第3篇 材料改性技术汇总

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1、第3篇 材料改性技术,一简介作用与发展历史 二主要内容 热处理 表面技术,第6章 热处理原理及工艺,6.1 序,一.定义: 材料加热到一定温度，保温,再以规定的速度冷却到室温的工艺,二热处理发展概况,周朝:石墨化退火 西汉:清水焠青锋； 19世纪后期： 发现热处理时的组织变化 显微技术及X射线衍射技术使热处理从技术发展为科学,三.热处理的作用,1改变组织:钢可分别得到F+Cm;A;B;M 2改变性能:力学性能,物理性能,化学性能,四.热处理分类,6.2 钢的热处理原理,6.2.1 钢在加热时的组织转变 一.奥氏体的形成,形核,长大,碳化物溶解,成分均匀化,加热/冷却时相图的变化,c-加热 r-

2、冷却,二.奥氏体晶粒,晶粒度:每平方英寸上的平均晶粒数 n=2G-1,n-晶粒度,G-晶粒度等级 G=14,粗晶粒;G=510,细晶粒 本质晶粒度:在(93010)OC保温3-8小时后测定的奥氏体晶粒大小. 主要决定于成分和脱氧剂. 实际晶粒度:具体条件下奥氏体实际晶粒大小. 与加热条件和热加工条件相关.,标准奥氏体晶粒度级别,三.影响奥氏体晶粒大小的因素,加热温度和保温时间: 温度越高,时间越长,晶粒增大 加热速度:快,起始晶粒小 化学成分:稳定碳化物元素阻碍晶粒长大 原始组织:原始组织细,则加热后晶粒也小,四、热处理过程基本要素,1、加热速度 2、(最高）加热温度 3、保温时间 4、冷却速

3、度 5、加热介质,6.2.2 过冷奥氏体的冷却转变,1.过冷奥氏体：低于奥氏体平衡转变温度的奥氏体 2分类： 等温转变（TTT）:相变在恒温下进行 连续转变（CCT）:相变在连续冷却过程中进行 3.非平衡组织:贝氏体,马氏体,一.过冷奥氏体等温转变,1TTT图或C曲线 1)各线的意义: 相变起始线 相变结束线 Ms-M相变起始温度 Mf- M相变终了温度 2)符号 P珠光体；S索氏体； T托氏体；B上上贝氏体； B下下贝氏体；M马氏体 3)鼻温：对应最短孕育期的温度,共析钢过冷奥氏体等温转变曲线,珠光体在A1-650范围内形成的片层较粗，片层间距平均大于0.3m,在放大400倍以上光学显微镜下

4、可分辨出层片间距。 索氏体在650-600范围内形成的层片比较细。片层间距平均为0.10.3m,在大于800倍的光学显微镜下可分辨出片层间距。 屈氏体在600-550范围内所形成的层片更细，片层间距平均小于0.1m，即使在高倍光学显微镜下也难于分辨出层片来。,片状珠光体,粒状珠光体,板条马氏体,针状马氏体,贝氏体转变示意图,a)B上,b)B下,2C曲线影响因素,1）成分 越接近共析点，C曲线越右移； 除Co外，合金元素使曲线向右移动。 合金元素还改变C曲线形状。 2）晶粒度 晶粒粗，C曲线越右移 3）奥氏体化温度和时间：，C曲线越右移。,二.过冷奥氏体连续冷却转变,1.CCT图,2.TTT曲线

5、与CCT曲线的对比,1) CCT曲线位于TTT曲线的右下方; 2)共析钢(和共析钢)的CCT曲线无贝氏体区; 3)临界冷却速度Vc由CCT曲线获得. 冷却速度Vc:可获得全部马氏体的最小冷速,2.TTT曲线与CCT曲线的应用,1）根据温度和冷速预测组织与性能。 2）确定热处理工艺。,6.3 钢的退火与正火,一退火 1定义：加热到一定温度，保温后随炉缓慢冷却，获得平衡组织的工艺。 2. 分类: 完全退火 均匀化退火 球化退火 再结晶退火 去应力退火 去氢退火,一.退火工艺,1)完全退火 目的：消除不均匀的内部组织和过热组织 加热温度：Ac3+2050OC 应用：消除铸、锻件过热组织。 其他: 等

