工程建材之金属材料热处理

金属材料热处理碳钢的问题:1.强度较低,不能承受高载荷;

改善钢性能的途径：合金化3.热硬性差,只能在200ºC以下工作

2.淬透性差,不能做大件和复杂件4.不能满足某些特殊性能要求热处理

一般机械零件的加工路线是：毛坯（铸、锻）预备热处理机加工最终热处理分类：

普通热处理：退火、正火、淬火、回火表面热处理：

表面淬火：感应加热淬火、火焰加热淬火化学热处理：渗碳、渗氮、渗金属亚共析钢：Ac3+30~50ºC,

组织：F+P共析钢：Ac1+30~50ºC,

组织：P过共析钢：Ac1+30~50ºC,

组织：P球

4.1退火与正火4.1.1退火(annealing)随炉冷却退火的目的：1.降低硬度以便于切削加工2.消除残余内应力以防止钢件在淬火和使用时发生变形和开裂3.细化晶粒，改善组织，提高力学性能4.为最终热处理做准备2.等温退火可使工件在炉内的停留时间大大缩短。1.完全退火适于亚共析钢和铸件、锻件及焊接件，使钢软化以便于切削加工，并可消除内应力。3.球化退火适于共析钢和过共析钢，获得球状珠光体，以降硬度，改善切削加工性能，减小淬火的变形和开裂。5.去应力退火适于：铸件、锻件、焊接件、冷拉伸件、切削加工件目的：消除残余应力，以提高尺寸稳定性，防止在切削加工中和使用过程中的变形和裂纹倾向4.扩散退火适于：合金钢大型铸、锻件目的：消除晶内偏析

