金属工艺学第五版cp3.ppt

第三章 钢的热处理,主要内容： 1.热处理的基本概念及分类。 2.热处理加热与冷却的组织转变。 3.退火、正火、淬火、回火的原理、目的。,历史,在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前770前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。 公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。,历史,三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。中国出土的西汉(公元前206公元24)中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为0.150.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。 1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时可转变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。,第一节 概述,钢的热处理的概念、目的 钢在加热时的转变 钢的冷却转变,概念：钢在固态下，通过加热、保温并以一定的速度冷却到室温 ，以改变钢的内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。,1. 钢热处理的概念与目的,热处理的目的：通过改变组织达到改变性能的目的。,热处理的过程：任何一种热处理都要经过加热，保温，冷却三个过程，因此，最高加热温度，保温时间，冷却速度就成为热处理工艺的三大要素。,三个要素：,1. 加热到预定的温度（最高加热温度） 2. 在预定的温度下适当保温（保温时间），保温的时间与工件的尺寸和性能有关； 3. 以预定的冷却速度冷却（冷却速度）。冷却速度取决于所需的组织和性能。,热处理工艺曲线的示意图,热处理分类,根据热处理的目的和工艺方法的不同，热处理可分为三大类： 普通热处理：退火、正火、淬火、回火 表面热处理：表面淬火、化学热处理（渗碳、渗氮等） 其他热处理：形变热处理、超细化热处理、真空热处理、离子轰击热处理、激光热处理、电子束热处理等,常用的热处理工艺方法,2. 钢在加热时的转变,钢在室温下的组织（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 P+ Fe3C,加热目的：使钢发生同素异晶转变（得到奥氏体A，消除铁素体F）,过热度与过冷度,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。 这个温差叫滞后度：加热转变 过热度 冷却转变 过冷度， 加热与冷却速度越大，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,平衡状态相变线： A1、A3、Acm 加热实际相变线： Ac1、Ac3、Accm 冷却实际相变线： Ar1、Ar3、Arcm,共析钢加热转变（奥氏体形成）过程,温度： 室温 Ac1 F + Fe3C A 结构： 体心 复杂 面心 含碳量： 0.0218 6.69 0.77,A形成过程组织转变示意图,1、奥氏体形核 （在 F / Fe3C相界面上形核）,A 形核,A形成过程组织转变示意图,亚共析钢和过共析钢加热（A形成）过程的转变,珠光体的转变：亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是存在先析相。其奥氏体的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变，此转变过程同共析钢同。 先析相的溶解： 对于亚共析钢，平衡组织F+P，当加热到AC1以上温度时，PA；在AC1AC3的升温过程中，先析的F逐渐溶入A。