工程材料与热加工基础.ppt

1、2020年9月6日星期日,主编：高美兰 白树全 978-7-111-49207-8,工程材料与热加工基础,Engineering materials and thermal processing base,机械工业出版社,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,第3章 钢的热处理,3.1 钢在加热时的组织转变,3.2 钢在冷却时的组织转变,3.3 钢的退火和正火,3.4 钢的淬火,3.5 钢的回火,3.6 钢的表面热处理,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,钢的热处理概述,定义： 目的及重要性： 提高和改善钢的性能；充分发挥钢的性能潜力；提高寿命；减低成本 分类：,普通热处理（

2、四把火：退火、正火、淬火、回火） 表面热处理（表面淬火、化学热处理）,加热,T(),蘸火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,转变温度,Fe-Fe3C相图上： PSK、 GS、 ES 平衡 临 界 点 为： A1、 A3、 Acm 加热时临界点为： Ac1、 Ac3、 Accm 冷却时临界点为： Ar1、 Ar3、 Arcm,3.1钢在加热时的组织转变,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,钢热处理时首先要加热，其 目的是获得均匀而细小的奥 氏体组织。,经过A化以后的钢，再以不 同的方式冷却，即可得到不 同的组织，从而获得所需要 的性能。,热处理工艺曲线,3.1钢在加热时的组

3、织转变,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,（以共析钢为例）,共析钢在A1以下全部为P。 P是F和Fe3C组成的机械混合物。 当把共析钢加热到Ac1以上温度时，PA，这种转变可用下式表示。,P（ F + Fe3C ） A 0.0218% 6.69% 0.77% bcc 复杂斜方 fcc,珠光体,3.1钢在加热时的组织转变,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,共析钢奥氏体形成过程可归纳为 奥氏体晶核的形成：a) 奥氏体晶核的长大: b) 残余渗碳体的溶解: c) 奥氏体成分均匀化: d),加热时，为了获得均匀而细小的奥氏体晶粒，必须选取合适的加热温度，并严格控制保温时间。,亚

4、共析钢：F+P F+A A 过共析钢：P+Fe3C A+Fe3C A,3.1钢在加热时的组织转变,奥氏体形成过程,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,钢加热获得均匀而细小的A晶粒，是为随后的冷却做组织准备，冷却过程是热处理的关键工序，冷却方式不同，冷却后的组织和性能也不同。,热处理生产中的冷却方式,等温冷却,连续冷却,3.2钢在冷却时的组织转变,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,1.过冷A等温转变曲线,过冷奥氏体：把在Ar1温度以下暂时存在的、不稳定的奥 氏体称为过冷奥氏体。,3.2钢在冷却时的组织转变,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,A1PSK MsM转变

5、开始线 MfM转变终了线 aa等温转变开始线 bb等温转变终了线,五线,A1 线以上：A稳定存在区 MsMf： M转变区 aa以左： 过冷A区 bb以右： 转变产物区 aabb：过冷A与转变产物共存区,五区,a,a ,b,b,曲线分析,3.2钢在冷却时的组织转变,过冷A等温转变曲线,C 曲线,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能：,1)珠光体转变 Ar1550 A过P,2)贝氏体转变 550Ms A过B,3)马氏体转变 MsMf连续冷却 A过M,3.2钢在冷却时的组织转变,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,1）珠光体转变,珠光体(P

6、) 3800,托氏体(T) 8000,问题：P、S、T有何异同 ？,共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,2）贝氏体转变,温度：550Ms,产物：贝氏体含过饱和碳的铁素体和碳化物 组成的机械混合物，用“B”表示。,共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,3）马氏体转变,温度：MsMf,产 物：马氏体碳在-Fe中的过饱和固溶体， 用“M”表示,混合M,隐晶M,共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能,2020年9

7、月6日星期日,第3章 钢的热处理,Ps AP 开始线 Pf AP 终止线 KK P转变终止线 k 上临界冷却速度 k 下临界冷却速度 MS A M 开始温度 Mf A M 终止温度,3.2钢在冷却时的组织转变,过冷A连续转变曲线,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,M+A,炉冷 P ( ) 空冷 S ( k) 油冷 T+M+A(k k) 水冷 M+A ( k ),连续冷却 转变产物和冷却速度的关系,3.2钢在冷却时的组织转变,过冷A连续转变曲线,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,退火：把钢加热到适当温度，保温一定时 间，然后缓慢冷却的热处理工艺。,P,600,钢的退火,缓

