机械工程材料ch4钢的热处理ppt课件.ppt

1 机械工程材料 MechanicalEngineeringMaterialsScience 第四章钢的热处理 HeatTreatmentofSteel 概述钢在加热时的转变钢在冷却时的转变钢在回火时的转变 热处理概述 1 热处理的定义 2 热处理的主要目的 改变钢的性能 3 热处理的应用范围 整个制造业 4 热处理的分类 热处理 普通热处理 表面热处理 退火 正火 淬火 回火 表面淬火 化学热处理 感应加热淬火 火焰加热淬火 渗碳 渗氮 碳氮共渗 第一节钢在加热时的组织转变 转变温度奥氏体的形成奥氏体晶粒度及对力学性能的影响 一 转变温度 transformationtemperature 二 奥氏体的形成过程奥氏体化也是形核和长大的过程 分为四步 现以共析钢为例说明 第一步奥氏体晶核形成 首先在 与Fe3C相界形核 第二步奥氏体晶核长大 晶核通过碳原子的扩散向 和Fe3C方向长大 第三步残余Fe3C溶解 铁素体的成分 结构更接近于奥氏体 因而先消失 残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失 第四步奥氏体成分均匀化 Fe3C溶解后 其所在部位碳含量仍很高 通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀 A A形核 A长大 残余Fe3C溶解 A均匀化 影响奥氏体形成的因素 4 合金元素 合金元素可以改变钢的临界温度 影响碳的扩散速度 从而限制奥氏体的形成速度 2 加热速度 速度越大 奥氏体形成时间越短 3 钢中碳的质量分数 质量分数越多 相界面增多 则有利于奥氏体的形成 1 加热温度 温度越高 奥氏体形成速度越快 三 奥氏体晶粒度及对力学性能的影响 一 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 标准晶粒度等级 钢的本质晶粒度示意图 二 奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响 1 奥氏体晶粒均匀细小 热处理后钢的力学性能提高 2 粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂 三 影响奥氏体晶粒长大的因素 3 合金元素 阻碍奥氏体晶粒长大的元素 Ti V Nb Ta Zr W Mo Cr Al等碳化物和氮化物形成元素 1 加热温度和保温时间 加热温度高 保温时间长 晶粒粗大 2 加热速度 加热速度越快 过热度越大 形核率越高 晶粒越细 第二节钢在冷却时的组织转变 钢在热处理时的冷却方式过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变 钢在热处理时的冷却方式 一 过冷奥氏体的等温冷却转变 一 建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线 TTT曲线 C曲线 T timeT temperatureT transformation 共析碳钢TTT曲线建立过程示意图 A1 二 共析碳钢TTT曲线的分析 稳定的奥氏体区 过冷奥氏体区 A向产物转变开始线 A向产物转变终止线 A 产物区 产物区 A1 550 高温转变区 扩散型转变 P转变区 550 230 中温转变区 半扩散型转变 贝氏体 B 转变区 230 50 低温转变区 非扩散型转变 马氏体 M 转变区 三 转变产物的组织与性能 1 珠光体型 P 转变 A1 550 A1 650 P 15 27HRC 片间距为0 6 0 7 m 500 650 600 细片状P 索氏体 S 片间距为0 2 0 4 m 1000 27 38HRC 600 550 极细片状P 托氏体 T 片间距为 0 2 m 电镜 38 43HRC 珠光体形貌像 索氏体形貌像 托氏体形貌像 2 贝氏体型 B 转变 550 230 550 350 B上 40 45HRC 上贝氏体转变过程 上贝氏体组织金相图 2 贝氏体型 