《金屬材料與熱處理（第八版）》- 課件 第5、6章 鋼的熱處理、低合金鋼與合金鋼

第五章鋼的熱處理§5-1熱處理的原理與分類熱處理是對(duì)固態(tài)的金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。熱處理工藝過(guò)程可用以溫度—時(shí)間為坐標(biāo)的曲線圖表示。熱處理工藝曲線熱處理的分類§5-2鋼在加熱與冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變一、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變1.鋼在加熱和冷卻時(shí)的相變溫度鋼在加熱和冷卻時(shí)的臨界點(diǎn)2.奧氏體的形成共析鋼中奧氏體形成過(guò)程示意圖a)形核b)長(zhǎng)大c)殘余Fe3C溶解d)均勻化如果在形成奧氏體后繼續(xù)升溫或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，會(huì)使奧氏體晶粒逐漸長(zhǎng)大。晶粒的長(zhǎng)大是依靠較大晶粒吞并較小晶粒和晶界遷移的方式進(jìn)行的。晶粒的吞并與長(zhǎng)大二、鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中，鋼的熱處理工藝有兩種。兩種熱處理工藝曲線1.奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線圖(1)珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū)———高溫等溫轉(zhuǎn)變珠光體型轉(zhuǎn)變的組織及性能特點(diǎn)續(xù)表(2)貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)———中溫等溫轉(zhuǎn)變貝氏體型轉(zhuǎn)變的組織及性能特點(diǎn)(3)馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)———低溫連續(xù)轉(zhuǎn)變馬氏體型轉(zhuǎn)變的組織及性能特點(diǎn)2.奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變用等溫轉(zhuǎn)變曲線分析奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變§5-3熱處理的基本方法一、退火與正火1.退火退火是將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻(一般隨爐冷卻)的熱處理工藝。常用退火方法續(xù)表2.正火正火是將鋼加熱到Ac3或Accm以上30~50℃，保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間后，在空氣中冷卻的工藝方法。45鋼正火與退火狀態(tài)的力學(xué)性能對(duì)比退火和正火的加熱溫度范圍及熱處理工藝曲線a)加熱溫度范圍b)熱處理工藝曲線1—完全退火2—球化退火3—去應(yīng)力退火4—正火二、淬火與回火1.淬火將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上的適當(dāng)溫度，經(jīng)保溫后快速冷卻(冷卻速度大于v臨)，以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。鋼的淬火溫度范圍(1)淬火加熱溫度的選擇淬火加熱溫度的選擇及原因(2)淬火介質(zhì)的選擇常用淬火介質(zhì)的冷卻特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合(3)常用的淬火方法常用的淬火操作方法、特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合及熱處理工藝曲線續(xù)表(4)鋼的淬透性與淬硬性淬透性是在規(guī)定條件下，鋼在淬火冷卻時(shí)獲得馬氏體組織深度的能力。淬硬性指鋼在理想的淬火條件下，獲得馬氏體后所能達(dá)到的最高硬度。(5)鋼的淬火缺陷鋼的淬火缺陷2.回火回火是將淬火后的鋼重新加熱到Ac1點(diǎn)以下的某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。