钢的热处理 金属工艺学ppt课件.ppt

钢的热处理,1 钢的热处理概述2 钢在加热和冷却时的转变3 钢的整体热处理工艺4 钢的表面热处理工艺5 热处理新技术简介,热处理的定义:将金属或合金在固态下经过加热、保温和冷却等三个工艺，以改变钢的内部组织结构，从而改善钢的性能的一种热加工工艺。,时间,温度,临界温度,热加,保温,冷 却,1 钢的热处理概述,热处理的主要目的:改变钢的性能。,热处理的应用范围:整个制造业。,热处理的分类,热处理,整 体热处理,表 面热处理,退火;正火;淬火;回火;,表面淬火,化 学 热处理,感应淬火,火焰淬火,渗碳; 渗氮;碳氮共渗;,箱式电阻炉,台车式电阻炉,连续式热处理炉,钢的临界点：,平衡临界点：,加热临界点：,冷却临界点：,A1、 A3、 Acm,Ac1、Ac3、Accm,Ar1、Ar3、Arcm,钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化。以共析钢的奥氏体形成过程为例。,2 钢在加热和冷却时的转变,1、奥氏体的形成(PA),一、 钢在加热时的转变,奥氏体形核条件成分起伏结构起伏能量起伏G0,奥氏体形核与晶核长大 奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上形成。 奥氏体晶核形成以后，依靠铁、碳原子的扩散，使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不断溶入到奥氏体中去而进行的。 残留渗碳体的溶解 铁素体全部消失以后，仍有部分剩余渗碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗碳体不断地溶入到奥氏体中去，直至全部消失。 奥氏体均匀化 渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩散才能获得均匀化的奥氏体。 亚共析钢的加热过程： 过共析钢的加热过程：,2 钢在加热和冷却时的转变,奥氏体晶粒度的概念 晶粒度：表示晶粒大小的尺度。 钢进行加热时，当珠光体刚刚全部转变为奥氏体时，在一般情况下，奥氏体晶粒是比较细小而均匀的，此时的晶粒大小称为奥氏体的起始晶粒度。 在某一具体的加热条件下所得到的奥氏体晶粒大小称为实际晶粒度。 用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度称为本质晶粒度。 通常采用标准试验方法，即将钢加热到93010，保温38h后测定奥氏体晶粒大小，如晶粒大小级别在14级，称为本质粗晶粒钢；如晶粒大小在58级，则称为本质细晶粒钢。,2、奥氏体晶粒的长大,2 钢在加热和冷却时的转变,晶粒度的测定方法：93010保温38小时(100),本质粗,本质细,2 钢在加热和冷却时的转变,晶粒度的控制Al脱氧(本质细)Si/Mn脱氧(本质粗),2 钢在加热和冷却时的转变,3.影响奥氏体晶粒长大的因素,1.加热温度 加热温度愈高，晶粒长大速度越快，奥氏体晶粒也越粗大，热处理时必须规定合适的加热温度范围。2.保温时间 随保温时间的延长，晶粒不断长大，但随保温时间的延长，晶粒长大速度越来越慢，且不会无限制地长大下去。,2 钢在加热和冷却时的转变,影响奥氏体晶粒长大的因素,3.加热速度 加热速度越快，奥氏体化的实际温度愈高，奥氏体的形核率大于长大速度，获得细小的起始晶粒。生产中常用快速加热和短时保温的方法来细化晶粒。4.冶炼和脱氧条件 冶炼时用铝脱氧，或加入Nb、Zr、V、Ti等强碳化物形成元素，形成难溶的碳化物颗粒,阻止奥氏体晶粒长大，在一定温度下晶粒不易长大。,2 钢在加热和冷却时的转变,影响奥氏体晶粒长大的因素,5.含碳量的影响(有临界值) 随着奥氏体含碳量的增加，Fe、C原子的扩散速度增大，奥氏体晶粒长大的倾向增加。 当超过奥氏体饱和碳浓度以后，由于出现了残余渗碳体，产生机械阻碍作用，使晶粒长大倾向减小。,2 钢在加热和冷却时的转变,过冷奥氏体的两种冷却方式,把加热到奥氏体状态的钢，快速冷却到低于A1的某一温度，并等温停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温。,把加热到奥氏体状态的钢，以不同的冷却速度连续冷却到室温。,二、 钢在冷却时的转变,2 钢在加热和冷却时的转变,1、过冷奥氏体的等温转变,2 钢在加热和冷却时的转变,共析钢的等温转变图,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,A1550;高温转变区;扩散型转变; P 转变区.,550Ms(230);中温转变区; 半扩散型转变; 贝氏体( B ) 转变区.,Ms Mf(-50); 低温转变区; 非扩散型转变; 马氏体 ( M ) 转变区.,2 钢在加热和冷却时的转变,珠光体转变：扩散相变(A1550, AP（F+Fe3C）),1）在A1650形成的珠光体 ，因为过冷度小，片间距较大(0.4m)，在500以上的光学显微镜下，能分辨其片层状形态；即为粗珠光体，习惯上称为珠光体（P）。