03第3章 钢的热处理.ppt

目录 第0章 绪论第1章 工程材料的结构与性能第2章 金属材料的结晶与二元相图第3章 钢的热处理第4章 工程材料第5章 金属的液态成形第6章 金属的塑性成形第7章 金属的焊接成形第8章 非金属材料成形第9章 新材料及其新工艺第10章 机械零件材料及成形工艺的选用 1 第3章钢的热处理 改善钢的性能 主要有两条途径 一是合金化 这是第4章研究的内容 二是热处理 这是本章要研究的内容 供应窄带钢行业热处理设备 2 第3章钢的热处理 3 1概述3 2钢在加热时的组织转变3 3钢在冷却时的组织转变3 4钢的基本热处理工艺3 5钢的表面热处理3 6钢的其它热处理 3 第3章钢的热处理 3 1概述3 1 1热处理的概念3 1 2热处理特点和适用范围3 1 3热处理分类3 1 4临界温度与实际转变温度3 2钢在加热时的组织转变3 3钢在冷却时的组织转变3 4钢的基本热处理工艺3 5钢的表面热处理3 6钢的其它热处理 4 第3章钢的热处理 3 1概述3 1 1热处理的概念3 1 2热处理特点和适用范围3 1 3热处理分类3 1 4临界温度与实际转变温度3 2钢在加热时的组织转变3 3钢在冷却时的组织转变3 4钢的基本热处理工艺3 5钢的表面热处理3 6钢的其它热处理 5 定义 热处理是指将钢在固态下加热 保温和冷却 以改变钢的组织结构 获得所需要性能的一种工艺 3 1概述 3 1 1热处理的概念 热处理作用 大幅度地改善金属材料的工艺性能和使用性能 例如45号钢热轧钢板硬度18HRC860 加热 水冷硬度55HRCT10钢760 加热 炉冷硬度20HRC760 加热 水冷硬度65HRC 6 热处理是一种重要的加工工艺 在制造业被广泛应用 在机床制造中约60 70 的零件要经过热处理 在汽车 拖拉机制造业中需热处理的零件达70 80 模具 滚动轴承100 需经过热处理 重要零件都需适当热处理后才能使用 3 1概述 滚动轴承 3 1 1热处理的概念 7 为什么热处理后材料性能会改变 热处理后材料内部的微观结构 组织 发生变化 使材料性能改变 问题1 加热 冷却时材料内部的微观结构如何变化 热处理原理 问题2 热处理工艺有哪些 工程实际中有何应用 3 1概述 3 1 1热处理的概念 8 热处理工艺曲线 用温度 时间坐标表示的热处理过程 3 1概述 3 1 1热处理的概念 9 热处理工艺曲线 用温度 时间坐标表示的热处理过程 3 1概述 3 1 1热处理的概念 等温处理 将钢迅速冷却到临界点以下的给定温度 进行保温 恒温转变 连续冷却 钢以某种速度从高温到低温连续冷却 在临界点以下变温转变 10 热处理原理描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理 热处理工艺根据热处理原理制定的温度 时间 介质等参数称热处理工艺 3 1 1热处理的概念 a 940淬火 220回火 板条M回 A 少 b c d 940淬火 820 780 750淬火 板条M 条状F A 少 e 940淬火 780淬火 220回火 板条M回 条状F A 少 f 780淬火 220回火 板条M回 块状F 20CrMnTi钢不同热处理工艺的显微组织 3 1概述 11 第3章钢的热处理 3 1概述3 1 1热处理的概念3 1 2热处理特点和适用范围3 1 3热处理分类3 1 4临界温度与实际转变温度3 2钢在加热时的组织转变3 3钢在冷却时的组织转变3 4钢的基本热处理工艺3 5钢的表面热处理3 6钢的其它热处理 12 热处理特点热处理区别于其他加工工艺如铸造 压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能 而不改变其形状 热处理适用范围只适用于固态下发生相变的材料 不发生固态相变的材料不能用热处理强化 3 1概述 3 1 2热处理特点和适用范围 13 第4章钢的热处理 3 1概述3 1 1热处理的概念3 1 2热处理特点和适用范围3 1 3热处理分类3 1 4临界温度与实际转变温度3 2钢在加热时的组织转变3 3钢在冷却时的组织转变3 4钢的基本热处理工艺3 5钢的表面热处理3 6钢的其它热处理 14 预备热处理与最终热处理预备热处理 为随后的加工 冷拔 冲压 切削 或进一步热处理作准备的热处理 最终热处理 赋予工件所要求的使用性能的热处理 3 1热处理分类 15 依加热 冷却方式等不同 将热处理工艺分类如下 3 1热处理分类 16 第4章钢的热处理 3 1概述3 1 1热处理的概念3 1 2热处理特点和适用范围3 1 3热处理分类3 1 4临界温度与实际转变温度3 2钢在加热时的组织转变3 3钢在冷却时的组织转变3 4钢的基本热处理工艺3 5钢的表面热处理3 6钢的其它热处理 17 在铁碳相图中PSK A1线 GS A3线 ES Acm线 均称为临界温度实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象钢加热时的实际转变温度分别用Ac1 Ac3 Accm表示 冷却时的实际转变温度分别用Ar1 Ar3 Arcm表示 因加热冷却速度直接影响转变温度 因此一般手册中的数据是以30 50 h的速度加热或冷却时测得的 3 1 4临界温度与实际转变温度 3 1概述 18 第3章钢的热处理 3 1概述3 2钢在加热时的组织转变3 2 1奥氏体的形成过程3 2 2奥氏体晶粒长大及其影响因素3 3钢在冷却时的组织转变3 4钢的基本热处理工艺3 5钢的表面热处理3 6钢的其它热处理 19 