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金属材料与热处理第三章金属材料与热处理第三章pptppt 2018 1 15第三章钢的热处理工艺热处理是将固态金属或合金采用适 当的方式进行加热 保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的 工艺是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热 保温和冷却以 获得所需要的组织结构与性能的工艺热处理方法分类整体热处理对 工件整体进行穿透加热 常用的方法有退火 正火 淬火 回火和调质等对工件整体进行穿 透加热 常用的方法有退火 正火 淬火 回火和调质等表面热处理仅对工 件表面进行的热处理工艺 表面淬火和回火 如感应加热淬火 气相沉淀等仅对工件表面进 行的热处理工艺 表面淬火和回火 如感应加热淬火 气相沉淀等化学热处理改变 工件表层的化学成分 组织和性能 常用的有渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗金属等改变工件表层的化学成 分 组织和性能 常用的有渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗金属等2018 1 15第三章钢的热 处理工艺 根据加热 冷却方式及钢组织性能变化特点不同 将热处 理工艺分类如下其他热处理普通热处理表面热处理热处理其他热处 理普通热处理表面热处理热处理退火正火淬火回火退火正火淬火回 火真空热处理形变热处理激光热处理控制气氛热处理真空热处理形 变热处理激光热处理控制气氛热处理表面淬火 感应加热 火焰加热 电接触加热等化学热处理电接触加热等化学 热处理 渗碳 氮化 碳氮共渗 渗其他元素等渗碳 氮化 碳氮共渗 渗 其他元素等2018 1 15第三章钢的热处理工艺钢的退火与正火 机械 零件的一般加工工艺为毛坯 铸 锻 预备热处理 机加工 最 终热处理 退火与正火主要用于预备热处理 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 只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理 2018 1 15第三章钢的热处理工艺 一 退火 将钢加热至适当温度保温 然后缓慢冷却 炉冷 的热处理 工艺叫做退火 1 退火目的 降低硬度 便于切削加工 适合加工的硬度为170 250HB 适合加工的硬度为170 250HB 消除内应力 防止加工中变形 细化晶粒 均匀组织和成分 改善钢的性能 为最终热处理作 组织准备 细化晶粒 均匀组织和成分 改善钢的性能 为最终热处理作组织 准备 真空退火炉2018 1 15第三章钢的热处理工艺 2 退火工艺 退火的种类很多 常用的有完全退火 等温退火 球 化退火 扩散退火 去应力退火 再结晶退火 完全退火 将工件加热到Ac33 20 30 保温后缓冷的退火工艺 保温后缓冷的退火工艺 主要用于亚共析钢 合金钢和工程铸件等 主要用于亚共析钢 合金钢和工程铸件等 2018 1 15第三章钢的热 处理工艺完全退火 重结晶退火完全退火是将钢完全奥氏体化 随炉缓慢冷却 获得接 近平衡态组织的工艺称 是将钢完全奥氏体化 随炉缓慢冷却 获得接近平衡态组织的工艺 称 过共析钢不宜采用完全退火 因为在冷却过程中会析出网状渗碳体 破坏钢的力学性能 不宜采用完全退火 因为在冷却过程中会析出网状渗碳体 破坏钢 的力学性能 低碳钢也不宜采用完全退火 因为低碳钢完全退火后硬度偏低 不 利于切削加工 也不宜采用完全退火 因为低碳钢完全退火后硬度偏低 不利于切 削加工 2018 1 15第三章钢的热处理工艺 2 不完全退火将钢加热至A A C1 AC3 亚共析钢 或A AC1 A CCM 过共析钢 过共析钢 之间 保温后 随之缓慢冷却 以获 得接近平衡组织的热处理工艺称为不完全退火 之间 保温后 随之缓慢冷却 以获得接近平衡组织的热处理工艺 称为不完全退火 主要用于大批或大量生产的亚共析钢锻件 不完全退火加热温度比完全退火低 工艺周期也较短 不完全退火 加热温度比完全退火低 工艺周期也较短 所以对锻造工艺正常的 亚共析钢锻件 可采用不完全退火代替完全退火 可采用不完全退火代替完全退火 2018 1 15第三章钢的热处理工艺 球化退火 球化退火是将钢中渗 碳体球状化的退火工艺 它是将工件加热到Ac11 20 30 20 30 保温后缓冷 或者加热后冷却到略低于保温后缓冷 或者加热 后冷却到略低于Ar11的温度下保温 使珠光体中的渗碳体球化后出 炉空冷 的温度下保温 使珠光体中的渗碳体球化后出炉空冷 主要用于共析 过共析钢 主要用于共析 过共析钢 2018 1 15第三章钢的热处理工艺 球化退火的组织为铁素体基体上 分布着颗粒状渗碳体的组织 称球状珠光体 用P球表示 球状珠光体 对于有网状二次渗碳体的过共析钢 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球化退火前应先进行正 