热处理的基本方法(淬火与回火)PPT.ppt

,一、钢的淬火,钢的淬火,将钢加热到临界温度（A,1,或A,3,）以上，保温一定时间（使其奥氏体化）以大于临界冷却速度（,V,临,）进行冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。,其目的是为了获得马氏体组织，提高钢的强度、硬度和耐磨性。,淬火工艺,淬火加热温度,亚共析钢：A,c3,+3050;共析和过共析钢：A,c1,+3050,为什么过共析钢淬火加热温度在A,c1,+3050 ，,而不是A,cm,+3050？,(1),淬火加热温度选择,为什么过共析钢淬火加热温度在A,c1,+3050 ，而不是A,cm,+3050？,(1)淬火加热温度选择,答：,1）由于渗碳体全部溶于奥氏体，淬火后耐磨性下降；,2）温度过高会引起奥氏体粗化，淬火后得到粗大的马氏体，显微裂纹增大；,3）渗碳体溶于奥氏体，导致奥氏体中含碳量增加，Ms点下降，残余奥氏体增加，导致钢的硬度下降；,4）温度过高，会使氧化脱碳加剧，淬火变形和开裂倾向加大，这样,A,c1,+3050,得到奥氏体和渗碳体，淬火后得到 马氏体和粒状渗碳体,(1)淬火加热温度选择,在A1650缓慢冷却，以减少热应力；,在过冷奥氏体最不稳定区域（650400,），快速冷却；,而在M,S,附近的温度区域冷速比较缓慢，它可以减少淬火内应力，避免淬火变形,开裂。,缓冷（理想冷却速度）,快冷,缓冷,淬火介质,：,为实现淬火目的用的冷却介质。,理想淬火介质具备：,高温慢冷,；,奥氏体鼻子温度快冷,；,马氏体转变慢冷。,(2)淬火冷却介质选择,传统的淬火冷却介质有油、水、盐水和碱水等，它们的冷却能力依次增加。其中，水和油是目前生产中应用最广的冷却介质。,介质,冷却特点,应用场合,水、盐水和碱水,油,在,550,650范围内的冷却能力较大,但在200,300范围内冷却能力过强，易使淬火零件变形与开裂,常用于尺寸不大，外形较简单的碳钢零件的淬火,油的冷却能力较低，在200,300范围内冷却速度较慢，能减少工件变形与开裂的现象，但是在550,650范围内冷却能力过低,对截面较低的碳钢及低合金钢不易淬硬，一般作为形状 复杂的中小型合金钢零件的淬火介质,(3)淬火方法：,单 液 淬 火：,操作方法,：,将钢件奥氏体化后，在单一淬火介质中冷却到室温的处理，称为单液淬火。单液淬火时,碳钢一般采用水冷淬火,，,合金钢采用油冷,特点及应用场合,：,操作简单，易于实现机械化、自动化。但由于单独用水或油进行冷却，冷却特征不够理想，所以容易,产生硬度不足或开裂等淬火缺陷。,双 液 淬 火：,将钢件奥氏体化后，先浸入一种冷却能力强的介质中，在钢的组织还未开始转变时候迅速取出，马上浸入另一种冷却能力弱的介质中，缓冷到室温，如先水后油、先油后空气等,优点是内应力小、变形及开裂少，缺点是操作困难，不易掌握，故主要应用于碳素工具钢制造的易开裂的工件，如丝锥等。,操作方法,：,特点及应用场合,：,马氏体分级淬 火：,将钢件奥氏体化后，随之浸入温度稍高或者稍低于Ms点的液态介质中，保持适当的时间，待钢件的内外层都达到介质温度后取出空冷以获得马氏体组织的淬火工艺。,通过Ms点附近的保温，使工件内外温差最小，可以减小淬火应力，防止工件变形和开裂。但由于盐浴的冷却能力较差，对碳钢零件，淬火后悔出现非马氏体组织，因此主要应用于淬透性好的合金钢或截面不大、形状复杂的碳钢工件,操作方法,：,特点及应用场合,：,贝氏体等温淬 火：,将钢件奥氏体化后，随之快冷到贝氏体转变温度区间（260,400,）等温保持，使奥氏体转变为下贝氏体的淬火工艺称为贝氏体等温淬火,主要目的是强化钢材，使工件获得较高的强度、硬度，较好的耐磨性和比马氏体好的韧性，可以显著地减少淬火应力，从而减少工件的淬火变形，避免淬火工件的开裂，常应用于各种中、高碳工具钢和低合金钢制造的形状复杂、尺寸较小、韧性要求较高的各种模具、成形刀具等工件,操作方法,：,特点及应用场合,：,.