第三章 钢的热处理.ppt
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1、工程材料 第三章 钢的热处理和表面改性,第三章 钢的热处理,第一节 概述 第二节 钢在加热时的组织转变 第三节 钢在冷却时的组织转变 第四节 钢的普通热处理工艺 第五节 钢的表面热处理工艺 第六节 机械制造过程中的热处理,第一节 概述,1.热处理的定义: 热处理是将固态金属以一定的升温速度加热到既定的温度、保温一定的时间,再以一定的降温速度冷却,以改变材料整体或表面组织,从而获得所需性能的工艺。,2.热处理的主要目的:改变钢的性能。,3.热处理的应用范围:整个制造业。,4.热处理的分类,热处理,普 通 热处理,表 面 热处理,退火;正火; 淬火;回火;,表面淬火,化 学 热处理,感应加 热淬火
2、,火焰加 热淬火,渗碳; 渗氮; 碳氮共渗;,第二节 钢在加热时的转变,一、奥氏体化前的组织 二、奥氏体的形成温度与Fe- Fe3C状态图的关系 三、共析钢奥氏体的形成过程 四、亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程 五、影响奥氏体形成速度的因素 六、奥氏体晶粒大小及其影响因素,一、奥氏体化前的组织,我们只考虑比较简单的情况即奥氏体化前的组织为平衡组织的情况。 对于亚共析钢 F+P 共 析 钢 P 过共析钢 Fe3C+P,二、奥氏体的形成温度与Fe- Fe3C状态图的关系,对于加热:非平衡条件下的相变温度高于平衡条件下的相变温度; 对于冷却:非平衡条件下的相变温度低于平衡条件下的相变温度。 加热与
3、冷却速度越大,温度提高与下降的幅度就越大,导致过热度与过冷度越大。此外,过热度与过冷度的增大会导致相变驱动力的增大,从而使相变容易发生。,钢在加热和冷却时的相变临界点,实际相变温度与理论转变温度之间的关系,三、共析钢奥氏体的形成过程,1.奥氏体晶核的形成 2.奥氏体晶核的长大 3.残余渗碳体的溶解 4.奥氏体成分的均匀化,共析碳钢A形成过程示意图,A 形核,A 长大,残余Fe3C溶解,A 均匀化,图5-3,四、亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程,亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是有先共析相。其奥氏体的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变,然后再进行先共析相的溶解。这个PA的转变过程同共析钢相同
4、,也是经过前面的四个阶段。,五、影响奥氏体形成速度的因素,1. 加热速度的影响 加热速度越快,奥氏体化温度越高,过热度越大,相变驱动力也越大;同时由于奥氏体化温度高,原子扩散速度也加快,提高形核与长大的速度,从而加快奥氏体的形成。,五、影响奥氏体形成速度的因素,2. 化学成分的影响 钢中含碳量增加,碳化物数量相应增多,F和Fe3C的相界面增多,奥氏体晶核数增多,其转变速度加快。 钢中的合金元素:因为合金元素能改变钢的临界点,并影响碳的扩散速度,且它自身也存在扩散和重新分布的过程,所以合金钢的奥氏体形成速度一般比碳钢慢,尤其高合金钢,奥氏体化温度比碳钢要高,保温时间也较长(除Co、Ni外)。,五
5、、影响奥氏体形成速度的因素,3. 原始组织的影响 钢中原始珠光体越细,其片间距越小,相界面越多,越有利于形核,同时由于片间距小,碳原子的扩散距离小,扩散速度加快导致奥氏体形成速度加快。同样片状P比粒状P的奥氏体形成速度快。,六、奥氏体晶粒大小及其影响因素,奥氏体的晶粒度及其分类 起始晶粒度 实际晶粒度 本质晶粒度 影响奥氏体晶粒大小的主要因素 加热温度和保温时间 钢的化学成分,标准晶粒度等级,图5-4 晶粒度评定标准,起始晶粒度:,珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。,实际晶粒度,钢在加热时所获得的实际奥氏体晶粒的大小。 实际晶粒度决定钢的性能。,本质晶粒度,钢加热到93010、保温8小时、冷却
6、后测得的晶粒度 表示钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向 本质细晶粒钢 本质粗晶粒钢,钢的本质晶粒度示意图,七、奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响,1.奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力 学性能提高。 2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起 工件产生较大的变形甚至开裂。,第三节 钢在冷却时的组织转变,钢在热处理时的冷却方式 过冷奥氏体的等温冷却转变 过冷奥氏体的连续冷却转变,一.钢在热处理时的冷却方式,二.过冷奥氏体的等温冷却转变,一) 建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转 变曲线 - TTT曲线 ( C 曲线 ),T - time T - temperature T - transformation,共析
