机械工程材料-第三章1.1

机械工程材料华侨大学机电及自动化学院沈剑云第三章钢的热处理钢的热处理：是将金属材料在固态下加热,保温和冷却，从而获得所需性能的一种工艺方法。改善钢的性能的途径：合金化、热处理，压力加工。热处理的应用：机床、汽车零件60-80%经过热处理。模具、滚动轴承100%需热处理。热处理特点：只改变工件的组织和性能，不改变其形状。压力加工等工艺则改变形状。三、钢的热处理一般零件生产的工艺路线:毛坯生产预备热处理机械加工最终热处理机械精加工根椐热处理目的不同，可将热处理分为两大类：预备热处理：是指消除前道工序产生的某些缺陷，改善钢材的工艺性能，确保后续加工顺利进行的热处理最终热处理：是指满足使用性能要求的热处理。三、钢的热处理普通热处理的作用改善材料的切削加工性能；提高材料的力学性能，保证零件安全运行。热处理工艺：加热、冷却速度，及温度、时间等参数。普通热处理：退火、正火、淬火、回火。Ⅰ、钢的退火退火：是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。最常用的退火工艺：完全退火、等温退火球化退火去应力退火再结晶退火Ⅰ、钢的退火完全退火：把钢加热到Ac3以上30℃～50℃，保温一定时间，随炉冷却至600℃以下，出炉空冷。缓冷→F+P目的：细化晶粒，消除过热组织，消除残余应力，降低硬度和改善切削加工性能。应用：用于亚共析钢的铸、锻件，焊接结构件。Ⅰ、钢的退火等温退火：将钢奥氏体化后，以较快速度冷却到Ar1以下某一温度，等温一定时间使奥氏体转变为珠光体组织，然后空冷。采用等温退火可缩短退火时间。等温退火与普通退火的比较Ⅰ、钢的退火球化退火：将钢加热至Ac1以上约20～40℃，保温后，随炉冷却。在Ac1+20～40℃等温，使Fe3CⅡ球化，再缓冷→球状P（F+球状Fe3C）应用：主要用于共析和过共析钢预先热处理。目的：使钢中的渗碳体球化。硬度↓,切削性↑,韧性↑Ⅰ、钢的退火去应力退火：又称低温退火，是将钢加热到Ac1以下某一温度（一般约为500℃～600℃），保温一定时间，然后随炉冷却。目的：消除铸、锻、焊件和冷冲压件的残余应力。Ⅱ、钢的正火正火：将钢加热到Ac3或Accm以上30℃～50℃，保温适当时间后，在空气中冷却的热处理工艺称为正火。亚、过共析钢过冷奥氏体连续冷却转变Ⅱ、钢的正火正火工艺加热温度Ac3(Accm)+30～50℃空冷→S温度(°C)名称Ac3+30～50亚共析钢Ac1+30～50共析钢Accm+30～50过共析钢Ⅱ、钢的正火应用可作为满足使用性能要求的最终热处理。对于过共析钢可抑制二次渗碳体网形成，为球化退火作准备。对于低碳钢，可以提高硬度，改善切削加工性能，是必须采用的预先热处理。Ⅱ、钢的正火Ⅱ、钢的正火退火和正火的选择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。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，故中碳以上合金钢一般都采用退火以改善切削性。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。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。Ⅲ、钢的淬火淬火（蘸火）：将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，后快速冷却，以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。A化后，快冷→M。目的：为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。淬火温度1)亚共析钢:Ac3+30～50℃2)共析和过共析钢:Ac1+30～50℃，→细M+粒状Fe3CII，硬度大。