第3章钢的热处理 3 1概述3 2钢在加热时的组织转变3 2 1奥氏体的形成过程3 2 2奥氏体晶粒长大及其影响因素3 3钢在冷却时的组织转变3 4钢的基本热处理工艺3 5钢的表面热处理3 6钢的其它热处理 20 加热是热处理的第一道工序 加热分两种 一种是在A1以下加热 不发生相变 另一种是在临界点以上加热 以获得均匀的奥氏体组织 称奥氏体化 3 2钢在加热时的组织转变 3 2 1奥氏体的形成过程 钢坯加热 奥氏体化是一个形核和长大的过程 分为四步 现以共析钢为例说明 21 3 2钢在加热时的组织转变 当共析钢加热温度有下列转变 22 奥氏体化的四个过程 3 2钢在加热时的组织转变 23 3 2钢在加热时的组织转变 24 第一步奥氏体晶核形成 首先在F与Fe3C相界形核 第二步奥氏体晶核长大 A晶核通过碳原子的扩散向F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 3 2钢在加热时的组织转变 25 3 2钢在加热时的组织转变 奥氏体组织 26 亚共析钢的奥氏体化过程 3 2钢在加热时的组织转变 亚共析钢F P组织 奥氏体组织 Ac3以上 Ac1 Ac3 A F A P F 27 过共析钢的奥氏体化过程 3 2钢在加热时的组织转变 过共析钢P Fe3C组织 奥氏体组织 Acm3以上 Ac1 Accm A FeC3 A P FeC3 28 第3章钢的热处理 3 1概述3 2钢在加热时的组织转变3 2 1奥氏体的形成过程3 2 2奥氏体晶粒长大及其影响因素3 3钢在冷却时的组织转变3 4钢的基本热处理工艺3 5钢的表面热处理3 6钢的其它热处理 29 奥氏体晶粒长大随加热温度升高或保温时间延长 奥氏体晶粒将进一步长大 这也是一个自发的过程 奥氏体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同 3 2钢在加热时的组织转变 3 2 2奥氏体晶粒长大及其影响因素 30 奥氏体晶粒长大随加热温度升高或保温时间延长 奥氏体晶粒将进一步长大 这也是一个自发的过程 起始晶粒度奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度 此时晶粒细小均匀 实际晶粒度在某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度 本质晶粒度钢加热到930 10 保温8小时 冷却后测得的晶粒度 3 2钢在加热时的组织转变 3 2 2奥氏体晶粒长大及其影响因素 实际晶粒度的大小 决定了钢的性能 表征钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向 如果测得的晶粒细小 5 8级 则该钢称为本质细晶粒钢 如果测得的晶粒粗大 1 4级 则该钢称为本质粗晶粒钢 31 3 2钢在加热时的组织转变 影响奥氏体晶粒长大的因素加热温度和保温时间钢的成分 温度越高 或在一定温度下保温时间越长 奥氏体晶粒越粗大 本质粗晶粒钢 本质细晶粒钢 奥氏体中碳含量增高 晶粒长大倾向增大 加入钛 钒 铌 锆 铝等元素 阻碍晶粒长大 有利于得到本质细晶粒钢 锰和磷促进晶粒长大 32 3 2钢在加热时的组织转变 奥氏体晶粒粗大 冷却后的组织也粗大 降低钢的常温力学性能 尤其是塑性 加热保温得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一 33 第3章钢的热处理 3 1概述3 2钢在加热时的组织转变3 3钢在冷却时的组织转变3 3 1过冷奥氏体的等温转变3 3 2过冷奥氏体的连续转变3 3 3影响C曲线的因素3 4钢的基本热处理工艺3 5钢的表面热处理3 6钢的其它热处理 34 A1 t 等温冷却 连续冷却 过冷奥氏体 在A1以下 未发生转变的不稳定奥氏体 按等温冷却方式测定 得到过冷奥氏体等温转变曲线 C曲线 TTT曲线 按连续冷却方式测定 得到过冷奥氏体连续冷却转变曲线 CCT曲线 t A1 CCT C曲线 Ms 3 3钢在冷却时的组织转变 冷却是热处理更重要的工序 钢在冷却时的转变实质上是过冷A的转变 35 第3章钢的热处理 3 1概述3 2钢在加热时的组织转变3 3钢在冷却时的组织转变3 3 1过冷奥氏体的等温转变3 3 2过冷奥氏体的连续转变3 3 3影响C曲线的因素3 4钢的基本热处理工艺3 5钢的淬透性3 6钢的表面热处理 36 共析钢过冷奥氏体的等温转变 3 3钢在冷却时的组织转变 3 3 1过冷奥氏体的等温转变 四个区域奥氏体稳定区 粉红区 过冷奥氏体区 蓝色区 转变产物区 绿色区 转变区 红色区 孕育期 表示过冷A的稳定程度 过冷A 转变开始线 转变结束线 孕育期 三种转变类型高温转变区 P型转变中温转变区 B型转变低温转变区 M型转变 37 a 珠光体 高温 转变转变温度范围A1 550 珠光体组成F和Fe3C的机械混合物渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上形成特点在固态下形核 长大 3 3钢在冷却时的组织转变 是扩散型相变 通过碳 铁的扩散和晶体结构的重构来实现 38 3 3钢在冷却时的组织转变 39 珠光体转变过程动态观察 3 3钢在冷却时的组织转变 40 珠光体转变过程 3 3钢在冷却时的组织转变 41 a 珠光体 高温 转变形态片状A1 650 珠光体P650 600 索氏体S 细P 600 550 托氏体T 极细P 又称屈氏体 转变温度越低 层间距越小 