第五章 鋼的熱處理

第五章鋼的熱處理

鋼的熱處理前言第一節(jié)鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變第二節(jié)鋼的冷卻轉(zhuǎn)變第三節(jié)鋼的普通熱處理第四節(jié)鋼的表面熱處理前言

什么叫鋼的熱處理常見的熱處理方法熱處理的概念 熱處理是將固態(tài)金屬或合金在一定介質(zhì)中加熱、保溫和冷卻，以改變材料整體或表面組織，從而獲得所需性能的工藝。熱處理工藝曲線的示意圖

圖5-1常見的熱處理方法第一節(jié)鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變

一、奧氏體化前的組織

二、奧氏體的形成溫度與Fe-Fe3C狀態(tài)圖的關(guān)系

三、共析鋼奧氏體的形成過程

四、亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體形成過程

五、影響奧氏體形成速度的因素

六、奧氏體晶粒大小及其影響因素

一、奧氏體化前的組織我們只考慮比較簡單的情況即奧氏體化前的組織為平衡組織的情況。對于亞共析鋼→F+P共析鋼→P過共析鋼→Fe3CⅡ+P二、奧氏體的形成溫度與Fe-Fe3C狀態(tài)圖的關(guān)系對于加熱：非平衡條件下的相變溫度高于平衡條件下的相變溫度；對于冷卻：非平衡條件下的相變溫度低于平衡條件下的相變溫度。這個溫差叫滯后度。加熱轉(zhuǎn)變→過熱度，冷卻轉(zhuǎn)變→過冷度，且加熱與冷卻速度越大，溫度提高與下降的幅度就越大，導(dǎo)致熱度與過冷度越大。此外，過熱度與過冷度的增大會導(dǎo)致相變驅(qū)動力的增大，從而使相變?nèi)菀装l(fā)生。鋼在加熱和冷卻時的相變臨界點

圖5-2實際相變溫度與理論轉(zhuǎn)變溫度之間的關(guān)系三、共析鋼奧氏體的形成過程

1.奧氏體晶核的形成2.奧氏體晶核的長大3.殘余滲碳體的溶解4.奧氏體成分的均勻化共析碳鋼A形成過程示意圖

A形核A長大殘余Fe3C溶解A均勻化圖5-3四、亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體形成過程亞共析鋼和過共析鋼與共析鋼的區(qū)別是有先共析相。其奧氏體的形成過程是先完成珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，然后再進行先共析相的溶解。這個P→A的轉(zhuǎn)變過程同共析鋼相同，也是經(jīng)過前面的四個階段。對于亞共析鋼，平衡組織F+P，當(dāng)加熱到AC1以上溫度時，P→A，在AC1～AC3的升溫過程中，先共析的F逐漸溶入A，同樣，對于過共析鋼，平衡組織是Fe3CⅡ+P，當(dāng)加熱到AC1以上時，P→A，在AC1～ACCM的升溫過程中，二次滲碳體逐步溶入奧氏體中。五、影響奧氏體形成速度的因素

1.

加熱速度的影響加熱速度越快，奧氏體化溫度越高，過熱度越大，相變驅(qū)動力也越大；同時由于奧氏體化溫度高，原子擴散速度也加快，提高形核與長大的速度，從而加快奧氏體的形成。2.化學(xué)成分的影響鋼中含碳量增加，碳化物數(shù)量相應(yīng)增多，F(xiàn)和Fe3C的相界面增多，奧氏體晶核數(shù)增多，其轉(zhuǎn)變速度加快。鋼中的合金元素不改變奧氏體的形成過程，但能影響奧氏體的形成速度。因為合金元素能改變鋼的臨界點，并影響碳的擴散速度，且它自身也存在擴散和重新分布的過程，所以合金鋼的奧氏體形成速度一般比碳鋼慢，尤其高合金鋼，奧氏體化溫度比碳鋼要高，保溫時間也較長。3.原始組織的影響鋼中原始珠光體越細，其片間距越小，相界面越多，越有利于形核，同時由于片間距小，碳原子的擴散距離小，擴散速度加快導(dǎo)致奧氏體形成速度加快。同樣片狀P比粒狀P的奧氏體形成速度快。六、奧氏體晶粒大小及其影響因素

奧氏體的晶粒度及其分類

起始晶粒度

實際晶粒度

本質(zhì)晶粒度

影響奧氏體晶粒大小的主要因素加熱溫度和保溫時間鋼的化學(xué)成分

標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級圖5-4晶粒度評定標(biāo)準(zhǔn)實際晶粒度鋼在加熱時所獲得的實際奧氏體晶粒的大小實際晶粒度決定鋼的性能。

本質(zhì)晶粒度

鋼加熱到930℃±10℃、保溫8小時、冷卻后測得的晶粒度

表示鋼在加熱時奧氏體晶粒長大的傾向本質(zhì)細晶粒鋼本質(zhì)粗晶粒鋼

本質(zhì)細晶粒鋼M和本質(zhì)粗晶粒鋼K晶粒長大示意圖

圖5-5第二節(jié)

