第3章金属热处理及表面改性.

第3章钢的热处理及表面改性改变钢性能的主要途径：一是合金化，加入合金元素、改变含碳量，调整钢的化学成分；二是通过冷、热加工改变其结构和性能；三是热处理。热处理工艺曲线加热速度；加热温度；保温时间；冷却速度。热处理工艺参数：时间3.1钢的热处理原理钢的热处理：将钢在固态下、在一定的介质中施以不同的加热、保温和冷却来改变钢的组织，从而获得所需性能的一种工艺。钢热处理的目的１、充分发挥材料的潜力，提高零件使用性能，延长使用寿命。２、改善材料的加工性能。原理——同素异构转变，使钢在加热和冷却过程中，内部发生组织与结构变化。3.1钢的热处理原理钢热处理的分类3.1钢的热处理原理3.1.1钢在加热时的组织转变临界温度平衡时：A1、A3、Acm加热时：Ac1、Ac3、Accm冷却时：Ar1、Ar3、Arcm3.1钢的热处理原理（一）奥氏体的形成——Fe，C原子扩散和晶格改变的过程。共析钢加热到Ac1以上时，P→A共析钢A化过程——形核、长大、Fe3C完全溶解、A的均匀化。亚（过）析钢的A化——P→A后，先共析F或Fe3CⅡ溶解。3.1钢的热处理原理（二）影响奥氏体晶粒度的因素加热温度和速度↑→转变快C%↑或Fe3C片间距↓→界面多，形核多→转变快合金元素→A化速度↑或↓A晶粒度加热温度、保温时间↑→晶粒尺寸↑合金碳化物↑，C%↓→晶粒尺寸↓3.1钢的热处理原理3.1.2钢在冷却时的组织转变热处理目的：提高和改善钢的性能。冷却过程是热处理的关键，决定钢在室温下的组织。第3章钢的热处理及表面改性1、等温转变A转变曲线：描述A“温度一时间一转变”三者之间关系的曲线。3.1.2钢在冷却时的组织转变冷却方式：等温冷却和连续冷却。1、等温转变A等温转变曲线：将经A化的共析钢急冷到A1以下各个不同的温度，然后测量其硬度，并在显微镜下观察其组织，找出各个等温温度下的转变开始时间和转变终了时间，并画在“温度一时间”的坐标系中，将所有的转变开始点和转变终了点分别连接起来。3.1.2钢在冷却时的组织转变（一）过冷奥氏体等温转变曲线分析C曲线的左边一条线为转变开始线，右边一条线为转变终了线，其中转变开始时间称为孕育期。3.1.2钢在冷却时的组织转变１、孕育期和转变速度随等温温度变化在550℃左右，孕育期最短，转变速度最快．称为C曲线的“鼻尖”。在“鼻尖”以上，随着等温温度降低，过冷度增加，相变驱动力增大，孕育期缩短，转变速度变快。在“鼻尖”温度以下至Ms之间，随等温温度降低，虽然过冷度增加使相变驱动力增大，但原子活动能力显著减小，孕育期增长，转变速度变慢。3.1.2钢在冷却时的组织转变过冷A的等温转变过冷A:TA1时，A不稳定。高温转变：A1~550℃过冷A→P型组织中温转变：550℃~MS过冷A→贝氏体(B)低温转变：MS~Mf过冷A→马氏体(M)3.1.2钢在冷却时的组织转变P型组织——F+层片状Fe3C珠光体P索氏体S屈氏体T层片间距：PST珠光体P，3800×索氏体S8000×屈氏体T8000×3.1.2钢在冷却时的组织转变（1）上贝氏体（B上）B上由许多互相平行密排的F片和分布在片间的断续小片状Fe3C组成。它是550～350℃温度区间的转变产物。B上中F片较粗，且呈平行排列，碳化物粗大，塑性、韧性较差。3.1.2钢在冷却时的组织转变（2）下贝氏体（B下）B下由F针体内弥散分布着微小的粒状碳化物组成，组织特征为黑针状。是在350℃～Ms温度区间的转变产物。B下中F针较细，碳化物细小，分布均匀且位于F内。具有较高强度和硬度、良好的韧性和塑性。3.1.2钢在冷却时的组织转变３、低温转变（Ms～室温）－马氏体型转变转变温度低，过冷度很大，铁原子和碳原子均已不能扩散。转变时，只进行γ－Fe向α-Fe晶格改组，γ－Fe中溶解的碳原子将全部被迫固溶于α-Fe的晶格中。M：碳在α－Fe中的过饱和固溶体组织。（马氏体转变——无扩散性转变，切变）瞬时形核，瞬时长大3.1.2钢在冷却时的组织转变马氏体的两种形貌１．