即 P + F A + F A 对于过共析钢，平衡组织Fe3C+P，当加热到AC1以上时，PA；在AC1ACCM的升温过程中，二次渗碳体逐步溶入奥氏体中。 即P + Fe3C A + Fe3C A,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。 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。 钢中的合金元素不改变奥氏体的形成过程，但能影响奥氏体的形成速度。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。 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。,3. 钢在冷却时的组织转变,过冷奥氏体高温时所形成的奥氏体冷却到A1点以下尚未发生转变的奥氏体 。 冷却方式：等温冷却和连续冷却 。 冷却方式不同、冷却速度不同，组织转变的产物不同、钢的性能也不同。,共析钢过冷奥氏体等温冷却转变,(1)珠光体型转变（高温转变）,珠光体型组成：F 和 Fe3C 片层的机械混合物 转变温度范围与转变产物形态： A1650 ：珠光体 P 20HRc 650600 ：索氏体 S（细P） 600550 ：托氏体 T 40HRc （极细P又称屈氏体） 珠光体性能： 珠光体片越细 HB，b且，k,珠光体组织特征图,(a)珠光体,(b) 索氏体,(c)屈氏体,(2)贝氏体转变（中温转变）,贝氏体组成：F 和针状的Fe3C的机械混合物 转变温度与转变产物形态： 550350：上贝氏体（B上） 羽毛状组织 塑性差，40-45HRc 350230：下贝氏体（B下） 针片状组织 （Ms） 综合性能好，45-50HRc,上贝氏组织特征图,下贝氏体组织金相图,共析钢过冷奥氏体连续冷却转变,马氏体转变： 过冷A 单相 M（无渗碳体） - Fe - Fe 马氏体组成：碳在- Fe中的过饱和固溶体 形态： 低碳 M（C1.0%) 片状 M 碳含量（0.21.0%）混合 M,硬度：主要取决于马氏体的含碳量（即母相奥氏体的含碳量） 低碳M（板条M）强而韧 高碳M（片状M）硬而脆 塑性和韧性： 低碳M 塑性、韧性好 高碳M 塑性、韧性差。,马氏体性能：,低碳板条状马氏体组织金相图,高碳针片状马氏体组织金相图,第二节 退火与正火,退火（annealing）和正火（normalizing）是生产上应用很广泛的预备热处理工艺，大部分钢制构建经退火和正火后，其力学性能和工艺性能都得到改善和调整。,一、退火,将钢加热到适当温度，保温一定时间，随后缓慢冷却（随炉冷却）以获得接近平衡状态组织的热处理工艺，称为退火。 常用的退火工艺有完全退火、球化退火、扩散退火、去应力退火等。 退火的主要目的在于调整和改善钢材的力学性能和工艺性能（降低硬度，改善切削加工性；细化晶粒，提高塑性和韧性；消除内应力、为最终热处理做好组织准备 ），减少钢材化学成分和组织的不均匀性（扩散退火）。,（1）完全退火,将钢加热到Ac3以上3050，保温一定时间后，随炉缓慢冷却到500以下，再出炉在空气中冷却到室温，最后得到平衡组织铁素体和片状珠光体。,主要用于亚共析碳钢和合金钢的铸、锻、焊、轧制件，目的是细化晶粒，消除应力，降低硬度，改善切削加工性能。,（2）球化退火,把过共析钢加热到Ac1以上2030并保温后，以适当的方式冷却，使钢中的网状碳化物球化，这种热处理工艺称为球化退火。(从A中经共析反应析出的渗碳体以未溶渗碳体为晶核，呈球状析出）,主要用于过共析钢及合金工具钢的退火。由于过共析钢中存在网状二次渗碳体，在切削加工时，对刀具磨损很大，使切削加工性能变坏，而球状珠光体硬度低，节省刀具。,过共析钢热处理前的显微组织,T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 ,（3）去应力退火（低温退火）,去应力退火又称低温退火，其工艺是将工件缓慢加热至500650（A1），保温一定时间后，随炉缓慢冷却至200，再出炉空冷。