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第六章
鋼的熱處理HeatTreatmentofSteels將鋼件在一定的介質(zhì)中加熱到一定的溫度并保溫一定的時(shí)間,然后冷卻,以期改變其整體或者表面組織,從而獲得所需要的性能的一種熱加工工藝。鋼的熱處理
HeatTreatmentofSteels
鋼的熱處理工藝示意圖溫度時(shí)間加熱Heating保溫InsulationWork冷卻Cooling保溫時(shí)間HoldingTime保溫溫度HoldingTemperatureA1A3Acm第一節(jié)概述鋼的熱處理:是指將鋼在固態(tài)下施以不同的加熱、保溫和冷卻措施,以改變其組織,從而獲得所需性能的一種工藝,即“加熱---保溫----冷卻”三步按工藝不同可將熱處理分為如下幾類(lèi):火焰加熱退火表面淬火感應(yīng)加熱普通熱處理正火表面熱處理滲C
淬火化學(xué)熱處理滲N
回火C、N共滲改善鋼材性能的主要辦法1.在鋼中特意加入一些合金元素,即合金化2.鋼的熱處理例:兩個(gè)T8制件,在780℃保溫,一個(gè)水冷62HRC,另一個(gè)爐冷200HB≈15HRC。水冷馬氏體,爐冷珠光體。本章重點(diǎn):1.鋼加熱和冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變2.C曲線(xiàn)3.各種熱處理工藝的原則和應(yīng)用第二節(jié)鋼加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變由鐵碳合金的相圖可知,碳鋼在緩慢加熱或者冷卻的過(guò)程中,經(jīng)過(guò)PSK線(xiàn)、GS線(xiàn)、ES線(xiàn)時(shí),組織都要發(fā)生變化,所以固態(tài)組織的臨界點(diǎn)都可由這三條線(xiàn)確定。為了使用方便,常把PSK線(xiàn)稱(chēng)為A1線(xiàn),GS線(xiàn)稱(chēng)為A3線(xiàn),ES線(xiàn)稱(chēng)為Acm線(xiàn)。為了區(qū)別,通常把實(shí)際加熱時(shí)的各臨界點(diǎn)用Ac1、Ac3、Accm表示;而冷卻時(shí)的各臨界點(diǎn)用Ar1、Ar3、Arcm表示。ABCDEFGHJNKPPSQ2.11鋼鑄鐵A一、鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變鋼相圖ABEGHJNPSQLA+A+L+AA+LA+Fe3C鋼熱處理相圖EGPSQAFA+Fe3CF+AFPF+PP+Fe3C鋼的平衡組織
F鐵素體Ferrite、
P珠光體Pearlite、
Fe3C滲碳體Cementite
F+P
P+Fe3CEGPSQAA+Fe3CF+AFPF+PP+Fe3CF特征線(xiàn)A1線(xiàn)(PSK線(xiàn))
加熱Ac1
冷卻Ar1A3線(xiàn)(GS線(xiàn))
加熱Ac3
冷卻Ar3Acm線(xiàn)(SE線(xiàn))
加熱Accm
冷卻ArcmA3AcmA1一、轉(zhuǎn)變溫度加熱(冷卻)時(shí)鐵碳相圖上各臨界點(diǎn)的位置
臨界溫度平衡時(shí):A1、A3、Acm加熱時(shí):Ac1、Ac3、Accm冷卻時(shí):Ar1、Ar3、Arcm(一)共析鋼的奧氏體的形成過(guò)程形核F和Fe3C的界面最易于形核,通過(guò)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變F→A和Fe3C的溶解來(lái)實(shí)現(xiàn)。長(zhǎng)大一旦形核,A則向F和Fe3C方向長(zhǎng)大,此過(guò)程同樣通過(guò)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變F→A和Fe3C的溶解來(lái)實(shí)現(xiàn)。一、奧氏體的形成殘余碳化物溶解由于同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變F→A的速度比和Fe3C向奧氏體中溶解的速度快,所以,同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變完成后,還一部分碳化物(殘余碳化物)尚未溶解,它會(huì)在隨后的加熱過(guò)程中繼續(xù)向奧氏體中溶解。奧氏體均勻化殘余碳化物溶解完畢后,奧氏體的成分是不均勻的,原來(lái)F處含碳量低,而原來(lái)Fe3C處含碳量高。只有經(jīng)足夠長(zhǎng)的保溫時(shí)間,才能通過(guò)C的擴(kuò)散形成均勻的A等軸晶。
奧氏體的形成過(guò)程(以共析鋼為例)亞(過(guò))共析鋼的A化——P
→
A
后,先共析F或Fe3CⅡ
