《钢的热处理》PPT课件

钢的热处理,本章教学目的：了解与掌握钢的热处理原理了解与掌握与钢的热处理相关的概念了解与掌握常用的热处理工艺了解表面与化学热处理工艺了解常见的热处理缺陷,第六章钢的热处理概述,定义：热处理是将材料（主要是金属材料）在固态下采取适当的方式加热、保温和冷却以获得所需组织结构和性能的工艺根据：金属材料在固态下的同素异构现象这是大自然赐给人类的不可多得的礼物，我们的任务，就是不断地了解大自然的规律，与自然和谐共处，造福人类自己,第六章钢的热处理概述,热处理的概念及在机械制造中的地位在汽车、拖拉机行业中7080%、机床行业中6070%、轴承及各种模具中100%的零件需要进行热处理特点：不改变材料（零件）的形状，而是通过改变材料的组织和性能来满足材料服役性能和加工要求,第六章钢的热处理概述,热处理的分类。按国家标准，可分为三类：整体热处理：对零件进行穿透性加热，以改善整体组织和性能表面热处理：对零件表面进行处理，以改变其组织和性能化学热处理。将工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其表层，以改变其化学成分、组织和性能,第六章钢的热处理概述,整体热处理可分为：退火、正火、淬火、淬火+回火、调质、稳定化处理、固溶（水韧）处理、固溶处理+时效等8类表面热处理可分为：表面淬火+回火、物理气相沉积、化学气相沉积、等离子化学气相沉积等4类,第六章钢的热处理概述,化学热处理可分为：渗碳、碳氮共渗、渗氮、氮碳共渗、渗其他非金属、多元共渗、熔渗等8类根据热处理在制造工艺路线中的位置和租用，可分为：预先（中间）热处理：调整性能便于加工最终热处理：赋予零件最终的使用性能,第六章钢的热处理概述,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。,第六章钢的热处理概述,热处理基本过程描述：加热、保温、冷却不同的加热方法不同的保温方法不同的冷却方法不同的介质结果：不同的热处理工艺,第六章钢的热处理概述,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,整体热处理,表面热处理,热处理,第六章钢的热处理原理,钢的临界点：A1、A3、Acm;Ac1、Ac3、Accm;Ar1、Ar3、Arcm相变滞后现象,第六章钢的热处理钢在加热时的组织转变,奥氏体化过程描述：奥氏体形核奥氏体长大剩余渗碳体溶解奥氏体成分均匀化,第六章钢的热处理钢在加热时的组织转变,影响奥氏体化的因素：加热温度：温度越高，原子扩散能力越强，过程会加速钢的成分：C%越高，界面越多，利于过程；合金元素显著影响过程，一般会减缓原始组织：组织越细，过程越容易进行加热速度：加热速度大，相当于过热度增大，加速过程,第六章钢的热处理钢在加热时的组织转变,奥氏体晶粒大小及其控制奥氏体晶粒度：12级奥氏体晶粒的长大：初始晶粒度实际晶粒度本质晶粒度钢的成分及冶金条件的影响,第六章钢的热处理钢在加热时的组织转变,奥氏体晶粒大小的控制：加热温度：不得太高保温时间：不得太长加热速度：在不影响零件变形的条件下，越快越好。快速加热，短时保温,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,思考：温度处于相变线（A1）以下的奥氏体是否稳定？若不稳定又会怎样变化？过冷奥氏体的概念冷却方式：等温冷却与连续冷却,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,过冷奥氏体等温转变：等温转变研究过程描述TTT(Time-Temperature-Transformationdiagram)曲线的形成：A转变中的矛盾运动,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,过冷奥氏体转变产物的组织与性能珠光体转变（扩散型相变）：转变过程描述,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,珠光体型组织：珠光体：形成温度为A1-650，片层较厚，500倍光镜下可辨，用P表示，片层间距大于0.3微米，硬度HRC20,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,索氏体：形成温度为650-600,片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S表示，片层间距0.10.3微米，硬度HRC30）,光镜形貌,电镜形貌,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,屈氏体：形成温度为600-550，片层极薄，间距小于0.1微米，电镜下可辨，用符号T表示，硬度HRC40。,电镜形貌,光镜形貌,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,珠光体显微组织：扩散条件制约，片层间距减小，硬度不断增大。