7、碳钢 TTT 曲线建立过程示意图,A1,二) 共析碳钢 TTT 曲线的分析,稳定的奥氏体区,过冷奥氏体区,A向产 物转变开始线,A向产物 转变终止线,A + 产 物 区,产物区,A1550;高温转变区; 扩散型转变; P 转变区。,550230;中温转变 区; 半扩散型转变; 贝氏体( B ) 转变区;,230 - 50; 低温转 变区; 非扩散型转变; 马氏体 ( M ) 转变区。,三) 转变产物的组织与性能,1.珠光体型 ( P ) 转变 ( A1550 ) :,A1650 : P ; 525HRC; 片间距为0.60.7m ( 500 )。,650600 : 细片状P-索氏体(S); 片
8、间距为0.20.4m (1000); 2536HRC。,600550:极细片状P-屈氏体(T); 片间距为0.2m ( 电镜 ); 3540HRC。,珠 光 体 形 貌 像,索 氏 体 形 貌 像,屈 氏 体 形 貌 像,三) 转变产物的组织与性能,2.贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550230 ) :,550350: B上; 4045HRC;,上贝氏体组织金相图,三) 转变产物的组织与性能,2.贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550230 ) :,350230: B下; 5060HRC;,下贝氏体组织金相图,三) 转变产物的组织与性能,3.马氏体型 ( M ) 转变 ( 230 -50 )
9、 :,1)定义:马氏体是一种碳在 Fe中的 过饱和固溶体。,2)转变特点: 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 ) 马氏体转变时体积要膨胀。,奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响,奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响,3)马氏体的晶体结构: 由于碳的过饱和作 用,使 Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。,4)马氏体的组织形态: 板条状 - 低碳马氏体(0.2%C ); 3050HRC ; = 917%。,低碳板条状马氏体组织金相图,4)马氏体的组织形态:
10、 针、片状 - 高碳马氏体(1%C); 66HRC左右 ; 1%。,高碳针片状马氏体组织金相图,5)马氏体的性能: 主要取决于马氏体中的碳浓度。,亚共析钢的TTT曲线,P + F,S + F,T,B,M + A残,过共析钢的TTT曲线,P + Fe3C,S + Fe3C,T,B,M + A残,四) 影响 TTT 曲线形状 与位置的因素,1.奥氏体中含碳量的影响:,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:,不形成碳化物的元素如硅、 镍、铜等,只使C曲线的位置右移,不改变其形状; 能形成碳化物的元素如铬、钼、钨、钒、钛等,因对珠光体转变
11、和贝氏体转变推迟作用的影响程度不同,不仅使C曲线右移,而且使其形状变化,产生两个 “鼻子”,整个C曲线分裂成珠光体转变和贝氏体转变两部分,其间出现一个过冷奥氏体的稳定区。 需要注意的是合金元素只有溶入奥氏体中才会增大过冷奥氏体的稳定性,而未溶的合金碳化物因有利于过冷奥氏体的分解而降低过冷奥氏体的稳定性。,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。,三.过冷奥氏体的连续冷却转变,一) 建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转 变曲线 - CCT 曲线,C - continuous C - co
12、oling T - transformation,一) 共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图,Pf,Ps,A+P,K,Ms,Mf,二) 共析碳钢 TTT 曲线与CCT曲线的比较,(1)、 CCT曲线和C曲线的比较 比较CCT曲线和C曲线,可发现CCT曲线有以下一些特点。 共析钢的CCT曲线在其C曲线右下方。这表明若过冷奥氏体连续冷却的转变产物与等温冷却的转变产物基本相同,但连续转变开始和终了的温度要低些,孕育期也较长。 CCT曲线只有C曲线的上半部分,而无下半部分,表明共析钢连续冷却时,只有珠光体、马氏体转变而不发生贝氏体转变。 在连续冷却过程中,过冷奥氏体的转变是在一个温度区间内进行的,随着
13、冷却速度的增大,转变温度区间逐渐移向低温,而转变时间则缩短。 因为过冷奥氏体的连续冷却转变是在一个温度区间内进行的,在同一冷却速度下,因转变开始温度高于转变终了温度,使先转变的组织的晶粒粗,后转变的组织晶粒细,而且可能先后经过几个转变温度区,先后产生几种不同的组织,而获得几种组织的混合产物。,(2)、亚共析碳钢与过共析碳钢的CCT曲线 过共析碳钢的CCT曲线与共析碳钢相比,除了多一条先共析的渗碳体析出线外,其他基本相似,即也没有贝氏体转变区。 亚共析碳钢的CCT曲线与共析碳钢相比,不大相同,它除了多一条先共析的铁素体析出线外,还出现了贝氏体转变区。 (3)、C曲线在连续冷却中的应用 因为过冷奥
