金属材料与热处理-第四章---钢的热处理

第四章钢的热处理§4－1热处理的原理及分类§4－2钢在加热及冷却时的组织转变§4－3热处理的基本方法§4－4钢的表面热处理§4－5零件的热处理分析*§4－6钢的热处理（实验）*§4－7参观热处理车间§4－1热处理的原理及分类现象：放在水中冷却的一根钢丝硬而脆，很容易折断；放在空气中冷却的一根较软、有较好的塑性，可以卷成圆圈而不断裂。钢丝的水冷与空冷实验说明：虽然钢的成分相同，加热的温度也相同，但采用不同的冷却方法，却得到了不同的力学性能。这主要是因为在不同冷却速度的情况下，钢的内部组织发生了不同的变化。热处理及工艺曲线热处理的分类：§4－2钢在加热及冷却时的组织转变一、钢在加热时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变一、钢在加热时的组织转变1．钢在加热和冷却时的相变温度在加热时钢的转变温度要高于平衡状态下的临界点；在冷却时要低于平衡状态下的临界点。加热时的各临界点：Ac1、Ac3和Accm冷却时的各临界点：Ar1、Ar3和Arcm2．奥氏体的形成钢在加热时的组织转变，主要包括奥氏体的形成和晶粒长大两个过程。形核长大残余渗碳体溶解均匀化3．奥氏体晶粒的长大晶粒的长大是依靠较大晶粒吞并较小晶粒和晶界迁移的方式进行。二、钢在冷却时的组织转变两种冷却方式：等温处理连续冷却1．奥氏体的等温转变奥氏体在A1线以上是稳定相，当冷却到A1线以下而又尚未转变的奥氏体称为过冷奥氏体。这是一种不稳定的过冷组织，只要经过一段时间的等温保持，它就可以等温转变为稳定的新相。这种转变就称为奥氏体的等温转变。共析钢等温转变曲线图（1）高温等温转变：珠光体型转变区（2）中温等温转变：贝氏体型转变区（3）低温连续转变：马氏体型转变区珠光体型转变区贝氏体型转变区马氏体型转变区（1）珠光体型转变区——高温等温转变共析钢的过冷奥氏体在A1～550℃温度范围内，过冷奥氏体将发生奥氏体向珠光体型的转变，即转变为铁素体和渗碳体。珠光体粗片层状铁素体和渗碳体的混合物，片层间距大于0.4μm一般在500倍以下的光学显微镜下即可分辨索氏体索氏体为细片状珠光体，片层较薄间距在0.4～0.2μm，一般在800～1000倍的光学显微镜下才可分辨屈氏体屈氏体是极细片状的珠光体，片层极薄间距小于0.2μm，只有在电子显微镜下（5000倍）才能分辨出它们呈片状（2）贝氏体型转变区——中温等温转变在550℃～Ms温度范围内，因转变温度较低，原子的活动能力较弱，转变后得到的组织为含碳量具有一定过饱和程度的铁素体和分散的渗碳体（或碳化物）所组成的混合物，称为贝氏体，用符号B表示。贝氏体有上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）之分。上贝氏体上贝氏体中渗碳体呈较粗的片状，平行分布于平行排列的铁素体片层之间，它在显微镜下呈羽毛状的组织下贝氏体下贝氏体中的碳化物呈细小颗粒状或短杆状均匀分布在铁素体内，在显微镜下呈黑色针叶状的组织（3）马氏体型转变区——低温连续转变当钢从奥氏体区急冷到MS以下时，奥氏体便开始转变为马氏体。由于转变温度低，原子扩散能力小，在马氏体转变过程中，只有γ－Fe向α－Fe的晶格改变，而不发生碳原子的扩散。因此，溶解在奥氏体中的碳，转变后原封不动地保留在铁的晶格中，形成碳在α－Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体，用符号M表示。低碳马氏体低碳马氏体其形状为一束一束相互平行的细条状，故也称板条状马氏体高碳马氏体高碳马氏体其断面呈针叶状，故也称针状马氏体2．奥氏体的连续冷却转变v1：随炉冷却（退火）v2：空冷（正火）v3：油冷（油冷淬火）v4：水冷（水冷淬火）§4－3热处理的基本方法一、退火与正火二、淬火与回火一、退火与正火机械零件一般的加工工艺顺序：作用：消除前一工序所造成的某些组织缺陷及内应力，可以改善材料的切削性能，为随后的切削加工及热处理（淬火—回火）做好组织准备。1．退火退火——将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺。常用退火方法：完全退火球化退火去应力退火退火目的：降低硬度，提高塑性，以利于切削加工和冷变形加工细化晶粒，均匀组织，为后续热处理作好组织上的准备消除残余内应力，防止工件的变形与开裂2．正火正火——将钢加热到Ａc3或Ａccm以上30～50℃，保温适当的时间后，在空气中冷却的工艺方法。亚共析钢：正火目的是细化晶粒，均匀组织，提高机械性能。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。低、中碳结构钢：调整硬度，改善切削加工性能。高碳过共析钢：正火的目的是消除网状渗碳体，有利于球化退火，为淬火做好组织准备。加热温度范围热处理工艺曲线1—完全退火2—球化退火3—去应力退火4—正火二、淬火与回火1．钢的淬火淬火——将钢件加热到Ac3或Ac1以上的适当温度，经保温后快速冷却（冷却速度大于v临），以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。目的：获得马氏体组织，提高钢的强度、硬度和耐磨性。（1）淬火加热温度的选择碳钢淬火温度范围亚共析钢：Ac3以上30～50℃（过）共析钢：Ac1以上30～50℃（2）淬火冷却介质的选择淬火的冷却速度必须大于该钢种的临界冷却速度。