热处理基本知识及工艺原理.ppt
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1、热处理基本知识及工艺原理,1,主讲人:王明亮2014年3月22日,2023/10/30,1,2,常见热处理设备,目录,1,2,3,4,金属学与热处理基本原理,工业用钢及其热处理,钢的热处理工艺,2,2023/10/30,5,热处理常见缺陷,3,2023/10/30,一 铁碳合金及其相图,1 纯铁的晶体结构与性能(1)纯铁冷却中晶体结构的变化:1538 1394 912 L Fe Fe Fe bcc fcc bcc 纯铁在冷却过程中经历两次同素异构转变,(2)纯铁性能:强度低、硬度低、塑性好、铁磁性,4,2023/10/30,2 铁碳合金与铁碳相图,(1)铁碳合金中的基本相与基本组织,基本组元:
2、Fe、C基本相:,5,2023/10/30,(2)铁碳相图,(1)铁素体(F)(2)奥氏体()(3)渗碳体(Fe3C)(4)珠光体(P):F Fe3C 共析反应产物(5)莱氏体(Ld):Fe3C共晶反应产物(6)变态莱氏体(Ld):PFe3C,6,2023/10/30,(2)铁碳合金分类,附件:,7,2023/10/30,二 热处理基本原理,1 热处理基本概念与知识,定义:在一定介质中,通过加热、保温、冷却以使金属的组织发生转变以获得所需性能的一种工艺过程。,三个基本过程:,加热、保温、冷却,四个重要参数:V加热、T保温、t保温、V冷却,8,2023/10/30,45#钢 V冷却不同对其性能的
3、影响,示例,9,2023/10/30,2 钢在加热时的转变,目的:获成分均匀、晶粒细小的奥氏体晶粒,奥氏体化:将钢件加热至临界点以上,使之转变为,称为奥氏体化。,共析碳钢奥氏体形成过程示意图,10,2023/10/30,亚共析钢:F+P F+A A 过共析钢:Fe3C+P Fe3C+A A,11,2023/10/30,3 钢在冷却时的转变,冷却方式有两种:一是等温冷却(常用于理论研究)二是连续冷却(常用于生产),12,2023/10/30,(1)过冷奥氏体等温转变图(C曲线或TTT曲线),共析钢C曲线,13,2023/10/30,亚共析钢和过共析钢的C曲线,14,2023/10/30,共析钢的
4、CCT曲线,(2)过冷奥氏体连续冷却转变图(CCT曲线),15,2023/10/30,亚共析钢和过共析钢的CCT曲线,16,2023/10/30,(3)几种转变的特点,17,2023/10/30,片状珠光体,粒状珠光体,18,2023/10/30,上贝氏体,下贝氏体,19,2023/10/30,板条状马氏体,针状马氏体,20,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,21,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,一 退火1 定义:钢加热到适当温度,保温一定时间后缓慢随炉冷却或控制其冷速,获平衡组织的工艺。,22,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,2 目的:降低硬度,改善切削加工性能;
5、适合机加工的硬度范围:150250HB;细化晶粒;均匀组织;消除内应力。,23,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,3 各种退火工艺及其特点:(1)球化退火工艺规范:,24,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,特点:工艺:不完全奥氏体化 组织:球状(粒状)珠光体目的:降低(过)共析钢硬度,适合切削 为最终热处理做组织准备适用范围:含碳量较高的工、模具钢的预备热处理,25,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,(2)完全退火工艺规范:,特点:工艺:完全奥氏体化 组织:层片状珠光体目的:降低硬度,改善切削加工性能 细化晶粒;消除内应力;减轻组织不均匀性(消除魏氏组织等)适用范围:亚
6、共析钢、合金钢的铸、锻、热轧、焊件的预备热处理,26,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,(3)均匀化退火工艺规范:,特点:(1)高温、长时间(2)需再经重结晶工艺(完全退火或正火)以细化晶粒目的:消除或减轻偏析、带状组织等适用范围:合金钢锭、大型铸钢件,27,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,(4)再结晶退火工艺规范:,目的:消除加工硬化 完全消除残余应力适用范围:冷塑性变形件,28,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,(5)去应力退火工艺规范:,目的:消除内应力,防工件变形适用范围:铸、锻、焊、冲压、机加工件,29,2023/10/30,(6)等温退火工艺规范:,特点:
7、(1)缩短时间;(2)组织更均匀;,30,2023/10/30,二 正火1 定义:钢加热到AC3或ACm以上的区域,保持一定时间后在空气中冷却,以获得接近平衡状态组织的工艺。,钢的热处理工艺,2,T,t,31,2023/10/30,2 目的:细化晶粒,消除铸锻焊件组织缺陷;提高低碳钢硬度,改善切削加工性能;消除高碳钢网状二次渗碳体,为球化退火作组织准备;型材或大型复杂铸钢件的最终热处理,钢的热处理工艺,2,32,2023/10/30,3 正退火区别,钢的热处理工艺,2,33,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,示例,34,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,4 正火与退火的选用 原
8、则:能用正火处则不用退火 正火可作为大件或不重要工件的最终热处理,而 退火一般不作为最终热处理,35,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,三 淬火淬火与回火时不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺1 定义:钢加热到AC3 或AC1以上,保温一定时间后使其奥氏体化,然后以大于其临界冷速的速度急剧冷却,获马氏体或贝氏体体组织的工艺方法。,2 目的:淬火可以显著提高钢的硬度、强度及耐磨性等。,T,t,36,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,3.加热温度,37,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,亚共析钢与过共析钢加热温度为何有区别?亚共析钢:若AC3 AC1保温,F多,硬度等
9、过共析钢:若T ACm C%,AR,硬度等 组织粗大,38,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,4淬火介质理想:650以上,慢,减小热应力 650-400,快,避免C曲线 400以下,慢,减轻相变应力,39,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,5淬透性与淬硬性,淬透性:淬火条件下得到M组织的能力,取决于 VK(上临界冷却速度)淬硬性:钢在淬火后获得硬度的能力,取决于M中C%,C%淬硬性,40,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,淬透层深度:由工件表面半马氏体点(50%M)的深度。,41,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,42,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,
10、5几种淬火方法,43,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,四.回火1.定义:将淬火后的钢在A1以下温度加热,使其转变为稳定的回火组织,并以适当方式冷却的工艺过程。,2.目的:消除淬火应力,降低脆性;稳定工件尺寸,由于M、残余A不稳定 获得要求的强度、硬度及塑性、韧性的配合,回火脆性钢水、油冷;高合金钢的多次回火,44,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,3.回火与温度的关系,不同含碳量的碳钢回火温度与硬度之间的关系,45,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,4.回火种类,46,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,5.调质处理淬火+高温回火调质处理,42CrMo调质工艺及
11、其金相组织,47,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,五.表面淬火,表面淬火:不改变表面化学成分,只改变其表面组织的局部热处理方法。目的:心部保持较高的综合机械性能,表面具有高硬度和耐磨性。感应加热表面淬火原理:电磁感应及集肤效应分类:a.高频 200-300KHz 淬硬深度0.5-2mm 小工件 b.中频 2500-8000Hz 淬硬深度2-5mm 尺寸较大的工件 c.低频 50Hz 淬硬深度10-15mm 大型工件适用范围:中碳钢和中碳低合金钢,如:40、45、50和40Cr、40MnB等,48,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,特点:组织:MMFT FPb.加热T,形核,不
