机械工程材料-第三章.ppt

机械工程材料,华侨大学机电及自动化学院沈剑云,第三章 钢的热处理,钢的热处理：是将金属材料在固态下加热,保温和冷却，从而获得所需性能的一种工艺方法。改善钢的性能的途径：合金化、热处理，压力加工。热处理的应用：机床、汽车零件60-80%经过热处理。模具、滚动轴承100%需热处理。热处理特点：只改变工件的组织和性能，不改变其形状。压力加工等工艺则改变形状。,三、钢的热处理,一般零件生产的工艺路线:,毛坯生产,预备热处理,机械加工,最终热处理,机械精加工,根椐热处理目的不同，可将热处理分为两大类：预备热处理：是指消除前道工序产生的某些缺陷，改 善钢材的工艺性能，确保后续加工顺利 进行的热处理最终热处理：是指满足使用性能要求的热处理。,三、钢的热处理,普通热处理的作用改善材料的切削加工性能；提高材料的力学性能，保证零件安全运行。热处理工艺：加热、冷却速度，及温度、时间等参数。普通热处理：退火、正火、淬火、回火。,、钢的退火,退火：是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。最常用的退火工艺：完全退火、等温退火球化退火去应力退火再结晶退火,、钢的退火,完全退火：把钢加热到Ac3以上3050，保温一定时间，随炉冷却至600以下，出炉空冷。缓冷 F+P目的：细化晶粒，消除过热组织，消除残余应力，降低硬度和改善切削加工性能。应用：用于亚共析钢的铸、锻件，焊接结构件。,、钢的退火,等温退火：将钢奥氏体化后，以较快速度冷却到Ar1以下某一温度，等温一定时间使奥氏体转变为珠光体组织，然后空冷。采用等温退火可缩短退火时间。,等温退火与普通退火的比较,、钢的退火,球化退火：将钢加热至Ac1以上约2040，保温后，随炉冷却。在Ac1+2040等温，使Fe3C球化，再缓冷 球状P（F+球状Fe3C）应用：主要用于共析和过共析钢预先热处理。目的：使钢中的渗碳体球化。硬度,切削性,韧性,、钢的退火,去应力退火：又称低温退火，是将钢加热到Ac1以下某一温度（一般约为500600），保温一定时间，然后随炉冷却。目的：消除铸、锻、焊件和冷冲压件的残余应力。,、钢的正火,正火：将钢加热到Ac3 或Accm以上3050，保温适当时间后，在空气中冷却的热处理工艺称为正火。,亚、过共析钢过冷奥氏体连续冷却转变,、钢的正火,正火工艺加热温度 Ac3(Accm)+3050空冷 S,、钢的正火,应用：可作为满足使用性能要求的最终热处理。对于过共析钢可抑制二次渗碳体网形成，为球化退火作准备。对于低碳钢，可以提高硬度，改善切削加工性能，是必须采用的预先热处理。,、钢的正火,、钢的正火,退火和正火的选择从切削加工性上考虑切削加工性又包括硬度，切削脆性，表面粗糙度及对刀具的磨损等。对于低、中碳结构钢以正火作为预先热处理比较合适，高碳结构钢和工具钢则以退火为宜。至于合金钢，由于合金元素的加入，使钢的硬度有所提高，故中碳以上合金钢一般都采用退火以改善切削性。从使用性能上考虑如工件性能要求不太高，随后不再进行淬火和回火，那么往往用正火来提高其机械性能，但若零件的形状比较复杂，正火的冷却速度有形成裂纹的危险，应采用退火。从经济上考虑正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，故在可能的条件下，应优先考虑以正火代替退火。,、钢的淬火,淬火（蘸火）：将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，后快速冷却，以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。A化后，快冷 M。目的：为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。,淬火温度1)亚共析钢:Ac3+3050 2)共析和过共析钢:Ac1+3050，细M+粒状Fe3CII，硬度大。,、钢的淬火,冷却介质冷却速度：盐水水盐浴油淬火方法单介质淬火：水、油冷双介质淬火：水冷+油冷分级淬火：Ms盐浴中保温空冷等温淬火：（在盐、碱浴中）下B,、钢的淬火,淬火加热时间,淬火加热时间包括升温和保温时间。加热时间受工件形状尺寸、装炉方式、装炉量、加热炉类型、炉温和加热介质等影响。