,2 钢在加热和冷却时的转变,2）在650600形成片间距较小的珠光体(0.20.4m)，在光学显微镜8001500能分辨出其为铁素体薄层和碳化物（渗碳体）薄层交替重叠的复相组织称为细珠光体或索氏体，用字母S表示（以英国冶金学家HCSorby的名字命名）。,珠光体转变：扩散相变(A1550, AP（F+Fe3C）),2 钢在加热和冷却时的转变,3）在600550形成片层间距极小的珠光体( 0.2m) ，在光学显微镜下高倍放大已无法分辨出其内部构造，在电子显微镜下可观测到很薄的铁素体层和碳化物（渗碳体）层交替重叠的复相组织，称为极细珠光体或托氏体，用字母T表示（以法国金相学家LTroost的名字命名）。,珠光体转变：扩散相变(A1550, AP（F+Fe3C）),2 钢在加热和冷却时的转变,珠光体转变：扩散相变(A1550, AP（F+Fe3C）),a)光学显微组织（500） b)电子显微组织（8000）珠光体组织,2 钢在加热和冷却时的转变,珠光体的物理本质传统定义：珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物问题：由铁素体+渗碳体构成的组织不全是珠光体，如碳素钢中的上贝氏体。不是简单的机械混合物，铁素体和碳化物是有机的结合和有序配合，两相成比例。珠光体中的铁素体和碳化物是从奥氏体中共析共生出来的，而且两相以界面相结合，各相之间具有一定位向关系。 奥氏体、铁素体和渗碳体之间的取向关系的测定已经历数十年。,珠光体转变：扩散相变(A1550, AP（F+Fe3C）),贝氏体转变：半扩散相变（C）550Ms, AB),上贝氏体：550350，过饱和片状F渗碳体 下贝氏体：350Ms，过饱和针状F弥散-Fe2.4C,2 钢在加热和冷却时的转变,贝氏体是渗碳体分布在过饱和碳的铁素体上的两相混合物,贝氏体转变：半扩散相变（C）550Ms, AB),贝氏体的显微照片,上贝氏体：过饱和片状F渗碳体，性脆无实用价值,2 钢在加热和冷却时的转变,下贝氏体：过饱和针状F弥散-Fe2.4C，强度较高，韧性较好，综合性能好,贝氏体转变：半扩散相变（C）550Ms, AB),马氏体转变：非扩散相变，Ms以下, AM,马氏体C在-Fe中的过饱和固溶体,c/a1 称为马氏体的正方度含碳量高，正方度大,2 钢在加热和冷却时的转变,形核位置：晶界、孪晶界或晶格畸变较大的地方形核方式：共格切变，即沿着奥氏体的一定晶面，铁原子集体、不改变相互位置关系地移动不超过一个原子的距离，随即由fcc晶格改组成bcc晶格，C原子保留在新组成的晶胞中。,低碳(0.25%)马氏体：板条状_高的强韧性,2 钢在加热和冷却时的转变,高碳(1.0%)马氏体：片状_硬而脆,2 钢在加热和冷却时的转变,非扩散型相变，是C在-Fe中的过饱和固溶体,马氏体转变的特点,转变速度快,马氏体转变是不完全的，有残余奥氏体存在,A M，晶格由fcc变为体心正方，马氏体体积增大，在钢中引起较大的淬火应力，是工件变形和开裂,硬度、强度高，塑性、韧性差,残余奥氏体(AR)的影响 少量的残留奥氏体与马氏体共存时，对钢的性能有一定影响。不利影响 降低工件的淬火硬度、耐磨性及工具钢的疲劳强度，降低硬磁钢的磁感应强度，易产生磨削裂纹。残留奥氏体不稳定，容易产生时效变形甚至开裂。有益的作用 残留奥氏体具有缓和应力集中、提高钢的韧性和降低脆性转变温度及减振作用。在交变压应力作用下可提高轴承钢的疲劳强度。当其含量达1025时可防止齿轮的齿面发生点蚀。 近年来又常利用残留奥氏体的存在，采用新工艺，发展优良的低温用钢和高韧性钢。,2. 过冷奥氏体连续冷却转变图过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT(Continuous-Cooling-Transformationdiagram)曲线，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。,只有P、M转变vk为临界冷却速度,2 钢在加热和冷却时的转变,2 钢在加热和冷却时的转变,图中的Vk 为CCT曲线的临界冷却速度，即获得全部马氏体组织时的最小冷却速度.Vk 为TTT曲线的临界冷却速度. Vk 1.5 Vk 。,三、钢的整体热处理工艺,退火,正火,淬火,回火,钢的退火与正火,一、退火和正火的目的,降低或提高硬度，便于进行切削加工。,消除残余应力。