工程材料热处理

1、 热处理的定义：主要有三点要注意，一是热处理是在固态范围内进行的，二是有三个过程（加热、保温和冷却），三是热处理是通过改变钢的组织结构来改善其性能的；2、 热处理的实质3、 热处理的目的：不改变材料的形状的尺寸，改善其性能，包括使用性能和工艺性能，可以充分发挥材料的潜力，提高零件的内在质量；4、 热处理的应用：十分广泛；5、 热处理的分类：普通热处理，表面热处理，化学热处理6、 热处理的三要素：加热温度、保温时间、冷却速度；第一节钢在加热时的转变目的是使原始组织转变为奥氏体，所以也称奥氏体化过程。然后以奥氏体为母相进行转变。一、钢的奥氏体化过程2、 要使原始组织变为奥氏体，应将钢加热到A1（727°C）温度以上；具体的，亚共析钢应加热到Ac3线以上；共析钢加热到Ac1线以上；过共析钢如果进行完全奥氏体化应加热到Accm线以上。3、 转变过程：1） 奥氏体的形核和长大；2） 残余渗碳体的溶解；3） 奥氏体成分的均匀化；二、奥氏体晶粒度及其控制1、奥氏体晶粒大小对热处理的影响细小的组织力学性能高（塑性变形和再结晶一章中已学过）；另外，如果奥氏体的晶粒细小，那么由其转变的产物也就细小；否则转变产物就比较粗大，或出现缺陷组织，还容易引起变形和开裂，所以要对奥氏体的晶粒大小进行控制。2、 奥氏体晶粒大小的表示方法1） 用晶粒的直径d表示；2） 用单位面积内的晶粒数目n表示；3、 奥氏体晶粒度的控制1） 正确制订和执行加热规范；2） 选用长大倾向小的钢种，如用Al脱氧的钢，以及含Nb、TI、V等元素的钢；第二节钢在冷却时的转变冷却是热处理的最后一个工序，也是最关键的工序，它决定了钢热处理后的组织和性能。同一种钢，加热温度和保温时间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。这是因为过冷奥氏体在冷却过程中转变成了不同的产物。那么奥氏体在冷却时转变成什么产物？有什么规律呢？这就是本次课的主要内容。碳钢热处理时的冷却速度一般较大，大多都偏离了平衡状态（除退火外），所以热处理后的组织为非平衡组织。碳钢非平衡组织和按铁碳相图结晶得到的平衡组织相比差别很大。所以不能再用铁碳相图加以分析，而应使用C曲线来确定。一、共析钢等温转变C曲线先介绍几个概念。等温冷却和连续冷却；过冷奥氏体：处于A1以下热力学不稳定的奥氏体，而奥氏体在A1以上是稳定的，不会发生转变。所以等温转变C曲线讲的就是过冷奥氏体在等温冷却条件下的转变规律。（一） 、等温C曲线的测定（略）（二） 、等温C曲线的结构坐标轴、线、区的含义；孕育期的问题，引出C曲线的“NOSE”，共析钢过冷奥氏体最不稳定的温度是550C，也就是说其“NOSE”出现在550C。C曲线的“NOSE”对钢的热处理影响很大，应注意。（三） 、转变产物按照不同的冷却条件，过冷奥氏体在不同的温度范围内等温时将转变成不同的产物。1、珠光体类型转变在A1--550°C之间等温时，过冷奥氏体转变成珠光体类型组织（即都是由F和Fe3C组成），而且等温温度越低，组织中F和Fe3C的层片间距越小，组织越细，力学性能越高。这些组织分别称为珠光体、索氏体和屈氏体，用符号P、S、T表示。其中S只有在1000倍的显微镜下才能分辨出其层片状形态；而T则只有在更高倍的电子显微镜下才能分辨出其层片状形态。这个转变是一个扩散型相变，需要完成铁的晶格改组和碳原子的重新分布。2、 贝氏体转变在550C--Ms之间等温时，过冷奥氏体发生贝氏体转变。贝氏体是过饱和F和碳化物组成的机械混合物，用符号B表示。在550C--350C之间等温时，过冷奥氏体转变成上贝氏体（B上），呈黑色羽毛状，其中断续的碳化物分布在F片之间，这种上贝氏体力学性能较差，一般不用。