《机械工程材料新》PPT课件

第七章钢的热处理,常用的热处理分类,钢在加热时的变化,钢在冷却时的转变,钢的淬火,钢的回火,钢的淬透性,钢的表面热处理,钢的退火与正火,一般零件的制造过程锻造预先热处理（退火或正火）机械加工（粗加工）最终热处理（淬火+回火或表面热处理）机械加工（精加工）检验（尺寸和硬度）。,钢的热处理都有共同点加热保温冷却,1-等温冷却2-连续冷却,热处理工艺曲线,热处理在机械加工中是很重要的工序。,一、常用的热处理分类,二、钢在加热时的变化,钢的加热的变化是钢的冷却变化的逆过程，需要有一定的过热度。加热转变温度分别用：Ac1（PSK）、Ac3（GS）、Accm（ES）表示。,1、奥氏体的形成过程,基本过程（奥氏体化）形核长大残余奥氏体溶解奥氏体均匀化,亚共析钢P+FA+FA过共析钢P+CmA+CmA,共析钢PA,影响奥氏体化的因素,加热温度等温温度越高，“孕育期”越短，奥氏体化速度越快。加热速度连续加热时，加热速度越快，转变温度越高，奥氏体化速度越快。原始组织形态细片P粗片P球化P含碳量含碳量越高，有利奥氏体的形核和扩散，加速奥氏体的形成。,2、奥氏体的晶粒长大,奥氏体晶粒度晶粒度表示晶粒大小的尺度。起始晶粒度奥氏体刚刚形成时的晶粒度。（此时晶粒细小）实际晶粒度在具体的热加工条件下，得到奥氏体晶粒度。（与热加工工艺参数有关，一般比起始晶粒度大）,14级为粗晶粒,58级为细晶粒,国家标准GB6394-86,金属平均晶粒度标准评级图,93010；保温38小时；缓慢冷却；放大100；与标准图比较。,特定条件,本质晶粒度在特定的加热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向。,1-本质粗晶粒钢2-本质细晶粒钢,加热温度与奥氏体晶粒长大的关系,钢的晶粒度14级，为本质粗晶粒，随温度升高，晶粒迅速长大。钢的晶粒度58级，为本质细晶粒，随温度升高长大倾向不明显。,奥氏体晶粒长大及其影响因素,成分，含碳量增加，扩散速度增加，晶粒易长大。，含碳量增加，网状渗碳体的阻碍，晶粒不易长大。Mn、P促进奥氏体晶粒的长大。温度温度高，晶粒大。,奥氏体晶粒大小对冷却后晶粒的影响,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。加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。,等温转变:加热奥氏体化的钢,快速冷却到Ar1以下的某一温度,等温,使奥氏体在该温度完成组织转变的过程。,实验方法:每组取若干试样，在不同的温度等温，作出转变量与时间的关系曲线，然后在温度时间坐标系中找出对应点。,三、钢在冷却时的转变,冷却时的转变需要过冷，相变温度低于平衡温度,分别为：Ar1（PSK）、Ar3（GS）、Arcm（ES）。,转变开始点的连线称转变开始线。转变终了点的连线称转变终了线。,（1）建立曲线,1.共析钢的等温转变曲线和分析,过冷奥氏体区A1-Ms间及转变开始线以左的区域转变产物区转变终了线以右及Mf以下区域转变区开始线与终了线之间及Ms与Mf之间区域,孕育期转变开始线与纵坐标之间的距离。孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小。孕育期最小处称C曲线的“鼻尖”。碳钢鼻尖处的温度为550。在鼻尖以上,温度较高，相变驱动力小，奥氏体较稳定。在鼻尖以下，温度较低，扩散困难，奥氏体较稳定。,（2）C曲线分析,在550Ar1温度之间，等温冷却与a-b线相交，钢发生珠光体转变。,在550Ms温度之间，等温冷却与a-b线相交，钢发生贝氏体转变。,在Ar1Ms温度间，b曲线右,钢的转变已结束，冷却到室温组织不发生变化。,在MsMf温度之间，连续冷却不与a-b线相交，钢发生马氏体转变。,C曲线与过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物,设曲线a为转变开始线，曲线b为转变终了线,（1）珠光体型转变扩散型转变组织组织共性：铁素体与渗碳体组成层片状混合物。组织个性：层片间距随过冷度的增加而减小。,400,5000,12000,2、过冷奥氏体的转变产物及转变过程,珠光体（P）：等温转变温度（Ar1650）；HRC520索氏体（S）：等温转变温度（650600）；HRC2030屈氏体（T）：等温转变温度（600550）；HRC3040,片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。,珠光体转变过程珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成。在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。,珠光体转变（动画）,（2）贝氏体型转变-半扩散型转变组织,贝氏体：碳过饱和的铁素体与渗碳体（下贝氏体是碳化物）组成的混合物。,上贝氏体（B上）：等温转变温度（550350）；组织形态：黑羽毛状。HRC4050；强度较低，塑性和韧性较差。下贝氏体（B下）：等温转变温度（350Ms）；组织形态：黑针状。HRC5060；强度较高，塑性和韧性也较好，即具有良好的综合力学性能。,转变温度较高（550-350)时，条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成B上。