8、慢冷却：随炉冷却、埋砂冷却或灰冷,3.3 钢的退火和正火,钢的退火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,退火分类：,完全退火（等温退火） 等温退火 球化退火 扩散退火（均匀化退火） 去应力退火,3.3 钢的退火和正火,钢的退火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,适用范围：亚共析钢（WC=0.30.6%） （铸、锻、焊件） 加热温度：,AC3+30 50 ,AC3+30 50 ,完全退火,3.3 钢的退火和正火,钢的退火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,退火后组织：P+F,中碳钢：珠光体+铁素体,完全退火,目的： 降低硬度，改善切削加工性能 细化晶粒 消除应力

9、 均匀成份、组织 提高塑性,AC3+30 50 ,3.3 钢的退火和正火,钢的退火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,适用范围：合金钢 加热温度：,AC3+30 50 ,AC3（Ac1）+30 50 , 等温退火,等温退火工艺曲线,3.3 钢的退火和正火,钢的退火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,等温退火,完全退火的特例,优点:退火时间短，组织均匀，缩短生产周期,高速钢的退火工艺曲线,3.3 钢的退火和正火,钢的退火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,适用范围：共析钢 、过共析钢 加热温度： 目的：使片状 Fe3C 球化,AC1+20 30 , 球化退火,

10、AC1+30 50 ,3.3 钢的退火和正火,钢的退火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,球状珠光体,退火后组织：球状P软, 球化退火,片状珠光体,3.3 钢的退火和正火,钢的退火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,加热温度： 目的：消除工件残余应力，稳定工件的尺寸；,扩散退火,去应力退火,T加热AC1,T加热=AC3150 250 , 去应力退火, 均匀化退火（扩散退火）,加热温度： 目的：消除偏析，均匀成份、组织。,3.3 钢的退火和正火,钢的退火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,S,正火：将钢加热到Ac3（或Accm）以上 3050，保温一定时间，然

11、后 出炉在空气中冷却的热处理工艺。,钢的正火,空冷,3.3 钢的退火和正火,钢的正火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,S,消除应力、细化晶粒、改善组织，提高钢的综合性能 对于中低碳钢，可适当提高硬度，改善其切削加工性能； 对于过共析钢，可消除网状Fe3C，为球化退火做准备； 作为普通结构件的最终热处理。,正火后组织：,目的：,3.3 钢的退火和正火,钢的正火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,加热温度 组织和性能 对切削加工的影响 正火细化、硬化 退火软化,生产周期在满足使用性能要求的情况下，优选正火。,3.3 钢的退火和正火,退火与正火比较,2020年9月6日星期日

12、,第3章 钢的热处理,表3-3 退火和正火的工艺特点及适用范围,3.3 钢的退火和正火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,3.3 钢的退火和正火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,淬火：将钢加热到Ac3（或Ac1）以上 3050，保温一定时间，然后 以大于k的速度快速冷却，以获 得马氏体或下贝氏体组织的热处 理工艺。 目的：提高钢的硬度和耐磨性。 是强化钢材最重要的工艺方法。,M+A,钢的淬火,钢的退火,钢的正火,冷却速度快，热应力和组织转变应力大，工件易变形和开裂； 淬火（+回火）一般是最终热处理，是决定产品质量的关键工序。,3.4 钢的淬火,2020年9月6日星期日

13、,第3章 钢的热处理,（1）淬火加热温度,亚共析钢： Ac3 + 3050 （过）共析钢 ：Ac1 + 3050 ,合金钢比相同含碳量的碳钢高,碳钢以铁碳相图为依据,3.4 钢的淬火,淬火工艺,（2）淬火保温时间：,用经验公式=KD估算,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,常用冷却介质：水、油、盐或碱的水溶液,冷却速度： 盐水 水 盐浴 油,理想的冷却介质： 在保证淬后获得M的前提下，又不造成开裂，且变形最小 。,3.4 钢的淬火,淬火工艺,（3）淬火冷却介质,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,单介质淬火：碳钢水；合金钢油,优点：操作简单、成本低； 缺点：淬火件质量较低、

