第四章钢的热处理

《工程材料余热加工基础》第四章钢的热处理工程材料与热加工基础—程晓宇

第五章钢的热处理概述钢在加热时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢的普通热处理工艺钢的表面热处理工艺机械制造过程中的热处理工程材料与热加工基础—程晓宇

第一节概述1.热处理的定义:时间温度临界温度

热加保温冷却工程材料与热加工基础—程晓宇2.热处理的主要目的:改变钢的性能。3.热处理的应用范围:整个制造业。4.热处理的分类热处理普通热处理表面热处理退火;正火;淬火;回火;表面淬火

化学热处理感应加热淬火火焰加热淬火渗碳;渗氮;碳氮共渗;工程材料与热加工基础—程晓宇

第二节钢在加热时的组织转变转变温度奥氏体的形成奥氏体晶粒度及对力学性能的影响工程材料与热加工基础—程晓宇一.转变温度奥氏体的形成FFe3C未溶Fe3CA残余Fe3CAAAA

形核A

长大残余Fe3C溶解A均匀化工程材料与热加工基础—程晓宇三.奥氏体晶粒度及对力学性能的影响一)奥氏体晶粒度:

1.起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。

2.实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。

3.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。工程材料与热加工基础—程晓宇

钢的本质晶粒度示意图工程材料与热加工基础—程晓宇二)奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响1.奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。工程材料与热加工基础—程晓宇

第三节钢在冷却时的组织转变钢在热处理时的冷却方式过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变工程材料与热加工基础—程晓宇一.钢在热处理时的冷却方式

热加保温时间温度临界温度连续冷却等温冷却工程材料与热加工基础—程晓宇二.过冷奥氏体的等温冷却转变一)建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线----TTT曲线

(

C曲线

)T

---

timeT

---

temperatureT

---

transformation

共析碳钢TTT曲线建立过程示意图时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1二)共析碳钢TTT曲线的分析稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线

A+产物区产物区A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;P转变区。550～230℃;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。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf三)转变产物的组织与性能1.珠光体型(P)转变(A1～550℃):A1～650℃:

P;5～25HRC;

片间距为0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:

细片状P---索氏体(S);

片间距为0.2～0.4μm(1000×);25～36HRC。600～550℃:极细片状P---屈氏体(T);

片间距为＜0.2μm(电镜);35～40HRC。

珠光体形貌像光镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌

索氏体形貌像

屈氏体形貌像电镜形貌光镜形貌工程材料与热加工基础—程晓宇三)转变产物的组织与性能2.贝氏体型(B)转变(550～230℃):550～350℃:

B上;40～45HRC;B上=过饱和碳

α-Fe条状+Fe3C细条状过饱和碳α-Fe条状Fe3C细条状羽毛状工程材料与热加工基础—程晓宇

上贝氏体组织金相图工程材料与热加工基础—程晓宇三)转变产物的组织与性能2.贝氏体型(B)转变(550～230℃):350～230℃:

B下;50～60HRC;B下=过饱和碳

α-Fe针叶状+Fe3C细片状过饱和碳

α-Fe针叶状Fe3C细片状针叶状工程材料与热加工基础—程晓宇

下贝氏体组织金相图工程材料与热加工基础—程晓宇三)转变产物的组织与性能3.马氏体型(M)转变(230～-50℃):1)定义:马氏体是一种碳在α–Fe中的

过饱和固溶体。2)转变特点:在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度极快,即瞬间形核与长大;无扩散转变(Fe、C原子均不扩散),

M与原A的成分相同,造成晶格畸变。转变不完全性,QM=f(T)工程材料与热加工基础—程晓宇奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响6007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00温度℃Wc100MsMf工程材料与热加工基础—程晓宇90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.11.21.31.41.51.61.7Wc100残余奥氏体量(%)奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响工程材料与热加工基础—程晓宇3)马氏体的晶体结构:由于碳的过饱和作用,使α–Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。工程材料与热加工基础—程晓宇4)马氏体的组织形态:板条状---低碳马氏体(＜0.2%C);30～50HRC;δ=9～17%。工程材料与热加工基础—程晓宇

低碳板条状马氏体组织金相图工程材料与热加工基础—程晓宇4)马氏体的组织形态:针、片状---高碳马氏体(＞1%C);66HRC左右;δ≈1%。工程材料与热加工基础—程晓宇

高碳针片状马氏体组织金相图马氏体的碳浓度Wc100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度(HRC)2000抗拉强度σb(Mpa)1800140010006002005)马氏体的性能:

主要取决于马氏体中的碳浓度。工程材料与热加工基础—程晓宇

亚共析钢的TTT曲线

FAP+FS+FTBM+A残A3时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf工程材料与热加工基础—程晓宇