(1)回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變回火后的組織轉(zhuǎn)變鋼(45鋼)的回火組織a)回火馬氏體b)回火屈氏體c)回火索氏體40鋼的力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系(2)回火的分類及應(yīng)用回火的分類及應(yīng)用場(chǎng)合§5-4鋼的表面熱處理與化學(xué)熱處理強(qiáng)化零件表面常用的熱處理方法有表面熱處理和化學(xué)熱處理兩種。一、表面熱處理鋼的表面熱處理是指僅對(duì)鋼件表面進(jìn)行熱處理，以改變表面層組織，滿足使用性能要求的熱處理工藝。表面淬火是表面熱處理中最常用的方法，是強(qiáng)化材料表面的重要手段。目前，表面淬火的方法很多，如火焰加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火、激光加熱表面淬火等。生產(chǎn)中最常用的方法主要是火焰加熱表面淬火和感應(yīng)加熱表面淬火。1.火焰加熱表面淬火應(yīng)用氧—乙炔(或其他可燃?xì)怏w)火焰對(duì)零件表面進(jìn)行快速加熱并隨后快速冷卻的工藝稱為火焰加熱表面淬火?；鹧婕訜岜砻娲慊鹗疽鈭D2.感應(yīng)加熱表面淬火利用感應(yīng)電流通過(guò)工件所產(chǎn)生的熱效應(yīng)使工件表面受到局部加熱，并進(jìn)行快速冷卻的淬火工藝稱為感應(yīng)加熱表面淬火。感應(yīng)加熱表面淬火原理示意圖二、化學(xué)熱處理將工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其表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝稱為化學(xué)熱處理。1.化學(xué)熱處理的過(guò)程(1)分解(2)吸收(3)擴(kuò)散化學(xué)熱處理的過(guò)程示意圖2.鋼的滲碳鋼的滲碳是將鋼件置于滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。根據(jù)滲碳介質(zhì)的工作狀態(tài)，滲碳方法可分為固體滲碳、鹽浴滲碳和氣體滲碳三種，應(yīng)用最廣泛的是氣體滲碳。氣體滲碳是將工件置于氣體滲碳劑中進(jìn)行滲碳的工藝。氣體滲碳示意圖一般零件滲碳后，其表面含碳量控制在0.85%~1.05%，含碳量從表面到心部逐漸減少，心部仍保持原來(lái)的含碳量。圖示為低碳鋼滲碳后緩冷的滲碳層顯微組織，圖中滲碳層的組織由表面向中心依次為過(guò)共析組織、共析組織、亞共析組織(過(guò)渡層)，中心仍為原來(lái)的亞共析組織。低碳鋼滲碳后緩冷的滲碳層顯微組織3.鋼的滲氮在一定溫度下，使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝稱為滲氮。(1)滲氮的特點(diǎn)1)滲氮層具有很高的硬度和耐磨性，鋼件滲氮后表層中形成穩(wěn)定的金屬氮化物，具有極高的硬度，所以滲氮后不用淬火就可達(dá)到高硬度，而且具有較高的紅硬性。2)滲氮層具有滲碳層所沒(méi)有的耐腐蝕性，可防止水、蒸氣、堿性溶液的腐蝕。3)滲氮比滲碳溫度低(一般約570℃)，所以工件變形小。(2)滲氮的方法1)氣體滲氮工件在氣體介質(zhì)中進(jìn)行滲氮稱為氣體滲氮。它是將工件放入密閉的爐內(nèi)，加熱到500~600℃，通入氨氣(NH3)，利用氨氣分解出活性氮原子進(jìn)行滲氮的方法。滲氮層的顯微組織a)滲氮層及維氏硬度測(cè)試壓痕b)滲氮層中致密的針狀氮化物(白色)2)離子滲氮在低于一個(gè)大氣壓的滲氮?dú)夥罩?，利用工?陰極)和陽(yáng)極之間產(chǎn)生的輝光放電現(xiàn)象進(jìn)行滲氮的工藝稱為離子滲氮。離子滲氮裝置示意圖4.碳氮共滲在一定溫度下，將碳、氮原子同時(shí)滲入工件表層奧氏體中，并以滲碳為主的化學(xué)熱處理工藝稱為碳氮共滲。碳氮共滲與滲碳相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)。它不僅加熱溫度低，零件變形小，生產(chǎn)周期短，而且滲層具有較高的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。