ENG热处理基础

ENG热处理基础张浩鹏一、铁碳相图二、热处理基础三、铸铁基础四、铝合金基础五、硬度基础六、常见金属牌号一、铁碳相图铁碳相图是什么铁碳相图有什么用铁碳相图怎么看铁碳相图基本组织特性点与线共晶与共析铁碳相图是什么表示铁碳合金在不同成分和温度下的组织、性能以及它们之间相互关系的图形。又称铁碳合金相图或铁碳合金平衡图。是通过实验的方法建立起来的。一、铁碳相图铁碳相图是什么铁碳合金工业纯铁钢生铁含碳量小于002的铁碳合金。含碳量为002211的铁碳合金。含碳量为211669的铁碳合金。表示铁碳合金在不同成分和温度下的组织、性能以及它们之间相互关系的图形。又称铁碳合金相图或铁碳合金平衡图。是通过实验的方法建立起来的。一、铁碳相图铁碳相图有什么用铁碳相图为基础中的基础，其余合金钢相图均以铁碳相图为基础进行变形；通过铁碳相图可以得知在某种成分、温度下，铁碳合金将何种组织状态存在；根据铁碳合金的组织可以推断其性能；从而根据其性能需求制定各种热加工工艺流程。一、铁碳相图铁碳相图怎么看多条分界线把相图分成多个区域每个区域均对应着某一种组织002077211431148727横坐标碳的百分含量（0669）纵坐标温度一、铁碳相图渗碳体的熔点共晶点共析线共析点纯铁的熔点共晶线ACD线液相线AECF线固相线碳在奥氏体中的最大溶解度A3线ACM线A1线铁碳相图怎么看一、铁碳相图铁碳合金的基本组织一、铁碳相图铁碳合金的基本组织铁素体F或碳与FE中形成的间隙固溶体称为铁素体。强度和硬度低，塑性和韧性好。奥氏体A或碳与FE中形成的间隙固溶体。高温组织，在大于727时存在。塑性好，强度和硬度高于F，在锻造、轧制时常要加热到A，提高塑性，易于加工。渗碳体FE3C铁与碳形成的稳定化合物，硬度高，脆性大；严重时成网状，尽可能避免出现珠光体PF与FE3C形成的机械混合物。强度，硬度，塑性，韧性介于两者之间。莱氏体LDA与FE3C形成的混合物，硬度高，塑性差。一、铁碳相图特性点A点纯铁的熔点1538C点共晶点1148D点渗碳体的熔点1227S点共析点727G点纯铁的同素异晶转变点912E点C在FE中最大溶解度1148P点C在FE中最大溶解度727Q点室温时C在FE中最大溶解度特性线ACD液相线。AECF固相线。GS称A3线。ES称ACM线。ECF共晶线，铁碳合金至此发生共晶反应，结晶出莱氏体LELD。PSK共析线，铁碳合金至此发生共析反应，产生珠光体P，又称A1线。特性点与线一、铁碳相图1、共晶反应一定成分的液相在一定的温度下同时结晶出两种成分和结构均不相同的固相的反应。L43CA211CFE3C669C共晶与共析727莱体LD43C一、铁碳相图A211C727F002CFE3C669C共晶与共析2、共析反应一定成分的固相在一定的温度下同时结晶出两种成分和结构均不相同的固相的反应。珠光体P077C一、铁碳相图铁碳合金含碳量为211669的铁碳合金。共晶生铁含碳量为43亚共晶生铁含碳量在21143之间；过共晶生铁含碳量在43669之间；含碳量小于002的铁碳合金。工业纯铁钢生铁含碳量为002211的铁碳合金。根据金相组织的不同，可分为三种。共析钢含碳量为077亚共析钢含碳量在002077之间；过共析钢含碳量在077211之间。典型合金结晶过程分析一、铁碳相图LLAAAFE3CFAAFE3CLDPFE3CLDPFE3CPPFLDLDLFE3CLDFE3CLDFE3CLDPFE3CFE3C典型合金结晶过程分析一、铁碳相图含碳量为077的铁碳合金图中合金的结晶过程该合金在1点以上温度时，全部为成分均匀的液体，缓慢冷却，温度降到1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，温度继续下降，奥氏体量不断增加，直至2点，液体全部结晶成奥氏体，2点以下到S点以上为奥氏体的冷却，没有组织变化，当温度下降到S点727时，奥氏体发生共析反应，全部转变成珠光体，3点以下至室温，组织基本上不再变化，而仅为珠光体的冷却。