企业培训_碳素钢的热处理培训课件

碳素钢的热处理 首钢技师学院 回主页 回目录 第五讲碳素钢的热处理 5 1钢在加热及冷却时的组织转变 5 2钢的热处理工艺 学习指导 学习重点 知道钢在加热和冷却时的组织如何进行相互转变的 即热处理原理 钢在淬火后的回火组织转变原理 知道退火 正火 淬火与回火等热处理办法的基本概念和基本工艺 学习难点 钢在加热和冷却时的组织转变以及淬火后的回火组织转变的原理 首钢技师学院 回主页 回目录 5 1钢在加热及冷却时的组织转变一 钢在加热时的组织转变二 钢在冷却时的组织转变三 钢在回火时的转变 首钢技师学院 回主页 回目录 概念 通过钢在固态下加热 保温和冷却这一过程 改变其组织形态 从而获得所需要的性能的工艺被称为 钢的热处理 通过热处理可以充分发挥钢材的潜力 提高和改善钢的性能 降低工件的重量 节约材料 降低成本 延长钢材的使用寿命 钢的热处理分为 退火 正火 淬火 回火 普通热处理 和表面热处理五种基本方法 首钢技师学院 回主页 回目录 一 钢在加热时的组织转变1 共析钢的奥氏体化2 奥氏体晶粒的长大及其控制 首钢技师学院 回主页 回目录 1 共析钢的奥氏体化碳素钢在室温条件下组织基本上是由 铁素体 渗碳体 两个相所组成 只有在奥氏体组织状态下才能通过不同的冷却方式使钢转变成不同的组织 进而获得不同的力学性能 首钢技师学院 回主页 回目录 珠光体 铁素体 渗碳体 奥氏体 共析碳钢的奥氏体化 形核与核的长大 首钢技师学院 回主页 回目录 奥氏体的形成 1 2 3 4 奥氏体形核 钢在加热到A1时 奥氏体晶核优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成 因为此处能量较高 首钢技师学院 回主页 回上页 奥氏体晶核形成 奥氏体晶核长大 奥氏体形核后的长大是新相奥氏体的相界面同时向铁素体和渗碳体两个方向同时推移的过程 同时存在铁素体晶格改变成奥氏体晶格和渗碳体的溶解 首钢技师学院 回主页 回上页 奥氏体晶粒长大 残余渗碳体的溶解 渗碳体晶格较复杂 其溶解速度小于铁素体晶格向奥氏体晶格的转变 在铁素体全部消失后 仍需一段时间才能完成渗碳体的全部溶解 首钢技师学院 回主页 回上页 未溶解的渗碳体 奥氏体成分均匀化 继续延长保温时间 通过碳原子的扩散能得到化学成分均匀的奥氏体组织 为冷却后得到良好的组织状态打下基础 首钢技师学院 回主页 回上页 奥氏体晶粒 2 奥氏体晶粒的长大及控制 奥氏体晶粒的长大 奥氏体刚刚完成转变时的晶粒是细小的晶粒 称为 奥氏体原始晶粒度 随时间的延长和温度的升高 大晶粒将小晶粒 吞并 以获取更小的晶界表面积使晶界表面能降低 奥氏体组织处于更加稳定的状态 在某一个加热条件下实际获得的奥氏体晶粒称为 奥氏体实际晶粒度 首钢技师学院 回主页 回目录 奥氏体晶粒度 奥氏体晶粒的大小采用晶粒度表示 按GB6394 86规定 标准晶粒度分为10级 其中1 4级称为粗晶粒 5 8级称为细晶粒 9级以上称为超细晶粒 首钢技师学院 回主页 回目录 1级 3级 2级 5级 4级 7级 6级 8级 奥氏体晶粒度对钢在室温下组织和性能的影响奥氏体晶粒细小时 冷却转变物组织也细小 其强度 塑性和韧性都比较高 冷脆性转变温度较低 奥氏体晶粒粗大时 冷却后转变产物组织也粗大 钢的力学性能下降 淬火时易变形 甚至开裂 首钢技师学院 回主页 回目录 1级 7级 奥氏体晶粒度的控制a冶炼 冶炼时添加铌 Nb 钒 V 钛 Ti 锆 Zr 等化学元素 b加热时间和加热温度 加热温度越高 加热时间越长奥氏体晶粒越大 c加热速度 加热温度一定时 加热速度越快 过热度越大 奥氏体形核率越高 起始晶粒越小 同时加热速度快 晶粒也来不及长大 首钢技师学院 回主页 回目录 二 钢在冷却时的组织转变1 过冷奥氏体的等温转变2 马氏体转变 首钢技师学院 回主页 回目录 钢经过加热获得奥氏体组织后 在不同的冷却条件下进行冷却 可使钢获得不同的力学性能 在热处理工艺中常采用等温冷却和连续冷却两种冷却方式 首钢技师学院 回主页 回目录 等温冷却 将奥氏体化的钢迅速冷却到临界温度以下的某一个温度保温 进行等温转变 然后再冷却到室温 等温淬火 