6、温退火:完全奥氏体化后快冷至Ar下等稳,再空冷至室温 不完全退火:加热到两相区保温,2）均匀化退火（扩散退火）,目的：消除成分的不均匀性 加热温度：Ac3+100150OC 应用：铸件枝晶偏析的消除,3）球化退火,目的：得到球状珠光体组织稳定碳化物，塑性提高，硬度下降。 工艺 一次加热球化: Ac1+2030OC，炉冷 等温球化:在Ar下保温 周期球化:在A1线上下循环加热-保温-冷却-保温-加热 应用：共析、过共析钢预先热处理；低、中碳钢提高冷成形性。,4）去应力退火,目的：消除残余应力 加热温度：550650 OC 冷却：缓冷,5）再结晶退火,目的：消除加工硬化 加热温度：TR+15025

7、0 OC 应用：冷变形金属制品,6）去氢退火,目的：去氢 工艺：加热温度 Ac3，鼻温处等温,二.正火,1.定义：加热到一定温度，保温后空冷，获得近平衡组织的工艺。 2.组织特征：珠光体含量；晶粒尺寸；珠光体片间距 3.性能特征：硬度、强度 4.目的及应用 低、中碳钢改善切削性能 消除网状渗碳体（球化退火预处理） 代替调质处理（感应淬火预处理） 最终热处理(铸件),三.退火、正火常见缺陷与控制,1.退火硬度偏高 原因：退火温度低、冷速快 改善：重新退火 2.球化不完全 特征:出现细片状或点状珠光体 改善：重新球化 3.退火时形成石墨（黑脆） 原因：退火温度高、保温时间长、反复退火 改善：正火

8、4.正火组织出现网状渗碳体 原因：冷速不足 改善：加快冷速 5.反常组织 特征:亚共析钢中出现非共析渗碳体,过共析钢中出现游离铁素体. 原因:在Ar1附近冷却过慢 改善:重新退火,6.4 钢的淬火,1定义：经过奥氏体化的钢以大于临界冷速VC的速度冷却，获得不平衡组织的工艺。 2淬火目的 提高强度、硬度及耐磨性 与回火结合提高综合力学性能 改变物理或化学性能,一.淬火加热,1加热温度 亚共析钢：Ac3+3050OC 共析、过共析钢：Ac1+3050OC 合金钢： 2加热时间 经验公式：t=D 加热系数 K-装炉系数 D-工件有效厚度,二.淬火介质,1理想淬火介质 鼻温处快冷，其余慢冷 原因：既得

9、到非平衡组织，又减小应力,2.常用冷却介质,1）分类 有物态变化：水、油、盐水、碱水、聚合物 无物态变化：熔盐、熔碱、熔融金属,气体 2）冷却能力 盐水、碱水水聚合物油熔盐、熔碱； 气体随压力变化冷却能力范围很宽； 流动介质静态介质 不足：前者低温冷速太快，后者高温冷速不足,三.淬火方法,1单介质淬火：一种介质（包括预冷淬火） 优点：简便 应用：简单工件 2双介质淬火：接近MS点时换缓冷介质 优点：可减小淬火开裂 缺点：技术要求高 应用：高碳钢 3分级淬火：先在稍高于MS点的熔盐、熔碱介质保温，温度均匀后再空冷。 优点：形状复杂、小尺寸合金钢 4等温淬火：在大于或小于MS的熔盐、熔碱介质中长时

10、间保温，形成贝氏体或部分马氏体，再空冷。 优点：淬火应力最小 应用：获得下贝氏体或马氏体 5. 冰冷处理：在零度以下的冷却，称冰冷处理 特点：应力大 应用：减少残余奥氏体; 作用:提高硬度、提高尺寸稳定性、尺寸修复,常用淬火方法,单介质淬火 双介质淬火 分级淬火 等温淬火,四.钢的淬透性,1.淬透性：钢淬火时获得马氏体的倾向（能力）。取决于VC。 2.淬硬性：钢在正常淬火条件下能够得到的最高硬度值。主要取决于含碳量。 3.淬硬层深度：工件表面至半马氏体区的厚度。 4.淬透性与淬硬层深度的关系 当工件中心淬硬时称淬透。 淬硬层深度与淬透性、工件大小、淬火工艺有关。 5.淬透性的应用 材料选择 冷

11、却介质选择 预测截面上硬度分布,不同截面的钢淬火时淬硬层深度的变化,五.淬火缺陷及质量控制,变形、开裂 硬度不足 软点 过热、过烧、脱碳、氧化,1.热处理应力,1)分类 热应力:由于各部位冷速不同而造成的收缩受阻所产生的应力。 相变（组织）应力:由于固态相变时的体积变化受阻而产生的应力。 2)淬火时的组织应力最大。,2.变形,1)形式： 体积变化 形状变化 2)原因: 应力大于 屈服强度,3.淬火开裂,类型 根本原因： 拉应力作用 常见因素： 淬火冷速过快 原材料缺陷 锻造缺陷 表面严重脱碳 加热过快 应力集中 未及时回火,淬火开裂钢球,4.硬度不足,原因 未淬透； 有未溶铁素体； 残余奥氏体

