《金属热处理知识》PPT课件.ppt
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1、,金属材料与金属热处理,热处理是指通过对工件的加热、保温和冷却,使金属或合金的组织结构发生变化,从而获得预期的性能(如机械性能、加工性能、物理性能和化学性能等)的操作工艺称为热处理。工件热处理的目的是通过热处理这一重要手段,来改变(或改善)工件内部组织结构,从而获得所需要的性能并提高工件的使用寿命。,热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程,有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接,不可间断。加热是热处理的重要工序之一。,1 金属热处理工艺基本知识,热处理过程中四个重要因素:在热处理时,因工件的大小不同,形状不同,材料的化学成分不同,所以在具体热处理过程中,要用不同的加热速度、最高的加热
2、温度、保温时间和冷却速度。通常把加热速度、最高加热温度、保温时间和冷却速度称为工件热处理的四个要素,也称工艺参数。正确地确定和保证实施好工艺,就能获得预期的效果,并将得到满意的性能。从数学的观点看,热处理的质量是温度和时间的函数,所以工件的热处理工艺规范可用时间一温度为坐标表示出来,任何工件的热处理,都应包括:,1 金属热处理工艺基本知识,图1 热处理规范示意图(a)简单的热处理规范(b)复杂的热处理规范,都应包括 四个重要因素:(1)加热速度V;(2)最高加热温度T;(3)保温时间h;(4)冷却速度Vt.,2 钢的组织,六种组织(相)(1)铁素体(ferrite,缩写:FN)即-Fe和以它为
3、基础的固溶体,具有体心立方点阵。纯铁在912以下为具有体心立方晶格(注1)的-Fe。碳溶于-Fe中的间隙固溶体称为铁素体,以符号F表示。由于-Fe是体心立方晶格结构,它的晶格间隙很小,因而溶碳能力极差,在727时溶碳量最大,可达0.0218,随着温度的下降溶碳量逐渐减小,在600时溶碳量约为0.0057,在室温时溶碳量几乎等于零。因此其性能几乎和纯铁相同,其数值如下:抗拉强度 180280MN/平方米、延伸率 30-50、硬度 HB 5080 由此可见,铁素体的强度、硬度不高,但具有良好的塑性与韧性。(2)渗碳体(cementite)铁碳合金按亚稳定平衡系统凝固和冷却转变时析出的Fe3C型碳化
4、物。渗碳体是碳钢中主要的强化相,它的形状与分布对钢的性能有很大的影响。同时 Fe3C 又是一种介(亚)稳定相,在一定条件下会发生分解。,2 钢的组织,它的含碳量为6.69;熔点为1227左右;不发生同素异晶转变;但有磁性转变,它在230以下具有弱铁磁性,而在230以上则失去铁磁性;其硬度很高(相当于HB800),而塑性和冲击韧性几乎等于零,脆性极大。(3)奥氏体:是碳溶解在Fe(面心立方晶格)中的间隙固溶体,常用符号A表示。它仍保持Fe的面心立方晶格。其溶碳能力较大,在727时溶碳为c 0.77,1148时可溶碳2.11。奥氏体是在大于727高温下才能稳定存在的组织。奥氏体塑性好,是绝大多数钢
5、种在高温下进行压力加工时所要求的组织。奥氏体是没有磁性的。(4)马氏体(M)是碳溶于-Fe(体心立方晶格)的过饱和的固溶体,是奥氏体通过无扩散型相变转变成的亚稳定相。其比容大于奥氏体、珠光体等组织,这是产生淬火应力,导致变形开裂的主要原因。马氏体最初是在钢(中、高碳钢)中发现的:将钢加热到一定温度(形成奥氏体)后经迅速冷却(淬火),得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。,2 钢的组织,(5)珠光体是u体/氏体是碳溶解在Fe中的间隙u体/生共析转变所形成的u体/u体/析体。珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间,强韧性较好.其抗拉强度为750 900MPa,180 280HBS,伸长率为20 25%
