钢的淬火与回火.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,中南大学,金属材料热处理,MSE_,材料科学与工程学院,第七章,钢的淬火和回火,（,3）,7.6,钢的时效硬化,7.7,钢的表面淬火,7.6,钢的时效硬化,时效硬化：过饱和固溶体的析出（即过饱和固溶体分解并形成和析出偏聚区、过渡相或平衡相），从而引起合金强化的过程。铝合金、镁合金、铍青铜、镍基耐热合金及部分钢。,钢的时效（硬化）：马氏体的分解和二次硬化，即过饱和固溶体中碳（氮）化物、合金化合物析出；奥氏体中二次碳化物、,F,中三次碳化物析出等过程。硬化也可能来自于多边化减慢。,7.6.1,析出强化钢：,1.马氏体时效钢：,微碳,Fe,-,Ni,合金,（,Ni,、,Co、,Mo、Ti、A1,、,或,Ti、A1、Nb,）。加入合金元素形成金属间化合物,(Ni,3,M),强化基体。,2.,沉淀硬化超强不锈钢：以,18-8,不锈钢为基础，添加少量,A1,、,Ti,、,Mo,的,AM,沉淀硬化不锈钢和以,Cr13,型,M,不锈钢为基础添加,Mo,、,W,、,Ti,、,Nb,和,Co,的低碳,M,沉淀硬化超高强不锈钢。合金元素间形成,IMC,。,3.,微合金钢：低碳,/,低碳锰钢中添加微量,A1,、,Nb,、,V,、,Ti,等。这些合金元素与钢中的,C,和,N,形成细小弥散的合金碳化物、氮化物或碳,-,氮化物。减缓晶粒（奥氏体或再结晶）的长大；微合金,C,化物、,N,化物为相界沉淀，对回复、再结晶的影响？,4.M,时效钢与沉淀硬化高强不锈钢的析出强化必须通过固溶,时效才能体现，微合金钢一般只需在加工中采用合适的控轧控冷工艺。另外，前二者在热处理中经历多型性转变。,强化主要来自于第二相析出,7.6.2,马氏体时效钢的淬火时效,M,时效钢超高强、有良好的塑性和韧性，用于承受大负荷的结构件。,原因：淬火强化（板条状马氏体）,+,时效强化,成分：,C0.03,，,Ni,18,25,，,含能产生时效强化的合金元素。,分三类：,18Ni,型、,20Ni,型和,25Ni,型。,钢种,标准化学成分,/%,力学性能,屈服强度,/MPa,冲击值,J/cm,2,Ni,Co,Mo,Ti,Al,C,18Ni,型：,淬火态屈服强度约,690MPa,；时效强度达,6901380MPa,，,断裂韧性比一般超高强钢高出一倍以上，热处理后不变,形。用于空间飞行器的部件、大负荷扭转或弯曲的结构,件、高压容器和部分工模具。,18Ni,型,M,时效钢的化学成分与力学性能,添加少量,Co,减少,Mo,在,M,内的溶解度，促进,Ni,3,Mo,的析出，避免钢的回火脆性,18Ni,型马氏体时效钢的热处理工艺,强化效应：淬火后得到板条马氏体；时效后板条,M,上高弥散度（约,10nm,),、高硬度化合物,(Ni,3,Mo,，,Ni,3,Ti),分布；且化合物与马氏体基体半共格。淬火态屈服强度约,686MPa,，时效态可达,1200MPa,，断裂韧性很高，热处理变形少。左上图合金高温时效时，有可能,Fe,2,Ni,、,Fe,2,Mo,替代,Ni,3,Mo,、,Ni,3,Ti,。前者与基体非共格，后者与基体半共格。,时效温度对,18Ni,马氏体时效钢力学性,能的影响,(18Ni,7Co,4.5Mo,0.3Ti),Another kind of precipitating hardening steel:,17-4PH,（,S17780,马氏体析出硬化钢，主体成分：,Fe-0.09C-1Mn-0.5Si-1617.25Cr-657.75Ni-0.751.25Al,）。凝固时可得到,100%F,，继续冷却得到几乎全部,A+,残留,F,。轧制后，,F,沿轧制方向排列。,析出处理：,760,O,Cx2hr-,空冷,-621,O,Cx4hr,。抗拉强度达,790MPa,，冲击韧性值可达,75,。,1040,O,C,退火,1040,O,C,退火,+482,O,C,时效,(d),Fe-30Mn-7.8Al-1.3C heated at 1253K for 30 min then quenched to 823K for different durations.(a)180,(b)6000,(c)48800,(d)17300min.,0,Austenite steel:,aging-hardening;,To replace Fe-Ni-Cr,Other aging-hardening steel,Fe-30Mn-7.8Al-1.3C:2 stages of ageing,7.7,钢的表面淬火,钢制零件（齿轮、曲轴、冷轧辊等）服役条件要求：心,部韧性和塑性高、表层硬且耐磨。要求：表层,M,，芯部,为淬火前的原始组织。利用热传导的时间差！,整体热处理可否达到要求？多种方法！,7.7.1,表面淬火方法,传统方法,(,火焰表面淬火法、感应加热表面淬火法,),新技术（电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光表面淬火、电子束表面淬火等）,7.7.2,钢在快速加热时相变的特点,1,表层优先加热，且时间短，芯部微热。