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1、任务三 钢的热处理应用,本章要点：,钢在加热和冷却时组织与性能的改变认知 钢的退火、正火、淬火和回火的应用 钢的表面热处理、化学热处理的应用,学习导读：,为什么要对钢进行热处理？ 钢热处理后为什么性能会发生改变？ 如何提高钢的强度和硬度？如何改善钢的切削加工性能？如何使钢的塑性加工性能变好？ 如何使零件表面耐磨、并保持良好韧性？,公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。,引言： 热处理的发展史,早在公元前770前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加
2、压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。,随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。,中国出土的西汉(公元前206公元24)中山靖王墓中 的宝剑,心部含碳量为0.150.4%，而表面含碳量却达 0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手 艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。,1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，
3、钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。,法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。,18501880年，对于应用各种气体(诸如氢气、煤气、一氧化碳等)进行保护加热曾有一系列专利。18891890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。,19011925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳 ；30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；,20世纪6
4、0年代以来，热处理技术运用等离子场，发展了离子渗氮、渗碳工艺 ；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。,任务一 热处理概述,热处理定义：将钢在固态下以一定的方式进行加热、保温，然后采取合适的方式冷却，让其获得所需要的组织结构和性能的工艺。作用：改善钢材使用性能和工艺性能，通过恰当的热处理可以充分挖掘材料的潜力，从而减少零件的重量，提高产品质量，延长产品使用寿命。应用举例：锉刀和车刀只有通过热处理，才能更好地锉动和切削工件；火车的轮子才能更耐磨而不变形；火星探测器上用形状记忆合金制成的天线才能在进入轨道后打开，所以在日常生活、工业制造、医药、通讯、国防乃至航天航空
5、领域，热处理都有着极其重要的作用。,热处理工艺表示法：任何热处理工艺一般都可归纳为由加热、保温和冷却三个阶段组成的工艺过程。热处理工艺可用“温度时间”坐标图表示，即热处理工艺曲线。,钢的固态临界点：,钢在固态下进行加热、保温和冷却时将发生组织转变，转变临界点根据Fe-Fe3C相图确定。平衡状态下：当钢在缓慢加热或冷却时，其固态下的临界点分别用Fe-Fe3C相图中的平衡线A1(PSK线)、A3(GS线)、Acm(ES线)表示。实际加热和冷却时：发生组织转变的临界点都要偏离平衡临界点，并且加热和冷却速度越快，其偏离的程度越大。实际加热时临界点分别用Ac1、Ac3、Accm表示实际冷却时临界点分别用
6、Ar1、Ar3、Arcm表示,热处理临界点,热处理的主要目的:改变钢的性能。,热处理的应用范围:整个制造业。,热处理的分类,热处理,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,感应淬火,火焰淬火,渗碳; 渗氮;碳氮共渗;,3-1 钢的热处理概述,箱式电阻炉,3-1 钢的热处理概述,台车式电阻炉,3-1 钢的热处理概述,连续式热处理炉,3-1 钢的热处理概述,钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化。以共析钢的奥氏体形成过程为例。,2 钢在加热和冷却时的转变,1、奥氏体的形成(PA),一、 钢在加热时的转变,3）残留渗碳体的溶解： 铁素体全部消失以后，仍有部分
7、剩余渗碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗碳体不断地溶入到奥氏体中去，直至全部消失。,1）奥氏体形核：奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上形成。,2）奥氏体晶核长大： 奥氏体晶核形成以后，依靠铁、碳原子的扩散，使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不断溶入到奥氏体中去而进行的。,4）奥氏体均匀化： 渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩散才能获得均匀化的奥氏体。,亚共析钢的加热过程：,过共析钢的加热过程：,2、奥氏体的晶粒大小,奥氏体晶粒对性能影响：奥氏体的晶粒越细小、均匀，冷却后的室温组织越细密，其强度、塑性和韧性比较高。 奥氏体的晶粒度：晶粒度是指多
8、晶体内晶粒的大小，可以用晶粒号、晶粒平均直径、单位面积或单位体积内晶粒的数目来表示。GB/T8493-1987将奥氏体晶粒分为8个等级，其中14级为粗晶粒；58级为细晶粒。,晶粒度的测定方法：93010保温38小时(100),本质粗,本质细,2 钢在加热和冷却时的转变,3、影响奥氏体晶粒大小的主要因素,热处理工艺参数：加热速度、加热温度越、保温时间，其中加热温度对奥氏体晶粒大小的影响最为显著。 钢的化学成分：大多数合金元素（锰和磷除外）均能不同程度地阻止奥氏体晶粒的长大，特别是与碳结合能力较强的碳化物形成元素（如铬、钼、钨、钒等）及氮化物元素（如铌、钒、钛等），会形成难熔的碳化物和氮化物颗粒，