,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,珠光体型组织小结,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,马氏体转变（非扩散型相变）转变过程描述本质：C在-Fe中的过饱和固溶体类型：板条M（低碳、位错）片状M（高碳、孪晶）混合M,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,板条马氏体显微组织：,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,片状马氏体显微组织,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,马氏体显微组织（针状M+残余A）,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,马氏体形态与含碳量的关系,0.2%C,0.45%C,1.2%C,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,马氏体转变的特点：无扩散无孕育，速度极快降温形成，等温无转变转变不完全，有残留奥氏体残留A的影响冷处理概念及应用,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,马氏体组织的性能（与C%的关系）,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,贝氏体转变（半扩散型转变）：转变过程描述本质：马氏体相变+碳的扩散=贝氏体转变类型：较高温度（550350）：碳扩散至铁素体板条间形成碳化物，上贝氏体，羽毛状较低温度（350230）：碳在铁素体板条内析出，下贝氏体，竹叶状,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,上贝氏体显微组织,光镜下,电镜下,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,下贝氏体显微组织,光镜下,电镜下,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,贝氏体的组织特征与性能,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,过冷奥氏体转变产物,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,过冷奥氏体连续冷却转变：连续转变C曲线（CCT(Continuous-Cooling-Transformationdiagram)曲线）,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,与TTT曲线的比较特点：曲线：无下半部分B转变；有转变截止线转变：温度区间连续进行，组织不均匀甚至多种混合临界冷却速度概念：全部得到M的最小冷却速度应用：大致估计冷却转变产物,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,用TTT曲线定性说明共析钢连续冷却时的组织转变,P,S,T+M+A,M+A,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,影响C曲线的因素成分：C%：C%增加，C曲线右移（但过共析正常处理不在此列）合金元素：几乎所有元素均使C曲线右移碳化物形成元素：双鼻的形成非碳化物形成元素：始终单鼻,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,合金元素对C曲线的影响示意：,第六章钢的热处理钢在冷却时的组织转变,注意：形成碳化物的合金元素只有溶于固溶体（即奥氏体）才有这样的作用，否则因存在非溶的第二相为转变创造“根据地”而降低A的稳定性。加热条件：通过影响奥氏体的均匀性来间接影响的,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：退火,退火：概念：退火是将金属或合金加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。目的一：消除在冶金、冷热加工过程中产生的成分、内应力等造成的不平衡状态，使之过渡到平衡状态。也称之为第一类退火。有：均匀化退火、再结晶退火、去应力退火、预防白点退火等。,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：退火,目的二：通过改变组织进而改变性能（降低硬度，提高塑性，细化晶粒，改善加工性能等）。也称为第二类退火。有：完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火等。退火工序位置：前段工艺后，切削工艺前,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：退火,完全退火：定义：将钢件完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。目的：细化组织，降低硬度，改善切削性能，去除内应力等。适用性：亚共析成分的铸件、锻件、轧制件及焊接件。