球状 Fe3C呈球状 3 3钢在冷却时的组织转变 42 3 3钢在冷却时的组织转变 三维珠光体如同放在水中的包心菜 43 珠光体型组织的光学显微镜照片 珠光体 索氏体 屈氏体 3 3钢在冷却时的组织转变 44 3 3钢在冷却时的组织转变 珠光体3800倍索氏体8000倍屈氏体8000倍珠光体型组织的扫描电镜照片 45 3 3钢在冷却时的组织转变 球状珠光体 46 珠光体的性能片间距越小 钢的强度 硬度越高 而塑性和韧性略有改善 C 相同时 球状P比片状P HB b 3 3钢在冷却时的组织转变 47 b 贝氏体 中温 转变转变温度范围550 MS贝氏体组成过饱和F和Fe3C的机械混合物 渗碳体呈分布在过饱和铁素体基体上 3 3钢在冷却时的组织转变 48 b 贝氏体 中温 转变形成特点在固态下形核 长大半扩散型相变 铁原子不扩散 而碳原子有一定扩散能力 形态550 350 上贝氏体B上350 Ms 下贝氏体B下 3 3钢在冷却时的组织转变 49 贝氏体转变过程动态观察 3 3钢在冷却时的组织转变 50 上贝氏体形貌 羽毛状 3 3钢在冷却时的组织转变 光镜下 电镜下 51 下贝氏体形貌 竹叶状 黑针状 3 3钢在冷却时的组织转变 光镜下 电镜下 52 3 3钢在冷却时的组织转变 下贝氏体 贝氏体组织的透射电镜形貌 53 b 贝氏体 中温 转变性能转变 F片细 过饱和度 Fe3C细小 弥散度 HB b 耐磨性 塑 韧性好 3 3钢在冷却时的组织转变 上贝氏体强度 塑性 韧性都较差 无使用价值 下贝氏体强韧性好 是生产上常用的强化组织之一 54 亚共析钢过冷奥氏体的等温转变转变曲线多一条过冷奥氏体铁素体的转变开始线 在高温转变区 转变产物 铁素体 珠光体型组织 在中温转变区 转变产物 珠光体型组织 无铁素体转变 3 3钢在冷却时的组织转变 亚共析钢过冷A的等温转变曲线图 55 过共析钢过冷奥氏体的等温转变C曲线的上部为过冷A中析出二次渗碳体开始线 在高温转变区 转变产物 Fe3CII 珠光体型组织 在中温转变区 转变产物 珠光体型组织 无Fe3CII转变 3 3钢在冷却时的组织转变 亚共析钢过冷A的等温转变曲线图 56 第3章钢的热处理 3 1概述3 2钢在加热时的组织转变3 3钢在冷却时的组织转变3 3 1过冷奥氏体的等温转变3 3 2过冷奥氏体的连续转变3 3 3影响C曲线的因素3 4钢的基本热处理工艺3 5钢的表面热处理3 6钢的其它热处理 57 共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 a 连续冷却转变曲线连续冷却转变曲线也称CCT曲线 冷却速度V Vk 过冷奥氏体将全部转变为珠光体型组织 3 3钢在冷却时的组织转变 3 3 2过冷奥氏体的连续转变 58 共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 a 连续冷却转变曲线连续冷却转变曲线也称CCT曲线冷却速度小于Vk 过冷奥氏体将全部转变为珠光体型组织 3 3钢在冷却时的组织转变 3 3 2过冷奥氏体的连续转变 59 A1 650 珠光体P650 600 索氏体S600 550 托氏体T 3 3钢在冷却时的组织转变 60 以大于Vk速度冷却时 共析钢得到的组织为马氏体 冷却速度介于Vk Vk 之间 可获得T M组织 共析钢过冷A在连续冷却转变时得不到贝氏体 3 3钢在冷却时的组织转变 Vk CCT曲线的临界冷却速度 即获得全部马氏体组织时的最小冷却速度 Vk TTT曲线的临界冷却速度 Vk 1 5Vk 61 与共析钢的C曲线相比 共析钢的CCT曲线稍靠右靠下一点 可用C曲线分析连续转变过程 3 3钢在冷却时的组织转变 62 b 过冷奥氏体的低温转变 重点内容马氏体转变区 转变温度在Ms Mf之间 Ms 马氏体转变开始温度Mf 马氏体转变结束温度过冷A快速冷却 V Vk 转变为马氏体 3 3钢在冷却时的组织转变 马氏体转变观察 63 马氏体转变特点过冷A转变为马氏体 M 是一种非扩散型转变 3 3钢在冷却时的组织转变 铁和碳原子都不进行扩散 铁原子沿奥氏体一定晶面 集体地按一定角度进行切变 使面心立方晶格改组为体心正方晶格 碳原子原地不动 过饱和地留在新组成的晶胞中 增大了其正方度c a 64 马氏体转变特点过冷A转变为马氏体 M 是一种非扩散型转变 3 3钢在冷却时的组织转变 马氏体本质碳在 Fe中的过饱和固溶体 晶格为体心正方晶格 过饱和碳使 Fe的晶格发生很大畸变 产生很强的固溶强化 65 马氏体转变特点过冷A转变为马氏体 M 是一种非扩散型转变马氏体变温形成 高速长大 3 3钢在冷却时的组织转变 奥氏体冷却到Ms点以下后 无孕育期 瞬时转变为马氏体 随着温度下降 过冷A不断转变为马氏体 是一个连续冷却的转变过程 66 马氏体转变特点过冷A转变为马氏体 M 是一种非扩散型转变马氏体的形成速度很快马氏体形成时体积膨胀 3 3钢在冷却时的组织转变 Why 为什么会导致体积膨胀 体积膨胀在钢中造成很大的内应力 严重时导致变形和开裂 67 马氏体转变特点过冷A转变为马氏体 M 是一种非扩散型转变马氏体的形成速度很快马氏体形成时体积膨胀马氏体转变不彻底 3 3钢在冷却时的组织转变 总要残留少量奥氏体 残余奥氏体的含量与MS Mf的位置有关 奥氏体中的碳含量越高 则MS Mf越低 残余A含量越高 碳质量分数 0 6 时 残余A可忽略 68 奥氏体碳质量分数与MS Mf的位置关系 碳质量分数与残余A量的关系 3 3钢在冷却时的组织转变 69 马氏体的形态碳质量分数 