金属材料热处理工艺.pptx

按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,#,4.3,金属材料热处理工艺,Heat Treatment Metallic Materials,4.3.1,退火与正火,（,Annealing and normalizing,）,4.3.2,淬火与回火,（,Quenching and tempering,）,4.3.3,钢的淬透性,（,The hardenability of steel,）,本节授课的,重,点,：,1.,各种普通热处理工艺（,即退火、正火、淬火及回火,）的类别，主要目的，适用材料及相应的组织状态（以自学为主）；,2.,淬透性的有关概念（学习重点与难点）,（,1,）有关淬透性的概念；,（,2,）淬透性对钢力学性能的影响；,（,3,）影响淬透性的主要因素；,（,4,）淬透性的表示方法；,（,5,）淬透性的实际意义。,4.3,金属材料热处理工艺,Heat treatment process of metallic materials,强化,4.3.1,退火与正火,(,Annealing and normalizing),1.,定义、目的,把工件加热至临界点,Ac1(,或,Accm),以上或以下，保温一定时间后，使其缓慢冷却,(,生产中随炉冷却,),以获得接近平衡状态的组织，这种热处理工艺称为,退火,。,而,正火,(,常化,),是将钢件加热至,Ac3(,亚共析钢,),或,Accm(,过共析钢,),以上,30,50,，经保温后在空气中冷却的热处理工艺。,正火与退火的主要区别,在于冷却速度不同，正火冷却速度较快，得到的组织较细，硬度、强度、韧性等也较高。,当碳钢中,W(C),0.6%,时，正火后的组织为,F+S;,当,W,（,C,）,=0,6%,1,4%,时，正火后组织为,S(,伪共析组织,),。,4.3.1,退火与正火,(,Annealing and normalizing),1.,定义、目的,退火和正火的目的,大致可归纳为如下几点,:,（,1,）调整硬度以便进行切削加工。因为工件经铸造或锻造等热加工后，硬度常偏高或偏低而且不均匀，严重影响切削加工。而经适当退火或正火后可使钢件的硬度调整至,170,250HBW,范围且比较均匀，从而改善了切削加工性。,（,2,）消除残余内应力，以防钢件在淬火时产生变形或开裂。,（,3,）细化晶粒、改善组织以提高钢的力学性能。,（,4,）为最终热处理,(,淬火、回火,),作好组织上的准备。,4.3.1,退火与正火,(,Annealing and normalizing),2.,退火与正火的种类、工艺特点及适用范围,4.3.1,退火与正火,(,Annealing and normalizing),2.,退火与正火的种类、工艺特点及适用范围,图,4.35,（,a,）各种退火与正火工艺的加热温度,4.3.2.,淬火与回火,(Quenching and tempering),淬火工艺,是将钢加热至临界点,(Ac3,或,Ac1),以上，保温后以大于,VKC,的速度冷却，使,A,转变为,M(,或,B,下,),的热处理工艺,;,而,回火,则系指将淬火后的钢加热至,A,1,以下的某一温度后进行冷却的热处理工艺。,一般淬火工件必经过回火后方能使用。,淬火与回火总是经常配合使用的两种应用最广且最重要热处理工艺。,淬火的目的,就是为了获得,M(,或,B,下,),，以提高钢的力学性能。淬火钢件,回火的目的在于,:,(1),降低脆性，减少或消除内应力，防止变形开裂,;,(2),调整淬火钢的组织与性能，用不同的回火温度配合，获得工件使用要求的性能,;,(3),稳定工件尺寸，以保证工件在使用过程中不发生尺寸和形状变化。,(4),对某些高淬透性合金钢，空冷便可淬成,M,，如采用退火软化，则周期很长。此时可用高温回火，使,K,聚集长大，降低硬度，以利切削加工，同时可缩短软化周期。,对有色金属、,A,不锈钢等，固溶处理习惯称淬火。,图,4.21,共析碳钢的,CCT,曲线,1.,淬火工艺特点,（）淬火加热温度的选择,其主要原则是获得均匀细小的,A,组织。一般规定淬火加热温度在临界点以上,30,50,。,对于亚共析碳钢，淬火加热温度为,Ac,3,+30,50,，淬火组织为,M,。