B 转变 550 230 350 230 B下 50 60HRC 下贝氏体组织金相图 上贝氏体强度与塑性都较低 无实用价值 下贝氏体除了强度 硬度较高外 塑性 韧性也较好 即具有良好的综合力学性能 是生产上常用的强化组织之一 3 马氏体型 M 转变 230 50 1 定义 马氏体是一种碳在 Fe中的过饱和固溶体 2 马氏体形成 在一个温度范围内连续冷却完成 转变速度极快 即瞬间形核与长大 无扩散转变 Fe C原子均不扩散 M与原A的成分相同 造成晶格畸变 转变不完全性 3 马氏体的晶体结构 由于碳的过饱和作用 使 Fe晶格由面心立方变成体心正方晶格 4 马氏体的组织形态 板条状 低碳马氏体 0 2 C 30 50HRC 9 17 低碳板条状马氏体组织金相图 4 马氏体的组织形态 针 片状 高碳马氏体 1 C 66HRC左右 1 高碳针片状马氏体组织金相图 5 马氏体转变的基本特征 由于马氏体转变的无扩散性 因而马氏体的化学成分与母相奥氏体完全相同 显然 马氏体是碳在 Fe中的过饱和间隙固溶体 造成晶格的严重畸变 成为具有一定正方度 c a 的体心正方晶格 过冷奥氏体向马氏体的转变 必须在不断降温条件下转变才能继续进行 冷却过程中断 转变立即停止 马氏体转变是指钢从奥氏体状态快速冷却 来不及发生扩散分解而产生的无扩散型的相变马氏体转变是 通过切变和原子的微小调整来实现 相向 相转变的 即使冷却到Mf点 也不可能获得100 的马氏体 总有部分奥氏体未能转变而残留下来 称残余奥氏体 用A 或 表示 奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响 奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响 6 马氏体的性能 主要取决于马氏体中的碳浓度 三 影响TTT曲线形状与位置的因素 1 奥氏体中含碳量的影响 共析钢的过冷奥氏体最稳定 C曲线最靠右 Ms与Mf点随含碳量增加而下降 与共析钢相比 亚共析钢和过共析钢C曲线的上部各多一条先共析相的析出线 亚共析钢的TTT曲线 P F S F T B M A残 过共析钢的TTT曲线 P Fe3C S Fe3C T B M A残 亚共析钢随着含碳量的增加C曲线向右移动过共析钢随着含碳量的增加C曲线向左移动 2 奥氏体中含合金元素的影响 除Co Al 2 5 外 所有合金元素溶入奥氏体中 会引起 3 加热温度和保温时间的影响 加热温度越高 保温时间越长 碳化物溶解充分 奥氏体成分均匀 提高了过冷奥氏体的稳定性 从而使TTT曲线向右移 过冷奥氏体转变产物 共析钢 四 过冷奥氏体的连续冷却转变 一 建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线 CCT曲线 C continuousC coolingT transformation 一 共析碳钢CCT曲线建立过程示意图 Pf Ps A P K Ms Mf 二 共析碳钢TTT曲线与CCT曲线的比较 三 在连续冷却过程中TTT曲线的应用 V1 5 5 s 炉冷 P V2 20 s 空冷 S V3 33 s 油冷 T M A残 V4 138 s 水冷 M A残 第三节钢的退火与正火 预备热处理 退火 正火 最终热处理 淬火 回火 一般零件生产的工艺路线 一 钢的退火 Annealingofsteel 一 定义 把零件加温到临界温度以上30 50 保温一段时间 然后随炉冷却 二 目的 消除应力 降低硬度 细化晶粒 均匀成分 为最终热处理作好组织准备 三 种类 退火 重结晶退火 低温退火 完全退火 扩散退火 球化退火 再结晶退火 去应力退火 普通退火 等温退火 普通球化退火 等温球化退火 1 完全退火将亚共析钢加热至Ac3以上20 30 保温足够时间奥氏体化后 随炉缓慢冷却 从而获得接近平衡状态的组织 这种热处理工艺称为完全退火 完全退火的目的为 1 消除铸 锻件中存在的魏氏组织或带状组织 细化晶粒和均匀组织 2 消除铸 锻件中存在的内应力 降低硬度 便于切削加工 完全退火只适用于亚共析钢 