工艺技术_钢的热处理及工艺课件

第9 10章 钢的热处理及工艺序返回 9 1钢在加热时的转变1 奥氏体的形成过程2 影响A形成的因素 T v 成分 原始组织等 3 A晶粒大小及其影响因素9 2钢在冷却时的转变9 3钢的退火和正火9 4钢的淬火1 淬火加热温度2 淬火冷却介质3 淬火冷却方法 9 5钢的回火1 淬火钢的回火转变与回火组织2 回火钢的性能3 回火种类4 回火脆性9 6钢的淬透性1 淬透性的概念2 淬透性的测定及表示方法3 淬透性曲线的应用4 淬透性与机械设计9 7钢的表面淬火1 感应加热表面淬火2 火焰加热表面淬火9 8钢的化学热处理 钢的热处理序1 22 2 一 钢的热处理 根据钢在固态下组织转变的规律 通过不同的加热 保温和冷却 以改变其内部组织结构 达到改善钢材性能的一种中工工艺 热处理一般由加热 保温 冷却三阶段组成 热处理的特点 是只改变材料的内部组织 而工件外形及尺寸改变很小或不发生改变 其基本工艺可以用热处理工艺曲线来表示 热处理是一种与铸 锻 焊等加工过程密切相关的工艺 为了能够消除或改善上述过程中出现的某些组织结构缺陷需要进行一定的热处理 热处理的目的 改善工件的使用性能及工艺性能 并能充分挖掘材料的潜力 从而提高工件的寿命和力学性能 为缩小工件尺寸 减轻重量提供可能性 热处理的工艺参数 主要是加热速度 加热温度 保温时间和冷却速度 钢的热处理序2 2返回 二 热处理分类 1 通常的热处理工艺分为 退火 正火 淬火 回火 2 根据加热和冷却方法的不同分为 常规热处理 化学热处理 表面热处理等多种热处理形式 3 根据热处理在工艺流程中的作用分为 预备热处理 是为后序冷热加工和进一步热处理做准备 常为退火 正火或调质处理 最终热处理 使工件达到使用性能要求 常采用淬火 回火 表面热处理 化学热处理 形变热处理等 1 奥氏体的形成过程返回 A成分均匀化 C原子在A中扩散 点击看图2 A形核 在F与Cm的相界面上 A晶体长大 F向A晶格重构 Cm溶解 C原子向A中扩散 残余Cm溶解 F晶格重构速度较快 先行消失 一 钢的临界温度在缓慢加热和冷却时 其固态转变的临界温度是由相图决定 二 加热时组织转变是从室温组织转变为A组织的过程 故也称为奥氏体化 A化 详述 A化一般包括四个连续转变过程 A化详述返回 一 共析钢的A化 据相图 将共析钢加热到A1以上温度后 P处于不稳定状态 1 在F与Cm的交界处产生A晶核 这是由于F Cm相界面上原子排列不规则以及碳浓度不均匀 为优先形核提供了有利条件 即既有利于Fe的晶格由BCC变为FCC 又有利于Cm的溶解及碳向新生相的扩散 2 A晶核长大的过程 Fe Fe的连续转变和Cm向A的不断溶解 实验表明 在A长大的过程中 F比Cm先消失 3 残余Cm的不断溶入A 直至Cm全部消失 4 A中含碳量逐渐均匀化 二 亚共析钢 过共析钢的A化 以及先共析F或二次Cm继续向A转变或溶解的过程 只有加热温度超过A3或Acm后 才能全部转变或溶入A 3 A晶粒大小及其影响因素返回 一 奥氏体晶粒度 了解 A形成所需的时间较短 A成分均匀化所需的时间较长 A形成后 在继续加热过程中A晶粒大小要发生变化 需要区别三种有关A晶粒度的概念 1 A起始晶粒度 一般较小 难于测量 但通过快速短时加热可获得细晶粒 对热处理工艺有重要意义 2 A实际晶粒度 是在具体条件下的晶粒大小 直接影响钢的组织性能 具有重要的实际意义 3 A本质晶粒度 是在规定的加热条件下 930 10C 3 8h 所获得的A晶粒大小 它表示了A晶粒在高温时长大的倾向 1 4级为本质粗晶粒钢 5 8级为本质细晶粒钢 见图2 62所示 二 影响A晶粒长大的因素A晶粒的长大是一自发过程 曲折晶界变为平直晶界 大晶粒吞并小晶粒 