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1、机械工程材料2第六章钢的热处理 一个零件由毛坯到成形通常要经过很多工序 在加工时希望材料较软 便于加工 而加工完后希望材料有良好的力学性能 因而大多数零件都要进行热处理 一般零件的制造过程 锻造 预先热处理 退火或正火 机械加工 粗加工 最终热处理 淬火 回火或表面热处理 机械加工 精加工 检验 尺寸和硬度 由此可知热处理在机械加工中是很重要的工序 钢的热处理都有共同点 加热 保温 冷却 此过程可用一条工艺曲线表示即热处理工艺曲线 一 常用的热处理分类 二 钢在加热时的变化 钢的加热的变化是钢的冷却变化的逆过程 需要有一定的过热度 因此加热转变温度分别用 Ac1 PSK Ac3 GS Accm
2、 ES 表示 1 奥氏体的形成过程 P A 基本过程 奥氏体化 形核 长大 残余奥氏体溶解 奥氏体均匀化 亚共析钢的转变 P F A F A 过共析钢的转变 P Cm A Cm A 影响奥氏体化的因素 加热温度的影响 等温温度越高 孕育期 越短 奥氏体化速度越快 加热速度的影响 连续加热时 加热速度越快 转变温度越高 奥氏体化速度越快 原始组织形态的影响 细片P 粗片P 球化P 含碳量越高 有利奥氏体的形核和扩散 加速奥氏体的形成 2 奥氏体的晶粒长大 奥氏体晶粒度 晶粒度 表示晶粒大小的尺度 起始晶粒度 奥氏体刚刚形成时的晶粒度 此时晶粒细小 实际晶粒度 在具体的热加工条件下 得到奥氏体晶粒
3、度 与热加工工艺参数有关 一般比起始晶粒度大 本质晶粒度 在特定的加热条件下 奥氏体晶粒长大的倾向 钢随温度升高 晶粒迅速长大的 为本质粗晶粒钢 反之为为本质细晶粒钢 930 10 保温3 8小时 缓慢冷却 放大100 与标准图比较 钢的晶粒度1 4级 为本质粗晶粒钢 钢的晶粒度5 8级 为本质细晶粒钢 奥氏体晶粒长大及其影响因素 成分 C 1 2 含碳量增加 扩散速度增加 晶粒易长大 C 1 2 含碳量增加 网状渗碳体的阻碍 晶粒不易长大 Mn P促进奥氏体晶粒的长大 温度高 晶粒大 奥氏体晶粒的大小对冷却后晶粒的影响 奥氏体晶粒越大 冷却后的晶粒也越大 三 钢在冷却时的转变 冷却时的转变需
4、要过冷 故发生相变时的温度要低于平衡温度分别为 Ar1 PSK Ar3 GS Arcm ES 钢的冷却是热处理工艺重要的组成部分 对钢的性能产生很重要的影响 冷却又有等温冷却和连续冷却 等温冷却的等温温度不同 所得组织不同 因而性能有很大的差异 连续冷却的冷却速度不同 所得组织不同 所以性能也不同 等温冷却时的转变过程 转变不随温度而变故以下先讨论共析钢的等温转变过程 1 共析钢的等温转变 共析钢的等温转变曲线和分析 等温转变 加热奥氏体化的钢快速冷却到Ar1以下的某一温度等温使奥氏体在此温度完成组织转变过程 曲线的建立 实验的方法 每组有若干个试样 在不同的温度等温 作出转变量与时间的关系曲
5、线 然后在温度 时间坐标系中找出对应点即可 C 曲线的分析 A 在Ar1 Ms温度之间 a曲线的左边 钢在此温度和时间范围 钢的组织还是奥氏体组织 在此时间为 孕育期 在此温度和时间范围内存在的奥氏体组织为过冷奥氏体组织 过冷奥氏体 在Ar1温度以下存在的不稳定奥氏体 B 在Ar1 Ms温度之间 a b线之间 钢在此之间发生转变 从a点开始转变 到b点转变结束 C 在Ar1 Ms温度之间 b曲线的右边 钢在此温度和时间范围转变已结束 冷却到室温组织不发生变化 D 在Ms Mf温度之间 连续冷却不与a b线相交 钢发生马氏体转变 E 在550 Ms温度之间 等温冷却与a b线相交 钢发生贝氏体转
