第五章鋼的熱處理

1、第五章第五章 鋼的熱處理鋼的熱處理 鋼的熱處理o前 言 o第一節(jié) 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 o第二節(jié) 鋼的冷卻轉(zhuǎn)變 o第三節(jié) 鋼的普通熱處理 o第四節(jié) 鋼的表面熱處理 前 言 o什么叫鋼的熱處理 o常見(jiàn)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、保溫加熱、保溫和冷卻冷卻，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 溫度時(shí) 間 (h, ， min)850爐 冷空 冷油 冷600組 織圖5-1常見(jiàn)的熱處理方法第一節(jié)第一節(jié) 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 o一、奧氏體化前的組織 o二、奧氏體的形成溫度與Fe- Fe3C狀態(tài)圖的關(guān)系 o三三、共析鋼奧

2、氏體的形成過(guò)程 o四、亞共析鋼和過(guò)共析鋼的奧氏體形成過(guò)程 o五、影響奧氏體形成速度的因素 o六、奧氏體晶粒大小及其影響因素 一、奧氏體化前的組織o我們只考慮比較簡(jiǎn)單的情況即奧氏體化前的組織為平衡組織的情況。 對(duì)于亞共析鋼 F+P 共 析 鋼 P 過(guò)共析鋼 Fe3C+P 二、奧氏體的形成溫度與Fe- Fe3C狀態(tài)圖的關(guān)系o 對(duì)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；o對(duì)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。o這個(gè)溫差叫滯后度。加熱轉(zhuǎn)變 過(guò)熱度， 冷卻轉(zhuǎn)變 過(guò)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(guò)冷度越大。此外，過(guò)熱度與過(guò)冷度的增大會(huì)

3、導(dǎo)致相變驅(qū)動(dòng)力的增大，從而使相變?nèi)菀装l(fā)生。 鋼在加熱和冷卻時(shí)的相變臨界點(diǎn) 圖5-2 實(shí)際相變溫度與理論轉(zhuǎn)變溫度之間的關(guān)系 三三、共析鋼奧氏體的形成過(guò)程 1.奧氏體晶核的形成2.奧氏體晶核的長(zhǎng)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(guò)程示意圖 A 形核形核A 長(zhǎng)大長(zhǎng)大殘余殘余Fe3C溶解溶解A 均勻化均勻化圖5-3四、亞共析鋼和過(guò)共析鋼的奧氏體形成過(guò)程o 亞共析鋼和過(guò)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(guò)程是先完成珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，然后再進(jìn)行先共析相的溶解。這個(gè)PA的轉(zhuǎn)變過(guò)程同共析鋼相同，也是經(jīng)過(guò)前面的四個(gè)階段。o 對(duì)于亞共析鋼，平衡組織F+P，當(dāng)加熱到AC1以

4、上溫度時(shí)，PA，在AC1AC3的升溫過(guò)程中，先共析的F逐漸溶入A，同樣，對(duì)于過(guò)共析鋼，平衡組織是Fe3C+P，當(dāng)加熱到AC1以上時(shí)，PA，在AC1ACCM的升溫過(guò)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(guò)熱度越大，相變驅(qū)動(dòng)力也越大；同時(shí)由于奧氏體化溫度高，原子擴(kuò)散速度也加快，提高形核與長(zhǎng)大的速度，從而加快奧氏體的形成。2. 化學(xué)成分的影響o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。o鋼中的合金元素不改變奧氏體的形成過(guò)程，但能影響奧氏體的形成速度。因?yàn)楹辖鹪啬芨淖?/p>

5、鋼的臨界點(diǎn)，并影響碳的擴(kuò)散速度，且它自身也存在擴(kuò)散和重新分布的過(guò)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(shí)間也較長(zhǎng)。3. 原始組織的影響o鋼中原始珠光體越細(xì)，其片間距越小，相界面越多，越有利于形核，同時(shí)由于片間距小，碳原子的擴(kuò)散距離小，擴(kuò)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 o奧氏體的晶粒度及其分類 n起始晶粒度 n實(shí)際晶粒度 n本質(zhì)晶粒度 o影響奧氏體晶粒大小的主要因素n加熱溫度和保溫時(shí)間n鋼的化學(xué)成分 標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級(jí)圖5-4 晶粒度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際晶粒度o鋼在加熱時(shí)所獲得的實(shí)際奧氏體