溶解。A形核長(zhǎng)大示意圖P的實(shí)際組織P組織示意圖P組織示意圖放大二、影響A形成的因素因素FactorsA形成溫度T加熱速度WH鋼中C的含量原始組織合金元素結(jié)論:加熱溫度越高和加熱速度越快→轉(zhuǎn)變快。C%↑→Fe3C多,界面多,形核多→轉(zhuǎn)變快。合金元素會(huì)提高A化速度或降低A化速度。原始組織的影響→P片間距越小,界面越多,片狀比粒狀相界面多,形核多→轉(zhuǎn)變快三、奧氏體晶粒的長(zhǎng)大及影響因素1.奧氏體的晶粒度(晶粒大小的尺度)
1)起始晶粒度:當(dāng)P剛剛完全轉(zhuǎn)變?yōu)锳時(shí);
2)實(shí)際晶粒度:在某一具體的加熱條件下實(shí)際獲得的奧氏體晶粒的大?。?/p>
3)本質(zhì)晶粒度:取決于鋼的成分和冶煉條件。
2.奧氏體晶粒大小對(duì)鋼機(jī)械性能的影響:奧氏體晶粒度越小,則熱處理之后的鋼的性能愈好。(一)奧氏體晶粒大小(1)定義對(duì)鋼的晶粒級(jí)別進(jìn)行分級(jí)。晶粒度對(duì)鋼的性能的影響是直接的,所以在很多標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定晶粒度的等級(jí)。A的晶粒度基本概念(2)晶粒度
CoarsenessofGrainA晶粒大小用晶粒度N表示,通常分8級(jí)
1~4粗晶鋼ScorchedSteel5~8細(xì)晶鋼Fine-GrainSteel>8超細(xì)晶鋼Ultra-fineGrainSteel(3)晶粒度的數(shù)學(xué)表示方式
假定:放大倍數(shù)100×
每平方英寸內(nèi)晶粒數(shù)目為n,則:1、奧氏體的實(shí)際晶粒度(1)定義在具體加熱條件下得到的奧氏體晶粒大小稱(chēng)為奧氏體實(shí)際晶粒大小或奧氏體實(shí)際晶粒度
(2)影響因素①加熱溫度越高②保溫時(shí)間越長(zhǎng)
奧氏體的實(shí)際晶粒度越大
過(guò)熱
OverheatEGPSQAA+Fe3CF+AFPF+PP+Fe3CF2、奧氏體的本質(zhì)晶粒度(1)定義本質(zhì)晶粒度只表示鋼在加熱時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向的大小。并不表示奧氏體實(shí)際晶粒的大小。鋼在930℃±10℃下保溫8小時(shí)冷卻后所測(cè)定的晶粒度為本質(zhì)晶粒度。主要是檢驗(yàn)鋼本身A長(zhǎng)大傾向。(2)本質(zhì)細(xì)晶粒鋼本質(zhì)細(xì)晶粒鋼一般具有阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的元素如:Nb、Ti、V等,主要是這些元素易于形成AlN、Al2O3、NbC、TiC、VC等不易溶解的小粒子,阻礙奧氏體晶粒的長(zhǎng)大。(3)本質(zhì)粗晶粒鋼本質(zhì)粗晶粒鋼一般主要用Si、Mn脫氧,沒(méi)有阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的合金元素,奧氏體晶粒的長(zhǎng)大的很快。熱處理一定不能過(guò)熱。2、影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的因素1)加熱溫度、速度和保溫時(shí)間
加熱溫度↑,保溫時(shí)間↑→晶粒尺寸↑當(dāng)加熱溫度確定,加熱速度越快,過(guò)熱度越大,晶粒越細(xì)小2)化學(xué)成分①C:含碳量上升,奧氏體晶粒長(zhǎng)的越大,但是超過(guò)一定的界限,反倒會(huì)減小。②合金元素合金碳化物↑,F(xiàn)e3C%↑→晶粒尺寸↓鹽浴爐可控氣氛保護(hù)真空熱處理四、加熱時(shí)常見(jiàn)的缺陷過(guò)熱:晶粒粗大,可以消除(完全退火或等溫退火或正火)過(guò)燒:晶界局部熔化,無(wú)法消除氧化脫碳第三節(jié)鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變熱處理工藝中,有兩種冷卻方式:等溫冷卻、連續(xù)冷卻等溫轉(zhuǎn)變
IsothermalTransformation連續(xù)轉(zhuǎn)變
ContinuousTransformation1)等溫轉(zhuǎn)變將已A化的鋼迅速冷卻到A1點(diǎn)以下某T,
恒溫轉(zhuǎn)變2)連續(xù)轉(zhuǎn)變將已A化的鋼連續(xù)冷卻,使其在Ar1以下
連續(xù)轉(zhuǎn)變一、過(guò)冷A的等溫轉(zhuǎn)變?cè)谂R界溫度以下尚未發(fā)生轉(zhuǎn)變的不穩(wěn)定奧氏體稱(chēng)過(guò)冷奧氏體。
過(guò)冷奧氏體(一)C曲線(xiàn)的測(cè)定以共析鋼為例,采用金相法測(cè)定。制樣:把鋼材制成Φ15×1.5mm的圓片試樣(鉆小孔,便于提?。?,分成若干組。2.
奧氏體化:取一組試樣,在鹽爐內(nèi)加熱使之完全A化。3.
