钢的热处理

钢的热处理HeatTreatmentofSteels主要内容：热处理的基本概念钢在加热时的转变钢在冷却时的转变钢的退火与正火钢的淬火与回火钢的表面热处理热处理原理热处理工艺钢铁材料是工程材料中最重要的材料之一，在机械制造业中的比例达到90%左右，在汽车制造业中的比例达到70%，在其他制造业中也是最重要的材料之一。改善钢铁材料性能的途径：合金化（Alloying）通过在钢中加入合金元素，调整钢的化学成分，从而获得优良的性能。热处理（HeatTreatment）将金属在固态下经加热、保温和冷却，以改变金属的内部组织和结构，从而获得优良的性能。第一节热处理的基本概念一、热处理的定义热处理是指金属在固态下经加热、保温和冷却，以改变金属的内部组织和结构，从而获得所需性能的一种工艺过程。加热保温冷却临界温度钢的热处理－热处理的基本概念时间热处理工艺曲线示意图温度二、热处理的基本要素和作用热处理的三大要素①加热（Heating）目的是获得均匀细小的奥氏体组织。②保温（Holding）目的是保证工件烧透，并防止脱碳和氧化等。③冷却（Cooling）目的是使奥氏体转变为不同的组织。热处理后的组织加热、保温后的奥氏体在随后的冷却过程中，根据冷却速度的不同将转变成不同的组织。不同的组织具有不同的性能。钢的热处理－热处理的基本概念热处理的特点热处理不改变工件的形状，仅改变钢的内部组织和结构，从而改变钢的性能。热处理的作用改善钢（工件）的力学性能或工艺性能，充分发挥钢的性能潜力，提高工件质量，延长工件寿命。重要结论：材料是否能够通过热处理而改善其性能，关键条件是材料在加热和冷却过程中是否发生组织和结构的变化。钢的热处理－热处理的基本概念普通热处理(整体热处理)退火表面淬火热处理工艺化学热处理表面热处理其他热处理控制气氛热处理真空热处理形变热处理三、热处理的类型1.按加热、冷却方式及钢的组织、性能不同分类正火淬火回火感应加热表面淬火火焰加热表面淬火电接触加热表面淬火渗碳渗氮（氮化）碳氮共渗钢的热处理-热处理的基本概念2.按热处理在工件生产过程中的位置和作用不同分类预备热处理：为随后的加工或热处理作准备热处理工艺最终热处理：赋予工件所需的力学性能毛坯（锻件）预备热处理（退火、正火）机加工（车削）最终热处理（淬火、回火）精加工（磨削）钢的热处理－热处理的基本概念举例：零件的典型加工工艺路线：A1A3AcmAc1Ar1Ac3Ar3ArcmAccm四、钢的临界转变温度（CriticalTemperatureofSteels）wC（%）温度SPGEQFe－Fe3C相图的共析转变部分钢的临界转变温度是钢在热处理时制定加热、保温、冷却工艺的重要依据，由铁碳合金相图确定。重要结论：钢的实际临界转变温度总是滞后于理论临界转变温度,即加热时需要过热，冷却时需要过冷。钢的热处理－热处理的基本概念第二节钢在加热时的转变两种加热方式：钢的热处理－钢在加热时的转变加热保温冷却Ac1时间加热钢的两种方式温度①②细小的奥氏体组织。该过程又称为钢的奥氏体化（Austenitizing）。第①种加热方式发生在临界温度Ac1以上，一定有组织转变，是一种相变过程。第②种加热方式发生在临界温度Ac1以下，不一定有组织转变。加热的目的：本节介绍第①种加热过程，目的是使钢从室温组织（如珠光体）转变为奥氏体，即获得均匀相变（PhaseTransformation）：材料中的一种相在一定条件下转变为另一种相的过程。加热保温冷却第四节钢的退火与正火一、退火（Annealing）1.退火的定义退火是将钢加热至临界点Ac1以上或以下温度，保温后缓慢冷却下来以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。2.退火的目的①调整硬度以便切削加工适于机加工的硬度：HB170～230。②消除残余内应力防止工件淬火时变形或开裂。③细化晶粒，改善组织④为最终热处理（淬火和回火）作组织准备获得粒（球）状珠光体。钢的热处理－钢的退火与正火通常是随炉冷却3.