等温退火属于此类情况 临界点 时间 温度 加热 保温 冷却 首钢技师学院 回主页 回目录 连续冷却 奥氏体化的钢随时间增加 T 温度下降 t 普通淬火 正火 退火等工艺中的冷却属于此种冷却 临界点 时间 温度 加热 保温 冷却 首钢技师学院 回主页 回目录 过冷奥氏体 奥氏体在临界点A1以下是不稳定的 必定要发生变化 但并不是一冷到A1温度以下时就立刻发生转变 在转变前需要停留一定的时间 这段时间称为孕育期 在A1温度以下暂时存在的 处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体 首钢技师学院 回主页 回目录 临界点A1 时间 温度 加热 保温 冷却 过冷奥氏体 过冷奥氏体的等温转变 将高温奥氏体迅速冷却到低于A1的某一个温度 保持恒温 让过冷奥氏体在此温度完成其转变的过程 临界点A1 时间 温度 加热 保温 冷却 过冷奥氏体 等温转变 首钢技师学院 回主页 回目录 等温转变曲线建立和分析 首钢技师学院 回主页 回目录 视频演示 等温转变曲线的五条线示意图 首钢技师学院 回主页 回目录 A1线 转变开始线 转变终了线 马氏体转变开始线 马氏体转变终了线 等温转变曲线的六个区示意图 首钢技师学院 回主页 回目录 视频演示 奥氏体区 过冷奥氏体区 过冷奥氏体与转变产物共存区 转变产物区 马氏体与残余奥氏体共存区 马氏体区 过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能共析钢的过冷奥氏体在冷却过程中会发生三种不同的转变 即 珠光体型转变 贝氏体型转变和马氏体型转变 首钢技师学院 回主页 回目录 珠光体型转变 贝氏体型转变 马氏体型转变 过冷奥氏体 视频演示 珠光体型转变转变温度范围为A1 5000C 又叫高温转变 是由奥氏体向珠光体的转变 产物形态多数为片状 特殊情况下为粒状 首钢技师学院 回主页 回目录 珠光体 索氏体 屈氏体 温度 时间 500 过冷奥氏体的转变温度对珠光体的形成过程和组织有明显的影响 转变温度越低 即过冷度越大 珠光体中的铁素体和渗碳体片越薄 表明珠光体越细 强度 硬度越高 塑性和韧性也较好 从粗到细其产物分别称为 珠光体 索氏体 屈氏体 首钢技师学院 回主页 回目录 贝氏体型转变转变温度范围 5000C Ms线 对共析钢为2300C 又叫中温转变 5000C 3500C生上贝氏体 B上 3500C Ms产生下贝氏体 B下 首钢技师学院 回主页 回目录 视频演示 500 上贝氏体 下贝氏体 贝氏体是由含碳过饱和的铁素体与渗碳体 或碳化物 组成的两相混合物 根据转变温度和铁素体与渗碳体分布形态不同 分为上贝氏体和下贝氏体两种 首钢技师学院 回主页 回目录 贝氏体的性能a硬度比珠光体 索氏体 屈氏体都高 bB下与B上相比 不但硬度 强度高 而且塑性 韧性也好 为获得B下 可采用等温淬火工艺 2 马氏体型转变当冷却速度大于临界冷却速度 奥氏体化后的钢被迅速过冷至Ms线以下 将发生一个由奥氏体向高硬度相的转变 被称为马氏体转变 转变温度范围 共析钢的Ms Mf温度范围是2300C 500C 因此又称为低温转变 首钢技师学院 回主页 回目录 冷却曲线 马氏体区 马氏体转变的特点 1 低温转变马氏体转变是奥氏体必须快速冷却到某一温度以下才能发生 这一温度称为马氏体转变开始温度 用Ms代表 2 非扩散性转变由于转变温度低 过冷度大 奥氏体向马氏体转变时只发生 Fe Fe 的晶格改组 而没有铁 碳原子的扩散 属非扩散型转变 马氏体中的含碳量就是转变前奥氏体中的含碳量 首钢技师学院 回主页 回目录 3 马氏体是碳在 Fe中的过饱和固溶体 首钢技师学院 回主页 回目录 4 残留奥氏体室温下马氏体的转变是不完全的 总要残留少量奥氏体 马氏体的组织形态 主要有针状马氏体和板条状马氏体两种 含碳量大于1 的奥氏体几乎只形成针状马氏体 含碳量小于0 2 的奥氏体几乎只形成板条状马氏体 首钢技师学院 回主页 回目录 针状马氏体又叫高碳马氏体 立体形状是双凸透镜状 在光学显微镜下呈竹叶状或凸透镜状 马氏体针状的大小为奥氏体晶粒大小所控制 力学性能 高碳马氏体具有高硬度 但塑 韧性很低 