14、热应力大,双介质淬火：水油；水空气,优点：能保证淬火件的质量要求 缺点：操作难度大、热应力大,分级淬火：转变产物 M；,优点：热应力小，工件不易变形； 缺点：操作难度大,等温淬火：转变产物 B下；,优点：综合性能及尺寸精度高、不需回火； 缺点：工艺复杂、成本高,3.4 钢的淬火,常用淬火方法,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,淬透性：是指钢淬火时获得淬硬层深度的能力。 通常以在规定条件下获得淬硬层深度来衡量。 淬硬（透）层越深，表明淬透性越好。 决定于K，K越小，A越稳定，淬透性越好。,淬硬性：是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。 决定于马氏体的含碳量。 含碳量越高，淬硬性越好。,淬

15、透性淬硬性,3.4 钢的淬火,钢的淬透性,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,淬透性值的表示：,半M区到水冷端距离,半M区硬度,如:,淬透性曲线的测定末端淬火法（端淬试验）,3.4 钢的淬火,钢的淬透性,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,定义：,目的：,减少或消除淬火应力，防止工件变形与开裂 稳定工件组织及尺寸； 获得所需的力学性能。,马氏体的分解 残余奥氏体的分解 碳化物的析出和变化 相（F）的回复和再结晶,回火时的组织转变及性能变化,3.5 钢的回火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,回火时的组织转变及性能变化,Fe3C,Ar B下或M回,马氏体分解,H

16、不变或略 、ak 略,含C过饱和 (针)+ (点) M回,马氏体分解 残余奥氏体分解,(略),、H (略) 脆性,M回,1,马氏体分解 碳化物聚集长大,相（F）的 回复和再结晶,消失,H 、ak M回 、H 较高 弹性 最佳 s 最佳,针状 F +颗粒状Fe3C T回,、H 、ak 综合性能 最佳,等轴 F +颗粒状Fe3C S回,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,回火的种类和应用, 调质处理 淬火 高温回火,3.5 钢的回火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,回火后的性能：,影响回火后性能的关键因素：回火温度,3.5 钢的

17、回火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,回火脆性的概念 第一类回火脆性 250350 （低温、不可逆） 产生范围：所有钢 防止措施： 避免在该脆性区回火； 钢中加少量 Si； 第二类回火脆性 500650 （高温、可逆） 产生范围：部分合金结构钢 （含Cr、Ni、Si、Mn） 防止措施： 回火后快冷 加少量 Mo、W 减少钢中杂质 改变热处理工艺,回火脆性,3.5 钢的回火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,定义：不改变钢的化学成分和心部组织的情况下，利用快 速加热，将表层加热到A化温度后进行淬火的热处 理工艺。,目的 ： 提高表面硬度和耐磨性，心部在保持一定的强度、

18、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。,3.6 钢的表面淬火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,所用钢种：中碳成分的优质碳素结构钢、合金结构钢,应用：,承受弯曲、扭转、摩擦和冲击载荷的零件： 齿轮、凸轮、曲轴、轧辊等只需表面淬硬的工件； 机床导轨等大型、复杂工件只能表面淬硬的工件。,分类：感应加热淬火、火焰加热淬火、激光加热淬火,3.6 钢的表面淬火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,感应加热表面淬火,分类 高频感应加热：f=200300kHZ， =0.52.0m 中频感应加热 f=25008000HZ，=2.010mm 工频感应加热 f=50HZ =1015mm,原理：

19、利用工件在交变磁场中产生的感应电流， 将工件表面迅速加热到淬火温度，然后快 速冷却的工艺。,淬硬层深度,淬后要低温(180200)回火。,3.6.1 钢的表面淬火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,表3-5 感应加热淬火的种类及应用范围,高频淬火,超音频淬火设备,长轴高频淬火,内齿圈高频淬火,3.6.1 钢的表面淬火,感应加热表面淬火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,加热速度快：高频只需几秒-几十秒，不需保温，生产率高 加热温度高： AC3+100-200 淬火质量好：组织为极细M，比普通淬火高2-3HRC，且塑韧性好。 但感应加热设备较贵，维修调整较困难，形状复杂的

