钢的热处理.doc

第三章 钢的热处理本章授课学时：12 学时 （其中讨论2学时）本章重点内容：1.奥氏体的形成过程；2.过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能；3.TTT 曲线；4.钢的淬火及钢的淬透性；5.钢的回火、回火种类及应用；6.钢的化学热处理。 本章难点内容：1.贝氏体、马氏体的组织形态与性能；2.影响钢淬透性、淬硬性的元素。 第一节 钢在加热时的转变（2学时）目的要求:通过讲授钢的A形成,使学生掌握A化过程的基本规律。 本节重点:A形成的基本过程。 本节难点:A晶粒大小的控制方法。 授课内容: 一、A的形成过程 1.基本过程 共析钢加热至A1(AC1)以上时,将形成奥氏体,即发生P(F+Fe3C)A的转变。可见A的形成是通过形核和长大的过程来实现的。A晶粒的形成 奥氏体的晶核易于在渗碳体相界面上形成。A的长大 残余Fe3C的溶解 A均匀化 亚共析钢和过共析钢在加热时的转变过程与共析钢略有不同。即在P向A转变完成后,还有未转变的F和Fe3C。因此,只有继续加热到AC3和Accm后才能得到全部的A。2.影响A转变的因素 T的影响：提高加热T,将加速A的形成。 加热速度的影响:随着加热速度的增加,奥氏体形成温度升高,形成所需的时间缩短。原始组织的影响:由于奥氏体的晶核是在铁素体和渗碳体的相界面上形成,所以原始组织越细,相界面越多,形成奥氏体晶核的基地越多,奥氏体转变就越快。 化学成分的影响:随着钢中含碳量增加,铁素体和渗碳体相界面总量增多,有利于奥氏体的形成。 二、A晶粒长大及其影响因素 1.A晶粒度的概念 根据奥氏体形成过程和晶粒长大情况,奥氏体晶粒度可分为起始晶粒度,实际晶粒度和本质晶粒度三种。 2.影响A晶粒长大的因素 加热温度和保温时间:随着温度升高晶粒将长大。温度愈高,晶粒长大愈明显。在一定温度下,保温时间愈长,奥氏体晶粒也越粗大。 钢的成分:奥氏体中的含碳量增高时,晶粒长大的倾向增多。若碳以未溶的碳化物形式存在,则它有阻碍晶粒长大的作用。三、加热时常见的缺陷1.过热和过烧2.氧化和脱碳第二节 钢在冷却时的转变（2学时）目的要求 :通过讲授过冷A的转变使学生掌握过冷A等温转变曲线及转变产物与性能。 本节重点 :过冷A冷却转变曲线 本节难点 :过冷A转变产物和性能。 授课内容 : 一、过冷 A等温转变曲线 过冷奥氏体等温转变曲线通常采用金相法,硬度法,膨胀法,磁性法等方法建立。 二、过冷 A等温转变曲线分析转变开始线：转变结束线：水平线A1：奥氏体稳定区,过冷奥氏体区,转变产物区,过冷奥氏体和转变产物共存区。 共析钢的过冷奥氏体可发生三种不同的转变:高温转变,其转变产物为珠光体,所以又称为珠光体转变；C曲线鼻尖至MS线区间的中温转变,其转变产物为贝氏体,所以又称为贝氏体转变；在MS线以下区间的低温转变,其转变产物为马氏体,所以又称为马氏体转变。 三、过冷 A等温转变的产物及性能 1.P转变 一是碳原子的扩散；二是晶格的重构。由此形成片层相间的F和Fe3C的机械混合物,它的转变过程是一个在固态下形核和长大的相变过程。按P片层距的大小,将P分为P(0.4um),S(0.4-0.2um),T(0.2um)。随着片层距的减小,P的硬度在逐渐提高。 2、B转变 冷奥氏体在550度-M S (230度)之间转变为贝氏体转变。贝氏体是过冷奥氏体在贝氏体转变温度区转变而成的由铁素体与碳化物所组成的亚稳组织。转变也要进行晶格改组和碳原子的扩散(但扩散不充分),其转变过程也是在固态下的形核和长大过程。