脆性大 首钢技师学院 回主页 回目录 板条状马氏体又叫低碳马氏体 立体形状呈扁椭圆形截面的细长板条状 在光学显微镜下呈一束束平行排列的细板条状 力学性能 低碳马氏体具有较高的强韧性 即综合的力学性能较好 首钢技师学院 回主页 回目录 三 钢在回火时的转变1 回火时组织转变和性能的变化2 回火脆性 首钢技师学院 回主页 回目录 淬火钢回火的目的 1 调整钢的力学性能 2 稳定工件的尺寸和形状 3 消除残余应力 首钢技师学院 回主页 回目录 1 淬火钢回火时组织转变和性能的变化 首钢技师学院 回主页 回目录 回火时组织的转变 残余奥氏体的分解 马氏体的分解 碳化物的转变 碳化物的聚集球化和a Fe的再结晶 马氏体的分解在1000C以上时 马氏体开始分解 碳从过饱和的 固溶体中析出形成 碳化物 因为温度比较低 还不能直接析出渗碳体 析出的 碳化物呈密排六方晶格 化学方程式为Fe2 4C 碳化物不是一个平衡相 而是向Fe3C转变前的一个过渡相 马氏体分解后最终形成过 饱和 固溶体 高度弥散的 碳化物 的组织 称为回火马氏体 首钢技师学院 回主页 回目录 残余奥氏体的分解淬火钢中的残余奥氏体在2500C 3000C范围内迅速分解为下贝氏体 随温度的升高 下贝氏体将进一步转变为铁素体和渗碳体的二相混合物 即珠光体型产物 首钢技师学院 回主页 回目录 碳化物的转变在2500C 4000C温度回火时 碳化物将转变为Fe3C 转变的过程是以 碳化物重新溶入 固溶体 而稳定的渗碳体相不断地析出的方式进行的 首钢技师学院 回主页 回目录 碳化物的聚集球化和a F的再结晶马氏体的分解在3500C左右时就基本结束了 但分解产物中的 固溶体仍保持马氏体的针状形态 直至4500C以上 固溶体经过恢复再结晶后转变为多边形晶粒的铁素体 与此同时 当温度超过4000C以后 渗碳体发生明显的聚集长大和球化 温度在5000C 6500C左右 得到多边形晶粒的铁素体与球粒状渗碳体组成的混合组织 如果回火温度继续升高到7000C以上 则得到球化组织 首钢技师学院 回主页 回目录 首钢技师学院 回主页 回目录 回火产物及性能 回火屈氏体 回火马氏体 回火索氏体 球化珠光体 回火马氏体 1500C 2500C 由过饱和 固溶体 高度弥散的 碳化物组成的混合物 硬度较回火前略有下降 但塑性和韧性提高 应用于刃具 量具 滚动轴承 冷冲模具等 首钢技师学院 回主页 回目录 视频演示 150 回火2小时组织 回火马氏体硬度 50HRC 回火屈氏体 3500C 5000C 由针状 或条状 铁素体与粒状渗碳体组成的混合物 具有较高的屈服强度和弹性极限 并保持一定的硬度和韧性 应用于弹簧和热锻模具 首钢技师学院 回主页 回目录 视频演示 350 回火2小时组织 回火屈氏体硬度 40HRC 回火索氏体 5000C 6500C 由多边形的铁素体与粒状渗碳体组成的混合物 具有高强度 兼有高韧性 有优良的综合机械性能 是结构钢机械零件希望得到的组织形态 首钢技师学院 回主页 回目录 视频演示 650 回火2小时组织 回火索氏体硬度 187HBS 2 回火脆性在回火过程中 随着温度的升高 钢的冲击韧性并非简单的升高 而是在2500C 4000C和4500C 6500C区间内存在冲击韧性显著下降的现象 被称为回火脆性 首钢技师学院 回主页 回目录 回火脆性 首钢技师学院 回主页 回目录 2500C 4000C 低温回火脆性 高温回火脆性 碳化物转变为薄片状渗碳体沿马氏体边界析出 并形成薄膜 4500C 6500C 由某种化合物 碳化物 氢化物 磷化物等 沿晶界析出的结果 如加热至6000C以上 缓慢冷却通过4500C 5500C脆化区 将出现脆性 如果快冷将抑制脆性出现 若在4500C 5500C脆化区长时间停留后 即使快冷也将出现回火脆性 首钢技师学院 回主页 回目录 5 2钢的几种热处理方法一 钢的退火与正火二 钢的淬火三 钢的回火 首钢技师学院 回主页 回目录 热处理的概念 使钢在固态下加热 保温和冷却 改变其组织 从而获得所需要性能的一种工艺 热处理的作用 提高和改善钢的性能 热处理的分类 退火 正火 淬火 回火 表面淬火等 河北易县燕下都铁剑 越王勾践剑 