《金属材料与热处理 教学课件 ppt 作者 彭广威 等 课题4 金属材料的常规热处理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属材料与热处理 教学课件 ppt 作者 彭广威 等 课题4 金属材料的常规热处理（110页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、金属材料与热处理,主编,4.1 钢的热处理原理,4.1.1 钢在加热时的组织转变 4.1.2 钢在冷却时的转变,4.1 钢的热处理原理,图4-1 钢的热处理工艺曲线,4.1.1 钢在加热时的组织转变,1.钢的奥氏体化 2.奥氏体晶粒的长大,4.1.1 钢在加热时的组织转变,图4-2 钢在实际加热和冷却时的临界温度,1.钢的奥氏体化,图4-3 共析钢中奥氏体形成过程示意图,(1)奥氏体晶核的形成及长大 在铁素体和渗碳体相界面上优先形,1.钢的奥氏体化,成奥氏体晶核，这是因为铁素体和渗碳体交界处易于满足形核所需要的能量起伏和浓度起伏。 (2) 残余渗碳体的溶解 铁素体先行消失后，还残留着未溶的渗碳
2、体。 (3) 奥氏体均匀化 渗碳体全部溶解后，奥氏体中的碳浓度还是不均匀的，在原先是渗碳体的地方，碳的浓度较高；原先是铁素体的地方，碳的浓度低。,2.奥氏体晶粒的长大,图4-4 标准晶粒号示意图,4.1.2 钢在冷却时的转变,1.过冷奥氏体的等温冷却转变 2.过冷奥氏体的连续冷却转变,4.1.2 钢在冷却时的转变,表4-1 45钢加热到840不同方法冷却后的力学性能,4.1.2 钢在冷却时的转变,图4-5 两种冷却方式示意图,1.过冷奥氏体的等温冷却转变,(1)等温转变图(C曲线)的建立与分析 用一批小薄片(10mm1.5mm)共析钢试样，奥氏体化后，逐个投入低于A1不同温度(650、600、
3、500、350、230)的熔盐槽中，发生等温转变，测出过冷奥氏体等温转变的开始时间、终止时间、最终组织和性能，然后将测定结果描绘在温度时间为坐标的图面上，并把转变开始点和转变终止点分别连接起来，就得到奥氏体等温转变图，如图4-6所示。,图4-6 共析碳钢的奥氏体等温转变图 转变开始 转变终了,1.过冷奥氏体的等温冷却转变,(2)过冷奥氏体等温转变产物的组织及性能,图4-7 珠光体型组织,1.过冷奥氏体的等温冷却转变,图4-8 贝氏体的显微组织(500倍),1.过冷奥氏体的等温冷却转变,表4-2 共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和力学性能,1.过冷奥氏体的等温冷却转变,图4-9 马氏体晶格示意
4、图,1.过冷奥氏体的等温冷却转变,图4-10 马氏体的显微组织,1.过冷奥氏体的等温冷却转变,图4-11 碳的质量分数与淬火钢硬度的关系,1.过冷奥氏体的等温冷却转变,(3)含碳量对等温转变图的影响 在正常加热条件下，当碳的质量分数小于0.77%时，随着碳的质量分数的增加，等温转变图右移；当碳的质量分数大于0.77%时，随着含碳量的增加，等温转变图左移。,图4-12 碳钢的等温转变图比较,2.过冷奥氏体的连续冷却转变,图4-13 冷却曲线与等温转变图的叠加,2.过冷奥氏体的连续冷却转变,图4-14 共析钢的连续转变图 (虚线是等温转变图),2.过冷奥氏体的连续冷却转变,(1)连续冷却转变图靠右
5、一些，这是因为“鼻尖”以上温度越低，孕育期越短。 (2)连续冷却转变图获得的组织不均匀，先转变的组织较粗，后转变的组织较细。 (3)连续冷却转变转变图只有等温转变图的上半部分，而没有下半部分。,图4-15 大型锻件的逆硬化现象,4.2 钢的热处理工艺,4.2.1 退火 4.2.2 正火 4.2.3 钢的淬火 4.2.4 钢的回火,4.2.1 退火,1.完全退火和不完全退火 2.等温退火 3.球化退火 4.去应力退火,1.完全退火和不完全退火,完全退火是将钢加热到完全奥氏体化（Ac3以上3050），随之缓慢冷却的工艺方法。实际操作时，是随炉缓慢冷却至500600以下后放在空气中冷却，也可埋在砂、