Ⅲ、钢的淬火冷却介质冷却速度：盐水＞水＞盐浴＞油淬火方法单介质淬火：水、油冷双介质淬火：水冷+油冷分级淬火：＞Ms盐浴中保温＋空冷等温淬火：（在盐、碱浴中）→下BⅢ、钢的淬火淬火加热时间淬火加热时间包括升温和保温时间。加热时间受工件形状尺寸、装炉方式、装炉量、加热炉类型、炉温和加热介质等影响。一般用下述经验公式确定：t=αD式中:t——加热时间，min；α——加热系数，min⁄mm；D——工件有效厚度，mm。α和D的数值可查阅有关资料确定。Ⅲ、钢的淬火热处理后的组织M+Fe3C+A残Ac1+30～50过共析钢M+A残Ac1+30～50共析钢M+A残Ac3+30～50亚共析钢Wc＞0.5%MAc3+30～50亚共析钢Wc≤0.5%最终组织淬火温度(℃)钢种Ⅲ、钢的淬火钢的淬硬性(Hardeningofsteel)定义：是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。影响钢的淬硬性的因素：主要取决于马氏体的含碳量。钢的淬透性(Hardenabilityofsteel)定义：是指钢在淬火时所能得到的淬硬层(马氏体组织占50%处)的深度。影响钢的淬透性的因素：主要是临界淬火冷却速度VK的大小，VK越大，钢的淬透性越小。Ⅲ、钢的淬火距水冷端距离?25?25水100淬透性曲线硬度HRC钢的淬透性曲线Ⅲ、钢的淬火工件淬硬层与冷却速度的关系Ⅲ、钢的淬火淬硬性与淬透性之间的关系淬透性淬硬性钢种小低碳素结构钢(20)小高碳素工具钢(T10A)大低低碳合金结构钢(18Cr2Ni4WA)大高高碳高合金工具钢(Cr12MoV)Ⅲ、钢的淬火淬透性不同的钢调质后机械性能未淬透钢淬透钢Ⅲ、钢的淬火注意：①淬透性与实际工件淬硬层深度的区别：淬透性是钢本身所固有的属性。而实际工件的淬硬层深度除了取决于钢的淬透性外，还与工件的形状、尺寸及采用的冷却介质等外界因素有关。②钢的淬透性与淬硬性的区别：淬硬性是指钢淬火后能达到的最高硬度，它主要取决于马氏体的碳的质量分数，马氏体的碳的质量分数越高，钢的淬硬性越好。钢的淬透性指在规定的淬火条件下所获得的淬硬深度，主要取决于钢中合金元素多少，钢中合金元素越多，钢的淬透性越好。淬透性好的钢其淬硬性不一定高。Ⅲ、钢的淬火一般规律：1）表面和心部力学性能一致的零件，即要求表面和心部组织一致；如螺栓、连杆、锻模、锤杆（承受拉压载荷）→选用淬透性高的钢；2）表面心部力学性能不一致（表面强度硬度要求高一些，心部塑性韧性要求高），组织可以不一致。如轴类零件，冷镦模具、齿轮。→选用淬透性低的钢。3）焊接件：选用淬透性低的钢。Ⅲ、钢的淬火淬透性的应用按负载，选择不同淬透性的材料：螺栓、连杆、模具等，截面承载均匀，要全部淬透。轴类、齿轮等，承受弯曲、扭转载荷，不必淬透。高强螺栓柴油机连杆齿轮Ⅳ、钢的回火回火：是将淬火钢加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却至室温的热处理工艺。回火的目的：改变强度、硬度高，塑性、韧性差的淬火组织。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。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。Ⅳ、钢的回火回火组织变化80～200℃：马氏体分解Ｍ中析出细小薄片状ε碳化物（Fe2.4C）Ｍ仍然过饱和，但开始↓，过饱和F+ε碳化物回火马氏体畸变↓→内应力↓脆性↓硬度基本不变200～300℃：残余奥氏体分解残余奥氏体Ａ’分解→过饱和F+细小碳化物回火马氏体Ｍ继续分解→内应力↓硬度基本不变250～400℃：M分解完全，碳化物转变F溶解度正常，ε碳化物→颗粒状碳化物回火托氏体内应力完全消除，硬度↓，回火托氏体↑→强度↓塑、韧性↑400℃以上：发生再结晶F发生再结晶→针状甚至等轴状，碳化物长大→球状回火索氏体内应力完全消除，硬度↓Ⅳ、钢的回火低温回火回火温度（150～250℃）→回火M(过饱和F+薄片状Fe2.4C)淬火应力↓，韧性↑，保持淬火后的高硬度。