钢的热处理及表面处理

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1、工程材料及成型技术机械学院第3章 钢的热处理及表面处理材料成型系第三章 钢的热处理及表面处理改性处理热处理表面处理普通热处理退火、正火、回火、淬火渗碳、渗氮 碳氮共渗 渗金属特殊热处理表面淬火感应淬火高、中、工频淬火 火焰淬火 激光淬火氧乙炔、氧煤气焰化学热处理表面热处理形变热处理 真空热处理 可控气氛热处理表面强化表面防护热喷涂 气相沉积 高能束强化 发蓝（高温碱性和酸性、常温发蓝） 磷化（高温、中温低温和常温磷化） 电镀（镀锌、镀铬等） 化学镀 着色装饰第一节 钢的热处理原理普通热处理（退火、正火、淬火和回火）表面热处理（表面淬火和化学热处理）。加热、 保温和冷却改变组织(材料整体或表面)

2、获得性能的一种热加工工艺。固态金属或合金在一定介质中 热处理一、钢在加热时的组织转变加热时，实际转变温度往往要偏离平衡的临界温度， AC1、AC3、ACm等冷却时,如Ar1、Ar3、Arm等（一）奥氏体的形成过程钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化。有形核、长大和均匀化等过程以共析钢的奥氏体形成过程为例1、奥氏体的形核2、奥氏体晶核的长大3、残留渗碳体的溶解4、奥氏体成分均匀化奥氏体的形成FFe3C未溶Fe3CA残留Fe3CAAAA 形核A 长大残留Fe3C溶解A 均匀化奥氏体长大示意图过共析钢的加热过程： 亚共析钢的加热过程：（二）奥氏体晶粒大小及其控制 1.晶粒大小的表示方法标准金相图

3、片（标准评级图）评定晶粒大小的级别. 分为8级，1级最粗，8级最细。14级为粗晶粒度，58级为细晶粒度。2.奥氏体晶粒度的概念实际晶粒度:实际条件得到的晶粒大小本质晶粒度:用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度称为。标准试验方法:加热到93010，保温38h后测定奥氏体晶粒大小，在14级，本质粗晶粒钢；在58级，本质细晶粒钢。 3.奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响1).奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。2).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.奥氏体晶粒大小的控制加热速度越快d细小过热度越大钢的化学成分 无残Cm奥氏体中含碳量的增加 晶粒长大倾向增大Ti、

4、Zr、V、Nb、Al等碳化物和氮化物阻碍晶界的迁移 本质细晶粒钢Mn和P促进奥氏体晶粒长大加热温度与保温时间 T越高，t越长， d粗大， 原子扩散(一)钢在热处理时的冷却方式热 加保温时间温度临界温度连续冷却等温冷却二、钢在冷却时的组织转变1、过冷奥氏体的高温转变（珠光体转变）Fe、C原子扩散-扩散型转变A1550等温冷却加 热保温时间温度A1550AP1）珠光体的组织形态(二)钢在连续冷却时的组织转变按片间距的大小可将其分为三类：600550片层极细的， 托氏体（屈氏体）， “T” 。650600 片层较细的，索氏体， “S” ；珠光体索氏体托氏体（屈氏体）A1650片层较粗 珠光体， “P

5、” 2)珠光体的力学性能片层间距越小，则强度和硬度越高，塑性和韧性也越好。组织 名称表示符号形成温度范围 层片间距 m硬度HBS珠光体PA1-6500.4170-230索氏体S650-6000.4-0.2230-320托氏体T600-5500.2330-400珠光体形成示意图2、过冷奥氏体的低温转变（马氏体转变）无扩散性相变（Fe、C原 子失去扩散能力）马氏体（M）是碳 在Fe中的过饱 和固溶体加 热保温时间温度A1550AP230Ms马氏体晶体结构1）马氏体的组织形态板条马氏体a.板条马氏体Wc:0.25%以下低碳马氏体板条马氏体内有高密度的位错缠结的亚结构位错马氏体两种基本形态：针状马氏体

6、wc在0.25%1.0%之间两种马氏体的混合组织含碳量越高，板条状马氏体量越少b.针状马氏体当wc 1.0%时亚结构主要是孪晶孪晶马氏体2）马氏体的力学性能WC/%含碳量，含碳量的增加而升高。塑性和韧性板条（位错）型比片状（孪晶）型马氏体好得多片状马氏体的韧性低，脆性大，断面收缩率和断后伸长率都很低。亚结构硬度3）马氏体转变的主要特点无扩散性、速度极快10-7s转变是在一个温度范围内进行的 在MsMf转变不完全多数钢的Mf点在室温以下残余（留）奥氏体 ，常用Ar表示。加 热保温时间温度A1550AP230MsMf奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响6007005003004002001000 -

7、100-2000.20.4 0.6 0.8 1.0 1.21.4 1.6 1.8 2.00温度 Wc 100MsMf9080507040602030100 0.60.90.80.71.00.51.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 Wc 100残余奥氏体量 ( % )奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响3、过冷奥氏体的中温转变（贝氏体转变）Ms点(230-550 )C原子扩散半扩散 型转变贝氏体（B）是碳化物（ 渗碳体）分布在碳过饱 和的铁素体基体上的两 相混合物。加 热保温时间温度A1550AP230MsMfB上贝氏体（B上）550至350组织形 态呈羽 毛状B上 =过饱和碳