6、石灰中冷却。缓慢的冷却速度是保证奥氏体在珠光体转变区的上部完成转变，因此完全退火的组织是铁碳合金相图的平衡组织（铁素体+珠光体）。 完全退火主要用于各种亚共析成分的碳钢和合金钢的铸锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构，常用作一些不重要零件的最终热处理，或作某些重要零件的预备热处理，目的在于细化组织、降低硬度、改善切削加工性、消除内应力。 不完全退火是加热到临界点Ac1以上3050，保温后缓慢冷却的方法。应用于晶粒并未粗化的中、高碳钢和低合金钢锻轧件等，主要目的是降低硬度、改善切削加工性、消除内应力。它的优点是加热温度低，消耗热能少，降低了工艺成本。,2.等温退火,图4-16 高速钢的等温退火与普
7、通退火的比较,3.球化退火,球化退火是将过共析钢加热到Ac1以上2030,保温一定时间，以不大于50/h的冷却速度随炉冷却下来，使钢中碳化物呈球状的工艺方法。它应用于共析钢及过共析钢的锻轧件，以及结构钢的冷挤压件等，如生产中常用于制造刃具、量具、模具等用的过共析钢及合金工具钢。其目的在于降低硬度、改善切削加工性、改善组织、提高塑性等。 过共析钢经热轧、锻造后，珠光体呈片状，而且还有二次渗碳体，不仅钢的硬度增加，切削性变坏，而且淬火时易产生变形和开裂。如果把片状渗碳体变成球状，其切削性能将大大改善。 近年来，球化退火应用于亚共析钢已获得成效，使其获得最佳的塑性和较低的硬度，从而大大有利于冷挤、冷
8、拉、冷冲成形加工。,4.去应力退火,去应力退火是将钢件加热到Ac1以下100200，保温一定时间后缓慢冷却的工艺方法。其目的是为了去除由于形变加工、机械加工、铸造、锻造、热处理、焊接等所产生的残余应力。 该方法通常是将钢件缓慢加热到600650，保温一定时间（一般按3min/mm计算），然后随炉缓慢冷却（100/h）至20出炉。去应力退火时组织不发生变化，残余应力的消除，主要是在500650保温后的缓慢冷却过程中通过塑性变形或蠕变变形产生的应力松弛来实现的。 若采用更高温度的退火（如完全退火），当然应力消除得更彻底，但不仅带来氧化、脱碳严重，还会产生高温变形，故为了消除应力，一般是采用低温退火
9、。 对一般大型焊接结构件无法装炉退火时，可用火焰及感应加热方法，对焊缝影响区进行局部加热去应力退火。,4.2.2 正火,(1)改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性 一般认为，硬度在160230HBW范围内，金属切削加工性好。 (2)作为普通结构零件或大型及复杂零件的最终热处理 因为正火可细化晶粒，力学性能较高，也能满足普通结构零件的性能要求，而大型复杂零件淬火时可能有开裂危险。 (3)作为中碳和低合金结构钢重要零件的预备热处理 这种钢正火后硬度在160230HBW范围内，消除了热加工时带来的缺陷，故不仅有良好的切削加工性，而且还能减少零件的变形与开裂，提高淬火质量。 (4)消除过共析钢中网状二次
10、渗碳体 正火时，由于冷却速度较快，二次渗碳体来不及沿奥氏体晶界呈网状析出。,4.2.2 正火,图4-17 退火与正火的加热温度范围图,4.2.2 正火,图4-18 退火与正火工艺曲线示意图,4.2.3 钢的淬火,1.淬火的加热及保温 2.淬火介质 3.淬火方法 4.钢的淬透性和淬硬性,1.淬火的加热及保温,(1)加热温度的确定 碳钢的淬火温度可用铁碳合金相图来确定，如图4-19所示。,图4-19 碳钢淬火温度范围,1.淬火的加热及保温,(2)加热时间的确定 淬火加热时间的确定，既要保证工件的表层、心部达到规定加热温度，获得均匀的奥氏体化组织，又要保证晶粒不致粗大，还要考虑时间，经济及生产率。,
11、表4-3 常用钢的加热系数a(单位：min/mm),2.淬火介质,图4-20 钢的理想淬火冷却曲线,2.淬火介质,表4-4 常用淬火介质的冷却能力,3.淬火方法,(1)单液淬火法 这种方法是将加热奥氏体化后的工件淬入水、油或水溶液中，冷却至马氏体转变区，然后取出空冷的方法。 (2)双介质淬火法 这种方法是将加热到奥氏体化后的工件，先淬入高温区的第一种介质(水或盐)以抑制奥氏体转变，当冷却到300400时，将工件迅速转入缓冷的第二种介质(如油)中。,图4-21 常用淬火方法的冷却曲线 1单液淬火法 2双介质淬火法 3表面 4心部 5表面 6心部,3.淬火方法,(3)马氏体分级淬火法 这种方法是将
