复旦工程材料课件02材料改性方法

第二章材料改性方法（金属热处理）金属的热处理：是将金属在固态范围内加热到一定温度下，进行必要的保温，并以适当的速度冷却至室温，以改变其内部组织，从而获得所需性能的工艺方法。通过热处理可以提高材料的强度、硬度，改善塑性、韧性及切削性能。机床中热处理零件占到60-70%，汽车中占80%，飞机上的金属零件100%要进行热处理。2.1铁碳合金状态图（相图）一、铁碳合金状态图（相图）下图为Fe-Fe3C状态图，表示各种成分的铁碳合金，在不同温度下的状态图。由于C6.69%的铁碳合金脆性极大，没有使用价值，因此相图成分轴仅标出含碳量小于6.69%的合金部分。二、铁碳合金状态图的应用利用状态图可以对铁碳合金在温度变化时其状态的变化进行分析。状态图是编制铸造、锻造、热处理等工艺的重要依据和分析合金组织、组织转变以及合金性能的有力工具。根据铁碳状态图可分析铁碳合金的结晶过程和加热时的组织转变。需要注意的是，状态图中的组织转变是在温度变化极其缓慢的情况下发生的。温度变化较快时的组织转变与状态图有差别。主要分为如下五个部分进行说明：（1）分析铁碳合金的结晶过程（2）分析加热时的组织转变（3）分析铁碳合金组织（4）判断铁碳合金的力学性能（5）判断铁碳合金热加工工艺性（6）确定工艺参数2.2热处理工艺热处理工艺的基本过程包括加热、保温和冷却三个阶段。常用热处理工艺可分为普通热处理和表面热处理两大类。普通热处理包括退火、正火、淬火和回火。表面热处理包括表面淬火、渗碳、渗氮和碳氮共渗等，渗碳、渗氮和碳氮共渗又叫化学热处理。一、退火退火：将钢加热到高于或低于临界温度，保温一段时间后，然后缓慢冷却(如随炉或埋入导热性能较差的介质中)，从而获得接近于平衡组织的一种热处理工艺。目的及作用：退火可降低硬度，以利于切削加工，细化晶粒，改善组织，提高力学性能。消除内应力，为下一道淬火工序做好准备。提高钢的塑性和韧性，便于继续冷冲压或拉拔加工。由于退火的目的不同。主要退火工艺有：完全退火、球化退火、等温退火、去应力退火、再结晶退火和扩散退火。二、正火定义：正火是将钢加热到Ac3(亚共析钢)或Accm(过共析钢)以上（30～50）℃的温度，保温后从炉中取出在空气中冷却的热处理工艺。目的及作用：其冷却速度较退火快些，所得到的组织较细（索氏体），同样钢件在正火后的强度和硬度比退火后高，而且钢的含碳量越高，用这两种方法处理后的强度和硬度的差别愈大。对于亚共析钢主要是细化晶粒，均匀组织，提高力学性能；对于力学性能要求不高的普通结构零件，正火可作为最终热处理；对于中高碳钢则应采用退火；因为正火后的硬度可能过高，不利于加工。优点：正火是在炉外冷却，不占用加热设备，生产周期比退火短，生产效率高，能量消耗少，工艺简单、经济，所以，低碳钢多采用正火来代替退火。三、淬火定义：将钢加热到Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上（30～50）℃，保温一定时间使之奥氏体化，然后迅速冷却至室温，从而获得马氏体组织的工艺。目的：一般是提高钢的硬度或获得马氏体组织，随后再配合适当的回火，以获得多种多样的使用性能。淬火温度:碳钢的加热温度主要由钢中的含C量根据Fe-Fe3C相图来确定，如图所示为碳钢的淬火加热温度范围淬火冷却介质要得到马氏体，淬火的冷却速度就必须大于该钢种的临界冷却速度，而快冷总是不可避免地要造成很大的内应力，往往会引起钢件的变形和开裂。因此，冷却介质对钢的理想淬火冷却速度应是“慢――快――慢”，如图所示。生产中常用的冷却介质有:①水：在（650～400）℃范围内冷速很大，保证工件获得马氏体组织，但在300℃以下冷却能力仍然很强，工件易发生变形和开裂，这是水的最大弱点。一般用于形状简单碳钢件的淬火。②盐水：冷却能力比一般清水还强，因为工件表面的结晶盐发生爆炸，破坏了包围工件的蒸汽膜，有利于散热。③油类淬火剂：多为矿物油，一般用于合金钢或小尺寸碳钢件的淬火。四、回火定义：回火就是将淬火后的钢重新加热到Ac1以下的某一温度，保温一段时间，然后置于空气或水中冷却的热处理方法。