金属工艺学第四章分析

1,第四章 钢的热处理,本章重难点,热处理的基本原理 整体热处理的工艺特点,2,第一节 热处理基本原理,本节重点： 共析钢加热和冷却时 的组织转变,本节难点： 共析钢C曲线的理解,3,钢在加热时的转变,第一节 热处理基本原理,钢在冷却时的转变,热处理概述,4,一、热处理概述,钢的热处理的定义 热处理工艺曲线 热处理的分类,5,钢固态加热、保温、冷却 改善组织、性能的工艺方法。,1 定义：,在机械制造中应用广泛： 机 床：6070的零件； 汽车、拖拉机：7080的零件； 滚动轴承、工具、模具：100的零件,6,热处理简介：,7,2 钢的热处理工艺曲线示意图：,8,3 钢的热处理分类：,整体热处理：退火、 正火、 淬火、 回火. 表面热处理 ：表面淬火、化学热处理,1）按照它在加工中的作用分：,预先热处理、最终热处理,2）按工艺方法不同分：,9,A的形成,二、钢在加热时的转变,A的长大,10,理论依据铁碳合金相图。,1、A的形成,Fe-Fe3C相图各临界点的移动位置：,11,共析钢奥氏体的形成 重点内容,（2）奥氏体晶核长大,（1）奥氏体晶核形成,（3）残余Fe3C的溶解,（4）奥氏体成分均匀化,12,共析钢奥氏体的形成示意,13,亚共析钢：大于Ac1 F+A Ac3以上 A晶粒 过共析钢：大于Ac1 Fe3C +A Accm以上,亚（或过）共析钢的A化：,14,2. 奥氏体晶粒的长大（粗化）,加热温度,保温时间，奥氏体晶粒。,A晶界上未熔碳化物，奥氏体晶粒。,合金元素（除Mn、P外） ，奥氏体晶粒。,15,16,冷却方式 过冷A的等温转变 过冷A的连续转变,三、钢在冷却时的转变,17,等温冷却： 快冷到A1以下保温（发生组织转变）然后再冷却下来。,1、冷却方式：,连续冷却: 在连续冷却过程中发生组织转变。 水冷、油冷、炉冷、空冷。,18,C曲线的建立 影响过冷A等温转变的因素 过冷A等温转变产物组织和性能,2、过冷A的等温转变曲线（C曲线 ）：,19,准备试样； 将试样A化，并在不同温度下恒温测定； 把组织转变开始与终止时间在时间、温度的坐标系上分别连起来。,1) C曲线的建立 (以共析钢为例) ：,a) 建立C曲线,20,两曲线： 左C线：左边是过冷A； 右C线：右边是转变产物区； 左右之间：过冷A与产物 共存区,b）C曲线特征,两直线： 上水平线A1：A存在稳定区； 下水平线Ms：M转变开始线。,21,2）影响过冷A等温转变的因素,A成分的影响： 含碳量：共析钢的C曲线最靠右； 合金元素：一般除Co和Al外，C曲线右移。,A化条件的影响： 加热温度：C曲线右移； 保温时间 ：C曲线右移；,22,3）过冷A等温转变产物（以共析钢为例）,珠光体型转变 贝氏体型转变 马氏体型转变,重点内容,23,分三类： 温度 组织 性能 727650 P （片层粗大） 强度 硬度 650600 S （片层较细） 600550 T （片层极细）,提 高,珠光体类型转变（高温转变产物）：,温度：727550之间； 特点：是扩散型转变。 产物：P型组织,24,25,分两类： 温度 组织 性能 550350 B上 强度低， （ F粗+ Fe3C） 塑、韧性较差 350230 B下 综合力学性能好 （ F针片+细微的碳化物）,贝氏体类型转变（中温转变产物 ）：,温度：在550-230之间； 特点：贝氏体转变属半扩散型转变。 产物：贝氏体组织。,26,M：C在-Fe中的过饱和固溶体。,马氏体型转变（低温转变产物）：,温度：Ms以下； 产物： M 特点： 非扩散型转变,原因：过饱和碳原子引起的晶格畸变即固溶强化。 