金属材料CH3制备与成形.ppt
CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,第3章 金属制备成形与塑性变形金属件制备的一般过程：固-液-固方式,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,粉末冶金方式：粉体(粉碎，反应生成)制坯烧结3.1 金属冶炼 从矿石和其他原料中提炼金属、去除杂质的过程。一、火法冶金与湿法冶金：火法冶金在高温下将矿石或金属熔化，加入熔剂通过化学反应制取所需金属的过程。湿法冶金是将矿石中有用的金属化合物或盐与其他伴生物及杂质分离（常用化学法，即用酸或碱溶液处理矿物）,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,二、铁碳合金的一般冶炼过程1.炼铁：铁矿石生铁(水)。赤铁矿(Fe2O3)或磁铁矿(Fe3O4)在高炉(或其他炉)中熔化被C还原，并加入熔剂除渣，得到生铁水。生铁水可浇注成生铁锭(炼钢生铁、铸造生铁)，也可直接进入炼钢炉。,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,2.钢的熔炼：生铁钢转炉炼钢:生铁水吹氧脱碳、升温加入熔剂脱除杂质钢液电炉炼钢:主要方法为电弧炉炼钢主要原料为废钢。一般用于炼高质量钢或合金钢。钢液：浇注钢锭或大型铸件，或连铸连轧,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,3.2 液态成形铸造(foundry)将液态合金浇注到与零件形状和尺寸相 适应的铸型型腔中，冷凝后获得铸件的工艺 过程。分为砂型铸造和特种铸造两类,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,砂型铸造工艺流程：,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,一、造型方法简介砂型铸造造型实例：整体模造型：套坯,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,分开模造型：中空套筒件,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,二、合金液铸造性能(一)液态合金的充型能力 金属液充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。影响因素1.液态合金的流动性 结晶温度范围：tctLtS.,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,tc大的合金，液体流动阻力大(枝晶发达)；液体粘度大流动性差 故tc，流动性；共晶成分附近的合金流动性很好。,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,测试合金流动性的螺旋试样,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,铁碳合金流动性图,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,2.浇注温度T浇 T浇，金属液粘度小；保持液态时间长 充型能力。但T浇过高，铸件缺陷(粘砂，缩孔缩松，等)多。“高温出炉，低温浇注”3.铸型特性(略),CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,(二)铸件的收缩性合金从高温液态冷至室温，体积和尺寸缩小的现象1.合金的凝固方式 逐层凝固：tc小，或铸件截面温度梯度dt/dx大。逐层凝固的合金流动性好，致密，热裂倾向小 体积(糊状)凝固：tc大，或dt/dx小。体积凝固的合金流动性差，疏松，热裂倾向大 中间凝固：介于前两者之间。,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,2.合金的收缩液态收缩(T浇TL)凝固收缩(TLTS)固态收缩(TS以下)3.