金属材料及热处理-第六章-钢的热处理课件

1、2021/3/261第六章钢的热处理第一节钢的热处理原理第二节钢常用的热处理工艺2021/3/262第一节钢的热处理原理图6-1热处理的基本工艺曲线一、钢在加热时的组织转变1.奥氏体的形成2021/3/263第一节钢的热处理原理图6-2共析钢的奥氏体形成过程示意图a)A形核b)A长大c)剩余FC溶解d)A均匀化(1)第一阶段为奥氏体形核钢在加热到A1时,奥氏体晶核优先在铁素体与渗碳体的相界面上形成。(2)第二阶段为奥氏体晶核长大奥氏体形核后的长大,是新相奥氏体的相界面向着铁素体和渗碳体这两个方向同时推移的过程。2021/3/264第一节钢的热处理原理(3)第三阶段为剩余渗碳体的溶解由于渗碳体的

2、晶体结构和含碳量与奥氏体差别很大,所以,渗碳体向奥氏体的溶解速度必然落后于铁素体向奥氏体转变的速度。(4)第四阶段为奥氏体成分均匀化奥氏体转变刚结束时,其成分是不均匀的。图6-3加热和冷却时Fe-FC相图上临界点的位置2021/3/265第一节钢的热处理原理2.奥氏体晶粒的长大及控制(1)奥氏体晶粒的长大当珠光体向奥氏体转变完成时,由于奥氏体是在片状珠光体的两相(铁素体和渗碳体)界面上形核,晶核数量多,可获得细小的奥氏体晶粒,称为奥氏体的起始晶粒度。图6-4奥氏体转变量与温度、时间的关系2021/3/266第一节钢的热处理原理(2)奥氏体晶粒度(晶粒大小的尺度)奥氏体晶粒度是表示奥氏体晶粒大小

3、的尺度。图6-510级奥氏体晶粒度标准图(数字为晶粒度等级)2021/3/267第一节钢的热处理原理(3)奥氏体晶粒度对钢在室温下的组织和性能的影响奥氏体晶粒细小时,冷却后转变产物的组织也细小,其强度与塑、韧性都较高,冷脆转变温度也较低;反之,粗大的奥氏体晶粒冷却转变后仍获得粗晶粒组织,使钢的力学性能(特别是冲击韧度)降低,甚至在淬火时产生变形、开裂。(4)奥氏体晶粒的长大及控制2021/3/268第一节钢的热处理原理图6-6奥氏体晶粒度随加热温度变化趋势示意图1)加热温度和保温时间。2021/3/269第一节钢的热处理原理2)加热速度。二、钢在冷却时的组织转变1.过冷奥氏体等温转变图(1)奥

4、氏体等温转变图的建立选用共析钢制成很多薄片试样。图6-7共析钢的奥氏体等温转变图2021/3/2610第一节钢的热处理原理(2)奥氏体等温转变产物与性氏体转变产物的组织和性能,取决于转变温度。1)珠光体转变区域。图6-8索氏体a)光学显微 500b)电子显微15002021/3/2611第一节钢的热处理原理图6-9托氏体a)光学显微1000b)电子显微150002)贝氏体转变区域(550240)。2021/3/2612第一节钢的热处理原理图6-10上贝氏体a) 光学显微500b) 电子显微100002021/3/2613第一节钢的热处理原理图6-11下贝氏体a) 光学显微500b) 电子显微1

5、00003)马氏体转变区域。2021/3/2614第一节钢的热处理原理 针状马氏体:如图6-14所示,主要出现在高碳钢中,所以又叫高碳马氏体。最先在奥氏体晶粒内形成的马氏体晶粒比较大,其长度可以贯穿奥氏体晶粒。针状马氏体晶体是一批一批形成的,彼此之间成一定角度。针状马氏体组织硬度高、脆性大。由于马氏体形成的速度极快,马氏体晶体彼此相遇,造成很大的撞击,因而在马氏体晶体内部或晶界地方容易出现显微裂纹,这就又增加了针状马氏体的脆性,同时也增加了淬火开裂的倾向。通过高倍透射电镜分析证明,马氏体针内充满大量细小的孪晶带亚结构。因此,针状马氏体又称为孪晶马氏体。2021/3/2615第一节钢的热处理原理