0 25 为板条马氏体 低碳马氏体 3 3钢在冷却时的组织转变 在显微镜下为一束束平行排列的细板条 透射电镜分析 板条马氏体内有大量位错缠结的亚结构 所以也称位错马氏体 70 马氏体的形态碳质量分数1 0 为针状马氏体 高碳马氏体 3 3钢在冷却时的组织转变 光学显微镜中呈凸透镜状 马氏体针之间形成60 角 透射电镜分析 针状马氏体内有大量孪晶 也称孪晶马氏体 71 马氏体的形态碳质量分数在0 25 1 0 之间时 为板条马氏体和针状马氏体的混和组织 3 3钢在冷却时的组织转变 马氏体形态与碳质量分数的关系 72 马氏体形态与碳质量分数的关系 3 3钢在冷却时的组织转变 73 马氏体的性能硬度高硬度随马氏体的碳质量分数的增加而增加 马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量 即母相奥氏体的含碳量 3 3钢在冷却时的组织转变 74 含碳量对马氏体硬度和强度的影响 3 3钢在冷却时的组织转变 75 马氏体的性能硬度高马氏体的塑性和韧性取决于马氏体中的碳含量 3 3钢在冷却时的组织转变 低碳马氏体不仅强度高 塑性 韧性也较好 高碳马氏体硬而脆 塑性 韧性极差 晶粒细化得到的隐晶马氏体有一定的韧性 76 马氏体的性能硬度很高马氏体的塑性和韧性取决于马氏体中的碳含量马氏体的物理性能变化 3 3钢在冷却时的组织转变 马氏体的比容比奥氏体大 当奥氏体转变为马氏体时 体积会膨胀 高碳马氏体尤为严重 马氏体是铁磁相 而奥氏体为顺磁相 马氏体晶格畸变严重 因此电阻率高 马氏体转变是强化钢的重要途径之一 77 过冷奥氏体转变产物 共析钢 78 亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变亚共析钢过冷A在高温时有一部分将转变为F 在中温转变区会有少量贝氏体产生 3 3钢在冷却时的组织转变 3 3 2过冷奥氏体的连续转变 油冷的产物为F T B M F和上B量很少 可忽略 79 过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变过共析钢过冷A在高温区先析出二次渗碳体 后转变为其它组织 奥氏体中碳含量高 油冷 水冷后组织中有残余奥氏体 连续冷却过程中无贝氏体转变 3 3钢在冷却时的组织转变 3 3 2过冷奥氏体的连续转变 80 共析钢转变产物与性能之间的关系重要提示 过冷奥氏体转变产物 高温转变产物 珠光体 索氏体 屈氏体中温转变产物 上贝氏体 下贝氏体低温转变产物 马氏体 3 3钢在冷却时的组织转变 81 共析钢连续冷却转变获得的组织 A P 600 550 650 82 第3章钢的热处理 3 1概述3 2钢在加热时的组织转变3 3钢在冷却时的组织转变3 3 1过冷奥氏体的等温转变3 3 2过冷奥氏体的连续转变3 3 3影响C曲线的因素3 4钢的基本热处理工艺3 5钢的淬透性3 6钢的表面热处理 83 成分的影响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 合金元素的影响除Co外 凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移 除Co和Al外 所有合金元素都使Ms与Mf点下降 3 3钢在冷却时的组织转变 3 3 3影响C曲线的因素 84 3 3钢在冷却时的组织转变 合金元素对过冷A等温转变曲线的影响 特别提示加入的合金元素 只有溶于奥氏体时 才能使得C曲线右移 如果合金元素形成的碳化物未完全溶解 则会成为珠光体的核心 反而降低钢的淬透性 85 成分的影响奥氏体化条件的影响奥氏体化温度提高和保温时间延长 使C曲线右移 奥氏体成分均匀 晶粒粗大 未溶碳化物减少 增加了过冷奥氏体的稳定性 3 3钢在冷却时的组织转变 3 3 3影响C曲线的因素 86 第3章钢的热处理 3 1概述3 2钢在加热时的组织转变3 3钢在冷却时的组织转变3 4钢的基本热处理工艺3 4 1退火3 4 2正火3 4 3淬火3 4 4回火3 5钢的表面热处理3 6钢的其它热处理 87 第3章钢的热处理 3 1概述3 2钢在加热时的组织转变3 3钢在冷却时的组织转变3 4钢的基本热处理工艺3 4 1退火3 4 2正火3 4 3淬火3 4 4回火3 5钢的表面热处理3 6钢的其它热处理 88 机械零件的一般加工工艺毛坯 铸 锻 预备热处理机加工最终热处理基本热处理工艺 四把火 退火 正火 淬火 回火 3 4钢的基本热处理工艺 退火与正火主要用于预备热处理 只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理 淬火和回火用于最终热处理 决定零件的使用性能 89 将钢加热到适当温度 保温一定时间 然后缓慢冷却 一般为随炉冷却 的热处理工艺叫做退火 钢的退火方法完全退火等温退火球化退火扩散退火去应力退火 3 4钢的基本热处理工艺 3 4 1退火 真空退火炉 90 完全退火 重结晶退火 把钢加热至Ac3 20 30 保温后缓慢冷却 随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却 以获得接近平衡组织的热处理工艺 3 4钢的基本热处理工艺 3 4 1退火 适用钢种 一般用于亚共析钢 退火后组织 F P 91 完全退火 重结晶退火 退火目的使热加工造成的粗大 不均匀的组织均匀化和细化 为淬火作组织准备 3 4钢的基本热处理工艺 3 4 1退火 得到接近平衡状态的组织 降低硬度 