收缩导致的铸件缺陷缩孔和缩松 由于金属液态收缩和凝固收缩造成的体积减小得不到液态金属的补充，在铸件最后凝固的部位形成孔洞，容积较大而集中的称缩孔；细小而分散的称缩松,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,逐层凝固的合金易形成缩孔；中间凝固的合金易形成中心线缩松，体积凝固的合金易形成微观缩松。,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,缩孔形成过程,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,缩松形成过程,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,防止方法：采用顺序凝固原则，设置冒口补缩。使铸件的凝固按薄壁厚壁冒口的顺序先后进行，让缩孔移入冒口中，从而获得致密的铸件,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,提高铸件温度梯度，减少缩松,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,铸造应力、变形和裂纹 铸件在冷凝过程中，各部分金属冷却速度不同，使得各部位的收缩不一致,从而产生热应力;由于铸型和型芯的阻碍作用，使铸件的固态收缩受到阻碍而产生机械应力，在应力作用下铸件容易产生变形，甚至裂纹。,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,防止方法：同时凝固(减少铸件各部位温差)；尽量使铸件结构均匀；提高型、芯退让性；热处理,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,三、特种铸造简介1.熔模铸造(失腊铸造)：制作腊模制作型壳(在腊模上均布涂料撒砂硬化干燥（重复此过程至型壳厚达512mm)脱腊造型焙烧浇注清理。适应于形状复杂、难加工的小件,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,2.金属型铸造：用金属作为铸型材料，故也称为永久型铸造。适用于有色金属小件批量生产。,1-左半型；2-右半型 3,4-组合型芯;5-销孔型芯,活塞(裙部为铝硅合金),CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,3.压力铸造 在压铸机中，以高压(50015,000N/cm2)、高速(550m/s)将金属液压入金属型腔，并在压力下结晶获得铸件的方法。适用于有色金属小件(要求表面质量较高，一般不再机加工)大量生产。,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,1定型；2压射活塞；3动型；4下活塞；5余料；6压铸件；7压室,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,4.离心铸造 将金属液浇入旋转的铸型中，在离心力作用下使金属液充型并结晶的工艺方法。常用于回转体铸件如套筒、管件的批量生产,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,3.3 金属固态成形压力加工 借助外力使固态金属产生塑性变形，获得所需形状、尺寸和力学性能的型材或工件(坯)的工艺方法。一、主要生产方式：轧制、挤压、拉拔、锻造(自由锻、模锻)、冲压(冲裁、拉深),CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,轧制利用轧辊的压力使固态金属变形的工艺。生产型材(圆棒、板材、工字钢、角等)的主要方式,轧制,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,挤压挤压模中的金属受力从模孔流出，获得所需形状的材料或工件的方法。,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,拉拔金属在拉力作用下通过拉拔模而减小截面积增大长度的工艺，主要用于生产细线材、无缝管材等。,自由锻金属坯料在上下抵铁间受力变形的工艺。用于工件制坯模锻金属坯料在锻模模膛中受力变形的工艺。板料冲压金属板料在冲模中受力产生分离或 变形的方法。