火 以消除网状 2018 1 15第三章钢的热处理工艺 1 普通球化退火即将钢加热到730 740 保温足够时间 然后以小 于20 h的速度缓冷到650 出炉 这种退火工艺适用于共析成分附近的碳素工具钢 即将钢加热到730 740 保温足够时间 然后以小于20 h的速度缓 冷到650 出炉 这种退火工艺适用于共析成分附近的碳素工具钢 2 周期球化退火也叫循环退火 它是在A点附近的温度反复进行加热和冷却 一般进行3 4个周期 使片状珠光体在几次溶解一析出的反复过程中 碳化物得以球化 该工艺生产周期较长 操作不方便 难以控制 适用于片状珠光体 比较严重的钢 也叫循环退火 它是在A点附近的温度反复进行加热和冷却 一般进行3 4个周期 使片状珠光体在几次溶解一析出的反复过程中 碳化物得以球化 该工艺生产周期较长 操作不方便 难以控制 适用于片状珠光体 比较严重的钢 3 等温球化退火一般加热到800 10 保温后快冷到700 10 A 1附近 再进行较长时间保温 之后 以30 50 h的速度冷却到600 出炉 一般轴承钢多采用此工艺 一般加热到800 10 保温后快冷到700 10 A1附近 再进行较 长时间保温 之后 以30 50 h的速度冷却到600 出炉 一般轴承钢多采用此工艺 2018 1 15第三章钢的热处理工艺 4 扩散退火将钢加热至A AC3A或ACm以上150 300 保温10 20h 随炉缓慢冷却到 随炉 缓慢冷却到350 左右出炉空冷的工艺 又称均匀化退火 目的是消除晶内偏析 使成分均匀化 扩散退火后晶粒十分粗大 必须进行一次完全退火或正火来细化晶 粒 消除过热缺陷 目的是消除晶内偏析 使成分均匀化 扩散退火后晶粒十分粗大 必须进行一次完全退火或正火来细化晶 粒 消除过热缺陷 高温扩散退火生产周期长 消耗能量大 工件氧化 脱碳严重 成 本很高 高温扩散退火生产周期长 消耗能量大 工件氧化 脱碳严重 成 本很高 只是一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭才使用这种 工艺 只是一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭才使用这种 工艺 对于一般尺寸不大的铸件或碳钢铸件 因偏析程度减轻 可采用完 全退火来细化晶粒 消除铸造应力 对于一般尺寸不大的铸件或碳钢铸件 因偏析程度减轻 可采用完 全退火来细化晶粒 消除铸造应力 2018 1 15第三章钢的热处理工艺去应力退火将钢加热至A1以下某一 温度 一般取500 650 一般取500 650 保温一定时间 然 后缓慢冷却的工艺 保温一定时间 然后缓慢冷却的工艺 在去应力退火中 钢的组织不发生变化 只是消除内应力 所以应 用广泛 在去应力退火中 钢的组织不发生变化 只是消除内应力 所以应 用广泛 2018 1 15第三章钢的热处理工艺 二 正火将钢材或钢件加热到AC3 ACCm 以上30 50 保温适当 的时间后 在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火 保温适当的时间后 在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火 与退火工艺的区别是正火的冷却速度稍快 得到的组织更细小 强 度硬度高 操作简便 成本低 是正火的冷却速度稍快 得到的组织更细小 强度硬度高 操作简 便 成本低 正火的目的 细化组织 消除热加工造成的过热缺陷 使组织正常化 低碳钢正火可提高硬度 改善切削加工性 中碳钢正火 可以代替调质处理 为高频淬火作组织准备 可以减 少调质淬火造成的变形 并降低成本 中碳钢正火 可以代替调质处理 为高频淬火作组织准备 可以减 少调质淬火造成的变形 并降低成本 对高碳钢 可以消除网状渗碳体 便于球化退火 2018 1 15第三章钢的热处理工艺钢的淬火淬火是将钢加热到临界点 以上 保温后以大于是将钢加热到临界点以上 保温后以大于Vk速 度冷却 使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺 速度冷却 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 真空淬火炉2018 1 15第三章钢的热处理工艺 一 淬火温度 1 碳钢 亚共析钢 淬火温度为Ac33 30 50 30 50 预备热处理组织为退火或正火组织退火或正火组织 2018 1 15第三章钢的热处理工艺 亚共析钢淬火组织 0 5 C时为M 0 5 C时为M A 65MnV钢 0 65 C 淬火组织45钢 含0 45 C 正常淬火组织2018 1 15 第三章钢的热处理工艺 在Ac1 Ac3之间的加热淬火称亚温淬火 35钢 含0 35 C 亚温淬火组织 亚温淬火组织为F M 强硬度低 但塑韧性好强硬度低 但塑韧性好 2018 1 15第三章钢的热处理工 艺 共析钢 淬火温度为Ac1 30 50 淬火组织为M A 2018 