改善切削加工性能 适合加工的硬度为170 250HB 消除内应力 防止加工中变形 92 等温退火将钢加热到 Ac3 Ac1 的温度 保温后 较快地冷却到珠光体区的某一温度保温 让奥氏体等温转变 然后缓慢冷却的热处理工艺 3 4钢的基本热处理工艺 3 4 1退火 与完全退火相同 能获得均匀的组织 对于奥氏体较稳定的合金钢 可缩短退火时间 93 球化退火使钢中碳化物球状化的热处理工艺 适用钢种 共析钢和过共析钢 退火温度 Ac1 30 50 3 4钢的基本热处理工艺 3 4 1退火 球化退火需要较长的保温时间来保证二次渗碳体的自发球化 保温后随炉冷却 94 组织 球状珠光体 在铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体 球状珠光体 目的 使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化 降低硬度 改善切削加工性能 为以后的淬火作组织准备 3 4钢的基本热处理工艺 对于有网状二次渗碳体的过共析钢 球化退火前应先进行正火 以消除网状 95 扩散退火 均匀化退火 把钢锭 铸件或锻坯加热到固相线以下100 200 的温度 长时间保温 10h 15h 并进行缓慢冷却的热处理工艺 3 4钢的基本热处理工艺 目的 减少钢锭 铸件 锻坯的化学成分和组织的不均匀性 3 4 1退火 96 去应力退火将钢件加热至低于Ac1的某一温度 一般为500 650 保温后随炉冷却 以消除内应力的低温退火 3 4钢的基本热处理工艺 3 4 1退火 目的 消除铸造 锻造 焊接和机加工 冷变形等加工在工件中造成的残留内应力 去应力退火不引起组织变化 97 第3章钢的热处理 3 1概述3 2钢在加热时的组织转变3 3钢在冷却时的组织转变3 4钢的基本热处理工艺3 4 1退火3 4 2正火3 4 3淬火3 4 4回火3 5钢的表面热处理3 6钢的其它热处理 98 钢加热到Ac3 对于亚共析钢 Ac1 对于共析钢 Accm 对于过共析钢 以上30 50 保温后 在自由流动的空气中均匀冷却的热处理 3 4钢的基本热处理工艺 3 4 2正火 正火后的组织 亚共析钢F S共析钢S过共析钢S Fe3CII 99 正火目的 作为最终热处理细化晶粒 均匀组织 细化珠光体片层间距提高钢的强度 硬度和韧性 用于不重要的零件 3 4钢的基本热处理工艺 作为预先热处理亚共析钢 消除魏氏组织和带状组织 均匀 细化组织 过共析钢 消除网状渗碳体 为球化退火作组织准备 改善切削加工性能 100 第3章钢的热处理 3 1概述3 2钢在加热时的组织转变3 3钢在冷却时的组织转变3 4钢的基本热处理工艺3 4 1退火3 4 2正火3 4 3淬火3 4 4回火3 5钢的表面热处理3 6钢的其它热处理 101 淬火是将钢加热到临界点以上 保温后以大于Vk速冷却 使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺 淬火是应用最广的热处理工艺之一 淬火目的是为获得马氏体组织 提高钢的性能 3 4钢的基本热处理工艺 3 4 3淬火 钢的淬火热处理 102 淬火温度亚共析钢 Ac3 30 50 共析钢 Accm 30 50 过共析钢 Accm 30 50 预备热处理亚共析钢 退火或正火共析钢 球化退火过共析钢 球化退火 3 4钢的基本热处理工艺 103 淬火后的组织亚共析钢 M 0 6C 3 4钢的基本热处理工艺 104 共析钢 M A 3 4钢的基本热处理工艺 105 过共析钢M 颗粒状Fe3C A 3 4钢的基本热处理工艺 T12钢 含1 2 C 正常淬火组织 106 淬火介质理想冷却曲线慢 C曲线鼻子温度以上 快 C曲线鼻子温度附近 慢 C曲线鼻子温度以下 但目前还没有找到某种淬火介质具有理想冷却曲线 3 4钢的基本热处理工艺 107 淬火介质纯水和盐水油熔盐专业淬火介质 油基 水基 3 4钢的基本热处理工艺 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 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 108 淬火方法单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火 3 4钢的基本热处理工艺 109 3 4钢的基本热处理工艺 单液淬火 110 钢的淬透性 重点内容钢淬火时形成马氏体的能力叫做钢的淬透性 测定方法 末端淬火法 3 4钢的基本热处理工艺 111 3 4钢的基本热处理工艺 112 淬火形曲线 试棒末端淬火后测得试样沿长度方向上的硬度变化 3 4钢的基本热处理工艺 钢的淬透性值用表示 J 末端淬火的淬透性 d 距水冷端的距离 HRC 该处的硬度 例如 淬透性值 表示距水冷端5mm处的硬度为42HRC 113 在实际生产中 钢的淬透性表达方法 淬透层深度 从试样表面至半马氏体区 马氏体和非马氏体组织组成物各占一半 的距离 3 4钢的基本热处理工艺 114 在同样淬火条件下 淬透层深度越大 则反映钢的淬透性越好 3 4钢的基本热处理工艺 115 在实际生产中 钢的淬透性表达方法 淬透层深度 从试样表面至半马氏体区 马氏体和非马氏体组织组成物各占一半 的距离 临界淬透直径 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 3 4钢的基本热处理工艺 116 在实际生产中 钢的淬透性表达方法 