第六章钢的热处理Word文档格式.docx

第六章钢的热处理Word文档格式.docx

《第六章钢的热处理Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第六章钢的热处理Word文档格式.docx（25页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

3、原始组织

晶粒细化，晶界面积增大，晶格畸变严重，能量高，稳定性下降，A形核率和长大速度提高，A形成速度随之提高。

4、加热速度

加热速度提高，所需过热度大，则A形成温度提高，A形成速度随之提高。

三、奥氏体晶粒大小——晶粒度

起始晶粒度：

P刚刚全部转变为A时的A晶粒度。

实际晶粒度：

钢在具体的热处理或热加工条件下实际获得的A晶粒的大小，直接影响钢的性能

本质晶粒度：

在规定的加热条件下（930℃×

3～8h）A晶粒长大倾向的高低。

曲线1——本质粗晶粒钢；

曲线2——本质细晶粒钢。

结构钢的A的晶粒度分为8级：

1级粗，8级细。

晶粒度为1~4级——本质粗晶粒钢；

晶粒度为5~8级——本质细晶粒钢，但在950~1000℃以上时，晶粒显著增大。

本质细晶粒钢：

用Al脱氧，镇静钢。

本质粗晶粒钢：

用Mn、Si脱氧，沸腾钢。

需经热处理的工件一般都要采用本质细晶粒钢。

四、奥氏体的长大及其影响因素

1、A的长大过程是一个自发过程：

A长大可以使晶界面积减少，从而使能量减低，稳定性提高。

2、影响A长大的因素

1）加热温度、保温时间

加热温度高，保温时间长，则A晶粒粗大。

2）A中含碳量

A中含碳量大，则A长大倾向大。

3）组织：

A晶界上存在未溶的残余Fe3C可阻碍A晶粒长大。

4）合金元素：

Mn、P促进A晶粒长大，其它元素阻碍A晶粒长大。

为防止A晶粒长大，在实际生产中，常采用的控制A晶粒长大方法：

1）快速加热；

2）反复奥氏体化。

6-2钢在冷却时的转变

一、冷却方式

1、连续冷却：

把奥氏体化的钢置于某种介质中连续冷却到室温。

2、等温冷却：

把奥氏体化的钢快速冷却到Ar1以下某一温度，保持恒温，使奥氏体发生组织转变，待转变结束后连续冷却到室温。

二、过冷奥氏体等温转变曲线图（C曲线、TTT图）

1、TTT图的建立

通过实验方法做出在各种过冷度下，过冷A向其它组织转变的转变量与恒温保温时间的关系曲线。

经加热A化后迅速冷却到A1以下不同温度（t1＞t2＞t3＞t4＞t5……），在不同温度下恒温；

每经过一定时间取出一个试样淬入水中，过冷奥氏体转变为马氏体，之前的转变产物不发生转变，测出转变相对量。

测出各不同等温温度下过冷A转变量与保温时间的关系，做出转变动力学曲线。

将转变转变开始时间和终止时间标记到转变温度—时间为坐标的图上，连接各转变开始点和终止点，便可得到C曲线。

2、TTT图分析

孕育期：

在各不同温度下过冷A发生转变所需的准备时间。

1）线：

Ar1——A、P平衡共存温度

MS——M转变开始温度

Mf——M转变终止温度

2）区：

TTT图反映了过冷A在不同温度区域中的等温转变类型和产物。

（三）过冷A转变产物及其性能

转变类型

组织名称

形成温度（℃）

转变机制

组织特征

HB（HRC）

珠

光

体

类

转

变

珠光体P

索氏体S

屈氏体T

A1~650

650~600

600~550

扩散型

F+Fe3C片层状

F+Fe3C细片层状

F+Fe3C极细片层状

170~200（~20）

230~320（25~35）

330~400（35~40）

贝

氏

上贝氏体B上

（工业上不用）

下贝氏体B下

550~350

350~MS

半扩散型，只碳原子扩散

呈羽毛状

呈黑色针状

（42~48）

（48~58）

马

针状马氏体

（高碳）

板条马氏体

（低碳）

MS~Mf

非扩散型

竹叶状或凸透镜状

细板状

（62~65）

（50~60）

马氏体相变特点：

1、转变温度低，过冷度大，在MS~Mf范围内进行；

MS、Mf不受冷却速度影响，只取决于A成分，其中C含量增加，则MS、Mf下降。

