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第八章淬火与回火 8 1淬火8 2回火 8 1淬火 钢的淬火 将钢加热到临界温度 A1或A3 以上 保温一定时间使其奥氏体化 以大于临界冷却速度进行冷却的工艺 淬火目的 提高硬度和耐磨性 刀具 量具 磨具提高强韧性 轴类 杆件 销 受力件提高硬磁性 高碳钢 磁钢指的永久磁性 马氏体磁性 提高弹性 各类弹簧提高耐蚀和耐热性 耐热钢和不锈钢获得M组织 一 淬火方法及工艺1 淬火方法淬火分类按加热温度 完全淬火 不完全淬火 循环加热淬火 二次淬火按加热速度 普通淬火 快速加热淬火 超快速加热淬火按加热介质及热源条件 光亮淬火 真空淬火 流态层加热淬火 铅浴加热淬火 盐浴加热淬火 火焰加热淬火 感应加热淬火 高频脉冲淬火 接触电加热淬火 电解液加热淬火 电子束加热淬火 激光加热淬火按淬火部位 整体淬火 局部淬火 表面淬火按冷却方式 有单液淬火 双液淬火 分级淬火 等温淬火 预冷淬火等直接淬火 马氏体等温淬火 贝氏体等温淬火 形变等温淬火 冷处理等 2 淬火工艺 淬火加热温度亚共析钢 Ac3 30 50 共析和过共析钢 Ac1 30 50 为什么过共析钢淬火加热温度在Ac1 30 50 而不是Acm 30 50 2 淬火工艺 加热时间加热时间 升温时间 心表温度一致时间 保温时间加热介质对保温时间影响较大 保温时间 达到热处理工艺规范要求的恒温保温时间 保温时间 KD 冷却方式冷却方式最大限度减少工件应力集中和变形 使工件冷却充分均匀 冷却介质 2 淬火工艺 时间 温度 Ms A1 二 淬火介质理想淬火介质具备 高温慢冷 奥氏体鼻子温度快冷 马氏体转变慢冷 理想淬火冷却介质 1 有物态变化的淬火介质介质冷却特性的测试 二 淬火介质 冷却机理第一阶段 蒸汽膜阶段 冷却速度慢第二阶段 沸腾阶段 冷却速度快第三阶段 对流阶段 冷却速度慢常用的冷却介质水 盐水 碱水 油 合成淬火液等 二 淬火介质 2 无物态变化的淬火介质传热方式 介质传导和对流将工件的热量带走 使工件获得淬火要求 常用的淬火介质 硝酸盐和碱 使用温度在150 550 之间 3淬火介质的新发展环保 优效 高温快速 低温慢速 安全 经济为发展方向 植物油基生态淬火油 使蒸汽膜阶段短 提高高温阶段冷速 聚合物水基淬火介质 降低水的冷速 环保 固 气流化介质 固体细粒与压缩空气混合 常用的淬火冷却介质 时间 温度 Ms A1 三 钢的淬透性 淬透性是钢的主要热处理性能 是选材和制订热处理工艺的重要依据之一 三 钢的淬透性1 概念淬透性 钢在淬火时能够获得马氏体的能力 其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示 工件淬硬层与冷却速度的关系示意图 a 零件截面的不同冷却速度 b 未淬透区的示意图 a b M量和硬度随深度的变化 淬硬层深度 由工件表面到半马氏体区 50 M 50 P 的深度 如果工件中心在淬火后获得了50 以上的M 则认为工件已经被淬透 淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响 2 影响淬透性的因素 决定因素 临界冷却速度 取决于A成分 因此使C曲线右移的元素均使淬透性提高 奥氏体化温度越高 保温时间越长 则晶粒越粗大 成分越均匀 过冷奥氏体越稳定 C曲线越向右移 淬火临界冷却速度越小 钢的淬透性越好 注意区别 钢的淬透性 钢材本身的固有属性 与外部因素无关工件的淬透深度 取决于钢材淬透性 还与冷却介质 工件尺寸等外部因素有关 同一材料的淬硬层深度与工件的尺寸 冷却介质有关 工件尺寸小 介质冷却能力强 淬硬层深 淬透性与工件尺寸 冷却介质无关 它只用于不同材料之间的比较 是在尺寸 冷却介质相同时 用不同材料的淬硬层深度来进行比较的 注意区别 淬透性和淬硬性 影响因素 主要取决于马氏体的含碳量 淬硬性与淬透性 两个完全不同的概念 淬透性 淬硬性 钢种 小 低 碳素结构钢 20 小 高 碳素工具钢 T12A 大 低 低碳合金结构钢 20Cr2Ni4A 大 高 高碳高合金工具钢 W18Cr4V 3 淬透性测量方法 1 断口法 适用碳素工具钢 将上述试样加热到760 800 840 等温度加热15 20分钟 淬入10 30 水中 打断观察淬硬层 即淬硬层 马氏体 和韧软层 珠光体或贝氏体 对照相应标准0 5级 2 U型曲线法 将一组长度是直径4 6倍的圆柱形试样经完全奥氏体化后 