一般用下述经验公式确定：,t=D,式中:t 加热时间，min；加热系数，min mm；D 工件有效厚度，mm。,和D的数值可查阅有关资料确定。,、钢的淬火,热处理后的组织,、钢的淬火,钢的淬硬性(Hardening of steel)定义：是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。影响钢的淬硬性的因素：主要取决于马氏体的含碳量。钢的淬透性(Hardenability of steel)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。影响钢的淬透性的因素：主要是临界淬火冷却速度VK的大小，VK越大，钢的淬透性越小。,、钢的淬火,钢的淬透性曲线,、钢的淬火,工件淬硬层与冷却速度的关系,、钢的淬火,淬硬性与淬透性之间的关系,、钢的淬火,淬透性不同的钢调质后机械性能,、钢的淬火,注意：,淬透性与实际工件淬硬层深度的区别：淬透性是钢本身所固有的属性。而实际工件的淬硬层深度除了取决于钢的淬透性外，还与工件的形状、尺寸及采用的冷却介质等外界因素有关。钢的淬透性与淬硬性的区别：淬硬性是指钢淬火后能达到的最高硬度，它主要取决于马氏体的碳的质量分数，马氏体的碳的质量分数越高，钢的淬硬性越好。钢的淬透性指在规定的淬火条件下所获得的淬硬深度，主要取决于钢中合金元素多少，钢中合金元素越多，钢的淬透性越好。淬透性好的钢其淬硬性不一定高。,、钢的淬火,一般规律：,1）表面和心部力学性能一致的零件，即要求表面和心部组织一致；如螺栓、连杆、锻模、锤杆（承受拉压载荷）选用淬透性高的钢；2）表面心部力学性能不一致（表面强度硬度要求高一些，心部塑性韧性要求高），组织可以不一致。如轴类零件，冷镦模具、齿轮。选用淬透性低的钢。3）焊接件：选用淬透性低的钢。,、钢的淬火,淬透性的应用按负载，选择不同淬透性的材料：螺栓、连杆、模具等，截面承载均匀，要全部淬透。轴类、齿轮等，承受弯曲、扭转载荷，不必淬透。,高强螺栓,柴油机连杆,齿轮,、钢的回火,回火：是将淬火钢加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却至室温的热处理工艺。回火的目的：改变强度、硬度高，塑性、韧性差的淬火组织。使不稳定的淬火组织M和残余A转变为稳定组织，保证工件不再发生形状和尺寸的改变。消除淬火内应力，防止进一步变形、开裂。钢淬火后一般都必须进行回火处理，回火决定了钢在使用状态的组织和寿命。,、钢的回火,回火组织变化80200：马氏体分解中析出细小薄片状碳化物（Fe2.4C）仍然过饱和，但开始，过饱和F+碳化物回火马氏体畸变内应力 脆性硬度基本不变200300：残余奥氏体分解残余奥氏体分解过饱和F+细小碳化物回火马氏体继续分解内应力 硬度基本不变250400：M分解完全，碳化物转变 F溶解度正常，碳化物颗粒状碳化物回火托氏体内应力完全消除，硬度，回火托氏体强度塑、韧性400以上：发生再结晶F发生再结晶针状甚至等轴状，碳化物长大球状回火索氏体内应力完全消除，硬度,、钢的回火,低温回火回火温度（150250）回火M(过饱和F+薄片状Fe2.4C)淬火应力，韧性，保持淬火后的高硬度。,、钢的回火,中温回火回火温度（350500）回火T(F+细粒状Fe3C)弹性极限和屈服强度，韧性和硬度中等。,、钢的回火,高温回火回火温度（500650）回火S(等轴状F+粒状Fe3C)综合机械性能最好,即强度、塑性和韧性都较好。调质处理 淬火+高温回火,、钢的回火,回火时性能的变化 回火温度 硬度、强度，塑性,、钢的回火,回火的应用低温回火：主要用于各种工具、滚动轴承、渗碳件和表面淬火件。共析钢低温回火后硬度可达5862HRC。中温回火：主要用于各种弹簧和热作模具等。共析钢中温回火后硬度可达4050HRC。高温回火：主要用于汽车、拖拉机、机床等机械中的重要结构件，如轴、齿轮、连杆等。淬火+高温回火称为调质处理，硬度通常为2535HRC。,、钢的回火,低温回火,刀具,回火马氏体,淬火马氏体,、钢的回火,中温回火,弹簧 热锻模,回火托氏体,托氏体,、钢的回火,高温回火,回火索氏体,索氏体,凸轮轴,变速箱,、钢的回火,回火脆性,回火过程中，有些钢在某一温度范围内回火时，其冲击韧度比在较低温度回火时反而显著下降，这种脆化现象称为回火脆性。,在250350的脆性称为第一类回火脆性。