等溫:將A化后的試樣快速投入A1
以下某一溫度的浴爐中進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變,并開(kāi)始計(jì)時(shí)。二、過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)圖(TTT或C曲線(xiàn))4.
記時(shí):每隔一定時(shí)間取出一個(gè)試樣,進(jìn)行高溫金相組織觀察。記錄開(kāi)始轉(zhuǎn)變時(shí)間和轉(zhuǎn)變終了時(shí)間。
將其余各組試樣,用上述方法分別測(cè)出不同等溫條件下A轉(zhuǎn)變開(kāi)始和終了時(shí)間,最后將所有轉(zhuǎn)變開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)和終了時(shí)間點(diǎn)標(biāo)在溫度—時(shí)間(對(duì)數(shù))
坐標(biāo)上,并分別連接起來(lái),即得C曲線(xiàn)。共析碳鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)圖建立Ttt2tnt1A體等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)(C曲線(xiàn))的建立過(guò)冷A:
T<A1時(shí),A不穩(wěn)定.A體等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)
(C曲線(xiàn)或TTT)高溫轉(zhuǎn)變:A1~550℃過(guò)冷A→P型組織中溫轉(zhuǎn)變:550℃~MS
過(guò)冷A→貝氏體(B)低溫轉(zhuǎn)變:MS(馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度)~Mf
(馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度)
過(guò)冷A→馬氏體(M)共析鋼的C曲線(xiàn)分析二、冷卻轉(zhuǎn)變后的組織和性能
1、珠光體(A1~550℃)轉(zhuǎn)變一是晶格重組,二是鐵、碳原子擴(kuò)散屬擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變P型組織——F+層片狀Fe3C珠光體P
索氏體S
屈氏體T層片間距:P>S>T珠光體P,3800×索氏體S8000×屈氏體T8000×在A1~560℃恒溫下,過(guò)冷A發(fā)生P轉(zhuǎn)變,產(chǎn)物為層片狀P組織。不同轉(zhuǎn)變溫度下層片大小及距離不同,據(jù)此可將P轉(zhuǎn)變產(chǎn)物分為:珠光體P:A1~650℃索氏體S:650~600℃屈氏體T:600~550℃P、S、T無(wú)本質(zhì)區(qū)別,只有形態(tài)上的粗細(xì)之分,P較粗、S較細(xì)、T更細(xì)。P、S、T通稱(chēng)P型組織,組織越細(xì),強(qiáng)度、硬度越高,塑、韌性越好。過(guò)冷奧氏體高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形成溫度和性能組織名稱(chēng)表示符號(hào)形成溫度范圍/℃硬度片間距/nm能分辨片層的放大倍數(shù)珠光體PA1~650170~200HB150~450<500×索氏體S650~60025~35HRC80~150>1000×屈氏體T600~55035~40HRC30~80>2000×可見(jiàn):珠光體的片層間距越小,硬度越高,同樣強(qiáng)度也高,韌性也隨片層間距變化。同一成分的鋼,組織為片狀珠光體時(shí)硬度和強(qiáng)度比粒狀珠光體的高,但塑性、韌性低,為改善工具鋼的切削性能,常用球化退火來(lái)得到粒狀珠光體組織,降低鋼的硬度。2、貝氏體轉(zhuǎn)變上貝氏體:550~350℃,呈羽毛狀,小片狀Fe3C分布在F體條間。強(qiáng)度和韌性差。下貝氏體:350℃~Ms點(diǎn),呈針狀,韌性高,綜合力學(xué)性能好。中溫轉(zhuǎn)變:550℃~Ms點(diǎn)轉(zhuǎn)變特點(diǎn):半擴(kuò)散型,鐵原子不擴(kuò)散,碳原子有一定的擴(kuò)散能力。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物:貝氏體,即Fe3C分布在含碳過(guò)飽和的鐵素體上的兩相混合物。上貝氏體的形成過(guò)程光學(xué)顯微照片1300×電子顯微照片5000×45鋼,B上+B下,×400
