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1、第四章 材料的改性,改造材料性能的手段,改变材料的成分,采用不同的加工工艺改变材料的内部结构。,4.1 钢的热处理,1、热处理：将钢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的组织结构与性能的工艺,要素：加热、保温、冷却,加热,保温,冷却,2、热处理特点：只通过改变工件的组织来改变性能， 而不改变其形状。,3、热处理适用范围：只适用于固态下发生相变的材料， 不发生固态相变的材料不能用热处理强化。,4、热处理的分类,整体 热处理,表面 热处理,退火；正火； 淬火；回火；,表面淬火,化学 热处理,感应加热淬火,火焰加热淬火,渗碳；渗氮； 碳氮共渗；,热处理,(1)按照国家标准,(2)按
2、零件在生产中工艺流程的位置和作用不同,为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或 进一步热处理作准备的热处理。,赋予工件所要求的使用性能的热处理。,4.1.1钢的整体热处理工艺,1、退火将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却 (炉冷)的热处理工艺。,第二类退火：以改变组织与性能为目的的退火工艺方法。 完全退火、等温退火、球化退火等。,第一类退火：不以组织转变为目的的退火工艺方法。 均匀化退火、再结晶退火、去应力退火。,工艺：,随炉缓慢冷却至500以下空冷。,Ac3+3050，保温一定时间，,(1)完全退火,Ac3+3050,目的：细化组织；降低硬度、改善切削加工性能； 去除内应力。,应用：wC=0.30
3、.6%的中碳及中碳合金钢的铸件、 锻件、轧制件及焊接件。,组织：平衡组织,对于某些A比较稳定的合金钢， 需十几个小时甚至几天。,保温后快冷到Ar1以下某一温度下等温保温，使过冷A转变为P体，,等温退火,工艺：,Ac1+2040,空冷,相变完成后空冷至室温。,亚共析Ac3+3050；,Ac3+3050,共、过共析Ac1+2040,空冷,AP,特点：,大大缩短合金钢(A较稳定)的退火时间。,应用：A较稳定的合金钢,转变易控制，能获得均匀的预期组织；,炉冷,将钢中渗碳体球状化的退火工艺,球化退火,600空冷。,Ac11020,炉冷,空冷,空冷,目的：降低硬度，提高塑性，改善切削加工性能；,工艺：,A
4、c1(1020)保温，,获得均匀组织，改善热处理工艺性能，为以后 的淬火作组织准备。,等温冷却或缓慢冷却，,退火组织：球状P(F+颗粒状渗碳体)。,应用：共析和过共析成分的碳钢和合金钢锻、轧件。,球化退火前原始组织中不允许有网状Fe3C存在， 否则球化效果不好(难以将网状碳化物熔断、球化)。 如有，应先进行正火，以消除网状Fe3C。,空冷,1100左右 保温1015h,工艺：,Ac3+150200(温度高) ，保温1015h，,随炉缓冷到350，,出炉空冷。,退火组织：粗大过热平衡组织,退火后需进行一次完全退火或正火来细化晶粒,应用：质量要求高的合金钢铸锭、铸件或锻件,(4)均匀化退火(扩散退
5、火),目的：减轻化学成分偏析和组织不均匀性。,炉冷,350,(5)去应力退火,目的：消除残余内应力，提高工件尺寸稳定性， 防止变形和开裂。(不发生组织的转变),工艺：,工件随炉缓慢加热到Ac1-(100200)保温，,随炉缓慢冷却至200出炉,500650,应用：铸件、锻件、焊接件、冷冲压件及机加工件,2、正火,消除过共析钢二次网状渗碳体，有利于球化退 火的进行。,(1)目的：细化晶粒，提高低碳钢、低碳低合金钢硬度 (140190HBS)，改善切削加工性；,在静止的空气中冷却。,Ac3(Ac1)+3050,空冷,加热到Ac3(或Accm)+3050，完全A化后，,(2)工艺：,(3)组织：,伪
