第六章 钢的热处理.ppt

1、工程材料,授课教师：,第6章 钢的热处理(heat treatment),热处理的三个阶段：加热、保温、冷却。,1 等温处理 2连续冷却,图 热处理工艺曲线示意图,热处理：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。,成份工艺组织、结构性能应用,工程材料研究的主线：,例：轴，选材：45钢。硬度要求为：220HB250HB；轴颈和锥孔进行表面淬火，硬度要求为52HRC。 (1)确定工艺路线、热处理工艺 (2)分析组织与性能,答:(1)工艺路线：锻造正火粗加工调质精加工表面淬火+低温回火磨削加工。,(1)工艺路线 热轧钢板（带）下料一锻（轧）柄部

2、-正火-球化退火-机加工-淬火-低温回火。,Ac1=730 Accm=830,例：板挫,对板挫的要求：表面刃部有高的硬度（64HRC-67HRC），柄部硬度35HRC。选材：T12钢。 回答以下问题： (1)确定工艺路线、热处理工艺参数 (2)分析组织与性能,刃部64HRC67HRC,图 标注组织的铁碳相图,6.1 钢在加热时的转变,1.奥氏体的形成,铁碳相图中的三条线： PSK线(A1) GS线(A3) ES线(Acm),(1)亚共析钢加热到A3以上，完全转变为奥氏体A。,(3)过共析钢加热到Acm以上，完全转变为奥氏体A。,(2) 共析钢加热到A1以上，完全转变为奥氏体A。,图 铁碳相图,

3、实际加热和冷却时的相变是在不完全平衡条件下进行的，相变温度和平衡相变点之间存在一定的差异。,右图表示加热和冷却速度0.125/min)对临界点A1 、 A3 、 Acm的影响。,加热时临界温度标为： Ac1 、 Ac 3、 Accm,冷却时临界温度标为： Ar1 、 Ar 3、 Arcm,图 加热和冷却速度0.125/min) 对临界点 A1 A3 Acm的影响,共析钢： 室温组织为：P(F+Fe3C) 加热到Ac1 :PA,图 加热和冷却速度0.125/min) 对临界点 A1 A3 Acm的影响,包括四个过程：,亚共析钢: 室温组织为： P+F 加热到Ac1: P A 温度保温: F A

4、Ac3:全部变成A,过共析钢: 室温组织为： P+ Fe3C 加热到Ac1: P A 温度保温: Fe3C 溶入到A中 Accm:全部变成A,图 加热和冷却速度0.125/min) 对临界点 A1 A3 Acm的影响,2.影响奥氏体转变速度的因素,(1)加热温度：温度 奥氏体化速度,(2)加热速度：速度发生转变的温度转变时间,(3)钢中碳质量分数：W(C) 奥氏体化速度,(4)合金元素 钴、镍等加快奥氏体化转变速度。 铬、钼、钒等降低奥氏体化转变速度 铝、硅、锰等不影响 由于合金元素的扩散速度比碳慢得多，所以合金钢的热处理加热温度一般都高些，保温时间更长些。,(5)原始组织 渗碳体为片状 速度

5、 渗碳体间距速度,(3)奥氏体晶粒度及其影响因素,晶粒度等级有1-8级,图 标准晶粒度等级,(1)本质晶粒度(inherent grain size)：钢加热到93010、保温8h、冷却后测得的晶粒度。 (2)本质细晶粒钢：如果上述测得的晶粒度细小，则该钢称为本质细晶粒钢。反之称为本质粗晶粒钢。 (3)实际晶粒度：某一具体热处理或加工条件下的奥氏体的晶粒度。,关于晶粒度的几个概念：,影响奥氏体晶粒度的因素：,(1)加热温度和保温时间 温度晶粒长大 在一定温度下，保温时间晶粒增大 (2)钢的成分 W(C)晶粒长大，但若碳以未溶碳化物的形式存在，则它有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。 阻碍晶粒长大的元素

