第五章-钢的热处理工艺(课件含习题和答案).pptx

一般要求1.钢在加热和冷却时组织转变的机理；2.各种热处理的具体工艺过程；3.钢在加热和冷却过程中产生的缺陷；热处理热处理把固态金属材料通过一定的加热，保温和冷却以改变其组织和性能的一种工艺。热处理工艺的分类常规热处理(退火、正火、淬火和回火），表面淬火及化学热处理。教学内容5.1钢在加热时的组织转变5.2钢在冷却过程中的组织转变53钢的退火与正火工艺5.4钢的淬火与回火5.5钢的表面热处理5.6钢的化学热处理“钢的热处理钢的热处理”练习题练习题5.1钢在加热时的组织转变一、共析钢的奥氏体化（晶格改组和Fe，C原子的扩散过程，遵循形核、长大规律）1共析钢奥氏体化温度2共析钢奥氏体化过程a.形核（优先在相界（F，Fe3C）b.长大c.渗碳体完全溶解d.碳的均匀化二、亚（过）析钢的奥氏体化三、影响奥氏体化的因素1加热温度TA化(D浓度梯度大）2加热速度转变开始温度，转变时间3含碳量C%界面多核心多转变快4合金元素a.Cr、M0、W、V、Nb、Ti强碳化物形成元素，奥氏体形成速度b.C0、Ni非碳化物形成元素，奥氏形成速度c.Al、Si、Mn影响不太5原始组织片状，片间距小相界面多碳弥散度大碳原子扩散距离短奥氏体形核长大快粒状四、奥氏体晶粒大小及控制1晶粒度:表征晶体内晶粒大小的量度，通常用长度，面积，体积或晶粒度级别表示。2起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度本质晶粒度：钢奥氏体晶粒长大的倾向。奥氏体晶粒随温度的升高而且迅速长大本质粗晶钢奥氏体晶粒随温度升高到某一温度时，才迅速长大本质细晶钢3奥氏体晶粒度的控制a.加热工艺加热温度，保温时间b.钢的成分合金化A中C%晶粒长大MxC%是粒长大1)碳化物形成元素细化晶粒2）Al本质细晶钢3）Mn、P促进长大5.2钢在冷却过程中的组织转变一、过冷奥氏体的等温转变二、影响C曲线的因素三、过冷奥氏体的连续冷却转变图一、过冷奥氏体的等温转变1共析钢过冷A等温转变曲线。冷却到一定温度，保温，测量A过冷转变开始和终了时间A1以上：A稳定A1以下：A不稳定，过冷C曲线有一最小孕育期：1：T，AP的驱动力F提高2：TD2共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和特征（1）高温转变区A1鼻子温度（5500C）A过冷P（S，T）索氏体，屈氏体。P的形成取决于生核，长大速率。T，生核，长大。T6000C，D，长大慢层间距薄，短扩散型相变，综合性能好，HB较低，韧性好。THB，强度（2）中温区转变，贝氏体转变550230（MS）A过冷B，碳化物分布在含过饱和碳的F基体上的两相机械混合物550350上贝氏体半扩散型，Fe不扩散羽毛状碳化物在F间，韧性差350MS下贝氏体C原子有一定的扩散能力针状碳化物在F内，韧性高，综合机械性能好（3）低温区转变马氏体转变，MSMf之间一个温度范围内连续冷却完成的，离于非扩散型转变。a.A过冷M+A残余b.转变产物：马氏体M，碳在-Fe中的过饱和固溶体。C%1.0%，针状，马氏体c.实质：T低C无法扩散非扩散性晶格切变过饱和C的铁素体。