概念,淬透性,钢材被淬透的能力，或者说淬火时获得马氏体的能力,。,其大小是用规定条件下,淬硬层深度,来表示。,工件淬硬层与冷却速度的关系示意图,（a）零件截面的不同冷却速度;（b）未淬透区的示意图,a,b,(4)钢的淬透性与淬硬性,M量和硬度随深度的变化,淬硬层深度,由工件表面到半马氏体区(50%M+50%P)的深度。,如果工件中心在淬火后获得了50以上的M，则认为工件已经被淬透。,钢的淬透性,淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响,未淬透,淬透,HRC,HRC,钢的淬透性,、影响淬透性的因素,决定因素:,临界冷却速度;,取决于A成分。,因此使C曲线右移的元素均使淬透性提高;,奥氏体化温度越高,保温时间越长,则晶粒越粗大,成分越均匀,过冷奥氏体越稳定,C曲线越向右移,淬火临界冷却速度越小,钢的淬透性越好,钢的淬透性,注意区别：,钢的淬透性,钢材本身的固有属性，与外部因素无关,工件的淬透深度,取决于钢材淬透性,还与冷却介质、,工件尺寸等外部因素有关。,同一材料的,淬硬层深度,与工件的尺寸、冷却介质有关。工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。,淬透性,与工件尺寸、冷却介质无关。它只用于不同材料之间的比较。是在尺寸、冷却介质相同时，用不同材料的淬硬层深度来进行比较的。,钢的淬透性,注意区别：,淬透性和淬硬性,淬硬性:,钢在理想条件下淬火后所能 达到的,最高硬度。,影响因素:,主要,取决于马氏体的,含碳量。,马氏体硬度、韧性与含碳量的关系,C%,淬硬性与淬透性:,（两个完全不同的概念）,淬透性,淬硬性,钢 种,小,低,碳素结构钢(20),小,高,碳素工具钢(T12A),大,低,低碳合金结构钢,(20Cr2Ni4A),大,高,高碳高合金工具钢,(W18Cr4V),(5)淬透性的实际意义,1、对于截面承载均匀的重要件，要全部淬透。如螺栓、连杆、模具等。,选用,高淬透性,钢,2、对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透（淬硬层深度一般为半径的1/2,1/3），如轴类。,低淬透性,钢,淬硬层深度与工件尺寸有关，设计时应注意,尺寸效应,。,高强螺栓,柴油机连杆,齿轮,五、淬火缺陷,在热处理生产中，由于淬火工艺控制不当，常会产生氧化与脱碳、过热与过烧、变形与开裂、硬度不足及软点等缺陷。,五、钢的,淬火缺陷,五、淬火缺陷,缺陷名称,缺陷含义及产生原因,后果,防止与补救方法,氧化与脱碳,过热与过烧,钢在加热时，炉内的氧与钢表面的铁相互作用，形成一层松脆的氧化铁皮的现象称为氧化,脱碳是指钢在加热时，钢表面的碳与气体介质作用而逸出，使钢件表面含碳量降低的现象,钢在淬火加热时,由于加热温度过高或高温停留时间过长,造成奥氏体晶粒显著粗化的现象称为过热,若加热温度达到固相线附近，晶界已开始出现氧化和熔化的现象，则称为过烧,氧化与脱碳会降低钢件的表层的硬度和疲劳强度，而且还会影响零件的尺寸,工件过热后，晶粒粗大，使钢的力学性能(尤其是韧性)降低，并易引起淬火时的变形和开裂,在盐浴炉内加热，或在工件表面涂覆保护剂，也可在保护气氛及真空中加热,严格控制加热温度和保温时间，发现过热，马上出炉空冷至火色消失，再立即重新加热到规定温度或通过正火予以补救,过烧后的工件只能报废，无法补救。