凡是影响A过程的因素均影响A晶粒的长大 如加热温度T 加热速度v 越快 A的形成温度越高 保温时间 长 短 未溶碳化物对晶界推移的阻碍作用 合金元素除Mn P外一般均有阻碍作用 钢在冷却时的组织转变返回 钢经加热获得A组织 其最终性能是由随后的冷却所得到的组织来决定 因此控制A在冷却时的转变过程是获得所需性能的关键 深入研究A在冷却时的转变规律则需掌握A冷却方式 过冷A等温转变曲线 过冷A连续冷却转变曲线等内容 补充等温转变曲线的建立 A冷却方式分为 等温冷却和连续冷却两种 过冷A等温转变曲线 综合反映过冷A在不同过冷度下等温转变的过程 转变开始和终了时间 转变产物和转变量与温度和时间的关系曲线 又称为C曲线 影响过冷A等温转变 C曲线或TTT曲线 的因素 1 A碳浓度 亚 过共析钢的先共析转变区 2 合金元素 除Co Cu之外 大多数溶入A的合金元素都增大过冷A的稳定性 使C曲线右移 其中有些合金元素 Cr W Mo V 还使C曲线形状发生变化 使C曲线分为两个部分形成两个鼻尖 若以未溶碳化物存在时 降低过冷A的稳定性 使C曲线左移 3 A的原始组织 加热T 保温时间都会影响A的晶粒度和均匀性 从而影响C曲线形状 C曲线与CCT曲线的区别 1 CCT曲线的位置比C曲线靠右下方 过冷A转变的孕育区长 转变温度也低 2 在高温转变区 连续冷却转变往往得到混合组织 组织晶粒外细内粗 而等温转变的产物为单一组织且均匀一致 连续冷却较难得到B M转变较完全 等温转变则相反 补充等温转变曲线的建立返回 等温冷却返回 C曲线 反映了转变产物与转变温度 时间之间的关系 1 三种组织转变A1 550 C为P区550 C Ms为B区 Ms Mf为M区 AR的含义 参见组织形态图 2 过冷A转变分为三个区域 转变曲线以左 转变曲线之间 转变终了曲线 三种组织转变返回 1 P区 A分解为F和Cm相间的片层状组织 是靠Fe与C原子长距离扩散迁移 F和Cm交替形核长大而形成的 随温度的降低 加大 过冷A稳定性变小 孕育期变短 P的片间距变小 组织变细 A1 650 C为珠光体P d 0 6 1微米P区产物 650 600 C为索氏体S d 0 25 0 3600 550 C为屈氏体T d 0 1 0 15 2 B区 转变温度较低 Fe与C原子的扩散 转变产物的形态 性能及转变过程都与P不同 是含过饱和碳的F和Cm的非片层状混合物 按组织形态分为 550 350 C为B上 是自原A晶界向晶内生长的F板条 具有羽毛状B区产物 的金相特征 条间有Cm 350 240 C为B下 呈一定角度的片状F与其内部沉淀的碳化物 显微镜下常呈色针状形态 3 M区 原子已不能进行迁移 只能进行无扩散型相变 母相成分不变 得到M组织 相变速度极快 M其实是大量过饱和碳的 固溶体 即使冷却到M转变终了温度 也不能使所有A都转变成M 成为AR M区产物 板条M 含C量 0 2 针状M 含C量 1 0 介于0 2 1 0 为混合M 组织形态图返回 掌握影响C曲线的因素返回 1 A成分的影响 1 含碳量对C曲线的影响 2 合金元素对C曲线的影响 改变位置 大多数会延缓过冷A的分解 使C曲线右移 改变形状 使P区与B区分开 b及d 甚至P区消失 如c 2 A状态的影响 A晶粒度 细 则左移 组织不均匀 左移 T等 加热温度和保温时间 提高T或延长保温时间 使A成分更为均匀 且由于A晶粒的长大 晶界面积减少 不利于A晶粒的形核与长大 因此提高了A的稳定性 使C曲线右移 3 应力和塑性变形的影响拉应力加速分解 等向压应力则阻碍 塑变加速 含碳量及合金元素对C曲线的影响返回 过冷A连续冷却转变曲线返回 钢在连续冷却过程中 只要 T与等温转变的相同 则组织与性能相似 1 P M 2 S 3 T 