淬透层深度 从试样表面至半马氏体区 马氏体和非马氏体组织组成物各占一半 的距离 临界淬透直径 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 3 4钢的基本热处理工艺 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 117 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 3 4钢的基本热处理工艺 118 影响淬透性的因素 因而凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素 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 3 4钢的基本热处理工艺 119 合金元素对钢的C曲线的影响 3 4钢的基本热处理工艺 120 特别提示对于碳钢 共析钢淬透性最高 合金钢往往比碳钢的淬透性要好 钢的淬透性主要决定于钢中合金元素的种类和含量 3 4钢的基本热处理工艺 121 钢的淬透性曲线的应用比较不同钢种的淬透性 3 4钢的基本热处理工艺 淬透性是钢材选用的重要依据之一 用半马氏体硬度曲线和淬透性曲线 找出钢的半马氏体区所对应的距水冷端距离 该距离越大 则淬透性越好 122 钢的淬透性曲线的应用比较不同钢种的淬透性 3 4钢的基本热处理工艺 40Cr钢的淬透性比45钢要好 123 钢的淬透性曲线的应用比较不同钢种的淬透性钢材截面性能分析 3 4钢的基本热处理工艺 调质处理后 淬透性好的钢棒整个截面是回火索氏体 机械性能均匀 强度高 韧性好 淬透性差的钢表层为回火索氏体 心部为片状索氏体 铁素体 心部强韧性差 124 钢的淬透性曲线的应用比较不同钢种的淬透性钢材截面性能分析 3 4钢的基本热处理工艺 举例直径为30mm的40CrNiMo钢棒整个截面性能均匀 强度高 韧性好 直径为30mm的40钢心部强韧性较差 125 钢的淬透性曲线的应用比较不同钢种的淬透性钢材截面性能分析选材 3 4钢的基本热处理工艺 截面较大 形状复杂以及受力较苛刻的螺栓 拉杆 锻模 锤杆等工件 要求截面机械性能均匀 应选用淬透性好的钢 需要淬透承受弯曲或扭转载荷的轴类零件 外层受力较大 心部受力较小 可选用淬透性较低的钢种 可以不淬透 126 钢的淬硬性钢淬火后能够达到的最高硬度叫钢的淬硬性 淬硬性主要决定于M的碳质量分数 T12钢 淬火后硬度为62HRC 65HRC45钢 淬火后硬度为55HRC 58HRC刃具 冷作模具要求有很高的淬硬性 3 4钢的基本热处理工艺 127 淬硬性与淬硬性的异同相同点 均是钢本身固有属性淬透性 钢淬火时获得M的能力淬硬性 钢淬火时的硬化能力区别钢的实际淬硬层深度与工件形状 大小 冷却介质 淬透性有关淬硬性主要取决于M的含碳量 3 4钢的基本热处理工艺 128 3 4钢的基本热处理工艺 练习比较T10 20CrMnTi 40Cr三种钢的淬透性和淬硬性的高低 129 淬火缺陷及其防止变形与开裂热应力 在淬火冷却过程中 由于工件内外温差而导致热胀冷缩不一致 由此而产生的应力 组织应力 在组织转变过程中 由比容的变化而产生的内应力 热应力和组织应力是是工件形成淬火内应力的根源 会使工件变形甚至开裂 变形不大的零件 可在淬火和回火后进行矫直 变形较大或出现裂纹时 零件只好报废 在实际生产中 为减少淬火件变形 防止工件开裂 需注意正确选择材料和合理设计工件结构 3 4钢的基本热处理工艺 硬度不足 硬度不足是指工件上较大区域内的硬度达不到技术要求 形成此缺陷的原因很多 主要是 淬火冷却冷却能力不足 淬火加热温度过低或保温时间短 淬火组织中存在珠光体或铁素体 表面脱碳降低了钢的淬硬性 对于硬度不足的工件可以重新淬火 即返修 但在重新淬火前 应对工件进行一次退火 正火或高温回火以消除淬火应力 防止在重新淬火的过程中产生更大的变形甚至开裂 氧化与脱碳 氧化 钢在加热时 铁和合金元素与氧化性介质作用在工件表面生成氧化膜的现象 脱碳 钢在加热时 钢表层中的碳与周围介质中氧 二氧化碳等发生化学反应 生成含碳气体逸出钢外 使钢表层含碳量下降 氧化会使工件尺寸减小 表面粗糙度增加 脱碳会降低钢的表面硬度 耐磨性和抗疲劳能力 氧化脱碳还会增加淬火开裂倾向 为了防止工件在加热时氧化和脱碳 生产中常采用脱氧良好的盐浴加热 保护气氛加热 真空加热 高温短时加热等工艺方法 130 P 温度 时间 共析钢不同冷却条件下的转变产物 MS Mf A1 退火 炉冷 P 退火 炉冷 S 淬火 油冷 T M A B下 M A M A 131 第3章钢的热处理 3 1概述3 2钢在加热时的组织转变3 3钢在冷却时的组织转变3 4钢的基本热处理工艺3 4 1退火3 4 2正火3 4 3淬火3 4 4回火3 5钢的表面热处理3 6钢的其它热处理 132 回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺 回火的目的减少或消除淬火内应力 防止变形或开裂 3 4钢的基本热处理工艺 3 4 4回火 螺杆表面的淬火裂纹 获得所需要的力学性能 淬火钢一般硬度高 脆性大 回火可调整硬度 韧性 133 3 4钢的基本热处理工艺 回火的目的稳定尺寸 淬火M和A 都是非平衡组织 有自发向平衡组织转变的倾向 回火可使M与A 转变为平衡或接近平衡的组织 防止使用时变形 未经淬火的钢回火无意义 淬火钢不回火在放置使用过程中易变形或开裂 钢经淬火后应立即进行回火 2 