,上贝氏体转变过程,上贝氏体的形成,贝氏体转变属半扩散型转变，即只有碳原子扩散而铁原子不扩散，晶格类型改变是通过切变实现的。,转变温度较低（350-230)时，铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状，由于碳原子扩散能力低,其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。,下贝氏体转变,下贝氏体的形成,（3）马氏体型转变-非扩散型转变组织,马氏体的晶体结构,马氏体碳溶在-Fe中形成的过饱和的固溶体。,马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。,马氏体的晶格为体心正方，ac，ca，c/a为马氏体的正方度，正方度随马氏体的含碳量的增加而增加，而且马氏体的比容也增加，体积会增加，是造成钢淬火变形和开裂的主要原因。,片状（针状）马氏体（M片）：连续冷却温度（MsMf）；HRC6065组织形态：灰片状。C%1%在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。板条状马氏体（M板条）：连续冷却温度（MsMf）；HRC3545；组织形态：灰板条状。C%0.3%在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错，又称位错马氏体。,正常加热条件下，冷却得到的马氏体组织非常细小，在光学显微镜下无法分辨，称“隐晶马氏体”。,T12过热500,500,T12正常500,马氏体的形态,马氏体的形态与含碳量的关系C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体。C%大于1.0%C时几乎全部是针状马氏体.C%在0.21.0%之间为板条与针状的混合组织。,马氏体形态与含碳量的关系,无碳原子的扩散转变速度极快转变的不完全性，有残余奥氏体存在转变在MsMf温度区间进行,冷却到室温转变未完全结束；高碳钢存在较多的残余奥氏体。工业上常采用“冷处理”的方法。,具有高的硬度和强度。硬度主要取决于含碳量。塑性和韧性主要取决于组织。板条马氏体具有较高硬度、较高强度与较好塑性和韧性相配合的良好的综合力学性能。针片状马氏体具有比板条马氏体更高的硬度，但脆性较大，塑性和韧性较差。,马氏体硬度与碳含量的关系,马氏体转变特点,马氏体的力学性能,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。,3.影响C曲线位置的因素,与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C曲线的上部各多一条先共析相的析出线。,(1)含碳量的影响,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。,(2)合金元素的影响,4、过冷奥氏体的连续冷却曲线,只有“C”曲线的上半部分，没有贝氏体转变区多了一条“K”线，即转变中止线；比“C”曲线，右移。“Vk”为“CCT”曲线的临界冷却速度。,临界冷却速度钢获得完全马氏体的最小冷却速度。VkVk，在“C”曲线讨论，能得到马氏体，实际上就一定能得马氏体。,(1)共析钢的CCT曲线,P,均匀A,细A,P,退火,(炉冷),正火,(空冷),S,淬火,(油冷),T+M+A,M+A,淬火,(水冷),可用TTT曲线定性说明连续冷却时的组织转变,45钢850油冷组织,转变中止线的含义,无贝氏体转变区,但比共析钢CCT曲线多一条AFe3C转变开始线。由于Fe3C的析出,奥氏体中含碳量下降,因而Ms线右端升高.有贝氏体转变区，还多AF开始线,F析出使A含碳量升高,因而Ms线右端下降。,（2）过共析钢CCT曲线,（3）亚共析钢CCT曲线,四、钢的退火与正火,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。,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机加工,1.退火,将钢加热至适当温度保温，再缓慢冷却(炉冷)的热处理工艺。,调整硬度，便于切削加工。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，为最终热处理作组织准备。,真空退火炉,（1）目的,常用退火: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Ac3+3050,保温后缓冷的退火工艺。主要用于亚共析钢。,（2）退火工艺,亚共析钢加热到Ac3+3050,共析、过共析钢加热到Ac1+3050，保温后快冷到Ar1以下的某一温度下停留，待相变完成后出炉空冷。等温退火可缩短工件在炉内停留时间，更适合于孕育期长的合金钢。,高速钢等温退火与普通退火的比较,高速钢连续冷却退火约24小时。等温冷却总共约8小时:开炉门冷到750，约4小时，等温时间34小时，然后空冷。,等温退火,组织：球状珠光体（P球）即铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织,球状珠光体,对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先正火，以消除网状。