过共析钢的TTT曲线P+Fe3CⅡS+Fe3CⅡTBM+A残

Fe3CⅡAACM时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf工程材料与热加工基础—程晓宇

四)影响TTT曲线形状

与位置的因素1.奥氏体中含碳量的影响:过共析钢共析钢亚共析钢时间温度A1工程材料与热加工基础—程晓宇2.奥氏体中含合金元素的影响:

除Co、Al(＞2.5%)外,所有合金元素溶入奥氏体中,会引起:向右移向下移MsA1A1Ms含Cr合金钢工程材料与热加工基础—程晓宇3.加热温度和保温时间的影响:

加热温度越高,保温时间越长,

碳化物溶解充分,奥氏体成分均匀,

提高了过冷奥氏体的稳定性,从而

使TTT曲线向右移。工程材料与热加工基础—程晓宇三.过冷奥氏体的连续冷却转变一)建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线----CCT曲线C---continuousC---coolingT---transformationVk

一)共析碳钢CCT曲线建立过程示意图时间(lgτ)温度℃A1PfPsA+PKMsMf水冷油冷Vk1炉冷空冷二)共析碳钢TTT曲线与CCT曲线的比较稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMfCCT曲线TTT曲线稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf三)在连续冷却过程中TTT曲线的应用V1V2VkV3V4V1=5.5℃/s:炉冷;PV2=20℃/s:空冷;SV3=33℃/s:油冷;T+M+A残V4≥138℃/s:水冷;M+A残工程材料与热加工基础—程晓宇

第四节钢的普通热处理工艺毛坯生产预备热处理机械加工最终热处理机械精加工预备热处理:退火;正火最终热处理:淬火;回火一般零件生产的工艺路线:工程材料与热加工基础—程晓宇一.钢的退火一)定义:

把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然后

随炉冷却。二)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。工程材料与热加工基础—程晓宇三)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工程材料与热加工基础—程晓宇四)工艺参数:温度(°C)名称Ac3

+30～50完全退火Ac1+30～50球化退火500～600去应力退火Ac3

+150～250扩散退火四)工艺参数:工程材料与热加工基础—程晓宇五)热处理后的组织:

原始组织。

共析钢球化退火组织(化染)700

T10钢球化退火组织(化染)500

工程材料与热加工基础—程晓宇二.钢的正火一)定义:

把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然后

在空气中冷却。二)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。工程材料与热加工基础—程晓宇三)工艺参数:温度(°C)名称Ac3

+30～50亚共析钢Ac1

+30～50共析钢Accm+30～50过共析钢四)工艺参数:工程材料与热加工基础—程晓宇四)热处理后的组织:S(Wc=0.6～1.4%)S+F(Wc＜0.6%)五)应用范围:

1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬度;消除过共析钢中的Fe3CⅡ。

2.最终热处理:用于力学性能要求不高的普通零件。工程材料与热加工基础—程晓宇三.钢的淬火一)定义:

把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然

后快速冷却(水冷)。二)目的:为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。工程材料与热加工基础—程晓宇三)工艺参数:温度(°C)名称Ac3

+30～50亚共析钢Ac1

+30～50共析钢Ac1

+30～50过共析钢工程材料与热加工基础—程晓宇三)工艺参数:工程材料与热加工基础—程晓宇四)热处理后的组织:

M+Fe3C+A残

Ac1+30～50过共析钢M+A残Ac1+30～50

共析钢M+A残

Ac3+30～50亚共析钢Wc＞0.5%MAc3+30～50亚共析钢Wc≤0.5%

最终组织淬火温度(℃)

钢种工程材料与热加工基础—程晓宇五)淬火加热时间(τ)的选择:τ

=α

K

D工件有效厚度(尺寸最小部位)装炉量有关系数一般K=1～1.5加热系数,与钢种及加热介质有关工程材料与热加工基础—程晓宇六)淬火冷却介质1.理想淬火冷却介质时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf2.常用的淬火冷却介质

名称

最大冷却速度时平均冷却速度/(℃•s-1)所在温度/℃冷却速度/(℃•s-1)650～550℃300～200℃20℃静止水34077513545040℃静止水28554511041060℃静止水2202758018510%NaCl

溶液58020001900100010%NaOH溶液5602830275077520℃10号机油430230606580℃10号机油430230705520℃3号锭子油50012010050七)常用的淬火方法单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火时间温度MsA1工程材料与热加工基础—程晓宇八)钢的淬硬性(Hardeningofsteel)1.定义:是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。2.影响钢的淬硬性的因素:主要取决于马氏体的含碳量。工程材料与热加工基础—程晓宇九)钢的淬透性

(Hardenabilityofsteel)1.定义:是指钢在淬火时所能得到的淬硬层(马氏体组织占50%处)的深度。2.影响钢的淬透性的因素:主要是临界淬火冷却速度VK的大小,

