热处理的方式详解

TE-PWenyunJu第页1上海大学机自学院因此热处理的应用日益广泛，几乎80%的机械零件都要热处理，至于工具（刀具、量具、模具）和轴承则100%都要进行热处理,以延长零件的使用寿命。一、热处理的基本概念1.目的→改善组织和性能2.机理→固态相变（纯金属的同素异构转变、合金的晶体结构改变）及原子扩散？钢烧红后放入水中急冷会变硬，紫铜却不会TE-PWenyunJu第页2上海大学机自学院4.分类3.工艺过程→加热+保温+冷却加热保温冷却普通热处理（整体热处理）表面热处理化学热处理形变热处理TE-PWenyunJu第页3上海大学机自学院5.过热和过冷●过热---加热时高于平衡转变温度才发生相变●过冷---冷却时低于平衡转变温度才发生相变*加热转变温度：Ac1、Ac3、AccmAc1Ac3Accm*平衡转变温度：A1、A3、AcmAcmA3A1*冷却转变温度：Ar1、Ar3、ArcmAr3Ar1Arcm极缓慢加热、冷却时的相变温度线钢加热到A1以上时P向A转变TE-PWenyunJu第页4上海大学机自学院二、钢加热时的组织转变（属于平衡转变）奥氏体化+奥氏体长大1.奥氏体的形成过程（=形核+长大）TE-PWenyunJu第页5上海大学机自学院*完全A化（加热至Ac3或Accm以上温度）F、P、Fe3CA*部分A化（仅加热至Ac1以上温度）PA部分A化部分A化完全A化Ac1线根据加热温度的不同，奥氏体化可分为：2.奥氏体的长大过程奥氏体形成后，如果继续加热或保温，在伴随残余渗碳体溶解和奥氏体均匀化的同时，奥氏体晶粒将开始长大。奥氏体晶粒的长大是大晶粒吞并小晶粒的过程，其结果是使晶界面积减小，从而降低了表面能，因此它是一个自发的过程。780℃时A形成不到10S，碳化物溶解几百秒，A均匀化104STE-PWenyunJu第页6上海大学机自学院①奥氏体的晶粒度●起始晶粒度---刚刚完成奥氏体转变（晶界刚刚接触）时的A晶粒大小。●实际晶粒度---在具体的热处理或热加工温度下实际获得的A晶粒大小。●本质晶粒度---将钢加热到930±10℃，保温3～８h，冷却后在放大100倍的显微镜下所测定的A晶粒大小。*本质晶粒度反映了钢在一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向性。其与起始晶粒度和实际晶粒度是完全不同的概念。912℃以上TE-PWenyunJu第页7上海大学机自学院标准晶粒度5～8级的为本质细晶粒钢标准晶粒度1～4级的为本质粗晶粒钢ReviewTE-PWenyunJu第页8上海大学机自学院本质粗晶粒钢：奥氏体随温度的升高迅速长大的钢。如经锰硅脱氧的钢、沸腾钢等本质细晶粒钢：奥氏体晶粒长大倾向小，加热到较高温度才显著长大的钢。如经铝脱氧的钢、镇静钢等TE-PWenyunJu第页9上海大学机自学院热处理生产中应严格控制加热温度，不能过热。常采用快速加热和短时间保温的方法来细化晶粒。因为适当提高加热速度有利于增大过热度，使A晶粒细化，则冷却后的组织也越细，材料的强度、塑性、韧性越好；适当的保温时间有利于A均匀化，但保温时间过长将使晶粒过份长大，形成粗晶。②影响奥氏体晶粒度的因素热处理时的加热温度、加热速度、保温时间以及钢中的碳元素、合金元素的含量都会影响A的长大程度，从而影响实际晶粒度。加热温度越高、加热速度越慢、保温时间越长，实际晶粒度越粗。TE-PWenyunJu第页10上海大学机自学院三、钢在非平衡冷却时的组织转变过冷奥氏体珠光体贝氏体马氏体●过冷奥氏体---在A1温度以下，未发生转变的、处于不稳定状态的奥氏体。●贝氏体---含碳略微过饱和的铁素体与弥散分布的微细渗碳体的混合物，代号B。●马氏体---碳在-Fe中的过饱和固溶体，代号M。平衡冷却时组织F、P、Fe3CTE-PWenyunJu第页11上海大学机自学院1、钢的等温冷却转变曲线（TTT曲线或C曲线）550℃600℃650℃MsMf转变开始线转变终了线-100℃PST珠光体转变B贝氏体转变马氏体转变温度时间A共析钢的TTT曲线230-50TE-PWenyunJu第页12上海大学机自学院转变产物的组织与性能1.