钢的热处理及表面处理.ppt

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 第四节 钢的退火与正火 第五节 钢的淬火 第六节 钢的淬透性 第七节 钢的回火 第八节 钢的表面淬火 第九节 钢的化学热处理 第十节 热处理零件的结构工艺性 第十一节 钢铁的表面处理,第六章 钢的热处理及表面处理 （P81）,第一节 概述 1、钢的热处理（P80）,钢的热处理是指在 固态下通过对钢进 行不同的加热、保 温、冷却来改变钢 的组织结构，从而 获得所需要性能的 一种工艺。,第一节 概述 2、钢的热处理分类 （P80）,根据工艺方法来分 1）整体热处理（退火、正火、淬火、回 火） 2）表面热处理（火焰加热表面淬火、感应加热表面淬火、激光加热表面淬火等） 3）化学热处理（渗碳、渗氮、渗其它元素等）,第一节 概述 2、钢的热处理分类 （P80）,根据热处理在零件加工中的作用分 1）预先热处理（退火、正火）：为机械零件切削加工前的一个中间工序，以改善切削加工性能及为后续作组织准备。 2）最终热处理（淬火、回火）：获得零件最终使用性能的热处理 。,第一节 概述 3、过热度和过冷度 （P80）,平衡态相变线 A1、A3、Acm 加热（过热度） Ac1、Ac3、Accm 冷却（过冷度） Ar1、Ar3、Arcm,加热和冷却时相图上临界点位置,第二节 钢在加热时的组织转变 （P81）,一、奥氏体的形成 二、奥氏体晶粒度和奥氏体晶粒长大及其影响因素,第二节 钢在加热时的组织转变 一、奥氏体的形成 （P81）,奥氏体化若温度高于相变温度钢，在加热和保温阶段，将发生室温下的组织向A的转变，称为奥氏体化。,第二节 钢在加热时的组织转变 一、奥氏体的形成 （P81）,共析钢加热到Ac1点相变温度 P（F+Fe3C） A 奥氏体形成的四个步骤： 1）奥氏体晶核的形成； A晶核通常在珠光体中F和Fe3C相界处产生； 2）奥氏体晶核长大；（3）残余渗碳体的溶解；（4）奥氏体的均匀化,第二节 钢在加热时的组织转变 一、奥氏体的形成 （P81）,亚共析钢加热到Ac3以上； 过共析钢理论上应加热到Accm以上，但实际上低于Accm。因为加热到Accm以上，渗碳体会全部溶解，奥氏体晶粒也会迅速长大，组织粗化，脆性增加。,加热和冷却时相图上临界点位置,二、奥氏体晶粒度和奥氏体晶粒长大及其影响因素（P81）,1、奥氏体晶粒度 1）起始晶粒度室温下各种原始组织刚刚转变为奥氏体时的晶粒度。 2）实际晶粒度钢在具体的热处理或加热条件下实际获得的奥氏体晶粒度的大小。分为10级，1级最粗。,二、奥氏体晶粒度和奥氏体晶粒长大及其影响因素（P82）,3）本质晶粒度表示奥氏体晶粒长大的倾向性。不表示晶粒的大小。 本质粗晶粒钢：奥氏体晶粒度随着加热温度的升高不断地迅速长大。（如图6-3） 本质细晶粒钢：奥氏体晶粒度只有加热到较高温度才显著长大。,二、奥氏体晶粒度和奥氏体晶粒长大及其影响因素（P82）,3、奥氏体晶粒长大及影响因素 1）加热温度和保温时间加热温度越高，晶粒长大越快，奥氏体越粗大；保温时间延长，晶粒不断长大，但长大速度越来越慢。 2）加热速度加热速度越大，形核率越高，因而奥氏体的起始晶粒越小，而且晶粒来不及长大。 3）碳及合金元素 4）钢的原始组织,第三节 钢在冷却时的组织转变 （P82）,过冷奥氏体在共析温度（A1）以下存在的不稳定状态的奥氏体，以符号A冷表示。 随着过冷度的不同，过冷奥氏体将发生三种类型转变：1）珠光体型转变；2）贝氏体型转变；3）马氏体型转变。,一、珠光体型转变（高温转变） （一）珠光体组织形态及性能（P83）,过冷奥氏体在A1 550温度范围内将转变成珠光 体类型组织。该组织为铁素体与渗碳体层片相间 的机械混合物。这类组织可细分为：,一、珠光体型转变（高温转变） （二）珠光体转变过程（P83）,典型的扩散相变： 1）碳原子和铁原子迁移； 2）晶格重构。