鋼的冷卻轉(zhuǎn)變

一、過冷奧氏體

二、在冷卻轉(zhuǎn)變時，相變溫度對轉(zhuǎn)變速度的影響

三、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線

四、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物的組織和性能

五、過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

冷卻方式

連續(xù)冷卻等溫冷卻

圖5-6冷卻方式示意圖一、過冷奧氏體高溫時所形成的奧氏體冷卻到A1點以下尚未發(fā)生轉(zhuǎn)變的奧氏體。

二、在冷卻轉(zhuǎn)變時，相變溫度對轉(zhuǎn)變速度的影響

圖5-7相變溫度對轉(zhuǎn)變速度的影響示意圖

三、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖5-8共析碳鋼過冷A等溫曲線的建立圖5-9四、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物的組織和性能

珠光體轉(zhuǎn)變

貝氏體轉(zhuǎn)變

馬氏體的組織與形態(tài)

珠光體轉(zhuǎn)變

轉(zhuǎn)變過程

組織與性能特征

珠光體形成示意圖

圖5-10珠光體組織特征圖

(a)珠光體

(b)索氏體(c)屈氏體圖5-11珠光體組織貝氏體轉(zhuǎn)變

轉(zhuǎn)變過程

組織特征與性能

貝氏體形成示意圖B上=過飽和碳

α-Fe條狀+Fe3C細條狀過飽和碳α-Fe條狀Fe3C細條狀羽毛狀圖5-12B下=過飽和碳

α-Fe針葉狀+Fe3C細片狀過飽和碳

α-Fe針葉狀Fe3C細片狀針葉狀貝氏體形成示意圖圖5-13上貝氏組織特征圖

圖5-14上貝氏體組織金相圖圖5-15下貝氏組織特征圖

圖5-16下貝氏體組織金相圖圖5-17低碳板條狀馬氏體組織金相圖圖5-18高碳針片狀馬氏體組織金相圖圖5-19過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

圖5-20第三節(jié)鋼的普通熱處理

一、鋼的退火與正火

二、鋼的淬火

三、鋼的回火

一、鋼的退火與正火鋼的退火完全退火等溫退火

球化退火（不完全退火）去應(yīng)力退火鋼的正火

退火和正火的選擇

完全退火加熱溫度：Ac3以上20-30度組織：P+F目的：①細化，均勻化粗大、不均勻組織②接近平衡組織——調(diào)整硬度→切削性↑③消除內(nèi)應(yīng)力應(yīng)用范圍：亞共折鋼，共析鋼，不適用于過共析鋼。等溫退火加熱溫度：Ac1以上10-20度，或Ac3以上30-50度組織：P目的：①與完全退火、球化退火相同②更均勻的組織和硬度③顯著縮短生產(chǎn)周期應(yīng)用范圍：高碳鋼，合金工具鋼，高合金鋼。球化退火（不完全退火）加熱溫度：Ac1以上20-40度應(yīng)用范圍：過共析鋼，共析鋼組織：球狀P（F+球狀FeC3）目的：①使FeC3球化→HRC↓，韌性↑→切削性↑②為淬火作準(zhǔn)備T10鋼球化退火組織(化染)500圖5-21過共析鋼球化退火組織退火和正火的選擇

（1）從切削加工性上考慮切削加工性又包括硬度，切削脆性，表面粗糙度及對刀具的磨損等。一般金屬的硬度在HB170～230范圍內(nèi)，切削性能較好。高于它過硬，難以加工，且刀具磨損快；過低則切屑不易斷，造成刀具發(fā)熱和磨損，加工后的零件表面粗糙度很大。表3-4列出了各種碳鋼在退火與正火后的硬度值?？梢?，對于低、中碳結(jié)構(gòu)鋼以正火作為預(yù)先熱處理比較合適，高碳結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼則以退火為宜。至于合金鋼，由于合金元素的加入，使鋼的硬度有所提高，故中碳以上的合金鋼一般都采用退火以改善切削性。（2）從使用性能上考慮如工件性能要求不太高，隨后不再進行淬火和回火，那么往往用正火來提高其機械性能，但若零件的形狀比較復(fù)雜，正火的冷卻速度有形成裂紋的危險，應(yīng)采用退火。（3）從經(jīng)濟上考慮正火比退火的生產(chǎn)周期短，耗能少，且操作簡便，故在可能的條件下，應(yīng)優(yōu)先考慮以正火代替退火。

二、鋼的淬火

1.淬火的目的

2.鋼的淬火工藝

3.鋼的淬透性

1.淬火的目的

為了獲取Ｍ組織，它是強化鋼材最主要的熱處理方法。

2.鋼的淬火工藝淬火加熱溫度的選擇

淬火冷卻介質(zhì)