珠光体型(P)转变(A1～550℃):A1～650℃:P;5～25HRC;片间距为0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:细片状P---索氏体(S);片间距为0.2～0.4μm(1000×);25～36HRC。600～550℃:极细片状P---屈氏体(T);片间距为＜0.2μm(电镜);35～40HRC。层片间距越小（即从P→S→T），材料的强度、硬度、塑性、韧性越高。TE-PWenyunJu第页13上海大学机自学院珠光体形貌像光镜下形貌电镜下形貌TE-PWenyunJu第页14上海大学机自学院光镜形貌电镜形貌索氏体形貌像TE-PWenyunJu第页15上海大学机自学院屈氏体形貌像电镜形貌光镜形貌TE-PWenyunJu第页16上海大学机自学院2）过冷奥氏体在550℃~Ms之间发生的转变贝氏体转变1）贝氏体B----含碳略微过饱和的铁素体与弥散分布的微细渗碳体的混合物。3）根据转变温度的不同，B分为上B和下B。●上贝氏体（在550℃~350℃的转变产物），其形态为羽毛状，即铁素体呈板条束状，渗碳体弥散分布于板条的边界上，强度低、脆性大，无实用价值。●下贝氏体（在350℃~Ms的转变产物），其形态为针叶状，即铁素体呈针叶片状，渗碳体弥散分布于叶片内，强度、硬度较高，韧性也好，实用价值大。550～350℃:B上;40～45HRC;350～230℃:B下;50～60HRC;TE-PWenyunJu第页17上海大学机自学院2）马氏体转变是过冷奥氏体急冷至Ms~Mf间发生的转变，即M只能是淬火处理的产物。马氏体转变1）马氏体M---碳在-Fe中的过饱和固溶体3）共析钢的Mf在-50℃左右，所以一般在室温环境下的M转变不彻底，仍有少量A会残存下来，称为残余A。且Ms和~Mf随含碳量的增加而降低，故残余A的量也就随含碳量的增加而增多。转变特点:转变温度(230～-50℃)在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度极快,即瞬间形核与长大;无扩散转变(Fe、C原子均不扩散),M与原A的成分相同,造成晶格畸变。转变不完全性,QM=f(T)TE-PWenyunJu第页18上海大学机自学院4）根据含碳量不同，M分为板条M和片状M。●板条M：即低碳M，碳的过饱和度较小，晶格的畸变不大，故硬度不很高，塑性、韧性较好。●片状M：即高碳M，碳的过饱和度大，晶格畸变大，硬度很高；但内应力大，易造成显微裂纹，塑性、韧性极差。＊高碳钢极易淬硬，机械设备中需要高硬度、高耐磨的零件都选用高碳钢。但淬火后脆性大，易开裂，必须再回火才能投入使用。＊低碳钢是淬不硬的钢，机械设备中需要高硬度、高耐磨的零件不会选用低碳钢。低碳板条状马氏体高碳片状马氏体回火马氏体TE-PWenyunJu第页19上海大学机自学院亚共析钢C曲线共析钢C曲线过共析钢C曲线亚共析钢、过共析钢的TTT曲线与共析钢的基本相似，但两者在奥氏体向珠光体转变之前都有先析相（铁素体或二次渗碳体）出现，且曲线中鼻尖及Ms、Mf的位置不同。（课本P49）亚共析钢：碳量增加C曲线右移过共析钢：碳量增加C曲线左移所有的钢，碳量增加，Ms、Mf下降影响TTT曲线形状与位置的因素TE-PWenyunJu第页20上海大学机自学院2.奥氏体中含合金元素的影响:除Co、Al(＞2.5%)外,所有合金元素溶入奥氏体中,会引起:向右移向下移MsA1A1Ms含Cr合金钢TE-PWenyunJu第页21上海大学机自学院3.加热温度和保温时间的影响:加热温度越高,保温时间越长,碳化物溶解充分,奥氏体成分均匀,提高了过冷奥氏体的稳定性,从而使TTT曲线向右移。TE-PWenyunJu第页22上海大学机自学院2、钢的连续冷却转变曲线（CCT曲线）在热处理生产中，奥氏体的转变大多是在连续冷却条件下进行的，所以CCT曲线对制定热处理工艺更加具有重要的指导意义。