钢铁材料改性处理

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1、第四节 钢铁材料改性处理,钢铁的热处理原理钢铁的普通热处理钢铁的表面处理,改性处理,特殊热处理,表面处理,普通热处理：四把火,表面热处理,表面淬火,热喷涂、气相沉积、高能束强化,化学热处理,热处理,渗碳、氮,渗其它元素,多元共渗,真空热处理,形变热处理,可控气氛热处理,表面强化：,表面防护：,发蓝、磷化、电镀、化学镀、着色装饰,钢的热处理,将钢在固态下进行适当的加热、保温和冷却，以改变其组织和性能的工艺。,热处理的应用：机床、汽车零件60-80%经过热处理。,模具、滚动轴承100%需热处理。,热处理特点,只改变组织和性能，不改变其形状。,一、钢铁的热处理原理,钢在加热/冷却时转变温度钢在加热时

2、组织转变钢在冷却时的组织转变,1、钢在加热/冷却时转变温度,2、钢在加热时的组织转变,1）奥氏体化过程共析钢为例,Ac1温度下， F(b.c.c.,0.0218)+Fe3C(6.69)-A (f.c.c., 0.77),过共析钢的加热过程：,亚共析钢的加热过程：,即：PA后，先共析F、Fe3C溶解,2）奥氏体晶粒大小及控制,I、晶粒大小的表示方法标准金相图片（标准评级图）,II、奥氏体晶粒度的概念,14级本质粗晶粒钢 58级本质细晶粒钢,起始晶粒度珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。实际晶粒度热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。本质晶粒度度量钢本身晶粒在930以下，随温度升高，晶粒长大的程度。,钢

3、的本质晶粒度示意图,加热温度和保温时间 T，t A粗化,化学成分 C% A晶粒长大倾向合金元素 （除Mn和P外） 阻碍晶粒长大,III、奥氏体晶粒大小的控制,原始组织 细形成快性能好,3、钢在冷却时的组织转变,1）过冷奥氏体的等温冷却转变,I、 建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线TTT曲线 ( C 曲线 ),Time Temperature Transformation,共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图,A1,II、 共析碳钢 TTT 曲线的分析,稳定的奥氏体区,过冷奥氏体区,A转变开始线,A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。,5502

4、30;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。,I）高温转变区（扩散型转变）晶格改组和Fe，C原子的扩散过程遵循形核、长大规律,III、过冷奥氏体等温转变产物的组织和特征,电镜形貌,光镜形貌,II）中温区转变贝氏体转变（半扩散型转变）Fe不扩散 ，C原子有一定的扩散能力,上贝氏体（B上）,下贝氏体（B下）,III）低温区转变马氏体转变,i、马氏体转变的特点,非扩散型转变 碳在-Fe中的过饱和固溶体,瞬时性 在MSMf之间温度范围内连续冷却完成,不完全性M 转变是不彻底的，A过冷M+A 残,体积膨胀

5、形成很大的内应力，严重时将使被处理零件开裂,ii、马氏体的形态及性能特点,C%1.0%，针状M,C%0.25%，板条状M,硬度高，C%HRC,强度高（50HRC）塑、韧性较好,硬而脆（6065HRC）塑、韧性很差,奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响,亚共析钢的TTT曲线,P + F,S + 少量F,T,B,M + A残,过共析钢的TTT曲线,P + Fe3C,S + 少量Fe3C,T,B,M + A残,IV、影响等温转变曲线的因素,i、含碳量,亚共析钢：C%C曲线右移 过共析钢：C%C曲线左移,亚共析钢、过共析钢：C曲线上各多了一条线, C% MS、Mf ,ii、合金元素的影响,除Co以外，所