6、 促进晶粒长大的元素,6.2 钢在冷却时的转变,1.过冷奥氏体的等温转变,过冷奥氏体(supercooled austensite)： 在A1以下温度存在的奥氏体。,钢在冷却时的转变，实质上是过冷奥氏体的转变。,过冷奥氏体转变的产物,珠光体类型的组织： P（珠光体,pearlite） S（索氏体,sorbite） T（屈氏体,troolstite）,贝氏体(B,bainite)组织： B上（上贝氏体,upper bainite） B下（下贝氏体,lower bainite）,马氏体 ( M,martensite）组织 低碳M(lower martensite) 高碳M(high carbon

7、martensite),残余奥氏体(残余A或A或Ar,residual austenite),高温转变,中温转变,低温转变,(1)共析钢过冷奥氏体的等温转变,转变产物用等温转变曲线(TTT曲线,Time Temperature Transformation)图来分析。 根据曲线的形状，等温转变曲线也可简称C曲线。,Ms点： martensite starting point Mf点： martensite finishing point,P14,800,700,600,500,400,300,200,100,0,珠光体(P)：A1650 ,高温转变,图 共析钢过冷A的等温转变曲线,珠光体类型的

8、组织：,A1550之间,索氏体(S)：650600 ,屈氏体(T)：600550 ,(1)本质：铁素体与渗碳体 的两相混合物,(2)形态：层片状,层间距： PST,(3)性能：硬度TSP,关于珠光体类型的组织：,图 共析钢过冷A的等温转变组织,贝氏体(bainite)类型的组织：,上贝氏体(B上)：550350 ,中温转变,550 Ms之间,图 共析钢过冷A的等温转变曲线,下贝氏体(B下)：350 Ms,(1)本质 上B:小片状的成排的渗碳体分布在铁素体片中间。 下B:铁素体针内沿一定方向分布着细小的碳化物(Fe 2.4 C)颗粒。,(2)形态 上B:羽毛状; 下B:黑色针状,(3)性能 上B

9、:强度和韧性都较差。 下B:硬度高、韧性好，具有较好的综合机械性能。,关于贝氏体,羽毛状，小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间。 铁素体呈暗黑色，渗碳体呈亮白色,上贝氏体(upper bainite),铁素体针细小，无方向性，碳的过饱和度大， 位错密度高，且碳化物分布均匀，弥散度大。,下贝氏体(lower bainite),高温转变：A1550 A1 650 F+ P 650 600 F+S 600 550 F+T,在高温区过冷奥氏体将先有一部分转变为铁素体。,W(C) ,C曲线左移，Ms、Mf线往上移。,(2)亚共析钢过冷奥氏体的等温转变,图 亚共析钢过冷A的 等温转变曲线,高温转变：A1

10、550 A1 650 Fe3C+ P 650 600 Fe3C+S 600 550 Fe3C+T,在高温区过冷奥氏体将先有一部分转变为渗碳体,W(C) ,C曲线左移，Ms、Mf线往下移。,(3)过共析钢过冷奥氏体的等温转变,图 过共析钢过冷A的 等温转变曲线,2.过冷奥氏体连续转变产物,Ps线为过冷A转变为珠光体型组织的开始线。,(1) 共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变,共析钢过冷A的连续冷却转变曲线(Continuous Cooling Transformation CCT曲线,),Pf线为转变终了线。,KK线为过冷A转变中止线。,Vk 为上临界冷却速度， Vk 为下临界冷却速度,图 共析钢的

11、连续转变曲线,一般用等温转变曲线来分析，但注意下述几点：,VVk：在Ms Mf，低温转变, 转变产物为马氏体M+ （残余奥氏体A）,VVk：钢全部转变为珠光体。,没有奥氏体转变为贝氏体的部分,与共析钢TTT曲线相比，CCT曲线稍靠右下一点,图 共析钢的连续转变曲线,图 共析钢的TTT曲线与CCT曲线比较,炉冷：P 170HB220HB 空冷：S 25HRC35HRC 油冷：T+M+残余A 45HRC55HRC 水冷：M+残余A 55HRC65HRC,转变产物,图 共析钢的连续转变曲线,马氏体转变的特点,马氏体的本质：碳在-Fe中的过饱和固溶体。,a.过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转变。,图

