钢材之韧性与热处理.ppt

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1、模具材料选用与热处理,钢材之韧性与热处理,(四),-1-,钢材机械性质之相互关系,-2-,钢材的脆化,1.温度的影响-延脆转换温度,2.时效的影响-回火脆性,-高温回火脆性*一次回火脆性(450 500OC)*二次回火脆性(500 650OC),-低温回火脆性(300OC),-3-,-3-,温度的影响-延脆转换温度,钢材的韧性,-4-,温度的影响-延脆转换温度,钢铁材料由延性转变成脆性的温度，称为延脆转换温度。,钢材的韧性,-5-,钢材的韧性,影响延脆转换温度的主要因子,-6-,1.以退火、正常化改善韧性,2.以淬火、回火改善韧性,钢材韧性之改善,-7-,1.以退火、正常化改善韧性,由于退火、

2、正常化可以促进,1.破坏铸造组织2.减轻成份偏析3.组织之均匀化4.结晶粒之微细化5.消除粗大针状之肥粒铁或碳化物,尤其是正常化，其组织微细化的效应，可使韧性改善更为显着。,钢材韧性之改善,-8-,正常化处理之韧性改善效果,正常化处理降低延脆转换温度，可有效改善韧性,钢材韧性之改善,-9-,2.以淬火、回火改善韧性,钢材于淬火硬化后，往往硬度高，但太脆而无法使用，其后之回火，则可使硬度、抗拉强度降低，大幅改善伸长率、断面缩率与冲击值。,但要注意：,1.淬火温度之影响2.淬火冷却速度之影响3.回火温度之影响4.回火脆性之产生,钢材韧性之改善,-10-,2.以淬火、回火改善韧性-淬火温度之影响,淬

3、火加热时间长、加热温度高，则促进碳化物等析出物之固溶，导致沃斯田铁晶粒之粗大化。虽有助于淬火性的改善，提高硬度与强度，但其韧性将可能因此而大幅恶化。,钢材韧性之改善,-11-,2.以淬火、回火改善韧性-淬火冷却速度之影响,淬火冷却速度大，可获得充分淬火完全之麻田散铁，经过适当之回火，可变成微细之糙粒斑铁组织，而呈现最佳之韧性值。,但，淬火不完全时，产生变韧铁、肥粒铁及波来铁等组织或其混合组织，虽经回火仍无法得到充分韧性。,钢材韧性之改善,-12-,2.以淬火、回火改善韧性-回火温度之影响,一般准则：,回火温度愈高，硬度、强度愈下降，而伸长率、断面缩率及冲击值则上升。-因淬火之麻田散铁经回火变成

4、微细之糙粒斑铁,随回火温度之上升，韧性可获改善,钢材韧性之改善,-13-,钢材韧性之改善,2.以淬火、回火改善韧性,回火温度愈高，硬度与强度愈下降，而伸长率与断面缩率及冲击值则上升。,-回火温度之影响,-14-,-14-,低温回火脆性,特徵：,1.沿结晶粒界发生粒界裂痕2.愈是低碳钢脆化愈显着3.含 P、N 愈多之钢脆化愈大4.Al、Ti、B 可以缓和脆化,钢材之回火脆性,-15-,高温回火脆性,多发生于Ni-Cr合金钢,一次回火脆性：发生于450550OC回火，与冷却速度无关,二次回火脆性：发生于600650OC回火后 徐冷时,钢材之回火脆性,-16-,高温回火脆性之影响因子,1.化学成分之

5、影响,-发生脆性之合金元素：Ni,Cr,Mn,C-促进脆化之合金元素：Sb,P,Sn,As,Si-与脆化有关，但影响不大之合金元素：Ge,Bi,S,Se,Te-抑制脆性之合金元素：Mo(对于低温脆性无效),W,Ti,2.组织及强度之影响,-脆化之显着性：麻田散铁 变韧铁-不发生高温脆性：肥粒铁、波来铁,3.回火冷却速度之影响,钢材之回火脆性,-17-,钢材之回火脆性,回火脆性之对策,1.降低 P,Sn,Sb,As 等不纯物元素2.微细化沃斯田铁结晶粒3.添加 0.20.5%Mo 以抑制高温脆性(低温脆性无效)4.利用不完全 火组织(a+g)5.高温短时间回火后急冷6.添加Al,Ti,B 等合金

6、元素可有效抑制低温脆性7.提高Si 含量可防止低温脆性，但有害高温脆性,-18-,-18-,钢铁韧性之影响因子：,1.结晶粒度,2.金相组织,3.合金元素,4.冷、热加工,钢材的韧性,-19-,结晶粒微细化可使钢材强度与韧性同时提高,结晶粒度对韧性之影响,钢材的韧性,-20-,金相组织对韧性之影响,淬火完全之100%麻田散铁回火后之韧性，较不完全淬火之波来铁、变韧铁、麻田散铁之混合组织为高。,完全麻田散铁组织回火后之韧性不太受合金元素之影响。,钢材的韧性,-21-,合金元素对韧性之影响,对于不完全淬火组织之韧性，合金元素之影响甚大。,碳(C)之影响,钢材的韧性,-22-,合金元素对韧性之影响,