退火的种类第一类退火：目的和作用：不以组织转变为目的，使钢的不平衡状态过渡到平衡状态。种类：扩散退火、再结晶退火、去应力退火。第二类退火：目的和作用：以改变组织和性能为目的，获得以珠光体为主的组织，并使钢中的珠光体、铁素体和碳化物等组织形态及分布达到要求。种类：完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火。钢的热处理－钢的退火与正火钢的热处理－钢的退火与正火完全退火（CompleteAnnealing）工艺规范：加热温度：Ac3+30C～50C。适用范围：亚共析成分的钢。保温时间温度加热Ac3600C空随却炉冷30C～50C冷钢的热处理－钢的退火与正火等温退火（IsothermalAnnealing）工艺规范：加热温度：对亚共析成分的钢，Ac3+30C～50C；对过共析成分的钢，Ac1+30C～50C。适用范围：亚共析钢、（尤其是）合金钢。保温时间温度加热Ac3或Ac1A→P转变温度区等温30C～50C空冷特点：大大缩短工件在炉内的时间。临界温度球化退火（SpheriodizingAnnealing）工艺规范：加热温度：Ac1附近。目的：使钢中的渗碳体或碳化物球状化，以获得粒（球）状珠光体。适用范围：共析成分和过共析成分的钢。扩散退火（DiffusingAnnealing）又称为均匀化退火（HomogenizingAnnealing）。工艺规范：加热温度：略低于相图上的固相线。目的：消除偏析。钢的热处理－钢的退火与正火二、正火（Normalizing）1.正火的定义正火是将钢加热至Ac3或Accm+30C～50C，保温后空冷以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。与退火相比，正火冷却速度快，得到较细的P，强度和硬度也较高。2.正火的目的正火的目的与退火基本相同。3.正火的应用①消除网状二次渗碳体。②作为要求不高的零件的最终热处理。③作为低、中碳结构钢的预备热处理，改善切削加工性能。钢的热处理－钢的退火与正火三、退火和正火的选用①wC%＜0.25%的低碳钢宜采用正火代替退火作为预备热处理。②0.25%＜wC%＜0.50%的中碳钢，可采用退火或正火作为预备热处理。③0.50%＜wC%＜0.75%的中、高碳钢，采用完全退火。④wC%＞0.75%的高碳钢，首先用正火消除网状Fe3C，再进行球化退火。退火和正火通常属于预备热处理。钢的热处理－钢的退火与正火钢的热处理－钢的退火与正火常用退火及正火的加热范围AF＋AA＋Fe3CⅡP＋Fe3CⅡF＋PP第五节钢的淬火与回火淬火和回火通常属于最终热处理。一、淬火（Quenching）1.淬火的定义淬火是将钢加热至Ac3或Ac1以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度vk冷却下来，以获得马氏体的热处理工艺。2.淬火的目的获得马氏体（有时也可以是下贝氏体），提高钢的硬度和耐磨性。淬火是钢的最重要的热处理工艺。钢的热处理－钢的淬火与回火3.淬火工艺参数淬火温度淬火温度，或称淬火加热温度，即是钢的奥氏体化温度。确定淬火温度的原则：获得均匀细小的奥氏体。确定淬火温度的依据：Fe-Fe3C相图。钢的热处理－钢的淬火与回火wC/%碳钢的淬火温度范围温度/CAc1F＋AA＋Fe3CⅡP＋Fe3CⅡF＋PPAc3A各类钢淬火温度的确定：亚共析钢：Ac3+30C～50C共析钢和过共析钢：Ac1+30C～50C合金钢：临界温度以上50C～100C钢的热处理－钢的淬火与回火wC/%碳钢的淬火温度范围温度/CAc1F＋AA＋Fe3CⅡP＋Fe3CⅡF＋PPAc3A加热时间加热时间由升温时间和保温时间组成。确定加热时间的原则：保证工件内外温度一致，奥氏体化过程充分，奥氏体均匀细小。确定加热时间的依据：通常根据经验公式估算或通过实验确定。淬火介质两个方面的问题：冷却速度大，容易获得马氏体。冷却速度大，内应力大，工件变形和开裂的倾向大。