在一定介质中冷却后 从试样中部切开 磨平后自表面向心部测量试样硬度 其硬度分布如右 h 淬硬区DH 未淬硬区淬透性表示 淬硬层深度h 或DH D D 直观 准确 但繁琐 用于结构钢 3 临界直径法 D0 钢在某种介质中能够完全淬透的最大直径 按U曲线法取不同直径试样在不同质淬火后 截面中心恰好含50 马氏体 Di 理想临界直径 试样能够淬透的最大直径 含50 马氏体 在相应介质中 绘出Di D0图 4 端淬法 此方法是世界上通用方法 即用表示 J表示末端淬透性 4 淬透性的表示方法 用淬透性曲线表示 d 至水冷端距离HRC 该处硬度值 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 D0与介质有关 如45钢D0水 16mm D0油 8mm 只有冷却条件相同时 才能进行不同材料淬透性比较 如45钢D0油 8mm 40CrD0油 20mm 5 淬透性的实际意义 1 对于截面承载均匀的重要件 要全部淬透 如螺栓 连杆 模具等 选用高淬透性钢2 对于承受弯曲 扭转的零件可不必淬透 淬硬层深度一般为半径的1 2 1 3 如轴类 低淬透性钢淬硬层深度与工件尺寸有关 设计时应注意尺寸效应 淬透性曲线应用 求不同直径棒状工件截面上的硬度分布例 采用45Mn2制造 50mm的轴 试求水淬后其截面上硬度分布曲线 淬透性曲线应用例 有一40号钢直径45mm的轴 要求淬火后在距表面3 4R处有80 马氏体 在1 2R处的硬度不低于HRC40 请问采用淬火介质为油还是水 解 确定40钢淬火后80 马氏体组织的硬度 HRC45 淬油后硬度3 4R处 HRC38 1 2R处 HRC30不满足要求 淬水后硬度3 4R处 HRC46 1 2R处 HRC42满足要求 采用水淬 静水中淬火 静油中淬火 四 淬火缺陷1 淬火内应力淬火内应力是造成工件变形和开裂根本原因 淬火内应力超过材料屈服强度 引起工件变形 淬火内应力超过材料断裂强度 引起工件断裂 淬火内应力分 热应力 温度应力 组织应力 相变应力 1 热应力 由于工件心部和表面冷却速度不一致 其冷却收缩不同而造成的内应力 热应力产生过程 冷却初期 表面冷速快 表面收缩 产生拉应力 心部冷速慢 不收缩 产生压应力 冷却后期 表面冷速慢 表面不收缩 产生压应力 心部冷速快 收缩 产生拉应力 最终的淬火热应力 表面压应力 心部拉应力 2 组织应力 由于工件表层和心部发生马氏体转变的不同时性而造成的内应力 组织应力产生过程 冷却初期 表面发生马氏体相变 表面体积膨胀 产生压应力 心部冷速慢牵制表面膨胀 产生拉应力 冷却后期 心部发生马氏体相变 表面体积膨胀 产生压应力 表面牵制心部膨胀 产生拉应力 最终的淬火组织应力 表面拉应力 心部压应力 在发生相变前主要内应力为热应力 当发生相变后主要内应力为组织应力 热应力为辅 2 淬火变形几何形状变化 体积变化热应力使工件沿着最大尺寸方向收缩 组织应力使工件沿着最大尺寸方向伸长 四 淬火缺陷 淬火变形影响因素 淬透性 好 组织应力作用大 差 热应力作用大奥氏体化学成分 C 低 热应力作用大 C 高 组织应力作用大 淬火加热T高 内应力大 变形大 淬火冷速快 内应力大 变形大 工件形状不对称 厚薄不均匀 变形大 淬火变形的纠正 校正 四 淬火缺陷 3 淬火裂纹重要性 淬火变形可以校正 淬火开裂则无法挽回 因此我们要研究淬火开裂原因 进行预防 淬火裂纹产生原因 淬火内应力超过材料断裂强度材料内部缺陷 一定的淬火应力淬火裂纹分类 纵向裂纹横向裂纹网状裂纹剥离裂纹显微裂纹 四 淬火缺陷 减少淬火变形和防止淬火开裂的措施1 正确选材如选择淬透性好的材料2 合理设计工件形状如避免截面形状悬殊的零件3 合理消除材料缺陷如淬火前锻造和预备热处理4 合理制定热处理工艺如加热温度 冷却速度 回火 操作方法等 4 其它淬火缺陷淬火硬度不足氧化和脱碳软点 8 2回火 回火 在A1线以下很宽温度范围内进行 是使淬火组织的亚稳定进一步向稳定状态转变过程 获得稳定的组织和性能 减少或消除淬火内应力 回火目的 提高淬火钢塑性和韧性 降低其脆性 降低或消除淬火引起的残余应力 稳定尺寸 一 回火时钢的组织转变 随温度升高 淬火组织将发生五个阶段变化 马氏体中碳原子偏聚 80 100 马氏体的分解 80 250 产物 M回残余奥氏体的转变 200 300 产物 M回 主要 B下 微量 碳化物析出和转变 250 400 产物 T回 相状态变化及碳化物聚集长大 400 产物 S回 一 