上貝氏體中的Fe3C分布于鐵素體條之間,分割了基體的連續(xù)性,易脆斷,故上貝氏體的強(qiáng)度和韌性較低首先在奧氏體的貧碳區(qū)或晶界上形成鐵素體晶核,然后向奧氏體晶粒內(nèi)長(zhǎng)大,隨后在鐵素體片間析出滲碳體。下貝氏體的形成F針內(nèi)定向分布著細(xì)小Fe2.4C顆粒電子顯微照片12000×T8鋼,B下,黑色針狀光學(xué)顯微照片×400下貝氏體的性能和上貝氏體相比較,不僅具有較高的硬度和耐磨性,而且下貝氏體的強(qiáng)度、韌性和塑性均高于上貝氏體。等溫轉(zhuǎn)變溫度/℃圖3-16共析綱的力學(xué)性能與等溫轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系生產(chǎn)中常采用等溫淬火來(lái)獲得下貝氏體組織。αk3、馬氏體轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變特點(diǎn):1)無(wú)擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變
Fe和C原子都不進(jìn)行擴(kuò)散,M是體心正方的C過(guò)飽和的F,固溶強(qiáng)化顯著。2)降溫形成
連續(xù)冷卻完成。3)瞬時(shí)性
M的形成速度很快,溫度越低,則轉(zhuǎn)變量越多。
4)轉(zhuǎn)變的不完全性
M轉(zhuǎn)變總要?dú)埩羯倭緼,A中的C%越多,則MS、Mf越低,殘余A含量越多。AR的量主要取決于MS和MF點(diǎn)的位置。5)M形成時(shí)體積膨脹(由體心立方晶格變成面心立方晶格)
造成很大內(nèi)應(yīng)力。馬氏體含碳量越大,體積變化也越大,所以高碳鋼淬火時(shí)容易變形和開(kāi)裂。馬氏體(M):C在α-Fe中的過(guò)飽和固溶體。Ms和Mf點(diǎn)隨著奧氏體中的含碳量的增加而降低,殘余奧氏體量隨著含碳量的增加而增多。馬氏體的組織類(lèi)型C%<0.2%時(shí),為板條M(低碳M)。C%>1.0%時(shí),為針片狀M。Fe-1.8C,冷至-100℃Fe-1.8C,冷至-60℃板條M,平行的細(xì)板條束組成針狀M(凸透鏡狀)針片狀和板條狀馬氏體性能比較C%↑→M硬度↑,針狀M硬度高,塑韌性差。板條M強(qiáng)度高,塑韌性較好三、影響C曲線(xiàn)的因素1)含碳量(奧氏體的含碳量)共析碳鋼最靠右,其過(guò)冷奧氏體最穩(wěn)定;亞共析碳鋼隨著含碳量的增加而右移;過(guò)共析鋼隨含碳量的增加而左移。
2)合金元素
除Co外,絕大多數(shù)合金元素溶入奧氏體后,都使C曲線(xiàn)右移,形狀也可能會(huì)發(fā)生改變。3)加熱溫度和保溫時(shí)間
隨溫度的提高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng),碳化物溶解充分,奧氏體成分均勻,晶粒粗大,晶界減少(總形核部位減少),這些都增加過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性,使C曲線(xiàn)右移。四、過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變Ps——A→P開(kāi)始線(xiàn)Pf——A→P終止線(xiàn)K——P型轉(zhuǎn)變終止線(xiàn)Vk——上臨界冷卻速度
MS——A→M開(kāi)始溫度
Mf
——A→M終止溫度連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的特點(diǎn):1、K線(xiàn)是珠光體型轉(zhuǎn)變的中途停止線(xiàn),即碰到K線(xiàn)的時(shí)候,過(guò)冷奧氏體就不再發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變,而是一直保持到Ms點(diǎn)下,直接變成馬氏體。2、連續(xù)冷卻曲線(xiàn)沒(méi)有下半部分,說(shuō)明共析鋼在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的時(shí)候,沒(méi)有貝氏體型的轉(zhuǎn)變。3、與過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)鼻尖相切的冷卻速度,是保證奧氏體在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變中不發(fā)生分解而全部過(guò)冷到馬氏體區(qū)的最小冷卻速度,稱(chēng)為臨界冷卻速度。目前的生產(chǎn)技術(shù),使得連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)較難被測(cè)出,所以常用C曲線(xiàn)定性地近似地來(lái)分析連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變。