3小时之内 134 回火时的组织变化 3 4钢的基本热处理工艺 M分解 100 250 100 250 100 250 过饱和 Fe 碳化物 回火M 过饱和F 细Fe3C 回火T 块状F 颗粒Fe3C 回火S 135 3 4钢的基本热处理工艺 回火马氏体 136 3 4钢的基本热处理工艺 回火屈氏体 137 3 4钢的基本热处理工艺 回火索氏体 光镜下 电镜下 138 3 4钢的基本热处理工艺 淬火钢回火时马氏体的碳质量分数 残余奥氏体量 内应力及碳化物尺寸随温度的变化规律 139 3 4钢的基本热处理工艺 回火时的性能变化总的趋势是随回火温度提高 钢的强度 硬度下降 塑性 韧性提高 40钢机械性能与回火温度的关系 140 3 4钢的基本热处理工艺 回火时的性能变化总的趋势是随回火温度提高 钢的强度 硬度下降 塑性 韧性提高 回火脆性钢在250 350 和500 600 两个温度区间回火后 钢的冲击韧度明显下降 141 3 4钢的基本热处理工艺 第一类回火脆性 250 400 每种钢都有 难以避免 回火温度禁区 第二类回火脆性 500 600 含Cr Mn Ni的钢明显 可以消除 钢中加Mo W或回火后快冷 142 3 4钢的基本热处理工艺 回火的种类低温回火 150 250 组织 回火M 极细 碳化物 过饱和 相目的 内应力 脆性 保持高硬度和耐磨性适用 工具 量具 轴承 高碳钢 渗碳件 表面淬火件 一般硬度 HRC58 62 143 3 4钢的基本热处理工艺 需经低温回火处理后使用的零件 144 3 4钢的基本热处理工艺 回火的种类低温回火 150 250 组织 回火M 极细 碳化物 过饱和 相目的 内应力 脆性 保持高硬度和耐磨性适用 工具 量具 轴承 高碳钢 渗碳件 表面淬火件 一般硬度 HRC58 62 中温回火 350 500 组织 回火T 针状过饱和F 极细Fe3C目的 获得高 s e适用 弹簧 扳手 中高碳钢 一般硬度 HRC35 45 145 3 4钢的基本热处理工艺 需经中温回火处理后使用的零件 146 3 4钢的基本热处理工艺 回火的种类低温回火 150 250 组织 回火M 极细 碳化物 过饱和 相目的 内应力 脆性 保持高硬度和耐磨性适用 工具 量具 轴承 高碳钢 渗碳件 表面淬火件 一般硬度 HRC58 62 中温回火 350 500 组织 回火T 针状过饱和F 极细Fe3C目的 获得高 s e适用 弹簧 扳手 中高碳钢 一般硬度 HRC35 45 高温回火 500 650 组织 回火T 块状F 粒状Fe3C目的 获得良好的综合机械性能适用 轴 齿轮 螺栓等重要结构件 中碳钢 一般硬度 HRC25 35 淬火 高温回火 调质 147 3 4钢的基本热处理工艺 需经高温回火处理后使用的零件 148 第3章钢的热处理 3 1概述3 2钢在加热时的组织转变3 3钢在冷却时的组织转变3 4钢的基本热处理工艺3 5钢的表面热处理3 5 1钢的表面淬火3 5 2 钢的化学热处理3 6钢的其它热处理 149 化学热处理 表面淬火 对轴 齿轮 凸轮的机械性能要求 表面 硬 耐磨 耐疲劳 M 心部 塑 韧 耐冲击 F P 解决思路 选材 低 或高 淬透性材料 低 或高 碳钢 工艺 只改变表层组织 同时改变表层组织 成分 表面热处理 3 5钢的表面热处理 150 第3章钢的热处理 3 1概述3 2钢在加热时的组织转变3 3钢在冷却时的组织转变3 4钢的基本热处理工艺3 5钢的表面热处理3 5 1钢的表面淬火3 5 2 钢的化学热处理3 6钢的其它热处理 151 表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下 利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法 表面淬火目的使表面具有高的硬度 耐磨性和疲劳极限 心部在保持一定的强度 硬度的条件下 具有足够的塑性和韧性 即表硬里韧 3 5钢的表面热处理 3 5 1钢的表面淬火 152 适用范围承受弯曲 扭转 摩擦和冲击的零件 中碳钢 0 4 0 5 C 或铸铁含碳量过低 则表面硬度 耐磨性下降 含碳量过高 心部韧性下降 一般用正火或调质作为预备热处理 3 5钢的表面热处理 机床导轨 表面淬火齿轮 153 常用加热方法感应加热 最为常用 利用交变电流的集肤效应在工件表面感应巨大涡流 使工件表面迅速加热 3 5钢的表面热处理 感应加热表面淬火感应加热表面淬火示意图 154 常用加热方法感应加热 最为常用 高频感应加热 频率为250 300KHz 淬硬层深度0 5 2mm 3 5钢的表面热处理 感应加热的感应圈 155 常用加热方法感应加热 最为常用 高频感应加热 频率为250 300KHz 淬硬层深度0 5 2mm 中频感应加热 频率为2 5 8KHz 淬硬层深度2 10mm 3 5钢的表面热处理 中频感应加热的感应圈 156 常用加热方法感应加热 最为常用 高频感应加热 频率为250 300KHz 淬硬层深度0 5 2mm 中频感应加热 频率为2 5 8KHz 淬硬层深度2 10mm 工频感应加热 频率为50Hz 淬硬层深度10 15mm 3 5钢的表面热处理 600毫米直径冷轧辊工频感应加热淬火 157 3 5钢的表面热处理 各式感应加热 158 常用加热方法感应加热 最为常用 火焰加热利用乙炔火焰直接加热工件表面 成本低 质量不易控制 3 5钢的表面热处理 火焰加热淬火 159 常用加热方法感应加热 最为常用 火焰加热激光加热淬火利用高能量密度的激光对工件表面进行加热 