《机械制造基础》教学案卷课件.pptx

2019-6-25,谢谢观赏,机械制造基础教学案卷,对象：交通运输 时间：201x沈阳农业大学 工程学院xx,2019-6-25,3 钢的热处理,3-1 概述3-2 钢在加热时的转变3-3 钢在冷却时的转变3-4 常用钢的热处理,2019-6-25,3-1 概述,随着工业生产和科学技术的不断发展，对钢铁材料的性能要求也越来越高。为了改善钢铁材料的性能，目前主要有两种途径：一是调整其化学成分，加入合金元素，研制新的合金材料；二是对其进行适当的热处理，以提高其机械性能。,2019-6-25,3-1 概述,钢的热处理（Heat treatment）是指将钢在固态下施以不同的加热、保温、冷却，改变其内部（或表面的）组织，从而获得所需的性能的工艺过程。热处理应伴随固态相变和扩散。,2019-6-25,3-1 概述,热处理通常分为普通热处理（包括退火、正火、淬火、回火）、表面热处理（包括表面淬火、化学热处理）和特殊热处理（如磁场热处理、形变热处理）几种主要方法。,2019-6-25,3-1 概述,热处理可以消除上一工艺过程所产生的缺陷，为下一工艺过程创造条件，也可以直接提高工件使用性能，是充分发挥钢材潜力，提高产品质量、延长工件使用寿命的工艺方法。在机械制造中，多数零件，特别是重要的机械零件，如齿轮、传动轴、轴承、弹簧、工磨具等均需进行热处理。,2019-6-25,3-1 概述,热处理都是由加热、保温和冷却三个阶段组成。,图3-1钢的热处理工艺曲线,2019-6-25,3-2 钢在加热时的转变,在 Fe-Fe3C相图中，A1、A3和Acm是碳钢在极其缓慢的加热或冷却时的转变温度，是平衡临界点。在实际生产中，不可能极其缓慢地加热和冷却，因此不可能在平衡临界点进行组织转变。实际加热时各临界点用Ac1、Ac3和Accm线表示，而实际冷却时各点临界位置分别用Ar1、Ar3和Arcm线表示。,2019-6-25,3-2 钢在加热时的转变,S,A,温度/,E,P+F,C100,A+Fe3C,A+F,Ac1,A1,Ar1,A3,Ar3,Ac3,Accm,Acm,Arcm,P+Fe3C,图3-2 碳素钢加热冷却温度临界点,2019-6-25,3-2 钢在加热时的转变,一、奥氏体的形成 将共析钢加热到Ac1时便发生珠光体向奥氏体的转变。奥氏体的形成过程分三个阶段，如下图,成分均匀化,2019-6-25,3-2 钢在加热时的转变,A 奥氏体形核与核长大 在珠光体团界面（P/P）及铁素体渗碳体界面（F/Fe3C）形成奥氏体晶核，并逐步张大形成奥氏体晶粒。,2019-6-25,3-2 钢在加热时的转变,B 残余渗碳体继续溶入奥氏体 由于渗碳体的晶体结构及碳含量都与奥氏体差别很大，故铁素体向奥氏体的转变速度比渗碳体向奥氏体的溶解要快，因此在铁素体全部消失以后，仍有部分渗碳体未溶解，随着保温时间延长，残余渗碳体不断溶入奥氏体，直至全部消失为止。,2019-6-25,3-2 钢在加热时的转变,C 奥氏体均匀化 由于原来珠光体中的碳主要集中在渗碳体中，故当残余渗碳体完全溶解后，奥氏体中碳浓度仍是不均匀的，原先渗碳体的地方碳浓度较高，而原来铁素体的地方碳浓度较低，只有继续延长保温时间，通过碳原子的扩散才能获得均匀的奥氏体。,2019-6-25,3-2 钢在加热时的转变,亚共析碳钢和过共析碳钢的奥氏体化过程：首先是珠光体转变为奥氏体，然后是铁素体或渗碳体继续向奥氏体转变或溶解，最后得到单相奥氏体组织。,2019-6-25,3-2 钢在加热时的转变,（二）奥氏体晶粒的长大 奥氏体晶粒形成后，继续加热或保持恒温，它们将聚集长大，即由小晶粒合并为较粗大的晶粒。由热力学原理可知，这是一种必然发生的过程，因为晶粒合并将使晶界总面积减少，从而使总晶界能降低。