d.M转变的特征，无扩散性瞬时性存在Ms,Mf不完全性体积膨胀M的形态与含碳量的关系C%针状M%M的硬度与含碳量的关系C%HRCM转变温度与含碳量的关系C%A%A含量与含碳量的关系C%A%3共析钢等温转变组织性能的关系（1）珠光体型转变温度降低，片间距小，细晶强化强度、硬度、塑性、韧性提高（2）贝氏体B上：强度、韧性差B下：硬度高，韧性好，具有优良的综合机械性能（3）马氏体硬度高C%HRC针状马氏体，硬而脆，塑、韧性差板条状，强度高，塑性，韧性好二、影响C曲线的因素C曲线反映奥氏体的稳定性及分解转变特性，这些取决于奥氏体的化学成分和加热时的状态。C曲线的形状位置，不仅对过冷奥氏体等温转变速度和转变产物的性能具有重要意义，而且对钢的热处理工艺也有指导性作用。（一）A成分1含碳量A中C%C曲线右移.对亚共析钢，钢中C%，A中C%C曲线右移对过共析钢，一般在AC1以上A化，钢中C%，未溶Fe3C有利于形核C曲线左移共析钢，C曲线最靠右边，稳定性最高。2合金元素，（C0%左移）C0以外，所有合金元素溶入A中，增大过冷A稳定性右移非碳化物形成元素，Si,Ni,Cu,不改变C曲线形状强碳化物形成元素，Cr,Mo,W,V,Nb,Ti,改变C曲线形状除C0,Al外，均使Ms,Mf下降，残余A（二）A化条件的影响1加热温度和时间A化温度，时间（成分均匀，晶粒大，未溶碳化物少，形核率降低）A稳定性，C曲线右移三、过冷奥氏体的连续冷却转变图PS：AP开始线Pf：AP终止线K：珠光体型转变终止线Vk：上临界冷却速度（马氏体临界冷却速度）M最小冷速Vk：下临界冷速完全P最大冷速2连续冷却转变曲线和等温转变曲线的比较（1）CCT位于TTT曲线右下方AP转变温度低一些，t长一些（2）CCT无AB转变CCT测定困难，常用TTT曲线定性分析3C曲线的应用（1）根据工件要求，确定热处理工艺。（2）确定工件淬火时的临界冷速。（3）可以指导连续冷却操作V1:炉冷（退火）PV2:空冷，S，TV3：空冷，S，TV4：油冷，T+M+AV5：M+A（4）选择钢材的依据（5）C曲线对选择淬火介质与淬火方法有指导。53钢的退火与正火工艺一、退火（将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。）1完全退火加热温度：Ac3以上20-30度组织：P+F目的：细化，均匀化粗大、不均匀组织接近平衡组织调整硬度切削性消除内应力应用范围：亚共折钢，共析钢，不适用于过共析钢。2球化退火（不完全退火）加热温度：Ac1以上20-40度应用范围：过共析钢，共析钢组织：球状P（F+球状Cem）目的：使Cem球化HRC，韧性切削性为淬火作准备3扩散退火（均匀化退火）1050-1150，10-20h,P+F或P+Fe3CII目的：消除偏析后果：粗大晶粒（应用完全退火消除）4再结晶退火加热温度：Ac1以下50-150度，或T再+30-50度目的：消除加工硬化5去应力退火500-6505.去应力退火去应力退火钢的各种退火工艺比较钢的各种退火工艺比较 退火工艺退火工艺 加热温度加热温度 退火目的退火目的 说明说明 完全退火完全退火 Ac3+2030 细化晶粒，均匀化组织细化晶粒，均匀化组织 降低硬度降低硬度 切削性切削性 消除内应力消除内应力 适于亚共析、共析钢适于亚共析、共析钢 球化退火球化退火 Ac1+2030 使使Cem球化球化HRC，韧性，韧性 ，切削性，切削性为淬火作组为淬火作组 织准备织准备 适于过共析、共析钢。适于过共析、共析钢。