2、M相变仅是晶格重构（FCC→体心正方），转变前后成分不变，属于非扩散型转变。

3、M相变是变温过程，如果转变过程中温度停止下降，则A发生稳定化，不转变为M。

4、M相变速度极快（小于10-7S）。

5、M相变是不完全相变：

由于Mf远低于室温，必然存在残余A；

另外M相变伴随着体积膨胀，抑制了A→M。

6、M相变产生很大的内应力：

组织应力、热应力。

残余奥氏体存在利弊：

1、不利：

耐磨性、4组织稳定性、淬火硬度下降

2、有意：

减震；

提高冷模钢、低温用钢的韧性；

提高轴承钢的疲劳强度、塑性、韧性。

控制残余奥氏体的方法：

1、化学成分：

碳含量增加、合金元素含量提高，则MS、Mf下降，残余奥氏体含量增加；

2、加热奥氏体条件：

加热温度提高，保温时间延长，则奥氏体成分均匀程度提高，残余奥氏体含量增加；

3、淬火后进行冷处理：

冷处理温度降低，则残余奥氏体含量减少；

4、回火：

回火温度提高，则残余奥氏体含量减少。

（四）影响C曲线的因素

1、A中含碳量：

亚共析钢随着含碳量增加，C曲线右移，过冷A稳定性提高，MS下降；

过共析钢随着含碳量增加，C曲线左移，过冷A稳定性下降，MS下降；

2、A中合金元素：

除Co和Al（＞2.5%）外，其它合金元素使C曲线右移，过冷A稳定性提高；

当碳化物形成元素（Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr）含量较多时，会改变C曲线的形状；

3、加热温度和保温时间：

加热温度提高，保温时间延长，A成分均匀，稳定性提高，C曲线右移。

（五）过冷奥氏体连续转变曲线图（CTT图）

与TTT图比较：

CTT图曲线向右下方移动，无贝氏体转变区，M转变较完全。

TTT图和CCT图的应用：

1、制定热处理工艺：

确定热处理工艺参数、选择冷却介质；

2、分析热处理后的组织和性能；

3、判断钢的淬透性，合理选择材料。

6-3钢的退火与正火

一、退火

1、定义：

退火：

将钢加热到低于或高于AC1的某一温度，保温一定时间，然后缓慢冷却以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。

2、退火的工艺及其应用

退火种类

加热温度（℃）

组织

应用和目的

完全

退火

AC3+30~50

F+P

（细小）

含碳量0.5%以上的亚共析钢的预备热处理，降低硬度，改善切削加工性能；

细化晶粒。

球化

AC1+30~50

球化组织

（F+Fe3C粒）

过共析钢的预备热处理，降低硬度，改善切削加工性能，为淬火作组织准备。

再结晶退火

T再+100~200

＜AC1

等轴晶粒

消除冷塑性变形产生的加工硬化，恢复塑性变形能力。

去应力退火

500~600

200~300

无变化

消除铸、锻、焊接、冲压件及机械加工零件的残余内应力。

扩散

1100~1200

（粗大）

减少钢锭、铸件、锻坯的成分偏析和组织不均匀。

二、正火

将钢件加热到AC3（对亚共析钢）或ACCm（对过共析钢）以上30~50℃，保温后在空气中自然冷却以获得先共析相和细珠光体的热处理工艺。

2、正火的工艺及其应用

钢种

低碳钢

F+S

提高硬度，改善切削加工性能；

获得使用性能。

中碳钢

过共析钢

ACCm+30~50

S+Fe3C片状

消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。

三、退火、正火的选择

1、经济性：

正火优于退火

2、改善切削加工性能：

含碳量＜0.5%的碳钢——正火；

含碳量＞0.5%的碳钢——退火；

3、使用性能：

工件性能要求不高，不进行最终热处理时采用正火；

对大型、结构复杂的工件，为防止变形、开裂应采用退火

为减少淬火变形、开裂倾向，应采用退火

6-4钢的淬火

一、定义

淬火：

把钢加热到AC3（对亚共析钢）或AC1（对过共析钢）以上30~50℃，保温一定时间使之奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快速冷却，从而获得马氏体组织的热处理工艺。