,2019-6-25,3-3 钢在冷却时的转变,钢在冷却时的转变加热钢使其奥氏体化只是热处理第一步，而冷却过程则是热处理的关键一步。在热处理生产中，奥氏体冷却时发生转变的温度通常都低于临界点，即有一定的过冷度。,2019-6-25,3-3 钢在冷却时的转变,为了了解奥氏体在冷却过程的相变规律，通常采用两种方法：第一种是把钢加热到奥氏体化后，快速冷却到A1以下，在不同过冷度下等温，测定奥氏体的转变过程，绘出奥氏体等温转变曲线。,2019-6-25,3-3 钢在冷却时的转变,第二种是在不同冷却速度（如炉冷、空冷、油冷、水冷）的连续冷却过程中测定奥氏体的转变过程，绘出奥氏体连续冷却转变曲线。这两种曲线能正确说明奥氏体的冷却条件与组织转变间的相互关系，是热处理的理论基础。,2019-6-25,3-3 钢在冷却时的转变,一、过冷奥氏体等温转变动力学-TTT曲线（Time Temperature Transform）。转变动力学研究转变量与转变温度和时间的关系，以及影响这种关系的因素。将奥氏体后的共析钢急冷至A1以下的某个温度，并在该温度下保温，设法测定过冷奥氏体转变量与时间的关系，即可绘出等温转变动力学曲线。,2019-6-25,3-3 钢在冷却时的转变,在若干不同温度下测得若干不同动力学曲线，分别截取转变开始和转变终了（或终止）所需的时间，即可绘出这种钢的等温转变图，简称T T T曲线，亦称“C曲线”。,2019-6-25,3-3 钢在冷却时的转变,A转变量,bf,cf,af,时间/s,图3-4 共析钢TTT曲线,图中A1以上是奥氏体稳定区域。A1以下转变开始线（图中as、bs、cs的连线，称奥氏体转变开始线）,以左的区域奥氏体处于不稳定状态，经过一段时间孕育期（以转变开始线与纵坐标轴之间的距离来表示）,它将发生转变，转变完毕形成的线段（图中af、bf、cf的连线）称奥氏体转变终了线。,在孕育期暂时存在的、处于不稳定状态的奥氏体，称为过冷奥氏体,2019-6-25,3-3 钢在冷却时的转变,图中A1以上是奥氏体稳定区域。A1以下转变开始线（图中as、bs、cs的连线，称奥氏体转变开始线）以左的区域奥氏体处于不稳定状态，经过一段时间孕育期（以转变开始线与纵坐标轴之间的距离来表示）后，它将发生转变，转变完毕形成的线段（图中af、bf、cf的连线）称奥氏体转变终了线。,2019-6-25,3-3 钢在冷却时的转变,在孕育期暂时存在的、处于不稳定状态的奥氏体，称为过冷奥氏体（Supercooled austenite）。过冷奥氏体在不同温度下等温转变所需的孕育期是不同的。随转变温度降低，孕育期先逐渐缩短，然后又逐渐变长，在550左右孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定，它的转变速度最快，这里称为C曲线的“鼻尖”。,2019-6-25,3-3 钢在冷却时的转变,A1下转变终止线以右区域为转变产物区 在转变开始线和转变终止线之间为过冷奥氏体和转变产物共存区。图中水平线Ms为马氏体转变开始温度线，Mf为马氏体转变终止温度。,2019-6-25,3-3 钢在冷却时的转变,按温度的高低和组织形态，过冷奥氏体的转变可以分为三种：550以上为珠光体转变，Ms线以下为马氏体转变，550至Ms线之间为贝氏体转变。,2019-6-25,3-3 钢在冷却时的转变,二、过冷奥氏体转变产物特点、形成条件及力学性能 1、珠光体（1）粗大片壮珠光体 铁素体及渗碳体片层在光学显微镜下清晰显现，片间距0.4m转变温度较高(共析钢约700650)强度、硬度、塑性、韧性一般。,2019-6-25,粗大片壮珠光体,2019-6-25,3-3 钢在冷却时的转变,（2）细珠光体（索氏体）在光学显微镜下片层难以分辨，片间距较小（0.40.2m）转变温度较低（共析钢约650600）强度、硬度、塑性较粗大片状好。