在350C--Ms之间等温时，过冷奥氏体转变成下贝氏体（B下），呈黑色针状或竹叶状，其中颗粒状碳化物分布在F片之上，这种下贝氏体具有较好的力学性能，应用广泛。3、 马氏体转变1） 定义：当等温温度低于Ms线时，过冷奥氏体将转变成马氏体。马氏体是碳在a-Fe中过饱和固溶体，用符号M表示。2） 形态：马氏体按形态不同分为板条状马氏体和片状马氏体两种。板条状马氏体又称为低碳马氏体，在显微镜下呈一束束的板条状；片状马氏体又称为高碳马氏体，在显微镜下呈黑色针状，其立体形状为双凸透镜状。介于二者之间的为混合马氏体，如45钢淬火后的马氏体组织。3） 晶体结构：由于马氏体中固溶了过饱合的碳，所以其晶体结构由体心立方晶格变体心正方晶格，即高度C比宽度a大，C/a称为正方度，马氏体中的含碳量越多，正方度越大，组织转变应力越大，变形或开裂的危险也就越大。另一个要注意的问题是，在钢的相和组织中马氏体的比容最大，而奥氏体的比容最小，所以当奥氏体转变成马氏体时，钢的体积增大。这也是造成应力的主要原因。4） 性能马氏体是钢中最硬的组织，马氏体的硬度主要取决于其中的含碳量，与其它因素关系不大。但当含碳量增大到0.6%时,马氏体的硬度不再继续升高，大约为60-64HRC.马氏体的高硬度主要是由于固溶强化造成，另外还有位错和挛晶影响，奥氏体向马氏体转变造成组织细化也是一个因素。原来认为马氏体是一个脆性相，但近年的研究发现，低碳板条马氏体有较好的塑性和韧性，因此常用低碳钢直接淬火得到以马氏体代替渗碳淬火。高碳马氏体仍然是脆性较大的相。5） 转变特点这里主要注意两个问题。首先，马氏体是在一个温度范围（Ms---Mf）内进行的，需要连续冷却，也就是说它不是一个等温转变。其次，马氏体转变具有不完全性，最后总有一部分奥氏体残留下来。原因是部分钢的Mf低于室温，所以残余奥氏体的数量与Ms、Mf有关，而Ms、Mf又与钢的成分有关，含碳量和合金元素量越多，Ms、Mf越低，残余奥氏体量越多。复习等温C曲线，然后做一个练习。转变温度组织名称符号组织特征力学性能727-650C珠光体P较粗低650-600C索氏体S较细较高600-550C屈氏体T极细很高550-350C上贝氏体B上黑色羽毛状劣350-230C下贝氏体B下黑色针状强韧性好230C以下马氏体M板条状或片状硬度高将T8钢加热到800C，充分奥氏体化。问如何冷却才能得到下列组织：P、S、T、B、M；二、亚共析钢和过共析钢的等温C曲线首先，这两种的等温C曲线与共析钢相比，多一条先共析转变线。亚共析钢是铁素体转变线，过共析钢是渗碳体转变线。其次，这两种钢的等温C曲线的位置比共析钢靠左，也就是说过冷奥氏体的稳定性较差。最后，先共析产物的数量与等温温度有关系，等温温度越低，先共析产物越少，有可能出现伪共析组织。三、共析钢连续冷却转变曲线1、连续冷却转变C曲线热处理生产多为连续冷却，所以研究连续冷却C曲线的实际意义更大。（一）、共析钢连续冷却C曲线这个曲线最明显的特点是只有半个C，也就是没有贝氏体转变，过共析钢也是如此。这是由于贝氏体相变被大大推迟了。图中Ps是珠光体转变开始线，Pf是珠光体转变结束线，K线是转变中止线，当冷却到这条线时过冷奥氏体要“休息一会儿”，直到冷却到Ms线时再继续转变。钢在连续冷却转变时并不会出现新的转变，所有转变都以等温C曲线为基础。它相当于是许多时间很短的等温转变，其转变温度是在不断下降的，转变产物也在不断变化，所以连续冷却转变的产物多是混合组织。上图冷却后，V1是珠光体；V2是STM；V3是M。