《金属材料热处理》PPT课件.ppt

工程材料 4 第四章金属材料热处理 第四章金属材料热处理热处理定义 在固态范围内 采用加热 保温和冷却等方法而改变金属材料的内部组织结构 从而改善金属材料力学性能的工艺方法金属材料 4 去应力退火 二 正火1 定义 加热到Ac3或Accm以上30 50 保温适当时间 在静止的空气中冷却 获得含有P的均匀组织 2 目的 正火所达到的效果与材料的成分及组织状态有关 1 低C钢正火后 可得到较细的片状P 硬度较退火略高 利于切削加工 由于所得F晶粒较细 钢的韧性较好 板 管 带及型材等大多采用正火处理 以保证良好的力学性能的配合 2 中C钢普通零件正火后组织细化 得到一定的力学性能 要求不高时 可代替调质处理作为最后热处理或为感应加热表淬前的预备处理 还可以消除魏氏组织 低合金结构钢 wt 0 4 如40Cr 可用正火代替完全退火作为切削加工前的准备 可缩短生产周期 降低费用 3 过共析钢 工具钢 轴承钢 和渗C工件可用正火消除网状C化物 以便在球化退火中获得均匀的球状C化物 在用正火代替渗碳件的第一次淬火时 还能减少工件变形 4 大型锻件常采用正火作为最终热处理 可避免淬火时较大的开裂倾向 但不能充分发挥材料潜力 正火后需高温回火 T 700 以消除应力 得到良好的力学性能 5 铸钢件正火 细化铸态组织 即细化铸件中粗大晶粒 消除由于截面尺寸不同在结晶过程中产生的显微组织的不均匀性 如等轴晶 柱状晶 粗晶 改善切削加工性能由于铸件一般形状较复杂 偏析严重 韧性较差 在正火中应采用较为缓慢的加热 以免热应力造成变形开裂 加热T也较锻件高 退火和正火的加热温度 成分 温度 扩散退火 组织 正火冷速快 P组织比退火态的片层间距小 领域也小性能 亚共析钢中 P越多 强度 硬度越高 韧性 塑脆转化T Wc 0 2 时 退正火机械性能相近 C 正火硬度 强度比退火高 塑性低 三 退火 正火后的组织与性能 钢的最重要的强化手段 淬火 将钢加热到Ac1或Ac3以上30 50 保温一段时间使钢奥氏体化后 以大于临界冷速冷却获得马氏体的热处理工艺 目的 主要目的是 工具钢 硬度 强度 耐磨性 结构钢 与不同T的回火相配合 获得不同的强韧 塑的配合 满足不同的性能要求 临界冷速 第二节钢的淬火 马氏体转变 无扩散型转变 切变 板条M 一 淬火加热温度l亚共析钢和共析钢 AC3 30 50 淬火后组织 均匀细小Ml过共析钢 AC1 30 50 淬火后组织 均匀细小M 粒状渗碳体 二 淬火冷却介质保证工件冷速V 临界淬火冷速VC 工件尺寸一定时 冷速越快 1 获得较大的淬硬深度 2 容易引起变形开裂 水作为淬火介质 1 650 550 冷速 200 s M转变区 300 200 冷速 高达770 s优点 冷却能力强 清洁 安全 价格低 不需清洗 在可能情况下应广泛使用 缺点 M转变区冷速大 易开裂适用 形状简单 尺寸不大的碳钢件 盐水 碱水溶液 水中添加5 10 的盐 碱 在高温区 650 550 的冷却能力约为水的10倍缺点 低温冷速仍很大 对工件有腐蚀作用 淬火后必须清洗 碱水对皮肤有刺激作用 且易于老化变质 碱水使用受到一定的限制 适用范围 用于形状简单 尺寸较大的碳素结构钢件淬火 还可对大截面的碳素工具钢 低合金钢工件用盐 油双介质淬火 3 油 主要用矿物油 特点 低温冷速低 油高温冷却能力很小 只有水的1 3 1 6 C 鼻尖处冷速较低 截面较大的C钢及低合金钢不易淬硬 主要用于形状复杂的中小型合金钢 A稳定性大 C 曲线靠右 淬透性大 或尺寸小的碳钢 3 淬火应力与控制淬火应力形成原因 1 