第六章 钢的热处理.ppt

1、1,第六章 钢的热处理,概 述 一、 什么是热处理？ 用加热、保温和冷却的方法，改 变钢的组织，提高其性能的一种工 艺。 二、钢的临界点 钢实际加热（冷却）时的相变温度 比平衡条件下的温度高（低）一 些。 平衡条件下 加热时 冷却时 A1（PSK线） Ac1 Ar1 A3（GS线） Ac3 Ar3 Acm（ES线） Accm Arcm Accm与 Arcm 都可简写为Acm,三、热处理的分类 普通热处理： 退火、正火、 淬火、 回火； 表面热处理：表面淬火、化学热处 理； 特殊热处理：真空热处理、形变热 处理、可控气氛热处 理 ,2,6 1 钢在加热时的组织转变 一、奥氏体的形成 根据 Fe

2、- Fe3C 相图，钢在加热时发生珠光体向奥氏体的转变，此转变过程称奥氏体化。 共析钢： P A 亚共析钢：P + F A + F A 过共析钢：P + Fe3C A+ Fe3C A 热处理时应进行适当时间的保温。保温的目的是使工件各部分温度一致，组织转变充分均匀。,3,二、 奥氏体的晶粒度 1. 奥氏体的晶粒的长大 钢形成奥氏体后继续加热或保温，晶粒将会长大（此过程会使晶界面积减小，降低能量，能自发进行）。 奥氏体的晶粒度对钢的力学性能有重要影响。 2. 几个概念 起始晶粒度：奥氏体刚形成时的晶粒大小。 实际晶粒度：在实际加热条件下的奥氏体晶粒大小。 本质晶粒度：在规定加热条件下的奥氏体晶粒

3、大小。 为比较不同钢的奥氏体晶粒长大的倾向，把不同钢种在规定条件下加热保温（930,8h），比较其晶粒大小。 晶粒易长大的称本质粗晶粒钢，晶粒不易长大的称本质细晶粒钢。,4,三、影响奥氏体晶粒长大的主要因素 1. 加热温度越高，保温时间越长，则奥氏体晶粒越大。 2. 晶粒长大是一原子扩散的过程，在加热时钢的组织中若有未溶质点存在，则扩散阻力增大，故可阻碍奥氏体晶粒长大。 加热时未溶的碳化物质点可阻碍奥氏体晶粒长大，故: 碳化物形成元素可以细化晶粒，碳化物形成元素越 强，作用越显著。 过共析钢在Ac1 Acm之间加热，可获得较细小的奥氏 体晶粒。,5,6 2 钢在冷却时的组织转变一、 过冷奥氏体

4、的等温转变曲线Time-Temperature-Transformation,1. 共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变曲线 (简称TTT曲线或C曲线） 过冷奥氏体：在A1以下的奥氏体。 建立：实验方法，如右图。 孕育期：C曲线上曲线与纵轴间的距离。在550左右处孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定。此处称C曲线的鼻部。,6,2. 转变产物及性能珠光体型转变发生在鼻部以上（Ar1 550）产物为层片状的 F 与 Fe3C 机械混合物，如右图所示。随温度由高至低，层片由粗到细,分别称为珠光体（P）、索氏体（S）、屈氏体（T），硬度逐渐升高，同时韧性也有改善。P、S 、T的比较见下表：,名 称 代号 转变温度

5、 片间距m 硬度HRC 珠光体 Pearlite P Ar1 650 0.4 0.7 25 索氏体 Sorbite S 650 600 0.25 0.4 35 25 屈氏体 Troostite T 600 550 0.25以下 40 35,7,贝氏体型转变 贝氏体: bainite发生在鼻部以下（ 550Ms）产物也为F与Fe3C机械混合物，随温度由高至低，分别称为:上贝氏体 B上、下贝氏体 B下 ，其形貌、性能如下表所示：,名 称 符 号 形 成 温 度 形 貌 性 能 上贝氏体 B上 550 350 羽毛状 HRC4050, 韧性差 下贝氏体 B下 350 Ms 竹叶状 HRC5055,

6、韧性好 B下具有优良的综合力学性能，生产实践中应用于要求高强韧性的工件（如工模具等）。,8,上贝氏体的形貌为羽毛状, 如右图所示:,下贝氏体的形貌为竹叶状, 如右图所示:,9,马氏体型转变 产生：奥氏体急冷至Ms（约230）线以下，过冷度极大，转变趋势极大，奥氏体极快地由 fcc 变成 bcc，而碳原子来不及扩散，形成碳在 Fe中的过饱和间隙固溶体，即马氏体，Martensite (M)。 形貌：决定于奥氏体的含碳量： 当Wc 1.0%时，全部形成针片状马氏体 M片； 当Wc 0.2%时，全部形成板条状马氏体 M条； 当0.2%Wc1.0%时，形成混合马氏体。 性能：因碳在 Fe中的过饱和，晶

7、格严重畸变，所以 M片具有高硬度高强度，但塑性韧性低； M条具有较高硬度强度，塑性韧性也较好。,10,板条状马氏体的形貌 针片状马氏体的形貌,马氏体转变的主要特点 转变驱动力极大，转变中无原子扩散，高速形成。 转变总是进行不完全，存在残余奥氏体 A。 但碳素钢的残余奥氏体 少，可忽略。合金钢则不能忽略。 在Ms以下降温过程中形成，等温过程马氏体量不增加。 转变过程伴随体积膨胀，导致工件变形。,11,3. 非共析碳钢C曲线 亚共析碳钢的C曲线还有一条 AF 转变线（F是先共析相）； 过共析碳钢的C曲线还有一条 AFe3C 转变线（ Fe3C是先共析相） ：,12,4. 合金元素对C曲线的影响 加

