金属工艺学 第五章_钢的热处理.ppt

1、金属工艺学,第五章 钢的热处理,唐建卫,第五章 钢的热处理,概述 钢在加热时的组织转变 钢在冷却时的组织转变 退火与正火 淬火与回火 零件结构的热处理工艺性,第一节 概述,1.热处理的定义:,2.热处理的主要目的:改变钢的性能。,3.热处理的应用范围:整个制造业。,4.热处理的分类,热处理,普通 热处理,表面 热处理,退火;正火; 淬火;回火;,表面淬火,化学 热处理,感应加 热淬火,火焰加 热淬火,渗碳;渗氮; 碳氮共渗;,第二节 钢在加热时的组织转变2,转变温度 奥氏体的形成 奥氏体晶粒度及对力学性能的影响,一.转变温度,热处理的任务是通过改变钢材的组织，来改变钢材的性能，以满足使用要求的

2、。一般都有将钢加热到相变温度以上，使常温组织变为高温组织-奥氏体。然后在冷却过程中使它向要求的组织转变。因此，奥氏体在形成过程中，其成份、晶粒大小等，将直接影响热处理的效果。为此，了解奥体的形成过程和影响因素是很重要的。,以共析钢为例，说明奥氏体的转变(形成)过程。,其转变过程可归纳为四个阶段。,1奥氏体（A）晶核的形成,2奥氏体（A）晶核的长大,3残余渗碳体（Fe3C）的溶解,4奥氏体（A）的均匀化,奥氏体的形成,A,A 形核,A 长大,残余Fe3C溶解,A 均匀化,三. 奥氏体晶粒度,一)奥氏体晶粒度:将钢加热到相变点以上某 一温 度,保温一定时间后所得到的奥氏体晶粒的大小.分12级,加热

3、温度与保温时间. 热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。 1.通过控制加热温度和保温时间,能够获得细小均匀的奥氏体晶粒. 2.随温度升高晶粒容易长大的为粗晶粒钢.,钢的本质晶粒度示意图,奥氏体晶粒度,1.用锰铁脱氧的钢多属粗晶粒钢,用铝脱氧的钢多属细晶粒钢.沸腾钢是粗晶粒钢,镇静钢是细晶粒钢. 2.影响奥氏体晶粒度的因素: (1)加热温度和保温时间. (2)加热速度. (3)钢的组织及成分.,二)奥氏体晶粒大小对钢的 力学性能的影响,1.奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力 学性能提高。,2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起 工件产生较大的变形甚至开裂。,第三节 钢在冷却时的组织转变,钢在热处理时的

4、冷却方式 过冷奥氏体的等温冷却转变 过冷奥氏体的连续冷却转变,第二节 钢在冷却时的转变,冷却方式直接影响着钢的相变（决定热处理后钢的组织和性能）。,需要热处理的零件，加热以后的冷却方式有以下两种：,1）等温冷却,2）连续冷却,把加热到奥氏体的钢先以较快的速度过冷到A1线以下的一定温度，然后保持此温度，使奥氏体恒温进行组织转变，当组织转变结束后再继续冷却到室温,把加热到奥氏体的钢先以某一速度（在一定介质中）冷却至室温，使奥氏体在A1线以下的连续冷却中发生组织转变,一.钢在热处理时的冷却方式,二.过冷奥氏体的等温冷却转变,一) 建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转 变曲线 - TTT曲线 ( C 曲线

5、),T - time T - temperature T - transformation,共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图,A1,二) 共析碳钢 TTT 曲线的分析,稳定的奥氏体区,过冷奥氏体区,A向产 物转变开始线,A向产物 转变终止线,A + 产 物 区,产物区,A1550;高温转变区; 扩散型转变;P 转变区。,550230;中温转变 区;半扩散型转变; 贝氏体( B ) 转变区;,230 - 50;低温转 变区;非扩散型转变; 马氏体 ( M ) 转变区。,P,索氏体,托氏体,上贝氏体,下贝氏体,等温转变温度,硬度值,0,160250HBS,650600,2530HRC,6005

6、50,3548HRC,550350,4048HRC,350Ms,55HRC,塑性较差，脆性大，生产中少用,强度较高，一定的塑性和韧性，综合力学性能较好,三) 转变产物的组织与性能,1.珠光体型 ( P ) 转变 ( A1550 ) :,A1650 : P ; 525HRC; 片间距为0.60.7m ( 500 )。,650600 : 细片状P-索氏体(S); 片间距为0.20.4m (1000); 2536HRC。,600550:极细片状P-屈氏体(T); 片间距为0.2m ( 电镜 ); 3540HRC。,珠 光 体 形 貌 像,索 氏 体 形 貌 像,三) 转变产物的组织与性能,2.贝氏体