无法消除。在500650的脆性称为第二类回火脆性。加入Mo、W或回火后快冷可避免这类回火脆性产生。,四、钢的表面热处理,某些在冲击载荷、交变载荷及摩擦条件下工作的机械零件，如曲轴、凸轮轴、齿轮、主轴等，其表层承受较高的应力。因此，要求工件表层具有高强度、硬度、耐磨性及疲劳强度，而心部要具有足够的塑性和韧性。目的：使零件具有“表硬心韧”的性能特点。,、表面淬火,表面淬火：将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未达到心部时立即迅速冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法。目的：提高表面强、硬度，保持心部良好的塑、韧性。材料及典型零件：中碳钢（Wc0.4-0.5%）,如40、45钢机床齿轮、轴等零件。预处理：调质或正火，保证心部最终组织。,、表面淬火,火焰加热表面淬火 淬硬层深度：2-6mm优点：方法简便；无需特殊设备；适用于单件、小批量生产零件；缺点：需要操作熟练，否则造成质量不稳定；应用：轧钢机齿轮、轧辊；矿山机械齿轮、轴；机床导轨、齿轮；,、表面淬火,感应加热表面淬火基本原理：在感应线圈内通以交流电，电磁感应的作用，在工件中产生了自成回路的感应电流。由于集肤效应，感应电流主要集中在工件表层，使工件表层迅速加热到淬火温度，随即喷水冷却，使工件表层淬硬。淬火层深度()与电流频率(f)的关系：,、表面淬火,感应加热分类高频(100 kHz1000kHz)加热淬硬层0.2-2mm 中小尺寸件中频(0.5 kHz10kHz)加热淬硬层2-mm 大中型件工频(50Hz)加热淬硬层10-15mm 大型件感应电流频率越高，电流集中的表层越薄，加热层也越薄，淬硬层深度越小。感应加热特点表面不易氧化、脱碳；变形小；淬硬层深度易于控制；表面硬度比普通淬火高23 HRC。生产效率高；易于实现生产机械化。感应加热应用感应加热表面淬火零件宜选用中碳钢。应用最广泛的是汽车、拖拉机、机床和工程机械中的齿轮、轴类等，也可应用于高碳钢制造的工具和量具，以及铸铁冷轧辊等，大批量生产形状较简单的零件。,、表面淬火,工艺路线,组织：表面淬火+低温回火回火(降低内应力和脆性)，也可“自回火”,、表面淬火,激光加热表面淬火工艺：将高功率密度的激光束照射到工件表面，使表面快速加热到奥氏体区，依靠工件本身热传导迅速自冷而获得一定淬硬层的工艺操作。硬化层：1-2mm应用：汽车、拖拉机汽缸套、汽缸、活塞环、凸轮轴等零件；特点：淬火质量好，组织超细化，硬度高、脆性极小、工件变形小、不需要回火、节约能源、无污染、效率高、便于自动化，但是设备昂贵。,、表面化学热处理,工艺:将工件置于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却使介质中的某些元素渗入工件表层以改变工件表层的化学成分和组织，从而达到“表硬心韧”的性能特点。目的：强化工件表面和改善工件表面的性能。如提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐腐蚀性等。可渗的元素：渗碳、氮、碳氮共渗（C、N、CN）渗硼、铬（B、Cr）渗铝、硅（Al、Si）渗硫（S）,、表面化学热处理,化学热处理的基本过程分解：化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。如：2CO CO2+C吸收：活性原子被零件表面吸收和溶解。扩散：活性原子由零件表面向内部扩散,形成一定的扩散层。化学热处理进行的条件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。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。,、表面化学热处理,钢的渗碳(Carburize of steel)渗碳：将工件置于富碳的介质中，加热到高温(900950)，使碳原子渗入表层的过程。目的：使增碳的表面层经淬火和低温回火后，获得高的硬度、耐磨性和疲劳强度。应用：适用于低碳钢，常用于汽车齿轮、活塞销、套筒等零件。分类：气体渗碳、液体渗碳和固体渗碳。最常用的是气体渗碳。