6、变 F 在550 Ar1温度之间 等温冷却与a b线相交 钢发生珠光体转变 共析钢的等温转变的组织和性能 珠光体型转变 属于扩散型转变组织组织共性 铁素体与渗碳体组成层片状混合物 组织个性 层片间距随过冷度的增加而减小 A 珠光体 等温转变温度 Ar1 650 HRC5 20 P B 索氏体 等温转变温度 650 600 HRC20 30 S C 屈氏体 等温转变温度 600 550 HRC30 40 T 400 5000 12000 贝氏体型转变 属于半扩散型转变组织 贝氏体 碳过饱和的铁素体与渗碳体 下贝氏体是碳化物 组成的混合物 A 上贝氏体 等温转变温度 550 350 HRC40 5
7、0 B上 组织形态 黑羽毛状 B 下贝氏体 等温转变温度 350 Ms HRC50 60 B下 组织形态 黑针状 400 400 马氏体型转变 属于非扩散型转变组织 马氏体 碳溶在 Fe中形成的过饱和的固溶体 A 片状马氏体 连续冷却温度 Ms Mf HRC60 65 M片 组织形态 灰片状 C 10 B 板条状马氏体 连续冷却温度 Ms Mf HRC35 45 M板条 组织形态 灰板条状 C 0 3 正常加热条件下 冷却的到的马氏体组织非常细小 在光学显微镜下无法分辨称 隐晶马氏体 T12过热500 500 T12正常500 C 马氏体的晶格为体心正方 a c c a c a为马氏体的正方度
8、 正方度随马氏体的含碳量的增加而增加 而且马氏体的比容也增加 体积会增加 是造成钢淬火变形和开裂的主要原因 D 马氏体转变特点 a 无碳原子的扩散 b 转变速度极快 c 转变在Ms Mf温度区间进行 冷却到室温转变未完全结束 高碳钢还有10 15 的过冷奥氏体 称为 残余奥氏体 低碳钢有1 2 工业上常采用 冷处理 的方法 d 转变的不完全性 各种冷却条件下组织与性能的关系 见图 影响 C 曲线的因素 碳的影响 改变了形状 C 0 77 的钢均有一条先析相线 改变了位置 C 0 77 随含碳量增加 曲线右移 C 0 77 随含碳量增加 曲线左移 冷却速度不同 先析相的量不同 同种钢冷却速度不同
9、得的珠光体的量不同 出现 伪共析组织 伪共析组织 非共析成分得到的共析组织 加热温度和保温时间 温度高 时间长过冷奥氏体越稳定 曲线右移 过冷奥氏体的连续冷却曲线 只有 C 曲线的上半部分 多了一条 K 线 即转变中止线 比 C 曲线 右移 Vk 为 CCT 曲线的临界冷却速度 临界冷却速度 钢获得完全马氏体的最小冷却速度 Vk Vk 在 C 曲线讨论 能得到马氏体 实际上就一定能得马氏体 四 钢的退火与正火 钢的常用的预先热处理 是退火和正火 其安排在机械加工前 因此主要作用是为机械加工服务的 故 1 退火和正火的目的 改善材料的切削加工性能 使钢达到最佳的切削硬度 HBS160 240 低
10、碳钢采用正火 高碳钢退火 消除残余内应力 防止钢件在淬火时产生变形和开裂 细化晶粒 改善组织 为最终热处理作组织上的准备 正火还可以 消除网状的二次渗碳体 故常用在球化退火前 可作为性能要求不高的普通零件 的最终热处理 即 代调质 2 退火退火 将钢加热到一定温度 亚共析钢 Ac3以上 过共析钢Ac1以上 保温一定时间 然后缓慢冷却获得珠光体组织的热处理工艺 完全退火或等温退火 主要用于亚共析钢 即 结构钢 完全退火是连续冷却 等温退火是等温冷却 效果和目的相同 但等温退火 可以缩短退火时间 提高生产效率 温度 Ac3 30 50 炉冷的速度 30 150 h 碳钢退火的要求的冷却速度 100
11、 200 h普通合金钢 50 100 h高合金钢 10 50 h 例如 高速钢连续冷却退火约24小时 等温冷却 开炉门冷到750 约4小时 等温时间3 4小时 然后空冷 总共约8小时 球化退火 主要用于过共析钢 即 工具钢 温度 Ac1 30 50 得到球化的珠光体 去应力退火 铸件 锻件 焊件等温度 500 650 加热速度 100 150 h 冷却速度 50 100 h 冷到300 200 出炉空冷 3 正火正火组织比退火细为索氏体组织 硬度高 含碳量在0 6 1 4 均得到共析组织 生产效率高 能耗低 正火 将钢加热到一定温度 亚共析钢 Ac3以上 过共析钢Acm以上 保温一定时间 然后