20、零件不易制作感应 器，不适于单件生产。,特点,3.6.1 钢的表面淬火,感应加热表面淬火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,锻造 退火或正火 粗加工 调质或正火 精加工 感应加热表面淬火 低温回火 粗磨 时效处理 精磨,消除锻造应力； 调整硬度，便于机加工,细化晶粒，提高心部综合性能，为淬火做准备,强化表面，获得M,降低淬火应力 稳定表面组织 T加：160200,进一步降低应力，稳定组织，防止工件变形开裂,工艺路线：,3.6.1 钢的表面淬火,感应加热表面淬火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,原理：利用氧乙炔（煤气）的混合 气体燃烧的火焰，将工件表层 快速加热到淬火温

21、度，然后立 即喷水冷却的热处理工艺。 淬硬层深度:=28mm,特点：设备简单成本低；但质量不易控制。,应用：批量小、形状复杂、大件。,3.6.1 钢的表面淬火,火焰加热表面淬火,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,将工件置于一定温度的活性介质中，使一种或几种元素渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。,渗碳、渗氮和碳氮共渗等。,3.6.2 钢的化学热处理,定义：,种类,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,钢的渗碳,定义：将工件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗 入工件表层的化学热处理工艺。,用途：用于在较大冲击载荷和在严重磨损条件下工作的零件。 如汽车变

22、速齿轮、活塞销、摩擦片、套筒等。,渗碳用钢：低碳钢和低碳合金钢。,渗碳的目的：提高工件表层碳的质量分数，经淬火和低温回火后， 使工件表面获得高硬度和耐磨性，而心部仍然保持 良好的塑性和韧性。,3.6.2 钢的化学热处理,方法：固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,气体渗碳示意图,原理：将工件置于密封的井式气体渗碳炉中， 加热到930左右，滴入煤油、甲醇、 苯等，使渗碳介质在高温下分解出活性 碳原子，并被工件表面吸收，被吸收的 活性碳原子由表面逐渐向工件内部扩散， 形成具有一定深度的渗碳层。,深层深度：渗碳后= 0.52.5 mm 表层含碳量：WC= 0.8

23、5%1.05%,气体渗碳,渗碳后热处理：淬火+低温回火 渗后硬度：表面硬度：5864HRC， 心部硬度：3045HRC。,钢的渗碳,3.6.2 钢的化学热处理,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,渗后组织,表面0.851.05%,心部0.150.30%,wc,P+网状Fe3C,P,P+F,渗碳工艺 锻造 正火 切削加工 渗碳 淬火+低温回火 精加工,钢的渗碳,3.6.2 钢的化学热处理,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,经渗碳的机车从动齿轮,钢的渗碳,3.6.2 钢的化学热处理,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,定义：将工件在渗氮介质中加热并保温，使氮原子渗入

24、工 件表层的化学热处理工艺,目的：提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和耐腐蚀性。,特点：氮化温度低：(500600) 时间长：（2050h） 硬度更高：10001200HV（6972HRC） 渗层薄：（0.10.4） 氮化前调质处理、氮化后无须淬火。,用于：耐磨、耐高温、耐腐蚀的精密零件，如精密齿轮、精密机床主轴、 汽轮机阀门及阀杆、发动机气缸和排气阀等。,钢的渗氮（氮化）,3.6.2 钢的化学热处理,2020年9月6日星期日,第3章 钢的热处理,1.热处理是将钢在固态下加热、保温、冷却以获得所需组织和性能的工艺。 目的是提高或改善金属材料的性能，充分挖掘金属材料的性能潜力。 2.退火和正火作为预先热处理常安排在铸造、锻造和焊接之后或粗加工之 前，用以消除前一工序所造成的某些组织缺陷及内应力，为随后的切削加 工及热处理做组织准备，也可用于性能要求不高的零件的最终热处理。 3.淬火和回火作为最终热处理，淬火必须与回火工艺相配合，才能使钢具有 不同的力学性能，以满足各类零件或工模具的使用要求。