碳鋼的熱處理及性能分析

碳鋼的熱處理及性能分析第一頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三一、金屬的概念二、金屬材料的力學(xué)性能三、金屬的結(jié)晶和組織1.金屬的結(jié)晶過(guò)程 2.金屬的組織（1）室溫平衡組織（2）非平衡組織第二頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三四、鋼鐵的分類(lèi)和異同鋼和鑄鐵所含的主要合金元素都是鐵和碳，所以也稱(chēng)鋼和鑄鐵為Fe-C合金，它們的不同點(diǎn)在于含碳量，鋼的含碳量小于2.11%，鑄鐵的含碳量大于2.11%。五、Fe-C合金基本組織

1.鐵素體F

2.滲碳體Fe3C

3.珠光體P（F+

Fe3C）第三頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三六、鋼鐵的組織和性能1.碳鋼的室溫平衡組織

碳鋼的室溫平衡組織由鐵素體、滲碳體和珠光體三種基本組織組成。隨碳鋼含碳量的不同，基本組織的含量也相應(yīng)發(fā)生變化。碳鋼按室溫組織的不同根據(jù)含碳量可分為三類(lèi)。

第四頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三

項(xiàng)目種類(lèi)含碳量（%）

室溫平衡組織

備注亞共析鋼

＜0.77

鐵素體＋珠光體

隨含碳量的增加，組織中珠光體的量增多。共析鋼

＝0.77

全部是珠光體

過(guò)共析鋼

＞0.77

珠光體＋滲碳體

滲碳體分布于珠光體晶粒的周?chē)淳Ы纾?，在金相顯微鏡下觀察呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故又稱(chēng)網(wǎng)狀滲碳體。含碳量越高，滲碳體層越厚。第五頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三純鐵亞共析鋼共析鋼過(guò)共析鋼第六頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三碳鋼的成分、組織、性能之間的關(guān)系示意圖第七頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.鑄鐵的室溫平衡組織

鑄鐵由于含碳量高，碳的存在形態(tài)發(fā)生了變化。在鋼中碳是以化合態(tài)的Fe3C（滲碳體）存在，而在鑄鐵中碳不僅以化合態(tài)的Fe3C存在，同時(shí)出現(xiàn)了游離態(tài)的石墨。鑄鐵的組織可以認(rèn)為是在鐵素體或珠光體，或鐵素體＋珠光體的基體上分布著不同形態(tài)的石墨。根據(jù)石墨形態(tài)的不同，常用鑄鐵可分為：

灰鑄鐵—石墨以片狀存在可鍛鑄鐵

—石墨以團(tuán)絮狀存在

球墨鑄鐵—石墨以球狀或近似球狀存在第八頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三可鍛鑄鐵（鐵素體基體）灰鑄鐵（珠光體基體）

球墨鑄鐵（鐵素體＋珠光體基體）第九頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.鑄鐵與碳鋼的性能比較

鑄鐵與碳鋼比較（在同一種基體下），由于鑄鐵中石墨的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都極低（σb<20Mpa，δ→0）,而且石墨的存在對(duì)基體起割裂作用，所以，鑄鐵的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性）較差，不如碳鋼，尤以灰鑄鐵（片狀石墨）最差，球墨鑄鐵因球狀石墨的割裂作用最輕，具有較好的力學(xué)性能。鑄鐵具有優(yōu)良的減震性、耐磨性、鑄造性能和切削加工性能，而且生產(chǎn)成本低廉，因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。