4 T M 5 M 少量AR 6 M 少量AR 对于碳钢而言 条件3及4也难以得到B组织 P B M相变参见 P244 264 1P相变 高温相变要点 珠光体形核的本质 领先相 相间沉淀等的机理 解释 普遍认可在A晶界上优先形核 普遍被认可的相变机理 1 1渗碳体和铁素体均可成为相变的领先相 1 2过共析钢以渗碳体为领先相 亚共析钢则为F 共析钢则两相均可 1 3过冷度小时以渗碳体为领先相 过冷度大时铁素体为领先相 因未能直接实验验证 尚无定论 也有人认为P相变是两个共析共生 其出发点是两相以相界面有机结合 有序配合 彼此间存在晶体学位向关系 相对量上具有一定的比例关系 认为P是个整合体 P晶核是两相 否认领先相的存在 其P的形成可描述 A 贫碳区 富碳区 晶核P F Fe3C P团 P形成的分枝机制 见P244图9 15以渗碳体或F为领先相机制 右图 Hull Mehlmechanismforpearliteinitiation Formationofabinodule Notethattheformationofain 2 b cancatalyzetheformationofuinboth 1and 2 c Lightmicrographofaseriesofuninodules A andbinodules B inapartiallytransformedeutectoidsteel Notethatpearliteinitiationisalmostexclusivelyatthegrainboundaries Inaddition completecoverageoftheboundarieshasledtositesaturation Theapproximatepositionsofthegrainboundariesaredelineatedbytheheavylines Computerenhancedimage fromanoriginalinMehl 以渗碳体或F为领先相 Hull Mehlmechanismforpearliteinitiation 珠光体形成时C的扩散示意图及形态 RadialandParallelPearliteGrowth随着形成温度的降低 形态上趋于放射状 平行状减少 粒状P的形成 粒状P 颗粒状的Cm分布在连续的F基体中 见P247中的图9 22 粒状P的形成方式 1 控制A化条件 使A晶粒内存在大量均匀弥散的Cm晶核时 且A成分不均匀时 在A1线稍下的温度由过冷A直接形成 2 片状P通过球化退火工艺完成 将钢加热到略低于A1的温度 长时间保温 其球化驱动力是F与Cm间相界面 或界面能 的减少 3 对高碳钢 以淬火 高温回火工艺实现 片状P 粒状P等组织的性能对比 见P246中的图9 19 20 21 23 伪共析P的概念 实际冷却条件下先共析相 F或Cm 的析出数量随着冷却速度的加快而减少 P248图24偏离共析成分的A快速冷却到A1以下一定的温度范围所发生的P相变 因此S和T都属于伪共析P 2M相变 低温相变 1 M的晶体结构M的本质是碳在 Fe中的过饱和间隙固溶体 M的晶体结构与成分有关 极低碳钢或无碳合钢 体心立方 含碳较高的钢 体心正方 参见P249图9 25及26 2 M的组织形态 两种基本形态 P250图27 34板条M 低碳M 位错M片状M 高碳M 孪晶M 3 M的形态与含碳量 Ms点的联系P252图35 4 M的高强度 高硬度 碳原子的固溶强化 相变强化 时效强化 5 M的韧性与其亚结构相关P253 6 M相变特点 无扩散性 切变共格性 具有特定的惯习面和位向关系 主要有K S和西山关系二种 在一定温度范围进行 相变具有不完全性 可逆性 7 应用举例P258 