,其目的是消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以及机加工件的残余应力，防止产生变形。,（4）扩散退火（又称为均匀退火）,将工件加热到Ac3以上150-200（1050-1150 ），长时间保温（10-15h)后随炉缓冷。 适用于合金钢大型铸、锻件，目的是消除其化学成分的偏析和组织的不均匀性。 但扩散退火容易使钢的晶粒粗大，影响力学性能，因此一般扩散退火仍需进行完全退火和正火。,二、正火,将钢加热到Ac3或Accm以上3050，保温后在空气中冷却得到珠光体基体组织的热处理工艺，称正火。 特点： a)冷却速度比退火快，周期短、能耗少。 b)组织细小（索氏体），因而钢的力学性能有所提高。,正火的主要目的:,细化晶粒，提高强度，提高低碳钢和低合金钢硬度，改善切削加工性（避免“粘刀”现象） 。 对过共析钢进行正火，可减少或消除网状碳化物（二次渗碳体），为球化退火做准备； 取代部分完全退火（正火操作简便，生产周期短，消耗少），对低碳钢、含碳较低的中碳钢可达到消除应力。 可作为淬火前的预备热处理，也可用于普通零件的最终热处理。,退火与正火的比较,各种退火和正火的加热温度范围不同（见图)，正火比退火加热温度高。 正火比退火冷却速度快。 正火得到的索氏体组织比退火得到的珠光体细，所以对于同一种材料正火比退火具有较高的力学性能。,正火比退火的生产周期短、生产率高、操作简单、经济性好。退火强调软化，正火强调高效率 。,第三节 淬火与回火,钢的淬火（quenching）与回火（tempering）是热处理工艺中最重要、用途最广泛的工序。 通过淬火可以显著提高钢的强度和硬度； 通过回火可以消除淬火钢的残余内应力、稳定钢的组织； 淬火和回火工艺是密不可分的。,一、淬火,淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上3050，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。 目的：为了提高钢的硬度和耐磨性 。,关于加热温度,亚共析钢必须加热到Ac3以上，进行完全淬火。这是因为亚共析钢如果在Ac1 Ac3之间加热，必然淬火时有一部分铁素体保留在淬火组织中，粗大且较软的铁素体块分布在强硬的马氏体基体上，严重降低了钢的强度和韧性。 而过共析钢必须在Ac1 Accm之间加热，进行不完全淬火，使淬火组织中保留一定数量的细小弥散的碳化物颗粒，以提高耐磨性。当加热温度高于Accm时，淬火会得到粗大马氏体和过量残余奥氏体，这反而降低硬度和耐磨性，增大脆性和淬火应力，使工件变形甚至开裂。,关于加热时间,加热时间（包括零件的升温时间和保温时间）也是影响淬火质量的因素之一。加热时间的确定受到加热速度、加热温度、钢材成分、零件形状和尺寸、装炉方式的影响。在生产上有许多计算加热时间的方法，其中较常用的一种方法是当炉温到达淬火温度时，按工件单位有效厚度的加热时间乘上工件的有效厚度来计算。 例如：在箱式炉中，碳钢的单位有效厚度的加热时间为1-1.3min/mm;合金钢1.5-2min/mm,关于淬火介质,生产中常用的冷却介质分为是水、盐（碱）溶液和油。 （1）水的冷却能力很大，但易使工件变形和开裂，主要用于奥氏体稳定性较差的碳钢。 （2）盐（碱）水的冷却能力比水强，淬火后的工件硬度高而均匀、表面光洁，但极易使工件变形和开裂且锈蚀。常用于形状简单、硬度要求高、尺寸变形要求不严的碳钢零件。 （3）油冷却速度远小于水，有利于减少工件的变形与开裂；但在650500冷却能力差，容易造成碳素钢中奥氏体分解而淬不透。所以，油类冷却介质主要应用于过冷奥氏体比较稳定的合金钢淬火。,常用淬火介质冷却能力比较,淬火方法选择适合方法，防止变形和裂纹,常用的淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火法、贝氏体等温淬火法、冷处理等。 