回火M×400M低倍Ⅳ、钢的回火中温回火回火温度（350～500℃）→回火T(F+细粒状Fe3C)弹性极限和屈服强度↑，韧性和硬度中等。回火T×7500T×1000Ⅳ、钢的回火高温回火回火温度（500～650℃）→回火S(等轴状F+粒状Fe3C)综合机械性能最好,即强度、塑性和韧性都较好。调质处理——淬火+高温回火回火S×7500S×1000Ⅳ、钢的回火回火时性能的变化回火温度↑→硬度、强度↓，塑性↑Ⅳ、钢的回火回火的应用低温回火：主要用于各种工具、滚动轴承、渗碳件和表面淬火件。共析钢低温回火后硬度可达58〜62HRC。中温回火：主要用于各种弹簧和热作模具等。共析钢中温回火后硬度可达40～50HRC。高温回火：主要用于汽车、拖拉机、机床等机械中的重要结构件，如轴、齿轮、连杆等。淬火+高温回火称为调质处理，硬度通常为25～35HRC。Ⅳ、钢的回火低温回火刀具回火马氏体淬火马氏体Ⅳ、钢的回火中温回火弹簧热锻模回火托氏体托氏体Ⅳ、钢的回火高温回火回火索氏体索氏体凸轮轴变速箱Ⅳ、钢的回火回火脆性回火过程中，有些钢在某一温度范围内回火时，其冲击韧度比在较低温度回火时反而显著下降，这种脆化现象称为回火脆性。在250℃～350℃的脆性称为第一类回火脆性。无法消除。在500℃～650℃的脆性称为第二类回火脆性。加入Mo、W或回火后快冷可避免这类回火脆性产生。四、钢的表面热处理某些在冲击载荷、交变载荷及摩擦条件下工作的机械零件，如曲轴、凸轮轴、齿轮、主轴等，其表层承受较高的应力。因此，要求工件表层具有高强度、硬度、耐磨性及疲劳强度，而心部要具有足够的塑性和韧性。目的：使零件具有“表硬心韧”的性能特点。分类表面淬火表面化学热处理Ⅰ、表面淬火表面淬火：将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未达到心部时立即迅速冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法。目的：提高表面强、硬度，保持心部良好的塑、韧性。材料及典型零件：中碳钢（Wc＝0.4-0.5%）,如40、45钢机床齿轮、轴等零件。预处理：调质或正火，保证心部最终组织。分类火焰加热表面淬火感应加热表面淬火激光加热表面淬火Ⅰ、表面淬火火焰加热表面淬火淬硬层深度：2-6mm优点：方法简便；无需特殊设备；适用于单件、小批量生产零件；缺点：需要操作熟练，否则造成质量不稳定；应用：轧钢机齿轮、轧辊；矿山机械齿轮、轴；机床导轨、齿轮；Ⅰ、表面淬火感应加热表面淬火基本原理：在感应线圈内通以交流电，电磁感应的作用，在工件中产生了自成回路的感应电流。由于集肤效应，感应电流主要集中在工件表层，使工件表层迅速加热到淬火温度，随即喷水冷却，使工件表层淬硬。淬火层深度(δ)与电流频率(f)的关系：)(500mmfⅠ、表面淬火感应加热分类高频(100kHz～1000kHz)加热→淬硬层0.2-2mm→中小尺寸件中频(0.5kHz～10kHz)加热→淬硬层2-８mm→大中型件工频(50Hz)加热→淬硬层10-15mm→大型件感应电流频率越高，电流集中的表层越薄，加热层也越薄，淬硬层深度越小。感应加热特点表面不易氧化、脱碳；变形小；淬硬层深度易于控制；表面硬度比普通淬火高2～3HRC。生产效率高；易于实现生产机械化。感应加热应用感应加热表面淬火零件宜选用中碳钢。应用最广泛的是汽车、拖拉机、机床和工程机械中的齿轮、轴类等，也可应用于高碳钢制造的工具和量具，以及铸铁冷轧辊等，大批量生产形状较简单的零件。Ⅰ、表面淬火工艺路线锻造退火或正火粗加工表面淬火调质或正火精加工低温回火精磨时效处理精磨成品组织：表面淬火+低温回火→回火Ｍ(降低内应力和脆性)，Ⅰ、表面淬火激光加热表面淬火工艺：将高功率密度的激光束照射到工件表面，使表面快速加热到奥氏体区，依靠工件本身热传导迅速自冷而获得一定淬硬层的工艺操作。硬化层：1-2mm应用：汽车、拖拉机汽缸套、汽缸、活塞环、凸轮轴等零件；特点：淬火质量好，组织超细化，硬度高、脆性极小、工件变形小、不需要回火、节约能源、无污染、效率高、便