热应力 零件不同部位冷却不均衡引起 2 组织应力 零件不同部位M转变不同时引起 时间特性瞬时应力 热处理过程中形成的内应力残余应力 热处理后零件内存在的应力变形开裂 减小变形的措施1 合理选材 正确设计结构2 正确锻造和进行预备热处理3 采用合理的热处理工艺 三淬火冷却方法 1 单介质淬火 2 双介质淬火 为减小淬火应力 3 M分级淬火 为减小淬火应力 4 B等温淬火 为获得下贝氏体组织 5 冷处理 为获得最大量M 减少A B 时间 温度 A1 P M A Ms 室温 1 直接淬火 directquenching 适用 无尖锐棱角 和截面形状无突变的形状简单的碳钢和合金钢工件 不适用 处理高碳钢件和形状复杂的工件 例 手用锯条T10T12油淬 1418 2 双液淬火法特点 既保证了较高淬透层深 又可减少应力 防止开裂 水 油 盐水 油 油 空气等适用范围 淬透性较差的大尺寸工件缺点 不易操作 多用碳素工具钢和大截面合金工具钢 要求淬透较深的零件淬火 3 M分级淬火优点 减少了淬火应力 组织应力 适用范围 变形要求严格的工件 一般分级淬火时零件能淬透的零件直径要比油淬 水淬小 对大截面碳钢 低合金零件不适宜采用分级淬火 4 贝氏体等温淬火等温温度 依C曲线及性能要求 T低 B下多且硬度高 适用 合金钢 Wc 0 6 的碳钢 400 260 5 深冷处理 或冷处理 Subzerotreatment 目的 A残 M适用 Ms点低的钢种 C高 0 6 要求尺寸稳定性很高的精密零件 四 淬火常见缺陷1 淬火裂纹及变形多种原因引起 工艺 结构 材料等 2 氧化 脱C3 过热 过烧4 软点与硬度不足加热温度不匀 存在氧化皮和表面气泡等材料淬透性低 淬火冷速太小等 第三节钢的表面淬火零件使用性能要求 高的表面硬度 HRC50 58 强度和疲劳强度 较好的心部塑性和韧性 采用热处理工艺 表面淬火 轧辊 快速灵活的感应加热表面淬火 一 感应加热基本原理感应线圈通交流电 交变磁场 表面感应电势瞬时 感生涡流 Z 涡流回路电抗 R 电阻 XL 感抗 Z很小 涡流 能达到很大 进水 出水 淬火喷水套 进水 电流密度 涡流热效应Q总 Q Q 将零件表层加热 Q 磁滞热效应 比涡流热效应小的多 表面效应 集肤效应 涡流强度随高频电磁场强度由零件表面向内层逐渐减小而相应减小的规律 称为表面效应 交流电频率越高 涡流层越浅 集肤效应 C钢 感应加热透入深度 近似公式 f为电源频率 HZ 感应加热的频率选择及应用 2 特点 1 加热速度快 时间短 表面淬火可得极细的马氏体 2 工件表面存在残余压应力 可提高疲劳强度 疲劳强度显著 使用寿命 如 40Cr钢 20mm光滑试样 1值 调质 450 480 调质 表淬 630Mpa 40MnB钢制造汽车半轴 调质改调质 表淬 寿命 20倍 3 工件不易氧化 脱碳 变形小 4 易于自动化 生产率高 5 设备昂贵 6 不适合形状复杂的工件 3 适用钢 中碳钢4 预先热处理及工件加工工序设置预先热处理 调质加工工序设置 各热处理工序目的 下料 锻造 正火或退火 机加工 粗 调质 机加工 细 感应淬火 低回 磨削 二 火焰加热表面淬火操作 高温火焰加热工件表面 随后水冷淬火 特点 1 方法简单 不需贵重设备 2 工件大小不受限制 3 加热温度不易控制 淬火质量不够稳定 火焰加热表面淬火示意图 工件 喷水管 烧嘴移动方向 第四节钢的回火回火 淬火钢件加热至AC1以下某温度保温一定时间 而后冷却的热处理工艺 一 回火目的 1 减小或消除淬火应力 防零件变形和开裂 2 稳定组织 防止组织转变引起的零件形状 尺寸和性能变化 