《机械工程材料及成形工艺基础 教学课件 ppt 作者 张至丰 第五章钢的热处理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械工程材料及成形工艺基础 教学课件 ppt 作者 张至丰 第五章钢的热处理（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第五章 钢的热处理,概 述 第一节 钢在加热时的组织转变 第二节 钢在冷却时的组织转变 第三节 钢的退火与正火 第四节 钢的淬火 第五节 钢的回火 第六节 钢的表面淬火 第七节 钢的化学热处理 第八节 表面气相沉积,概 述,热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的一种热加工工艺。,奥氏体为碳溶解在-Fe中的间隙固溶体（如图）碳原子位于-Fe八面体中, 即面心立方点阵晶胞的中心或棱边的中心。,第一节 钢在加热时的组织转变,奥氏体的结构,一、奥氏体的形成,1、钢在加热和冷却时的转变温度 实际加热冷却转变温度往往要偏离平衡的临界温度,2、奥氏
2、体的形成过程,以共析钢中珠光体向奥氏体的转变为例 包括形核和长大的过程,二、奥氏体晶粒长大及其控制,1、奥氏体的晶粒度 可用晶粒直径、单位面积中的晶粒数等方法来表示晶粒大小。 （1）起始晶粒度 加热转变终了时所得A晶粒度 （2）实际晶粒度 冷却开始时A晶粒度 （3）本质晶粒度 采用标准试验方法，93010保温足够时间（38小时）所测得钢的晶粒大小近年已用较少 (本质粗晶粒、本质细晶粒）,钢中晶粒度标准图谱,加热温度与奥氏体晶粒大小关系示意图,（1）加热温度和保温时间： T加热 奥氏体晶粒；保温奥氏体晶粒 （2）钢的成分 奥氏体中的碳含量晶粒长大的倾向。若碳以未溶碳化物的形式存在，则它有阻碍晶粒
3、长大的作用。 钢中加入能形成稳定碳化物的元素（如：钛、钒、铌、锆等）和能生成氧化物和氮化物的元素（如：适量铝等），有利于得到本质细晶粒钢。磷和锰是促进晶粒长大的元素。,2、影响奥氏体晶粒度的因素,第二节 钢在冷却时的组织转变,冷却的方式,共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线,一、过冷奥氏体的等温转变 1、等温转变曲线（C曲线）,共析钢的过冷奥氏体等温转变过程示意图,对亚共析钢和过共析钢的A等温转变，在C曲线的右上方会有先共析相析出线。其中AF为先共析F析出线；AC为先共析碳化物析出线。,亚过共析钢的过冷奥氏体等温转变动力学图,（1）含碳量(奥氏体的含碳量) 含碳量增加，奥氏体的稳定性增大，C曲线右移
4、 （2）合金元素 除Co外，绝大多数合金元素溶入奥氏体后，都使C曲线右 移，形状也可能会发生改变。 （3）加热温度和保温时间 随温度的提高和保温时间的延长，碳化物溶解充分，奥氏体成分均匀，晶粒粗大（总形核部位减少），这些都增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。,2、影响C曲线的因素,3、共析钢的过冷奥氏体等温转变 （1）高温转变区：在临界点A1以下，珠光体型组织转变区，AP； （2）中温转变区：在A1以下、MS以上，发生贝氏体转变的区域，AB。 （3）低温转变区：在MS以下，发生马氏体转变的区域，AM；（见连续转变） 在转变终了线右边，对AP而言，A全部转变为P；在转变终了线左边，对AB而言，
5、A不能全部转变为B，会保留有未转变的AR；在转变开始线和终了线之间为二相组织。 由于形状的缘故，上述C形曲线也称为C曲线，或TTT曲线(Time Temperature Transformation 的缩写)。,继续,高温转变：A1550 一是铁、碳原子扩散 二是晶格重组 扩散型转变,金相组织,返回,珠光体的形成示意图,下贝氏体形成过程示意图,中温转变：550 Ms点 转变特点：半扩散型，铁原子不扩散，碳原子有一定的扩散能力 转变产物：贝氏体，即Fe3C分布在含过饱和碳的铁素体上的两相混合物,返回,金相组织,返回,片状珠光体的显微组织,上贝氏体形貌,下贝氏体形貌,返回,二、过冷奥氏体的连续冷却
