《金属材料与热处理（第八版）》- 课件 第5、6章 钢的热处理、低合金钢与合金钢

第五章钢的热处理§5-1热处理的原理与分类热处理是对固态的金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的工艺。热处理工艺过程可用以温度—时间为坐标的曲线图表示。热处理工艺曲线热处理的分类§5-2钢在加热与冷却时的组织转变一、钢在加热时的组织转变1.钢在加热和冷却时的相变温度钢在加热和冷却时的临界点2.奥氏体的形成共析钢中奥氏体形成过程示意图a)形核b)长大c)残余Fe3C溶解d)均匀化如果在形成奥氏体后继续升温或延长保温时间，会使奥氏体晶粒逐渐长大。晶粒的长大是依靠较大晶粒吞并较小晶粒和晶界迁移的方式进行的。晶粒的吞并与长大二、钢在冷却时的组织转变在实际生产中，钢的热处理工艺有两种。两种热处理工艺曲线1.奥氏体的等温转变共析钢等温转变曲线图(1)珠光体型转变区———高温等温转变珠光体型转变的组织及性能特点续表(2)贝氏体型转变区———中温等温转变贝氏体型转变的组织及性能特点(3)马氏体型转变区———低温连续转变马氏体型转变的组织及性能特点2.奥氏体的连续冷却转变用等温转变曲线分析奥氏体的连续冷却转变§5-3热处理的基本方法一、退火与正火1.退火退火是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却(一般随炉冷却)的热处理工艺。常用退火方法续表2.正火正火是将钢加热到Ac3或Accm以上30~50℃，保温适当的时间后，在空气中冷却的工艺方法。45钢正火与退火状态的力学性能对比退火和正火的加热温度范围及热处理工艺曲线a)加热温度范围b)热处理工艺曲线1—完全退火2—球化退火3—去应力退火4—正火二、淬火与回火1.淬火将钢件加热到Ac3或Ac1以上的适当温度，经保温后快速冷却(冷却速度大于v临)，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。钢的淬火温度范围(1)淬火加热温度的选择淬火加热温度的选择及原因(2)淬火介质的选择常用淬火介质的冷却特点及应用场合(3)常用的淬火方法常用的淬火操作方法、特点、应用场合及热处理工艺曲线续表(4)钢的淬透性与淬硬性淬透性是在规定条件下，钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力。淬硬性指钢在理想的淬火条件下，获得马氏体后所能达到的最高硬度。(5)钢的淬火缺陷钢的淬火缺陷2.回火回火是将淬火后的钢重新加热到Ac1点以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。(1)回火时的组织转变回火后的组织转变钢(45钢)的回火组织a)回火马氏体b)回火屈氏体c)回火索氏体40钢的力学性能与回火温度的关系(2)回火的分类及应用回火的分类及应用场合§5-4钢的表面热处理与化学热处理强化零件表面常用的热处理方法有表面热处理和化学热处理两种。一、表面热处理钢的表面热处理是指仅对钢件表面进行热处理，以改变表面层组织，满足使用性能要求的热处理工艺。表面淬火是表面热处理中最常用的方法，是强化材料表面的重要手段。目前，表面淬火的方法很多，如火焰加热表面淬火、感应加热表面淬火、电接触加热表面淬火、激光加热表面淬火等。生产中最常用的方法主要是火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火。1.火焰加热表面淬火应用氧—乙炔(或其他可燃气体)火焰对零件表面进行快速加热并随后快速冷却的工艺称为火焰加热表面淬火。火焰加热表面淬火示意图2.感应加热表面淬火利用感应电流通过工件所产生的热效应使工件表面受到局部加热，并进行快速冷却的淬火工艺称为感应加热表面淬火。感应加热表面淬火原理示意图二、化学热处理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，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺称为化学热处理。