当采用不同的冷却速度V1、V2、V3和V4连续冷却时，可从图中分析出所获得的组织和性能。V临---获得M的临界冷却温度M临界线，共析钢138℃/SP+少量M，碰到K线不再变P共析钢的CCT曲线V4V3V2V1V临K线TE-PWenyunJu第页23上海大学机自学院3、TTT曲线与CCT曲线的差别及应用价值●差别：所有碳钢的TTT曲线上都有B转变区，而对CCT曲线而言，只有亚共析钢有B转变区，共析钢和过共析钢均无B转变区。也即当采用等温冷却方式进行热处理时，只要温度适当，任何碳钢都可获得韧性较好的B；而当采用连续冷却方式时，只有亚共析钢能获得B，且不是单一相的B，而是与F、P（或S、T）等许多组织混杂在一起的B。TE-PWenyunJu第页24上海大学机自学院●应用价值：热处理生产中，我们根据TTT曲线可准确分析出各种钢材在不同温度下的等温转变产物，从而推断出材料热处理后的性能变化。同样，也可根据CCT曲线准确分析不同速度的连续冷却方式下材料的转变产物和性能。反过来，也可以根据所需要的材料性能来确定等温转变的温度或连续冷却的方式。同时，由于同一钢种的TTT曲线与CCT曲线并没有本质的差别，因此，在缺少CCT曲线的情况下，往往就依据TTT曲线粗略地估计连续冷却时的转变产物与性能。TE-PWenyunJu第页25上海大学机自学院四、常用的热处理工艺1、退火（加热→保温→随炉缓冷）●完全退火种类适用对象加热温度目的中高碳的亚共析钢和共析钢AC3以上20~30℃软化材料有利切削消除应力●球化退火过共析钢AC1以上20~30℃●去应力退火铸、锻、焊件500~650℃消除残余内应力●再结晶退火发生冷变形硬化的钢件650~700℃恢复材料塑性实现平衡相变●等温退火获球状P有利切削淬火前准备奥氏体稳定的合金钢AC1或AC3以上30~50℃TE-PWenyunJu第页26上海大学机自学院SHANGHAIUNIVERSITY注意：除等温退火外的几种退火均采用连续冷却（随炉冷却）方式，占用炉子时间长；而等温退火是将奥氏体化后的钢快冷至珠光体形成温度区等温保温，待完成珠光体转变后，即出炉空冷至室温。所以同样能达到软化材料、消除应力等目的，但时间可缩短一半，经济性好，且组织也较均匀。等温退火完全退火TE-PWenyunJu第页27上海大学机自学院共析钢转变示意图TE-PWenyunJu第页28上海大学机自学院2、正火（加热→保温→空气中冷却）●加热温度亚共析钢：Ac3以上30~50℃共析、过共析钢：Accm以上30~50℃●组织转变：加热时完全A化，冷却时S或T转变●目的：①改善切削加工性能（低碳钢增硬度、防粘刀，中高碳钢降硬度，使切削省力，刀具磨损小）②细化铸、锻、焊件的粗晶组织，改善性能③消除网状的二次渗碳体退火和正火通常作为零件加工前的预备热处理，对一些不太重要的零件可用正火作为最终热处理TE-PWenyunJu第页29上海大学机自学院各种退火和正火的加热温度见下图：AccmAc3Ac1球化退火再结晶退火去应力退火650500700正火完全退火TE-PWenyunJu第页30上海大学机自学院各种退火和正火的工艺曲线见下图：正火Ac3Ac1完全退火球化退火去应力退火再结晶退火时间温度等温退火珠光体转变区TE-PWenyunJu第页31上海大学机自学院3、淬火（加热→保温→急冷）●加热温度亚共析钢：Ac3以上30~50℃共析、过共析钢：Ac1以上30~50℃●目的：提高材料硬度和耐磨性（获得M）●淬火介质：最常用的淬火介质是水和油。B或M转变*水或盐水溶液是经济且冷却能力较强的淬火介质。*淬火用油主要是机油、变压器油、柴油等矿物油。*熔融状态的盐也常用作淬火介质，称作盐浴。*近年来出现聚乙烯醇水溶液、三乙醇铵水溶液、高浓度硝盐水溶液等淬火介质。TE-PWenyunJu第页32上海大学机自学院●淬火方式：①单液淬火→加热A化后的钢件放入水或油中连续冷却至室温的方法。（水淬应力大，工件易变形、开裂；油淬冷却速度慢，碳钢油淬无法全部获得M）②双液