9、弥散分布于奥氏体晶界上，阻碍奥氏体晶粒的长大。因此，大多数合金钢、本质细晶粒钢加热时奥氏体的晶粒一般较细。 原始组织：钢的原始晶粒越细，热处理加热后的奥氏体的晶粒越细。,过冷奥氏体的两种冷却方式,把加热到奥氏体状态的钢，快速冷却到低于A1的某一温度，并等温停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温。,把加热到奥氏体状态的钢，以不同的冷却速度连续冷却到室温。,二、 钢在冷却时的转变,2 钢在加热和冷却时的转变,1、过冷奥氏体的等温转变,2 钢在加热和冷却时的转变,共析钢的等温转变图,稳定的奥氏体区,过冷奥氏体区,A向产物转变开始线,A向产物转变终止线,A +产 物 区,产物区,A1550;
10、高温转变区;扩散型转变; P 转变区.,550Ms(230);中温转变区; 半扩散型转变; 贝氏体( B ) 转变区.,Ms Mf(-50); 低温转变区; 马氏体 ( M ) 转变区.,2 钢在加热和冷却时的转变,珠光体转变：扩散相变(A1550, AP（F+Fe3C）),1）在A1650形成的珠光体 ，因为过冷度小，片间距较大(0.4m)，在500以上的光学显微镜下，能分辨其片层状形态；即为粗珠光体，习惯上称为珠光体（P）。,2 钢在加热和冷却时的转变,2）在650600形成片间距较小的珠光体(0.20.4m)，在光学显微镜8001500能分辨出其为铁素体薄层和碳化物（渗碳体）薄层交替重叠
11、的复相组织称为细珠光体或索氏体，用字母S表示（以英国冶金学家HCSorby的名字命名）。,珠光体转变：扩散相变(A1550, AP（F+Fe3C）),2 钢在加热和冷却时的转变,3）在600550形成片层间距极小的珠光体( 0.2m) ，在光学显微镜下高倍放大已无法分辨出其内部构造，在电子显微镜下可观测到很薄的铁素体层和碳化物（渗碳体）层交替重叠的复相组织，称为极细珠光体或托氏体，用字母T表示（以法国金相学家LTroost的名字命名）。,珠光体转变：扩散相变(A1550, AP（F+Fe3C）),2 钢在加热和冷却时的转变,珠光体转变：扩散相变(A1550, AP（F+Fe3C）),a)光学显
12、微组织（500） b)电子显微组织（8000）图6-7 珠光体组织,2 钢在加热和冷却时的转变,贝氏体转变：半扩散相变（C）550Ms, AB),上贝氏体：550350，过饱和片状F渗碳体 下贝氏体：350Ms，过饱和针状F弥散-Fe2.4C,2 钢在加热和冷却时的转变,贝氏体转变：半扩散相变（C）550Ms, AB),贝氏体的显微照片,上贝氏体：过饱和片状F渗碳体，性脆无实用价值 下贝氏体：过饱和针状F弥散-Fe2.4C，综合性能好,2 钢在加热和冷却时的转变,马氏体转变：非扩散相变，Ms以下, AM,马氏体_过饱和的固溶体,c/a1 称为马氏体的正方度含碳量高，正方度大,2 钢在加热和冷却
13、时的转变,低碳(1.0%)马氏体：片状_硬而脆,2 钢在加热和冷却时的转变,2、过冷奥氏体的连续冷却转变,只有P、M转变vk为临界冷却速度,2 钢在加热和冷却时的转变,过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中的应用,v1-炉冷APv2-空冷ASv3-油冷AT+Mv4-水冷AM A/vk-临界冷却速度vk,P,S,M,T,2 钢在加热和冷却时的转变,常用热处理方法的工艺曲线示意图,退火,正火,淬火,回火,退火1. 退火是将金属制件加热到高于或低于这种金属的临界温度，经保温一定时间，随后在炉中或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的一种热处理工艺。 退火的目的： a. 降低硬度，以利于
14、切削加工； b. 细化晶粒，改善组织，提高机械性能； c. 消除内应力，为下一道热处理作好准备； d. 提高金属材料的塑性、韧性，便于进行冷 冲压或冷拉拔加工。 退火的缺点：占用设备；生产率低。,2. 正火 正火是将金属制件加热到高于或低于这种金属 的临界温度，经保温一定时间，随后在空气中冷却，以获得更细组织的一种热处理工艺。 正火的作用与退火相似，与退火不同之处是： a. 正火是在空气中冷却，冷却速度快，所获 得的组织更细。 b. 正火后的强度、硬度较退火后的稍高，而 塑性、韧性则稍低。 c. 不占用设备；生产率高。,3. 淬火 淬火是将金属制件加热到这种金属的临界温度以上3050，经保温一
15、定时间，随后在水或油中快速冷却，以获得高硬度组织的一种热处理工艺。 淬火的目的：提高金属材料的强度和硬度，增加耐磨性，并在回火后获得高强度和一定韧性相配合的性能。,4. 回火 回火是把淬火后的金属制件重新加热到某一温度，保温一段时间，然后置于空气或油中冷却的热处理工艺。 回火的目的：为了消除淬火时因冷却过快而产生的内应力，降低金属材料的淬性，使它具有一定的韧性。 根据加热温度的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。,（1）低温回火：回火温度为150250。低温回火能消除一定的内应力，适当地降低钢的脆性，提高韧性，同时工件仍保持高硬度、高耐磨性，应用于各种量具和刃具。 （2）中温回火：回火温度为350500。中温回火可大大减小钢的内应力，提高了弹性、韧性，但硬度有所降低，应用于弹簧和热锻模等。 （3）高温回火：回火温度为500650。高温回火可以消除内应力，硬度有显著的下降，可获得具有强度、塑性、韧性等综合机械性能，应用于齿轮、连杆、曲轴等。5. 调质处理 淬火后再经高温回火的热处理工艺，称为调质处理。一般要求具有较高综合机械性能的重要结构零件，都要经过调质处理。,