6、共析组织,C%=0.6%1.4%，伪共析的P或索氏体S。 C%0.6%，S+有少量的F。,(4)优点(与退火比),力学性能高,操作方便,生产周期短、耗能少,e.用于某些碳钢、低合金钢的淬火返修件,注：不适于高合金钢(C曲线右移，空气中也能淬火),(5)应用,a.改善低碳钢的切削加工性能,b.中碳结构钢件的预备热处理,c.普通结构零件的最终热处理,d.消除过共析钢的网状碳化物,3、钢的淬火,淬火加热温度,温度过低(Ac3)：淬火组织中有F残。,(1)钢的淬火工艺,淬火将钢加热到Ac3或Acl以上，保持一定时间后以适 当速度冷却，获得马氏体和(或)贝氏体组织。,温度过高：A晶粒粗化，M粗大，使钢的
7、脆性增大；,淬火组织：细小而均匀的M。,a.亚共析钢,Ac3+3050,预备热处理组织：退火或正火组织。,淬火应力增大，易产生变形和开裂。,氧化脱碳严重；,过共析钢M+粒状渗碳体+A残 (预备组织为P球),过共析钢加热温度大于Accm，有害：,)A的C%增加，Ms和Mf点降低，淬火后A残增加，使 钢的硬度和耐磨性降低。,)A晶粒粗大，M片粗，使钢的脆性增大。,组织：共析钢M+A残,)淬火应力大，工件表面氧化、脱碳严重。,b.共析钢、过共析钢,过共析钢组织中有未溶渗碳体， 淬火后钢的硬度和耐磨性高。,Ac1+3050,c.合金钢 Ac1(Ac3)+50100,提高淬火温度有利于合金元素在A中充分
8、溶解和均匀化。,淬火介质,vk,)淬火冷却速度必须大于vk,)“鼻子”附近快冷；,“鼻子”上方，在不出现P前提下，尽量缓冷，以降低零件的热应力；,“鼻子”下方M转变区，应缓冷，减缓相变应力。,此介质不存在。,b.常用淬火介质,)水,应用：只适于尺寸较小、形状简单的碳钢零件淬火。,300200(M区)不够缓冷。,)盐水 5%15%的盐水溶液,300200冷却能力也大于水，工件易产生变 形，甚至开裂。,应用：用于形状简单、硬度要求较高而均匀、表面要 求光洁、变形要求不严格的碳钢零件。,螺钉、销、垫圈,价廉 冷却能力较强,)油,特点：300200V冷水，零件淬火应力大大降低。,650500V冷小，对
9、防止过冷A的分解不利。,应用：过冷A较稳定的合金钢或尺寸较小的碳钢件。,(2)淬火方法,可弥补介质的不足,a.操作简单、易实现机械化和自动化,特点：,单液淬火法,b.易造成淬火内应力(工件表面与心部温差大),应用：适用于形状简单的工件。,c.水淬易变形和裂纹；油淬易硬度不足或硬度不均匀,单液,V冷小,双液淬火法,将A化后的工件在水中冷却到接近Ms时，立即取出 放入油中冷却。,应用：形状中等复杂的高碳钢小件和尺寸较大的合金钢 零件。,特点：,既防止AM发生中途分解，又 防止淬火变形、开裂(M相变在缓 冷的介质中进行),a.冷却条件理想,b.工件表面与心部温差较大； 工艺操作困难。,双液,分级淬火
10、法,将A化工件放入温度稍高于Ms点的盐浴中，使工件 各部分与盐浴温度一致后，取出空冷完成M转变。,特点：,a.淬火热应力小(比双液淬火)，组织应力显著下降。,b.盐浴的冷却能力较小， 使其适用性受到限制。,（工件内外温度差小；V冷较小 条件下完成M转变。）,分级,应用：适用于尺寸较小，要求变形小、尺寸精度高的工 件，如刀具、量具等。,等温淬火,将A化钢件快冷到B转变温度区间等温保持，使 AB下后，取出空冷。,特点：淬火应力与变形极小， 有较高的塑性和韧性。,等温,冷处理,将零件淬火至室温后，立即放入0以下的介质(如 温度为-78的干冰+酒精)中继续冷却，以增加马氏 体的转变量的工艺。,目的：减
11、少A残，提高硬度、耐磨性、稳定尺寸。,应用：wC0.6、尺寸稳定性要求很高的高精度零件。 如精密量具、精密丝杠、精密轴承等,(3)钢的淬透性,淬透性钢在淬火时获得M的能力,指标,钢的淬透性实际工件淬硬(透)层深度,淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。,同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、 冷却介质有关。工件尺寸小、介质冷 却能力强，淬硬层深。,有效淬透层深度工件表面至半M的深度,影响淬透性因素：vk,vk愈小，A愈稳定,淬透性好,)合金元素 除Co外，大多数溶于A的合金，使钢的 淬透性(C曲线右移)。,)含碳量 共析钢淬透性最好,)A化温度,淬透性,高,A稳定性， C曲线右移，vk,原因：A晶粒长大，