退火组织：球状退火组织：球状P（F+球状球状Cem）扩散退火扩散退火 略低于略低于 固相线固相线 消除成分偏析消除成分偏析 又叫又叫 均匀化退火均匀化退火 等温退火等温退火 Ac1 或或 Ac3+2030 缩短退火时间缩短退火时间 在鼻尖在鼻尖 温度等温冷却温度等温冷却 再结晶退火再结晶退火 TR+30 50 消除加工硬化消除加工硬化 去应力退火去应力退火 500650 消除内应力消除内应力-二、正火（空冷）AC3或Accm+30-50组织：S+（F或Fe3C）应用：（1）作最终热处理，普通结构钢零件目的：a.细化A晶粒，组织均匀化b.减了亚共析钢中F%P%，细化强度，韧性，硬度（2）预先热处理a.消除魏氏组织，带状组织；细化组织为淬火、调质作准备b.使过共析钢中Fe3CII使其不形成连续网状，为球化作准备（3）改善切削加工性能三、退火、正火的选择正火：冷速快，材料组织细化，机械性能好1切削加工低、中碳钢正火中高碳刚，合金工具钢完全退火，球化退火2作为最终热处理正火3为最终热处理提供良好的组织状态工具钢正火+球化退火结构钢正火返修件退火5.4钢的淬火与回火一、淬火二、钢的淬透性三、回火一、淬火加热到AC3、AC1相变温度以上，保温，快速冷却M+A1淬火温度的决定亚共析钢Ac3+30-50度共析钢Ac1+30-50度过共析钢Ac1+30-50度淬火温度过高A粗大M粗大力学性能，淬火温度过高A粗大M粗大淬火应力变形，开裂2加热时间升温、保温3淬火介质6500C以上，慢，减小热应力650-4000C，快，避免C曲线4000C以下，慢，减轻相变应力二、钢的淬透性1淬透性；淬火条件下得到M组织的能力，取决于VK（上临界冷却速度）2淬硬性，钢在淬火后获得硬度的能力，取决于M中C%，C%淬硬性3影响淬透性的因素VK，C曲线C%亚共析钢C%淬硬性，过共析钢C%淬硬性奥氏体化温度Tt淬透性合金元素除Co%以外，C曲线右移，淬透性未溶第二相淬透性4淬透性的应用（1）根据服役条件，确定对钢淬透性的要求选材的依据（2）热处理工艺制定的依据（3）尺寸效应三、回火1回火目的a.消除淬火应力，降低脆性b.稳定工件尺寸，由于M，残余A不稳定c.获得要求的强度、硬度、塑性、韧性。2钢在回火时的组织转变a.马氏体分解（800C-3000C）析出e碳化物（亚稳定）回火组织为：过饱和a固溶体十亚稳定e碳化物（极细的）回火M（M）晶格畸变降低，淬火应力有所下降。b.残余A有分解200-3000CAMc.碳化物的聚集长大2800Ce碳化物Fe3C片细粒状Fe3Cd.铁素体的回复与再结晶3回火工艺组织一性能关系（及应用）3回火工艺组织一性能关系（及应用）（1）回火马氏体1500C-3500C回火极细的e碳化物和低过饱和度a固溶体，形态基本不变（2）回火屈氏体T350-5000C马氏体形F+细粒状Fe3C（3）回火索氏体S500-6000C再结晶等轴F+粗粒状Fe3C（4）球状P6500CAC1粗大球状Fe3C+F（5）回火温度与机械性能的关系200度以下，HRC不变。200-300度，M分解，残余A转变为马氏体，硬度降低不大，高碳钢硬度有一定的升高。300度，HRC降低。韧性：400度开始升高，600度最高。弹性极限：在300-400度最高。塑性：在600-650度最高。高碳回火马氏体：强度、硬度高、塑性、韧性差低碳回火马氏体：高的强度与韧性，硬度、耐磨性也较好回火屈氏体：层服强度与弹性极限高回火索氏体：综合机械性能。4合金元素对回火转变的影响a.提高回火稳定性回火稳定性：指钢在回火时，抵抗回火造成软化的能力b.产生二次硬化一些Mo、W、V含量较高的钢回火时，硬度并不随回火温度的升高单调降低，而是在某一温度（约4000C）后反而开始增大，并在另一更高温度（5500C）达到峰值。