过共析钢不宜：网状渗碳体析出，性能恶化。,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：退火,等温退火：完全退火之改进特点：组织均匀生产周期短（约为完全退火一半）可等温至两相区处理高碳钢,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：退火,球化退火：定义：使钢中的碳化物球状化而进行的退火工艺目的：降低硬度，提高塑性，改善切削加工性能，获得均匀组织，改善热处理性能，为后续的淬火进行组织准备适用性：共析及过共析钢。过共析钢网状碳化物严重者，先正火消除之工艺：A1以上1020度,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：退火,球化退火组织,球状珠光体,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：退火,均匀化退火(也称扩散退火)过程：高温长时间保温，缓慢冷却目的：减轻或消除化学成分偏析和组织不均匀工艺：A3以上150200度（在不致使奥氏体晶粒过于粗大的前提下尽量提高），长时间保持。注意：均匀化退火后，晶粒十分粗大，必须进行完全退火或正火来细化，消除过热缺陷。生产周期长，耗能大，设备寿命短，成本高，工件烧损严重，应慎用。,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：退火,去应力退火目的：去除由于塑性加工、焊接、热处理及机械加工等造成的以及铸件内存在的残余应力。工艺：相变线下100200度（钢铁一般500650度）。特点：不改变组织，只消除应力。,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：退火,各种退火工艺的适用温度范围,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：正火,正火工艺：将钢件加热至单相区，保温，空冷特点：和退火相比，强韧性提高，塑性基本不降低。目的：调整锻铸钢件的硬度，细化晶粒，消除网状碳化物，为淬火作好组织准备。退火与正火有相似之处，可相互替代。可能条件下，正火优先。,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：正火,适用性：改善低碳钢的切削加工性能。中碳结构钢的预备热处理。消除热加工组织缺陷，细化组织，保证最终热处理质量。普通结构零件的最终热处理。也可代替大型形状复杂有淬裂危险的淬火回火处理。消除过共析钢的网状碳化物。可安排在球化退火前。可提高球化质量。淬火返修件。消除应力，细化组织，防止重淬时变形开裂。,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：正火,正火工艺的适用温度范围,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：淬火,淬火定义：是在奥氏体化后以适当速度冷却得到M（或B）的热处理工艺淬火的目的就是试图大幅提高钢的力学性能淬火工艺：温度：亚共析钢：AC3+3050；过共析钢：AC1+3050度。,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：淬火,淬火工艺的适用温度范围,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：淬火,理想淬火介质的冷却特性（目的）：即达到临界冷速要求，得到M；又不致应力过大造成变形开裂。,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：淬火,达到这一目的的途径有二：合适的冷却介质；适当的冷却方法。常用冷却介质：水；盐水；油；其他（碱浴等，低熔点）,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：淬火,常用的淬火方法：单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火（得到B）,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：回火,回火目的：降低脆性、消除或降低残余应力，防止变形开裂；调整性能；稳定尺寸。注意：淬火后的零件必须经过回火处理。,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：回火,淬火钢的回火转变：过程：M分解（200度以下）：得回火M，应力有所减小，硬度变化不大。残余A转变（200300度）：转变为B。应力进一步降低，硬度变化不显著，屈服强度上升。渗碳体转变（300400度）：得回火屈氏体（针状铁素体+球状渗碳体）。硬度强度降低，塑性韧性上升。渗碳体聚集长大，铁素体再结晶（400度以上）：得回火索氏体（多边形铁素体+大球状渗碳体）。强度硬度进一步降低，塑性韧性进一步上升。,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：回火,回火的分类及应用：低温回火（小于250度）：得回火M。