回火时组织转变按回火温度划分如下阶段 但各阶段也不是单独发生 而是相互重叠的 1 碳原子偏聚 时效阶段 80 100 以下 由于淬火马氏体为过饱和固溶体 晶格中有大量微观缺陷的亚稳态 对位错马氏体 低温下C N原子短程扩散到位错线附近对孪晶马氏体 低温下C N原子短程扩散聚集到某一晶面 2 马氏体分解 80 250 高碳马氏体发生分解 马氏体中过饱和碳不断以 碳化物形式析出 使马氏体碳含量降低 低碳马氏体 低于150 无碳化物析出 只有C偏聚高于200 马氏体中可析出稳定碳化物 产物 回火马氏体 性能 保留淬火后高硬度 3 残余奥氏体分解 200 300 淬火后的残余奥氏体是不稳定组织 在本阶段 残余奥氏体分解为低碳马氏体和 碳化物 此组织为回火马氏体 回火屈氏体 4 碳化物的转变 250 400 亚稳碳化物将转变成为更加稳定的碳化物形式存在 高碳钢 稳定的回火屈氏体 中碳钢 稳定的回火屈氏体 低碳钢 稳定的回火屈氏体 5 相状态变化和碳化物聚集长大 400 700 铁素体发生回复和再结晶为等轴状 碳化物球化粗化 回火索体 主要发生如下变化 内应力消除 宏观区域性内应力 工件内外 550 全部消除 微观区域性内应力 晶粒之间 500 基本消除 晶格弹性畸变应力 碳过饱和 转变完即消除 回复与再结晶 回火使亚结构 位错 孪晶 消失 板条和片状马氏体特征保留 回复 消失 再结晶 碳化物聚集长大 原棒状 片状 粒状渗碳体消失 溶解 并逐渐球化长大 越来越粗大 回火索氏体 二 回火组织机械性能回火组织机械性能取决于回火组织 请同学们自己根据上述内容进行总结 硬度 强度 三 合金元素对回火的影响 提高钢的回火抗力 引起二次硬化 四 回火脆性 在某些温度区间回火时 钢的韧性显著下降的现象 第一类 低温 回火脆性 是指淬火钢在250 350 回火时出现的脆性 这种回火脆性是不可逆的 只要在此温度范围内回火就会出现脆性 目前尚无有效消除办法 除弹簧钢之外 其它零件淬火后应避免在250 350 回火 第二类 高温 回火脆性 500 650 是指淬火钢在500 650 范围内回火后缓冷时出现的脆性 回火后快冷不出现 多发生在含Cr Ni Mn Si等元素的合金钢中 是一种可逆性的回火脆性 预防措施 1 高温回火后 在水中快速冷却 一般适用于较小截面的零件 2 加入降低回火脆性倾向的元素Mo或W 适用大截面零件或合金钢 如Cr Ni钢等 五 回火的工艺 包括 加热温度保温时间冷却方法 回火温度的确定 1 低温回火回火温度 150 250 组织转变 从马氏体中 析出细片状 碳化物 AR分解为 碳化物 低碳M 这种在马氏体基体上分布着细片状碳化物的组织称为回火马氏体 用M回表示 目的 保留淬火后高硬度 高耐磨性的同时 降低内应力 提高韧性 用途 处理各种工具 模具 量具 轴承及经渗碳和表面淬火的工件 2 中温回火回火温度 350 500 组织转变 碳化物转变为Fe3C 到350 马氏体中的含碳量已降到铁素体的平衡成分 内应力大量消除 回火屈氏体 M回转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状Fe3C的组织 称为回火屈氏体 用T回表示 回火屈氏体组织具有较高的弹性极限和屈服极限 并具有一定的韧性 硬度一般为35 45HRC 主要用于各类弹簧的热处理 回火索氏体 3 高温回火回火温度 500 650 组织转变 Fe3C发生聚集长大 铁素体发生多边形化 这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织称回火索氏体 用S回表示 回火索氏体组织具有良好的综合力学性能 即在保持较高的强度同时 具有良好的塑性和韧性 通常把淬火 高温回火的热处理工艺称作 调质处理 简称 调质 调质广泛用于连杆 轴 齿轮等各种重要结构件的处理 也可作为精密零件 量具等的预备热处理 柴油机连杆 用途 组织性能 温度 名称 耐磨件 回火马氏体高硬度58 64HRC 150 250 低温回火 弹簧等 回火屈氏体高弹性35 45HRC 350 500 中温回火 调质件 回火索氏体良好综合力学性能 500 650 高温回火 淬火 高温回火 调质处理调质处理用于各种重要结构零件 如轴 连杆等 回火索氏体和索氏体在组织和性能上的差别 回火索氏体性能优于索氏体 回火马氏体和下贝氏体在性能上的差别 下贝综合性能优于回火马氏体 六 回火方法普通回火局部回火电热回火自回火带温回火 习题 1 钢在加热时 由于加热不当