VK是一个临界冷却速度，它是保证过冷奥氏体全部冷却到MS线以下转变成马氏体的最小冷却速度，称上临界冷却速度，也称淬火临界冷却速度，因为淬火时冷却速度必须大于它。一般地，钢连续冷却转变C曲线的位置在等温C曲线的右下方，即钢在连续冷却时比在等温冷却时稳定。2、C曲线的应用确定等温热处理的工艺参数；确定淬火工艺参数和淬火后组织性能；在等温C曲线估计连续冷却时的产物。第三节退火和正火前二节学习的内容是热处理的原理，从这一节开始学习热处理工艺，也就是具体的热处理实现方法。在一个零件的加工路线中，热处理起着很重要的作用，一般有两种情况，如一个齿轮：下料一锻造一预备热处理（退火或正火）一铣齿一最终热处理（淬火回火）一精加工（磨削）；其中预备热处理的作用是消除锻造的缺陷，如晶粒粗大、内应力、缺陷组织等，同时调整硬度，为后续的切削做准备。最终热处理的作用是使材料具有使用状态下的性能，如强度、硬度等。一、 钢的退火1、 定义2、 特点：缓冷，一般用随炉冷却。过冷奥氏体在C曲线的上部进行转变，热处理后的组织接近于平衡组织，以珠光体为主。亚共析钢为F、P，共析、过共析钢为球状珠光体。3、 用途：降低硬度，以利于切削（比较适合的切削硬度为160---260HBS）；消除内应力，稳定尺寸，防止变形或开裂；消除偏析，均匀成分；4、 分类：1） 完全退火：适用于亚共析钢的铸件、锻件、焊接件，（目的同上）。工艺参数为：加热到Ac3以上30--50°C，保温，随炉冷却到600C出炉空冷。2） 等温退火：原理与完全退火相同，主要是为了缩短工艺周期，特别是对一些大型合金钢件的退火。3） 球化退火：适用于共析及过共析钢，目的是为了获取球状珠光体，降低这些高碳钢的硬度，以利于切削。所有的高碳钢在切削之前一般都要进行球化退火。工艺参数为：加热到Ac130--50C，保温，随炉冷却或等温冷却；4） 均匀化退火：一般用于铸件，消除偏析，使成分均匀；通常是将钢加热到固相线以下100--200C长时间保温，使原子充分扩散。5） 去应力退火：属于低温热处理，加热温度一般在A1线以下，对于钢来说，大约为600C。二、 正火将钢加热到Ac或Accm线以上完全A化，然后在空气中冷却的一种热处理工艺。它的主要特点是空冷，对于大型零件或在炎热地区，也可用风冷或喷雾冷却。正火和退火的区别主要有以下几点：1、 正火的加热温度较高；2、 正火的冷却速度比退火快，热处理后的组织比退火细，先共析相数量也较少，所以正火后性能比在退火时高；3、 正火的用途也和退火有所不同：1） 正火能提高硬度，一般用于低碳钢的预备热处理；2） 正火可以消除魏氏组织、粗大组织、网状组织等;如过共析钢在球化退火之前，应先用正火消除网状的Fe3CII；3） 对于一些大件，正火可代替调质作为最终热处理使用；第四节钢的淬火将钢加热到Ac1或Ac3以上30--50°C，适当保温，然后快速冷却，获取马氏体或下贝氏体的一种热处理工艺。淬火是一种很早就应用热处理工艺，它的目的是获得马氏体或下贝氏体，但主要是马氏体。从性能上看，它是为了强化材料，提高材料强度或硬度。一、 淬火工艺为了获得好的淬火效果，就必须制定正确的淬火工艺参数。1、 加热温度根据钢的成分确定，亚共析钢加热到Ac330--70C，共析、过共析钢加热到Ac130--70C；根据铁碳相图进行解释。例如，45钢的Ac3=780C，其淬火温度为840--860C；T8、T12钢的Ac1=730C，其淬火温度为760--780C；合金钢由于合金元素的影响，加热温度比碳钢高，具体情况可以查阅热处理手册。2、 加热时间一般将升温时间和保温时间加在一起，称为加热时间。加热时间的确定应考虑二个问题，一个是材料的均温，一个是组织转变的时间。