12、加热到奥氏体化后的工件淬入到马氏体转变温度附近的硝盐浴中，停留一定时间，使工件在奥氏体未分解前表面和中心温度趋于一致，然后取出，以较低的冷却速度在空气或油中冷却，进行马氏体转变。 (4)贝氏体等温淬火法 这种方法是将加热到奥氏体化后的工件淬入温度稍高于Ms的盐浴中以获得下贝氏体的热处理方法。,4.钢的淬透性和淬硬性,(1) 淬透性、淬硬层深度和淬硬性 实际淬火工件时，其表面与淬火介质直接接触，冷却速度快；而内部靠工件本身向外传导热进行冷却，其冷却速度没有表面快。,图4-22 工件淬硬层与冷却速度的关系,4.钢的淬透性和淬硬性,(2)影响淬透性的因素 钢的淬透性主要取决于其临界冷却速度的大小，而
13、临界冷却速度则取决于过冷奥氏体的稳定性。 (3)淬透性的实际应用,图4-23 淬透性不同的钢调质后的力学性能,4.2.4 钢的回火,1.钢在回火时的组织转变 2.回火方法及说明,1.钢在回火时的组织转变,不稳定钢的马氏体及残留奥氏体有自发向稳定组织转变的倾向。回火时加热有利于这种转变，随着回火温度升高，钢的组织也相应发生以下四种转变：马氏体分解、残留奥氏体转变、碳化物转变、渗碳体的聚集长大。一般将回火过程分为四个阶段。,2.回火方法及说明,(1)低温回火 温度范围为150250，组织为回火马氏体。,图4-24 回火碳钢硬度与回火温度的关系,2.回火方法及说明,图4-25 40钢回火后的力学性能
14、与回火温度的关系,2.回火方法及说明,(2)中温回火 温度范围为250500，组织为回火托氏体，硬度可达3556HRC。 (3)高温回火 温度范围为500650，组织为回火索氏体，硬度可达2335HRC。,3.回火脆性,图4-26 钢的韧性与回火温度的关系,4.3 合金元素对钢的影响,(1)由碳钢制成的零件尺寸不能太大 尺寸过大会因淬透性不够而不能满足对强度与塑性、韧性的要求，加入合金元素可增大淬透性。 (2)用碳钢制成的切削刀具不能满足切削热硬性的要求 切削工具多选用合金工具钢、高速钢和硬质合金。 (3)碳钢不能满足特殊性能的要求 如要求耐热、耐低温、抗腐蚀、有强烈磁性或无磁性等等，只有特种
15、的合金钢才能具有这些性能。 1.合金元素对热处理的影响 2.合金元素对回火转变的影响 3.合金元素对氧化与腐蚀的影响 4.几种常用合金元素在钢中的作用,1.合金元素对热处理的影响,(1)合金元素对奥氏体化的影响 奥氏体晶粒在铁素体与碳化物边界处生核并长大，其后将经历剩余碳化物的溶解，奥氏体成分的均匀化，在高温停留时奥氏体晶粒的长大粗化等过程。 (2)各合金元素对奥氏体晶粒粗化过程的影响，一般可归纳如下。 (3)合金元素对奥氏体分解转变的影响 多数合金元素使奥氏体分解转变的速度减慢，即等温转变图曲线向右移，也就是提高了钢的淬透性，如图4-27所示。,(1)合金元素对奥氏体化的影响 奥氏体晶粒在铁
16、素体与碳化物边界处生核并长大，其后将经历剩余碳化物的溶解，奥氏体成分的均匀化，在高温停留时奥氏体晶粒的长大粗化等过程。,1)含有碳化物形成元素的合金钢，其组织中的碳化物，是比渗碳体更稳定的合金渗碳体或特殊碳化物，因此，在奥氏体化加热时碳化物较难溶解，即需要较高的温度和较长的时间。 2)合金元素在奥氏体中的均匀化，也需要较长时间，因为合金元素的扩散速度，均远低于碳的扩散速度。 3)某些合金元素强烈地阻碍着奥氏体晶粒的粗化过程，这主要与合金碳化物很难溶解有关，未溶解的碳化物阻碍了奥氏体晶界的迁移，因此，含有较强的碳化物形成元素(如钼、钨，钒，铌、钛等)的钢，在奥氏体化加热时，易于获得细晶粒的组织。,(2)各合金元素对奥氏体晶粒粗化过程的影响，一般可归纳如下。,1)强烈阻止晶粒粗化的元素：钛、铌、钒、铝等，其中以钛的作用最强。 2)钨、钼、铬等中强碳化物形成元素，也显著地阻碍奥氏体晶粒粗化过程。 3)一般认为硅和镍也能阻碍奥氏体晶粒的粗化，但作用不明显
