碳钢的介绍

第三章、钢的热处理热处理：通过加热、保温和冷却来改变钢的内部组织，使钢能够获得新性能的工艺方法目的：改变钢的性能碳钢存在三种可逆的固态转变：1、A的形成与分解沿A1线：加热时，P→A，冷却时A→P2、F的溶解与析出沿A3线：加热时，F→A，冷却时A→F3、Fe3CⅡ的溶解与析出：沿Acm线：加热时，Fe3CⅡ→A，冷A→Fe3CⅡ第一节钢在加热时的转变一、A的形成1、共析钢的A形成过程P（F+Fe3C）→A≤0.0218%C6.69%C0.77%C体心立方正交晶系面心立方转变必须包含以下过程：①碳原子的扩散过程②铁晶格的重组过程③渗碳体的溶解过程A晶核总是优先在F和Fe3C的相界面上形成2、影响A化的因素加热温度越高，P→A的转变速度越快加热速度越快，P→A的转变速度越快，A晶核越细P越细，P向A转变速度越快，转变速度依次为：细片状P＞粗片状P，层片状P＞粒状P3、非共析钢的A化①.在A1以上，完成P→A的转变②.在A3和Acm以上，分别完成F和Fe3C的A化二、A晶粒大小A晶粒度超过规定尺寸，被称为“过热”本质粗晶粒钢：A晶粒长大倾向较大的钢本质细晶粒钢：A晶粒长大倾向较小的钢本质晶粒度:能反映不同的钢在相同加热条件下的A晶粒长大倾向实际晶粒度：指在具体加热条件下，A的晶粒大小第二节过冷奥氏体转变曲线一、过冷A等温转变曲线过冷A：处于临界转变温度以下的A1、过冷A等温转变曲线的建立与分析（共析钢）①、孕育期高于鼻尖温度，A的转变速度主要取决于过冷度大小低于鼻尖温度，A的转变速度主要取决于原子扩散能力②、转变类型在A1～560℃之间，过冷A会发生珠光体转变在560℃～Ms温度之间，过冷A会发生贝氏体转变在Ms～Mf温度之间，过冷A会发生马氏体转变Ms温度是M转变的开始温度，Mf温度是M转变的终了温度2、转变过程及产物①、珠光体转变粗片P，硬度为5～20HRC细片P，也称索氏体（S），硬度为20～30HRC极细片P，也称托氏体（T），硬度为30～40HRC②、贝氏体转变B：由过饱和碳的F和Fe3C所组成的混合物在560～350℃范围内形成的B称为上B在350℃～Ms温度内形成的B称为下B上B形成温度较高，F条较粗，且平行排列有各向异性，故其塑韧性较差，应用较少下B因F片较细，强韧性很好，硬度高达50～60HRC，故应用较为广范③、M转变转变特点：a.M沿A晶界形核并迅速向晶内长大b.M的长大速度极快c.必须降温，才会有新的M针叶形成d.直到Mf点，转变才告结束e.马氏体是碳在α－Fe中的过饱和固溶体，具有体心正方结构f.M转变时，会产生显著的固溶强化和相变强化，使M具有很高的强度和硬度g.M的含碳量越高，其强度、硬度就越高，塑性、韧性就越低马氏体的性能:含碳0.25%的低碳M,σs=800～1300MPaHRC=35～45δ=9～17%含碳为0.8%的高碳M,σs=1500～2000MPaHRC=62～64，δ=1%残余A：相变结束后被被残留下来的A3、影响C曲线的主要因素①.碳含量的影响•随着c%的增加，亚共折钢的C曲线逐渐右移，过共折钢的C曲线逐渐左移,共折钢的C曲线最靠右•随着C%的增加，钢的Ms点和Mf点逐渐降低②.合金元素的影响•除Co以外，其余合金元素溶入到A后，都会使C曲线右移•除Al，Co之外，其余合金元素溶入到A后，都会降低钢的Ms点和Mf点二、过冷奥氏体连续转变曲线（CCT曲线）临界冷却速度Vc:A能直接转变成M的最小冷却速度第三节钢的普通热处理普通热处理：退火、正火、淬火及回火预先热处理：用于消除各类晶体缺陷，为工件的机加工和后续热处理进行组织准备的热处理最终热处理：为满足工件使用要求进行的热处理钢的实际转变温度：Ac1：实际加热时，P向A转变的最低温度Ac3：实际加热时，F向A转变的最低温度ACcm：实际加热时，Fe3CⅡ向A转变的最低温度Ar1：实际冷却时，A向P转变的开始温度Ar3：实际冷却时，A析出F的开始温度Arcm：实际冷却时，A析出Fe3CⅡ的开始温度一、钢的退火退火：将钢加热至某一温度保温一定时间后，再将钢缓慢冷却至室温的工艺过程退火类型适用范围退火目的完全退火亚共析钢铸锻件消除过热、细化晶粒Ac3+30～50℃扩散退火各类铸件消除成分偏析Ac3（ACcm）+150～250℃使成分均匀化球化退火共析钢和过共析钢使Fe3C球化、降低硬度Ac1+30～50℃锻、轧件改善切削性.