V1相當(dāng)于隨爐冷卻的速度,根據(jù)它和曲線(xiàn)相交的可以估計(jì)出奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w;V2、V3相當(dāng)于在空氣中冷卻的速度,根據(jù)它和曲線(xiàn)相交的可以估計(jì)出,它將轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w;V4相當(dāng)于在油中淬火時(shí)的冷卻速度,將有一部分奧氏體先轉(zhuǎn)變?yōu)榍象w,剩余的奧氏體冷卻到Ms點(diǎn)以下變成馬氏體;V5相當(dāng)于在水中淬火時(shí)的冷卻速度,它不與C曲線(xiàn)相交,直接轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。在生產(chǎn)中常把熱處理分為預(yù)先熱處理和最終熱處理。為了消除前道工序所造成的缺陷,或?yàn)榱撕罄m(xù)的切削加工和最終熱處理做好準(zhǔn)備的熱處理,稱(chēng)為預(yù)先熱處理;為使工件滿(mǎn)足使用條件下的性能要求的熱處理,稱(chēng)為最終熱處理。第四節(jié)鋼的退火與正火一、退火和正火的目的降低或提高硬度,便于進(jìn)行切削加工。消除殘余應(yīng)力。細(xì)化晶粒,改善組織以提高鋼的力學(xué)性能。為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備。二、退火工藝及其應(yīng)用1、完全退火和等溫退火(1)將亞共析鋼加熱到Ac3以上30-50℃,保溫一段時(shí)間,隨爐冷卻到600℃以下,再出爐空冷,得到鐵素體和珠光體。其目的是細(xì)化晶粒、消除內(nèi)應(yīng)力、降低硬度、提高塑性,為隨后的切削加工和淬火做好組織準(zhǔn)備。(2)在對(duì)應(yīng)于C曲線(xiàn)上的珠光體形成溫度使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變,可以大大縮短退火時(shí)間。2、球化退火把過(guò)共析鋼加熱到Ac1以上20-30℃,在保溫過(guò)程中是片狀滲碳體變成細(xì)小的點(diǎn)狀滲碳體。3、去應(yīng)力退火(低溫退火)用于消除殘余內(nèi)應(yīng)力4、擴(kuò)散退火(用于合金鋼鑄錠和鑄件)用于消除鑄造結(jié)晶過(guò)程中產(chǎn)生的枝晶偏析,使成分均勻化,又稱(chēng)為均勻化退火。退火:將鋼加熱到預(yù)定溫度,保溫一段時(shí)間后緩慢冷卻(通常是隨爐冷卻),獲得接近平衡組織的熱處理工藝。加熱、保溫后,緩冷(爐冷)→近平衡組織P(+F或Fe3C球)完全退火(亞共析鋼)加熱溫度Ac3+30~50℃
緩冷→F+P
目的:細(xì)化晶粒,均勻化組織,降低硬度→切削性↑等溫退火(亞共析鋼)等溫轉(zhuǎn)變→F+P,再緩冷球化退火(共析、過(guò)共析鋼)在Ac1+20~40℃保溫,使Fe3C球化,再緩冷→球狀P(F+球狀F3C)目的:硬度↓,切削性↑,韌性↑擴(kuò)散退火加熱至略低于固相線(xiàn)目的:使成分、組織均勻
再結(jié)晶退火加熱溫度T再
+100~200℃目的:消除加工硬化去應(yīng)力退火加熱溫度<Ac1,一般為500~650℃目的:消除冷熱加工后的內(nèi)應(yīng)力
三、正火工藝及其應(yīng)用應(yīng)用:
1)鋼的最終熱處理細(xì)化晶粒,組織均勻化,增加亞共析鋼中P%(S%)→強(qiáng)度、韌性、硬度↑
2)預(yù)先熱處理——淬火、球化退火前改善組織。
3)增加低碳鋼的硬度,以改善切削加工性能。加熱溫度
Ac3(Accm)
+30~50℃,空冷→S過(guò)共析鋼正火加熱溫度必須高于Accm。其目的是消除網(wǎng)狀滲碳體。加熱、保溫后,空冷→S(+F或Fe3C粒)第五節(jié)鋼的淬火將鋼加熱到臨界點(diǎn)之上,保溫一段時(shí)間,再以大于臨界冷卻速度進(jìn)行快速冷卻,從而發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。一、淬火的目的
獲得馬氏體組織,和回火配合使用。二、淬火的一般工藝1.淬火溫度的選擇:由其化學(xué)成分決定亞共析鋼:Ac3線(xiàn)上30-50℃共析鋼和過(guò)共析鋼:A1線(xiàn)上30-50℃對(duì)于過(guò)共析鋼,加熱溫度過(guò)高反倒是有害的,溫度過(guò)高會(huì)使得殘余奧氏體增多、奧氏體晶粒粗大、增加淬火應(yīng)力。2.保溫時(shí)間的確定:由經(jīng)驗(yàn)公式推算3.淬火冷卻介質(zhì)關(guān)鍵要求在C曲線(xiàn)的鼻尖處快速冷卻。理想的淬火冷卻速度:在冷卻速度大于臨界冷卻速度時(shí)才能獲得要求的馬氏體組織。并不要求全程都快速冷卻,關(guān)鍵要求在C曲線(xiàn)的鼻尖處(650℃-550℃)快速冷卻,而在稍低于A1點(diǎn)和稍高于Ms點(diǎn)處,為減少熱應(yīng)力,其冷卻速度應(yīng)該緩慢。特別在Ms點(diǎn)以下冷卻速度更應(yīng)該緩慢。3.