二、目的

1）获得马氏体组织，提高硬度和耐磨性；

2）为回火作组织准备。

三、工艺

1）淬火加热温度

2）淬火加热时间：

升温时间、保温时间

3）冷却介质：

水：

适用于截面尺寸小，形状简单的碳钢件。

油：

适用于合金钢或小尺寸的碳钢件。

盐水或碱水：

适用于淬透性低的碳钢件。

四、淬火方法：

1）单液淬火（Ⅰ）：

操作简单，易实现机械化、自动化，应用广泛。

例如：

形状简单的碳钢水淬和合金钢油淬。

获得马氏体组织。

2）双液淬火（Ⅱ）：

应用于形状复杂的碳钢件及大型合金钢件。

3）分级淬火（Ⅲ）：

适用于小尺寸工件。

4）等温淬火（Ⅳ）：

用于形状复杂，要求较高硬度和强韧性的工具、模具；

形状复杂要求高的薄、小件，如弹簧。

获得下贝氏体组织。

五、淬火质量的测定

1）淬透性：

取决于A中合金元素含量

2）淬透性的测定：

顶端淬火法，

，

3）淬硬性：

取决于加热时形成的奥氏体的含碳量。

4）淬透性的实际应用

（1）要求完全淬透：

完全淬透，性能均匀，应用于截面均匀受力或受大冲击载荷。

如螺栓、连杆、锤杆等

（2）要求一定深度的淬透层：

应用于受弯曲、扭转的实心轴类零件及表面要求高耐磨性并受冲击的模具等。

淬透层为零件半径的1/3~1/2。

（3）要求低淬透性：

应用于焊接零件。

6-5钢的回火

回火：

将淬火后的钢加热到不超过AC1临界温度进行保温，然后按不同方式进行冷却的热处理工艺。

1）获得所需组织和性能；

2）稳定组织和尺寸；

3）消除内应力。

三、回火时的转变

M分解则体积收缩；

A分解则体积膨胀。

M比容最大，A比容最小。

1、＜100℃：

无明显转变发生，体积无变化，M中碳原子发生聚集，但M不发生分解。

2、回火第一阶段（100~250℃）：

体积收缩，马氏体（M）开始转变为回火马氏体（M回：

过饱和a固溶体和与其保持共格关系的弥散度极高的细小ε碳化物的混合物。

）。

由于过饱和强化与弥散强化的作用，强度、硬度基本不变，但晶格畸变、内应力减少，脆性下降。

3、回火第二阶段（250~350℃）：

体积膨胀，残余奥氏体（AR）转变为下贝氏体（B下），马氏体（M）继续转变为回火马氏体（M回），组织以M回为主，强度、硬度下降不大，内应力进一步减少。

4、回火第三阶段（350~500℃）：

体积收缩，回火转变产物为回火屈氏体（T回：

针状F和弥散分布的细颗粒状Fe3C的混合物）。

内应力基本消除，强度、硬度下降，塑性、韧性提高，弹性极限达到最大值（400℃）。

5）回火第四阶段（＞500℃）：

Fe3C长大，铁素体内亚结构发生回复、再结晶，强度、硬度进一步下降，塑性、韧性进一步提高，内应力完全消除。

在500~650℃回火的产物为回火索氏体（S回：

多边形等轴F和粒状Fe3C的混合物），具有良好的综合机械性能。

四、回火的分类

1）低温回火（150~250℃）：

马氏体（M）开始转变为回火马氏体（M回：

3）中温回火（350~500℃）：

回火转变产物为回火屈氏体（T回：

4）高温回火（500~650℃）：

塑性、韧性进一步提高，内应力完全消除。

4、回火的种类和应用

回火种类

性能

应用

低温回火

150~250

M回+碳化物

高强度、硬度、耐磨性HRC58~64

工具钢、滚动轴承钢、渗碳件、表面淬火件；

降低内应力、脆性

中温回火

350~500

T回

高弹性极限、韧性、屈服强度

弹簧、弹性夹具、热锻模、刀杆

高温回火

500~650

S回

良好的综合机械性能

重要结构件：

轴、齿轮、连杆、螺栓等

低温回火脆性：

在250~350℃回火时钢的韧性显著下降。

过程不可逆，应避免在该温度区间回火。

高温回火脆性：

在450~600℃回火后缓冷，含Cr、Ni、Mn、Si较多的合金钢韧性明显下降。

过程可逆，重新加热回火，然后快冷，或在钢中加入适量的W（1%）和Mo（0.5%）也可防止。

6-6钢的表面淬火和化学热处理