12、易长大,实际晶粒组度小,淬火得到极细隐晶马氏体,硬度,脆性c.残余压应力提高寿命d.不易氧化、脱碳、变形小e.工艺易控制,设备成本高,49,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,定义:将工件在特定的介质中加热、保温,使介质中的某些元素渗入工件表层,以改变其表层化学成分和组织,获得与心部不同性能的热处理工艺。分类:渗碳、渗氮、渗硼、渗铬、碳氮共渗等基本过程:分解、吸附和扩散三个基本过程,六.化学热处理,50,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,1 渗碳,目的:提高表面硬度(62-68HRC),耐磨性,而使心部仍保持一定的强度和良好的塑性 和韧性。分类:气体渗碳、液体渗碳及固体渗碳气体渗
13、碳原理:在高温(900950)气体介质中的渗碳适用范围:低碳钢、低碳合金钢,51,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,组织:,过共析层回火M+细小碳化物+残,共析渗碳层回火M,亚共析过渡层回火MF,52,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,淬火方法:(1)直接淬火(如图a、b曲线)奥氏体晶粒大,马氏体粗大,残余多,耐磨性低,变形大。只适用于本质细晶钢或耐磨性要求低和承载低的零件。(2)一次淬火(如图c曲线)(3)二次淬火(如图d曲线),53,2023/10/30,钢的热处理工艺,2,2 其他化学热处理,54,2023/10/30,1 碳钢优点:价廉、实用;缺点:(1)淬透性低:水淬
14、,D临=10 20mm(2)强度、屈强比较低;20钢与16Mn的s:240、360MN/m2;40钢与35CrNi3Mo的s/b:0.43、0.74(3)回火稳定性差,综合机械性能较差(4)不能满足特殊性能要求,一.概述,55,2023/10/30,合金钢:提高淬透性:Si、Mn、Cr、B、Ni、W、Mo、Cu固溶强化:Si、Mn、Ni细化晶粒:Al、V、Ti、W、Mo、Nb、Zr提高回火稳定性:W、Mo、V、Si、Cr消除高温回火脆性:W、Mo特殊耐蚀、耐热性,56,2023/10/30,二.工业用钢,1 结构钢,要求:(1)尺寸大,形状复杂,需承受较大的载荷,因此,要求钢材必须具有较高的强
15、度(包括屈服强度和抗拉强度)和足够的韧性;(2)具有良好的塑性与焊接性能(3)必须具有良好的冷脆性和耐候性成分特点:(1)低碳、C0.2%,满足成型、焊接性要求(2)Me(3%),微合金化或低合金化 Mn(0.81.7%):固溶强化、增加珠光体量、细化珠光体 V、Ti、Nb:弥散强化、细化晶粒,57,2023/10/30,种类:碳素结构钢:Q195、Q215、Q235等低合金高强度结构钢:Q345、Q390、Q460等热处理:使用状态一般为热轧,组织为铁素体珠光体;有时也在正火及正火加回火状态下使用,使组织更加均匀、细化。,58,2023/10/30,2 渗碳钢,渗碳钢是指经渗碳处理后使用的钢
16、种,碳氮共渗用钢与渗碳钢大体相同。主要应用为汽车及机床上的齿轮、活塞销等要求:(1)具备高的耐磨性、接触疲劳强度、弯曲疲劳强度和屈服强度(2)较高的塑性与韧性成分特点:(1)低碳、0.100.25%(2)加入提高淬透性的元素(3)加入能够细化晶粒的元素,59,2023/10/30,种类及应用:渗碳钢分类按其淬透性或强度级别可以分为三类,热处理:见第二章,60,2023/10/30,3 调质钢,经调质处理后使用的结构钢称为调质钢。主要用作汽车、机床及其他设备等的重要零件如曲轴、连杆等要求:(1)比较全面的力学性能:高强度、良好塑韧性、高的疲劳强度;(2)脆性转变温度较低成分特点:(1)中碳:0.
17、250.45%(2)加入提高淬透性的元素,如Si、Mn、Cr、Ni、Mo、B等(3)加入防止第二类回火脆性的元素,如Mo、W、V等,61,2023/10/30,种类及应用:调质钢分类按其淬透性高低可以分为三类,62,2023/10/30,热处理:(1)预备热处理:正火(含碳量较低、合金元素较低)正火高回(合金元素较高)退火(含碳量较高)(2)最终热处理:淬火高回,63,2023/10/30,4 弹簧钢,用于制作各种弹性元件的钢种,起缓和机械振动和冲击、吸收冲击能量的作用。要求:(1)高的弹性极限和屈强比(2)高的疲劳极限(3)一定的塑性和韧性成分特点:(1)中、高碳 普通碳素弹簧钢含碳 0.6
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