效率高 质量好 3 5钢的表面热处理 齿形表面激光淬火处理 160 感应加热淬火工艺过程 3 5钢的表面热处理 161 感应加热表面热处理的特点高频感应加热时 加热速度快 时间短 表面氧化 脱碳较小 生产率较高 表面层淬得马氏体后 由于体积膨胀在工件表面层造成较大的残余压应力 显著提高工件的疲劳强度 表层组织细小 表面硬度较高 且脆性较低 工件变形较小 3 5钢的表面热处理 162 感应加热表面热处理的组织淬火后 表面 马氏体 心部 组织不变 如先经调质处理 心部组织为回火索氏体 低温 180 200 回火后 表面 M回火 降低淬火应力 保持高硬度和高耐磨性 心部 S回火 保证强韧性 感应加热表面热处理的工程应用用于中碳钢和中碳低合金钢 如45 40Cr 40MnB等用于齿轮 主轴 曲轴等零件表面硬化 提高耐磨性 3 5钢的表面热处理 163 第3章钢的热处理 3 1概述3 2钢在加热时的组织转变3 3钢在冷却时的组织转变3 4钢的基本热处理工艺3 5钢的表面热处理3 5 1钢的表面淬火3 5 2 钢的化学热处理3 6钢的其它热处理 164 化学热处理 将钢件置于一定温度的活性介质中保温 使一种或几种元素渗入它的表面 改变其化学成分和组织 达到改进表面性能 满足技术要求的热处理过程 与表面淬火相比 化学热处理不仅改变钢的表层组织 还改变其化学成分 化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一 3 5钢的表面热处理 3 5 2钢的化学热处理 165 主要类型渗碳氮化碳氮共渗渗硫渗铝渗铬 3 5钢的表面热处理 主要介绍渗碳 氮化和碳氮共渗 166 化学热处理的基本过程介质 渗剂 的分解分解的同时释放出活性原子 渗碳 CH4 2H2 C 氮化 2NH3 3H2 2 N 工件表面的吸收活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物 原子向内部扩散 氮化扩散层 3 5钢的表面热处理 167 钢的渗碳 向钢的表面渗入碳原子的工艺目的提高工件表面硬度 耐磨性及疲劳强度 同时保持心部良好的韧性 渗碳用钢含0 1 0 25 C的低碳钢或低碳合金钢 如20 20Cr 20CrMnTi等 3 5钢的表面热处理 经渗碳的机车从动齿轮 168 渗碳方法气体渗碳 3 5钢的表面热处理 将工件放入密封炉内 在高温渗碳气氛中渗碳 渗剂为气体 煤气 液化气等 或有机液体 煤油 甲醇等 优点 质量好 效率高 缺点 渗层成分与深度不易控制 气体渗碳炉 气体渗碳装置示意图 169 渗碳方法气体渗碳固体渗碳 3 5钢的表面热处理 将工件埋入渗剂中 装箱密封后在高温下加热渗碳 渗剂 木炭 优点 操作简单 缺点 渗速慢 劳动条件差 渗碳回火炉 170 渗碳方法气体渗碳固体渗碳真空渗碳法 3 5钢的表面热处理 将工件放入真空渗碳炉中 抽真空后通入渗碳气体加热渗碳 优点 表面质量好 渗碳速度快 真空渗碳炉 171 渗碳温度 900 950 渗碳层厚度 由表面到过渡层一半处的厚度 一般为0 5 2mm 渗碳层表面含碳量 以0 85 1 05为最好 渗碳缓冷后组织 表层 P 网状Fe3C 心部 F P中间 过渡区 3 5钢的表面热处理 低碳钢渗碳缓冷后的组织 172 渗碳后的热处理预冷直接淬火 低温回火 渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火 然后低温回火 组织较粗大 预冷可减少渗碳层残余A 但心部有F组织 表面 高碳M回 碳化物 残余A心部 F 低碳M回 3 5钢的表面热处理 173 渗碳后的热处理一次淬火 低温回火 渗碳缓冷后 重新加热到临界温度以上保温后淬火 然后低温回火 3 5钢的表面热处理 174 受载不大但表面性能要求较高的零件 淬火温度Ac1以上30 50 使表层晶粒细化 组织 表面 高碳M回 碳化物 残余A 少量 心部 F 低碳M回 3 5钢的表面热处理 心部组织要求高时 淬火加热温度略高于Ac3 组织 表面 高碳M回 残余A 较多 心部 低碳M回 175 渗碳后的热处理二次淬火 低温回火渗碳缓冷后 第一次加热为Ac3 30 50 细化心部 第二次表面加热为Ac1 30 50 细化表层 3 5钢的表面热处理 176 二次淬火后的组织 较为理想 表面 高碳M回 碳化物 残余A 少量 心部 低碳M回渗碳后的性能表面硬度高表面硬度58 64HRC以上 耐磨性好 心部硬度30 45HRC 心部强韧 疲劳强度高表层体积膨胀大 心部体积膨胀小 表层中造成压应力 零件的疲劳强度提高 3 5钢的表面热处理 实际应用20 20Cr 20CrMnTi等低碳钢和低碳合金钢制造的齿轮 轴 销 177 钢的渗氮 向钢的表面渗入氮原子的工艺目的更大地提高钢件表面的硬度和耐磨性 提高疲劳强度和抗蚀性 氮化用钢含Cr Mo Al Ti V的中碳钢 常用钢种 35CrAlA 38CrMoAlA 38CrWVAlA等 3 5钢的表面热处理 井式气体氮化炉 178 氮化工艺氮化前预处理 调质处理 获得回火索氏体组织 氮化温度 500 600 氮化层厚度不超过0 6 0 7mm 3 5钢的表面热处理 38CrMoAl钢氮化工艺曲线图 179 常用氮化方法气体氮化法 与气体渗碳法类似 渗剂为氨 离子氮化法 在电场作用下 使电离的氮离子高速冲击作为阴极的工件 与气体氮化相比 氮化时间短 氮化层脆性小 3 5钢的表面热处理 离子氮化炉 180 氮化的特点氮化件表面硬度高 HV1000 2000 耐磨性高 疲