ M +AR 炉冷→ P + Fe3CⅡ

空冷→ S + Fe3C (少量)
油冷→ T + M + AR

水冷→ M + AR+ Fe3C

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第四节 钢的热处理
? ? ? ? 一、钢的退火与正火 二、钢的淬火 三、钢的淬透性 四、钢的回火

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一、钢的退火与正火
? 冷却方式 ? 退火: 炉冷 ? 正火: 空冷 ? ? 退火 ? 正火
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冷却速度 慢 快

组织 平衡组织 非平衡组织

强度、硬度 低 高

塑性、韧性 高 更高
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退火与正火的目的
?降低或提高硬度,便于进行切削加工 ?消除残余应力 ?细化晶粒,改善组织以提高钢的力学性能 ?为最终热处理作好组织准备
确定下列钢件退火方法,并指出退火目的及退火后的组织 (1)经冷轧后的15钢钢板,要求降低硬度; (2)ZG270一500的铸造齿轮; (3)锻造过热的60钢锻坯; (4)具有片状渗碳体的T12钢坯。

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球化退火

工程材料CAI

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? 指出下列钢件进行正火的主要目的和正火后的组织 ? (1)20钢齿轮; ? (2)综合力学性能要求不高的45钢小轴 ? (3)T12钢手工锉刀毛坯。

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二、 钢的淬火

工程材料CAI

冷却方式

三、钢的淬透性
? 见教材P132
? (一)钢的淬透性与淬硬性的概念 ? (二)影响淬透性的因素 ? (三)淬透性的测定

淬火种类
淬火种类比较

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(一)钢的淬透性与淬硬性的概念
? 淬透性:钢在淬火时能够获得M体的能力,它是 钢材本身固有的属性,主要取决于M体的临界冷 却速度 ? 通常用淬透层深度来表示(在相同的加热条件下) ? 淬透层深度:从工件表面到半M体区的深度 ? 淬硬性:钢在淬火后能够达到的最高硬度,它取 决于M体的含碳量。 ? 淬透性好的钢其淬硬性不一定高。
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淬硬性与淬透性之间的关系: 钢 种 淬硬性 淬透性 碳素结构钢 ( 20 ) 低 小 碳素工具钢( T12A ) 高 小 低碳合金结构钢 低 大 ( 20Cr2Ni4A ) 高碳高合金工具钢 高 大 ( W18Cr4V )
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淬火 方法 单液 淬火 双液 淬火

冷却方式 将A化后的工件放入一种淬火冷却介质中

特点和应用 操作简单,已实现机械化与自动化,适用于形

一直冷却到室温。
将A化后的工件在水中冷却到接近Ms点时 ,立即取出放入油中冷却

状简单的工件
防止低温M转变时工件发生裂纹,常用于形状 复杂的合金钢

分级 淬火

将A化后的工件放入温度稍高于Ms点的盐浴
中,使工件各部分与盐浴的温度一致后, 取出空冷完成M转变

大大减小热应力、变形和开裂,但盐浴的冷却
能力较小,故只适用于截面尺寸小于 10mm的工件。如刀具、量具等 它常用来处理形状复杂、尺寸要求精确、强韧

等温 淬火

将A化的工件放入温度稍高于Ms点的盐浴中

等温保温,使过冷A转变为B下组织后,取
出空冷 对工件局部要求硬化的部位进行加热淬火

性高的工具、模具和弹簧等

局部 淬火 冷 处 理

将淬火冷却到室温的钢继续冷却到-70~ -80℃,使残余A转变为M,然后低温回火
2013-7-28 ,消除应力,稳定新生M组织

提高硬度、耐磨性、稳定尺寸,适用于一些高 精度的工件,如精密量具、精密丝杠、精密轴 承
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(二)影响淬透性(C曲线)的因素(P114)
? 1.含碳量(奥氏体的含碳量) 亚共析钢,随着含碳量↑,奥氏体的稳定性增 大,则C曲线→,淬透性↑ 过共析钢,随着含碳量增加,奥氏体的稳定性 降低,C曲线左移,淬透性降低 共析钢的过冷奥氏体最稳定 ? 2.合金元素 除Co外,绝大多数合金元素溶入奥氏体后,都使 C曲线→,形状也可能会发生改变,使淬透性↑
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? 3.加热温度和保温时间 T↑和t↑,则C曲线→,钢的淬透性↑

? 4.钢中未溶第二相 未溶第二相越多,则C曲线←,淬透性↓
? 总结:A体晶粒越粗大,则晶界越少,形 核几率越小,则A体越稳定,C曲线右移。 淬透性越好

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? 三、钢的淬透性
? (三)淬透性的测定

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四、钢的回火(P127)
1.概念(Conception)
将淬火后的钢加热到Ac1以下某一温度, 保温后冷却下来的一种热处理工艺。