1 15第三章钢的热处理工艺 过共析钢 淬火温度 Ac1 30 50 温度高于Ac cm 则奥氏体晶粒粗大 含碳量高 淬火后马氏体晶粒粗大 A 量 增多 使钢硬度 耐磨性下降 脆性 变形开裂倾向增加 淬火组织 M Fe3C颗粒 A 预备组织为P球 T12钢 含1 2 C 正 常淬火组织2018 1 15第三章钢的热处理工艺 2 合金钢 由于多数合金元素 Mn P除外 对奥氏体晶粒长大有阻碍 作用 因而合金钢淬火温度比碳钢高 亚共析钢淬火温度为Ac3 50 100 共析钢 过共析钢淬火温度为Ac1 50 100 钢坯加热2018 1 15第三章钢的热处理工艺 二 淬火介质 理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷 而在Ms附 近尽量缓冷 以达到既获得马氏体组织 又减小理想淬火曲线示意 图MsM f内应力的目的 但目前还没有找到理想的淬火介质 内应力的目的 但目前还没有找到理想的淬火介质 常用淬火介质是水和油 水的冷却能力强 但低温冷却能力太大 只使用于形状简单的碳钢件 水的冷却能力强 但低温冷却能力太大 只使用于形状简单的碳钢 件 2018 1 15第三章钢的热处理工艺 油在低温区冷却能力较理想 但 高温区冷却能力太小 适用于合金钢和小尺寸的碳钢件 熔盐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 聚乙烯醇 硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质 2018 1 15第三 章钢的热处理工艺 三 淬火方法 采用不同的淬火方法可弥补介质的不足 1 单液淬火法 加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法 操作简单 易实现自动化 各种淬火方法示意图1 单液淬火法2 双液淬火法3 分级淬火法4 等温淬火法2018 1 15第三章钢的热处理工艺 2 双液淬火法 工件先在一种冷却能力强的介质中冷 却躲过鼻尖 后 再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法 如水淬油冷 油淬空冷 优点是冷却理想 缺点是不易掌握 用于形状复杂的碳钢件及大型合金钢件 2018 1 15第三章钢的热处理工艺 3 分级淬火法 在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火 待内外温度均匀后 再取出缓冷 可减少内应力 用于小尺寸工件 可减少内应力 用于小尺寸工件 盐浴炉2018 1 15第三章钢的热处理工艺 4 等温淬火法 将工件在稍高于Ms的盐浴或碱浴中保温足够长时间 从而获得下贝氏体组织的淬火方法 经等温淬火零件具有良好的综合力学性能 淬火应力小 适用于形 状复杂及要求较高的小型件 2018 1 15第三章钢的热处理工艺钢的淬透性网带式淬火炉 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 2018 1 15第三章钢的热处理工艺 一 淬透性的概念M量和硬度随深度的变化M量和硬度随深度的变化 淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力 其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示 淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区 是指由工件表面到半马 氏体区 50 M 50 P 的深度 淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度 即硬化能力 是指钢淬 火后所能达到的最高硬度 即硬化能力 2018 1 15第三章钢的热处 理工艺 二 淬透性与淬硬层深度的关系 同一材料的淬硬层深度与工件尺寸 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 是通过尺寸 冷却介质相同时的淬 硬层深度来确定的 2018 1 15第三章钢的热处理工艺 三 影响淬透性的因素 钢的淬透性取决于临界冷却速度V k V k越小 淬透性越高 V k取决于C曲线的位置 C曲线越靠右 V k越小 因而凡是影响C C曲线的因素都是影响淬透性的因素 即除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 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 四 淬透性的测定及其表示方法 1 淬透性的测定常用末端淬火法2018 1 15第三章钢的热处理工艺 示 J表示末端淬透性 表示末端淬透性 d表示半马氏体区到水冷 端的距离 表示半马氏体区到水冷端的距离 HRC为半马氏体区的硬 度 为半马氏体区的硬度 2 淬透性的表示方法 用淬透性曲线表示dHRCJ即用表2018 