材料科学基础电子教案讲义教学课件 ppt钢的热处理_1

Materials Science 第11章 钢的热处理 Date1Introduction to Materials Materials Science 前言 热处理 通过加热、保温、冷却的操作方法，使材料的组织结构发生变 化，以获得所需性能的一种加工工艺。可作为中间工序，也可 作为最终工序。 Date2Introduction to Materials Materials Science 第1节 钢在加热时的转变 基本内容： 奥氏体的形成 在温度大于等于727时，发生PA转变，这是一种扩散型相变 ，存在形核及长大的过程。 奥氏体的晶粒度及其长大的影响因素 Date3Introduction to Materials Materials Science PA转变的基本过程 基本过程 以共析钢为例，存在如下过程： 与Fe3C相界面处形成奥 氏体晶核； 奥氏体长大； 残余渗碳体的溶解； 奥氏体均匀化； Date4Introduction to Materials Materials Science PA转变过程的影响因素 影响因素 奥氏体形成温度 含碳量 珠光体的粗细和数量 加热温度 加热速度 Date5Introduction to Materials Materials Science 奥氏体晶粒度 起始晶粒度 PA完成时奥氏体的晶粒度； 实际晶粒度 钢在具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体 晶粒大小； 本质晶粒度 规定加热条件下，奥氏体晶粒长大倾向性的高低； 注：一般结构钢的奥氏体晶粒度为8级，数值越大，晶粒越细。 高于规定温度时，本质细晶粒钢可能具有比本质粗晶粒钢更大的 长大倾向。 Date6Introduction to Materials Materials Science 影响奥氏体长大的因素 高温下奥氏体的长大时一个自发过程，具体有如下影响因素： 奥氏体化温度； 含碳量； 合金元素； 控制奥氏体长大的措施： 合理选择加热温度、保温时间和钢的原始组织； 加入合金元素； Date7Introduction to Materials Materials Science 第二节 过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能 奥氏体是一种高温相，过冷至共析温度A1727以下时，可能成 为处于热力学不稳定态的过冷奥氏体。冷却速度影响过冷度，过 冷度不同，过冷奥氏体转变产物不同。 奥氏体的转变产物有以下几种： 珠光体P ； 贝氏体B ； 马氏体M ； Date8Introduction to Materials Materials Science 珠光体的组织形态与性能 A1 550A 珠光体型组织 A1 650 A P 650 600 A 索氏体 （S） （比 P细） 600 550 A 屈氏体 （T） （比 P更细） 珠光体的转变温度及组织 Date9Introduction to Materials Materials Science 珠光体的组织形态与性能（续） 强度、硬度比较 屈氏体 索氏体 片状珠光体 粒状珠光体 等温形变处理可以改变珠光体的组织形态，得到含有大量亚晶的 形变铁素体均匀分布渗碳体微粒的珠光体组织，这种组织的强度 良好，韧性优异，脆性转变温度降低，适合于低中碳钢线材、板 材及易于形变加工的结构零件。 共析碳钢形变正火后，可获得细密的珠光体组织，强度上升、抗 磨损上升、抗疲劳性增强； Date10Introduction to Materials Materials Science 马氏体的组织形态与性能 工艺条件：淬火 板条M片状M 形状细长的板条状双凸透镜状 亚结构位错孪晶 高温奥氏体获得极大过冷度时（共析钢过冷至230 以下） 马氏 体（M） Date11Introduction to Materials Materials Science 马氏体的组织形态与性能（续） 马氏体的性能： C% 增加，硬度升高；（亚结构强化的结果） 高温形变热处理或超细化处理可提高马氏体强度； 中温形变热处理可细化马氏体组织，增加马氏体中位错密度 ，促进碳化物沿位错沉淀析出，降低奥氏体含碳量，减少孪 晶马氏体相对量，提高淬火钢的强韧性； Date12Introduction to Materials Materials Science 贝氏体的组织形态和性能 550 Ms，A B； B分为B上和B下； 