《工程材料及热加工基础 第四章 金属热处理与表面改性教学文案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料及热加工基础 第四章 金属热处理与表面改性教学文案（153页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、工程材料及热加工基础,南京航空航天大学材料学院 梁文萍,第四章 金属热处理与表面改性,4.1 钢的热处理原理,4.2 钢的常规热处理工艺,4.3 钢的表面热处理,4.4 机械制造过程中的热处理,4.5 表面工程新技术,学习要求和难点,学习重点： 钢 在加热和冷却过程中组织的变化 。 C曲线。 常规的几种热处理工艺。 不同表面处理工艺的区别。,1.热处理的定义:将金属在固态下采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺方法。,概 述,2.热处理的主要目的:改变钢的性能。 不改变形状、尺寸，可大大提高寿命与安全性； 可减小尺寸，节约材料； 可赋予材料新的性能； 可改善材料工
2、艺性。,概 述,4.1 钢的热处理原理,4.1.1 钢在加热时的组织转变,加热工序的目的：得到奥氏体，为最终处理（相变）作组织准备。,实际加热与冷却时的临界温度与相图的临界温度相比有一定的滞后； 冷却速度越快，过冷、过热度越大。,A,A 形核,A 长大,残余Fe3C溶解,A 均匀化,奥氏体形成过程,4.1 钢的热处理原理,Ac1Accm,Accm以上,Ac3以上,奥氏体均匀化 对亚共析钢： P + F 对过共析钢：P+Fe3C,Ac1Ac3,A+F,A,A+Fe3C,A,保温工序的目的： 得到成分均匀的奥氏体，消除内应力，促进扩散,4.1 钢的热处理原理,4.1.2 奥氏体晶粒度 起始晶粒度；
3、实际晶粒度；本质晶粒度,4.1 钢的热处理原理,奥氏体晶粒度的影响因素 加热温度 越高，越粗大 ； 过高：过热、过烧。 保温时间 延长，长大，但不会无限长大； 过长：氧化脱碳； 过短：奥氏体成分不均匀。 钢的成分 C%越高， A晶粒长大倾向增大；加入碳化 物形成元素，可阻碍奥氏体晶粒长大。 原始组织 越细， A晶粒细。,4.1 钢的热处理原理,奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响,奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。,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。,4.1 钢的热处理原理,4.1. 3 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
4、 过冷奥氏体的连续冷却转变,4.1 钢的热处理原理,4.1.3.1 钢在热处理时的冷却方式,4.1 钢的热处理原理,（1） 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,4.1.3.2 过冷奥氏体的等温冷却,4.1 钢的热处理原理,共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图,Mf,Ms,4.1 钢的热处理原理,共析碳钢 TTT 曲线的分析,珠光体型 ( P ) 转变 ( A1550 ) :,A1650 : P ; 525HRC; 片间距为0.60.7m ( 500 )。,650600 : 细
5、片状P-索氏体(S); 片间距为0.20.4m (1000); 2536HRC。 索氏体具有良好的综合机械性能。,600550:极细片状P-屈氏体(T); 片间距为0.2m ( 电镜 ); 3540HRC。,4.1 钢的热处理原理,珠 光 体 形 貌 像,4.1 钢的热处理原理,索 氏 体 形 貌 像,4.1 钢的热处理原理,屈 氏 体 形 貌 像,4.1 钢的热处理原理,4-1 珠光体转变过程,4.1 钢的热处理原理,贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550230 ),上贝氏体转变(550350): B上; 4045HRC;,4.1 钢的热处理原理,上贝氏体组织金相图,4.1 钢的热处理原理,
6、4-2 上贝氏体转变过程,下贝氏体转变(350230): B下; 5060HRC; 下贝氏体不仅具有较高的强度、硬度与耐磨性，同时具有良好的塑性和韧性。,4.1 钢的热处理原理,下贝氏体组织金相图,4.1 钢的热处理原理,4-3 贝氏体转变过程,4.1 钢的热处理原理,马氏体型 ( M ) 转变 ( 230 -50 ),1)定义:马氏体是一种碳在 Fe中的过饱和 间隙固溶体。,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。,4.1 钢的热处理原理,奥氏体含碳量对马氏
7、体转变温度的影响,4.1 钢的热处理原理,奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响,4.1 钢的热处理原理,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。,4.1 钢的热处理原理,4)马氏体的组织形态: 板条状 - 低碳马氏体(0.2%C ); （位错马氏体）,4.1 钢的热处理原理,低碳板条状马氏体组织金相图,4.1 钢的热处理原理,针、片状 - 高碳马氏体(1%C); （孪晶马氏体）,4.1 钢的热处理原理,高碳针片状马氏体组织金相图,4.1 钢的热处理原理,4-4 马氏体转变过程,4.1 钢的热处理原理,5)马氏体的性能:主要取决于马氏体中的碳浓度。,4.