§5-5零件的熱處理分析一、熱處理的技術(shù)條件工件熱處理后的組織、應(yīng)當(dāng)達(dá)到的力學(xué)性能、精度和工藝性能等要求，統(tǒng)稱為熱處理的技術(shù)條件。熱處理的技術(shù)條件是根據(jù)零件工作特性提出的。一般零件均以硬度作為熱處理的技術(shù)條件，對(duì)滲碳零件應(yīng)標(biāo)注滲碳層深度，對(duì)某些性能要求較高的零件還需標(biāo)注力學(xué)性能指標(biāo)或金相組織要求。二、熱處理的工序位置1.預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理包括退火、正火、調(diào)質(zhì)處理等。退火、正火的工序位置通常安排在毛坯生產(chǎn)之后、切削加工之前，以消除毛坯的內(nèi)應(yīng)力，均勻組織，改善切削加工性能，并為以后的熱處理做好組織準(zhǔn)備。對(duì)于精密零件，為了消除切削加工的殘余應(yīng)力，在半精加工以后還要安排去應(yīng)力退火。調(diào)質(zhì)處理工序一般安排在粗加工之后、精加工或半精加工之前，目的是獲得良好的綜合力學(xué)性能，為以后的熱處理做好組織準(zhǔn)備。調(diào)質(zhì)處理一般不安排在粗加工之前，以免表面調(diào)質(zhì)層在粗加工時(shí)大部分被切削，失去調(diào)質(zhì)處理的作用，這一點(diǎn)對(duì)于淬透性差的碳素鋼零件尤為重要。2.最終熱處理最終熱處理包括淬火、回火及表面熱處理等。零件經(jīng)這類熱處理后，獲得所需的使用性能，因其硬度較高，除磨削外，不宜再進(jìn)行其他形式的切削加工，故其工序位置一般安排在半精加工之后。有些零件性能要求不高，對(duì)其毛坯進(jìn)行退火、正火或調(diào)質(zhì)處理即可滿足使用要求，這時(shí)退火、正火或調(diào)質(zhì)處理也可作為最終熱處理。三、典型零件或工具的熱處理分析1.銼刀銼刀的加工工藝路線為:備料→鍛造→正火、球化退火→機(jī)械粗加工→銼身局部淬火、回火→機(jī)械精加工銼刀加工中熱處理工序的作用2.汽車變速齒輪加工工藝路線為:備料→鍛造→正火→機(jī)械加工→滲碳→淬火、低溫回火→噴丸→校正花鍵孔→磨齒汽車變速齒輪加工中熱處理工序的作用分析3.汽車傳動(dòng)齒輪軸加工工藝路線為:備料→鍛造→正火→機(jī)械粗加工→調(diào)質(zhì)處理→機(jī)械半精加工→花鍵齒廓和齒輪齒廓部分表面淬火、回火→精磨汽車傳動(dòng)齒輪軸加工中熱處理工序的作用分析第六章低合金鋼與合金鋼§6-1合金元素在鋼中的作用一、強(qiáng)化鐵素體大多數(shù)合金元素(除鉛外)都能溶于鐵素體，形成合金鐵素體。由于合金元素與鐵的晶格類型和原子半徑的差異會(huì)引起鐵素體的晶格畸變，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，因而會(huì)使合金鋼中鐵素體的強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性下降。有些合金元素對(duì)鐵素體韌性的影響與它們的含量有關(guān)，如Si<1.00%，Mn<1.50%時(shí)，鐵素體的韌性沒(méi)有下降，當(dāng)含量超過(guò)此值時(shí)，則韌性有下降的趨勢(shì);而鉻和鎳在適當(dāng)范圍內(nèi)(Cr≤2.0%，Ni≤5.0%)，在明顯強(qiáng)化鐵素體的同時(shí)，還可使鐵素體的韌性提高，從而提高合金鋼的強(qiáng)度和韌性。二、形成合金碳化物合金滲碳體錳、鉻、鉬、鎢等弱、中強(qiáng)碳化物形成元素傾向于形成合金滲碳體。合金滲碳體較滲碳體略穩(wěn)定，硬度也略高，但明顯提高低合金鋼的強(qiáng)度。2.特殊碳化物釩、鈮、鈦等強(qiáng)碳化物形成元素能與碳形成特殊碳化物。特殊碳化物比合金滲碳體具有更高的熔點(diǎn)、硬度和耐磨性，而且更穩(wěn)定，不易分解。當(dāng)鋼中的特殊碳化物呈彌散分布時(shí)，將顯著提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，而不降低其韌性。三、細(xì)化晶粒幾乎所有的合金元素都有抑制鋼在加熱時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。