不适用于过共析钢 2 不完全退火将亚共析钢在Ac1 Ac3之间或过共析钢在Ac1 Accm之间两相区加热 保温足够时间后缓慢冷却的热处理工艺 称为不完全退火 不完全退火的目的是 改善珠光体组织 消除内应力 降低硬度以便切削加工 亚共析钢不完全退火的温度一般为740 780 其优点是加热温度低 操作条件好 节省燃料和时间 3 球化退火将过共析钢加热在Ac1上 保温后 当冷却到Ar1下缓慢冷却的热处理工艺 称为不完全退火球化退火是一种将钢中渗碳体或碳化物由片状变为粒状 均匀分布在铁素体基体上的热处理工艺 主要用于过共析钢 是一种不完全退火 球化退火的目的是 消除钢中的片状珠光体 代之以粒状珠光体 经球化退火后的组织有以下优点 由片状珠光体变为粒状珠光体 可降低钢的硬度 改善其切削加工性能 粒状珠光体加热时奥氏体晶粒不易长大 允许有较宽的淬火温度范围 淬火时变形开裂倾向小 能获得最佳的淬火组织 即马氏体片细小 残余奥氏体量少 并保留有一定量均匀分布的粒状碳化物 4 扩散退火扩散退火是通过高温长时间加热 使合金元素扩散均匀 以消除或减弱枝晶偏析的热处理工艺 主要用于合金钢锭或铸件 扩散退火温度通常为1100 1200 保温时间为10 15小时 5 软化退火软化退火是消除钢锭或合金结构钢锻轧钢材内应力 降低其硬度的热处理工艺 软化退火温度通常为650 720 保温后出炉空冷 6 再结晶退火再结晶退火是将冷加工后的钢材加热至T再 Ac1之间 通常为650 700 使变形晶粒恢复成等轴状晶粒 从而消除加工硬化的热处理工艺 四 常用的工艺参数 二 钢的正火 Normalizingofsteel 一 定义 把零件加温到临界温度以上30 50 保温一段时间 然后在空气中冷却 二 目的 消除应力 调整硬度 细化晶粒 均匀成分 为最终热处理作好组织准备 三 工艺参数及目的 目的 亚共析钢细化晶粒 消除组织中的缺陷 其珠光体片层较细 钢的强度和硬度提高 过共析钢正火的目的主要是抑制或消除网状渗碳体 四 工艺参数 四 热处理后的组织 S Wc 0 6 1 4 S F Wc 0 6 五 应用范围 1 预备热处理 调整低 中碳钢的硬度 消除过共析钢中的Fe3C 2 最终热处理 用于力学性能要求不高的普通零件 一 定义 把零件加温到临界温度以上30 50 保温一段时间 然后快速冷却 水冷 二 目的 为了获得马氏体组织 提高钢的硬度和耐磨性 获得优异的综合性能 或者某些特殊的物理和化学性能 第四节钢的淬火 三 工艺参数 四 热处理后的组织 M Fe3C A残 Ac1 30 50 过共析钢 M A残 Ac1 30 50 共析钢 M A残 Ac3 30 50 亚共析钢Wc 0 5 M Ac3 30 50 亚共析钢Wc 0 5 五 淬火加热时间 t 的选择 t KD 六 淬火冷却介质 1 理想淬火冷却介质 2 常用的淬火冷却介质 水的冷却能力强 但低温却能力太大 只使用于形状简单的碳钢件 油在低温区冷却能力较理想 但高温区冷却能力太小 使用于合金钢和小尺寸的碳钢件 熔盐作为淬火介质称盐浴 冷却能力在水和油之间 用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火 七 常用的淬火方法 采用不同的淬火方法可弥补介质的不足 1 单液淬火法加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法 操作简单 易实现自动化 水淬工件变形开裂倾向大 油淬火冷却能力低 2 双液淬火法工件先在一种冷却能力强的介质中冷 却躲过鼻尖后 再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法 如水淬油冷 油淬空冷 优点是冷却理想 缺点是不易掌握 用于形状复杂的碳钢件及大型合金钢件 3 分级淬火法在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火 待内外温度均匀后再取出缓冷 可减少内应力 用于小尺寸工件 盐浴炉 4 等温淬火法将工件在稍高于Ms的盐浴或碱浴中保温足够长时间 