贝氏体的力学性能取决于其组织形态； B上的强度和韧性较差，B下的强度、韧性和塑性高于B上， 综合机械性能优良； Date13Introduction to Materials Materials Science 第三节 过冷奥氏体转变曲线图 基本内容： 过冷奥氏体等温转变曲线图（TTT图、C曲线） 过冷奥氏体转变产物的形成过程 珠光体的形成过程 贝氏体的形成过程 马氏体的形成过程 影响C曲线的因素 Date14Introduction to Materials Materials Science 过冷奥氏体等温转变曲线图（TTT图、C曲线） 共析钢C曲线的建立 不同温度下，以转变量为纵轴，时间为横轴，作转变动力学 曲线； 以开始时间、温度为坐标，在温度时间坐标系中绘制点， 将点连线，以及以转变终了时间，温度为坐标，绘制点，将 点连线，得到C曲线。 孕育期 过冷奥氏体在不同温度下等温分解或转变时，都需要持续一 段时间才发生分解，这一段时间称为孕育期。 Date15Introduction to Materials Materials Science 珠光体的形成过程 转变区域 “C”曲线“鼻尖”以上区域为珠光体相变区，一般 T 550； 特征 Fe、C原子扩散； 晶格重构，A F+Fe3C，A为fcc而F为bcc，必须存在能量 、成分和结构起伏。 “鼻尖”处过冷奥氏体的转变速度最快； 高于“鼻尖”温度，T过冷度形核长大； 低于“鼻尖”温度，TDc（C原子扩散系数）形 核长大。 Date16Introduction to Materials Materials Science 贝氏体的形成过程 转变区域 “C”曲线以下区域为贝氏体相变区，B转变开始温度一般为550 。 特征 碳扩散，而Fe不扩散； 贝氏体的形成速度受C原子扩散速度的控制，TDcB 形成速度 。 Date17Introduction to Materials Materials Science 马氏体的形成过程 特征： C、Fe原子均不扩散； AM是不完全相变，不可能获得100%M； Ms和Mf主要由奥氏体成分决定，不受冷却速度的影响； 部分A保留下来，成为A残； C%MfA残； Date18Introduction to Materials Materials Science 影响C曲线的因素 含碳量 C%，亚共析钢C曲线右移，过共析钢C曲线左移。 合金元素 除Co外，合金元素均使C曲线右移；碳化物形成元素较多时 ，C曲线形状发生变化。 加热温度与保温时间 加热温度和保温时间，C曲线右移。 Date19Introduction to Materials Materials Science 钢的退火与正火 基本概念 普通热处理工艺类型：退火、正火、淬火、回火； 退火类型 完全退火； 等温退火； 球化退火； 去应力退火； Date20Introduction to Materials Materials Science 退火与正火的目的 一般作为预先热处理工序，一些不重要的热加工工件可作为最终 热处理工序。 软化钢件以便进行切削加工； 消除残余应力，防止钢件变形和开裂； 细化晶粒，改善组织以提高机械性能； 为最终热处理（淬火、回火）作好组织上的准备； Date21Introduction to Materials Materials Science 退火操作及其应用 根据钢的成分和工艺目的，选择适合零件的退火操作，即选择： 完全退火； 球化退火； 去应力退火（低温退火）； Date22Introduction to Materials Materials Science 完全退火 将亚共析钢工件加热到Ac3+30 50，保温，炉冷或砂冷到 500以下空冷。 应用场合： 亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸、锻件和热轧型材。 等温退火： 为了缩短退火过程，对应于C曲线以上珠光体形成温度进行过 冷奥氏体的等温转变处理。 适用范围： 对于某些奥氏体比较稳定的合金钢。 Date23Introduction to Materials Materials Science 球化退火 目的 降低硬度，改善切削加工性； 适用范围 过共析碳钢及合金工具钢； Date24Introduction to Materials Materials Science 去应力退火（低温退火） 工艺 缓慢加热至500 600（ A1)，保温，炉冷至300 200以下出炉。 目的 消除铸造、锻压、焊接、热轧和冷拉工件等的残余应力。 特征 温度低于A1，无组织变化。 