淬火加热时间与零件的尺寸和加热设备有关，可按下列经验公式确定；T=aXD；其中a是系数，一般取1—1.5；D是零件的有效厚度。3、 淬火冷却介质淬火冷却速度应大于VK，但不是越快越好，在保证大于VK的前提下应尽量缓慢，这主要是为了避免出现大的应力，引起变形或开裂。1）理想淬火冷却介质“NOSE”处要快，以避开它，保证获得全部的马氏体组织；而在“NOSE”下面，特别是在Ms线以下要慢，以避免变形和开裂。但是实际使用的淬火介质都不满足这个条件，（介绍常用的淬火介质）水、油、盐水、碱水等。二、 淬火方法1、 单液淬火：碳钢在水中淬火、合金钢在油中淬火，它的优点是操作方便，容易实现机械化和自动化。缺点是在水中淬火容易变形和开裂；在油中容易出现软点。2、 双液淬火：克服单淬火的缺点，主要有水-一油、油---空气等。要熟练操作需要一定的经验。3、 分级淬火：主要是为了最大限度减小内应力。常用的是佃，线附近进行分级，适用于截面较小的合金钢件。4、 等温淬火：为了获得下贝氏体，等温温度选取在稍高于Ms温度，保温足够时间，使钢发生贝氏体转变。等温淬火的好处是内应力小，组织性能高，淬火后不需要回火，如T7做的螺丝刀。5、 局部淬火：有些工件只要局部较高硬度，如菜刀、凿子、卡规等，因此淬火时只将需要硬化部位加热淬火。三、 钢的淬透性工件淬火时，特别是大件淬火时表面和心部的冷却速度是不一致的，如果表面和心部的冷却速度都大于V，那么工件同表及里都得到了马氏体，就是工件被淬透了；如果仅表面一定厚度的冷却速度大于▼，而心部的冷却速度小于V，那么仅表面一层得到了马氏体，而心部得到了非马氏体组织，就是说工件没有被淬透；如图。淬透性就是表示材料接受淬火的能力。1、 淬透性：钢在淬火条件下得到M组织或淬透层深度的能力，是钢的固有属性。取决于VK（上临界冷却速度）。在实际生产中，往往要测定淬火工件的淬透层深度，所谓淬透层深度即是从试样表面至半马氏体区（马氏体和非马氏体组织各占一半）的距离。在同样淬火条件下，淬透层深度越大，则反映钢的淬透性越好。淬硬性，钢在淬火后获得硬度的能力，取决于M中C%，C%ff淬硬性f影响淬透性的因素——VK,C曲线C%亚共析钢C%ff淬透性f,过共析钢C%ff淬透性I奥氏体化温度Tftfi淬透性f合金元素除Co%以外，C曲线右移，f淬透性未溶第二相I淬透性钢的淬透性测定用末端淬火法测定钢的淬透性淬透性可用“末端淬火法”来测定(见GB225-63)。将标准试样(①25X100mm)加热奥氏体化后，迅速放入末端淬火试验机的冷却孔中，喷水冷却。规定喷水管内径12.5mm,水柱自由高度65±5mm,水温20-30°C。图2-84(a)为末端淬火法示意图。显然，喷水端冷却速度最大，距末端沿轴向距离增大，冷却速度逐渐减小，其组织及硬度亦逐渐变化。在试样测面沿长度方向磨一深度0.2-0.5mm的窄条平面，然后从末端开始，每隔一定距离测量一个硬度值，即可测得试样沿长度方向上的硬度变化，所得曲线称为淬透性曲线。实验测出的各种钢的淬透性曲线均收集在有关手册中。同一牌号的钢，由于化学成分和晶粒度的差异，淬透性曲线实际上为有一定波动范围的淬透性带。根据GB225-63规定，钢的淬透性值用表示。其中J表示末端淬火的淬透性，d表示距水冷端的距离，HRC为该处的硬度。例如，淬透性值，即表示距水冷端5mm试样硬度为42HRC。淬火试样断面上马氏体量和硬度的变化淬透性的应用根据服役条件，确定对钢淬透性的要求一一选材的依据热处理工艺制定的依据尺寸效应利用淬透性曲线，可比较不同钢种淬透性。淬透性是钢材选用的重要依据之一。利用半马氏体硬度曲线和淬透性曲线，找出钢的半马氏体区所对应的距水冷端距离。该距离越大，则淬透性越好。