12、过多,控制 提高冷速 提高加热温度 冰冷处理,5.软点,定义：工件表面局部硬度不足 原因：工件表面气泡、涂料等。,6.5 回火,一定义：淬火工件加热至共析温度以下某一温度保温，以适当 的方式冷却的工艺。 二回火的目的 1强韧调制：牺牲部分强度，提高塑、韧性。 2消除淬火应力：提高尺寸稳定性、消除开裂倾向。,回火温度对碳钢力学性能影响,三回火工艺,1低温回火 温度：150250OC 组织：回火马氏体 性能：高硬度、强度、耐磨性和疲劳强度。 应用： 高碳钢：工模具、滚动轴承、 表面淬火件等 低碳钢：结构件 低合金高强度钢：结构件,2中温回火 温度：350500 OC 组织：回火托氏体 性能：高弹性

13、极限、疲劳强度及良好的韧性 应用：弹簧 3高温回火 温度：500 OC 组织：回火索氏体 性能：一定的强度、高韧性 应用：轴类零件 淬火+高温回火称调质处理,四回火脆性,1定义：淬火件在一定温度回火时出现韧性降低的现象。 2分类：第一类回火脆（250400 OC）、第二类回火脆（450600 OC） 3改善 第一类回火脆：细化晶粒、延迟（加硅、铝、镍等） 第二类回火脆：快冷、加钼钨等。,6.6 表面淬火 -感应加热表面淬火,1.表面淬火： 只使工件表面获得马氏体组织，而心部保留原始组织 2.分类 感应加热表面淬火 火焰加热表面淬火 激光加热表面淬火 电子束加热表面淬火 电接触加热表面淬火 3.

14、目的 心部良好的综合力学性能，表面高硬度、高耐磨性,一感应加热的集肤效应,1概念：感应电流由表向内逐渐降低的现象 2电流渗入深度：感应电流降至1/e处的深度 =5.03X104X（/）1/2 其中：，电阻率；，磁导率；，电流频率（高频、中频、超音频、工频）,二特点,1组织特点 1) 晶粒尺寸小 2) 成分不均匀性大 3) 心表组织不一致: 表面为M,心部原始组织,2.性能特点 1) 表面硬度比普通淬火高 2) 表面有残余压应力 3) 淬硬层深度增加,韧性下降 4) 耐磨性好 3.工艺特点 1) AC1、AC3高 2) 氧化、脱碳及变形少 3) 生产率及自动化程度高,感应加热表面淬火组织及硬度分

15、布,三.工艺,1工艺过程 调质（正火）表面淬火回火 2工艺控制 1）加热温度高于普通淬火 2）硬化层厚度：比功率大，频率高，则硬化层薄。 3）加热方式：同时加热、连续加热 4）冷却方式：喷射冷却 5）回火：炉内回火、自回火、感应加热回火。,6.7化学热处理,一概述 1定义：将工件在特定的介质中加热，依靠原子扩散，从而改变工件表层的成分和组织结构的热处理。 2作用： 1）改善表层的力学性能：耐磨性、疲劳强度、硬度、红硬性 2）改善化学性能：耐蚀性、抗氧化特性 3基本过程 1）分解：介质通过分解反应，形成“活性原子”初生的原子态的原子。 2）吸附：活性原子吸附在工件表面 条件原子可溶于工件材料或形

16、成化合物。 3）扩散：依靠成分梯度及高温下的扩散形成足够渗层深度。 4种类 按渗入成分：渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗、渗硼、渗硫等 按介质分：气体、液体、固体,二、渗碳,1、渗碳工艺 1）温度：Ac3，一般93010OC 温度提高，渗层增厚。 2）渗碳时间：层深时间1/2 3）渗碳介质 （1）气体：煤油、丙酮、乙醇、天然气等 （2）固体：木炭+10%碳酸钡（碳酸钠）,2碳势,1）概念：气氛改变工件表面碳浓度的能力。（与气相平衡时工件表面的碳含量） 2）确定方法：0.1mm的钢箔置于渗碳炉内，测含碳量，即为碳势 3）碳势控制：根据探头检测，调节原料加入。,3渗后热处理,1）热处理工艺： 淬火+低温回火 2）淬火工艺： 直接淬火 一次加热淬火 二次加热淬火:消除网状渗碳体，细化晶粒,4渗碳层组织及性能,1）组织 （1）渗后组