6、,冲击功为24 32J.力学性能介于铁素体与渗碳体之间,强度较高,硬度适中,塑性和韧性较好b=770MPa,180HBS,=20%35%,AKU=2432J).(6)索氏体(sorbite)钢经正火或等温转变所得到的铁素体与渗碳体的机械混合物。索氏体组织属于珠光体类型的组织,但其组织比珠光体组织细。索氏体具有良好的综合机械性能。回火索氏体中的碳化物分散度很大,呈球状。故回火索氏体比索氏体具有更好的机械性能。这就是为什么多数结构零件要进行调质处理(淬火+高温回火)的原因。索氏体的定义及组织特征。索氏体,是在光学金相显微镜下放大600倍以上才能分辨片层的细珠光体(GB/T7232标准)。其实质是一
7、种珠光体,是钢的高温转变产物,是片层的铁素体与渗碳体的双相混合组织,其层片间距较小(3080nm),碳在铁素体中已无过饱和度,是一种平衡组织。,四把火:退火、正火、淬火、回火1)钢的退火与正火,3 钢的热处理基本工艺及应用,退火与正火的目的 调整硬度以便进行切削加工 消除残余应力 细化晶粒,改善组织 为最终热处理做好组织上的准备,退火:将钢加热、保温,然后缓慢冷却的热处理工艺。退火工艺可分为完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、再结晶退火等,如图所示。,图3 箱式炉,图2 各种退火及正火的加热范围,完全退火 将亚共析钢加热到Ac3+3050,保温后缓冷的退火工艺称为完全退火。目的:降低硬度
8、,消除内应力。等温退火 将亚共析钢加热到Ac3+3050、过共析钢加热到Ac1+3050,保温后快冷到Ar1以下某一温度保温,然后出炉空冷。如图是高速钢等温退火与普通退火的比较,图3高速钢等温退火与普通退火的比较,球化退火将共析钢或过共析钢加热到 Ac1+2030,保温适当时间后缓慢冷却的热处理工艺称为球化退火。目的:降低硬度,改善切削加工性能;形成球状珠光体,为后面的淬火作组织准备。,扩散退火 将工件加热到略低于固相线温度,保温后缓慢冷却的热处理工艺称为扩散退火。目的:消除成份偏析。,去应力退火 将工件加热到 Ac1以下某一温度,保温后随炉冷却的热处理工艺称为去应力退火。目的:消除铸、锻、焊
9、的内应力。,正火是将钢加热到 Ac3或 Accm以上3050,保温后空气中冷却的热处理工艺。,正火具有以下几方面的应用:含碳量0.25%经正火后硬度提高,改善了切削加工性能。消除过共析钢中的二次渗碳体。作为普通结构零件的最终热处理。,正火的冷却速度稍快于退火,由C曲线可知,二者的组织是不一样的。正火后的组织比退火细,如图所示。,图3 正火与退火后组织的比较,2)钢的淬火,淬火是将钢加热到临界点以上,保温后以大于Vk的速度冷却的热处理工艺。目的:为了获得马氏体,提高钢的力学性能。淬火温度 选择淬火温度的原则是获得均匀细小的奥氏体。如图所示,一般淬火温度在临界点以上。,图4 碳钢的淬火温度范围,对
10、亚共析钢,淬火温度为Ac3+3050,淬火组织为马氏体,如图所示。,亚温淬火:加热温度在Ac1 Ac3之间,淬火组织为马氏体加铁素体,如图所示。亚温淬火也是一种强韧化处理方法。,图6 马氏体加铁素体,图5 马氏体,图7,对共析钢和过共析钢 淬火温度为Ac1+3050,组织为细马氏体加颗粒状 渗碳体和少量残余奥氏体,如图所示。,对合金钢,一般淬火温度为临界点以上50100。提高淬火温度有利于合金元素在奥氏体中充分溶解和均匀化。,3)淬火介质,为了保证得到马氏体组织,淬火速度必须大于临界冷却速度Vk,但往往会引起工件变形和开裂。要想既得到马氏体又避免变形和开裂,理想的淬火冷却曲线如图所示。,最常用
11、的淬火介质是水和油。,图8 理想的淬火冷却曲线,水是经济且冷却能力较强的淬火介质。如表所示:,油主要用于合金钢或小尺寸碳钢工件的淬火。,熔融状态的盐也常用作淬火介质,称作盐浴。这类介质只适用于形状复杂和变形要求严格的小件的分级淬火和等温淬火。近年来出现聚乙烯醇水溶液、三乙醇铵水溶液、高浓度硝盐水溶液等淬火介质。,表1,4)淬火方法,常用淬火方法如图所示。,图9 各种淬火方法示意图,单液淬火法 将加热的工件放入一种淬火介质中连续冷却至室温的操作方法,如水淬、油淬等。,将加热的工件放入一种冷却能力较强的介质中冷却,然后转入另一种冷却能力较弱的介质冷却的淬火方法。如水淬油冷或油淬空冷。双液淬火主要用
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