3B相变 中温相变 P259 1 B形态与A中含碳量 合金元素 转变温度有关 羽毛状上B 0 4 C的中 高碳钢 形成温度范围是600 350 形貌特征是 过饱和的F由A晶界向晶内长成条状 F条与条间为断续的 短杆状Cm 或Ar F中存在位错緾结 针状的下B 过饱和的片状F 于F内部析出的微细 具有六方结构 成分不固定 与BF的长轴呈55 65 黑针状F的过饱和度高于上B中的F 亚结构也是高密度的位错 无孪晶 粒状B 为大块状或针状F内分布着岛状颗粒 高温下是A 低温下可是Ar或P或M 常见于中碳成分以下的钢中 形成于上B形成温度的上部分区间 2 B的性能与B的形态有关 上B硬度低 因具方向性使韧性变差 应避免形成 下B具有良好的综合力学性能 等温淬火工艺可得下B 粒B中的岛状物有第二相强化作用 3 B相变的特点 3 B相变的特点 I是形核与长大的过程 有孕育期 IIBF按M相变机制进行 共析钢 上BF与A符合K S关系 下BF与A符合西山关系 IIIB中碳化物的分布与形成温度有关 P263图9 51IVW氏组织的形成 在较快的冷却速度下 F沿A某一特定晶面 惯习面 111r 析出 并与母相存在晶体学位向关系 K S 特征是近于平行的一些针状F 或Cm 由A晶界向晶内生长 参见P263图52 W的影响因素 含碳量 1 2 C A晶粒大小 过于粗大 加热温度过高 冷却速度 较快 W是过热缺陷组织 会降低力学性能 esp 塑 韧性 提高脆性转折温度 材料易脆断措施 避免A晶粒粗化 可采用控制轧制 降低终锻温度 控制锻后冷却速度或其他热处理工艺 9 3预先热处理的目的与常用工艺 1 2 2 2返回 目的 改善毛坯或半成品件的组织性能或为最终热处理及其它终加工处理作好组织准备 常用工艺 退火 正火 调质 1 退火 工艺参见图 亚共析钢 Ac3以上 过共析钢 稍高于Ac1 球化退火 使二次Cm及P中的Cm球化 加热温度取稍高于Ac1 以保留较多未溶碳化物粒子或较大的A中碳浓度分布的不均匀性 促进球状碳化物的形成 而Ac3或Accm以上完全退火 组织完全A化 冷却后得到的是片层状组织 各种退火工艺返回退火返回正火 图球状 或粒状 珠光体组织返回 9 3预先热处理的目的与常用工艺 2 2 返回 2 正火 正火 将钢加热到Ac3或Accm以上30 50 C 参见P278图10 1 完全A化后从炉中取出空冷的热处理工艺 正火与退火的区别 在于冷速 组织和性能的差异 正火的主要应用 1 普通结构钢件的最终热处理 2 低 中碳结构钢的预先热处理 可获得适当的硬度 便于切削加工 3 消除过共析钢中产生的网状二次渗碳体 为球化退火作组织准备 9 4钢的淬火 T 冷却方法及介质 P282 返回 1 淬火加热温度 亚共析 Ac3 30 50完全淬火 过共析 Ac1 30 50不完全淬火 因需保留预先热处理球化组织中的部分碳化物 得到细小M 粒状碳化物 少量AR的组织 备注 2 淬火冷却方法 一般碳钢 淬透性低 水淬 合金钢及尺寸3 10mm的小碳钢件 油淬 较大的简单碳钢件或易产生淬火缺陷的复杂件 双液淬 尺寸不大的合金钢刀具 分级淬 可有效减少淬火应力 形状复杂 要求变形小或韧性高的合金钢件 等温淬火 精密量具 模具 偶件 深冷处理 参见备注 理想的淬火冷却曲线如P286图10 4所示Why 3 淬火冷却介质 也可参见书中P286的表10 2 比较各种冷却介质的特点 适用范围及局限 9 5钢的回火 转变 组织及种类 1 3 2 3 P268 292 返回 回火转变的依据 回火处理的目的 部分消除淬火组织中的不平衡性 如热应力等 以保持相对硬化的结构与此性能状态 随着温度的升高 回火过程中的组织变化 1 M的分解 C的逐渐析出与形成过渡型碳化物 等 