,五、淬火缺陷,缺陷名称,缺陷含义及产生原因,后果,防止与补救方法,变形与开裂,硬度不足,淬火内应力是造成工件变形和开裂的主要原因,由于加热温度过低、保温时间不足、冷却速度不够快或表面脱碳等原因，在淬火后无法达到预期的硬度,无法使用,无法满足使用性能,应选用合理的工艺方法,变形的工件课采取校正的方法补救，而开裂的工件只能报废,严格执行工艺规程,发现硬度不足，可先进行一次退火或正火处理，再重新淬火,软点,淬火后攻击表面有许多未淬硬的小区域,原因包括加热温度不够，局部冷却速度不足(局部有污物、气泡等)及局部脱碳,组织不均匀，性能不一致,冷却时注意操作方法，增加搅拌,产生软点后，可先进行一次退火，正火或者调质处理，再重新淬火,8.2 回火,回火,在A,1,线以下很宽温度范围内进行，是使淬火组织的亚稳定进一步向稳定状态转变过程，获得稳定的组织和性能，减少或消除淬火内应力。,回火目的：,提高淬火钢塑性和韧性，降低其脆性；,降低或消除淬火引起的残余应力；,稳定尺寸,一、回火时钢的组织转变,随温度升高，淬火组织将发生五个阶段变化：,马氏体中碳原子偏聚,（80100）,马氏体的分解（80250）,产物：M,回,残余奥氏体的转变（200300）,产物：M,回,（主要）+B,下,（微量）,碳化物析出和转变（250400）,产物：T,回,相状态变化及碳化物聚集长大（400),产物：S,回,一、回火时组织转变,按回火温度划分如下阶段，但各阶段也不是单独发生，而是相互重叠的。,1.碳原子偏聚（时效阶段）(80100以下),由于淬火马氏体为过饱和固溶体，晶格中有大量微观缺陷的亚稳态。,对位错马氏体，低温下C、N原子短程扩散到位错线附近,对孪晶马氏体，低温下C、N原子短程扩散聚集到某一晶面,2.马氏体分解（80-250 ）,高碳马氏体发生分解，马氏体中过饱和碳不断以碳化物形式析出，使马氏体碳含量降低。,低碳马氏体，低于150无碳化物析出，只有C偏聚,高于200，马氏体中可析出稳定碳化物；,产物：,回火马氏体。,性能：,保留淬火后高硬度,3.残余奥氏体分解（200-300 ）,淬火后的残余奥氏体是不稳定组织，在本阶段，残余奥氏体分解为低碳马氏体和碳化物，此组织为回火马氏体。,回火屈氏体,4.碳化物的转变（250-400 ）,亚稳碳化物将转变成为更加稳定的碳化物形式存在。,高碳钢,：,+,+（稳定的回火屈氏体）,中碳钢：,+（稳定的回火屈氏体）,低碳钢：,+（稳定的回火屈氏体）,5.相状态变化和碳化物聚集长大（400-700 ）,铁素体发生回复和再结晶为等轴状、碳化物球化粗化,回火索体。,主要发生如下变化：,内应力消除：,宏观区域性内应力（工件内外），550 全部消除；,微观区域性内应力（晶粒之间），500 基本消除；,晶格弹性畸变应力（碳过饱和），转变完即消除。,回复与再结晶：,回火使亚结构（位错、孪晶）消失；板条和片状马氏体特征保留（回复）、消失（再结晶）。,碳化物聚集长大：,原棒状、片状、粒状渗碳体消失、溶解，并逐渐球化长大，越来越粗大。,回火索氏体,二、回火组织机械性能,回火组织机械性能取决于回火组织,（,请同学们自己根据上述内容进行总结,）,硬度,强度,三、合金元素对回火的影响,提高钢的回火抗力,引起二次硬化,四、回火脆性,在某些温度区间回火时，钢的韧性显著下降的现象。,第一类（低温）回火脆性:,是指淬火钢在250-350回火时出现的脆性。,这种回火脆性是不可逆的，只要在此温度范围内回火就会出现脆性，目前尚无有效消除办法。,除弹簧钢之外，其它零件淬火后应避免在250,350回火。,第二类（高温）回火脆性：,（500650）,是指淬火钢在500-650范围内回火后缓冷时出现的脆性。回火后快冷不出现。,多发生在含Cr、Ni、Mn、Si等元素的合金钢中，,是一种可逆性的回火脆性。,预防措施：,（1）高温回火后，在水中快速冷却。,一般适用于较小截面的零件。,（2）加入降低回火脆性倾向的元素Mo或W。,适用大截面零件或合金钢(如Cr-Ni钢等)。