3 获得所需力学性能 淬火 回火 二 回火时组织转变及力学性能变化1 回火时组织转变以碳钢为例 1 马氏体开始分解 100 200 碳原子以 碳化物形式从马氏体中逐渐析出 2 残余奥氏体分解 200 300 残余奥氏体转变为回火马氏体或下贝氏体 3 渗碳体形成 250 400 碳化物转变为极细小的渗碳体 4 铁素体的回复和再结晶 碳化物颗粒聚集长大 400 以上 碳化物的析出 残余奥氏体的分解 铁素体的回复和再结晶 0 04mm马氏体 0 08mm回火马氏体 回火时组织变化 2 回火时力学性能变化随回火温度升高l硬度下降 塑性 韧性上升 l屈服强度先升后降 最高值在200 左右出现 l弹性极限先升后降 最高值在350 左右出现 3 回火工艺根据回火温度分 1 低温回火 150 250 回火组织 回火马氏体 碳过饱和度降低了的马氏体 析出碳化物力学性能 残余应力消除 高硬度 高强度 较低的塑性和韧性 回火马氏体 主要适用高碳钢制造的各类工模具 机械零件 如轴承 如锉刀T12160 180 64HRC渗C及CN共渗淬火后的零件低合金超高强度钢30CrMnSiNi2A250 300 2 中温回火 350 500 回火组织 回火托氏体 铁素体 极细粒状渗碳体力学性能 较高的屈服强度 高的弹性极限 较好的塑性和韧性 回火托氏体1000X 适用 wc 0 6 0 9 的碳素弹簧钢 T取下限 和wc 0 45 0 75 的合金弹簧钢 T取上限 都适合中温回火 3 高温回火 500 650 回火组织 回火索氏体 铁素体 细粒状渗碳体力学性能 高的塑性 韧性 较低的屈服强度和硬度 回火索氏体500X 适用 主要用于中碳碳素结构钢或低合金结构钢制造的各种机械结构零部件 结构钢淬火 高温回火 以获得综合机械性能为目的 称为调质处理 如发动机曲轴 连杆 螺栓 机床主轴等要求综合机械性能零件 40Cr 高C高合金钢 如高速钢 高铬钢 的回火T的高达500 600 在这个T区间里将发生二次硬化作用 4 回火脆性低温回火脆性 250 350 回火时韧性降低 预防方法 回避在该温度回火高温回火脆性 500 650 回火时韧性降低 预防方法 回火后快冷 钢的韧性与回火温度的关系 小结 各种热处理组织比较 奥氏体 缓冷 快冷 淬火 重新加热 较快冷 球化退火 马氏体 回火马氏体 加热回火 珠光体 贝氏体 第五节钢的淬透性一 淬透性定义及影响因素淬透性 钢中奥氏体在冷却时形成马氏体而不形成其他组织的能力 它主要与钢的过冷A的稳定性与临界淬火冷却速度有关淬透性影响因素 1 奥氏体中含碳量 2 奥氏体中合金元素的种类和含量 3 未溶碳化物和奥氏体晶粒大小 T 通常用用标准试样在一定条件下淬火能够淬硬的深度H或全部淬透的最大直径D表示 测定结构钢的淬透深度规定以体积分数为50 淬火M的硬度作为基准 二 淬透性的表示方法 三 淬透性与淬硬性的区别淬透性是钢的一种属性 主要和钢的过冷奥氏体的稳定性有关 淬透性有时用淬硬层深度来表示淬硬性是指钢淬火后获得M的最高硬度 淬硬性主要与钢中的碳含量 A中的C含量 有关 如图 固溶于A中C含量越多 淬火后钢的硬度就越高 合金元素的含量对淬硬性没有显著的影响 但对钢的淬透性影响较大 淬火后硬度高的钢淬透性好 二 淬透性的测定实际以淬硬层深度表征淬透性 试样 喷水管 淬透性测试试验结果 样品台 试样 喷水 试样上磨出一个平面 测出从底部到顶部的洛氏硬度值 绘制出这样一张图 到试样底端的距离 洛氏硬度 钢的淬透性以来表示 如 表示距水冷端5mm处 试样的硬度值为HRC42 三 淬透性意义与选材l重要零件选高淬透性材料 