2 AR的分解 形成过渡型碳化物与过饱和 相 3 碳化物转变为Cm 以及Cm的聚集长大 4 相的再结晶 由针片状转变为等轴状 最终得到无应力的F与Cm的混合物 回火产物 250 300 C为回火M 300 500 C为回火T 500 650 C为回火S 500 600 C为等轴F 粒状Cm 600 Cm聚集长大 直至A1时严重粗化 成为淬火钢回火时组织变化表球状Cm与F的平衡组织 球状P组织 回火工艺分类 9 5钢的回火 2 3 3 3返回 回火组织与连续冷却组织或等温冷却组织的区别 尤其是中高温回火之后 连续冷却或等温冷却所得的T与S 片层状结构 回火T与回火S 则是粒状Cm分布于F基体上 组织微细 第二相是均匀细小的弥散状态 强度和韧性配合良好 低碳钢的板条M本身就处于强韧组织状态 只需200以下回火 以保持其强韧性 影响因素 添加合金元素可使回火阶段移向更高的温度 即能消除淬火内应力 又能保证回火M的稳定性 使强度和硬度不致降低 9 5钢的回火后的性能及回火脆性 3 3 返回 淬火钢不能直接使用的原因有三 1 高应力状态 易引起变形和开裂 2 组织处于亚稳定状态 使用中会发生组织 性能和尺寸变化 3 淬火组织中的片M硬而脆 达不到零件的力学性能要求 回火性能主要取决于回火温度 回火时间大都为1 3h 空冷 低温回火脆性 250 400C回火时 沿M片边界析出脆性薄壳状碳化物 引起韧性下降的现象 为不可逆回火脆性 请同学解释 高温回火脆性 在500 650C回火后缓冷 韧性突然降低的现象 为可逆回火脆性 回火后快冷可避免 请同学解释 图 回火温度对50钢力学性能的影响 点击此看 影响因素及解决措施 9 6钢的淬透性 P288 返回 9 6 1淬透性的概念9 6 3淬透性曲线的应用9 6 2淬透性的测定及表示方法9 6 4淬透性与机械设计 淬火原则与淬透性1 淬硬 尽量获得全M组织 淬火原则 2 淬透 避免非M组织 3 尽量使用缓和的冷却介质 淬透性 是材料的一种属性 指经A化的材料接受淬火的能力 即在相同条件下获得较大深度M的能力 临界淬透直径 在某介质中材料中心处获得50 M的试样尺寸 用以衡量材料的淬透性 不同材料 不同尺寸的零件 接受淬火的能力不同 同样材料制成的不同尺寸的零件 在同样介质中冷却接受淬火的能力不同 参见右图 9 6 1淬透性的概念 P289 返回 概念 奥氏体化后钢淬火后获得M的能力 衡量 用钢在一定条件下淬火获得淬透层的深度表示 淬透层越深 钢的淬透性越好 关键点 钢在某种介质中淬火时 其淬透层深度与工件从表面到心部各点的冷却速度有关 若中心的冷速 临界冷却速度Vk 全M组织 淬透 若中心的冷速 Vk 则心部出现非M组织 未淬透 图10 7 9 6 2淬透性的测定及表示方法 P290 返回 末端淬火法 端淬法 标样 A化 于末端淬火装置上喷水冷却 结果 沿轴线方向上冷却速度逐渐减小 以末端为最大 检测 测出沿轴线方向上的硬度分布曲线 可得钢的淬透性曲线 比较 不同的钢种 淬透性不同 获得同一性能的冷却方法不同或同一冷却方法所得的性能不同 见上图 图10 9 9 6 3淬透性曲线的应用 P291 返回 1 根据淬透性曲线可以比较不同钢种的淬透性大小2 利用淬透性曲线可以确定钢棒的临界淬火直径3 利用淬透性曲线可推算圆钢淬火后横截面上的硬度分布 图10 11 9 6 4淬透性与机械设计返回 9 7钢的表面淬火 P296 返回 表面淬火 仅对工件表层进行淬火的热处理工艺 原理 快速加热表层至A化 随即迅速冷却获得表面淬火组织 在提高表面硬度与耐磨性的同时 保持内部原有组织与性能 常用工艺 工件放在有足够功率输出的感应线圈之中 在高频交变磁感应加热表面淬火 场作用下 工件表面形成了强大的感应电流 