这种含碳量为077的铁碳合金叫共析钢，共析钢的常温组织为珠光体。共析钢的结晶过程分析一、铁碳相图含碳量为0008077的铁碳合金图中合金的结晶过程开始阶段合金的结晶过程与合金类似，当冷却到3点即GS线上的点时，便从均匀的奥氏体中开始析出铁素体，随着温度的下降，铁素体量逐渐增多，奥氏体量逐渐减少，由于从奥氏体中析出了含碳极低的铁素体，致使未转变的奥氏体中的含碳量沿GS线逐渐增加，即趋近于S点的成分，当温度降至4点727时，组织中剩余的奥氏体的含碳量增至O77，因此发生共析反应转变为珠光体，共析反应结束后，合金由铁素体和珠光体组成，4点以下再继续冷却，组织基本上不再变化。这种含碳量077211的铁碳合金图中合金的结晶过程开始阶段合金的结晶过程与合金、类似，当合金冷到2点以下，便为单一的奥氏体，2点以下到3点以上为奥氏体的冷却，温度降到3点即ES线上的点时，由于温度下降奥氏体的溶碳能力降低，便开始沿奥氏体晶界析出二次渗碳体，温度继续下降，在二次渗碳体不断析出的同时，剩余的奥氏体的含碳量沿ES线逐渐减少，温度降到4点727时，组织中剩余的奥氏体的含碳量已降至077，因而发生共析反应转变为珠光体，共析反应结束后，合金由珠光体和二次渗碳体组成，4点以下再继续冷却，组织基本上不再变化。这种含碳量O7720的铁碳合金叫过共析钢，所有过共析钢常温时的组织都是由珠光体和二次渗碳体沿晶界呈网状分布组成，亦因含碳量不同两者的相对量不同，含碳量愈高，组织中二次渗碳体愈多，即二次渗碳体的网愈严重、愈宽。一、铁碳相图含碳量为43的铁碳合金图中合金）。合金在C点以上是液体，温度降到C点1147时，在恒温下发生共晶反应，全部液体均转变为莱氏体，此时莱氏体组织是以共晶渗碳体为基体，上面分布着奥氏体，在继续冷却的过程中，莱氏体内奥氏体的含碳量沿ES线逐渐减少的同时，不断析出二次渗碳体，但因它汇合于基体之中而无法分辨，冷却到PSK线上3点727时，组织中剩余的奥氏体的含碳量已降到077，因而发生共析反应，转变成珠光体。共晶渗碳体基体在整个冷却过程中不发生变化，而且莱氏体组织总的分布状态也没有变化，冷却到室温时的组织虽然为珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体所组成，但仍保持着共晶体的形态特征，所以称为变态莱氏体。由于液体合金全部结晶成共晶体，而合金中的碳除极少量溶入铁素体中之外，其余都存在于FE3C中，因此，将这种含碳量为43的铁碳合金叫做共晶白口铁。共晶白口铁的常温组织为变态莱氏体，可表示为LEPFE3CFE3C。共晶生铁的结晶过程分析一、铁碳相图亚共晶生铁的结晶过程分析亚共晶白口铁的含碳量为21143图中合金），它的常温组织为PFE3CLDPFE3CFE3C共。一、铁碳相图过共晶生铁的结晶过程分析过共晶白口铁的含碳量为43667图中合金），它的常温组织为共晶白口铁组织上加针状一次渗碳体，即LDPFE3CFE3C共FE3C。一、铁碳相图选用材料由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，其组织各不相同，从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机器零件所要求的性能来选择不同含碳量的材料。切削加性能低碳钢中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中碳钢中铁素体含量比例适当，钢的硬度适当，易于加工。