金属工艺学 第五章_钢的热处理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,:,时间,温度,临界温度,热,加,保温,冷,却,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。,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（,Fe,3,C,）的溶解,4,奥氏体（,A,）的均匀化,奥氏体的形成,F,Fe,3,C,未溶,Fe,3,C,A,残余,Fe,3,C,A,A,A,A,形核,A,长大,残余,Fe,3,C,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,A,1,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,A,1,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,热,加,保温,时间,温度,临界温度,连续冷却,等温冷却,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,-,t,ime,T,-,t,emperature,T,-,t,ransformation,共析碳钢,TTT,曲线建立过程示意图,时间,(s),300,10,2,10,3,10,4,10,1,0,800,-,100,100,200,500,600,700,温度,(),0,400,A,1,二,),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,A,1,550,;,高温转变区,;,扩散型转变,;P,转变区。,550,230,;,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。,时间,(s),300,10,2,10,3,10,4,10,1,0,800,-,100,100,200,500,600,700,温度,(),0,400,A,1,Ms,M,f,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,600550,3548HRC,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,(A,1,550):,A,1,650:,P;5,25HRC;,片间距为,0.6,0.7,m(500),。,650,600:,细片状,P-,索氏体,(S);,片间距为,0.2,0.4,m(1000);,25,36HRC,。,600,550:,极细片状,P-,屈氏体,(T);,片间距为,0.2,m(,电镜,);,35,40HRC,。,珠 光 体 形 貌 像,光镜下形貌,电镜下形貌,光镜形貌,电镜形貌,索 氏 体 形 貌 像,三,),转变产物的组织与性能,2.,贝氏体型,(B),转变,(550,230):,550,350:,B,上,;40,45HRC;,B,上,=,过饱和碳,-Fe,条状,+Fe,3,C,细条状,过饱和碳,-Fe,条状,Fe,3,C,细条状,羽毛状,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,(550,230):,350,230:,B,下,;50,60HRC;,B,下,=,过饱和碳,-Fe,针叶状,+Fe,3,C,细片状,过饱和碳,-Fe,针叶状,Fe,3,C,细片状,针叶状,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,Q,M,=,f,(T),奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响,600,700,500,300,400,200,100,0,-100,-200,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0,0,温度,Wc,100,Ms,M,f,90,80,50,70,40,60,20,30,10,0,0.6,0.9,0.8,0.7,1.0,0.5,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,Wc,100,残余奥氏体量,(%),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);,30,50HRC;,=9,17%,。,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,马氏体的碳浓度,Wc,100,50,70,40,60,20,30,10,0.1,0.3,0.2,0.4,0,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,硬度,(HRC),2000,抗拉强度,b,(Mpa),1800,1400,1000,600,200,5),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,F,A,P+F,S+F,T,B,M+A,残,A,3,时间,(s),300,10,2,10,3,10,4,10,1,0,800,-,100,100,200,500,600,700,温度,(),0,400,A,1,Ms,M,f,过共析钢的,TTT,曲线,P+Fe,3,C,S+Fe,3,C,T,B,M+A,残,Fe,3,C,A,A,CM,时间,(s),300,10,2,10,3,10,4,10,1,0,800,-,100,100,200,500,600,700,温度,(),0,400,A,1,Ms,M,f,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,:,过共,析钢,共析,钢,亚共,析钢,时间,温度,A,1,2.,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,:,向右移,向下移,Ms,A,1,A,1,Ms,含,Cr,合金钢,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,-,c,ontinuous,C,-,c,ooling,T,-,t,ransformation,V,k,一,),共析碳钢,CCT,曲线建立过程示意图,时间,(lg,),温度,A,1,P,f,P,s,A+P,K,Ms,M,f,水冷,油冷,V,k1,炉冷,空冷,二,),共析碳钢,TTT,曲线与,CCT,曲线的比较,稳定的奥氏体区,时间,(s),300,10,2,10,3,10,4,10,1,0,800,-,100,100,200,500,600,700,温度,(),0,400,A,1,Ms,M,f,CCT,曲线,TTT,曲线,稳定的奥氏体区,时间,(s),300,10,2,10,3,10,4,10,1,0,800,-,100,100,200,500,600,700,温度,(),0,400,A,1,Ms,M,f,三,),在连续冷却过程中,TTT,曲线的应用,V,1,V,2,V,k,V,3,V,4,V,1,=5.5/s:,炉冷,;P,V,2,=20/s:,空冷,;S,V,3,=33/s:,油冷,;T+M+A,残,V,4,138/s:,水冷,;M+A,残,第四节 