分离冲裁；变形包括弯曲、拉深等,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,影响因素1.金属本质与结构：纯金属：，可；固溶体：合金组织中可；金属化合物：硬脆，可；多相组织：取决于各组成相的性能、数量、形状、分布等；铸态组织可；细晶组织可。,二、金属的可压力加工性(可锻性)金属进行压力加工获得优质产品的难易程度。(主要指标变形抗力和塑性),2.加工条件变形温度：T，使，可；T过高造成过热(晶粒长大)、过烧(晶界氧化)、氧化、脱碳等缺陷。锻造温度范围：对于碳钢，始锻温度:Ts200;终锻温度:800,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,应力状态(变形方式决定)同号应力状态引起的变形抗力大于异号应力状态 压应力阻止裂纹扩展，；但增大内摩擦，使,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,变形速度 v v，硬化来不及消除，使，可锻性 v 很大，变形能转化为热效应，T，则可锻性,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,3.4 金属连接技术焊接 用局部加热/加压的方法，使分离的金属通过原子间结合/扩散连成整体的工艺方法。分三大类：熔焊：对工件加热接头熔化结晶形成焊缝压焊：在热和压力的作用下使金属连接钎焊：使钎料熔化连接被焊金属,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,一、熔焊焊接接头组织和性能焊接接头(weld joint)由焊缝区(weld metal area)和热影响区(heat-affected zone)组成(一)焊缝组织与性能成分与组织：Si、Mn含量较高；细柱状晶性能：力学性能高于母材,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,(二)热影响区 在焊接热的作用下，焊缝两侧的母材发生组织和性能变化的区域,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,1.熔合区（bond，也称半熔化区）组织：铸态组织+粗大晶粒性能：综合力学性能差2.过热区(over-heated zone)组织：过热组织性能：塑性、冲击韧度差熔合区和过热区是焊接接头的薄弱环节,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,3.正火区（normaling zone）组织：均匀细晶性能：优良4.部分相变区(part phase-transformation zone)组织：较大F+细小P性能：接近母材,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,二、焊接工艺方法简介1.焊条电弧焊(又叫手工电弧焊)：可焊各种位置的3mm的钢构件；热影响区较大，生产率低。,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,2.埋弧自动焊：适用长直焊缝或大直径环缝焊接，生产率高；热影响区大。,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,3.气体保护焊：采用保护性气体隔绝焊缝熔池和空气。氩弧焊钨极氩弧焊(TIG)：适合于有色金属，A体不锈钢焊接，可焊薄板。焊接质量好，生产率低。熔化极氩弧焊(MIG)：可焊厚板,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,CO2气体保护焊：主要用于低碳钢、低合金钢的焊接。成本低，效率高；气体保护效果差，烟雾、飞溅等；,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,4.电阻焊：利用电阻热使被连接金属接触处产生高温，受压使其连接的工艺。点焊：适用于板材搭边焊接(汽车车身、飞机蒙皮等)缝焊：有密封要求的箱体焊接对焊：适用于近似截面的棒材对接,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,3.5 金属的塑性变形一、单晶体的塑性变形单晶体塑性变形的基本方式：滑移与孪生。