钢的热处理－钢的淬火与回火理想淬火介质的冷却曲线时间/sMsA1温度/C理想淬火介质的冷却特性：当冷却至“鼻尖”温度前冷却较慢，以充分降低热应力。在“鼻尖”温度附近具有较大的冷却能力，避免产生非马氏体组织。在Ms点附近冷却尽量缓慢，以减少马氏体转变时产生的组织应力。钢的热处理－钢的淬火与回火常用淬火介质：①水特点：经济，冷却能力较强，但在Ms点附近冷速过快。适用范围：碳钢。盐水：盐或碱的水溶液，高温冷却能力比水强，适用于碳钢。②油特点：低温区（Ms点附近）冷速缓慢，可有效降低变形和开裂倾向，但高温区冷却能力较低。适用范围：合金钢。种类：锭子油、机油、柴油。钢的热处理－钢的淬火与回火（1）单液淬火（SimpleQuenching）操作简单，易实现机械化。用于尺寸不大、形状简单的工件。淬火后组织：M（2）双液淬火（DoubleQuenching）操作复杂，不易掌握。用于形状复杂的高碳钢及尺寸较大的合金钢工件。淬火后组织：M（3）分级淬火（BrokenQuenching）工艺较复杂。用于尺寸较大、形状复杂的合金钢工件。淬火后组织：M（4）等温淬火（IsothermalQuenching）用于形状复杂和要求较高的小工件。淬火后组织：B下4.淬火方法钢的热处理－钢的淬火与回火各种淬火方法示意图时间/sMsA1温度/C①②③④5.钢的淬透性淬透性（Hardenability）的概念钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得淬透层深度的能力。简单地讲，淬透性就是钢淬火时获得马氏体的能力。钢的热处理－钢的淬火与回火100750255002510075503040706050距表面距离/mm2468马氏体量/×100非马氏体量/×100硬度/HRC马氏体或非马氏体量硬度淬火工件截面上马氏体量与硬度的关系（wC=0.8%）淬透性的量度：淬透性的大小用规定条件下钢淬火后获得的淬硬层的深度表示。淬硬层深度：由工件表面到半马氏体区域的深度。影响淬透性的因素淬透性的高低取决于钢的过冷奥氏体的稳定性。过冷奥氏体的稳定性越高，淬透性越好，反之，淬透性越差。什么因素影响过冷奥氏体的稳定性？C曲线的位置。C曲线右移，淬火临界冷却速度减小，淬透性提高。重要结论：凡是使钢的C曲线向右移的因素，均提高钢的淬透性。最主要因素：化学成分除Co外，所有溶入奥氏体中的合金元素均提高淬透性。含碳量愈接近共析成分的碳钢，其C曲线愈靠右，淬透性越高。钢的热处理－钢的淬火与回火淬透性与淬硬性（HardeningCapacity）的区别：淬透性表示钢淬火后获得淬透层深度的能力，取决于钢本身。淬硬性表示钢淬火后所能达到的最高硬度，取决于钢的含碳量。钢的热处理－钢的淬火与回火钢种牌号含碳量/%淬透性淬硬性碳素结构钢200.2小低碳素工具钢T121.2小高合金结构钢20Cr2Ni40.2大低合金工具钢W18Cr4V0.8大高几种典型钢种淬透性与淬硬性的比较淬透性的测定及其表示方法（1）末端淬火试验（End-quenchHardenabilitytest）法通过端淬试验测定淬透性，淬透性的数值为。（2）临界淬透直径（CriticalQuenchDiameter）法用钢在某种淬火介质中能够完全淬透的最大直径D0表示。dHRCJ钢的热处理－钢的淬火与回火末端淬火试验法测定钢的淬透性标准试样，末端喷水测试硬度淬透性曲线二、回火（Tempering）回火是紧接淬火之后的一种最终热处理工艺。淬火钢为什么要回火？钢淬火后的组织是什么？马氏体＋残余奥氏体，均为亚稳定的组织，在一定条件下要转变。马氏体的性能怎样？马氏体硬度高、脆性大（尤其是高碳针状马氏体），性能不能满足工件的使用要求。马氏体转变有什么特点？马氏体转变速度极快，工件淬火后内部有残余内应力，会导致工件的变形或开裂。结论：淬火后的工件不能直接使用！钢的热处理－钢的淬火与回火1.回火的定义回火是将淬火钢加热到Ac1以下某一温度，保温后再冷却到室温的一种热处理工艺。2.回火的目的①降低或消除残余内应力防止工件变形或开裂。②减少或消除残余奥氏体稳定组织，稳定