钢的热处理.

第五章钢的热处理钢的热处理前言第一节钢在加热时的转变第二节钢的冷却转变第三节钢的普通热处理第四节钢的表面热处理前言什么叫钢的热处理常见的热处理方法热处理的概念热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。热处理工艺曲线的示意图温度℃时间(h,α，min)850炉冷空冷油冷600组织图5-1常见的热处理方法第一节钢在加热时的转变一、奥氏体化前的组织二、奥氏体的形成温度与Fe-Fe3C状态图的关系三、共析钢奥氏体的形成过程四、亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程五、影响奥氏体形成速度的因素六、奥氏体晶粒大小及其影响因素一、奥氏体化前的组织我们只考虑比较简单的情况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→Fe3CⅡ+P二、奥氏体的形成温度与Fe-Fe3C状态图的关系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，且加热与冷却速度越大，温度提高与下降的幅度就越大，导致热度与过冷度越大。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图5-2实际相变温度与理论转变温度之间的关系三、共析钢奥氏体的形成过程1.奥氏体晶核的形成2.奥氏体晶核的长大3.残余渗碳体的溶解4.奥氏体成分的均匀化共析碳钢A形成过程示意图A形核A长大残余Fe3C溶解A均匀化图5-3四、亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是有先共析相。其奥氏体的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变，然后再进行先共析相的溶解。这个P→A的转变过程同共析钢相同，也是经过前面的四个阶段。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，先共析的F逐渐溶入A，同样，对于过共析钢，平衡组织是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。五、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。六、奥氏体晶粒大小及其影响因素奥氏体的晶粒度及其分类起始晶粒度实际晶粒度本质晶粒度影响奥氏体晶粒大小的主要因素加热温度和保温时间钢的化学成分标准晶粒度等级图5-4晶粒度评定标准实际晶粒度钢在加热时所获得的实际奥氏体晶粒的大小实际晶粒度决定钢的性能。本质晶粒度钢加热到930℃±10℃、保温8小时、冷却后测得的晶粒度表示钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向本质细晶粒钢本质粗晶粒钢本质细晶粒钢M和本质粗晶粒钢K晶粒长大示意图图5-5第二节钢的冷却转变一、过冷奥氏体二、在冷却转变时，相变温度对转变速度的影响三、过冷奥氏体等温转变曲线四、过冷奥氏体等温转变的产物的组织和性能五、过冷奥氏体连续冷却转变曲线冷却方式连续冷却等温冷却图5-6冷却方式示意图一、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。二、在冷却转变时，相变温度对转变速度的影响A1Dtn转变速率驱动力A1以下的冷却速度温度℃Ms后面会知道是Ms驱动力扩散系数D转变速率图5-7相变温度对转变速度的影响示意图三、过冷奥氏体等温转变曲线300210100110200Ms610510310时间（s）410700温度℃500400550600Ar图5-8共析碳钢过冷A等温曲线的建立图5-9四、过冷奥氏体等温转变的产物的组织和性能珠光体转变贝氏体转变马氏体的组织与形态珠光体转变转变过程组织与性能特征珠光体形成示意图γFe3CγFe3CαγFe3CⅠPF图5-10珠光体组织特征图(a)珠光体(b)索氏体(c)屈氏体图5-11珠光体组织贝氏体转变转变过程组织特征与性能贝氏体形成示意图B上=过饱和碳α-Fe条状+Fe3C细条状过饱和碳α-Fe条状Fe3C细条状羽毛状图5-12B下=过饱和碳α-Fe针叶状+Fe3C细片状过饱和碳α-Fe针叶状Fe3C细片状针叶状贝氏体形成示意图图5-13上贝氏组织特征图图5-14上贝氏体组织金相图图5-15下贝氏组织特征图图5-16下贝氏体组织金相图图5-17低碳板条状马氏体组织金相图图5-18高碳针片状马氏体组织金相图图5-19过冷奥氏体连续冷却转变曲线300100110200Ms610510310时间（s）210410700温度℃500400600A1A→A1VK'VKM+A'P+M+A'TTTPCCTKPSPf图5-20第三节钢的普通热处理一、钢的退火与正火二、钢的淬火三、钢的回火一、钢的退火与正火钢的退火完全退火等温退火球化退火（不完全退火）去应力退火钢的正火退火和正火的选择完全退火加热温度：Ac3以上20-30度组织：P+F目的：①细化，均匀化粗大、不均匀组织②接近平衡组织——调整硬度→切削性↑③消除内应力应用范围：亚共折钢，共析钢，不适用于过共析钢。等温退火加热温度：Ac1以上10-20度，或Ac3以上30-50度组织：P目的：①与完全退火、球化退火相同②更均匀的组织和硬度③显著缩短生产周期应用范围：高碳钢，合金工具钢，高合金钢。