1 15 第三章钢的热处理工艺 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 40Cr D0油 20mm 马氏体马氏体索氏体2018 1 15第三章钢的热处理工艺淬火缺陷 氧 化与脱碳 过热与过烧 淬火变形与开裂 硬度不足与软点2018 1 15第三章钢的热处理工艺钢的回火 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 一 回火的目的 1 减少或消除淬火内应力 防止变形或开裂 2 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 淬火钢一般硬度高 脆性大 回火可调整硬度 韧性 螺杆表面的淬火裂纹螺杆表面的淬火裂纹2018 1 15第三章钢的热处 理工艺 3 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 4 对于某些高淬透性的钢 空冷即可淬火 如采用回火软化既能降 低硬度 又能缩短软化周期 未经淬火的钢回火无意义 而淬火钢不回火在放置使用过程中易变 形或开裂 未经淬火的钢回火无意义 而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钢经淬火后应立即进行回火 2018 1 15第三章钢的热处理工艺 根据钢的回火温度范围 可将回 火分为三类 淬火加高温回火的热处理称作调质处理 简称调质 广泛用于各 种结构件如轴 齿轮等热处理 也可作为要求较高精密件 量具等预备热处理 适用于弹簧热处理适用于各种高碳钢 渗碳件及表面淬火件 应用获得良好的综合力学性能 即保持较高的强度 又具有良好的 塑性和韧性提高 e及 s 同时使工件具有一定韧性在保留高硬度 高耐磨性的同时 降低内应力回火目的S回T回M回回火组织500 650 350 500 150 250 回火温度高温回火中温回火低温回火2018 1 15第三章钢的热 处理工艺 二 钢在回火时的转变 淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶 段 随加热温度升高 淬火钢的组织发生四个阶段变化 网带式回火电炉2018 1 15第三章钢的热处理工艺 1 马氏体的分解 100 回火时 钢的组织无变化 100 200 加热时 马氏体将发生分解 从马氏体中析出 碳化物 Fe XX C 使马氏体过饱和度降低 析出的碳化物以细片状分布在马氏体基体上 这种组织称析出的碳 化物以细片状分布在马氏体基体上 这种组织称回火马氏体 用M回 表示 表示 透射电镜下的回火马氏体形貌2018 1 15第三章钢的热处理工艺回火 马氏体 2 残余奥氏体分解 200 300 时 由于马氏体分解 奥氏体所受的压力下降 时 由于马氏体 分解 奥氏体所受的压力下降 Ms上升 A 分解为 碳化物 碳化物和过饱和铁素体 即和过饱和铁素体 即M M回 2018 1 15第三章钢的热处理工艺内应力大量消除 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组织 称回火托氏 体 用T回表示 发生于250 400 此时 发生于250 400 此时 碳化物溶解于F中 并从铁素体中析出Fe 碳化物溶解于F中 并从铁素体中析出Fe33C 到350 马氏体含碳量降到铁素体平衡成分 马氏体含碳量降到铁 素体平衡成分 回火托氏体 3 碳化物转变为Fe33C C2018 1 15第三章钢的热处理工艺回火索氏体 4 Fe3C聚集长大和铁素体多边形化 400 以上 Fe33C C开始聚集长大 开始聚集长大 450 以上铁素体发生多边形化 由针片状变为多边形 以上铁素体 发生多边形化 由针片状变为多边形 这种在多边形铁素体基体上 分布着颗粒状这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织 称的组织称回火索氏体 用 S回表示 2018 1 15第三章钢的热处理工艺3 4钢的表面热处理1 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 火焰加热感应加热2018 1 15第三章钢的热处理工艺 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 适用于承受弯曲 扭转 摩擦和冲击的零件 轴的感应加热表面淬火2018 1 15第三章钢的热处理工艺表面淬火是 表面热处理最常用的方法 是强化材料表面的重要手段 表面淬火是表面热处理最常用的方法 是强化材料表面的重要手段 常用的有感应加热表面淬火火焰加热表面淬火感应加热表面淬火火 焰加热表面淬火 1 感应淬火利用感应电流产生的热量 使工件表层 局部或整体 加热并快速冷却的工艺方法叫感应加热表面淬火利用感应电流产生 的热量 使工件表层 局部或整体加热并快速冷却的工艺方

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