,（二）贝氏体型转变（中温转变） （一）贝氏体组织形态和性能（P83）,过冷奥氏体在550Ms点温度范围内将转变成贝氏体类型组织。贝氏体用符号字母B表示。根据贝氏体的组织形态可分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）。,二、贝氏体型转变（中温转变） （一）贝氏体组织形态和性能（P85）,贝氏体的力学性能 1）550350上贝氏体B上羽毛状 4045HRC脆性较大基本上无实用价值； 2）350Ms下贝氏体B下黑色竹叶状4555HRC优良的综合力学性能常用 。,二、贝氏体型转变（中温转变） （二）贝氏体转变过程（P85）,半扩散型转变只发生碳原子扩散，大质量的铁原子基本不扩散 。 贝氏体转变过程参考书本P85图67和图68。,三、马氏体型转变（低温转变） （一）马氏体组织形态和性能（P85）,当奥氏体以极大的冷却速度过冷至Ms点以下，(对于共析钢为230以下)时，将转变成马氏体类型组织。获得马氏体是钢件强化的重要基础。,（一）马氏体组织形态和性能 1、马氏体的晶体结构（P85）,马氏体M是碳在-Fe中的过饱和固溶体。 马氏体转变时，奥氏体中的C全部保留在马氏体中。 体心正方晶格 （a=bc）； c/a正方度； M中碳的质量分 数越高，其正方 度越大，晶格畸 变越严重，M的 硬度也就越高。,（一）马氏体组织形态和性能 2、马氏体的组织形态（P86）,钢中马氏体组织形态主要有两种类型:1）板条状马氏体，也称位错马氏体；2）针片状马氏体，也称孪晶马氏体。（参考图610） Wc1%针片状马氏体,（一）马氏体组织形态和性能 3、马氏体的性能（P87）,主要特点：高硬度高强度马氏体强化的主要原因是过饱和碳原子引起的晶格畸变，即固溶强化。 板条状马氏体塑性韧性较好；高碳片状马氏体的塑性韧性都较差。 在保证足够的强度和硬度的情况下，尽可能获得较多的板条状马氏体。,（二）马氏体转变特点（P87）,1） 无扩散性马氏体转变是非扩散性转变，因而转变过程中没有成分变化，M的含碳量和原来A的相同。 2）切变共格和表面浮凸现象由于原子不能进行扩散，因而晶格转变只能以切变的机制进行。 3）变温形成M只有在不断降低温度的条件下，转变才能继续进行。,（二）马氏体转变特点（P88）,4）高速长大马氏体生长速度极快，片间相撞容易在马氏体片内产生显微裂纹。 5） 转变不完全残余奥氏体A残MS点越高，M越多，A残越少。Ms和Mf点的温度与冷却速度无关，主要取决于含碳量与合金元素的含量。如图6-17,由于转变温度不同，过冷奥氏体将按不同机理转变成不同的组织（P、B、M）。转变类型主要取决于转变温度，但转变量和速度又与时间密切相关。 过冷奥氏体转变曲线表示温度、时间、和转变量三者之间的关系曲线。,四、过冷奥氏体转变曲线 (P88),过冷奥氏体等温转变曲线又叫C曲线，也称为TTT曲线。 冷却方式： 1）等温冷却 2）连续冷却,（一）过冷奥氏体等温转变曲线 （P89）,温度,时间,（1）,（2）,1为连续冷却 2为等温冷却,（一）过冷奥氏体等温转变曲线 1、等温转变曲线的建立（P89）,图618 共析碳钢C曲线的建立,等温转变曲线 可以用金相法、膨 胀法、电阻法和热 分析法等多种方法 建立。,（一）过冷奥氏体等温转变曲线 2、共析钢C曲线分析（P89）,为珠光体转变区；为贝氏体转变区；为马氏体转变区。 孕育期：转变开始线与纵坐标轴之间的距离。 鼻尖：孕育期最短处，过冷奥氏体最不稳定。550,图619 共析钢C曲线,P S T,B上 B下,M,（一）过冷奥氏体等温转变曲线 3、影响C曲线的因素（P89）,(1) 含碳量的影响（如图6-19） 1）在正常加热条件下，Wc0.77%时，含碳量增加，C曲线左移。所以，共析钢的过冷 奥氏体最稳定。 2）亚共析钢先析出 F；过共析钢先析出渗碳体。