第四章鋼的熱處理

《工程材料余熱加工基礎》第四章鋼的熱處理工程材料與熱加工基礎—程曉宇

第五章鋼的熱處理概述鋼在加熱時的組織轉變鋼在冷卻時的組織轉變鋼的普通熱處理工藝鋼的表面熱處理工藝機械制造過程中的熱處理工程材料與熱加工基礎—程曉宇

第一節(jié)概述1.熱處理的定義:時間溫度臨界溫度

熱加保溫冷卻工程材料與熱加工基礎—程曉宇2.熱處理的主要目的:改變鋼的性能。3.熱處理的應用范圍:整個制造業(yè)。4.熱處理的分類熱處理普通熱處理表面熱處理退火;正火;淬火;回火;表面淬火

化學熱處理感應加熱淬火火焰加熱淬火滲碳;滲氮;碳氮共滲;工程材料與熱加工基礎—程曉宇

第二節(jié)鋼在加熱時的組織轉變轉變溫度奧氏體的形成奧氏體晶粒度及對力學性能的影響工程材料與熱加工基礎—程曉宇一.轉變溫度奧氏體的形成FFe3C未溶Fe3CA殘余Fe3CAAAA

形核A

長大殘余Fe3C溶解A均勻化工程材料與熱加工基礎—程曉宇三.奧氏體晶粒度及對力學性能的影響一)奧氏體晶粒度:

1.起始晶粒度:珠光體剛剛轉變成奧氏體的晶粒大小。

2.實際晶粒度:熱處理后所獲得的奧氏體晶粒的大小。

3.本質晶粒度:度量鋼本身晶粒在930℃

以下,隨溫度升高,晶粒長大的程度。工程材料與熱加工基礎—程曉宇

鋼的本質晶粒度示意圖工程材料與熱加工基礎—程曉宇二)奧氏體晶粒大小對鋼的力學性能的影響1.奧氏體晶粒均勻細小,熱處理后鋼的力學性能提高。2.粗大的奧氏體晶粒在淬火時容易引起工件產(chǎn)生較大的變形甚至開裂。工程材料與熱加工基礎—程曉宇

第三節(jié)鋼在冷卻時的組織轉變鋼在熱處理時的冷卻方式過冷奧氏體的等溫冷卻轉變過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變工程材料與熱加工基礎—程曉宇一.鋼在熱處理時的冷卻方式

熱加保溫時間溫度臨界溫度連續(xù)冷卻等溫冷卻工程材料與熱加工基礎—程曉宇二.過冷奧氏體的等溫冷卻轉變一)建立共析鋼過冷奧氏體等溫冷卻轉變曲線----TTT曲線

(

C曲線

)T

---

timeT

---

temperatureT

---

transformation

共析碳鋼TTT曲線建立過程示意圖時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1二)共析碳鋼TTT曲線的分析穩(wěn)定的奧氏體區(qū)過冷奧氏體區(qū)A向產(chǎn)物轉變開始線A向產(chǎn)物轉變終止線

A+產(chǎn)物區(qū)產(chǎn)物區(qū)A1～550℃;高溫轉變區(qū);擴散型轉變;P轉變區(qū)。550～230℃;中溫轉變區(qū);半擴散型轉變;

貝氏體(B)轉變區(qū);230～-50℃;低溫轉變區(qū);非擴散型轉變;馬氏體(M)轉變區(qū)。時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf三)轉變產(chǎn)物的組織與性能1.珠光體型(P)轉變(A1～550℃):A1～650℃:

P;5～25HRC;

片間距為0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:

細片狀P---索氏體(S);

片間距為0.2～0.4μm(1000×);25～36HRC。600～550℃:極細片狀P---屈氏體(T);

片間距為＜0.2μm(電鏡);35～40HRC。

珠光體形貌像光鏡下形貌電鏡下形貌光鏡形貌電鏡形貌

索氏體形貌像

屈氏體形貌像電鏡形貌光鏡形貌工程材料與熱加工基礎—程曉宇三)轉變產(chǎn)物的組織與性能2.貝氏體型(B)轉變(550～230℃):550～350℃:

B上;40～45HRC;B上=過飽和碳

α-Fe條狀+Fe3C細條狀過飽和碳α-Fe條狀Fe3C細條狀羽毛狀工程材料與熱加工基礎—程曉宇

上貝氏體組織金相圖工程材料與熱加工基礎—程曉宇三)轉變產(chǎn)物的組織與性能2.貝氏體型(B)轉變(550～230℃):350～230℃:

B下;50～60HRC;B下=過飽和碳

α-Fe針葉狀+Fe3C細片狀過飽和碳

α-Fe針葉狀Fe3C細片狀針葉狀工程材料與熱加工基礎—程曉宇

下貝氏體組織金相圖工程材料與熱加工基礎—程曉宇三)轉變產(chǎn)物的組織與性能3.馬氏體型(M)轉變(230～-50℃):1)定義:馬氏體是一種碳在α–Fe中的

過飽和固溶體。2)轉變特點:在一個溫度范圍內(nèi)連續(xù)冷卻完成;轉變速度極快,即瞬間形核與長大;無擴散轉變(Fe、C原子均不擴散),

M與原A的成分相同,造成晶格畸變。轉變不完全性,QM=f(T)工程材料與熱加工基礎—程曉宇奧氏體含碳量對馬氏體轉變溫度的影響6007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00溫度℃Wc100MsMf工程材料與熱加工基礎—程曉宇90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.11.21.31.41.51.61.7Wc100殘余奧氏體量(%)奧氏體含碳量對殘余奧氏體數(shù)量的影響工程材料與熱加工基礎—程曉宇3)馬氏體的晶體結構:由于碳的過飽和作用,使α–Fe晶格由體心立方變成體心正方晶格。工程材料與熱加工基礎—程曉宇4)馬氏體的組織形態(tài):板條狀---低碳馬氏體(＜0.2%C);30～50HRC;δ=9～17%。工程材料與熱加工基礎—程曉宇

低碳板條狀馬氏體組織金相圖工程材料與熱加工基礎—程曉宇4)馬氏體的組織形態(tài):針、片狀---高碳馬氏體(＞1%C);66HRC左右;δ≈1%。工程材料與熱加工基礎—程曉宇

高碳針片狀馬氏體組織金相圖馬氏體的碳濃度Wc100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度(HRC)2000抗拉強度σb(Mpa)1800140010006002005)馬氏體的性能:

主要取決于馬氏體中的碳濃度。工程材料與熱加工基礎—程曉宇

亞共析鋼的TTT曲線

FAP+FS+FTBM+A殘A3時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf工程材料與熱加工基礎—程曉宇

過共析鋼的TTT曲線P+Fe3CⅡS+Fe3CⅡTBM+A殘

Fe3CⅡAACM時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf工程材料與熱加工基礎—程曉宇

四)影響TTT曲線形狀

與位置的因素1.奧氏體中含碳量的影響:過共析鋼共析鋼亞共析鋼時間溫度A1工程材料與熱加工基礎—程曉宇2.奧氏體中含合金元素的影響:

除Co、Al(＞2.5%)外,所有合金元素溶入奧氏體中,會引起:向右移向下移MsA1A1Ms含Cr合金鋼工程材料與熱加工基礎—程曉宇3.加熱溫度和保溫時間的影響:

加熱溫度越高,保溫時間越長,

碳化物溶解充分,奧氏體成分均勻,

提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性,從而

使TTT曲線向右移。工程材料與熱加工基礎—程曉宇三.過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變一)建立共析鋼過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉變曲線----CCT曲線C---continuousC---coolingT---transformationVk

一)共析碳鋼CCT曲線建立過程示意圖時間(lgτ)溫度℃A1PfPsA+PKMsMf水冷油冷Vk1爐冷空冷二)共析碳鋼TTT曲線與CCT曲線的比較穩(wěn)定的奧氏體區(qū)時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMfCCT曲線TTT曲線穩(wěn)定的奧氏體區(qū)時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf三)在連續(xù)冷卻過程中TTT曲線的應用V1V2VkV3V4V1=5.5℃/s:爐冷;PV2=20℃/s:空冷;SV3=33℃/s:油冷;T+M+A殘V4≥138℃/s:水冷;M+A殘工程材料與熱加工基礎—程曉宇

第四節(jié)鋼的普通熱處理工藝毛坯生產(chǎn)預備熱處理機械加工最終熱處理機械精加工預備熱處理:退火;正火最終熱處理:淬火;回火一般零件生產(chǎn)的工藝路線:工程材料與熱加工基礎—程曉宇一.鋼的退火一)定義:

把零件加溫到臨界溫度以上

30～50℃,保溫一段時間,然后

隨爐冷卻。二)目的:

消除應力;降低硬度;細化晶粒;均勻成分;為最終熱處理作好組織準備。工程材料與熱加工基礎—程曉宇三)種類退火重結晶退火低溫退火完全退火擴散退火球化退火再結晶退火去應力退火普通退火等溫退火普通球化退火等溫球化退火工程材料與熱加工基礎—程曉宇四)工藝參數(shù):溫度(°C)名稱Ac3

+30～50完全退火Ac1+30～50球化退火500～600去應力退火Ac3

+150～250擴散退火四)工藝參數(shù):工程材料與熱加工基礎—程曉宇五)熱處理后的組織:

原始組織。

共析鋼球化退火組織(化染)700

T10鋼球化退火組織(化染)500

工程材料與熱加工基礎—程曉宇二.鋼的正火一)定義:

把零件加溫到臨界溫度以上

30～50℃,保溫一段時間,然后

在空氣中冷卻。二)目的:

消除應力;調(diào)整硬度;細化晶粒;均勻成分;為最終熱處理作好組織準備。工程材料與熱加工基礎—程曉宇三)工藝參數(shù):溫度(°C)名稱Ac3

+30～50亞共析鋼Ac1

+30～50共析鋼Accm+30～50過共析鋼四)工藝參數(shù):工程材料與熱加工基礎—程曉宇四)熱處理后的組織:S(Wc=0.6～1.4%)S+F(Wc＜0.6%)五)應用范圍:

1.預備熱處理:調(diào)整低、中碳鋼的硬度;消除過共析鋼中的Fe3CⅡ。

2.最終熱處理:用于力學性能要求不高的普通零件。工程材料與熱加工基礎—程曉宇三.鋼的淬火一)定義:

把零件加溫到臨界溫度以上

30～50℃,保溫一段時間,然

后快速冷卻(水冷)。二)目的:為了獲得馬氏體組織,提高鋼的硬度和耐磨性。工程材料與熱加工基礎—程曉宇三)工藝參數(shù):溫度(°C)名稱Ac3

+30～50亞共析鋼Ac1

+30～50共析鋼Ac1

+30～50過共析鋼工程材料與熱加工基礎—程曉宇三)工藝參數(shù):工程材料與熱加工基礎—程曉宇四)熱處理后的組織:

M+Fe3C+A殘

Ac1+30～50過共析鋼M+A殘Ac1+30～50

共析鋼M+A殘

Ac3+30～50亞共析鋼Wc＞0.5%MAc3+30～50亞共析鋼Wc≤0.5%

最終組織淬火溫度(℃)

鋼種工程材料與熱加工基礎—程曉宇五)淬火加熱時間(τ)的選擇:τ

=α

K

D工件有效厚度(尺寸最小部位)裝爐量有關系數(shù)一般K=1～1.5加熱系數(shù),與鋼種及加熱介質有關工程材料與熱加工基礎—程曉宇六)淬火冷卻介質1.理想淬火冷卻介質時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf2.常用的淬火冷卻介質

名稱

最大冷卻速度時平均冷卻速度/(℃?s-1)所在溫度/℃冷卻速度/(℃?s-1)650～550℃300～200℃20℃靜止水34077513545040℃靜止水28554511041060℃靜止水2202758018510%NaCl

溶液58020001900100010%NaOH溶液5602830275077520℃10號機油430230606580℃10號機油430230705520℃3號錠子油50012010050七)常用的淬火方法單液淬火雙液淬火分級淬火等溫淬火時間溫度MsA1工程材料與熱加工基礎—程曉宇八)鋼的淬硬性(Hardeningofsteel)1.定義:是指鋼在淬火后所能達到的最高硬度。2.影響鋼的淬硬性的因素:主要取決于馬氏體的含碳量。工程材料與熱加工基礎—程曉宇九)鋼的淬透性

(Hardenabilityofsteel)1.定義:是指鋼在淬火時所能得到的淬硬層(馬氏體組織占50%處)的深度。2.影響鋼的淬透性的因素:主要是臨界淬火冷卻速度VK的大小,

VK越大,鋼的淬透性越小。工件淬硬層與冷卻速度的關系工程材料與熱加工基礎—程曉宇3.淬硬性與淬透性之間的關系:淬透性淬硬性鋼種小低碳素結構鋼(20)小高碳素工具鋼(T10A)大低低碳合金結構鋼(18Cr2Ni4WA)大高高碳高合金工具鋼(Cr12MoV)4.淬透性的大小對鋼的熱處理后的力學性能的影響未淬透鋼淬透鋼工程材料與熱加工基礎—程曉宇四.鋼的回火一)定義:

把淬火后的零件重新加溫到

A1線以下某個溫度,保溫一段時間,然后冷卻到窒溫。二)目的:

消除淬火應力,降低脆性;穩(wěn)定工件尺寸;調(diào)整淬火零件的力學性能。耐磨件M回=α0.3%C+ε150～250低溫回火彈簧等T回=F針+Fe3C粒350～500中溫回火調(diào)質件S回=F多+Fe3C球500～650高溫回火高合金鋼P回=F多+Fe3C粒650～A1高溫軟化三)工藝參數(shù)淬火+高溫回火=調(diào)質處理用途組織溫度(℃)名稱淬火+高溫回火=調(diào)質處理工程材料與熱加工基礎—程曉宇