,五、回火的工艺,包括：加热温度,保温时间,冷却方法,回火温度的确定,1、低温回火,回火温度：,150250,组织转变：,从马氏体中,析出细片状,-碳化物；A,R,分解为,-碳化物低碳M。,这种在马氏体基体上分布着细片状碳化物的组织称为回火马氏体，用M,回,表示。,目的：,保留淬火后高硬度、,高耐磨性的同时，,降低内应力，提高韧性。,用途：,处理各种工具、模具、量具、轴承及经渗碳和表面淬火的工件。,2、中温回火,回火温度：,350-500,组织转变：,-碳化物转变为Fe,3,C。到350,马氏体中的,含碳量已降到铁素体的平衡成分，内应力大量消除。,回火屈氏体,M,回,转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状Fe,3,C的组织，称为回火屈氏体，用T,回,表示。,回火屈氏体组织具有较高的弹性极限和屈服极限，并具有一定的韧性，硬度一般为3545HRC。,主要用于各类弹簧的热处理。,汽车板簧,热卷弹簧,回火索氏体,3、高温回火,回火温度：,500-650,组织转变：,Fe,3,C发生聚集长大，铁素体发生多边形化。,这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe,3,C的组织称,回火索氏体,，用,S,回,表示。,回火索氏体组织具有良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。,通常把淬火高温回火的热处理工艺称作,“调质处理”,，简称“调质”。,调质广泛用于连杆、轴、齿轮等各种重要结构件的处理。也可作为精密零件、量具等的预备热处理。,柴油机连杆,用途,组 织 性 能,温度(),名 称,耐磨件,回火马氏体 高硬度,5864HRC,150250,低温回火,弹簧等,回火屈氏体 高弹性,3545HRC,350500,中温回火,调质件,回火索氏体 良好综合,力学性能,500650,高温回火,淬火+高温回火,=,调质处理,调质处理用于各种重要结构零件，如轴、连杆等,回火索氏体和索氏体在组织和性能上的差别,回火索氏体性能,优于索氏体,回火马氏体和下贝氏体在性能上的差别,下贝综合性能优于,回火马氏体,六、回火方法,普通回火,局部回火,电热回火,自回火,带温回火,习题：,1、钢在加热时，由于加热不当常出现那些缺陷？,2、高碳钢淬火时容易变形和开裂的原因时什么？,如何减少淬火冷却过程中的变形和开裂？,3、回火可以分为哪三种？分别适用于哪三类零件？,4、什么是钢的淬透性，淬硬性？影响钢的淬透性，淬硬性及淬透层深度的因素是什么？,5、,试述亚共析钢和过共析钢淬火加热温度的选择原则。为什么过共析钢淬火加热温度不能超过Accm线？,6、简述碳钢在回火时的组织转变过程及相应性能变化，并简述合金元素对于回火转变的影响,7、何为第一类回火脆性和第二类回火脆性?如何消除？,8、什么是淬火临界冷却速度？,9、仓库内现有三批直径均为30mm的40钢，40CrMnMo钢，9CrSi钢，由于种种原因已无法分辨，请采用热处理的方法将它们区分开来，并说明其原因。,10、判断题,（1）过冷奥氏体的冷却速度越快，钢冷却后的硬度越高。,（2）低碳钢淬火后，只有经高温回火才可能获得优良的力学性能。,（3）钢中合金元素愈多，则淬火后的硬度愈高。,（4）本质细晶粒钢加热后的实际晶粒一定比本质粗晶粒钢细,（5）同一种钢材在相同的加热条件下，水淬比油淬的淬透性好，小尺寸零件比大尺寸零件的淬透性好。,11、以共析钢为例，说明将其加热奥氏体化后立即随炉冷却、在空气中冷却和在水中冷却，各会得到什么组织？其力学性能有何差异？,12、指出下列工件在淬火后回火时采用的回火温度，并说明其大致的硬度。,(1)45、40Cr钢(要求较高的综合力学性能)；,(2)60、65钢(60Si2Mn)钢弹簧；,(3)T12、T10钢锉刀；,