,（一）过冷奥氏体等温转变曲线 3、影响C曲线的因素（P90）,(2）合金元素的影响（如图6-20）除钴以外，所有的合金元素溶入奥氏体后，都增大过冷奥氏体A的稳定性，使C曲线右移。碳化物含量较多时，对曲线的形状也有影响。,（一）过冷奥氏体等温转变曲线 3、影响C曲线的因素（P90）,（3）加热温度和保温时间的影响随着加热温度的提高和保温时间的延长，这使奥氏体的成分更加均匀，晶粒粗大，这些都提高过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。,（二）过冷奥氏体连续冷却转变曲线（P90）,在实际生产中，过冷奥氏体大多是在连续冷却时转变的，这就需要测定和利用过冷奥氏体连续转变曲线。 过冷却奥氏体连续转变曲线又叫CCT曲线。,（二）过冷奥氏体连续冷却转变曲线（P90）,过冷奥氏体连续转变曲线（CCT曲线）与TTT曲线的区别： 1、连续冷却曲线靠右一些； 2、连续冷却曲线只有C曲线的上半部分，而没有下半部分。也就是说而没有贝氏体转变。,（二）过冷奥氏体连续冷却转变曲线（P90）,临界冷却速度获得马氏体的最小冷却速度。 vk是CCT曲线的临界冷却速度； vk是TTT曲线的临界冷却速度。 vk 1.5 vk 凡是使C曲线右移的因素都会减小临界冷却速度。,过冷奥氏体等温转变曲线的实际应用(P91),生产上常用C曲线来分析钢在连续冷却条件下的组织。（如图） 1）炉冷V1珠光体P； 2）空冷V2索氏体S； 3）油冷V3托氏体T+马氏体M； 4）水冷V4马氏体M+残余奥氏体A残 。,第四节 钢的退火与正火 一、退火和正火的主要目的（P91）,1）调整硬度以便切削加工（170HBS250HBS）； 2）消除残余应力，防止变形、开裂； 3）细化晶粒，改善组织，提高力学性能； 4）为最终热处理作组织准备。,二、退火（P91）,将金属加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺。 退火根据钢的成分和工艺目的不同，可分为完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火、去应力退火等。,二、退火（P91） 1、完全退火（重结晶退火、普通退火）,将钢完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。 主要用于亚共析钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接件。 加热温度Ac3+(3050),温度,时间,Ac3+(3050),Ac3,完全退火工艺曲线图,使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺。 主要用于过共析钢； 目的在于降低硬度、改善切削加工性能，并为后续的淬火做组织准备。 得到的组织粒状P（F基体上弥散分布着颗粒状渗碳体的组织） 加热温度 Ac1+(2040),二、退火 2、球化退火（不完全退火）（P91）,加热到高于Ac3（或Ac1）温度，保持适当时间后，较快地冷却到珠光体转变温度区间的某一温度保持使奥氏体转变为珠光体型组织，然后在空气中冷却的退火工艺。 对于亚共析钢可代替完全退火，对于过共析钢可代替球化退火。,二、退火 3、等温退火（P92）,时间,温度,空冷,等温退火工艺图,将铸件加热到略低于固相线温度（一般低于100 ）长时间保温，然后缓冷的热处理工艺。 主要用于消除某些具有化学成分偏析的铸钢件及铸锭。 加热温度 Ac3+(150200) ,二、退火 4、均匀化退火（扩散退火）（P92）,二、退火 5、去应力退火（无相变退火）（P92）,将工件加热到Ac1以下（100200）保温后随炉冷却到160以下出炉空冷。 主要用于消除内应力，稳定尺寸，防止变形与开裂。 