金属工艺学 第五版cp13

第三章钢的热处理主要内容：1.热处理的基本概念及分类。2.热处理加热与冷却的组织转变。3.退火、正火、淬火、回火的原理、目的。历史在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前770～前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。历史三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。中国出土的西汉(公元前206～公元24)中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为0.15～0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时可转变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。第一节概述1.钢的热处理的概念、目的2.钢在加热时的转变3.钢的冷却转变概念：钢在固态下，通过加热、保温并以一定的速度冷却到室温，以改变钢的内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。1.钢热处理的概念与目的热处理的目的：通过改变组织达到改变性能的目的。热处理的过程：任何一种热处理都要经过加热，保温，冷却三个过程，因此，最高加热温度，保温时间，冷却速度就成为热处理工艺的三大要素。三个要素：1.加热到预定的温度（最高加热温度）2.在预定的温度下适当保温（保温时间），保温的时间与工件的尺寸和性能有关；3.以预定的冷却速度冷却（冷却速度）。冷却速度取决于所需的组织和性能。850温度℃空冷炉冷油冷时间(d,h，min)热处理工艺曲线的示意图热处理分类根据热处理的目的和工艺方法的不同，热处理可分为三大类：普通热处理：退火、正火、淬火、回火表面热处理：表面淬火、化学热处理（渗碳、渗氮等）其他热处理：形变热处理、超细化热处理、真空热处理、离子轰击热处理、激光热处理、电子束热处理等常用的热处理工艺方法2.钢在加热时的转变钢在室温下的组织（即奥氏体化前的组织为平衡组织的情况）：对于亚共析钢→F+P共析钢→P过共析钢→P+Fe3CⅡ加热目的：使钢发生同素异晶转变（得到奥氏体A，消除铁素体F）过热度与过冷度对于加热：非平衡条件下的相变温度高于平衡条件下的相变温度；对于冷却：非平衡条件下的相变温度低于平衡条件下的相变温度。这个温差叫滞后度：加热转变→过热度冷却转变→过冷度，加热与冷却速度越大，导致过热度与过冷度越大。此外，过热度与过冷度的增大会导致相变驱动力的增大，从而使相变容易发生。钢在加热和冷却时的相变临界点实际相变温度与理论转变温度之间的关系平衡状态相变线：A1、A3、Acm加热实际相变线：Ac1、Ac3、Accm冷却实际相变线：Ar1、Ar3、Arcm共析钢加热转变（奥氏体形成）过程温度：室温→Ac1F+Fe3C→A结构：体心复杂面心含碳量：0.02186.690.77A形成过程组织转变示意图1、奥氏体形核（在F/Fe3C相界面上形核）A形核A长大2、奥氏体晶核长大（F→A晶格重构，Fe3C溶解，C→A中扩散）A形成过程组织转变示意图A成分均匀化4、奥氏体均匀化残余Fe3C溶解3、残余Fe3C溶解亚共析钢和过共析钢加热（A形成）过程的转变珠光体的转变：亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是存在先析相。其奥氏体的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变，此转变过程同共析钢同。先析相的溶解：对于亚共析钢，平衡组织F+P，当加热到AC1以上温度时，P→A；在AC1～AC3的升温过程中，先析的F逐渐溶入A。