为淬火作准备去应力退火铸、锻、焊及去应力、稳定尺寸、防止500℃～650℃各类冷冲压件工件变形与开裂再结晶退火冷变形产品消除加工硬化、恢复塑性650℃～700℃完全退火和扩散退火后的组织：亚共析钢：F+片状P过共析钢：P+Fe3CⅡ二、钢的正火正火：将钢件加热到Ac3或ACcm以上30～80℃保温后再将钢件进行空冷的工艺过程正火组织中P含量较退火组织多，P片较细亚共析钢正火组织：F+S或F+T过共析钢正火组织：S+Fe3CⅡ或T+Fe3CⅡ共析钢的正火组织：S或T正火的目的：①、细化钢的组织，消除过热缺陷，使组织正常化②、提高低碳钢硬度，改善其切削加工性能，作为低碳钢机加工前的预先热处理③、消除或减少过共析钢中的网状Fe3CⅡ，使过共析钢易于球化退火④、作为最终热处理用于某些性能要求不高的零件三、钢的淬火淬火：将钢件加热到Ac3或Ac1以上30～50℃保温后，再将钢件放在水中或油中进行快速冷却，以获得M或B下组织的工艺过程亚共析钢的淬火温度在Ac3以上共析钢和过共析钢的淬火温度在Ac1以上（一）、淬火目的及工艺•提高零件的硬度和耐磨性•提高零件的弹性•提高钢的强韧性•淬火加热温度的选择：亚共析钢，t=Ac3+(30～50)℃共析钢和过共析钢，t=Ac1+(30～50)℃过共析钢在ACcm温度以上加热淬火，有以下害处：1、零件在淬火过程中的变形开裂倾向显著增大2、淬火钢中的残余A数量增多，钢的硬度降低，工件的尺寸不稳定性增大3、钢的耐磨性下降钢在连续冷却时的淬火组织：亚共析钢及共析钢：M+残余A过共析钢：M+残余A+未溶Fe3C（二）、淬火介质热应力：工件内外冷速不同，热胀冷缩不能同时进行所形成的内应力组织应力：工件内外温度不同，M转变不能同时进行所产生的内应力冷却能力：盐水＞水＞油（三）、淬火方法1、单液淬火法在一种介质中进行冷却的淬火方法2、双液淬火法在高温区用盐水快冷，在300℃后用油缓冷，以减少淬火应力的淬火方法3、分级淬火将工件淬入温度为Ms＋﹝10～30﹞℃的硝盐浴中保温2～5分钟，再对工件进行空冷的淬火方法4、等温淬火将工件淬入温度为Ms+30℃的等温盐浴中保温半小时以上，直到下B转变结束后，再将工件进行空冷的淬火方法（四）、钢的淬透性淬透性：钢在淬火时能够获得M的能力钢的C曲线越靠右，淬透性越好，获得M的能力越强，钢的淬硬层深度越大淬硬层深度：由工件表面至半马氏体层的深度除Co以外，其余合金元素会使C曲线右移，能提高钢的淬透性，合金钢的淬透性好于碳钢对碳钢：共析钢的C曲线最靠右，淬透性最好工件要求整个截面性能一致时，应该选用高淬透性钢，使工件整个截面均能获得M四、钢的回火钢淬火得到的M+残余A组织是不稳定的，原因是：•马氏体处于含碳过饱和状态不稳定•残余奥氏体处于过冷状态不稳定•淬火组织中存在大量晶体缺陷不稳定•钢中存在很大的淬火应力不稳定回火的目的：①、消除淬火应力，避免工件在淬火应力作用下发生变形与开裂②、通过碳原子的析出与扩散，降低碳在M中的过饱和度和降低M中的缺陷密度，降低M的脆性③、使残余A向稳定状态转变，使钢的组织及工件尺寸趋于稳定④、调整钢的组织，使工件获得所需的性能回火：将淬火工件重新加热到A1以下某一温度保温一定时间后，再将工件冷却至室温的工艺过程回火过程：是淬火M和残余A的分解，碳化物的析出和长大，以及过饱和F的回复和再结晶过程回火组织转变可分为四个阶段：①80～200℃回火，马氏体会分解成过饱和的α－Fe+ε碳化物②200～300℃回火，残余A也会分解成过饱和的α－Fe+ε碳化物③250～400℃回火，过饱和的α－Fe会逐渐转变成F，ε碳化物会逐渐