2.目的(purpose)
(1)稳定工件组织、性能和尺寸 (2)减小或消除残余应力,防止工件的变形和 开裂 (3)降低工件的强度、硬度,提高其塑性和韧 性,以满足不同工件的性能要求
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3.淬火钢在回火时的组织转变
(1)马氏体分解(100~200℃) 这一阶段转变完成后, 钢的组织由有一定 过饱和度的F体固溶体和与其有共格关系的ε 碳化物所组成,这种组织称为回火马氏体(M 回)。如图a所示。
A残 M回

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? (2)残余奥氏体转变 在200~300℃之间, 钢中的残余奥氏体部分 发生分解,转变为下贝氏体,而此时钢中的 主要组织仍然是回火马氏体。 ? (3)马氏体分解完成和碳化物的转变 (300~400℃) 这一阶段转变完成后, 钢的组织由饱和的 针状F体和极细小粒状的渗碳体组成,这种组 织称为回火托氏体(T回),如图b所示。
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回火托氏体
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? (4)F体的回复、再结晶和碳化物的聚集长大 (>400℃) 这一阶段转变完成后, 钢的组织由等轴的F体和细 小的粒状渗碳体组成,称为回火索氏体(S回), 如图c所示。

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? 4、淬火钢在回火时的性能变化
? 碳钢的硬度与回火温度的关系

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? 钢的冲击韧度与回火温度的关系

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5.回火种类、组织、性能及应用
? (1)低温回火(150~250℃) ? 组织:M回+AR ? 性能特点:部分降低了钢中残余应力和脆性, 而保持钢在淬火后所得到的高强度、硬度和耐 磨性,58~65HRC ? 应用:要求硬度高耐磨性好的工具、量具、滚 动轴承、渗碳工件以及表面淬火工件等。

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? (2)中温回火(350~500℃) ? 组织:T回 ? 性能特点:内应力基本消除,具有极高的弹性 极限和良好的韧性。 ? 应用:要求弹性极好的弹簧零件、发条及热锻 模具,35~45HRC

弹簧热处理对比
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? ? ? ?

(3)高温回火(500~650℃) 调质处理:淬火与高温回火相结合的工艺 组织:S回 性能特点:内应力基本消除,强度和硬度降低, 塑性和韧性提高,具有较高的综合力学性能, 25~35HRC ? 应用:要求综合力学性能好的中碳结构钢和低 合金结构钢制造的各种重要的结构零件,特别 是在交变载荷下工作的连杆、螺栓以及轴类等。

? 6.自身淬火回火法
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7.回火脆性
? 概念:淬火钢在某些温度范围内回火时脆性显著 增大的现象 ? 低温回火脆性:250~350℃,第一类,不可逆 ? 高温回火脆性:450~650℃,第二类,可逆 ? W、Mo消除高回脆

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? 例题

锉刀要求硬度为60~63HRC,通常采用T12钢 制造,试制订正确的热处理工艺,并注明工艺 名称、加热温度、冷却方式以及热处理各阶段 所获得的组织。(Ac1 = 730℃, Accm = 830℃)

? 分析方法:
? 1.材料特点 ? 2.工件性能要求 ? 3.制订热处理工艺
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热处理工艺如下:
1. 预备热处理:球化退火 加热温度: 750~770℃ 冷却方式:炉冷至550℃以下出炉空冷 组织:球状P体+球状Fe3C
2.最终热处理:淬火+低温回火 淬火加热温度:760~780℃ 冷却方式:水冷 组织:M淬+Fe3C粒状+AR(少量) 回火温度:180±10℃ 组织:M回+Fe3C粒状+AR(少量)
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第七、八节
一、 钢的表面淬火

钢的表面热处理

表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温 度,然后迅速冷却,仅使表面层获得淬火组织, 而心部仍保持淬火前组织的热处理方法。
工艺特点及应用 一、钢的表面淬火 二、钢的化学热处理
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感应加热表面淬火 火焰表面淬火 激光表面淬火 67

二、钢的化学热处理

化学热处理是将钢件置于一定温度的活性 介质中保温,使介质中的一种或几种元素原子 渗入工件表面,以改变钢件表层化学成分和组 织,进而达到改进表面性能,满足技术要求的 热处理工艺。 1.渗碳
基本过程:
2.渗氮(俗称氮化)

①化学介质的分解;

3.碳氮共渗(俗称为氰化)

②活性原子被钢件表面吸收和溶解; ③原子由表面向内部扩散,形成一定的扩散层。 2013-7-28 68

1.钢的渗碳

将钢件放入渗碳的介质中加热并保温,使活 性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。 目的:通过渗碳及随后的淬火和低温回火,使表 面具有高的硬度、耐磨性和抗疲劳性能,而心部 具有一定的强度和良好的韧性配合。
(1)渗碳方法 渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。 目前广泛应用的是气体渗碳法。
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工艺特点及应用

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2.钢的渗氮(俗称氮化)