,2.,表层相变温度高，完成相变的时间短。,3.,可获得细小的奥氏体晶粒,M,细小。,4.,但奥氏体成分难以充分均匀化，甚至有未溶先共析相。,5.,芯部在随后淬火时组织不变，只有表面形成,M,。,原始组织应细小，回火索氏体或正火索氏体,高频感应加热速度对,40,钢,A,晶粒大小的影响,亚共析钢高频表面淬火后的组织分布,7.7.3,表面淬火后钢的组织和性能,1,工件表面淬火后的显微组织,影响因素：含碳量、合金元素种类及其含量、原始组织、,加热和冷却规程等。,组织分布分析：,（传热与相变点结合）,第一区,TA,c3,):,马氏体,(,完全淬火的表层,),第二区,(A,c1,A,c3,):,不完全淬火。贫碳,A,不易淬透，可观察到,T,。过共析钢,A,c1,A,ccm,，隐晶,M,第三区,(TA,c1,):,(,未淬火层,),2,表面淬火后的力学性能,表面淬火后工件表层获得的,M,与常规淬火相比，更细小，表面硬度均可高出几个,HRC,单位，,(,即超硬度现象,),。,另外，硬度由表面至心部逐渐降低。硬度高，耐磨性好、零件的抗疲劳强度高。疲劳强度一般可提高,2030%,，来源于相变硬化及表面压应力的提高。,7.7.4,感应加热表面淬火,淬透层（淬硬层,）,根据淬硬层深浅确定频率范围后，选用设备。淬透层,2mm,时，,f=60100kHZ,（高频）；,210mm,时，中频,110kHZ,；,1015mm,时，用工频,50HZ,。,应用：钢制齿轮、凸轮、曲轴、各种轴、轧辊和轮毂等机械零件,35,40,45,50,55,40Cr,40MnB,45MnB,30CrMo,42CrMo,42SiMn,55Tid(55DTi),60Tid(60DTi),5CrNiMo,GCr15,T8,T12,9SiCr,9Mn2V.,(mm),我国常用感应加热装置,1,高频表面淬火,频率：,6070kHz,至,200300 kHz 30100kW,淬硬层：,12mm,性能：大的表面压应力硬度高、耐磨性好，抗疲劳抗强度大、缺,口敏感性较小,适应：齿轮、轴类、套筒形工件、机床导轨、蜗杆等许多零件以,及量具、工具。,2,中频表面淬火,频率：,100010000Hz 100500kW,淬硬层,：,210mm,性能：提高表面硬度、耐磨性和抗疲劳性能,适应：大、中型工件；有些小零件,(,如轴承套圈、丝杆毛坯等,),3,工频表面淬火,:,大功率,(10002000 kVA),淬硬层：,1015mm,适应：大型钢件，如大直径冷轧辊、钢轨及起重机车轮,7.7.5,激光表面淬火,1,激光表面处理概述,优点：处理过程无污染，十分清洁；可快速、局部急热急冷，使工件表层获得所需的组织结构和性能，且工件基本上无变形；原则上可处理各种不同的金属材料；生产率高。,应用：激光表面淬火，激光冲击硬化，激光熔凝，激光合金化，激光非晶化，激光熔覆，激光镀等。,2,激光表面淬火,利用高能,(,功率密度大于,10,3,W,cm,2,),激光束对金属工件表层迅速加热和随后激冷，使表层发生固态相变而强化。,优点：加热速度很快,(,10000,s,),可自淬火而无需别的淬火介质；基本上不改变表面粗糙度，表面光洁；变形小，工件处理后一般无需后续加工即可直接装配使用；表面硬度高，一般也无需回火。,3,激光淬火显微组织,表层为完全淬火区，次层为过渡区，心部为未淬火区。,特征：淬火马氏体极细、淬火马氏体和其他相组成物以及残余奥氏体成分也不均匀、表层组织中存在较多的位错等晶体缺陷，热应力大。,4,激光淬火件的性能,(1),硬度,(2),耐磨及抗疲劳性能,碳钢表面硬度与含碳量的关系,激光淬火；,2.,常规淬火；,3.,非强化状态,45,碳钢激光淬火与高频淬火后的硬度,高频淬火,2.,激光淬火,Ledeburite between dendrites in the,laser-treated layer of X165CrMoV12-1,tool Steel(Swiss),激光熔化淬火！,5,激光表面淬火的工业应用,(1),1040,(,相当于我国,40,),钢制的轴，应用,10mm x17.8mm,的矩形 激光光斑，扫描速度,305cm/min,，可获得硬度为,57HRC,、厚度为,0.3mm,的表面硬化层，耐磨性和疲劳寿命显著提高。,(2),由,3Cr3W8V,钢制造的轧辊，激光淬火后表面硬度达,55-63HRC,，压应力为,50MPa,，与常规工艺相比使用寿命可提高一倍。,(3),由,HT200,灰铸铁制造的汽车发动机缸体，硬度达,63.5-65HRC,，耐磨性可提高,22.5,倍。,(4),GCrl5,钢制冲孔模和压玻模采用激光淬火，其寿命比常规热处理工艺分别提高,1.32,和,23,倍。,7.7.6,电子束表面淬火,特点；加热速度极快,(3000500,s),思考：,试分析某,T8,钢圆柱经高频表面淬火后其横断面,径向显微组织的变化,。,