(一)滑移 在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(滑移面)和晶向(滑移方向)发生移动。临界分切应力：在滑移方向上，使滑移产生的最小切应力分量滑移面大都是最密排面；滑移方向大都是最密排方向,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,1.滑移系 一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个滑移系.,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,滑移系愈多，金属发生滑移的可能性越大，有利于金属的塑性变形。滑移方向的数目比滑移面的数目作用更大滑移系还与杂质、强度、应变速率、温度等有关，可能出现另外的滑移面.实际变形条件下，滑移系并不同时动作。,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,3.滑移机制切应力使位错在滑移面上运动,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,2.滑移表象光学显微镜：滑移带电子显微镜：滑移线,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,二、多晶体塑性变形特点1.晶界位错塞积，变形抗力大；2.细晶容易使变形均匀。,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,三、合金的塑性变形特点1.位错运动困难(晶格畸变，溶质偏聚)2.与各相的数量、形态、分布有关两相性能相近时：合金强度取决于各相的体积分数；两相性能差别大时：合金性能主要取决于硬脆相情况连续网状：强烈阻碍位错运动，且易产生裂纹.(如Fe3C)片状(如 P)：片粗时，塑性变形集中在F中；片层间距很细时，强度很高，片也可发生局部变形。故细片P强韧性好。,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,粒状第二相细小质点、均匀分散在基体中使合金强度、硬度升高的现象弥散强化；与沉淀强化的主要区别在于后者的质点是从基体中析出的，高温时又会溶解。第二相以颗粒分布在塑性相中，如球状P。球状P比片状P的塑性、韧性高，强度、硬度稍低。,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,3.6 变形金属的组织与性能一、金属冷变形后的组织与性能(一)加工硬化(形变强化)随着变形量增大，金属的强度和硬度显著提高而塑性和韧性明显下降的现象。,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,实际意义：1.对于不能用热处理方法强化的合金尤其重要。2.有利于金属的均匀变形。由于已变形部分得到强化，继续的变形将主要在未变形部分中进行,3.可保证金属零件和构件的工作安全性，能防止短时超载引起的突然断裂。4.但给金属的进一步加工带来困难,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,(二)显微组织的变化 1.晶粒变形 晶粒沿最大变形方向被压扁或拉长。当变形量很大时，晶粒成为细条状，金属中的夹杂物也被拉长,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,纤维组织形成 各向异性：平行纤维方向(纵向)的拉伸强度和塑性明显高于垂直纤维方向(横向)；剪切强度和弯曲强度反之。,2.亚结构形成 金属经大量塑性变形后，位错的不均匀分布使晶粒分化成许多位向略有不同亚晶粒,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,3.织构现象形变织构：金属塑性变形量很大(70%以上)时，各晶粒的位向将大体趋于一致，形成特殊的“择优取向”丝织构各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向。