钢的普通热处理工艺,毛坯生产,预备热处理,机械加,工,最终热处理,机械精加工,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,30,50,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,),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,:,温 度,(,C,),名 称,Ac,3,+30,50,完全退火,Ac,1,+30,50,球化退火,500,600,去应力退火,Ac,3,+150,250,扩散退火,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,30,50,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,:,温 度,(,C,),名 称,Ac,3,+30,50,亚共析钢,Ac,1,+30,50,共析钢,Ac,cm,+30,50,过共析钢,四,),工艺参数,:,四,),热处理后的组织,:,S(,W,c=0.6,1.4%),S+F(,W,c,0.6%),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,Fe,3,C,。,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,:,温 度,(,C,),名 称,Ac,3,+30,50,亚共析钢,Ac,1,+30,50,共析钢,Ac,1,+30,50,过共析钢,三,),工艺参数,:,四,),热处理后的组织,:,M+Fe,3,C+A,残,Ac,1,+30,50,过共析钢,M+A,残,Ac,1,+30,50,共析钢,M+A,残,Ac,3,+30,50,亚共析钢,W,c,0.5%,M,Ac,3,+30,50,亚共析钢,W,c0.5%,最终组织,淬火温度,(),钢种,六,),淬火冷却介质,1.,理想淬火冷却介质,时间,(s),300,10,2,10,3,10,4,10,1,0,800,-,100,100,200,500,600,700,温度,(),0,400,A,1,Ms,M,f,2.,常用的淬火冷却介质,名 称,最大冷却速度时,平均冷却速度,/,(,s,-1,),所在温度,/,冷却速度,/(,s,-1,),650,550,300,200,20,静止水,340,775,135,450,40,静止水,285,545,110,410,60,静止水,220,275,80,185,10%,NaCl,溶液,580,2000,1900,1000,10%NaOH,溶液,560,2830,2750,775,2010,号机油,430,230,60,65,8010,号机油,430,230,70,55,20,3,号,锭子油,500,120,100,50,七,),常用的淬火方法,单液淬火,双液淬火,分级淬火,等温淬火,时间,温度,Ms,A,1,八,),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,V,K,的大小,V,K,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,:,淬透性,淬硬性,钢 种,小,低,碳素结构钢,(20),小,高,碳素工具钢,(T12A),大,低,低碳合金结构钢,(20Cr2Ni4A),大,高,高碳高合金工具钢,(W18Cr4V),4.,淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响,未淬透钢,淬透钢,四,.,钢的回火,(Tempering of steel),一,),定义,:,把,淬火后,的零件重新加温到,A,1,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（,150,250,），,目的,是降低淬火钢的内应力和脆性，并保持高硬度（,56,64HRC),和耐磨性。如模具、刃具等。,（,2,）中温回火（,350,500,），,目的,是使钢获得高弹性，并保持较高硬度（,35,50HRC),和一定的韧性。如弹簧、锻模等。,（,3,）高温回火,调质处理（,500,650,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,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,(Fe,2.4,C),，,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（,200,300,）,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（,250,400,）,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,耐磨件,M,回,=,0.3%C,+,150,250,低温回火,弹簧等,T,回,=F,针,+Fe,3,C,粒,350,500,中温回火,调质件,S,回,=F,多,+Fe,3,C,球,500,650,高温回火,高合金钢,P,回,=F,多,+Fe,3,C,粒,650,A,1,高温软化,三,),工艺参数,淬火,+,高温回火,=,调质处理,用途,组 织,温度,(),名 称,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。,感应加热表面淬火示意图,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,。,1.,分解,:,化学介质在高温下释放出待渗,的,活性原子,。,2CO CO,2,+,C,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。,1.,钢的渗碳,(Carburize of steel),1),定义,:,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。,固体渗碳法示意图,零件,渗碳剂,试棒,盖,泥封,渗碳箱,气体渗碳法示意图,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,+Fe,3,C+A,残,低碳钢,心部组织,表层组织,钢种,9),常用的钢种,:,15,、,20,、,20Cr,、,20Mn2,、,20CrMnTi,、,18Cr2Ni4WA,等。,2.,钢的渗氮,1),定义,:,向钢的,表面渗入氮原子,的过程。,2),目的,:,获得具有,表硬里韧及抗蚀,性能,的零件。,3),用钢,:,中碳合金钢。,4),方法,:,气体,渗氮。,5),工艺,:,加热温度,500,600;,保温时间,0.3,0.5mm/20,50h,。,6),热处理特点,:,渗氮前需调质处理,;,渗氮后不需热处理。,7),渗氮处理后的组织,表层,:,Fe,4,N,、,Fe,2,N,、,AlN,、,CrN,、,MoN,、,TiN,、,VN,。,心部,:,S,回,。,8),常用的钢种,:,35 CrMo,、,18CrNiW,、,38 CrMoAlA,(,氮化王牌钢,),等。,越王勾践剑,春秋晚期越国青铜兵器,出土于湖北江陵楚墓。,长,55.7,厘米，剑锷锋芒犀利，锋能割断头发。,渗碳与渗氮的工艺特点,处理后是否需要热处理,处理时间,(h),处理温度,(),名称,需要,3,9,900,950,渗碳,不需要,20,50,500,600,渗氮,本章的作业,P 62,第,4.6.7.8.9.10.11.13.题,.,欢迎进入第六章学习内容,