钢的热处理概念与类型 热处理的发展史在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中 热处理的作用逐渐为人们所认识 早在公元前770至前222年 中国人在生产实践中就已发现 铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化 白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺 公元前六世纪 钢铁兵器逐渐被采用 为了提高钢的硬度 淬火工艺得到迅速发展 中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟 其显微组织中都有马氏体存在 说明是经过淬火的 随着淬火技术的发展 人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响 三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀 相传是派人到成都取水淬火的 中国出土的西汉 公元前206 公元24 中山靖王墓中的宝剑 心部含碳量为0 15 0 4 而表面含碳量却达0 6 以上 说明已应用了渗碳工艺 钢的热处理概念与类型 1863年 英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织 证明了钢在加热和冷却时 内部会发生组织改变 法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论 以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图 为现代热处理工艺初步奠定了理论基础 1850 1880年 对于应用各种气体 诸如氢气 煤气 一氧化碳等 进行保护加热曾有一系列专利 1889 1890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利 二十世纪以来 金属物理的发展和其他新技术的移植应用 使金属热处理工艺得到更大发展 60年代 热处理技术运用了等离子场的作用 发展了离子渗氮 渗碳工艺 激光 电子束技术的应用 又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法 钢的热处理概念与类型 一 钢的退火与正火1 钢的退火2 钢的正火 首钢技师学院 回主页 回目录 退火的定义将钢加热到一定温度 保温一定时间 然后缓慢冷却下来 获得接近平衡状态的组织的热处理工艺 称为退火 退火的目的 降低硬度 提高塑性和韧性 消除残余内应力 减轻变形和防止开裂 均匀成分 细化晶粒 为最终热处理作准备 改善或消除铸造 轧制 焊接等加工中的组织缺陷 首钢技师学院 回主页 回目录 退火种类完全退火 等温退火 球化退火 再结晶退火 去应力退火 扩散退火等 首钢技师学院 回主页 回目录 完全退火概念 将亚共析钢加热到AC3 30 50 保温一定时间 随炉缓冷至600 以下 再出炉空冷的热处理工艺 称为完全退火 时间 含碳量 温度 温度 炉冷 Ac3 A1 亚共析钢 首钢技师学院 回主页 回目录 适用钢种 亚共析钢 目的 细化晶粒 消除内应力 降低硬度便于切削加工 为最终热处理作准备 温度范围 等温退火概念 将钢加热到AC3 30 50 或AC1 Accm之间某一温度 适当保温后 以较快速度冷却到Ar1以下 等温一定时间 使奥氏体在等温中完成转变 以降低硬度的退火 称为等温退火 首钢技师学院 回主页 回目录 常用钢种 高合金钢优点 节省时间 组织均匀 时间 含碳量 温度 温度 Ar1 Ac1 温度范围 Acm 球化退火概念 将钢加热到AC1 20 50 保温一定时间 然后缓慢冷却 获得球状珠光体组织的退火方法 称为球化退火 首钢技师学院 回主页 回目录 Ac1 20 50 时间 含碳量 温度 温度 炉冷 目的 使渗碳体球化 降低硬度 改善切削性能 并为淬火作组织准备 Ac1 去应力退火概念 将钢加热到略低于AC1的温度 约500 650 经保温后缓慢冷却的退火方法 