如低碳钢经高度冷拔后，平行于拔丝方向板织构各晶粒的一定晶面平行于轧制面、各晶粒的一定晶向平行于轧制方向。如低碳钢的板织构为001110,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,(三)回复与再结晶1.回复：T回(0.250.3)T熔(K)作用：强度、硬度略有下降，塑性略有提高；内应力和电阻明显下降；组织无明显变化目的：保持硬化，消除应力，稳定尺寸，提高耐蚀性。,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,2.再结晶：最低T再(0.4)T熔(K)；实际再结晶退火温度:T再+(100200)K作用：硬化消除，性能恢复；变形晶粒成为细等轴晶目的：恢复变形能力；改善显微组织；消除各向异性；提高组织稳定性。常用于冷变形过程中间退火再结晶退火,3.再结晶组织晶粒度加热温度T和保温时间t：T，t，晶粒预变形程度：临界变形度:由于变形不均匀，使再结晶组织异 常粗大的变形度。,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,二、金属热加工、冷加工1.冷加工(变形)：T再以下的塑性变形；硬化2.热加工(变形)：在T再以上的塑变过程。硬化、回复、再结晶同时发生。,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,3.热加工后对组织的影响(1)改善铸锭组织。消除空洞、破碎碳化物、细化晶粒、降低偏析；提高强度、塑性、韧性。(2)形成纤维组织(流线)。第二相或夹杂物沿变形方向呈纤维状分布,沿流线方向塑性和韧性提高(3)控制好终轧温度和变形量，金属获得良好的再结晶组织。,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,4.热加工的特点(1)可持续大变形量加工;(2)提高材料内部质量和性能;(3)耗能、表面氧化5.冷加工与热加工比较：（请总结）,CHAPTER 3 金属制备成形与塑性变形,本章小结 1.材料的成形与制备是发挥其使用性能的前提、影响其性能的重要因素 2.材料的工艺性能是选材的主要因素 3.塑性变形加工硬化再结晶理论与工艺的结合 本章重点内容：a.铸造、塑性成形、焊接等金属成形方法的原理与常用工艺 b.塑性变形和加工硬化的机理及其应用,CHAPTER 4 金属材料强韧化,第4章 金属材料的强韧化基本途径：调整成分(合金化)、优化工艺4.1 钢的热处理原理热处理 对工件加热(保温)、冷却，改善组织从而提高其性能的工艺,CHAPTER 4 金属材料强韧化,一、钢的加热转变相图中平衡温度线：A1,A3,Acm加热(冷却)临界点：Ac1(Ar1),Ac3(Ar3),Accm(Arcm),CHAPTER 4 金属材料强韧化,(一)钢的A化过程1.共析钢A化：A形核A长大残余Fe3C溶解A均匀化,CHAPTER 4 金属材料强韧化,(1)A优先在相界处形核，并不断产生新晶核(2)A长大取决于C原子的扩散：A向F方面的长大速度高于向渗碳体方面的长大速度长大后期A要溶解残余渗碳体。,CHAPTER 4 金属材料强韧化,2.非共析钢的A化(1)首先完成P的A化；(2)先共析相A化：亚共析钢中先共析F逐渐转变为A；过共析钢中Fe3C完全溶入A中 注意：温度高，使A粗化热处理时过共析钢常常不完全A化,CHAPTER 4 金属材料强韧化,(二)A晶粒度及其控制1.A起始晶粒度：A转变刚完成时的晶粒度2.A实际晶粒度：具体加热条件下的A晶粒度3.A本质晶粒度：93010，保温38h的A晶粒度.14级为本质粗晶粒钢，58级为本质细晶粒钢。表征A晶粒长大倾向性,CHAPTER 4 金属材料强韧化,4.A晶粒度控制：成分影响：Mn、P等促使A；形成晶界第二相的元素阻碍A加热温度和保温时间：T，t，A,二、钢在冷却时的转变方式：等温冷却转变(TTT)连续冷却转变(CCT),CHAPTER 4 金属材料强韧化,CHAPTER 4 金属材料强韧化,(一)共析钢过冷A转变1.过冷A等温转变曲线(TTT图或C曲线)C曲线含义：过冷A等温转变开始时间和转变终了时间以及转变产物的关系图,CHAPTER 4 金属材料强韧化,孕育期：从等温开始到转变开始的时间间隔。