回火的目的:1.降低淬火钢的脆性和内应力，防止变形或开裂。2.调整和稳定淬火钢的结晶组织以保证工件不再发生形状和尺寸的改变。3.获得不同需要的力学性能，通过适当的回火来获得所要求的强度、硬度和韧性，以满足各种工件的不同使用要求，淬火钢经回火后，其硬度随回火温度的升高而降低，回火，一般也是热处理的最后一道工序。因此，淬火与回火必须结合起来才能发挥良好的作用。五、钢的表面热处理机械制造业中，很多机器零件要求表面耐磨损，不易产生疲劳破坏，而心部则要求有足够的韧性，如齿轮、轴、凸轮等。进行表面热处理时满足这类性能要求的最有效的方法。表面热处理可分为两类：表面淬火和化学热处理。（1）表面淬火目的：使零件表面具有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限，而心部仍保持足够的塑性和韧性，即“表硬里韧”。各种齿轮、凸轮、顶杆、套筒及轧辊等工件，经常通过表面热处理进行强化。表面淬火适用材料：中碳钢或中碳合金钢。工艺特点：快速加热，使工件表面迅速升温至淬火温度，而工件心部仍处于A1以下，这时立即喷水冷却，使工件表面层被淬硬成为马氏体，心部仍是原来的组织，保持着良好的韧性。种类：根据加热方法不同，主要有：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火以及电解液加热表面淬火等几种。应用最多的为感应加热和火焰加热表面淬火法。①感应加热表面淬火定义：是采用一定方法使工件表面产生一定频率的感应电流，将零件表面迅速加热，然后迅速淬火冷却的一种热处理操作方法。原理：电磁感应产生同频率的感应电流即涡流。涡流在工件截面上的分布是不均匀的，心部几乎等于零，而表面电流密度极大，称为“集肤效应”，频率愈高，电流密度极大的表面层愈薄。依靠这种电流和工件本身的电阻，使工件表面迅速加热到淬火温度，而心部温度仍接近室温，然后立即喷水冷却，使工件表面淬硬。分类：感应加热可分为三类：(1)高频加热常用频率为（200～300）KHZ，淬硬层深度为（0.5～2.5）mm，适用于中、小型零件，如小模数齿轮、轴类等。(2)中频加热常用频率为（2500～8000）HZ，淬硬层深度为（2～10）mm，适用于直径较大的轴类和大、中模数齿轮以及钢轨、机床导轨等。(3)工频加热电流频率为50HZ，不需要频设备，城市用交流电即可，适用于淬硬层深度为（10～20）mm以上的大型工件或用于穿透加热。如火车车轮等的表面淬火。优缺点：感应加热表面淬火加热速度快，生产率高，加热温度和淬硬层深度容易控制，工件表面氧化和脱碳少，工件变形小，可以使全部淬火过程实现机械化、自动化。其缺点是设备较昂贵，形状复杂的零件感应圈不易制造，且仅适用于大批量生产。适用过程：调质处理---表面淬火---低温回火。②火焰加热表面淬火定义：火焰加热表面淬火是用乙炔－氧或煤气－氧的混合气体燃烧的高温火焰，喷射在零件表面上，使它快速加热达到淬火温度，而心部温度仍很低，随即喷水冷却，从而获得高硬度马氏体组织和淬硬层的一种表面淬火方法，如图所示。优缺点：淬硬层深度一般为（3～6）mm，若要获得更深的淬硬层，会引起零件表面严重的过热，且易产生淬火裂纹。由于淬火质量不够稳定，生产率低，限制了它的广泛应用。但它具有方法简便灵活，无需特殊设备、成本低等优点，适用于单件或小批量生产的大型或需要局部淬火的零件。如大型轴、大齿轮、轧辊、齿条、钢轨面等。（2）化学热处理定义：是将工件置于特定介质中加热和保温，使一种或几种元素渗入工件表面，以改变表层化学成分组织和性能，并能用低廉的碳钢或合金钢来代替某些较昂贵的高合金钢。近年来化学热处理发展迅速。通过化学热处理能有效地提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性、抗疲性等。种类：渗碳、渗氮和碳氮共渗①渗碳：渗碳是向低碳(0.1～0.25C)的碳钢或合金钢的表面层渗入碳原子的过程。分类：按渗碳剂的不同，渗碳法可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳三种。