6、有合金元素溶入A中，增大过冷A稳定性右移 非碳化物形成元素，Si，Ni，Cu不改变C曲线形状 强碳化物形成元素，Cr，Mo，W，V，Nb，Ti 改变C曲线形状 除Co、Al 外，均使Ms，Mf 下降，残余A,iii、加热温度与保温时间, A化温度，时间（成分均匀，晶粒大，形核率降低）A稳定性，C曲线右移,2）过冷奥氏体的连续冷却转变,I、建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线 CCT 曲线,Continuous Cooling Transformation,共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图,Pf,Ps,A+P,K,Ms,Mf,II、共析碳钢 TTT 曲线与CCT曲线的比较,III、,转变产物

7、,v1炉冷（退火） P v2 空冷（正火）S v3 油冷（油淬）T+M+A残 v4 vk 水冷（水淬）M+A残,第二节 钢铁的普通热处理,退火 正火 淬火 回火,加热速度 冷却速度 加热温度 保温时间 处理次数 处理次序 ,一、钢的退火,概念：将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。目的: 消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。,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,1完全退火,加热至,Ac3+30-50,保温,炉冷（ P+F）,应用范围：亚

8、共折钢和合金钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接结构；也可作为一些不重要件的最终热处理,目的：细化晶粒提高力学性能降低硬度改善切削性能消除内应力,亚共折钢,工艺：,2球化退火,片状Fe3C或网状Fe3C球化,加热至,Ac1+20-30,保温,过共析钢,炉冷（F+球状Cm）,目的：使Cm球化HRC，韧性改善切削性为淬火作准备,工艺：,3、等温退火,工艺：A化后快冷至Ar1以下等温转变为 P，再空冷。,等温退火与普通退火的比较,目的：缩短退火时间。,3扩散退火（均匀化退火）工艺：1050-1150，10-20h, P+F或P+Fe3CII目的：消除偏析后果：粗大晶粒（再应用完全退火消除）,5再结晶退火T

9、再+150-250；消除加工硬化,4去应力退火500-650 炉冷；消除应力,二、钢的正火,概念: 把零件加温到临界温度以上3050, 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。, 工艺：,应用： （1）预先热处理a. 细化组织为淬火、调质作准备b. 使过共析钢中Fe3CII使其不形成连续网状，为 球化作准备 （2）作普通结构钢零件的最终热处理冷却较快，组织细化，提高力学性能强度，韧性， 硬度 （3）改善切削加工性能,退火、正火的选择,1切削加工低、中碳钢正火中高碳钢，合金工具钢完全退火，球化退火,2作为最终热处理正火,3为最终热处理提供良好的组织状

10、态工具钢正火+球化退火结构钢正火返修件退火,三、钢的淬火,概念: 把零件加温到AC3、AC1相变温度以上一定温度,保温一段时间,然后快速冷却 ( 水冷 )。目的: 为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。,淬火温度过高A粗大M粗大力学性能，淬火应力变形，开裂,（一）淬火工艺,（1）碳素钢: 亚共析钢：Ac33050共析钢和过共析钢：Ac13050,1、淬火温度的选定,（2）合金钢：临界点（Ac3 /Ac1）50100 ,2、淬火介质,理想的淬火冷却方法是：650以上，慢，减小热应力650-400，快，避免C曲线400 以下，慢，减轻相变应力,水：650550 冷却能力大，300200 冷却能

11、力也大 油：300200 冷却能力小，但650550 冷却能力也小 盐浴：冷却能力介于水和油之间,（二）淬火方法,1、单液淬火（1）工艺：将加热的工件放入一种淬火介质中连续冷却至室温 （如：水淬、油淬）（2）特点：优点：操作简单，易实现机械化、自动化；缺点：应力大（水淬），或淬不透（油淬）,2、双液淬火（1）工艺：将工件先在一种冷却能力较强的介质中冷却，避免珠光体转变，然后转入另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变。（2）特点：优点：利用了两种介质的优点，获得较理想的冷却条件；缺点：不易掌握在第一种介质中的停留时间，需要经验。,3、马氏体分级淬火（1）工艺：将工件在Ms点附近的盐浴或碱浴中淬