保持高硬度、高耐磨性，降低应力和脆性。适用于高碳钢和合金钢刀具、模具、滚动轴承等。中温回火（350500度）：得回火屈氏体。获得较高弹性极限和屈服强度，弹性最佳，同时改善塑性和韧性。适用于各种弹簧及锻模。高温回火（500600度）：也即调质处理。得回火索氏体。目的在于降低强度硬度及耐磨性的条件下，大幅提高塑韧性，得到较好的综合机械性能。适用于各种重要的中碳钢结构零件，特别是在交变载荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类。在抗拉强度相近时，调质后的屈服强度、塑性和冲击韧性显著高于正火。,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：回火,回火类型、目的及应用,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：回火,回火组织及其特点,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：回火,回火脆性定义：钢在某些温度区间回火或缓慢通过该温度区间时发生的脆化现象。第一类回火脆（低温或不可逆回火脆）：在300度左右发生。与回火时内部的组织变化有关（析出薄壳状碳化物）。措施：避免在这样的温度区间回火。,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：回火,第二类回火脆（高温或可逆回火脆）：含Cr、Mn、Ni等元素的合金钢，在400550度发生或回火冷却缓慢通过此温区发生。是一些杂质元素在晶界偏析造成，合金元素促进了偏析。措施：减少杂质；快速通过，使之来不及偏析。再次回火可消除已发生的脆性。,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺：回火,通过冷却工艺消除第二类回火脆性,第六章钢的热处理钢的整体热处理工艺,不同热处理工艺与硬度（阴影部分为适合切削加工硬度范围）,第六章钢的热处理热处理设备一览,等温淬火生产线,第六章钢的热处理热处理设备一览,网带式回火炉,第六章钢的热处理热处理设备一览,顶杆式退火炉,第六章钢的热处理热处理设备一览,网带式保护气氛光亮退火炉,第六章钢的热处理热处理设备一览,无马弗渗碳炉,第六章钢的热处理钢的淬透性和淬硬性,淬透性概念：表征钢在淬火时获得M的能力。思考：用什么样的办法可测试不同钢的淬透性？怎样设计测试方案和实验设备？,第六章钢的热处理钢的淬透性和淬硬性,端淬法简介,第六章钢的热处理钢的淬透性和淬硬性,测试结果处理与分析,第六章钢的热处理钢的淬透性和淬硬性,测试结果处理与分析,第六章钢的热处理钢的淬透性和淬硬性,讨论：本质：是个人为的规定，以便比较。标准：半M区，可比较。结合硬度测试与组织观察。注意：钢的淬透性是在一定条件下测得的，实际零件因条件的变化（淬火介质，零件尺寸等）而有所不同。,第六章钢的热处理钢的淬透性和淬硬性,淬硬性：是指获得的M能够达到的硬度。淬透性和淬硬性是两个完全不同的概念，要注意区分。淬透性主要取决于钢中合金元素的种类和数量，影响C曲线的因素就是影响淬透性的因素；而淬硬性主要取决于钢中的含碳量多少。,第六章钢的热处理钢的表面热处理和化学热处理工艺,问题的提起：材料表面的重要性零件服役强韧配合整体热处理的局限性各种成分、组织性能的特点和局限性思考：如何在一个零件内外获得不同的组织，从而获得不同的性能？,第六章钢的热处理钢的表面热处理和化学热处理工艺,解决问题的思路：通过技术工艺手段实现局部（表面）热处理，在相同成分条件下得到不同组织、不同性能通过技术工艺手段在一个零件中形成不同成分，从而在同一零件中得到不同组织、不同性能,第六章钢的热处理钢的表面热处理,途径一:通过技术工艺手段实现局部（表面）热处理，在相同成分条件下得到不同组织、不同性能思考：如何实现零件的局部（表面）热处理？技术工艺手段核心：加热技术难点分析：足够高的加热功率，可实现快速加热。,第六章钢的热处理钢的表面热处理,火焰加热表面淬火法,第六章钢的热处理钢的表面热处理,火焰加热淬火特点和应用热源:通常氧-乙炔，也可用其他可燃气体淬火深度:26MM设备简单、操作方便、成本低易发生加热不均匀、淬火质量不稳定，对操作技术要求高适用性:中碳钢类，单件或小批量零件及大型零件局部淬火,第六章钢的热处理钢的表面热处理,感应加热表面淬火法原理：电磁感应集肤效应,第六章钢的热处理钢的表面热处理,感应加热淬火分类及应用高频：常用200300KHz，淬火深度0.52mm，中小模数齿轮、小型轴类零件中频：常用25008000KHz，淬火深度210mm，大模数齿轮、大中型轴类零件工频：工作频率50KHz，淬火深度1015mm，大型（直径300mm）轴类零件超音频：2040KHz，淬火深度大于2mm，模数36的齿轮及链轮、花键轴、凸轮等,第六章钢的热处理钢的表面热处理,感应加热淬火的特点淬火加热速度快（几秒几十秒）、温度高（高几十度）零件表面硬度高（表面极细M，硬度高23HRC）、脆性较低疲劳极限高：表面相变形成残余压应力不易氧化脱碳，表面质量好；内部未被加热，淬火变形小生产过程易于控制、生产率高、易自动化，适用于大批量生产缺点：设备昂贵、不适用于复杂零件和单件生产,第六章钢的热处理钢的表面热处理,感应加热淬火的常用工艺路线：锻造退火或正火粗机械加工调质或正火精机械加工感应加热淬火低温回火或自回火磨削常用材料：中碳钢和中碳合金钢，如、等,第六章钢的热处理钢的化学热处理,钢的化学热处理原理：通过向零件表面渗入其他合金元素，改变零件的化学成分，从而改善和提高零件的性能，更好地满足服役要求途径：创造相应的环境（气氛），通过原子扩散完成。