前两种应用较广泛。气体渗碳速度0.2mm/h，一般渗碳层厚度0.5—2mm，渗碳后零件表面含碳量约为0.8%—1.0%，由表面至内部，含碳量逐渐降低。②氮化：是向钢的表面渗入氮原子的过程。目的是提高工件表面硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度，又叫渗氮。目前广泛采用气体氮化。优缺点：渗氮后不需淬火，因此变形很小。但是氮化生产周期长、工艺复杂，一般要经过几十小时甚至上百小时，要得到0.2—0.4mm的氮化层而，氮化时间约需30—50小时。且要用合金钢使钢种受限制，因此氮化零件的成本较高，它多用于要求耐磨、耐疲劳、耐蚀的工件上，精密机床的主轴、丝杆、高速精密齿轮、镗床镗杆、磨床主轴，汽轮机的阀门、阀杆等。③碳氮共渗钢件表面同时渗入碳和氮原子，形成碳氮共渗层，以以提高工件的硬度、耐磨性和疲劳强度的处理方法，又称为氰化。2.3热处理工序安排根据热处理在整个零件加工过程当中的工序位置不同，可将热处理分为预先热处理和最终热处理。一、预先热处理作用：消除内应力，细化晶粒，改善组织，改善切削加工性能，并最终热处理作组织准备。主要包括退火、正火、调质等。其工序位置般在毛坯生产（铸、锻、焊）之后，或机械粗加工之后，精加工之前。1、退火、正火铸、锻、焊等毛坯生产的加工温度很高，生产出的毛坯晶粒粗糙，而且往往有很高的残余应力。毛坯生产（铸、锻、焊冲压）→退火或正火→切削加工毛坯生产（铸、锻、焊冲压）→退火或正火→切削加工→中间退火→切削加工2、调质调质主要是为了保证表面淬火或化学热处理（如氮化）零件心部的力学性能，以及为易变形零件的最终热处理作准备。锻造→正火或退火→粗加工→调质→精加工→表面热处理或淬火+回火二、最终热处理最终热处理是决定零件最终组织和性能的热处理。包括各种淬火、回火及化学热处理等。最终热处理后的零件一般硬度较高。除磨削外，不宜进行其它切削加工，所以一般安排在半精加工之后，磨削加工之前。1、淬火整体淬火和表面淬火的工序位置相同。但表面淬火件为了保证心部力学性能，获得细马氏体组织，在淬火前先调质或正火。整体淬火件锻造→退火或正火→粗加工、半精加工→淬火+回火→精加工（磨削）。表面淬火件粗加工→调质→半精加工→淬火、低温回火→精加工（磨削）或者正火→粗加工、半精加工→调质→表面淬火、低温回火→精加工（磨削）2、渗碳渗碳分整体渗碳和局部渗碳两种。局部渗碳时，非渗碳部位可采用镀铜防渗或多留加工余量，渗碳后再去除该处的渗碳层。渗碳后还要进行淬火、回火。渗碳后钢件表面组织为珠光体和渗碳体，硬度不高。淬火回火后成为马氏体和渗碳体，硬度大大提高。渗碳后的钢心部为铁素体和珠光体，淬火后得到的板条马氏体具有高强度、高韧性，所以渗碳后必须淬火及低温回火。整体渗碳粗加工→渗碳→半精加工→淬火、低温回火→精加工（磨削）局部渗碳粗加工→渗碳→去除局部渗碳→淬火、低温回火→精加工（磨削）或者粗加工→镀铜→渗碳→半精加工→淬火、低温回火→退铜→粗加工3、氮化氮化前先要调质，以保证心部的力学性能。因氮化温度低，产生的变形小，而且氮化层很薄、很脆，所以氮化前零件一般应精加工到粗磨工序，氮化后只进行精磨或研磨。为了防止因切削加工产生的残余应力引起氮化件变形，在氮化前常进行去应力退火。对局部氮化零件，可采用镀锡防渗或留加工余量，氮化后再磨去该余量，氮化的一般加工路线为：粗加工→调质→粗加工→去应力退火→粗磨→氮化→精磨或研磨实际生产中，可根据实际情况对热处理工序进行调整，几种零件热处理的安排如下表。2.4淬火变形及零件的结构工艺性由于淬火时的温度变化剧烈，工件各部冷却速度不同，淬火后工件不可避免地会产生变形，工件内部也会有残余内应力。特别是当淬火零件结构不对称、壁厚不均匀或操作不当时，工件会产生很大的内应力、变形甚至开裂。残余应力会在后续加工或以后的使用过程中释放出来，引起工件变形甚至开裂。可通过淬火后的回火或时效消除应力。在设计零件时，也应考虑到零件结构对淬火应力的影响。在满足使用要求的前提下，零件的结构形状应尽量对称，壁厚均匀，必要时可增加工艺孔或采用组合结构；避免出现尖角