当,Wc,0.5%,时淬火组织中还有少量,Ar;,对于共析钢和过共析碳钢，淬火加热温度为,Ac,1,+30,50,，,淬火后的组织为,M+Fe,3,C+Ar,，分散分布的未溶颗粒状渗碳体对钢的硬度和耐磨性有利。,图,4.,碳钢的淬火加热温度范围,图,4.,奥氏体的碳含量对,M,转变温度（,a,）及,AR,量（,b,）的影响,1.,淬火工艺特点,（,2,）淬火冷却介质,合理选择淬火冷却介质是淬火工艺的重要问题。为保证得到,M,组织，淬火冷却速度必须大于,V,KC,，但快冷不可避免地会造成很大内应力，往往会引起工件变形和开裂。要想既得到,M,又避免变形开裂，理想的淬火冷却曲线,如右图,4-36,所示,。即在,C,曲线拐点附近其,V,冷,V,KC,。而在拐点以下，,M,S,点附近，则应尽量慢冷，以减少,M,转变时产生的内应力。工业上常用的淬火冷却介质是水、盐水、油等。,图,4.36,淬火时的理想冷却曲线示意图,表,4.,常用淬火介质及其冷却特性,1.,淬火工艺特点,（,3,）淬火方法,目前还没有理想的淬火介质，在实际生产中应根据淬火件的具体情况采用不同的淬火方法，以尽量取得好的淬火效果。常用淬火方法的冷却方式与特点等,如图,4-37,及表,4-6,所示,。,表,4-6,常用淬火方法的种类、冷却特点和应用,图,4.37,各种淬火冷却曲线示意图,2.,回火的种类及适用范围,回火温度对,50,钢力学性能的影响图,（,a,）,wC,0.82,的钢 （,b,）,wC,0.2,的钢,钢的力学性能与回火温度的关系图,2.,回火的种类及适用范围,图,4.30,钢的冲击韧度与回火温度关系,2.,回火的种类及适用范围,表,4.7,回火种类、温度范围、组织形态、性能特点及应用,例题,4-1,共析碳钢在例题图,.,所示方法冷至室温后的转变组织为何？,i.,分析,本题旨在检查是否正确掌握利用,C,曲线来近似分析不同热处理工艺（冷却）条件下获得转变产物（组织）的方法。,冷却速度条件下，,由于冷速缓慢，当缓冷至点,i,时，,A,开始转变为,A,+P,组织，继续缓冷至点,ii,以下时，会得到全部,P,组织。,冷却速度，,表面观察该冷却速度曲线似乎已切割了,C,曲线。但仔细分析，在临界点以上的那一段缓慢冷却实属保温时间，此时该合金的组织仍为稳定,A,，它如同仍在左上角,O,点一样，此时,A,并不会发生分解。只有继续快速冷却，当其实际,V,V,KC,时，就一定会获得,M,组织。现可从,O,点作,V2,的平行线,V4,，并判断其,V4,是否大于,V,KC,。很显然此处,V,4,V,KC,，故,V2,下最终的组织为,M+A,R,。,在冷却速度曲线的中下方有一水平台阶，,它相当于等温冷却，此冷却线与,A,等温冷却转变开始线的下半部分相交，说明会产生部分,B,下,转变，当又继续快速冷却时，剩余的,A,将转变为,M+A,R,。,在冷却速度条件下，,由于其冷速大于,V,KC,，故所获得组织应为,M+AR,。,例题图,4.1 C,曲线的应用,例题,4-1,共析碳钢在例题图,.,所示方法冷至室温后的转变组织为何？,ii.,解答,获得组织：,P,；,M+A,R,；,B,下,+M+A,R,;,M+A,R,。,iii.,归纳,初学者易产生的错误可概括为：,只获得,B,下；,下，获得,P,或,P+M,。这说明仅从形式上认识冷却速度曲线与,C,曲线关系是远远不够。对于,，开始的近乎水平似的冷却可看成是保温，因而就如同从,O,点开始一样，如再做一条平行线,平行于,，就很容易看出只能会得到,M+A,R,组织。对于,，当,A,在等温冷却阶段仅有部分转变为,B,下,，继续快速冷却时尚未转变的,A,随即又转变为,M+A,R,，这里关键是应明确钢的冷却转变实质上是,A,的转变，当,A,遇到第一条,C,字时即开始发生,B,下,转变，但还未与第二条,C,字相遇，这说明仍有部分,A,，因而在快速冷却时会继续转变。,该题所反映出来的问题是大多数初学者都会遇到的普遍性问题，它说明对于,C,、,CCT,曲线的含义还未真正搞清。另外，冷却速度曲线与不同热处理工艺相对应，掌握它更具实际应用意义。这亦需要引起学习者足够重视。,iv.,请思考：,若要获得,T+M+AR,组织，请在图中绘出所选择的相应冷却速度曲线？,例题图,4.1 C,曲线的应用,例题,4-2,在分析共析钢正火作用时，应根据曲线、曲线还是,e,e3,相图？