马氏体分级淬火法是将奥氏体化的钢件先浸入温度在马氏体点附近的盐浴或碱浴中，待其表面与心部温差减小后再取出空冷。所以此方法特别适用于形状复杂、尺寸比较小的工件淬火。,淬火方法选择适合方法，防止变形和裂纹,贝氏体等温淬火法将奥氏体化的钢件浸入温度在贝氏体转变温度区间（260-400 ）的盐（碱）浴中等温保持，使奥氏体转变为下贝氏体，然后进行空冷。 冷处理是钢件淬火冷却到室温后，继续在0 以下的介质中冷却的热处理工艺。,二、回火,淬火钢一般不能直接使用。钢的淬火组织是淬火马氏体和残余奥氏体，都是不稳定组织，而淬火马氏体又极脆，并存在很大的内应力，若不及时回火，会使工件发生变形甚至开裂。 回火是将淬火钢重新加热到Ac1点以下某一温度，保温后再冷却至室温的热处理工艺。,回火的目的,（1）消除或降低内应力，降低脆性，防止变形和开裂。 （2）稳定组织，稳定尺寸和形状，保证零件使用精度和性能。 （3）通过不同的回火工艺，来调整零件的强度、 硬度，获得所需要的韧性和塑性。,回火工艺及应用,根据回火温度的不同，回火方法主要有下列三种： 1）低温回火（150250）：组织为回火马氏体，其目的是降低淬火应力和脆性，保持高硬度（HRC5564）和高耐磨性。常用于处理各种工模具以及渗碳淬火或表面淬火的工件。 2）中温回火（350500）：组织为回火托氏体，硬度HRC3545。中温回火的目的是具有较高的弹性极限和屈服极限，并有一定的韧性和抗疲劳性，多用于各种弹簧和锻模等。,回火工艺及应用,3）高温回火（500650）：组织为回火索氏体，硬度HRC2535。特点是在保持较高强度的同时，具有较好的塑性和韧性。 调质处理：淬火加高温回火的热处理又称为调质处理，广泛用于处理各类重要零件，例如轴、齿轮、连杆、螺栓等。,回火脆性,淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间时，产生一种冲击韧性显著降低而脆性高的组织，这种脆化现象称为回火脆性。 回火脆性分为两类：低温回火脆性和高温回火脆性。,钢的表面淬火,在生产中，许多机械零件如轴、齿轮、凸轮等，要求表面有较高的耐磨性，而心部则要求有足够的塑性和韧性。 表面淬火就是通过快速将零件表面加热使钢表层奥氏体化，而心部未被加热，然后淬火冷却，使表层获得马氏体组织，而心部组织并未发生变化，达到“外硬内韧”状态。 生产中应用最多的是感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。,感应加热表面淬火,将工件至于通过交变电流的线圈中，由于电磁感应和集肤效应，将钢件表层迅速加热至淬火温度，而心部电流几乎为零、温度变化很小，这时经喷水冷却，钢件表层快冷淬火，得到一定深度的马氏体层。,感应加热表面淬火,感应加热淬火的淬硬层深度与电流频率有关电流频率越高，淬火后工件淬硬层越薄。 根据所用电流频率，感应加热分为三种： 高频感应加热 常用频率200300kHz，脆硬层深度0.52.5 mm，适用于中小尺寸轴类零件及中小模数的齿轮等。 中频感应加热 常用频率25008000Hz，脆硬层深度38mm，适用于较大尺寸的轴和大中模数的齿轮等。 工频感应加热 电流频率50kHz，脆硬层深度1020mm，适用于大直径轧辊、火车车轮等的表面淬火。,火焰加热表面淬火,用乙炔氧火焰对工件表面进行快速加热，当达到淬火温度时立即喷水冷却，其淬硬层深度一般为26mm。 此法优点是操作简单、不需要特殊设备、成本低、灵活性大，可适合各种生产场合。 缺点是加热温度不易控制，工件表面易过热，淬火质量不够稳定，对工人的技术水平要求较高。这种方法适用于单件小批量生产以及大型零件（如大型轴类、大模数齿轮等）的表面淬火和需要局部淬火及外形复杂的零件。,火焰表面淬火示意图,1加热层 2烧嘴 3喷水管 4淬硬层 5工件,钢的淬透性,钢的淬透性是在规定的淬火条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性（是钢材本身固有的属性）。