运用热处理知识论述钢材产品组织的控制

安徽冶金科技职业学院2010级材料成型及控制专业毕业论文安徽冶金科技职业学院ANHUIVOCATIONALCOLLEGEOFMETALLURGYANDTECHNOLOGY毕业论文运用热处理知识论述钢材产品组织的控制学生姓名孙义飞系部名称冶金工程系专业名称材料成型与控制班级名称10材料指导教师吴苓安徽冶金科技职业学院2010级材料成型及控制专业毕业论文2012年11月运用热处理知识论述钢材产品组织的控制孙义飞摘要：针对钢材热处理工艺的知识及热处理对钢材组织的影响与控制的关系，介绍了什么是钢的热处理、实施热处理工艺的步骤。同时阐述了如何使钢件在不改变自身的化学成分的同时还具备所需的力学性能、物理性能和化学性能，以获得不同的使用性能。关键词：热处理；钢的加热与冷却；热处理下钢的组织；钢的性能与分析；钢的热处理工艺。1前言当今采用热处理来控制钢组织性能的工艺技术，在国外都是非常重视其中热处理过程中的冷却是核心。现在发达国家大力推广用高压气冷淬火，在热处理设备时，采用油封式自冷，全面取代水冷循环系统，整个热处理炉不用任何冷却水。而且欧洲的热处理设备已大部分采用燃气辐射管，使用天然气加热。燃气加热技术和装备在欧洲已十分成熟。提高热处理水平引领产品的自主创新在我国虽然也有成功先例，但尚未引起普遍的重视。在我国热处理技术与世界先进水平存在很大差距，许多机械产品的使用寿命、可靠性和质量重现性远不及国外同类产品，重大装备中许多关键零件部分只得高价进口，国防工业所需的高端热处理设备还未摆脱落后引进——再落后——再引进的恶性循环。面的广大的民用产品，虽然国内生产规模快速增长，但常因寿命短、故障率高而缺乏竞争力，陷于恶性价格竞争的泥潭中，热处理技术水平的落后使转变产品结构和转变发展方式受到严重的牵制，这方面的事例举不胜举。本论文所要解决的问题及研究在经济建设、科技进步和社会发展等方面都是具有理论意义和使用价值的。1.1选题背景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。早在商代，就已经有了经过再结晶退火的金箔饰物。公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。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。二十世纪以来，钢物理的发展和其它新技术的移植应用，使钢热处理工艺得到更大发展。一个显著的进展是1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使钢获得了新的表面热处理和化学热处理方法。这种古老的工艺技术不但没有随着时间的流逝逐渐退化反而随着科技的进步更是把它发挥的淋漓尽致，而且在当今快速发展的社会中发挥着不可代替的作用。那么究竟什么是热处理？热处理又是怎样通过加热和冷却的方法从而改变其内部结构使其有了不同的机械性能的呢？接下来我们就来论述以上问题。1.2热处理1.2.1热处理概念热处理（Heattreatment），就是将钢材放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改安徽冶金科技职业学院2010级材料成型及控制专业毕业论文变材料表面或内部的金相组织结构,来控制其性能的一种钢热加工工艺。而钢的热处理是机械制造中的重要过程之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。如：化合物（合金组元间发生化合作用，生成一种具有钢性能的新的晶体固态结构）；机械混合物：（由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能）；铁素体（碳在α-Fe体心立方结构的铁中的间隙固溶体）；奥氏体（碳在γ-Fe面心立方结构的铁中的间隙固固溶）；渗碳体（碳和铁形成的稳定化合物Fe3c）；珠光体（铁素体和渗碳体组成的机械混合物α+Fe3c含碳0.77%）；莱氏体(渗碳体和奥氏体组成的机械混合物含碳4.3%)这些主要组织。