7、型 ( B ) 转变 ( 550230 ) :,550350: B上; 4045HRC;,上贝氏体组织金相图,三) 转变产物的组织与性能,2.贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550230 ) :,350230: B下; 5060HRC;,下贝氏体组织金相图,三) 转变产物的组织与性能,3.马氏体型 ( M ) 转变 ( 230 -50 ) :,1)定义:马氏体是一种碳在 Fe中的 过饱和固溶体。,2)转变特点: 在一个温度范围内连续冷却完成; 转变速度极快,即瞬间形核与长大; 无扩散转变( Fe、C原子均不扩散 ), M与原A的成分相同,造成晶格畸变。 转变不完全性, QM = f ( T )

8、,奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响,奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响,3)马氏体的晶体结构: 由于碳的过饱和作 用,使 Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。,4)马氏体的组织形态: 板条状 - 低碳马氏体(0.2%C ); 3050HRC ; = 917%。,低碳板条状马氏体组织金相图,4)马氏体的组织形态: 针、片状 - 高碳马氏体(1%C); 66HRC左右 ; 1%。,高碳针片状马氏体组织金相图,5)马氏体的性能: 主要取决于马氏体中的碳浓度。,亚共析钢的TTT曲线,P + F,S + F,T,B,M + A残,过共析钢的TTT曲线,P + Fe3C,S + Fe3C,T,B,M +

9、 A残,四) 影响 TTT 曲线形状 与位置的因素,1.奥氏体中含碳量的影响:,2.奥氏体中含合金元素的影响: 除Co、Al (2.5% ) 外,所有合金元 素溶入奥氏体中,会引起:,3.加热温度和保温时间的影响: 加热温度越高, 保温时间越长, 碳化物溶解充分, 奥氏体成分均匀, 提高了过冷奥氏体的稳定性, 从而 使 TTT曲线向右移。,三.过冷奥氏体的连续冷却转变,一) 建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转 变曲线 - CCT 曲线,C - continuous C - cooling T - transformation,一) 共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图,Pf,Ps,A+P,K,Ms

10、,Mf,二) 共析碳钢 TTT 曲线与CCT曲线的比较,三)在连续冷却过程中 TTT 曲线的应用,V1 = 5.5/s : 炉冷 ; P,V2 = 20/s : 空冷 ; S,V3 = 33/s : 油冷;T+M+A残,V4 138/s : 水冷 ; M+A残,第四节 钢的普通热处理工艺,预备热处理 : 退火 ; 正火,最终热处理 : 淬火 ; 回火,一般零件生产的工艺路线:,一.钢的退火(Annealing of steel),一)定义: 把零件加温到临界温度以上 3050,保温一段时间,然后 随炉冷却。,二)目的: 消除应力;降低硬度;细化晶 粒;均匀成分;为最终热处理 作好组织准备。,三

11、) 种类,退火,完全退火:主要用于亚共析钢,球化退火:主要用于共析钢和过共析钢,去应力退火:用于消除铸件,四) 工艺参数:,四) 工艺参数:,五)热处理后的组织 : 原始组织。,共析钢球化退火组织 ( 化染 ) 700 ,T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 ,二.钢的正火,一)定义: 把零件加温到临界温度以上 3050,保温一段时间,然后 在空气中冷却。,二)目的: 消除应力;调整硬度;细化晶 粒;均匀成分;为最终热处理 作好组织准备。也可做最终 热处理,三) 工艺参数:,四) 工艺参数:,四)热处理后的组织:S (Wc=0.61.4%) S+F (Wc0.6%),五) 应用范围: 1

12、.预备热处理:调整低、中碳钢的硬 度;消除过共析钢中的Fe3C。 2.最终热处理:用于力学性能要求不 高的普通零件。,三.钢的淬火,一)定义: 把零件加温到临界温度以上 30 50,保温一段时间,然 后快速冷却 ( 水冷 )。,二)目的: 为了获得马氏体组织,提高钢 的硬度和耐磨性。,三) 工艺参数:,三)工艺参数:,四)热处理后的组织 :,M+Fe3C+A残,Ac1+3050,过共析钢,M + A残,Ac1+3050,共析钢,M + A残,Ac3+3050,亚共析钢 Wc0.5%,M,Ac3+3050,亚共析钢 Wc0.5%,六) 淬火冷却介质,1.理想淬火冷却介质,2.常用的淬火冷却介质,

13、七) 常用的淬火方法,八) 钢的淬硬性,1.定义:是指钢在淬火后所能达到的最 高硬度。,2.影响钢的淬硬性的因素:主要取决于 马氏体的含碳量。,九) 钢的淬透性 ( Hardenability of steel ),1.定义:是指钢在淬火时所能得到的淬 硬层 (马氏体组织占50%处) 的 深度。,2.影响钢的淬透性的因素:主要是临界 淬火冷却速度VK 的大小, VK 越 大,钢的淬透性越小。,工件淬硬层与冷却速度的关系,3.淬硬性与淬透性之间的关系:,4.淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响,四.钢的回火 ( Tempering of steel ),一)定义: 把淬火后的零件重新加温到