VK越大,钢的淬透性越小。工件淬硬层与冷却速度的关系工程材料与热加工基础—程晓宇3.淬硬性与淬透性之间的关系:淬透性淬硬性钢种小低碳素结构钢(20)小高碳素工具钢(T10A)大低低碳合金结构钢(18Cr2Ni4WA)大高高碳高合金工具钢(Cr12MoV)4.淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响未淬透钢淬透钢工程材料与热加工基础—程晓宇四.钢的回火一)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,然后冷却到窒温。二)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。耐磨件M回=α0.3%C+ε150～250低温回火弹簧等T回=F针+Fe3C粒350～500中温回火调质件S回=F多+Fe3C球500～650高温回火高合金钢P回=F多+Fe3C粒650～A1高温软化三)工艺参数淬火+高温回火=调质处理用途组织温度(℃)名称淬火+高温回火=调质处理工程材料与热加工基础—程晓宇

回火马氏体组织金相图工程材料与热加工基础—程晓宇

第五节钢的表面热处理工艺表面淬火化学热处理工艺的核心:使零件具有“表硬里韧”的力学性能。工程材料与热加工基础—程晓宇一.表面淬火一)定义:是一种不改变钢表层化学成分,但改变表层组织的局部热处理工艺。二)工艺特征:通过快速加热使钢的表层奥氏体化,然后急冷,使表层形成马氏体组织,而心部仍保持不变。工程材料与热加工基础—程晓宇三)表面淬火用钢:

选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。四)表面淬火加工的方法:

感应加热(高、中、工频)、火焰加热、电接触加热法等。工程材料与热加工基础—程晓宇1.感应加热表面淬火1)感应加热的基本原理:*

感应电流---涡流*

集肤效应*淬火层深度(δ)与电流频率(f)的关系:δ=500/√f（mm）

工程材料与热加工基础—程晓宇感应加热表面淬火示意图集肤效应示意图工程材料与热加工基础—程晓宇2)工艺要求:

*表面淬火前,必须对零件进行正火或调质处理,以保证零件有良好的基体。

*表面淬火后,必须对零件进行低温回火处理,以降低淬火应力和脆性。3)生产特点:

淬火件的质量好;工件变形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易控制;生产率高。设备投资大,不适于复杂形状零件和小批量生产。工程材料与热加工基础—程晓宇2.火焰加热表面淬火1)火焰加热表面淬火的基本方法工程材料与热加工基础—程晓宇2)火焰加热表面淬火的特点:*设备简单,操作方便,成本低。*淬火质量不稳定。*适于单件、小批量及大型零件的生产。工程材料与热加工基础—程晓宇二.化学热处理

(ChemicalHeatTreatment)一)定义:将零件置于一定的化学介质中,通过加热、保温,使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层,以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。工程材料与热加工基础—程晓宇二)化学热处理的基本过程:2.吸收:

活性原子被零件表面吸收和溶解。3.扩散:

活性原子由零件表面向内部扩散,形成一定的扩散层。1.分解:

化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。

2COCO2+〔C〕工程材料与热加工基础—程晓宇三)化学热处理进行的条件:1.渗入元素的原子必须是活性原子,而且具有较大的扩散能力。2.零件本身具有吸收渗入原子的能力,

即对渗入原子有一定的溶解度或能与之化合,形成化合物。四)化学热处理的种类:渗碳;渗氮;碳氮共渗;渗硼;渗铝;渗硫;渗硅;渗铬等。工程材料与热加工基础—程晓宇1.钢的渗碳(Carburizeofsteel)1)定义:向钢的表面渗入碳原子的过程。2)目的:获得具有表硬里韧性能的零件。3)用钢:低碳钢和低碳合金钢。4)方法:固体、气体、液体渗碳。工程材料与热加工基础—程晓宇

固体渗碳法示意图零件渗碳剂试棒盖泥封渗碳箱工程材料与热加工基础—程晓宇

气体渗碳法示意图工程材料与热加工基础—程晓宇5)工艺:

加热温度为900～950℃;

渗碳时间一般为3～9小时;6)渗碳后的组织:

1%CP+Fe3CⅡ0.2%C

F+P少表面中心零件PP+F20钢渗碳缓冷组织(化染)580

表层珠光体+网状渗碳体;中层珠光体;内层铁素体+珠光体工程材料与热加工基础—程晓宇7)渗碳后的热处理工艺时间温度930℃850℃方案1方案2渗碳淬火加热工程材料与热加工基础—程晓宇7)渗碳后的热处理工艺工程材料与热加工基础—程晓宇8)热处理后的组织低碳M回+FM回+Cm+A残低碳合金钢F+PM回+Fe3C+A残低碳钢心部组织表层组织钢种9)常用的钢种:

15、20、20Cr、20Mn2、

20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。20CrMnTi钢渗碳层组织(化染)320

渗碳体(白色块状)+高碳M(