冷却中要避免引起钢件的变形和开裂。冷却介质对钢的理想淬火冷却速度应是“慢―快―慢”。（3）常用的淬火方法单液淬火法双介质淬火马氏体分级淬火贝氏体等温淬火（4）钢的淬透性与淬硬性淬透性——规定条件下，钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力。淬硬性——钢在理想的淬火条件下，获得马氏体后所能达到的最高硬度。取决于钢的临界冷却速度，临界冷却速度越低，则钢的淬透性越好。钢的临界冷却速度又主要取决于其化学成份。取决于含碳量的高低。低碳钢淬火的最高硬度低，淬硬性差；高碳钢淬火的最高硬度高，则淬硬性好。（5）钢的淬火缺陷氧化与脱碳过热和过烧变形与开裂硬度不足软点2．钢的回火回火——将淬火后的钢重新加热到Ac1点以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。降低淬火钢的脆性和内应力，防止变形或开裂。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。获得不同需要的机械性能。目的：（1）回火时的组织转变钢（45钢）的回火组织回火马氏体回火屈氏体回火索氏体40钢的力学性能与回火温度的关系随着加热温度的升高，钢的强度、硬度下降，而塑性、韧性提高。回火钢的性能只与加热温度有关，而与冷却速度无关。（2）回火的分类及应用低温回火中温回火高温回火调质——生产中淬火及高温回火相结合的热处理工艺。§4－4钢的表面热处理一、表面淬火二、化学热处理汽车变速齿轮传动齿轮轴一、表面淬火表面淬火——仅对工件表层进行淬火的热处理工艺。原理：通过快速加热，使钢的表层奥氏体化，在热量尚未充分传到零件中心时就立即予以冷却淬火。适用：中碳钢、中碳合金钢。方法：火焰加热表面淬火、感应加热表面淬、电接触加热表面淬火、激光加热表面淬火。1．火焰加热表面淬火应用氧－乙炔（或其他可燃气体）火焰对零件表面进行快速加热并随之快速冷却的工艺。特点：加热温度及淬硬层深度不易控制，易产生过热和加热不均匀，淬火质量不稳定。不需要特殊设备，适用于单件或小批量生产。2．感应加热表面淬火利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面受到局部加热，并进行快速冷却的淬火工艺。特点：（1）加热速度快。（2）淬火质量好。（3）淬硬层深度易于控制，易实现机械化和自动化，适用于大批量生产。二、化学热处理化学热处理——将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。不仅改变了钢的组织，而且表面层的化学成分也发生了变化，因而能更有效地改变零件表层的性能。根据渗入元素分：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。1．化学热处理的过程分解吸收扩散2．钢的渗碳钢的渗碳——将钢件置于渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。目的：提高钢件表层的含碳量。渗碳后处理：淬火及低温回火。工艺路线：锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火+低温回火分类：固体渗碳、盐浴渗碳、气体渗碳气体渗碳——将工件置于气体渗碳剂中进行渗碳的工艺。低碳钢渗碳后缓冷的渗碳层显微组织由表面向中心：过共析组织、共析组织、亚共析组织（过渡层），中心仍为原来的亚共析组织。3．钢的渗氮渗氮——在一定温度下，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。目的：提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度。（1）渗氮与渗碳相比具有以下特点：渗氮层具有很高的硬度和耐磨性渗氮层具有渗碳层所没有的耐蚀性渗氮比渗碳温度低，工件变形小渗氮工件的工艺路线：（2）渗氮方法气体渗氮工件在气体介质中进行渗氮。它将工件放入密闭的炉内，加热到500～600℃，通入氨气（NH3），氨气分解出活性氮原子。离子渗氮在低于一个大气压的渗氮气氛中，利用工件（阴极）和阳极之间产生的辉光放电现象进行渗氮的工艺。渗氮层及HV测痕渗氮层中致密的针状氮化物（白色）4．碳氮共渗碳氮共渗——在一定温度下，将碳、氮原子同时渗入工件表层奥氏体中，并以渗碳为主的化学热处理工艺。§4－5零件的热处理分析一、热处理的技术条件二、热处理的工序位置三、典型零件热处理分析一、热处理的技术条件工件在热处理后组织、应当达到的力学性能、精度和工艺性能等要求，统称为热处理技术条件。二、热处理的工序位置1．预备热处理包括退火、正火、调质等。2．最终热处理包括淬火、回火及表面热处理等。三、典型零件热处理分析1．锉刀2．汽车变速齿轮3．汽车传动齿轮轴*§4－6钢的热处理（实验）碳钢热处理对其力学性能的影响一、实验目的1．了解碳钢热处理的基本操作。2．了解含碳量、加热温度、冷却速度、回火温度对碳钢力学性能的影响。二、实验内容和实验器材1．实验内容：20、45、T8、T12钢试样的淬火、正火、退火及回火的操作；用硬度计测定试样的硬度。2．实验器材：箱式电阻炉、硬度计、淬火水槽、夹钳等；试样若干。*§4－7参观热处理车间参观热处理车间或走访相关工厂、企业，观察热处理生产中所使用的设备。