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以以上组织的控制，所以钢铁的热处理是钢热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能，即热处理是一门重要的科学。2温度对钢热处理的影响加热和冷却的目的就是使钢的温度增加或降低，加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。在钢热处理加热的方法中，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。现在电的应用使加热易于控制，且无环境污染。加热温度随被处理的钢材和热处理目的不同而异，但一般都是加热到某特性转变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当钢工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间可称为保温时间。其次就是冷却，冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。在控制温度的过程中不可避免会有温度过高的现象，我们把被加热钢材温度过高的现象分成两种过热和过烧。1.过热：钢材内部缺陷之一，钢因加热温度超过Ac3很多或在高温下停留时间很长而形成的以晶粒粗大为特征的钢组织。(1)一般过热：加热温度过高或在高温下保温时间过长，引起奥氏体晶粒粗化称为过热。粗大的奥氏体晶粒会导致钢的强韧性降低，脆性转变温度升高，增加淬火时的变形开裂倾向。而导致过热的原因是炉温仪表失控或混料(常为不懂工艺发生的)。过热组织可经退火、正火或多次高温回火后，在正常情况下重新奥氏化使晶粒细化。(2)断口遗传：有过热组织的钢材，重新加热淬火后，虽能使奥氏体晶粒细化，但有时仍出现粗大颗粒状断口。产生断口遗传的理论争议较多，一般认为曾因加热温度过高而使硫化锰之类的杂物溶入奥氏体并富集于晶接口，而冷却时这些夹杂物又会沿晶接口析出，受冲击时易沿粗大奥氏体晶界断裂。(3)粗大组织的遗传：有粗大马氏体、贝氏体、魏氏体组织的钢件重新奥氏化时，以慢速加热到常规的淬火温度，甚至再低一些，其奥氏体晶粒仍然是粗大的，这种现象称为组织遗传性。要消除粗大组织的遗传性，可采用中间退火或多次高温回火处理。2.过烧：加热温度过高，不仅引起奥氏体晶粒粗大，而且晶界局部出现氧化或熔化，导致晶界弱化，称为过烧。钢过烧后性能严重恶化，淬火时形成龟裂。过烧组织无法恢复，只能报废。因此在工作中要避免过烧的发生。安徽冶金科技职业学院2010级材料成型及控制专业毕业论文所以当我们知道热处理过程中温度过高易导致奥氏体晶粒的粗大，使钢件的塑性、韧性、强度的机械性能下降,我们就要通过控制对钢的加热温度从而改善钢的内部组织结构.2.1钢在热处理显微下组织的变化2.1.1钢在加热时的组织转变铁碳相图A1，A3，ACM是反映不同含碳量的钢在缓慢加热和冷却时的相变温度（平衡临界点）。实际生产中，加热和冷却速度不可能很慢，总有过冷和过热现象。加热和冷却速度越大，相变温度偏离平衡临界点的程度也越大，即过冷度和过热度越大。通常用Ac1，Ac3和ACCM表示加热时偏离后的相变温度；用Ar1，Ar3和ARCM表示冷却时偏离后的相变温度。(插图1)铁碳相图大多数热处理工艺都是将钢加热至相变温度以上，使其室温组织转变为均匀奥氏体，即“奥氏体化”。以共析钢为例说明钢在加热时的组织转变形成过程。共析钢在室温时具有珠光体组织，将其加热到Ac1以上时，珠光体将全部转为含碳量为0.77%的奥氏体。P=F（体心立方）+Fe3C（复杂晶格）——A（面心立方）奥氏体化是一个重结晶的过程，分为四个阶段(1)奥氏体晶核形成:晶核易于在F和Fe3C相界面形成，这是因为此处原子排列紊乱，位错、空位密度高。(2)奥氏体晶核的长大:含碳量不同出现碳浓度梯度，引起F-A及Fe3C溶解。