12、马氏体晶格示意图,图 马氏体晶胞与母相 奥氏体的关系,b. 马氏体转变速度很快，A冷到Ms点以下，无孕育期，瞬间转变为马氏体。随着温度下降，过冷A不断转变为M，是一个连续转变过程。,c. 马氏体转变不彻底，总是要残留少量奥氏体,W(C)0.6%，转变产物中应标上残余A,W(C)0.6%，残余A可忽略,d. 马氏体形成时体积膨胀，在钢中造成很大的内应力，严重时将使被处理零件开裂。, 形态与性能,性能：低碳M :强度高，塑性、韧性也好。 高碳M :硬而脆、塑性、韧性极差。,W(C)1.0%时，高碳M (孪晶马氏体) 。 形态为针状。 0.25%W(C)1.0%时，为板条状和针状马氏体的混合物。,碳

13、质量越高，马氏体硬度越高。,高碳马氏体-针状马氏体、孪晶马氏体,性能：硬而脆，塑性和韧性极差,低碳马氏体-板条状马氏体 一束束平行排列的细板条组成。,性能：强度高、塑性和韧性也好,(2) 亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变,图 亚共析钢过冷A的连续冷却转变,炉冷：F+P 空冷：F+S 油冷：T+M+(残余A) 水冷：M+(残余A),(3) 过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变,图 过共析钢过冷A的连续冷却转变,炉冷：P+Fe3C 空冷：S+Fe3C 油冷：T+M+残余A 水冷：M+残余A,6.3 钢的普通热处理,四把火,退火,正火,淬火,回火,低温回火,中温回火,高温回火,热处理炉,1.退火(ann

14、eal),将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。,退火,扩散退火(diffusing annealing ),完全退火(full annealing ),球化退火(spheroidizing annealing ),去应力退火(relif annealing ),等温退火(isothermal annealing ),图 碳钢各种退火和正火工艺规范示意图,表 退火的工艺、组织和目的,2.正火(normalize),钢材或钢件加热到Ac3（对于亚共析钢）和Accm（对于过共析钢）以上30-50，保温适当时间

15、后，在自由流动的空气中均匀冷却的热处理工艺。,正火视频,表 正火的工艺、组织和目的,3.淬火(quench),将钢件加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺。,淬火视频,(1)淬火工艺,淬火温度,亚共析钢：Ac3+30 50,过共析钢： Ac1+30 50,图 钢的淬火温度范围,钢的淬火温度范围,加热时间的确定,升温和保温,常用水和油。,淬火冷却介质,淬火用水的温度控制在30以下。 水一般用于碳钢。,油一般用于合金钢。,为了减少零件淬火时的变形，可用盐浴作淬火介质。,淬火方法,淬火方法,单介质淬火,双介质淬火,分级淬火,等温淬火,图 不同淬火方法示意图,(2)

16、钢的淬透性,钢的淬透性及其测定方法,钢的淬透性：钢接受淬火时形成马氏体的能力。,容易形成马氏体的钢淬透性高(好)，反之则低(差),淬透性可用“末端淬火法”来测定。,图 末端淬火法,淬透性可用“末端淬火法”来测定。,图 末端淬火法,表示,淬透性值用,J表示末端淬火的淬透性； d表示距冷水端的距离； HRC为该处的硬度。,表示距水冷端5mm试样硬度为42HRC。,淬透层深度：从试样表面至半马氏体区(马氏体与非马氏体组织各占一半)的距离。 钢在规定淬火条件下，可以达到的淬硬层深度。,在同样淬火条件下，淬透层深度越大，钢的淬透越好。,钢的淬硬性：钢淬火后硬度会大幅度提高， 能够达到的最高硬度。,钢的淬