強(qiáng)碳化物形成元素鈮、釩、鈦等形成的碳化物，以及鋁(Al)在鋼中形成的AlN和Al2O3，均能強(qiáng)烈地阻礙奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，使合金鋼在熱處理后獲得比碳素鋼更細(xì)的晶粒。四、提高鋼的淬透性除鈷外，所有的合金元素溶解于奧氏體后，均可增加過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，推遲其向珠光體的轉(zhuǎn)變，使C形曲線右移，從而減小鋼的淬火臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。常用的提高淬透性的合金元素主要有鉬、錳、鉻、鎳和硼等，如微量的硼(0.0005%~0.003%)能明顯提高鋼的淬透性。五、提高鋼的回火穩(wěn)定性淬火鋼在回火時(shí)抵抗軟化的能力稱為鋼的回火穩(wěn)定性。合金鋼在回火過(guò)程中，由于合金元素的阻礙作用，使馬氏體不易分解，碳化物不易析出，即使析出后也不易聚集長(zhǎng)大，從而保持較大的彌散度，所以鋼在回火過(guò)程中硬度下降較慢。與碳素鋼相比，在相同的回火溫度下，合金鋼比相同含碳量的碳素鋼具有更高的硬度和強(qiáng)度。在強(qiáng)度要求相同的條件下，合金鋼可在更高的溫度下回火，以充分消除內(nèi)應(yīng)力，使其韌性更好。高的回火穩(wěn)定性使鋼在較高溫度下仍能保持高硬度和高耐磨性。金屬材料在高溫下保持高硬度的能力稱為紅硬性，這種性能對(duì)一些工具鋼具有重要意義?！?-2低合金鋼與合金鋼的分類和牌號(hào)一、低合金鋼與合金鋼的劃分低合金鋼與合金鋼是按所含合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)劃分的。低合金鋼與合金鋼合金元素規(guī)定含量界限值（摘自GB/T13304.1—2008）二、低合金鋼的分類(GB/T13304.2—2008)1.按質(zhì)量等級(jí)分類(1)普通質(zhì)量低合金鋼(2)特殊質(zhì)量低合金鋼(3)優(yōu)質(zhì)低合金鋼2.按主要性能及使用特性分類

低合金鋼按主要性能及使用特性分類，可分為可焊接的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、低合金耐候鋼、低合金鋼筋鋼、鐵道用低合金鋼、礦用低合金鋼和其他低合金鋼。三、合金鋼的分類(GB/T13304.2—2008)1.按質(zhì)量等級(jí)分類(1)優(yōu)質(zhì)合金鋼(2)特殊質(zhì)量合金鋼2.按主要性能及使用特性分類(1)工程結(jié)構(gòu)用合金鋼(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)用合金鋼(3)不銹、耐腐蝕和耐熱鋼(4)工具鋼(5)軸承鋼(6)特殊物理性能鋼(7)其他如焊接用合金鋼等。四、低合金鋼與合金鋼的牌號(hào)低合金鋼與合金鋼的牌號(hào)表示方法（摘自GB/T221—2008）專用結(jié)構(gòu)鋼的用途、特性和工藝方法表示符號(hào)見(jiàn)下表：專用結(jié)構(gòu)鋼的用途、特性和工藝方法表示符號(hào)（摘自GB/T221—2008）五、鋼鐵及合金牌號(hào)統(tǒng)一數(shù)字代號(hào)體系(GB/T17616—2013)鋼鐵及合金牌號(hào)統(tǒng)一數(shù)字代號(hào)體系，簡(jiǎn)稱“ISC”，它規(guī)定了鋼鐵及合金產(chǎn)品統(tǒng)一數(shù)字代號(hào)的編制原則、結(jié)構(gòu)、分類、管理及體系表等內(nèi)容。統(tǒng)一數(shù)字代號(hào)的組成§6-3低合金鋼低合金鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入了少量(一般總合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)3%)的合金元素而得到的。由于合金元素的強(qiáng)化作用，低合金鋼比碳素結(jié)構(gòu)鋼(含碳量相同)的強(qiáng)度要高得多，并且具有良好的塑性、韌性、耐腐蝕性和焊接性能。低合金鋼廣泛用于制造工程構(gòu)件。