三(3)金属热处理剖析

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1、第九章 金属热处理,热处理的作用,机床、汽车、摩托车、火车、矿山、石油、化工、航空、航天等用的大量零部件需要通过热处理工艺改善其性能。拒初步统计，在机床制造中，约60%70%的零件要经过热处理；在汽车、拖拉机制造中，需要热处理的零件多达70%80%，而工模具及滚动轴承，则要100%进行热处理。总之，凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能使用。,“瓦良格”号航空母舰，是中国人民解放军海军的第一艘可搭载固定翼飞机的航空母舰。瓦良格号航空母舰原为苏联海军的库兹涅佐夫元帅级航空母舰。1985年12月4日开工，1988年11月下水，由于苏联解体，其后期建造工程被迫中断，并被划归为乌克兰拥 有。1998年

2、，澳门创律旅游娱乐公司通过竞标，以2000万美元买下瓦良格号，后被中国军方购得在大连造船厂进行修缮改装。2011年7月27日，中国 国防部首次证实，目前正在改造一艘废旧航空母舰平台，用于科研试验和训练。2011年8月10日首次进行出海航行试验。2012年内将有可能入役。,福岛核电站（Fukushima Nuclear Power Plant）是目前世界上最大的核电站，由福岛一站、福岛二站组成，共10台机组（一站6台，二站4台），均为沸水堆。受东日本大地震影响，福岛第一核电站损毁极为严重，大量放射性物质泄漏到外部，日本内阁官房长官枝野幸男宣布第一核电站的1至6号机组将全部永久废弃。联合国核监督机

3、构国际原子能机构(IAEA)干事长天野之弥表示日本福岛核电厂的情势发展“非常严重”。法国法核安全局先前已将日本福岛核泄漏列为六级。2011年4月12日，日本原子能安全保安院根据国际核事件分级表将福岛核事故定为最高级7级。,瓦良格航母从开建到改装（1985-2000）十余年的时间内，船体没有发生腐蚀、没有感生磁性，保证改装工作的顺利进行。,？,福岛核电站机组在海啸发生、机组进水后发生爆炸！产生严重的核泄露！,材料的显微组织使然！,显微组织决定材料的使用性能！,指导热处理技术发展的理论基础相变理论！,什么是热处理,热处理：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而

4、获得所需性能的工艺过程。 通过这个过程，材料的内部组织发生了变化，因而性能变化。例如碳素工具钢T8在市面上购回的经球化退火的材料其硬度仅为20HRC，作为工具需经淬火并低温回火使硬度提高到6063HRC，这是因为内部组织由淬火之前的粒状珠光体转变为淬火加低温回火后的回火马氏体。,认识热处理,同一种材料热处理工艺不一样其性能差别很大，导致性能差别如此大的原因是不同的热处理后内部组织截然不同。,PF,SF,回火M,回火S,认识热处理,同类型热处理(例如淬火)的加热温度与冷却条件要由材料成分确定。这些表明，热处理工艺（或制度）选择要根据材料的成分，材料内部组织的变化依赖于材料热处理及其它热加工工艺，

5、材料性能的变化又取决于材料的内部组织变化。所以，材料成分加工处理工艺组织结构材料性能这四者相互依成的关系贯穿在材料加工的全过程之中。,热处理的基本要素,热处理工艺曲线示意图,热处理的基本要素,热处理工艺中有三大基本要素：加热、保温、冷却。这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。 1、加热 不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。对于钢铁材料而言，加热分为两种，一种是在临界点A1以下的加热，此时不发生组织变化；另一种是在A1以上的加热，目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。,热处理的基本要素,2、保温 保温是热处理的中间工序，其目的是要既要保证工件烧透，又要防止脱碳、氧化等

6、。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。 3、冷却 冷却是热处理的最终工序，也是热处理过程中最重要的工序。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。,热处理的基本类型,1、根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同，热处理可分为下列几类： 常规热处理 退火、正火、淬火和回火等。 表面热处理 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、氮化和碳氮共渗等。 其它热处理 可控气氛热处理、真空热处理和形变热处理等,热处理的基本类型,2、按照热处理在零件生产过程中的位置和作用不同，热处理工艺还可分为： 预备热处理：零件加工过