贝氏体组织随着奥氏体成分及温度的不同有多种形态。在550度350度之间,形成上贝氏体组织,如图6-7(a)所示。但由于上贝氏体是由粗大的片条状铁素体和粗大的,不均匀的渗碳体所组成,所以韧性显著降低,工程上尽量避免得到此中组织。在350度230度之间,形成下贝氏体组织,如图6-7(b)所示。因下贝氏体中的铁素体针细小,渗碳体弥散度大,分布均匀,所以强度,硬度进一步提高,塑性,韧性又有所改善,具有良好的综合机械性能。目前生产上此用等温淬火工艺,以获得下贝氏体组织。 3、M转变 当过冷奥氏体过冷到MS点以下,即形成了碳在-Fe中的过饱和固溶体,即马氏体。 M转变的特点：a、非扩散相变。b、M的形成时间规则。c、M转变是在一定温度区内进行(M S -M f )。d、M转变的未彻底性。 M的形态 板条状马氏体和片状马氏体。 M的力学性能 高硬度,马氏体的硬度主要取决于含碳量。随着马氏体含碳量的增高,其硬度随着增高。高碳片状马氏体的塑性和韧性差,脆性大。低碳板条状马氏体不仅有较高的强度,而且塑性和韧性也相当好。 4、影响过冷A转变的因素 碳的影响:奥氏体含碳量对C曲线的形状没有什么影响,仅使其位置左右移动。 合金元素的影响:除了钴以外,所有的合金元素的溶入都使过冷奥氏体趋于稳定,使C曲线的位置右移。碳化物形成元素含量较多时,不仅影响C曲线的位置,而且还会改变C曲线的形状,可能出现两组C曲线。 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,使过冷奥氏体稳定性增加,使C曲线右移。 四、过冷奥氏体连续转变曲线图 1共析钢过冷奥氏体连续转变图连续冷却转变曲线比等温转变曲线略微偏右下一点，同时在转变曲线上没有转变区。过冷奥氏体等温冷却转变曲线在连续冷却中的应用，连续冷却转变曲线的测定，在技术上要比等温转变曲线困难，也不易达到准确，这就给使用带来不方便，钢的连续冷却转变曲线与等温转变曲线的上半部分基本上是一致的，特别在高温时转变产物和性能差别不明显，所以目前生产中常根据等温转变曲线定性地、近似地分析连续冷却时的奥氏体转变的组织。 第三节 钢的退火、正火和淬火（2学时） 目的要求：通过讲授使学生掌握退火、正火和淬火的目的、工艺规范、淬火介质及应用。本节重点 :退火、正火和淬火工艺及应用。 教学方法 :课堂讲授为主,结合多媒体教学及课堂讨论。 授课内容： 一、退火和正火的目的 软化钢件以便进行切削加工；消除残余应力,以防钢件的变形,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)做好组织上的准备。 二、退火和正火工艺及其应用(一)退火工艺及应用 钢的退火是把钢加热到高于或低于临界点(AC3或AC1)的某一温度,保温一定时间，然后随炉缓慢冷却,以获得接近平衡组织的一种热处理工艺。 1完全退火 完全退火是将工件加热至AC3以上30度50度,保温一定时间后,随炉缓慢冷却或埋在砂中(或埋在石灰中冷却)到500度以下,空冷至室温的工艺过程。 完全退火主要用于亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸,锻件及热轧型材,有时也用于焊接结构。完全退火工艺时间很长,所以为了缩短退火时间,提高生产率，采用等温退火。 2.球化退火 球化退火是把钢件加热到AC3以上20度30度,经适当保温后缓冷(50度/h)到500度以下,将珠光体中的渗碳体由片状转化为球状的一种工艺。