淬火冷卻介質(zhì)2、常用的冷卻介質(zhì):(1)水:冷卻特性很不理想,但是應(yīng)用最廣;(2)鹽或堿的水溶液:其冷卻能力大約為水的十倍;對(duì)工件有銹蝕作用;(3)油:在高低溫區(qū)冷卻速度都小于水,水玻璃-堿(或鹽)水溶液、過(guò)飽和硝鹽水溶液等等,在高溫區(qū)冷卻速度大,在低溫區(qū)冷卻速度低。三、常用的淬火方法1.單液淬火(a)2.雙液淬火(b)碳鋼先水淬后油淬,合金鋼先油淬后空冷。3.分級(jí)淬火(c)在Ms點(diǎn)附近保溫,消除內(nèi)應(yīng)力。4.等溫淬火(d)5.局部淬火四、淬火缺陷及防止方法1、氧化與脫碳:2、變形與開(kāi)裂:熱應(yīng)力使工件趨向球形,組織應(yīng)力使尖角趨向突出。淬火引起的變形組織應(yīng)力熱應(yīng)力五、鋼的淬透性1.淬透性與淬硬性鋼的淬透性:鋼在淬火時(shí)能夠獲得馬氏體的能力。淬透層深度:從工件表面到半M體層的深度。鋼的淬硬性:
鋼在淬火后所能達(dá)到的最高硬度。取決于馬氏體的含碳量。含碳量越高,淬硬性越好。注意:淬透性好的鋼其淬硬性不一定高。2、影響淬透性的因素1)含碳量亞共析鋼,含碳量增加,奧氏體的穩(wěn)定性增大,C曲線(xiàn)右移,淬透性提高過(guò)共析鋼,隨著含碳量增加,奧氏體的穩(wěn)定性降低,C曲線(xiàn)左移,淬透性降低(未溶滲碳體促進(jìn)奧氏體分解)2)合金元素除Co外,絕大多數(shù)合金元素溶入奧氏體后,都使C曲線(xiàn)右移,形狀也可能會(huì)發(fā)生改變,使淬透性提高3)加熱溫度和保溫時(shí)間隨加熱溫度的提高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng),碳化物溶解充分,奧氏體成分均勻,晶粒粗大(總形核部位減少),這些都增加過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性,使C曲線(xiàn)右移,提高了鋼的淬透性4)鋼中未溶第二相未溶第二相越多,作為結(jié)晶核心,使A體不穩(wěn)定,C曲線(xiàn)左移,淬透性下降3.淬透性的測(cè)定4、淬透性與機(jī)械性能的關(guān)系:淬透性好的鋼,其機(jī)械性能沿截面是均勻分布的,淬透性差的鋼,其機(jī)械性能沿截面是不均勻的,愈靠近心部機(jī)械性能愈低,特別是韌性。但是在選材時(shí)不能一味地挑選淬透性好的材料,而要根據(jù)具體的受力情況決定。第六節(jié)鋼的回火1.概念將淬火后的鋼加熱到A1以下某一溫度,保溫后冷卻下來(lái)的一種熱處理工藝。
2.目的(1)穩(wěn)定工件組織、性能和尺寸。(2)減小或消除殘余應(yīng)力,防止工件的塑性變形和開(kāi)裂。(3)調(diào)整工件的強(qiáng)度、硬度,提高韌性,以滿(mǎn)足不同工件的性能要求。3.淬火鋼在回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變(1)馬氏體分解(100~200℃)這一階段轉(zhuǎn)變完成后,鋼的組織由有一定過(guò)飽和程度的α固溶體和與其有共格關(guān)系的ε碳化物所組成,這種組織稱(chēng)為回火馬氏體(M回)。馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體。硬度并不降低,但是淬火內(nèi)應(yīng)力有所減小。(2)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變(200~300℃)(3)馬氏體分解完成和碳化物的轉(zhuǎn)變
(300~400℃)
鋼中的殘余奧氏體也發(fā)生分解,轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體或下貝氏體。這一階段轉(zhuǎn)變完成后,鋼的組織由針狀F體和極細(xì)小粒狀的滲碳體組成,這種組織稱(chēng)為回火屈氏體(T回)。(4)F體的回復(fù)、再結(jié)晶和碳化物的聚集長(zhǎng)大(>400℃)這一階段轉(zhuǎn)變完成后,鋼的組織由等軸的F體和細(xì)小的粒狀滲碳體組成,稱(chēng)為回火索氏體(S回)?;鼗鹚魇象w回火屈氏體回火馬氏體4、淬火鋼在回火時(shí)的性能變化40鋼的沖擊韌度與回火溫度的關(guān)系℃5.回火種類(lèi)、組織、性能及應(yīng)用(1)低溫回火(150~250℃)組織:M回性能特點(diǎn):部分降低了鋼中殘余應(yīng)力和脆性,而保持鋼在淬火后所得到的高強(qiáng)度、硬度和耐磨性,58~65HRC應(yīng)用:要求硬度高耐磨性好的工具、量具、滾動(dòng)軸承、滲碳工件以及表面淬火工件等。