球化退火（不完全退火）加热温度：Ac1以上20-40度应用范围：过共析钢，共析钢组织：球状P（F+球状FeC3）目的：①使FeC3球化→HRC↓，韧性↑→切削性↑②为淬火作准备T10钢球化退火组织(化染)500图5-21过共析钢球化退火组织退火和正火的选择（1）从切削加工性上考虑切削加工性又包括硬度，切削脆性，表面粗糙度及对刀具的磨损等。一般金属的硬度在HB170～230范围内，切削性能较好。高于它过硬，难以加工，且刀具磨损快；过低则切屑不易断，造成刀具发热和磨损，加工后的零件表面粗糙度很大。表3-4列出了各种碳钢在退火与正火后的硬度值。可见，对于低、中碳结构钢以正火作为预先热处理比较合适，高碳结构钢和工具钢则以退火为宜。至于合金钢，由于合金元素的加入，使钢的硬度有所提高，故中碳以上的合金钢一般都采用退火以改善切削性。（2）从使用性能上考虑如工件性能要求不太高，随后不再进行淬火和回火，那么往往用正火来提高其机械性能，但若零件的形状比较复杂，正火的冷却速度有形成裂纹的危险，应采用退火。（3）从经济上考虑正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，故在可能的条件下，应优先考虑以正火代替退火。二、钢的淬火1.淬火的目的2.钢的淬火工艺3.钢的淬透性1.淬火的目的为了获取Ｍ组织，它是强化钢材最主要的热处理方法。2.钢的淬火工艺淬火加热温度的选择淬火冷却介质淬火方法淬火加热温度的选择示意图图5-22淬火理想的冷却速度时间(t)Mf温度(℃)MsA1图5-23淬火方法单液淬火法双液淬火法马氏体分级淬火法贝氏体等温淬火法各种淬火方法示意图时间温度MsA1单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火图5-243.钢的淬透性淬透性的概念淬透性表示的是钢在淬火时所能得到的淬硬层深度淬硬性指的是钢在淬火能达到的最高硬度。影响淬透性的因素化学成分奥氏体化温度淬透性的表示方法及应用钢的淬透性曲线距水冷端距离?25?25水100淬透性曲线硬度HRC图5-25淬透性不同的钢调质后机械性能a)全淬透b)未淬透未淬透钢淬透钢图5-26三、钢的回火1.什么是钢的回火及回火的目的2.淬火钢在回火时组织和性能的变化3.回火的方法及应用1.钢的回火及回火的目的回火的概念:将淬火钢重新加热到A1点以下某一温度，保温后冷却到室温的热处理工艺。回火的目的:1改变强度、硬度高，塑性、韧性差的淬火组织。2使不稳定的淬火组织M和残余A转变为稳定组织，保证工件不再发生形状和尺寸的改变。3消除淬火内应力，防止进一步变形、开裂。钢淬火后一般都必须进行回火处理，回火决定了钢在使用状态的组织和寿命。2.淬火钢回火时组织和性能的变化1.淬火钢回火时组织的变化80～200℃，发生马氏体的分解200～300℃发生残余奥氏体分解250～400℃，马氏体分解完成400℃以上回复与再结晶2.淬火钢回火时性能的变化3.回火的方法及应用（1）低温回火回火温度范围150～250℃。得到的组织：回火马氏体。内应力和脆性降低，保持了高硬度和高耐磨性。这种回火主要应用于高碳钢或高碳合金钢制造的工、模具、滚动轴承及渗碳和表面淬火的零件，回火后的硬度一般为HRC58-64。（2）中温回火回火温度范围为350～500℃，回火后的组织为回火屈氏体，硬度HRC35-45，具有一定的韧性和高的弹性极限及屈服极限。这种回火主要应用于含碳0.5-0.7%的碳钢和合金钢制造的各类弹簧。（3）高温回火回火温度范围为500～650℃，回火后的组织为回火索氏体，其硬度HRC25-35，具有适当的强度和足够的塑性和韧性。这种回火主要应用于含碳0.3-0.5%的碳钢和合金钢制造的各类连接和传动的结构零件，如轴、连杆、螺栓等。淬火后高温回火称调质处理。应用：在冲击负荷下工作的重要结构零件，连杆，螺栓，齿轮及轴类第四节钢的表面热处理一、钢的表面淬火二、钢的化学热处理三、表面处理的具体工艺四、钢的化学热处理具体工艺一、钢的表面淬火表面淬火概念及应用快速加热使钢的表面奥氏体化后淬火冷却，获得表层硬而耐磨的M组织，心部仍保持原来的组织。应用：中碳钢和中碳低合金钢表面淬火特点a.加热速度快(几秒——几十秒)b.加热时实际晶粒细小，淬火得到极细马氏体，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表面淬火方法1.感应加热表面淬火2.火焰加热表面淬火3.接触电阻加热表面淬火二、钢的化学热处理钢的渗碳气体渗碳固体渗碳钢的氮化碳氮共渗三、表面处理的具体工艺火焰加热表面淬火感应加热表面淬火火焰加热表面淬火图5-27火焰加热表面淬火示意图感应加热表面淬火感应加热表面淬火示意图集肤效应示意图图5-28感应加热表面淬火示意图四、钢的化学热处理具体工艺什么是化学热处理钢制工件放置于某种介质中，通过加热和保温，使化学介质中某些元素渗入到工件表层，从而改变表层的化学成分，使心部与表层具有不同的组织与机械性能。钢的渗碳渗碳是把钢放在渗碳介质中，加热到单相奥氏体区，保温一定时间，使碳原子渗入钢表层的过程气体渗碳固体渗碳法钢的氮化（气体氮化）在一定温度(一般在AC1以下)使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺目的：提高工件表面硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度钢的碳氮共渗在一定温度下同时将碳、氮原子渗入工件表层的奥氏体中,并以渗碳为主的化学热处理工艺。中温气体碳氮共渗低温气体碳氮共渗（气体软氮化）钢的气体渗碳图5-29气体渗碳炉钢的固体渗碳零件渗碳剂试棒盖泥封渗碳箱图5-30钢的固体渗碳炉