17、硬性主要取决于马氏体的碳含量。,影响淬透性的因素,a.碳质量分数 亚共析钢，w(C)淬透性 过共析钢，w(C)淬透性 共析钢淬透性最好。,临界冷却速度越小，钢的淬透性越好。,b.合金元素 除Co外，其余合金元素降低临界冷却速度，是C曲线右移，提高淬透性。,合金钢往往比碳钢的淬透性好。,c.奥氏体化温度 提高奥氏体化温度，增加淬透性。,d.钢中未溶第二相 钢中未溶第二相，降低淬透性。,淬透性曲线的应用(20CrNiMo; 40Gr; 45),图 利用淬透性曲线 比较钢的淬透性,图 淬透性不同的钢调质 后机械性能的比较,4.回火(temper),钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的组织和性能，

18、将其加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。 (应力，不稳定M，残余A),(1)回火的目的,(2)回火时组织的转变,消除内应力并获得所要求的组织和性能,回火温度,低温回火(low tempering)：150250,中温回火(middle tempering) ： 350500,高温回火(high tempering) ： 500650,(3)回火的工艺,图 回火马氏体（回火M）,性能： 高碳回火马氏体：强度、硬度高、塑性、韧性差。 低碳回火马氏体：高的强度与韧性,硬度、耐磨性也较好。,回火马氏体=碳化物(Fe2.4C) +过饱和的固溶体(过饱和度下降),目

19、的：降低淬火应力，提高工件的韧性，保证淬火后的高硬度(58HRC64HRC)和高耐磨性。,低温回火：150250,应用：主要用于高碳工具钢等,组织：回火马氏体+A,图 回火屈氏体（回火T）,性能：屈服强度与弹性极限高。 ，同时也有一定的韧性，硬度一般为35HRC45HRC。,组织：回火屈氏体=铁素体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合物。铁素体保留M体形态，碳化物稍粗,应用：主要用于处理各类弹簧,中温回火：350500,图 回火索氏体（回火S）,性能：综合机械性能好。 即强度、塑性和韧性都比较好，硬度一般为25HRC35HRC。,组织：回火索氏体=细粒状渗碳体和铁素体基体的混合物。,应用：主要用

20、于轴、连杆、齿轮等,高温回火：500650,调质处理：淬火+高温回火,回火温度与性能的关系：,随着回火温度的升高，碳钢的硬度、强度降低， 塑性提高。 （残A转变，强度稍升；T太高-晶粒长大-塑性下降）,图 钢的硬度随回火温度的变化,图 40钢机械性能与回火温度的关系,回火脆性：在250400和450650两个温度区间回火后，钢的冲击韧性明显下降。,例：直径为10mm的共析钢加热到相变点以上（A1以上30），用图所示的冷却曲线冷却，各应得到什么组织？各属于何种热处理方法？,a. 马氏体+残余奥氏体；淬火,g.珠光体；等温退火,b.马氏体+残余奥氏体；分级淬火,c.屈氏体+马氏体+残余奥氏体；淬火

21、（油冷),d.下贝氏体；等温淬火,e.索氏体；正火,f.珠光体；退火,碳钢组织总结,铁碳相图的室温组织,铁素体(F,ferrite)： 碳在-Fe中的间隙固溶体。,渗碳体，Fe3C(Cm,cementite)： Fe与C形成的一种具有复杂结构的间隙化合物。,珠光体(P,pearlite) ： 铁素体与渗碳体的共析(两相)混合物。,过冷奥氏体转变的组织,高温转变的组织： 珠光体(P,pearlite) 索氏体(S,sorbite) 屈氏体，托氏体(T,troostite),中温转变的组织： 上贝氏体(上B,upper bainite) 下贝氏体(下B,lower bainite),低温转变的组织