12、火，待工件内外温度均匀后，再取出，缓冷淬火。（2）特点：优点：大大减少了内应力，减小变形和开裂；缺点：只适用截面尺寸比较小（直径或厚度 10mm的工件）,4.贝氏体等温淬火（1）工艺：钢加热奥氏体化后，随之快冷到贝氏体转变区间（260350），等温保持，使过冷奥氏体转变为下贝氏体的淬火方法。（2）应用：常用来处理形状复杂，尺寸要求精确，并且要求有较高韧性的工具、模具和弹簧等。,6、冷处理（1）工艺：把淬火冷却到室温的钢继续冷却到零度以下（如-70-80），而后进行低温回火。（2）特点：适用于Mf温度位于0以下的高碳钢和合金钢。（精密量具、滚动轴承）（3）目的：使过冷奥氏体向马氏体的转变更加完全

13、，减少残余奥氏体的数量，提高钢的硬度和耐磨性，并使尺寸稳定。,（三）钢的淬透性,1、淬透性的概念,（2）表示：淬火件表面至半马氏体区的距离,（1）定义：是指钢在淬火时获得马氏体的能力,（3）比较：淬硬性淬硬性表示钢在淬火后获得硬度的能力；用淬火马氏体的硬度表示。C%淬硬性,淬透性的试验方法：末端淬火法用不同钢种制成相同形状和尺寸的工件，在规定的淬火条件下淬透层的深度大小来表示。,淬硬性与淬透性之间的关系,（4）影响因素：钢的淬透性是由临界冷却速度Vk决定,Vk减小，奥氏体稳定（C曲线右移），钢的淬透性越好,未淬透的钢：表里不如一，应用在承受弯曲或扭转载荷的轴类零件，外层受力较大，心部受力较小,

14、2、淬透性的应用,淬透的钢：表里如一，应用在截面较大，形状复杂以及受力较苛刻零件：螺栓、拉杆、锻模、锤杆等工件,（1）淬透性对钢力学性能的影响,淬透性好的钢：可采用冷速缓慢的淬火介质，有利于减少形状复杂工件的变形,（2）对不同淬透性的钢可选择不同热处理工艺来满足要求,淬透性低的大尺寸工件：淬硬层很浅，要在淬火之前进行适当的切削加工，去掉不要部分,2、淬透性的应用,四、钢的回火,定义: 把淬火后的零件重新加温到A1线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到室温。,目的: 消除淬火应力,降低脆性;稳定工件尺寸;调整淬火零件的力学性能。,（一）钢在回火时的组织转变,1. 马氏体分解（100-200）,

15、2.残余奥氏体的转变（200300）,相当于回火马氏体或下贝氏体,过饱和固溶体十亚稳定-Fe2.4C碳化物（极细） -回火马氏体（M）,3.碳化物的转变（300400）,4.渗碳体的聚集长大和相的再结晶（400以上）,饱和针状的固溶体+细小颗粒状的渗碳体 -回火托（屈）氏体（T）,多边形F+粗粒状的渗碳体 -回火索氏体（S）,（一）钢在回火时的组织转变,（二）钢的回火工艺及应用,（三）回火脆性,第一类回火脆性 （250400 ） 不可逆,第二类回火脆性 （450650 ）主要存在含Cr、Ni和Mn等钢中 可避免（快冷或加Mo）,第三节 钢铁的表面处理,表面淬火 表面化学热处理 表面强化处理 表面防护处理,一、表面淬火,将表层快速加热至A化温度，立即快速冷却，使表层获得硬而耐磨的M，内部不变。感应加热（高、中、低频）：45、40Cr、T10火焰加热（氧乙炔、氧煤气）：单件小批激光加热：复杂件,二、表面化学热处理,将工件置于特定介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表面化学成分和组织，获得特殊性能。渗C、N、CN、B、S、金属等表面精度高的耐磨件,