1.化学热处理的过程(1)分解(2)吸收(3)扩散化学热处理的过程示意图2.钢的渗碳钢的渗碳是将钢件置于渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。根据渗碳介质的工作状态，渗碳方法可分为固体渗碳、盐浴渗碳和气体渗碳三种，应用最广泛的是气体渗碳。气体渗碳是将工件置于气体渗碳剂中进行渗碳的工艺。气体渗碳示意图一般零件渗碳后，其表面含碳量控制在0.85%~1.05%，含碳量从表面到心部逐渐减少，心部仍保持原来的含碳量。图示为低碳钢渗碳后缓冷的渗碳层显微组织，图中渗碳层的组织由表面向中心依次为过共析组织、共析组织、亚共析组织(过渡层)，中心仍为原来的亚共析组织。低碳钢渗碳后缓冷的渗碳层显微组织3.钢的渗氮在一定温度下，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺称为渗氮。(1)渗氮的特点1)渗氮层具有很高的硬度和耐磨性，钢件渗氮后表层中形成稳定的金属氮化物，具有极高的硬度，所以渗氮后不用淬火就可达到高硬度，而且具有较高的红硬性。2)渗氮层具有渗碳层所没有的耐腐蚀性，可防止水、蒸气、碱性溶液的腐蚀。3)渗氮比渗碳温度低(一般约570℃)，所以工件变形小。(2)渗氮的方法1)气体渗氮工件在气体介质中进行渗氮称为气体渗氮。它是将工件放入密闭的炉内，加热到500~600℃，通入氨气(NH3)，利用氨气分解出活性氮原子进行渗氮的方法。渗氮层的显微组织a)渗氮层及维氏硬度测试压痕b)渗氮层中致密的针状氮化物(白色)2)离子渗氮在低于一个大气压的渗氮气氛中，利用工件(阴极)和阳极之间产生的辉光放电现象进行渗氮的工艺称为离子渗氮。离子渗氮装置示意图4.碳氮共渗在一定温度下，将碳、氮原子同时渗入工件表层奥氏体中，并以渗碳为主的化学热处理工艺称为碳氮共渗。碳氮共渗与渗碳相比，具有很多优点。它不仅加热温度低，零件变形小，生产周期短，而且渗层具有较高的硬度、耐磨性和疲劳强度。§5-5零件的热处理分析一、热处理的技术条件工件热处理后的组织、应当达到的力学性能、精度和工艺性能等要求，统称为热处理的技术条件。热处理的技术条件是根据零件工作特性提出的。一般零件均以硬度作为热处理的技术条件，对渗碳零件应标注渗碳层深度，对某些性能要求较高的零件还需标注力学性能指标或金相组织要求。二、热处理的工序位置1.预备热处理预备热处理包括退火、正火、调质处理等。退火、正火的工序位置通常安排在毛坯生产之后、切削加工之前，以消除毛坯的内应力，均匀组织，改善切削加工性能，并为以后的热处理做好组织准备。对于精密零件，为了消除切削加工的残余应力，在半精加工以后还要安排去应力退火。调质处理工序一般安排在粗加工之后、精加工或半精加工之前，目的是获得良好的综合力学性能，为以后的热处理做好组织准备。调质处理一般不安排在粗加工之前，以免表面调质层在粗加工时大部分被切削，失去调质处理的作用，这一点对于淬透性差的碳素钢零件尤为重要。2.最终热处理最终热处理包括淬火、回火及表面热处理等。零件经这类热处理后，获得所需的使用性能，因其硬度较高，除磨削外，不宜再进行其他形式的切削加工，故其工序位置一般安排在半精加工之后。有些零件性能要求不高，对其毛坯进行退火、正火或调质处理即可满足使用要求，这时退火、正火或调质处理也可作为最终热处理。三、典型零件或工具的热处理分析1.锉刀锉刀的加工工艺路线为:备料→锻造→正火、球化退火→机械粗加工→锉身局部淬火、回火→机械精加工锉刀加工中热处理工序的作用2.汽车变速齿轮加工工艺路线为:备料→锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火、低温回火→喷丸→校正花键孔→磨齿汽车变速齿轮加工中热处理工序的作用分析3.