从而获得下贝氏体组织的淬火方法 经等温淬火零件具有良好的综合力学性能 淬火应力小 适用于形状复杂及要求较高的小型件 八 钢的淬硬性 Hardeningofsteel 1 定义 是指钢在淬火后所能达到的最高硬度 2 影响钢的淬硬性的因素 主要取决于马氏体的含碳量 九 钢的淬透性 Hardenabilityofsteel 1 定义 是指钢在淬火时所能得到的淬硬层 马氏体组织占50 处 的深度 2 影响钢的淬透性的因素 主要是临界淬火冷却速度VK的大小 VK越大 钢的淬透性越小 工件淬硬层与冷却速度的关系 3 影响淬透性的因素 钢的淬透性取决于临界冷却速度Vk Vk越小 淬透性越高 Vk取决于C曲线的位置 C曲线越靠右 Vk越小 因而凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素 即除Co外 凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高 奥氏体化温度高 保温时间长也使钢的淬透性提高 4 淬透性测试方法 1 端淬法 Jominy J表示末端淬透性 d表示半马氏体区到水冷端的距离 HRC为半马氏体区的硬度 即用表示 2 用临界淬透直径表示临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却 中心被淬成半马氏体的最大直径 用D0表示 5 淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响 第五节钢的回火 Temperingofsteel 一 定义 把淬火后的零件重新加温到A1线以下某个温度 保温一段时间 然后冷却到室温 二 目的 消除淬火应力 降低脆性 稳定工件尺寸 调整淬火零件的力学性能 三 钢在回火时的转变 1 马氏体分解 100 200 100 以上回火 马氏体开始发生分解 从过饱和 固溶体中析出弥散的 碳化物 这种碳化物的成分和结构不同于渗碳体 是亚稳定相 一定饱和度的 固溶体和弥散分布的 碳化物组成的复相组织 称为回火马氏体 2 残余奥氏体的转变 200 300 在200 300 之间回火时 钢中的残余奥氏体将会发生分解 产物是过饱和的 固溶体和 碳化物组成的复相组织 相当于回火马氏体或下贝氏体 3 碳化物的转变 300 400 在300 400 范围内回火 碳化物将自发地向稳定相渗碳体转变 由饱和针状的 固溶体和细小颗粒状的渗碳体组成的组织称为回火托氏体 4 渗碳体的聚集长大和相的再结晶 400 以上 回火温度升高到400 以上 渗碳体明显聚集长大 由等轴的相和粗粒状的渗碳体组成的组织称为回火索氏体 回火马氏体组织金相图 回火托氏体组织金相图 回火索氏体组织金相图 四 工艺参数 淬火 高温回火 调质处理 五 回火脆性 1 低温回火脆性 第一类回火脆性 淬火钢在250 400 之间回火时出现的回火脆性 几乎所有钢都存在 也称为不可逆回火脆性 产生原因尚不清楚 一般不在此温度回火 2 高温回火脆性 第二类回火脆性 一些含Ni Cr Mn的合金钢 淬火后在400 550 回火 产生脆性 主要原因时由于Ni Cr Mn促进杂质元素在晶界的偏聚 回火后快冷可抑制该脆性 用C曲线定性说明连续冷却转变产物 根据与C曲线交点位置判断转变产物 P 均匀A 细A 等温退火 P P 退火 炉冷 正火 空冷 S 淬火 油冷 T M A 等温淬火 B下 M A 分级淬火 M A 淬火 水冷 M回 150 250 T回 350 500 S回 500 650 P T S回 S T B下 M A 第六节可控气氛热处理和化学热处理工艺 一 可控气氛热处理和真空热处理 热处理过程中产生烧损和热氧化 脱碳等缺陷 1 可控气氛热处理向炉内通入一种或几种一定成分的气体 通过对这些气体成分的控制 使工件在热处理过程中不发生氧化和脱碳 四种气体具有氧化和脱碳作用的气体 O2 CO2 H2O具有还原作用的气体 CO和H2中性气体 N2 具有强烈渗碳作用的气体 CH4及其他碳氢化合物四类可控气氛放热式气氛 煤气或丙烷混合空气燃烧 