,2019-6-25,索氏体（电镜）,2019-6-25,3-3 钢在冷却时的转变,（3）极细珠光体（托氏体）片层在光学显微镜下不能分辨，片间距较小（0.2m）转变温度更低（共析钢约600550）强度、硬度、塑性较索氏体好。,2019-6-25,托氏体,2019-6-25,3-3 钢在冷却时的转变,2、贝氏体（1）上贝氏体渗碳体分布在铁素体条间，使条间容易脆性断裂约在550350的温度区间恒温形成脆性大，基本上无实用价值。,2019-6-25,上贝氏体（500 x）,2019-6-25,3-3 钢在冷却时的转变,（2）下贝氏体 过饱和的铁素体呈针片状，其上分布着与针长轴呈5560角的微细碳化物（Fe2,4C）颗粒或薄片，弥散度大。大约在350左右等温形成，具有较高的强度、硬度、塑性和韧性,2019-6-25,下贝氏体（500 x）,2019-6-25,3-3 钢在冷却时的转变,3、马氏体（1）板条马氏体 碳含量与奥氏体相同的过饱和固溶体、体心立方结构。平行的板条群由奥氏体晶界长入晶内，板条群间成一定角度，板条宽约0.10.2m奥氏体中c0.3%，Ms300。在每个板条内有高质量分数位错，亦称位错马氏体。有较高的塑性和韧性。,2019-6-25,板条马氏体,2019-6-25,3-3 钢在冷却时的转变,（2）片状马氏体 凸透镜片状（针状、竹叶状），初生者较厚长，横跨奥氏体晶粒，次生者尺寸较小，在初生片与A晶界之间分布，片间互成一定夹角奥氏体中c=1%1.4%，Ms=300100。奥氏体中c=0.3%1%时形成板条、片状马氏体，晶格畸变大，淬火应力大，往往存在很多显微裂纹，塑性和韧性很差。,2019-6-25,片状马氏体,2019-6-25,3-4 常用钢的热处理,一、钢的热处理工艺常用钢的热处理方法通常有：退火、正火、淬火、回火、表面淬火、化学热处理等几种。,2019-6-25,3-4 常用钢的热处理,（一）退火1、完全退火将亚共析钢加热到Ac3以上3050，保温后随炉冷到600以下，再出炉空气冷却。得到平衡组织：铁素体+珠光体用于亚共析钢和合金钢的铸、锻件，目的是细化晶粒，消除应力，软化钢。,2019-6-25,谢谢观赏,42,3-4 常用钢的热处理,2019-6-25,3-4 常用钢的热处理,2、等温退火 将亚共析钢加热到Ac3以上，共析钢加热到Ac1以上2030，保温后快速冷到稍低于Ar1的温度，再进行等温处理使A转变为P后，然后在空气中冷却。得到平衡组织：铁素体+珠光体，组织比较均匀。主要应用于奥氏体比较稳定的合金工具钢和高合金钢，与完全退火相比，可大大缩短整个退火时间。,2019-6-25,3-4 常用钢的热处理,3、球化退火将过共析钢加热到Ac1以上2030，保温后随炉冷到700左右再出炉空气冷却 平衡组织：在铁素体基体上均匀分布着球状渗碳体组织。应用：用于共析和过共析成分的碳钢和合金钢，能降低硬度，改善切削加工性能。,2019-6-25,3-4 常用钢的热处理,4、去应力退火将钢加热到500650，保温后随炉冷却.组织：无组织变化 应用：消除铸、煅、焊、机加工件的残余应力。,2019-6-25,3-4 常用钢的热处理,（二）正火 将钢加热到Ac3或Ac1以上3050，保温后在空气中冷却。可细化普通结构钢晶粒；使共析钢获得索氏体组织；对过共析钢，可以消除二次渗碳体网。用途：低、中碳钢的预备热处理；为球化退火作准备；为普通结构零件的最终热处理。,2019-6-25,3-4 常用钢的热处理,（三）淬火 将钢加热到Ac3或Ac1以上3050，保温后在水、油等淬火介质中快速冷却。热处理后平衡组织：亚共析钢为细小马氏体组织，过共析钢为马氏体和颗粒状二次渗碳体组织。