汽车传动齿轮轴加工工艺路线为:备料→锻造→正火→机械粗加工→调质处理→机械半精加工→花键齿廓和齿轮齿廓部分表面淬火、回火→精磨汽车传动齿轮轴加工中热处理工序的作用分析第六章低合金钢与合金钢§6-1合金元素在钢中的作用一、强化铁素体大多数合金元素(除铅外)都能溶于铁素体，形成合金铁素体。由于合金元素与铁的晶格类型和原子半径的差异会引起铁素体的晶格畸变，产生固溶强化作用，因而会使合金钢中铁素体的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。有些合金元素对铁素体韧性的影响与它们的含量有关，如Si<1.00%，Mn<1.50%时，铁素体的韧性没有下降，当含量超过此值时，则韧性有下降的趋势;而铬和镍在适当范围内(Cr≤2.0%，Ni≤5.0%)，在明显强化铁素体的同时，还可使铁素体的韧性提高，从而提高合金钢的强度和韧性。二、形成合金碳化物合金渗碳体锰、铬、钼、钨等弱、中强碳化物形成元素倾向于形成合金渗碳体。合金渗碳体较渗碳体略稳定，硬度也略高，但明显提高低合金钢的强度。2.特殊碳化物钒、铌、钛等强碳化物形成元素能与碳形成特殊碳化物。特殊碳化物比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度和耐磨性，而且更稳定，不易分解。当钢中的特殊碳化物呈弥散分布时，将显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，而不降低其韧性。三、细化晶粒几乎所有的合金元素都有抑制钢在加热时奥氏体晶粒长大的作用，达到细化晶粒的目的。强碳化物形成元素铌、钒、钛等形成的碳化物，以及铝(Al)在钢中形成的AlN和Al2O3，均能强烈地阻碍奥氏体晶粒的长大，使合金钢在热处理后获得比碳素钢更细的晶粒。四、提高钢的淬透性除钴外，所有的合金元素溶解于奥氏体后，均可增加过冷奥氏体的稳定性，推迟其向珠光体的转变，使C形曲线右移，从而减小钢的淬火临界冷却速度，提高钢的淬透性。常用的提高淬透性的合金元素主要有钼、锰、铬、镍和硼等，如微量的硼(0.0005%~0.003%)能明显提高钢的淬透性。五、提高钢的回火稳定性淬火钢在回火时抵抗软化的能力称为钢的回火稳定性。合金钢在回火过程中，由于合金元素的阻碍作用，使马氏体不易分解，碳化物不易析出，即使析出后也不易聚集长大，从而保持较大的弥散度，所以钢在回火过程中硬度下降较慢。与碳素钢相比，在相同的回火温度下，合金钢比相同含碳量的碳素钢具有更高的硬度和强度。在强度要求相同的条件下，合金钢可在更高的温度下回火，以充分消除内应力，使其韧性更好。高的回火稳定性使钢在较高温度下仍能保持高硬度和高耐磨性。金属材料在高温下保持高硬度的能力称为红硬性，这种性能对一些工具钢具有重要意义。§6-2低合金钢与合金钢的分类和牌号一、低合金钢与合金钢的划分低合金钢与合金钢是按所含合金元素的质量分数来划分的。低合金钢与合金钢合金元素规定含量界限值（摘自GB/T13304.1—2008）二、低合金钢的分类(GB/T13304.2—2008)1.按质量等级分类(1)普通质量低合金钢(2)特殊质量低合金钢(3)优质低合金钢2.按主要性能及使用特性分类

低合金钢按主要性能及使用特性分类，可分为可焊接的低合金高强度结构钢、低合金耐候钢、低合金钢筋钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢和其他低合金钢。三、合金钢的分类(GB/T13304.2—2008)1.按质量等级分类(1)优质合金钢(2)特殊质量合金钢2.按主要性能及使用特性分类(1)工程结构用合金钢(2)机械结构用合金钢(3)不锈、耐腐蚀和耐热钢(4)工具钢(5)轴承钢(6)特殊物理性能钢(7)其他如焊接用合金钢等。四、低合金钢与合金钢的牌号低合金钢与合金钢的牌号表示方法（摘自GB/T221—2008）专用结构钢的用途、特性和工艺方法表示符号见下表：专用结构钢的用途、特性和工艺方法表示符号（摘自GB/T221—2008）五、钢铁及合金牌号统一数字代号体系(GB/T17616—2013)钢铁及合金牌号统一数字代号体系，简称“ISC”，它规定了钢铁及合金产品统一数字代号的编制原则、结构、分类、管理及体系表等内容。