第十頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三六、熱加工工藝對(duì)碳鋼組織的影響

在材料加工工程中存在著如下關(guān)系：設(shè)備→工藝↘↑↓組織→性能→應(yīng)用原材料→成分↗這個(gè)關(guān)系在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，表現(xiàn)為設(shè)備、工藝條件等的不同決定了熱過(guò)程的非平衡程度的不同，使得金屬結(jié)晶和轉(zhuǎn)變過(guò)程不同，最終使金屬材料的組織呈現(xiàn)多樣性，即使同一種金屬材料的組織也可呈現(xiàn)不同的形態(tài)?？梢?jiàn)，正是非平衡過(guò)程的多樣性，使得工程材料得到不同的組織，具備不同的性能，從而滿(mǎn)足各種使用要求。此外，相同的金屬組織，晶粒越細(xì)小、分布越均勻，其力學(xué)性能越高。第十一頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三工藝熱過(guò)程及其特點(diǎn)成形特點(diǎn)組織特點(diǎn)性能或應(yīng)用鑄造在熔化設(shè)備中熔化金屬爐料（熔點(diǎn)以上約100℃），使?jié)M足化學(xué)成分要求的金屬液體具有流動(dòng)性短時(shí)間保溫靜置，使金屬熔體中氣體、夾雜物上浮在鑄型中較為緩慢地冷卻凝固，獲得鑄件液態(tài)凝固成形非平衡結(jié)晶，一般為粗大的柱狀晶。冷卻速度越大，晶粒越細(xì)小受力不大的形狀復(fù)雜件鍛造在加熱設(shè)備中加熱工件，使其具有良好的塑性，并降低變形抗力在始鍛和終鍛溫度范圍內(nèi)對(duì)工件施以沖擊力或壓力，使其發(fā)生塑性變形，并改善內(nèi)部組織在終鍛溫度以下冷卻，得到鍛件固態(tài)塑性變形成形使儔錠原來(lái)粗大的晶粒細(xì)化，并沿變形方向呈現(xiàn)方向性的特點(diǎn)，減小甚至消除鑄錠內(nèi)部缺陷受力復(fù)雜的形狀簡(jiǎn)單件焊接在空氣或保護(hù)氣氛中高能量加熱，使構(gòu)件連接區(qū)域快速熔化，形成熔池基本沒(méi)保溫過(guò)程在熔渣或保護(hù)氣氛保護(hù)下快速冷卻凝固，形成焊縫，焊縫以及附近母材冷卻速度很不均勻不可拆卸的連接成形非平衡結(jié)晶特點(diǎn)更為明顯，使得焊縫組織的柱狀晶的特點(diǎn)更為明顯，同時(shí)焊縫附近母材金屬組織也發(fā)生不同程度的變化接頭區(qū)域一般為性能薄弱區(qū)熱處理在加熱設(shè)備中使工件達(dá)到規(guī)定溫定，使工件可能發(fā)生內(nèi)部組織的變化工件于加熱爐內(nèi)在規(guī)定溫度下保溫規(guī)定時(shí)間，使工件熱透，或使內(nèi)部發(fā)生組織轉(zhuǎn)變以不同方式或速度冷卻，使工件獲得所需要的組織和性能非成形加工同種材料經(jīng)過(guò)不同的熱處理可得到不同的組織根據(jù)不同的使用要求選用不同的熱處理的方法常用熱加工工藝方法特點(diǎn)第十二頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三鑄錠宏觀組織示意圖焊接接頭宏觀組織示意圖第十三頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三七、熱處理的概念及常用工藝熱處理是將金屬在固態(tài)下通過(guò)加熱、保溫和冷卻過(guò)程，改變其內(nèi)部組織，從而獲得所需性能的一種工藝方法。它的特點(diǎn)是：只改變金屬材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，獲得所需性能，盡量避免改變零件的形狀。同樣的材料經(jīng)過(guò)不同的熱處理方法，可以得到不同的內(nèi)部組織，因此，熱處理工藝可以最大限度地發(fā)揮材料的潛力。鋼的常用熱處理方法有：退火、正火、淬火和回火。

第十四頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三常用熱處理方法的工藝曲線(xiàn)示意圖

退火正火淬火回火第十五頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三1.退火

退火是將金屬制件加熱到高于或低于這種金屬的臨界溫度，經(jīng)保溫一定時(shí)間，隨后在爐中或埋入導(dǎo)熱性較差的介質(zhì)中緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的一種熱處理工藝。退火的目的：

a.

降低硬度，以利于切削加工；

b.

細(xì)化晶粒，改善組織，提高機(jī)械性能；

c.

消除內(nèi)應(yīng)力，為下一道熱處理作好準(zhǔn)備；

d.

提高金屬材料的塑性、韌性，便于進(jìn)行冷沖壓或冷拉拔加工。退火的缺點(diǎn)：占用設(shè)備；生產(chǎn)率低。第十六頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.正火

正火是將金屬制件加熱到高于或低于這種金屬的臨界溫度，經(jīng)保溫一定時(shí)間，隨后在空氣中冷卻，以獲得更細(xì)組織的一種熱處理工藝。正火的作用與退火相似，與退火不同之處是：

a.正火是在空氣中冷卻，冷卻速度快，所獲得的組織更細(xì)。

b.正火后的強(qiáng)度、硬度較退火后的稍高，而塑性、韌性則稍低。

c.不占用設(shè)備；生產(chǎn)率高。第十七頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.淬火

淬火是將金屬制件加熱到這種金屬的臨界溫度以上30～50℃，經(jīng)保溫一定時(shí)間，隨后在水或油中快速冷卻，以獲得高硬度組織的一種熱處理工藝。淬火的目的：提高金屬材料的強(qiáng)度和硬度，增加耐磨性，并在回火后獲得高強(qiáng)度和一定韌性相配合的性能。第十八頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三4.回火

回火是把淬火后的金屬制件重新加熱到某一溫度，保溫一段時(shí)間，然后置于空氣或油中冷卻的熱處理工藝?；鼗鸬哪康模簽榱讼慊饡r(shí)因冷卻過(guò)快而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，降低金屬材料的淬性，使它具有一定的韌性。根據(jù)加熱溫度的不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。

第十九頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三（1）低溫回火：回火溫度為150～250℃。低溫回火能消除一定的內(nèi)應(yīng)力，適當(dāng)?shù)亟档弯摰拇嘈?，提高韌性，同時(shí)工件仍保持高硬度、高耐磨性，應(yīng)用于各種量具和刃具。（2）中溫回火：回火溫度為350～500℃。中溫回火可大大減小鋼的內(nèi)應(yīng)力，提高了彈性、韌性，但硬度有所降低，應(yīng)