6.再结晶退火用于处理冷轧、冷拉、冷挤压等发生加工硬化的钢材亚共析钢：F+S共析钢：S过共析钢：S+Fe3C粒状

4.1.2正火(normalizing)：空中冷却目的的：获得马马氏体和和贝氏体体组织，，提高硬度度和耐磨磨性（工具、、模具、、量具、、滚动轴轴承）4.2钢钢的的淬火（最重要要，最广广泛）(quenching)定义义；是将将钢件件加热热到Ac1或Ac3以上保保温一一定时时间后后，快快速速冷却（通通常大大于临临界冷冷却速速度Vc）），以得到到马氏氏体（（下贝贝氏体）组组织的的热处处理工工艺亚共析析钢：M共析钢钢、过过共析析钢：M+Fe3C粒状合金钢钢：M+MxCy粒状4.2.1淬淬火加加热温温度和和加热热时间间原则则：得得到均均匀细细小的的奥氏氏体晶晶粒4.2.2淬淬火冷冷却介介质在C曲线鼻鼻尖出出处冷冷却速速度足足够快快，其其余余各处处不必必太快快水：：碳素钢钢盐水：：形状简简单、、变形形要求不不严、、截面面较大大的碳钢钢零件件油：合金钢钢4.2.3淬淬火冷冷却方方法单介质质淬火火法双介质质淬火火法马氏体体分级级淬火火法贝氏体体等温温淬火火法冷处理理局部淬淬火4.3钢钢的淬淬透性性(hardenability)淬硬层层深度度：工件件表面面到半半马氏氏体区区（50%M+50%T)的深度度4.3.1钢钢的淬淬透性性淬透透性性：是指指钢在在淬火火时获获得淬淬硬层层深度度的能能力。。淬硬硬性性：是指指钢在在淬火火后所所能达达到的的最高高硬度度影响临临界冷冷却速速度的的因素素有：：1）钢的含含碳量量2）合金元元素：：除Co、、Al外的元元素都都提高高淬透透性3）钢中未未溶物物质淬透性性是钢钢材本本身所所固有有的属属性淬透性性主要要受临临界冷冷却速速度影影响，，临界界冷却却速度度越小小，钢钢的淬淬透性性越大大。4.3.2淬淬透性性的测测试方方法临界直直径法法：45钢Dο（水）=16mm45钢钢Dο（油）=8mm顶端淬淬火法法：用于测测定碳碳素结结构钢钢和低低、中中合金金结构构钢的的淬透透性表示示：：如：45钢钢40Cr钢40Cr钢Dο（（水）=36mm40Cr钢Dο（（油）=20mm4.3.3淬淬透性性与选选材的的关系系1）连连杆、、螺栓栓、锻锻模、、锤杆杆———高淬淬透性性（并并要求求全部部淬透透）2）弹弹簧———高高淬透透性3）机机床主主轴、、汽车车半轴轴、齿齿轮———低低淬透透性（淬透透层深深度＝＝1/2~1/3D）4）工工具类类工件件———高淬淬透性性5）焊焊接件件、表表面淬淬火件件———低淬淬透性性4.4淬淬火钢钢的回回火(tempering)4.4.1回回火的的目的的：目的的：：1））降低低脆性性，减减少或或消除除内应应力，，防止止工件件变变形和和开裂裂2）提提高塑塑性和和韧性性3）稳稳定组组织，，从而而稳定定工件件尺寸寸4）代代替软软化退退火组组织1.钢钢在在回火火时的的组织织转变变过程程：4.4.2回回火组组织转转变及及性能能变化化渗碳体体聚集集长大大马氏体的的分解---残余奥氏氏体分解解--渗碳体的的形成--2.回回火后后的组织织和性能能3）回火索氏氏体（500~650℃））2）回火托氏氏体（350~450℃））1）回火马氏氏体（250℃以以下）**4.4.3回火火工艺及及应用2）中温回火火(350~500℃℃)—T回，35~45HRC特点：：内应力力基本消消除，具具有极高高的弹性性极限和和良好的的韧性。。用于：：各种弹弹簧零件件及热锻锻模具的的处理。。1）低温回火火(150~250℃℃)—M回，55~64HRC特点：：降低钢钢中残余余应力和和脆性，，而保持持高强度度、硬度度和耐磨磨性用于：：工具、、量具、、滚动轴轴承、渗渗碳工件件以及表表面淬火火工件等等。3）高温回火火(500~650℃℃)—S回，25~35HRC淬火+高温温回火——调质处理理特点：：具有较较高综合合机械性性能用于：：中碳成成分结构构钢制造造的各种种重要的的结构零零件，特特别是在在交变载荷下下工作的的连杆、、螺栓以以及轴类类等，还还可作为为某些精精密零件（（如精密密量具、、模具））的预先先热处理理快冷可避避免对大件可可加Mo、W、Nb4.4.4回回火脆性性1.第一类回回火脆性性（低温温回火脆脆性）：250~350ºC回火时出出现，无法消除除，所以以避开。。2.第二类回回火脆性性（高温温回火脆脆性）：500~650ºC回火时出出现，主要发生生在含Cr、Si、、Ni、Mn等合金元元素的结结构钢中中，当在此温度度内长时时间保温温或缓冷冷时出现现表面：M回表面淬火火+低温回火火后的组组织：S回心部：F+S表面淬火火是通过过快速加加热使钢钢件表面面达到临临界温度度以上，，不等热热量传到到工件内内层就迅迅速予以以冷却，，只使表表面被淬淬硬为马马氏体，，而内层层仍为塑塑、韧性性良好的的组织。。4.5钢钢的的表面淬淬火用于承受受弯曲、、扭转、、摩擦或或冲击的的零件。。材料料：含碳量0.40%~0.50%预先热处处理：正火或调调质4.5.1感应应加热表表面淬火火1.基本本原理δ=，，800~1000ºC1）高频感应应加热：100~500KHz，，δ=0.5~2.0mm中小模数数的齿轮轮及中小小尺寸的的轴2）中频感应应加热：500~10000Hz，，δ=2~10mm较大尺寸寸的轴和和大中模模数的齿齿轮3）工频感应应加热：50Hz，，δ=10~15mm直径300以上上的轧辊辊、火车车车轮2.感应加加热表面淬淬火+低温回火4.5.2火焰加加热表面淬淬火利用乙炔火火焰将工件件表面快速速加热到淬淬火温度，，然后立即即用水喷射射冷却，此此法适于单单件或小批批量零件的的表面淬火火。4.7.1.钢钢的的渗渗碳碳4.7钢钢的的化化学学热热处处理理是利利用用物物理理、、化化学学反反应应来来改改变变工工件件表表面面的的成成分分与与组组织织，，从从而而使使工工件件表表面面获获得得与与心心部部不不同同的的力力学学或或物物理理、、化化学学性性能能的的工工艺艺方方法法渗碳碳材材料料：：低碳碳钢钢和和低低碳碳低低合合金金钢钢（20，20CrMnTi）方法法：：气体体渗渗碳碳、固固体体渗渗碳碳和和液液体体渗渗碳碳工艺艺：：渗碳碳+淬淬火火+低低温温回回火火目的的：：表面面具具有有高高硬硬度度和和高高的的耐耐磨磨性性，，而而心心部部仍仍保保持持良良好好的塑塑、、韧韧性性(如汽汽车车、、拖拖拉拉机机上上的的变变速速齿齿轮轮））气体体渗渗碳碳渗碳碳后后淬淬火火+低温温回回火火：：表表层层为为：：马马氏氏体体+碳碳化化物物心部部为为：：珠珠光光体体+铁铁素素体体用于于：：表面面要要求求耐耐磨磨，，并并承承受受较较大大冲冲击击载载荷荷的的零零件件不需需渗渗碳碳的的部部位位：：可可镀镀铜铜或或留留加加工工余余量量4.7.2渗渗氮氮方法法：：使使用用氨氨气气形形成成颗颗粒粒细细小小、、分分布布均均匀匀、、硬硬度度很很高高并并且且十十分分稳稳定的的各各种种氮氮化化物物，，如如AlN、、CrN、、MoN、、TiN、、VN等，，适于于：：有有35CrMo、、18CrNiW和38CrMoAlA等。。而而碳碳钢钢由由于于渗渗氮氮后不不形形成成特