8、1 钢的热处理原理,马氏体的强度和硬度随着含碳量的增加而增加； 马氏体的塑性和韧性随含碳量增高而急剧降低； 马氏体的比容比奥氏体大，所以奥氏体向马氏体转变伴随体积膨胀而产生内应力。,4.1 钢的热处理原理,（2）亚共析钢的TTT曲线,（3）过共析钢的TTT曲线,M + A残,奥氏体中含碳量的影响: 亚共析钢随含碳量的增加，C曲线右移， 过共析钢随含碳量的增加，C曲线左移； 出现先共析析出线 随着含碳量的增加，Ms下降。,（4）影响 TTT 曲线形状与位置的因素,4.1 钢的热处理原理,奥氏体中含合金元素的影响:,4.1 钢的热处理原理,除Co外,所有合金元 素溶入奥氏体中,会引起C曲线右移,
9、Ms下降。,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。,4.1 钢的热处理原理, 建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线 - CCT 曲线,C - continuous C - cooling T - transformation,4.1.3.3 过冷奥氏体的连续冷却,4.1 钢的热处理原理,共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图,Pf,Ps,A+P,K,Ms,Mf,K1,共析碳钢 TTT 曲线与CCT曲线的比较,CCT与等温冷却曲线比较： 只有C曲线的上半部分，即无贝氏体转变；K K1
10、为过冷奥氏体转变的中止线； 奥氏体连续转变比等温冷却稍滞后，即向右下方向移动,其转变温度低,孕育期长； 连续冷却时组织转变在一定温度范围内进行,因此组织不均匀。,4.1 钢的热处理原理,4.2 钢的常规热处理工艺,定义: 把零件加温到临界温度以上3050, 保温一段时间,然后随炉冷却。,目的: 降低硬度，利于切削加工； 细晶，改善组织，提高机械性能； 消除内应力，改善组织，为后续热处理作准备； 消除加工硬化，以利于进一步冷变形； 消除偏析，均匀化学成分。,4.2.1 钢的退火,1. 完全退火 工艺 ：Ac3+(3050)，缓冷 组织： P+F 应用： 亚共析钢铸造、锻压、焊接件 细化组织、消除
11、内应力与组织缺陷、降低硬度，为随后的切削加工和淬火作组织准备。 不适于过共析钢。,4.2 钢的常规热处理工艺,2. 等温退火 工艺：快冷到稍低于Ar1温度，等温，奥氏体转变结束后空冷。 特点：工艺周期短； 工件截面上组织、性能均匀。 应用：特别适用于合金工具钢、高合金钢等奥氏体稳定的钢种。,4.2 钢的常规热处理工艺,3. 球化退火（不完全退火） 工艺：普通球化退火: Ac1+(2030),缓冷； 等温球化退火: Ac1+(2030),快冷到（Ar1-20）保温。 组织：细小F基体上弥散分布颗粒状Fe3C。 应用：主要用于过共析钢球化Fe3C，降低硬度，改善切削加工性，为淬火作好组织准备。 原
12、始组织中有较严重的网状Fe3C应先正火消除。,4.2 钢的常规热处理工艺,共析钢球化退火组织 ( 化染 ) 700 ,4.2 钢的常规热处理工艺,T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 ,4.2 钢的常规热处理工艺,4. 去应力退火（低温退火） 工艺：加热到Ar1以下某温度（500600），保温后缓冷。 目的：去应力，防止变形和开裂 应用：消除铸、锻、焊件的应力，稳定组织； 消除切削加工应力。 无组织变化。,4.2 钢的常规热处理工艺,5. 再结晶退火 工艺：加热到再结晶温度以上，保温后缓冷。 目的：使塑性变形金属恢复原性能。 应用：用于进一步冷变形钢件中间退火或最终热处理。,4.2 钢的
13、常规热处理工艺,6. 扩散退火 工艺：加热到高于Ac3以上，长时保温，随炉缓冷。 目的：消除化学成分不均匀 。 应用：主要用于质量要求高的优质高合金钢铸锭和铸件。 扩散退火后晶粒粗大，一般要进行完全退火或正火处理。,4.2 钢的常规热处理工艺,4.2.2 钢的正火,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。,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。,4.2 钢的常规热处理工艺,4-5 钢的正火,正火温度选择:,4.2 钢的常规热处理工艺,正火处理后的组织: 亚共析钢: F+S 共析钢：S 共析钢：S+ Fe3C 性能：强度、硬度
14、、韧性比退火后的高，且塑性也不降低。,45钢退火、正火状态的力学性能,4.2 钢的常规热处理工艺,正火的应用： a.预先热处理 *钢材及铸件、锻件用正火细晶，消除组织缺陷，为后续热处理作组织准备。 *过共析钢和渗碳零件用正火消除组织中网状渗碳体，为球化退火和后一步热处理作组织准备。 b.最终热处理 细化组织，均匀组织，消除组织缺陷，提高强度、硬度和韧性，对于普通结构件，机械性能要求不高时，可正火后使用。 C.改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性能。,4.2 钢的常规热处理工艺,4.2 钢的常规热处理工艺,4.2.3 钢的淬火 ( Quenching of steel ),1.定义: 把零件加温到
15、临界温度以上30 50,保温一段时间,然后快速冷却 ( 水冷 )。,2.目的: 为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。,4.2 钢的常规热处理工艺,3. 淬火温度选择:,4.2 钢的常规热处理工艺,亚共析钢 Ac3+（3050） 若 Ac3过高，氧化脱碳严重，A粗化，淬火M粗大。 共析钢、过共析钢 Ac1 +（3050） 若Accm： * C%，Ms ，A 残，硬度、耐磨性； * A粗化，淬火后M粗化，脆性； * 淬火应力，工件变形和开裂倾向； * 钢的氧化脱碳，降低了钢的表面质量。,4.2 钢的常规热处理工艺,4.2 钢的常规热处理工艺,4.淬火后的组织 :,M+Fe3C+A残,过共析钢,M + A残,共析钢,M + A残,亚共析钢,最终组织,钢种,4.2 钢的常规热处理工艺,5.淬火加热时间 ( ) 的选择:, = K D,装炉量有关系数 一般 K = 11.5,加热系数,与钢种 及加热介质有关,4.2 钢的常规热处理工艺,6. 淬火冷却介质,理想淬火冷却介质,4.2 钢的常规热处理工艺,理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在Ms附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小内应力的目的。但目前还没有找到理想的淬火介质。,20世纪人们对淬火冷却过程进行了前所未有的深入探索。,常用淬火介质是水和油。 水的冷却能力强，但低温却能力太大，只适用于形状简单的碳钢件。