6、转变 1、连续冷却转变曲线（CCT曲线）,共析钢的C曲线和CCT曲线比较及组织,亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变,继续,过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变,三、马氏体转变 1、马氏体的形态与特点,板条马氏体形貌,片状马氏体形貌,马氏体形态与碳质量分数的关系,2、马氏体转变的特点,片状马氏体形成过程示意图,（1）非扩散型转变 ； （2）马氏体的形成速度很快，瞬间形核并长大； （3）马氏体转变是不彻底的，总会有残留A残存在。 （3）马氏体转变是不彻底的。,显微镜下的马氏体转变,返回,第三节 钢的退火与正火,一、退火 将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（随炉冷），以获得接
7、近平衡状态组织的热处理工艺叫作退火。 二、正火 钢材或钢件加热到Ac3（亚共析钢）和Accm（过共析钢）以上3050，保温适当时间后，在自由流动的空气中均匀冷却的热处理工艺称为正火。 *退火和正火的目的 降低或提高硬度，便于进行切削加工 消除残余应力 细化晶粒，改善组织以提高钢的力学性能 为最终热处理作好组织准备,各种退火和正火的工艺规范示意图,T10钢球化退火后的组织,碳钢退火和正火后的硬度范围,1、从切削加工性考虑 钢的硬度在170260HBW范围内时，切削加工性能较好，碳的质量分数小于0.5的结构钢选用正火为宜；碳质量分数大于0.5的结构钢选用完全退火为宜；而高碳工具钢则应选用球化退火作
8、为预备热处理。 2、从零件的结构形状考虑 对于形状复杂的零件或尺寸较大的大型钢件，以采用退火为宜。 3、从经济性考虑 因正火比退火的生产周期短，成本低，操作简单，故在可能条件下应尽量采用正火，以降低生产成本。,三、退火和正火的选择,第四节 钢的淬火,将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得M组织的热处理工艺称为淬火。 淬火是钢的最重要的强化方法。 一、钢的淬火工艺 1、淬火加热温度 在一般情况下，亚共析钢的淬火温度为Ac3以上3050；共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上3050。,淬火加热温度的选择示意图,2、淬火冷却介质,理想淬火冷却,几种淬火介质的冷却能力,各种淬火
9、方法示意图,二、淬火方法,1、钢的淬透性的概念 淬透性：钢在淬火时能够获得M体的能力，它是钢材本身固有的属性，取决于M体的临界冷却速度 通常用淬透层深度来表示（在相同的加热条件下） 淬透层深度：从工件表面到半M体层的深度,三、钢的淬透性与淬硬性,淬透性的实用意义,2、淬透性的测定与表示方法 测定钢的淬透性最常用的方法是末端淬火法。,（1）含碳量 亚共析钢，含碳量增加，奥氏体稳定性增大，曲线右移，淬透性提高 过共析钢，随着含碳量增加，奥氏体的稳定性降低，曲线左移，淬透性降低(未溶渗碳体促进奥氏体分解) （2）合金元素 除Co外，绝大多数合金元素溶入奥氏体后，都使曲线右移，形状也可能会发生改变，使
10、淬透性提高 （3）加热温度和保温时间 随加热温度的提高和保温时间的延长，碳化物溶解充分，奥氏体成分均匀，晶粒粗大（总形核部位减少），这些都增加过冷奥氏体的稳定性，使曲线右移，提高了钢的淬透性 （4）钢中未溶第二相 未溶第二相越多，作为结晶核心使A体不稳定，C曲线左移，淬透性下降,3、影响淬透性的因素,4、钢的淬硬性 淬硬性：钢在淬火后能够达到的最高硬度，它取决于M体的含碳量。 淬透性好的钢其淬硬性不一定高。 如低碳合金钢淬透性很好，但其淬硬性却不高；而碳素工具钢的淬透性很差，但其淬硬性却很高。,第五节 钢的回火,淬火后得到的是亚稳组织马氏体与残余奥氏体。将淬火零件重新加热到低于临界点某一温度保
11、温，亚稳组织将发生转变，这一处理称为回火。回火时的转变称为回火转变。 一、回火目的 1、淬火后得到的M组织性能很脆，并存在有内应力，容易产生变形和开裂； 2、淬火M和A残都是不稳定组织，在工作中会分解，导致零件尺寸的变化，这对精密零件是不允许的； 3、为了获得要求的强度、硬度、塑性和韧性，以满足零件的使用要求。 二、淬火钢在回火时的组织转变 (1) 马氏体转变，发生于100350； (2) 残余奥氏体转变，发生于200300，属于低温回火，得到回火马氏体(M回),回火后的显微组织 a）回火马氏体 b）回火屈氏体 c）回火索氏体,(3) 碳化物转变，()， 发生于400，属于中温回火，得到回火屈