,i.,分析,本题旨在检查正火的定义是否真正理解。所谓正火，即把钢件加热至,Ac3,或,Accm,以上，经一定时间保温后取出空冷，以期获得索氏体组织的一种热处理工艺操作。从定义的叙述中，可体会到正火包含加热过程，保温，冷却过程。,加热，就需要确定具体的加热温度范围，这就需要借助于变化了的,e,e3,相图；,冷却过程是在空气中进行的，那就需要根据,CCT,曲线来分析了，但由于,C,曲线和,CCT,曲线存有共同的理论基础，如果手头没有,CCT,曲线（因其测定较困难），因而可根据,C,曲线近似地估计正火连续冷却时的转变产物。,例题,4-2,在分析共析钢正火作用时，应根据曲线、曲线还是,e,e,3,相图？,ii.,解答,在分析共析钢的正火作用时，确定正火的加热温度范围时应依据变化了的,Fe-Fe3C,相图；当判断正火的冷却组织时则应依据,CCT,曲线来分析。,若查不到有关,CCT,曲线的资料时，则可利用,C,曲线近似地估计正火冷却时的组织。,iii.,归纳,正火的定义可能人人都会背，但深入理解正火的作用并非易事，决不能只知其一就算了事。既要考虑加热温度范围，又要分析冷却过程中的变化，还要与该钢的,C,、,CCT,曲线结合起来综合考虑。对于其它的热处理工艺亦是一样。,iv.,请思考：,若,45,钢，,T12,钢正火处理后，分别将获得何种类型的组织呢？,请带着以下问题学习,“,钢的淬透性,”,：,1.,有关淬透性的概念,（,1,）何谓淬透性？（,2,）淬透性大小是如何确定的？,（,3,）确定淬硬层深度的组织标准是什么？,（,4,）淬透性与淬硬性、淬硬层深度的区别又是什么？,2.,淬透性对钢力学性能产生如何影响？,（,1,）强度（,b,、,s,）、硬度（,HBS,）与塑、韧性（,K,）等,（,2,）疲劳强度（,-1,）与屈强比（,s,/,b,）,3.,影响淬透性的决定性因素与主要因素分别是什么？,（,1,）决定性因素,V,KC,（,2,）钢的化学成分,碳含量与合金元素含量,（,3,）钢的奥氏体化条件,4.,淬透性的表示方法是什么？,（,1,）末端淬火法（,J,）；（,2,）临界直径法（,D,C,）,5.,淬透性的实际意义又在何处？,4.3.3,钢的淬透性,（,The hardenability of steel,）,网带式淬火炉,淬透性,是钢的主要热处理工艺性能，,它,对合理选材及正确制订热处理工艺，具有十分重要的意义。,4.3.3,钢的淬透性,（,The hardenability of steel,）,现有一,60mm,的,45,钢坯棒料，加热到奥氏体化温度水淬，击断后观察其断口，可看到沿外表面一圈呈脆性的细瓷状和心部呈韧性的纤维状的双层结构；若将断口磨平依次测量硬度，可以发现试棒表面硬度高（压痕小而浅）而心部硬度低（压痕大而深），,如左下图所示,。,观察其断口金相组织，发现试棒表面是,M,组织，靠内是,T,组织，从表面至心部其,M,数量是逐渐减少的，,如右下图所示,。,45,钢未淬透断口及沿断面硬度压痕大小,断面上,M,的分布情况（金相组织及分布曲线）,4.3.3,钢的淬透性,（,The hardenability of steel,）,由于工件截面中心的冷却速度钢的,V,KC,，工件就会淬透。而工件淬火时表面冷速最大，心部冷速最小，由表面至心部冷速逐渐降低,（见右图所示）。,只有冷速,V,KC,的工件外层部分才能得到,M,（,右图中阴影部分,），这就是工件的淬透层。而冷速,V,KC,的心部只能获得,非,M,组织，,这就是工件的未淬透区。,图,4.,工件截面不同冷速（,a,）与未淬透区（,b,）示意图,1.,有关淬透性的概念,图,4.,M,量和硬度随深度的变化,所谓,淬透性,系指钢在淬火时获得淬透层深度的能力，是钢材本身固有属性。其大小通常以规定条件,（指规定尺寸和形状的钢试样，在规定淬火冷却条件下淬火）,下淬透层的深度来表示。,对结构钢：,淬透层深度,是指由工件表面到半马氏体区,(50%M+50%P),的垂直距离。,注意区分,淬透性,与,淬硬性,淬硬性,是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力,.,它主要取决于马氏体的碳含量。,注意区分,淬透性,与具体淬火条件下的,淬透层深度,淬透性,与,淬透层深度,的关系,同一材料的,淬透层深度,与工件尺寸、冷却介质有关。