回火馬氏體組織金相圖工程材料與熱加工基礎—程曉宇

第五節(jié)鋼的表面熱處理工藝表面淬火化學熱處理工藝的核心:使零件具有“表硬里韌”的力學性能。工程材料與熱加工基礎—程曉宇一.表面淬火一)定義:是一種不改變鋼表層化學成分,但改變表層組織的局部熱處理工藝。二)工藝特征:通過快速加熱使鋼的表層奧氏體化,然后急冷,使表層形成馬氏體組織,而心部仍保持不變。工程材料與熱加工基礎—程曉宇三)表面淬火用鋼:

選用中碳或中碳低合金鋼。40、45、40Cr、40MnB等。四)表面淬火加工的方法:

感應加熱(高、中、工頻)、火焰加熱、電接觸加熱法等。工程材料與熱加工基礎—程曉宇1.感應加熱表面淬火1)感應加熱的基本原理:*

感應電流---渦流*

集膚效應*淬火層深度(δ)與電流頻率(f)的關系:δ=500/√f（mm）

工程材料與熱加工基礎—程曉宇感應加熱表面淬火示意圖集膚效應示意圖工程材料與熱加工基礎—程曉宇2)工藝要求:

*表面淬火前,必須對零件進行正火或調(diào)質處理,以保證零件有良好的基體。

*表面淬火后,必須對零件進行低溫回火處理,以降低淬火應力和脆性。3)生產(chǎn)特點:

淬火件的質量好;工件變形小;不易氧化及脫碳;淬火層容易控制;生產(chǎn)率高。設備投資大,不適于復雜形狀零件和小批量生產(chǎn)。工程材料與熱加工基礎—程曉宇2.火焰加熱表面淬火1)火焰加熱表面淬火的基本方法工程材料與熱加工基礎—程曉宇2)火焰加熱表面淬火的特點:*設備簡單,操作方便,成本低。*淬火質量不穩(wěn)定。*適于單件、小批量及大型零件的生產(chǎn)。工程材料與熱加工基礎—程曉宇二.化學熱處理

(ChemicalHeatTreatment)一)定義:將零件置于一定的化學介質中,通過加熱、保溫,使介質中一種或幾種元素原子滲入工件表層,以改變鋼表層的化學成分和組織的熱處理工藝。工程材料與熱加工基礎—程曉宇二)化學熱處理的基本過程:2.吸收:

活性原子被零件表面吸收和溶解。3.擴散:

活性原子由零件表面向內(nèi)部擴散,形成一定的擴散層。1.分解:

化學介質在高溫下釋放出待滲的活性原子。

2COCO2+〔C〕工程材料與熱加工基礎—程曉宇三)化學熱處理進行的條件:1.滲入元素的原子必須是活性原子,而且具有較大的擴散能力。2.零件本身具有吸收滲入原子的能力,

即對滲入原子有一定的溶解度或能與之化合,形成化合物。四)化學熱處理的種類:滲碳;滲氮;碳氮共滲;滲硼;滲鋁;滲硫;滲硅;滲鉻等。工程材料與熱加工基礎—程曉宇1.鋼的滲碳(Carburizeofsteel)1)定義:向鋼的表面滲入碳原子的過程。2)目的:獲得具有表硬里韌性能的零件。3)用鋼:低碳鋼和低碳合金鋼。4)方法:固體、氣體、液體滲碳。工程材料與熱加工基礎—程曉宇

固體滲碳法示意圖零件滲碳劑試棒蓋泥封滲碳箱工程材料與熱加工基礎—程曉宇

氣體滲碳法示意圖工程材料與熱加工基礎—程曉宇5)工藝:

加熱溫度為900～950℃;

滲碳時間一般為3～9小時;6)滲碳后的組織:

1%CP+Fe3CⅡ0.2%C

F+P少表面中心零件PP+F20鋼滲碳緩冷組織(化染)580

表層珠光體+網(wǎng)狀滲碳體;中層珠光體;內(nèi)層鐵素體+珠光體工程材料與熱加工基礎—程曉宇7)滲碳后的熱處理工藝時間溫度930℃850℃方案1方案2滲碳淬火加熱工程材料與熱加工基礎—程曉宇7)滲碳后的熱處理工藝工程材料與熱加工基礎—程曉宇8)熱處理后的組織低碳M回+FM回+Cm+A殘低碳合金鋼F+PM回+Fe3C+A殘低碳鋼心部組織表層組織鋼種9)常用的鋼種:

15、20、20Cr、20Mn2、

20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。20CrMnTi鋼滲碳層組織(化染)320

滲碳體(白色塊狀)+高碳M(