(2)中溫回火(350~500℃)組織:T回性能特點(diǎn):內(nèi)應(yīng)力基本消除,具有高的彈性極限和一定的韌性。應(yīng)用:要求彈性極好的彈簧零件、發(fā)條及熱鍛模具,35~45HRC(3)高溫回火(500~650℃)調(diào)質(zhì)處理:淬火與高溫回火相結(jié)合的工藝組織:S回性能特點(diǎn):內(nèi)應(yīng)力基本消除,強(qiáng)度和硬度降低,塑性和韌性提高,具有較高的綜合力學(xué)性能,25~35HRC應(yīng)用:要求綜合力學(xué)性能好的中碳結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼制造的各種重要的結(jié)構(gòu)零件,特別是在多種載荷下工作的連桿、螺栓以及軸類(lèi)等。6.回火脆性概念:淬火鋼在某些溫度范圍內(nèi)回火時(shí)脆性顯著增大的現(xiàn)象高溫回火脆性:450~650℃,第二類(lèi),可逆低溫回火脆性:250~400℃,第一類(lèi),不可逆例題1
共析鋼加熱到相變點(diǎn)以上,用圖示的冷卻曲線(xiàn)冷卻,各應(yīng)得到什么組織?各屬于何種熱處理方法?例題2
T12鋼加熱到Ac1以上,用圖示的各種方法冷卻,分析其所得到的組織。第七節(jié)鋼的表面淬火表面淬火是指在不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織情況下,利用快速加熱將表層奧氏體化后進(jìn)行淬火以強(qiáng)化零件表面的熱處理方法。(只改變表層組織而不改變化學(xué)成分)
表面淬火目的:①使表面具有高的硬度、耐磨性和疲勞極限;②心部在保持一定的強(qiáng)度、硬度的條件下,具有足夠的塑性和韌性。即表硬里韌。適用于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、摩擦和沖擊的零件。1、表面淬火用材料⑴0.4-0.5%C的中碳鋼。⑵鑄鐵提高其表面耐磨性。2、預(yù)備熱處理⑴工藝:對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼為調(diào)質(zhì)或正火。前者性能高,用于要求高的重要件,后者用于要求不高的普通件。⑵目的:①為表面淬火作組織準(zhǔn)備;②獲得最終心部組織。3、最終熱處理采用表面淬火+低溫回火,溫度不高于200℃?;鼗鹉康臑榻档蛢?nèi)應(yīng)力,保留淬火高硬度、耐磨性。4、組織表層組織為M回;心部組織為S回(調(diào)質(zhì))或F+S(正火)。一、火焰加熱表面淬火加熱源:氧-乙炔或氧-煤氣的混合氣體特點(diǎn):①操作簡(jiǎn)單,無(wú)需特殊設(shè)備②淬硬層一般為2-6mm③淬火質(zhì)量不易穩(wěn)定④適于單件或小批量生產(chǎn)二、感應(yīng)加熱表面淬火高頻淬火工藝水或聚乙烯醇水溶液冷卻(油易燃);
160-200℃低溫回火,提高韌性,降低淬火殘余應(yīng)力。自身回火淬火法利用電流的表面效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。高頻淬火優(yōu)缺點(diǎn):加熱速度快;加熱時(shí)間短,組織細(xì)小而均勻;有一定的殘余壓應(yīng)力,提高疲勞極限;工件表面不易氧化和脫碳;生產(chǎn)效率高。設(shè)備昂貴、維修調(diào)試?yán)щy,形狀復(fù)雜的工件的感應(yīng)器不易制造。第八節(jié)鋼的化學(xué)熱處理將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫,使一種或幾種元素滲入它的表層,以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝?;瘜W(xué)熱處理的基本過(guò)程:分解→吸收→擴(kuò)散化學(xué)熱處理的作用:1、強(qiáng)化表面,提高工件的某些機(jī)械性能;2、保護(hù)工件表面,提高物理化學(xué)性能;化學(xué)熱處理的種類(lèi):1、擴(kuò)散元素是非金屬元素,能與鐵形成間隙固溶體,增加表面硬度和耐磨性;2、擴(kuò)散元素是金屬元素,能與鐵形成置換固溶體,改善物理化學(xué)性能。一、鋼的滲碳
滲碳通常是指向低碳鋼制造的工件表面滲入碳原子,使工件表面達(dá)到高碳鋼的含碳量。其目的是使工件在熱處理后表面具有高硬度和高的耐磨性,而心部仍保持低碳鋼良好的塑性、韌性。滲碳用鋼:合金滲碳鋼含碳量0.15~0.25%之間。例15、20、20Cr、20CrMnTi、20SiMnVB等1.滲碳方法(1)固體滲碳依所用滲碳劑的不同,鋼的滲碳可分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。將工件埋入滲劑中,裝箱密封后在高溫下加熱滲碳。滲劑為木炭。優(yōu)點(diǎn):操作簡(jiǎn)單;缺點(diǎn):滲速慢,勞動(dòng)條件差。(2)氣體滲碳
工藝方法:將工件放入密封的加熱爐中,加熱到臨界溫度以上(通常為900~930℃)按一定流量滴入液體滲碳劑(如煤油、苯、甲醇、丙酮等),有機(jī)液體在高溫下,通過(guò)下列反應(yīng):