6、晶粒的大小o實(shí)際晶粒度決定鋼的性能。 本質(zhì)晶粒度 o鋼加熱到93010、保溫8小時(shí)、冷卻后測(cè)得的晶粒度 o表示鋼在加熱時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向o本質(zhì)細(xì)晶粒鋼 o本質(zhì)粗晶粒鋼 本質(zhì)細(xì)晶粒鋼M和本質(zhì)粗晶粒鋼K晶粒長(zhǎng)大示意圖 圖5-5第二節(jié)第二節(jié) 鋼的冷卻轉(zhuǎn)變鋼的冷卻轉(zhuǎn)變 o一、過(guò)冷奧氏體 o二、在冷卻轉(zhuǎn)變時(shí)，相變溫度對(duì)轉(zhuǎn)變速度的影響 o三、過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線 o四、過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物的組織和性能 o五、過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線 冷卻方式 o連續(xù)冷卻 o等溫冷卻 圖5-6 冷卻方式示意圖一、過(guò)冷奧氏體 高溫時(shí)所形成的奧氏體冷卻到A1點(diǎn)以下尚未發(fā)生轉(zhuǎn)變的奧氏體 。 二、在冷卻轉(zhuǎn)變時(shí)，相變溫度

7、對(duì)轉(zhuǎn)變速度的影響 A1Dtn轉(zhuǎn)變速率驅(qū)動(dòng)力A1以下的冷卻速度溫度Ms后面會(huì)知道是Ms驅(qū)動(dòng)力擴(kuò)散系數(shù)D轉(zhuǎn)變速率圖5-7 相變溫度對(duì)轉(zhuǎn)變速度的影響示意圖 三、過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線300 2101001 10200Ms 610 510 310時(shí) 間 （ s） 410700溫度500400550600Ar圖5-8 共析碳鋼過(guò)冷共析碳鋼過(guò)冷A A等溫曲線的建立等溫曲線的建立圖5-9四、過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物的組織和性能過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物的組織和性能 o珠光體轉(zhuǎn)變 o貝氏體轉(zhuǎn)變 o馬氏體的組織與形態(tài) 珠光體轉(zhuǎn)變珠光體轉(zhuǎn)變 o轉(zhuǎn)變過(guò)程 o組織與性能特征 珠光體形成示意圖珠光體形成示意圖 F e3C

8、F e3CF e3C PF圖5-10珠光體珠光體組織特征圖組織特征圖 (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 o轉(zhuǎn)變過(guò)程 o組織特征與性能 貝氏體形成示意圖B上上 =過(guò)飽和碳過(guò)飽和碳 -Fe條狀條狀 + Fe3C細(xì)條狀細(xì)條狀過(guò)飽和碳過(guò)飽和碳-Fe條狀條狀 Fe3C細(xì)條狀細(xì)條狀羽毛狀羽毛狀圖5-12B下下 =過(guò)飽和碳過(guò)飽和碳 -Fe針葉狀針葉狀 + Fe3C細(xì)片狀細(xì)片狀過(guò)飽和碳過(guò)飽和碳 -Fe針葉狀針葉狀Fe3C細(xì)片狀細(xì)片狀針葉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上貝氏體組織金相圖圖5-15下貝氏組織特征圖 圖5-16

9、下貝氏體組織金相圖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高碳針片狀馬氏體組織金相圖圖5-19過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線 300100110200Ms 610 510 310時(shí)間（s） 210 410700溫度500400600A1AA1VKVKM+AP+M+ATTTPCCTKPSPf圖5-20第三節(jié)第三節(jié) 鋼的普通熱處理鋼的普通熱處理 o一、鋼的退火與正火 o二、鋼的淬火 o三、鋼的回火 一、鋼的退火與正火o鋼的退火n完全退火n等溫退火 n球化退火（不完全退火）n去應(yīng)力退火o鋼的正火 o退火

10、和正火的選擇 完全退火o加熱溫度：Ac3以上20-30度o組織：P+Fo目的：o細(xì)化，均勻化粗大、不均勻組織o接近平衡組織調(diào)整硬度切削性o消除內(nèi)應(yīng)力o應(yīng)用范圍：亞共折鋼，共析鋼，不適用于過(guò)共析鋼。等 溫 退 火o加熱溫度：Ac1以上10-20度，或Ac3以上30-50度o組織：Po目的：o與完全退火、球化退火相同o更均勻的組織和硬度o顯著縮短生產(chǎn)周期o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）o加熱溫度：Ac1以上20-40度o應(yīng)用范圍：過(guò)共析鋼，共析鋼o組織：球狀P（F+球狀FeC3）o目的：o使FeC3球化HRC，韌性切削性o為淬火作準(zhǔn)備T10鋼球化退火組織 ( 化染