7、程中的一道中间工序(也称为中间热处理)，其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力，为后续的机加工或进一步的热处理作准备。 最终热处理：零件加工的最终工序，其目的是使经过成型工艺达到要求的形状和尺寸后的零件的性能达到所需要的使用性能。,热处理原理铁碳相图,Fe-Fe3C相图中各点的温度、碳质量分数及含义,9.2.1 钢的退火与正火,9.2.1.1 退火的定义、目的及分类,一、退火的定义 退火是将钢加热到低于或高于Ac1点以上温度，保持一定时间后缓慢地炉冷或控制冷却速度，以获得平衡态组织的热处理工艺。 退火既可作为预备热处理，为最终热处理（淬火、回火、化学或表面热处理等）创造良好的组织条件或适于后续

8、加工工艺性能的需要，也可作为钢的成品或半成品的最终热处理。,9.2.1.1 退火的定义、目的及分类,二、退火的目的 降低钢的硬度，便于切削加工； 消除内应力或冷作硬化，提高塑性以利于继续冷加工； 改善或消除毛坯在铸、锻（轧）、焊时所产生的化学或组织不均（如偏析、带状组织和魏氏组织等），提高其工艺性能和使用性能; 细化晶粒，提高大批量生产零件的组织均匀性，为最终热处理作好组织准备。,9.2.1.1 退火的定义、目的及分类,三、退火的分类 第一类：在临界温度（Ac1或Ac3）以上的退火，又称相变重结晶退火，包括：完全退火、球化退火、不完全退火、扩散退火 第二类：在临界温度（Ac1）以下的退火，包括

9、：再结晶退火、去应力退火 其它：等温退火、去氢退火,9.2.1.1 退火的定义、目的及分类,碳钢各种退火和正火工艺规范示意图,9.2.1.2 常用退火工艺方法,9.2.1.2 常用退火工艺方法,形成,9.2.1.2 常用退火工艺方法,9.2.1.2 常用退火工艺方法,9.2.1.2 常用退火工艺方法,9.2.1.2 常用退火工艺方法,9.2.1.2 常用退火工艺方法,9.2.1.2 常用退火工艺方法,9.2.1.2 常用退火工艺方法,9.2.1.2 常用退火工艺方法,9.2.1.2 常用退火工艺方法,9.2.1.2 常用退火工艺方法,9.2.1.2 常用退火工艺方法,处,9.2.1.2 常用退

10、火工艺方法,9.2.1.2 常用退火工艺方法,9.2.1.2 常用退火工艺方法,9.2.1.2 常用退火工艺方法,9.2.1.2 常用退火工艺方法,六、去氢退火 去氢退火的目的是消除钢中的氢所造成的白点（发裂）。采用温度需加热到Ac3以上，然后迅速冷却到C曲线“鼻尖”稍下一点温度等温并保持较长时间，使氢原子从钢内逸出。 冶金工厂生产的钢轨和某些对氢敏感的合金钢坯，锻、轧后从高温冷却到300500转入保温箱或罐中进行长时间的等温扩散，然后冷却到室温即可将氢消除。,9.2.1.2 常用退火工艺方法,七、等温退火 等温退火：将钢件加热到高于Ac3 (或Ac1 ) 的温度，保温适当时间后，较快地冷却到

11、珠光体区的某一温度，并等温保持，使奥氏体等温转变，然后缓慢冷却的热处理工艺。 目的：与完全退火相同，能获得均匀的预期组织；对于奥氏体较稳定的合金钢，可大大缩短退火时间。,9.2.1.3 钢的正火,9.2.1.3 钢的正火,9.2.1.3 钢的正火,9.2.1.3 钢的正火,9.2.1.4 退火正火后的组织和性能,9.2.1.4 退火正火后的组织和性能,火,9.2.1.4 退火正火后的组织和性能,9.2.1.5 退火、正火的缺陷,9.2.1.5 退火、正火的缺陷,9.2.1.6 退火与正火工艺的制定原则,一、加热温度的选择 加热温度首先要按照钢的状态图和临界点来选择。一般的原则：不完全退火为Ac