,4条线：左实线-转变开始线右实线-转变终了线Ms-M转变开始线Mf-M转变终了线,CHAPTER 4 金属材料强韧化,2.过冷A等温转变 P型转变(A1550)高温、扩散型A1650，AP650600AS(索氏体,细片P)600550 AT(托氏体,极细P),CHAPTER 4 金属材料强韧化,组织珠光体（P）索氏体（S）托氏体（T）HBS170250250300 300450片距(m)0.4 0.20.4 0.2观察方法 X500 X1000 X2000,转变温度越低，P片层间距越细，强度、硬度提高，塑性和韧性也有改善。,CHAPTER 4 金属材料强韧化,贝氏体型转变(中温,半扩散型.550Ms)B过饱和的F与碳化物组成的混合物。550350，A B上 羽毛状B上：平行的F片片间断续Cm350230，AB下 针状B下：F针内分布细片或粒状Cm B下力学性能好，是热处理希望得到的组织,CHAPTER 4 金属材料强韧化,马氏体型转变(低温，无扩散型。MsMf)A以V冷VK（过冷A全部进入M区的最小冷速）冷至Ms 以下时，发生M转变。M碳在Fe中的过饱和固溶体。高硬度、高强度、低韧性。,M转变主要特点：a.无扩散相变。A转变为M只完成晶格重构，没有成分变化；是低温快速转变，大量原子有规律的小距离位移来实现晶格转换b.变温形成 在Ms下保温，M量不增加；c.体积长大 bcc晶格的c轴被拉长，成为正方。c/a称为正方度，c/a越大畸变越严重；体积膨胀导致组织应力d.转变不完全 有残余AAr。wc,Me,Ar,CHAPTER 4 金属材料强韧化,钢中M的组织形态板条M 低碳钢淬火组织，又称低碳M。一个原A晶粒中可有几个板条束，在板条束中有时分成几个平行的板条块，块内分布着稠密的平行的M板条。每个板条内部有高密度的位错，故又称为位错M。,CHAPTER 4 金属材料强韧化,针片状M 高碳钢淬火组织，又称高碳M。形状呈针片状或竹叶状，其立体形态是双凸透镜片状。在原A晶粒内首先形成一片贯穿整个晶粒的M针，以后形成的M片尺寸受到限制，越是后形成的M片越小。透射电镜观察可见孪晶亚结构.,CHAPTER 4 金属材料强韧化,CHAPTER 4 金属材料强韧化,M强化原因相变强化：M晶格切变后，产生大量晶体缺陷，如板条M的高密度位错，片状M的高密度孪晶等，阻碍滑移。固溶强化：过饱和固溶产生严重的晶格畸变，畸变应力场与位错产生强烈的交互作用而使强度硬度升高。时效强化：M中过饱和C原子在很低温度下发生扩散，形成弥散相，对位错有“钉扎”作用。细化强化：M板条和片的尺寸比A小得多，且越小强化作用越明显，并提高韧性。,CHAPTER 4 金属材料强韧化,M的韧性：同样强度的板条M比片状M塑性韧性好得多。因为板条M的亚结构有高密度位错，滑移系与F相同；含碳量低，M形成温度高，可以自回火；内应力小，没有显微裂纹。而片状M的亚结构主要是孪晶，滑移系少，塑性韧性下降；含碳量高，相变膨胀量大，易产生微裂纹。,CHAPTER 4 金属材料强韧化,(二)影响C曲线的因素1.wc：共析钢的A最稳定；wcMs，Mf,2.Me：除Co外，溶入A的Me稳定A；A中Me若以未溶碳化物存在，则A稳定性，C曲线形状变化3.A化条件:T,t,使A晶粒,成分均匀，未溶碳化物,A稳定,CHAPTER 4 金属材料强韧化,(三)过冷A连续冷却转变曲线(CCT图)共析钢CCT曲线：过冷AP开始线Ps、中止线K、终了线Pf,1.共析钢CCT图分析炉冷，全部A P空冷,AS(或ST);VKC下临界冷速:全部P型转变Vmax VKC上临界冷速:过冷A全部冷到Ms以下才发生转变的Vmin。,共析钢CCT曲线,CHAPTER 4 金属材料强韧化,2.CCT图与TTT图比较CCT图位于TTT图的右下方连续冷却时，共析钢以及过共析钢不发生B转变许多材料的CCT图做不出来，热处理时以TTT图估计,3.非共析钢CCT图特点：先共析相；亚共析钢有B转变,CHAPTER 4 金属材料强韧化,三、淬火钢的回火转变回火：将淬火钢件加热至A1线下某温度，保温后冷却。1.回火时的组织转变(1)淬火M转变为回火M(100200)M回过饱和固溶体上分布着细小薄片状碳化物(2)残余A分解(200300)过饱和固溶体上分布着细粒碳化物(3)碳化物类型转变(250400)T,Fe2.4C Fe5C2 Fe3C 回火托氏体T回：F细粒Fe3C,CHAPTER 4 金属材料强韧化,(4)碳化物长大与相再结晶(400)回火索氏体S回等轴细粒F粒状Fe3C2.