c.增大回火脆性回火脆性：指随回火温度升高时，在250400和450-650两个区出现冲击韧性明显下降的脆化现象。5回火工艺及其应用回火类型回火温度组织性能及应用组织形态低温回火150250回火M（M）保持高硬度，降低脆性及残余应力，用于工模具钢，表面淬火及渗碳淬火件过和a-Fe+e碳化物中温回火350-500回火屈氏体（T）硬度下降，韧性、弹性极限和屈服强度，用于弹性元件保留马氏体针形F+细粒状Fe3C高温回火500-650回火索氏体（S）强度、硬度、塑性、韧性、良好综合机械性能，优于正火得到的组织。中碳钢、重要零件采用。多边形F+粒状Fe3C淬火+高温回火调质处理5.5钢的表面热处理表面淬火：不改变表面化学成分，只改变其表面组织的局部热处理方法。表面淬火不改变心部组织，利用快速加热将表层A化后进行淬火。目的提高表面强、硬度，耐磨性及疲劳极限，保持心部良好的塑韧性化学热处理将工件置于特定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，从而通过改变表层的化学成分和组织来改变其性能。分类渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铬、渗铝等集肤效应表面加热一、感应加热表面淬火1原理交变磁场感应电流工件电阻加热，2分类a.高频200-300KHz，淬硬深度0.5-2mm小工件b.中频2500-8000Hz淬硬深度2-5mm尺寸较大的工件c.工频50Hz淬硬深度10-15mm大型工件d.超音频30-40KHz感应加热表面淬火3钢种中碳钢和中碳低合金钢4特点a.加热速度快几秒几十秒b.加热时实际晶粒组小，淬火得到极细马氏体，硬度，脆性c.残余压应力提高寿命d.不易氧化、脱碳、变形小e.工艺易控制，设备成本高5工艺路线锻造退火式正火粗加工调度精加工表面淬火低温回火（粗磨时效精磨）5.6钢的化学热处理一、渗碳AC3以上；9009500C，低碳钢1目的及应用提高表面硬度，耐磨性，而使心部仍保持一定的强度和良好的塑性和韧性2钢种低碳钢，低碳合金钢3渗碳工艺-组织-性能关系加热温度，保温时间污碳层厚度（1）直接淬火奥氏体晶粒大，马氏体粗，残余A多，耐磨性低，变形大。只适用于本质细晶钢或耐磨性要求低和承载低的零件。（2）一次淬火心部要求高AC3以上表面要求高，AC1以上30-500C（3）二次淬火第一次，改变心部组织AC3以上30-500C第二次，细化表面组织AC1以上30-500C4加工工艺路线锻造正火切削加工渗碳直接淬火（一次淬火，二次淬火）低温回火喷丸磨削二、氮化（含AlCr,Mo，V的钢）工件表面渗入氮原子，以提高硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性。氮化温度低、时间长渗层薄；氮化前调质处理、氮化后无须淬火。1氮化温度低2时间长3氮化前调质4最后工序.“钢的热处理钢的热处理”练习题（一）练习题（一）1.共析钢加热到相变点以上，用图图1的冷却曲线冷却，各应得到什么组织？各属于何种热处理方法？2.T12钢加热到Ac1以上，用图2的各种方法冷却，分析其所得到的组织。3.残余奥氏体对钢淬火后的性能有何影响？用什么方法可以减少残余奥氏体的数量？4.45钢经调质处理后要求硬度为HB220250，但热处理后发现硬度偏高，问能否依靠减慢回火时的冷却速度使其硬度降低？若热处理后硬度偏低，能否靠降低回火时的温度，使其硬度提高？