一、表面淬火

1、定义

表面淬火：

把钢件的表面层迅速加热使之奥氏体化并快速冷却以获得马氏体组织，而心部保持原始组织的一种淬火工艺。

2、特点

表面淬火与正火或调质处理相配合，可有效提高零件表层的硬度和耐磨性，达到外硬内韧的效果，并在表层造成压应力，提高疲劳强度。

表面淬火只改变表层的组织而不改变其化学成分。

3、适用材料

钢：

含碳量为0.40~0.50%的亚共析钢，如40、45、50、40Cr、45Cr——制造要求表面耐磨的零件：

齿轮、凸轮轴、曲轴、连杆。

9Cr2W、9Cr2Mo——制造冷轧辊

铸铁：

球墨铸铁——热轧辊、校正辊

灰口铸铁——车床床身的导轨

4、加热方法：

火焰、电接触、感应加热

感应表面淬火：

淬硬层深度H=0.5~20mm，

，其中f为感应电流频率（Hz）。

感应器用紫铜管制造，通水冷却。

加热原理——集肤效应。

优点：

加热迅速，生产率高，组织细小，氧化、脱碳少，用于大批量生产。

缺点：

参数调整复杂，设备昂贵。

二、钢的化学热处理

钢的化学热处理：

把钢件置于某种化学介质中，通过加热和保温，使介质中某些元素渗入钢件表层，从而改变钢件表层化学成分、组织和性能的热处理工艺。

2、种类

1）提高硬度、耐磨性：

渗碳、渗氮、渗硼、碳氮共渗

2）提高耐蚀性：

渗铬、渗碳、渗氮

3）提高特殊性能：

抗氧化——渗铝；

耐酸性——渗硅

3、钢的渗碳

1）渗层深度：

小于2mm

2）适用钢材：

渗碳钢，如20、20Cr、20CrMnTi、

20CrMnVB

3）渗碳目的：

表面高硬度，内部高韧性

4）渗碳方法：

固体渗碳、气体渗碳

渗碳后的成分梯度：

高碳—→中碳—→低碳

表面—————→心部

不需渗碳处涂防渗碳涂料。

5）加热温度：

AC3+30~50℃，一般常用温度为930±

10℃

6）热处理：

（1）直接淬火：

渗碳→预冷淬火（AC1+30~50℃，M+AR+Fe3C）→低温回火（150~250℃，M回+AR+Fe3C）

（2）一次淬火：

渗碳→正火或退火→淬火（AC3或AC1+30~50℃）→低温回火

（3）两次淬火：

渗碳→淬火（AC3+30~50℃）→淬火（AC1+30~50℃）→低温回火（150~250℃，M回+AR+Fe3C）

4、钢的渗氮

0.4~0.7mm

渗氮钢，如38CrMoAlA、35CrAlA、38CrWVAlA

渗氮钢含Al、Cr、Mo，有利于吸收[N]，形成氮化物。

3）渗氮目的：

表面高硬度（HV1000~1100）、高耐磨性，内部高强韧性，提高疲劳强度和耐蚀性。

4）渗氮方法：

气体渗氮。

不需渗氮处镀锡。

5）渗氮前热处理：

调质处理，以获得心部良好的综合机械性能。

6）加热温度：

500~600℃×

20~50h，一般常用温度为550~570℃（不能高于调质处理的回火温度）。

在表面形成氮化物。

6-7热处理的主要缺陷及其防止

一、过烧

零件在热处理时，由于加热温度过高，导致钢的晶界熔化——过烧——零件报废。

防止措施：

严格控制加热温度。

二、过热

零件在热处理时，由于加热温度过高或在高温下保温时间过长，导致奥氏体晶粒显著长大——过热。

改正方法：

完全退火、正火——细化晶粒。

三、脱碳

零件在含有氧、二氧化碳、水蒸汽的介质中加热时，使钢中溶解的C形成CO和CH4而降低钢表面的含碳量，导致表面硬度和疲劳强度下降。

涂保护涂料、在盐浴、保护气氛或真空中加热。

四、氧化

零件在含有氧的介质中加热时，氧与零件表面或晶界的Fe形成FeO，导致零件表面硬度、疲劳强度、尺寸精度下降。

五、变形和开裂

由内应力（热应力和组织应力）引起。

变形——校正；

开裂——报废

正确选材、合理设计结构；

淬火前进行预备热处理；

严格控制加热温度；

控制加热速度；

采用适当冷却方法。

作业：

4－15，4－17，4－41，4－42

思考题：

4－6，8，11，16，27，30，31，33，36，37，38