制定热加工工艺在铸造工艺方面，根据相图可以确定合适的熔化温度和浇注温度，含碳量为43的铸铁铸造性最好；在锻造工艺方面，可以选择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区。应用于热处理生产由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化，可以进行热处理。并且可以正确选择加热温度。铁碳相图的应用一、铁碳相图二、热处理基础热处理是什么热处理怎么分类热处理是怎样的过程热处理的理论依据TTT与CCT曲线四把火的常用手段渗碳与渗氮的手段热处理是什么定义将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织与性能的工艺。目的提高钢的力学性能改善钢的工艺性能二、热处理基础热处理怎么分类热处理普通热处理（四把火）表面热处理退火（炉冷）正火（空冷）淬火（水/油冷）回火表面淬火化学热处理火焰加热感应加热激光加热渗碳渗氮（软氮化）碳氮共渗及其他二、热处理基础热处理常见设备连续式热处理炉箱式热处理炉台车式热处理炉二、热处理基础热处理是怎样的过程在这个加热、保温过程中，钢会发生奥氏体化（即从室温组织转变为奥氏体）。相当于废掉全身武功，为学习新武功做好准备。在这个冷却过程中，对于不同的冷却方式，钢会发生不同的组织变化，从而获得不同的室温组织。相当于学习不同派别的武功，成为外家、内功、兼修等高手。二、热处理基础平衡临界加热临界冷却临界A1、A3、ACMAC1、AC3、ACCMAR1、AR3、ARCM临界温度先认识这些临界温度主要记住A1、A3、ACM这三条线比这三条线略高则加“C”比这三条线略低则加“R”二、热处理基础钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化。以共析钢的奥氏体形成过程为例。钢的奥氏体化加热后保温的作用是给予奥氏体足够的时间，使其内部成分均匀化。但是保温时间过长容易造成奥氏体晶粒长大，影响后续热处理。奥氏体化就是把之前学的武功全部废掉此时韧性很好，常用于热加工；保温则是废掉武功后的休养生息。保温时间过短，体力未恢复成分未均匀化；时间过长，人变得懒惰（晶粒长大）。二、热处理基础热加保温时间温度临界温度A1连续冷却等温冷却把加热到奥氏体状态的钢，快速冷却到低于A1的某一温度，并等温停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温。把加热到奥氏体状态的钢，以不同的冷却速度连续冷却到室温。钢的两种冷却方式等温冷却这个冷却过程中，由于需要保温，冷却费时，占用设备，不利于连续生产；因此常用于保温温度较高的退火，以及热处理理论分析。连续冷却这个冷却过程中，更加接近工业生产实际情况，冷却方式一般为空冷或水冷等快速冷却方式，如正火、淬火。二、热处理基础钢的等温冷却曲线（TTT）TTT曲线的构成加热、保温线等温冷却线转变开始、转变终了曲线由于转变开始、转变终了曲线呈C字型，因此TTT曲线又叫C曲线加热、保温使钢完全奥氏体化后，冷却至某一温度下保温（即随某一水平线移动，如图中的I），当到达转变开始曲线时，钢的组织开始发生转变，继续保温直至到达转变终了曲线时，全部组织转变完成，之后冷却至室温下也不再变化。IIIIIIIVVVI二、热处理基础钢的等温冷却曲线（TTT）不同保温温度得到的产物I、珠光体PII、索氏体SIII、屈氏体TIV、上贝氏体B上V、下贝氏体B下VI、马氏体M实际生产中几乎不可能得到100的某一种组织，通常是各种组织的混合形态。例在III的等温冷却过程中（转变开始和转变终了间的某一位置，如图中红点），突然快速冷却到MS线以下，此时组织就为TM。