低合金鋼的應(yīng)用一、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的主要力學(xué)性能及應(yīng)用（摘自GB/T1591—2018）續(xù)表二、低合金耐候鋼低合金耐候鋼是在低碳非合金鋼的基礎(chǔ)上加入少量銅、鉻、鎳等合金元素，使鋼表面形成一層保護(hù)膜的鋼。為了進(jìn)一步改善耐候鋼的性能，還可再添加微量的鈮、釩、鈦、鉬、鋯等其他能增強(qiáng)耐大氣腐蝕性能的合金元素。低合金耐候鋼的牌號(hào)及應(yīng)用三、低合金專用鋼1.汽車用低合金鋼它是在低碳鋼中，通過(guò)單一或復(fù)合添加鈮、鈦、釩等微合金元素，形成碳氮化合物粒子進(jìn)行強(qiáng)化，同時(shí)通過(guò)微合金元素的細(xì)化晶粒作用，獲得較高的強(qiáng)度。2.鍋爐、壓力容器用低合金鋼壓力容器絕大多數(shù)由鋼板拼焊而成，在制造過(guò)程中壓力容器鋼板要經(jīng)受冷、熱加工，所以要求壓力容器鋼板具有良好的工藝性能，并且具有一定強(qiáng)度和足夠的韌性，以保證在正常工作條件下承受外載荷而不發(fā)生脆性破壞。3.鐵道用低合金鋼鐵道用低合金鋼主要用于制造鐵路鋼軌、鐵路用輾鋼整體車輪等。4.礦用低合金鋼礦用低合金鋼主要用于制造煤機(jī)、礦用結(jié)構(gòu)件等?！?-4合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼主要指機(jī)械結(jié)構(gòu)用合金鋼，它主要用于制造機(jī)械零件，如軸、連桿、齒輪、彈簧、軸承等。一、合金滲碳鋼合金滲碳鋼經(jīng)滲碳+淬火+低溫回火的典型熱處理后，便具有“外硬內(nèi)韌”的性能，用于制造既具有優(yōu)良的耐磨性和耐疲勞性，又能承受沖擊載荷的零件。合金滲碳鋼的應(yīng)用常用合金滲碳鋼的牌號(hào)、熱處理工藝、力學(xué)性能及用途續(xù)表二、合金調(diào)質(zhì)鋼合金調(diào)質(zhì)鋼用于制造一些受力較復(fù)雜的，要求具有良好的綜合力學(xué)性能的重要結(jié)構(gòu)件。受力較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件常用合金調(diào)質(zhì)鋼的牌號(hào)、熱處理工藝、力學(xué)性能及用途續(xù)表三、合金彈簧鋼合金彈簧鋼的含碳量一般為0.45%~0.70%。若含碳量過(guò)高，則塑性和韌性降低，疲勞極限也會(huì)下降。合金彈簧鋼中可加入的合金元素有錳、硅、鉻、釩和鎢等。加入硅、錳主要是提高鋼的淬透性，同時(shí)提高鋼的彈性極限，其中硅的作用最為突出。但硅元素含量過(guò)高易使鋼在加熱時(shí)脫碳，錳元素含量過(guò)高則易使鋼產(chǎn)生過(guò)熱。因此，重要用途的彈簧鋼必須加入鉻、釩、鎢等，它們不僅使鋼材具有更高的淬透性，不易過(guò)熱，而且可在高溫下保持足夠的強(qiáng)度和韌性。常用合金彈簧鋼的牌號(hào)、熱處理工藝、力學(xué)性能及用途（摘自GB/T1222—2016）四、滾動(dòng)軸承鋼滾動(dòng)軸承鋼主要用于制造各種滾動(dòng)軸承的內(nèi)、外圈及滾動(dòng)體。滾動(dòng)軸承及構(gòu)件常用滾動(dòng)軸承鋼的牌號(hào)、熱處理工藝及用途（摘自GB/T18254—2016）§6-5合金工具鋼合金工具鋼按用途可分為合金刃具鋼、合金模具鋼和合金量具鋼。一、合金刃具鋼合金刃具鋼主要用于制造車刀、銑刀、鉆頭等各種金屬切削刀具。合金刃具鋼要求具有高硬度、高耐磨性、高熱硬性及足夠的強(qiáng)度和韌性等。合金刃具鋼的應(yīng)用1.低合金刃具鋼常用低合金刃具鋼的牌號(hào)、主要化學(xué)成分、熱處理工藝及用途（摘自GB/T1299—2014）2.高速鋼高速鋼是一種具有高紅硬性、高耐磨性和足夠強(qiáng)度的合金工具鋼。鋼中含有較多的碳(0.7%~1.5%)和大量的鎢、鉻、釩、鉬等強(qiáng)碳化物形成元素。高速鋼常用于制造切削速度較高的刀具(如車刀、銑刀、鉆頭等)和形狀復(fù)雜、載荷較大的成形刀具(如齒輪銑刀、拉刀等)。高速鋼成形刀具常用高速鋼的牌號(hào)、主要化學(xué)成分、熱處理工藝及用途（摘自GB/T9943—2008）續(xù)表二、合金模具鋼1.冷作模具鋼冷作模具鋼用于制造使金屬在冷狀態(tài)下變形的模具，如沖裁模、拉絲模、彎曲模、拉深模等。沖裁模2.熱作模具鋼熱作模具鋼用于制造使金屬在高溫下成形的