6、图6-12马氏体的晶格模型2021/3/2616第一节钢的热处理原理图6-13马氏体的含碳量与硬度之间的关系2021/3/2617第一节钢的热处理原理图6-14针状马氏体400(=1.3%钢) 板条马氏体:如图6-15所示,主要出现在低碳钢中,又称为低碳马氏体。它是由许多呈板条状的马氏体群所构成的。2021/3/2618第一节钢的热处理原理在一个马氏体群里,又有许多长而窄的大致相互平行的马氏体晶体(板条)。在一个奥氏体晶粒内,通常可以形成几个马氏体群,先形成的马氏体群的领域大,后形成的则小。图6-15板条马氏体a)光学显微400b)电子显微8002021/3/2619第一节钢的热处理原理表6-

7、1板条马氏体和针状马氏体的性能比较2021/3/2620第一节钢的热处理原理图6-16含碳量对点和马氏体形态的影响(3)碳对C曲线的影响在正常加热条件下,wC0.77时,随着含碳量增加,C曲线左移。图6-17碳钢的C曲线比较a) 亚共析碳钢b)共析碳钢c)过共析碳钢2021/3/2622第一节钢的热处理原理2.过冷奥氏体在连续冷却条件下的转变图6-18共析钢的连续冷却速度对其组织性能的影响2021/3/2623第一节钢的热处理原理图6-19共析钢的连续冷却转变图(虚线是C曲线)1) 连续冷却时曲线靠右一些,这是因为鼻尖以上温度越低,2021/3/2624第一节钢的热处理原理孕育期越短。2)连续

8、冷却转变组织不均匀,先转变的组织较粗,后转变的组织较细。3)连续冷却转变的曲线只有C曲线的上半部分,没有下半部分。2021/3/2625第二节钢常用的热处理工艺一、钢的退火和正火1.退火(1)完全退火和不完全退火完全退火又称重结晶退火,是将钢件加热到Ac3+(3050),保温后在炉内缓慢冷却的工艺方法。图6-20高速钢的等温退火与完全退火的比较2021/3/2626第二节钢常用的热处理工艺(2)等温退火将钢件加热到Ac3+(3050)(亚共析钢)或Ac1+(2040)(共析钢和过共析钢),保温一定时间后冷却到稍低于Ar1某一温度进行等温转变,以获得珠光体组织,然后在空气中冷却的工艺方法,称为等

9、温退火,如图6-20中实线所示。(3)球化退火球化退火是将过共析钢件加热到Ac1+(1020)。图6-21球状和片状渗碳体切削的比较a)球状渗碳体b)片状渗碳体2021/3/2627第二节钢常用的热处理工艺(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。(5)均匀化退火均匀化退火又称为扩散退火,主要用于合金钢铸锭和铸件,以消除枝晶偏析,使成分均匀化。2.钢的正火表6-245钢退火以及正火后的力学性能(1)改善低碳钢和低碳合金钢的可加工性一般认为硬度在160230HBW范围内,金属的可加工性好。(2)作为普通结构零件或大型及形状复杂零件的最终

10、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,而大型或复杂零件淬火时可能有开裂危险。2021/3/2628第二节钢常用的热处理工艺(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,故不仅有良好的可加工性,而且还能减少零件的变形与开裂,提高淬火质量。(4)消除过共析钢中的网状二次渗碳体正火时,由于冷却速度较快,二次渗碳体来不及沿奥氏体晶界析出。2021/3/2629第二节钢常用的热处理工艺图6-22各种退火与正火的工艺示意图a)加热温度范围b)工艺曲线3.退火与正火的加热速度与加热时间2021/3/26