加热温度通常为 500650,三、正火（P92）,正火是将钢加热到Ac3（或Accm）以上(3050)，保温适当的时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺，正火组织为索氏体； 正火与退火的主要区别：1）冷却速度不同；2）正火后的组织比较细，比退火强度、硬度有所提高，而且生产周期短，操作简单； 过共析钢正火后可消除网状碳化物；低碳钢正火后可显著改善切削加工性能； 正火是一种优先采用的预先热处理工艺。,各种退火和正火加热温度比较 （P92）,1）均匀化退火 Ac3+(150200) 2） 正火 Ac3或Accm+(3050) 3）完全退火 Ac3+(2050) 4）球化退火 Ac1+(2040) 5）去应力退火 500650,图624,第五节 钢的淬火（P93）,淬火将钢加热到Ac3或Ac1相变点以上某一温度，保持一定时间，然后以大于vk的速度冷却获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。 淬火的主要目的获得马氏体或下贝氏体，为以后获得各种力学性能的回火组织作准备。,一、淬火温度的选择（P93）,1）亚共析钢 Ac3+(3050)（要完全 奥氏体化） 2）过共析钢 Ac1+(3050)（是部分奥氏体化） 3）合金钢的淬火温度允许比碳素钢高，一般为临界点以上（50100）。,三、淬火介质（P93）,理想的淬火冷却速度，如图626所示。 在C曲线“鼻尖”附近快冷，而在Ms点附近应尽量慢冷。 目前常用的冷却介质有：油、水、盐水等，其冷却能力依此增加。 新型水溶性淬火介质，如表6-2所示。,三、常用淬火方法（P96）,1）单液淬火 2）双液淬火 3）马氏体分级淬火 4）贝氏体等温淬火,第六节 钢的淬透性 一、淬透性的基本概念（P96）,钢的淬透性是指在规定的条件下，钢在淬火时能够获得淬硬层深度的能力。 淬透性是钢的一种热处理工艺性能，与冷却速度无关。 淬透性也叫可淬性，它取决于钢的淬火临界冷却速度（Vk）的大小。,第六节 钢的淬透性 二、淬透性对钢力学性能的影响（P97）,淬透性对钢的力学性能有很大影响。淬透的工件，表里性能均匀一致；未淬透时，表里性能存在差异。 淬透的工件经调质后由表及里都是回火索氏体，而未淬透的工件心部是片状索氏体和铁素体，尤其是韧性（ak)相差特别大。 不同的零件对淬透性要求不一样。如弹簧要求淬透，而齿轮即不要求淬透。,第六节 钢的淬透性 三、影响淬透性的因素（P97）,影响钢的淬透性的决定性因素是临界冷却速度（vk)，临界冷却速度越小，淬透性越大。影响因素有： 1、含碳量 共析点附近淬透性最好，远离S点差。 2、合金元素 除Co外，几乎所有的合金元素都降低钢的临界冷却速度，即提高钢的淬透性。 3、奥氏体化温度越高，保温时间越长，钢的淬透性增大。,第六节 钢的淬透性 四、淬透性的测定和表示方法（P98）,未端淬火法GB22588 钢的淬透性表示方法 临界淬透直径Dc它是指心部得到全部M或50%M的最大直径。,3035,10,J,第六节 钢的淬透性 五、淬透性与淬硬层深度的关系（P98）,在相同的条件下，钢的淬透性越高，淬硬层深度就越大。 工件的淬硬层深度除取决于钢的淬透性外，还受淬火介质和工件尺寸等外部因素的影响。,第六节 钢的淬透性 六、淬硬性与淬透性（P99）,淬硬性是指钢在正常淬火条件下，所能达到的最高硬度。是钢的一种工艺性能。 奥氏体中固溶的碳越多，淬硬性就越高。与合元素没有多大关系。而淬透性与合金元素就有很大的关系。 淬硬性高的钢，其淬透性不一定高。,第六节 钢的淬透性 七、淬透性在生产中的应用（P99）,对承受动载荷的一些重要零件要选用能全部淬透的钢；如发动机连杆、弹簧等； 当零件表里性能可以不一致时（不要求淬透），选用淬透性适宜的钢即可。如齿轮； 焊接件不可选用淬透性高的钢，否则就容易在焊缝附近出现淬火组织，造成变形和裂纹； 对于淬透性好的钢，可以采用冷却速度缓慢的淬火介质。这对于复杂工件十分有利。