12、120 30；完全退火为Ac33050；正火为Ac3 (或Acm)3050(或加3080)。 生产上在不影响质量和性能的前提下，将温度相近、要求相似的不同钢号混合装炉。,9.2.1.6 退火与正火工艺的制定原则,碳钢各种退火和正火工艺规范示意图,9.2.1.6 退火与正火工艺的制定原则,二、加热速度的选择 对于一般碳钢和低合金钢而言，加热速度可不予限制，钢材入炉后可随炉升温，也可高温装炉。在连续生产条件下，大多采用高温直接装炉与快速加热，这对提高生产率、缩短生产周期、降低能耗较为有利，但操作上要以保证保温阶段温度的均匀性为前提。 对某些导热性低的高合金钢或合金材料，加热速度应限于150/时以下

13、，而且原则上应低温(250)装炉，开始加热速度较慢，温升至600后可加快升温速度。,9.2.1.6 退火与正火工艺的制定原则,三、保温时间的选择 保温的目的是使炉料内外温度一致，并完成所需的组织转变。 保温时间的确定应考虑钢的成分及原始组织状态、装炉量、装炉方式以及加热炉的特性等因素。合金钢在退火、正火时的保温时间应比碳钢长一些。 因为大多合金元素阻碍碳和铁原子的扩散，合金元素自身扩散能力也较小。,9.2.1.6 退火与正火工艺的制定原则,如果钢的原始组织中存在粗片状、网状、大块状碳化物或其它一些特殊组织，为了使它们能够溶解和消失，保温时间亦应延长。 装炉量及装炉方法与保温时间也有密切关系。装

14、炉量多，保温时间要适当延长。不同的装炉方式也直接影响到钢材的均匀受热的程度，堆集密的比间隙放置的受热慢，保温时间相应要长些。,9.2.1.6 退火与正火工艺的制定原则,四、冷却速度的选择 退火与正火后的冷却速度，主要是根据它们的目的和对钢材的组织及性能的要求而确定的，尤其是对退火后有珠光体球化级别要求的，应按工艺规程予以严格控制；对组织无要求的，冷却速度可适当增大，有的可不限制，但冷却后应具有符合标准规定的硬度值。,习题与思考,正火或退火,9.2.2 钢的淬火与回火,淬火:,9.2.2 钢的淬火与回火,淬火方法分类 按加热温度不同 完全淬火：加热温度高于Ac3，全部A化后冷却，适用于亚共析钢和

15、共析钢； 不完全淬火：加热温度高于Ac1，适用于过共析钢。 按冷却方式不同 单介质淬火、双介质淬火、分级淬火、等温淬火,9.2.2.1 淬火工艺参数及加热介质的选定,一、淬火温度的选择 淬火温度即钢的奥氏体化温度，是淬火的主要工艺参数之一。选择淬火温度的原则是获得均匀细小的奥氏体组织。 1、确定淬火温度的一般依据 钢的化学成分（主要是临界点Ac1、Ac3），是最主要的因素； 工件的尺寸、形状与技术参数； A的晶粒长大倾向； 采用的淬火介质与淬火方法。,9.2.2.1 淬火工艺参数及加热介质的选定,钢的淬火温度范围,9.2.2.1 淬火工艺参数及加热介质的选定,2、碳钢的淬火温度 亚共析钢 亚共

16、析钢的淬火温度一般为Ac3以上30 50， 原因：亚共析钢加热到Ac3以下时，淬火组织中会保留先共析F，淬火后会出现软点，使硬度达不到要求；同时由于这种组织的不均匀性，还可能影响回火后的机械性能。但为了不致于引起A晶粒的粗化以及尽可能减小淬火缺陷，温度还不能过高，一般为Ac3以上30 50。,9.2.2.1 淬火工艺参数及加热介质的选定,9.2.2.1 淬火工艺参数及加热介质的选定,过共析钢 过共析钢的淬火温度一般为Ac1以上30 50， 原因：过共析钢在淬火加热前都要经过球化处理（如果网状渗碳体存在，则应先正火予以消除，然后再加热淬火），故加热至Ac1以上时，其组织是A和一部分未溶的粒状碳化物（渗碳体）。淬火后，A转变为M，未溶碳化物被保留下来，这不但不会降低钢的硬度，反而对提高耐磨性有利。,9.2.2.1 淬火工艺参数及加热介质的选定,如果把过共析钢加