,细化晶粒，改善组织以提高钢的力学性能。,为最终热处理作好组织准备。,二、退火工艺及其应用,完全退火和等温退火（亚共析钢）球化退火（共析、过共析钢）去应力退火扩散退火,加热、保温后，缓冷(炉冷) 近平衡组织 P（ + F 或 Fe3C球 ）,完全退火（亚共析钢）加热温度 Ac3 + 3050缓冷 F + P目的：细化晶粒，均匀化组织， 降低硬度 切削性等温退火（亚共析钢）等温转变F + P，再缓冷球化退火(共析、过共析钢)在Ac+2040保温，使Fe3C球化，再缓冷球状P(F+球状F3C)目的：硬度,切削性,韧性,扩散退火加热至略低于固相线目的：使成分、组织均匀再结晶退火加热温度 T再 + 100200目的：消除加工硬化去应力退火加热温度 Ac1 ，一般为 500650目的：消除冷热加工后的内应力,三、正火工艺及其应用,应用： 1) 钢的最终热处理 细化晶粒，组织均匀化，增加亚共析钢中P%（S%） 强度、韧性、硬度 2) 预先热处理 淬火、球化退火前改善组织。 3) 增加低碳钢的硬度，以改善切削加工性能。,加热温度 Ac3 ( Accm ) + 3050，空冷 S,过共析钢正火加热温度必须高于Accm。 其目的是消除网状渗碳体。,加热、保温后，空冷 S（ + F 或 Fe3C粒 ）,钢的淬火,一、淬火的目的 获得马氏体组织二、淬火的一般工艺,3.淬火冷却介质,1.淬火温度的选择,2.保温时间的确定,1.淬火温度的选择,(1) 亚共析钢： Ac3+3050细小均匀M 温度过低：残余F 温度过高：粗大马氏体,(2) 过共析钢: Ac1+3050细小均匀M+粒状Fe3C 温度过低：残余F 温度过高(大于Accm)：得到粗大马氏体，引起变形或开裂；二次渗碳体全部溶解，降低Ms点，AR增多。,2.保温时间,原则：在保证工件热透和内部组织充分转变的前提下，尽量缩短保温时间，以提高生产率，降低能耗，减小氧化脱碳，提高热处理质量。,淬火保温时间主要根据钢的成分特点、加热介质和零件尺寸来确定。,（a）含碳量越高，含合金元素越多，导热性越差，则保温时间就越长；,（b）零件尺寸越大，保温时间越长；,（c）生产中常根据经验确定保温时间；,3.淬火冷却介质,三、常用的淬火方法,1.单液淬火(a):2.双液淬火(b)3.分级淬火(c)将加热的工件先放入温度稍高于Ms的硝盐浴或碱浴中，保温25min，使零件内外的温度均匀后，立即取出在空气中冷却。4.等温淬火(d)5.局部淬火,四、钢的淬透性,1.淬透性与淬硬性,钢的淬透性：钢在淬火后的淬硬层深度。淬透层深度：从工件表面到半M体层的深度。,钢的淬硬性： 钢在淬火后所能达到的最高硬度。取决于马氏体的含碳量。含碳量越高，淬硬性越好。,注意：淬透性好的钢其淬硬性不一定高。,2、影响淬透性的因素,1）含碳量亚共析钢，含碳量增加，奥氏体的稳定性增大，曲线右移，淬透性提高过共析钢，随着含碳量增加，奥氏体的稳定性降低，曲线左移，淬透性降低(未溶渗碳体促进奥氏体分解)2）合金元素除Co外，绝大多数合金元素溶入奥氏体后，都使曲线右移，形状也可能会发生改变，使淬透性提高3）加热温度和保温时间随加热温度的提高和保温时间的延长，碳化物溶解充分，奥氏体成分均匀，晶粒粗大（总形核部位减少），这些都增加过冷奥氏体的稳定性，使曲线右移，提高了钢的淬透性4）钢中未溶第二相未溶第二相越多，作为结晶核心，使A体不稳定，C曲线左移，淬透性下降,3.淬透性的测定,4.淬透性的应用：（1）淬透性大的工件易淬透，组织和性能均匀一致；（2）淬透性大的工件在淬火时，可选用冷却能力较小的 淬火介质以减小淬火应力。（3）对受力大而复杂的工件，为确保组织性能均匀一致，可选用淬透性大的钢。（4）当要求工件表面硬度高，而心部韧性好时，可选用 低淬透性钢。,钢的回火,2. 目的（1）稳定工件组织、性能和尺寸。 （2）减小或消除残余应力，防止工件的塑性变形和开裂。 （3）调整工件的强度、硬度，提高韧性，以满足不同工件的性能要求。,1概念 将淬火后的钢加热到Ac1以下某一温度，保温后冷却下来的一种热处理工艺。,3淬火钢在回火时的组织转变,（1）马氏体分解(100200),这一阶段转变完成后, 钢的组织由有一定过饱和程度的固容体和与其有共格关系的碳化物所组成，这种组织称为回火马氏体（M回）。马氏体转变为回火马氏体，可用下式表示：,MM回（相+-FeC） 0.25% 23,（2）残余奥氏体转变 (200300),（3）马氏体分解完成和碳化物的转变 （300400）,钢中的残余奥氏体也发生分解，转变为下贝氏体。,由于C扩散能力增大，过饱和固溶体很快转变为F，碳化物逐渐转变为稳定的渗碳体，这一阶段转变完成后, 钢的组织由针状F体和极细小粒状的渗碳体组成，这种组织称为回火托氏体（T回）。