说明其原因。思考题思考题1.淬硬性和淬透性有什么不同？决定淬硬性和淬透性的因素是什么？2.淬火内应力是怎样产生的？它与哪些因素有关？1.共析钢加热到相变点以上，用图图1的冷却曲线冷却，各应得到什么组织？各属于何种热处理方法？答：aM+A；单液淬火bM+A；分级淬火cT+M+A油冷淬火d下B；等温淬火eS；正火fP；完全退火gP；等温退火2.T12钢加热到Ac1以上，用图2的各种方法冷却，分析其所得到的组织。答：aM+A+Fe3Cb下B+M+A+Fe3Cc下B+Fe3C3.残余奥氏体对钢淬火后的性能有何影响？用什么方法可以减少残余奥氏体的数量？答：残余奥氏体降低钢的硬度、耐磨性及钢件的尺寸稳定性。减少残余奥氏体的数量的方法回火及冷处理。4.45钢经调质处理后要求硬度为HB220250，但热处理后发现硬度偏高，问能否依靠减慢回火时的冷却速度使其硬度降低？若热处理后硬度偏低，能否靠降低回火时的温度，使其硬度提高？说明其原因。答：不能依靠减慢回火时的冷却速度使其硬度降低，因为回火时的冷却速度对回火组织基本上没有影响。可以通过降低回火温度的方法，使硬度提高。因为回火温度越低，M分解和碳化物长大的速度越慢，硬度下降就越小。思考题思考题1.淬硬性和淬透性有什么不同？决定淬硬性和淬透性的因素是什么？答：淬硬性钢在淬火后获得硬度的能力，取决于M中C%，C%淬硬性淬透性淬火条件下得到M组织的能力，取决于VK（临界冷却速度）。2.淬火内应力是怎样产生的？它与哪些因素有关？答：淬火内应力分为热应力和组织应力，与工件尺寸、形状、冷速，以及材料的成分（淬透性）等因素有关。热应力由工件表里冷速不同引起。组织应力由工件表里相变时间先后不同引起1.人工时效人工时效：由于零件的内应力或组织不稳定，将影响其使用，为此把此零件加热到一个较低的温度，保温较长时间，以削除应力，稳定组织的一种热处理措施，主要用在灰铸铁铸造后在、钢淬火后或铝合金固溶处理后。5.冷冷处处理理：钢淬火后，把之进一步冷却到室温以下，甚至冷却到-60-80，以降低残余A含量，增加M含量，达到提高硬度、稳定尺寸的目的。调调质质处处理理：即淬火+高温回火高温回火回火索氏体（S）强度、硬度、塑性、韧性、良好综合机械性能，优于正火得到的组织。中碳钢、重要零件采用。5.实实际际晶晶粒粒度度：钢在具体的加热条件下获得的A晶粒的大小，它直接影响热处理后材料的性能。1 1、下下贝贝氏氏体体：钢在等温淬火时获得的组织，此时等温冷却温度在中温转变区的下部，温度较低，C原子扩散能力不强，析出的碳化物在F晶粒内，此即为下贝氏体，针状，韧性高，综合机械性能好。2 2、再再结结晶晶退退火火：把冷塑性变形后的钢加热到T再+30-50度，使之产生再结晶，目的：消除加工硬化。4 4、起起始始晶晶粒粒度度：指钢在热处理是，加热过程中，A刚刚形成时的晶粒度，此时晶粒往往很细小，但难以测定，没有什么实际的意义。3.钢淬火后为什么必须进行回火。答：回火目的：a.消除淬火应力，降低脆性b.稳定工件尺寸，由于M，残余A不稳定c.获得要求的强度、硬度、塑性、韧性。4、比较铝合金的固溶处理与钢的淬火的异同点。答：不同点：铝合金的固溶处理过程中没有同素异构现象，钢的淬火过程中有同素异构现象。相同点：两者都是加热到一定温度，使固溶体中含有更多的合金元素，保温适当时间后，都是快速冷却，使固溶体中含有过饱和的合金元素，从而提高强度、硬度，塑性、韧性会下降；两者得到的组织都是不稳定的，需进行后续的热处理。