工件尺寸小、介质冷却能力强，,淬透层深度,就要大。,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，是通过尺寸、冷却介质相同时的,淬透层深度,来确定的。,2.,淬透性对钢力学性能的影响,钢的淬透性,直接影响其热处理后的力学性能。,图,4-38,所示,为淬透性不同的三种钢材，经调质处理后其力学性能的比较。由图可知，三种钢的硬度虽然相同，但淬透性低的钢，心部的力学性能低、特别是冲击韧度,a,K,值更低，截面愈大其影响愈显著。,图,4.38,淬透性不同的钢在调质处理后力学性能对比,2.,淬透性对钢力学性能的影响,淬火组织中,M,量多少还会影响钢的屈强比,(s/b),和疲劳强度,(,-1,),。,M,量愈多，,s/b,愈高。对于不允许出现塑性变形的工件，一般都希望,s/b,高些，以尽量提高材料强度的利用率。,M,量愈多，则钢回火后的,-1,也愈高。,图,4.,钢中,M,量对回火后,-1,的影响,图,4.,淬火不完全程度（,R,M,-R,Q,）对屈强比（,s,/b,）的影,响,3.,影响淬透性的因素,钢的淬透性,取决于,临界冷却速度,V,kC,，,V,kC,越小，,淬透性,越高。而,V,kC,又取决于,C,曲线的位置，,C,曲线越靠右，,V,kC,越小（,如右图示,）。,因而凡是影响,C,曲线的因素都是影响淬透性的因素,.,即,除,Co,外，凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高,；奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性提高。,4.,淬透性的测定及其表示方法,（,1,）末端淬火法,图,4.39,末端淬火法,示，,J,表示末端淬透性，,d,表示半马氏体区到水冷端的距离，,HRC,为半马氏体区的硬度。,淬透性的表示方法用淬透性曲线表示,即用 表,淬透性的表示方法用淬透性曲线表示,（,a,）,45,钢 （,b,）,40Cr,钢,图,4.,常用钢的淬透性曲线,临界直径,是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被淬成半马氏体的最大直径，,用,D,0,表示,。,D,0,与介质有关，如,45,钢,D,0,水,=16mm,，,D,0,油,=8mm,。,只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比较，如,45,钢,D,0,油,=8mm,，,40Cr D,0,油,=20mm,。,（,2,）临界（淬透）直径法,图,4.40,不同截面的钢淬火时淬透层深度的变化,常用钢整体淬火后表面硬度与工件有效厚度的关系表,（,2,）临界（淬透）直径法,表,4.,常用钢的临界淬透直径,D,0,5.,淬透性的实际意义与应用,力学性能,是机械设计中选材的主要依据，而,钢的淬透性,又会直接影响热处理后的力学性能。因此,选材时，必须对钢的淬透性有充分了解。,对于截面尺寸较大和在动载荷下工作的许多重要零件，以及承受拉和压应力的联结螺栓、拉杆、锻模、锤杆等重要零件，常常要求零件的表面与心部力学性能一致，此时应选用高淬透性的钢制造、并要求全部淬透。,柴油机连杆,高强螺栓,5.,淬透性的实际意义与应用,对于承受弯曲或扭转载荷的轴类、齿轮类零件，,其表面受力最大、心部受力最小，则可,选用淬透性较低的钢种,，只要求,淬透层深度为工件半径或厚度的,1/2,1/3,即可。,对于某些工件不可选用淬透性高的钢。,例如,焊件,，若选用高淬透性钢，易在焊缝热影响区内出现淬火组织，造成焊件变形和裂纹,;,又如承受强力冲击和复杂应力的冷镦凸模，其工作部分常因全部淬硬而脆断。,总之应具体问题具体分析，绝不能认为一切工件都要求钢的淬透性越高越好，否则除浪费材料外，还会产生适得其反的效果。,齿轮,曲轴,5.,淬透性的实际意义与应用,利用淬透性曲线及圆棒冷速与端淬距离的关系曲线可以预测零件淬火后的硬度分布。,下图为预测,50mm,直径,40MnB,钢轴淬火后断面的硬度分布。,利用淬透性曲线进行选材。如要求厚,60mm,汽车转向节淬火后表面硬度超过,50HRC,，,3/4,半径处为,45HRC,。可按下图箭头所示程序进行选材分析,.,5.,淬透性的实际意义与应用,