,第七节 钢的回火（P99）,淬火获得的马氏体组织脆性很大，一般须经回火以改善其性能才能使用； 回火是指将淬火后的钢再加热到不超过Ac1的温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。,一、回火的目的（P100）,1）降低脆性，消除或减小内应力。防止工件变形或开裂； 2）获得工件所要求的力学性能； 3）稳定工件尺寸；M+A残 F+ Fe3C（或碳化物） 4）改善切削加工性能。,二、淬火钢在回火时的转变 （P100）,1）100，碳原子向位错线附近或间隙位置聚集。伴有硬度升高现象； 2）100250，马氏体分解：M 回M； 回M=+ -碳化物（ 为过饱和固溶体；-碳化物与母相共格，其分子式为Fe2.4C)； 这个转变称为回火第一阶段； 性能变化：高硬度，但应力和脆性大大消除；,二、淬火钢在回火时的转变 （P100）,3）200300，残余奥氏体分解：A残 回马； 性能变化：有A残的分解，硬度没有明显降低； 这次转变称为回火第二阶段； 4）250400，碳化物类型变化：回M 回T； （回T称为回火托氏体，组织为保持原M形态的F和粒状的Fe3C）； -碳化物 粒状的Fe3C； 这种转变称为第三阶段； 性能变化：硬度下降，韧性增加，具有良好的弹性极限和抗疲劳性能，应力全部消除；,二、淬火钢在回火时的转变 （P100）,5）400700，相回复与再结晶，渗碳体球化和粗化；回T 回S；（回S称为回火索氏体，组织为等轴F+粒状Fe3C2）； 这个阶段称回火第四阶段； 性能变化：硬度进一步下降，韧性提高，具有良好的综合力学性能； 650， Fe3C2颗粒长大，组织称为回P； 性能变化：硬度强度显著降低，韧性塑性提高。,1、低温回火（150250）回火M5864HRC； 降低残余应力和脆性，保持钢在淬火后得到的高硬和高耐磨性； 应用：高碳工模具、量具、滚动轴承等。 2、中温回火（350500）回火T3545HRC； 获得高屈服强度、弹性极限和较高的韧性。 应用：弹簧、模具等。 3、高温回火（500650）回火S2035HRC； 得到强度、塑性、韧性较好的综合力学性能。 调质处理 淬火加高温回火得到回火S的热处理工艺。 应用：各种重要的结构零件，如连杆、曲轴、等。,三、回火的种类及应用（P101）,淬火加回火工艺曲线图,温度,时间,550,450,200,低温回火 中温回火 高温回火,调质处理,Ac3+40,淬火阶段,回火阶段,四、回火脆性（P101）,淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象。 第一类回火脆性 （低温回火脆性）200350， 不可逆，所有淬火钢都存在， 生产上常避开此区间回火； 第二类回火脆性 （高温回火脆性）450650， 可逆，仅存在于含Cr、Ni、 Mn等钢中，回火后快冷或加 入Mo元素可避免。,第八节 钢的表面淬火 （P101）,表面淬火的目的：使零件表面获得高硬度和高耐磨性，而心部仍保持原来良好的韧性和塑性。 表面淬火不改变表面化学成分，只改变其表面组织。 含碳量在0.4%0.5%的优质碳素结构钢是最适宜于表面淬火。,（一）感应加热基本原理采用电磁感应方法使零件表面迅速加热，然后迅速喷水冷却的热处理操作。 （二）感应加热的频率 1、高频 200300KHz；淬硬深度0.52.5mm 小件； 2、中频25008000Hz；淬硬深度210mm 尺寸较 大的工件； 3、工频 50Hz ；淬硬深度1020mm 大型工件。,一、感应表面淬火（P102）,=,20,f,二、其它表面加热淬火方法 （P103）,火焰加热表面淬火乙炔氧化焰直接喷射工件表面，使其快速加热，当达到淬火温度时立即喷水冷却，以获得表面硬化效果的表面淬火工艺。 电接触加热表面淬火采用低电压、大电流，通过压紧在工件表面的滚轮与工件形成回路，靠接触电阻热实现快速加热，滚轮移去后即进行自激冷淬火。 激光表面淬