11、) 500 圖5-21過(guò)共析鋼球化退火組織過(guò)共析鋼球化退火組織退火和正火的選擇 o（1）從切削加工性上考慮o切削加工性又包括硬度，切削脆性，表面粗糙度及對(duì)刀具的磨損等。o一般金屬的硬度在HB170230范圍內(nèi)，切削性能較好。高于它過(guò)硬，難以加工，且刀具磨損快；過(guò)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?jiàn)，對(duì)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。o（2）從使用性能上考慮o如工件性能要求不太

12、高，隨后不再進(jìn)行淬火和回火，那么往往用正火來(lái)提高其機(jī)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(xiǎn)，應(yīng)采用退火。o（3）從經(jīng)濟(jì)上考慮o正火比退火的生產(chǎn)周期短，耗能少，且操作簡(jiǎn)便，故在可能的條件下，應(yīng)優(yōu)先考慮以正火代替退火。 二二、鋼的淬火、鋼的淬火 o1.淬火的目的 o2.鋼的淬火工藝 o3.鋼的淬透性 1.淬火的目的淬火的目的 為了獲取組織，它是強(qiáng)化鋼材最主要的熱處理方法。 2.2.鋼的淬火工藝鋼的淬火工藝o淬火加熱溫度的選擇 o淬火冷卻介質(zhì) o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 時(shí) 間 (t)Mf溫度( )MsA1圖5-23淬火方法淬火方法 o單

13、液淬火法單液淬火法 o雙液淬火法雙液淬火法 o馬氏體分級(jí)淬火法馬氏體分級(jí)淬火法 o貝氏體等溫淬火法貝氏體等溫淬火法時(shí)間時(shí)間溫度MsA1單液淬火單液淬火雙液淬火雙液淬火分級(jí)淬火分級(jí)淬火等溫淬火等溫淬火圖5-243.3.鋼的淬透性 o淬透性的概念 o淬透性表示的是鋼在淬火時(shí)所能得到的淬硬層深度 o淬硬性指的是鋼在淬火能達(dá)到的最高硬度。o影響淬透性的因素 n化學(xué)成分 n奧氏體化溫度 n淬透性的表示方法及應(yīng)用 鋼的淬透性曲線 距水冷端距離? 25? 25水100淬透性曲線硬度HRC圖5-25淬透性不同的鋼調(diào)質(zhì)后機(jī)械性能 a) 全淬透 b) 未淬透未淬透鋼未淬透鋼淬透鋼淬透鋼圖5-26三、鋼的回火 o1

14、.什么是鋼的回火及回火的目的 o2.淬火鋼在回火時(shí)組織和性能的變化 o3.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(diǎn)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(qiáng)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(jìn)一步變形、開(kāi)裂。 鋼淬火后一般都必須進(jìn)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(shí)組織和性能的變化o1.淬火鋼回火時(shí)組織的變化o80200，發(fā)生馬氏體的分解 o200300發(fā)生殘余奧氏體分解 o250400，馬氏體分解完成

15、 o400以上回復(fù)與再結(jié)晶o2.淬火鋼回火時(shí)性能的變化3.回火的方法及應(yīng)用 o（1）低溫回火o回火溫度范圍150250。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。o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(dòng)軸承及滲碳和表面淬火的零件，回火后的硬度一般為HRC 58-64。o（2）中溫回火o回火溫度范圍為350500，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。o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。o（3）高溫回火o回火溫度范圍為500650，回火后的組織為回火索氏體，其硬度HRC

16、25-35，具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和足夠的塑性和韌性。o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(dòng)的結(jié)構(gòu)零件，如軸、連桿、螺栓等。o淬火后高溫回火稱調(diào)質(zhì)處理。o應(yīng)用：在沖擊負(fù)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)第四節(jié) 鋼的表面熱處理鋼的表面熱處理 o一、鋼的表面淬火 o二、鋼的化學(xué)熱處理o三、表面處理的具體工藝 o四、鋼的化學(xué)熱處理具體工藝 一、鋼的表面淬火o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(lái)的組織。應(yīng)用：中碳鋼和中碳低合金鋼o表面淬火特點(diǎn) a. 加熱速度快 (幾秒幾十秒) b. 加熱時(shí)實(shí)際晶

17、粒細(xì)小，淬火得到極細(xì)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o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 o鋼的滲碳 n氣體滲碳 n固體滲碳 o鋼的氮化 o碳氮共滲 三、表面處理的具體工藝o火焰加熱表面淬火 o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感應(yīng)加熱表面淬火示意圖集膚效應(yīng)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 o什么是化學(xué)熱處理什么是化學(xué)熱處理 o鋼制工件放置于某種介質(zhì)中，通過(guò)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(jī)械性能。 o鋼的滲碳鋼的滲碳o(jì)滲