1．提问10分钟

2．讲解70分钟

3．小结5分钟

4．布置作业5分钟

【教学内容】

第三章  钢的热处理

第一节  热处理概述

一、热处理概念

●热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺。

热处理工艺过程是由加热、保温、冷却三个阶段组成。

常用的热处理加热设备有箱式电阻炉、盐浴炉、井式炉、火焰加热炉等。

常用的冷却设备有水槽、油槽、盐浴、缓冷坑、吹风机等。                                            

二、热处理工艺的分类

三、热处理原理

热处理原理：铁碳合金相图是确定热处理工艺的重要依据。将钢铁材料或零件先加热到临界点（或相变点）以上某一温度区间，使其全部或部分得到均匀的奥氏体组织，然后采用适当的冷却方法进行冷却，从而获得所需要的组织和使用性能。

涉及的微观组织有：铁素体、奥氏体、渗碳体（或碳化物）、珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体（上贝氏体和下贝氏体）、马氏体（板条马氏体和针状马氏体）等。

   图3-3  实际加热(或冷却)时，铁碳合金相图上各相变点的位置

第二节  退火与正火

一、退火

1. 退火的概念和目的

●退火是将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。

退火的目的是降低钢铁材料的硬度，提高其塑性，改善切削加工性能和锻压加工性能；细化钢铁材料的组织，均匀其化学成分；消除钢铁材料的内应力，防止其变形和开裂；为后续加工或热处理作准备。

2．退火的方法和应用

退火通常分为：完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、均匀化退火等。

图3-5  部分退火工艺加热温度范围示意图          图3-6  部分退火工艺曲线示意图

二、正火 

    1.正火的概念和目的

●正火是指工件加热奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺。

正火的目的是细化晶粒，提高钢铁材料硬度，消除钢铁材料中的网状碳化物（或渗碳体），并为淬火、切削加工等后续工序作组织准备。

2. 正火的方法和应用

正火的方法比较简单，具体操作过程是：首先根据钢件的Ac3和尺寸大小确定合理的加热温度和保温时间，然后在保温时间达到要求后，将钢件取出后空冷，即可实现对钢件的正火。在生产中正火主要应用于以下场合：

（1）用于改善钢铁材料的切削加工性能。

（2）用于消除钢中的网状碳化物，为球化退火作组织准备。

（3）用于普通结构零件或某些大型非合金钢工件的最终热处理，代替调质处理。 

（4）用于淬火返修件，消除淬火应力，细化组织，防止工件重新淬火时产生变形与开裂。 

第三节  淬火与回火

一、淬火

1. 淬火的概念和目的

●淬火是指工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或(和)贝氏体组织的热处理工艺。

●马氏体是碳或合金元素在α-Fe中的过饱和固溶体，硬度高，用符号M表示。

淬火的目的主要是使钢铁材料获得马氏体(或贝氏体)组织，提高钢铁材料的硬度和强度，并与回火工艺合理配合，获得需要的使用性能。

 2．淬火工艺原理

（1）淬火加热温度。

图3-8  非合金钢淬火加热的温度范围

    亚共析钢的淬火加热温度为Ac3以上30～50℃。 

共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上30～50℃。

（2）加热时间。

淬火加热时间包括升温时间和保温时间。

●保温时间是指炉温达到预定温度，保持这一温度持续加热，使得工件内部组织得以充分转变的时间。

（3）淬火速度。要想既保证获得马氏体组织，同时又尽量避免钢件发生变形与开裂，理想的冷却曲线应是如图3-9所示。

图3-9  理想的淬火冷却速度曲线

常用的淬火冷却介质有：油、水、盐水、硝盐浴、碱浴和空气等。

3．淬火方法和应用

表3-4     常用淬火方的概念、淬火冷却曲线、工艺特点、应用范围及相关说明

1．重点：热处理方法的基本概念、目的和应用

2．难点：热处理原理

【教学方法与教学手段】

1．利用试样、挂图等教具。

2．利用多媒体资料进行短时演示。

3．在讲解过程中要结合典型零件或钢材进行工艺方法和用途的介绍。

【小结与布置作业】

1．小结

本次课主要介绍钢的热处理的概念、目的、原理、分类和应用范围等内容，学完之后：第一，要了解钢的热处理的概念、原理和分类；第二，要理解常用热处理方法的目的和应用范围；第三，要熟悉典型零件（如弹簧、轴、齿轮、滚动轴承、切削刀具、模具等）的热处理方法，建立感性认识，做到触类旁通；第四，学习过程中，一定要先理解概念，然后理论联系实际，并注意借助多媒体资料，帮助自己提高学习效率和拓展知识面，同时注重师生之间、同学之间的相互交流和探讨，提高交流能力和表达能力。