好比腌制萝卜盐水里泡之技术关键：温度设备提供热源；介质渗剂提供气氛,第六章钢的热处理钢的化学热处理,固体渗碳法将零件及固体粒状渗碳剂（如木炭粉、碳酸盐等）放入密封箱中置入炉中加热、保温，使渗碳剂发生分解，形成活性碳原子气氛，通过扩散进入零件表面一定深度，达到改变零件表层化学成分、进而改变组织与性能的目的（提高含碳量，增加强化相数量，从而提高强度硬度）优点：设备简单、便于操作缺点：质量不易控制、生产率低、劳动条件差应用：单件、小批量生产,第六章钢的热处理钢的化学热处理,气体渗碳法将零件置入密封的渗碳炉中，将苯、甲醇、丙酮或煤油等有机液体滴入渗碳炉，使其在高温下分解成渗碳气氛，并在零件表面生成活性碳原子，被钢表面吸收溶入奥氏体中，并向内部扩散形成一定深度的渗碳层。优点：质量容易控制并实现机械化自动化操作、生产率高、劳动条件好，适用于大批量生产缺点：设备投资较高,第六章钢的热处理钢的化学热处理,气体渗碳法示意图,第六章钢的热处理钢的化学热处理,渗碳工艺参数：渗碳温度和渗碳时间渗碳温度：较高的温度有利于活性碳原子的扩散，提高渗碳速度和生产率，但温度过高易引起奥氏体晶粒过度长大；温度过低，则渗碳速度太慢，生产率低，且易造成渗碳层深度不足。通常900950度。渗碳时间：决定于渗碳层厚度的要求，一般在几十几小时。但随渗碳时间延长、渗碳层厚度的增加速度减慢。,第六章钢的热处理钢的化学热处理,渗碳温度、时间与渗碳层厚度的关系,第六章钢的热处理钢的化学热处理,渗碳后的成分与平衡组织（缓冷）成分：由表及里，含碳量逐渐降低，从最高1.0%C，直至原始含碳量组织：由表及里，过共析组织（P+Fe3C）、共析组织（P）、过渡区亚共析组织（F+P）和原始亚共析组织（F+P）,第六章钢的热处理钢的化学热处理,渗碳后的组织特征,第六章钢的热处理钢的化学热处理,渗碳后的热处理直接淬火法：将零件从渗碳温度预冷至850800度直接淬入水中或油中，然后在180200度进行低温回火。预冷的目的在于减小淬火变形开裂、使表层析出一些碳化物，降低奥氏体含碳量，从而降低淬火后残余奥氏体量，提高表面硬度优点：操作简单、成本低、生产率高适用性：本质细晶粒钢、大批量汽车拖拉机齿轮,第六章钢的热处理钢的化学热处理,一次淬火法：渗碳后空冷，再重新加热至淬火温度进行淬火，然后在180200度回火。优点：重新加热使奥氏体晶粒得以细化，性能得以提高。缺点：成本高、劳动强度大。适用性：比较重要的零件。,第六章钢的热处理钢的化学热处理,二次淬火法：渗碳空冷后，先加热至Ac3以上(850900度)淬火，使心部组织细化，并消除表层网状渗碳体组织，再加热至Ac1以上(750800度)淬火，最后再回火。优点：表层和心部组织均得以细化，获得较好的力学性能。缺点：工艺复杂成本高，易造成变形开裂适用性：少数对性能要求特别高的零件。,第六章钢的热处理钢的化学热处理,几种淬火法示意,第六章钢的热处理钢的化学热处理,渗碳后的组织与性能渗碳件经淬火+低温回火后的渗层组织为针状回火M+碳化物+少量残余A渗层硬度5864HRC；低碳钢（15、20钢）心部F+P，1015HRC，低碳合金钢（20CrMnTi）心部回火M+F，3545HRC渗碳零件的一般工艺路线为：锻造正火机械加工渗碳淬火低温回火精加工（磨削）,第六章钢的热处理钢的化学热处理,渗氮概念：在一定温度下（一般在Ac1以下)是活性氮原子渗入工件表层，从而提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳性能、耐蚀性及热硬性等性能的化学热处理工艺。常用气体渗氮和离子渗氮,第六章钢的热处理钢的化学热处理,气体渗氮：在气体介质中进行的工艺。工艺过程：在渗氮炉内通入氨气，在380度以上氨分解出活性氮原子，被工件表面吸收并溶入表面，在保温的过程中向内扩散，形成渗氮层。,第六章钢的热处理钢的化学热处理,渗氮后的性能高的硬度和耐磨性：表面形成的一层极硬的合金氮化层，硬度可达10001100HV，而且在600650度保持不下降。高的疲劳极限：表层压应力使疲劳极限提高1535%。高的耐蚀性能：氮化物在水、过热水蒸气和碱性溶液中都很稳定。小变形：渗氮温度低，无须后续热处理。,第六章钢的热处理钢的化学热处理,渗氮后的组织与性能,第六章钢的热处理钢的化学热处理,适用性：主要应用于承受交变载荷并要求耐磨的重要结构零件。如高速传动的精密齿轮、曲轴和机床主轴以及在高温下工作的耐热、耐蚀、耐磨零件。选材技术要求：需选用含有与N亲和力大的如Al、Cr、Mo、Ti、V等合金元素的合金钢，如38CrMoAlA、35CrAlA、38CrMo等。,第六章钢的热处理钢的化学热处理,渗氮零件的一般工艺路线：锻造正火（或退火）粗加工调质精加工去应力粗磨渗氮精磨或研磨,第六章钢的热处理钢的化学热处理,离子渗氮：在低于