防止零件氧化 吸热式气氛 煤气 天然气或丙烷混合空气 外加热反应 防止氧化和脱碳 用于渗碳处理 氨分解气氛 氨气分解为氮和氧 含铬较高的合金钢 滴注式气氛 液体有机化合物 甲醇 乙醇等用于井式炉 可以控制碳氮气氛 实现渗碳 碳氮共渗 软氮化等 2 真空热处理真空具有保护作用 表面净化作用 脱脂作用 脱气作用及工件变形小等特点 利用真空热处理可以进行真空退火 光亮退火 用于冷拉钢丝的中间退火 不锈钢及有色合金的退火 可以进行真空淬火 应用于各种钢的淬火处理 尤其是高合金工具钢的淬火处理 保证热处理工件质量 提高工件的性能 工艺的核心 使零件具有 表硬里韧 的力学性能 二 钢的化学热处理 ChemicalHeatTreatment 一 定义 将零件置于一定的化学介质中 通过加热 保温 使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层 以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺 二 化学热处理的基本过程 2 吸收 活性原子被零件表面吸收和溶解 3 扩散 活性原子由零件表面向内部扩散 形成一定的扩散层 三 化学热处理进行的条件 1 渗入元素的原子必须是活性原子 而且具有较大的扩散能力 2 零件本身具有吸收渗入原子的能力 即对渗入原子有一定的溶解度或能与之化合 形成化合物 1 钢的渗碳 Carburizeofsteel 1 定义 向钢的表面渗入碳原子的过程 2 目的 获得具有表硬里韧性能的零件 3 用钢 低碳钢和低碳合金钢 4 方法 固体 气体 液体渗碳 四 化学热处理的种类 渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗硼 渗铝 渗硫 渗硅 渗铬等 固体渗碳法示意图 气体渗碳法示意图 5 工艺 加热温度为900 950 渗碳时间一般为3 9小时 6 渗碳后的组织 7 渗碳后的热处理工艺 1 直接淬火法将渗碳工件出炉预冷到稍高于心部的Ar3温度 而后直接淬火的热处理工艺叫直接淬火法 淬火后在150 200 回火2 3小时 2 一次淬火法工件渗碳后随炉冷却或出炉坑冷或空冷到室温 然后再加热到淬火温度进行淬火和低温回火的处理工艺 称为一次淬火法 渗碳后一次淬火工艺曲线 3 二次淬火法工件渗碳后冷至室温 再重新加热两次 进行两次淬火 或一次正火一次淬火 第一次淬火是为了细化心部组织和消除表层网状碳化物 因此 加热温度应选在心部的Ac3以上 第二次淬火是为了改善渗碳层的组织和性能 使其获得细针状马氏体和均匀分布的未溶碳化物颗粒 因此 加热温度通常选在Ac1以上30 50 渗碳零件经淬火 低温回火后 表层组织应由细片状回火马氏体 细粒状碳化物和少量残余奥氏体组成 硬度为HRC58 62 渗碳后二次淬火工艺曲线 7 渗碳后的热处理工艺 8 热处理后的组织 低碳M回 F M回 Cm A残 低碳合金钢 F P M回 Fe3C A残 低碳钢 9 常用的钢种 15 20 20Cr 20Mn2 20CrMnTi 18Cr2Ni4WA等 20CrMnTi钢渗碳层组织 化染 320 渗碳体 白色块状 高碳M 兰色针状 残余A 棕黄色 2 钢的渗氮 Nitridationofsteel 1 定义 向钢的表面渗入氮原子的过程 2 目的 获得具有表硬里韧及抗蚀性能的零件 3 用钢 中碳合金钢 4 方法 气体渗氮 5 工艺 加热温度500 600 保温时间0 3 0 5mm 20 50h 6 热处理特点 渗氮前需调质处理 渗氮后不需热处理 7 渗氮处理后的组织表层 Fe4N Fe2N AlN CrN MoN TiN VN 心部 S回 8 常用的钢种 35CrMo 18CrNiW 38CrMoAlA 氮化王牌钢 等 38CrMoAl气体渗氮层组织 化染 650 黄色区 Fe2 3N Fe4N 红色区 Fe4N 蓝绿色区 含氮索氏体 脉状氮化物 绿黄色区 索氏体基体 3 钢的碳氮共渗 Carbonitridingofsteel 1 定义 向钢的表面同时渗入碳和氮原子的过程 2 目的 获得具有表硬