8、-Fe条状 + Fe3C细条状过饱和碳-Fe条状 Fe3C细条状羽毛状下贝氏体（B下）350至Ms(230 )呈黑色针状或竹叶状。B下 =过饱和碳 -Fe针叶状 + Fe3C细片状过饱和碳 -Fe针状Fe3C细片状针叶状贝氏体的力学性能:上贝氏体:强度和韧性均差。下贝氏体:强度高，韧性也好，较好的综合力 学性能(三) 过冷奥氏体的等温冷却转变曲线1. 建立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共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图时间(s)3001021031041010800-10

9、0100200500600700温度 ()0400A1孕育期过冷度原子扩 散的温 度二) 共析碳钢 TTT 曲线的分析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;高温转变区; 扩散型转变; P 转变区。550230;中温转变 区; 半扩散型转变;贝氏体( B ) 转变区;230 - 50; 低温转 变区; 非扩散型转变; 马氏体 ( M ) 转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度 ()0400A1MsMf2.亚共析钢的TTT曲线 F AP + F S + F TBM + A残A3时间

10、(s)3001021031041010800-100100200500600700温度 ()0400A1MsMf3.过共析钢的TTT曲线P + Fe3C S + Fe3CTBM + A残Fe3C AACM时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度 ()0400A1MsMf(四) 影响 TTT 曲线形状与位置的因素1.奥氏体中含碳量的影响:共析钢亚共 析钢时间温度A1过共 析钢2.奥氏体中含合金元素的影响:除Co、Al (2.5% ) 外,所有合金元 素溶入奥氏体中,会引起:向右移向下移MsA1A1Ms含Cr合金钢合金元素的影响2）碳化物溶解充分,

11、 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。3.奥氏体状态的影响1）奥氏体晶粒越细,越有利形核和扩散,有利转变加热温度越高, 保温时间越长,越稳定。（五）.过冷奥氏体的连续冷却转变一) 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 - transformationVcVc1、 共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图时间( lg )温度A1PfPsA+PK MsMf 水冷油冷炉冷 空冷中止线无贝氏体转变区Vc上临界冷却速度V下临界冷却速度c稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800

12、-100100200500600700温度 ()0400A1MsMf2 共析碳钢 TTT 曲线与CCT曲线的比较CCT曲线TTT曲线VcV4水冷V3油冷Vc3、CCT曲线在连续冷却过程中 的应用时间( lg )温度A1PfPsA+PK MsM fV1炉冷 V2空冷V1 = 5.5/s : 炉冷 ; PV2 = 20/s : 空冷 ; SV3 = 33/s : 油冷;T+M+A残V4 138/s : 水冷 ; M+A残稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度 ()0400A1MsMf连续冷却过程中 TTT 曲线的应用V1V2VkV3

13、V4V1 = 5.5/s : 炉冷 ; PV2 = 20/s : 空冷 ; SV3 = 33/s : 油冷;T+M+A残V4 138/s : 水冷 ; M+A残过共析钢无贝氏体转变区先共析渗碳体析出线亚共析钢先共析铁素体析出线贝氏体转变区。共析钢无贝氏体转变区亚共析钢和过共析钢的连续转变曲线第二节 钢的普通热处理工艺毛坯生产 预备热处理 机械加工 最终热处理 机械精加工预备热处理 : 退火 ; 正火最终热处理 : 淬火 ; 回火一般零件生产的工艺路线:一、钢的退火 一)定义: 把零件加温到一定温度，保温一段时间,然后缓慢（随炉 ）冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。 二)目的: 1、消除

14、应力; 2、降低硬度以改善切削加工性能; 3、细化晶 粒; 4、均匀成分; 5、为最终热处理作好组织准备。 三) 种类退火重结晶 退 火低温 退火完全退火扩散退火球化退火再结晶退火去应力退火普通退火等温退火普通球化退 火等温球化退 火四) 工艺参数:温 度 ( C )名 称 Ac3 + 3050完全退火 Ac1 + 3050球化退火 500600去应力退火 Ac3 + 150250扩散退火1、完全退火和等温退火 加热到Ac3+3050，保温后炉冷指加热到完全奥氏体化目的：细化，软化适用于：亚共析钢的铸、锻件，热轧型材，焊接件组织：F + P 加热到Ac3（Ac1）+3050，保温后在Ar1以下

15、等温后空冷 目的：细化，软化、省时 适用于：中、高合金钢 组织：F + P 或 Fe3C+ Pt 过共析钢亚共析钢完全退火等温退火2、球化退火和扩散退火 加热到Ac1+2030目的：得到球状 Fe3C，软化适用于：共析钢，过共析钢组织：球状 P 加热到Ac3+150300，长时间保温后慢冷目的：均匀成分适用于：铸钢件组织：晶粒粗大思考：过共析钢怎样退火？扩散退火后应完全退火或正火细化扩散退火均匀化退火球化退火T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 粒状珠光体3、去应力退火和再结晶退火 加热到Ac1-100200，保温后炉冷目的：去内应力，稳定组织适用于：冷加工件，热加工件组织：不变 加热到t再+150250，保温后空冷目的：降低硬度，提高塑性适用于：冷变形工件组织：等轴晶粒再结晶温度：T再=T熔 0.4（绝对温度）低温退火低温退火再结晶退火去应力退火二、钢的正火一)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。 二)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。 目的：与完全退火相似，且细化晶粒，改善性能适用于：低碳钢 改善切削加工性过共析钢 消