22、： 马氏体(M,martensite) 低碳马氏体、板条马氏体、位错马氏体 高碳马氏体、针状马氏体、孪晶马氏体、隐晶马氏体,奥氏体(A, austenite)：,过冷奥氏体(supercooled austenite)：,回火时的组织,低温回火：回火马氏体(回火M) 中温回火：回火屈氏体 高温回火：回火索氏体,球化退火时的组织,在铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体。,魏氏体：铁素体沿晶界分布并呈针状插入珠光体内。,其他,请对碳钢组织进行总结: (1)组织名称 (2)名词解释 (3)形成条件 (4)形态 (5)性能 画出退火状态下亚共析钢、共析钢、过共析钢的显微组织图。,6.4 钢的表面热处

23、理,表面热处理概念：仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺。（表面组织）,1.感应加热表面热处理,(1)基本原理：感应线圈中通以交流电时，即在其内部和周围产生一与电流相同频率的交变磁场，若把工件置于磁场中，则在工件内部产生感应电流，并由于电阻的作用而被加热。,图 感应加热表面淬火示意图,电流透入工件表层的深度，主要与电流的频率有关。对于碳钢存在以下关系：,为电流透入深度(mm); f 为电流的频率(Hz)。,(2)适用的钢种：中碳钢和中碳低合金钢,(3)特点,2.火焰表面热处理,火焰表面加热淬火，是用乙炔-氧等火焰加热工件表面，进行淬火。,图 火焰表面加热淬火示意图,6.5钢的化学热

24、处理,化学热处理概念：将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。,1.渗碳,渗碳：为了增加表层的碳质量分数和获得一定碳浓度梯度，钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面的工艺称为渗碳。,(1)渗碳的目的,使低碳 (碳质量分数0.15%0.3%)钢件表面获得高碳浓度(碳质量分数约1.0%),在经过适当淬火+回火后，提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度，而使心部仍保持良好的韧性和塑性。 主要用于同时受严重磨损和较大冲击载荷的零件。,(2)渗碳方法：常用气体渗碳法。,将工件装在密封的渗碳炉中，加热到900950，

25、向炉内滴入易分解的有机液体(如煤油、苯等)，或直接通入渗碳气体(如煤气、石油液化气等)，产生下列反应产生活性碳。碳原子渗入工件表面，然后扩散进去。,2COCO2+C CO2+H2 H2 O+C CnH2n nH2 +nC CnH2n +2 (n+1)H2 +nC,(3)渗碳工艺,渗碳温度：900950。 900渗碳保温1h，渗层厚度为0.5mm, 保温4h，渗层厚度为1mm,渗层的厚度：从表面到过渡层的一半处。,渗层厚度一般为0.5mm2.5mm,(4)渗碳后的热处理,渗碳后直接淬火(830 850 )+低温回火,(5)组织和性能,表层：高碳回火M+碳化物+残余A; 硬度高、疲劳强度高。,心部

26、：低碳回火M(或含铁素体、屈氏体),2.氮化,氮化：向钢件表面渗入氮的工艺。目的在于更大地提高钢件表面的硬度和耐磨性，提高疲劳强度。,3.碳氮共渗,碳氮共渗：同时向零件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺，也称氰化。,6.6钢的热处理新技术,6.7 热处理的工序位置 热处理是机械制造过程中的重要工序,正确使用热处理方法,合理安排热处理工序在零件或工具加工工艺路线中的位置,对于改善钢的切削加工性能,保证零件或工具的质量,满足使用性能的要求,具有重要意义。 预备热处理包括退火、正火、调质处理等,退火与正火通常安排在零件或工具毛坯生产之后,切削加工之前,其目的是消除残余应力、调整组织,改善切削加工性能,为最终热处理作准备。,调质处理一般安排在粗加工之后,精加工之前,目的是获得良好的综合力学性能,并为最终热处理作准备。粗加工之前一般不进行调质处理,以免粗加工时将表层大部分调质组织切除而失去调质处理的作用。对于使用性能要求不高的零件,退火、正火、调质处理也可作为最终热处理使用。,最终热处理包括淬火、回火、表面热处理及化学热处理等,其目的是获得零件或工具所需的使用性能。零件或工具经最终热处理后,硬度较高,因此除磨削加工外,一般不进行其它形式的切削加工,故最终