用途：提高钢件的硬度和耐磨性，是强化钢材最重要的热处理方法。,2019-6-25,3-4 常用钢的热处理,表面淬火主要有感应加热和火焰加热 表面淬火表层获得硬而耐磨的马氏体组织，心部保持原来塑性、韧性较好的退火、正火或调质状态组织。用于表面耐磨，不易产生疲劳破坏，而心部要求有足够的塑性和韧性的工件。,2019-6-25,3-4 常用钢的热处理,（四）回火1、高温回火淬火后，加热到500以上，保温后在空气中冷却，又称调质处理.组织：回火索氏体由细粒状渗碳体和多边形铁素体组成，硬度在3545HRC。用途：重要零件如轴、齿轮等。,2019-6-25,3-4 常用钢的热处理,2、中温回火 淬火后，加热到350500，保温后在空气中冷却组织：回火屈氏体，由极细粒状渗碳体和针状铁素体组成，硬度在3545HRC5用途：各种弹簧。,2019-6-25,3-4 常用钢的热处理,3、低温回火淬火后加热到150250，降低应力和脆性。组织：回火马氏体，高硬度（硬度在5862HRC），耐磨性好。用途：各种工模具及渗碳或表面淬火的工作。,2019-6-25,3-4 常用钢的热处理,二、淬火方法及淬透性A 淬火方法（1）单液淬火法 把加热到奥氏体化后的工件放入一种淬火冷却介质中一直冷却到室温的淬火，称为单液淬火法（图3-7（a），例如碳钢在水中的淬火，合金钢在油中的淬火。这种淬火方法操作简便，易实现机械化与自动化，适用于形状简单的工件。,2019-6-25,3-4 常用钢的热处理,（2）双液淬火法 对于形状复杂的工件，为了防止在低温范围内马氏体转变时发生裂纹，可先放在水中冷到接近Ms点时，立即取出再放入油中冷却，称为双液淬火法（图3-7（b），也常称为水淬油冷。如果能恰当地控制好在水中的时间，可以有效的防止产生淬火裂纹，但这要求有较高的操作技术。,2019-6-25,3-4 常用钢的热处理,（3）分级淬火法 分级淬火是把加热好的工件先放入温度稍高于Ms点的盐浴或碱浴中保持一段时间，使工件内外的温度达到均匀，然后取出来在空气中冷却，使之发生马氏体转变如图3-7（c）这种淬火方法可大大减少热应力和组织应力，明显减小变形和开裂，但由于盐浴和碱浴的冷却能力较小，故此法只适用于截面尺寸比较小（直径或厚度小于10mm）的工件。,2019-6-25,3-4 常用钢的热处理,（4）等温淬火法 等温淬火的操作方法与分级淬火相似，只是在盐浴和碱浴中的保温时间要足够长，使过冷奥氏体等温转变为有高强韧性的下贝氏体组织，然后取出空冷，如图3-7（d）所示。等温淬火法常用来处理形状复杂、尺寸要求精确、并要求有较高强韧性的工具、弹簧等。,2019-6-25,3-4 常用钢的热处理,温度/,A1,Mf,时间/s,表面,图 3-7(a)单液淬火；(b)双液淬火,心部,表面,心部,Mf,油冷,Ms,Ms,2019-6-25,3-4 常用钢的热处理,温度/,A1,Mf,时间/s,表面,表面,心部,心部,空冷,空冷,Ms,Ms,Mf,图 3-7(c)分级淬火；(d)等温淬火,2019-6-25,3-4 常用钢的热处理,B 淬透性(Hardenability)钢的淬透性是在规定条件下决定零件淬硬深度和截面硬度分布的特性，从概念上表示钢在淬火后获得马氏体组织的能力。冷却后获得全部马氏体组织的这部分截面厚度称为淬透层。对某个零件来说，淬透层愈厚说明这种钢的淬透性愈高。,2019-6-25,3-4 常用钢的热处理,一般规定从淬火件表面至半马氏体区（马氏体与非马氏体组织各占一半的地方）的距离为淬透层深度。必须注意，钢的淬透性与淬硬性不是同一个概念。淬硬性是指钢在淬火时的硬化能力，用淬火后马氏体所能达到的最高硬度来表示，它取决于马氏体中的碳含量。,2019-6-25,