性能变化 随回火温度，强度、硬度，塑性,3.回火脆性 低温回火脆性(第一类)：250400；与V冷无关。避免措施：等温淬火代替淬回；wSi脆化温区升高 高温回火脆性(第二类)：450650；与V冷有关。避免措施：快冷；减少钢中杂质,CHAPTER 4 金属材料强韧化,CHAPTER 4 金属材料强韧化,4.2 钢的热处理工艺一、退火 将钢加热到一定温度，保温后缓冷(炉冷，坑冷，灰冷)的工艺方法(一)退火目的：1.降低硬度，便于切削加工；2.细化晶粒；3.消除残余应力；4.均匀成分、组织5.为淬火作组织准备,CHAPTER 4 金属材料强韧化,(二)工艺1.完全退火：亚共析钢加热至Ac33050,保温后缓冷至500左右空冷改善由于冷速不均造成的组织不均匀，细化晶粒，降低硬度，便于切削加工。常用于0.5C以上的亚共析钢,CHAPTER 4 金属材料强韧化,2.球化退火：共析和过共析钢加热至Ac11020,保温后缓冷至600左右空冷,得到球状P目的：降低硬度，改善切削性能；为淬火做组织准备减少淬火时由于激冷而产生的变形和开裂。也可应用于亚共析钢，提高塑性，便于冷冲压不完全退火,CHAPTER 4 金属材料强韧化,3.扩散退火（均匀化退火）：铸件(锭)加热至Ac3150200，长时间保温后炉冷用于消除枝晶偏析，均匀成分。随后正(退)火消除过热缺陷4.去应力退火：工件加热至500650，保温后缓冷消除铸件、锻件、焊接件的残余应力，稳定工件形状和尺寸,CHAPTER 4 金属材料强韧化,二、正火 将工件加热至Ac3或Accm以上3050，保温后空气中(风中或喷雾)冷却细化晶粒，适当提高中、低碳钢的强度和硬度便于切削加工冷速快，使过共析钢来不及结成Fe3C网状，便于球化退火正火效率高，成本低。普通件可作为最终热处理。,CHAPTER 4 金属材料强韧化,CHAPTER 4 金属材料强韧化,三、淬火与回火（一）淬火 将钢件加热至Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上3050，保温后激冷，获得高硬度的M1.淬火加热温度的确定 亚共析钢：完全A化，无软相F，冷却后得M(或少量AR)共析钢和过共析钢：加热后组织为：AFe3C淬火后为：MFe3CAR,CHAPTER 4 金属材料强韧化,2.冷却速度理想情况：在C曲线“鼻尖”处v vc，保证过冷A转变为M；其他慢冷，减小热应力，减轻工件变形和开裂倾向,CHAPTER 4 金属材料强韧化,3.淬火方式冷却介质：水，盐水，油，油水双液；等温淬火用盐浴等等单液淬火法：工件在单一介质中冷却双液淬火法：水淬油冷，油淬空冷分级淬火法：在Ms附近的盐浴或碱浴中等温，工件温度均匀后取出缓冷等温淬火：在盐浴或碱浴中等温得B下冷处理：钢淬火到室温后继续深冷，减少AR,CHAPTER 4 金属材料强韧化,(二)回火1.回火作用：消除应力，降低脆性；稳定尺寸和组织；获得最终性能2.回火种类低温回火(150250)：得M回，5865HRC，高硬度高耐磨，内应力和脆性降低。主要用于工具、模具和滚动轴承，以及渗碳和表面淬火的零件。,CHAPTER 4 金属材料强韧化,中温回火(350500)：回火托氏体T回。3545HRC，具有较高的强度硬度和一定的塑性和韧性，高弹性极限。主要应用于要求弹性好的工件如弹簧、钢丝绳等。高温回火(500650)：回火索氏体S回，2535HRC.。具有良好的综合性能。主要用于中碳钢制作的各类连接和传动结构。淬火高回调质,CHAPTER 4 金属材料强韧化,4.3 钢的淬透性 1.淬透性特定条件下，钢获得淬透层深度的能力 淬透层工件淬火后从表层到半M层(M量50%)之间的区域,CHAPTER 4 金属材料强韧化,CHAPTER 4 金属材料强韧化,2.影响因素 A稳定性越好，钢的淬透性越好化学成分：亚共析钢wC或过共析钢wC，A稳定性；除Co外的其他Me溶入A后，降低VKCA化条件：T,t,A晶粒粗大、成分均匀，淬透性,CHAPTER 4 金属材料强韧化,3.