,、表面化学热处理,固体渗碳法示意图,、表面化学热处理,气体渗碳法加热温度为900950；渗碳时间一般为39小时；渗碳后缓冷表层组织：P+Fe3C，该组织并不耐磨，必须进行淬火+低温回火处理。,、表面化学热处理,渗碳后的组织,、表面化学热处理,20钢渗碳缓冷组织,、表面化学热处理,渗碳后的热处理工艺：,渗碳淬火工艺：直接淬火法 一次淬火法 两次淬火法,、表面化学热处理,渗碳淬火工艺：直接淬火法：适于本质细晶粒钢 一次淬火法：适于本质细晶粒钢加热到Ac3以上保证芯部性能加热到Ac1以上适于芯部性已保证 两次淬火法：适于本质粗晶粒钢一次：保证芯部性能二次：保证表层性能表层和芯部性能要求均高。,、表面化学热处理,热处理后的组织,*芯部组织与淬透性相关,、表面化学热处理,20CrMnTi 钢渗碳层组织,、表面化学热处理,渗碳工艺路线,*渗碳淬火工艺,、表面化学热处理,钢的渗氮(Nitridation of steel)渗氮：将氮原子渗入工件表层的过程称渗氮(又称氮化)。目的：表层获得细颗粒、均匀、高硬且稳定的氮化物。为了提高工件表面硬度，耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性。分类：常用的渗氮方法有气体渗氮、液体渗氮及离子渗氮等，最常用的是气体渗氮。用钢：中碳合金钢(含Al,Cr,Mo,V,Ti等合金钢)。如：38CrMoAl,35CrMo，用于镗杆，活塞杆等工件。,、表面化学热处理,气体渗氮：气体渗氮是将工件置于通入氨气的炉中，加热至500600，使氨分解出活性氮原子，渗入工件表层，并向内部扩散形成氮化层。特点：表面硬度较高，可达1000 1200HV 69HRC 渗氮温度低，工件变形小。渗氮件一般不再进行其他热处理，为保证渗氮件心部性能和提高尺寸精度，零件渗氮前先进行调质和去应力退火处理。渗氮后工件的疲劳强度可提高15%35%。渗氮层具有高耐热、耐蚀性。渗氮处理后的组织：表层:Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、MoN、TiN、VN耐磨耐蚀过渡层：氮化物和含氮；心部：S回。常用的钢种：35CrMo、18CrNiW、38CrMoAlA(氮化王牌钢)等。,、表面化学热处理,38CrMoAl 气体渗氮层组织,、表面化学热处理,渗氮工艺路线,、表面化学热处理,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。,、表面化学热处理,渗碳与渗氮的工艺特点,、表面化学热处理,钢的碳氮共渗-氰化处理(Carbonitriding of steel)定义：向钢的表面同时渗入碳和氮原子的过程。目的：获得具有表硬里韧性能的零件。方法：,、表面化学热处理,工艺：,五、表面热处理新技术,、真空热处理在不同真空度下：退火、淬火、渗碳；作用：表面保护、净作、脱脂、脱气；优点：工件变形小、力学性能好、工件尺寸精度高。、可控气氛热处理保护钢不氧化、不脱碳气氛；不同气体作用不同、化学反应不同、脱碳不同；优点：改善热处理质量。、形变热处理塑性变形与热处理操作相互结合，同时进行；相变前、相变中、相变后可获得不同组织。,五、表面热处理新技术,、热喷涂技术热喷涂材料加热到熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾化并喷射到工件表面形成涂层的工艺。方法：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂。、气相沉积法、物理气相沉积（）在真空条件下，用物理的方法使材料气化成原子、分子或电离成离子，通过气相过程在材料表面沉积成薄膜的技术。、化学气相沉积（）在一定温度下，混合气体与基体表面相互作用而在基体表面形成金属或者化合物薄膜的方法。,五、表面热处理新技术,、三束表面改性技术、激光束：表面淬火、表面合金化。、电子束：电子把产生的高能密度和高速运动的电子流轰击金属表面，由表至里自冷却，形成表面合金化。、离子注入：离子高速打在工件表面，进入工件表面，形成固溶体或者化合物。,知识要点,（1）过冷奥氏体的定义。（2）过冷奥氏体的等温转变曲线，等温转变产物及其性能；等温转变曲线的应用。（3）钢的普通热处理工艺及应用。（4）钢的表面热处理工艺及应用。（5）编写典型零件（如轴、齿轮）的工艺路线。,作业,P115116页 第7,8,14题,