即P+F→A+F→A对于过共析钢，平衡组织Fe3CⅡ+P，当加热到AC1以上时，P→A；在AC1～ACCM的升温过程中，二次渗碳体逐步溶入奥氏体中。即P+Fe3CⅡ→A+Fe3CⅡ→A影响奥氏体形成速度的因素1.加热速度的影响加热速度越快，奥氏体化温度越高，过热度越大，相变驱动力也越大；同时由于奥氏体化温度高，原子扩散速度也加快，提高形核与长大的速度，从而加快奥氏体的形成。2.化学成分的影响钢中含碳量增加，碳化物数量相应增多，F和Fe3C的相界面增多，奥氏体晶核数增多，其转变速度加快。钢中的合金元素不改变奥氏体的形成过程，但能影响奥氏体的形成速度。因为合金元素能改变钢的临界点，并影响碳的扩散速度，且它自身也存在扩散和重新分布的过程，所以合金钢的奥氏体形成速度一般比碳钢慢，尤其高合金钢，奥氏体化温度比碳钢要高，保温时间也较长。3.原始组织的影响钢中原始珠光体越细，其片间距越小，相界面越多，越有利于形核，同时由于片间距小，碳原子的扩散距离小，扩散速度加快导致奥氏体形成速度加快。同样片状P比粒状P的奥氏体形成速度快。3.钢在冷却时的组织转变过冷奥氏体——高温时所形成的奥氏体冷却到A1点以下尚未发生转变的奥氏体。冷却方式：等温冷却和连续冷却。冷却方式不同、冷却速度不同，组织转变的产物不同、钢的性能也不同。共析钢过冷奥氏体等温冷却转变(1)珠光体型转变（高温转变）珠光体型组成：F和Fe3C片层的机械混合物转变温度范围与转变产物形态：A1~650℃：珠光体P20HRc650~600℃：索氏体S（细P）600~550℃：托氏体T40HRc（极细P又称屈氏体）珠光体性能：珠光体片越细→HB↑，σb↑且δ↑，αk↑珠光体组织特征图(a)珠光体(b)索氏体(c)屈氏体(2)贝氏体转变（中温转变）贝氏体组成：F和针状的Fe3C的机械混合物转变温度与转变产物形态：550~350℃：上贝氏体（B上）羽毛状组织塑性差，40-45HRc350~230℃：下贝氏体（B下）针片状组织（Ms）综合性能好，45-50HRc上贝氏组织特征图下贝氏体组织金相图共析钢过冷奥氏体连续冷却转变马氏体转变：过冷A→单相M（无渗碳体）γ-Fe→α-Fe马氏体组成：碳在α-Fe中的过饱和固溶体形态：低碳M（C0.2%）——板条M高碳M(C1.0%)——片状M碳含量（0.2—1.0%）——混合M硬度：主要取决于马氏体的含碳量（即母相奥氏体的含碳量）低碳M（板条M）——强而韧高碳M（片状M）——硬而脆塑性和韧性：低碳M——塑性、韧性好高碳M——塑性、韧性差。马氏体性能：低碳板条状马氏体组织金相图高碳针片状马氏体组织金相图第二节退火与正火退火（annealing）和正火（normalizing）是生产上应用很广泛的预备热处理工艺，大部分钢制构建经退火和正火后，其力学性能和工艺性能都得到改善和调整。一、退火将钢加热到适当温度，保温一定时间，随后缓慢冷却（随炉冷却）以获得接近平衡状态组织的热处理工艺，称为退火。常用的退火工艺有完全退火、球化退火、扩散退火、去应力退火等。退火的主要目的在于调整和改善钢材的力学性能和工艺性能（降低硬度，改善切削加工性；细化晶粒，提高塑性和韧性；消除内应力、为最终热处理做好组织准备），减少钢材化学成分和组织的不均匀性（扩散退火）。（1）完全退火将钢加热到Ac3以上30～50℃，保温一定时间后，随炉缓慢冷却到500℃以下，再出炉在空气中冷却到室温，最后得到平衡组织铁素体和片状珠光体。3加热保温2～3≤500℃后空冷时间/h温度/℃Ac+(30～50)停炉冷却完全退火工艺曲线15℃/h（16h）主要用于亚共析碳钢和合金钢的铸、锻、焊、轧制件，目的是细化晶粒，消除应力，降低硬度，改善切削加工性能。（2）球化退火把过共析钢加热到Ac1以上20～30℃并保温后，以适当的方式冷却，使钢中的网状碳化物球化，这种热处理工艺称为球化退火。(从A中经共析反应析出的渗碳体以未溶渗碳体为晶核，呈球状析出）主要用于过共析钢及合金工具钢的退火。