(3)残余奥氏体的溶解：F先转变完，Fe3C完全溶解（4）奥氏体成分均匀化：碳扩散使A含C量趋于均匀。影响珠光体向奥氏体转变的因素有：（1）形成温度，钢的成分和原始组织及加热速度形成温度越高，原子扩散能力增大，增大了A中C浓度梯度，加速成A形成。（2）含C量越高，F和Fe3C相界面增多，有得于A形成。（3）P越细，A形成速度越快。（4）连续加热时，随着加热速度增大，A形成温度提高，所需时间缩短。奥氏体晶粒的长大及其影响因素1.奥氏体晶粒度的概念根据奥氏体形成过程和晶粒的长大情况，阿斯特的晶粒度分为：起始晶粒度（指珠光体刚刚全部转变为A时的A晶粒度）；实际晶粒度（指钢在具体的热处理或热加工条件下实际安徽冶金科技职业学院2010级材料成型及控制专业毕业论文获得的奥氏体晶粒大小直接影响钢件性能）；本质晶粒（指A晶粒长大的倾向性本质细晶粒钢，本质粗晶粒钢）2.奥斯特晶粒长大及其影响因素奥氏体晶粒长大，伴随着晶界总面积的减少，使体系能量降低，所以在高温下，奥氏体晶粒长大是一个自发性的过程。（1）奥氏体化温度越高，晶粒长大越明显。（2）加入合金元素影响奥氏体晶粒长大2.2钢在冷却时的组织转变钢在高温是所形成的奥氏体，在不同的过冷度下过冷奥氏体可能转变为贝氏体、马氏体等介稳定组织。这对钢的内部组织有着极大的影响。冷却方式有两种：（1）等温冷却：就是将加热后组织为全部奥氏体的钢，先以较快的冷却速度冷却到Ar1线以下某一温度，这时奥氏体尚未来得及转变，但已成为过冷奥氏体。然后进行保温，使奥氏体在等温下发生组织转变。再继续冷却到室温，如等温退火、等温淬火等。(插图2)（2）连续冷却：将加热后组织为全部奥氏体的钢，以某一速度冷却，使奥氏体在温度连续下降的过程中发生组织转变。如退火（炉冷），正火（空冷），普通淬火（油、水泠）。在实际热处理生产中，A的转变大多是在连续冷却过程中进行的，常在炉内、空气中，油中或水中冷却。与等温转变一样也能发生珠光体、贝氏体、马氏体等转变，但不同的是冷却过程要经过各个转变温度区，会发生几种转变，得到几种转变产物的复合组织。安徽冶金科技职业学院2010级材料成型及控制专业毕业论文2.2过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能珠光体，索氏体，屈氏体这三项有着晶粒粗细之分。马氏体：C在α-Fe中的过饱和固溶体，高强度，高硬度和耐磨性。贝氏体：由含碳过饱和F和碳化物组成的两相混合物。上贝氏体，下贝氏体（高强，韧）就在这样的加热和冷却的过程中实现温度的变化，从而改变钢内部的组织结构，使其钢材在热处理过程中达到了人们所需的各种机械性能。3热处理钢后的性能3.1钢性能的简介钢热处理改变组织的目的就是的钢的各种性能如下四个主要性能1.物理性能：密度、外观、导热性能、光学性能、磁性能、电性能、超导性能、形状记忆性能等，如电镀金利用金的外观、飞机用铝合金利用密度、电热器用铜制作利用导热导电、永磁材料利用磁性能等等。2.化学性能：耐热性、耐蚀性、耐晒性、催化特性、感光特性等，不锈钢利用耐蚀性、高温合金利用耐热性等等。3.力学性能：硬度、强度、塑性、韧性、冲击、疲劳、弹性等等，如刀具利用硬度、结构材料利用强度、变形加工利用塑性、弹性材料利用弹性和疲劳性能、装甲钢利用冲击性能等等。4.工艺性能：工艺性能是指加工成为一定形状的零件的难易程度。如锻造性能、冲压性能、铸造性能、焊接性、热处理性能等等，其中又可细分，如铸造性能里面有流动性、收缩性等，热处理性能里面有淬透性、淬硬性、氧化脱碳性、白点敏感性等等。钢材的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同(例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等)，对钢材料要求的机械性能也将不同。常用的机械性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、