8、热时，合金元素溶入奥氏体后一般都使C曲线右移（钴元素除外），孕育期变长。这是合金元素提高钢淬透性的理论根据。 某些合金元素使C曲线出现二个鼻子。,13,二、过冷奥氏体的连续冷却转变曲线Continuous Cooling Transformation（CCT曲线）,1. CCT曲线的建立、形状及转变组织都与TTT曲线相似。 主要区别：共析钢和过共析钢的 CCT无贝氏体转变。 在生产实践中一般以TTT曲线代替CCT曲线分析连续冷却转变组织。 2. 应用 根据TTT（或CCT）曲线可以方便地解决以下问题： 冷却方式 所得组织 3. 临界冷却速度： 在连续冷却过程中只发生马氏体转变的最小冷却速度（图

9、中Vk）。,14,6 3 钢的整体热处理 概 述,1. 机械零件加工的一般工艺流程 铸（锻）造成形 预先（备）热处理 粗加工 最终热处理 精加工 2. 热处理工序的作用 预先（备）热处理 ： 包括退火、正火。 消除铸（锻）件的组织缺陷，均匀组织，细化晶粒，降低 硬度，消除应力。 最终热处理 ： 包括淬火、回火。 形成零件使用时需要的组织和性能。,15,一、退火 annealing 1. 完全退火 用于亚共析钢,加热温度Ac3 + 2030，保温后缓慢冷却。 组织：F + P 降低硬度，均匀组织。 2. 球化退火 用于过共析钢 加热温度Ac1 + 2030，保温后缓慢冷却。 在两相区保温时，形成

10、 A +大量未溶的 Fe3C 颗粒。 缓冷过程中产生的 Fe3C 依附于未溶的Fe3C 颗粒长大，最后形成：铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C，即粒状珠光体，这种组织硬度低，利于切削加工。,16,3. 去应力退火加热至Ac1以下（250400），保温后缓冷。无组织变化，用于铸、锻、焊及冷变形件去除应力。,二、正火 normalizing 1. 工艺： 加热温度： 亚共析钢 Ac3 + 3050 过共析钢 Acm + 3050 冷却方式：保温后在空气中冷却。 2. 组织： 亚共析钢 ：F(少量) + S(或T) 过共析钢： Fe3C (少量) + S(或T) 3. 主要作用： 亚共析钢：在低、中碳

11、钢中代替完全退火。 过共析钢：因空气冷却速度较快，先共析相 Fe3C 的析出量较少，不能连成网状，故起到消除网状组织的作用。,17,三、淬火 quenching将钢加热至临界点以上保温后，以大于临界冷却速度的冷速冷至Ms点以下获得马氏体的热处理工艺。,1. 加热温度 亚共析钢： Ac3 + 3050 淬火组织： M + A（少量） 过共析钢： Ac1 + 3050 保温时组织：A + Fe3C（粒） 淬火组织：M +A少量 + Fe3C（粒） 保温时未溶的Fe3C（粒）可阻碍奥氏体晶粒长大，淬火组织中Fe3C(粒)可以提高钢的耐磨性。 最终得到高硬度、高耐磨性及适当韧性的淬火组织。,18,2.

12、 冷却方法 原则：淬火时既要快冷获得M，又要尽可能减小内应力，减少变形和开裂。 单液淬火：碳钢 水 合金钢 油。 双液淬火：水淬油冷。 分级淬火：冷却时短暂停留，减小冷却温差。 等温淬火：获得下贝氏体。,19,四、回火 tempering1. 目的：淬火组织为M + A，不稳定，内应力大，脆性大，所以钢 淬火后必须回火。淬火钢再加热至Ac1以下某温度保温后冷却，获得回火组织，可以稳定组织，消除应力，降低脆性，调整性能。,2. 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 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，

13、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 符 号 形成温度 硬 度 及 应 用 回火马氏体 M回 150250 高硬度、高耐磨性 用于工模具、轴承、齿轮表面等 回火屈氏体 T回 350500 HRC 3545 各类弹簧 回火索氏体 S回 500650 HRC 2535 用于要求强韧性配合的零件,如轴类等,20,3. 回火温度 低温回火： 150250 ； 中温回火： 350500 ； 高温回火： 500650 ，淬火 + 高温回火又称为调质。,五、钢的淬透性与淬硬性 1. 淬硬性： 淬火得到马氏体硬度的高低。 影响淬硬性主要因素是：马氏体内含碳量越多，硬度越高。 2. 淬透性： 淬火得到马氏体层的深度,即得到马氏体多少的能力。 影响淬透性主要因素是：加热时溶入A的合金元素越多，C曲线就越右移，则零件淬火时得到的M越多，淬透性就越好。 合金钢的淬透性优于碳素钢。,21, 6 4 钢的表面热处理一、 表面淬火：对工件表面快速加热，迅速冷却，只使表面发生相变。1. 加热方法： 感应加热、火焰加热。2. 选用钢种：中碳钢、中碳合金钢。3. 工序位置：整体热处理（调质）、 精加工以后进行。后 接低温回火。4. 性能：表硬里韧，变形小。5. 典型零件：机床齿轮。,