工程材料及材料成型基础5.doc

第五章 钢的热处理第六章热处理 固态下，通过加热、保温、冷却、改变组织得到所需性能的工艺方法。特点：在固态下，只改变工件的组织，不改变形状和尺寸目的：改善材料的使用、工艺性能基本过程：加热 保温 冷却分类：1、普通热处理退火、正火、淬火、回火2、表面热处理表面淬火、化学热处理 第一节 钢在加热时的组织转变实际加热和冷却时的相变点：平衡时 A1 A3 Acm加热时 Ac1 Ac3 Accm冷却时 Ar1 Ar3 Arcm一、奥氏体的形成加热工序的目的：得到奥氏体 F + Fe3C A结构 体心 复杂 面心含碳量 0.0218 6.69 0.77共析钢奥氏体形成过程：1、形核 （在 F / Fe3C相界面上形核） 2、晶核长大 （F A晶格重构，Fe3C 溶解，C A中扩散）3、残余Fe3C溶解4、奥氏体均匀化 保温工序的目的： 得到成分均匀的奥氏体，消除内应力，促进扩散对亚共析钢： P + F A + F A对过共析钢： P + Fe3C A + Fe3C A二、奥氏体晶粒长大及其影响因素1、 奥氏体晶粒度晶粒度晶粒大小的尺度。本质粗晶粒钢长大倾向较大（Al脱氧）本质粗晶粒钢长大倾向较小(Mn,Si脱氧)2、 影响奥氏体晶粒长大的因素（1） 加热温度，保温时间 A晶粒长大快（2） 加热速度 A晶粒细（3） 加入合金元素 A晶粒细（4） 原始组织细 A晶粒细第二节 钢在冷却时的组织转变冷却方式：等温冷却和连续冷却 。45钢加热后，随冷却速度的增加，强度、硬度增加，但塑性、韧性降低。冷却是热处理的关键，故必须研究奥氏体冷却过程的变化规律。一、过冷奥氏体等温转变1、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线或TTT线）的建立过冷奥氏体：在A1以下，未发生转变的不稳定奥氏体。孕育期 表示过冷A 的稳定程度四个区域奥氏体稳定区、过冷奥氏体区、转变产物区、转变区三种转变类型： 高温转变（A1550）：A P 中温转变（550230）：A B 低温转变（230以下）：A M 2、过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能(1)珠光体转变珠光体组成：F 和 Fe3C 的机械混合物形成特点： 在固态下形核、长大 是扩散型相变形态： A1650 ：珠光体 P 20HRc 片状 650600 ：索氏体 S（细P） 600550 ：托氏体 T（极细P又称屈氏体） 40HRc 球状 Fe3C 呈球状珠光体性能珠光体片越细 HB，b且，kC%相同时，球状 P 比片状 P 相界面少HB，b，,k(2)贝氏体转变贝氏体组成：过饱和F 和 碳化物的机械混合物形成特点： 在固态下形核、长大 是半扩散型相变形态：550350：上贝氏体（B上） 羽毛状组织 塑性差40-45HRc350 Ms ：下贝氏体（B下） 针片状组织 综合性能好45-50HRc过冷奥氏体在Ms点以下，AM属连续冷却转变。3、影响C曲线的因素（1）含碳量（2）合金元素（3）加热温度和保温时间二、过冷奥氏体连续冷却转变1、共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT线）特点：K珠光体型转变中途停止线；只有AP，AM，无贝氏体转变；临界冷却速度Vk获得全部马氏体的 最小冷却速度。2、C曲线在连续冷却转变中的应用共析钢C曲线在连续冷却转变中的应用V1(炉冷)：AP（170220HBS）V2(空冷)：AS（2535HRc）V3(油冷)：AT+M+A（4555HRc）Vk：临界冷却速度V4(水冷)：AM+A（5565HRc）3、 马氏体转变A M- Fe - Fe 马氏体晶格结构：体心正方（比容随C%的增加而增加，易变形，开裂） 马氏体组成：碳在- Fe中的过饱和固溶体 形成特点： 在固态下形核、长大 是无扩散型相变 变温形成，高速长大 转变不完全（在C 0.5%的钢中总有残余A）形态： 板条 M 低碳 M（C1.0%) 立体形态：双凸透镜 0.21.0%C之间的钢得到混合 M马氏体性能：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）塑性和韧性低碳M的塑性韧性好，高碳 M塑性韧性差。马氏体性能低碳M（板条M） 强而韧 高碳M（片状M） 硬而脆第三节 钢的退火与正火一、钢的退火典型零件的制造过程：铸/锻 预备热处理 粗加工 最终热处理 精加工预备热处理目的：消除前道工序的缺陷，为后续工序作组织准备最终热处理目的：满足使用性能要求退火：加热、保温、慢冷得到 P 类组织退火的目的：软化、稳定化、细化、均匀化1、完全退火和等温退火完全退火 加热到Ac3+3050，保温后炉冷。目的：细化，软化应用：亚共析钢的铸、锻件，热轧型材，焊接件组织：F + P等温退火 加热到Ac3（Ac1）+2050，保温后在Ar1以下等温后炉冷。目的：细化，软化、省时2、球化退火球化退火 加热到Ac1+2040，保温后炉冷应用：共析、过共析钢和合金钢目的： Fe3C片，网 Fe3C 球 （降低硬度；为淬火作组织准备）3、扩散退火（均匀化退火）扩散退火 加热到Ac3+150300，长时间保温后慢冷目的：均匀成分应用：铸钢件组织：晶粒粗大，扩散退火后应完全退火或正火以细化组织4、去应力退火去应力退火 加热到Ac1-100200，保温后炉冷目的：去内应力，稳定组织应用：冷加工件，热加工件二、钢的正火正火 加热到Ac3(Accm)+3050，保温后空冷退火强调软化，正火强调高效率。