在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的 热处理工艺称为渗氮。 目的:提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、 热硬性和耐蚀性等。
常用的渗氮方法有: (1)气体渗氮(氮化)、离子渗氮

(2)氮碳共渗(软氮化,低温氰化)
(3)碳氮共渗(中温氰化)等。
2013-7-28 生产中应用较多的是气体渗氮。 70

与渗碳相比,渗氮温度低且渗氮后不再进行热处理, 所以工件变形小。 试确定下列零件的热处理方法,(均用锻件,且钢材淬透 性足够)。 (1)某机器变速箱齿轮(模数m=4)要求齿面耐磨,心部强 度和韧性要求不高,材料选用45钢; (2)某发动机上的活塞销,心部要求良好的韧性,表面要 求高的耐磨性,材料选用20钢; (3)某机床主轴,要求有良好的综合力学性能,轴颈部分 要求耐磨(50-55HRC),材料选用45钢; (4)镗床镗杆,在重载下工作。精度要求极高,并在滑动 轴承中运转,要求镗杆表面有极高的硬度,心部有较高的 综合力学性能,材料选用38CrMoAlA钢。
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渗氮

工艺特点及应用

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? 1. 完全退火是将工件加热到Acc m以上30~50℃,保温 一定的时间后,随炉缓慢冷却的一种热处理工艺。 ? 2. 马氏体转变温度区的位置主要与钢的化学成分有关, 而与冷却速度无关。 ? 3. 临界冷却速度是指过冷奥氏体向马氏体转变的最快 的冷却速度。 ? 4. 低碳钢和某些低碳合金钢,经正火后能适当提高硬 度,改善切削加工。 ? 5. 去应力退火是将工件加热到Ac3线以上,保温后缓慢 地冷却下来地热处理工艺。 ? 6. 淬透层深的钢淬透性好。 ? 7. 除钴之外,其它合金元素溶入奥氏体后,均能增加 过冷奥氏体的稳定性,使C曲线左移。
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1.同一种钢材在相同的加热条件下,其淬透性为 ( ) A.水淬比油淬的淬透性好; B.小件比大件的淬透性好; C.同种材料淬透性相同。 2. 下列材料中,淬硬性高的是( ) A.9SiCr B.45 C.12Cr2Ni4WA 8. 马氏体硬度主要取决于马氏体中的合金含量。 9.钢的热处理后的最终性能,主要取决于该钢的化学成分。 10.钢的热处理是通过加热,保温和冷却,以改变钢的形 状,尺寸,从而改善钢的性能的一种工艺方法。 11.过共析钢完全退火后能消除网状渗碳体。 12.马氏体转变的Ms和Mf温度线,随奥氏体含碳量增加而 上升。
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课堂讨论
? 1、直径为10mm的45钢和T12钢试样在不同热处 理条件下得到的硬度如表所示,请分析说明: ? (1)不同热处理条件下的显微组织(填入表1的 显微组织栏中); ? (2)冷却速度,淬火加热温度、碳含量对钢硬 度的影响及其原因; ? (3)回火温度对钢硬度的影响及其原因。

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钢种

热处理温度 /℃

冷却方式 炉冷 空冷 油冷 水冷 水冷 水冷 水冷 水冷 炉冷 空冷 油冷 水冷 水冷 水冷 水冷

回火温度 /℃

HRB 85

HRC

HB 148 196 349 538 515 369 243 176 257 437 693 652 495 283

显微组织

45钢

840

200 400 600 93

13 38 55 53 40 24 45 26 46 66 63 51 30

P+F S+F少量
T+M+AR

M+AR
M回+AR

750

T回 S回 422 F+M+AR

T12

750

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200 400 600

75

860

水冷

61

637

2.共析钢加热到相变点以上,用图示的冷却曲线冷却,
各应得到什么组织?各属于何种热处理方法?

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3.分析45钢得到下列组织的热处理工艺

1)粗片状珠光体+铁素体;
2)细片状珠光体+少量铁素体; 3)细小的球状索氏体;

4)表面是回火马氏体,心部是回火索氏体

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77

4.有一批用35钢制成的螺钉,要求其头部在热处 理后的硬度为35~40HRC,现材料中混入少量T10 钢和10钢。若由T10钢和10钢制成的螺钉仍按35钢 进行热处理(淬火、回火),能否达到要求?为 什么?

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78

6.T8钢的C曲线如图所示,若使该钢在570℃等温 不同的时间,按图示1、2、3、4的冷却速度冷 却至室温,试问各获得什么组织?然后再进行 高温回火,又各获得什么组织?
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 800 700 600 500 400 300 200 0 -100 A1

1
Mf 1 10

2

3

4

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102

103

104

105

79

7. 某载重汽车发动机的汽缸盖螺栓,原选用40Cr 钢调质处理,后改用15MnVB钢880℃油淬、200℃ 低温回火,提高使用寿命1.5倍,试分析原因。

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80



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