,（4）F体的回复、再结晶和碳化物的聚集 长大 （400）,这一阶段转变完成后, 钢的组织由等轴的F体和细小的粒状渗碳体组成，称为回火索氏体（S回）。,4、淬火钢在回火时的性能变化,5回火种类、组织、性能及应用,（1）低温回火(150250),组织：M回性能特点：部分降低了钢中残余应力和脆性， 而保持钢在淬火后所得到的高强度、硬度和耐 磨性，5865HRC应用：要求硬度高耐磨性好的工具、量具、滚 动轴承、渗碳工件以及表面淬火工件等。,（2）中温回火(350500),组织：T回性能特点：内应力基本消除，具有高的弹性极限和一定的韧性。应用：要求弹性极好的弹簧零件、发条及热锻模具，3545HRC,（3）高温回火(500650),调质处理：淬火与高温回火相结合的工艺组织：S回性能特点：内应力基本消除，强度和硬度降 低，塑性和韧性提高，具有较高的综合力学 性能，2535HRC应用：要求综合力学性能好的中碳结构钢和 低合金结构钢制造的各种重要的结构零件， 特别是在多种载荷下工作的连杆、螺栓以及 轴类等。,6.回火脆性,概念：淬火钢在某些温度范围内回火时冲击韧性下降的现象,高温回火脆性：450650，第二类，可逆 消除办法： 回火后快冷； 加入合金元素W (约1%)、 Mo(约0.5%)。 该法适用于大截面的零部件。,低温回火脆性：250400，第一类，不可逆,例题1,共析钢加热到相变点以上，用图示的冷却曲线冷却，各应得到什么组织？各属于何种热处理方法？,例题2,T12钢加热到Ac1以上，用图示的各种方法冷却，分析其所得到的组织。,表 面热处理,表面淬火,化 学 热处理,感应淬火,火焰淬火,渗碳; 渗氮;碳氮共渗;,钢的表面热处理,钢的表面淬火,表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。,感应加热表面淬火示意图,表面淬火常用加热方法 (1) 感应加热: 利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热的方法。, 火焰加热: 利用乙炔火焰直 接加热工件表面的方法。成本 低，但质量不易控制。 激光热处理: 利用高能量密 度的激光对工件表面进行加热的方法。效率高，质量好。,钢的化学热处理,化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，,使介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能的热处理工艺。,1. 钢的渗碳,渗碳目的 提高工件表面硬度、 耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。,经渗碳的机车从动齿轮,钢的渗碳是指向钢的表面渗入碳原子的过程。,气体渗碳法示意图, 渗碳方法气体渗碳法 将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。 渗剂为气体 (煤气、液化气 等)或有机液体(煤油、甲醇等)。优点: 质量好, 效率高；,固体渗碳法,液体渗碳法,（2）渗碳缓冷后组织： 表层为P+网状Fe3C; 心部为F+P; 中间为过渡区。,（3）渗碳后的热处理淬火+低温回火, 回火温度为160-180。淬火方法有： 直接淬火法 渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。,一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。二次淬火法： 即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac3+30-50，细化 心部；第二次加热为Ac1+30-50，细化表层。,常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50 淬火+低温回火。此时组织为：表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量)心部：M回+F（淬透时）,2. 钢的渗氮,氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。氮化用钢,井式气体氮化炉,为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢。常用钢号为38CrMoAl。氮化温度为500-570氮化层厚度不超过0.6-0.7mm。,同时向钢的表面渗入碳和氮原子的化学热处理工 艺，俗称氰化。中温(700880)碳氮共渗和低温(500600 )，气体碳氮共渗的应用较为广泛。共渗件常选用低碳或中碳钢。渗层组织：细片(针)回火马氏体加少量粒状碳氮化合物和残余奥氏体。,3. 钢的碳氮共渗,