正火的应用1、 细化晶粒，提高性能；2、 提高低碳钢和低合金钢硬度，改善切削加工性；3、 消除网状渗碳体（以便球化退火）第四节 钢的淬火淬火 加热、保温、快冷，提高硬度和耐磨性目的：得到马氏体组织（贝氏体），提高硬度和耐磨性分析：45钢分别在700，750，840加热淬火后的硬度高低 T12钢分别在700，750，900加热淬火后的硬度高低一、 淬火工艺二、1、淬火加热温度亚共析钢：Ac3+3050 淬火组织：细小均匀过低有F，HRC过高氧化脱碳，晶粒粗大，淬火应力大过共析钢：Ac1+3050 淬火组织：细小均匀+ Fe3C粒 +残过低得不到 M过高氧化脱碳，晶粒粗大，淬火应力大，残余A量，HRC2、淬火冷却介质理想冷却速度：慢快慢冷却介质：纯水，盐水，油，盐浴，碱浴碳钢淬水，合金钢淬油二、淬火方法1、单液淬火2、双液淬火（难控制）3、分级淬火4、等温淬火（B下变形小，强韧性好）三、钢的淬透性1、淬透性的概念淬透性 钢淬火时获得M的能力。（用规定条件下淬硬层深度表示）淬硬层深度：表面到半M组织的距离淬硬层深，淬透性好淬硬性钢淬火时所能达到的最高硬度能力概念区别：淬透性是钢本身的固有属性，取决于Vk或C曲线位置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2、淬透性的应用大截面、形状复杂、受动载荷的零件（重要齿轮、弹簧）淬透性好的钢受弯曲、扭转应力及表面耐磨的零件（轴）淬透性中等钢焊接件淬透性差的钢第五节 钢的回火回火 淬火后在A1以下加热、保温、冷却目的：消除内应力，降低脆性 稳定组织和尺寸 获得所需性能一、淬火钢的回火转变1、马氏体分解（100350）M 过饱和相+碳化物组织保持M特征，内应力降低，硬度变化不大。2、残余奥氏体分解（200300）A B下 （ 同时马氏体继续分解 ）内应力进一步降低，硬度变化不大3、碳化物转变（250400）过饱和相+碳化物 针状F+ 细Fe3C4、渗碳体长大和相再结晶针状F+ 细Fe3C 块状F+粒状Fe3C淬火应力全部消除，硬度明显降低。组织转变： 200 300 400M 过饱和相+碳化物 针状F+ 细Fe3C 块状F+粒状Fe3C回火M 回火T 回火S性能变化：随回火温度的升高，强度、硬度降低，塑性、韧性提高。同时内应力降低，到消除。二、回火种类及应用1、低温回火（150250 ） 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 5864 HRC 适用：工具、量具、模具、滚动轴承、渗碳件、表面淬火件。 2、中温回火（350500 ） 组织：回火T 针状 F + 极细 Fe3C 目的：获得高b ，e 3050 HRC 适用：弹簧。3、高温回火（500650 ） 组织：回火S 块状 F + 粒状 Fe3C 目的：获得良好的综合机械性能 2535 HRC 适用：轴，齿轮，螺栓等重要结构件 中碳钢回火硬度主要取决于回火温度和回火时间淬火 + 高温回火 = 调质45钢调质与正火性能比较：正火 S Fe3C为片状调质 回火S Fe3C为粒状 综合机械性能好同一钢种调质后的硬度与正火相当，但塑性、韧性更好三、回火脆性回火脆性：在某温度区间回火时，k 显著降低第一类回火脆性：250350 每种钢都有，难以避免 回火温度禁区第二类回火脆性：500600 含Cr、Mn、Ni的钢明显 可以消除： 钢中加 Mo、W；回火后快冷齿轮、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：选材低淬透性材料工艺只改变表层组织表面淬火同时改变表层组织、成分化学热处理第六节 钢的表面淬火表面淬火 通过快速加热，使工件表层进行淬火的工艺。一、感应淬火1、基本原理感应圈通入交流电 形成涡流（集肤效应） 表层得A 水冷得M电流频率越高，集肤效应越强烈，加热层越薄。2、特点加热速度极快，温度高，时间短；表层得极细马氏体，硬度、耐磨性、韧性较好；表层存在残余压应力，疲劳强度较高；工件不易氧化脱碳，变形小；易实现机械化，自动化；设备价贵，维修调整困难。用钢中碳钢、中碳合金钢，40，45，40Cr感应淬火零件的一般工艺路线： 锻造 正火 机加工 调质 半精加工 感应淬火 低温回火 磨削加工二、火焰淬火特点：操作简便，设备简单，成本低，灵活性大；加热温度不易控制，淬火质量不稳定；主要用于单件、小批量生产的大型零件。钢的化学热处理目的：强化表面表面HRC，耐磨性，-1，心部塑韧 保护表面表面抗蚀性，耐热性基本过程：分解 吸收 扩散常用方法：渗碳、渗氮、碳氮共渗一、钢的渗碳1、 渗碳目的和用钢汽车传动齿轮、活塞销的工作条件：循环载荷，冲击载荷，严重磨损性能要求：表层高的硬度，耐磨性 心部强而韧渗碳用钢：0.10.25%C碳钢或合金钢2、 渗碳方法气体渗碳法固体渗碳法3、 渗碳后的组织及热处理渗层深：0.52.5mm工件： 表层 心部成分(%C)： 0.85-1.05 0.1-0.25缓冷组织： P + Fe3C F + P淬火、低温回火 M回 + Fe3C+A残 M板条 +（F+T）（合金钢） F + P （碳钢） 硬度： 5864