,球化退火,加热温度：Ac1+（3050）,主要用于过共析钢（即工具钢）。,亚共析钢加热到Ac1+3050，共析钢加热到Ac1+3050，过共析钢加热到Accm+3050，保温后空冷的工艺。正火比退火冷却速度大。（1）正火后的组织c0.6%时，组织为F+S；c0.6%时，组织为S。,正火温度,2.正火,冷却速度不同，先析相的量不同，同种钢冷却速度不同得到珠光体的量不同。伪共析组织-非共析成分得到的共析组织。,对于低、中碳钢(0.6C%)，目的与退火的相同。对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。,要改善切削性能，低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火,高碳钢用球化退火。,（2）正火的目的,普通件最终热处理，代调质。,热处理与硬度关系,问题,不同成分的碳钢如何选择退火和正火？,淬火:将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后以大于临界冷却速度的快速冷却,获得马氏体组织的热处理工艺。,1、淬火温度的选择亚共析钢：Ac3+（3050）,过共析钢：Ac1+（3050）,水：适用碳素钢优点：价廉、安全、无腐蚀。缺点：淬火硬度不均匀易出现软点，质量较差，易变形、开裂。,五、钢的淬火,2、淬火介质,油（机油或专用淬火油）：适用于大多数合金钢优点：变形小，不易开裂。缺点：价格贵、易燃不安全、有油污。盐水或碱水（515%）：适用碳素钢优点：价廉、安全、冷却能力和均匀性优于水。缺点：易变形、开裂，比水淬小，工件易腐蚀，产生水气损害健康。,淬火介质的冷却速度必须大于临界冷却速度,3、淬火方法,单液淬火在一种淬火介质中连续冷却到室温。预冷淬火空气中停留片刻,再在一种淬火介质中连续冷却到室温。,双液淬火在二种淬火介质中分段连续冷却到室温。,等温淬火钢件在盐浴（稍高于Ms温度）停留较长，完成下贝氏体转变后，再空冷。,局部淬火对局部硬度有要求，其他部位精度高的钢件，局部加热淬火。,分级淬火钢件在盐浴（Ms温度附近）中停留25分钟（减小钢件内外温差），然后空冷。,盐浴炉,各种淬火方法示意图,1、淬透性的概念淬透性：钢在淬火时获得马氏体组织的能力，用规定条件下淬硬层深度表示。淬硬层深度:从表面到半马氏体组织区的距离。淬硬性：钢在淬火后获得马氏体组织所能达到最大硬度。,六、钢的淬透性,钢件淬硬深度、硬度分布与冷却速度的关系,2、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。,3、影响淬透性的因素,临界冷却速度Vk越小，淬透性越高。,奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性提高。,Vk取决于C曲线的位置，C曲线越靠右，Vk越小。,问题,1.生产现场中，为什么常将高速钢W18Cr4V称为“锋钢”或“风钢”？,2.在40,40Cr,9SiCr,W18Cr4V中，哪个淬透性高？,C曲线位置,淬透性好，机械性能均匀。淬透性好，材料的屈强比高（s/b），材料的利用率高。淬透性好，材料的疲劳极限（-1）高。淬透性好，材料的冲击韧性高。,4、淬透性对钢力学性能的影响,淬透性不同的钢调质后机械性能,5、淬透性的测定及表示,标准尺寸的试棒加热到完全奥氏体化后放在支架上，对其一端进行喷水冷却，再在试棒表面上从端面起依次测定硬度，得到硬度与距端面距离之间的关系曲线。,末端淬火法,淬透性的表示：,J-末端淬透性，d-半马氏体区到水冷端的距离HRC-半马氏体区的硬度如：,6、淬透性的应用,要求零件的表面和心部力学性能一致，应选能全部淬透的高淬透性的钢。如螺栓、连杆、模具等大截面的零件或在动载荷下工作的的许多重要零件。心部力学性能对使用条件影响不大的零件可选用淬透性低的钢(承受弯曲、扭转的零件，淬硬层深度一般为半径的1/21/3)。如轴类、齿轮等。,高强螺栓,柴油机连杆,齿轮,（1）合理选择淬硬层深度,焊接件可选用淬透性低的钢。淬硬层深度与工件尺寸有关,设计时应注意尺寸效应。在设计中不可根据从手册里查到的小尺寸试样性能数据用于大尺寸工件的强度计算。淬透性低的大尺寸工件，淬硬层很浅，应考虑淬火之前切削加工。用碳钢设计大尺寸工件时，调质处理不如正火更经济。如：设计尺寸为100mm时，用45钢调质b=610MPa，而正火b=600MPa。,（2）预测零件淬火后的硬度分布例：利用淬透性曲线及圆棒冷速与端淬距离的关系曲线预测50mm直径40MnB钢轴淬火后断面的硬度分布。,（3）利用淬透性曲线进行选材例：要求厚60mm汽车转向节淬火后表面硬度超过HRC50，3/4半径处为HRC45。按下图箭头所示程序进行选材分析。,七、钢的回火,回火将淬火钢加热到Ac1以下某温度保温，然后冷却到室温的热处理工艺。,1、回火的目的,降低脆性，减少或消除内应力，稳定组织，提高尺寸的稳定性，减小工件的变形，防止工件的开裂。提高钢的弹性极限或屈强比。提高钢的塑性和韧性，适当的降低硬度和强度，获得零件设计所要求的性能。可以作为高淬透性钢的软化的处理方法。,2、回火的种类及应用,低温回火（150250）,得到回火马氏体（M回），HRC5864,用途：工具钢制造的工具淬火后的回火处理；结构钢中低碳钢的渗碳+淬火后的回火处理；结构钢中中碳钢的表面淬火后的回火处理。,回火马氏