高碳M（Wc＞1.0%）一般呈针状，高硬度、高脆性。２．低碳M（Wc＜0.2%）为一束束相互平行的细条状组织，具有一定的强度和较好的塑性、韧性。3.1.2钢在冷却时的组织转变马氏体型转变主要特点（1）转变不完全。存在残余奥氏体（A`）。（2）具有转变开始点Ms和转变终止点Mf，并随含碳量和合金元素的增加而降低。（3）属非扩散型转变，形成速度快，产物间产生冲击，加之晶格畸变等，造成内应力大，易变形开裂。3.1.2钢在冷却时的组织转变3.1.2钢在冷却时的组织转变影响因素１．碳含量的影响含碳量越接近共析成分，过冷A越稳定。3.1.2钢在冷却时的组织转变２、合金元素３、加热温度和保温时间二、过冷奥氏体的连续冷却转变连续冷却转变曲线：描述过冷A连续冷却时的温度-时间-转变曲线，简称CCT曲线。3.1.2钢在冷却时的组织转变二、过冷奥氏体的连续冷却转变凡冷却曲线碰到VK线，过冷A就不再继续向P转变，一直保持到Ms点以下转变为M。临界冷却速度VK：获得全部M组织的最小冷却速度。3.1.2钢在冷却时的组织转变（1）CCT曲线位于等温C曲线右下方，P转变稍滞后一些，转变温度稍低一些。（2）CCT曲线没有等温C曲线的下半部分，没有B转变。二、过冷奥氏体的连续冷却转变3.1.2钢在冷却时的组织转变二、过冷奥氏体的连续冷却转变V1（退火），获得粗片状P组织；V2（正火），获得S组织；V3（油中淬火），先有一部分A转变为T，剩余A转变为M；V4（水中淬火），只有过冷到Ms以下转变成M，得到M和残余A的组织。3.1.2钢在冷却时的组织转变过冷奥氏体的转变产物和性能——珠光体A→F+Fe3C0.77%C0.0218%C6.69%C过冷奥氏体的转变产物和性能——马氏体过冷奥氏体的转变产物和性能——上贝氏体碳化物主要分布在铁素体板条间过冷奥氏体的转变产物和性能——下贝氏体碳化物主要分布在铁素体板条内P，B和M转变的异同点3.1.2钢在冷却时的组织转变3.2.1退火与正火一、退火将金属或合金加热到适当温度，保温一定时间，随炉缓慢冷却的热处理工艺。3.2钢的普通热处理工艺1、退火的目的（1）降低钢的硬度，使其易于切削加工；（2）提高钢的塑性和韧性，以易于切削和冷变形加工；（3）消除钢中的组织缺陷，为热锻、热轧或热处理作好组织准备；（4）消除前一工序中所产生的内应力，以防变形或开裂。3.2.1退火与正火２、常用的退火方法完全退火、等温退火、球化退火（不完全退火）、均匀化退火（扩散退火）、去应力退火和再结晶退火。3.2.1退火与正火完全退火球化退火等温退火扩散退火去应力退火再结晶退火A3线以上30-50°CA1线以上20-40°CA3线以上30-50°CA3线以上150-250°CA1线以下600-650°C再结晶以上150°C缓慢冷却缓冷至600°C空冷快冷至A1线下保温缓慢冷却缓慢冷却缓慢冷却消除粗晶和不均匀组织将片状P变为球状P获得均匀组织消除偏析消除残余应力消除加工硬化亚共析钢过共析钢合金钢高合金钢合金钢铸锭铸件铸、锻、焊件冷塑性变形件退火分类加热温度冷却方式主要目的适用范围3.2.1退火与正火２、常用的退火方法2、正火将钢件加热至Ac3或Accm以上30～50℃，保温使之完全A化后在空气中冷却的热处理工艺。正火的冷却速度比退火稍快，过冷度稍大。组织较细，强度、硬度较高，一般为S组织。3.2.1退火与正火2、正火目的：１、对要求不高的结构件，正火可作为最终热处理，细化组织，提高力学性能；２、低碳钢正火可提高其硬度，改善切削加工性能；３、消除共析钢和过共析钢中的网状Fe3CⅡ。3.2.1退火与正火三、正火与退火的选择（1）从切削加工性方面考虑低碳钢用正火提高硬度，而高碳钢用退火降低硬度，以便于切削加工。3.2.1退火与正火（2）从使用性能上考虑对零件性能要求不高，可用正火作为最终热处理；当零件形状复杂、厚薄不均时，采用退火；对中、低碳钢，正火比退火力学性能好。