使工件表面迅速升温继之表面淬火的工艺方法 火焰加热表面淬火 将高温火焰或燃烧后的炽热气体喷向工件表面 使其迅速加热到淬火温度 然后在一定的淬火介质中冷却的方法 利滚轮或其它接触器和工件间的接触电阻 通以低电压电接触加热表面淬火的大电流 使工件表面迅速加热A化 滚轮移去后靠自身未加热部分的热传导达到激冷淬火 淬后无需回火 盐浴表面淬火 利用高能量密度的CO2激光束或加速的电子束辐照 电火花表面硬化 轰击表面 使工件表面加热并自冷淬火 其加热速度激光 电子束表面淬火高于感应加热与火焰加热 对工件的热影响极小 淬火后的表面硬度极高 或获得很薄又不宜剥落的硬化层 且变形极小 感应加热表面淬火 P297 返回 感应线圈 通交流电 交变磁场的产生 感应电流的产生 集肤效应使表面瞬时达高温而心部几乎不受影响 立即喷淋冷却剂使表层淬硬 淬硬层深度h 感应电流透入工件表层的深度 电流频率越高 深度越小 加热层则越薄 按交变电流的频率分类 1 高频 200 300kHZ h为0 5 2 0mm 中小模数齿轮及中小尺寸轴类零件 2 超音频 30 60kHZ h为2 5 3 5mm 齿轮 花键轴 凸轮轴 曲轴等 3 中频 2 8kHZ h为3 10mm 较大尺寸轴和大中模数齿轮等 4 工频 50kHZ h为达10 15mm以上 较大直径零件的穿透加热以及大直径零件如轧辊 火车车轮等的表面淬火 装置组成 电源 感应器 喷水套等 感应加热的特点 加热速度快 时间短 热效率高 淬火组织细小 淬火硬度比普通淬火的要高2 3HRC 变形小 氧化脱碳少 具有良好的冲击韧性 疲劳强度及耐磨性 表面存在有利的压应力 工艺过程易于控制及易实现机械化和自动化 特点是 图10 16 9 7 2火焰加热表面淬火返回 用高温火焰 3000C以上 常用乙炔 氧或煤气 氧等混合气体火焰 加热表面 喷水冷却 及时回火 操作 火焰烧嘴相对于工件移动 调节烧嘴位置和移动速度可以获得不同厚度的淬硬层 深度一般为2 6mm 优点 设备简单 成本低 灵活性大 适用钢种较广 缺点 质量难于控制 适用范围 单件 小批量及大型零件的表面淬火 电接触加热表面淬火返回 优点 设备及工艺费用很低 操作方便 工件变形小 能显著提高工件的耐磨性及抗擦伤能力 缺点 硬化层较薄 0 15 0 30mm 组织与硬度的均匀性差 不适于形状复杂的工件 应用 机床导轨 汽缸套等 9 8钢的化学热处理返回 概念 化学热处理是将工件放在活性介质中加热到一定温度 使一种或几种元素渗入表层 以改变其化学成分 组织和性能的热处理工艺 与表面淬火的差异 与表面处理 如电镀 磷化 氧化处理等 的差异 三个基本过程 具体工艺有 渗碳 渗氮处理 氮化 碳氮共渗 即氰化处理和氮碳共渗 1 整体加热与局部加热 2 化学成分的改变与否 无明显的分界面 渗入元素向内扩散 渗层与基体呈紧密结合 不易剥落 具有高硬度 高耐磨性和高疲劳强度 1 高温下介质的化合物分子分解为活性原子 2 零件表面吸收活性原子 形成固溶体或形成化合物 3 表面富集的高浓度活性原子向内部扩散 形成扩散层 渗碳处理 P300 返回 1 将钢件加热到AC3以上温度 分解的活性碳原子吸附于表面 使钢件表层与心部形成很大的C浓度差 2 保温一定时间 使 C 向内部扩散 高温下 C 的扩散系数D大及高的浓差 使C原子向内扩散形成具一定厚度的渗碳层 C原子的扩散速度影响整个处理过程 组织 由表及里为过共析 共析 亚共析 3 渗碳后淬火 回火 可达HRC60以上 组织 由表及里为高碳M 高硬度和强度 混合M 低碳M 良好的综合机械性能 主要参数 适用于 低碳钢制件 对表面有较高耐磨性要求并承受较大冲击载荷的零件 如各种重载齿轮 活塞销 凸轮轴等 20CrMnTi渗碳方法 固体法 液体法 气体法等