14、 A1线以下某个温度,保温一段 时间,然后冷却到窒温。,二)目的: 消除淬火应力,降低脆性;稳定 工件尺寸;调整淬火零件的力 学性能。,转变温度,回火种类及应用： （1）低温回火（150250），目的是降低淬火钢的内应力和脆性，并保持高硬度（5664HRC)和耐磨性。如模具、刃具等。 （2）中温回火（350500），目的是使钢获得高弹性，并保持较高硬度（3550HRC)和一定的韧性。如弹簧、锻模等。 （3）高温回火调质处理（500650目的是获得得强度及韧性等综合力学性能较好。如连杆、曲轴、齿轮等。,回火组织与性能,回火时 碳化物逐渐析出，A 逐渐消失，形成碳化物分布在 M 或 F 的基体之上

15、 的 粒状组织。 随回火温度升高，颗粒渐粗， 硬度渐低。因此组织粒度可调，材料性能可调。 与片状组织相比，粒状组织在相同强度时韧性更好，具有更好的综合力学性能。,回火组织与性能,1马氏体的分解（200以下） 回火时马氏体中过饱和的碳发生短距离的迁移，形成极细的碳化物(Fe2.4C)，以薄片存在马氏体片中，这种组织称为回火马氏体，马氏体中碳的过饱和度下降，晶格从体心正方向体心立方发展，残余奥氏体基本未发生变化。 2残余奥氏体的分解（200300） 马氏体向回火马氏体转变时，由于压应力的减小，残余奥氏体发生分解生产下贝氏体。回火马氏体的组织与下贝氏体非常相象，难区区，分统一称为回火马氏体。碳化物在

16、光学显微镜下是不可见的，组织形貌有原来亮白色变为灰暗色。,回火组织与性能,3回火屈氏体的形成（250400） 这时碳的扩散运动能力有所加强，过渡碳化物转变成稳定渗碳体，铁素体的过饱和度明显减少，内应力大大消除，碳化物和母相的共格关系消失，原马氏体片的外形不清晰，大约到400全部完成， 这时的组织为在铁素体上均匀分布极细的渗碳体，称为“回火屈氏体”。在光学显微镜下，可以看到部分残存的原马氏体的痕迹，但看不到碳化物，组织几乎为一片黑。 4碳化物的聚集长大（400以上） 到400以上，铁素体已经不是过饱和，一方面铁素体中的缺陷按回复机制不断下降，另一方面，渗碳体的颗粒在界面能的驱使下，以大吃小的合并

17、方式不断长大。得到平衡状的铁素体中分布着颗粒状的碳化物混合组织，称为“回火索氏体”。随着到达的温度愈高，相应渗碳体颗粒就愈大。在光学显微镜下可以看到渗碳体的颗粒。,回火组织,三) 工艺参数,淬火 + 高温回火 = 调质处理,回火索氏体组织金相图,回火屈氏体组织金相图,回火马氏体组织金相图,第五节 钢的表面热处理工艺,表面淬火 化学热处理,工艺的核心:使零件具有“表硬里韧” 的力学性能。,一.表面淬火,一) 定义:是一种不改变钢表层化学成 分,但改变表层组织的局部热 处理工艺。,二) 工艺特征:通过快速加热使钢的表 层奥氏体化,然后急冷,使表层 形成马氏体组织,而心部仍保 持不变。,三)表面淬火

18、用钢:,选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。,四)表面淬火加工的方法: 感应加热( 高、中、工频 )、火 焰加热、电接触加热法等。,2)工艺要求: * 表面淬火前,必须对零件进行正火 或调质处理,以保证零件有良好的 基体。 * 表面淬火后,必须对零件进行低温 回火处理,以降低淬火应力和脆性。,3)生产特点: 淬火件的质量好; 工件变 形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易 控制;生产率高。设备投资大,不适 于复杂形状零件和小批量生产。,2.火焰加热表面淬火,1)火焰加热表面淬火的基本方法,2)火焰加热表面淬火的特点:,*设备简单, 操作方便, 成本低。 *淬火质量不稳定。 *适于单件、小批量及大型零件的生产。,二.化学热处理,一)定义:将零件置于一定的化学介质 中 , 通过加热、保温,使介质 中一种或几种元素原子渗入 工件表层,以改变钢表层的化 学成分和组织的热处理工艺。,二) 化学热处理的基本过程:,2.吸收: 活性原子被零件表面吸收和溶 解。,3.扩散: 活性原子由零件表面向内部扩 散, 形成一定的扩散层。,三) 化学热处理进行的条件:,1. 渗入元素的原子必须是活性原子, 而 且具有较大的扩散能力。,2. 零件本身具有吸收渗入原子的能力, 即对渗入原子有一定的溶解度或能 与之化合, 形成化合物。,四) 化学热处理的