（3）从经济上考虑正火操作简便，生产周期短，能耗少，故在可能条件下，应优先考虑正火处理。3.2.1退火与正火退火和正火完全退火（亚共析钢，Ac3以上完全奥氏体化）等温退火（同完全退火，但时间较短）不完全退火和球化退火（共析钢和过共析钢，（Ac1以上不完全奥氏体化）扩散退火（Ac3以上完全奥氏体化，长时间，消除枝晶偏析）去应力退火（Ac1以下不奥氏体化，去除残余应力）正火（Ac3或Accm以上完全奥氏体化，较快冷却可细化晶粒）缓冷，如炉冷较快冷却，如空冷3.2.1退火与正火3.2.2淬火与回火1、淬火将钢件加热到Ac3或Ac1以上30～50℃，保温后急冷，以获得M、B的非平衡组织的热处理工艺。目的：提高钢的强度、硬度和耐磨性。3.2.2淬火与回火3.2.2淬火与回火3.2.2淬火与回火（１）淬火加热温度的选择为使淬火后得到均匀细小的M，先要在加热时得到细小、均匀的A，否则，淬火组织的脆性增大，在淬火冷却时会引起变形和开裂。（２）淬火冷却选择原则：既要保证工件获得M，又要减少变形和避免开裂。两慢一快措施：选择合适的淬火介质；改进淬火方法。3.2.2淬火与回火淬火介质的冷却能力3.2.2淬火与回火淬火方法时间时间温度温度时间温度时间温度表面内部表面内部表面内部表面内部正在转变正在转变正在转变正在转变贝氏体马氏体马氏体马氏体单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火盐浴、空冷3.2.2淬火与回火局部淬火法分类局部加热，局部淬火整体加热，局部淬火3.2.2淬火与回火冷处理把淬火冷却到室温的钢继续冷却到0℃以下的处理工艺。适用于Mf温度＜0℃的高碳钢和合金钢。特点：使过冷A向M转变更加完全，减少残余A的数量，提高钢的硬度和耐磨性，并使尺寸稳定。3.2.2淬火与回火室温（3）钢的淬透性和淬硬性１、淬透性的概念淬透性：指钢在淬火时获得M的能力。影响因素：影响C曲线或临界冷却速度的因素。淬透层深度：工件表面至半M层之间的区域为淬透层，其深度为淬透层深度。3.2.2淬火与回火影响淬透层深度的因素（1）淬透性钢的淬透性越大，淬透层越深。3.2.2淬火与回火（3）冷却介质介质冷却能力大，淬透层较大。（2）零件尺寸尺寸越大，热容量越大，冷却速度越慢，淬透层深度越小。淬透性的测定（１）末端淬火法淬透性曲线：将试样加热至单相A区后，从试样的下端进行喷水冷却，然后在试棒表面从端面起依次测定硬度．将硬度随距水冷端距离的变化绘成的曲线。dHRCJ试验样品试验试验3.2.2淬火与回火淬透性值用下式表示。淬透性测试试验结果样品台试样喷水试样上磨出一个平面测出从底部到顶部的洛氏硬度值绘制出这样一张图到试样底端的距离洛氏硬度3.2.2淬火与回火不同材料的淬透性3%Mo1%Mo1%Ni0.4%C0.6%C0.4C%到试样底端的距离硬度冷却速度淬透性曲线3.2.2淬火与回火临界直径法临界直径：同一种钢在同一介质中冷却，能全部淬成M的最大直径D０。3.2.2淬火与回火钢淬透性的应用许多大截面和动载荷下工作的重要零件，以及承受拉力和压力的重要零件，常要求表面和心部力学性能一致，应当选用淬透性高的钢；某些零件的心部力学性能对零件的使用寿命无明显影响时，则可选用淬透性较低的钢，获得一定深度的淬硬层；有些工件则不能或不宜选用淬透性高的钢。3.2.2淬火与回火淬火缺陷１、硬度不足（温度过低，保温时间短，冷却速度小）；２、过热与过烧（温度过高，保温时间过长）；３、变形和开裂（内应力大）。3.2.2淬火与回火2、回火淬火钢重新加热至A1线以下某一温度，保温后冷却的热处理工艺。回火的目的：（1）降低脆性；（2）消除或减少内应力，防止变形和开裂。（3）获得工件所要求的力学性能；（4）稳定工件尺寸；3.2.2淬火与回火回火组织转变回火的实质：淬火M分解以及残余A分解、聚集、长大的过程，是由非平衡态组织趋向平衡态组织的转变。回火组织是粒状的，淬火组织是片状的。2、回火转变过程（1）M分解（20～200℃），得到低饱和M与碳化物