淬透性对钢力学性能的影响淬透性好的钢，工件横截面上性能比较均匀，屈强比(s/b)较高,CHAPTER 4 金属材料强韧化,CHAPTER 4 金属材料强韧化,4.4表面强化与特种热处理一、表面淬火 将工件表面快速加热至淬火温度，在热量尚未传到心部时快速冷却，使表层淬硬而心部未淬火的工艺方法1.感应加热表面淬火原理：感应器通电工件感生电流集肤效应工件表层温度最高淬火。,CHAPTER 4 金属材料强韧化,高频 f 为1001000kHz,t0.22 mm,适用小件中频 f 为0.510kHz，t28mm,适用中型件工频 f 为50Hz，t10 15 mm,适用大件,感应加热淬火件预先热处理常采用正火或调质；表面淬火后要回火，得到：表面M回S回或 表面M回(FS),CHAPTER 4 金属材料强韧化,CHAPTER 4 金属材料强韧化,2.火焰加热表面淬火用乙炔氧或者煤气氧混合气焰加热工件表面淬硬层26mm,CHAPTER 4 金属材料强韧化,二、化学热处理 在高温条件下，使某些元素渗入工件表面，改变表面的成分和组织，改善性能的工艺。1.原理与过程(1)介质的分解：介质分解生成活性原子如：渗碳 2CO CO2 C；CH4 2H2 C 渗氮 2NH3 3H2 2 N,CHAPTER 4 金属材料强韧化,(2)工件表面吸收活性原子：活性原子进入工件表面，作为溶质原子或与其他元素形成化合物(3)扩散：溶入原子向工件内部扩散，形成一定厚度的渗层。,CHAPTER 4 金属材料强韧化,2.渗碳 低碳钢在900950渗碳，使工件表面达wc0.81.1，热处理后得到表硬内韧的组织(1)方法：固体法工件埋入碳粉或碳酸盐中，箱式炉加热气体法工件放入井式渗碳炉，用气体渗碳剂(煤气、煤油、苯等)真空法真空炉加热，气体渗碳剂,CHAPTER 4 金属材料强韧化,CHAPTER 4 金属材料强韧化,(2)渗层组织及后处理渗碳层深度：碳钢从表面到亚共析过渡层一半处 合金钢从表面到亚共析过渡层终止处,CHAPTER 4 金属材料强韧化,渗碳后热处理淬火低温回火表层组织：M回CmAR(少)，5864HRC心部组织：淬透 M回F(少)，3545HRC 未淬透FP，约15HRC 3.钢的渗N可使钢件表面形成FeN2、FeN4、AlN、CrN、MoN等化合物，提高硬度、耐磨性、耐蚀性和疲劳强度。,CHAPTER 4 金属材料强韧化,(1)气体氮化：氨气分解，500580，0.20.5mm氮化层，3060h(2)离子氮化：低真空容器中电离N，渗N速度快。4.氮碳共渗,CHAPTER 4 金属材料强韧化,4.5 钢的合金化碳钢的不足：淬透性差；强度和屈强比低；回火稳定性差；应用范围小合金钢：向碳钢中加入合金元素形成的一类钢,CHAPTER 4 金属材料强韧化,合金元素存在形式：溶于F、A中(Co、Al、Cu、Ni等)；形成碳化物(V、Ti、W、Mo、Cr等)形成其它类型化合物(MnS、FeCr、Ni3Al等),CHAPTER 4 金属材料强韧化,2.形成合金碳化物(1)形成合金渗碳体(Fe,Me)3C，硬度,难溶于A，强化钢(2)形成碳化物：弥散的高硬质点钢的强、硬度,塑性、韧性,一、合金元素对钢的平衡组织和性能的影响1.形成合金F 提高硬度，一般会降低韧性,CHAPTER 4 金属材料强韧化,CHAPTER 4 金属材料强韧化,3.合金元素对相图的影响(1)扩大A区的元素：Mn、Ni、N等,CHAPTER 4 金属材料强韧化,(2)缩小A区的元素：W、Mo、V、Ti、Cr等,CHAPTER 4 金属材料强韧化,二、合金元素对钢的热处理组织和性能的影响1.提高正火态钢的性能：A稳定性提高，得S、T甚至B或M2.在淬火钢中的作用：(1)阻止A晶粒长大淬火后得细小M(2)溶入A的Me(Co除外)提高淬透性(3)溶入A的Me(Co、Al除外)AR量,CHAPTER 4 金属材料强韧化,(4)提高回火稳定性淬火钢在回火状态下抵抗硬度下降的能力(5)二次硬化400以上回火时产生弥散分布的碳化物，硬度,(6)回火脆性温度区升高注：1.合金元素的作用要综合考虑 2.每种元素对钢的作用各不相同,CHAPTER 4 金属材料强韧化,本章小结1.重点把握：(1)钢的TTT、CCT曲线；(2)过冷A转变产物的组织形态与性能特点(3)淬火钢回火转变的组织与性能(4)淬透性概念(5)常规热处理工艺2.学习方法提示：总结5大转变的性质、温度、特征、组织、性能和应用。3.自学：激光表面强化技术（表面淬火、表面合金化）,