11、30第二节钢常用的热处理工艺4.退火与正火零件的硬度误差范围表6-3退火、正火零件的硬度误差二、钢的淬火和回火1.淬火(1)淬火温度的选择根据钢的相变临界点选择淬火加热温度,其一般原则是:亚共析钢为Ac3+(3050),共析钢和过共析钢为Ac1+(3050)。2021/3/2631第二节钢常用的热处理工艺(2)保温时间保温的目的是使钢件热透,使奥氏体转变彻底并均匀化。(3)淬火冷却介质钢在加热获得奥氏体后需要用一定冷却速度的介质冷却,保证奥氏体过冷到Ms点以下转变为马氏体。图6-23碳钢淬火热处理工艺的加热温度范围2021/3/2632第二节钢常用的热处理工艺图6-24理想淬火冷却曲线(4)常

12、用淬火方法1)普通淬火(单液法)。2021/3/2633第二节钢常用的热处理工艺2)双介质淬火。3)分级淬火(热浴淬火)。图6-25常用淬火方法示意图a)普通淬火b)双介质淬火c)分级淬火d)等温淬火4)等温淬火。2021/3/2634第二节钢常用的热处理工艺图6-26卡规的局部淬火法5)局部淬火法。(5)钢的淬透性2021/3/2635第二节钢常用的热处理工艺1)钢的淬透性和淬硬性。图6-27零件淬硬层与冷却速度的关系2021/3/2636第二节钢常用的热处理工艺2)淬透性的评定 按材料C(或CCT)曲线位置评定。钢材的C曲线的形状和位置,不仅对过冷奥氏体的转变速度和转变产物具有很大的意义,

13、而且在考虑钢的淬透性时也有指导作用。C曲线的位置右移,则钢的淬透性就变大。 借助临界淬透直径评定。临界淬透直径用符号D0表示,是一种直观判断淬透性的方法。它是指钢在某种淬火介质中冷却时,其心部能淬透的最大直径。显然,在冷却能力大的介质中比冷却能力小的介质中淬透的直径要大;同一冷却介质中钢的临界淬透直径越大,其淬透性越好。表6-4列出了几种常用钢在水和油中淬火时的临界淬透直径。2021/3/2637第二节钢常用的热处理工艺表6-4常用钢的临界淬透直径 用末端淬火法评定。结构钢末端淬火法是最常用的方法,如图6-28a所示。将试样加热到规定的淬火温度后,从试样末端喷水冷却。由于试样末端冷却最快,往上

14、冷却速度逐渐减小,因此沿着试样长度方向能测出各种冷却速度的不同组织与硬度。2021/3/2638第二节钢常用的热处理工艺若从喷水冷却末端起,每隔一定距离测一硬度点,就可以绘成如图6-28b所示的该钢种的淬透性曲线。由图可知,45钢比40Cr钢硬度下降得快,故40Cr钢比45钢的淬透性好。同时,也可求出半马氏体区的距离。由图6-28c(半马氏体区硬度与含碳量的关系),配合图6-28b可以找出这两种钢50%马氏体区至端面的距离。此距离越大,钢的淬透性越大。从图中可以看出,45钢的50%马氏体至端面的距离大约为3mm,而40Cr钢则为10.5mm。2021/3/2639第二节钢常用的热处理工艺图6-

15、28末端淬火法评定示意图2021/3/2640第二节钢常用的热处理工艺图6-2940Cr钢的淬透带3) 淬透性对钢力学性能的影响。4)影响钢淬透性的因素。2021/3/2641第二节钢常用的热处理工艺 化学成分的影响。化学成分对钢的淬透性影响最大。含碳量对碳素钢临界冷却速度的影响如图6-31所示。由图可知,在亚共析成分范围内,随着含碳量的增加,钢的临界冷却速度降低;在过共析范围内,随着含碳量增加,临界冷却速度反而增大。因此,一般说来,在亚共析钢中,淬透性随着含碳量增加而增大;而在过共析钢中,含碳量wC1.2时,淬透性随含碳量增加而明显下降。2021/3/2642第二节钢常用的热处理工艺图6-3