14、氏体的连续冷却转变曲线测定困难,且有些使用广泛的钢种的CCT曲线至今还未测出,所以目前生产上常用C曲线代替CCT曲线定性地、近似地分析过冷奥氏体的连续冷却转变。,三)在连续冷却过程中 TTT 曲线的应用,V1 = 5.5/s : 炉冷 ; P,V2 = 20/s : 空冷 ; S,V3 = 33/s : 油冷;T+M+A残,V4 138/s : 水冷 ; M+A残,第四节 钢的普通热处理工艺,预备热处理 : 退火 ; 正火,最终热处理 : 淬火 ; 回火,一般零件生产的工艺路线:,一.钢的退火,一)定义: 把零件加温到临界温度以上30 50或者在临界温度以下,保温一段时间,然后 缓慢冷却(随炉
15、冷却)。,二)目的: 消除应力;降低硬度;细化晶 粒;均匀成分;为最终热处理 作好组织准备。,三) 种类,退火,重结晶 退 火,低温 退火,完全退火,扩散退火,球化退火,再结晶退火,去应力退火,等温退火,普通球化 退 火,等温球化 退 火,四) 工艺参数:,扩散退火造成晶粒组织粗大,通常还要进行完全退火和正火处理。 去应力退火可消除内应力的50%80%。,四) 工艺参数:,完全退火,加热温度:Ac3以上20-30度 组织:P+F 目的: 细化,均匀化粗大、不均匀组织 接近平衡组织调整硬度切削性 消除内应力 应用范围:亚共析钢,共析钢,不适用于过共析钢。,等 温 退 火,加热温度:Ac1以上10
16、-20度,或Ac3以上30-50度 组织:P 目的: 与完全退火相同 更均匀的组织和硬度 显著缩短生产周期 应用范围:高碳钢,合金工具钢,高合金钢。,球化退火(不完全退火),加热温度:Ac1以上20-40度 应用范围:过共析钢,共析钢 组织:球状P(F+球状FeC3) 目的: 使FeC3球化HRC,韧性切削性 为淬火作准备 所有的高碳钢在切削之前一般都要进行球化退火。,去应力退火,去应力退火又称低温退火或高温回火; 把钢件加热到Ac1以下,一般500650随炉冷却至300200出炉; 目的:消除残余应力,防止零件变形或开裂,保证精度。,五)热处理后的组织 :,共析钢球化退火组织 ( 化染 )
17、700 ,T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 ,二.钢的正火,一)定义: 把零件加温到临界温度以上3050,保温一段时间,然后在空气中冷却。,二)目的: 消除应力;调整硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。,三) 工艺参数:,四) 工艺参数:,四)热处理后的组织:S (Wc=0.61.4%) S+F (Wc0.6%),五) 应用范围: 1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬度;消除魏氏和带状组织;减少或消除过共析钢中的Fe3C。 2 .最终热处理:细化晶粒,提高钢的强度、硬度和韧度,用于力学性能要求不高的普通零件。,退火和正火的选择,(1)从切削加工性上考虑 切削加工性又包括
18、硬度,切削脆性,表面粗糙度及对刀具的磨损等。 一般金属的硬度在HB170230范围内,切削性能较好。高于它过硬,难以加工,且刀具磨损快;过低则切屑不易断,造成刀具发热和磨损,加工后的零件表面粗糙度很大。 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,故中碳以上的合金钢一般都采用退火以改善切削性。,退火和正火的选择,(2)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。 (3)从经济上考虑 正火比
19、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。,三.钢的淬火,一)定义: 把零件加温到临界温度以上 30 50,保温一段时间,然 后快速冷却 ( 水冷 )。,二)目的: 为了获得马氏体组织,提高钢 的硬度和耐磨性。,淬火工艺的实质是奥氏体化后进行马氏体转变。淬火钢的组织主要由马氏体组成,此外还有少量残余奥氏体和未溶的第二相。 从原理上说,只有发生奥氏体向马氏体转变的热处理过程才称作淬火。但是,淬火这一术语,现在用得很广泛,凡是奥氏体化以后在水中、油中或低温盐浴中快速冷却的工艺过程,都叫作淬火。 在这广义的淬火过程中,可能发生马氏体转变,也可能发生贝氏体转变,
20、还可能不发生任何转变,将奥氏体固定到室温。,*淬火的目的 淬火是为了得到马氏体。但是,马氏体不是热处理所要得到的最终组织。淬火必须与回火恰当配合,才能达到预期的目的。所以,这里所说的“淬火的目的”,实际上是淬火回火的共同目的。主要如下: 1、提高硬度和耐磨性; 2、提高弹性; 3、提高强韧性; 4、提高硬磁性(永磁性) ; 5、提高耐蚀性和耐热性; 总之,钢的强度、硬度、耐磨性、弹性、韧性、疲劳强度等等,都可以利用淬火与回火使之大大提高:所以,淬火是强化钢铁的主要手段之一。,三) 工艺参数:,三)工艺参数:,四)热处理后的组织 :,M+Fe3C+A残,Ac1+3050,过共析钢,M + A残,
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