由于过共析钢中存在网状二次渗碳体，在切削加工时，对刀具磨损很大，使切削加工性能变坏，而球状珠光体硬度低，节省刀具。过共析钢热处理前的显微组织T10钢球化退火组织(化染)500（3）去应力退火（低温退火）去应力退火又称低温退火，其工艺是将工件缓慢加热至500～650℃（＜A1），保温一定时间后，随炉缓慢冷却至200℃，再出炉空冷。温度℃时间t500～650℃（＜A1）200℃出炉空冷其目的是消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以及机加工件的残余应力，防止产生变形。（4）扩散退火（又称为均匀退火）将工件加热到Ac3以上150-200℃（1050-1150℃），长时间保温（10-15h)后随炉缓冷。适用于合金钢大型铸、锻件，目的是消除其化学成分的偏析和组织的不均匀性。但扩散退火容易使钢的晶粒粗大，影响力学性能，因此一般扩散退火仍需进行完全退火和正火。二、正火将钢加热到Ac3或Accm以上30～50℃，保温后在空气中冷却得到珠光体基体组织的热处理工艺，称正火。特点：a)冷却速度比退火快，周期短、能耗少。b)组织细小（索氏体），因而钢的力学性能有所提高。正火的主要目的:①细化晶粒，提高强度，提高低碳钢和低合金钢硬度，改善切削加工性（避免“粘刀”现象）。②对过共析钢进行正火，可减少或消除网状碳化物（二次渗碳体），为球化退火做准备；③取代部分完全退火（正火操作简便，生产周期短，消耗少），对低碳钢、含碳较低的中碳钢可达到消除应力。④可作为淬火前的预备热处理，也可用于普通零件的最终热处理。退火与正火的比较各种退火和正火的加热温度范围不同（见图)，正火比退火加热温度高。正火比退火冷却速度快。正火得到的索氏体组织比退火得到的珠光体细，所以对于同一种材料正火比退火具有较高的力学性能。正火比退火的生产周期短、生产率高、操作简单、经济性好。退火强调软化，正火强调高效率。第三节淬火与回火钢的淬火（quenching）与回火（tempering）是热处理工艺中最重要、用途最广泛的工序。通过淬火可以显著提高钢的强度和硬度；通过回火可以消除淬火钢的残余内应力、稳定钢的组织；淬火和回火工艺是密不可分的。一、淬火淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上30~50℃，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。目的：为了提高钢的硬度和耐磨性。关于加热温度亚共析钢必须加热到Ac3以上，进行完全淬火。这是因为亚共析钢如果在Ac1~Ac3之间加热，必然淬火时有一部分铁素体保留在淬火组织中，粗大且较软的铁素体块分布在强硬的马氏体基体上，严重降低了钢的强度和韧性。而过共析钢必须在Ac1~Accm之间加热，进行不完全淬火，使淬火组织中保留一定数量的细小弥散的碳化物颗粒，以提高耐磨性。当加热温度高于Accm时，淬火会得到粗大马氏体和过量残余奥氏体，这反而降低硬度和耐磨性，增大脆性和淬火应力，使工件变形甚至开裂。关于加热时间加热时间（包括零件的升温时间和保温时间）也是影响淬火质量的因素之一。加热时间的确定受到加热速度、加热温度、钢材成分、零件形状和尺寸、装炉方式的影响。在生产上有许多计算加热时间的方法，其中较常用的一种方法是当炉温到达淬火温度时，按工件单位有效厚度的加热时间乘上工件的有效厚度来计算。例如：在箱式炉中，碳钢的单位有效厚度的加热时间为1-1.3min/mm;合金钢1.5-2min/mm关于淬火介质生产中常用的冷却介质分为是水、盐（碱）溶液和油。（1）水的冷却能力很大，但易使工件变形和开裂，主要用于奥氏体稳定性较差的碳钢。（2）盐（碱）水的冷却能力比水强，淬火后的工件硬度高而均匀、表面光洁，但极易使工件变形和开裂且锈蚀。常用于形状简单、硬度要求高、尺寸变形要求不严的碳钢零件。（3）油冷却速度远小于水，有利于减少工件的变形与开裂；但在650～