Date25Introduction to Materials Materials Science 正火操作及其应用 正火 将钢件加热至Ac3/Acm 30 50，保温，空冷。 正火与退火的区别 正火冷却速度稍快，正火组织比退火的细，硬度、强度升高。 适用范围 普通结构件作为最终热处理； 低、中碳结构钢作为预先热处理，以改善切削加工性； 过共析钢经正火为球化退火作准备； Date26Introduction to Materials Materials Science 第五节 钢的淬火 主要内容 淬火； 淬火方法； Date27Introduction to Materials Materials Science 淬火 淬火工艺 将钢加热至Ac3或Ac1以上30 50，保温后快速冷却。 目的 获得马氏体，提高力学性能，如硬度、耐磨性等。 淬火温度 按FeFe3C相同进行选择； 冷却介质 盐水、水、油等； 注意： 为保证淬火质量（得到马氏体组织的同时，减少变形和避免裂 纹），需注意两个方面 理想的淬火介质； 改进淬火的冷却方法； Date28Introduction to Materials Materials Science 淬火方法 单液淬火法 双液淬火法 水淬油冷； 分级淬火法 适用于尺寸较小的工件； 等温淬火法 得到下贝氏体组织，适于薄且尺寸较小的工件； Date29Introduction to Materials Materials Science 第六节 钢的淬透性 主要内容 淬透性 淬透性的测定及表示方法 零件设计选材时应注意的问题 Date30Introduction to Materials Materials Science 淬透性 淬硬层深度 钢淬火后，表面至内部马氏体组织占50处的距离； 淬透性 钢淬火后能获得淬硬层的深度的一种性质； 淬硬层越深，说明淬透性越好； 淬透性对钢的力学性能影响很大，工件截面尺寸很大 时，更加显著。 Date31Introduction to Materials Materials Science 淬透性的测定及表示方法 测定方法 末端淬火法； 表示方法 表示为：JHRC/d； 其中， J 为末端淬透性； d 至水冷端的距离； HRC 相应的硬度值； 淬透性曲线可以用于选材 Date32Introduction to Materials Materials Science 零件选材 零件设计选材时应注意的问题如下： 大截面零件和动载荷下工作的零件，选用全部能淬透的钢； 工件的心部力学性能对使用条件无影响时，选用淬透性低， 淬硬层浅的钢； 某些工件如焊接件不能选用淬透性高的钢； 设计时小尺寸试样的数据不能用于大尺寸工件的强度计算； 淬透性低的工件，淬硬层浅，应考虑在淬火前进行切削加工 ； 碳钢正火比碳钢调质处理经济。 Date33Introduction to Materials Materials Science 第七节 钢的回火 回火定义 将淬火后的钢加热到不超过Ac1临界温度进行保温，然后 冷却下来的一种热处理操作； 回火的主要目的 降低脆性，消除或减少内应力； 调整力学性能； 稳定工件尺寸； 软化组织，提高切削加工性； Date34Introduction to Materials Materials Science 回火种类及应用 根据温度的高低可将回火分类为： 低温回火（150 250） 中温回火（350 500 ） 高温回火（500 650 ） Date35Introduction to Materials Materials Science 低温回火 目的 降低钢中残余应力和脆性； 组织 回火马氏体； 硬度 HRC58 64 时效处理 淬火长时间低温回火 Date36Introduction to Materials Materials Science 中温回火 特点 保持一定韧性的同时，兼有高的弹性和屈服极限； 组织 回火屈氏体； 硬度 HRC35 45 Date37Introduction to Materials Materials Science 高温回火 特点 强度、塑性和韧性均较好； 组织 回火索氏体； 硬度 HRC20 35 调质处理 淬火高温回火 Date38Introduction to Materials Materials Science 钢的表面淬火 主要内容 表面淬火的定义和目的 表面淬火方法 Date39Introduction to Materials Materials Science 表面淬火 定义 快速加热使钢件表面很快达到淬火温度，在热量未