图中可知40Cr钢的淬透性比45钢要好。淬透性不同的钢材经调质处理后，沿截面的组织和机械性能差别很大。图中40CrNiMo钢棒整个截面都是回火索氏体，机械性能均匀，强度高，韧性好。而40Cr、40钢的都为片状索氏体铁素体，表层为回火索氏体，心部强韧性差。截面较大、形状复杂以及受力较苛刻的螺栓、拉杆、锻模、锤杆等工件，要求截面机械性能均匀，应选用淬透性好的钢。而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，可选用淬透性较低的钢种。§5-5回火工件淬火后不能直接使用，主要原因有三：1、 马氏体是不稳定组织；另外还有一定数量的残余奥氏体；2、 淬火后的性能不能满足工件的使用要求，如脆性太大；3、 淬火后工件内部有内应力，会导致工件的变形或开裂；因此工件淬火后还应进行回火，(例子)。钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的组织和性能，将其加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。一、 回火时钢组织和性能的变化1、 钢组织的变化非常复杂。一般是马氏体由过饱和状态向非饱和状态转变，也就是碳以一定的形式析出;残余奥氏体也发生变化，它们的最后转变产物是铁素体和渗碳体。2、 钢性能的变化随回火温度升高，马氏体中的碳不断析出，所以钢的强度、硬度不断下降，而塑性、韧性不断升高。二、 回火的分类和应用低温回火回火温度为150C〜250C。在低温回火时，从淬火马氏体内部会析出碳化物薄片(Fe2q),马氏体的过饱和度减小。部分残余奥氏体转变为下贝氏体，但量不多。所以低温回火后组织为回火马氏体+残余奥氏体。下贝氏体

可忽略。低温回火的目的是降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度（一般为58HRC〜64HRC）和高耐磨性。适用于工具、模具和表面处理件。中温回火回火温度为350C〜500C，得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，叫做回火屈氏体（回火T）。铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35HRC〜45HRC。适用于弹簧等弹性元件。高温回火回火温度为500C〜650C,得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织，称回火索氏体。在生产中将淬火后高温回火的复合热处理工艺称为调质，调质后得到的回火索氏体具有良好的综合力学性能，广泛用于轴类、齿轮、连杆等受力复杂的零件，回火后硬度大约为200~330HBS。§5-6钢的表面热处理在生产中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性能，一般是表面硬度高，有较高的耐磨性和疲劳强度；而心部要求有较好的塑性和韧性。在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热处理方法，都有不能满足其要求。解决这一问题的方法是表面热处理和化学热处理。仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理也叫表面淬火。一.感应加热表面热处理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，并由于电阻作用而被加热。由于交流电集肤效应，靠近工件表面的电