12、空冷获得索氏体组织的热处理工艺 温度 亚共析钢Ac3 30 50 过共析钢Acm 30 50 高合金钢空冷后 如果得到马氏体组织时 此工艺为 空淬 五 钢的淬火钢的淬火是热处理工艺中最重要的工艺之一 关系到零件使用性能 淬火 将钢加热到一定温度 亚共析钢 Ac3以上 过共析钢Ac1以上 保温一定时间 然后以大于临界冷却速度的快速冷却获得马氏体组织的热处理工艺 1 淬火温度的选择亚共析钢加热温度 Ac3 30 50 过共析钢加热温度 Ac1 30 50 2 淬火介质钢的淬火时的冷却速度必须大于临界冷却速度 冷却速度越快 工件内外温度差越大 造成收缩或膨胀越不均匀 引起工件的变形或开裂 常用的冷却
13、介质有 水 适用碳素钢 优点 价廉 安全 无腐蚀 缺点 淬火硬度不均匀易出现软点 质量较差 易变形 开裂 但仍然是使用最广泛的冷却介质之一 油 机油或专用淬火油 适用于大多数合金钢 是使用最广泛的冷却介质之一 优点 变形小 不易开裂 缺点 价格贵 易燃不安全 有油污 但合金钢用油淬火变形小 产品合格率高 也是使用最广泛的冷却介质之一 盐水或碱水 5 15 适用碳素钢 优点 价廉 安全 冷却能力和均匀性优于水 缺点 淬火易变形 开裂 但比水要小 工件易腐蚀 淬火产生水气损害健康 但仍然是使用最广泛的冷却介质之一 3 淬火方法 单液淬火 在一种淬火介质中连续冷却到室温 预冷淬火 在空气中停留片刻
14、然后一种淬火介质中连续冷却到室温 双液淬火 在二种淬火介质中分段连续冷却到室温 分级淬火 将钢件在盐浴 Ms温度附近 中停留2 5分钟 减小钢件内外温差 然后空冷 等温淬火 将钢件在盐浴 稍高于Ms温度 中停留较长 完成下贝氏体转变后 再空冷 局部淬火 对局部硬度有要求 其他部位精度高的钢件 局部加热淬火 六 钢的淬透性1 淬透性的概念淬透性 钢在淬火时获得马氏体组织深度的能力 一般规定从表面到半马氏体组织区为 淬硬层 深度 淬硬层深的 淬透性好 淬硬性 钢在淬火后获得马氏体组织所能达到最大硬度 2 淬透性对钢力学性能的影响 淬透性好 机械性能均匀 淬透性好 材料的屈强比高 s b 材料的利用
15、率高 淬透性好 材料的疲劳极限 1 高 淬透性好 材料的冲击韧性高 3 影响淬透性的因素使 C 曲线右移的影响因素 均提高钢的淬透性 4 淬透性与淬硬层深度的关系在其他条件相同的情况下 钢的淬透性越好 淬硬层越深 而淬透性差的钢 可以通过提高冷却介质的冷却能力和减小工件的尺寸 提高工件的淬硬层深度 5 淬透性的测定及其表示方法 目前测定钢的淬透性最常用的方法是末端淬火法 又称顶端淬火法 简称端淬法 此法通常用于测定优质碳素结构钢 合金结构钢的淬透性 也可用于测定弹簧钢 轴承钢 工具钢的淬透性 末端淬火法是 将 25 100mm的 标准试样加热后对末端喷水冷却水压固定 试样上距末端 水冷端 愈远
16、的部分 冷却速度愈低 因而硬度也相应地逐渐下降 端淬试样冷却后 沿其长度方向磨出一狭条平面 在此平面上 自水冷端开始 每隔一定距离测一次硬度 将硬度随距水冷端距离的变化绘成曲线 称为淬透性曲线 如图b为45钢和40Cr钢的淬透性曲线 随着至水冷端距离增大 45钢的硬度比40Cr下降得快 表明40Cr钢的淬透性比45钢大 图c为钢的半马氏体区硬度与钢的含碳量的关系 运用图b c 就可以找出相应的钢半马氏体区至水冷端的距离 该距离愈大 钢的淬透性便愈大 例如45钢半马氏体区至水冷端的距离大约为3 3mm 而4O0r则为10 5mm左右 钢的淬透性值的表示按GB225 88 钢的淬透性末端淬火试验方法 可用 淬透性指数 J d表示 其中J是国际标准ISO642 1979Jominy试验法的大写字头 表示洛氏硬度值 HRC值 d表示距淬火端的距离 例如 J35 15即表示距淬火端面15mm处的硬度值为HRC35 用维氏硬度表示 淬透性指数 时 应把HV符号写明 如 JHV340 15表示距淬火端15mm处的维氏硬度值为340 6 淬透性的应用 1 大截面的零件和在动载荷下工作的的许多重要零件