CH4→[C]+2H22CO→[C]+CO2CO+H2→[C]+H2O從而提供活性碳原子,吸附在工件表面并向鋼的內(nèi)部擴(kuò)散而進(jìn)行滲碳。優(yōu)點(diǎn):質(zhì)量好,效率高;缺點(diǎn):滲層成分與深度不易控制。2.氣體滲碳工藝操作⑶真空滲碳法將工件放入真空滲碳爐中,抽真空后通入滲碳?xì)怏w加熱滲碳。優(yōu)點(diǎn):表面質(zhì)量好,滲碳速度快。3.滲碳后的成分、組織和厚度滲碳緩冷后組織如圖所示。即由工件表面到心部依次為:過(guò)共析組織(Fe3CⅡ+P)→共析組織(P)→亞共析組織(P+F)的過(guò)渡層→心部原始組織(F+P少量)。表面28HRC4.滲碳后的熱處理1)直接淬火法:即滲碳后預(yù)冷到略高于Ar1溫度直接淬火。淬火+150~200℃低溫回火,表面硬度58~62HRC圖3-43直接淬火工藝示意圖180-200℃滲碳900-930℃回火溫度/℃時(shí)間淬火A12)一次淬火法:即滲碳緩冷后重新加熱淬火。3)二次淬火法:即滲碳緩冷后第一次加熱為心部Ac3+30-50℃,細(xì)化心部;第二次加熱為Ac1+30-50℃,細(xì)化表層。常用方法是滲碳緩冷后,重新加熱到Ac1+30-50℃淬火+低溫回火。滲碳淬火+低溫回火后的組織:表層組織:M回+粒狀碳化物+少量AR
硬度為58~62HRC心部組織:低碳鋼P(yáng)類(lèi)+F,硬度為10~15HRC低碳合金鋼低碳M回+F,硬度為35~45HRC
具有較高強(qiáng)度和足夠高的韌性一般滲碳件的加工工藝路線(xiàn)為:鍛造→正火→機(jī)加工→滲碳→淬火→低溫回火→精磨二、鋼的滲氮
1.氣體滲氮氮化的目的在于更大地提高鋼件表面的硬度和耐磨性,提高疲勞強(qiáng)度和抗蝕性。滲氮在鋼的臨界溫度以下進(jìn)行,加熱溫度為550℃2NH3(氨)→3H2+2〔N〕↓滲入鋼中氮化零件的工藝路線(xiàn)如下:鍛造→退火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→除應(yīng)力→粗磨→氮化→精磨或研磨氮化溫度低,一般為500℃~600℃。工件變形小。氮化具有很高的硬度(1000HV~1100HV),在600~650℃下保持不下降,所以具有很高的耐磨性和熱強(qiáng)性。耐蝕性好。疲勞強(qiáng)度大大提高。氮化工藝復(fù)雜,時(shí)間長(zhǎng)(20~50小時(shí)),成本高。用于耐磨性和精度都要求較高的零件,或要求抗熱、抗蝕的耐磨件,例如發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸、排氣閥、精密機(jī)床絲杠、鏜床主軸、氣輪機(jī)閥門(mén)、閥桿等。值得注意的是:N2在普通滲氮溫度下不能分解出活性氮原子,因此不能作為滲碳的滲劑。工藝特點(diǎn):應(yīng)用:氮碳共滲,以滲氮為主,因滲層硬度提高不多,故稱(chēng)為軟氮化。氮碳共滲溫度為520-580℃。尿素在500℃以上發(fā)生熱分解:(NH2)2CO=CO+2H2+2[N]2CO=CO2+2[C]2.軟氮化(氰化)工藝特點(diǎn):時(shí)間短,通常只需1~2小時(shí)。不需專(zhuān)用的滲氮鋼。滲層的脆性較小,不易發(fā)生剝落。3.離子氮化利用稀薄空氣的輝光放電現(xiàn)象進(jìn)行,氮化速度快,無(wú)污染。4、碳氮共滲碳氮共滲,以滲碳為主。共滲溫度為820~860℃。工藝過(guò)程:碳氮共滲淬火低溫回火20CrMnTi鋼的汽車(chē)變速箱齒輪熱處理工藝曲線(xiàn)表面:高碳回火馬氏體+殘余奧氏體+碳化物中心:鐵素體+索氏體+低碳回火馬氏體磨齒正火工藝滲碳工藝第八節(jié)表面處理新技術(shù)
一、熱噴涂技術(shù)
將熱噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài),用高壓氣流使其霧化并噴射于工件表面形成涂層的工藝稱(chēng)為熱噴涂。
利用熱噴涂技術(shù)可改善材料的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及絕緣性等。
廣泛用于包括航空航天、原子能、電子等尖端技術(shù)在內(nèi)的幾乎所有領(lǐng)域。
熱噴涂方法①火焰噴涂②電弧噴涂③等離子噴涂熱噴涂的特點(diǎn)及應(yīng)用⑴工藝靈活:熱噴涂的對(duì)象小到Φ10mm的內(nèi)孔,大到鐵塔、橋梁,可整體噴涂,也可局部噴涂⑵基體及噴涂材料廣泛:基體可以是金屬和非金屬,涂層材料可以是金屬、合金及塑料、陶瓷等⑶涂層可控:從幾十m到幾mm⑷生產(chǎn)效率高⑸工件變形?。夯w材料溫度不超過(guò)250℃(冷工藝)二、氣相沉積技術(shù)
氣相沉積技術(shù)是指將含有沉積元素的氣相物質(zhì),通過(guò)物理或化學(xué)的方法沉積在材料表面形成薄膜的
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