称为去应力退火 目的 消除残余内应力 时间 含碳量 温度 温度 炉冷 Ac1 A1 空冷 首钢技师学院 回主页 回目录 500 650 2 钢的正火 定义 将钢加热到AC3或Accm以上30 50 保温一定时间 出炉后在空气中冷却的热处理工艺 称为钢的正火 首钢技师学院 回主页 回目录 正火与退火的不同正火冷却速度稍快 正火后的组织比退火细 硬度和强度有所提高 非共析钢正火时发生伪共析转变 使组织中珠光体量增多 片间距变小 通常获得索氏体组织 首钢技师学院 回主页 回目录 应用1 细化晶粒 提高力学性能 2 对WC 0 25 的钢 可适当提高硬度 改善切削性能 3 消除过共析钢中二次渗碳体网 便于球化退火 二 钢的淬火1 淬火加热温度2 淬火冷却介质3 常用的淬火方法4 钢的淬透性和淬硬性 首钢技师学院 回主页 回目录 基本概念 将钢加热至临界温度Ac1或Ac3以上30 500C 保温一定时间 然后以大于临界冷却速度的冷却速度冷至室温 获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火 目的 获得马氏体组织 提高钢的硬度和耐磨性 首钢技师学院 回主页 回目录 1 淬火加热温度为了使淬火得到细而均匀的马氏体组织 首先就要求淬火加热时能获得细而均匀的奥氏体 淬火加热温度的选择是否恰当直接影响奥氏体晶粒的大小 并进一步影响钢的淬火组织和性能 首钢技师学院 回主页 回目录 钢的淬火温度区间 亚共析钢 Ac3 30 50 0C温度过高奥氏体晶粒粗大 淬火后马氏体晶粒也随之粗大 若选择在Ac1 Ac3之间 则组织中有一部分先共析铁素体 淬火后会造成钢的强度和硬度不高 共析钢和过共析钢 Ac1 30 50 0C淬火后得到的组织是均匀细小马氏体和粒状渗碳体 超过此温度得到粗针状马氏体 同时引起工件严重变形 增大开裂倾向 首钢技师学院 回主页 回目录 过共析钢 亚共析钢 共析钢 2 淬火冷却介质淬火操作的难度比较大 主要是因为 淬火要求得到马氏体 淬火的冷却速度就必须大于临界冷却速度 而快冷总是不可避免地要造成很大的内应力 往往会引起钢件的变形和开裂 首钢技师学院 回主页 回目录 温度 时间 冷却曲线 1 A1 Ms Mf 理想的淬火冷却曲线应该是 在650 5500C范围要快冷 其它温度区间不需快冷 尤其在Ms点以下更不需快冷 以免引起工作变形或开裂 首钢技师学院 回主页 回目录 温度 时间 冷却曲线 2 A1 Ms Mf 解决冷却速度的方法有两条 寻找一种比较理想的淬火介质 改进淬火的冷却方法 冷却介质有 油 水 盐水 碱水等 其冷却能力依次加强 这些冷却介质都不能完全满足上述理想的淬火冷却条件 如 水在温度的高端能满足冷却速度的要求 但在低端则显得冷却速度过快 工件容易发生变形和开裂 油在温度的低端能满足冷却速度的要求 但在温度的高端则冷却强度不够 首钢技师学院 回主页 回目录 3 常用的淬火方法 单液淬火法淬火零件放入一种淬火液中 操作简单 容易实现机械化和自动化 工件有容易变形和开裂的缺点 温度 时间 冷却曲线 A1 Ms Mf 首钢技师学院 回主页 回目录 双液淬火法工件先放入水中淬火 待冷却到300 4000C时 取出放入油中冷却 优点是高温快冷 使奥氏体不能转变为珠光体 在低温时冷却速度降低 减小了马氏体转变的相变应力 防止工件的变形和开裂 首钢技师学院 回主页 回目录 温度 时间 冷却曲线 A1 Ms Mf 分级淬火法将工件放入温度在Ms线附近的盐槽或碱槽中 保温一段时间 使得工件表面与内部的温度均匀一致 可以大大减小继续冷却的温差应力 然后取出空冷 首钢技师学院 回主页 回目录 温度 时间 冷却曲线 A1 Ms Mf 等温淬火法对某些形状复杂而又要求较高的综合机械性能的工件 通过等温淬火可以得到下贝氏体组织 方法是将工件放入温度高于Ms的盐槽或碱槽中 保温一段时间 使其发生下贝氏体转变 然后拿出空冷 首钢技师学院 回主页 回目录 温度 时间 冷却曲线 A1 Ms Mf 4 钢的淬透性和淬硬性 淬透性的概念指在标准条件下 钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力 称为淬透