第四章 钢的热处理.ppt

1、工程材料与热加工基础程晓宇,工程材料余热加工基础 第四章 钢的热处理,机械工程系 金工教研室,工程材料与热加工基础程晓宇,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 钢的普通热处理工艺 钢的表面热处理工艺 机械制造过程中的热处理,工程材料与热加工基础程晓宇,第一节 概述,1.热处理的定义:,工程材料与热加工基础程晓宇,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;,工程材料

2、与热加工基础程晓宇,第二节 钢在加热时的组织转变,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,工程材料与热加工基础程晓宇,一.转变温度,奥氏体的形成,A,A 形核,A 长大,残余Fe3C溶解,A 均匀化,工程材料与热加工基础程晓宇,三. 奥氏体晶粒度及对力学性能的影响,一)奥氏体晶粒度: 1.起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏 体的晶粒大小。 2.实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏 体晶粒的大小。 3.本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930 以下,随温度升高,晶粒长 大的程度。,工程材料与热加工基础程晓宇,钢的本质晶粒度示意图,工程材料与热加工基础程晓宇,二)奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的

3、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。,工程材料与热加工基础程晓宇,第三节 钢在冷却时的组织转变,钢在热处理时的冷却方式 过冷奥氏体的等温冷却转变 过冷奥氏体的连续冷却转变,工程材料与热加工基础程晓宇,一.钢在热处理时的冷却方式,工程材料与热加工基础程晓宇,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 ),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

4、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。,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

5、。,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,屈 氏 体 形 貌 像,工程材料与热加工基础程晓宇,三) 转变产物的组织与性能,2.贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550230 ) :,550350: B上; 4045HRC;,工程材料与热加工基础程晓宇,上贝氏体组织金相图,工程材料与热加工基础程晓宇,三) 转变产物的组织与性能,2.贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550230 ) :,350230: B下; 5060HRC;,工程材料与热加工基础程晓宇,下贝氏体组织金相图,工程材料与热加工基础程

6、晓宇,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。 QM = f ( T ),工程材料与热加工基础程晓宇,奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响,工程材料与热加工基础程晓宇,奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响,工程材料与热加工基础程晓宇,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。,工程材料与热加工基础程

7、晓宇,4)马氏体的组织形态: 板条状 - 低碳马氏体(0.2%C ); 3050HRC ; = 917%。,工程材料与热加工基础程晓宇,低碳板条状马氏体组织金相图,工程材料与热加工基础程晓宇,4)马氏体的组织形态: 针、片状 - 高碳马氏体(1%C); 66HRC左右 ; 1%。,工程材料与热加工基础程晓宇,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。,工程材料与热加工基础程晓宇,亚共析钢的TTT曲线,P + F,S + F,T,B,M + A残,工程材料与热加工基础程晓宇,过共析钢的TTT曲线,P + Fe3C,S + Fe3C,T,B,M + A残,工程材料

8、与热加工基础程晓宇,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:,工程材料与热加工基础程晓宇,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:,工程材料与热加工基础程晓宇,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。,工程材料与热加工基础程晓宇,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 - tra

9、nsformation,一) 共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图,Pf,Ps,A+P,K,Ms,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,工程材料与热加工基础程晓宇,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:,工程材料与热加工基础程晓宇,一.钢的退火,一)定义: 把零件加温到临界温度以上 3050,保温一

10、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。,工程材料与热加工基础程晓宇,三) 种类,退火,重结晶 退 火,低温 退火,完全退火,扩散退火,球化退火,再结晶退火,去应力退火,普通退火,等温退火,普通球化 退 火,等温球化 退 火,工程材料与热加工基础程晓宇,四) 工艺参数:,四) 工艺参数:,工程材料与热加工基础程晓宇,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 ,工程材料与热加工基础程晓宇,二.钢的正火,一)定义: 把零件加温到临界温度以上 3050

11、,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。,工程材料与热加工基础程晓宇,三) 工艺参数:,四) 工艺参数:,工程材料与热加工基础程晓宇,四)热处理后的组织:S (Wc=0.61.4%) S+F (Wc0.6%),五) 应用范围: 1.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。,工程材料与热加工基础程晓宇,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

12、高钢 的硬度和耐磨性。,工程材料与热加工基础程晓宇,三) 工艺参数:,工程材料与热加工基础程晓宇,三)工艺参数:,工程材料与热加工基础程晓宇,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%,工程材料与热加工基础程晓宇,五)淬火加热时间 ( ) 的选择:, = K D,工程材料与热加工基础程晓宇,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,七) 常用的淬火方法,工程材料与热加工基础程晓宇,八) 钢的淬硬性 (

13、Hardening of steel ),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。,工程材料与热加工基础程晓宇,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,工程材料与热加工基础程晓宇,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,工程材料与热加工基础程晓宇,四.钢的回

14、火,一)定义: 把淬火后的零件重新加温到 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。,三) 工艺参数,淬火 + 高温回火 = 调质处理,淬火 + 高温回火 = 调质处理,工程材料与热加工基础程晓宇,回火马氏体组织金相图,工程材料与热加工基础程晓宇,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。,工程材料与热加工基础程晓宇,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

15、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。,工程材料与热加工基础程晓宇,三)表面淬火用钢:,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。,工程材料与热加工基础程晓宇,1.感应加热表面淬火,1)感应加热的基本原理:,* 感应电流 - 涡流,* 集肤效应,工程材料与热加工基础程晓宇,工程材料与热加工基础程晓宇,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

16、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。,工程材料与热加工基础程晓宇,2.火焰加热表面淬火,1)火焰加热表面淬火的基本方法,工程材料与热加工基础程晓宇,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。,工程材料与热加工基础程晓宇,二.化学热处理 ( Chemical Heat Treatment ),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

17、的热处理工艺。,工程材料与热加工基础程晓宇,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。,工程材料与热加工基础程晓宇,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) 化学热处理的种类: 渗碳; 渗氮; 碳氮 共渗; 渗硼; 渗铝; 渗硫; 渗硅; 渗铬等。,工程材料与热加工基础程晓宇,1.钢的渗碳 ( Carburize of steel ),1)定

18、义: 向钢的表面渗入碳原子的过程。,2)目的: 获得具有表硬里韧性能的零件。,3)用钢:,低碳钢和低碳合金钢。,4)方法: 固体、气体、液体渗碳。,工程材料与热加工基础程晓宇,固体渗碳法示意图,工程材料与热加工基础程晓宇,气体渗碳法示意图,工程材料与热加工基础程晓宇,5)工艺: 加热温度为900950; 渗碳时间一般为39小时;,6)渗碳后的组织:,20钢渗碳缓冷组织 ( 化染 ) 580 表层珠光体 + 网状渗碳体; 中层珠光体; 内层铁素体 + 珠光体,工程材料与热加工基础程晓宇,7) 渗碳后的热处理工艺,淬火,工程材料与热加工基础程晓宇,7) 渗碳后的热处理工艺,工程材料与热加工基础程晓宇,8) 热处理后的组织,低碳M回+F,M回+Cm+A残,低碳 合金钢,F+P,M回+Fe3C+A残,低碳钢,9)常用的钢种: 15、20、20Cr、20Mn2、 20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。,20CrMnTi 钢渗碳层组织 ( 化染 ) 320 渗碳体( 白色块状 ) + 高碳M( 兰色针状 ) + 残余A( 棕黄色 ),工程材料与热加工基础程晓宇,2.钢的渗氮 ( Nitridation of