转变成极为细小的颗粒状Fe3C④400℃以上回火，组织为球状Fe3C+等轴状F三个回火温区：在300℃以下回火，得到回火M在300～500℃回火，得到回火T在500～650℃回火，得到回火SσS：M回＞T回＞S回δ、ak：M回＜T回＜S回T回和S回的综合力学性能分别优于正火T和正火S回火工艺：1、低温回火（＜250℃）：主要用于高碳钢和高碳合金钢制造的各类工模具和机械零件，回火后钢的硬度为58～64HRC2、中温回火（350～500℃）：主要用于中高碳钢制造的各类弹簧，回火后钢的硬度为35～45HRC3、高温回火（500～650℃）：俗称“调质处理”，主要用于中碳钢制造的各种机械零件，调质后钢的硬度为25～35HRC第四节钢的表面热处理一、表面淬火工艺特点：工件表面能得到一定深度的淬硬层，工件的心部组织不会发生变化用途：用于表面硬度、耐磨性要求高，心部塑韧性要求好的机械零件（一）火焰加热淬火燃烧气：天燃气、煤气、乙炔、丙烷等助燃气：氧气和空气乙炔一氧气火焰温度最高，可达3100℃使用条件：淬硬层深度＜3mm煤气一氧气火焰,温度为:2540℃使用条件：淬硬层深度＞3mm火焰加热用钢：中碳钢钢的原始组织：珠光体加热温度：Ac3+(80～100)℃淬硬层深度：2～6mm优点：设备简单、使用方便，适用于特大工件的表面淬火缺点：加热温度不易控制，表面易过热，淬火质量难达到一致（二）感应加热淬火外加电流频率越高，表面效应越显著，淬硬层深度越小高频感应淬火,f=100-1000KHz淬硬层深度：0.2～2mm中频感应淬火，f=0.5-10KHz淬硬层深度：2～8mm工频感应淬火，f=50Hz淬硬层深度＞10～15mm优点：①生产效率高②淬火质量好③淬硬层硬度比普通淬火高2～3HRC④工艺质量稳定感应淬火用钢：中碳钢或中碳合金钢预先热处理：淬火+高温回火（回火索氏体）或正火处理（珠光体）回火温度：180～200℃回火组织：表层为回火马氏体，心部为回火索氏体或珠光体自回火：利用工件在淬火过程中存在的余热来进行回火的工艺方法二、化学热处理化学热处理：将某些活性元素渗入工件表层，来改变工件表层的成分和组织，使工件表层和心部能具有不同力学性能的热处理工艺分解过程：从活性介质中分解出活性原子的过程渗C：2CO→[C]+CO2CH4→[C]+2H2吸收过程：活性原子由钢的表面进入铁晶格的过程扩散过程：渗入钢中的活性原子从钢的表面向钢的内部进行迁移的过程（一）钢的渗碳渗碳：向工件表层渗入碳原子的工艺过程渗碳用钢：20钢、20Cr、20CrMnTi等渗碳温度：900～950℃渗碳时间：根据零件具体技术要求而定渗碳剂：煤油、丙酮、甲醇等渗碳层的含碳量：0.8～1.1%渗碳件组织：过共析组织→共析组织→过渡亚共析组织→原始亚共析组织有效渗碳层深度：指从工件表面到过渡亚共析区内碳浓度为0.4%处的厚度热处理：淬火+（150~200℃）低温回火组织分布：表层：高碳回火M+少量残余A+部分二次Fe3C或碳化物（TiC、CrC等），硬度：58~64HRC心部：工件全部淬透时为低碳回火马氏体，硬度为35~45HRC工件未能淬透时，心部组织为F+P，硬度：10~15HRC渗碳件制造工艺路线：锻造→正火→机加工→渗C→淬火→低温回火→精加工→成品（二）钢的渗氮优点：①工件具有比渗碳更高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度和红硬性显微硬度可达1000～1100HV（相当于69～72HRC）红硬性：钢在高温下能够保持高硬度的能力②渗氮温度低，工件渗N后随炉冷却，热处理变形小缺点：①工艺时间太长②氮化层脆性较大，不能承受过高的接触应力和冲击载荷用途：机床主轴、柴油机曲轴等要求疲劳强度高、耐磨性能好的零件在500～560℃2NH3→2[N]+3H2弥散强化：指合金化合物呈弥散分布所造成的强化渗氮用钢：38CrMoAlA、35CrMo、18CrNiW等渗氮件的制造工艺路线：锻造→退火（或正火