2．布置作业

一边复习本章的相关知识，一边完成《金属加工与实训习题集》中相关习题，并相互相互交流探讨。

【教学组织】

1．提问10分钟

2．讲解70分钟

3．小结5分钟

4．布置作业5分钟

【教学内容】

二、回火 

    1.回火的概念和目的

●回火是指工件淬硬后，加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。回火是在淬火之后进行的，通常也是零件进行热处理的最后一道工序。

回火的目的是消除和减小内应力，稳定组织，保证尺寸精度；调整工件的性能以获得较好的强度与韧性配合，满足工件性能要求。

2．回火的方法和应用

表3-5        常用回火方的概念、目的、室温组织、力学性能、应用范围

第四节  时效

●金属材料经过冷加工、热加工或固溶处理后，在室温下放置或适当升温加热时，发生力学性能和物理性能随着时间而变化的现象，称为时效。

●固溶处理是指工件加热至适当温度并保温，使过剩相充分溶解，然后快速冷却以获得过饱和固溶体的热处理工艺。

一、自然时效

●自然时效是指金属材料经过冷加工、热加工或固溶处理后，在室温下发生性能随着时间而变化的现象。例如，钢铁铸件、锻件、焊接件等在室温下长时间（半年或几年）在户外或室内堆放，就是自然时效。

二、热时效

●热时效是指随着温度的不同，α-Fe中碳的溶解度发生变化，使钢的性能发生改变的过程称为热时效。例如，低碳钢在A1之下加热，并较快冷却时，三次渗碳体（Fe3CIII）来不及析出，形成过饱和的固溶体。在室温放置过程中，由于碳的溶解度较低，碳以Fe3CIII的形式析出，使钢的硬度和强度上升，而塑性和韧性下降。

三、变形时效

●变形时效是指钢在冷变形后进行的时效。变形时效也降低钢（尤其是汽车用板材）的锻压加工性能，对于重要的工件，在制造之前需要对所选钢材进行变形时效倾向试验。

四、振动时效

●振动时效是指通过机械振动（如超声波）的方式来消除、降低或均匀工件内残余应力的工艺。振动时效工艺适用于重要的铸件、锻件和焊接件等。

五、沉淀硬化时效

●沉淀硬化时效是在过饱和固溶体中形成或析出弥散分布的强化相而使金属材料硬化的热处理工艺。它是不锈钢、高温耐热合金、高强度铝合金等的重要强化方法。

第五节  表面热处理与化学热处理

一、表面热处理

●表面热处理是为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺。其中表面淬火是最常用的表面热处理工艺之一。

●表面淬火是指仅对工件表层进行淬火的工艺。

表面淬火的目的是使工件表面获得高硬度和高耐磨性，而心部保持较好的塑性和韧性。

表面淬火方法主要有：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热表面淬火及电解液加热表面淬火等。

1．感应加热表面淬火

    ●利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面、局部或整体加热并进行快速冷却的淬火工艺称为感应加热表面淬火。

（1）感应加热基本原理。

依靠钢件表面强大的感应电流产生的热效应，可以使钢件表层在几秒钟内快速加热到淬火温度（约900℃左右），而钢件的心部温度基本不变，然后迅速喷水冷却，就可以淬硬钢件表层，这就是感应加热表面淬火的基本原理，如图3-13所示。 

图3-12  感应加热表面淬火原理图

（2）感应加热表面淬火的特点。

感应加热表面淬火具有工件加热速度快、时间短，变形小，基本无氧化和无脱碳特点；

（3）感应加热表面淬火的应用。

表3-6  感应加热表面淬火的应用范围

●火焰加热表面淬火是利用乙炔一氧或其他可燃气燃烧的火焰对工件表层进行加热，随之快速冷却的淬火工艺，如图3-13所示。 

图3-13  火焰加热表面淬火示意图

火焰加热表面淬火操作简便，不需要特殊设备，生产成本低，但工件表面淬火质量难以控制，生产率低，主要用于单件或小批量生产的大模数齿轮、轴、工具、轧辊等。

二、化学热处理 

    ●化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入到它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。 