统一数字代号的组成§6-3低合金钢低合金钢是在碳素结构钢的基础上加入了少量(一般总合金元素的质量分数不超过3%)的合金元素而得到的。由于合金元素的强化作用，低合金钢比碳素结构钢(含碳量相同)的强度要高得多，并且具有良好的塑性、韧性、耐腐蚀性和焊接性能。低合金钢广泛用于制造工程构件。低合金钢的应用一、低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢的主要力学性能及应用（摘自GB/T1591—2018）续表二、低合金耐候钢低合金耐候钢是在低碳非合金钢的基础上加入少量铜、铬、镍等合金元素，使钢表面形成一层保护膜的钢。为了进一步改善耐候钢的性能，还可再添加微量的铌、钒、钛、钼、锆等其他能增强耐大气腐蚀性能的合金元素。低合金耐候钢的牌号及应用三、低合金专用钢1.汽车用低合金钢它是在低碳钢中，通过单一或复合添加铌、钛、钒等微合金元素，形成碳氮化合物粒子进行强化，同时通过微合金元素的细化晶粒作用，获得较高的强度。2.锅炉、压力容器用低合金钢压力容器绝大多数由钢板拼焊而成，在制造过程中压力容器钢板要经受冷、热加工，所以要求压力容器钢板具有良好的工艺性能，并且具有一定强度和足够的韧性，以保证在正常工作条件下承受外载荷而不发生脆性破坏。3.铁道用低合金钢铁道用低合金钢主要用于制造铁路钢轨、铁路用辗钢整体车轮等。4.矿用低合金钢矿用低合金钢主要用于制造煤机、矿用结构件等。§6-4合金结构钢合金结构钢主要指机械结构用合金钢，它主要用于制造机械零件，如轴、连杆、齿轮、弹簧、轴承等。一、合金渗碳钢合金渗碳钢经渗碳+淬火+低温回火的典型热处理后，便具有“外硬内韧”的性能，用于制造既具有优良的耐磨性和耐疲劳性，又能承受冲击载荷的零件。合金渗碳钢的应用常用合金渗碳钢的牌号、热处理工艺、力学性能及用途续表二、合金调质钢合金调质钢用于制造一些受力较复杂的，要求具有良好的综合力学性能的重要结构件。受力较复杂的结构件常用合金调质钢的牌号、热处理工艺、力学性能及用途续表三、合金弹簧钢合金弹簧钢的含碳量一般为0.45%~0.70%。若含碳量过高，则塑性和韧性降低，疲劳极限也会下降。合金弹簧钢中可加入的合金元素有锰、硅、铬、钒和钨等。加入硅、锰主要是提高钢的淬透性，同时提高钢的弹性极限，其中硅的作用最为突出。但硅元素含量过高易使钢在加热时脱碳，锰元素含量过高则易使钢产生过热。因此，重要用途的弹簧钢必须加入铬、钒、钨等，它们不仅使钢材具有更高的淬透性，不易过热，而且可在高温下保持足够的强度和韧性。常用合金弹簧钢的牌号、热处理工艺、力学性能及用途（摘自GB/T1222—2016）四、滚动轴承钢滚动轴承钢主要用于制造各种滚动轴承的内、外圈及滚动体。滚动轴承及构件常用滚动轴承钢的牌号、热处理工艺及用途（摘自GB/T18254—2016）§6-5合金工具钢合金工具钢按用途可分为合金刃具钢、合金模具钢和合金量具钢。一、合金刃具钢合金刃具钢主要用于制造车刀、铣刀、钻头等各种金属切削刀具。合金刃具钢要求具有高硬度、高耐磨性、高热硬性及足够的强度和韧性等。合金刃具钢的应用1.低合金刃具钢常用低合金刃具钢的牌号、主要化学成分、热处理工艺及用途（摘自GB/T1299—2014）2.高速钢高速钢是一种具有高红硬性、高耐磨性和足够强度的合金工具钢。钢中含有较多的碳(0.7%~1.5%)和大量的钨、铬、钒、钼等强碳化物形成元素。高速钢常用于制造切削速度较高的刀具(如车刀、铣刀、钻头等)和形状复杂、载荷较大的成形刀具(如齿轮铣刀、拉刀等)。高速钢成形刀具常用高速钢的牌号、主要化学成分、热处理工艺及用途（摘自GB/T9943—2008）续表二、合金模具钢1.冷作模具钢冷作模具钢用于制造使金属在冷状态下变形的模具，如冲裁模、拉丝模、弯曲模、拉深模等。冲裁模2.热作模具钢热作模具钢用于制造使金属在高温下成形的