球化退火主要用于过共析钢,其主要目的在于得到球状珠光体,以降低钢的硬度,改善切削加工性能,并为以后的淬火做好组织准备。 3.去应力退火 去应力退火是将工件随炉冷缓慢加热到500-650度,经适当时间保温后,随炉冷却到300200度以下出炉。对于消除铸件、锻件、焊接结构、热轧件、冷拉件等的内应力,必须进行去应力退火。 (二)正火工艺及应用 正火是把亚共析钢加热到AC3以上3050度,过共析钢加热到ACCm以上3050度,保温后在空气中冷却的工艺。 正火的主要应用是: 用于普通结构零件,作为最终热处理。 用于低,中碳结构钢,作为预先热处理,可获得合适的硬度,便于切削加工。 用于过共析钢,作为球化退火前的准备工序，用来抑制或消除网状二次渗碳体的形成,利于碳化物的球化。 三、淬火的目的 将钢加热到A C1 或A C3 以上3050度,保温后快速冷却的操作,称为淬火。淬火的目的是为了获得马氏体或贝氏体组织,提高钢的机械性能。它是强化钢材的最重要的热处理方法。 四、淬火温度的选择碳钢的淬火温度可根据FeFe3C相图来选择,亚共析钢的淬火加热温度是(AC3+30-50)度,此时可全部得到奥氏体,淬火后得到马氏体组织。过共析钢的淬火温度是(AC1+30-50)度,得到奥氏体和渗碳体组织,淬火后获得均匀细小的马氏体和粒状渗碳体混合组织。五、淬火冷却介质 1、理想淬火介质的冷却特性 冷却是关系到淬火质量高低的关键操作,即既要快冷,防止过冷奥氏体转变为非马氏体组织,以获得马氏体组织,又要减少变形和防止开裂。为此,一方面要选择适当的淬火介质,另一方面要改进淬火方法。2、常用淬火介质 常见的淬火冷却介质有油,水,盐水和碱水,它们的冷却能力依次增加。其中水和油目前生产中应用最广的冷却介质。 六、常见的淬火方法1、单液淬火 单液淬火就是将奥氏体化后的工件淬入一种冷却介质中连续冷却至室温的操作方法,这是生产中最常用的一种淬火方法。2、双液淬火 最常用的双液淬火是油冷,它是根据水和油的冷却特性提出的。适用于形状复杂程度中等的高碳钢小零件和尺寸较大的合金钢零件。3、分级淬火 将加热好的零件先浸入一种冷却能力强的介质,冷却到M S 点附近(约300度),取出后立即放入另一种冷却能力较弱的介质中冷却,使马氏体转变在较缓慢的冷却速度下进行,这种淬火方法称为双介质淬火法。4、等温淬火法 加热好的零件投入温度稍高于M S 点的盐浴或碱浴中,保温足够的时间,使过冷奥氏体向下贝氏体转变,转变完成后取出空冷。这种淬火方法称为等温淬火。5、局部淬火 有些工件按其工作条件如果只是局部要求高硬度,则可以进行局部加热淬火的方法,以避免工件其他部分产生变形和裂纹。 6、冷处理 冷处理就是将淬火钢继续冷却至室温以下的某一温度,并停留一定时间,使残余奥氏体转变为马氏体,然后恢复到室温。 第五节 钢的淬透性 目的要求 : 通过讲授使学生掌握淬透性的概念及实际应用定义。 重点 :淬透性的实际应用。 教学方法 :课堂讲授结合多媒体演示。 授课内容 : 一、淬透性 1、淬透性的概念 淬透性表示钢在淬火时获得马氏体的能力。 2、影响淬透性的因素 淬透性的大小主要取决于钢的临界冷却速度(V k )。因此,凡是影响C曲线位置的因素,均能影响钢的淬透性。 3、淬透性的评定 临界直径测定法。 钢材在某中介质中淬火后,心部得到全部马氏体或50%马氏体组织时的最大直径称为临界直径。临界直径越大,表明钢的淬透性越高。 