12、成分均匀化,)钢中未溶第二相,C%-0.77%,淬透性,原因：未溶第二相成为A分解的非自发形核核心,A越易分解，淬透性,未溶第二相越多,a.临界直径测定法,临界直径Dc淬火钢在冷却介质中冷却后，心部能淬透 的最大直径。Dc越大，钢的淬透性越高。,临界直径测定法,端淬试验法,淬透性的测定,b.端淬试验法,表示方法：,J 表示末端淬透性； d 表示半马氏体区到水冷端的距离； HRC为半马氏体区的硬度。,标准试样(25mm100mm)经A化后，在专用设备上对末端喷水冷却，冷却后沿轴线方向测出硬度距水冷端距离的关系曲线(淬透性曲线)的试验方法,淬透性的应用,截面较大、形状复杂及受力情况特殊的重要零件，
13、用淬透性高的钢。如拉杆、锻模、锤杆等。,a.根据零件不同的工作条件合理确定钢的淬透性要求,受扭转或弯曲载荷的零件，用淬透性较低的钢。如 轴类、齿轮等。,焊接件，不宜选用淬透性高的钢，否则工件变形、开裂。,b.考虑钢材的“尺寸效应”,尺寸效应：随件尺寸增大而热处理强化效果减弱的现象,尺寸越大，淬火时V冷越慢,合金元素含量高，钢的尺寸效应则不明显。,淬透层越薄，性能越差,c.合理的加工工序,影响因素：马氏体的含碳量。含碳量越高，淬硬性越好 合金元素对淬硬性无显著影响。,淬硬性钢在淬火后所能达到的最高硬度。,注意 淬硬性淬透性。,淬透层浅的大尺寸工件应在淬火前先切削加工,(3)钢的淬硬性,)要求高塑
14、性、韧性的焊接件及其它机械零件，应选 用淬硬性低的低碳、低合金钢。,淬硬性的应用,)高硬度、高耐磨性的各种工、模具，可选用淬硬性 高的高碳、高合金钢；,)综合力学性能要求高的机械零件，可选用淬硬性中 等的中碳及中碳合金钢；,4、回火,回火钢件淬硬后加热到Ac1以下某一温度，保温一定 时间然后冷却到室温的热处理工艺。,未淬火的钢回火无意义。钢淬火后应立即进行回火。,(1)目的,降低脆性、消除或降低残余应力，防止工件变形开裂,赋予工件所要求的力学性能。 (淬火钢硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性),稳定工件尺寸 淬火M和A残不稳定，有自发向平衡组织转变的倾向,(2)钢在回火时的转变,随加热温度升
15、高，淬火钢的组织发生四个阶段变化。,共析钢为例 淬火组织：M+A残,M分解(200以下),a.T80 M中碳原子偏聚，组织无变化,b.80200 M开始分解，析出亚稳定的-碳化物。,硬度变化不大；内应力减小,保留淬火M形态,钢的硬度基本不变，ReL略，应力进一步。,组织：回火马氏体(M回)+ B下,回火托氏体(T回)的形成(300400),淬火应力大部分消除，钢的 硬度、强度，塑性、韧性,固溶体F；-碳化物细球状渗碳体，并与-固溶体失去共格关系,T回,T回针状F和球状渗碳体组 成的复相组织。,保留淬火M形态,组织：回火索氏体S回多边形F基体上分布着球状渗 碳体,渗碳体的聚集长大和F的再结晶(4
16、00以上),渗碳体球聚集长大；F由针片状变为多边形。,强度、硬度进一步下降，韧塑进一步上升。,随回火温度提高， 钢的强度、硬度下降， 塑性、韧性提高。,S回,(3)回火的分类与应用,淬火+高温回火=调质,(4)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 通过该温度区间时冲击韧性明显下降的脆化现象。,淬火后在300左右回火时所产生的回火脆性。,第一类回火脆性(低温回火脆性),特点：不可逆,机理：300左右回火时，M条或片的边界析出断续的 薄壳状碳化物，降低了晶界断裂强度。,措施：不在该温度区间回火(出炉空冷),特点：可逆,机理：钢中Ni、Cr等合金元素促进Sb、Sn、P等杂质 元素在原A晶