IIIIIIIVVVI二、热处理基础钢的连续冷却曲线（CCT）CCT曲线的构成加热、保温线连续冷却线转变开始、转变终了曲线连续冷却曲线更接近实际情况，但由于其测量绘制非常困难，常常用TTT曲线近似代替。不同成分钢的TTT、CCT曲线均不相同，本课件中如无特别说明，均以共析钢为例。二、热处理基础室温产物I珠光体在A1650形成的铁素体和渗碳体的片状机械混合物。因为过冷度小，片间距较大04M，在500以上的光学显微镜下，能分辨其片层状形态；即为粗珠光体，习惯上称为珠光体，用字母P表示。二、热处理基础室温产物II索氏体在650600形成片间距较小的珠光体0204M在光学显微镜8001500倍下能分辨出其为铁素体薄层和碳化物（渗碳体）薄层交替重叠的复相组织，称为细珠光体或索氏体，用字母S表示（以英国冶金学家HCSORBY的名字命名）。二、热处理基础室温产物III托氏体在600550形成片层间距极小的珠光体稳定化处理完全人工时效不完全人工时效自然时效在室温下进行的称自然时效。经自然时效后，铝铜合金的强度B升高到400MPA以上见图。在实际生产中为节省时间，提高效率，常在高于室温温度下进行时效，称为人工时效。一般铝合金的人工时效温度低于250，时效的效果不如自然时效，而且时效温度越高，时效效果越差。含铜4的铝合金的自然时效曲线含铜4的铝合金在不同温度下的时效曲线铝合金的热处理四、铝合金热处理状态代号、名称及特点代号热处理状态名称目的T1人工时效提高硬度，改善加工性能，提高ZL104、ZL105等合金的强度。T2退火消除内应力，消除机加工引起的加工硬化，提高尺寸稳定性及增加合金的塑性。T4固溶处理自然时效提高强度和硬度，获得最高的塑性及良好的抗蚀性能。T5固溶处理不完全人工时效用以获得足够高的强度，并保持有高的塑性，但抗蚀性下降。T6固溶处理完全人工时效用以获得最高的强度，但塑性及抗蚀性降低。T7固溶处理稳定化处理提高尺寸稳定性和抗蚀性，保持较高的力学性能。T8固溶处理软化处理获得尺寸的稳定性，提高塑性，但强度降低。铝合金的热处理四、铝合金铝合金的热处理常见缺陷热处理缺陷及其消除方法缺陷类型形成原因消除方法力学性能不合格表现为退火状态5偏低；固溶处理状态B和5不合格；时效后的B和5不合格。1铸件退火时，退火温度偏低或保温时间不足，或冷却速度太快；1再次退火，提高温度，或者延长保温时间，或严格随炉冷却；2固溶处理时，温度过低或保温时间不够或淬火转移时间过长或淬火水温过高；2将固溶温度提高到上限范围，或延长保温时间，尽量缩短淬火转移时间，或在保证淬火不变形不开裂的情况下降低淬火水温，或更换淬火介质，用“CL1”有机淬火介质；3不完全人工时效和完全人工时效温度偏高或时间过长而造成B高而5不合格，温度低而时间短使B低而5偏高；3再次固溶处理后调整时效的温度和时间；4合金化学成分的偏差，如主要成分偏上限。4根据具体化学成分，重复热处理时调整热处理规范，并对下批铸件调整化分成分。淬火不均匀表现在铸件厚大部位拉伸性能低，硬度低，甚至不合格。铸件局部加热和冷却不均，如厚大部位和薄小的部位加热和冷却不一，厚、大部位热透慢，冷却慢。1重新进行热处理，使厚大部位处于炉内的高温区，或延长保温时间；2使厚大部位先下水冷却；3更换淬火介质，改用有机淬火介质。4铸件上涂涂料，使得均匀加热和冷却。变形表现在热处理及随后的机械加工中铸件出现的形状和尺寸变化。1加热速度过快；1降低升温速度；2冷却太激烈；2更换冷却介质，或提高介质温度或采用等温淬火；3壁厚差大；3壁厚或壁薄部位涂涂料；4装料方法不当，下水方式不对。4采用适当夹具，选择正确的下水方向；5选择最合适的化学成分。四、铝合金铝合金的热处理常见缺陷热处理缺陷及其消除方法缺陷类型形成原因消除方法裂纹表现在经热处理后的铸件上出现裂纹，或者肉眼可见，或者荧光检验发现。