16、0淬透性对零件淬火+回火后力学性能的影响2021/3/2643第二节钢常用的热处理工艺图6-31含碳量对碳素钢临界冷却速度的影响 奥氏体化条件的影响。2021/3/2644第二节钢常用的热处理工艺奥氏体化温度越高,保温时间越长,由于奥氏体晶粒粗大,成分均匀,各种碳化物溶解彻底,使过冷奥氏体越稳定,淬火临界冷却速度小,故钢的淬透性增大。但需指出,粗晶粒并不适宜,因为它引起强度和塑性下降,开裂倾向增大。5)影响具体零件有效淬透深度的因素 钢的淬透性越大,零件的有效淬透深度也越大。 淬火介质的冷却能力越大,零件的有效淬透深度越大。 零件的体积越大,则有效淬透深度越小。这种现象称为质量效应。2021/

17、3/2645第二节钢常用的热处理工艺 零件不同部位对冷却速度有很大的影响。如图6-32所示,设平面的冷却速度为1,则尖角处的冷却速度是它的7倍,棱边是它的3倍,面凹角处的冷却速度只有它的1/3。零件的体积越小,表面积越大,则冷却越快,有效淬透深度越大。 零件表面若粘附有塑料、锈斑及污物,会影响覆盖处的冷却速度,使该处淬硬层浅,甚至淬不硬,形成软点。2021/3/2646第二节钢常用的热处理工艺图6-32零件不同部位的冷速比较(6)淬火缺陷及其防止措施在机械制造中,淬火工序通常都是安排在零件的工艺路线的后期。2021/3/2647第二节钢常用的热处理工艺1)变形与开裂。图6-33不同应力作用下零

18、件变形示意图a)热应力b)组织应力c)热应力+组织应力2)氧化和脱碳。3)过热和过烧。4)硬度不足和软点。2021/3/2648第二节钢常用的热处理工艺 淬火冷却速度不够。 淬火加热温度过低或保温时间过短。 表面脱碳。 淬火前原始组织不均匀。 操作不当。2.回火(1)回火的目的1)降低脆性、消除或降低内应力。2)获得所要求的力学性能。3)稳定尺寸。4)改善可加工性。2021/3/2649第二节钢常用的热处理工艺(2)淬火钢在回火时发生的转变钢淬火后的组织是不稳定的,存在着向稳定组织转变的自发倾向。图6-34共格关系示意图2021/3/2650第二节钢常用的热处理工艺图6-35淬火马氏体与回火马

19、氏体a)淬火马氏体 b)回火马氏体(3)回火组织与性能回火马氏体等组织与淬火直接获得的马氏体2021/3/2651第二节钢常用的热处理工艺等组织,是两种不同的组织形态,不是相同的组织。图6-36淬火后回火温度对钢力学性能的影响a)=0.82%钢b)=0.2%钢2021/3/2652第二节钢常用的热处理工艺(4)回火种类及应用根据钢件性能要求不同,按其回火温度范围,可以分为以下三类。1)低温回火(150250)回火后得到回火马氏体组织,还有残留奥氏体和下贝氏体。2)中温回火(350500)回火后得到回火托氏体组织。3)高温回火(500650)回火后得到回火索氏体组织。2021/3/2653第二节

20、钢常用的热处理工艺表6-545钢调质和正火后力学性能的比较 回火后的组织是零件使用时的组织,决定了零件的使用性能。 通过回火可以调整强度,使其与韧性良好配合,而且可消除应力,防止开裂。3.淬回火件的分类和表面硬度的误差范围(1)特殊重要件系指对性能有很高要求的零件,在淬火和回火后有力学性能和金相组织诸方面的特殊要求。(2)重要件系指对性能有较高要求的零件,在淬火和回火后有力学性能或金相组织方面的要求。(3)一般件系指仅提出硬度要求的零件。2021/3/2654第二节钢常用的热处理工艺表6-6淬回火件的表面硬度的误差范围三、钢的冷处理四、时效处理1.自然时效2.人工时效2021/3/2655第二节钢常用的热处理工艺(1)热时效随温度不同,-Fe中碳的溶解度发生变化,使钢的性能发生改变的过程称为热时效。图6-37时效后碳钢力学性能的变化2021/3/2656第二节钢常用的热处理工艺(2)形变时效钢在冷变形后进行时效称为形变时效。(3