12、氏体(T回)； (4) 相回复再结晶，碳化物聚集长大，发生于400550，属于高温回火，得到回火索氏体(S回)。 这四个过程的温度不能截然分开,回火后的力学性能,1、低温回火 温度：150250。 组织：回火马氏体M回A残。 目的：保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，降低淬火内应力和脆性 应用：主要用于高碳的切削刀具，量具，冷冲模具，滚动轴承。渗碳体回火后硬度一般为HRC58-64。 2、中温回火 温度：350500。 组织：回火屈氏体（T回）。 目的：是为了获取较高的屈服强度，弹性极限，较高的韧性 用途：主要用于处理各种弹簧和模具，回火后的硬度HRC3550。 3、高温回火 温度：500650 组
13、织：细粒状Fe3C和铁素体基体的混合组织，称为回火索氏体（S回）。 目的：获得强度，硬度和塑性，韧性较好的综合机械性能； 调质处理：淬火后高温回火的热处理称调质处理；多用于重要的结构零件，连杆，螺栓，齿轮及轴类，回火后的硬度一般为HB 200330。,三、回火的种类与应用,淬火钢出现冲击韧性显著下降的现象称为回火脆性。 回火脆性有低温（250350）和高温（500650）回火脆性两种。,低温回火脆性，属不可逆 回火脆性; 高温回火脆性为可逆回 火脆性。,四、回火脆性,45钢（2040）调质和正火后力学性能的比较,第六节 钢的表面淬火,一、感应加热的基本原理 感应线圈中通以交流电时，即在其内部和
14、周围产生一与电流相同频率的交变磁场。若把工件置于磁场中，则在工件内部产生感应电流，并由于电阻的作用而被加热。由于交流电的集肤效应，靠近工件表面的电流密度大，而中心几乎为零。工件表面温度快速升高到相变点以上，而心部温度仍在相变点以下。感应加热后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶液喷射淬火，淬火后进行180200低温回火，以降低淬火应力，并保持高硬度和高耐磨性。透入深度：= f：高、中、低频。,二、感应加热表面淬火用钢及其应用 表面淬火一般用于中碳钢和中碳低合金钢,如45、40Cr、40MnB钢等。用于齿轮、轴类零件的表面硬化，提高耐磨性。,1）加热速度极快，保温时间极短，过热度大，奥氏体晶粒细小，又
15、不易长大，因此淬火后表层可获得细小的隐晶马氏体，硬度比普通淬火高23HRC，且脆性较低； 2）由于马氏体转变产生体积膨胀，使工件表面存在残余压应力，因而具有较高的疲劳强度； 3）由于加热速度快，基本无保温时间，因此，工件一般不产生氧化脱碳，表面质量好。同时由于内部未被加热，淬火变形小； 4）生产效率高，易实现机械化与自动化，淬硬层深度也易于控制。 其缺点是设备较昂贵，维修调整技术要求高，形状复杂的感应器制造比较困难。,三、感应加热淬火的特点,第七节 钢的化学热处理,化学热处理是将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入其表层，以改变化学成分、组织和性能的热处理工艺。 分类：按照表
16、面渗入的元素不同.化学热处理可分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等。 目前,生产上应用最广的化学热处理工艺是渗碳、氮化和碳氦共渗 过程： （1）介质的分解 加热时介质分解,释放出欲渗入元素的活性原子 如： CH42H2+C 2NH33H2+2N （2）表面吸收 分解出来的活性原子在钢件表面被吸收并溶解,超过溶解度时还能形成化合物。 （3）原子扩散 溶人元素的原子在浓度梯度的作用下由表及里扩散,形成一定厚度的扩散层。,渗碳是为了增加钢件表层的碳含量和一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。 目的：提高工件表面的硬度、耐磨性及疲劳强度，并使其心部保持良好的塑性和韧性 1、渗碳用钢： 低碳钢和合金钢，碳含量一般为0.10.25%。 应用：同时受严重磨损和较大冲击载荷的零件,例如各种齿轮、活塞销、套筒等。 2、渗碳方法： 根据采用的渗碳剂不同，渗碳方法可分为