1加热速度过快；1降低升温速度；2淬火冷却太激烈；2更换冷却介质，或提高介质温度或采用等温淬火；3壁厚差大；3壁厚或壁薄部位涂涂料；4装料方法不对；4采用适当夹具，选择正确的下水方向；5化学成分不正确，如ZL205A合金CD含量偏高。5选择最合适的化学成分。过烧表现为铸件局部熔化产生表面结瘤；力学性能,特别是5下降；金相组织中出现复熔物等。1低熔点杂质元素含量偏高，如ALCU系合金中的SI和MG偏高；1选用合格炉料；2不均匀地加热和加热过快，使工件局部加热温度超过过烧温度；2选用合理的升温速度；3工件区的温度局部超过过烧温度；3分段加热；4测量和控温仪表失灵，使炉内温度过高。4定期校测炉内各加热区的温度，使之不大于5，个别偏高的部位不予装料；5定期校正仪表，保证测温和控温准确无误。四、铝合金五、硬度硬度测试的意义硬度测试的分类硬度测试的异同布氏硬度洛氏硬度维氏硬度硬度测试的意义金属的硬度金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形的能力，是衡量金属软硬程度的一种性能指标硬度材料表面抵抗硬物压入而引起塑性变形的能力常采用压痕的深度或压痕单位面积所承受的载荷值作为硬度值高低的指标硬度的优点可以在零件上直接进行试验试样尺寸较小可以评价脆性较大的材料性能可以通过标准换算半定量的估计其强度五、硬度硬度测试的分类布氏硬度洛氏硬度维氏硬度五、硬度不同的压入硬度测试方法，由于压头的材料、形状及尺寸、载荷的大小及加载方式的不同，所得的硬度值相互之间不能直接比较，只能查表对比。常见硬度测试为以下三种硬度测试的原理相同点用一定的试验力把压头压入试样表面。初始试验力均为10KG不同点压头形状试验力计算硬度的方式适用范围五、硬度硬度试样试样的试验面应光滑、干净，粗糙度必须保证能精确地测量压痕直径；试样可用各种冷热加工方法从原材料或零件上截取；试验面和支承面可采用不同的机械方法加工，两平面应保证平行；试样在制备过程中，应尽量避免由于受热及冷加工等对试样表面硬度的影响。试样的厚度应保证试验后试样背面无可见变形痕。洛氏硬度试样不允许进行镶嵌等影响测试结果的预处理，布氏硬度进行镶嵌处理后，不能进行大于750KG试验力的试验。五、硬度三种硬度测试对比测试方法压头压痕形状计算依据表示方式布氏硬度合金钢球圆形根据压痕表面积进行计算120HB10/1000/30硬度值/压头直径/压力/保持时间洛氏硬度金刚石圆锥/钢球圆形根据压痕深度进行计算455HRCHRC指使用金刚石圆锥压头、150KG压力进行测试维氏硬度金刚石四棱锥菱形根据压痕表面积进行计算600HV30/20硬度值/压力/保持时间五、硬度三种硬度测试对比测试方法原理优点缺点布氏硬度通过测量压痕直径计算硬度值压痕面积较大，能反映样品平均性能，所测数据稳定，重复性强对不同的材料需要更换球体和改变试验力，压痕直径测量也较麻烦压痕较大不宜在成品上进行试验洛氏硬度通过测量压痕深度计算硬度值压痕较小，可用于半成品或成品检验压痕深度可以由设备直接读出，工作效率高，适合于批量检验压痕较小，代表性差使所测硬度值重复性差、分散度大不同的标尺测得的硬度值不能直接进行比较维氏硬度通过测量压痕两对角线长度计算硬度值压痕清晰，采用对角线测量，精确可靠不同载荷测得硬度值可以直接比较硬度值测定较为麻烦，工作效率不如洛氏硬度高，所以不宜用于成批生产的常规检验五、硬度三种硬度测试对比测试方法记忆重点适用范围例子布氏硬度1、压痕大不能用于成品2、压痕大数值稳定1、适用于成分不太均匀的大件零件2、不能用于成品模具洛氏硬度1、根据压痕深度计算硬度，可由设备直接读数2、根据压痕深度计算，样品不能镶嵌3、常用HRB、HRC，压