化学热处理方法很多，通常以渗入元素来命名工艺名称，如渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗硅、渗金属等。

化学热处理由分解、吸收和扩散三个基本过程组成。

    1．渗碳

●为提高工件表层碳的质量分数并在其中形成一定的碳含量梯度，将工件在渗碳介质中加热、保温，使碳原子渗入的化学热处理工艺称为渗碳。

渗碳层深度一般为0.5mm～2.5mm，渗碳层的碳的质量分数是WC=0.8%～1.1%。 

    渗碳所用钢种一般是15钢、20钢、20r钢、20CrMnTi钢等。经渗碳后的工件，都要进行淬火和低温回火。渗碳工艺被广泛用于要求表面硬而心部韧的工件上，如齿轮、凸轮轴、活塞销等工件。 

碳可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳，其中气体渗碳应用最广泛。

a）气体渗碳炉                   b）气体渗碳工艺曲线

图3-14  20CrMnTi钢制拖拉机油泵齿轮的气体渗碳炉及工艺曲线

2．渗氮

●在一定温度下于一定渗氮介质中，使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺称为渗氮。

渗氮层深度一般为0.5mm～0.7mm。

目前常用的渗氮方法主要有气体渗氮和离子渗氮两种。

渗氮的目的是为了提高工件表层的硬度、耐磨性、热硬性、耐腐蚀性和疲劳强度。 

渗氮处理广泛用于各种高速传动的精密齿轮、高精度机床主轴、受循环应力作用下要求高疲劳强度的零件(如高速柴油机曲轴)以及要求变形小和具有一定耐热、抗腐蚀能力的耐磨零件(如汽缸、阀门)等。

第六节  热处理新技术简介

一、形变热处理

●形变热处理是将塑性变形和热处理结合，以提高工件力学性能的复合工艺。

例如，将钢加热至Ac3以上（图3-16），获得奥氏体组织，保持一定时间后进行形变，马上淬火获得马氏体组织，然后在适当温度回火后，可获得很高的强韧性。该工艺方法广泛用于结构钢、工具钢工件，用于工件进行锻后余热淬火、热轧淬火等工艺。

图3-16  形变热处理工艺示意图

二、真空热处理

●在低于1×105Pa（通常是10-1~10-3Pa）的环境中加热的热处理工艺，称为真空热处理。

真空热处理包括真空退火、真空淬火、真空回火、真空渗碳等。

真空热处理可以避免氧化、脱碳，可以实现光亮处理。 

        三、可控气氛热处理

●为了达到无氧化、无脱碳或按要求增碳，工件在炉气成分可控的加热炉中进行的热处理称为可控气氛热处理。

可控气氛热处理的主要目的是减少和防止工件加热时的氧化和脱碳，提高工件尺寸精度和表面质量。

    四、激光热处理

●激光是一种具有极高能量密度、高亮度性、高单色性和高方向性的光源。

●利用激光作为热源的热处理称为激光热处理。

●激光淬火是以激光作为能源，以极快的速度加热工件的自冷淬火。

激光淬火广泛应用于汽车制造工业，如内燃机缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的表面淬火等。

五、电子束淬火

●电子束淬火是以电子束作为热源，以极快的速度加热工件的自冷淬火。

电子束表面淬火质量高，淬火过程中工件基体性能几乎不受影响。

【教学重点与难点】

1．重点：热处理方法的基本概念、目的和应用

2．难点：回火方法、实效和感应加热表面淬火原理

【教学方法与教学手段】

1．利用试样、挂图等教具。

2．利用多媒体资料进行短时演示。

3．在讲解过程中要结合典型零件或钢材进行工艺方法和用途的介绍。

【小结与布置作业】

1．小结

本次课主要介绍钢的热处理的概念、目的、原理、分类和应用范围等内容，学完之后：第一，要了解钢的热处理的概念、原理和分类；第二，要理解常用热处理方法的目的和应用范围；第三，要熟悉典型零件的热处理方法，建立感性认识，做到触类旁通；第四，学习过程中，一定要先理解概念，然后理论联系实际，并注意借助多媒体资料，帮助自己提高学习效率和拓展知识面，同时注重师生之间、同学之间的相互交流和探讨，提高交流能力和表达能力。

2．布置作业

一边复习本章的相关知识，一边完成《金属加工与实训习题集》中相关习题，并相互相互交流探讨。下载本文