淬火方法

淬火加熱溫度的選擇示意圖圖5-22淬火理想的冷卻速度

圖5-23淬火方法

單液淬火法

雙液淬火法

馬氏體分級淬火法

貝氏體等溫淬火法各種淬火方法示意圖

時間溫度MsA1單液淬火雙液淬火分級淬火等溫淬火圖5-243.鋼的淬透性

淬透性的概念

淬透性表示的是鋼在淬火時所能得到的淬硬層深度

淬硬性指的是鋼在淬火能達到的最高硬度。影響淬透性的因素

化學(xué)成分

奧氏體化溫度

淬透性的表示方法及應(yīng)用

鋼的淬透性曲線

圖5-25淬透性不同的鋼調(diào)質(zhì)后機械性能

a)全淬透b)未淬透未淬透鋼淬透鋼圖5-26三、鋼的回火

1.什么是鋼的回火及回火的目的

2.淬火鋼在回火時組織和性能的變化

3.回火的方法及應(yīng)用

1.鋼的回火及回火的目的回火的概念:

將淬火鋼重新加熱到A1點以下某一溫度，保溫后冷卻到室溫的熱處理工藝?；鼗鸬哪康?1改變強度、硬度高，塑性、韌性差的淬火組織。2使不穩(wěn)定的淬火組織M和殘余A轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定組織，保證工件不再發(fā)生形狀和尺寸的改變。3消除淬火內(nèi)應(yīng)力，防止進一步變形、開裂。鋼淬火后一般都必須進行回火處理，回火決定了鋼在使用狀態(tài)的組織和壽命。2.淬火鋼回火時組織和性能的變化1.淬火鋼回火時組織的變化80～200℃，發(fā)生馬氏體的分解

200～300℃發(fā)生殘余奧氏體分解

250～400℃，馬氏體分解完成

400℃以上回復(fù)與再結(jié)晶2.淬火鋼回火時性能的變化3.回火的方法及應(yīng)用

（1）低溫回火回火溫度范圍150～250℃。得到的組織：回火馬氏體。內(nèi)應(yīng)力和脆性降低，保持了高硬度和高耐磨性。這種回火主要應(yīng)用于高碳鋼或高碳合金鋼制造的工、模具、滾動軸承及滲碳和表面淬火的零件，回火后的硬度一般為HRC58-64。（2）中溫回火回火溫度范圍為350～500℃，回火后的組織為回火屈氏體，硬度HRC35-45，具有一定的韌性和高的彈性極限及屈服極限。這種回火主要應(yīng)用于含碳0.5-0.7%的碳鋼和合金鋼制造的各類彈簧。（3）高溫回火回火溫度范圍為500～650℃，回火后的組織為回火索氏體，其硬度HRC25-35，具有適當(dāng)?shù)膹姸群妥銐虻乃苄院晚g性。這種回火主要應(yīng)用于含碳0.3-0.5%的碳鋼和合金鋼制造的各類連接和傳動的結(jié)構(gòu)零件，如軸、連桿、螺栓等。淬火后高溫回火稱調(diào)質(zhì)處理。應(yīng)用：在沖擊負荷下工作的重要結(jié)構(gòu)零件，連桿，螺栓，齒輪及軸類第四節(jié)鋼的表面熱處理

一、鋼的表面淬火

二、鋼的化學(xué)熱處理三、表面處理的具體工藝

四、鋼的化學(xué)熱處理具體工藝

一、鋼的表面淬火表面淬火概念及應(yīng)用快速加熱使鋼的表面奧氏體化后淬火冷卻，獲得表層硬而耐磨的M組織，心部仍保持原來的組織。應(yīng)用：中碳鋼和中碳低合金鋼表面淬火特點a.加熱速度快(幾秒——幾十秒)b.加熱時實際晶粒細小，淬火得到極細馬氏體，硬度↑，脆性↓c.殘余壓應(yīng)力↑提高壽命d.不易氧化、脫碳、變形小e.工藝易控制，設(shè)備成本高表面淬火方法1.感應(yīng)加熱表面淬火2.火焰加熱表面淬火3.接觸電阻加熱表面淬火二、鋼的化學(xué)熱處理

鋼的滲碳氣體滲碳固體滲碳鋼的氮化碳氮共滲三、表面處理的具體工藝火焰加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火

火焰加熱表面淬火圖5-27火焰加熱表面淬火示意圖感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火示意圖集膚效應(yīng)示意圖圖5-28感應(yīng)加熱表面淬火示意圖四、鋼的化學(xué)熱處理具體工藝

什么是化學(xué)熱處理

鋼制工件放置于某種介質(zhì)中，通過加熱和保溫，使化學(xué)介質(zhì)中某些元素滲入到工件表層，從而改變表層的化學(xué)成分，使心部與表層具有不同的組織與機械性能。鋼的滲碳滲碳