M硬度取决于c : c , HRc,M特点：高强度、高硬度。,27,M 形态（图4-8） :,板条状马氏体：(c)1.0%（高碳马氏体）。 在0.2% (c) 1.0%时，形成二者的混合组织。,28,钢在冷却时，过冷奥氏体的转变产物根据其转 变温度的高低可分为： 高温转变产物珠光体、索氏体、托氏体， 中温转变产物上贝氏体、下贝氏体， 低温转变产物马氏体 随着转变温度的降低，其转变产物的硬度增高，而韧性的变化则较为复杂。,小 结,29,CCT曲线,3、过冷A的连续冷却转变曲线（共析钢）,CCT曲线与C曲线比较,30,1）CCT曲线（共析钢）,直线A1，Ms， K，Mf 曲线Ps， Pf 没有贝氏体转变区。,曲线特征：,31,冷速临界冷速（vk），得到M vk冷速 vk时， 得到MP 冷速 vk时， 得到P,转变产物：,连续冷却时： 不是所有的合金都没有贝氏体转变。 过共析钢的无贝氏体转变区； 亚共析钢可以产生贝氏体组织； 合金钢有时有贝氏体，有时无。,32,2) CCT曲线与C曲线的比较(共析钢)：,CCT曲线位于C曲线的右下方，转变的孕育期长。 连续冷却转变产物往往不是单一均匀组织，等温转变的产物是单一的均匀组织。,33,A + 产 物 区,碳钢 w(C)0.77TTT 曲线的分析,稳定的奥氏体区,过冷奥氏体区,A转变开始线,A转变终止线,产物区,A1550;高温转变区; P 转变区。,550230;中温转变区 B 转变区;,230以下; 低温转变区; M 转变区；,34,转变产物的组织与性能,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。,600550:极细片状P， 托氏体(T); 片间距为0.2m ( 电镜 ); 3540HRC。,35,贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550230 ) :,550350: B上; 4045HRC;,350230: B下; 5060HRC;,韧性较差.,综合力学性能好.,36,马氏体型 ( M ) 转变 ( 230以下 ) :,马氏体是一种碳在 Fe中的过饱和固溶体。,板条状 - 低碳马氏体(0.2%C ); 3050HRC ; = 917%。,片状 - 高碳马氏体(1%C); 66HRC左右 ; 1%。,37,第二节 钢的整体热处理,本节重点： 淬火回火工艺,本节难点： 不同工艺对钢组织和性能的影响,38,第二节 主要内容,退火 正火 淬火 回火,39,概念：加热、保温，缓慢冷却（随炉冷却） 达到或接近平衡状态组织。,一、钢的退火,退 火,40,钢的退火,41,1、完全退火,工艺： Ac3+（3050)，保温，炉冷至 500 下，空冷。,组织：P+F,目的： 细化晶粒，均匀组织。 降低硬度切削性。 消除内应力。,应用范围：亚共析成分的碳钢或合金钢 的铸件、锻件和热轧型材。,42,45钢的完全退火,43,2、等温退火,工艺：Ac3(30-50) 保温，快冷至珠光体转变区，等温转变 成P，空冷。,目的： 与完全退火相同 显著缩短生产周期,44,3、球化退火,工艺：Ac1+(2030)，保温后，快冷Ar1以下20 等温一定时间（球化渗碳体），随炉冷至 600下，出炉空冷等温球化退火,组织：球状P（F+球状）,目的： 硬度，切削性 为淬火作准备。,应用范围： 过共析或共析成分 的碳钢和合金钢,45,T10钢球化退火,46,4、扩散（或均匀化）退火,工艺： Ac3或Accm（150300） 保温（10-20h）,缓冷至室温。,目的：消除铸件、铸锭的枝晶偏析等化学成分不均匀等现象。,应用范围：铸件、铸锭。