通常用在规定的淬火条件下（工件尺寸、淬火介质）所能获得的淬硬层深度来表示。 淬硬层深度是从淬硬的工件表面量至规定硬度值（是指马氏体和非马氏体组织各占50%的半马氏体区）处的垂直距离。 钢的淬硬性是指钢在淬火时所能获得的最高硬度。它是反映钢材在淬火时的硬化能力。淬硬性大小主要决定于马氏体的含碳量。,淬透性的测量方法,常用的测定方法有临界直径法和端淬实验法。 临界直径法是把钢材制成一系列直径大小不同的式样，在某种介质中逐个淬冷后，测量心部得到全部马氏体或半马氏体组织的最大直径（称为临界直径）的方法。 端淬试验法是用标准尺寸的端淬试样（ 25*100mm)，经奥氏体化后，在专用设备上对其一端面喷水冷却后，沿轴线方向每隔一定距离测一次硬度，可得到硬度变化与距水冷端面距离的曲线，此曲线称为淬透性曲线。把淬透性曲线放到成分与硬度的坐标系中变得到硬度与钢的含碳量之间的关系。,钢的化学热处理,钢的化学热处理是将工件置于特定介质中加热和保温，使一种或几种元素渗入工件表面，以改变表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。 化学热处理不仅可以使工件表面硬度、耐磨性提高，还可以使工件表面获得一些特殊性能，如耐蚀性等。 化学热处理一般以渗入的元素来命名，如渗碳、氮化、碳氮共渗 。,渗碳,渗碳是为了增加钢件表层的含碳量和使其具有一定的碳浓度，向低碳钢（0.10.25%C）或低合金钢的表层渗入碳原子的化学热处理工艺。 渗碳处理广泛用于表层要求高硬度、高的耐磨性及疲劳强度，而心部要求一定强度和高韧性的零件，如汽车主轴和变速齿轮等。 渗碳后的工件表层为过共析钢组织，其硬度和耐磨性满足不了零件要求，必须进行淬火和低温回火处理。 常用的渗碳方法是气体渗碳和固体渗碳。,渗氮,渗氮是向钢的表面层渗入氮原子以提高表层的硬度、耐磨性、疲劳强度及耐蚀性的化学热处理工艺。 目前最广泛的渗氮工艺是气体渗氮。渗氮过程与气体渗碳过程基本相同，但渗氮温度低，速度非常缓慢。 氮化后工件不需再进行其他处理。 氮化主要用于耐磨性和精度均要求很高的零件，如镗床主轴、精密传动齿轮等。由于氮化层很薄，一般不超过0.600.70mm，,碳氮共渗,目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗应用较为广泛。 中温气体碳氮共渗以渗碳为主，但比渗碳处理加热温度低、时间短、零件变形小、生产效率高。 低温气体碳氮共渗是在500570的温度下，向钢的表面层同时渗入碳、氮原子的过程。共渗温度较低，是以渗氮为主的碳氮共渗过程，共渗层深度可达0.010.02mm。,低温气体碳氮共渗,低温气体碳氮共渗的共渗介质常用尿素，受热分解提供活性碳、氮原子，与气体氮化相比，其渗层硬度较低，脆性较小，故称为软氮化。达到提高耐磨性、疲劳强度和耐蚀性的目的。 低温气体碳氮共渗和渗氮一样，不需要再进行其他处理，而且不受钢种限制。 例如高速钢刀具经气体软氮化后，寿命可提高20%-200%。,热处理零件的结构工艺性,零件应尽量避免尖角、棱角,热处理零件的结构工艺性,零件应尽量避免尖角、棱角,热处理零件的结构工艺性,零件截面厚度应力求均匀,热处理零件的结构工艺性,零件截面厚度应力求均匀,热处理零件的结构工艺性,零件的形状应尽量对称和封闭,热处理零件的结构工艺性,零件的形状应尽量对称和封闭,1.退火与正火的比较 2.生产中常用的冷却介质分为是水、盐（碱）水和油。 3.常用的淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火法、贝氏体等温淬火法、冷处理等。 4.淬火后获得组织是马氏体和贝氏体组织。 5.感应加热淬火所用的电流频率越高，淬火后工件淬硬层越薄。 6.为什么淬火后的工件要经过热处理？,习 题,7.根据回火温度的不同，回火方法主要有下列三种 8.回火是将淬火钢重新加热到Ac1点以下某一温度，保温后再冷却至室温的热处理工艺 9.把淬火和高温回火相结合的热处理又称为调质处理,谢 谢,