端淬实验法 端淬实验法是用标准尺寸的端淬试样(25mm*100mm),经奥氏体化后,在专用设备上对其一端面喷水冷却,冷却后沿轴线方向测出硬度距水冷端距离的关系曲线(即淬透性曲线)的实验方法。 4、淬透性的实际意义 淬透性不同的钢材经淬火及回火后,它们沿工件截面的组织和力学性能有很大的差别。工件材料应该根据工件的受力状况,工作条件及失效原因来选用有一定淬透性的钢材,而不应该都选用淬透性好的钢材。 5、淬硬性 淬硬性是指钢在理想条件下进行淬火硬化(即得到马氏体组织)所能达到的最高硬度的能力。淬硬性与淬透性是两个概念,淬硬性主要于马氏体中的含碳量有关,含碳量愈高,淬火后硬度愈高。 第六节 钢的回火 目的要求 :通过讲授使学生掌握,淬火钢在回火时的转变及回火工艺。 重点 :淬火钢在回火时的转变规律及回火工艺。 授课内容 : 一、回火的目的 把淬火钢件加热到A 1 以下某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。 回火的目的大体可归纳为 : 降低脆性,消除或减少内应力。 获得工件所需要的机械性能。 稳定工件尺寸。 对于退火难以软化的某些合金钢。在淬火(或正火)后予以高温回火,使钢中碳化物适当聚集,以降低硬度,便于切削加工。 二、淬火钢在回火时的转变 淬火钢的组织是由马氏体和残余奥氏体所组成。回火的实质就是通过加热促使马氏体和残余奥氏体向平衡状态转变的过程。 一般回火温度的不同,将回火转变分为四格阶段，下面仍以共析钢为例来说明。 第一阶段,马氏体分解阶段。 第二阶段,残余奥氏体分解阶段。 第三阶段,回火屈氏体的形成。 第四阶段,渗碳体聚集长大和铁素体再结晶。 三、回火的种类及应用 根据加热温度不同,回火可分为: 低温回火。回火温度是150-250度。回火后得到回火马氏体组织,硬度一般为58-64HBC。低温回火的目的是保持较高的硬度和耐磨性,降低内应力,减少脆性。主要适用于刃具,量具模具和轴承等要求高硬度,高耐磨性的工具和零件。 中温回火。回火温度是350-500度。回火后得到回火屈氏体组织,硬度为35-45HRC。中温回火的目的是要获得较高的弹性和屈服极限,同时又有一定的韧性。主要用于弹簧,发条,热锻模等零件的处理。 高温回火。回火温度是500-650度。回火后得到回火索氏体组织,硬度为200-350HRC。高温回火的目的是要获得强度,塑性,韧性都较好的综合机械性能。 在工厂里习惯地把淬火加高温回火相结合地热处理称为调质处理。 第七节 钢的表面热处理及化学热处理目的要求 :通过讲授使学生掌握常用的表面热处理及化学热处理的方法及应用。 重点 :钢的表面热处理及化学热处理原理,工艺及应用。 授课内容 : 一、钢的表面处理 表面热处理是指仅对表面进行热处理以改变组织和性能的工艺。 1、感应加热表面淬火 感应加热就是利用集肤效应原理,把零件放在感应器中,感应器通入交流电,工件表面由于电流热效应很快被加热到淬火温度,随之立即喷液冷却,使工件表面淬火,从而得到马氏体组织。根据电流频率的不同,感应加热分为: 高频感应加热(100-1000kHz),最常用的为200-300kHz,淬透层深为1-2mm。 中频感应加热(1-10kHz),常用2500-8000kHz。淬透层深3-5mm。 工频感应加热(50kHz),淬透层深为10-20mm。 2、火焰表面淬火 火焰加热表面淬火是用乙炔 -氧或煤气-氧的混合气体燃烧的火焰,喷射在零件表面上,使它加速加热,当达到淬火温度时立即喷水冷却,从而获得预期的硬度和淬硬层深度的一种表面淬火方法。 3、激光加热表面淬火 激光加热