,注：因可能导致晶粒长大，均匀化退火后， 一般要完全退火细化晶粒，消除过热组织。,47,48,5、去应力退火,工艺：Ac1以下某一温度（500650 ） 保温，缓冷至室温。,目的：消除残余内应力，稳定工件尺寸。,应用范围：铸件、锻件、焊接件。,说明：属低温退火，过程中无组织变化。,49,50,6、再结晶退火,工艺：T再（150250） 保温，缓冷。,目的：消除加工硬化，提高塑性。,应用范围：经过冷变形加工的钢件。,51,52,二、钢的正火,工艺： Ac3或Accm（3050），保温，出炉。 是退火的特例。,组织：S,53,正火,54,目的：与钢的种类有关， 1）低碳钢：调整硬度，改善切削加工性。 2）高碳钢：消除网状Fe3C，为球化退火作准备。 3）对性能要求不高的零件，可作最终热处理。,应用范围：碳素钢、低中合金钢。,55,三、钢的淬火,淬火温度 淬火介质 淬火方法,56,钢的淬火,57,钢轨的淬火,58,锻模的淬火,59,1、淬火温度,工艺：Ac3 或 Ac1（30-50） ，保温，冷速 Vk M,60,淬火：,一般，过共析钢淬火前需要正火或球化退火， 消除网状渗碳体，否则降低韧性，增大开裂倾向。,目的：提高钢的硬度和耐磨性， 与回火配合，获得所需要的力学性能。,61,2、淬火介质：,水：冷却速度大用于碳钢件。,油：冷却能力较小用于合金钢。,盐水：较大的碳钢件。,62,3、淬火方法,淬火方法示意图,63,1）单液淬火： 特点： 操作简便自动化 注： 单独水冷：易开裂变形； 单独油冷：产生硬度不足 和不均匀。,64,特点：应力小，避免开裂和变形。 只适用于形状复杂，尺寸小的零件,2）双液淬火：,特点：既可淬硬又可避免开裂和变形，但 难以掌握。,3）分级淬火：,高于Ms的盐浴槽停留25分钟，再空冷。,水冷却到（300200），再油冷。,65,4）等温淬火（不同于普通意义的淬火）,盐浴槽中保温，得B下 ，空冷。,特点： B下 硬度较高，韧性较好，变形小。 适于形状复杂、尺寸精度要求高的件。,66,特点：提高硬度和耐磨性，稳定尺寸，设备成本高。 适用于精密零件和工具的处理。,5） 冷处理： 淬火件冷却到Mf点以下，冷处理。,67,四、钢的回火,工艺：已淬火钢加热到Ac1以下某温度 保温冷却（一般空冷)至室温。,目的：消除淬火的内应力，稳定工件尺寸，降低 脆性，改善切削加工性能。,68,钢的回火,69,回火种类： 重点内容,低温回火,中温回火,高温回火,70,1）低温回火：,M,M回,用途：用于制作量具、刀具和滚动轴承等， 如锯条（(c) 1.0%） 锉刀（ (c) 1.2%）,(150-250)，保温后空冷.,目的：减少内应力和脆性，提高塑韧性，有较 高的硬度和耐磨性。,71,2）中温回火：,T回,用途：用于弹簧、锻模的处理等。,(350500),保温后空冷.,M分解,目的：内应力降低，具有较高的弹性极限和 屈服强度，中等硬度。,72,弹簧的中温回火：,73,3）高温回火：,目的：消除内应力，有良好的综合力学性能。 用途：用于齿轮、曲轴等受力复杂件的热处理。 淬火高温回火调质处理。,S回,(500650),保温后空冷.,M分解,74,高温回火：,75,76,第三节 钢的表面热处理,了解钢的表面热处理工艺,77,第三节 主要内容,表面淬火 表面化学热处理,78,工艺：,一、表面淬火,立即冷却,用途：既受冲击，又要求耐磨的零件， 如曲轴轴颈、齿轮齿面、机床导轨等。,表面淬火温度 心部室温,表面马氏体心部不变,目的：,保持心部高韧性，表层的高硬度、耐磨性、 高疲劳强度。,79,工件,1. 感应加热表面淬火：,根据交流电频率： 高频淬火(100kH