7、锰(Mn)之影响,添加Mn可以提高淬火性，有效改善肥粒铁、波来铁钢之韧性。但Mn亦有助长回火脆性之作用，导致韧性之下降。,钢材的韧性,-23-,合金元素对韧性之影响,硅(Si)之影响,适量(0.150.40%)的 Si 有脱氧剂之作用，可得清净均匀结晶粒之钢，而使韧性提高。过量则使延脆转换温度上升，降低钢材韧性。,钢材的韧性,磷(P)、硫(S)等不纯物元素之影响,P、S、Sb、Sn、As 等之不纯物元素会提高回火脆性感受性，而有害钢材之韧性。,-24-,合金元素对韧性之影响,镍(Ni)之影响,添加Ni可以使肥粒铁、波来铁钢与麻田散铁钢之韧性大幅改善。随Ni量之添加，延脆转换温度移向低温，至13

8、%Ni钢则延脆转换温度消失，温度再低亦不脆化。,与Mn相同，由于变态点之降低使结晶粒微细化。,Ni 可提高钢之基地韧性，对改善不完全淬火大型工件心部的韧性甚为有效。,钢材的韧性,-25-,-25-,合金元素对韧性之影响,铬(Cr)之影响,添加 Cr 可以提高淬火性，使得到完全淬火组织改善韧性。,Cr 之添加对于韧性具有正面与负面之双重效果：,添加 Cr 亦将因不完全淬火而生成中间阶段组织，使钢材脆化。,Cr 与 Mn 相同，会助长回火脆性，须加注意。,钢材的韧性,-26-,-26-,合金元素对韧性之影响,钼(Mo)之影响,Mo之添加可改善高硬度钢之韧性。添加适量之Mo可有效抑制高温脆性，改善韧

9、性；但如过量，不完全淬火时，韧性反而劣化。,钢材的韧性,-27-,冷、热加工对韧性之影响：,1.以热加工改善韧性,2.冷加工使韧性降低,3.加工异方性使韧性降低,钢材的韧性,-28-,1.以热加工改善韧性,冷、热加工对韧性之影响,热加工可以改善成分偏析及均质化，并使结晶粒微细化，结果可使韧性改善。,加工度、加热温度、加热次数及最后完成温度等，对韧性均有影响。,适当的加工度、加热温度愈低、加热次数愈多，及最后完成温度愈低，韧性愈佳。,钢材的韧性,-29-,冷、热加工对韧性之影响,2.冷加工使韧性降低,冷加工使钢硬化，韧性下降。,变形时效脆化材料，可加热至590650oC，实施应力消除处理，可使韧

10、性做某种程度的回复,钢材的韧性,-30-,钢材的韧性,冷、热加工对韧性之影响,3.加工异方性使韧性降低,由于加工故，钢中之非金属介在物(如MnS)将向加工方向延伸，连接而成尖锐缺口，导致板厚方向与直角方向之韧性比加工方向大幅降低。,改善方法：降低形成介在物的不纯物；将介在物球状化。,-31-,硬度为工具钢之主要目标，因此，经淬火回火处理后之工具钢组织，通常为碳化物分散于硬质的麻田散铁组织中，韧性低而脆。,工具钢之韧性，通常就三个方面做考量：,1.基地之韧性2.回火与残留沃斯田铁之影响3.碳化物之影响,工具钢的韧性与热处理,-32-,淬火麻田散铁之硬度愈低，则回火后之变形能愈大，亦即韧性愈佳。,

11、须要高韧性时选用 0.5%C 之钢种,(1).含碳量,(2).晶粒大小,晶粒愈粗大，冲击值愈降低，亦即韧性愈差。,1.基地之韧性,工具钢的韧性与热处理,-33-,高碳钢淬火所生成之残留沃斯田铁，有助于延性、韧性之提高。,通常，沃斯田铁化温度愈高，残留沃斯田铁量增加，韧性改善，但高温结晶粒之粗大化，所导致之脆性效应，将使得韧性降低。,-残留沃斯田铁之影响,经过深冷处理过之工具钢则未发现前述现象，全般之韧性均低。,工具钢的韧性与热处理,2.回火与残留沃斯田铁之影响,-34-,-34-,2.回火与残留沃斯田铁之影响,高碳钢淬火后，施以不同温度之回火处理，对机械性质会有相当程度之影响。,含残留沃斯田铁

12、之淬火原材，在某温度(左图为例约220OC附近)低温回火时，韧性可显着改善，但超过此温度则韧性剧减。,-回火之影响,经过深冷处理过之回火工具钢，全般之韧性均低。且前述之改善高峰较小。,-导因于低温回火脆性,工具钢的韧性与热处理,-35-,对于高碳钢而言，在不太损及强度与硬度之范围内，保持适量之安定化残留沃斯田铁，可以有效改善其韧性。,工具钢的韧性与热处理,2.回火与残留沃斯田铁之影响,-36-,工具钢的韧性与热处理,3.碳化物之影响,调整淬火前之碳化物，使成微细、均匀之分散状态，对于工具钢之耐磨耗性与韧性均可以改善。,-37-,特殊热处理与材料韧性,1.以控制压延改善韧性。,6.因环境而脆化。,5.因长时间加热使韧性下降。,4.因应力消除退火使韧性降低。,3.以沃斯回火、沃斯成形处理改善韧性。,2.以(a+g)二相域淬火改善韧性。,-38-,