保证表面和心部性能一致 l选材时注意零件的尺寸效应 冷却速度 淬硬层 V心部 第六节固溶热处理与时效强化固溶热处理 加热合金到高温单相区 使合金元素充分溶入基体相而后快速冷却 以获得过饱和固溶体的工艺 时效强化 固溶处理的合金于室温或略高于室温保温 通过过饱和的溶质原子形成偏聚区和析出形成第二相微粒而导致的强度和硬度升高 时效工艺分为 人工时效 时效温度高 时间短 硬度低 自然时效 时效温度低 时间长 硬度低 第七节钢的化学热处理化学热处理 通过活性元素原子的吸收和扩散改变钢的表层化学成分而改变钢的表层组织与性能的热处理工艺 常用 1 提高硬度 渗碳 渗氮 渗硼等 2 提高抗高温氧化性 渗铝 渗铬等 3 提高抗腐蚀性 渗硅 渗氮等 化学热处理三个过程 1 活性原子产生 2 活性原子被钢表面吸收 3 活性原子由钢表面向心部扩散 渗剂分解释放活性原子 活性原子在工件表面吸附 活性原子由表面向心部扩散 含活性原子的渗剂 钢 钢 一 钢的渗C carburizing 1 渗C的目的 分类及应用定义 钢件渗C介质加热和保温 表面含C量和一定C浓度梯度应用最广泛的一种化学热处理工艺 目的 高的表面硬度 HRC58 63 耐磨性高的接触 弯曲 1高的冲击韧性等 应用 适用于承受磨损 交变接触应力或弯曲应力和冲击载荷的机器零件如 轴 活塞销 齿轮 凸轮轴既表面要求高硬度 心部要求足够强度和韧性 汽车 拖拉机 起重 坦克等设备中零件 80 以上 分类依渗C剂聚集状态渗C方法可分为 固体渗C 液体渗C 气体渗C 和特殊渗C 加热炉 密封箱 工件 固体渗碳剂 固体渗碳示意图 泥封 固体渗C 在渗CT加热渗C 930 3 5h 渗剂 固体碳粒 木炭 70 90 催渗剂 碳酸钠 BaCO3 单件 小批量 液体渗C盐浴特点 加热速度快 加热均匀缺点 多数盐浴有毒 盐浴 NaCN KCN 氯化物 剧毒 用于小批量生产 气体渗C渗C气体可用碳氢化合物有机液体 如 煤油 丙酮等直接滴入炉内汽化而得 优点 生产率高 可机械化 自动化生产 渗C层浓度可控制 渗C质量高 渗C用钢含C量 0 15 0 25 若心部要求强度较高 含C可为0 30 低碳钢 要求不高时可用 如 20钢低碳合金钢 截面较大 形状复杂 表面耐磨性 疲劳强度 心部机械性能要求高的零件如20CrMnTi 18Cr2Ni4W 2 渗碳工艺参数渗碳温度 900 950 渗层厚度 1 2毫米渗碳时间 7小时左右典型滴注剂 甲醇 煤油滴注剂 国内许多厂家采用 甲醇 乙酸乙脂 甲醇 丙酮 气体渗碳示意图 示例 滴注式气体渗C工艺如20钢 齿轮 要求渗层厚度为0 3mm工艺 930 煤油20D min 3h 炉冷 后淬火 3 渗碳后热处理及组织 1 渗碳后热处理 淬火 低温回火 2 渗碳后组织 渗层含碳量 0 85 1 左右 渗层组织 回火马氏体 少量碳化物心部组织 回火马氏体性能 表HRC 58 63心HRC40以下 4 渗碳工序安排下料 锻造 正火 机加工 粗 渗碳淬火 低温回火 磨削 低C钢渗C与中C钢表淬比较 性能上 中C钢表淬HRC低 HRC50 58 心部冲击韧性 耐磨性也较低 低C钢渗C HRC58 63 渗C层易获沿零件轮廓均匀分布 表淬层分布不易控制 小模数齿轮常有淬透可能 但渗碳工艺复杂 变形较大 成本较高 二 渗氮1 目的与用钢目的 保持工件心部良好综合力学性能 较高的强度和好的塑 韧性 的同时 使工件具有高的表面耐磨性 红硬性 高温硬度 抗蚀性和疲劳强度 适用钢 中碳合金钢2 渗氮方法及参数方法 气体 液体或固体渗氮渗氮温度 500 600 渗层厚度 0 15 0 7毫